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JP2009076778A - 磁気抵抗効果素子および磁気抵抗デバイス - Google Patents

磁気抵抗効果素子および磁気抵抗デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】面直方向の抵抗値を低下させることが可能な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、バリア層の性能低下を防止して、高品質の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気抵抗デバイスを提供する。
【解決手段】本本発明に係る磁気抵抗効果素子は、フリー層と、磁化固定層と、該フリー層と該磁化固定層との間にバリア層とを備える磁気抵抗効果素子であって、該バリア層が半導体からなる。より具体的には、バリア層がＭｇＯを基材とし、不純物が微量添加された半導体として構成される。また、本発明に係る磁気抵抗デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を用いて構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気抵抗デバイスに関し、さらに詳細には、バリア層が半導体からなる磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気抵抗デバイスに関する。
バリア層を備える磁気抵抗効果素子の一例として、ＴＭＲ素子が挙げられる。
ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：トンネル磁気抵抗効果）については、１９７５年の最初の報告がなされ、その後、１９９５年にバリア層に酸化アルミニウム（ＡｌＯ）を用いた接合膜が室温において１０％以上の非常に大きなＭＲ比が得られることが報告されて以来、ハードディスクドライブ用次世代磁気ヘッドおよびＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等への応用に向けた研究開発が加速した。
さらに、２００４年に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をバリア層に用いたトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜において１００〜２００％の非常に高い磁気抵抗効果が得られることが示されて以来（非特許文献１、２参照）、将来的にハードディスクドライブ用磁気ヘッドの再生出力を高めていく上での最も有望な技術であると期待され、ＭＲＡＭへの応用と共に、その研究開発が進行している。
Ｓ．Ｙｕａｓａ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔ．Ｍａｔｅｒ．３（２００４）８６８ Ｓ．Ｓ．Ｐ．Ｐａｒｋｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔ．Ｍａｔｅｒ．３（２００４）８６２
特に、ハードディスクドライブ用磁気ヘッドに関しては、さらなる記録密度の増加に対応すべく、高い再生感度の実現が要請されている。そのためには、当該磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果素子の面直方向の抵抗値（ＲＡ値）を低下させる必要がある。その一つの手法として、ＭｇＯを用いて構成されるバリア層の層厚を０．１ｎｍオーダの厚さで制御して薄層化を図ることによって、低いＲＡ値を実現することが試みられている。
しかしながら、バリア層であるＭｇＯ層を薄層化していくとピンホール等の欠陥が発生し易くなり、その結果、素子破壊を引き起こす原因となるブレイクダウン電圧低下等の発生率が高まってしまうという課題が生じていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされ、面直方向の抵抗値を低下させることが可能な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、バリア層の性能低下を防止して、高品質の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気抵抗デバイスを提供することを目的とする。
本発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
この磁気抵抗効果素子は、フリー層と、磁化固定層と、該フリー層と該磁化固定層との間にバリア層とを備える磁気抵抗効果素子であって、該バリア層が半導体からなることを特徴とする。
また、該バリア層がＭｇＯを基材とし、不純物が微量添加された半導体として構成されることを特徴とする。例えば、不純物（ドナー）が微量添加されたｎ型半導体として構成される。
また、下部シールド層と、該下部シールド層上に形成された反強磁性下地層と、該反強磁性下地層上に形成された反強磁性層と、該反強磁性層上に形成された磁化固定層と、該磁化固定層上に形成された前記バリア層と、該バリア層上に形成されたフリー層と、該フリー層上に形成されたキャップ層と、該キャップ層上に形成された上部シールド層とを備えることを特徴とする。
ここで、前記磁化固定層が、前記反強磁性層上に形成された第一の磁化固定層と、該第一の磁化固定層上に形成された反強磁性結合層と、該反強磁性結合層上に形成された第二の磁化固定層とからなることが好適である。
また、下部シールド層と、該下部シールド層上に形成されたフリー層と、該フリー層上に形成された前記バリア層と、該バリア層上に形成された磁化固定層と、該磁化固定層上に形成された反強磁性層と、該反強磁性層上に形成されたキャップ層と、該キャップ層上に形成された上部シールド層とを備えることを特徴とする。
ここで、前記磁化固定層が、前記バリア層上に形成された第二の磁化固定層と、該第二の磁化固定層上に形成された反強磁性結合層と、該反強磁性結合層上に形成された第一の磁化固定層とからなることが好適である。
なお、前記不純物として、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐのいずれか一つが用いられることが好適である。
この磁気抵抗デバイスは、前記の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする。例えば、媒体に記録された情報を読み取るための、上記の磁気抵抗効果素子を備えたヘッドスライダと、前記ヘッドスライダを支持するサスペンションと、前記サスペンションの端部を固定し、回動自在なアクチュエータアームと、前記サスペンション及び前記アクチュエータアーム上の絶縁された導電線を通じて、前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続され、媒体に記録された情報を読み取るための電気信号を検出する回路とを有する記憶装置として構成することが好適である。
請求項１によれば、バリア層が半導体であることによって、該バリア層のバリアハイトを小さくすることが可能となる。それにより、バリア幅を一定としたまま、すなわちバリア層を薄層化させることなく、磁気抵抗効果素子の面直方向の抵抗値（ＲＡ値）を低くすることが可能となる。その結果、従来の課題であったピンホールの発生およびそれに起因するブレイクダウン電圧の低下を防止することが可能となる。
請求項２によれば、バリア層は、ＭｇＯを基材とし、不純物が微量添加された半導体として構成されることが好適である。ＭｇＯを基材としてバリア層を構成することによって、高い磁気抵抗変化率が維持されるため、高密度記録化に対して非常に有利であることに加え、当該バリア層を半導体として構成することによって、前述の高密度記録化に際しての一つの課題であった抵抗値（ＲＡ値）の低下を実現することが可能な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、バリア層の性能低下を防止して、高品質の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気抵抗デバイスを提供することが可能となる。
特に、請求項３に記載の通り、当該バリア層をｎ型半導体として構成することが好適である。
請求項４および請求項６に記載する膜構成を備える磁気抵抗効果素子として形成することが好適である。それによって、素子の面直方向の抵抗値（ＲＡ値）を低下させた高品質の磁気抵抗効果素子を提供することが可能となる。
請求項５および請求項７によれば、磁化固定層（第二の磁化固定層）の磁化方向をより強く固定することが可能となる。
請求項８によれば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ等の元素のいずれか一つを不純物（ドナー）として微量添加することによって、絶縁体であるＭｇＯをｎ型半導体とすることが可能となる。
請求項９によれば、前記バリア層を備える磁気抵抗効果素子を用いることによって、バリア層の性能を低下させることなく、非常に高い磁気抵抗効果が得られるため、記録密度の増加に対応した高い再生感度の実現が可能な磁気ヘッドや、記憶特性を向上させたＭＲＡＭ等、高品質の磁気抵抗デバイスを提供することが可能となる。
特に、請求項１０に記載の通り、当該磁気ヘッドを備える記憶装置として構成することが好適である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳しく説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。また、図２は、本発明の第二の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。また、図３は、本発明の第三の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。また、図４は、本発明の第四の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。また、図５は、本発明の第五の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。また、図６は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の作用効果を説明するための説明図である。また、図７は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗デバイスの例を示す概略図である。
以下、本発明に係る磁気抵抗効果素子の実施の形態について、ＴＭＲ素子を例に挙げて説明する（第一の実施の形態）。
ＴＭＲ素子の膜構成としては、種々の構成を採用することができる。一例として、図１に示すように、下部シールド層１０、反強磁性下地層１２、反強磁性層１３、磁化固定層１４、バリア層２０、フリー層１７、キャップ層１８、上部シールド層１９の順に積層して構成される。
下部シールド層１０は、軟磁性材であるＮｉＦｅが用いられ、めっき法もしくはスパッタリング法によって成膜される。この下部シールド層１０は、ＴＭＲ素子の電極を兼用するものである。なお、以下に述べる各層の成膜方法は、特記しない限り、いずれもスパッタリング法によるものである。ただし、その方法に限定されるものではない。
反強磁性下地層１２は、Ｍｎ系反強磁性材からなる反強磁性層１３の下地層となるもので、Ｔａ/Ｒｕの２層膜が用いられる。
反強磁性層１３は、ＩｒＭｎによって８ｎｍ程度の厚さに成膜される。なお、反強磁性層１３は、交換結合作用により磁化固定層１４の磁化方向を固定する作用を生じる。
磁化固定層１４には、ＣｏＦｅあるいはＣｏＦｅＢといった強磁性材が用いられ、４ｎｍ程度の厚さに成膜される。
フリー層１７には、ＣｏＦｅ/ＮｉＦｅの２層膜が用いられる。フリー層１７は、媒体からの磁化信号によっての磁化方向が変化し、そのときの磁化固定層１４の磁化方向との相対角度が変化することによる抵抗変化を読み取ることによって記録信号を読み出す作用を生じる。
キャップ層１８は、保護層として設けられるもので、Ｔａ/Ｒｕの２層膜が用いられる。
上部シールド層１９には、下部シールド層１０と同様にＮｉＦｅ等の軟磁性材が用いられる。この上部シールド層１９は、ＴＭＲ素子の電極を兼用するものである。
磁化固定層１４とフリー層１７との間にバリア層２０が設けられる。バリア層２０は、一般的にはアルミナ、ＭｇＯが用いられる。バリア層２０は、トンネル効果によってセンス電流を通流させるものであり、１ｎｍ程度の極めて薄厚に形成される。
ここで、本発明に係る磁気抵抗効果素子における特徴的な構成として、バリア層２０が半導体により構成される。一例として、バリア層２０は、ＭｇＯを基材とし、不純物（ドナー）が微量添加されたｎ型半導体として構成される。例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ等の元素がドナーとして好適である。それらの元素のいずれか一つがドナーとして微量添加されることによって、絶縁体であるＭｇＯがｎ型半導体となる。
ここで、磁気抵抗効果素子の面直方向の抵抗値であるＲＡ値は、下記の数式１のＲで表される。
Figure 2009076778
したがって、数式１および図６によって説明されるように、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、バリア層２０であるＭｇＯ層がｎ型半導体として構成されることによって、当該ＭｇＯ層のバリアハイトΦを小さくすることが可能となる。それにより、バリア幅Ｗを一定としたまま、すなわちＭｇＯ層を薄層化させることなく、磁気抵抗効果素子の抵抗値（ＲＡ値）を低くすることが可能となる。その結果、従来のＲＡ値低下手段であったバリア層の薄層化において課題となっていたピンホールの発生およびそれに起因するブレイクダウン電圧の低下を防止することが可能となる。
このように、バリア層がＭｇＯにより構成されて、高い磁気抵抗変化率が維持されるため、高密度記録化に対して非常に有利であることに加えて、当該バリア層を半導体として構成することで、前述の高密度記録化に際しての一つの課題であった抵抗値（ＲＡ値）の低下を実現可能な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、バリア層の性能低下を防止して、高品質の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気抵抗デバイスの提供が可能となる。
なお、ｎ型半導体により説明を行ったが、ｐ型半導体を用いることによっても、上記同様の効果を奏し得る。
次に、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第二の実施の形態について説明する。
図２に示すように、前記第一の実施の形態における磁化固定層１４が、反強磁性結合層１５を介して第一の磁化固定層１４ａと第二の磁化固定層１４ｂを積層する構成を備える。それによって、磁化固定層（第二の磁化固定層１４ｂ）の磁化方向をより強く固定する作用効果を奏する。すなわち、磁気抵抗効果膜では、磁化固定層とフリー層の磁化の方向の相対角度が変化することによって抵抗値が変化することを検知するため、磁化固定層の磁化方向が完全に固定されていることは大きな効果を奏するものである。
一例として、第一の磁化固定層１４ａおよび第二の磁化固定層１４ｂには、ＣｏＦｅあるいはＣｏＦｅＢといった強磁性材が用いられ、反強磁性結合層１５にはＲｕが用いられる。なお、第二の磁化固定層１４ｂの磁化方向は第一の磁化固定層１４ａの磁化方向と逆向きとなる。
次に、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第三の実施の形態について説明する。
図３に示すように、基本的な膜構成は、前記第二の実施の形態と同様であるが、相違点として、Ｍｎ系反強磁性材料が用いられた反強磁性層１３と第一の磁化固定層１４ａとの界面にＭｎ層２２を挿入した構成となっている。それによって、磁化固定層の磁化方向を固定する作用を増強することが可能となる。
次に、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第四の実施の形態について説明する。
図４に示すように、下部シールド層１０、フリー層１７、バリア層２０、磁化固定層１４、反強磁性層１３、キャップ層１８、上部シールド層１９の順に積層して構成される。なお、各層の材質および成膜方法については、前記第一の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
次に、本発明に係る磁気抵抗効果素子の第五の実施の形態について説明する。
図５に示すように、前記第四の実施の形態における磁化固定層１４が、反強磁性結合層１５を介して第二の磁化固定層１４ｂと第一の磁化固定層１４ａを積層する構成を備える。それにより、磁化固定層（第二の磁化固定層１４ｂ）の磁化方向をより強く固定する作用効果を奏する。一例として、第一の磁化固定層１４ａおよび第二の磁化固定層１４ｂには、ＣｏＦｅあるいはＣｏＦｅＢといった強磁性材が用いられ、反強磁性結合層１５にはＲｕが用いられる。なお、第二の磁化固定層１４ｂの磁化方向は第一の磁化固定層１４ａの磁化方向と逆向きとなる。
続いて、本発明に係る磁気抵抗デバイスの実施の形態について、上記磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを例に挙げて説明する。
前述した構成を備える磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッドのリードヘッドに組み込むことによって高品質の磁気ヘッドとして提供される。ここで、図７に上記磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドの構成例を示す。磁気ヘッド５０は、リードヘッド３０とライトヘッド４０とから構成され、リードヘッド３０は前述した下部シールド層１０と上部シールド層１９との間に磁気抵抗効果膜（反強磁性層１３、第一の磁化固定層１４ａ、第二の磁化固定層１４ｂおよびフリー層１７等の各層）からなる磁気抵抗効果素子（リード素子）２４が形成されている。また、ライトヘッド４０にはライトギャップ４１を挟む配置に下部磁極４２と上部磁極４３とが設けられ、書き込み用のコイル４４が設けられる。
この磁気ヘッド５０は、磁気記録媒体（磁気記録ディスク）との間で情報を記録し、情報を再生するヘッドスライダに組み込まれる。さらに、ヘッドスライダはサスペンションに搭載され、該サスペンションの端部を固定し、回動自在なアクチュエータアームと、該サスペンション及び該アクチュエータアーム上の絶縁された導電線を通じて、前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続され、磁気記録ディスクに記録された情報を読み取るための電気信号を検出する回路とを有する記憶装置として構成される。その作用として、磁気記録ディスクが回転駆動されることにより、ヘッドスライダがディスク面から浮上し、磁気記録ディスクとの間で情報を記録し、情報を再生する操作がなされる。
このように、バリア層にＭｇＯを用いる磁気抵抗効果素子を用いることによって、非常に高い磁気抵抗効果が得られるため、再生出力を高めることが可能となる。すなわち、記録密度の増加に対応した高い再生感度の実現が可能な磁気ヘッドが提供される。
また、本発明に係る磁気抵抗デバイスの他の実施の形態として、ＴＭＲ素子を利用したメモリ素子であるＭＲＡＭへの利用が考えられる。ＭＲＡＭは、バリア層を挟む配置に磁化固定層とフリー層を設けたもので、外部から作用させた磁界によってフリー層の磁化の向きが変化した状態をメモリとして記憶するものである。この場合も、本発明に係る磁気抵抗効果素子を利用することで、メモリ素子としての記憶特性を向上させることが可能となる。
以上、本発明によれば、素子における面直方向の抵抗値（ＲＡ値）を低下させることによって、記録密度の増加に対応した高い再生感度の実現が可能な磁気抵抗効果素子が提供される。また、当該ＲＡ値を低下させるためにバリア層であるＭｇＯ層の薄層化手段を用いることなく、ピンホール等の欠陥発生によるバリア層の性能低下を防止して、素子破壊を引き起こす原因となるブレイクダウン電圧低下等を防止することが可能な磁気抵抗効果素子が提供される。さらに、磁気抵抗効果素子の品質向上を図ることによって、それを用いた高品質の磁気抵抗デバイスの提供が可能となる。
本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。 本発明の第二の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。 本発明の第三の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。 本発明の第四の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。 本発明の第五の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の作用効果を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る磁気抵抗デバイスの例を示す概略図である。
符号の説明
１０ 下部シールド層
１２ 反強磁性下地層
１３ 反強磁性層
１４ 磁化固定層
１４ａ 第一の磁化固定層
１４ｂ 第二の磁化固定層
１５ 反強磁性結合層
１７ フリー層
１８ キャップ層
１９ 上部シールド層
２０ バリア層
２２ Ｍｎ層
２４ リード素子
３０ リードヘッド
４０ ライトヘッド
５０ 磁気ヘッド

Claims (10)

  1. フリー層と、磁化固定層と、該フリー層と該磁化固定層との間にバリア層とを備える磁気抵抗効果素子であって、
    該バリア層が半導体からなること
    を特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. フリー層と、磁化固定層と、該フリー層と該磁化固定層との間にバリア層とを備える磁気抵抗効果素子であって、
    該バリア層がＭｇＯを基材とし、
    不純物が微量添加された半導体として構成されること
    を特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 前記半導体がｎ型半導体であること
    を特徴とする請求項１または請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 下部シールド層と、
    該下部シールド層上に形成された反強磁性下地層と、
    該反強磁性下地層上に形成された反強磁性層と、
    該反強磁性層上に形成された磁化固定層と、
    該磁化固定層上に形成された前記バリア層と、
    該バリア層上に形成されたフリー層と、
    該フリー層上に形成されたキャップ層と、
    該キャップ層上に形成された上部シールド層とを備えること
    を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記磁化固定層が、
    前記反強磁性層上に形成された第一の磁化固定層と、
    該第一の磁化固定層上に形成された反強磁性結合層と、
    該反強磁性結合層上に形成された第二の磁化固定層とからなること
    を特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 下部シールド層と、
    該下部シールド層上に形成されたフリー層と、
    該フリー層上に形成された前記バリア層と、
    該バリア層上に形成された磁化固定層と、
    該磁化固定層上に形成された反強磁性層と、
    該反強磁性層上に形成されたキャップ層と、
    該キャップ層上に形成された上部シールド層とを備えること
    を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記磁化固定層が、
    前記バリア層上に形成された第二の磁化固定層と、
    該第二の磁化固定層上に形成された反強磁性結合層と、
    該反強磁性結合層上に形成された第一の磁化固定層とからなること
    を特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記不純物として、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐのいずれか一つが用いられること
    を特徴とする請求項２〜７のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を備える磁気抵抗デバイス。
  10. 媒体に記録された情報を読み取るための、請求項１〜８のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を備えたヘッドスライダと、
    前記ヘッドスライダを支持するサスペンションと、
    前記サスペンションの端部を固定し、回動自在なアクチュエータアームと、
    前記サスペンション及び前記アクチュエータアーム上の絶縁された導電線を通じて、前記磁気抵抗効果素子に電気的に接続され、媒体に記録された情報を読み取るための電気信号を検出する回路とを有する記憶装置。
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