專利名稱：磁電阻效應元件、磁頭以及信息存儲裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在基板上按順序層疊有基底層、反鐵磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵 磁層的磁電阻效應元件、具有該磁電阻效應元件的磁頭以及具有該磁頭的信息存儲裝置。
背景技術：
近年來伴隨計算機技術的發(fā)展，與內置于計算機的設備、從外部連接到計算機的 周邊設備有關的技術也急速發(fā)展。在這樣的技術中以硬盤裝置(HDD)為代表的信息存儲裝 置和存儲信息的存儲介質(存儲再現(xiàn)介質)的開發(fā)尤其盛行，市場上涌現(xiàn)各種類型的信息 存儲裝置和存儲介質。作為存儲信息的方式，以往已知有根據利用1個磁化的磁化方向(與 既定方向平行或反平行)表示1位的信息的規(guī)則，通過多個磁化的磁化方向的組合來存儲 信息的方式。在該方式中，通過在設置于存儲介質中的存儲區(qū)域中形成與表示信息的記錄 用電信號(記錄信號)對應的方向的磁化，來進行信息的存儲，通過讀取磁化方向生成表示 磁化方向的再現(xiàn)用電信號(再現(xiàn)信號)，從而進行信息的再現(xiàn)。于是在采用該方式的信息存 儲裝置中，設有形成與記錄信號對應的方向的磁化的記錄元件和生成表示磁化方向的再現(xiàn) 信號的再現(xiàn)元件。最近，存儲區(qū)域中的記錄密度變高，強烈要求出現(xiàn)適合于該高記錄密度的信息的 讀取的小型再現(xiàn)元件。作為適合于小型化的再現(xiàn)元件，已知有使用被稱作磁電阻效應膜的 膜進行磁化方向的讀取的再現(xiàn)元件。該磁電阻效應膜具有在2個鐵磁層之間夾著非磁層的 層疊結構，磁電阻效應膜存在如下性質(磁電阻效果)，即相對于經由非磁層在2個鐵磁層 之間流動的電流的電阻的大小根據2個鐵磁性體層的磁化方向是處于彼此平行的狀態(tài)還 是處于彼此反平行的狀態(tài)而不同。在使用磁電阻效應膜的再現(xiàn)元件中，通過電氣地檢測2 個鐵磁層間的電阻值按照各磁化的磁化方向發(fā)生變化的情況，來進行磁化方向的讀取。使 用磁電阻效應的方式相比使用基于線圈的電磁感應的方式，磁化方向的檢測機構簡單，因 而可實現(xiàn)再現(xiàn)元件的小型化。圖1是表示在采用了具有磁電阻效應膜的再現(xiàn)元件的硬盤裝置(HDD)的磁頭中其 再現(xiàn)元件周邊的外觀圖。在該圖中，在以接近再現(xiàn)元件104并且旋轉的磁盤103的表面為xy平面，以該平 面的法線方向為ζ軸，以再現(xiàn)元件104的位置為原點而定義的xyz正交坐標系中表示再現(xiàn) 元件104。其中，χ軸方向為再現(xiàn)元件104相對于磁盤103相對移動的方向，是磁盤103的 圓周方向。再現(xiàn)元件104相對于χ軸方向相對移動，從而再現(xiàn)元件104依次接近1位區(qū)域， 該1位區(qū)域是沿著磁盤103的各軌道(半徑一定的圓周區(qū)域)排列的單位存儲區(qū)域，并具 有1個表示1位的信息的磁化，來進行信息的讀取。其中，各1位區(qū)域具有朝向圖中ζ軸正 方向或負方向的磁化。如圖所示，再現(xiàn)元件104具有2個磁密封層100、101和配置于這些磁密封層100、 101之間的磁效應膜102。并且，作為再現(xiàn)元件104的構成要素，除了上述磁密封層100、101 和磁效應膜102之外，還存在作為支撐它們的支撐部件的基板、設置于磁密封層100、101之間的磁區(qū)控制膜等構成要素，在此省略了它們的圖示。再現(xiàn)元件104中，最接近磁效應膜 102的1位區(qū)域、即作為磁化方向的讀取對象的1位區(qū)域的磁場之外的外部磁場通過磁密封 層100、101被密封。即，僅來自最接近的1位區(qū)域的磁場被磁效應膜102檢測出來。其中， 上述非磁層和2個鐵磁層是在磁效應膜102中層疊于該圖χ軸方向的層。下面說明該磁效 應膜102的層結構。圖2是表示圖1的磁效應膜102的層結構的示意圖。磁效應膜102具有如下的層結構在圖1左側的磁密封層100上按順序層疊有輔 助基底層lc、基底層2、反鐵磁層3、第1鐵磁層4、非磁層7、第2鐵磁層8、表面保護層9。 其中，反鐵磁層3是具有反鐵磁性的層，第1鐵磁層4和第2鐵磁層8是具有鐵磁性的層， 非磁層7是由磁化率極小難以磁化的材料構成的層。另外，輔助基底層Ic是用于提高基底 層2與圖1的磁密封層100的粘結性的層，基底層2是用于將反鐵磁層3平滑地固定于層 疊有輔助基底層Ic的磁密封層100上的層。表面保護層9是用于保護磁效應膜102表面 的層，也是與圖1左側的磁密封層101接觸的層。如圖所示的第1鐵磁層4和反鐵磁層3那樣，已知在鐵磁層與反鐵磁層接觸的狀 態(tài)下，由于鐵磁層與反鐵磁層的界面產生的交換耦合(磁相互作用的一種，是磁化之間的 相互作用)，導致鐵磁層的磁化方向固定，即便受到外部磁場的影響其磁化方向也難以改 變。圖中舉例表示了與反鐵磁層3接觸的第1鐵磁層4的磁化方向被固定于圖中朝右的箭 頭的方向的情形。另一方面，第2鐵磁層8與反鐵磁層3分離，因此不會受到第1鐵磁層4 那樣的制約，第2鐵磁層8的磁化方向受到外部磁場的影響而發(fā)生變化。具體而言，受到與 磁效應膜102接近的1位區(qū)域的磁場的影響，磁效應膜102中第2鐵磁層8的磁化方向發(fā) 生變化。其中，經由非磁層7在第1鐵磁層4與第2鐵磁層8之間流過的電流所感應的電 阻大小由于磁電阻效應，在第1鐵磁層4的磁化與第2鐵磁層8的磁化彼此平行的狀態(tài)下 較小，而在第1鐵磁層4的磁化與第2鐵磁層8的磁化彼此反平行的狀態(tài)下較大。利用這種 性質，圖1的再現(xiàn)元件104中，輸出向第1鐵磁層4與第2鐵磁層8之間施加電壓時流過這 2個鐵磁層之間的電流的檢測信號，檢測利用該檢測信號所表示的電流的變化，從而檢測各 1位區(qū)域的磁化方向。在使用磁電阻效應的讀取方式中，磁效應膜102僅受到接近磁效應膜102的1位 區(qū)域的磁場的影響，因此X軸方向上的磁效應膜102的長度(圖1的讀取間隙長度Lrg)必 須小于或等于χ軸方向上的1位區(qū)域的長度(圖1的位長Lb)。其中，欲提高磁盤的記錄 密度優(yōu)選縮短位長，因此要想達到高記錄密度，就要求實現(xiàn)與較短位長對應的讀取間隙長 度短的再現(xiàn)元件。此處已知為了在反鐵磁層3和與反鐵磁層3接觸的第1鐵磁層4之間產 生能固定第1鐵磁層的磁化的充分的交換耦合，就需要反鐵磁層3的厚度在某種厚度之上。 但是，如果增厚反鐵磁層3，則圖1的讀取間隙Lrg也會增大，難以達成高記錄密度化。具體 而言，2003年以前，大多采用鉬(Pt)與錳(Mn)的合金、鉛(Pd)與鉬(Pt)與錳(Mn)的合金 作為反鐵磁層3的材料，在這些材料中，為了對幾nm左右的第1鐵磁層4產生充分的交換 耦合，要求反鐵磁層3的層厚在15nm以上，這就成為了高記錄密度化的障礙。最近，當采用 銥(Ir)與錳(Mn)的合金(以下簡稱為Ir-Mn)作為反鐵磁層3的材料的情況下，已報告了 僅需要一半以下的層厚(即7. 5nm以下)的反鐵磁層3就能產生充分的交換耦合(例如參 見專利文獻1)，通過如上采用Ir-Mn作為反鐵磁層3的材料，可實現(xiàn)適合于高記錄密度化的小型的再現(xiàn)元件。專利文獻1 日本特開2005-244254號公報如上所述，基底層2是用于將反鐵磁層3平滑地固定于層疊有輔助基底層Ic的磁 密封層100上的層，作為基底層2的材料，以專利文獻1為代表，以往使用的是將鎳(Ni)、鐵 (Fe)、鉻(Cr)的某幾個組合構成的合金或銅(Cu)、釕(Ru)、鉭(Ta)等金屬。但是，在由這些材料構成的基底層2之上層疊了采用Ir-Mn的反鐵磁層3的情況 下，在基底層2上Ir-Mn為(111)面取向，無法獲得平坦的膜。如果在表面存在凹凸的反鐵 磁層3上層疊第1鐵磁層4、非磁層7和第2鐵磁層8，則所層疊的這些層也成為欠平坦的 層，尤其非磁層7相比其他層要薄，因而會受到反鐵磁層3的界面的凹凸的影響，易于成為 波浪狀彎曲的形狀的層。如果非磁層7成為如上彎曲的形狀，則與非磁層7之間的界面的 附近的第1鐵磁層4的磁場會對第2鐵磁層8的磁化狀態(tài)施加影響，第2鐵磁層8對于讀 取對象的1位區(qū)域的磁場的磁化響應性會降低。通過該非磁層作用于2層鐵磁層之間的相 互作用一般稱作粒狀表面效應。進而，如果磁層7為彎曲的形狀，則當對第1鐵磁層4與第 2鐵磁層8之間施加電壓而流過電流時，有時對電壓的耐性會降低而使得非磁層7斷裂。如 上，在對于外部磁場的響應性較低，對電壓的耐性也較低的狀態(tài)下，存在無法充分發(fā)揮作為 再現(xiàn)元件的能力的問題。當在磁電阻效應膜中采用Ir-Mn作為反鐵磁層的材料的情況下，雖然具有可實現(xiàn) 再現(xiàn)元件的小型化的優(yōu)點，然而為了充分發(fā)揮該優(yōu)點，就需要在抑制其成為平坦性不好的 反鐵磁層上花費工夫。并且，在以上說明中以使用磁電阻效應膜102的再現(xiàn)元件104為例進行了說明，而 采用Ir-Mn作為反鐵磁層的材料的情況下的上述問題是除了再現(xiàn)元件之外，也會在使用磁 電阻效應膜102進行磁化檢測的所有磁電阻效應元件中產生的問題。例如該問題也會在具 有多個圖2的磁效應膜102而以多個第2鐵磁層8的磁化方向的形式來存儲信息的隨機存 取存儲器(RAM)中產生。
發(fā)明內容
鑒于上述情況，本發(fā)明提供一種即便采用銥(Ir)和錳(Mn)作為反鐵磁層的材料 的情況下也能抑制成為平坦性不好的反鐵磁層的磁電阻效應元件、將該磁電阻效應元件用 作再現(xiàn)元件的磁頭以及具有該磁頭的信息存儲裝置。作為達成上述目的的磁電阻效果元件的基本方式為，其在基板上按順序層疊有基 底層、反鐵磁性層磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵磁層，上述基底層由金屬氮化物形成，上 述反鐵磁層由包含Ir和Mn的反鐵磁性材料形成。根據該基本方式，基底層由金屬氮化物形成，從而相比利用將鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉻 (Cr)的某幾個組合構成的合金或銅(Cu)、釕(Ru)、鉭(Ta)等金屬那樣的以往所使用的材料 形成基底層的情況，不易在包含Ir和Mn的反鐵磁層表面產生凹凸。于是層疊于反鐵磁層 上的第1鐵磁層、非磁層和第2鐵磁層也能避免成為欠缺平坦性的層，可避免對外部磁場的 響應性和對電壓的耐性降低。其結果，能夠充分發(fā)揮可實現(xiàn)磁電阻效果元件的小型化這一 采用銥(Ir)和錳(Mn)作為反鐵磁層的材料的情況下的優(yōu)點。其中，例如可以采用由氮化銅(CuN)形成的層作為上述基底層。
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如上，在基底層由CuN形成的方式中，優(yōu)選“上述由CuN形成的基底層以(200)晶 面與上述基板的表面平行的方式進行結晶取向”的應用方式。將米勒(Miller)指數(shù)為(200)的晶面的結晶取向為與基板表面平行的方式，從而 增加了層疊于其上的反鐵磁層的平坦性，實現(xiàn)了優(yōu)選的磁電阻效應元件。另外，在上述基本方式中，優(yōu)選“上述由Ir和Mn形成的反鐵磁層以(200)晶面與 上述基板的表面平行的方式進行結晶取向”的應用方式。根據這種應用方式，增加了反鐵磁層的平坦性，可實現(xiàn)優(yōu)選的磁電阻效應元件。另外，在上述基本方式中，優(yōu)選“上述非磁層由絕緣材料形成，其厚度為在其厚度 方向流過隧道電流”的應用方式。根據這種應用方式，非磁層為由絕緣體的材料構成的層，且成為具有可流過隧道 電流(量子力學中根據隧道效應而通過位壘進行流動的電流)的厚度的層，從而能夠獲得 對于在第1鐵磁層與第2鐵磁層之間流過的電流的磁電阻效應。對隧道電流的磁電阻效應 相比流過通常電流的情況要大，可實現(xiàn)對外部磁場響應性較高的磁電阻效應元件。此時例 如可采用MgO作為絕緣材料。另外，在上述基本方式中，還可以采用“上述第1鐵磁層由至少2層以上構成，其層 之間通過非磁層隔開，所隔開的鐵磁層的磁化方向通過交換耦合而在反平行方向上耦合” 的應用方式。另外，在基底層由CuN形成的上述應用方式中，還優(yōu)選“在在上述基板上，在由上 述CuN形成的基底層的層之間還具有非晶層”的應用方式。通常非晶層不存在結晶那樣的長距離秩序但存在短距離秩序，因此在短距離之間 存在類似于結晶的取向性。于是，通過把基底層層疊于具有非晶形結構的上述非晶層上，從 而由于非晶層的取向性的影響，易于使基底層的結晶取向性一致。達成上述目的的磁頭的基本方式在于，該磁頭具有再現(xiàn)元件，其具有磁電阻效應 元件，該磁電阻效應元件在基板上按順序層疊有由CuN構成的基底層、包含Ir和Mn的反鐵 磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵磁層；以及記錄元件，其具有薄膜線圈和通過由上述薄膜 線圈所產生的磁通的磁極。這種磁頭的基本方式中采用上述基本方式的磁電阻效應元件作為再現(xiàn)元件，因此 能充分發(fā)揮在磁電阻效應元件中采用包含Ir和Mn的反鐵磁層所產生的優(yōu)點，可實現(xiàn)適合 于高密度記錄的小型磁頭。達成上述目的的信息存儲裝置的基本方式在于，該信息存儲裝置具有再現(xiàn)元件， 其具有磁電阻效應元件，該磁電阻效應元件在基板上按順序層疊有由CuN構成的基底層、 包含Ir和Mn的反鐵磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵磁層；記錄元件，其具有薄膜線圈和 通過由上述薄膜線圈所產生的磁通的磁極；存儲再現(xiàn)介質，其通過上述磁頭進行信息的記 錄和再現(xiàn)；以及信號處理基板，其處理上述磁頭和上述存儲再現(xiàn)介質的信息的記錄信號和 再現(xiàn)信號。這種信息存儲裝置的基本方式中具有上述基本方式的磁頭，因此能充分發(fā)揮在磁 電阻效應元件中采用包含Ir和Mn的反鐵磁層所產生的優(yōu)點，可實現(xiàn)適合于高密度記錄的 信息存儲裝置。如上所述，根據磁電子效應元件、磁頭和信息存儲裝置的上述基本方式，即便在采用銥(Ir)和錳(Mn)作為反鐵磁層的材料的情況下也能抑制其成為平坦性低的反鐵磁層。
圖1是表示采用具有磁電阻效應膜的再現(xiàn)元件的硬盤裝置(HDD)的磁頭中，其再 現(xiàn)元件周邊的外觀圖。圖2是表示圖1的磁效應膜的層結構的示意圖。圖3是表示作為信息存儲裝置的具體實施方式
的磁盤裝置的圖。圖4是表示圖3所示磁頭的圖。圖5是表示圖4的磁效應膜的層結構的示意圖。圖6是表示到制作圖4的再現(xiàn)元件為止的各階段的情形的圖。圖7是表示實驗1的結果的圖。圖8是表示實驗2的結果的圖。圖9是說明實驗3的圖。圖10是表示實驗4的結果的圖。圖11是表示X線解析的概要的說明圖。圖12是表示實驗5的結果的圖。圖13是表示實驗6的結果的圖。圖14是表示具有圖5的磁電阻效應膜的MRAM的概要結構的圖。
具體實施例方式下面參照附圖針對基本方式(和應用方式)說明對于上述磁電阻效應元件、磁頭 以及信息存儲裝置的具體實施方式
。圖3是表示作為信息存儲裝置的具體實施方式
的磁盤裝置的圖。在圖3所示的磁盤裝置500中設有產生以垂直于圖面的方向為旋轉軸的旋轉驅動 力的旋轉式致動器54。該旋轉式致動器54支撐懸架系統(tǒng)定位臂53，懸架系統(tǒng)定位臂53接 受旋轉式致動器54的旋轉驅動力而在圖面內繞旋轉式致動器54轉動。在懸架系統(tǒng)定位臂 53的前端通過被稱作萬向架的支撐工具安裝有滑動器52，而在該滑動器52的前端部安裝 有磁頭51。磁頭51擔負著讀取來自磁盤50的信息和向磁盤50寫入信息的任務。在讀取和 寫入信息時，懸架系統(tǒng)定位臂53被旋轉式致動器54旋轉驅動，從而磁頭51被配置于從圓 盤狀磁盤50的表面浮起微小高度的位置上，在該狀態(tài)下，進行從磁盤50的信息讀取和對磁 盤50的信息寫入。在該圖中，在以磁頭51的位置為原點，磁盤103的表面為xy平面，垂直 于圖面的法線方向為Z軸而定義的xyz正交坐標系之中，表示出了磁頭51，該坐標系的獲取 方式與圖1的坐標系的獲取方式相同。在圓盤狀的磁盤50的表面以同心圓狀設有多個軌 道55，在上述xyz正交坐標系中，χ軸方向是軌道55的切線方向，y軸方向是軌道55的寬 度方向。在各軌道55上，沿著軌道55排列有被稱作1位區(qū)域的存儲1位的信息的單位存 儲區(qū)域。在這些1位區(qū)域中，分別逐個地設有朝向圖中ζ軸正方向或負方向的磁化，利用這 2個朝向來表示1位的信息。該磁盤50以圓盤中心為旋轉中心在圖面內旋轉，配置于磁盤 50表面附近的磁頭51依次接近旋轉的磁盤501的各1位區(qū)域。
進行信息記錄時，向與磁盤50接近的磁頭51輸入電記錄信息，磁頭51按照所輸 入的記錄信號對各1位區(qū)域施加磁場，通過這些各1位區(qū)域的磁化方向的形式記錄該記錄 信號所承載的信息。另外，在信息再現(xiàn)時，磁頭3按照通過磁化分別產生的磁場而生成電再 現(xiàn)信號，從而取出以磁化方向的形式記錄于各1位區(qū)域的信息。此處，當磁頭51通過1個 軌道55進行了信息讀取之后，當通過其他軌道55進行信息讀取或寫入時，受到旋轉式致動 器54的旋轉驅動力的懸架系統(tǒng)定位臂53轉動而使得磁頭51移動到鄰近該另一軌道55的 位置，在該另一軌道55的各1位區(qū)域中通過上述方式進行信息的讀取和寫入。上述旋轉式致動器54、懸架系統(tǒng)定位臂53、滑動器52、磁頭51等直接涉及信息的 存儲再現(xiàn)的各部分與磁盤50 —起被收容于基座56，圖3表示出基座56內側的情形。在基 座56的里側設有具備控制上述各部分的控制電路的控制基板57。上述各部分通過未圖示 的機構與該控制基板57電導通，輸入到磁頭51的上述記錄信號和磁頭51生成的上述再現(xiàn) 信號在該控制基板57中被處理。該控制基板57相當于上述信息存儲裝置的基本方式中所 說的信號處理基板的一個例子。下面詳細說明磁頭51的結構。圖4是表示圖3所示的磁頭51的圖。圖4的部分(a)是在平行于圖3的xy平面的面上表示磁頭51的圖，圖4的部分 (b)是在平行于圖3的XZ平面的面上表示磁頭51的圖。磁頭51具有如下2個元件，即記錄元件40，其在記錄信息時按照記錄信號對各 1位區(qū)域施加磁場，以磁化方向的形式記錄信息；以及再現(xiàn)元件20，其在再現(xiàn)信息時按照由 各1位區(qū)域的磁化分別產生的磁場，生成表示信息的電再現(xiàn)信號。記錄元件40是具有主磁極41、主磁極輔助層42、輔助磁極43、連接部45的元件。 其中，主磁極41、主磁極輔助層42、輔助磁極43和連接部45構成在磁記錄時所產生的磁通 的磁路的一部分。以與該磁路交鏈的方式配置有記錄用的薄膜線圈44。具有這種結構的記 錄元件40可通過公知方法制作出來。再現(xiàn)元件20是使用隧道磁電阻效應(TMR效應)進行信息再現(xiàn)的元件，具有下部 磁密封層lb、磁電阻效應膜21、上部磁密封層Id、支撐基板la。支撐基板Ia是支撐下部磁密封層lb、磁電阻效應膜21、上部磁密封層Id的支撐 部件，是在具有氧化鋁(Al2O3)和碳化鈦(TiC)的非磁性材料的表面形成有氧化鋁膜的基板 (AlTiC基板)。再現(xiàn)元件20的表面層疊有下部磁密封層lb。下部磁密封層lb、磁電阻效應膜21、上部磁密封層Id的概觀與圖1所示的相同。 下部磁密封層Ib和上部磁密封層Id通過鎳(Ni)和鐵(Fe)的合金(Ni-Fe)構成，是具有 高透磁率的2、3nm左右層厚的層。并且，作為下部磁密封層和上部磁密封層的材料，只要是 透磁率大的材料即可，可以采用Ni-Fe之外的材料。接著說明磁電阻效應膜21。圖5是表示圖4的磁效應膜21的層結構的示意圖。如該圖所示，磁效應膜21具有在圖4的下部磁密封層Ib上按順序層疊有輔助基 底層lc、基底層2、反鐵磁層3、第1鐵磁層4、非磁層7、第2鐵磁層8、表面保護層9的結構。 各層所發(fā)揮的作用與圖2所述相同，圖4的磁效應膜21也采用銥(Ir)與錳(Mn)的合金材 料(Ir-Mn)作為反鐵磁層3的材料。但是與現(xiàn)有的磁效應膜不同，圖4的磁效應膜21中，
8基底層2由具有氮化銅(CuN)的材料構成，這一點是與現(xiàn)有的磁效應膜顯著不同的。后面 會敘述采用氮化銅(CuN)作為基底層2的材料的效果，下面首先說明圖4的磁效應膜21的 各層詳細情況。輔助基底層Ic是由具有鉭(Ta)的材料構成的層，是具有非晶態(tài)結構的層。基底 層2是如上所述由具有氮化銅(CuN)的材料構成的層。輔助基底層Ic的層厚與基底層2 的層厚之和例如為5nm左右。反鐵磁層3是如上所述由銥(Ir)與錳(Mn)的合金材料(Ir-Mn)構成的反鐵磁性 的層，其層厚例如為7nm左右。第1鐵磁層4是按順序層疊如下3個層而得到的層由具有鈷(Co)和鐵(Fe)的 材料(Co-Fe)構成的鐵磁性的第1磁化固定相層4a ；由具有釕(Ru)的材料構成且磁化率 極小的非磁性的非磁性中間層4b ；以及由具有鈷(Co)、鐵(Fe)和硼(B)的材料(Co-Fe-B) 構成的鐵磁性的第2磁化固定相層4c。其中，第1磁化固定相層4a的層厚例如為1. 5nm左 右，非磁性中間層4b的層厚為0. 5nm左右，第2磁化固定相層4c的層厚為2. 5nm左右。如 上，第1鐵磁層4構成為在第1磁化固定相層4a和第2磁化固定相層4c這2個鐵磁層之 間存在非磁性的非磁性中間層4b，而如3層的層厚所示那樣，第1鐵磁層4是層整體以鐵磁 性材料為主要分量的層。其中，第1磁化固定相層4a的磁化方向通過在第1磁化固定相層 4a與反鐵磁層3的界面上產生的交換耦合而被固定。另一方面，在第1磁化固定相層4a與 第2磁化固定相層4c這2個層之間，隔著非磁性中間層4b也存在交換耦合，通過該交換耦 合將第1磁化固定相層4a的磁化方向與第2磁化固定相層4c的磁化方向保持為彼此反平 行的狀態(tài)。因此，通過上述2種交換耦合，在第1鐵磁層4實現(xiàn)了第1磁化固定相層4a的 磁化方向與第2磁化固定相層4c的磁化方向都被固定的狀況。并且，作為非磁性中間層4b 的材料，除了釕(Ru)之外，還可采用包含銠(Rh)在內的材料。這種情況下，優(yōu)選銠的含量 在5原子％以上40原子％以下，更優(yōu)選在20原子％以上30原子％以下。另外，非磁性中 間層4b的厚度優(yōu)選在0. 3nm以上0. 7nm以下，更優(yōu)選在0. 4nm以上0. 7nm以下。非磁層7是由具有氧化鎂(MgO)的材料構成的層。該非磁層7是磁化率極小的層， 并且是電絕緣性的層。如上，非磁層7是絕緣性的層，而由于層厚較小，因此隧道電流(利 用量子力學中的隧道效應而穿透位壘流動的電流)能夠通過非磁層7在位于非磁層7下側 的第1鐵磁層4與位于非磁層7上側的第2鐵磁層8之間流過。作為非磁層7的層厚，例 如可采用1. Onm 1. 5nm左右。其中，通過非磁層7而在第1鐵磁層4與第2鐵磁層8之 間流動的隧道電流所感應的電阻的大小根據磁電阻效應(隧道磁電阻效應)，在第1鐵磁 層4的磁化與第2鐵磁層8的磁化彼此平行的狀態(tài)下較小，而在第1鐵磁層4的磁化與第 2鐵磁層8的磁化彼此反平行的狀態(tài)下較大。第2鐵磁層8是由具有鈷(Co)、鐵(Fe)和硼⑶的材料(Co-Fe-B)構成的鐵磁 性的層，其層厚為3nm左右。該第2鐵磁層8的磁化不同于第1鐵磁層4的第1磁化固定 相層4a和第2磁化固定相層4c，能夠按照外部磁場自由改變磁化方向。具體而言，鄰近磁 效應膜21的圖3的磁盤50中各1位區(qū)域的磁化根據是朝向圖3的ζ軸的正方向還是負方 向，而朝向圖2的ζ軸的正方向或負方向。表面保護層9是由具有鉭(Ta)的材料構成的層，其層厚例如為3nm左右。以上是關于磁效應膜21的各層詳細情況的說明。
在具有圖5的磁效應膜21的圖4的再現(xiàn)元件20中，在不存在外部磁場對于再現(xiàn) 元件20的影響的狀況下，以第2鐵磁層8的磁化朝向沿著圖5的y軸的方向(即y軸的正 方向或負方向，關于坐標系一并參照圖1和圖3)的方式，設有將第2鐵磁層8的磁化方向 偏置的后述的磁區(qū)控制膜26。另一方面，第1鐵磁層4中的第1磁化固定相層4a的磁化和 第2磁化固定相層4c的磁化起因于與上述反鐵磁層3的交換耦合，對于再現(xiàn)元件20無論 是否存在外部磁場，上述磁化都朝向沿著圖5的ζ軸的方向(即ζ軸的正方向或負方向)。再現(xiàn)元件20中，輸出在對第1鐵磁層4與第2鐵磁層8之間施加電壓時在這2個 鐵磁層之間流過的隧道電流的檢測信號。當再現(xiàn)元件20接近磁盤103的1位區(qū)域時，再現(xiàn) 元件20受到該1位區(qū)域的磁化所產生的磁場(對于再現(xiàn)元件20而言的外部磁場)的影響， 根據該1位區(qū)域的磁化是朝向圖5的ζ軸的正方向還是負方向，第2鐵磁層8的磁化會朝 向圖5的ζ軸的正方向或負方向。通過上述隧道磁電阻效應，在第1鐵磁層4與第2鐵磁 層8之間流過的隧道電流根據第2鐵磁層8的磁化朝向哪個方向而發(fā)生變化，因此通過來 自再現(xiàn)元件20的檢測信號來表示磁盤103的各1位區(qū)域的磁化方向。該檢測信號為上述 再現(xiàn)信號，在圖3的磁盤500中，磁頭51中的再現(xiàn)元件20如上所述生成檢測信號以執(zhí)行信 息的讀取。具有如上所述結構的磁電阻效應膜21的圖4的再現(xiàn)元件20相當于上述基本方式 中磁電阻效應元件的一個實施方式，將圖5的輔助基底層lc、圖4的下部密封層Ib和圖4 的支撐基板Ia組合起來的結構相當于上述基本方式中基板的一個例子。通過在該再現(xiàn)元件20中采用Ir-Mn作為反鐵磁層3的材料，從而可使得反鐵磁層 3的層厚較薄，而且能產生足夠用于固定第1鐵磁層4 (尤其是第1磁化固定相層4a)的磁 化方向的交換耦合，實現(xiàn)適合于高記錄密度化的小型再現(xiàn)元件。以往使用將鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉻(Cr)的某幾個組合構成的合金或釕(Ru)、鉭(Ta) 作為基底層的材料。但是，當在由這些材料構成的基底層之上層疊有采用Ir-Mn的反鐵磁 層的情況下，Ir-Mn在基底層上為(111)面取向，無法獲得平坦的膜。如果在表面存在凹凸 的反鐵磁層層疊第1鐵磁層、非磁層和第2鐵磁層，則層疊的這些層也成為欠缺平坦性的 層，尤其非磁層相比其他層要薄，因而會受到反鐵磁層的界面的凹凸的影響，易于成為波浪 狀彎曲的形狀的層。如果非磁層成為如上所述彎曲的形狀，則在與非磁層的界面附近的第1 鐵磁層的磁場會對第2鐵磁層的磁化施加影響，第2鐵磁層對于讀取對象的1位區(qū)域的磁 場的磁化響應性會降低。進而，如果磁層為彎曲的形狀，則當對第1鐵磁層與第2鐵磁層之 間施加電壓而流過電流時，有時對電壓的耐性會降低而使得非磁層斷裂。如上所述，在對于 外部磁場的響應性低、對電壓耐性也低的狀態(tài)下，存在無法充分發(fā)揮作為再現(xiàn)元件的能力 的問題。在圖4的再現(xiàn)元件20中，基底層2由氮化銅(CuN)形成，從而相比通過將鎳(Ni)、 鐵(Fe)、鉻(Cr)的某幾個組合構成的合金或釕(Ru)、鉭(Ta)等以往所使用的材料形成基 底層的情況，如通過具體的試驗結果敘述的那樣，不易在包含Ir和Mn的反鐵磁層3表面產 生凹凸。于是層疊于反鐵磁層3上的第1鐵磁層4、非磁層7和第2鐵磁層8也能避免成為 欠缺平坦性的層，可避免各層中對外部磁場的響應性和對電壓的耐性降低。其結果，在圖4 的再現(xiàn)元件20中，能夠充分發(fā)揮可實現(xiàn)再現(xiàn)元件的小型化這一采用銥(Ir)和錳(Mn)作為 反鐵磁層3的材料的情況下的優(yōu)點。
下面說明不易在反鐵磁層3的表面產生凹凸的基底層2中的氮化銅(CuN)的微觀 特征。在該基底層2中的氮化銅(CuN)中通過銅原子(Cu)和氮原子(N)形成結晶結構，在 該結晶結構中，米勒指數(shù)為“200”的晶面與圖4的支撐基板Ia的表面(更正確而言是將圖 5的輔助基底層lc、圖4的下部密封層lb、圖4的支撐基板Ia組合起來得到的表面)平行。 在圖4的再現(xiàn)元件20中，Ir和Mn的合金層疊于如上所述結晶取向的基底層2之上而形成 結晶結構，從而形成上述反鐵磁層3。此時，受到基底層2中氮化銅(CuN)的結晶取向的影 響，在Ir和Mc的合金的結晶結構中也以米勒指數(shù)為“200”的晶面與圖4的支撐基板Ia的 表面(更正確而言是將圖5的輔助基底層lc、圖4的下部密封層lb、圖4的支撐基板Ia組 合起來得到的表面)平行的方式產生結晶取向。如果這樣產生Ir和Mc的合金的結晶取向， 則反鐵磁層3在沿著圖4的支撐基板Ia的表面的方向上的形狀穩(wěn)定性會提高，不易在反鐵 磁層3的表面產生凹凸。其中，在圖4的再現(xiàn)元件20中，基底層2層疊于具有非晶形結構的輔助基底層Ic 之上，在該輔助基底層Ic之上形成上述氮化銅(CuN)的結晶結構。通常非晶形雖然不存在 結晶那樣的長距離秩序但存在短距離秩序，因此存在類似于結晶的取向性。于是，通過在具 有非晶形結構的上述輔助基底層Ic上層疊基底層2，從而通過非晶層的取向性的影響，可 易于使基底層2的結晶取向性一致。下面說明圖4的再現(xiàn)元件20的制造方法。圖6是表示到制作出圖4的再現(xiàn)元件20為止的各階段的情形的圖。首先說明到制作出圖6的部分(a)所示結構為止的工序。先在具有氧化鋁(AL2O3) 和碳化鈦(TiC)的非磁性材料的表面形成氧化鋁膜，制作支撐基板la (AlTiC基板)。然后 在支撐基板Ia上通過濺射形成下部磁密封層lb，進而同樣通過濺射在下部磁密封層Ib之 上形成輔助基底層lc。此后如圖6的部分(a)所示，在輔助基底層Ic之上按順序形成從基 底層2到第2鐵磁層8為止的各層，最后在第2鐵磁層8之上形成表面保護層9。接著說明到制作出圖6的部分(b)所示結構為止的工序。首先通過光蝕刻以抗蝕 圖形49覆蓋圖6的部分(a)所示的表面保護層9的部分區(qū)域。以該抗蝕圖形49為掩模， 通過離子束銑對從輔助基底層Ic到表面保護層9的各層形成圖案。此時，沒有被抗蝕圖形 49覆蓋的區(qū)域中會露出下部磁密封層22。在圖6的部分(b)中表示出在層疊有從輔助基底 層Ic到表面保護層9的各層的梯形形狀的層疊結構體兩側下部磁密封層22露出的情形。下面說明到制作出圖6的部分(C)所示結構為止的工序。例如使用由AL2O3構成且厚度為3nm IOnm的絕緣膜25通過濺射覆蓋圖6的部分 (b)所示的結構的上側整面。然后通過濺射使用磁區(qū)控制膜26覆蓋如上被絕緣膜25覆蓋 的整體，直到由于上述圖案形成而被除去的凹陷部分(例如圖6的部分(b)的梯形形狀的 層結構的兩側)被埋住。作為該磁區(qū)控制膜26的材料，例如可采用通過由鈷(Co)、鉻(Cr) 和鉬(Rt)構成的合金(CoCrPt)構成的材料。接著，將抗蝕圖形49與堆積于抗蝕圖形49之上的絕緣膜25和磁區(qū)控制膜26—起 除去。通過該除去作業(yè)，對磁區(qū)控制膜26而言，僅殘留由從輔助基底層Ic到表面保護層9 的各層構成的層疊結構體的兩側被填充的磁區(qū)控制膜26，而覆蓋該層疊結構體上側的磁區(qū) 控制膜26被除去。然后，通過化學機械研磨(CMP)使得殘留的磁區(qū)控制膜26的表面變得 平坦，從而將上述層疊結構體的上側表面(表面保護層9的表面)與殘留的磁區(qū)控制膜26的表面調整為平滑連接。最后，通過濺射將上部磁密封層23堆積于表面保護層9的表面和 磁區(qū)控制膜26的表面之上。由此就完成了具備圖6的部分(c)所示結構的再現(xiàn)元件20。其中，在圖6的部分(c)所示的結構中，預先在磁場中對磁區(qū)控制膜26進行熱處 理，以使得第2鐵磁層8的磁化方向在針對上述層疊結構體不存在外部磁場的影響的狀況 下，向沿著圖6的部分(c)的y軸的方向(y軸的正方向或負方向)偏置。另一方面，關于 第1鐵磁層4中的第1磁化固定相層4a和第2磁化固定相層4c，通過對yz平面內的反鐵 磁層3的配置下工夫，從而第1磁化固定相層4a的磁化和第2磁化固定相層4c的磁化被 固定為朝向與圖6的部分(c)的ζ軸平行或反平行的方向。具體而言，通常在反鐵磁性體 中，構成反鐵磁性體的結晶格子的旋轉在相鄰結晶格子之間與既定方向彼此反平行，在圖6 的部分(c)的反鐵磁層3中，以使該既定方向為沿著圖6的部分(c)的ζ軸的方向(與ζ 軸平行或反平行的方向)的方式形成反鐵磁層3。以上說明中采用氮化銅(CuN)作為基底層2的材料，而作為基底層2的材料，除了 氮化銅(CuN)之外，在采用鈦(Ti)、鎂(Mg)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉻(Cr)、· (Mo)中的任一種的氮化物或將它們中的某幾個組合起來的金屬氮化物的情況下，也能獲得 上述那樣使反鐵磁層3變得平坦的效果。如上，采用氮化銅(CuN)之外的金屬氮化物作為 基底層2的材料的再現(xiàn)元件、磁頭和HDD是在上述說明中將基底層2的材料由氮化銅(CuN) 變更為這些金屬氮化物而得到的，這里省略對它們的詳細說明。下面使用具體實驗說明采用金屬氮化物作為基底層材料時的平坦化效果、各層之 間的磁相互作用、晶面的狀態(tài)。實驗1下面說明實驗1。改變基底層的材料制作4個樣本，該樣本是通過濺射在對表面進行蝕刻以變得平 坦的硅基板上按順序形成由Ta構成且具有非晶形結構的厚度為3nm的輔助基底層、厚度為 4nm的基底層、由Ir-Mn構成、厚度為7nm的反鐵磁層、由Co-Fe構成厚度為1. 7nm的第1磁 化固定層、由Ru構成厚度為0. 7nm的非磁性中間層、由Co-Fe-Β構成厚度為2nm的第2磁 化固定層而得到的。在該4個樣本中分別使用Ru、Ni-Fe、Cu、CuN作為基底層的材料。并 且，在對基底層使用CuN的樣本中，通過使用氬氣與氮氣的分壓比為1 4的濺射氣的濺射 來形成基底層。對于這4種樣本，使用原子間力顯微鏡求出Co-Fe-B層表面的凹凸的標準 偏差(高度的標準偏差)以及最突出的部位與最凹陷的部位的高低差(最大高低差)。圖7是表示實驗1的結果的圖。圖7的部分(a)表示上述4種樣本各自的高度標準偏差(單位為nm)，圖7的部分 (b)表示上述4種樣本各自的最大高低差(單位為nm)。如該圖所示可知，4個樣本中基底 層使用CuN的樣本的高度標準偏差與最大高低差這兩方都為最小，如果對基底層使用CuN 則平坦化效果好。實驗2接著說明實驗2。對硅基板的表面進行蝕刻使其平坦，在其上形成通過依次層疊厚度為5nm的Ta 層、厚度為20nm的CuN層、厚度為3nm的Ta層、厚度為20nm的CuN層、厚度為3nm的Ta層 而構成的輔助基底層。然后在該輔助基底層之上形成由CuN構成的厚度為3nm的基底層、由Ir-Mn構成的厚度為7nm的反鐵磁層、由Co-Fe構成的厚度為1. 7nm的第1磁化固定層、 由Ru構成的厚度為0. 68nm的非磁性中間層、由Co-Fe-Β構成的厚度為2. 5nm的第2磁化固 定層、由MgO構成的厚度為1. Onm 1. 5nm的非磁層和由Co-Fe-Β構成的厚度為3nm的第 2鐵磁層。再在該第2鐵磁層之上形成由厚度為5nm的Ta層、厚度為IOnm的Cu層和厚度 為IOnm的Ru層構成的3層結構的表面保護層，從而制作出在該實驗2中使用的樣本。還制 作了具有與上述層結構相同的層結構，但非磁層的厚度在1. Onm 1.5nm范圍內的不同厚 度的樣本。如上，重復進行非磁層厚度不同的樣本的制作，準備好非磁層的厚度在1. Onm 1.5nm范圍內彼此不同的多個樣本。這些樣本的非磁層的厚度彼此不同，因此為具有彼此不 同的面電阻的樣本，非磁層越厚的樣本其面電阻的值也會越大。另外，與上述方法相同，改變非磁層的厚度來準備多個樣本，這些樣本除了基底層 使用Ru這點之外，具有與上述層結構相同的層結構。進而，與上述方法相同，改變非磁層的厚度來準備多個樣本，這些樣本除了基底層 使用M-Fe這點之外，具有與上述層結構相同的層結構。分別對以上樣本求出MR比。此處所謂的MR比是指，對于第2鐵磁層的磁化和第2 磁化固定層的磁化，將這兩個磁化的方向為反平行的狀態(tài)下的非磁層的電阻值與這兩個磁 化的方向為平行的狀態(tài)下的非磁層的電阻值之差，除以這兩個磁化的方向為平行的狀態(tài)下 的非磁層的電阻值來求出比值，并以百分比表示該比值。該MR比越大，則與第2鐵磁層的 磁化方向對應的電阻的變化就越大，因此磁電阻效果就會越大。圖8是表示實驗2的結果的圖。圖8示出的圖表分別涉及橫軸取面電阻(單位為Ω · μ m2)、縱軸取MR比(單位 為％)時的各樣本基底層使用CuN的樣本、基底層使用Ru的樣本、基底層使用M-Fe的樣 本。如該圖所示可知，基底層使用CuN的樣本的圖表位于其他2個圖表上側，通過對 基底層使用CuN，從而可獲得較高的磁電阻效應。通常如圖8所述那樣，在面電阻為2. Ω Km2上下的區(qū)域中，會顯現(xiàn)出面電阻越大(即非磁層越厚)，則MR比越大的傾向。例如 圖中3個圖表中任意一個面電阻都為單調增加?？紤]到該傾向，則如圖8所示，基底層使用 CuN的樣本的圖表位于其他2個圖表上側的理由就在于，CuN比其他材料的平坦化效果高， 因而非磁層界面的扭曲和彎曲小，能通過相比其他材料小的面電阻來獲得相同的MR比。實驗3下面說明實驗3。在該實驗3中，除了實驗2所說明的基底層使用CuN且面電阻彼此不同的多個 樣本、基底層使用M-Fe且面電阻彼此不同的多個樣本以及基底層使用Ru且面電阻彼此 不同的多個樣本之外，還準備了基底層使用Cu且面電阻彼此不同的多個樣本、基底層使用 Ni-FeN且面電阻彼此不同的樣本、基底層使用CrN且面電阻彼此不同的樣本。這些樣本除 去基底層材料不同這點之外，都是具有與圖2中說明的樣本相同結構的樣本，與實驗2相 同，它們是通過改變非磁層的厚度使得面電阻彼此不同而制作出的樣本。實驗3中，從外部對這些樣本施加磁場，調查改變該外部磁場時的MR比的變化。圖9是說明實驗3的圖。如果對具有上述層結構的樣本改變了外部磁場，則第2鐵磁層的磁化的值會由于
13磁滯而描繪出磁滯環(huán)而發(fā)生變化，與此對應地，分別以外部磁場和MR比作為坐標分量的點 也會在外部磁場和MR比的坐標空間內如圖9的部分(a)的虛線圖表和實線圖表那樣描繪 出環(huán)而發(fā)生變化。在該實驗3中，對基底層的材料彼此不同的各樣本求出環(huán)的中心點的外 部磁場。例如，圖中虛線圖表的中心點B的外部磁場Hin’和圖中實線圖表的中心點A的外 部磁場Hin就是環(huán)的中心點的外部磁場。假設第2鐵磁層作為單體獨立存在，則表示相對于外部磁場的該第2鐵磁層的磁 化的變化的磁滯環(huán)的中心為外部磁場和磁化都為零的點(即原點)。另一方面，在具有實 驗2那樣的層結構的樣本中，第2鐵磁層還受到由第2磁化固定層的磁化所產生的磁場的 影響，因而第2鐵磁層的磁滯環(huán)的中心偏離零，外部磁場移動到抵消第2磁化固定層的磁化 所產生的磁場的點。該抵消點處的外部磁場如圖9的部分(a)的Hin和Hin’那樣，是提供 外部磁場和MR比的坐標空間內的環(huán)的中心點的外部磁場，因此通過求出環(huán)的中心點的外 部磁場，從而可求出第2鐵磁層與第2磁化固定層的磁相互作用的大小。其中，在上述樣本 中，第2鐵磁層是由相同材料構成的相同厚度的層，第2鐵磁層的飽和磁化的大小是相同 的。因此改變外部磁場時的MR比的最大值和最小值在上述任一個樣本中都是相同的，環(huán)的 中心點處的MR比是共同的值。于是通過對面電阻固定的樣本比較環(huán)的中心點處的外部磁 場的大小，從而可推測出為了獲得相同的MR比所需的第2鐵磁層與第2磁化固定層的相互 作用。例如圖9的部分(a)的Hin和Hin’之中，Hin’大于Hin，因此與虛線圖表對應的 樣本相比與實線圖表對應的樣本，為了獲得相同的MR比，與虛線圖表對應的樣本就需要更 大的第2鐵磁層與第2磁化固定層的相互作用。圖9的部分(b)示出的圖表分別涉及橫軸取面電阻(單位為Ω · μ m2)、縱軸取環(huán) 的中心點處的外部磁場時的各個樣本基底層使用Cu的樣本、基底層使用M-Fe的樣本、基 底層使用Ru的樣本、基底層使用CuN的樣本、基底層使用M-FeN的樣本、基底層使用CrN 的樣本。如該圖所示可知，基底層使用CuN的樣本、基底層使用M-FeN的樣本、基底層使用 CrN的樣本的各圖表位于基底層使用Cu的樣本、基底層使用M-Fe的樣本、基底層使用Ru 的樣本的各圖表的下側，通過對基底層使用CuN、Ni-FeN, CrN等金屬氮化物，從而能通過更 小的面電阻使得第2鐵磁層與第2磁化固定層之間具有既定大小的耦合力(相互作用)。 其中，越是非磁層厚、面電阻大的樣本，由于第2鐵磁層與第2磁化固定層之間的距離長，因 此第2鐵磁層與第2磁化固定層的相互作用就越小，因此環(huán)的中心點處的外部磁場大小也 越小。實際上，如圖9的部分(b)所示，與上述6種基底層材料對應的6個圖表的面電阻都 單調減小?？紤]到該事實，如圖9的部分(b)那樣，對基底層使用CUN、Ni-FeN、CrN等金屬 氮化物的樣本的圖表位于對基底層使用CU、Ni-Fe、RU的樣本的圖表的下側的理由在于，金 屬氮化物相比其他材料平坦化效果好，從而非磁層界面的扭曲和彎曲能夠較小，因而被認 為為了獲得相同大小的耦合力所需的面電阻較小。實驗4下面說明實驗4。在該實驗中，在制作實驗1中說明的以CuN作為基底層的材料的樣本時，通過改變 為了氮化而添加的氮氣的流量，從而制作出在彼此不同的氮氣流量下所制成的多個樣本。這些樣本除了氮氣的流量不同之外，都與實驗1中說明的以CuN作為基底層的材料的樣本 相同。而且調查了在由Co-Fe構成的第1磁化固定層與由Ir-Mn構成的反鐵磁層之間產生 的交換耦合力Jex。另外，在制作在實驗1中說明的以CuN作為基底層的材料的樣本時，在將濺射氣中 的氬氣與氮氣的分壓比恒定保持于3 7的狀態(tài)下，制作出基底層的厚度(CuN膜厚)彼此 不同的多個樣本。這些樣本除了氮氣的流量不同以及基底層的厚度不同之外，都與實驗1 中說明的以CuN作為基底層的材料的樣本相同。而且調查了在由Co-Fe構成的第1磁化固 定層與由Ir-Mn構成的反鐵磁層之間產生的交換耦合力Jex。圖10是表示實驗4的結果的圖。圖10的部分(a)表示出橫軸取氮(N2)氣的流量(單位為sccm)、縱軸取交換耦合 力Jex (單位為erg/cm2)時，上述在彼此不同的氮氣流量下制成的多個樣本的結果。另外為 了便于比較，該圖10的部分(a)還針對實驗1中說明的以Cu為基底層的材料的樣本和以 Ru為基底層的材料的樣本表示出了各自的交換耦合力Jex的結果。如圖10的部分(a)所 示，以CuN為基底層的材料的各樣本的交換耦合力Jex小于以Cu或Ru為基底層的材料的 各樣本的交換耦合力Jex，而以CuN為基底層的材料的所有樣本都能實現(xiàn)0. 4erg/cm2以上 的交換耦合力。通常，如果第1磁化固定層與反鐵磁層之間產生的交換耦合力的大小大于 等于0. 4erg/cm2,則能充分固定第1磁化固定層的磁化方向，能夠充分發(fā)揮作為磁化電阻效 應膜的功能。根據該圖10的部分(a)的結果可知，在以CuN為基底層的材料的情況下，相 比采用Cu和Ru等以往所使用的基底層材料的情況而言，雖然交換耦合力多少會降低一些， 然而還是能夠發(fā)揮出充分的交換耦合力。圖10的部分(b)表示出橫軸取CuN膜厚(單位為nm)、縱軸取交換耦合力Jex (單 位為erg/cm2)時的上述具有彼此不同的CuN膜厚的多個樣本的結果。如圖10的部分(b) 所示，無論何種CuN膜厚的情況下，交換耦合力Jex都在0. 4erg/cm2以上，根據該結果可知， 與CuN膜厚無關，能夠在第1磁化固定層與反鐵磁層之間產生充分的交換耦合力。實驗5下面說明實驗5。在該實驗中，準備好在具有非晶形結構的輔助基底層之上形成有CuN的基底層的 樣本，使用X射線折射來調查該樣本表面的結晶配光性(米勒指數(shù))。該CuN基底層是應用 使用了具有氬氣和氮氣的濺射氣的濺射而形成的。在該實驗中，對具有使用氬(Ar)氣的流 量為15sCCm且氮氣流量為20sCCm的濺射氣形成的基底層的樣本和具有使用氬(Ar)氣的 流量為15sCCm且氮氣流量為40sCCm的濺射氣形成的基底層的樣本進行了 X射線折射。而 且為了便于比較，準備了形成Cu基底層來代替上述CuN基底層的樣本，對該樣本也進行了 X射線折射。這里說明此時所進行的X射線的概要。圖11是表示X射線解析的概要的說明圖。在該X射線解析中，向樣本400照射由產生特性X射線(此處為CuK α射線)的X 射線源100產生的X射線束，通過計數(shù)器200測定其反射強度。樣本400為具有上述實驗5 中說明的上述層疊結構的樣本，以使固定臺表面與基底層的層表面平行的方式配置于固定 臺300上。該固定臺300能夠通過未圖示的機構相對于X射線束的照射方向旋轉，計數(shù)器 200也根據該固定臺300的旋轉而旋轉。具體而言，如該圖所示，以當固定臺300的旋轉角度(即X射線束的照射角度)為θ時計數(shù)器200的旋轉角度為2 θ的方式，使固定臺300 和計數(shù)器200進行旋轉。在該X射線解析中，當改變了 X射線束的照射角度θ時，求出通 過布拉格(Bragg)反射而使得X射線的反射強度變強(出現(xiàn)峰值)的角度，從而針對樣本 400的結晶結構求出平行于固定臺表面的面的配光性(米勒指數(shù))。圖12是表示實驗5的結果的圖。在該圖中表示出了對Cu基底層的樣本與上述濺射氣中氮氣分量不同的具有CuN 的基底層的2種樣本的X射線的解析結果，可知在Cu基底層的樣本中出現(xiàn)米勒指數(shù)為 (111)的面的峰值，在該樣本中，平行于固定臺表面的面是米勒指數(shù)為(111)的面。另一方 面，可知在具有CuN的基底層的2種樣本中表現(xiàn)出米勒指數(shù)為(200)的晶面的峰值，在這些 樣本中，平行于固定臺表面的面是米勒指數(shù)為(200)的面。根據該實驗可得出以下結論，當采用CuN作為基底層的材料的情況下，基底層表 面的晶面容易成為米勒指數(shù)為(200)的晶面。實驗6下面說明實驗6。在該實驗中，準備如下的樣本在具有非晶形結構的輔助基底層上形成基底層，在 該基底層上按順序形成由Ir-Mn構成的反鐵磁層、由Co-Fe構成的第1磁化固定層、由Ru 構成的非磁層，使用實驗5中所述的X射線折射調查該樣本表面的結晶的配光性(米勒指 數(shù))。其中，作為上述樣本，準備了采用Ni-CrN作為基底層材料的樣本、采用Ru作為基底層 材料的樣本、采用CuN作為基底層材料的樣本、采用CrN作為基底層材料的樣本。其中，在 形成上述樣本中Ni-CrN、CUN、CrN的各基底層時，設濺射氣中的氬氣流量為15sCCm、氮氣流 量為40sCCm來形成基底層。而除了這些樣本之外，還準備了采用Ni-CrN作為基底層材料， 使形成該基底層時濺射氣中的氬氣流量為5Sccm、氮氣流量為50Sccm來形成基底層而得到 的樣本。圖13是表示實驗6的結果的圖。如圖13所示，在采用Ru作為基底層材料的樣本中，能夠清楚識別出Ir-Mn的 (111)面的峰值，與此相對，在使用Ni-CrN、CuN, CrN等金屬氮化物作為基底層材料的樣本 中，不會出現(xiàn)Ir-Mn的(111)面的峰值而會出現(xiàn)Ir-Mn的(200)面的峰值。由此可得到如 下結論，通過采用Ni-CrN、CuN, CrN等金屬氮化物作為基底層材料，從而在形成于基底層上 的由Ir-Mn構成的反鐵磁層中，沿著基底層的晶面易于成為米勒指數(shù)為(200)的晶面。以上就是關于采用金屬氮化物作為基底層材料時的平坦化效果、各層之間的磁相 互作用、晶面的狀態(tài)的實驗說明。接著，針對圖5的磁電阻效應膜21，說明存儲信息的存儲部所采用的 MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)。圖14是表示具有圖5的磁電阻效應膜21的MRAM的概要結構的圖。圖14的部分(a)表示該MRAM的剖面圖。該MRAM具有在硅基板80上配置有讀取 用字線82、M0S晶體管83、寫入用字線88、位線89和圖5的磁電阻效應膜21的結構。讀取用字線82與寫入用字線88是一一對應的，在圖14的部分(a)中沿垂直的方 向延伸。而位線89在圖14的部分(a)的左右方向延伸。MOS晶體管83配置于讀取用字線 82與位線89的交叉部位。其中，讀取用字線82兼作為MOS晶體管83的柵極。S卩，通過施加給讀取用字線82的電壓來控制MOS晶體管83的導通狀態(tài)。磁電阻效應膜21配置于寫入用字線88與位線89的交叉部位。在該MRAM中，磁 電阻效應膜21的第2鐵磁層8 (參見圖5)的磁化方向受到流過寫入用字線88和位線89 的電流所產生的磁場的影響而發(fā)生變化。磁電阻效應膜21的基底層2(參見圖5)經由貫 穿了布線87、多層布線層的多個插頭84和獨立布線85，與MOS晶體管83的一個雜質擴散 區(qū)域81連接。其中，磁電阻效應膜21的表面保護層9(參見圖5)與位線89連接。S卩，布 線87和位線89是使得在磁電阻效應膜21中流過其厚度方向的讀出(sence)電流的電極。 MOS晶體管83的另一個雜質擴散區(qū)域81經由插頭84與接地布線86連接。圖14的部分(b)表示出該MRAM的等效電路圖。如該圖所示，多個讀取用字線82 和寫入用字線88在圖14的部分(b)的上下方向延伸。多個位線89在圖14的部分(b)中 在圖中的左右方向延伸。如圖14的部分(b)所示，磁電阻效應膜21配置于位線89與寫入用字線88的交叉 部位，而MOS晶體管83配置于讀取用字線82與位線89的交叉部位。磁電阻效應膜21的 一個端子與對應的位線89連接，另一個端子與對應的MOS晶體管83的一個端子連接。MOS 晶體管83的另一個端子接地。另外，MOS晶體管83的柵極與對應的讀取用字線82連接。在如上說明的MRAM中，通過具有多個圖5的結構的磁電阻效應膜21，從而以多個 第2鐵磁層8的磁化方向的形式進行信息存儲。在該MRAM中，通過以氮化銅(CuN)形成磁 電阻效應膜21的基底層2，從而不易在包含Ir和Mn的反鐵磁層3表面產生凹凸，作為層 疊于反鐵磁層3上的各層，能避免成為欠缺平坦性的層，還能避免對外部磁場的響應性和 對電壓耐性的降低。其結果，在該MRAM中，可充分發(fā)揮能夠使反鐵磁層3的厚度變薄這一 Ir-Mn的優(yōu)點，能實現(xiàn)小型的MRAM。以上是針對基本方式(和應用方式)對上述磁電阻效應元件、磁頭和信息存儲裝 置的具體實施方式
的說明。在以上說明中，圖5的第1鐵磁層為包括第1磁化固定層、非磁性中間層和第2磁 化固定層的3層結構，而在磁電阻效應元件、磁頭和信息存儲裝置的基本方式中，第1鐵磁 層也可以是單層。另外，在上述說明中，磁電阻效應膜21是非磁層由絕緣體MgO構成且使用了隧道 磁電阻效應(TMR)的磁電阻效應膜，而在磁電阻效應元件、磁頭和信息存儲裝置的基本方 式中，還可以采用非磁層并非絕緣體而利用巨大磁電阻效應(GMR)的磁電阻效應膜。
1權利要求
一種磁電阻效應元件，其在基板上按順序層疊有基底層、反鐵磁性層磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵磁層，其特征在于，上述基底層由金屬氮化物形成，上述反鐵磁層由包含Ir和Mn的反鐵磁性材料形成。
2.根據權利要求1所述的磁電阻效應元件，其特征在于，上述基底層由CuN形成。
3.根據權利要求2所述的磁電阻效應元件，其特征在于，上述由CuN形成的基底層以 (200)晶面與上述基板的表面平行的方式進行結晶取向。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的磁電阻效應元件，其特征在于，上述由Ir和Mn 形成的反鐵磁層以(200)晶面與上述基板的表面平行的方式進行結晶取向。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的磁電阻效應元件，其特征在于，上述非磁層由絕 緣材料形成，其厚度為在其厚度方向流過隧道電流。
6.根據權利要求5所述的磁電阻效應元件，其特征在于，上述絕緣材料是MgO。
7.根據根據權利要求1至6中任一項所述的磁電阻效應元件，其特征在于，上述第1鐵 磁層由至少2層以上構成，其層之間通過非磁層隔開，所隔開的鐵磁層的磁化方向通過交 換耦合而在反平行方向上耦合。
8.根據權利要求2或3所述的磁電阻效應元件，其特征在于，在上述基板上，在由上述 CuN形成的基底層的層之間還具有非晶層。
9.一種磁頭，其特征在于，具有再現(xiàn)元件，其具有磁電阻效應元件，該磁電阻效應元件在基板上按順序層疊有由CuN 構成的基底層、包含Ir和Mn的反鐵磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵磁層；以及記錄元件，其具有薄膜線圈和通過由上述薄膜線圈所產生的磁通的磁極。
10.一種信息存儲裝置，其特征在于，具有再現(xiàn)元件，其具有磁電阻效應元件，該磁電阻效應元件在基板上按順序層疊有由CuN 構成的基底層、包含Ir和Mn的反鐵磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵磁層；記錄元件，其具有薄膜線圈和通過由上述薄膜線圈所產生的磁通的磁極；存儲再現(xiàn)介質，其通過上述磁頭進行信息的記錄和再現(xiàn)；以及信號處理基板，其處理上述磁頭和上述存儲再現(xiàn)介質的信息的記錄信號和再現(xiàn)信號。
全文摘要
磁電阻效應元件在基板上按順序層疊有基底層、反鐵磁層、第1鐵磁層、非磁層、第2鐵磁層，上述基底層由金屬氮化物形成，上述反鐵磁層由包含Ir和Mn在內的反鐵磁性材料形成。另外，磁頭具有記錄元件，其具有薄膜線圈和通過由上述薄膜線圈所產生的磁通的磁極；以及再現(xiàn)元件，其具有上述磁電阻效應元件。另外，信息存儲裝置具有該磁頭；通過該磁頭進行信息的記錄和再現(xiàn)的存儲再現(xiàn)介質；以及信號處理基板，其對上述磁頭和上述存儲再現(xiàn)介質的信息的記錄信號和再現(xiàn)信號進行處理。
文檔編號H01L43/08GK101933172SQ20088012599
公開日2010年12月29日 申請日期2008年1月30日 優(yōu)先權日2008年1月30日
發(fā)明者佐藤雅重, 指宿隆弘, 梅原慎二郎 申請人:富士通株式會社