【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体／絶縁体／強磁性体の構造からなる強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を利用した磁気変換素子に関し、磁気ヘッド、磁気センサ又は磁気メモリなどに使用することができる。 更に本発明は、このような磁気変換素子を備えた磁気ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気記録技術の分野では、最近の高記録密度化への要求に対応するため、従来のインダクティブヘッドに代わる読出しヘッドとして、磁気抵抗効果を利用したＡＭＲ（異方性磁気抵抗）ヘッドが実用化され、
更により高感度なスピンバルブヘッドが開発されている。 更に最近では、特開平８−７０１４９号公報や佐藤雅重他の論文「磁化固定層をもつ強磁性トンネル接合の磁気抵抗効果」（日本応用磁気学会誌 Vol.21, No.4-2,
1997, p.489-492）に記載されているように、強磁性トンネル接合の磁気変換素子が提案されている。

【０００３】この磁気変換素子は、図１２に断面示するように、電子がトンネルし得る程度に十分薄い絶縁層１
を挟むように強磁性層２、３を積層した強磁性トンネル接合膜を基板４（又は該基板を被覆する下地膜）上に有し、前記絶縁層を電子がトンネルするときに、両強磁性層の磁化が互いに平行な状態における抵抗値Ｒp と反平行な状態における抵抗値Ｒapとの差ΔＲを利用して磁気抵抗効果が得られる。 理論的には、従来のＡＭＲ素子やスピンバルブ型素子より高い２０〜５０％の磁気抵抗比（ΔＲ／Ｒ）が期待されており、実験レベルでも室温で約１０％以上の磁気抵抗比が得られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来の強磁性トンネル接合による磁気変換素子は、一般に数１０〜数１００ｍＶのバイアス電圧を印加すると磁気抵抗比が大幅に減少するという問題があった。 例えば、宮崎照宣の論文「強磁性トンネル接合のＧＭＲ」
（固体物理 Vol.32,No.4, 1997）には、３０ｍＶのバイアス電圧の印加で磁気抵抗比が最大値の約１／２に減少することが、また AC Marley他による論文「Voltage
dependence of the magnetoresistance and the tunnel
ing currentin magnetic tunnel junctions」（J.Appl.
Phys. 81(8), 1997年４月15日発行）には、磁気抵抗比が２００ｍＶで約１／２に減少することが報告されている。 このようなバイアス電圧印加に伴う磁気抵抗比の減少は、強磁性トンネル接合の磁気変換素子を実用化する上で好ましくない。

【０００５】そこで、本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バイアス電圧印加により磁気抵抗比の減少を抑制して、様々な用途に対して実用化に適した強磁性トンネル接合の磁気抵抗素子を提供することにある。 これに加え、本発明の目的は、このような高い磁気抵抗比の磁気抵抗素子を備え、より高記録密度の磁気ヘッドを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的を達成するためのものであり、以下にその内容を図面に示した実施例を用いて説明する。 本発明の磁気抵抗素子は、基板上に形成した第１及び第２強磁性層と、前記強磁性層間に挟まれた絶縁層とからなる強磁性トンネル接合膜を有し、該強磁性トンネル接合膜が、少なくとも一方の前記強磁性層と前記絶縁層との間に非磁性金属薄膜を有することを特徴とする。 また、本発明の別の側面によれば、このような磁気変換素子を備える磁気ヘッドが提供される。

【０００７】従来より、バイアス電圧の印加に伴って磁気抵抗比が減少する原因の１つに、マグノンの発生が考えられている。 即ち、絶縁層／強磁性層のトンネル接合界面では、電子がトンネルする際にマグノン即ちスピン波が発生する。 このマグノンの発生により、電子がトンネルしたときにスピンの向きが保存されなくなって、磁気抵抗比が減少する。 従って、バイアス電圧を印加するとより多くのマグノンが発生し、磁気抵抗比が減少する。

【０００８】本発明によれば、強磁性トンネル接合膜の強磁性層と絶縁層との間に上述したように非磁性金属層を挿入することにより、トンネル界面におけるマグノンの発生が解消され又は少なくとも大幅に制限されるので、バイアス電圧の印加による磁気抵抗比の減少が抑制される。

【０００９】前記非磁性金属薄膜がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、
Ａｌ、Ｐｔ及びＺｎからなる群から選択した１種又は２
種以上の金属からなり、かつその膜厚が２〜２０Åの範囲内であると好都合である。

【００１０】また、従来から当業者に知られているように、絶縁層／強磁性層の界面に分極率の大きい強磁性材料を挿入すると、磁気抵抗比が上昇するので、そのように前記第１又は第２強磁性層を、２以上の異なる強磁性材料の層から形成すると好都合である。

【００１１】本発明の別の実施例によれば、前記第２強磁性層の上に形成した反強磁性層を更に有するスピンバルブ型の磁気抵抗素子が提供される。 これにより、スピンバルブ型素子の感度が大幅に向上する。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による磁気抵抗素子の第１実施例の構成を示している。 図示しない絶縁層で被覆した基板１０上に成膜した第１強磁性層１１の上に薄い絶縁層１２が形成されている。 絶縁層１２の上には、非常に薄い非磁性金属層１３が形成され、かつその上に第２強磁性層１４が形成されている。 これらの強磁性トンネル接合膜を構成する各層１１〜１４は、例えばスパッタリング、真空蒸着法その他の従来から公知の成膜方法及び装置を用いて形成することができる。

【００１３】前記強磁性層には、従来から知られているＦｅ、Ｎｉ、又はＣｏ、もしくはこれらの一般式Ｎｉ _x
Ｆｅ _y Ｃｏ _1-xyで表されるＮｉＦｅ、ＣｏＦｅなどの合金、又はＮｉＭｎＳｂなどの強磁性材料で形成することができる。 前記絶縁層には、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＮｉＯ、Ｈｆ
Ｏ ₂ 、ＭｇＯ、ＣｏＯ、Ｇｅ、ＧｄＯ _xなどを用いることができる。

【００１４】非磁性金属層１３は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、
Ａｌ、Ｐｔ及びＺｎからなる群から選択した１種又は２
種以上の金属で形成される。 前記非磁性金属層の膜厚は、強磁性層の分極率を非磁性金属層内でも保持し得る程度に非常に薄く、絶縁層１２の膜厚を考慮して２〜２
０Åの範囲内に設定する。

【００１５】このような非磁性金属層を絶縁層１２と第２強磁性層１４間に挿入することにより、バイアス電圧印加時の磁気抵抗比の減少が大幅に小さくなった。 これは、上述したように絶縁層／強磁性層のトンネル界面でのマグノンの発生が抑制されたためと考えられる。 別の実施例では、第１強磁性層１１と絶縁層１２との間に非磁性金属層１３を挿入することができ、その場合にも同様の作用効果が得られる。

【００１６】図２は、図１の第１実施例の変形例を示しており、第１強磁性層１１と絶縁層１２との間に第２の非磁性金属層１５が挿入されている。 これにより、トンネル界面でのマグノンの発生をより効果的に解消し、バイアス電圧印加時の磁気抵抗比の減少をより一層抑制することができる。

【００１７】図３は、上記第１実施例の別の変形例を示しており、第２強磁性層１４が、異なる２種の強磁性材料の層１６、１７で形成されている。 従来から絶縁層／
強磁性層の界面に分極率の大きい強磁性材料を挿入すると、磁気抵抗比が上昇することが知られている。 従って、例えば絶縁層１２及び非磁性金属層１３に隣接する方の強磁性層１６をＣｏで形成しかつ他方の強磁性層１
７をＮｉＦｅで形成すると、より高い磁気抵抗比が得られる。 また、第２強磁性層ではなく又は第２強磁性層に加えて、第１強磁性層１３を同様に２つの異なる強磁性材料層で形成することができる。

【００１８】本発明は、スピンバルブ型の磁気抵抗素子にも適用することができる。 図４には、このような本発明による磁気抵抗素子の第２実施例が示され、図１の強磁性トンネル接合膜の上に反強磁性層１８が形成されている。 反強磁性層１８は、従来と同様に、ＦｅＭｎ、Ｉ
ｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ及びＮｉＯなどの公知の反強磁性材料を例えばスパッタリングすることにより成膜することができる。 これにより、スピンバルブ型素子の感度が従来より大幅に向上する。

【００１９】図４の実施例においても、図３の実施例と同様により高い磁気抵抗比が得られるように、第２強磁性層１４を２種又はそれ以上の異なる強磁性材料の層で形成することができる。 また、第１強磁性層１１と絶縁層１２との間に非磁性金属層１３を挿入することができる。

【００２０】図５は、図４の第２実施例の変形例を示しており、図２の実施例と同様に第１強磁性層１１と絶縁層１２間に第２の非磁性金属層１５が挿入されている。
これにより、同様にトンネル界面でのマグノンの発生をより効果的に解消することができる。

【００２１】

【実施例】（実施例１）イオンビームスパッタリング装置を用いて、図４の実施例による強磁性トンネル接合膜を基板上に成膜して、そのバイアス電圧に対する磁気抵抗比の変化を測定した。 先ず、図６及び図７に示すように、絶縁層で被覆したＳｉ基板１０の上に、メタルマスクを用いて真空チャンバ内でＦｅを膜厚１０００Åにスパッタして、ストライプ状の第１強磁性層１１を形成した。 次にマスクを変えて、第１強磁性層１１の上にＡｌ
を１０〜２０Åの膜厚に円形にスパッタ成膜した後、前記真空チャンバ内にアシストイオンソースから酸素を導入し、Ａｌ膜を酸化させてＡｌ ₂ Ｏ ₃からなる絶縁層１２
を形成した。

【００２２】次に、マスクを交換してＣｕを５Åの膜厚にスパッタ成膜し、第１強磁性層１１と直交する向きにストライプ状の非磁性金属層１３を形成した。 更に同じマスクを用いて、Ｃｏ（３０Å）／ＮｉＦｅ（１５０
Å）を連続成膜して、第２強磁性層１４を形成し、更に反強磁性層１８として膜厚４００ÅのＦｅＭｎ膜を成膜した。

【００２３】形成された強磁性トンネル接合膜は、その左右両側に電磁石１９、２０を配置して非磁性金属層１
３及び第２強磁性層１４のストライプの向きに一定の磁場を印加した状態で、反強磁性層１８及び第１強磁性層１１のそれぞれ一方の端部に設けた電極２１、２２間に一定の電流を流し、かつそれらの他方の端部に設けた電極２３、２４間の電圧を室温（２９０Ｋ）及び７７Ｋで測定した。 このとき、前記両強磁性層の磁化方向が互いに平行なときの抵抗値をＲp とし、反平行なときの抵抗値をＲapとすると、磁気抵抗比は、ΔＲ／Ｒ＝（Ｒap
−Ｒp ）／Ｒpにより求められる。

【００２４】比較例１として、Ｆｅ／Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ／Ｃｏ／
ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎからなる従来構造の強磁性トンネル接合膜を同様の手法により形成し、かつその磁気抵抗比の変化を同様にして測定した。 バイアス電流が１ｍＶのときに得られた磁気抵抗曲線を図８及び図９に示す。 また、１００ｍＶの電圧を印加したときに、従来構造の強磁性トンネル接合膜では、磁気抵抗比が最大値の約１／
２まで減少するのに対し、本実施例の強磁性トンネル接合膜は、磁気抵抗比の減少が約１／３〜１／５で、従来に比して大幅に小さくなることが分かった。

【００２５】（実施例２）図１の実施例において、非磁性金属層１３として膜厚５ÅのＡｕ膜を使用し、かつ第１強磁性層１１と絶縁層１２との間に挿入して、上記実施例１と同様の方法により、Ｆｅ（１０００Å）／Ａｕ
（５Å）／ＡＬ（１５Å）−Ｏ／ＮｉＦｅ（２５０Å）
／ＦｅＭｎ（４００Å）の構造を有する強磁性トンネル接合膜を成膜した。 比較例２として、Ｆｅ（１０００
Å）／ＡＬ（１５Å）−Ｏ／ＮｉＦｅ（２５０Å）／Ｆ
ｅＭｎ（４００Å）の従来構造を有する強磁性トンネル接合膜を形成した。

【００２６】本実施例及び比較例２の強磁性トンネル接合膜におけるバイアス電圧に対する磁気抵抗比の変化を、上記実施例１と同様の方法を用いて７７Ｋで測定し、その結果を図１０により示した。 即ち、図１０は本実施例及び比較例２における磁気抵抗比のバイアス電圧依存性を示しており、本実施例は、磁気抵抗比の減少が０〜１００ｍＶのバイアス電圧の全測定範囲に亘って比較例２の約１／２程度に小さくなっていることが分かる。

【００２７】また図１１は、図１０の測定結果を、バイアス電圧に対する磁気抵抗比をその最大値で除算することにより正規化して、磁気抵抗比のバイアス電圧依存性をより明確に示している。 同図からも、本実施例は磁気抵抗比の減少が比較例２の約１／２程度に小さくなっていることが容易に理解される。

【００２８】（実施例３）同じく図１の実施例において、非磁性金属層１３として膜厚１０ÅのＡｕ膜を使用し、上記実施例１と同様の方法により、Ｆｅ（１０００
Å）／ＡＬ（１５Å）−Ｏ／Ａｕ（１０Å）／ＮｉＦｅ
（２５０Å）／ＦｅＭｎ（４００Å）の構造を有する強磁性トンネル接合膜を形成した。

【００２９】本実施例におけるバイアス電圧に対する磁気抵抗比の変化を、上記実施例１と同様の方法を用いて７７Ｋで測定し、その結果を、バイアス電圧に対する磁気抵抗比をその最大値で除算することにより正規化して図１１に示した。 本実施例では、磁気抵抗比の減少が、
上記実施例２と比較して更に小さくなっていることが分かる。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。 本発明の磁気変換素子によれば、強磁性トンネル接合膜の強磁性層と絶縁層との間に挿入した非磁性金属層を有することにより、電子がトンネルする際にトンネル界面でのマグノンの発生が抑制されるので、バイアス電圧の印加による磁気抵抗比の減少が抑制され、様々な用途に実用化することができる。 特に、このような磁気抵抗素子を備える磁気ヘッドは、従来より高感度の読出しヘッドとして利用され、より一層の高記録密度化に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁気抵抗素子の第１実施例の構成を示す断面図である。

【図２】図１の変形例を示す同様の断面図である。

【図３】図１の別の変形例を示す断面図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す断面図である。

【図５】図４の変形例を示す断面図である。

【図６】磁気抵抗比測定試験に用いた第１実施例の強磁性トンネル接合膜及びその試験方法を示す概略平面図である。

【図７】図６の強磁性トンネル接合膜の断面図である。

【図８】Ａ図及びＢ図は、７７Ｋで測定した実施例１及び比較例１の磁気抵抗曲線をそれぞれ示す線図である。

【図９】Ａ図及びＢ図は、室温（２９０Ｋ）で測定した実施例１及び比較例１の磁気抵抗曲線をそれぞれ示す線図である。

【図１０】実施例２及び比較例２のトンネル接合膜の磁気抵抗比のバイアス電圧依存性を示す線図である。

【図１１】図１０の磁気抵抗比の測定値をその最大値で除算することにより正規化した線図である。

【図１２】従来の強磁性トンネル接合の磁気抵抗素子を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 絶縁層 ２、３ 強磁性層 ４、１０ 基板 １１ 第１強磁性層 １２ 絶縁層 １３ 非磁性金属層 １４ 第２強磁性層 １５ 非磁性金属層 １６、１７ 層 １８ 反強磁性層 １９、２０ 電磁石 ２１〜２４ 電極

フロントページの続き (72)発明者 藤森 啓安 宮城県仙台市青葉区片平２丁目１番１号 東北大学 金属材料研究所内