磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置及び磁気メモリ
【課題】従来の磁気抵抗効果素子とは異なり、ピン層、スペーサ層、フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ヘッド及び磁気メモリを提供する。
【解決手段】酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層を上下方向から挟み込むようにして形成した、磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層及び第２の磁性層を含む磁気抵抗効果素子において、前記スペーサ層に隣接して配置された電流バイアス発生部からのバイアス磁界、あるいは前記スペーサ層の主面上において、再生感磁部を除いた両端部に接触するようにして設けた交換結合層からの交換結合によって、前記スペーサ層の磁区制御を行い、磁気ノイズの発生を低減した磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層を上下方向から挟み込むようにして形成した、磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層及び第２の磁性層を含む磁気抵抗効果素子において、前記スペーサ層に隣接して配置された電流バイアス発生部からのバイアス磁界、あるいは前記スペーサ層の主面上において、再生感磁部を除いた両端部に接触するようにして設けた交換結合層からの交換結合によって、前記スペーサ層の磁区制御を行い、磁気ノイズの発生を低減した磁気抵抗効果素子を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果膜にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子に関し、さらにはこのような磁気抵抗効果素子を利用した磁気ヘッド、磁気記憶装置及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive Effect：ＧＭＲ）を用いることで、磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜 ）の磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などへの適用は、磁気デバイス分野に大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
「スピンバルブ膜」は、２つの強磁性層の間に非磁性のスペーサ層を挟んだ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。この２つの強磁性層の１方（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化が反強磁性層などで固着され、他方（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化方向が外部磁界に応じて回転可能である。スピンバルブ膜では、ピン層及びフリー層における磁化方向の相対角度が変化することで、巨大な磁気抵抗変化が得られる。
【０００４】
ここで、スペーサ層は、ピン層とフリー層との間を磁気的に分断し、これらの磁化方向が独立に動くことを可能とする。
【０００５】
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、および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、および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。
【０００６】
膜面垂直に通電する方式においては、ＴＭＲ素子ではスペーサ層として絶縁層を用い、通常のＣＰＰ−ＧＭＲではスペーサ層として金属層を用いる。また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の発展形として、スペーサ層として厚み方向に貫通したナノサイズの金属電流パスを含んだ酸化物層「ＮＯＬ（nano-oxide layer）」を用いたものも提案されている。このスペーサ層では、ＮＯＬの一部に金属伝導を生じさせるための狭窄された電流パス（ＣＣＰ：Current-confined-path）を有している。（特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のいずれの場合でも従来の磁気抵抗効果素子では、ピン層、スペーサ層、フリー層を基本的な構成とし、ピン層、フリー層間での磁化方向の相対角度の変化によって、磁気を検知している。
【０００８】
本発明は、従来の磁気抵抗効果素子とは異なり、ピン層、スペーサ層、フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ヘッド及び磁気メモリ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】
【０００９】
上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、
磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置され、磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と、
前記スペーサ層に隣接して配置され、前記スペーサ層に対してバイアス磁界を印加するための電流バイアス発生部と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子）に関する。
【００１０】
また、本発明の一態様は、磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置され、磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と、
前記スペーサ層の主面上において、再生感磁部を除いた両端部に接触するとともに前記スペーサ層と交換結合を生ぜしめるような交換結合層と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子（第２の磁気抵抗効果素子）に関する。
【００１１】
従来のスピンバルブ膜などの巨大磁気抵抗効果素子においては、非磁性のスペーサ層を挟んでその上下方向においてピン層及びフリー層を形成してスピン依存散乱ユニットを構成し、前記フリー層の磁化回転による素子の抵抗変化によって磁気抵抗効果を発現させている。しかしながら、前記フリー層の磁化は比較的大きく、前記フリー層の磁区制御を行って単磁区化するには比較的大きなバイアス磁場が必要となる。そのため、前記フリー層を十分に単磁区化することは困難であり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズが発生してしまう場合があった。
【００１２】
これに対して、本発明の上記態様では、ピン層として機能する第１の磁性層及び第２の磁性層によって所定の外部磁界に感応してその磁化を回転させるように構成されたスペーサ層を挟み込むようにしてスピン依存散乱ユニットを構成し、スピンバルブ膜の場合とは異なり、前記スペーサ層の磁化の回転による素子の抵抗変化によって磁気抵抗効果を発現するようにしている。
【００１３】
前記スペーサ層は、上述のように酸化物や窒化物などから構成されているため、その磁化は比較的小さい。したがって、従来のスピンバルブ膜などのフリー層の場合と異なり、比較的小さい外部磁界によって前記スペーサ層の磁区制御を行うことができ、好ましくは単磁区化することができる。したがって、上述したスピンバルブ膜などと異なり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズを効果的に抑制することができる。
【００１４】
なお、本発明の上記態様においては、上述したように、スペーサ層の磁化の回転に起因した抵抗変化より磁気抵抗効果を発現せしめるが、その原因については以下のように考えることができる。すなわち、従来のスピンバルブにおいては、スピン依存散乱ユニットが、非磁性のスペーサ層と、この層を挟み込むようにして構成したピン層及びフリー層から構成されている。したがって、これらピン層及びフリー層から流れてくる伝導電子のスピン情報がスピン反転現象などのために前記スペーサ層中で失われてしまうことになる。
【００１５】
一方、本発明の上記態様の磁気抵抗効果素子においては、上下に設けられたピン層からの伝導電子のスピン情報はある程度の磁性を有する外部磁化感応層に取り込まれるようになるため、上述したスピン反転現象が生じることはない。したがって、前記スピン情報の消失というような問題が生じることがない。
【００１６】
一般に、磁気抵抗効果素子の抵抗変化、すなわち磁気抵抗効果を増大させるためには、上述した磁性層からのスピン情報を保持することが要求される。したがって、本発明の上記態様における磁気抵抗効果素子においては、上述のようにスペーサ層において、スピン情報を保持することができるので、従来のスピンバルブ膜のフリー層のように大きな磁化を有しない場合においても、比較的磁気抵抗効果を呈するようになる。
【００１７】
なお、上述した説明で明らかなように、第１の磁気抵抗効果素子において、前記電流バイアス発生部は、前記バイアス磁界によって前記スペーサ層の磁区制御を行うものであって、好ましくは前記スペーサ層を単磁区化するように機能させる。これによって、上述したバルクハウゼンノイズなどの磁気ノイズを効果的に抑制することができる。
【００１８】
また、第２の磁気抵抗効果素子において、前記交換結合層は、前記交換結合によって前記スペーサ層の磁区制御を行うものであって、好ましくは前記スペーサ層を単磁区化するように機能させる。
【００１９】
なお、本発明の磁気ヘッド及び磁気メモリは、上述した磁気抵抗効果素子を具えることによって特徴付けられる。
【発明の効果】
【００２０】
以上、本発明の上記態様によれば、従来の磁気抵抗効果素子とは異なり、ピン層、スペーサ層、フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ヘッド及び磁気メモリ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】
【００２１】
以下、本発明のその他の特徴及び利点などについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態において、合金の組成は原子％（atomic％）で表すことができる。また、以下の総ての図面において、本発明の特徴を明確化すべく、各構成要素の寸法などについては、実際のものと異なるようにして記載している。
【００２２】
（磁気抵抗効果素子の基本構成）
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子を表す斜視図であり、図２は、図１に示すスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。また、図３は、参考例として従来のスピンバルブ膜のスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。
【００２３】
図１に示すように本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜１０、およびこれを上下から挟むようにして下電極１１および上電極２０を有し、図示しない基板上に構成される。
【００２４】
図２に示すように、磁気抵抗効果膜１０は、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４，スペーサ層１５、ピン層１６、ピニング層１７、及びキャップ層１８が順に積層されて構成される。この内、ピン層１４、スペーサ層１５、及びピン層１６が磁気抵抗効果を発現する基本膜構成、即ち、スピン依存散乱ユニットに相当する。また、本例では、ピン層１４は、ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３の３層構造となっている。さらに、ピン層１６は、ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３の３層構造となっている。但し、各ピン層は単層から構成するようにすることができる。一方、図３に示すスピンバルブ膜９０では、ピニング層９３、ピン層９４、スペーサ層９５、及びフリー層９６が積層される。
【００２５】
スピンバルブ膜９０において、磁気抵抗効果を発現するスピン依存散乱ユニットは、ピン層９４、スペーサ層９５、及びフリー層９６の３層構成である。ピン層９４の磁化方向は固着され、フリー層９６の磁化方向は外部磁界によって変化する。スペーサ層９５によって、ピン層９４とフリー層９６との間での磁気的な結合を分断し、これらの層間での磁化方向の独立性を確保している。外部磁界によって、ピン層９４とフリー層９６の磁化方向の相対的な角度が変化することで、磁気抵抗による磁気の検出が可能となる。
【００２６】
これに対して、磁気抵抗効果膜１０において、磁気抵抗効果を発現するスピン依存散乱ユニットは、ピン層１４、スペーサ層１５、及びピン層１６の３層構成である。即ち、磁気抵抗効果膜１０は、スペーサ層９５のような磁気的な結合を積極的に分断する機構を有さず、ピン層１６とスペーサ層１５とが直接近接している。
【００２７】
従来のスピンバルブ膜９０において、スペーサ層９５は非磁性層である。しかしスペーサ層９５中を伝導する電子は、磁性層（ピン層９４，フリー層９６）から流れてくるため、スピン情報を有する。より大きな抵抗変化量を実現するためには、スペーサ層９５において、伝導電子のスピン情報が失われないようにすることが重要である。しかしながら、実際に作成したスペーサ層９５は非磁性層であり、また完全理想状態は実現困難であることから、結晶欠陥、不純物元素などの影響によってスピン反転現象が生じ、上述したスピン電子のスピン情報が失われてしまい、抵抗変化量の低下、しいては磁気抵抗効果の低下の原因となる。
【００２８】
それに対し、図２に示す本実施形態においては、磁気抵抗効果膜１０はスペーサ層を有さず、ピン層１４及び１６からの伝導電子はその間に位置するスペーサ層１５に流れ込む。この際、スペーサ層１５は、ある程度の磁性を有するので、その内部に結晶欠陥などが存在してもスピン反転現象が生じる可能性は減少し、前記スピン情報の消失という現象は、図３に関連したスピンバルブ膜に比較して少なくなる。その結果、図２に示すスピン依存散乱ユニット（層構成）によれば、図３に示すスピンバルブ膜に比較して、大きな抵抗変化、すなわち磁気抵抗効果を呈するようになる。
【００２９】
磁気抵抗効果膜１０のスピン依存散乱ユニットの層数は、スピンバルブ膜９０と同じである。しかしながら、磁気抵抗効果膜１０は、スペーサ層（磁気的な結合を積極的に分断する機構）を有しないので、ピン層１４及び１６により、実質上デュアルスピンバルブ膜として機能し得る。
【００３０】
通常のデュアルスピンバルブ膜は、ピン層/スペーサ層/フリー層/スペーサ層/ピン層の５層で構成される。磁気抵抗効果膜１０では、３層でデュアルスピンバルブ膜として機能
し得ることから（膜厚が相対的に薄い）、磁気抵抗変化率の上昇が容易である。
【００３１】
スペーサ層を有しない磁気抵抗効果膜１０が磁気抵抗効果を発現するためには、スペーサ層１５の材料選定が必要となる。スペーサ層１５には、極薄の酸化物層、窒化物層、酸窒化物層，または金属層を用いる。酸化物層、窒化物層、酸窒化物層には、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｐｄ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａなどを母材として用いる。金属層にはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎなどの元素を含有する金属材料を用いる。
【００３２】
このとき、酸化物、窒化物、酸窒化物層などでは、０．５〜３ｎｍ程度の極薄の層（薄膜層）を用いる。これによって、抵抗の上昇を招くことなく、大きな磁気抵抗変化率を実現できる。金属材料を用いた場合には、３ｎｍよりも厚い膜を用いても、抵抗を低い値に抑えられる。そのため、金属材料を用いる場合には、０．５〜３ｎｍの膜厚だけでなく、５ｎｍ程度の膜厚まで利用できる。
【００３３】
スペーサ層１５の望ましい実施例の一例として、ＴｉＯｘを基本材料とし、Ｆｅ，Ｃｏ元素を含有するＴｉＯｘ−Ｃｏ，Ｆｅ層を挙げることができる。この構成の磁気抵抗効果膜１０は、正方向の磁界を印加したときに低抵抗状態となり、１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界を印加したときに高抵抗状態となる。
【００３４】
スペーサ層１５に磁化が発現している場合には、外部磁界に対して磁化方向が変化するフリー層として、スペーサ層１５が機能する。この上下のピン層１４，１６の磁化方向と、スペーサ層１５の磁化方向とが平行のときには低抵抗、反平行のときには高抵抗になっていると考えられる。例えば、磁界の無印加時にスペーサ層１５の磁化方向がピン層１４，１６の磁化方向と略直交する。
【００３５】
ただし、現在のＶＳＭ（vibrating sample magnetometer）測定による磁化測定精度では、ＴｉＯｘ層の磁化は観測されていない。この可能性があるとしても、ＴｉＯｘ層の磁化は非常に小さいと考えられる。
【００３６】
また、スペーサ層１５に添加元素として，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｂ，Ｃ，Ｖなどが含まれても構わない。これらの添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜に変更できる。
【００３７】
上記のような酸化物、窒化物、酸窒化物からなるスペーサ層１５に代えて、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｐｄを主成分とする金属材料、またこれらの元素にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの元素を含有する材料を用いても構わない。これらの材料は弱い磁性が発現しやすい。特に、本実施形態のように、極薄膜厚の上下が強磁性材料で挟まれた構成では、磁性が発現しやすくなる。このような金属材料の場合には、酸化物、窒化物、酸窒化物でなく、金属材料そのままでも良い。
【００３８】
（磁気抵抗効果素子の具体的構成）
次いで、上述した磁気抵抗効果素子を基本とした本発明の磁気抵抗効果素子の具体的構成の一例を以下に説明する。
【００３９】
（第１の実施形態：第１の磁気抵抗効果素子）
図４、５、６は、本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部２１を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す図である。なお、これらの図では、図面の記載を簡略化する観点から、下電極１１および上電極２０の記載は省略し、磁気抵抗効果膜１０のみを簡略化して示している。また、電流バイアス発生部２１は、磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対してバイアス磁界を印加するものであるので、かかるスペーサ層１５のみは図中において明示するようにしている。
【００４０】
図４〜６に示すように、本実施形態では、電流バイアス発生部２１は板状の部材から構成されている。そして、図４では、電流バイアス発生部２１（部材２１）を磁気抵抗効果素子の側部に隣接させて配置し、部材２１の厚さ方向（上から下方向）へ電流を流すことによって、その周囲に、紙面に垂直な面内で右回りのバイアス磁界Ｈを生じさせるようにしており、このバイアス磁界Ｈを磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して印加するようにしている。
【００４１】
図５では、部材２１を磁気抵抗効果素子の上部に設け、部材２１の長さ方向（紙面手前から奥）へ向かって電流を流すことによって、紙面と略平行な面内でその周囲に右回りのバイアス磁界Ｈを生じさせるようにしており、このバイアス磁界Ｈを磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して印加するようにしている。また、図６では、部材２１を磁気抵抗効果素子の下部に設け、部材２１の長さ方向（紙面手前から奥）へ向かって電流を流すことによって、紙面と略平行な面内でその周囲に右回りのバイアス磁界Ｈを生じさせるようにしており、このバイアス磁界Ｈを磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して印加するようにしている。
【００４２】
スペーサ層１５は、上述のように酸化物や窒化物などから構成されており、さらには０．５〜３ｎｍ程度の極薄の層として構成されているので、その飽和磁化は小さい。したがって、図３に示すスピンバルブ膜などのフリー層の場合と異なり、図４〜６に示すような電流バイアス発生部２１で生成される比較的弱い磁場が印加されるのみで、その磁区制御を行うことができ、好ましくは単磁区化することができるようになる。したがって、図３に示すスピンバルブ膜などと異なり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズを効果的に抑制することができる。
【００４３】
なお、バイアス磁界の大きさは例えば５Ｏｅ〜５０Ｏｅとすることができる。このような範囲において、磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５の磁気制御を良好な状態で行うことができる。
【００４４】
また、電流バイアス発生部２１は、上述したように電流を流すことによってその周囲に磁場を発生させるような電気的良導体であることが要求される。したがって、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｐｔ，Ａｕから選択される少なくとも１つの元素を含有する金属などから構成することができる。
【００４５】
図７〜９は、上述のような電流バイアス発生部２１を磁気抵抗効果素子中に組み込んだ状態を示す一例である。また、図１０〜１２は、図７〜９に示す磁気抵抗効果素子のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線に沿って切った場合の断面図に相当している。図７及び図１０は図４に示す電流バイアス発生部２１を組み込んだ場合に相当し、図８及び図１１は、図５に示す電流バイアス発生部２１を組み込んだ場合に相当し、図９及び図１２は、図６に示す電流バイアス発生部２１を組み込んだ場合に相当する。
【００４６】
図７及び図１０に示す構成において、電流バイアス発生部２１は、下電極１１及び上電極２０の間において、例えば磁気抵抗効果膜１０の後方（ＭＲハイト方向においてＡＢＳと反対側）に配置することができる。この場合、下電極１１及び上電極２０の間において一対の電極層２２及び２３が、電流バイアス発生部２１の下面及び上面に接触するようにして設けられ、これら電極層２２及び２３を介して電流バイアス発生部２１にバイアス電流が図中の点線で示す矢印方向に供給され、その周囲において矢印で示す向き（右回り）にバイアス磁界Ｈを生成するように構成されている。この場合、電流バイアス発生部２１の前方に位置する磁気抵抗効果膜１０に対して、バイアス磁界Ｈは、図４で示すように、外部磁界検地層１５に対して横方向（右から左）に印加されるようになる。
【００４７】
この結果、磁気抵抗効果膜１０のうち、外部磁界を検知する外部磁界検知層１５の磁区を単磁区に制御でき、その結果バルクハウゼンノイズ等の磁気的ノイズを抑制することができる。また、磁気抵抗効果膜１０に対して、センス電流は例えば図７の磁気抵抗効果膜１０中の矢印で示す方向に流すことができる。
【００４８】
図８及び図１１に示す構成においては、上電極２０が電流バイアス発生部２１として機能する。また、上電極２０と電極層２２とは、ＡＢＳ側に位置する端部が導電層２２Ａによって電気的に接続され、その他の部分は図示しない絶縁層などによって電気的に絶縁されている。この場合、バイアス電流は、電極層２２をＡＢＳ側に流れ、導電層２２Ａ中を下向きに流れるとともに上電極２０をＡＢＳ面側からハイト奥側方向に流れるようになる（図中点線）。この結果、前記バイアス電流に起因したバイアス磁界Ｈが、導電層２２Ａの周りに図中矢印で示す向き（右回り）に生成されるようになる。この場合、電流バイアス発生部２１の前方に位置する磁気抵抗効果膜１０に対して、バイアス磁界Ｈは、図５で示すように、外部磁界検地層１５に対して横方向（右から左）に印加されるようになる。
【００４９】
この結果、磁気抵抗効果膜１０のうち、外部磁界を検知する外部磁界検知層１５の磁区を単磁区に制御でき、その結果バルクハウゼンノイズ等の磁気的ノイズを抑制することができる。また、磁気抵抗効果膜１０に対して、センス電流は例えば図８の磁気抵抗効果膜１０中の矢印で示す方向に流すことができる。
【００５０】
図９及び図１２に示す構成においては、下電極１１が電流バイアス発生部２１として機能する。また、下電極１１と電極層２２とは、ＡＢＳ側に位置する端部が導電層２２Ａによって電気的に接続され、その他の部分は図示しない絶縁層などによって電気的に絶縁されている。この場合、バイアス電流は、電極層２２をＡＢＳ側に流れ、導電層２２Ａを上向きに流れるとともに下電極１１をＡＢＳ面側からハイト奥側方向に流れるようになる（図中点線）。この結果、前記バイアス電流に起因したバイアス磁界Ｈが導電層２２Ａの周りに図中矢印で示す向き（左回り）に生成されるようになる。この場合、電流バイアス発生部２１の前方に位置する磁気抵抗効果膜１０に対して、バイアス磁界Ｈは、図６で示すように、外部磁界検知層１５に対して横方向（左から右）に印加されるようになる。
【００５１】
この結果、磁気抵抗効果膜１０のうち、外部磁界を検知する外部磁界検知層１５の磁区を単磁区に制御でき、その結果バルクハウゼンノイズ等の磁気的ノイズを抑制することができる。また、磁気抵抗効果膜１０に対して、センス電流は例えば図９の磁気抵抗効果膜１０中の矢印で示す方向に流すことができる。
【００５２】
（第２の実施形態：第２の磁気抵抗効果素子）
図１３は、本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、交換結合層２５を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す断面図である。なお、これらの図では、図面の記載を簡略化する観点から、磁気抵抗効果膜１０のみを簡略化して、また、交換結合層２５は、磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して交換結合を介して磁気的なバイアスを印加するものであるので、かかるスペーサ層１５のみは図中において明示するようにしている。
【００５３】
図１３に示すように、本実施形態では、交換結合層２５はスペーサ層１５の主面上において、再生感磁部１０Ａを除いた両端部に接触するとともにスペーサ層１５と交換結合を生ぜしめるようにして形成されている。このような交換結合層２５を設けることによって、スペーサ層１５の磁区制御を簡易に行うことができるようになり、好ましくは単磁区化することができる。したがって、図３に示すスピンバルブ膜などと異なり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズを効果的に抑制することができる。
【００５４】
なお、交換結合層２５を、再生感磁部１０Ａを除くようにして形成するのは、再生感磁部１０Ａをも被覆するようにして交換結合層２５を形成した場合、交換結合層２５との磁気的な交換結合によってスペーサ層１５の磁化が固定されてしまい、スペーサ層１５に対して外部磁界が印加された場合において、その磁化が容易に回転しなくなってしまうためである。この結果、磁気抵抗効果素子全体としての磁気抵抗効果が減少してしまう結果となるためである。
【００５５】
上記交換結合層２５は、例えばＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＲｕＲｈＭｎから選択される少なくとも１つの反強磁性材料を含むことが好ましい。また、α−Ｆｅ２Ｏ３，ＮｉＯ、α−Ｆｅ２Ｏ３−ＮｉＯ，ＣｏＯ−ＮｉＯから選択される少なくとも１つの反強磁性材料を含むことが好ましい。このような場合、上述した交換結合による磁区制御をより効果的に行うことができるようになる。
【００５６】
なお、特に限定されるものではないが、交換結合層２５の厚さは、例えば５ｎｍ〜２０ｎｍとすることができる。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
以下、本発明の実施例につき説明する。本実施例については、図４（図７）に示すような磁気抵抗効果素子を作製した。以下に、本実施例に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す。
【００５８】
・下電極１１： ＮｉＦｅ[１．５μm]
・下地層１２（バッファ層１２ａ／シード層１２ｂ）： Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・ピン層１４（ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・スペーサ層１５： ＴｉＯｘ［２ｎｍ］
・ピン層１６（ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・ピニング層１７： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・キャップ層１８： Ｔａ［５ｎｍ］
・上電極２０：ＮｉＦｅ[１．２μm]
・電流バイアス発生部２１：Ｔｉ[５０ｎｍ]
【００５９】
上電極を除く積層体の作製後、１０ｋＯｅの磁場中において２９０℃、４時間の熱処理を行い、結晶性の向上、およびＰｔＭｎの規則化を行った。その後リソグラフィープロセスによってスピンバルブ膜の素子サイズを規定し、上電極２０を作製した。
【００６０】
次いで、電流バイアス発生部２１に１から１０ｍＡの電流を流すことによってバイアス磁界を発生させ、スペーサ層１５に印加し、磁区制御を実施した。
【００６１】
なお、本実施例の磁気抵抗効果素子では、正方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と平行の磁化方向）を印加したときに低抵抗状態となり、１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と反平行の磁化方向）を印加したときに高抵抗状態となった。本実施例の磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗変化率ＭＲが１６％であった。また、バルクハウゼンノイズは皆無であった。
【００６２】
（実施例２）
本実施例については、図１３に示すような磁気抵抗効果素子を作製した。以下に、本実施例に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す。
【００６３】
・下電極１１：ＮｉＦｅ[１．５μm]
・下地層１２（バッファ層１２ａ／シード層１２ｂ）： Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・ピン層１４（ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・スペーサ層１５： ＴｉＯｘ［２ｎｍ］
・ピン層１６（ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・ピニング層１７： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・キャップ層１８： Ｔａ［５ｎｍ］
・上電極２０：ＮｉＦｅ[１．２μm]
・交換結合層２５：ＩｒＭｎ[７ｎｍ]、再生感磁部幅１００ｎｍ
【００６４】
上電極を除く積層体の作製後、１０ｋＯｅの磁場中において２９０℃、４時間の熱処理を行い、結晶性の向上、およびＰｔＭｎの規則化を行った。その後リソグラフィープロセスによってスピンバルブ膜の素子サイズを規定し、上電極２０を作製した。
【００６５】
なお、本実施例の磁気抵抗効果素子では、正方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と平行の磁化方向）を印加したときに低抵抗状態となり、１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と反平行の磁化方向）を印加したときに高抵抗状態となった。本実施例の磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗変化率ＭＲが１６％であった。また、バルクハウゼンノイズは皆無であった。
【００６６】
（比較例）
上記実施例１において、電流バイアス発生部２１を設けない以外は実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。この際、磁気抵抗変化率ＭＲは最大で１６％であった。また、バルクハウゼンノイズは７０〜８０％の確率で発生したであった。
【００６７】
（磁気ヘッド、及び磁気記録再生装置）
上述した磁気抵抗効果素子は、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。
【００６８】
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。図１４に示す磁気記録再生装置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。なお、図に示す磁気記録再生装置１５０では、単独の磁気ディスク２００のみを用いているが、複数の磁気ディスク２００を具えることができる。
【００６９】
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。
【００７０】
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。但し、このような浮上型に代えて、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」であってもよい。サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【００７１】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００７２】
図１５は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【００７３】
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は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【００７４】
図１６及び１７に示す磁気記録再生装置においては、上述した本発明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えることにより、従来よりも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。
【００７５】
（磁気メモリ）
上述した磁気抵抗効果素子は、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（magnetic random access memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを構成することができる。
【００７６】
図１６は、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がオンになって一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子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。
【００７７】
図１７は、上記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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
一方、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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
上記磁気メモリは、上述した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。
【００８５】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００８６】
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。
【００８７】
さらに、上記磁気抵抗効果素子は、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記録再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００８８】
また、本発明の磁気記録再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構成の一例を表す斜視図である。
【図２】図１に示すスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。
【図３】従来のスピンバルブ膜のスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。
【図４】本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す図である。
【図５】同じく、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の他の例を示す図である。
【図６】同じく、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成のその他の例を示す図である。
【図７】電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成を示す斜視図である。
【図８】同じく、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成を示す斜視図である。
【図９】同じく、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成を示す斜視図である。
【図１０】図７のＡ−Ａ’断面図である。
【図１１】図８のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１２】図９のＣ−Ｃ’断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、交換結合層を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す図である。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気記録再生装置の一例を示す斜視図である。
【図１５】本発明の磁気ヘッドアセンブリの一例を示す図である。
【図１６】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの一例を示す図である。
【図１７】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの他の例を示す図である。
【図１８】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】図１８のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 磁気抵抗効果膜
１１ 下電極
１２ 下地層
１３，１７ ピニング層
１４，１６ ピン層
１５ スペーサ層
１８ キャップ層
２０ 上電極
２１ 電流バイアス発生部
２５ 交換結合層
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
２００ 磁気記録磁気ディスク
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果膜にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子に関し、さらにはこのような磁気抵抗効果素子を利用した磁気ヘッド、磁気記憶装置及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive Effect：ＧＭＲ）を用いることで、磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜 ）の磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などへの適用は、磁気デバイス分野に大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
「スピンバルブ膜」は、２つの強磁性層の間に非磁性のスペーサ層を挟んだ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。この２つの強磁性層の１方（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化が反強磁性層などで固着され、他方（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化方向が外部磁界に応じて回転可能である。スピンバルブ膜では、ピン層及びフリー層における磁化方向の相対角度が変化することで、巨大な磁気抵抗変化が得られる。
【０００４】
ここで、スペーサ層は、ピン層とフリー層との間を磁気的に分断し、これらの磁化方向が独立に動くことを可能とする。
【０００５】
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、および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、および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。
【０００６】
膜面垂直に通電する方式においては、ＴＭＲ素子ではスペーサ層として絶縁層を用い、通常のＣＰＰ−ＧＭＲではスペーサ層として金属層を用いる。また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の発展形として、スペーサ層として厚み方向に貫通したナノサイズの金属電流パスを含んだ酸化物層「ＮＯＬ（nano-oxide layer）」を用いたものも提案されている。このスペーサ層では、ＮＯＬの一部に金属伝導を生じさせるための狭窄された電流パス（ＣＣＰ：Current-confined-path）を有している。（特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のいずれの場合でも従来の磁気抵抗効果素子では、ピン層、スペーサ層、フリー層を基本的な構成とし、ピン層、フリー層間での磁化方向の相対角度の変化によって、磁気を検知している。
【０００８】
本発明は、従来の磁気抵抗効果素子とは異なり、ピン層、スペーサ層、フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ヘッド及び磁気メモリ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】
【０００９】
上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、
磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置され、磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と、
前記スペーサ層に隣接して配置され、前記スペーサ層に対してバイアス磁界を印加するための電流バイアス発生部と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子）に関する。
【００１０】
また、本発明の一態様は、磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置され、磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と、
前記スペーサ層の主面上において、再生感磁部を除いた両端部に接触するとともに前記スペーサ層と交換結合を生ぜしめるような交換結合層と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子（第２の磁気抵抗効果素子）に関する。
【００１１】
従来のスピンバルブ膜などの巨大磁気抵抗効果素子においては、非磁性のスペーサ層を挟んでその上下方向においてピン層及びフリー層を形成してスピン依存散乱ユニットを構成し、前記フリー層の磁化回転による素子の抵抗変化によって磁気抵抗効果を発現させている。しかしながら、前記フリー層の磁化は比較的大きく、前記フリー層の磁区制御を行って単磁区化するには比較的大きなバイアス磁場が必要となる。そのため、前記フリー層を十分に単磁区化することは困難であり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズが発生してしまう場合があった。
【００１２】
これに対して、本発明の上記態様では、ピン層として機能する第１の磁性層及び第２の磁性層によって所定の外部磁界に感応してその磁化を回転させるように構成されたスペーサ層を挟み込むようにしてスピン依存散乱ユニットを構成し、スピンバルブ膜の場合とは異なり、前記スペーサ層の磁化の回転による素子の抵抗変化によって磁気抵抗効果を発現するようにしている。
【００１３】
前記スペーサ層は、上述のように酸化物や窒化物などから構成されているため、その磁化は比較的小さい。したがって、従来のスピンバルブ膜などのフリー層の場合と異なり、比較的小さい外部磁界によって前記スペーサ層の磁区制御を行うことができ、好ましくは単磁区化することができる。したがって、上述したスピンバルブ膜などと異なり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズを効果的に抑制することができる。
【００１４】
なお、本発明の上記態様においては、上述したように、スペーサ層の磁化の回転に起因した抵抗変化より磁気抵抗効果を発現せしめるが、その原因については以下のように考えることができる。すなわち、従来のスピンバルブにおいては、スピン依存散乱ユニットが、非磁性のスペーサ層と、この層を挟み込むようにして構成したピン層及びフリー層から構成されている。したがって、これらピン層及びフリー層から流れてくる伝導電子のスピン情報がスピン反転現象などのために前記スペーサ層中で失われてしまうことになる。
【００１５】
一方、本発明の上記態様の磁気抵抗効果素子においては、上下に設けられたピン層からの伝導電子のスピン情報はある程度の磁性を有する外部磁化感応層に取り込まれるようになるため、上述したスピン反転現象が生じることはない。したがって、前記スピン情報の消失というような問題が生じることがない。
【００１６】
一般に、磁気抵抗効果素子の抵抗変化、すなわち磁気抵抗効果を増大させるためには、上述した磁性層からのスピン情報を保持することが要求される。したがって、本発明の上記態様における磁気抵抗効果素子においては、上述のようにスペーサ層において、スピン情報を保持することができるので、従来のスピンバルブ膜のフリー層のように大きな磁化を有しない場合においても、比較的磁気抵抗効果を呈するようになる。
【００１７】
なお、上述した説明で明らかなように、第１の磁気抵抗効果素子において、前記電流バイアス発生部は、前記バイアス磁界によって前記スペーサ層の磁区制御を行うものであって、好ましくは前記スペーサ層を単磁区化するように機能させる。これによって、上述したバルクハウゼンノイズなどの磁気ノイズを効果的に抑制することができる。
【００１８】
また、第２の磁気抵抗効果素子において、前記交換結合層は、前記交換結合によって前記スペーサ層の磁区制御を行うものであって、好ましくは前記スペーサ層を単磁区化するように機能させる。
【００１９】
なお、本発明の磁気ヘッド及び磁気メモリは、上述した磁気抵抗効果素子を具えることによって特徴付けられる。
【発明の効果】
【００２０】
以上、本発明の上記態様によれば、従来の磁気抵抗効果素子とは異なり、ピン層、スペーサ層、フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ヘッド及び磁気メモリ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】
【００２１】
以下、本発明のその他の特徴及び利点などについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態において、合金の組成は原子％（atomic％）で表すことができる。また、以下の総ての図面において、本発明の特徴を明確化すべく、各構成要素の寸法などについては、実際のものと異なるようにして記載している。
【００２２】
（磁気抵抗効果素子の基本構成）
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子を表す斜視図であり、図２は、図１に示すスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。また、図３は、参考例として従来のスピンバルブ膜のスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。
【００２３】
図１に示すように本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜１０、およびこれを上下から挟むようにして下電極１１および上電極２０を有し、図示しない基板上に構成される。
【００２４】
図２に示すように、磁気抵抗効果膜１０は、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４，スペーサ層１５、ピン層１６、ピニング層１７、及びキャップ層１８が順に積層されて構成される。この内、ピン層１４、スペーサ層１５、及びピン層１６が磁気抵抗効果を発現する基本膜構成、即ち、スピン依存散乱ユニットに相当する。また、本例では、ピン層１４は、ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３の３層構造となっている。さらに、ピン層１６は、ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３の３層構造となっている。但し、各ピン層は単層から構成するようにすることができる。一方、図３に示すスピンバルブ膜９０では、ピニング層９３、ピン層９４、スペーサ層９５、及びフリー層９６が積層される。
【００２５】
スピンバルブ膜９０において、磁気抵抗効果を発現するスピン依存散乱ユニットは、ピン層９４、スペーサ層９５、及びフリー層９６の３層構成である。ピン層９４の磁化方向は固着され、フリー層９６の磁化方向は外部磁界によって変化する。スペーサ層９５によって、ピン層９４とフリー層９６との間での磁気的な結合を分断し、これらの層間での磁化方向の独立性を確保している。外部磁界によって、ピン層９４とフリー層９６の磁化方向の相対的な角度が変化することで、磁気抵抗による磁気の検出が可能となる。
【００２６】
これに対して、磁気抵抗効果膜１０において、磁気抵抗効果を発現するスピン依存散乱ユニットは、ピン層１４、スペーサ層１５、及びピン層１６の３層構成である。即ち、磁気抵抗効果膜１０は、スペーサ層９５のような磁気的な結合を積極的に分断する機構を有さず、ピン層１６とスペーサ層１５とが直接近接している。
【００２７】
従来のスピンバルブ膜９０において、スペーサ層９５は非磁性層である。しかしスペーサ層９５中を伝導する電子は、磁性層（ピン層９４，フリー層９６）から流れてくるため、スピン情報を有する。より大きな抵抗変化量を実現するためには、スペーサ層９５において、伝導電子のスピン情報が失われないようにすることが重要である。しかしながら、実際に作成したスペーサ層９５は非磁性層であり、また完全理想状態は実現困難であることから、結晶欠陥、不純物元素などの影響によってスピン反転現象が生じ、上述したスピン電子のスピン情報が失われてしまい、抵抗変化量の低下、しいては磁気抵抗効果の低下の原因となる。
【００２８】
それに対し、図２に示す本実施形態においては、磁気抵抗効果膜１０はスペーサ層を有さず、ピン層１４及び１６からの伝導電子はその間に位置するスペーサ層１５に流れ込む。この際、スペーサ層１５は、ある程度の磁性を有するので、その内部に結晶欠陥などが存在してもスピン反転現象が生じる可能性は減少し、前記スピン情報の消失という現象は、図３に関連したスピンバルブ膜に比較して少なくなる。その結果、図２に示すスピン依存散乱ユニット（層構成）によれば、図３に示すスピンバルブ膜に比較して、大きな抵抗変化、すなわち磁気抵抗効果を呈するようになる。
【００２９】
磁気抵抗効果膜１０のスピン依存散乱ユニットの層数は、スピンバルブ膜９０と同じである。しかしながら、磁気抵抗効果膜１０は、スペーサ層（磁気的な結合を積極的に分断する機構）を有しないので、ピン層１４及び１６により、実質上デュアルスピンバルブ膜として機能し得る。
【００３０】
通常のデュアルスピンバルブ膜は、ピン層/スペーサ層/フリー層/スペーサ層/ピン層の５層で構成される。磁気抵抗効果膜１０では、３層でデュアルスピンバルブ膜として機能
し得ることから（膜厚が相対的に薄い）、磁気抵抗変化率の上昇が容易である。
【００３１】
スペーサ層を有しない磁気抵抗効果膜１０が磁気抵抗効果を発現するためには、スペーサ層１５の材料選定が必要となる。スペーサ層１５には、極薄の酸化物層、窒化物層、酸窒化物層，または金属層を用いる。酸化物層、窒化物層、酸窒化物層には、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｐｄ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａなどを母材として用いる。金属層にはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎなどの元素を含有する金属材料を用いる。
【００３２】
このとき、酸化物、窒化物、酸窒化物層などでは、０．５〜３ｎｍ程度の極薄の層（薄膜層）を用いる。これによって、抵抗の上昇を招くことなく、大きな磁気抵抗変化率を実現できる。金属材料を用いた場合には、３ｎｍよりも厚い膜を用いても、抵抗を低い値に抑えられる。そのため、金属材料を用いる場合には、０．５〜３ｎｍの膜厚だけでなく、５ｎｍ程度の膜厚まで利用できる。
【００３３】
スペーサ層１５の望ましい実施例の一例として、ＴｉＯｘを基本材料とし、Ｆｅ，Ｃｏ元素を含有するＴｉＯｘ−Ｃｏ，Ｆｅ層を挙げることができる。この構成の磁気抵抗効果膜１０は、正方向の磁界を印加したときに低抵抗状態となり、１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界を印加したときに高抵抗状態となる。
【００３４】
スペーサ層１５に磁化が発現している場合には、外部磁界に対して磁化方向が変化するフリー層として、スペーサ層１５が機能する。この上下のピン層１４，１６の磁化方向と、スペーサ層１５の磁化方向とが平行のときには低抵抗、反平行のときには高抵抗になっていると考えられる。例えば、磁界の無印加時にスペーサ層１５の磁化方向がピン層１４，１６の磁化方向と略直交する。
【００３５】
ただし、現在のＶＳＭ（vibrating sample magnetometer）測定による磁化測定精度では、ＴｉＯｘ層の磁化は観測されていない。この可能性があるとしても、ＴｉＯｘ層の磁化は非常に小さいと考えられる。
【００３６】
また、スペーサ層１５に添加元素として，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｂ，Ｃ，Ｖなどが含まれても構わない。これらの添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜に変更できる。
【００３７】
上記のような酸化物、窒化物、酸窒化物からなるスペーサ層１５に代えて、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｐｄを主成分とする金属材料、またこれらの元素にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの元素を含有する材料を用いても構わない。これらの材料は弱い磁性が発現しやすい。特に、本実施形態のように、極薄膜厚の上下が強磁性材料で挟まれた構成では、磁性が発現しやすくなる。このような金属材料の場合には、酸化物、窒化物、酸窒化物でなく、金属材料そのままでも良い。
【００３８】
（磁気抵抗効果素子の具体的構成）
次いで、上述した磁気抵抗効果素子を基本とした本発明の磁気抵抗効果素子の具体的構成の一例を以下に説明する。
【００３９】
（第１の実施形態：第１の磁気抵抗効果素子）
図４、５、６は、本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部２１を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す図である。なお、これらの図では、図面の記載を簡略化する観点から、下電極１１および上電極２０の記載は省略し、磁気抵抗効果膜１０のみを簡略化して示している。また、電流バイアス発生部２１は、磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対してバイアス磁界を印加するものであるので、かかるスペーサ層１５のみは図中において明示するようにしている。
【００４０】
図４〜６に示すように、本実施形態では、電流バイアス発生部２１は板状の部材から構成されている。そして、図４では、電流バイアス発生部２１（部材２１）を磁気抵抗効果素子の側部に隣接させて配置し、部材２１の厚さ方向（上から下方向）へ電流を流すことによって、その周囲に、紙面に垂直な面内で右回りのバイアス磁界Ｈを生じさせるようにしており、このバイアス磁界Ｈを磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して印加するようにしている。
【００４１】
図５では、部材２１を磁気抵抗効果素子の上部に設け、部材２１の長さ方向（紙面手前から奥）へ向かって電流を流すことによって、紙面と略平行な面内でその周囲に右回りのバイアス磁界Ｈを生じさせるようにしており、このバイアス磁界Ｈを磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して印加するようにしている。また、図６では、部材２１を磁気抵抗効果素子の下部に設け、部材２１の長さ方向（紙面手前から奥）へ向かって電流を流すことによって、紙面と略平行な面内でその周囲に右回りのバイアス磁界Ｈを生じさせるようにしており、このバイアス磁界Ｈを磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して印加するようにしている。
【００４２】
スペーサ層１５は、上述のように酸化物や窒化物などから構成されており、さらには０．５〜３ｎｍ程度の極薄の層として構成されているので、その飽和磁化は小さい。したがって、図３に示すスピンバルブ膜などのフリー層の場合と異なり、図４〜６に示すような電流バイアス発生部２１で生成される比較的弱い磁場が印加されるのみで、その磁区制御を行うことができ、好ましくは単磁区化することができるようになる。したがって、図３に示すスピンバルブ膜などと異なり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズを効果的に抑制することができる。
【００４３】
なお、バイアス磁界の大きさは例えば５Ｏｅ〜５０Ｏｅとすることができる。このような範囲において、磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５の磁気制御を良好な状態で行うことができる。
【００４４】
また、電流バイアス発生部２１は、上述したように電流を流すことによってその周囲に磁場を発生させるような電気的良導体であることが要求される。したがって、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｐｔ，Ａｕから選択される少なくとも１つの元素を含有する金属などから構成することができる。
【００４５】
図７〜９は、上述のような電流バイアス発生部２１を磁気抵抗効果素子中に組み込んだ状態を示す一例である。また、図１０〜１２は、図７〜９に示す磁気抵抗効果素子のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線に沿って切った場合の断面図に相当している。図７及び図１０は図４に示す電流バイアス発生部２１を組み込んだ場合に相当し、図８及び図１１は、図５に示す電流バイアス発生部２１を組み込んだ場合に相当し、図９及び図１２は、図６に示す電流バイアス発生部２１を組み込んだ場合に相当する。
【００４６】
図７及び図１０に示す構成において、電流バイアス発生部２１は、下電極１１及び上電極２０の間において、例えば磁気抵抗効果膜１０の後方（ＭＲハイト方向においてＡＢＳと反対側）に配置することができる。この場合、下電極１１及び上電極２０の間において一対の電極層２２及び２３が、電流バイアス発生部２１の下面及び上面に接触するようにして設けられ、これら電極層２２及び２３を介して電流バイアス発生部２１にバイアス電流が図中の点線で示す矢印方向に供給され、その周囲において矢印で示す向き（右回り）にバイアス磁界Ｈを生成するように構成されている。この場合、電流バイアス発生部２１の前方に位置する磁気抵抗効果膜１０に対して、バイアス磁界Ｈは、図４で示すように、外部磁界検地層１５に対して横方向（右から左）に印加されるようになる。
【００４７】
この結果、磁気抵抗効果膜１０のうち、外部磁界を検知する外部磁界検知層１５の磁区を単磁区に制御でき、その結果バルクハウゼンノイズ等の磁気的ノイズを抑制することができる。また、磁気抵抗効果膜１０に対して、センス電流は例えば図７の磁気抵抗効果膜１０中の矢印で示す方向に流すことができる。
【００４８】
図８及び図１１に示す構成においては、上電極２０が電流バイアス発生部２１として機能する。また、上電極２０と電極層２２とは、ＡＢＳ側に位置する端部が導電層２２Ａによって電気的に接続され、その他の部分は図示しない絶縁層などによって電気的に絶縁されている。この場合、バイアス電流は、電極層２２をＡＢＳ側に流れ、導電層２２Ａ中を下向きに流れるとともに上電極２０をＡＢＳ面側からハイト奥側方向に流れるようになる（図中点線）。この結果、前記バイアス電流に起因したバイアス磁界Ｈが、導電層２２Ａの周りに図中矢印で示す向き（右回り）に生成されるようになる。この場合、電流バイアス発生部２１の前方に位置する磁気抵抗効果膜１０に対して、バイアス磁界Ｈは、図５で示すように、外部磁界検地層１５に対して横方向（右から左）に印加されるようになる。
【００４９】
この結果、磁気抵抗効果膜１０のうち、外部磁界を検知する外部磁界検知層１５の磁区を単磁区に制御でき、その結果バルクハウゼンノイズ等の磁気的ノイズを抑制することができる。また、磁気抵抗効果膜１０に対して、センス電流は例えば図８の磁気抵抗効果膜１０中の矢印で示す方向に流すことができる。
【００５０】
図９及び図１２に示す構成においては、下電極１１が電流バイアス発生部２１として機能する。また、下電極１１と電極層２２とは、ＡＢＳ側に位置する端部が導電層２２Ａによって電気的に接続され、その他の部分は図示しない絶縁層などによって電気的に絶縁されている。この場合、バイアス電流は、電極層２２をＡＢＳ側に流れ、導電層２２Ａを上向きに流れるとともに下電極１１をＡＢＳ面側からハイト奥側方向に流れるようになる（図中点線）。この結果、前記バイアス電流に起因したバイアス磁界Ｈが導電層２２Ａの周りに図中矢印で示す向き（左回り）に生成されるようになる。この場合、電流バイアス発生部２１の前方に位置する磁気抵抗効果膜１０に対して、バイアス磁界Ｈは、図６で示すように、外部磁界検知層１５に対して横方向（左から右）に印加されるようになる。
【００５１】
この結果、磁気抵抗効果膜１０のうち、外部磁界を検知する外部磁界検知層１５の磁区を単磁区に制御でき、その結果バルクハウゼンノイズ等の磁気的ノイズを抑制することができる。また、磁気抵抗効果膜１０に対して、センス電流は例えば図９の磁気抵抗効果膜１０中の矢印で示す方向に流すことができる。
【００５２】
（第２の実施形態：第２の磁気抵抗効果素子）
図１３は、本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、交換結合層２５を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す断面図である。なお、これらの図では、図面の記載を簡略化する観点から、磁気抵抗効果膜１０のみを簡略化して、また、交換結合層２５は、磁気抵抗効果膜１０のスペーサ層１５に対して交換結合を介して磁気的なバイアスを印加するものであるので、かかるスペーサ層１５のみは図中において明示するようにしている。
【００５３】
図１３に示すように、本実施形態では、交換結合層２５はスペーサ層１５の主面上において、再生感磁部１０Ａを除いた両端部に接触するとともにスペーサ層１５と交換結合を生ぜしめるようにして形成されている。このような交換結合層２５を設けることによって、スペーサ層１５の磁区制御を簡易に行うことができるようになり、好ましくは単磁区化することができる。したがって、図３に示すスピンバルブ膜などと異なり、バルクハウゼンノイズなどの磁気的ノイズを効果的に抑制することができる。
【００５４】
なお、交換結合層２５を、再生感磁部１０Ａを除くようにして形成するのは、再生感磁部１０Ａをも被覆するようにして交換結合層２５を形成した場合、交換結合層２５との磁気的な交換結合によってスペーサ層１５の磁化が固定されてしまい、スペーサ層１５に対して外部磁界が印加された場合において、その磁化が容易に回転しなくなってしまうためである。この結果、磁気抵抗効果素子全体としての磁気抵抗効果が減少してしまう結果となるためである。
【００５５】
上記交換結合層２５は、例えばＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＲｕＲｈＭｎから選択される少なくとも１つの反強磁性材料を含むことが好ましい。また、α−Ｆｅ２Ｏ３，ＮｉＯ、α−Ｆｅ２Ｏ３−ＮｉＯ，ＣｏＯ−ＮｉＯから選択される少なくとも１つの反強磁性材料を含むことが好ましい。このような場合、上述した交換結合による磁区制御をより効果的に行うことができるようになる。
【００５６】
なお、特に限定されるものではないが、交換結合層２５の厚さは、例えば５ｎｍ〜２０ｎｍとすることができる。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
以下、本発明の実施例につき説明する。本実施例については、図４（図７）に示すような磁気抵抗効果素子を作製した。以下に、本実施例に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す。
【００５８】
・下電極１１： ＮｉＦｅ[１．５μm]
・下地層１２（バッファ層１２ａ／シード層１２ｂ）： Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・ピン層１４（ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・スペーサ層１５： ＴｉＯｘ［２ｎｍ］
・ピン層１６（ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・ピニング層１７： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・キャップ層１８： Ｔａ［５ｎｍ］
・上電極２０：ＮｉＦｅ[１．２μm]
・電流バイアス発生部２１：Ｔｉ[５０ｎｍ]
【００５９】
上電極を除く積層体の作製後、１０ｋＯｅの磁場中において２９０℃、４時間の熱処理を行い、結晶性の向上、およびＰｔＭｎの規則化を行った。その後リソグラフィープロセスによってスピンバルブ膜の素子サイズを規定し、上電極２０を作製した。
【００６０】
次いで、電流バイアス発生部２１に１から１０ｍＡの電流を流すことによってバイアス磁界を発生させ、スペーサ層１５に印加し、磁区制御を実施した。
【００６１】
なお、本実施例の磁気抵抗効果素子では、正方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と平行の磁化方向）を印加したときに低抵抗状態となり、１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と反平行の磁化方向）を印加したときに高抵抗状態となった。本実施例の磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗変化率ＭＲが１６％であった。また、バルクハウゼンノイズは皆無であった。
【００６２】
（実施例２）
本実施例については、図１３に示すような磁気抵抗効果素子を作製した。以下に、本実施例に係る磁気抵抗効果素子の層構成を示す。
【００６３】
・下電極１１：ＮｉＦｅ[１．５μm]
・下地層１２（バッファ層１２ａ／シード層１２ｂ）： Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・ピン層１４（ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・スペーサ層１５： ＴｉＯｘ［２ｎｍ］
・ピン層１６（ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３）： ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・ピニング層１７： ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・キャップ層１８： Ｔａ［５ｎｍ］
・上電極２０：ＮｉＦｅ[１．２μm]
・交換結合層２５：ＩｒＭｎ[７ｎｍ]、再生感磁部幅１００ｎｍ
【００６４】
上電極を除く積層体の作製後、１０ｋＯｅの磁場中において２９０℃、４時間の熱処理を行い、結晶性の向上、およびＰｔＭｎの規則化を行った。その後リソグラフィープロセスによってスピンバルブ膜の素子サイズを規定し、上電極２０を作製した。
【００６５】
なお、本実施例の磁気抵抗効果素子では、正方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と平行の磁化方向）を印加したときに低抵抗状態となり、１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と反平行の磁化方向）を印加したときに高抵抗状態となった。本実施例の磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗変化率ＭＲが１６％であった。また、バルクハウゼンノイズは皆無であった。
【００６６】
（比較例）
上記実施例１において、電流バイアス発生部２１を設けない以外は実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。この際、磁気抵抗変化率ＭＲは最大で１６％であった。また、バルクハウゼンノイズは７０〜８０％の確率で発生したであった。
【００６７】
（磁気ヘッド、及び磁気記録再生装置）
上述した磁気抵抗効果素子は、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。
【００６８】
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。図１４に示す磁気記録再生装置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。なお、図に示す磁気記録再生装置１５０では、単独の磁気ディスク２００のみを用いているが、複数の磁気ディスク２００を具えることができる。
【００６９】
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。
【００７０】
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。但し、このような浮上型に代えて、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」であってもよい。サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【００７１】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００７２】
図１５は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【００７３】
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は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【００７４】
図１６及び１７に示す磁気記録再生装置においては、上述した本発明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えることにより、従来よりも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。
【００７５】
（磁気メモリ）
上述した磁気抵抗効果素子は、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（magnetic random access memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを構成することができる。
【００７６】
図１６は、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がオンになって一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子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。
【００７７】
図１７は、上記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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
一方、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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
上記磁気メモリは、上述した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。
【００８５】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００８６】
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。
【００８７】
さらに、上記磁気抵抗効果素子は、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記録再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００８８】
また、本発明の磁気記録再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構成の一例を表す斜視図である。
【図２】図１に示すスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。
【図３】従来のスピンバルブ膜のスピン依存散乱ユニットを構成する層構成部分を拡大して示す図である。
【図４】本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す図である。
【図５】同じく、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の他の例を示す図である。
【図６】同じく、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成のその他の例を示す図である。
【図７】電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成を示す斜視図である。
【図８】同じく、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成を示す斜視図である。
【図９】同じく、電流バイアス発生部を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成を示す斜視図である。
【図１０】図７のＡ−Ａ’断面図である。
【図１１】図８のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１２】図９のＣ−Ｃ’断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態である、上述した磁気抵抗効果素子の基本構成に対して、交換結合層を設けた磁気抵抗効果素子の具体的構成の例を示す図である。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気記録再生装置の一例を示す斜視図である。
【図１５】本発明の磁気ヘッドアセンブリの一例を示す図である。
【図１６】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの一例を示す図である。
【図１７】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの他の例を示す図である。
【図１８】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】図１８のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 磁気抵抗効果膜
１１ 下電極
１２ 下地層
１３，１７ ピニング層
１４，１６ ピン層
１５ スペーサ層
１８ キャップ層
２０ 上電極
２１ 電流バイアス発生部
２５ 交換結合層
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
２００ 磁気記録磁気ディスク
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の間に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層に隣接して配置され、前記スペーサ層に対してバイアス磁界を印加するための電流バイアス発生部と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記電流バイアス発生部は、前記バイアス磁界によって前記スペーサ層の磁区制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記電流バイアス発生部に対して電流を通電するための手段を具えることを特徴とする、請求項１、２のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置され、磁化方向が実質的に固着された再生感磁部と、
前記スペーサ層の主面上において、再生感磁部を除いた両端部に接触するとともに前記スペーサ層と交換結合を生ぜしめるような交換結合層と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記交換結合層は、前記交換結合によって前記スペーサ層の磁区制御を行うことを特徴とする、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
外部磁界の無印加時において、前記第１、第２の磁性層の磁化方向と、前記スペーサ層の磁化方向とが、略直交することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記スペーサ層の膜厚が、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気ヘッドを具えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１】
磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の間に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層に隣接して配置され、前記スペーサ層に対してバイアス磁界を印加するための電流バイアス発生部と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記電流バイアス発生部は、前記バイアス磁界によって前記スペーサ層の磁区制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記電流バイアス発生部に対して電流を通電するための手段を具えることを特徴とする、請求項１、２のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に配置され、酸化物、窒化物、酸窒化物、金属のいずれか１つからなるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置され、磁化方向が実質的に固着された再生感磁部と、
前記スペーサ層の主面上において、再生感磁部を除いた両端部に接触するとともに前記スペーサ層と交換結合を生ぜしめるような交換結合層と、
を具えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記交換結合層は、前記交換結合によって前記スペーサ層の磁区制御を行うことを特徴とする、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
外部磁界の無印加時において、前記第１、第２の磁性層の磁化方向と、前記スペーサ層の磁化方向とが、略直交することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記スペーサ層の膜厚が、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気ヘッドを具えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする磁気メモリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００８−２４４１１２（Ｐ２００８−２４４１１２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８２０１３（Ｐ２００７−８２０１３）
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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