磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記録再生装置、および磁気メモリ
【課題】高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交している磁気抵抗効果素子。
【解決手段】実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交している磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜面に対して垂直方向に電流を通電する構造の磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置、および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体の積層構造体における巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResistive Effect：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイス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）は磁気デバイスに容易に適用できる構造を有し、ＧＭＲ効果を有効に発揮させることができるので、磁気ヘッドおよびＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などの磁気デバイスに大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
「スピンバルブ膜」とは、２つの強磁性層の間に非磁性金属スペーサ層を挟んだ構造を有し、一方の強磁性層（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化を反強磁性層などで固着し、もう一方の強磁性層（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化を外部磁界（たとえば媒体磁界）に応じて回転するようにした積層膜をいう。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することによって、巨大な磁気抵抗変化が得られる。
【０００４】
従来のスピンバルブ膜は、膜面に平行にセンス電流を通電するＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子であった。近年、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも大きなＧＭＲ効果を発現することから、膜面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ素子（以下、「ＣＰＰ素子」と呼ぶ）が注目されている。
【０００５】
ＣＰＰ素子は、素子の抵抗が素子面積に依存し、素子を微細化した場合に抵抗変化量が増大するという利点を有し、磁気デバイスがますます微細化される傾向下では有利に適用できる。ただし、非磁性金属からなるスペーサ層を用いたＣＰＰ素子は、素子抵抗が大幅に小さく、抵抗変化量自体かなり小さいため、大きな再生出力信号を得ることが困難である。
【０００６】
絶縁層中にこれを貫通する非磁性金属からなる微細な電流パス（電流狭窄部）を形成したスペーサ層を用いたＣＰＰ素子が提案されている。このようなＣＰＰ素子は、電流狭窄［ＣＣＰ（Current-confined-path）］効果を示し、非磁性金属スペーサ層を用いた単純なＣＰＰ素子よりも大きな再生出力信号を得ることができる（以下、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子という）。しかし、高記録密度対応の磁気ヘッド応用を考えた場合、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子でもＭＲ変化率が不足する可能性がある。
【０００７】
高記録密度に対応できる巨大なＭＲ変化率を実現する構造として、酸化物層中の電流狭窄部を金属磁性材料で形成したスペーサ層を用い、ＢＭＲ（Ballistic MagnetoResistace）効果を利用する素子（以下、ＢＭＲ素子という）が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２０４０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、酸化物薄膜中にバリスティック伝導を達成する微細構造を形成しようとすると、様々な問題が予想される。たとえば、バリスティック伝導のためには電流パスを１ｎｍ以下まで小さく絞らなければならないが、その場合には抵抗が非常に高くなる。高密度記録を想定すると、抵抗の上昇は高周波応答に悪影響をもたらすため好ましくない。微小なメタルパスを多数形成してパラレルコンダクター状態にすることによって抵抗を減少させることも考えられるが、５００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では素子サイズが一辺６０ｎｍ以下になり、このような微小な素子領域に多数の微小メタルパスを有する構造を作製することは極めて困難である。
【０００９】
本発明の目的は、高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気ランダムアクセスメモリーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で形成された磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１２】
本発明のさらに他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらに他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、前記第２の磁性スペーサ層の磁化方向をバイアスするバイアス層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。本発明に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記の磁気ヘッドとを具備したことを特徴とする。本発明に係る磁気メモリは、上記の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による磁性スペーサ層を有する磁気抵抗効果素子を用いれば、高ＭＲ変化率を有する垂直通電型の磁気抵抗効果素子を実現でき、高密度化に対応できる。さらに、高密度記録に対応して高出力かつ高いＳ／Ｎ比を示す磁気ヘッドおよびそれを搭載した磁気記録再生装置（Hard Disk Driveなど）や、高密度記録に対応した高集積な磁気メモリ（ＭＲＡＭ）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】
【００１６】
従来のＢＭＲ素子に関しては、ＢＭＲ効果により高ＭＲ変化率が得られる物理起源は解明されておらず、ＢＭＲ効果の真偽すら議論されるような状況にある。本発明者らは、ナノメーターオーダーの磁性材料からなる電流狭窄部を有するスペーサ層を介して２つの磁性層を接合したときに巨大なＭＲ変化率が生じる現象を物理的に考察した結果、バリスティック伝導が原因ではなく、電流パスに対して磁壁が垂直にできやすいことが原因になっているという結論に達した。このような原因に基づくのであれば、高いＭＲ変化率を得るには、スペーサ層のできるだけ広い領域でスピンがねじれた状態を実現し、そのような領域に電流を流すことが本質的に重要であることを見出した。しかも、バリスティック伝導を考慮する必要がなければ、１ｎｍ以下の微小な磁性メタルパスを形成する必要もないので、抵抗の上昇を抑えることができる。したがって、磁気抵抗効果素子のスペーサ層中の広い領域でスピンをねじれさせることができれば、高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる。しかし、磁気抵抗効果素子のスペーサ層中の広い領域でスピンのねじれた状態を実現することは困難である。本発明者らは、この点を解決することにより、本発明の磁気抵抗効果素子に到達した。
【００１７】
図１は本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部を示す斜視図である。この磁気抵抗効果素子は、反強磁性材料または硬磁性材料で形成されたピニング層１、ピン層（第１の磁性層）２、磁性スペーサ層３、フリー層（第２の磁性層）４の積層膜を含む。ピニング層１によってピン層２の磁化方向は実質的に固着されている。ここで、「実質的に磁化方向が固着されている」とは、検出しようとする程度の強度の外部磁界が印加されても磁化方向が変化しないことを意味している。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、図１の磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層３中におけるスピンの向きについて説明する。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、外部磁界がゼロのときに、磁性スペーサ層３中ではピン層２に近い領域からフリー層４に近い領域までの間でスピンの方向が約９０°ねじれた状態になる。この結果、ピン層２の磁化方向に対してフリー層４の磁化方向をほぼ直交させることができる。
【００２０】
外部磁界が印加されると、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように磁性スペーサ層３中における磁化方向が変化する。例えば、右向き（＋）の外部磁界が印加されたときには、図２（ｂ）に示すように、磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれは解消され、磁性スペーサ層３を流れる電流による抵抗は低くなる。一方、左向き（−）の外部磁界が印加されたときには、図２（ｃ）に示すように、磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれが大きい状態となり、ピン層２とフリー層４の磁化配列が反平行状態となり、磁性スペーサ層３を流れる電流による抵抗は高くなる。このように、外部磁界によって磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれを変化させることができるので、大きなＭＲ変化率を実現することが可能となる。
【００２１】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層中において、図２に示したようなスピンのねじれ状態を実現する構成は大きく分けて３つ挙げられる。
【００２２】
（１）第１の構成として、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で磁性スペーサ層３を形成することが挙げられる。
【００２３】
２層の磁性層の間にナノメートルオーダーのＦｅＣｏ系磁性酸化物を挟んだ積層膜を形成する場合、磁性酸化物形成時の酸素暴露量を増大させると、上下の磁性層間の磁気結合が６０°結合、９０°結合というようにねじれることが知られている（H. Fukuzawa et al., J. Appl. Phys. 91, 6684 (2002)）。なお、この論文は、酸化物層を挟む上下の磁性層を磁化固着させてピン層として用いることを前提としている。同様に、磁性スペーサ層３を挟む上下の磁性層のうち一方を外部磁界によって磁化方向が変化するフリー層、他方を磁化方向が固着されたピン層として用いる場合にも、上記の現象を適切に適用することができれば、図２（ａ）に示したようなスピンのねじれを実現できる。
【００２４】
図３に示すように、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で形成された磁性スペーサ層３中においては、図３（ａ）に示すように反強磁性的なスピン配列を持つ領域と、図３（ｂ）に示すように強磁性的なスピン配列を持つ領域とが競合していると、両者の合成として図３（ｃ）に示すような磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれを実現することができる。ここで、反強磁性的なスピン配列を持つ領域と、強磁性的なスピン配列を持つ領域が生じる原因として、原子層レベルでのラフネスが挙げられる。より具体的には、偶数の原子層数を有する領域が反強磁性的なスピン配列を持つ領域となり、奇数の原子層数を有する領域が強磁性的なスピン配列を持つ領域となる。この場合、反強磁性結合成分と強磁性結合成分が等しいときには、図３（ｃ）に示したように、ピン層の磁化方向に対してフリー層の磁化方向が９０°ねじれる。反強磁性結合成分よりも強磁性結合成分の方が大きい場合には、スピンのねじれの角度はたとえば６０°や３０°というように調整することができる。
【００２５】
（２）第２の構成として、図４に示すように、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物６とこの磁性酸化物６を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部７を有する磁性スペーサ層５を用いることが挙げられる。
【００２６】
磁性スペーサ層３を膜厚のラフネスを生じさせずに完全に平坦に形成することができた場合には、磁性スペーサ層３を挟む２つの磁性層の磁気結合は、磁性スペーサ層３の原子層数によって強磁性結合か反強磁性結合かが決定され、図３（ａ）および（ｂ）のような強磁性と反強磁性の競合は生じなくなる。
【００２７】
そこで、図４に示す磁性スペーサ層３では、磁性酸化物３ａに反強磁性材料を用い、その膜厚が偶数原子層になるようにラフネスなく形成するとともに、磁性酸化物３ａを貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部３ｂを形成する。
【００２８】
この磁性スペーサ層３においては、磁性酸化物３ａが図５（ａ）に示すような反強磁性結合成分を作り出し、ブリッジ部３ｂが図５（ｂ）に示すような強磁性結合成分を作り出
す。したがって、ブリッジ部３ｂの大きさおよび個数（密度）を適宜調整することによって、図５（ｃ）に示すようなスピンのねじれを生じさせることができる。
【００２９】
（３）第３の構成として、図６に示すように、ピニング層１、ピン層（第１の磁性層）２、磁性スペーサ層８、フリー層（第２の磁性層）４、バイアス層９の積層膜を用いることが挙げられる。
【００３０】
この構成においては、磁性スペーサ層８を強磁性材料で形成し、磁性スペーサ層８中で強磁性的なスピン配列を形成する。ただし、このままではフリー層４の磁化方向がピン層２の磁化方向と同一になるため、バイアス層９を設けてフリー層４の磁化方向をピン層２の磁化方向に対してほぼ直交させる。このように、ピン層２、磁性スペーサ層８およびフリー層４の全てに強磁性材料を用いてスピンのねじれを生じさせることができ、外部磁場がゼロのときに、フリー層４の磁化方向をピン層２の磁化方向に対してほぼ直交させることができる。なお、フリー層４のバイアス磁界はピン層２の磁化を固着させるピニング磁界よりも弱い必要がある。これは、この条件を満たしていないと、外部磁界が印加されたときにフリー層４の磁化回転が生じなくなるためである。
【００３１】
以上のような（１）〜（３）の構成により、垂直通電型の磁気抵抗効果素子においてピン層とフリー層の間の磁性スペーサ層中にスピンのねじれを生じさせ、外部磁化が印加されたときに磁性スペーサ層中のスピンのねじれ状態が変化するようにし、磁性スペーサ層を通過する電流によって著しく高いＭＲ変化率を実現することができる。さらに、このような高いＭＲ変化率を有する磁気抵抗効果素子を用いることにより、高記録密度に対応できる磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置や、磁気メモリを提供できる。
【００３２】
また、上述した（１）〜（３）の構成のうち（１）および（２）の構成では、フリー層を単磁区化するためのバイアス構造が不要になるという利点もある。すなわち、（１）および（２）の構成では、磁性スペーサ層を挟むピン層とフリー層との弱い磁気結合によりセルフバイアス機構を実現できる。したがって、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドまたは磁気メモリに適用する場合に、デバイス構造が非常に簡単になり、ハードバイアス膜への電流リークの問題やインスタックバイアス構造のような複雑な構造を用いることによるコスト上昇を避けることができる。ＭＲＡＭの場合には、余分なバイアス構造を用いなくてもフリー層の単磁区化が可能になるため、磁気抵抗効果素子を高密度に配列することができ、ＭＲＡＭの高密度化の実現につながる。
【実施例】
【００３３】
実施例１
図８に、上記（１）のように磁性スペーサ層に反強磁性スピン配列を持つ磁性材料を用いた垂直通電型の磁気抵抗効果素子の一例を示す。図８の磁気抵抗効果素子は、下電極１１、バッファ層Ｂ、ピニング層１、ピン層２（第１磁性層２ａ、Ｒｕ層２ｂ、第２磁性層２ｃを含む）、磁性スペーサ層３、フリー層４、キャップ層Ｃ、上電極１２を順次積層した構造を有する。
【００３４】
図８において、磁気抵抗効果素子の幅Ｗはトラック幅に相当し、記録密度の向上に伴って小さくなる。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに適用する場合、４００Ｇｂｐｓｉ〜数Ｔｂｐｓｉ級の記録密度においては、トラック幅は７０ｎｍ〜１０ｎｍと非常に小さくなる。このようなトラック幅においても出力電圧がとれるような高感度な磁気抵抗効果素子が必要である。磁気抵抗効果素子の奥行きｈはトラック幅とほぼ同等か、それよりも小さい値が必要とされるため、７０ｎｍ〜５ｎｍと非常に小さくなる。
【００３５】
ピン層２とフリー層４は磁性スペーサ層３を介して磁気的に結合している。磁気結合の角度は、典型的には９０°である。９０°以外にも３０°や６０°といった角度も可能であるが、ほぼ９０°の角度の場合には、プラスの媒体磁界、マイナスの媒体磁界が印加されたときに抵抗変化の対称性が良好になるため好ましい。
【００３６】
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子に用いられる材料について説明する。
【００３７】
（i）下電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａなどから形成される。
【００３８】
（ii）バッファ層（下地層）は下記のような材料から形成される。
【００３９】
Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆからなる群より選択される金属またはこれらの金属を含む合金［厚さ３ｎｍ以上１０ｎｍ以下］、
Ｔａ［３〜５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］、
ＮｉＦｅＣｒ［３〜５ｎｍ］、
Ｔａ［３ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［３〜５ｎｍ］、
Ｔａ［３ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３〜５ｎｍ］。
【００４０】
（iii）ピニング層は下記のような材料から形成される。
【００４１】
ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎなどの反強磁性層、
ＣｏＰｔ，ＣｏＰｒＣｒ，ＦｅＰｔなどのハード層。
【００４２】
（iv）ピン層は下記のような材料から形成される。
【００４３】
Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏを含む合金、Ｎｉを含む合金、Ｆｅを含む合金、
（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＮｉＦｅ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＦｅＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期。
【００４４】
また、以上の磁性材料に添加元素を添加してもよい。添加元素としては、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔなどが挙げられる。特にＦｅＣｏにＣｕを添加したＦｅＣｏＣｕ合金は、磁性層内におけるスピン依存散乱効果であるバルク散乱効果が増すので好ましい。非磁性添加元素の濃度は、１原子％以上５０原子％以下が好ましく、２原子％以上２０原子％以下がより好ましい。また、これらの金属磁性材料を窒化したものを用いてもよい。
【００４５】
ピン層は単層からなるものでもよいが、ピン層からの漏洩磁界の影響を防ぐためには、実質的なネット磁気モーメントをゼロにすることができるシンセティックピン層の方が望ましい。図８のピン層２は、たとえばＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］からなるシンセティックピン層である。
【００４６】
（v）図８における磁性スペーサ層は反強磁性スピン配列を持ち、下記のような材料から形成される。
【００４７】
反強磁性酸化物：
α−Ｆｅ2Ｏ3を含む酸化物、
ＮｉＯを含む酸化物、
Ｃｏ3Ｏ4を含む酸化物。
【００４８】
スピネル酸化物：
ＭＦｅ2Ｏ4（Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｚｎなど）、
γ−Ｆｅ3Ｏ4。
【００４９】
膜厚の望ましい範囲は０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下
反強磁性的スピン配列を有する金属材料：
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖの単体金属、または、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ（少なくとも１０ａｔｏｍｉｃ％以上）を含む合金。ＩｒＭｎ，ＰｒＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＣｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，ＲｕＭｎなど（これらの材料の場合、Ｍｎの組成は３０ａｔｏｍｉｃ％以上）。
【００５０】
これらの材料に、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌ，Ｓｉなどの添加元素を加えてもよい。
【００５１】
膜厚の望ましい範囲は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下
磁性スペーサ層中において反強磁性結合と強磁性結合の競合を生じさせるためには、磁性スペーサ層のラフネスの存在が必要である。そのためには、図３に示したように、磁性スペーサ層に、偶数の原子層数を有する領域および奇数の原子層数を有する領域という２つの領域が存在することが必要となる。なお、磁性スペーサ層の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。
【００５２】
図９は、ＦｅＣｏ酸化物で形成された磁性スペーサ層の断面を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図９（ａ）において、コントラストの高い領域が酸化物層で形成された磁性スペーサ層である。図９（ｂ）の拡大図に示すように、磁性スペーサ層を形成する原子層数が１０層（偶数層）である領域と、１１層（奇数層）である領域が存在することがわかる。このような偶数層と奇数層の組み合わせによって、図３に示したような原理により、磁性スペーサ層内のスピンのねじれ構造、および磁性スペーサ層を挟む上下の磁性層の９０°結合を実現することができる。
【００５３】
磁性スペーサ層を金属反強磁性材料で形成した場合にも、図９と同様に、磁性スペーサ層とピン層、フリー層を識別することが可能となる。金属層の場合には断面ＴＥＭ写真におけるコントラスト差が酸化物ほど明確ではないため、多少識別は難しい。しかし、磁性スペーサ層がＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの金属反強磁性材料から形成され、ピン層、フリー層がｆｃｃ−ＣｏＦｅ、ｆｃｃ−ＮｉＦｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏなどで形成される場合には、ＩｒＭｎやＰｔＭｎの方が大きな格子定数を有するので識別することが可能となる。
【００５４】
また、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖなどを含む金属磁性スペーサ層を用いた場合、ナノＥＤＸ分析の併用によって金属磁性スペーサ層の位置を大まかに識別し、その位置における格子定数を算出し、格子定数が変化する位置によって磁性スペーサ層とピン層またはフリー層との界面を決定することができる。
【００５５】
（vi）フリー層は下記のような材料から形成される。
【００５６】
Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏを含む合金、Ｎｉを含む合金、Ｆｅを含む合金、
（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＮｉＦｅ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＦｅＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期。
【００５７】
ＣｏＦｅ［１ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３ｎｍ］のような積層膜を用いてもよい。また、以上の磁性材料に添加元素を添加してもよい。添加元素としては、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔなどが挙げられる。
【００５８】
（vii）キャップ層は、は下記のような材料から形成される。
【００５９】
Ｃｕ［０〜１０ｎｍ］／Ｔａ［１〜５ｎｍ］
Ｃｕ［０〜１０ｎｍ］／Ｒｕ［０〜１０ｎｍ］。
【００６０】
（viii）上電極は、下電極と同様に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａなどから形成される。
【００６１】
本実施例の磁気抵抗効果素子においては、外部磁界がゼロのときに、磁性スペーサ層中においてスピンのねじれが存在し、フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向にほぼ直交するように配列している。このため、フリー層を単磁区化するためのバイアス構造を必ずしも設ける必要はない。
【００６２】
本実施例に係る磁性スペーサ層を有する磁気抵抗効果素子は、ＡＲ（面積抵抗）が５０〜３０００ｍΩμｍ2の範囲で、２０〜１０００％の高ＭＲ変化率を実現することができる。磁性スペーサ層をＣｒ，Ｍｎ，Ｖをベースとする金属反強磁性材料で形成した場合には、磁性酸化物層を用いる場合のように面積抵抗の上昇がないため、非常に低い抵抗で高いＭＲを得ることができる。金属反強磁性材料で形成したスペーサ層の場合には、膜厚範囲は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、さらに１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。一方、磁性スペーサ層を磁性酸化物層で形成した場合には、面積抵抗ＡＲが高くなりやすいので、膜厚をあまり厚くすることはできない。低抵抗化のためには、磁性酸化物層の厚さを０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下と薄くすることが好ましい。また、磁性酸化物中に金属状態のままで金属添加元素を残することも低抵抗化のために有効である。たとえば、磁性酸化物層にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌ、Ｓｉなどの添加元素を金属状態で混入することによって低抵抗化を実現できる。Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどは酸化物の磁性を維持したまま抵抗を下げることができるので望ましい。さらに、ＣｏはＦｅやＮｉと比べて酸化されにくく金属状態で残りやすいので好ましい。
【００６３】
図８に示す磁気抵抗効果素子の具体例を説明する。膜構成は以下のとおりである。
【００６４】
下電極：Ｃｕ
バッファ層：Ｔａ［５ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［５ｎｍ］
ピニング層：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
ピン層：ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
磁性スペーサ層：ＩｒＭｎ［２ｎｍ］
フリー層：ＣｏＦｅ［１ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３ｎｍ］
キャップ層：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［５ｎｍ］
上電極：Ｃｕ。
【００６５】
この磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。基板上にＣｕを成膜し、パターニングして下電極を形成する。この基板を、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置に装入する。バッファ層のＴａからキャップ層のＲｕまでを成膜室において同一真空中において一括成膜する。ピン層のＣｏＦｅはｆｃｃ（１１１）配向しており、配向の分散角度が５度以内の良好な配向膜である。なお、シンセティックピン層のＲｕと磁性スペーサ層に挟まれたＣｏＦｅの代わりに、ｂｃｃ構造を有するＦｅまたはＦｅＣｏを用いても構わない。ｂｃｃ構造の場合にはｂｃｃ（１１０）配向しており、配向の分散角度が５度以内の良好な配向膜である。磁性スペーサ層であるＩｒＭｎはｆｃｃ（１１１）配向しており、配向の分散角度は５度以内である。磁性スペーサ層のＩｒＭｎの膜厚は２ｎｍであるが、この膜厚は必要とされるピン層とフリー層の磁気結合の強さによって約１ｎｍから３ｎｍの範囲で変えてもよい。ＩｒＭｎの膜厚には図９と同様なゆらぎが存在し、原子層数が偶数である領域と奇数である領域の存在によって、磁性スペーサ層を挟む上下のピン層およびフリー層の磁気結合が約９０°になる。
【００６６】
成膜後に１０ｋＯｅの磁場中において２９０℃で４時間熱処理を行う。この熱処理によって、ピン層を固着するためのＰｔＭｎの規則化、および各磁性層の良好な結晶配向性を実現することができる。熱処理後、フォトリソグラフィーによって、磁気抵抗効果素子を一辺１００ｎｍ〜３０ｎｍの幅に加工する。その後、上電極を形成する。本実施例の磁気抵抗効果素子は、面積抵抗ＡＲが５０〜５００ｍΩμｍ2以下で１０％以上の高ＭＲ変化率を示す。
【００６７】
実施例２
上記（２）のように、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する磁性スペーサ層を用いた垂直通電型の磁気抵抗効果素子の例について説明する。この例では、磁性スペーサ層以外は図８の磁気抵抗効果素子と同様である。
【００６８】
磁性スペーサ層は、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する。磁性スペーサ層中のスピン配列は、磁性酸化物のすべての領域で反強磁性結合成分を生じさせ、金属強磁性ブリッジで強磁性的結合成分を生じさせるようになっている。強磁性結合を生じさせるブリッジ部は、磁性スペーサ層の膜面内における直径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。その理由は以下のとおりである。すなわち、ブリッジ部の径が１０ｎｍを超えると、スピン交換結合長と比べて大きくなりすぎるため、酸化物層を介した上下磁性層の反強磁性的磁気結合との和とはならず、ドメインを形成し、酸化物層を介した上下磁性層の磁気結合は反強磁性的結合で、ブリッジ部を介した上下磁性層の磁気結合は強磁性的結合になる。逆に、０．５ｎｍ未満となると金属強磁性ブリッジ部の膜面内に存在する金属磁性元素の数が２〜３個と少なくなりすぎ、上下磁性層の強い強磁性的結合成分をもたらすことができなくなる。
【００６９】
金属強磁性ブリッジ部の径および密度によって、上下磁性層の磁気結合の大きさも変化し、ＭＲ変化率の値も変化する。磁性スペーサ層の膜面内におけるブリッジ部の密度（面積比率）は、約１％以上３０％以下が好ましく、３％以上２０％以下がより好ましい。
【００７０】
本実施例において、磁性スペーサ層を介した良好な磁気結合を得るためには、ピン層やフリー層の結晶構造は、ｆｃｃ構造の場合にはｆｃｃ（１１１）配向性をもつことが望ましく、ｂｃｃ構造の場合にはｂｃｃ（１１０）配向性をもつことが望ましく、ｈｃｐ構造の場合にはｈｃｐ（００１）配向かｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【００７１】
結晶配向性は、配向のばらつき角度が４．０度以内であることが望ましく、３．５度以内がより好ましく、３．０度以内がさらに好ましい。これは、例えばＸ線回折でθ−２θ測定により得られたピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として測定可能な値である。磁気ヘッドにおいては、断面のナノディフラクションスポットの分散角度として検知することができる。
【００７２】
ブリッジ部を含む磁性酸化物からなる磁性スペーサ層は以下のような方法により形成することができる。たとえば、ブリッジ部となるべき金属材料と磁性酸化物となるべき金属材料をスパッタ、ＭＢＥ、ＣＶＤ、蒸着などによって成膜した後に、酸化処理を施して磁性酸化物となるべき金属材料を酸化する方法を用いることができる。酸化方法としては、自然酸化、ラジカル酸化、イオンビーム酸化、ＲＦプラズマ酸化などが用いられる。酸化処理時に酸化活性を上げるために、ＵＶ照射や基板加熱などを行ってもよい。良好な結晶構造を有する磁性酸化物層を制御性よく形成するには、イオンビーム酸化、ＲＦプラズマ酸化を行うことが特に好ましい。イオンビーム酸化を行う場合には、酸素ガスをイオンソースに導入するか、または酸素ガスを酸化チャンバーに直接導入してもよい。イオンビームの加速エネルギーは３０〜１００Ｖに設定することが好ましい。
【００７３】
本実施例の磁気抵抗効果素子でも、６０〜１０００ｍΩμｍ2の低いＡＲで２０〜１０００％の高ＭＲ変化率を実現することができる。本実施例の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに適用する場合、トラック幅に相当する幅Ｗを０．１μｍ以下に加工し、さらに高記録密度のためには５０ｎｍ以下まで微細加工する。奥行きｈに関してもほぼＷと同じサイズまで加工する。本実施例の磁気抵抗効果素子をＭＲＡＭに適用する場合、磁気ヘッドの場合よりも大きいサイズでも用いることができ、Ｗやｈは１μｍ以下に加工すればよい。バイアス構造は一般的には設けられず、スピンバルブ膜の形状を工夫することによって一軸異方性を印加し、スイッチング動作が可能となるようにする。
【００７４】
実施例３
上記（３）のように、ピニング層、ピン層、磁性スペーサ層、フリー層、バイアス層の積層膜を用いたることが挙げられる。垂直通電型の磁気抵抗効果素子の例について説明する。
【００７５】
この例において用いられるバイアス層としては、ハード膜や反強磁性層などが挙げられる。たとえば、フリー層の上にＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔなどＣｏを５０％以上含むハード膜を３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さで積層する。または、フリー層の上にＩｒＭｎ［３〜２０ｎｍ］、ＰｔＭｎ［５〜２０ｎｍ］、ＰｄＰｔＭｎ［５〜２０ｎｍ］、ＲｕＭｎ［３〜２０ｎｍ］、ＲｕＲｈＭｎ［３〜２０ｎｍ］などを積層して交換結合バイアスを利用する。
【００７６】
磁性スペーサ層はスピンのねじれを発生させるために磁性材料で形成する。具体的には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎや、それらを含む合金層を用いることができる。図３においてはバイアス層がなくても、磁性スペーサ層と上下磁性層の磁気的な結合作用によって自発的にスピンのねじれが生じ、フリー層の磁化方向をピン層の磁化方向に対して直交に配列した。しかし、自発的なスピンのねじれが不十分な場合にバイアス層によって補助する場合や、バイアス層によるバイアスの方が安定している場合には、本実施例の構成が用いられる。
【００７７】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の応用について説明する。
【００７８】
図１０および図１１は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図１０は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図１１は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【００７９】
図１０および図１１に例示した磁気ヘッドは、いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。磁気抵抗効果膜１０は図１または図５〜図７に示した構造を有するものである。磁気抵抗効果膜１０の上下には、下電極１１と下電極１２とがそれぞれ設けられている。図１０において、磁気抵抗効果膜１０の両側面には、バイアス磁界印加膜１３と絶縁膜１４とが積層して設けられている。図１１に示したように、磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面には保護層１５が設けられている。
【００８０】
磁気抵抗効果膜１０に対するセンス電流は、その上下に配置された電極１１、１２によって矢印Ａで示したように、膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１３、１３により、磁気抵抗効果膜１０にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１０のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
【００８１】
本発明によれば、磁気抵抗効果膜のＭＲ変化率が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
【００８２】
図１０および図１１に示した磁気ヘッドは、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００８３】
図１２は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の磁気ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【００８４】
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。
【００８５】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
図１３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。すなわち、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。
【００８９】
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。
【００９０】
本発明によれば、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備することにより、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。
【００９１】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを実現できる。
【００９２】
図１４は、本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子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。
【００９３】
図１５は、本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【００９４】
図１６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１７は、図１６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１４または図１５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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
本発明の実施形態に係る磁気メモリは、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１０１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
また、本発明は、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。
【０１０４】
さらに、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。
【０１０５】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶再生装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部を示す斜視図。
【図２】図１の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層を示す斜視図。
【図５】図４の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層を示す斜視図。
【図７】図４の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図８】本発明の実施例１における磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図９】本発明の実施例１における磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層の断面を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真。
【図１０】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１１】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１２】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【図１３】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図。
【図１４】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図。
【図１５】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図。
【図１６】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。
【図１７】図１６のＡ−Ａ’線に沿う断面図。
【符号の説明】
【０１０７】
１…ピニング層、２…ピン層、３…磁性スペーサ層、４…フリー層、５…磁性スペーサ層、６…磁性酸化物、７…ブリッジ部、８…磁性スペーサ層、９…バイアス層、１０…磁気抵抗効果素子、１１…下電極、１２…上電極、１３…バイアス磁界印加膜、１４…絶縁膜、１５…保護層、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、膜面に対して垂直方向に電流を通電する構造の磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置、および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体の積層構造体における巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResistive Effect：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイス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）は磁気デバイスに容易に適用できる構造を有し、ＧＭＲ効果を有効に発揮させることができるので、磁気ヘッドおよびＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などの磁気デバイスに大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
「スピンバルブ膜」とは、２つの強磁性層の間に非磁性金属スペーサ層を挟んだ構造を有し、一方の強磁性層（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化を反強磁性層などで固着し、もう一方の強磁性層（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化を外部磁界（たとえば媒体磁界）に応じて回転するようにした積層膜をいう。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することによって、巨大な磁気抵抗変化が得られる。
【０００４】
従来のスピンバルブ膜は、膜面に平行にセンス電流を通電するＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子であった。近年、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも大きなＧＭＲ効果を発現することから、膜面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ素子（以下、「ＣＰＰ素子」と呼ぶ）が注目されている。
【０００５】
ＣＰＰ素子は、素子の抵抗が素子面積に依存し、素子を微細化した場合に抵抗変化量が増大するという利点を有し、磁気デバイスがますます微細化される傾向下では有利に適用できる。ただし、非磁性金属からなるスペーサ層を用いたＣＰＰ素子は、素子抵抗が大幅に小さく、抵抗変化量自体かなり小さいため、大きな再生出力信号を得ることが困難である。
【０００６】
絶縁層中にこれを貫通する非磁性金属からなる微細な電流パス（電流狭窄部）を形成したスペーサ層を用いたＣＰＰ素子が提案されている。このようなＣＰＰ素子は、電流狭窄［ＣＣＰ（Current-confined-path）］効果を示し、非磁性金属スペーサ層を用いた単純なＣＰＰ素子よりも大きな再生出力信号を得ることができる（以下、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子という）。しかし、高記録密度対応の磁気ヘッド応用を考えた場合、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子でもＭＲ変化率が不足する可能性がある。
【０００７】
高記録密度に対応できる巨大なＭＲ変化率を実現する構造として、酸化物層中の電流狭窄部を金属磁性材料で形成したスペーサ層を用い、ＢＭＲ（Ballistic MagnetoResistace）効果を利用する素子（以下、ＢＭＲ素子という）が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２０４０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、酸化物薄膜中にバリスティック伝導を達成する微細構造を形成しようとすると、様々な問題が予想される。たとえば、バリスティック伝導のためには電流パスを１ｎｍ以下まで小さく絞らなければならないが、その場合には抵抗が非常に高くなる。高密度記録を想定すると、抵抗の上昇は高周波応答に悪影響をもたらすため好ましくない。微小なメタルパスを多数形成してパラレルコンダクター状態にすることによって抵抗を減少させることも考えられるが、５００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では素子サイズが一辺６０ｎｍ以下になり、このような微小な素子領域に多数の微小メタルパスを有する構造を作製することは極めて困難である。
【０００９】
本発明の目的は、高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる磁気抵抗効果素子、ならびにこれを用いた磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気ランダムアクセスメモリーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で形成された磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１２】
本発明のさらに他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する磁性スペーサ層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらに他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、前記第２の磁性スペーサ層の磁化方向をバイアスするバイアス層と、前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る磁気ヘッドは、上記の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。本発明に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記の磁気ヘッドとを具備したことを特徴とする。本発明に係る磁気メモリは、上記の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による磁性スペーサ層を有する磁気抵抗効果素子を用いれば、高ＭＲ変化率を有する垂直通電型の磁気抵抗効果素子を実現でき、高密度化に対応できる。さらに、高密度記録に対応して高出力かつ高いＳ／Ｎ比を示す磁気ヘッドおよびそれを搭載した磁気記録再生装置（Hard Disk Driveなど）や、高密度記録に対応した高集積な磁気メモリ（ＭＲＡＭ）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】
【００１６】
従来のＢＭＲ素子に関しては、ＢＭＲ効果により高ＭＲ変化率が得られる物理起源は解明されておらず、ＢＭＲ効果の真偽すら議論されるような状況にある。本発明者らは、ナノメーターオーダーの磁性材料からなる電流狭窄部を有するスペーサ層を介して２つの磁性層を接合したときに巨大なＭＲ変化率が生じる現象を物理的に考察した結果、バリスティック伝導が原因ではなく、電流パスに対して磁壁が垂直にできやすいことが原因になっているという結論に達した。このような原因に基づくのであれば、高いＭＲ変化率を得るには、スペーサ層のできるだけ広い領域でスピンがねじれた状態を実現し、そのような領域に電流を流すことが本質的に重要であることを見出した。しかも、バリスティック伝導を考慮する必要がなければ、１ｎｍ以下の微小な磁性メタルパスを形成する必要もないので、抵抗の上昇を抑えることができる。したがって、磁気抵抗効果素子のスペーサ層中の広い領域でスピンをねじれさせることができれば、高ＭＲ変化率が得られ、高密度化への対応が期待できる。しかし、磁気抵抗効果素子のスペーサ層中の広い領域でスピンのねじれた状態を実現することは困難である。本発明者らは、この点を解決することにより、本発明の磁気抵抗効果素子に到達した。
【００１７】
図１は本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部を示す斜視図である。この磁気抵抗効果素子は、反強磁性材料または硬磁性材料で形成されたピニング層１、ピン層（第１の磁性層）２、磁性スペーサ層３、フリー層（第２の磁性層）４の積層膜を含む。ピニング層１によってピン層２の磁化方向は実質的に固着されている。ここで、「実質的に磁化方向が固着されている」とは、検出しようとする程度の強度の外部磁界が印加されても磁化方向が変化しないことを意味している。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、図１の磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層３中におけるスピンの向きについて説明する。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、外部磁界がゼロのときに、磁性スペーサ層３中ではピン層２に近い領域からフリー層４に近い領域までの間でスピンの方向が約９０°ねじれた状態になる。この結果、ピン層２の磁化方向に対してフリー層４の磁化方向をほぼ直交させることができる。
【００２０】
外部磁界が印加されると、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように磁性スペーサ層３中における磁化方向が変化する。例えば、右向き（＋）の外部磁界が印加されたときには、図２（ｂ）に示すように、磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれは解消され、磁性スペーサ層３を流れる電流による抵抗は低くなる。一方、左向き（−）の外部磁界が印加されたときには、図２（ｃ）に示すように、磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれが大きい状態となり、ピン層２とフリー層４の磁化配列が反平行状態となり、磁性スペーサ層３を流れる電流による抵抗は高くなる。このように、外部磁界によって磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれを変化させることができるので、大きなＭＲ変化率を実現することが可能となる。
【００２１】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層中において、図２に示したようなスピンのねじれ状態を実現する構成は大きく分けて３つ挙げられる。
【００２２】
（１）第１の構成として、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で磁性スペーサ層３を形成することが挙げられる。
【００２３】
２層の磁性層の間にナノメートルオーダーのＦｅＣｏ系磁性酸化物を挟んだ積層膜を形成する場合、磁性酸化物形成時の酸素暴露量を増大させると、上下の磁性層間の磁気結合が６０°結合、９０°結合というようにねじれることが知られている（H. Fukuzawa et al., J. Appl. Phys. 91, 6684 (2002)）。なお、この論文は、酸化物層を挟む上下の磁性層を磁化固着させてピン層として用いることを前提としている。同様に、磁性スペーサ層３を挟む上下の磁性層のうち一方を外部磁界によって磁化方向が変化するフリー層、他方を磁化方向が固着されたピン層として用いる場合にも、上記の現象を適切に適用することができれば、図２（ａ）に示したようなスピンのねじれを実現できる。
【００２４】
図３に示すように、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で形成された磁性スペーサ層３中においては、図３（ａ）に示すように反強磁性的なスピン配列を持つ領域と、図３（ｂ）に示すように強磁性的なスピン配列を持つ領域とが競合していると、両者の合成として図３（ｃ）に示すような磁性スペーサ層３中におけるスピンのねじれを実現することができる。ここで、反強磁性的なスピン配列を持つ領域と、強磁性的なスピン配列を持つ領域が生じる原因として、原子層レベルでのラフネスが挙げられる。より具体的には、偶数の原子層数を有する領域が反強磁性的なスピン配列を持つ領域となり、奇数の原子層数を有する領域が強磁性的なスピン配列を持つ領域となる。この場合、反強磁性結合成分と強磁性結合成分が等しいときには、図３（ｃ）に示したように、ピン層の磁化方向に対してフリー層の磁化方向が９０°ねじれる。反強磁性結合成分よりも強磁性結合成分の方が大きい場合には、スピンのねじれの角度はたとえば６０°や３０°というように調整することができる。
【００２５】
（２）第２の構成として、図４に示すように、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物６とこの磁性酸化物６を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部７を有する磁性スペーサ層５を用いることが挙げられる。
【００２６】
磁性スペーサ層３を膜厚のラフネスを生じさせずに完全に平坦に形成することができた場合には、磁性スペーサ層３を挟む２つの磁性層の磁気結合は、磁性スペーサ層３の原子層数によって強磁性結合か反強磁性結合かが決定され、図３（ａ）および（ｂ）のような強磁性と反強磁性の競合は生じなくなる。
【００２７】
そこで、図４に示す磁性スペーサ層３では、磁性酸化物３ａに反強磁性材料を用い、その膜厚が偶数原子層になるようにラフネスなく形成するとともに、磁性酸化物３ａを貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部３ｂを形成する。
【００２８】
この磁性スペーサ層３においては、磁性酸化物３ａが図５（ａ）に示すような反強磁性結合成分を作り出し、ブリッジ部３ｂが図５（ｂ）に示すような強磁性結合成分を作り出
す。したがって、ブリッジ部３ｂの大きさおよび個数（密度）を適宜調整することによって、図５（ｃ）に示すようなスピンのねじれを生じさせることができる。
【００２９】
（３）第３の構成として、図６に示すように、ピニング層１、ピン層（第１の磁性層）２、磁性スペーサ層８、フリー層（第２の磁性層）４、バイアス層９の積層膜を用いることが挙げられる。
【００３０】
この構成においては、磁性スペーサ層８を強磁性材料で形成し、磁性スペーサ層８中で強磁性的なスピン配列を形成する。ただし、このままではフリー層４の磁化方向がピン層２の磁化方向と同一になるため、バイアス層９を設けてフリー層４の磁化方向をピン層２の磁化方向に対してほぼ直交させる。このように、ピン層２、磁性スペーサ層８およびフリー層４の全てに強磁性材料を用いてスピンのねじれを生じさせることができ、外部磁場がゼロのときに、フリー層４の磁化方向をピン層２の磁化方向に対してほぼ直交させることができる。なお、フリー層４のバイアス磁界はピン層２の磁化を固着させるピニング磁界よりも弱い必要がある。これは、この条件を満たしていないと、外部磁界が印加されたときにフリー層４の磁化回転が生じなくなるためである。
【００３１】
以上のような（１）〜（３）の構成により、垂直通電型の磁気抵抗効果素子においてピン層とフリー層の間の磁性スペーサ層中にスピンのねじれを生じさせ、外部磁化が印加されたときに磁性スペーサ層中のスピンのねじれ状態が変化するようにし、磁性スペーサ層を通過する電流によって著しく高いＭＲ変化率を実現することができる。さらに、このような高いＭＲ変化率を有する磁気抵抗効果素子を用いることにより、高記録密度に対応できる磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置や、磁気メモリを提供できる。
【００３２】
また、上述した（１）〜（３）の構成のうち（１）および（２）の構成では、フリー層を単磁区化するためのバイアス構造が不要になるという利点もある。すなわち、（１）および（２）の構成では、磁性スペーサ層を挟むピン層とフリー層との弱い磁気結合によりセルフバイアス機構を実現できる。したがって、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドまたは磁気メモリに適用する場合に、デバイス構造が非常に簡単になり、ハードバイアス膜への電流リークの問題やインスタックバイアス構造のような複雑な構造を用いることによるコスト上昇を避けることができる。ＭＲＡＭの場合には、余分なバイアス構造を用いなくてもフリー層の単磁区化が可能になるため、磁気抵抗効果素子を高密度に配列することができ、ＭＲＡＭの高密度化の実現につながる。
【実施例】
【００３３】
実施例１
図８に、上記（１）のように磁性スペーサ層に反強磁性スピン配列を持つ磁性材料を用いた垂直通電型の磁気抵抗効果素子の一例を示す。図８の磁気抵抗効果素子は、下電極１１、バッファ層Ｂ、ピニング層１、ピン層２（第１磁性層２ａ、Ｒｕ層２ｂ、第２磁性層２ｃを含む）、磁性スペーサ層３、フリー層４、キャップ層Ｃ、上電極１２を順次積層した構造を有する。
【００３４】
図８において、磁気抵抗効果素子の幅Ｗはトラック幅に相当し、記録密度の向上に伴って小さくなる。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに適用する場合、４００Ｇｂｐｓｉ〜数Ｔｂｐｓｉ級の記録密度においては、トラック幅は７０ｎｍ〜１０ｎｍと非常に小さくなる。このようなトラック幅においても出力電圧がとれるような高感度な磁気抵抗効果素子が必要である。磁気抵抗効果素子の奥行きｈはトラック幅とほぼ同等か、それよりも小さい値が必要とされるため、７０ｎｍ〜５ｎｍと非常に小さくなる。
【００３５】
ピン層２とフリー層４は磁性スペーサ層３を介して磁気的に結合している。磁気結合の角度は、典型的には９０°である。９０°以外にも３０°や６０°といった角度も可能であるが、ほぼ９０°の角度の場合には、プラスの媒体磁界、マイナスの媒体磁界が印加されたときに抵抗変化の対称性が良好になるため好ましい。
【００３６】
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子に用いられる材料について説明する。
【００３７】
（i）下電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａなどから形成される。
【００３８】
（ii）バッファ層（下地層）は下記のような材料から形成される。
【００３９】
Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆからなる群より選択される金属またはこれらの金属を含む合金［厚さ３ｎｍ以上１０ｎｍ以下］、
Ｔａ［３〜５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］、
ＮｉＦｅＣｒ［３〜５ｎｍ］、
Ｔａ［３ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［３〜５ｎｍ］、
Ｔａ［３ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３〜５ｎｍ］。
【００４０】
（iii）ピニング層は下記のような材料から形成される。
【００４１】
ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎなどの反強磁性層、
ＣｏＰｔ，ＣｏＰｒＣｒ，ＦｅＰｔなどのハード層。
【００４２】
（iv）ピン層は下記のような材料から形成される。
【００４３】
Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏを含む合金、Ｎｉを含む合金、Ｆｅを含む合金、
（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＮｉＦｅ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＦｅＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期。
【００４４】
また、以上の磁性材料に添加元素を添加してもよい。添加元素としては、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔなどが挙げられる。特にＦｅＣｏにＣｕを添加したＦｅＣｏＣｕ合金は、磁性層内におけるスピン依存散乱効果であるバルク散乱効果が増すので好ましい。非磁性添加元素の濃度は、１原子％以上５０原子％以下が好ましく、２原子％以上２０原子％以下がより好ましい。また、これらの金属磁性材料を窒化したものを用いてもよい。
【００４５】
ピン層は単層からなるものでもよいが、ピン層からの漏洩磁界の影響を防ぐためには、実質的なネット磁気モーメントをゼロにすることができるシンセティックピン層の方が望ましい。図８のピン層２は、たとえばＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］からなるシンセティックピン層である。
【００４６】
（v）図８における磁性スペーサ層は反強磁性スピン配列を持ち、下記のような材料から形成される。
【００４７】
反強磁性酸化物：
α−Ｆｅ2Ｏ3を含む酸化物、
ＮｉＯを含む酸化物、
Ｃｏ3Ｏ4を含む酸化物。
【００４８】
スピネル酸化物：
ＭＦｅ2Ｏ4（Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｚｎなど）、
γ−Ｆｅ3Ｏ4。
【００４９】
膜厚の望ましい範囲は０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下
反強磁性的スピン配列を有する金属材料：
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖの単体金属、または、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ（少なくとも１０ａｔｏｍｉｃ％以上）を含む合金。ＩｒＭｎ，ＰｒＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＣｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，ＲｕＭｎなど（これらの材料の場合、Ｍｎの組成は３０ａｔｏｍｉｃ％以上）。
【００５０】
これらの材料に、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌ，Ｓｉなどの添加元素を加えてもよい。
【００５１】
膜厚の望ましい範囲は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下
磁性スペーサ層中において反強磁性結合と強磁性結合の競合を生じさせるためには、磁性スペーサ層のラフネスの存在が必要である。そのためには、図３に示したように、磁性スペーサ層に、偶数の原子層数を有する領域および奇数の原子層数を有する領域という２つの領域が存在することが必要となる。なお、磁性スペーサ層の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。
【００５２】
図９は、ＦｅＣｏ酸化物で形成された磁性スペーサ層の断面を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図９（ａ）において、コントラストの高い領域が酸化物層で形成された磁性スペーサ層である。図９（ｂ）の拡大図に示すように、磁性スペーサ層を形成する原子層数が１０層（偶数層）である領域と、１１層（奇数層）である領域が存在することがわかる。このような偶数層と奇数層の組み合わせによって、図３に示したような原理により、磁性スペーサ層内のスピンのねじれ構造、および磁性スペーサ層を挟む上下の磁性層の９０°結合を実現することができる。
【００５３】
磁性スペーサ層を金属反強磁性材料で形成した場合にも、図９と同様に、磁性スペーサ層とピン層、フリー層を識別することが可能となる。金属層の場合には断面ＴＥＭ写真におけるコントラスト差が酸化物ほど明確ではないため、多少識別は難しい。しかし、磁性スペーサ層がＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの金属反強磁性材料から形成され、ピン層、フリー層がｆｃｃ−ＣｏＦｅ、ｆｃｃ−ＮｉＦｅ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏなどで形成される場合には、ＩｒＭｎやＰｔＭｎの方が大きな格子定数を有するので識別することが可能となる。
【００５４】
また、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖなどを含む金属磁性スペーサ層を用いた場合、ナノＥＤＸ分析の併用によって金属磁性スペーサ層の位置を大まかに識別し、その位置における格子定数を算出し、格子定数が変化する位置によって磁性スペーサ層とピン層またはフリー層との界面を決定することができる。
【００５５】
（vi）フリー層は下記のような材料から形成される。
【００５６】
Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏを含む合金、Ｎｉを含む合金、Ｆｅを含む合金、
（ＦｅＣｏ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＮｉＦｅ／Ｃｕ）×ｎ周期、
（ＦｅＣｏＮｉ／Ｃｕ）×ｎ周期。
【００５７】
ＣｏＦｅ［１ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３ｎｍ］のような積層膜を用いてもよい。また、以上の磁性材料に添加元素を添加してもよい。添加元素としては、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔなどが挙げられる。
【００５８】
（vii）キャップ層は、は下記のような材料から形成される。
【００５９】
Ｃｕ［０〜１０ｎｍ］／Ｔａ［１〜５ｎｍ］
Ｃｕ［０〜１０ｎｍ］／Ｒｕ［０〜１０ｎｍ］。
【００６０】
（viii）上電極は、下電極と同様に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔａなどから形成される。
【００６１】
本実施例の磁気抵抗効果素子においては、外部磁界がゼロのときに、磁性スペーサ層中においてスピンのねじれが存在し、フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向にほぼ直交するように配列している。このため、フリー層を単磁区化するためのバイアス構造を必ずしも設ける必要はない。
【００６２】
本実施例に係る磁性スペーサ層を有する磁気抵抗効果素子は、ＡＲ（面積抵抗）が５０〜３０００ｍΩμｍ2の範囲で、２０〜１０００％の高ＭＲ変化率を実現することができる。磁性スペーサ層をＣｒ，Ｍｎ，Ｖをベースとする金属反強磁性材料で形成した場合には、磁性酸化物層を用いる場合のように面積抵抗の上昇がないため、非常に低い抵抗で高いＭＲを得ることができる。金属反強磁性材料で形成したスペーサ層の場合には、膜厚範囲は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、さらに１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。一方、磁性スペーサ層を磁性酸化物層で形成した場合には、面積抵抗ＡＲが高くなりやすいので、膜厚をあまり厚くすることはできない。低抵抗化のためには、磁性酸化物層の厚さを０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下と薄くすることが好ましい。また、磁性酸化物中に金属状態のままで金属添加元素を残することも低抵抗化のために有効である。たとえば、磁性酸化物層にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｌ、Ｓｉなどの添加元素を金属状態で混入することによって低抵抗化を実現できる。Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどは酸化物の磁性を維持したまま抵抗を下げることができるので望ましい。さらに、ＣｏはＦｅやＮｉと比べて酸化されにくく金属状態で残りやすいので好ましい。
【００６３】
図８に示す磁気抵抗効果素子の具体例を説明する。膜構成は以下のとおりである。
【００６４】
下電極：Ｃｕ
バッファ層：Ｔａ［５ｎｍ］／ＮｉＦｅＣｒ［５ｎｍ］
ピニング層：ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
ピン層：ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
磁性スペーサ層：ＩｒＭｎ［２ｎｍ］
フリー層：ＣｏＦｅ［１ｎｍ］／ＮｉＦｅ［３ｎｍ］
キャップ層：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［５ｎｍ］
上電極：Ｃｕ。
【００６５】
この磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。基板上にＣｕを成膜し、パターニングして下電極を形成する。この基板を、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置に装入する。バッファ層のＴａからキャップ層のＲｕまでを成膜室において同一真空中において一括成膜する。ピン層のＣｏＦｅはｆｃｃ（１１１）配向しており、配向の分散角度が５度以内の良好な配向膜である。なお、シンセティックピン層のＲｕと磁性スペーサ層に挟まれたＣｏＦｅの代わりに、ｂｃｃ構造を有するＦｅまたはＦｅＣｏを用いても構わない。ｂｃｃ構造の場合にはｂｃｃ（１１０）配向しており、配向の分散角度が５度以内の良好な配向膜である。磁性スペーサ層であるＩｒＭｎはｆｃｃ（１１１）配向しており、配向の分散角度は５度以内である。磁性スペーサ層のＩｒＭｎの膜厚は２ｎｍであるが、この膜厚は必要とされるピン層とフリー層の磁気結合の強さによって約１ｎｍから３ｎｍの範囲で変えてもよい。ＩｒＭｎの膜厚には図９と同様なゆらぎが存在し、原子層数が偶数である領域と奇数である領域の存在によって、磁性スペーサ層を挟む上下のピン層およびフリー層の磁気結合が約９０°になる。
【００６６】
成膜後に１０ｋＯｅの磁場中において２９０℃で４時間熱処理を行う。この熱処理によって、ピン層を固着するためのＰｔＭｎの規則化、および各磁性層の良好な結晶配向性を実現することができる。熱処理後、フォトリソグラフィーによって、磁気抵抗効果素子を一辺１００ｎｍ〜３０ｎｍの幅に加工する。その後、上電極を形成する。本実施例の磁気抵抗効果素子は、面積抵抗ＡＲが５０〜５００ｍΩμｍ2以下で１０％以上の高ＭＲ変化率を示す。
【００６７】
実施例２
上記（２）のように、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する磁性スペーサ層を用いた垂直通電型の磁気抵抗効果素子の例について説明する。この例では、磁性スペーサ層以外は図８の磁気抵抗効果素子と同様である。
【００６８】
磁性スペーサ層は、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する。磁性スペーサ層中のスピン配列は、磁性酸化物のすべての領域で反強磁性結合成分を生じさせ、金属強磁性ブリッジで強磁性的結合成分を生じさせるようになっている。強磁性結合を生じさせるブリッジ部は、磁性スペーサ層の膜面内における直径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。その理由は以下のとおりである。すなわち、ブリッジ部の径が１０ｎｍを超えると、スピン交換結合長と比べて大きくなりすぎるため、酸化物層を介した上下磁性層の反強磁性的磁気結合との和とはならず、ドメインを形成し、酸化物層を介した上下磁性層の磁気結合は反強磁性的結合で、ブリッジ部を介した上下磁性層の磁気結合は強磁性的結合になる。逆に、０．５ｎｍ未満となると金属強磁性ブリッジ部の膜面内に存在する金属磁性元素の数が２〜３個と少なくなりすぎ、上下磁性層の強い強磁性的結合成分をもたらすことができなくなる。
【００６９】
金属強磁性ブリッジ部の径および密度によって、上下磁性層の磁気結合の大きさも変化し、ＭＲ変化率の値も変化する。磁性スペーサ層の膜面内におけるブリッジ部の密度（面積比率）は、約１％以上３０％以下が好ましく、３％以上２０％以下がより好ましい。
【００７０】
本実施例において、磁性スペーサ層を介した良好な磁気結合を得るためには、ピン層やフリー層の結晶構造は、ｆｃｃ構造の場合にはｆｃｃ（１１１）配向性をもつことが望ましく、ｂｃｃ構造の場合にはｂｃｃ（１１０）配向性をもつことが望ましく、ｈｃｐ構造の場合にはｈｃｐ（００１）配向かｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【００７１】
結晶配向性は、配向のばらつき角度が４．０度以内であることが望ましく、３．５度以内がより好ましく、３．０度以内がさらに好ましい。これは、例えばＸ線回折でθ−２θ測定により得られたピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として測定可能な値である。磁気ヘッドにおいては、断面のナノディフラクションスポットの分散角度として検知することができる。
【００７２】
ブリッジ部を含む磁性酸化物からなる磁性スペーサ層は以下のような方法により形成することができる。たとえば、ブリッジ部となるべき金属材料と磁性酸化物となるべき金属材料をスパッタ、ＭＢＥ、ＣＶＤ、蒸着などによって成膜した後に、酸化処理を施して磁性酸化物となるべき金属材料を酸化する方法を用いることができる。酸化方法としては、自然酸化、ラジカル酸化、イオンビーム酸化、ＲＦプラズマ酸化などが用いられる。酸化処理時に酸化活性を上げるために、ＵＶ照射や基板加熱などを行ってもよい。良好な結晶構造を有する磁性酸化物層を制御性よく形成するには、イオンビーム酸化、ＲＦプラズマ酸化を行うことが特に好ましい。イオンビーム酸化を行う場合には、酸素ガスをイオンソースに導入するか、または酸素ガスを酸化チャンバーに直接導入してもよい。イオンビームの加速エネルギーは３０〜１００Ｖに設定することが好ましい。
【００７３】
本実施例の磁気抵抗効果素子でも、６０〜１０００ｍΩμｍ2の低いＡＲで２０〜１０００％の高ＭＲ変化率を実現することができる。本実施例の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに適用する場合、トラック幅に相当する幅Ｗを０．１μｍ以下に加工し、さらに高記録密度のためには５０ｎｍ以下まで微細加工する。奥行きｈに関してもほぼＷと同じサイズまで加工する。本実施例の磁気抵抗効果素子をＭＲＡＭに適用する場合、磁気ヘッドの場合よりも大きいサイズでも用いることができ、Ｗやｈは１μｍ以下に加工すればよい。バイアス構造は一般的には設けられず、スピンバルブ膜の形状を工夫することによって一軸異方性を印加し、スイッチング動作が可能となるようにする。
【００７４】
実施例３
上記（３）のように、ピニング層、ピン層、磁性スペーサ層、フリー層、バイアス層の積層膜を用いたることが挙げられる。垂直通電型の磁気抵抗効果素子の例について説明する。
【００７５】
この例において用いられるバイアス層としては、ハード膜や反強磁性層などが挙げられる。たとえば、フリー層の上にＣｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔなどＣｏを５０％以上含むハード膜を３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さで積層する。または、フリー層の上にＩｒＭｎ［３〜２０ｎｍ］、ＰｔＭｎ［５〜２０ｎｍ］、ＰｄＰｔＭｎ［５〜２０ｎｍ］、ＲｕＭｎ［３〜２０ｎｍ］、ＲｕＲｈＭｎ［３〜２０ｎｍ］などを積層して交換結合バイアスを利用する。
【００７６】
磁性スペーサ層はスピンのねじれを発生させるために磁性材料で形成する。具体的には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎや、それらを含む合金層を用いることができる。図３においてはバイアス層がなくても、磁性スペーサ層と上下磁性層の磁気的な結合作用によって自発的にスピンのねじれが生じ、フリー層の磁化方向をピン層の磁化方向に対して直交に配列した。しかし、自発的なスピンのねじれが不十分な場合にバイアス層によって補助する場合や、バイアス層によるバイアスの方が安定している場合には、本実施例の構成が用いられる。
【００７７】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の応用について説明する。
【００７８】
図１０および図１１は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図１０は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図１１は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【００７９】
図１０および図１１に例示した磁気ヘッドは、いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。磁気抵抗効果膜１０は図１または図５〜図７に示した構造を有するものである。磁気抵抗効果膜１０の上下には、下電極１１と下電極１２とがそれぞれ設けられている。図１０において、磁気抵抗効果膜１０の両側面には、バイアス磁界印加膜１３と絶縁膜１４とが積層して設けられている。図１１に示したように、磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面には保護層１５が設けられている。
【００８０】
磁気抵抗効果膜１０に対するセンス電流は、その上下に配置された電極１１、１２によって矢印Ａで示したように、膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１３、１３により、磁気抵抗効果膜１０にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１０のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
【００８１】
本発明によれば、磁気抵抗効果膜のＭＲ変化率が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
【００８２】
図１０および図１１に示した磁気ヘッドは、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００８３】
図１２は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の磁気ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【００８４】
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。
【００８５】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
図１３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。すなわち、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。
【００８９】
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。
【００９０】
本発明によれば、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備することにより、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。
【００９１】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを実現できる。
【００９２】
図１４は、本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子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。
【００９３】
図１５は、本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【００９４】
図１６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１７は、図１６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１４または図１５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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
本発明の実施形態に係る磁気メモリは、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１０１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
また、本発明は、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。
【０１０４】
さらに、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。
【０１０５】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶再生装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部を示す斜視図。
【図２】図１の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層を示す斜視図。
【図５】図４の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層を示す斜視図。
【図７】図４の磁性スペーサ層中におけるスピンの向きを示す図。
【図８】本発明の実施例１における磁気抵抗効果素子を示す斜視図。
【図９】本発明の実施例１における磁気抵抗効果素子の磁性スペーサ層の断面を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真。
【図１０】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１１】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１２】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【図１３】本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図。
【図１４】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図。
【図１５】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図。
【図１６】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。
【図１７】図１６のＡ−Ａ’線に沿う断面図。
【符号の説明】
【０１０７】
１…ピニング層、２…ピン層、３…磁性スペーサ層、４…フリー層、５…磁性スペーサ層、６…磁性酸化物、７…ブリッジ部、８…磁性スペーサ層、９…バイアス層、１０…磁気抵抗効果素子、１１…下電極、１２…上電極、１３…バイアス磁界印加膜、１４…絶縁膜、１５…保護層、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】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で形成された磁性スペーサ層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記磁性スペーサ層は、α−Ｆｅ2Ｏ3、γ−Ｆｅ2Ｏ3およびスピネルＭＦｅ2Ｏ4（ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｃｒ，Ｖ）からなる群より選択される磁性酸化物材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁性スペーサ層は、ＸＭｎy（ＸはＩｒ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ、ｙ≧３０ａｔｍｉｃ％）で表される金属材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁性スペーサ層は、偶数の原子層数を有する領域と奇数の原子層数を有する領域を含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する磁性スペーサ層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁性スペーサ層の磁性酸化物はα−Ｆｅ2Ｏ3、γ−Ｆｅ2Ｏ3およびスピネルＭＦｅ2Ｏ4（ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｃｒ，Ｖ）からなる群より選択される磁性酸化物材料で形成され、前記ブリッジ部はＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む金属強磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記ブリッジ部の前記磁性スペーサ層の膜面内における直径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、
前記磁性スペーサ層の磁化方向をバイアスするバイアス層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
磁気記録媒体と、請求項１０記載の磁気ヘッドとを具備したことを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１２】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性材料で形成された磁性スペーサ層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記磁性スペーサ層は、α−Ｆｅ2Ｏ3、γ−Ｆｅ2Ｏ3およびスピネルＭＦｅ2Ｏ4（ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｃｒ，Ｖ）からなる群より選択される磁性酸化物材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁性スペーサ層は、ＸＭｎy（ＸはＩｒ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｒｅ、ｙ≧３０ａｔｍｉｃ％）で表される金属材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁性スペーサ層は、偶数の原子層数を有する領域と奇数の原子層数を有する領域を含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた、反強磁性スピン配列を持つ磁性酸化物とこの磁性酸化物を貫通する金属強磁性材料で形成されたブリッジ部を有する磁性スペーサ層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁性スペーサ層の磁性酸化物はα−Ｆｅ2Ｏ3、γ−Ｆｅ2Ｏ3およびスピネルＭＦｅ2Ｏ4（ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｃｒ，Ｖ）からなる群より選択される磁性酸化物材料で形成され、前記ブリッジ部はＦｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む金属強磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記ブリッジ部の前記磁性スペーサ層の膜面内における直径が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
実質的に磁化方向が固着された第１の磁性層と、
外部磁界に応じて磁化方向が変化する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた磁性スペーサ層と、
前記磁性スペーサ層の磁化方向をバイアスするバイアス層と、
前記第１の磁性層、磁性スペーサ層および第２の磁性層を含む積層膜の膜面垂直に電流を通電する電極とを有し、
外部磁界がゼロのときに、前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向がほぼ直交していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
磁気記録媒体と、請求項１０記載の磁気ヘッドとを具備したことを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１２】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備した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】
【公開番号】特開２００６−４９３５８（Ｐ２００６−４９３５８Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２４１２４（Ｐ２００４−２２４１２４）
【出願日】平成１６年７月３０日（２００４．７．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月３０日（２００４．７．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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