(57)【要約】【課題】磁気抵抗変化率が高く、且つ外部磁場に対して自由磁化層の磁化が変化しやすい強磁性トンネル接合素子を提供する。【解決手段】少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、前記第１の自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記第１の自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層とを有することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。【選択図】図１
2009099741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記第１の自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記第１の自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
【請求項２】
前記第２の自由磁化層が非晶質であることを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項３】
前記第１の強磁性材料がコバルト原子及び鉄原子を含むことを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項４】
前記第２の自由磁化層の保磁力が、前記第１の自由磁化層の保磁力よりも小さい請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項５】
前記第２の強磁性材料がニッケル原子及び鉄原子を含むことを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
【請求項６】
基板の上に、反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と、
前記ピニング層の上に、該ピニング層との交換相互作用により少なくとも一部の磁化方向が固定された強磁性材料からなる固定磁化層を形成する工程と、
前記固定磁化層の上に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の上に、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層を形成する工程と、
前記第１の自由磁化層の上に、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層を形成する工程と、
前記支持基板から第２の自由磁化層までの積層構造体を磁場中に配置して、２５０〜３５０℃の温度条件下、熱処理を行う工程と
を有する強磁性トンネル接合素子の製造方法。
【請求項７】
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子
を備える磁気ヘッド。
【請求項８】
情報の記録及び再生を行うための磁気記憶媒体と、該磁気記憶媒体へ情報を記録する又は該磁気記憶媒体の情報を再生するために該磁気記憶媒体に対向するように配置されたヘッドスライダとを備える磁気記憶装置において、
前記ヘッドスライダが、
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッドと
を含んでなることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項９】
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子と、
前記強磁性トンネル接合素子に磁界を印加して、前記第1の自由磁化層及び第2の自由磁化層の各々磁化を所定の方向に向ける書き込み手段と、
前記強磁性トンネル接合素子にセンス電流を供給してトンネル抵抗値を検出する読出手段と
を備える磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界に応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子である強磁性トンネル接合素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性金属／絶縁層／強磁性金属の構造を有し、且つ絶縁層がトンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するものは強磁性トンネル接合と呼ばれる。尚、「／」は、その両側の材料又は層が積層されていることを表すものとし、以下同様とする。強磁性トンネル接合においては、トンネル確率（トンネル抵抗）が、両側の磁性層の磁化状態に依存することが知られている。つまり磁場によって強磁性金属の磁化状態をコントロールすることにより、トンネル抵抗をコントロールできる。強磁性トンネル接合の構造として、一般に、外部磁場の影響を受けにくい固定磁化層と、外部磁場の影響を受けることにより磁化が容易に反転可能である自由磁化層とにより上記絶縁層を挟んだ、固定磁化層／絶縁層／自由磁化層の構造が挙げられる。
【０００３】
強磁性トンネル接合のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果や巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果よりも大きい。このため、強磁性トンネル接合素子を用いた磁気ヘッドは、高分解能な磁気記録再生に有効であると期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
例えば、絶縁層に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用い、強磁性層に単結晶の鉄（Ｆｅ）を用いたＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／Ｆｅ（００１）積層体を有する強磁性トンネル接合素子が提案されている（非特許文献１参照）。この強磁性トンネル接合素子が、室温において、２００％以上の磁気抵抗変化率（ＭＲ  ｒａｔｉｏ：ＭＲ比）を示すことが報告されている。ＭｇＯを用いた強磁性トンネル接合は、特に大きな出力を得ることができるために、磁気ヘッド等の有望な材料として期待されている。
【０００５】
ＭｇＯを絶縁層の材料とした強磁性トンネル接合においては、自由磁化層としてＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢを界面に用いることが一般的である。磁気抵抗変化率の観点からはＣｏＦｅＢの方がより一定の外部磁場に対してより大きな抵抗変化が得られる。しかし、自由磁化層が単層膜の強磁性トンネル接合は、軟磁気特性が良くない（保磁力が大きい）。このため、微弱な外部磁場は、自由磁化層の磁化を変化させることができず、抵抗変化を生じさせることができないという問題がある。そこで、ＣｏＦｅＢ層の上にＮｉＦｅ等の軟磁気特性の良好な膜が積層されることが多い。
【０００６】
しかしながらこのように軟磁気特性の良好な膜を積層すると、その膜を積層しない場合に比べて磁気抵抗変化率が大きく低減してしまうという問題があった。特にＣｏＦｅＢでは積層の影響が著しい。実用的な観点からは、現状、トンネル抵抗が３Ωμｍ２の場合の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）は６０％以上が求められているが、軟磁気特性が良好な膜を自由磁化層上に積層した接合構造においてはその実現が困難だった。
【特許文献１】特許第２８７１６７０号公報
【非特許文献１】Ｙｕａｓａ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓｖｏｌ．３  （２００４）  ｐ．８６８−ｐ．８７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、磁気抵抗変化率が高く、且つ外部磁場に対して自由磁化層の磁化が変化しやすい強磁性トンネル接合素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によると、
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記第１の自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記第１の自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有することを特徴とする強磁性トンネル接合素子が提供される。
【０００９】
好ましくは、更に前記第２の強磁性材料のうち少なくとも一部が非晶質である。
【００１０】
好ましくは、更に前記第１の強磁性材料がコバルト原子及び鉄原子を含む。
【００１１】
好ましくは、更に前記第２の自由磁化層の保磁力が、前記第１の自由磁化層の保磁力よりも小さい。
【００１２】
好ましくは、更に前記第２の強磁性材料がニッケル原子及び鉄原子を含む。
【００１３】
本発明の他の側面によると、
基板の上に、反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と、
前記ピニング層の上に、該ピニング層との交換相互作用により少なくとも一部の磁化方向が固定された強磁性材料からなる固定磁化層を形成する工程と、
前記固定磁化層の上に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の上に、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層を形成する工程と、
前記第１の自由磁化層の上に、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層を形成する工程と、
前記支持基板から第２の自由磁化層までの積層構造体を磁場中に配置して、２５０〜３５０℃の温度条件下、前記ピニング層の規則化熱処理を行う工程と
を有する強磁性トンネル接合素子の製造方法が提供される。
【００１４】
本発明の更に他の側面によると、
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子
を備える磁気ヘッドが提供される。
【００１５】
本発明の更に他の側面によると、
情報の記録及び再生を行うための磁気記憶媒体と、該磁気記憶媒体へ情報を記録する又は該磁気記憶媒体の情報を再生するために該磁気記憶媒体に対向するように配置されたヘッドスライダとを備える磁気記憶装置において、
前記ヘッドスライダが、
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッドと
を含んでなることを特徴とする磁気記憶装置が提供される。
【００１６】
本発明の更に他の側面によると、
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子と、
前記強磁性トンネル接合素子に磁界を印加して、前記第1の自由磁化層及び第２の自由磁化層の各々磁化を所定の方向に向ける書き込み手段と、
前記強磁性トンネル接合素子にセンス電流を供給してトンネル抵抗値を検出する読出手段と
を備える磁気メモリ装置が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の強磁性トンネル接合素子によれば、軟磁気特性が高い第２の自由磁化層は、含有されているホウ素原子の存在により非晶質である。この第２の自由磁化層は、高い磁気抵抗変化率を発現可能な第１の自由磁化層の結晶構造を変化させにくい。このような強磁性トンネル接合素子は、磁気抵抗変化率が高く、且つ外部磁場に対して自由磁化層の磁化が変化しやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の強磁性トンネル接合素子は、
磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記第１の自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記第１の自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有することを特徴とする。
【００１９】
図１Ａ及び図１Ｂに、それぞれ本発明の強磁性トンネル接合素子の第１の実施形態による強磁性トンネル接合素子の断面図及び平面図を示す。図１Ｂの一点鎖線１Ａ−１Ａにおける断面図が図１Ａに対応する。
【００２０】
図１Ａに示すように、Ｓｉ上にＳｉＯ２膜が形成された支持基板１０の上に、ＮｉＦｅからなる導電層１２が形成されている。支持基板１０として、その他の材料、例えばＡｌＴｉＣ等のセラミック材料、石英ガラス等を用いることも可能である。導電層１２の表面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化されている。導電層１２の一部の領域上に、円柱状の強磁性トンネル接合素子４０が形成されている。
【００２１】
強磁性トンネル接合素子４０は、第１の下地層１３、第２の下地層１４、ピニング層１８、第１の固定磁化層（ピンド層）２０、非磁性結合層２１、第２の固定磁化層（ピンド層）２２、絶縁層（バリア層）２５、第１の自由磁化層（フリー層）３０、第２の自由磁化層（フリー層）３２、第１のキャップ層３５、及び第２のキャップ層３６がこの順番に積層されて構成される。
【００２２】
第１の下地層１３は、Ｔａで形成されており、その厚さは約５ｎｍである。第１の下地層１３を、ＣｕまたはＡｕで形成してもよいし、これらの材料からなる層の積層体としてもよい。第２の下地層１４は、Ｒｕで形成されており、その厚さは約２ｎｍである。
【００２３】
ピニング層１８は、ＩｒＭｎで形成されており、その厚さは約７ｎｍである。なお、ピニング層１８は、ＩｒＭｎ以外の反強磁性材料、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、及びＲｈからなる群より選択された少なくとも１つの元素とＭｎとの合金で形成してもよい。ピニング層１８の厚さは、５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内にすることが好ましく、１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内にすることがより好ましい。ピニング層１８は、成膜後に磁場中で熱処理を行うことにより、規則化されており、反強磁性が出現している。
【００２４】
第１の固定磁化層２０は、原子量比が７４％のＣｏ及び原子量比が２６％のＦｅ（Ｃｏ７４Ｆｅ２６）で形成されており、その厚さは、例えば２ｎｍである。なお、本明細書において、元素記号の右側に記載された数字はその元素の原子量比を意味するものとする。例えば、原子量比が７４％のＣｏと原子量比が２６％のＦｅから形成される化合物をＣｏ７４Ｆｅ２６と表現する。非磁性結合層２１は、Ｒｕで形成されており、その厚さは、例えば０．８ｎｍである。第２の固定磁化層２２は、Ｃｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０で形成されており、その厚さは、例えば２ｎｍである。第１の固定磁化層２０の磁化方向は、ピニング層１８との交換相互作用により、所定の方向に固定される。すなわち、第１の固定磁化層２０は、外部磁場が印加されても、その磁場強度が交換相互作用よりも弱い範囲であれば、磁化方向が変化しない。第１の固定磁化層２０と第２の固定磁化層２２とは、非磁性結合層２１を介して反強磁性的に交換結合する。
【００２５】
非磁性結合層２１の厚さは、第１の固定磁化層２０と第２の固定磁化層２２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であり、好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍである。第１の固定磁化層２０及び第２の固定磁化層２２は、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＦｅのうちいずれか１つを含む強磁性材料で形成してもよい。非磁性結合層２１は、Ｒｕ以外に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料で形成してもよい。Ｒｕ系合金の例として、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＭｎからなる群より選択された少なくとも１つの元素とＲｕとの合金が挙げられる。
【００２６】
第１の固定磁化層２０の磁化方向と、第２の固定磁化層２２の磁化方向とが反平行になるため、第１及び第２の固定磁化層２０、２２からの正味の漏洩磁場の強度が低下する。このため、漏洩磁場が、第１及び第２の自由磁化層３０、３２の磁化方向を変化させてしまうという悪影響が抑制される。これにより、第１及び第２の自由磁化層３０、３２の磁化が、磁気記録媒体からの漏洩磁場に正確に反応でき、磁気記録媒体に記録されている磁化の検出精度が向上する。
【００２７】
絶縁層２５は、ＭｇＯで形成されており、その厚さは、例えば１．０ｎｍである。絶縁層２５を形成するＭｇＯは結晶質であることが好ましく、特に、ＭｇＯの（００１）面が、基板面にほぼ平行になるように配向していることが好ましい。ここで、「（００１）」は、単結晶の（００１）面が基板面に平行に配向していることを意味する。また、絶縁層２５の厚さは、その膜質が良好な観点から、０．７ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲内とすることが好ましい。なお、絶縁層２５を、ＭｇＯ以外に、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｒＯｘ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ等で形成してもよい。絶縁層２５をＭｇＯ以外の材料で形成する場合には、その厚さを０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲内とすることが好ましく、０．７ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内とすることがより好ましい。
【００２８】
第１の自由磁化層３０は、非晶質の強磁性材料であるＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０で形成され、その厚さは、約２ｎｍである。第１の自由磁化層３０を非晶質にさせやすいという観点から、Ｂの濃度を１２原子％〜２４原子％の範囲内とすることが好ましい。第１の自由磁化層３０が非晶質の強磁性トンネル接合素子は、磁気抵抗変化率が大きいことが知られている。なお、第１の自由磁化層３０を、ＣｏＦｅＢの他に、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加された軟磁性材料で形成してもよい。
【００２９】
第２の自由磁化層３２は、Ｎｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０で形成され、その厚さは、例えば４ｎｍである。第２の自由磁化層３２は、第１の自由磁化層３０よりも保磁力の小さな軟磁性材料で形成される。第２の自由磁化層３２の材料の例として、ＮｉＦｅの他に、ＣｏＮｉＦｅが挙げられる。なお、第２の自由磁化層３２を、ＮｉＦｅＢのほかに、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加された軟磁性材料で形成してもよい。
【００３０】
強磁性トンネル接合の構造として、一般に、固定磁化層と自由磁化層とにより上記絶縁層を挟んだ、固定磁化層／絶縁層／自由磁化層の構造が挙げられる。尚、「／」は、その両側の材料又は層が積層されていることを表すものとする。固定磁化層は、反強磁性層と絶縁層の間に位置して、絶縁層に接した部分の磁化状態が外部磁場により容易に変化しない層である。自由磁化層は、絶縁層に接しており、磁化方向が磁場により自由に変化する層のことをいう。固定磁化層には、本実施形態における第１の固定磁化層２０、非磁性結合層２１、第２の固定磁化層２２が含まれる。絶縁層には絶縁層２５が含まれる。自由磁化層には第１の自由磁化層３０及び第２の自由磁化層３２が含まれる。この場合の磁場（磁界）とは、自由磁化層が磁化状態を変えるのに充分な磁場であり、概ね数十Oe以上をいう。
【００３１】
ここで、強磁性トンネル接合について簡単に説明する。強磁性トンネル接合においては、トンネル確率（トンネル抵抗）が、両側の磁性層の磁化状態に依存することが知られている。つまり磁場によってトンネル抵抗をコントロールできる。磁化の相対角度をθとすると、トンネル抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｒｓ＋０．５ΔＲ（１−ｃｏｓθ）          （１）
表される。すなわち、両磁性層の磁化の角度がそろっているとき（θ＝０）にはトンネル抵抗が小さく（Ｒ＝Ｒｓ）、両磁性層の磁化が反対向き（θ＝１８０°）のときにはトンネル抵抗が大きくなる（Ｒ＝Ｒｓ＋ΔＲ）。
【００３２】
これは、強磁性体内部の電子が分極していることに起因する。電子は通常、上向きのスピン状態のもの（ｕｐ電子）と下向きのスピン状態のもの（ｄｏｗｎ電子）が存在するが、通常の非磁性金属内部の電子は、両電子は同数だけ存在するため、全体として磁性を持たない。一方、強磁性体内部の電子は、ｕｐ電子数（Ｎｕｐ）とｄｏｗｎ電子数（Ｎｄｏｗｎ）が異なるために、全体としてｕｐもしくはｄｏｗｎの磁性を持つ。
【００３３】
電子がトンネルする場合、これらの電子は、それぞれのスピン状態を保ったままトンネルすることが知られている。
【００３４】
したがって、トンネル先の電子状態に空きがあれば、トンネルが可能であるが、トンネル先の電子状態に空きがなければ、電子はトンネル出来ない。
トンネル抵抗の変化率は、下記式（２）のように電子源の分極率と、トンネル先の分極率の積で表される。
【００３５】
ΔＲ／Ｒｓ＝２×Ｐ１×Ｐ２／（１−Ｐ１×Ｐ２）          （２）
ここで、Ｐ１、Ｐ２は両磁性層の分極率であり、下記式（３）で表される。
【００３６】
Ｐ＝２（Ｎｕｐ−Ｎｄｏｗｎ）／（Ｎｕｐ＋Ｎｄｏｗｎ）          （３）
分極率Ｐについては、強磁性金属の種類に依存する。例えば、ＮｉＦｅ、Ｃｏ、ＣｏＦｅの分極率はそれぞれ０．３、０．３４、０．４６であり、その場合理論的には、それぞれ約２０％、２６％、５４％の磁気抵抗変化率が期待できる。
【００３７】
本実施形態の強磁性トンネル接合素子は、第１の自由磁化層３０と、保磁力の小さな第２の自由磁化層３２とが強磁性的に結合することにより、外部磁場の変化に対する感度（自由磁化層の磁化方向の変化のしやすさ）を向上させることができる。一般に、強磁性膜は、その保磁力が小さいほど、外部磁場の方向の変化に反応しやすくなる。第２の自由磁化層３２の保磁力が第１の自由磁化層３０の保磁力よりも小さいため、外部磁場の方向が変化すると、第１の自由磁化層３０の磁化方向の変化よりも先に、第２の自由磁化層３２の磁化方向が変化する。第１の自由磁化層３０は、第２の自由磁化層３２と強磁性的に交換結合しているため、第１の自由磁化層３０の磁化方向が、第２の自由磁化層３２の磁化方向の変化に追随して変化する。このため、第１の自由磁化層３０の磁化方向が、外部磁場の方向の変化の影響を受けやすくなる。第１の自由磁化層３０の磁化方向が磁気抵抗変化率に寄与するため、第２の自由磁化層３２を配置することにより、強磁性トンネル接合素子の外部磁場に対する素子の応答を早くすることができる。
【００３８】
また、本実施形態の強磁性トンネル接合素子の磁気抵抗変化率が高くなる理由は以下のように推測される。第２の自由磁化層３２はＢを含むことにより非晶質構造を有する。非晶質構造の第２の自由磁化層３２は、本実施形態の強磁性トンネル接合素子を構成する各層を形成した後に行われる熱処理時に第１の自由磁化層の化学構造に影響を及ぼしにくい。よって、固定磁化層／絶縁層／ホウ素原子を含有する第１の自由磁化層からなる強磁性トンネル接合が本来有する大きな磁気抵抗変化率が低下しにくい。
【００３９】
第２の自由磁化層がＢを含まない場合、第２の自由磁化層は結晶構造を有する固体物質、すなわち結晶質である。この結晶質が強磁性トンネル接合素子を構成する各層を形成した後に行われる熱処理時に第１の自由磁化層の化学構造に影響を及ぼすおそれがある。例えば第２の自由磁化層がＮｉ８０Ｆｅ２０で形成される場合、第２の自由磁化層は多結晶であり、その結晶構造はｆｃｃ（１１１）である。このような第２の自由磁化層を第１の自由磁化層に積層した強磁性トンネル接合は、第１の自由磁化層を構成する非晶質のＣｏＦｅＢが、熱処理時に第２の自由磁化層のｆｃｃ（１１１）構造に倣ってｆｃｃ（１１１）構造へと変化するおそれがある。絶縁層上に配置された（１１１）配向の自由磁化層を有する強磁性トンネル接合素子は、磁気抵抗変化率の点で劣ることが知られている。
【００４０】
本実施形態の強磁性トンネル接合素子における第２の自由磁化層は非晶質構造を有するが、この非晶質には微結晶質も含まれる。第１の自由磁化層３０及び第２の自由磁化層３２が微結晶質であっても、結晶質である場合に比べて、抵抗変化率の低下を抑制することが可能である。一般的に、非晶質と微結晶質とを明確に区別することは困難である。
【００４１】
例えば、トンネル接合素子の断面の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を観察して、第１の自由磁化層３０及び第２の自由磁化層３２内に明瞭な結晶格子像が観察できる場合には、第１の自由磁化層３０及び第２の自由磁化層３２は結晶質であるといえる。明瞭な結晶格子像が観察できない場合には、第１の自由磁化層３０及び第２の自由磁化層３２は、非晶質であるといえる。
【００４２】
また、例えば、第１の自由磁化層３０を構成するＣｏＦｅＢをＸ線回折（ＸＲＤ）法、例えばＸ線ディフラクトメータ（θ−２θ）法により解析した結果、得られる回折パターンに回折線が現れない場合には、第１の自由磁化層３０は、非晶質であるといえる。図２は、基板上に堆積させた結晶膜のＸＲＤ回折パターンの一例である。結晶膜はＣｏＦｅＢ（１１０）配向の合金膜であり、パターン（Ａ）はホウ素原子の配合比が１５原子％、パターン（Ｂ）はホウ素原子の配合比が１０原子％である。パターン（Ａ）は回折線が現れている例であり、パターン（Ｂ）は回折線が現れない例である。
【００４３】
第１及び第２の自由磁化層が非晶質であるために、ホウ素原子の含有量は１０原子％以上であることが好ましい。一方、ホウ素原子の含有量が多すぎると、ホウ素原子が不純物として働くことにより分極率の低下を引き起こし、ＭＲ比が低下するおそれがある点から、ホウ素原子の含有量は２５原子％以下であることが好ましい。
【００４４】
なお、第１の自由磁化層３０は絶縁層２５側の界面近傍の極薄い部分が結晶化していてもよい。例えば、絶縁層がＭｇＯ（００１）からなり、第１の自由磁化層がＣｏＦｅＢからなる強磁性トンネル接合素子の場合、強磁性トンネル接合素子の各層を積層する際に第１の自由磁化層は非晶質である。しかし、素子を構成する各層を形成した後に行われる熱処理時に第１の自由磁化層のＭｇＯ（００１）側の界面近傍のごく薄い部分は、通常、絶縁層の結晶構造に倣ってｂｃｃのＣｏＦｅ（００１）に再結晶化する。この結晶化した部分の存在によりトンネル電流が流れる。第１の自由磁化層３０の大部分が非晶質または微結晶質であれば、第１の自由磁化層がＣｏＦｅからなる場合に比べて抵抗変化率は十分高い。本発明の強磁性トンネル接合素子において、第１の自由磁化層のうち、結晶化している極薄い部分の厚さが０．５ｎｍ程度であれば、第１の自由磁化層は、全体として非晶質であるといえる。
【００４５】
また、第１の自由磁化層のＢ以外のＣｏＦｅの組成は、外部磁化により結晶構造がゆがみにくい性質である、すなわち磁歪が小さい組成であることが好ましい。磁歪が大きいと、ひずみにより磁化が動きにくくなり、軟磁気特性が悪くなるおそれがあるからである。よって、鉄原子に対するコバルト原子の配合比は、７５原子％を以上であることが好ましい。但し、鉄原子とコバルト原子が同量程度配合された場合でも、第２の自由磁化層を厚くすることにより軟磁気特性を調整することができるため、第１の自由磁化層のＣｏＦｅの組成は特に限定されるものではない。
【００４６】
第２の自由磁化層のＢ以外のＮｉＦｅの組成は、第１の自由層の磁歪を打ち消すために、ニッケル原子が鉄原子よりも多く配合されることが好ましい。
【００４７】
第１のキャップ層３５及び第２のキャップ層３６は、熱処理の際及び素子の使用の際に、その下の強磁性層等が酸化されるのを防止するための層である。第１のキャップ層３５はＴａで形成されており、その厚さは、例えば５ｎｍである。第２のキャップ層３６はＲｕで形成されており、その厚さは、例えば１０ｎｍである。なお、第１のキャップ層３５をＲｕで形成し、第２のキャップ層３６をＴａで形成してもよい。また、より一般的に、キャップ層を、Ａｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｗ、Ｒｕ等の非磁性金属で形成してもよいし、これらの金属層の積層構造としてもよい。キャップ層の厚さは、合計で５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内とすることが好ましい。
【００４８】
導電層１２の表面のうち、強磁性トンネル接合素子４０が配置されていない領域が、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる絶縁膜４８で覆われている。強磁性トンネル接合素子４０及び絶縁膜４８の上に、第１の電極４５が形成されている。第１の電極４５は、第２のキャップ層３６に電気的に接続されている。絶縁膜４８に、導電層１２まで達するビアホールが形成されており、その中に第２の電極４６が充填されている。第２の電極４６は、導電層１２に電気的に接続されている。第１の電極４５及び第２の電極４６は、例えばＣｕで形成される。
【００４９】
次に、図３Ａ、図３Ｂを参照して、本実施形態の強磁性トンネル接合素子の製造方法について説明する。
【００５０】
図３Ａに示すように、支持基板１０の上に、導電層１０から第２のキャップ層３６までをマグネトロンスパッタリング装置を用いて成膜する。その後、基板を真空中に配置し、磁場を印加した状態で熱処理を行う。この熱処理によって、第１の固定磁化層２０及び第２の固定磁化層２２の磁化が固定され、また、絶縁膜４８を構成するＭｇＯ（００１）面の配向性が向上し、さらに、第１の自由磁化層の絶縁層側の部分が再結晶化する。熱処理温度は、例えば２８０℃とし、熱処理時間は例えば４時間とする。なお、熱処理温度は２５０℃〜３５０℃の範囲内とすることが好ましい。熱処理温度が２５０℃未満の場合、第１の自由磁化層の絶縁層側の部分が再結晶化しにくいため、ＭＲ比が低下するおそれがある。また、熱処理温度が３５０℃を超えると、ピニング層の特性が悪化し、外部磁場を印加する際に固定磁化層の磁化が反転するおそれがあるため、ＭＲ比が低下するおそれがある。
【００５１】
図３Ｂに示すように、第１の下地層１３から第２のキャップ層３６までの層をパターニングすることにより、円柱状の強磁性トンネル接合素子４０を形成する。これらの層のパターニングには、Ａｒイオンミリングを用いることができる。その後、図１Ａに示したように、絶縁膜４８の形成、第１の電極４５の形成、絶縁膜４８を貫通するビアホールの形成、及び第２の電極４６の形成を行う。
【００５２】
図４は、上記実施形態による強磁性トンネル接合素子を適用した磁気ヘッドを備えるヘッドスライダが磁気記録媒体上を浮上する様子を示す断面図である。
【００５３】
ヘッドスライダ１４０は、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等からなるヘッドスライダの基体５１と、磁気記憶媒体１４６へ情報を記録する又は該磁気記憶媒体の情報を再生するための磁気ヘッド５０とを含んでなる。ヘッドスライダ１４０は、磁気記録媒体１４６に対向する面（媒体対向面）１４０ａの空気流出端１４０−１側に配置された磁気ヘッド５０に、図５で説明する再生素子および誘導型記録素子を有する素子部１４３が設けられている。
【００５４】
ヘッドスライダ１４０は、板状のサスペンション１４１と、その先端部に設けられたジンバル１４２に固着されている。サスペンション１４１とジンバル１４２とは、ばね材により接続されている。
【００５５】
ヘッドスライダ１４０は、矢印Ｘ方向に移動する磁気記録媒体１４６上を流れる空気流（矢印ＡＩＲの方向）により、媒体対向面１４０ａが浮上力（上向きの力）を得て浮上する。一方、ヘッドスライダ１４０を支持するサスペンション１４１から下向きの力が印加される。これらの上向きおよび下向きの力の均衡により、スライダ１４０が所定の浮上量（素子部１４３の表面と磁気記録媒体１４６の表面との距離）を維持して浮上する。そして素子部１４３は、磁気記録媒体の記録層（図示せず）からの漏洩磁界を検出する。
【００５６】
図５は、図４のヘッドスライダの要部を示す図である。磁気ヘッド５０は、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等からなるヘッドスライダの基体５１の上に形成された再生素子６０を含んでなり、必要に応じて、更に再生素子６０の上に形成された誘導型記録素子５３、再生素子６０、及びアルミナ膜、水素化カーボン膜等を含む。
【００５７】
誘導型記録素子５３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５４と、非磁性材料からなる記録ギャップ層５５を挟んで上部磁極５４に対向する下部磁極５６と、上部磁極５４と下部磁極５６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５４、下部磁極５６、およびヨークは、軟磁性材料より構成され、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合金等からなる。なお、誘導型記録素子５３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、さらに、誘導型記録素子５３は、主磁極と補助磁極を備えた垂直磁気記録用の記録素子でもよい。また、磁気ヘッド５０は、誘導型記録素子５３が含まれていなくてもよい。
【００５８】
再生素子６０は、セラミックからなる基体５１の表面に形成されたアルミナからなる絶縁膜５２上に、下部電極６１、強磁性トンネル接合素子４０、アルミナからなる絶縁膜６５、上部電極６２が積層され、上部電極６２が強磁性トンネル接合素子４０の表面に電気的に接続された構成となっている。強磁性トンネル接合素子４０の両側には、絶縁膜６３を介して磁区制御膜６４が設けられている。磁区制御膜６４は、例えば、下部電極６１側からＣｒ膜および強磁性のＣｏＣｒＰｔ膜を積層した積層体からなる。磁区制御膜６４は、強磁性トンネル接合素子４０を構成する図１の固定磁化層１３、第１自由磁化層１５、および第２自由磁化層１８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。
【００５９】
下部電極６１および上部電極６２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ため、軟磁性合金、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等から構成される。さらに下部電極６１と強磁性トンネル接合素子４０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。
【００６０】
強磁性トンネル接合素子４０は、第１の実施の形態に係る図１の強磁性トンネル接合素子である。強磁性トンネル接合素子４０の説明は第１の実施の形態での説明と重複するので省略する。センス電流Ｉｓは、例えば上部電極６２から、強磁性トンネル接合素子４０をその膜面に略垂直に流れ下部電極６１に達する。強磁性トンネル接合素子４０は、磁気記録媒体からの漏洩磁界の強度および方向に対応してトンネル抵抗値が変化する。再生素子６０は、例えば、強磁性トンネル接合素子４０のトンネル抵抗値の変化を電圧変化として検出する。このようにして、再生素子６０は磁気記録媒体に記録された情報を再生する。なお、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。
【００６１】
再生素子６０及び誘導型記録素子５３は、腐食等を防止するために、アルミナ膜や水素化カーボン膜等で覆われている。
【００６２】
磁気ヘッド５０は、トンネル抵抗変化率が高い強磁性トンネル接合素子４０を備えた再生素子６０を有するので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が高い。したがって、磁気ヘッド５０は、高記録密度化により磁気記録媒体からの漏洩磁界の強度が低下しても検知した信号のＳ／Ｎ比が高い。また、強磁性トンネル接合素子４０において、第１の自由磁化層１５、第２の自由磁化層１８の磁化は微弱な外部磁場によって反転しやすい。このような強磁性トンネル接合素子４０を備える磁気ヘッド５０は磁気記録媒体からの漏洩磁界に対する感度が高いため、高記録密度化に対応できる。
【００６３】
図６は、上記実施形態の強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッド適用した磁気記憶装置の要部を示す模式図である。磁気記憶装置７０は、ハウジング７１と、ハウジング７１内に格納された、ディスク状の磁気記録媒体７２、ヘッドスライダ１４０、アクチュエータユニット７３等から構成される。磁気記録媒体７２は、ハブ７４に固定され、図示されないスピンドルモータにより駆動される。また、ヘッドスライダ１４０は、上述した磁気ヘッド１４５（図示せず）を有する。ヘッドスライダ１４０はサスペンション１４１の端部に固定され、サスペンション１４１の他方の端部はアーム７５に固定され、アーム７５を介してアクチュエータユニット７４に取り付けられている。ヘッドスライダ１４０は、アクチュエータユニット７４により、磁気記録媒体６２の径方向に回動される。また、ハウジング７１の裏側には、記録再生制御、磁気ヘッド位置制御、およびスピンドルモータ制御等を行う電子基板（図示せず）が設けられている。
【００６４】
磁気記録媒体７２は、例えば、記録層の磁化容易軸方向が記録層の膜面に平行な面内磁気記録媒体である。面内磁気記録媒体は、例えば、基板上に、ＣｒあるいはＣｒ合金からなる下地層、ＣｏＣｒＰｔ合金からなる記録層、保護膜、および潤滑層がこの順に積層されて構成される。記録層は下地層の作用により記録層の磁化容易軸方向が膜面に平行になる。
【００６５】
また、磁気記録媒体７２は、記録層の磁化容易軸方向が記録層の膜面に垂直な垂直磁気記録媒体でもよい。垂直磁気記録媒体は、例えば、基板上に軟磁性裏打ち層、中間層、垂直磁化膜からなる記録層、保護膜、および潤滑層がこの順に積層されて構成される。記録層は、例えばＣｏＣｒＰｔ合金からなる強磁性多結晶構造や、ＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ2等からなる柱状グラニュラ構造を有する。記録層は、中間層の作用、あるいは自己組織的に記録層の磁化容易軸方向が膜面に略垂直になる。垂直磁気記録媒体は、面内磁気記録媒体よりも記録された磁化の熱安定性に優れるため、面内磁気記録媒体に比べてより高い記録密度が達成できる。
【００６６】
また、磁気記録媒体７２は、記録層の磁化容易軸方向が記録層の膜面に対して傾斜した斜め配向磁気記録媒体でもよい。斜め配向磁気記録媒体は、例えば、基板上に、ＣｒあるいはＣｒ合金からなる下地層、ＣｏＣｒＰｔ合金からなる記録層、保護膜、および潤滑層がこの順に積層されて構成される。記録層は、下地層を構成する結晶粒子の堆積方向が膜面に対して傾いており、そのため下地層の結晶配向方向が膜面に対して傾いている。記録層は、その下地層の影響で記録層の磁化容易軸が膜面に対して傾いている。このような記録層は、磁気ヘッドからの記録磁界に対して、より小さい記録磁界強度で記録層の磁化方向が反転するため、記録され易い性質、いわゆる記録性能が優れている。斜め配向磁気記録媒体は、記録性能が優れている点で、面内磁気記録媒体および垂直磁気記録媒体に比べてより高い記録密度が達成できる。
【００６７】
ヘッドスライダ１４０は、上述した磁気ヘッド１４５（図示せず）を有する。磁気ヘッド１４５に含まれる再生素子６０は、Ｓ／Ｎ比が高い。したがって、磁気記憶装置７０は、高記録密度化により磁気記録媒体７２からの漏洩磁界の強度が低下しても検知でき、検知した信号のＳ／Ｎ比が高いので、高記録密度化に対応できる。
【００６８】
なお、磁気記憶装置７０の基本構成は、図６に示すものに限定されるものではない。磁気記録媒体７２はディスク状の形状に限定されない。例えば磁気記憶装置７０は、ヘリカルスキャン型あるいはラテラル型の磁気テープ装置でもよく、その場合、磁気ヘッド４０は、ヘリカルスキャン型の場合シリンダヘッドに実装され、ラテラル型の場合、磁気テープが長手方向に走行する際に磁気テープが接触するヘッドブロックに実装される。
【００６９】
図７（Ａ）に、上記実施形態の強磁性トンネル接合素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の断面図を示し、図７（Ｂ）にその等価回路図を示す。なお、図７（Ａ）に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く、Ｙ方向およびＺ方向についても同様である。
【００７０】
磁気メモリ装置８０は、大略して強磁性トンネル接合素子４０とＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）８２からなる複数のメモリセル８１から構成される。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、一例として、電子がキャリアとなるｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを用いた磁気メモリ装置８０について説明する。
【００７１】
ＭＯＳ型ＦＥＴ８２は、シリコン基板８３中に形成されたｐ型不純物を含むｐウェル領域８４と、ｐウェル領域８４中のシリコン基板８３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８５ａ、８５ｂからなる。ここで、一方の不純物拡散領域８５ａをソースＳ、他方の不純物拡散領域８５ｂをドレインＤとする。２つの不純物拡散領域８５ａ、８５ｂの間のシリコン基板８３の表面にはゲート絶縁膜８６を介してゲート電極８７が設けられる。
【００７２】
ＭＯＳ型ＦＥＴ８２のソースＳには、強磁性トンネル接合素子４０の一方、例えば図１に示す下地層が電気的に接続される。また、ドレインＤにはプレート線８８が電気的に接続される。ゲート電極８７には読出用ワード線８９に電気的に接続される。なお、ゲート電極８７が読出用ワード線８９を兼ねてもよい。
【００７３】
強磁性トンネル接合素子４０は、詳細な図示を省略するが、先に図１に示した強磁性トンネル接合素子４０と同様の構成を有する。強磁性トンネル接合素子４０は、図１の第１自由磁化層３０および第２自由磁化層３２の磁化容易軸の方向を図７（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、強磁性トンネル接合素子４０の膜面に平行な断面形状（Ｘ−Ｙ平面に平行な断面形状）をＸ方向の辺が長い矩形とする。
【００７４】
強磁性トンネル接合素子４０の一方の側、例えば図１に示す第２のキャップ層３６にはビット線９０が電気的に接続されている。また、強磁性トンネル接合素子４０の他方の側は上述したようにＭＯＳ型ＦＥＴ８２のソースＳに電気的に接続されている。強磁性トンネル接合素子４０の下側には離隔して書込用ワード線９１が設けられている。
【００７５】
なお、磁気メモリ装置８０は、シリコン基板８３の表面やゲート電極８７がシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等の層間絶縁膜９３に覆われている。また、強磁性トンネル接合素子４０、プレート線８８、読出用ワード線８９、ビット線９０、書込用ワード線９１、垂直配線９４、および層内配線９５は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜９３により互いに電気的に絶縁されている。
【００７６】
次に、磁気メモリ装置の書込みおよび読出し動作を説明する。磁気メモリ装置８０の強磁性トンネル接合素子４０への情報の書込み動作は、強磁性トンネル接合素子４０の上下に配置されたビット線９０と書込用ワード線９１により行われる。ビット線９０は強磁性トンネル接合素子１０の上方をＸ方向に延在しており、ビット線９０に電流を流すことにより、強磁性トンネル接合素子４０にＹ方向に印加される。また、書込用ワード線９１は強磁性トンネル接合素子４０の下方をＹ方向に延在しており、書込用ワード線９１に電流を流すことにより、強磁性トンネル接合素子４０にＸ方向に磁界が印加される。
【００７７】
強磁性トンネル接合素子４０の第１自由磁化層および第２自由磁化層の磁化は、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。なお、第１自由磁化層および第２自由磁化層の磁化は互いに強磁性的に交換結合しているので平行である。以下説明の便宜のため、「第１自由磁化層および第２自由磁化層の磁化」を特に断らない限り、単に「自由磁化積層体の磁化」と称する。
【００７８】
情報を強磁性トンネル接合素子４０に書込む際、ビット線９０と書込用ワード線９１に同時に電流が流される。例えば、自由磁化積層体の磁化をＸ1方向に向ける場合は、書込用ワード線９１に流す電流をＹ1方向に流す。これにより、強磁性トンネル接合素子４０において磁界がＸ1方向となる。この際、ビット線９０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９０に流す電流による生じる磁界は、強磁性トンネル接合素子４０においてＹ1方向またはＹ2方向になり、自由磁化積層体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、自由磁化積層体の磁化に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積層体の磁化は、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積層体の磁化は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。なお、自由磁化積層体の磁化を反転させる場合に印加する磁界の大きさは、次のように表される。
【００７９】
このようにして、強磁性トンネル接合素子４０には自由磁化積層体の磁化の方向に応じて、“１”あるいは“０”を記録できる。例えば、固定磁化層の磁化方向がＸ1方向の場合に、“１”は自由磁化積層体の磁化方向がＸ1方向（トンネル抵抗値が低い状態）、“０”は自由磁化積層体の磁化方向がＸ2方向（トンネル抵抗値が高い状態）に設定すればよい。
【００８０】
なお、書込み動作の際にビット線９０あるいは書込用ワード線９１のいずれか一方のみに電流が流れても自由磁化積層体の磁化の反転が生じない大きさの電流が供給される。これにより、電流を供給したビット線９０と電流を供給した書込用ワード線９１との交点にある強磁性トンネル接合素子４０の自由磁化積層体の磁化のみに記録が行われる。
【００８１】
なお、書込み動作の際にビット線９０に電流を流した際に、強磁性トンネル接合素子１０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。
【００８２】
次に、磁気メモリ装置８０の強磁性トンネル接合素子４０への情報の読出し動作は、ビット線９０にソースＳに対して負電圧を印加し、読出用ワード線８９、すなわちゲート電極８７にＭＯＳ型ＦＥＴ８２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ＦＥＴはオンとなり、電子がビット線９０から、強磁性トンネル接合素子４０、ソースＳ、およびドレインＤを介してプレート線８８に流れる。この電子の流れる単位時間当たりの量、言い換えれば電流値により、自由磁化積層体の磁化方向に対応する強磁性トンネル効果によるトンネル抵抗値を検出する。これにより、強磁性トンネル接合素子４０が保持する“１”あるいは“０”の情報を読出すことができる。
【００８３】
強磁性トンネル接合素子４０は、第１の実施の形態で説明したようにトンネル抵抗変化率が高い。したがって、磁気メモリ装置８０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値の差が大きいので、正確な読出しができる。また、自由磁化層に軟磁気特性が高い（保磁力が低い）強磁性材料を用いられていることで、書込み動作の際に印加する磁界を低減することができる。したがって、書込み動作の際のビット線９０および書込用ワード線９１に流す電流値を低減できるので、磁気メモリ装置８０の消費電力を低減できる。
【００８４】
また、磁気メモリ装置８０は、強磁性トンネル接合素子４０が熱処理によるトンネル抵抗変化率の劣化が少なく、この点で耐熱性に優れている。したがって、磁気メモリ装置８０の製造工程において、高温となる工程の例えば、ＣＶＤ法により層間絶縁膜を形成する際の基板加熱温度の制約が緩和される効果がある。
【００８５】
なお、強磁性トンネル接合素子４０の保護膜側をビット線９０に接続し、下地層側をソースＳに接続したがその逆でもよい。また、磁気メモリ装置８０の構成は上記構成に限定されず、公知の磁気メモリ装置に強磁性トンネル接合素子に図１に示す強磁性トンネル接合素子を適用できる。
【００８６】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００８７】
（実施例１）
図１に示す強磁性トンネル接合素子と同様の構造を有する実施例１の素子を、以下の方法により作成した。
【００８８】
Ｓｉ上にＳｉＯ２膜が形成された支持基板１０の上に、めっき法によりＮｉＦｅからなる導電層１２を形成し、更にその表面を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により平坦化した積層体を準備した。次いで導電層１２の表面をＡｒ逆スパッタリングにより洗浄した後、導電層１２上に、第１の下地層１３としてＴａ（５ｎｍ）を、第２の下地層１４としてＲｕ（２ｎｍ）を、ピニング層１８としてＩｒ２１Ｍｎ７９（７ｎｍ）を、第１の固定磁化層２０としてＣｏ７４Ｆｅ２６（２ｎｍ）を、非磁性結合層２１としてＲｕ（０．８ｎｍ）を、第２の固定磁化層２２としてＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（２ｎｍ）を、絶縁層２５としてＭｇＯ（１．０ｎｍ）を、第１の自由磁化層３０としてＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（２ｎｍ）を、第２の自由磁化層３２としてＮｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０（４ｎｍ）を、第１のキャップ層３５としてＴａ（５ｎｍ）を、及び第２のキャップ層３６としてＲｕ（１０ｎｍ）を、マグネトロンスパッタ装置を用いて順に形成し、図３（Ａ）に示すような積層体を得た。なお、カッコ内はそれぞれの層の膜厚を示す（以下の実施例及び比較例においても同様である。）。
【００８９】
次いで、磁場中、２８０℃環境下において、５時間真空熱処理を行った。次いで、フォトリソグラフフィ法を用いて、図３（Ｂ）に示すように、第１の下地層１３から第２のキャップ層３６までの層を、直径０．６μｍφの円形にパターニングすることにより、円柱状の強磁性トンネル接合素子４０を形成した。これらの層のパターニングには、Ａｒイオンミリングを用いた。その後、ＲＦスパッタ装置を用いたシリコン酸化膜からなる絶縁膜４８の形成、ＲＦスパッタ装置を用いたＡｕからなる第１の電極４５の形成、ドライエッチングによる絶縁膜４８を貫通するビアホールの形成、及びＲＦスパッタ装置を用いたＡｕからなる第２の電極４６の形成を行い、図１（Ａ）に示すような積層体を得た。
（実施例２）
第１の自由磁化層３０としてＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（２ｎｍ）の代わりにＣｏ７１Ｆｅ２４Ｂ５（２ｎｍ）を、第２の自由磁化層３２としてＮｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０（４ｎｍ）の代わりにＮｉ８５．５Ｆｅ９．５Ｂ５（４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例２の強磁性トンネル接合素子を形成した。
（実施例３）
第１の自由磁化層３０としてＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（２ｎｍ）の代わりにＣｏ６７．５Ｆｅ２２．５Ｂ１０（２ｎｍ）を、第２の自由磁化層３２としてＮｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０（４ｎｍ）の代わりにＮｉ８１Ｆｅ９Ｂ１０（４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例３の強磁性トンネル接合素子を形成した。
（実施例４）
第１の自由磁化層３０としてＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（２ｎｍ）の代わりにＣｏ６３．７Ｆｅ２１．３Ｂ１５（２ｎｍ）を、第２の自由磁化層３２としてＮｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０（４ｎｍ）の代わりにＮｉ７６．５Ｆｅ８．５Ｂ１５（４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例４の強磁性トンネル接合素子を形成した。
（実施例５）
第１の自由磁化層３０としてＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（２ｎｍ）の代わりにＣｏ５６．２Ｆｅ１８．８Ｂ２５（２ｎｍ）を、第２の自由磁化層３２としてＮｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０（４ｎｍ）の代わりにＮｉ６７．５Ｆｅ７．５Ｂ２５（４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例５の強磁性トンネル接合素子を形成した。
（比較例１）
第１の自由磁化層３０としてＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（２ｎｍ）の代わりにＣｏ７４Ｆｅ２６（２ｎｍ）を、第２の自由磁化層３２としてＮｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０（４ｎｍ）の代わりにＮｉ９０Ｆｅ１０（４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で比較例１の強磁性トンネル接合素子を形成した。
（比較例２）
第２の自由磁化層３２としてＮｉ７２Ｆｅ８Ｂ２０（４ｎｍ）の代わりにＮｉ９０Ｆｅ１０（４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で比較例２の強磁性トンネル接合素子を形成した。
（評価）
上記実施例１、比較例１、２で得られたトンネル接合素子について、磁気抵抗変化率（ＭＲ  ｒａｔｉｏ）及び保磁力（Ｈｃ）を評価した。
【００９０】
磁気抵抗変化率は以下のようにして測定した。図８は、磁気抵抗変化率の測定方法を説明するための図である。図８を参照するに、強磁性トンネル接合素子４０を挟むように下部電極１２５Ａおよび上部電極１２５Ｂを形成した。下部電極１２５Ａは図１に示す下地層１３に電気的に接続され、上部電極１２５Ｂは第２のキャップ層３６に電気的に接続されている。下部電極１２５Ａと上部電極１２５Ｂとの間に直流電流源１２６を接続して、強磁性トンネル接合素子４０の膜面に対して垂直方向に０．１ｍＡのセンス電流を流した。そして、第２固定磁化層の磁化方向に平行に磁界を印加し、−７９ｋＡ／ｍ〜７９ｋＡ／ｍの範囲で磁界強度を変化させて、下部電極１２５Ａと上部電極１２５Ｂとの間の電圧変化をデジタルボルトメータ１２７により測定した。得られた電圧値から抵抗値を求め、トンネル抵抗値とした。そして、第２固定磁化層と第１自由磁化層の磁化が互いに平行になったときのトンネル抵抗値をＲｓ、第２固定磁化層と第１自由磁化層の磁化が互いに平行になったときと反平行になったときのトンネル抵抗値の差をΔＲとして、ΔＲ／Ｒｓを磁気抵抗変化率とした。上記実施例及び比較例のトンネル抵抗値Ｒｓはいずれも３Ωμｍ２だった。また、保磁力はトンネル抵抗値の差ΔＲが５０％になる磁界から求めた。
【００９１】
図９に代表的な磁気抵抗曲線として、実施例１の強磁性トンネル接合素子の磁気抵抗曲線を示す。また、表１に実施例１及び比較例１、２の強磁性トンネル素子の評価結果を示す。
【００９２】
【表１】
2009099741.tif 000003
比較例１、２の強磁性トンネル接合素子は、第２の自由磁化層として軟磁気特性が良好なＮｉＦｅを用いているので、保磁力がいずれも低い。しかし、磁気抵抗変化率はいずれも６０％未満であり不十分である。一方、第２の自由磁化層としてＮｉＦｅＢを用いた実施例１の強磁性トンネル接合素子は、保磁力が比較例と同程度に低く、且つ磁気抵抗変化率が高い。
【００９３】
また、上記実施例２〜５で得られたトンネル接合素子について、実施例１と同様の方法で磁気抵抗変化率を評価した。表２に、実施例１〜５の評価結果を示す。
【００９４】
【表２】
2009099741.tif 000004
第２の自由磁化層としてＮｉＦｅＢを用いた実施例１〜５の磁気抵抗変化率は、第２の自由磁化層としてＮｉＦｅを用いた比較例２のそれに比べていずれも高い。ホウ素原子の濃度が１０〜２５原子％のとき磁気抵抗変化率は６０％以上と好ましく、ホウ素原子の濃度が１５％及び２０％のとき磁気抵抗変化率は特に好ましい。
【００９５】
ここで再び、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
（付記１）
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記第１の自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記第１の自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有することを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
（付記２）
前記第２の強磁性材料が非晶質であることを特徴とする付記１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記３）
前記第２の強磁性材料がホウ素原子を１０〜２５原子％含むことを特徴とする付記１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記４）
前記第１の強磁性材料がホウ素原子を１０〜２５原子％含むことを特徴とする付記１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記５）
前記第１の強磁性材料がコバルト原子及び鉄原子を含むことを特徴とする付記１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記６）
前記第２の自由磁化層の保磁力が、前記第１の自由磁化層の保磁力よりも小さい付記１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記７）
前記第２の強磁性材料がニッケル原子及び鉄原子を含むことを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記８）
前記ニッケル原子の鉄原子に対する組成比が８５原子％以上であることを特徴とする付記４に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記９）
前記絶縁層が結晶質であることを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記１０）
前記絶縁層が結晶化した部分を有する酸化マグネシウムを含んでなることを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子。
（付記１１）
基板の上に、反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と、
前記ピニング層の上に、該ピニング層との交換相互作用により少なくとも一部の磁化方向が固定された強磁性材料からなる固定磁化層を形成する工程と、
前記固定磁化層の上に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の上に、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層を形成する工程と、
前記第１の自由磁化層の上に、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層を形成する工程と、
前記支持基板から第２の自由磁化層までの積層構造体を磁場中に配置して、前記ピニング層の規則化熱処理を行う工程と
を有する強磁性トンネル接合素子の製造方法。
（付記１２）
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子
を備える磁気ヘッド。
（付記１３）
情報の記録及び再生を行うための磁気記憶媒体と、該磁気記憶媒体へ情報を記録する又は該磁気記憶媒体の情報を再生するために該磁気記憶媒体に対向するように配置されたヘッドスライダとを備える磁気記憶装置において、
前記ヘッドスライダが、
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッドと
を含んでなることを特徴とする磁気記憶装置。
（付記１４）
少なくとも一部の磁化方向が固定された固定磁化層と、
前記固定磁化層の上に配置され、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層と、
前記絶縁層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化し、ホウ素原子を含有する第１の強磁性材料からなる第１の自由磁化層と、
前記自由磁化層の上に配置され、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化するとともに前記自由磁化層と交換結合をし、ホウ素原子を含有する第２の強磁性材料からなる第２の自由磁化層と
を有する強磁性トンネル接合素子と、
前記強磁性トンネル接合素子に磁界を印加して、前記第1の自由磁化層及び第2の自由磁化層の各々磁化を所定の方向に向ける書き込み手段と、
前記強磁性トンネル接合素子にセンス電流を供給してトンネル抵抗値を検出する読出手段と
を備える磁気メモリ装置。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の強磁性トンネル接合素子の第１の実施形態による強磁性トンネル接合素子の断面図及び平面図を示す。
【図２】基板上に堆積させた結晶膜のＸＲＤ回折パターンの一例である。
【図３】実施形態の強磁性トンネル接合素子の製造方法を示す断面図である。
【図４】実施形態による強磁性トンネル接合素子を適用した磁気ヘッドを備えるヘッドスライダが磁気記録媒体上を浮上する様子を示す断面図である。
【図５】図４のヘッドスライダの要部を示す断面図である。
【図６】実施形態の強磁性トンネル接合素子を備える磁気ヘッド適用した磁気記憶装置の要部を示す模式図である。
【図７】実施形態の強磁性トンネル接合素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の断面図及びその等価回路図を示す。
【図８】磁気抵抗変化率の測定方法を説明するための図である。
【図９】実施例１の強磁性トンネル接合素子の磁気抵抗曲線を示す。
【符号の説明】
【００９７】
１０    支持基板
１２    導電層
１３    第１の下地層
１４    第２の下地層
１８    ピニング層
２０    第１の固定磁化層（ピンド層）
２１    非磁性結合層
２２    第２の固定磁化層（ピンド層）
２５    絶縁層（バリア層）
３０    第１の自由磁化層（フリー層）
３２    第２の自由磁化層（フリー層）
３５    第１のキャップ層
３６    第２のキャップ層
４０    強磁性トンネル接合素子
４５    第１の電極
４６    第２の電極
４８    絶縁膜
５０    磁気ヘッド
５１    基体
５２    絶縁膜
５３    誘導型記録素子
５４    上部磁極
５５    記録ギャップ層
５６    下部磁極
６０    再生素子
６１    下部電極
６２    上部電極
６３    絶縁膜
６４    磁区制御膜
６５    絶縁膜
７０    磁気記憶装置
７１    ハウジング
７２    磁気記録媒体
７３    アクチュエータユニット
７４    ハブ
７５    アーム
８０    磁気メモリ装置
８１    メモリセル
８２    ＭＯＳ型ＦＥＴ
８３    シリコン基板
８４    ｐウェル領域
８５ａ    不純物拡散領域
８５ｂ    不純物拡散領域
８６    ゲート絶縁膜
８７    ゲート電極
８８    プレート線
８９    読出用ワード線
９０    ビット線
９１    書込用ワード線
９３    層間絶縁膜
９４    垂直配線
９５    層内配線
１２５Ａ    下部電極
１２５Ｂ    上部電極
１２６    直流電流源
１２７    デジタルボルトメータ
１４０    ヘッドスライダ
１４０ａ    媒体対向面
１４０−１    空気流出端
１４１    サスペンション
１４２    ジンバル
１４３    素子部
１４６    磁気記録媒体
【図１】
2009099741.tif 000005
【図２】
2009099741.tif 000006
【図３】
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【図４】
2009099741.tif 000008
【図５】
2009099741.tif 000009
【図６】
2009099741.tif 000010
【図７】
2009099741.tif 000011
【図８】
2009099741.tif 000012
【図９】
2009099741.tif 000013