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JP2003304012A - Tunnel magnetoresistive element - Google Patents

Tunnel magnetoresistive element

Info

Publication number
JP2003304012A
JP2003304012A JP2002107610A JP2002107610A JP2003304012A JP 2003304012 A JP2003304012 A JP 2003304012A JP 2002107610 A JP2002107610 A JP 2002107610A JP 2002107610 A JP2002107610 A JP 2002107610A JP 2003304012 A JP2003304012 A JP 2003304012A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic
layer
magnetic layer
tunnel magnetoresistive
tunnel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002107610A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasunari Sugita
康成 杉田
Akihiro Odakawa
明弘 小田川
Nozomi Matsukawa
望 松川
Yoshio Kawashima
良男 川島
Yasuki Morinaga
泰規 森永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2002107610A priority Critical patent/JP2003304012A/en
Publication of JP2003304012A publication Critical patent/JP2003304012A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Magnetic Heads (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱的安定性に優れたトンネル磁気抵抗効果素
子を得る。 【解決手段】 トンネル磁気抵抗効果素子のトンネル絶
縁層を形成する工程に於いて、トンネル絶縁層前駆体で
ある導電層を形成する第1の工程と、前記導電層を酸化
する第2の工程とを含み、導電層を形成する第1の工程
において成膜速度が0.4Å/秒以下であることを特徴と
するトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
(57) [Problem] To provide a tunnel magnetoresistive element having excellent thermal stability. SOLUTION: In a step of forming a tunnel insulating layer of a tunnel magnetoresistive element, a first step of forming a conductive layer which is a precursor of a tunnel insulating layer, and a second step of oxidizing the conductive layer are provided. Wherein the film forming rate in the first step of forming the conductive layer is 0.4 ° / sec or less.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高密度磁気記録再
生ヘッド(磁気ディスク、光磁気ディスク、磁気テープ
等)や自動車等に用いられる磁気センサー、また、磁気
ランダムアクセスメモリ(MRAM)等に用いられるトンネ
ル磁気抵抗効果素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for a high density magnetic recording / reproducing head (magnetic disk, magneto-optical disk, magnetic tape, etc.), a magnetic sensor used in automobiles, and a magnetic random access memory (MRAM). The present invention relates to a tunnel magnetoresistive effect element.

【0002】[0002]

【従来の技術】インターネットの普及により急速な情報
化革新の進展と、高度通信網が発展するにしたがい、大
量の情報を高速に扱う必要性が高まってきている。中で
もハードディスク装置(HDD)は大量の情報を格納し、
しかも高速転送が可能な外部記録装置である。HDDの大
容量化は巨大磁気抵抗効果(Giant Magnet Resistive e
ffect : GMR効果)を利用した再生ヘッド性能の向上を
はじめとする技術革新により、その記録密度は年率60%
〜100%で伸びている。また、現在は携帯電話やノートパ
ソコンといったモバイル通信機器が日常生活に不可欠の
ものとなり、モバイル機器を通じて文字情報や動画情報
等の様々な情報のやりとりがなされている。このモバイ
ル機器に於いても、大量の情報を瞬時に格納し転送する
ための、小型軽量・低消費な記録媒体の必要性が高まっ
ており、フラッシュメモリやFeRAM(Ferro electric Ra
ndom Access Memory)をはじめとして、不揮発性メモリ
の開発が行われている。中でも近年では、大容量・高速
な不揮発性メモリデバイスとして、大きな磁気抵抗変化
率を示すトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnet Resist
ive effect : TMR効果)を利用した次世代磁気ヘッドや
不揮発性ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Ran
dom Access Memory)への期待が大きい。
2. Description of the Related Art Due to the rapid progress of information innovation due to the spread of the Internet and the development of advanced communication networks, the necessity of handling a large amount of information at high speed is increasing. Above all, the hard disk drive (HDD) stores a large amount of information,
Moreover, it is an external recording device capable of high-speed transfer. Giant Magnet Resistive e
The recording density is 60% per year due to technological innovations such as improvement of the playback head performance using ffect (GMR effect).
It is growing at ~ 100%. In addition, mobile communication devices such as mobile phones and laptop computers are now indispensable for daily life, and various information such as character information and moving image information is exchanged through the mobile devices. Even in this mobile device, there is an increasing need for a compact, lightweight, and low-consumption recording medium for instantly storing and transferring a large amount of information, such as flash memory and FeRAM (Ferro electric Ra
Ndom Access Memory) and other non-volatile memories are being developed. In particular, in recent years, as a large-capacity, high-speed nonvolatile memory device, a tunnel magnetoresistive effect (Tunnel Magnet Resist
ive effect: TMR effect next-generation magnetic head and non-volatile random access memory (MRAM: Magnetic Ran)
Expectations for dom Access Memory) are high.

【0003】TMR効果は、数nm程度のトンネル絶縁層を
介して積層した2つの強磁性層(自由磁性層、固定磁性
層)間に電圧を印加するとトンネル電流が生じ、2つの
強磁性層の磁化方向が平行と反平行とで抵抗値が異なる
現象である。TMR効果の最初の報告は1975年にJulliere
(Physics Letters, vol1. 54A (1975). No.3, p225)
によるものである。その後、室温でMiyazaki(Journal
of Magnetism and Magnetic Materials Vol. 139 (199
5) p231.)とMoodera(Physical Review LettersVol. 74
(1995) p3273. )らのグループによる10%以上の磁気抵
抗変化率(TMR比)の報告後、HDD用次世代磁気ヘッ
ドやMRAMへの応用に向けたTMR現象の研究開発が加速し
ている。
The TMR effect is such that when a voltage is applied between two ferromagnetic layers (free magnetic layer and fixed magnetic layer) laminated with a tunnel insulating layer of about several nm, a tunnel current occurs and This is a phenomenon in which the resistance values differ depending on whether the magnetization directions are parallel or antiparallel. The first report of the TMR effect was Julliere in 1975.
(Physics Letters, vol1. 54A (1975). No.3, p225)
It is due to. Then, at room temperature, Miyazaki (Journal
of Magnetism and Magnetic Materials Vol. 139 (199
5) p231.) And Moodera (Physical Review Letters Vol. 74)
(1995) p3273.) Et al. Reported a magnetoresistance change rate (TMR ratio) of 10% or more, followed by accelerated research and development of TMR phenomenon for application to next-generation magnetic heads for HDDs and MRAM. .

【0004】これらTMR素子は、その構成する層厚が数
nmから数十nmといった非常に極薄の積層膜である。
特にトンネル絶縁層には主にAl2O3やAlNといった絶縁特
性に優れた材料が用いられているが、優れたトンネル磁
気抵抗特性を得るには、その膜厚は約2nm以下の極薄の
トンネル層が用いられている。TMR素子を磁気ヘッドや
磁気メモリデバイス応用へ展開するには、固定磁性層側
に反強磁性層を配置して交換結合バイアス磁界を生じさ
せて、固定磁性層の磁化方向を固定する手法がとられて
おり、この反強磁性層を用いたTMR素子はスピンバルブ
型TMR素子と呼ばれる。この構成とすることで自由磁性
層は比較的、外部磁界に対して自由に磁化方向を変化さ
せることが可能となり、固定磁性層と自由磁性層の磁化
方向を相対的に変化させて磁気抵抗を生じることができ
る。
These TMR elements are extremely thin laminated films having a layer thickness of several nm to several tens of nm.
In particular, materials such as Al 2 O 3 and AlN that have excellent insulating properties are mainly used for the tunnel insulating layer, but in order to obtain excellent tunnel magnetoresistive properties, the film thickness is extremely thin, approximately 2 nm or less. A tunnel layer is used. To develop the TMR element for magnetic head and magnetic memory device applications, an antiferromagnetic layer is arranged on the pinned magnetic layer side to generate an exchange coupling bias magnetic field and the magnetization direction of the pinned magnetic layer is fixed. The TMR element using this antiferromagnetic layer is called a spin valve TMR element. With this configuration, the free magnetic layer can relatively freely change the magnetization direction with respect to an external magnetic field, and the fixed magnetic layer and the free magnetic layer are relatively changed in magnetization direction to thereby reduce the magnetic resistance. Can occur.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】スピンバルブ型TMR素
子を高密度磁気ヘッドや高速・大容量な不揮発性固体磁
気メモリ(MRAM)等のデバイスへ応用することを考えた
場合、高出力であるためにMR比の大きな素子が必要であ
る。さらに、デバイスの製造工程において、ウェハ上お
よびロット間でのTMR特性の再現性が必要で有ることに
加え、製造プロセスにおけるTMR特性の劣化がないこ
と、つまりプロセス安定性が重要な要素である。
The spin valve type TMR element has a high output when it is considered to be applied to a device such as a high-density magnetic head or a high-speed and large-capacity nonvolatile solid-state magnetic memory (MRAM). A device with a large MR ratio is required. Furthermore, in the device manufacturing process, in addition to the need for reproducibility of TMR characteristics on the wafer and between lots, there is no deterioration of TMR characteristics in the manufacturing process, that is, process stability is an important factor.

【0006】磁気ヘッドの製造工程では2000〜300℃程
度、MRAMの製造工程では約400℃程度の高温熱処理工程
が必要とされている。Applied Physics Letters(Volum
e 73,Number 22, p3288 (1998))で示されているよう
に、TMR素子は熱処理を行うことでTMR比が大きくなるこ
とが報告されているが、230℃付近で最大を示した後、T
MR比は減少してしまう。TMR素子を構成するトンネル絶
縁層の膜厚はせいぜい2nm程度と非常に極薄の絶縁層を
用いているため、250〜300℃以上の熱処理では、強磁性
層の結晶粒径の増大を1要因とする界面拡散が生じてTM
R特性が劣化してしまうという課題がある。特にMn系反
強磁性層を用いたスピンバルブ型TMR素子ではMnの拡散
により300℃以上の熱処理では特性が劣化する課題があ
る。
A high temperature heat treatment process of about 2000 to 300 ° C. is required in the manufacturing process of the magnetic head, and about 400 ° C. is required in the manufacturing process of the MRAM. Applied Physics Letters (Volum
e 73, Number 22, p3288 (1998)), it has been reported that the TMR element increases the TMR ratio by heat treatment. T
The MR ratio will decrease. Since the thickness of the tunnel insulating layer that composes the TMR element is very thin, about 2 nm at the most, an increase in the crystal grain size of the ferromagnetic layer is one factor in the heat treatment at 250 to 300 ° C or higher. Interface diffusion occurs and TM
There is a problem that the R characteristic deteriorates. In particular, the spin valve type TMR element using the Mn-based antiferromagnetic layer has a problem that the characteristics are deteriorated by the heat treatment at 300 ° C. or higher due to the diffusion of Mn.

【0007】一方、反強磁性層を用いる代わりに、保磁
力の大きなCo-Cr-Ptを用いた保磁力差型スピンバルブTM
R素子の耐熱性についての報告がApplied Physics Lette
rs(Volume 75, Number 4, p543 (1999))よりなされて
いるが、やはり300℃以上の熱処理を行うことによりTMR
特性が劣化するという課題がある。
On the other hand, instead of using an antiferromagnetic layer, a coercive force difference type spin valve TM using Co-Cr-Pt having a large coercive force.
Applied Physics Lette reports on heat resistance of R element
rs (Volume 75, Number 4, p543 (1999))
There is a problem that the characteristics deteriorate.

【0008】本発明はこの熱的安定性の課題を改善し、
400℃の熱処理に対しても安定なトンネル磁気抵抗効果
素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記録装置、及びメ
モリー素子を提供することを目的とする。
The present invention improves upon this thermal stability problem,
An object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistive effect element which is stable even at heat treatment at 400 ° C., a magnetic head using the same, a magnetic recording device, and a memory element.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係るトンネル磁
気抵抗効果素子は、外部磁界により容易に磁化回転が可
能な自由磁性層と、外部磁界に対して自由磁性層よりも
磁化回転が困難な固定磁性層との間に、トンネル絶縁層
が形成されたトンネル磁気抵抗効果素子において、自由
磁性層もしくは固定磁性層とトンネル絶縁層との間の少
なくとも一方にアモルファス磁性層を含み、アモルファ
ス磁性層に隣接する自由磁性層もしくは固定磁性層が、
Fe、Co、Niおよびこれらの合金を主成分とし、さらにR
u、Rh、Pd、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも1種の
元素を含むことにより上記課題を解決し、上記目的が達
成される。
The tunnel magnetoresistive element according to the present invention has a free magnetic layer which can easily rotate in magnetization by an external magnetic field and a magnetization which is harder to rotate in response to an external magnetic field than the free magnetic layer. In a tunnel magnetoresistive element having a tunnel insulating layer formed between the fixed magnetic layer and the fixed magnetic layer, an amorphous magnetic layer is included in at least one of the free magnetic layer or the fixed magnetic layer and the tunnel insulating layer. Adjacent free magnetic layer or pinned magnetic layer
Fe, Co, Ni and their alloys as main components, and R
By including at least one element selected from u, Rh, Pd, Ir, Pt, and Au, the above problems can be solved and the above objects can be achieved.

【0010】前記トンネル絶縁層はAlの酸化物、窒化物
もしくは酸窒化物の少なくとも1つから選ばれる。
The tunnel insulating layer is selected from at least one of Al oxide, nitride and oxynitride.

【0011】前記アモルファス磁性層はFe、Co、Niから
選ばれる少なくとも1種を含む酸化物もしくは窒化物も
しくは酸窒化物からなるか、もしくは、Fe、Co、Niから
選ばれる少なくとも1種を含み、さらにRu、Rh、Pd、I
r、Pt、Auから選ばれる少なくとも1種の元素を含む酸
化物もしくは窒化物もしくは酸窒化物からなる。さら
に、前記アモルファス磁性層の膜厚が0.5nm以上2nm以下
であってもよい。
The amorphous magnetic layer is made of an oxide, a nitride or an oxynitride containing at least one selected from Fe, Co and Ni, or contains at least one selected from Fe, Co and Ni, Furthermore, Ru, Rh, Pd, I
It is made of an oxide, a nitride or an oxynitride containing at least one element selected from r, Pt and Au. Further, the film thickness of the amorphous magnetic layer may be 0.5 nm or more and 2 nm or less.

【0012】固定磁性層のトンネル絶縁層とは反対側の
界面にA-Mn系(ここでAはPt、Pd、Ir、Fe、Ru、Rhから
選ばれるいずれか1種の元素)反強磁性層が接している
ことで固定磁性層の磁化方向が固定されている。
At the interface of the pinned magnetic layer on the side opposite to the tunnel insulating layer, an A-Mn system (where A is any one element selected from Pt, Pd, Ir, Fe, Ru, and Rh) antiferromagnetic The magnetization direction of the pinned magnetic layer is fixed because the layers are in contact with each other.

【0013】本発明に係る磁気ヘッドは、磁気記録媒体
からの信号磁界を検知するトンネル磁気抵抗効果型ヘッ
ドであって、磁性体を含む2つのシールド部と、前記2
つのシールド部の間のギャップ内に本発明のトンネル磁
気抵抗効果素子を備え、そのことにおり上記課題が解決
され、上記目的が達成される。
A magnetic head according to the present invention is a tunnel magnetoresistive head for detecting a signal magnetic field from a magnetic recording medium, which comprises two shield portions containing a magnetic material, and
The tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention is provided in the gap between the two shield portions, and by doing so, the above problems are solved and the above objects are achieved.

【0014】本発明に係る他の磁気ヘッドは、磁気記録
媒体からの信号磁界を検知するトンネル磁気抵抗効果型
ヘッドであって、磁性体を含む磁束ガイド部と、前記磁
束ガイド部により導かれた信号磁界を検知する本発明の
トンネル磁気抵抗効果素子を備え、そのことにおり上記
課題が解決され、上記目的が達成される。
Another magnetic head according to the present invention is a tunnel magnetoresistive head which detects a signal magnetic field from a magnetic recording medium, and is guided by a magnetic flux guide section containing a magnetic body and the magnetic flux guide section. The tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention for detecting a signal magnetic field is provided, and the above-mentioned problems are solved and the above-mentioned object is achieved.

【0015】本発明に係る磁気記録装置は、磁気記録媒
体と、前記磁気記録媒体を走査する本発明の磁気ヘッド
とを備え、そのことにおり上記課題が解決され、上記目
的が達成される。
A magnetic recording apparatus according to the present invention comprises a magnetic recording medium and a magnetic head of the present invention that scans the magnetic recording medium, and in that respect, the above problems are solved and the above objects are achieved.

【0016】本発明に係るトンネル磁気抵抗効果型メモ
リーは、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子と、前記ト
ンネル磁気抵抗効果素子を構成する自由磁性層の磁化反
転を生じさせるために磁界を発生する情報記録用導体線
(ワ−ド線部)部と、前記トンネル磁気抵抗効果素子の
抵抗変化を検知するための情報読出用導体線(センス
線)部とを備え、そのことにより上記課題が解決され、
上記目的が達成される。
The tunnel magnetoresistive effect memory according to the present invention is information for generating a magnetic field for causing the magnetization reversal of the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention and the free magnetic layer constituting the tunnel magnetoresistive effect element. The recording conductor wire (word wire portion) and the information reading conductor wire (sense wire) portion for detecting the resistance change of the tunnel magnetoresistive effect element are provided, whereby the above problems are solved. ,
The above object is achieved.

【0017】本発明に係るメモリー素子は、本発明のト
ンネル磁気抵抗効果メモリー素子をマトリックス状に配
列して構成され、そのことにより上記課題が解決され、
上記目的が達成される。
The memory element according to the present invention is constituted by arranging the tunnel magnetoresistive effect memory elements according to the present invention in a matrix, which solves the above problems.
The above object is achieved.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下本発明のトンネル磁気抵抗効
果素子(以下TMR素子と呼ぶ)、およびこれを用いた磁
気ヘッド、磁気記録装置、及びメモリー素子について、
実施例に基づいて、図面に参照しながら説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A tunnel magnetoresistive effect element (hereinafter referred to as a TMR element) of the present invention, a magnetic head using the same, a magnetic recording device, and a memory element will be described below.
An example will be described with reference to the drawings.

【0019】(TMR素子)本発明の一実施形態である
TMR素子を図1に示す。TMR素子10において、自由磁性
層11と固定磁性層12とはトンネル絶縁層13によっ
て磁気的に分離されており、自由磁性層11は外部磁界
に対して自由に磁化回転し、固定磁性層12は外部磁界
に対して自由磁性層11よりは自由な磁化回転が困難で
あり、磁化方向が固定されている。固定磁性層12の磁
化方向は反強磁性層14によって所望の方向に固定され
ている。
(TMR element) This is an embodiment of the present invention.
The TMR element is shown in FIG. In the TMR element 10, the free magnetic layer 11 and the pinned magnetic layer 12 are magnetically separated by the tunnel insulating layer 13, the free magnetic layer 11 is freely magnetized and rotated with respect to an external magnetic field, and the pinned magnetic layer 12 is Free magnetization rotation is more difficult than that of the free magnetic layer 11 with respect to an external magnetic field, and the magnetization direction is fixed. The magnetization direction of the pinned magnetic layer 12 is pinned in a desired direction by the antiferromagnetic layer 14.

【0020】外部からの磁界(媒体信号、ワード線から
発生した磁界)によって、自由磁性層11はその磁化方
向を自由に変化させることが可能であるため、固定磁性
層12との磁化方向が相対的に変化することによる抵抗
変化を生じさせることができる。
The magnetization direction of the free magnetic layer 11 can be freely changed by an external magnetic field (medium signal, magnetic field generated from the word line). A change in resistance can be caused by a change in resistance.

【0021】本実施形態では、耐熱性を向上させるため
に、自由磁性層11もしくは固定磁性層12のトンネル
絶縁層13側の少なくとも一方の界面にアモルファス磁
性層15を挿入する。そして、アモルファス磁性層15
に隣接する自由磁性層11もしくは固定磁性層12(す
なわち、自由磁性層11とトンネル絶縁層13との間に
アモルファス磁性層15を配した場合には「自由磁性層
11のアモルファス磁性層15側」、固定磁性層12と
トンネル絶縁層13との間にアモルファス磁性層15を
配した場合には「固定磁性層12のアモルファス磁性層
15側」)が、Fe、Co、Niおよびこれらの合金を主成分
とし、さらにRu、Rh、Pd、Ir、Pt、Auから選ばれる少な
くとも1種の元素を含む合金からなる。特にアモルファ
ス磁性層15はFe、Co、Niから選ばれる少なくとも1種
を主成分とする酸化物もしくは窒化物もしくは酸窒化物
からなることが好ましい。トンネル絶縁層13は絶縁特
性に優れたAlの酸化物、窒化物、酸窒化物を用いると優
れたTMR特性を得ることができる。熱処理温度の上昇と
ともにトンネル絶縁層13の内部ではAl原子と酸素(窒
素)原子の相互拡散が進行し組成揺らぎの少ないトンネ
ル絶縁層が形成され、Fe、Co、Niから選ばれる少なくと
も1種を含む酸化物、窒化物、酸窒化物からなるアモル
ファス磁性層15より不足する酸素(窒素)が供給され
て高温熱処理により緻密なトンネル絶縁層が形成され
る。しかもアモルファス磁性層15に接する磁性層には
Fe、Co、Niおよびこれらの合金を主成分とし、Ru、Rh、
Pd、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも1種の元素を含
んでおり、この添加元素により磁性層側の酸素(窒素)
の拡散を抑制するとともに、トンネル絶縁層側への酸素
(窒素)の拡散を促して、熱的安定性に優れたトンネル
絶縁層13およびその界面を形成することが可能とな
る。従って、本実施形態のTMR素子は熱的安定性に優れ
たTMR特性を有する素子となる。
In this embodiment, in order to improve heat resistance, the amorphous magnetic layer 15 is inserted into at least one interface of the free magnetic layer 11 or the fixed magnetic layer 12 on the tunnel insulating layer 13 side. Then, the amorphous magnetic layer 15
The free magnetic layer 11 or the pinned magnetic layer 12 adjacent to (i.e., when the amorphous magnetic layer 15 is disposed between the free magnetic layer 11 and the tunnel insulating layer 13, "the amorphous magnetic layer 15 side of the free magnetic layer 11") When the amorphous magnetic layer 15 is arranged between the pinned magnetic layer 12 and the tunnel insulating layer 13, “the amorphous magnetic layer 15 side of the pinned magnetic layer 12” is mainly Fe, Co, Ni and alloys thereof. It is made of an alloy containing, as a component, at least one element selected from Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, and Au. In particular, the amorphous magnetic layer 15 is preferably made of an oxide, a nitride or an oxynitride containing at least one selected from Fe, Co and Ni as a main component. If the tunnel insulating layer 13 is made of Al oxide, nitride, or oxynitride having excellent insulating properties, excellent TMR properties can be obtained. As the heat treatment temperature rises, interdiffusion of Al atoms and oxygen (nitrogen) atoms progresses inside the tunnel insulating layer 13 to form a tunnel insulating layer with less composition fluctuation, and contains at least one selected from Fe, Co, and Ni. Oxygen (nitrogen), which is insufficient from the amorphous magnetic layer 15 made of oxide, nitride, or oxynitride, is supplied and a high-temperature heat treatment is performed to form a dense tunnel insulating layer. Moreover, for the magnetic layer in contact with the amorphous magnetic layer 15,
Fe, Co, Ni and their alloys as main components, Ru, Rh,
It contains at least one element selected from Pd, Ir, Pt, and Au. Oxygen (nitrogen) on the magnetic layer side is added by this additive element.
It is possible to suppress diffusion of oxygen (nitrogen) to the side of the tunnel insulating layer and form the tunnel insulating layer 13 and its interface having excellent thermal stability by promoting the diffusion of oxygen (nitrogen) to the side of the tunnel insulating layer. Therefore, the TMR element of this embodiment is an element having TMR characteristics with excellent thermal stability.

【0022】ここでアモルファス磁性層15に接する磁
性層(図1の場合は固定磁性層12)に含まれるRu、R
h、Pd、Ir、Pt、Auの含有量としては、強磁性特性を維
持できる程度の含有量であれば特に制限はなく、1at%以
上60at%以下であればよい。
Here, Ru and R included in the magnetic layer (the fixed magnetic layer 12 in FIG. 1) in contact with the amorphous magnetic layer 15 are included.
The content of h, Pd, Ir, Pt, and Au is not particularly limited as long as the content can maintain the ferromagnetic properties, and may be 1 at% or more and 60 at% or less.

【0023】なお、上述のアモルファス磁性層15にさ
らにRu、Rh、Pd、Ir、Pt、Auを含んでもよい。この場
合、トンネル絶縁層界面に非磁性金属元素が存在するこ
ととなり、TMR比の劣化が問題となるため、30at%以下で
あることが望ましい。
The above-mentioned amorphous magnetic layer 15 may further contain Ru, Rh, Pd, Ir, Pt and Au. In this case, the nonmagnetic metal element is present at the interface of the tunnel insulating layer, and the deterioration of the TMR ratio poses a problem. Therefore, the content is preferably 30 at% or less.

【0024】反強磁性層14にはA-Mn系金属反強磁性材
料を用いるのが望ましい。Aの元素としてAはPt、Pd、I
r、Fe、Ru、Rhから選ばれる少なくとも1種から合金が
よく、例えばFe-Mn、Rh-Mn、Ir-Mn、Pt-Mn、Pt-Pd-Mn等
の反強磁性材料を用いるとよい。特に規則合金であるPt
-Mn、Pt-Pd-Mnは規則化させるのに300℃程度の熱処理が
必要であるが、素規則化熱処理後の耐熱性という観点か
ら優れた材料である。
For the antiferromagnetic layer 14, it is desirable to use an A-Mn type metal antiferromagnetic material. As an element of A, A is Pt, Pd, I
An alloy of at least one selected from r, Fe, Ru, and Rh is preferable, and an antiferromagnetic material such as Fe-Mn, Rh-Mn, Ir-Mn, Pt-Mn, or Pt-Pd-Mn is preferably used. . Especially Pt which is an ordered alloy
Although -Mn and Pt-Pd-Mn require heat treatment at about 300 ° C for ordering, they are excellent materials from the viewpoint of heat resistance after elementary heat treatment.

【0025】図1において固定磁性層12と反強磁性層
14が良好な交換結合を生じるように、反強磁性層14
側の界面にFe、Co、Niおよびこれらの合金からなる磁性
層を挿入した構造としてもよい。
In FIG. 1, the antiferromagnetic layer 14 is formed so that the pinned magnetic layer 12 and the antiferromagnetic layer 14 have good exchange coupling.
A magnetic layer made of Fe, Co, Ni, or an alloy thereof may be inserted in the side interface.

【0026】さらに、固定磁性層12を図2に示すよう
な、交換結合用非磁性膜21を介して交換結合した磁性
膜22、23より構成し、アモルファス磁性層15に接
する磁性膜22に、Fe、Co、Niおよびこれらの合金を主
成分とし、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Auから選ばれる少なく
とも1種の元素を含む磁性合金を用いてもよい。
Further, the pinned magnetic layer 12 is composed of magnetic films 22 and 23 exchange-coupled via a non-magnetic film 21 for exchange coupling as shown in FIG. 2, and the magnetic film 22 in contact with the amorphous magnetic layer 15 is A magnetic alloy containing Fe, Co, Ni and an alloy thereof as a main component and containing at least one element selected from Ru, Rh, Pd, Ir, Pt and Au may be used.

【0027】図2に示すような固定磁性層12の膜構成
とすることで図1よりもさらに大きな交換結合磁界を生
じさせることが可能となり、固定磁性層12の磁化反転
を困難とすることができる。交換結合膜21にはRu、I
r、Rh、Re、Cr、Cuのいずれか1種を用い、膜厚は0.4〜
3nmとすることが望ましい。図2に示す固定磁性層を積
層フェリ構造と呼ぶ。
With the film structure of the pinned magnetic layer 12 as shown in FIG. 2, it becomes possible to generate an exchange coupling magnetic field larger than that in FIG. 1, and it becomes difficult to reverse the magnetization of the pinned magnetic layer 12. it can. Ru and I are used for the exchange coupling film 21.
Any one of r, Rh, Re, Cr, and Cu is used, and the film thickness is 0.4 to
3 nm is desirable. The pinned magnetic layer shown in FIG. 2 is called a laminated ferri structure.

【0028】図1、2では固定磁性層12とトンネル絶
縁層13との界面にアモルファス磁性層15を設けた構
造であるが、自由磁性層11とトンネル絶縁層13との
界面にアモルファス磁性層15を設けてももちろんよ
い。この場合、自由磁性層11にはFe、Co、Niおよびこ
れらの合金を主成分とし、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Auから
選ばれる少なくとも1種の元素を含む磁性合金を用いる
が、自由磁性層11は軟磁気特性に優れていることが重
要であるため、軟磁気特性を向上させるためにNi xCoyFe
z(0.6≦x≦0.9、0≦y≦0.4、0≦z≦0.3)もしくは、Ni
x'Coy'Fez'(0≦x'≦0.4、0.2≦y'≦0.95、0≦z'≦0.
5)の軟磁性膜を用いてもよい。
In FIGS. 1 and 2, the fixed magnetic layer 12 and the tunnel are disconnected.
A structure in which an amorphous magnetic layer 15 is provided at the interface with the edge layer 13.
Of the free magnetic layer 11 and the tunnel insulating layer 13
Of course even if the amorphous magnetic layer 15 is provided at the interface
Yes. In this case, the free magnetic layer 11 contains Fe, Co, Ni and
Based on these alloys, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au
Use a magnetic alloy containing at least one selected element
However, it is important that the free magnetic layer 11 has excellent soft magnetic characteristics.
Ni is necessary to improve the soft magnetic properties. xCoyFe
z(0.6 ≦ x ≦ 0.9, 0 ≦ y ≦ 0.4, 0 ≦ z ≦ 0.3) or Ni
x 'Coy 'Fez '(0≤x'≤0.4, 0.2≤y'≤0.95, 0≤z'≤0.
You may use the soft magnetic film of 5).

【0029】トンネル絶縁層13には絶縁体もしくは半
導体であれば何れでも良いが、特にMg、 Ti、 Zr、 H
f、 V、 Nb、Ta、Crを含むIIa〜VIa、La、Ceを含むラン
タノイド、Zn、 B、 Al、 Ga、 Siを含むIIb〜IVbから
選ばれた元素と、F、O、C、N、Bから選ばれた少なくと
も元素との化合物であることが好ましい。特に、Alの酸
化物、窒化物または酸窒化物は他の材料に比べて絶縁特
性に優れ、薄膜化が可能であり再現性にも優れている。
トンネル絶縁層13の作成法としては例えばAlの酸化物
の作成法を例にして説明すると、トンネル絶縁層13の
前駆体であるAl金属層を形成後、真空中での純酸素もし
くはAr等の不活性ガスと純酸素の混合ガスを導入して酸
化させる自然酸化法、もしくはAr等の不活性ガスと純酸
素の混合ガス中でプラズマを発生させて導電層12A表
面をプラズマ酸化する方法や、ラジカル酸化する方法、
もしくは、Ar雰囲気中もしくはAr+O2雰囲気中でAl(Al
2O3)ターゲットを物理的手法によりとばすことで、均
質でピンホールの無い良好なAl酸化物からなるトンネル
絶縁層13が形成される。プラズマや、ラジカルの生成
には、ECR放電、グロ−放電、RF放電、ヘリコンあるい
は誘導結合プラズマ(ICP)等の通常の手段により発生
できる。なおAlの窒化物および酸窒化物も同様に酸素の
一部もしくは全部を窒素に置き換えることで作成でき
る。
The tunnel insulating layer 13 may be made of either an insulator or a semiconductor, but in particular Mg, Ti, Zr, H.
Elements selected from IIa to VIa containing f, V, Nb, Ta and Cr, lanthanoids containing La and Ce, and IIb to IVb containing Zn, B, Al, Ga and Si, and F, O, C and N. , B is preferably a compound with at least an element. In particular, Al oxides, nitrides, or oxynitrides have excellent insulating properties as compared with other materials, can be thinned, and have excellent reproducibility.
As a method of forming the tunnel insulating layer 13, for example, a method of forming an oxide of Al will be described as an example. After forming an Al metal layer that is a precursor of the tunnel insulating layer 13, pure oxygen or Ar in a vacuum is used. A natural oxidation method of introducing a mixed gas of an inert gas and pure oxygen to oxidize it, or a method of generating plasma in a mixed gas of an inert gas such as Ar and pure oxygen to oxidize the surface of the conductive layer 12A by plasma, Radical oxidation method,
Alternatively, in an Ar atmosphere or in an Ar + O 2 atmosphere, Al (Al
By skipping the 2 O 3 ) target by a physical method, the tunnel insulating layer 13 made of a good Al oxide that is homogeneous and has no pinhole is formed. The plasma and radicals can be generated by usual means such as ECR discharge, glow discharge, RF discharge, helicon or inductively coupled plasma (ICP). Al nitrides and oxynitrides can also be produced by replacing part or all of oxygen with nitrogen.

【0030】Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも1種の
酸化物、窒化物、酸窒化物からなるアモルファス磁性層
15の作成法は、上述したトンネル絶縁層13の作成法
とほぼ同様の手法で作成することが可能である。
The method for forming the amorphous magnetic layer 15 made of at least one oxide, nitride or oxynitride selected from Fe, Co and Ni is almost the same as the method for forming the tunnel insulating layer 13 described above. It is possible to create.

【0031】以上で説明した本発明の実施形態であるTM
R素子を、図3に示すように、トンネル絶縁層13の膜
面に対して概略垂直方向に電流を流す構造とするには、
半導体プロセスや、GMRヘッド作製プロセス等で用いら
れるイオンミリング、FIB(フォーカスイオンビー
ム)、RIE(リアクティブイオンエッチング)等の物理
的あるいは化学的エッチング法や、微細パタ−ン形成の
ためにステッパ−、EB法等を用いたフォトリソグラフィ
−技術を組み合わせて微細加工することにより図3のよ
うな素子を作成することが可能である。
TM which is the embodiment of the present invention described above
As shown in FIG. 3, the R element has a structure in which a current flows in a direction substantially perpendicular to the film surface of the tunnel insulating layer 13,
Physical or chemical etching methods such as ion milling, FIB (focused ion beam), and RIE (reactive ion etching) used in semiconductor processes and GMR head manufacturing processes, and steppers for forming fine patterns. It is possible to fabricate an element as shown in FIG. 3 by performing fine processing in combination with a photolithography technique using the EB method or the like.

【0032】図4(a)〜(h)に、図3に示すような
メサ型に素子加工する工程を示す。工程(a)では基板
上に作製された下部電極部503上にTMR素子部505
の膜を、さらに保護層兼上部電極部の一部502’を形
成する。
4 (a) to 4 (h) show a process of forming a mesa type element as shown in FIG. In the step (a), the TMR element part 505 is formed on the lower electrode part 503 formed on the substrate.
The above film is further formed with a part 502 ′ of the protective layer / upper electrode portion.

【0033】次に工程(b)では、下部電極部503の
加工用パターンとしてレジストを塗布・ベーク処理した
後にフォトリソもしくはEB露光および現像などの処理
を行ってレジストパターンを形成し、イオン照射による
エッチングを行って下部電極部503の加工を行う。
Next, in step (b), a resist is applied and baked as a processing pattern for the lower electrode portion 503, and then a resist pattern is formed by performing photolithography or EB exposure and development, and etching by ion irradiation. Then, the lower electrode portion 503 is processed.

【0034】工程(c)では、TMR素子部505をメサ
型に切り出すための加工用パターンを塗布したレジスト
に再び転写し、エッチングに要する時間を制御すること
により最適な厚みを持つようにメサ型接合部を形成す
る。
In step (c), the TMR element portion 505 is transferred again to a resist coated with a processing pattern for cutting out into a mesa shape, and the time required for etching is controlled so that the mesa shape has an optimum thickness. Form a joint.

【0035】工程(d)では、加工に用いたレジストを
剥離する前に層間絶縁層を堆積してメサ型接合部分を層
間絶縁層501で囲う。
In step (d), an interlayer insulating layer is deposited before the resist used for processing is peeled off and the mesa-type junction is surrounded by the interlayer insulating layer 501.

【0036】工程(e)では、リフトオフ洗浄によりレ
ジスト及びレジスト上の層間絶縁層501を剥離し、工
程(f)において上部電極部502を堆積する。以下に
示す実施例において、上部電極部502としてはTa(5n
m) / Cu(500nm) / Pt(50nm) /Ta(5nm)という積層膜を用
いた。
In step (e), the resist and the interlayer insulating layer 501 on the resist are removed by lift-off cleaning, and in step (f), the upper electrode portion 502 is deposited. In the embodiment described below, Ta (5n
m) / Cu (500nm) / Pt (50nm) / Ta (5nm).

【0037】工程(g)では上部電極部502の配線加
工用のレジストパターンをフォトリソもしくはEB露光
と現像により形成し、工程(h)でイオンエッチングに
よりパターン加工して所望のTMR素子を形成する。
In step (g), a resist pattern for wiring the upper electrode portion 502 is formed by photolithography or EB exposure and development, and in step (h), a desired TMR element is formed by patterning by ion etching.

【0038】以上のようにして、図3に示すTMR素子を
作成し、上部電極部502と下部電極503に挟まれた
TMR素子部505に電流を流して電圧を読みとる。層間
絶縁層501は上部電極502と下部電極503との電
気的な短絡を防ぐ働きがある。
As described above, the TMR element shown in FIG. 3 was prepared and sandwiched between the upper electrode portion 502 and the lower electrode 503.
A current is passed through the TMR element section 505 to read the voltage. The interlayer insulating layer 501 has a function of preventing an electrical short circuit between the upper electrode 502 and the lower electrode 503.

【0039】この図3のような素子構成とすることで、
TMR素子部505の膜面に対して垂直方向に電流を流し
出力を読み出すことが可能となる。また電極等の表面平
坦化のために、CMPや、クラスタ−イオンビ−ムエッチ
ング、ECRイオンエッチングを用いることも効果的であ
る。電極材料として、Pt、Au、Cu、Ru、Al、TiNを初
め、抵抗率が100μΩcm以下の低抵抗材料を用いればよ
い。層間絶縁層501としては、Al2O3、SiO2等の絶縁
特性のすぐれているものを用いればよい。
By using the element structure as shown in FIG. 3,
It becomes possible to read the output by passing a current in the direction perpendicular to the film surface of the TMR element unit 505. It is also effective to use CMP, cluster ion beam etching, or ECR ion etching for flattening the surface of the electrodes and the like. As the electrode material, a low resistance material having a resistivity of 100 μΩcm or less, such as Pt, Au, Cu, Ru, Al and TiN, may be used. As the interlayer insulating layer 501, a layer having excellent insulating properties such as Al 2 O 3 or SiO 2 may be used.

【0040】本実施形態のTMR素子の膜形成には、パル
スレ−ザデポジション(PLD)、イオンビ−ムデポジショ
ン(IBD)、クラスタ−イオンビ−ムまたはRF、DC、
ECR、ヘリコン、ICPまたは対向タ−ゲットなどのスパッ
タリング法、MBE法等のPVD法で作成することが可能であ
る。
For the film formation of the TMR element of the present embodiment, pulse laser deposition (PLD), ion beam deposition (IBD), cluster ion beam or RF, DC,
It can be created by the sputtering method such as ECR, helicon, ICP or facing target, and the PVD method such as MBE method.

【0041】(MRAM)以上述べたような本実施形態
のトンネル磁気抵抗効果素子を用いて、図5に示す高出
力で高耐熱性に優れた磁気ランダムアクセスメモリ(MR
AM)を作成することが可能となる。
(MRAM) Using the tunnel magnetoresistive effect element of this embodiment as described above, a magnetic random access memory (MR) having high output and excellent heat resistance shown in FIG. 5 is used.
AM) can be created.

【0042】本発明の一実施形態であるMRAM素子
は、例えば図5に示されたA1に代表されるように、Cu
やAlをベ−スに作られたTMR素子の抵抗変化を検知する
センス線601とTMR素子に磁界を発生させるためのワ
−ド線602の交点にマトリクス様に配置され、それぞ
れのラインに信号電流を流した時に発生する合成磁界を
用いた二電流一致方式により信号情報が記録される。
The MRAM element according to one embodiment of the present invention is made of Cu, as represented by A1 shown in FIG.
Are arranged in a matrix at the intersections of the sense lines 601 for detecting the resistance change of the TMR element made of Al and Al and the word line 602 for generating a magnetic field in the TMR element, and the signal is provided on each line. Signal information is recorded by a two-current coincidence method using a synthetic magnetic field generated when a current is passed.

【0043】図6〜図8における磁気メモリデバイスの
電流による書き込み動作と、読み込み動作の基本例につ
いて説明する。尚、それぞれの図では例として図1に示
したTMR素子の自由磁性層11/トンネル絶縁層13/
固定磁性層12を抽出してメモリ素子として示してい
る。なお、図中の自由磁性層11をメモリ層として説明
する。
A basic example of the write operation and the read operation by the current of the magnetic memory device in FIGS. 6 to 8 will be described. In each figure, as an example, the free magnetic layer 11 / tunnel insulating layer 13 / of the TMR element shown in FIG.
The pinned magnetic layer 12 is extracted and shown as a memory element. The free magnetic layer 11 in the figure will be described as a memory layer.

【0044】図6では、素子の磁化状態を個別に読みと
るために、素子毎にFETに代表されるスイッチ素子70
3を設けた構成を示している。このランダムアクセスメ
モリは、CMOS基板上に容易に構成できる。また図7で
は、素子毎に非線形素子704(あるいは整流素子)を
用いた構成を示している。ここで、非線形素子704
は、バリスタや、トンネル素子、あるいは前記構成の3
端子素子を用いても良い。このランダムアクセスメモリ
は、ダイオ−ドの成膜プロセスなどを増やすだけで、安
価なガラス基板上にも作製可能である。また図8では、
図6や図7のような素子分離のためのスイッチ素子70
3、あるいは非線形素子704などを用いず、直接ワ−
ド線702とセンス線兼ワード線701の交点に素子が
配置される構成としている。図6〜図8では、それぞ
れ、ビット線は素子に電流を流して抵抗変化を読みとる
センス線と併用する場合について示しているが、ビット
電流による誤動作や素子破壊を防ぐため、センス線とビ
ット線を別途設けてもよい。このときビット線は、素子
と電気的に絶縁された位置で且つ、センス線と平行に配
置することが好ましい。また、電流書き込みの場合、ワ
−ド線、ビット線とメモリセル間の距離は消費電力の点
から500nm程度以下であることが望ましい。
In FIG. 6, in order to read the magnetization state of each element individually, a switch element 70 represented by a FET is provided for each element.
3 shows a configuration provided with 3. This random access memory can be easily constructed on a CMOS substrate. Further, FIG. 7 shows a configuration in which a non-linear element 704 (or a rectifying element) is used for each element. Here, the nonlinear element 704
Is a varistor, a tunnel element, or 3 of the above configuration.
You may use a terminal element. This random access memory can be manufactured on an inexpensive glass substrate only by increasing the film forming process of the diode. Also in FIG.
Switching element 70 for element isolation as shown in FIGS. 6 and 7.
3 or directly using the non-linear element 704
An element is arranged at the intersection of the read line 702 and the sense line / word line 701. In each of FIGS. 6 to 8, the bit line is used in combination with a sense line for reading a resistance change by passing a current through the element. However, in order to prevent malfunction and element destruction due to the bit current, the sense line and the bit line are prevented. May be separately provided. At this time, it is preferable that the bit line is arranged at a position electrically insulated from the element and parallel to the sense line. Further, in the case of current writing, it is desirable that the distance between the word line and the bit line and the memory cell is about 500 nm or less in terms of power consumption.

【0045】(磁気ヘッド)本実施形態のTMR素子を用
いて、図9および図10に示すような高出力で高耐熱性
に優れた磁気ヘッドを作成することが可能となる。図9
および図10は本発明の一実施形態である磁気ヘッドを
説明するための図である。
(Magnetic Head) By using the TMR element of this embodiment, a magnetic head having high output and excellent heat resistance as shown in FIGS. 9 and 10 can be manufactured. Figure 9
10 and 10 are diagrams for explaining the magnetic head according to the embodiment of the present invention.

【0046】図9の磁気ヘッドはいわゆるシールド型磁
気ヘッドの一例を示す。図9では磁性体からなる2つの
シールド(上部シールド203と下部シールド202)
を有し、この2つのシールド部の再生ギャップ204内
にTMR素子部201を設けるように構成されている。記
録は巻線部205に電流を流して記録用磁極206と上
部シールド203の間の記録ギャップ207からの漏洩
磁界により信号を記録媒体(図示せず)に書き込み、再
生は磁気記録媒体(図示せず)からの信号磁界を再生ギ
ャップ204(シールドギャップ)間に設けられたTMR
素子部201により読みとることにより行われる。図9
には示していないが、TMR素子部201には電極部が膜
の上下に接続され、上下の電極部と上下のシールドとは
絶縁層により電気的に絶縁してもよいし、上下の電極部
を上下シールドと接続して、上下のシールドも電極部を
かねる構造としてもよい。上部および下部のシールド2
03、202にはNi-Fe、Fe-Al-Si、Co-Nb-Zr合金など
の軟磁性膜が使われる。TMR素子部201の自由磁性層
の磁区制御のためにCo-Pt、Co-Pt-Cr合金等の高保磁力
磁性膜を紙面垂直方向にTMR素子を両側から挟んだ配置
にすることでバイアス磁界を加える。また絶縁部208
としては、Al2O3、AlN、SiO2等の絶縁膜が使われる。
The magnetic head shown in FIG. 9 is an example of a so-called shield type magnetic head. In FIG. 9, two shields made of a magnetic material (upper shield 203 and lower shield 202)
The TMR element portion 201 is provided in the reproducing gap 204 of the two shield portions. For recording, a current is passed through the winding portion 205 to write a signal to a recording medium (not shown) by a leakage magnetic field from a recording gap 207 between the recording magnetic pole 206 and the upper shield 203, and for reproduction, a magnetic recording medium (not shown). Signal magnetic field from the TMR provided between the reproduction gap 204 (shield gap)
The reading is performed by the element unit 201. Figure 9
Although not shown in FIG. 3, the TMR element unit 201 may have electrode portions connected to the upper and lower sides of the film, and the upper and lower electrode portions may be electrically insulated from the upper and lower shields by an insulating layer. May be connected to the upper and lower shields so that the upper and lower shields also serve as electrode portions. Upper and lower shield 2
Soft magnetic films such as Ni-Fe, Fe-Al-Si, and Co-Nb-Zr alloys are used for 03 and 202. To control the magnetic domains of the free magnetic layer of the TMR element unit 201, a high coercive force magnetic film of Co-Pt, Co-Pt-Cr alloy or the like is arranged so as to sandwich the TMR element from both sides in the direction perpendicular to the plane of the drawing to generate a bias magnetic field. Add. Also, the insulating portion 208
For this, an insulating film of Al 2 O 3 , AlN, SiO 2 or the like is used.

【0047】また図10に示すように磁性体よりなる磁
束ガイド(ヨーク)部を有し、この磁束ガイド部により
導かれた信号磁界を検知する素子として本実施形態のT
MR素子部301を用いることで、より高出力で熱的安
定性に優れた再生ヘッド部を有するヨーク型磁気ヘッド
を実現することが可能となる。記録媒体(図示せず)か
らの信号磁界は下部シールドと兼用のヨーク部302に
より導かれヨーク部302に接続されたTMR素子301
により読みとりを行うものである。なお図13ではTMR
素子部301に接続される下部リード部をヨーク部が兼
用した構造としている。図13においてTMR素子部の自
由磁性層全体、もしくはその一部をヨーク部と兼用して
もよい。ヨーク型磁気ヘッドはシールド型磁気ヘッドと
比較して、磁気記録媒体から発生する信号磁界を検知す
るTMR素子部が記録媒体よりも距離的に遠いために出力
的には劣るが、記録媒体と磁気ヘッドが接触することで
TMR素子部の破壊や熱衝撃に対して優れているため、本
実施形態のTMR素子を用いたヨーク型磁気ヘッドは磁気
記録媒体がテープであるストリーマー用途として優れて
いる。
Further, as shown in FIG. 10, there is a magnetic flux guide (yoke) portion made of a magnetic material, and the T of the present embodiment is used as an element for detecting the signal magnetic field guided by this magnetic flux guide portion.
By using the MR element portion 301, it is possible to realize a yoke type magnetic head having a reproducing head portion having higher output and excellent thermal stability. A signal magnetic field from a recording medium (not shown) is guided by a yoke portion 302 which also serves as a lower shield and is connected to the yoke portion 302.
Is read by. In Fig. 13, TMR
The structure is such that the yoke portion also serves as the lower lead portion connected to the element portion 301. In FIG. 13, the entire free magnetic layer of the TMR element portion or a part thereof may also be used as the yoke portion. The yoke-type magnetic head is inferior to the shield-type magnetic head in output because the TMR element that detects the signal magnetic field generated from the magnetic recording medium is farther away from the recording medium, but the output is inferior. By the contact of the head
The yoke type magnetic head using the TMR element of the present embodiment is excellent as a streamer application in which the magnetic recording medium is a tape, because it is excellent in destruction and thermal shock of the TMR element part.

【0048】(磁気記録再生装置)以下、本発明の一実
施形態である磁気記録再生装置について、図11および
図12、13を参照しつつ説明する。図9、図10に示
した本発明の一実施形態である磁気ヘッドを用いて、図
11および図12、13に示す高密度磁気記録装置を構
成することができる。
(Magnetic Recording / Reproducing Apparatus) A magnetic recording / reproducing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 11 and 12 and 13. Using the magnetic head according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 9 and 10, the high-density magnetic recording device shown in FIGS. 11 and 12 and 13 can be configured.

【0049】図11に示すように、磁気ヘッド401、
その駆動部402、情報を記録する磁気記録媒体40
3、及び信号処理部404を用いて熱的安定性に優れた
磁気記録装置400を構成することが可能となる。
As shown in FIG. 11, the magnetic head 401,
The drive unit 402, the magnetic recording medium 40 for recording information
3 and the signal processing unit 404 can be used to configure the magnetic recording device 400 having excellent thermal stability.

【0050】また、図12、13には本発明の実施形態
である磁気ヘッドを用いた別の磁気記録再生装置の構成
を示す。図12は磁気記録再生装置の回転ドラム装置の
斜視図であり、図13は磁気記録再生装置の走行系概略
図である。
12 and 13 show the configuration of another magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetic head according to the embodiment of the present invention. 12 is a perspective view of a rotary drum device of the magnetic recording / reproducing apparatus, and FIG. 13 is a schematic view of a traveling system of the magnetic recording / reproducing apparatus.

【0051】図12の回転ドラム装置103は、下ドラ
ム106および上回転ドラム102を有し、その外周面
に磁気ヘッド105が備えられている。図示しない磁気
テープは、リード104に沿って上回転ドラム102の
回転軸に対して傾斜して走行している。磁気ヘッド10
5は、磁気テープの走行方向に対して傾斜して摺動す
る。また、上回転ドラム102と磁気テープとが密着し
ながら安定して摺動走行するように、上回転ドラム10
2の外周面には複数の溝101が設けられている。磁気
テープと上回転ドラムとの間に巻き込まれた空気はこの
溝101から排出される。
The rotary drum device 103 shown in FIG. 12 has a lower drum 106 and an upper rotary drum 102, and a magnetic head 105 is provided on the outer peripheral surface thereof. The magnetic tape (not shown) runs along the lead 104 while being inclined with respect to the rotation axis of the upper rotary drum 102. Magnetic head 10
5 slidably inclines with respect to the running direction of the magnetic tape. In addition, the upper rotary drum 102 and the magnetic tape are in close contact with each other so that the upper rotary drum 102 and the magnetic tape can slide stably.
A plurality of grooves 101 are provided on the outer peripheral surface of 2. The air caught between the magnetic tape and the upper rotary drum is discharged from this groove 101.

【0052】磁気記録再生装置の走行系は、図13に示
すように、回転ドラム装置113、供給リール107、
巻き取りリール122、回転ポスト108,110,1
11,116,117,119、傾斜ポスト112,1
15、キャプスタン118、ピンチローラー120、テ
ンションアーム109を備えている。回転ドラム装置1
13の外周面には、上記で説明した本発明の実施形態で
ある磁気ヘッド105が配置されている。供給リール1
07に巻かれた磁気テープ121は、ピンチローラー1
20とキャプスタン118による引き込み動作で走行
し、傾斜ポスト112,115による案内で回転ドラム
装置813に搭載された磁気ヘッド114,123に押
しつけられ、ピンチローラー120とキャプスタン11
8との間を通って巻き取りリール122に巻き取られて
いく。この回転ドラム装置は、上回転ドラム方式であっ
て再生用磁気ヘッド114は回転ドラム外周面から20
μm程度突き出すように2個取り付けられている。本発
明の実施形態である磁気ヘッドを用いた磁気記録再生装
置において、図10のようなヨーク型磁気ヘッドを使用
すれば、ヘリカルスキャン方式で問題となる摩耗による
TMR素子の形状変化が起こらない。また、接触摺動によ
るTMR素子の静電破壊、および磁気テープや大気中から
の化学反応物質によるTMR素子の腐食などのおそれが極
めて少ないために、高い信頼性を確保できる。また、従
来の磁気ヘッドより優れた性能をもつ本発明のトンネル
磁気抵抗効果膜を利用した磁気ヘッドを搭載しているた
めに熱的安定性に優れ高い記録密度を達成することがで
きる。
As shown in FIG. 13, the traveling system of the magnetic recording / reproducing apparatus includes a rotating drum device 113, a supply reel 107,
Take-up reel 122, rotating post 108, 110, 1
11, 116, 117, 119, inclined posts 112, 1
15, a capstan 118, a pinch roller 120, and a tension arm 109 are provided. Rotating drum device 1
On the outer peripheral surface of 13, the magnetic head 105 according to the embodiment of the present invention described above is arranged. Supply reel 1
The magnetic tape 121 wound around 07 is the pinch roller 1
20 and the capstan 118 are drawn in, and guided by the inclined posts 112 and 115, pressed against the magnetic heads 114 and 123 mounted on the rotating drum device 813, and the pinch roller 120 and the capstan 11 are moved.
It is taken up by the take-up reel 122 through the gap between the reels 8 and 8. This rotary drum device is of an upper rotary drum type, and the reproducing magnetic head 114 is arranged from the outer peripheral surface of the rotary drum 20.
Two pieces are attached so as to protrude by about μm. In the magnetic recording / reproducing apparatus using the magnetic head according to the embodiment of the present invention, if the yoke type magnetic head as shown in FIG.
The shape of the TMR element does not change. In addition, high reliability can be secured because there is very little risk of electrostatic breakdown of the TMR element due to contact sliding and corrosion of the TMR element due to chemical reaction substances from the magnetic tape or the atmosphere. Further, since the magnetic head using the tunnel magnetoresistive effect film of the present invention, which has the performance superior to that of the conventional magnetic head, is mounted, the thermal stability is excellent and a high recording density can be achieved.

【0053】以下に、より詳細な具体例を用いて本発明
を説明する。
The present invention will be described below with reference to more detailed specific examples.

【0054】(実施例1)図1に示したスピンバルブ型
TMR素子についての本発明の実施例1を説明する。
(Example 1) Spin valve type shown in FIG.
Example 1 of the present invention regarding a TMR element will be described.

【0055】到達真空度が1×10-8Torr(1Torr=133.322P
a)以下の成膜チャンバー中において500nmの熱酸化膜付
きSi基板上にDCおよびRFマグネトロンスパッタ法により
TMR膜を作製した。
The ultimate vacuum is 1 × 10 -8 Torr (1 Torr = 133.322P
a) DC and RF magnetron sputtering method on Si substrate with 500 nm thermal oxide film in the following deposition chamber
A TMR film was prepared.

【0056】まず基板上に下部電極としてTa(3nm)/Cu(5
0nm)/Ta(3nm)を積層した。その上に反強磁性層14のPt
-Mn(20nm)、固定磁性層12の[Co-Fe]0.8-Pt0.2(3nm)、
アモルファス磁性層15のFe-O(1nm)を積層した。アモ
ルファス磁性層15はFe(1nm)を成膜した後に真空中で
酸素ガス圧が100Torr、室温で10分間保持することで作
成した。その上にトンネル絶縁層13のAl-O(1nm)を作
成した。Al-Oトンネル絶縁層の括弧内の膜厚は酸化処理
前のAlの設計膜厚の合計値を示し、実際にはAlを0.3〜
0.7nm成膜後、真空に排気された酸化チャンバー内に酸
素ガスを導入してAl層を自然酸化する事を繰り返すこと
で作成した。Alの自然酸化法の条件は200Torrの酸素含
有雰囲気中で室温で1分間保持した。
First, Ta (3 nm) / Cu (5
0 nm) / Ta (3 nm) were laminated. On top of that, the Pt of the antiferromagnetic layer 14
-Mn (20 nm), [Co-Fe] 0.8 -Pt 0.2 (3 nm) of the fixed magnetic layer 12,
Fe-O (1 nm) of the amorphous magnetic layer 15 was laminated. The amorphous magnetic layer 15 was formed by depositing Fe (1 nm) and then maintaining the oxygen gas pressure in a vacuum at 100 Torr at room temperature for 10 minutes. Al-O (1 nm) of the tunnel insulating layer 13 was formed on it. The film thickness in parentheses of the Al-O tunnel insulating layer indicates the total design film thickness of Al before oxidation treatment.
After forming a 0.7 nm film, it was created by repeating the natural oxidation of the Al layer by introducing oxygen gas into the oxidation chamber evacuated to a vacuum. The conditions for the natural oxidation method of Al were held for 1 minute at room temperature in an oxygen-containing atmosphere of 200 Torr.

【0057】さらに自由磁性層11としてCo-Fe(1nm)/N
i-Fe(3nm)、酸化保護層としてTa(15nm)/Pt(10nm)を形成
した。次にフォトリソグラフィー及びイオンミリングを
用いて図3に示したようなメサ型のスピンバルブ型TMR
素子を図4に示した製造工程を経て作成した。
Further, as the free magnetic layer 11, Co-Fe (1 nm) / N
i-Fe (3 nm) and Ta (15 nm) / Pt (10 nm) were formed as an oxidation protection layer. Next, by using photolithography and ion milling, a mesa type spin valve type TMR as shown in FIG.
The device was produced through the manufacturing process shown in FIG.

【0058】図4(f)の工程で上部電極部502とし
てTa(5nm) / Cu(500nm) / Pt(50nm)/ Ta(5nm)を形成し
た。TMR素子部のサイズは2μm×6μmとした。以上のよ
うに作成した本実施例の試料を実施例試料1とする。
In the step of FIG. 4F, Ta (5 nm) / Cu (500 nm) / Pt (50 nm) / Ta (5 nm) was formed as the upper electrode portion 502. The size of the TMR element portion was 2 μm × 6 μm. The sample of this example created as described above is referred to as Example sample 1.

【0059】比較例として本実施例のTMR膜とほぼ同様
な膜構成ではあるが、アモルファス磁性層15のない、
さらに固定磁性層12がCo-Fe(3nm)から構成されるTMR
素子を作成した。この比較例の試料を従来例試料Aとす
る。
As a comparative example, the TMR film of the present embodiment has a film structure substantially similar to that of the present embodiment, but the amorphous magnetic layer 15 is not provided.
Furthermore, the fixed magnetic layer 12 is made of Co-Fe (3 nm) TMR.
A device was created. The sample of this comparative example is referred to as a conventional sample A.

【0060】素子作成後、反強磁性層14と固定磁性層
12との間に交換結合を生じさせるために磁界中熱処理
を行った。熱処理条件は、5kOeの磁界を膜面に平行に印
加した状態で、室温から280℃まで3時間で上昇させ
て、280℃の温度で1.5時間保持した後、室温まで6時間
で温度を下降させた。その後、TMR特性を調べるため
に、直流四端子法により磁気抵抗を測定した。さらに作
成したTMR素子の耐熱性を調べるために400℃まで熱処理
し、各熱処理後、室温で磁界を1kOe印加してトンネル磁
気抵抗変化率(以下TMR比と呼ぶ)を測定した。耐熱性
の熱処理条件は、室温から各設定温度まで3時間かけて
上昇させた後、設定温度で30分間保持した後、室温まで
温度下降させて行った。結果を表1に示す。
After the device was manufactured, a heat treatment was performed in a magnetic field in order to generate exchange coupling between the antiferromagnetic layer 14 and the pinned magnetic layer 12. The heat treatment condition is that a magnetic field of 5 kOe is applied in parallel to the film surface, the temperature is raised from room temperature to 280 ° C. in 3 hours, the temperature is kept at 280 ° C. for 1.5 hours, and then the temperature is lowered to room temperature in 6 hours. It was Then, in order to investigate the TMR characteristics, the magnetic resistance was measured by the DC four-terminal method. Further, in order to examine the heat resistance of the TMR element produced, heat treatment was performed up to 400 ° C. After each heat treatment, a magnetic field of 1 kOe was applied at room temperature to measure the tunnel magnetoresistance change rate (hereinafter referred to as TMR ratio). The heat-resistant heat treatment conditions were such that the temperature was raised from room temperature to each set temperature over 3 hours, held at the set temperature for 30 minutes, and then lowered to room temperature. The results are shown in Table 1.

【0061】[0061]

【表1】 [Table 1]

【0062】このように本実施例のTMR素子は従来の素
子と比較してTMR特性の熱的安定性に非常に優れている
ことが分かる。さらに、上記の400℃まで熱処理した実
施例試料1’の素子を用いて、200℃の温度で1時間保持
するという熱処理工程を1サイクルとした場合の熱処理
回数依存性を調べた。比較の為に280℃の熱処理後の従
来例試料A’も同様に実施した。表2に結果を示す。
As described above, it can be seen that the TMR element of this example is very excellent in thermal stability of TMR characteristics as compared with the conventional element. Further, using the element of Example Sample 1 ′ heat-treated to 400 ° C., the dependency of the number of heat-treatments was investigated when the heat treatment step of holding the temperature at 200 ° C. for 1 hour was set as one cycle. For comparison, the conventional sample A ′ after the heat treatment at 280 ° C. was also carried out in the same manner. The results are shown in Table 2.

【0063】[0063]

【表2】 [Table 2]

【0064】以上の結果より、本実施例のTMR素子は従
来素子と比較して熱的安定性に優れていることが分かっ
た。
From the above results, it was found that the TMR element of this example is superior in thermal stability to the conventional element.

【0065】(実施例2)本発明の実施例2として、図
2に示した固定磁性層12が積層フェリ構造を有するス
ピンバルブ型TMR素子について説明する。到達真空度が1
×10-8Torr以下の成膜チャンバー中において500nmの熱
酸化膜付きSi基板上にDCおよびRFマグネトロンスパッタ
法によりTMR膜を作製した。まず基板上に下部電極とし
てTa(3nm)/Cu(50nm)を積層した。ECRエッチング法によ
りC u下部電極表面をエッチングした。
(Example 2) As Example 2 of the present invention, a spin valve type TMR element in which the pinned magnetic layer 12 shown in FIG. 2 has a laminated ferri structure will be described. Ultimate vacuum is 1
TMR films were prepared by DC and RF magnetron sputtering on a Si substrate with a thermal oxide film of 500 nm in a film forming chamber of × 10 -8 Torr or less. First, Ta (3 nm) / Cu (50 nm) was laminated as a lower electrode on the substrate. The Cu lower electrode surface was etched by the ECR etching method.

【0066】さらに反強磁性層14の下地層としてTa(3
nm)/Ni-Fe-Cr(4nm)を積層した。その上に反強磁性層1
4のPt-Mn(20nm)、固定磁性層12のCo-Fe(3nm)/Ru(0.8
nm)/Co-Fe(1nm)/Fe0.9-Pt0.1(3nm)、アモルファス磁性
層15のCo-Fe-Pt-O(0.5nm)を形成した。アモルファス
磁性層15はCo0.6-Fe0.25-Pt0.15 (0.5nm)を成膜した
後に真空中でプラズマ酸化させることで作成した。プラ
ズマ酸化条件は酸素ガス圧が75%に流量調整されたのAr+
O2混合ガス(0.8mTorr)中で、ワンターンコイルに150W
のRF電力を投入することで酸素プラズマを生成し、酸化
時間30秒で行った。その上にトンネル絶縁層13のAl-O
(1nm)を作成した。Al-Oトンネル絶縁層の括弧内の膜厚
は酸化処理前のAlの設計膜厚の合計値を示し、実際には
Alを0.3〜0.7nm成膜後、真空に排気された酸化チャンバ
ー内に酸素ガスを導入してAl層を自然酸化する事を繰り
返すことで作成した。Alの自然酸化法の条件は200Torr
の酸素含有雰囲気中で室温で1分間保持した。
Further, as an underlayer of the antiferromagnetic layer 14, Ta (3
nm) / Ni-Fe-Cr (4 nm) were laminated. Antiferromagnetic layer 1 on it
4 Pt-Mn (20 nm), pinned magnetic layer 12 Co-Fe (3 nm) / Ru (0.8
nm) / Co-Fe (1 nm) / Fe 0.9 -Pt 0.1 (3 nm), and Co-Fe-Pt-O (0.5 nm) of the amorphous magnetic layer 15 was formed. The amorphous magnetic layer 15 was formed by depositing Co 0.6 -Fe 0.25 -Pt 0.15 (0.5 nm) and then performing plasma oxidation in vacuum. The plasma oxidization conditions were Ar + with oxygen gas pressure adjusted to 75%.
150W for one-turn coil in O 2 mixed gas (0.8mTorr)
Oxygen plasma was generated by applying the RF power of, and the oxidation time was 30 seconds. On top of that, Al-O of the tunnel insulating layer 13
(1 nm) was created. The film thickness in parentheses of the Al-O tunnel insulating layer shows the total value of the design film thickness of Al before the oxidation treatment.
The film was formed by repeating the process of depositing 0.3 to 0.7 nm of Al and then introducing oxygen gas into the oxidation chamber evacuated to vacuum to naturally oxidize the Al layer. The condition of Al natural oxidation method is 200 Torr
And kept at room temperature for 1 minute.

【0067】さらに自由磁性層11としてNi-Fe(3nm)、
酸化保護層としてTa(15nm)/Pt(10nm)を形成した。次にE
Bリソグラフィーとフォトリソグラフィー及びイオンミ
リングを用いて図3に示したようなメサ型のスピンバル
ブ型TMR素子を図4に示した製造工程を経て作成した。
図4(f)の工程で上部電極部502としてTa(5nm)/ C
u(500nm) / Pt(50nm) / Ta(5nm)を形成した。TMR素子部
のサイズは0.1μm×0.2μmとした。以上のように作成し
た本実施例の試料を実施例試料2とする。比較例として
本実施例のTMR膜とほぼ同様な膜構成ではあるが、アモ
ルファス磁性層15のない、さらに固定磁性層12がCo
-Fe(3nm)/Ru(0.8nm)/Co-Fe(3nm)から構成されるTMR素子
を作成した。この比較例の試料を従来例試料Bとする。
Further, as the free magnetic layer 11, Ni-Fe (3 nm),
Ta (15 nm) / Pt (10 nm) was formed as an oxidation protection layer. Then E
A mesa-type spin-valve TMR element as shown in FIG. 3 was manufactured using B lithography, photolithography, and ion milling through the manufacturing process shown in FIG.
In the process of FIG. 4F, Ta (5nm) / C is used as the upper electrode portion 502.
u (500 nm) / Pt (50 nm) / Ta (5 nm) was formed. The size of the TMR element part was 0.1 μm × 0.2 μm. The sample of this example created as described above is referred to as Example sample 2. As a comparative example, the TMR film of the present embodiment has a film structure substantially similar to that of the present embodiment, but the pinned magnetic layer 12 is made of Co without the amorphous magnetic layer 15.
A TMR element composed of -Fe (3nm) / Ru (0.8nm) / Co-Fe (3nm) was prepared. The sample of this comparative example is referred to as a conventional sample B.

【0068】素子作成後、反強磁性層14と固定磁性層
12との間に交換結合を生じさせるために磁界中熱処理
を行った。熱処理条件は、5kOeの磁界を膜面に平行に素
子の長手方向に印加した状態で、室温から280℃まで3
時間で上昇させて、280℃の温度で10時間保持した後、
室温まで6時間で温度を下降させた。その後、TMR特性を
調べるために、直流四端子法により磁気抵抗を測定し
た。さらに作成したTMR素子の耐熱性を調べるために400
℃まで熱処理し、各熱処理後、室温で磁界を1kOe印加し
てTMR比を測定した。耐熱性の熱処理条件は、室温から
各設定温度まで3時間かけて上昇させた後、設定温度で3
0分間保持した後、室温まで温度下降させて行った。結
果を表3に示す。
After the element was manufactured, a heat treatment was carried out in a magnetic field in order to generate exchange coupling between the antiferromagnetic layer 14 and the pinned magnetic layer 12. The heat treatment condition is 3 k from room temperature to 280 ° C. with a magnetic field of 5 kOe applied in the longitudinal direction of the element parallel to the film surface.
After raising the temperature and holding at a temperature of 280 ° C for 10 hours,
The temperature was lowered to room temperature in 6 hours. Then, in order to investigate the TMR characteristics, the magnetic resistance was measured by the DC four-terminal method. In order to investigate the heat resistance of the TMR element created, 400
After heat treatment to ℃, after each heat treatment, a magnetic field of 1 kOe was applied at room temperature to measure the TMR ratio. Heat treatment conditions for heat resistance are 3 hours at the set temperature after increasing from room temperature to each set temperature over 3 hours.
After holding for 0 minutes, the temperature was lowered to room temperature. The results are shown in Table 3.

【0069】[0069]

【表3】 [Table 3]

【0070】このように本実施例のTMR素子は従来の素
子と比較してTMR特性の熱的安定性に非常に優れている
ことが分かる。
As described above, it can be seen that the TMR element of this example is very excellent in thermal stability of TMR characteristics as compared with the conventional element.

【0071】(実施例3)本発明の実施例3として、図
1に示したスピンバルブ型TMR素子の膜構造において、
トンネル絶縁層13と自由磁性層11との界面にもアモ
ルファス磁性層15’が形成された場合について説明す
る。試料は下記の手順に従って作成した。到達真空度が
1×10-8Torr以下の成膜チャンバー中において500nmの熱
酸化膜付きSi基板上にDCおよびRFマグネトロンスパッタ
法により基板面内に100Oeの磁界を印加してTMR膜を作製
した。まず基板上に下部電極としてTa(3nm)/Pt(100nm)/
Ta(3nm)/Ni-Fe(3nm)を積層した。その上に反強磁性層1
4のIr-Mn(20nm)、固定磁性層12のCo0.45-Fe0.45-Pt
0.1(3nm)、アモルファス磁性層15のFe-Ni-O(0.5nm)を
形成した。アモルファス磁性層15はFe0.6-Ni0.4(1nm)
を成膜した後に真空中でプラズマ酸化させることで作成
した。プラズマ酸化条件は酸素ガス圧が75%に流量調整
されたのAr+O2混合ガス(0.8mTorr)中で、ワンターン
コイルに150WのRF電力を投入することで酸素プラズマを
生成し、酸化時間30秒で行った。その上にトンネル絶縁
層13のAl-N(1nm)を作成した。トンネル絶縁層15の
括弧内の膜厚は窒化処理前のAlの設計膜厚を示してい
る。トンネル絶縁層15は真空に排気されたチャンバー
内に1mTorrのArガスと窒素ガスの混合ガスを窒素ガス圧
が全体の80%になるように流量調整して導入してワンタ
ーンコイルに100WのRF電力を投入することで窒素プラズ
マを生成し、Al層をプラズマ窒化することで形成した。
さらにこの上にアモルファス磁性層15’のFe-O(0.5n
m)を形成した。アモルファス磁性層15’はArガスと酸
素ガスの混合ガス中(Ar分圧:0.8mTorr、酸素ガス分
圧:0.1mTorr)でFeをスパッタする事で形成した。
Example 3 As Example 3 of the present invention, in the film structure of the spin valve type TMR element shown in FIG.
A case where the amorphous magnetic layer 15 ′ is formed also at the interface between the tunnel insulating layer 13 and the free magnetic layer 11 will be described. The sample was prepared according to the following procedure. Ultimate vacuum
A TMR film was prepared by applying a magnetic field of 100 Oe on the surface of a Si substrate with a thermal oxide film of 500 nm by DC and RF magnetron sputtering in a deposition chamber of 1 × 10 -8 Torr or less. First, Ta (3nm) / Pt (100nm) /
Ta (3 nm) / Ni-Fe (3 nm) was laminated. Antiferromagnetic layer 1 on it
4 of Ir-Mn (20 nm) and Co 0.45 -Fe 0.45 -Pt of pinned magnetic layer 12
0.1 (3 nm), Fe-Ni-O (0.5 nm) of the amorphous magnetic layer 15 was formed. Amorphous magnetic layer 15 is Fe 0.6 -Ni 0.4 (1 nm)
Was formed by performing plasma oxidation in vacuum after forming a film. The plasma oxidization conditions are as follows: In the Ar + O 2 mixed gas (0.8mTorr) where the oxygen gas pressure is adjusted to 75%, oxygen plasma is generated by applying 150W RF power to the one-turn coil, and the oxidization time 30 Went in seconds. Al-N (1 nm) of the tunnel insulating layer 13 was formed on it. The film thickness in the parentheses of the tunnel insulating layer 15 indicates the designed film thickness of Al before the nitriding treatment. The tunnel insulating layer 15 introduces a mixed gas of 1 mTorr of Ar gas and nitrogen gas into the chamber evacuated to a vacuum with the flow rate adjusted so that the nitrogen gas pressure is 80% of the whole, and 100 W RF power is supplied to the one-turn coil. Was generated to generate nitrogen plasma, and the Al layer was plasma-nitrided.
Furthermore, Fe-O (0.5n
m) was formed. The amorphous magnetic layer 15 'was formed by sputtering Fe in a mixed gas of Ar gas and oxygen gas (Ar partial pressure: 0.8 mTorr, oxygen gas partial pressure: 0.1 mTorr).

【0072】自由磁性層11としてFe0.5-Ni0.4-Pi
0.1(0.5nm)/Ni-Fe(3nm)、酸化保護層としてTa(15nm)/Pt
(10nm)を形成した。次にフォトリソグラフィー及びイオ
ンミリングを用いて図3に示したようなメサ型のスピン
バルブ型TMR素子を図4に示した製造工程を経て作成し
た。
Fe 0.5 -Ni 0.4 -Pi is used as the free magnetic layer 11.
0.1 (0.5 nm) / Ni-Fe (3 nm), Ta (15 nm) / Pt as an oxidation protection layer
(10 nm) was formed. Next, using photolithography and ion milling, a mesa-type spin-valve TMR element as shown in FIG. 3 was produced through the manufacturing process shown in FIG.

【0073】図4(f)の工程で上部電極部502とし
てTa(5nm) / Cu(500nm) / Pt(50nm)/ Ta(5nm)を形成し
た。TMR素子部のサイズは4μm×12μmとした。以上のよ
うに作成した本実施例の試料を実施例試料3とする。
In the step of FIG. 4F, Ta (5 nm) / Cu (500 nm) / Pt (50 nm) / Ta (5 nm) was formed as the upper electrode portion 502. The size of the TMR element part was 4 μm × 12 μm. The sample of this example created as described above is referred to as Example sample 3.

【0074】比較例として本実施例のTMR膜とほぼ同様
な膜構成ではあるが、アモルファス磁性層15と15’
のない、さらに固定磁性層12がCo-Fe(3nm)、自由磁性
層11がNi-Fe(5nm)から構成されるTMR素子を作成し
た。この比較例の試料を従来例試料Bとする。なお、TM
R膜成膜時に印加した磁界方向が素子の長手方向となる
ように素子加工した。
As a comparative example, the film structure is almost the same as that of the TMR film of this embodiment, but the amorphous magnetic layers 15 and 15 'are used.
Furthermore, a TMR element having no fixed magnetic layer 12 and composed of Co-Fe (3 nm) for the fixed magnetic layer 12 and Ni-Fe (5 nm) for the free magnetic layer 11 was prepared. The sample of this comparative example is referred to as a conventional sample B. Note that TM
The element was processed so that the direction of the magnetic field applied during the formation of the R film was the longitudinal direction of the element.

【0075】Ir-Mnは成膜時の磁界により一方向異方性
磁界を生じているため、スピンバルブ特性を示す。従っ
て、素子作成後、室温で磁気抵抗を測定した。その後、
5kOeの磁界をTMR素子の長手方向に印加して、素子の耐
熱性を調べた。熱処理における設定温度での保持時間は
1時間とした。表4に各熱処理温度後に室温で測定した
TMR比(上段)および自由磁性層12の保磁力(下段)
を示す。
Ir-Mn exhibits a spin valve characteristic because it produces a one-way anisotropic magnetic field due to the magnetic field during film formation. Therefore, the magnetic resistance was measured at room temperature after the device was manufactured. afterwards,
A magnetic field of 5 kOe was applied in the longitudinal direction of the TMR element to examine the heat resistance of the element. The holding time at the set temperature in the heat treatment was 1 hour. Table 4 shows the measurement at room temperature after each heat treatment temperature.
TMR ratio (upper) and coercive force of free magnetic layer 12 (lower)
Indicates.

【0076】[0076]

【表4】 [Table 4]

【0077】従来例試料Cでは熱処理温度の上昇ととも
にTMR比は増大し、300℃で最大値28%を得た。さらに熱
処理温度を上げるとTMR比は減少した。自由磁性層12
の軟磁気特性を示す保磁力は250℃の熱処理までは保磁
力は小さかったが、300℃以上の熱処理温度の上昇とと
もに保磁力は増大し、軟磁気特性の劣化が見られた。こ
の従来例が示すように、TMR比の最大と自由磁性層の良
好な保磁力を示す温度は異なっており、両者の優れた特
性を得ることができる温度は250℃程度であり、300℃以
上では全体的なTMR特性としては劣化してしまうという
結果であった。
In the sample C of the conventional example, the TMR ratio increased with an increase in the heat treatment temperature, and the maximum value of 28% was obtained at 300 ° C. When the heat treatment temperature was further increased, the TMR ratio decreased. Free magnetic layer 12
The coercive force showing the soft magnetic property was low until the heat treatment at 250 ℃, but the coercive force increased with the increase of the heat treatment temperature above 300 ℃, and the soft magnetic property was deteriorated. As this conventional example shows, the maximum TMR ratio and the temperature at which the free magnetic layer exhibits good coercive force are different, and the temperature at which the excellent characteristics of both can be obtained is about 250 ° C, 300 ° C or more. The result was that the overall TMR characteristics deteriorated.

【0078】一方、本実施例のTMR素子(実施例試料C)
では成膜時においてはTMR比、保磁力の特性は従来例試
料Cよりも悪いが、熱処理温度の上昇とともにTMR比は増
大し、300℃以上の熱処理を行ってもTMR比の減少はなく
非常に優れた安定性を示した。さらに保磁力は200℃の
熱処理を行うことにより小さくなり、それ以降の熱処理
温度を上げても軟磁気特性の劣化は見られなかった。従
って、本実施例のTMR素子は従来の素子と比較して、TMR
特性(TMR比および自由磁性層の軟磁気特性)の熱的安
定性に非常に優れていることが分かった。
On the other hand, the TMR element of this example (Example sample C)
Although the characteristics of TMR ratio and coercive force during film formation are worse than those of Conventional Sample C, the TMR ratio increases as the heat treatment temperature rises, and the TMR ratio does not decrease even after heat treatment at 300 ° C or higher. It showed excellent stability. Furthermore, the coercive force was reduced by heat treatment at 200 ° C, and no deterioration in soft magnetic properties was observed even if the heat treatment temperature was increased thereafter. Therefore, the TMR element of the present embodiment is
It was found that the thermal stability of the properties (TMR ratio and soft magnetic properties of the free magnetic layer) was very good.

【0079】(実施例4)実施例1で作製したTMR素子
を用いて磁気抵抗効果メモリ素子(MRAM)を作製した。
まず3000Åの熱酸化SiO2膜がついているSi基板上に図6
に示したCuよりなるワード線702を形成し、Al2O3絶
縁膜を成膜して形成した後、Cuからなるセンス線700
を作製した。ここでいったんCMPにより表面の平滑化を
行った後、TMR膜を作製した。本実施例1で作成したTMR
素子と同じ膜構成の膜を作成し、下記にその膜構成を示
す。なお括弧内の数値は膜厚を示し単位はnmである。下
記実施例試料4と従来例試料Dは実施例1で示したTMR膜
の作成法と同様にして行った。
Example 4 A magnetoresistive effect memory element (MRAM) was produced using the TMR element produced in Example 1.
First, see Fig. 6 on a Si substrate with 3000 Å thermally oxidized SiO2 film.
After forming the word line 702 made of Cu and forming an Al2O3 insulating film, the sense line 700 made of Cu is formed.
Was produced. Here, after the surface was once smoothed by CMP, a TMR film was prepared. TMR created in Example 1
A film having the same film structure as the device was formed, and the film structure is shown below. The numerical value in parentheses indicates the film thickness, and the unit is nm. The following example sample 4 and conventional example sample D were performed in the same manner as in the method of forming the TMR film shown in example 1.

【0080】実施例試料4:Pt-Mn(20)/ [Co-Fe]0.8-Pt
0.2(3nm)/ Fe-O(1nm)/Al-O(1.0)/Co-Fe(1)/Ni-Fe(3) 従来例試料D:Pt-Mn(20)/ Co-Fe(3nm)/Al-O(1.0)/Co-Fe
(1)/Ni-Fe(3) 上記2試料の保護層兼上部電極の一部としてTa(5nm)/Pt
(5nm)を形成した。まずこの段階で両試料とも5kOeの磁
界中熱処理を280℃で5時間実施した。次に実施例1で
示した方法でTMR素子を作製した。最後にTMR素子の上部
電極としてセンス線兼ワード線701を形成して図6に
示すスイッチ素子703のない単一メモリ素子を作製し
た。ワード線702とセンス線兼ワード線701に電流
を流して磁界を発生させてTMR素子の自由磁性層11
(本実施例において両試料ともCo-Fe(1nm)/Ni-Fe(3nm)
膜)の磁化方向を反転させて情報「0」を記録した。次
にワード線702とセンス線兼ワード線701に先ほど
とは逆方向に電流を流して磁界を発生させて自由磁性層
40の磁化反転を起こして情報「1」を記録した。セン
ス線700とセンス線兼ワード線701との間にバイア
ス電圧を印加してセンス電流を流して情報「0」と情報
「1」の状態の素子電圧を測定したところ、実施例試料
4と従来例試料Dを用いた磁気メモリ素子は同程度の出
力差が得られた。従って、このように作製した2つの磁
気メモリは自由磁性層11を情報記録層としてのメモリ
機能が有ることがわかった。
Example Sample 4: Pt-Mn (20) / [Co-Fe] 0.8 -Pt
0.2 (3nm) / Fe-O (1nm) / Al-O (1.0) / Co-Fe (1) / Ni-Fe (3) Conventional sample D: Pt-Mn (20) / Co-Fe (3nm) /Al-O(1.0)/Co-Fe
(1) / Ni-Fe (3) Ta (5nm) / Pt as a part of the protective layer and upper electrode of the above 2 samples
(5 nm) was formed. First, at this stage, both samples were heat-treated in a magnetic field of 5 kOe at 280 ° C. for 5 hours. Next, a TMR element was manufactured by the method shown in Example 1. Finally, a sense line / word line 701 was formed as an upper electrode of the TMR element to manufacture a single memory element without the switch element 703 shown in FIG. A free magnetic layer 11 of the TMR element is generated by applying a current to the word line 702 and the sense line / word line 701 to generate a magnetic field.
(In this example, both samples were Co-Fe (1 nm) / Ni-Fe (3 nm)
Information "0" was recorded by reversing the magnetization direction of the film). Next, an electric current was applied to the word line 702 and the sense line / word line 701 in the opposite direction to the above direction to generate a magnetic field to cause magnetization reversal of the free magnetic layer 40 and record information "1". A bias voltage was applied between the sense line 700 and the sense line / word line 701 to flow a sense current, and the element voltages in the state of information “0” and information “1” were measured. The output difference of the same degree was obtained in the magnetic memory element using the example sample D. Therefore, it was found that the two magnetic memories thus manufactured have a memory function with the free magnetic layer 11 as an information recording layer.

【0081】次にこれらのTMR素子をCMOS基板上に図6
に示すような基本構成のメモリ素子で集積メモリを作製
した。素子配列は、16×16素子のメモリを1ブロッ
クとし合計8ブロックとした。まずFETをスウィッチン
グトランジスター(SW-Tr)としてCMOSをマトリックス
上に配置し、CMPで表面を平坦化した後、上記実施例試
料4と従来例試料DのTMR素子をCMOSに対応してマトリッ
クス様に設けた。それぞれのサンプルの素子断面積は0.
1μm×0.2μmとした。また各ブロックの残りの1素子
は、配線抵抗や素子最低抵抗、FET抵抗をキャンセルす
るためのダミー素子とした。なお、ワード線及びビット
線などは全てCuを用いた。図5に示すような磁気ランダ
ムアクセスメモリを形成して、最後に400℃で水素シン
ター処理を行った。
Next, these TMR elements are mounted on a CMOS substrate as shown in FIG.
An integrated memory was manufactured with a memory device having a basic structure as shown in FIG. The device array has a total of 8 blocks, with 16 × 16 device memory as one block. First, the FET is used as a switching transistor (SW-Tr), the CMOS is arranged on the matrix, and the surface is flattened by CMP. Set up in. The element cross section of each sample is 0.
The size was 1 μm × 0.2 μm. The remaining one element in each block was a dummy element for canceling the wiring resistance, the element minimum resistance, and the FET resistance. Note that Cu was used for all the word lines and bit lines. A magnetic random access memory as shown in FIG. 5 was formed, and finally hydrogen sintering treatment was performed at 400 ° C.

【0082】ワード線とビット線の合成磁界により、8
つのブロックの、8素子にそれぞれの自由磁性層(この
場合はCo-Fe(1nm)/Ni-Fe(3nm)膜)の磁化反転を同時に
行い8ビットずつの信号を記録した。次にCMOSで作製さ
れたFETのゲートをそれぞれのブロックに付き1素子ず
つONし、センス電流を流した。このとき、各ブロック内
でのビット線、素子及びFETに発生する電圧と、ダミー
電圧をコンパレータにより比較し、それぞれの素子の出
力電圧から、同時に8ビットの情報を読みとった。その
結果、実施例試料4を用いたMRAMでは単一磁気メモリ素
子の場合と同様に素子出力が得られたが、従来例試料D
を用いたMRAMはほとんど全く出力が得られなかった。こ
れは本実施例のTMR素子は400℃での水素シンター処理に
耐えられるものの、従来素子は耐えられないことに起因
していると考えられる。
8 due to the combined magnetic field of the word line and the bit line
Magnetization reversal of each free magnetic layer (Co-Fe (1 nm) / Ni-Fe (3 nm) film in this case) was simultaneously performed on 8 elements of one block, and signals of 8 bits each were recorded. Next, the FET gate made of CMOS was turned on one by one for each block, and a sense current was passed. At this time, the voltage generated in the bit line, the element and the FET in each block was compared with the dummy voltage by the comparator, and 8-bit information was read simultaneously from the output voltage of each element. As a result, in the MRAM using the example sample 4, the element output was obtained as in the case of the single magnetic memory element.
The MRAM using was almost no output. It is considered that this is because the TMR element of this example can withstand the hydrogen sintering treatment at 400 ° C., but the conventional element cannot withstand it.

【0083】(実施例5)実施例2で用いた実施例試料
2と従来例試料Bと同じ膜構成のTMR素子を用いて、図
9に示すようなシールド型ヘッドを構成して、特性を評
価した。基板にはAl2O3-TiC基板を用い、上部記録用磁
極206、上部シールド203、下部シールド202に
はNi0.8Fe0.2合金をメッキで作製した。TMR素子部の上
下にCu、Pt、Taの積層膜で構成した電極部を配置し、Al
2O3で上下シールドと絶縁した。
(Embodiment 5) Using a TMR element having the same film structure as that of the embodiment sample 2 used in the embodiment 2 and the conventional sample B, a shield type head as shown in FIG. evaluated. An Al 2 O 3 —TiC substrate was used as a substrate, and a Ni 0.8 Fe 0.2 alloy was formed by plating on the upper recording magnetic pole 206, the upper shield 203, and the lower shield 202. The electrode part composed of a laminated film of Cu, Pt, and Ta is arranged above and below the TMR element part, and Al
Insulated from the upper and lower shields with 2 O 3 .

【0084】また、自由磁性層11の磁化容易方向が検
知すべき信号磁界方向と垂直になるように(トラック幅
方向)、固定磁性層12の磁化容易軸の方向が検知すべ
き信号磁界方向と平行になるように磁性膜に異方性を付
与した。この異方性の付与方法は、TMR膜を作成後、ま
ず、磁界中280℃で5kOeの磁界中で5時間熱処理して、
固定磁性層の容易方向を規定した後、更に、200℃で100
Oeの磁界中で1時間熱処理して、自由層の容易軸を規定
して行った。以上のようにして作成したシールド型磁気
ヘッドの再生ギャップ204を0.1μm、TMR素子のトラ
ック幅は0.5μm、MR高さも0.5μmとした。実施例2の
実施例試料2および従来例試料Bとそれぞれ同じ膜構成
を用いたシールド型磁気ヘッドをそれぞれ実施例試料
5、従来例試料Eとする。
The direction of the easy magnetization axis of the pinned magnetic layer 12 is set to the signal magnetic field direction to be detected so that the easy magnetization direction of the free magnetic layer 11 is perpendicular to the signal magnetic field direction to be detected (track width direction). Anisotropy was imparted to the magnetic film so as to be parallel. This anisotropy imparting method is as follows. First, after forming a TMR film, heat treatment is performed in a magnetic field of 280 ° C. in a magnetic field of 5 kOe for 5 hours.
After defining the easy direction of the pinned magnetic layer, further 100 at 200 ℃
Heat treatment was performed for 1 hour in a magnetic field of Oe, and the easy axis of the free layer was defined. The reproducing gap 204 of the shield type magnetic head produced as described above was 0.1 μm, the track width of the TMR element was 0.5 μm, and the MR height was 0.5 μm. The shield type magnetic heads having the same film configurations as those of the example sample 2 and the conventional example sample B of the second example are referred to as example sample 5 and conventional example sample E, respectively.

【0085】作製した磁気ヘッドの熱的安定性調べるた
めに170℃の恒温槽に入れて250mVの電圧を印加した状態
で20日間保持するという試験を実施した。この試験の前
と後の出力の比較をした。その結果、本発明の実施例試
料5の磁気ヘッドでは出力の低下が約2%以内であり非常
に安定した出力特性を示したのに対して、従来例試料E
の磁気ヘッドでは出力低下は約45%と非常に大きな出力
低下が見られた。従って本発明の磁気ヘッドは従来の磁
気ヘッドと比較して大きく熱的安定性が向上しており、
優れた耐久性を有することが分かった。
In order to examine the thermal stability of the manufactured magnetic head, a test was carried out in which the magnetic head was placed in a constant temperature bath at 170 ° C. and kept for 20 days with a voltage of 250 mV applied. The output before and after this test was compared. As a result, the magnetic head of Example Sample 5 of the present invention showed a very stable output characteristic with a decrease in output of about 2% or less, whereas the conventional sample E
The output of the magnetic head was about 45%, a very large output reduction. Therefore, the magnetic head of the present invention has greatly improved thermal stability as compared with the conventional magnetic head,
It was found to have excellent durability.

【0086】(実施例6)図10に示したヨーク構造の
磁気ヘッド(再生部)を作製した。ヨーク部302には
高透磁率のNi-Fe合金膜を用い、上部シールド部301
にはCuMoNiFe軟磁性膜を用いた。ヨーク部302のNi-F
e合金膜を形成後にCMP研磨した後、TMR膜を実施例1と
同様な手法で形成した。まず自由磁性層であるNi-Fe(5n
m)/Co-F(1nm)をヨーク部302上に成膜後、トンネル絶
縁層Al-O(0.6nm)形成した。Al-Oは実施例1と同様な手
法でAl膜を形成後、自然酸化させることで作成した。さ
らにアモルファス磁性層Co-Fe-O(0.5nm)形成した。Co-F
e-OはCo0.9-Fe0.1を0.5nm成膜後、200Torrの酸素雰囲気
中で20分間自然酸化することで作成した。その上に固定
磁性層としてCo-Fe-Pt(2nm)/Co-Fe(1nm)/Ru(0.8nm)/Co-
Fe(3nm)を成膜し、反強磁性層Pt-Mn(20nm)を成膜してTM
R膜を作成した。このTMR膜の保護層兼上部リード303
の一部としてTa/Pt膜を作成した後、TMR素子をフォト
リソグラフィーとイオンミリングにより実施例1と同様
な手法でTMR素子を形成して上部リード303としてCu
/Taを形成した。TMR素子部の素子サイズは1μm×2μm
とし、長手方向が図11の紙面に対して垂直方向となる
ようにした。その後TMR素子と上部シールド301との
電気的な短絡を防ぐためにSiO2絶縁層を形成した後上部
シールド301を作成して図10に示すようなヨーク型
磁気ヘッドを作成した。
Example 6 A magnetic head (reproducing section) having a yoke structure shown in FIG. 10 was produced. A high permeability Ni-Fe alloy film is used for the yoke portion 302, and the upper shield portion 301
A CuMoNiFe soft magnetic film was used for. Ni-F of the yoke part 302
After forming the e-alloy film and performing CMP polishing, a TMR film was formed in the same manner as in Example 1. First, the free magnetic layer Ni-Fe (5n
m) / Co-F (1 nm) was formed on the yoke portion 302, and then a tunnel insulating layer Al-O (0.6 nm) was formed. Al-O was formed by forming an Al film in the same manner as in Example 1 and then performing natural oxidation. Further, an amorphous magnetic layer Co-Fe-O (0.5 nm) was formed. Co-F
eO was prepared by forming a Co 0.9 -Fe 0.1 film with a thickness of 0.5 nm and then performing natural oxidation for 20 minutes in an oxygen atmosphere of 200 Torr. Co-Fe-Pt (2nm) / Co-Fe (1nm) / Ru (0.8nm) / Co-
Fe (3 nm) is deposited, antiferromagnetic layer Pt-Mn (20 nm) is deposited, and TM
An R film was created. This TMR film protective layer and upper lead 303
After forming the Ta / Pt film as a part of the TMR element, the TMR element was formed by photolithography and ion milling in the same manner as in Example 1 to form Cu as the upper lead 303.
/ Ta was formed. Element size of TMR element part is 1μm × 2μm
The longitudinal direction is set to be the direction perpendicular to the paper surface of FIG. After that, an SiO 2 insulating layer was formed in order to prevent an electrical short circuit between the TMR element and the upper shield 301, and then the upper shield 301 was prepared to prepare a yoke type magnetic head as shown in FIG.

【0087】このようにして本発明の一実施例であるTM
R素子を用いて作成された磁気ヘッドを実施例試料6と
する。なお、実施例試料6のTMR素子部の膜構成で、ア
モルファス磁性層(Co-Fe-O)がなく、さらに固定磁性
層がCo-Fe(3nm)/Ru(0.8nm)/Co-Fe(3nm)である従来のTMR
素子を用いて作成された磁気ヘッドを従来例試料Fとす
る。以上のように作成された実施例試料6と従来例試料
Fの磁気ヘッドの自由磁性層の磁化容易方向が検知すべ
き信号磁界方向と垂直になるように(図11において紙
面に垂直方向)、固定磁性層の磁化容易軸の方向が検知
すべき信号磁界方向と平行(図11に図示している2つ
のヨーク部301を結ぶ線に平行)になるように磁性膜
に異方性を付与した。この方法は、TMR素子を作成後、
まず、磁界中280℃で5kOeの磁界中で熱処理して、固定
磁性層の容易方向を規定した後、更に、200℃で500Oeの
磁界中で熱処理して、自由磁性層の容易軸を規定して行
った。
Thus, the TM which is an embodiment of the present invention
A magnetic head manufactured using the R element is referred to as Example Sample 6. In addition, in the film structure of the TMR element portion of Example Sample 6, there is no amorphous magnetic layer (Co-Fe-O), and the fixed magnetic layer is Co-Fe (3 nm) / Ru (0.8 nm) / Co-Fe ( 3nm) conventional TMR
A magnetic head manufactured by using the element is referred to as a conventional example sample F. Example sample 6 and conventional example sample prepared as described above
The direction of the easy magnetization axis of the fixed magnetic layer should be detected so that the easy magnetization direction of the free magnetic layer of the F magnetic head is perpendicular to the signal magnetic field direction to be detected (perpendicular to the paper surface in FIG. 11). Anisotropy was given to the magnetic film so as to be parallel to the direction (parallel to the line connecting the two yoke portions 301 shown in FIG. 11). This method, after creating the TMR element,
First, heat treatment is performed in a magnetic field of 280 ° C. in a magnetic field of 5 kOe to define the easy direction of the pinned magnetic layer, and then heat treatment is performed in a magnetic field of 500 Oe at 200 ° C. to specify the easy axis of the free magnetic layer. I went.

【0088】上記のようにして作成したヨーク型ヘッド
の磁気抵抗効果素子のトラック幅は1μm、MR高さは2μ
mとした。作製したヘッドの熱安定性を調べるために16
0℃の恒温槽に入れて200mVの電圧を印加した状態で50日
間保持するという試験を実施した。この試験の前と後の
出力の比較をした。その結果、本発明の実施例試料a0
3、b03、b05を用いたヘッドでは出力の低下は1%以内で
あり非常に安定した出力特性を示したのに対して、従来
例試料a01を用いたヘッドの出力低下は約50%と非常に大
きな出力低下が見られた。従って本実施例の磁気ヘッド
は従来の磁気ヘッドと比較して熱的安定性に優れ、再生
感度が非常に良いことが分かった。
The track width of the magnetoresistive effect element of the yoke type head produced as described above is 1 μm, and the MR height is 2 μm.
m. To investigate the thermal stability of the manufactured head, 16
A test was conducted in which the sample was placed in a constant temperature bath at 0 ° C. and kept for 50 days with a voltage of 200 mV applied. The output before and after this test was compared. As a result, the inventive sample a0
In the heads using 3, b03, and b05, the output drop was within 1% and showed very stable output characteristics, while the output drop of the head using the conventional sample a01 was about 50%. There was a big decrease in output. Therefore, it was found that the magnetic head of the present embodiment has excellent thermal stability and very good reproduction sensitivity as compared with the conventional magnetic head.

【0089】[0089]

【発明の効果】以上のように本発明のトンネル磁気抵抗
効果素子は熱的安定性の課題を改善し、400℃の熱処理
に対しても安定したTMR特性を有する。本発明のトンネ
ル磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、磁気記録装
置、及び磁気メモリー素子を提供することが可能とな
る。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention solves the problem of thermal stability and has stable TMR characteristics even with heat treatment at 400 ° C. It is possible to provide a magnetic head, a magnetic recording device, and a magnetic memory element using the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示
す図
FIG. 1 is a diagram showing an example of a tunnel magnetoresistive effect element of the present invention.

【図2】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示
す図
FIG. 2 is a diagram showing an example of a tunnel magnetoresistive effect element of the present invention.

【図3】膜の上下に電極を配置した本発明の一実施例で
あるトンネル磁気抵抗効果素子の断面の模式図
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a tunnel magnetoresistive element which is an embodiment of the present invention in which electrodes are arranged above and below the film.

【図4】本発明の一実施例であるトンネル磁気抵抗効果
素子の加工工程を説明する概略図
FIG. 4 is a schematic view illustrating a process of manufacturing a tunnel magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の磁気メモリ素子の一例を示す図FIG. 5 is a diagram showing an example of a magnetic memory element of the present invention.

【図6】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁
気メモリ素子の書き込み動作と読み込み動作の一基本例
の図
FIG. 6 is a diagram showing a basic example of a write operation and a read operation of a magnetic memory element using the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention.

【図7】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁
気メモリ素子の書き込み動作と読み込み動作の一基本例
の図
FIG. 7 is a diagram showing a basic example of a write operation and a read operation of a magnetic memory element using the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention.

【図8】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁
気メモリ素子の書き込み動作と読み込み動作の一基本例
の図
FIG. 8 is a diagram of a basic example of a write operation and a read operation of a magnetic memory element using the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention.

【図9】本発明のシールドを有する磁気ヘッドの一例を
示す図
FIG. 9 is a diagram showing an example of a magnetic head having a shield of the present invention.

【図10】本発明のヨークを有する磁気ヘッドの一例を
示す図
FIG. 10 is a diagram showing an example of a magnetic head having a yoke of the present invention.

【図11】本発明の磁気記録装置の一例を示す図FIG. 11 is a diagram showing an example of a magnetic recording apparatus of the present invention.

【図12】本発明の磁気記録装置の一例の回転ドラム装
置の一形態の斜視図
FIG. 12 is a perspective view of a form of a rotary drum device as an example of the magnetic recording device of the present invention.

【図13】本発明の磁気記録装置の一例における走行系
の概略図を示す図
FIG. 13 is a diagram showing a schematic view of a traveling system in an example of the magnetic recording apparatus of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 TMR素子 11 自由磁性層 12 固定磁性層 13 トンネル絶縁層 14 反強磁性層 15 アモルファス磁性層 21 交換結合用非磁性層 22 磁性膜 23 磁性膜 10 TMR element 11 Free magnetic layer 12 Fixed magnetic layer 13 Tunnel insulation layer 14 Antiferromagnetic layer 15 Amorphous magnetic layer 21 Non-magnetic layer for exchange coupling 22 Magnetic film 23 Magnetic film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22C 38/00 303 C22C 38/00 303S 45/02 45/02 A 45/04 45/04 B G11B 5/39 G11B 5/39 G11C 11/15 112 G11C 11/15 112 H01F 10/13 H01F 10/13 10/16 10/16 10/32 10/32 H01L 27/105 H01L 27/10 447 (72)発明者 松川 望 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 川島 良男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 森永 泰規 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5D034 BA02 BA03 BA04 BA05 CA02 CA08 5E049 AA01 AA04 AA07 AC01 BA12 BA16 5F083 FZ10 GA30 JA05 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 PR01 PR04 PR40 ZA28 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C22C 38/00 303 C22C 38/00 303S 45/02 45/02 A 45/04 45/04 B G11B 5 / 39 G11B 5/39 G11C 11/15 112 G11C 11/15 112 H01F 10/13 H01F 10/13 10/16 10/16 10/32 10/32 H01L 27/105 H01L 27/10 447 (72) Inventor Matsukawa No. 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Matsuda Denki Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Yoshio Kawashima 1006 Kadoma, Kadoma City Osaka Prefecture, Matsuda Denki Sangyo Co., Ltd. Address F term in Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (reference) 5D034 BA02 BA03 BA04 BA05 CA02 CA08 5E049 AA01 AA04 AA07 AC01 BA12 BA16 5F083 FZ10 GA30 JA05 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 PR01 PR04 PR40 ZA28

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外部磁界により磁化回転が可能な自由磁
性層と、外部磁界により磁化回転可能であって前記自由
磁性層よりも磁化回転が困難な固定磁性層と、前記自由
磁性層と前記固定磁性層との間に配されたトンネル絶縁
層とを具備するトンネル磁気抵抗効果素子において、 前記自由磁性層と前記トンネル絶縁層との間、前記固定
磁性層と前記トンネル絶縁層との間、の少なくとも一方
にアモルファス磁性層が配され、 前記自由磁性層の前記アモルファス磁性層側の一部、も
しくは前記固定磁性層の前記アモルファス磁性層側の一
部が、Fe、Co、Niおよびこれらの合金を主成分とし、さ
らにRu、Rh、Pd、Ir、Pt、Auから選ばれる少なくとも1
種の元素を含むことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果
素子。
1. A free magnetic layer whose magnetization can be rotated by an external magnetic field, a pinned magnetic layer which can be magnetized by an external magnetic field and is harder to rotate than the free magnetic layer, the free magnetic layer and the pinned layer. In a tunnel magnetoresistive effect element comprising a tunnel insulating layer arranged between a magnetic layer and, between the free magnetic layer and the tunnel insulating layer, between the fixed magnetic layer and the tunnel insulating layer, An amorphous magnetic layer is disposed on at least one side, a part of the amorphous magnetic layer side of the free magnetic layer, or a part of the amorphous magnetic layer side of the fixed magnetic layer, Fe, Co, Ni and alloys thereof. At least 1 selected from Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, and Au as the main component
A tunnel magnetoresistive effect element comprising a seed element.
【請求項2】 トンネル絶縁層がAlの酸化物、窒化物も
しくは酸窒化物の少なくとも1つから選ばれることを特
徴とする請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
2. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein the tunnel insulating layer is selected from at least one of Al oxide, nitride and oxynitride.
【請求項3】 アモルファス磁性層がFe、Co、Niから選
ばれる少なくとも1種を含む酸化物もしくは窒化物もし
くは酸窒化物からなることを特徴とする請求項1または
2に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
3. The tunnel magnetoresistive effect according to claim 1 or 2, wherein the amorphous magnetic layer is made of an oxide, a nitride or an oxynitride containing at least one selected from Fe, Co and Ni. element.
【請求項4】 アモルファス磁性層がFe、Co、Niから選
ばれる少なくとも1種を含み、さらにRu、Rh、Pd、Ir、
Pt、Auから選ばれる少なくとも1種の元素を含む酸化物
もしくは窒化物もしくは酸窒化物からなることを特徴と
する請求項1または2に記載のトンネル磁気抵抗効果素
子。
4. The amorphous magnetic layer contains at least one selected from Fe, Co and Ni, and further includes Ru, Rh, Pd, Ir,
The tunnel magnetoresistive effect element according to claim 1 or 2, which is made of an oxide, a nitride, or an oxynitride containing at least one element selected from Pt and Au.
【請求項5】 アモルファス磁性層の膜厚が0.5nm以上2
nm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれ
かに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
5. The thickness of the amorphous magnetic layer is 0.5 nm or more 2
The tunnel magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the tunnel magnetoresistive effect element has a thickness of not more than nm.
【請求項6】 固定磁性層の前記トンネル絶縁層とは反
対側の界面にA-Mn系(ここでAはPt、Pd、Ir、Fe、Ru、R
hから選ばれるいずれか1種の元素)反強磁性層が接し
ており、前記固定磁性層の磁化方向が固定されているこ
とを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のトン
ネル磁気抵抗効果素子。
6. An A-Mn system (where A is Pt, Pd, Ir, Fe, Ru, R) at the interface of the pinned magnetic layer opposite to the tunnel insulating layer.
The tunnel magnetic according to any one of claims 1 to 5, wherein any one element selected from h) is in contact with the antiferromagnetic layer, and the magnetization direction of the pinned magnetic layer is fixed. Resistance effect element.
【請求項7】 磁気記録媒体からの信号磁界を検知する
トンネル磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む
2つのシールド部と、前記2つのシールド部の間のギャ
ップ内に設けられる請求項1〜6のいずれかに記載のト
ンネル磁気抵抗効果素子とを備えたトンネル磁気抵抗効
果型ヘッド。
7. A tunnel magnetoresistive head for detecting a signal magnetic field from a magnetic recording medium, the head being provided in two shield portions containing a magnetic material, and in a gap between the two shield portions. 7. A tunnel magnetoresistive head including the tunnel magnetoresistive element according to any one of 1 to 6.
【請求項8】 磁気記録媒体からの信号磁界を検知する
トンネル磁気抵抗効果型ヘッドであって、磁性体を含む
磁束ガイド部と、前記磁束ガイド部により導かれた信号
磁界を検知する請求項1〜6のいずれかに記載のトンネ
ル磁気抵抗効果素子とを備えたトンネル磁気抵抗効果型
ヘッド。
8. A tunnel magnetoresistive head for detecting a signal magnetic field from a magnetic recording medium, wherein a magnetic flux guide portion including a magnetic material and a signal magnetic field guided by the magnetic flux guide portion are detected. 7. A tunnel magnetoresistive effect head comprising the tunnel magnetoresistive effect element according to any one of items 1 to 6.
【請求項9】 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を走
査する磁気ヘッドとを備えた磁気記録装置において、請
求項8または9に記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッド
を備えたことを特徴とする磁気記録装置。
9. A magnetic recording device comprising a magnetic recording medium and a magnetic head for scanning the magnetic recording medium, wherein the tunnel magnetoresistive head according to claim 8 is provided. Magnetic recording device.
【請求項10】 請求項1〜6のいずれかに記載のトン
ネル磁気抵抗効果素子と、前記自由磁性層の磁化反転を
生じさせるために磁界を発生する情報記録用導体線(ワ
−ド線部)部と、前記トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗
変化を検知するための情報読出用導体線(センス線)部
とを備えたトンネル磁気抵抗効果メモリー素子。
10. The tunnel magnetoresistive effect element according to claim 1, and an information recording conductor line (word line portion) for generating a magnetic field for causing magnetization reversal of the free magnetic layer. ) Portion and an information reading conductor line (sense line) portion for detecting a resistance change of the tunnel magnetoresistive effect element.
【請求項11】 請求項10に記載のトンネル磁気抵抗
効果メモリー素子をマトリックス状に配列して構成され
るメモリー素子。
11. A memory device configured by arranging the tunnel magnetoresistive effect memory devices according to claim 10 in a matrix.
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