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JP2009004692A - Magnetoresistive element and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2009004692A
JP2009004692A JP2007166310A JP2007166310A JP2009004692A JP 2009004692 A JP2009004692 A JP 2009004692A JP 2007166310 A JP2007166310 A JP 2007166310A JP 2007166310 A JP2007166310 A JP 2007166310A JP 2009004692 A JP2009004692 A JP 2009004692A
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layer
film
tunnel barrier
magnetic
tmr element
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Application number
JP2007166310A
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Japanese (ja)
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Shinjiro Umehara
慎二郎 梅原
Takahiro Ibusuki
隆弘 指宿
Masashige Sato
雅重 佐藤
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

【課題】素子抵抗が低く、MR比の高いトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)を提供すること。
【解決手段】基板11の上方に下地層12、反強磁性層13、ピンド層14、非磁性結合層15、リファレンス層16、トンネルバリア層17、フリー強磁性層18、及びキャップ層19が順に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子10)において、トンネルバリア層17を、MgO膜等の結晶性酸化物膜を低酸素分圧(例えば10-7Pa程度の高真空下)下で形成し、その後結晶性酸化物膜を酸素ガス又は酸素を含むガスと接触させる。このようにして形成された結晶性酸化物膜を備えたTMR素子10によれば、従来よりも高いMR比が得られる。
【選択図】図1
A tunnel magnetoresistive element (TMR element) having a low element resistance and a high MR ratio is provided.
An underlayer 12, an antiferromagnetic layer 13, a pinned layer 14, a nonmagnetic coupling layer 15, a reference layer 16, a tunnel barrier layer 17, a free ferromagnetic layer 18, and a cap layer 19 are sequentially disposed above a substrate 11. In the formed tunnel magnetoresistive effect element (TMR element 10), the tunnel barrier layer 17 and a crystalline oxide film such as an MgO film are formed under a low oxygen partial pressure (for example, under a high vacuum of about 10 −7 Pa). Then, the crystalline oxide film is brought into contact with oxygen gas or a gas containing oxygen. According to the TMR element 10 including the crystalline oxide film formed as described above, an MR ratio higher than the conventional one can be obtained.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、磁気ディスク装置及び磁気メモリ装置等の磁気デバイスに使用するトンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a tunnel magnetoresistive effect element used for a magnetic device such as a magnetic disk device and a magnetic memory device, and a manufacturing method thereof.

近年の磁気ディスク装置の高記録密度化により、記録媒体からの磁気信号も更に微小になりつつある。このため、磁気ディスク装置の磁気ヘッドに用いられる読み取り素子のS/N比の向上が求められている。また、磁気ディスク装置の高記録密度化に伴って、磁気ヘッド用読み取り素子の転送速度の向上も求められている。   With the recent increase in recording density of magnetic disk devices, magnetic signals from recording media are becoming even smaller. For this reason, an improvement in the S / N ratio of the reading element used in the magnetic head of the magnetic disk device is required. Further, as the recording density of the magnetic disk device is increased, the transfer speed of the magnetic head reading element is also required to be improved.

磁気抵抗効果素子の一種であるTMR(トンネル磁気抵抗効果:Tunneling Magneto Resistance)素子は、MR比(磁気抵抗比:Magneto Resistive ratio)がGMR(Giant Magneto Resistance)素子と比較して高く、S/N比の点で優れているため、現在生産されている磁気ディスク装置の読み取り素子として主流となりつつある。また、TMR素子は磁気ディスク装置の読み取り素子のみならず、磁気メモリ装置(MRAM:Magnetoresistive random access memory)用の記録素子としても期待されている。   A TMR (Tunneling Magneto Resistance) element, which is a type of magnetoresistive effect element, has a higher MR ratio (Magneto Resistive ratio) than a GMR (Giant Magneto Resistance) element, and an S / N ratio. Because of its excellent ratio, it is becoming the mainstream as a reading element for magnetic disk devices currently being produced. Further, the TMR element is expected not only as a reading element of a magnetic disk device but also as a recording element for a magnetic memory device (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory).

このTMR素子は、トンネルバリア膜を強磁性体膜の間に挟んだ強磁性トンネル接合(TMJ:Tunneling Magnetic Junction)を有し、強磁性体膜の磁化の変化により強磁性トンネル接合の抵抗値が変化する。この抵抗値は、トンネルバリア膜を挟んだ強磁性体膜の磁気モーメントが平行の場合には低くなり、反平行の場合には高くなる。この抵抗値の変化率がMR比であり、MR比の高いTMR素子からは、強磁性体膜の変化に伴う信号出力がより大きくなる。   This TMR element has a ferromagnetic tunnel junction (TMJ: Tunneling Magnetic Junction) in which a tunnel barrier film is sandwiched between ferromagnetic films, and the resistance value of the ferromagnetic tunnel junction is changed by a change in magnetization of the ferromagnetic film. Change. This resistance value is low when the magnetic moment of the ferromagnetic film sandwiching the tunnel barrier film is parallel, and is high when the magnetic moment is antiparallel. The rate of change of the resistance value is the MR ratio, and a signal output accompanying a change in the ferromagnetic film is larger from a TMR element having a high MR ratio.

TMR素子のMR比等の特性は、トンネルバリア膜によって大きく左右されることが知られている。トンネルバリア膜として、AlO(酸化アルミニウム)膜、MgO(酸化マグネシウム)膜、TiO(酸化チタン)膜を用いたTMR素子が知られているが、結晶性のMgO膜をトンネルバリア膜に用いた場合には高いMR比が得られる(例えば、非特許文献1〜5)ことが報告されている。この結晶性MgO膜の成膜方法として、電子線蒸着法(例えば、特許文献3)や、スパッタ法(例えば、特許文献4)等がある。なかでも、スパッタ法による成膜は量産性が高い。   It is known that characteristics such as the MR ratio of the TMR element are greatly influenced by the tunnel barrier film. TMR elements using AlO (aluminum oxide) film, MgO (magnesium oxide) film, and TiO (titanium oxide) film are known as tunnel barrier films, but when a crystalline MgO film is used as the tunnel barrier film Reported that a high MR ratio can be obtained (for example, Non-Patent Documents 1 to 5). As a method for forming this crystalline MgO film, there are an electron beam evaporation method (for example, Patent Document 3) and a sputtering method (for example, Patent Document 4). In particular, film formation by sputtering is highly mass-productive.

この他、AlO膜の成膜については、例えば特許文献1や特許文献2等の技術がある。
特開2002−314166号公報 特開2001−84532号公報 特開2006−210391号公報 特開2006−80116号公報 W.H. Butler et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.054416 J. Mathon et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.220403 S. Yuasa et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.868 S.S. Parkin et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.862 D.D. Djayaprawira et al., Applied Physics Letter, Vol. 86 (2004), p.92502
In addition, there is a technique such as Patent Document 1 or Patent Document 2 for forming an AlO film.
JP 2002-314166 A JP 2001-84532 A JP 2006-210391 A JP 2006-80116 A WH Butler et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.054416 J. Mathon et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.220403 S. Yuasa et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.868 SS Parkin et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.862 DD Djayaprawira et al., Applied Physics Letter, Vol. 86 (2004), p.92502

ところで、TMR素子は、トンネルバリア層として絶縁膜を含むため素子の抵抗が比較的大きい。このため、素子抵抗の大きなTMR素子を各種デバイスに用いると、素子の抵抗及び配線等の浮遊容量による時定数が大きくなり、素子の転送速度を高めることが困難となってしまう。TMR素子の転送速度向上の観点からは、素子抵抗を低くする必要がある。TMR素子の抵抗を低くする方法の一つとして、トンネルバリア膜を薄くしてトンネル電流を流れやすくする方法が考えられる。しかしながら、トンネルバリア膜の膜厚を薄くすると、トンネルバリア膜中の結晶欠陥や、トンネルバリア膜の界面の不均一性等の影響を大きく受けてトンネル電流以外の電流流路が生じ、TMR素子のMR比が低下してしまうという問題があった。   By the way, since the TMR element includes an insulating film as a tunnel barrier layer, the resistance of the element is relatively large. For this reason, when a TMR element having a large element resistance is used in various devices, the time constant due to the resistance of the element and the stray capacitance such as wiring increases, and it becomes difficult to increase the transfer rate of the element. From the viewpoint of improving the transfer rate of the TMR element, it is necessary to reduce the element resistance. As one method for reducing the resistance of the TMR element, a method of making the tunnel barrier film thin and facilitating the flow of the tunnel current can be considered. However, when the thickness of the tunnel barrier film is reduced, a current flow path other than the tunnel current is generated due to a large influence of crystal defects in the tunnel barrier film and non-uniformity of the interface of the tunnel barrier film. There was a problem that the MR ratio was lowered.

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、素子の抵抗が低く、高いMR比を有する磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect element having a low element resistance and a high MR ratio, and a method for manufacturing the same.

本発明の一観点によれば、基板の上方に形成された第1の強磁性体層と、前記第1の強磁性体層の上に形成された結晶性酸化物からなるトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層の上に形成された第2の強磁性体層と、を備えた磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層は、酸素暴露処理された結晶性酸化物膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。   According to one aspect of the present invention, a first ferromagnetic layer formed above a substrate, a tunnel barrier layer made of a crystalline oxide formed on the first ferromagnetic layer, A magnetoresistive effect element comprising a second ferromagnetic layer formed on the tunnel barrier layer, wherein the tunnel barrier layer is made of a crystalline oxide film subjected to an oxygen exposure treatment. A magnetoresistive effect element is provided.

上記観点によれば、トンネルバリア層を構成する結晶性酸化物中の酸素欠陥等の結晶欠陥が少ないため、トンネル電子の散乱が起こりにくくなる。このため、トンネルバリア膜を通過するトンネル電子は、従来よりも第1及び第2の強磁性層の磁化方向の差による影響をより大きく受け、MR比をさらに向上することができる。また、結晶性酸化物中の結晶欠陥などに基づくトンネル電流以外の電流流路が減少し、トンネル電流の比率が高まる。このため、薄いトンネルバリア層を有するTMR素子であっても、従来よりも高いMR比が得られる。これにより、素子抵抗が低く、高いMR比を有するTMR素子が得られる。   According to the above viewpoint, since there are few crystal defects such as oxygen defects in the crystalline oxide constituting the tunnel barrier layer, the scattering of tunnel electrons is difficult to occur. For this reason, tunnel electrons passing through the tunnel barrier film are more greatly affected by the difference in the magnetization directions of the first and second ferromagnetic layers than in the prior art, and the MR ratio can be further improved. In addition, the current flow path other than the tunnel current due to crystal defects in the crystalline oxide is reduced, and the ratio of the tunnel current is increased. For this reason, even a TMR element having a thin tunnel barrier layer can obtain a higher MR ratio than the conventional one. As a result, a TMR element having a low element resistance and a high MR ratio can be obtained.

尚、上記観点の磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア膜を結晶性MgOによって形成することにより、高いMR比が得られ好適である。   In the magnetoresistive effect element according to the above aspect, it is preferable that a high MR ratio is obtained by forming the tunnel barrier film with crystalline MgO.

本発明の別の観点によれば、基板上方に強磁性体からなる第1の強磁性体層を形成する工程と、前記第1の強磁性体層の上に結晶性酸化物からなるトンネルバリア層を形成する工程と、前記トンネルバリア層を酸素暴露処理する工程と、前記トンネルバリア層の上に強磁性体からなる第2の強磁性層を形成する工程と、を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of forming a first ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material above a substrate, and a tunnel barrier made of a crystalline oxide on the first ferromagnetic layer. A step of forming a layer, a step of exposing the tunnel barrier layer to oxygen exposure, and a step of forming a second ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material on the tunnel barrier layer. A method of manufacturing a magnetoresistive element is provided.

本観点の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、トンネルバリア層として結晶性酸化物層を形成した後に結晶性酸化物に酸素暴露処理を行っている。このため、結晶性酸化物膜の下地となる、第1の強磁性層を酸化劣化させずに、結晶性酸化物を酸素と接触させることができる。また、結晶性酸化物の酸素暴露処理によってトンネルバリア層中の酸素欠陥(結晶欠陥)が減少するため、本観点による製造方法によれば、トンネルバリア層において酸素欠陥によるトンネル電子の散乱や、酸素欠陥(結晶欠陥)によるトンネル電流以外の電流流路生成の少ない磁気抵抗効果素子が得られる。このため、本観点によればトンネルバリア膜が薄く素子抵抗が低い場合であっても高いMR比が得られるため、情報伝送速度が高く磁気抵抗効果素子を製造することができる。   According to the method of manufacturing a magnetoresistive effect element of this aspect, after the crystalline oxide layer is formed as the tunnel barrier layer, the crystalline oxide is subjected to oxygen exposure treatment. For this reason, the crystalline oxide can be brought into contact with oxygen without oxidizing and degrading the first ferromagnetic layer serving as a base of the crystalline oxide film. In addition, since oxygen defects (crystal defects) in the tunnel barrier layer are reduced by the oxygen exposure treatment of the crystalline oxide, according to the manufacturing method according to this aspect, tunnel electrons are scattered in the tunnel barrier layer due to oxygen defects, oxygen A magnetoresistive element with less current flow path generation other than the tunnel current due to defects (crystal defects) can be obtained. For this reason, according to this aspect, a high MR ratio can be obtained even when the tunnel barrier film is thin and the element resistance is low, so that a magnetoresistive effect element can be manufactured with a high information transmission speed.

上記観点の磁気抵抗効果素子の製造方法において、トンネルバリア膜は、MgOをターゲットとして高真空下でスパッタ法により形成すると好適である。MgOをターゲットとしてスパッタ法により成膜することにより結晶性の良いMgO膜を量産性良く形成することができる。また、高真空下で成膜を行うので、下地となる第1の強磁性層が劣化することなく、結晶性MgO膜を成膜できる。さらに、結晶性MgO膜には酸素暴露処理が行われるので、酸素欠陥(結晶欠陥)の少ない結晶性MgO膜が得られ、膜厚が薄くてもMR比が高い磁気抵抗効果素子を製造できる。   In the method for manufacturing a magnetoresistive effect element according to the above aspect, it is preferable that the tunnel barrier film is formed by sputtering under high vacuum using MgO as a target. An MgO film having good crystallinity can be formed with high productivity by forming a film by sputtering using MgO as a target. Further, since the film formation is performed under a high vacuum, the crystalline MgO film can be formed without deteriorating the first ferromagnetic layer as a base. Furthermore, since the crystalline MgO film is subjected to oxygen exposure treatment, a crystalline MgO film with few oxygen defects (crystal defects) can be obtained, and a magnetoresistive element having a high MR ratio can be manufactured even if the film thickness is small.

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態)
以下図1及び図2を参照しつつ第1実施形態について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係わる磁気抵抗効果素子(TMR素子10)を示す断面図であり、図2は、第1実施形態の実験例及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子のRA(抵抗面積積)及びMR比との関係を示すグラフである。
(First embodiment)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a magnetoresistive effect element (TMR element 10) according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a magnetoresistive effect element according to an experimental example and a comparative example of the first embodiment. It is a graph which shows the relationship between RA (resistance area product) and MR ratio.

図1に示すように、本実施形態のTMR素子10は積層構造物であり、基板11の上方に順に、下地層12、反強磁性層13、ピンド層14、非磁性結合層15、リファレンス層16、トンネルバリア層17、フリー強磁性層18、及びキャップ層19を積層した構造を有する。以下これらの構成について更に詳細に説明する。   As shown in FIG. 1, the TMR element 10 of this embodiment is a laminated structure, and in order above the substrate 11, an underlayer 12, an antiferromagnetic layer 13, a pinned layer 14, a nonmagnetic coupling layer 15, and a reference layer. 16, a tunnel barrier layer 17, a free ferromagnetic layer 18, and a cap layer 19 are stacked. Hereinafter, these configurations will be described in more detail.

基板11は、例えば、Al23−TiC等からなるセラミック基板や、Si単結晶基板を用いることができる。また、基板11と下地層12の間に絶縁膜や導電膜を形成しても良い。例えば、磁気メモリ装置に使用するTMR素子10の場合には、基板11と下地層12との間に層間絶縁膜や、Al又はCu等の導電膜を形成してもよく(後述の図6及び9参照)、磁気ヘッド用のTMR素子10であれば、磁気シールド材としてNiFe膜等を形成しても良い(後述の図4参照)。 As the substrate 11, for example, a ceramic substrate made of Al 2 O 3 —TiC or the like, or a Si single crystal substrate can be used. Further, an insulating film or a conductive film may be formed between the substrate 11 and the base layer 12. For example, in the case of the TMR element 10 used in the magnetic memory device, an interlayer insulating film or a conductive film such as Al or Cu may be formed between the substrate 11 and the base layer 12 (see FIGS. 9), in the case of the TMR element 10 for a magnetic head, a NiFe film or the like may be formed as a magnetic shield material (see FIG. 4 described later).

下地層12は、上方に形成される膜の結晶性を向上するために形成される層であり、例えば5nm以上のTa膜又はRu膜またはこれらの積層膜によって構成される。図1は、下地層12を積層膜として構成した例を示し、下地層12を基板側下地層12a及び上側下地層12bで構成している。この場合、基板側下地層12aを、例えば厚さ3nmのTa膜とし、上側下地層12bを、例えば厚さ2nmのRu膜として構成できる。基板側下地層12a及び上側下地層12bは共にスパッタ法等により形成される。   The underlayer 12 is a layer formed in order to improve the crystallinity of a film formed thereabove, and is composed of, for example, a Ta film of 5 nm or more, a Ru film, or a laminated film thereof. FIG. 1 shows an example in which the base layer 12 is configured as a laminated film, and the base layer 12 is configured by a substrate-side base layer 12a and an upper base layer 12b. In this case, the substrate-side base layer 12a can be configured as a Ta film having a thickness of 3 nm, for example, and the upper base layer 12b can be configured as a Ru film having a thickness of 2 nm, for example. Both the substrate-side base layer 12a and the upper base layer 12b are formed by sputtering or the like.

反強磁性層13は、下地層12の上に形成された層であり、ピンド層14の磁化方向を固定するために形成される。反強磁性層13は、例えば膜厚5〜30nmのTM−Mn系合金(TM=Pt、Pd、Ni、及びIrのうち少なくとも1種を含む。)、例えばIrMn、PtMn、PdPtMn等で構成され、スパッタ法等によって形成される。反強磁性層13は熱処理することによって、規則合金化して反強磁性が出現する。所定方向に磁場を印加しながら熱処理を行うことにより、ピンド層14と交換相互作用によって交換結合を生じ、ピンド層14の磁化の向きを固定できる。この熱処理は、例えば、キャップ層l9を形成後、真空雰囲気中で250℃〜350℃、加熱時間2時間〜4時間、印加磁界1.5Tの条件で行うことができる。   The antiferromagnetic layer 13 is a layer formed on the base layer 12 and is formed to fix the magnetization direction of the pinned layer 14. The antiferromagnetic layer 13 is made of, for example, a TM-Mn alloy having a film thickness of 5 to 30 nm (including at least one of TM = Pt, Pd, Ni, and Ir), such as IrMn, PtMn, and PdPtMn. , Formed by sputtering or the like. The antiferromagnetic layer 13 is regularly alloyed by heat treatment, and antiferromagnetism appears. By performing heat treatment while applying a magnetic field in a predetermined direction, exchange coupling is generated by exchange interaction with the pinned layer 14, and the magnetization direction of the pinned layer 14 can be fixed. This heat treatment can be performed, for example, after forming the cap layer 19 in a vacuum atmosphere at 250 ° C. to 350 ° C., a heating time of 2 hours to 4 hours, and an applied magnetic field of 1.5 T.

ピンド層14は、反強磁性層13の上に形成された層であり、厚さ1〜30nmのFe、Co、Ni又はこれらの合金(例えば、CoFe合金)等の強磁性体膜から構成される。非磁性結合層15は、ピンド層14の上に形成された層であり、厚さ0.4〜0.9nm程度のRu(若しくはRu系合金)、Rh(若しくはRh系合金)、又はIr(若しくはIr系合金)等の非磁性材料から構成される。ピンド層14及び非磁性結合層15はスパッタ法等によって形成することができる。   The pinned layer 14 is a layer formed on the antiferromagnetic layer 13 and is composed of a ferromagnetic film such as Fe, Co, Ni, or an alloy thereof (for example, a CoFe alloy) having a thickness of 1 to 30 nm. The The nonmagnetic coupling layer 15 is a layer formed on the pinned layer 14 and has a thickness of about 0.4 to 0.9 nm of Ru (or Ru-based alloy), Rh (or Rh-based alloy), or Ir ( Or an Ir-based alloy). The pinned layer 14 and the nonmagnetic coupling layer 15 can be formed by sputtering or the like.

リファレンス層16は、非磁性結合層15の上に形成された層であり、厚さ1〜30nmのCoFe膜、NiFe膜、又はCoFeB膜等によって構成される。トンネルバリア層17を結晶性MgO膜で構成する場合、リファレンス層16にCoFeBを用いると高いMR比が得られ好適である。リファレンス層16は、スパッタ法等により形成することができる。以上のように構成されたピンド層14、非磁性結合層15、及びリファレンス層16はシンセティクフェリピン層(交換結合膜)を構成する。すなわち、リファレンス層16は、非磁性結合層15を介してピンド層14と反強磁性的に交換結合しており、リファレンス層16の磁化の向きは、ピンド層14の磁化方向と反平行の向きに固定されている。   The reference layer 16 is a layer formed on the nonmagnetic coupling layer 15 and is composed of a CoFe film, a NiFe film, a CoFeB film, or the like having a thickness of 1 to 30 nm. When the tunnel barrier layer 17 is composed of a crystalline MgO film, it is preferable to use CoFeB for the reference layer 16 because a high MR ratio can be obtained. The reference layer 16 can be formed by a sputtering method or the like. The pinned layer 14, the nonmagnetic coupling layer 15, and the reference layer 16 configured as described above constitute a synthetic ferri-pin layer (exchange coupling film). That is, the reference layer 16 is antiferromagnetically exchange-coupled with the pinned layer 14 via the nonmagnetic coupling layer 15, and the magnetization direction of the reference layer 16 is antiparallel to the magnetization direction of the pinned layer 14. It is fixed to.

トンネルバリア層17は、リファレンス層16の表面に形成された絶縁膜からなる層であり、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物膜によって構成される。この結晶性酸化物膜は、例えば結晶性MgO膜によって構成される。結晶性酸化物膜の厚さは、用途によって各種選択することができるが、磁気ヘッド等の読み取り素子に適した素子特性、特に素子抵抗を低くして高速な情報転送速度を得る観点からはできるだけ薄く形成することが望ましい。例えば、結晶性酸化物膜をMgO膜とした場合には、厚さは1.2nm以下、より好ましくは1nm以下とすることができる。この結晶性MgO膜はMgOをターゲットとしてスパッタ法で成膜できる。   The tunnel barrier layer 17 is a layer made of an insulating film formed on the surface of the reference layer 16 and is composed of a crystalline oxide film that has been subjected to oxygen exposure treatment. This crystalline oxide film is composed of, for example, a crystalline MgO film. The thickness of the crystalline oxide film can be variously selected depending on the application, but it is as much as possible from the viewpoint of obtaining high-speed information transfer speed by lowering element resistance suitable for a reading element such as a magnetic head, in particular, element resistance. It is desirable to form it thinly. For example, when the crystalline oxide film is an MgO film, the thickness can be 1.2 nm or less, more preferably 1 nm or less. This crystalline MgO film can be formed by sputtering using MgO as a target.

結晶性酸化物膜の成膜は、リファレンス層16の酸化劣化を防止すべく、低酸素分圧下(例えば全圧10-7Pa程度の真空雰囲気)で行われるため、成膜直後の結晶性酸化物膜には酸素欠陥が含まれる。本実施形態は、酸素欠陥を含む結晶性酸化物膜の形成後に酸素暴露処理を行い、酸素欠陥などの結晶欠陥の少ない結晶性酸化物膜として、トンネルバリア膜17を構成している。例えば、結晶性MgO膜の場合は結晶性MgO膜を成膜後、MgO膜を室温で酸素分圧が103Pa以下の酸素ガスまたは酸素を含むガスと所定時間接触させる。この酸素暴露処理によって、結晶性MgO膜中の酸素欠陥等の結晶欠陥が減少できる。また、結晶性MgO膜の形成後に酸素暴露処理を行うため、下地側の強磁性体膜(リファレンス層16)の酸化劣化を起こしにくく、トンネルバリア膜17とリファレンス層16との界面付近の劣化を抑制することができる。 Since the crystalline oxide film is formed under a low oxygen partial pressure (for example, a vacuum atmosphere having a total pressure of about 10 −7 Pa) in order to prevent oxidative deterioration of the reference layer 16, the crystalline oxidation film immediately after the film formation is formed. The material film contains oxygen defects. In the present embodiment, the tunnel barrier film 17 is configured as a crystalline oxide film having few crystal defects such as oxygen defects by performing an oxygen exposure treatment after forming a crystalline oxide film containing oxygen defects. For example, in the case of a crystalline MgO film, after forming the crystalline MgO film, the MgO film is brought into contact with an oxygen gas having an oxygen partial pressure of 10 3 Pa or less at room temperature or a gas containing oxygen for a predetermined time. This oxygen exposure treatment can reduce crystal defects such as oxygen defects in the crystalline MgO film. Further, since the oxygen exposure treatment is performed after the formation of the crystalline MgO film, the underlying ferromagnetic film (reference layer 16) is less likely to be oxidized and deteriorated near the interface between the tunnel barrier film 17 and the reference layer 16. Can be suppressed.

フリー強磁性層18は、トンネルバリア膜17の上に形成された層であり、膜厚が1nm〜30nmのCo、Ni及びFeの少なくとも1種を含む強磁性材料、例えば、CoFe、CoFeB、NiFe(パーマロイ)等、又はこれらの材料からなる膜の積層体により構成することができる。フリー強磁性層18の材料は用途に応じて適宜選択することができる。例えば、CoFeBを用いた場合には高いMR比が得られるため、磁気メモリ等の記録素子に適するTMR素子10が得られる。また、CoFe/NiFe積層膜やNiFe等の保持力が低い強磁性材料を使用することにより、磁気ヘッドなどに適したTMR素子10が得られる。また、フリー強磁性層18は非磁性層を中間層として用いた積層フリー層としてもよく、例えばCoFeB/Ru/CoFeB等でも構成できる。フリー強磁性層18は、スパッタ法などにより形成される。フリー強磁性層18の磁化は面内方向を向いており、例えば、磁気記録媒体から漏れる磁場や、磁気メモリ装置のワード線を流れる電流によって発生した磁場によって、その磁化の方向が変化する。   The free ferromagnetic layer 18 is a layer formed on the tunnel barrier film 17 and has a thickness of 1 nm to 30 nm and includes a ferromagnetic material containing at least one of Co, Ni, and Fe, for example, CoFe, CoFeB, NiFe. (Permalloy) or the like, or a laminate of films made of these materials. The material of the free ferromagnetic layer 18 can be appropriately selected according to the application. For example, when CoFeB is used, a high MR ratio can be obtained, so that the TMR element 10 suitable for a recording element such as a magnetic memory can be obtained. Further, by using a ferromagnetic material having a low coercive force such as a CoFe / NiFe laminated film or NiFe, the TMR element 10 suitable for a magnetic head or the like can be obtained. The free ferromagnetic layer 18 may be a laminated free layer using a nonmagnetic layer as an intermediate layer, and may be composed of, for example, CoFeB / Ru / CoFeB. The free ferromagnetic layer 18 is formed by sputtering or the like. The magnetization of the free ferromagnetic layer 18 is directed in the in-plane direction. For example, the magnetization direction changes depending on the magnetic field leaking from the magnetic recording medium or the magnetic field generated by the current flowing through the word line of the magnetic memory device.

キャップ層19は、フリー強磁性層18の上に形成された層であり、例えば、厚さ3nm以上のTa膜、Ru膜、又はこれらの積層膜によって構成される。図1に示す例では、キャップ層19を基板側キャップ層19a(例えば厚さ5nmのTa膜)と、上側キャップ層19b(例えば厚さ10nmのRu膜)の積層構造としている。キャップ層19(基板側キャップ層19a及び上側キャップ層19b)はスパッタ法などにより形成される。   The cap layer 19 is a layer formed on the free ferromagnetic layer 18 and is composed of, for example, a Ta film having a thickness of 3 nm or more, a Ru film, or a laminated film thereof. In the example shown in FIG. 1, the cap layer 19 has a laminated structure of a substrate-side cap layer 19a (for example, a Ta film having a thickness of 5 nm) and an upper cap layer 19b (for example, a Ru film having a thickness of 10 nm). The cap layer 19 (substrate-side cap layer 19a and upper cap layer 19b) is formed by sputtering or the like.

以下、本実施形態に係わるTMR素子10の製造方法について、図1に示すTMR素子10を例に説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the TMR element 10 according to the present embodiment will be described using the TMR element 10 shown in FIG. 1 as an example.

基板の上方に、基板側下地層12a、上側下地層12b、反強磁性層13、ピンド層14、非磁性結合層15、及びリファレンス層16を順にスパッタ法によって形成する。尚いずれの工程も、室温で成膜を行うことができる。これらの工程は高真空下(10-7Pa程度)において行い、基板の移送も高真空下で行うことで強磁性層等を構成する金属膜の酸化劣化を防止できる。リファレンス層16の形成後、トンネルバリア層17の形成を行う。トンネルバリア層17の形成工程では、先ず結晶性酸化物膜を形成する。結晶性酸化物膜としてMgO膜を形成する場合には、MgOをターゲットに用いてスパッタ法によってリファレンス層16の上にMgO膜を形成する。この工程により結晶性MgO膜を形成することができる。この工程において、成膜中の酸素分圧が高いと下地のリファレンス層16が酸化されて劣化してしまうため、低酸素分圧下(例えば全圧が10-7Pa程度の真空雰囲気下)で行うことが望ましい。 A substrate side underlayer 12a, an upper underlayer 12b, an antiferromagnetic layer 13, a pinned layer 14, a nonmagnetic coupling layer 15, and a reference layer 16 are sequentially formed on the substrate by sputtering. In any process, film formation can be performed at room temperature. These steps are performed under high vacuum (about 10 −7 Pa), and the substrate is also transferred under high vacuum, thereby preventing oxidative degradation of the metal film constituting the ferromagnetic layer and the like. After the formation of the reference layer 16, the tunnel barrier layer 17 is formed. In the formation process of the tunnel barrier layer 17, a crystalline oxide film is first formed. When forming an MgO film as the crystalline oxide film, the MgO film is formed on the reference layer 16 by sputtering using MgO as a target. By this step, a crystalline MgO film can be formed. In this step, if the oxygen partial pressure during film formation is high, the underlying reference layer 16 is oxidized and deteriorates, and therefore, it is performed under a low oxygen partial pressure (for example, in a vacuum atmosphere with a total pressure of about 10 −7 Pa). It is desirable.

次に、形成された結晶性酸化物膜の酸素暴露処理を行う。この場合、結晶性酸化物膜が形成された基板を、成膜用のチャンバから酸素暴露処理用のチャンバに移送する。これは、成膜用チャンバで酸素暴露処理を行うと、その次の基板の成膜処理を行う前に減圧やパージ等の酸素分圧を下げる処理を行う必要があるため手順が煩雑となるとともに、チャンバ内に残留した酸素によって強磁性体膜(リファレンス層16)が酸化劣化するおそれがあるためである。   Next, the formed crystalline oxide film is subjected to oxygen exposure treatment. In this case, the substrate on which the crystalline oxide film is formed is transferred from the deposition chamber to the oxygen exposure chamber. This is because when oxygen exposure processing is performed in the film forming chamber, it is necessary to perform processing for lowering the oxygen partial pressure such as decompression or purging before performing the next substrate film forming processing, and the procedure becomes complicated. This is because the ferromagnetic film (reference layer 16) may be oxidized and deteriorated by oxygen remaining in the chamber.

酸素暴露処理は、酸素暴露処理用のチャンバを真空排気しながら酸素ガスまたは酸素を含むガスを所定時間導入して酸素分圧を103Pa以下となるようにして、結晶性MgO膜等の結晶性酸化物膜をO2と接触させる。尚、酸素暴露処理は、基板温度を室温として行うことができる。結晶性酸化物膜をO2と接触させる時間(チャンバ内に酸素ガスを導入する時間;以下、酸素暴露時間と呼ぶ)は、結晶性酸化物膜の膜厚及び酸素分圧に応じて適宜最適化する必要がある。酸素暴露時間が長すぎると素子のMR比が低下するからである。これは、結晶性酸化物膜中の結晶欠陥やピンホール等を介した酸素の拡散により下地のリファレンス層16が酸化劣化するためである。最適な酸素暴露時間は、一定酸素分圧下において、結晶性酸化物膜の膜厚が薄い場合には短くなり、結晶性酸化物膜の膜厚が厚い場合には長くなる。また、一定膜厚下において、酸素分圧が高い場合に短く、酸素分圧が低い場合に長くなる。酸素暴露処理の制御性の観点から、結晶性酸化物膜にMgO膜を用いる場合には、酸素分圧を103Pa以下として酸素暴露処理を行うことが望ましい。例えば、結晶性酸化物膜が厚さ1nm程度のMgO膜の場合には、室温で、酸素分圧130Paの場合、最適な酸素暴露時間は120秒となる。尚、上述の例では基板温度を室温としたが、本実施形態はこれに限られず、基板を加熱又は冷却して酸素暴露処理を行ってもよく、この場合は最も高いMR比が得られるように酸素分圧及び酸素暴露時間を適宜最適化すればよい。以上の結晶性酸化物膜の成膜及び結晶性酸化物膜の酸素暴露処理によってトンネルバリア膜17の形成工程が完了する。 In the oxygen exposure treatment, an oxygen gas or a gas containing oxygen is introduced for a predetermined time while evacuating the chamber for oxygen exposure treatment so that the oxygen partial pressure becomes 10 3 Pa or less, and a crystal such as a crystalline MgO film is formed. The conductive oxide film is brought into contact with O 2 . The oxygen exposure treatment can be performed at a substrate temperature of room temperature. The time for bringing the crystalline oxide film into contact with O 2 (time for introducing oxygen gas into the chamber; hereinafter referred to as oxygen exposure time) is optimal as appropriate according to the thickness of the crystalline oxide film and the oxygen partial pressure. It is necessary to make it. This is because if the oxygen exposure time is too long, the MR ratio of the device decreases. This is because the underlying reference layer 16 is oxidized and deteriorated due to oxygen diffusion through crystal defects or pinholes in the crystalline oxide film. The optimum oxygen exposure time is shorter when the thickness of the crystalline oxide film is thin and longer when the thickness of the crystalline oxide film is thick under a constant oxygen partial pressure. Further, under a certain film thickness, it is short when the oxygen partial pressure is high, and is long when the oxygen partial pressure is low. From the viewpoint of controllability of the oxygen exposure treatment, when an MgO film is used as the crystalline oxide film, it is desirable to perform the oxygen exposure treatment with an oxygen partial pressure of 10 3 Pa or less. For example, when the crystalline oxide film is an MgO film having a thickness of about 1 nm, the optimum oxygen exposure time is 120 seconds at room temperature and an oxygen partial pressure of 130 Pa. In the above example, the substrate temperature is set to room temperature. However, the present embodiment is not limited to this, and the oxygen exposure treatment may be performed by heating or cooling the substrate. In this case, the highest MR ratio is obtained. In addition, the oxygen partial pressure and the oxygen exposure time may be optimized as appropriate. The formation process of the tunnel barrier film 17 is completed by the formation of the crystalline oxide film and the oxygen exposure treatment of the crystalline oxide film.

その後、基板11を低酸素分圧下(例えば全圧10-7Pa程度の真空雰囲気)のチャンバに移送して、フリー強磁性層18、基板側キャップ層19a、及び上側キャップ層19をスパッタ法により順次形成する。尚、これら層の形成は室温によって行うことができる。その後、基板11を真空雰囲気下で、温度250℃〜350℃、加熱時間2時間〜4時間、印加磁界1.5T(テスラ)の条件で熱処理することにより、ピンド層14およびリファレンス層16の磁化の方向を固定する。このようにして形成された磁気抵抗効果膜を公知のフォトリソグラフ法、エッチング処理により整形し、公知の成膜方法(スパッタ法、CVD法等)により基板11側及びキャップ層19側に電極を形成することにより、本実施形態のTMR素子10が完成する。 Thereafter, the substrate 11 is transferred to a chamber under a low oxygen partial pressure (for example, a vacuum atmosphere having a total pressure of about 10 −7 Pa), and the free ferromagnetic layer 18, the substrate side cap layer 19a, and the upper cap layer 19 are sputtered. Sequentially formed. These layers can be formed at room temperature. Thereafter, the magnetization of the pinned layer 14 and the reference layer 16 is performed by heat-treating the substrate 11 under a vacuum atmosphere at a temperature of 250 ° C. to 350 ° C., a heating time of 2 hours to 4 hours, and an applied magnetic field of 1.5 T (Tesla). Fix the direction. The magnetoresistive film thus formed is shaped by a known photolithography method or etching process, and electrodes are formed on the substrate 11 side and the cap layer 19 side by a known film forming method (sputtering method, CVD method, etc.). As a result, the TMR element 10 of the present embodiment is completed.

(実験例)
本実施形態の一態様である実験例に係わる磁気抵抗効果素子及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子を作製し、そのMR比の測定を行った。実験例に係わる磁気抵抗効果素子は、基板側から順に、厚さ3nmのTa膜(基板側下地層12a)、厚さ2nmのRu膜(上側下地層12b)、厚さ7nmのIrMn膜(反強磁性層13)、厚さ1.8nmのCoFe膜(ピンド層14)、厚さ0.8nmのRu膜(非磁性結合層15)、厚さ2.0nmのCoFeB膜(リファレンス層16)、厚さ1.2nm以下の結晶性MgO膜(トンネルバリア層17)、厚さ3.0nmのCoFeB膜(フリー強磁性層18)、厚さ5nmのTa膜(基板側キャップ層19a)、厚さ10nmのRu膜(上側キャップ層19b)からなる。これらの膜は、MgO膜を含め、室温において、高真空下(10-7Pa程度)でスパッタ法により形成した。また、本実験例のトンネルバリア層17は厚さを1.2nm以下の範囲で厚さを変化させた膜をMgO膜からなり、これらのMgO膜に対して室温の下、膜厚に応じてMR比が最善となるように適宜酸素暴露時間および酸素分圧を変化させながら酸素暴露処理を行った。このうち、膜厚1.0nmのMgO膜に対しては、基板温度を室温として酸素分圧130Pa、酸素暴露処理時間120秒で酸素暴露処理を行った。
(Experimental example)
A magnetoresistive effect element according to an experimental example which is an aspect of the present embodiment and a magnetoresistive effect element according to a comparative example were manufactured, and the MR ratio was measured. The magnetoresistive effect element according to the experimental example includes, in order from the substrate side, a 3 nm thick Ta film (substrate side underlayer 12a), a 2 nm thick Ru film (upper underlayer 12b), and a 7 nm thick IrMn film (anti-layer). Ferromagnetic layer 13), 1.8 nm thick CoFe film (pinned layer 14), 0.8 nm thick Ru film (nonmagnetic coupling layer 15), 2.0 nm thick CoFeB film (reference layer 16), Crystalline MgO film (tunnel barrier layer 17) having a thickness of 1.2 nm or less, CoFeB film (free ferromagnetic layer 18) having a thickness of 3.0 nm, Ta film having a thickness of 5 nm (substrate-side cap layer 19a), thickness It consists of a 10 nm Ru film (upper cap layer 19b). These films, including the MgO film, were formed by sputtering at room temperature under high vacuum (about 10 −7 Pa). Further, the tunnel barrier layer 17 of this experimental example is made of MgO films whose thickness is changed within a range of 1.2 nm or less, and these MgO films are formed at room temperature and in accordance with the film thickness. Oxygen exposure treatment was performed while appropriately changing the oxygen exposure time and oxygen partial pressure so as to optimize the MR ratio. Among these, the MgO film having a thickness of 1.0 nm was subjected to oxygen exposure treatment at a substrate temperature of room temperature and an oxygen partial pressure of 130 Pa and an oxygen exposure treatment time of 120 seconds.

一方、比較例の磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア膜以外は実験例と同様の積層膜によって構成され、その製法もトンネルバリア膜17の形成工程を除いて同様である。比較例のトンネルバリア膜は結晶性MgO膜からなり、実験例と同様に真空雰囲気(10-7Pa)においてMgOをターゲットとしたスパッタ法により成膜した。但し、比較例は結晶性MgO膜に対して酸素暴露処理を行わずにトンネルバリア膜形成工程を終了している点で本実験例と相違する。 On the other hand, the magnetoresistive effect element of the comparative example is composed of a laminated film similar to the experimental example except for the tunnel barrier film, and the manufacturing method is the same except for the step of forming the tunnel barrier film 17. The tunnel barrier film of the comparative example was made of a crystalline MgO film, and was formed by sputtering using MgO as a target in a vacuum atmosphere (10 −7 Pa) as in the experimental example. However, the comparative example is different from the experimental example in that the tunnel barrier film forming step is completed without performing the oxygen exposure treatment on the crystalline MgO film.

作製されたTMR素子について抵抗値及びMR比を測定し、その結果に基づいて各素子の抵抗面積積RA(Ωμm2)を求めた。ここで、抵抗面積積とは、素子面積(μm2)と抵抗値(Ω)との積である。例えば試料素子の膜面の大きさが0.1μm×0.1μmであって素子の抵抗値が300Ωであった場合には、抵抗面積積は3(Ωμm2)と求められる。尚、本実験例及び比較例のTMR素子の抵抗面積積RAは、MgO膜の膜厚に依存し、RA=10(Ωμm2)を示す試料ではMgO膜の膜厚は1.2nm程度であり、RA=3(Ωμm2)を示す試料のMgO膜の膜厚は1.0nm程度であった。 The resistance value and MR ratio of the manufactured TMR element were measured, and the resistance area product RA (Ωμm 2 ) of each element was determined based on the results. Here, the resistance area product is a product of an element area (μm 2 ) and a resistance value (Ω). For example, when the size of the film surface of the sample element is 0.1 μm × 0.1 μm and the resistance value of the element is 300Ω, the resistance area product is determined to be 3 (Ωμm 2 ). The resistance area product RA of the TMR elements of this experimental example and the comparative example depends on the thickness of the MgO film, and in the sample showing RA = 10 (Ωμm 2 ), the thickness of the MgO film is about 1.2 nm. The film thickness of the MgO film of the sample showing RA = 3 (Ωμm 2 ) was about 1.0 nm.

本実験例及び比較例のTMR素子の抵抗面積積RAとMR比との関係は図2に示すように、同一の抵抗面積積RAを有する試料間で比較した場合には本実験例のTMR素子の方が高いMR比が得られた。特に、磁気ヘッドに適した1〜3.5Ωμm2の低い抵抗面積積RAを有するTMR素子では、本実験例の素子は25%〜60%のMR比が得られ、比較例よりも2割程度高いMR比を示した。これは、本実験例及び比較例のトンネルバリア膜共に低酸素分圧下(高真空下)においてスパッタ法で形成されているため、MgO膜中に酸素欠陥が多く含まれるものと考えられる。しかしながら本実験例のトンネルバリア膜の場合には酸素暴露処理によって酸素欠陥(結晶欠陥)が減少し、酸素欠陥に基づくトンネル電子のスピン散乱の減少や、酸素欠陥に基づくトンネル電流以外の電流流路形成が減少するため、酸素欠陥等を多く含む比較例のTMR素子よりもMR比が向上したものと考えられる。 As shown in FIG. 2, the relationship between the resistance area product RA and the MR ratio of the TMR elements of the present experimental example and the comparative example is as follows. The higher MR ratio was obtained. In particular, in a TMR element having a low resistance area product RA of 1 to 3.5 Ωμm 2 suitable for a magnetic head, the element of this experimental example has an MR ratio of 25% to 60%, which is about 20% that of the comparative example. A high MR ratio was exhibited. This is presumably because the tunnel barrier films of the present experimental example and the comparative example are formed by sputtering under a low oxygen partial pressure (high vacuum), so that the MgO film contains many oxygen defects. However, in the case of the tunnel barrier film of this experimental example, oxygen defects (crystal defects) are reduced by the oxygen exposure treatment, the tunnel electron spin scattering based on the oxygen defects is reduced, and the current flow path other than the tunnel current based on the oxygen defects Since the formation is reduced, it is considered that the MR ratio is improved as compared with the TMR element of the comparative example including many oxygen defects.

以上のように、本実施形態に係わる磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層17として結晶性酸化物膜を形成した後、結晶性酸化物膜を酸素ガスと接触させる処理を行うことにより酸素欠陥(結晶欠陥)が少ない結晶性酸化物(例えばMgO)膜が得られる。また、トンネルバリア膜中の酸素欠陥を減少させる処理を結晶性酸化物形成後に行っているため、下地側の強磁性膜が劣化する恐れがない。さらに、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物膜によれば、酸素欠陥(結晶欠陥)によるトンネル電子のスピン散乱や、酸素欠陥(結晶欠陥)によるトンネル電流以外の電流流路生成が少なくなる。このため、トンネルバリア膜の膜厚が薄く低抵抗(低抵抗面積積RA)の素子であっても高いMR比が得られる。さらに、本実施形態のTMR素子10によれば低い素子抵抗によって情報転送速度を向上することができる。   As described above, in the magnetoresistive effect element according to the present embodiment, after the crystalline oxide film is formed as the tunnel barrier layer 17, the oxygen defect ( A crystalline oxide (eg, MgO) film with few crystal defects can be obtained. In addition, since the treatment for reducing oxygen defects in the tunnel barrier film is performed after the formation of the crystalline oxide, there is no possibility that the ferromagnetic film on the base side is deteriorated. Furthermore, according to the crystalline oxide film subjected to the oxygen exposure treatment, spin scattering of tunnel electrons due to oxygen defects (crystal defects) and generation of current channels other than tunnel current due to oxygen defects (crystal defects) are reduced. Therefore, a high MR ratio can be obtained even with an element having a thin tunnel barrier film and a low resistance (low resistance area product RA). Furthermore, according to the TMR element 10 of the present embodiment, the information transfer rate can be improved by a low element resistance.

(第2実施形態)
以下、図3〜図5を参照しつつ、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド及び磁気ディスク装置に関するものである。ここに、図3は第2実施形態の磁気ヘッド30の要部を示す断面図であり、図4(a)〜(c)は第2実施形態の磁気ヘッド30の製造途中の様子を示す断面図であり、図5は第2実施形態の磁気ディスク装置50を示す図である。上記各図において、既に説明した構成と同一の構成については同一符号を付し、その説明は省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to FIGS. The second embodiment relates to a magnetic head and a magnetic disk apparatus provided with the magnetoresistive effect element of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part of the magnetic head 30 of the second embodiment, and FIGS. 4A to 4C are cross-sections showing a state during the manufacture of the magnetic head 30 of the second embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a magnetic disk device 50 according to the second embodiment. In the above drawings, the same reference numerals are given to the same components as those already described, and the description thereof is omitted.

(磁気ヘッド)
図3に示すように、磁気ヘッド30は、基板31の上方に形成されたTMR素子10と、その上方に形成された誘導型記録素子35とを備える。
(Magnetic head)
As shown in FIG. 3, the magnetic head 30 includes a TMR element 10 formed above a substrate 31 and an inductive recording element 35 formed above the TMR element 10.

基板31は、磁気ヘッド30のヘッドスライダとなり、Al23−TiC等のセラミック基板(アルチック基板)からなる。基板31の上には基板側磁気シールド層32が形成されている。基板側シールド層32は、TMR素子10の磁気シールドと下部電極とを兼ね、軟磁性合金として、例えばNiFe又はCoFe等から構成される。基板側シールド層32の上にはTMR素子10が形成されている。TMR素子10の積層膜の膜面は紙面と垂直な方向に広がり、その法線が図3の紙面上下方向に伸びる線と略同一となるように形成されている。TMR素子10の側方には磁区制御層41が設けられている。磁区制御層41は、TMR素子10を構成するリファレンス層16やフリー強磁性層18の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。TMR素子10の上には上側磁気シールド層34が形成されている。上側磁気シールド層34は、TMR素子10の磁気シールドと上部電極とを兼ね、基板側磁気シールド層32と同様な、軟磁性合金材料を用いて形成される。 The substrate 31 is a head slider of the magnetic head 30 and is made of a ceramic substrate (altic substrate) such as Al 2 O 3 —TiC. A substrate-side magnetic shield layer 32 is formed on the substrate 31. The substrate side shield layer 32 serves as a magnetic shield and a lower electrode of the TMR element 10 and is made of, for example, NiFe or CoFe as a soft magnetic alloy. The TMR element 10 is formed on the substrate side shield layer 32. The film surface of the laminated film of the TMR element 10 extends in a direction perpendicular to the paper surface, and its normal line is formed to be substantially the same as a line extending in the vertical direction of the paper surface in FIG. A magnetic domain control layer 41 is provided on the side of the TMR element 10. The magnetic domain control layer 41 makes the reference layer 16 and the free ferromagnetic layer 18 constituting the TMR element 10 into a single magnetic domain and prevents Barkhausen noise from occurring. An upper magnetic shield layer 34 is formed on the TMR element 10. The upper magnetic shield layer 34 serves as a magnetic shield and an upper electrode of the TMR element 10 and is formed using a soft magnetic alloy material similar to the substrate-side magnetic shield layer 32.

誘導型記録素子35は、主磁極36並びに補助磁極(上側磁気シールド層34を兼ねる)と、磁極間に形成された記録ギャップと、磁極を磁気的に接続するヨークと、ヨークを巻き回す誘導コイル42とを有する。   The inductive recording element 35 includes a main magnetic pole 36 and an auxiliary magnetic pole (also serving as the upper magnetic shield layer 34), a recording gap formed between the magnetic poles, a yoke that magnetically connects the magnetic poles, and an induction coil that winds the yoke. 42.

次に図4(a)〜(c)を参照しつつ磁気ヘッド30の製造方法を説明する。尚、図4(a)〜(c)は磁気ヘッドを記録媒体側から見たときの構造を示している。   Next, a method for manufacturing the magnetic head 30 will be described with reference to FIGS. 4A to 4C show structures when the magnetic head is viewed from the recording medium side.

まず、図4(a)に示す構造を形成するまでの工程について説明する。基板31の上にAl23膜を形成し(図示せず)、その上に例えばNiFeなどの軟磁性合金により磁基板側磁気シールド層32を2〜3μmの厚さに形成する。そして、軟磁性磁気シールド層32の上にTMR素子10を構成する下地層12(基板側下地層12a並びに上側下地層12b)、反強磁性層13、ピンド層14、非磁性結合層15、リファレンス層16、トンネルバリア層17、フリー強磁性層18、及びキャップ層19(基板側キャップ層19a並びに上側キャップ層19b)を順に形成することにより磁気抵抗効果膜が形成され、図4(a)に示す構造物が完成する。尚、磁気抵抗効果膜を構成する各層の膜厚、材質、製法は第1実施形態のTMR素子10と同様とすることができる。 First, steps required until a structure shown in FIG. An Al 2 O 3 film is formed on the substrate 31 (not shown), and a magnetic substrate-side magnetic shield layer 32 is formed on the substrate 31 with a soft magnetic alloy such as NiFe to a thickness of 2 to 3 μm. Then, the underlayer 12 (the substrate side underlayer 12a and the upper underlayer 12b) constituting the TMR element 10, the antiferromagnetic layer 13, the pinned layer 14, the nonmagnetic coupling layer 15, and the reference are formed on the soft magnetic shield layer 32. A magnetoresistive film is formed by sequentially forming the layer 16, the tunnel barrier layer 17, the free ferromagnetic layer 18, and the cap layer 19 (the substrate-side cap layer 19a and the upper cap layer 19b), as shown in FIG. The structure shown is completed. The film thickness, material, and manufacturing method of each layer constituting the magnetoresistive film can be the same as those of the TMR element 10 of the first embodiment.

次に、形成された磁気抵抗効果膜を所定の形状に加工する。磁気抵抗効果膜の上にフォトレジスト法により所定の形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして基板側磁気シールド層32が露出するまでイオンミーリングを施して、図4(b)に示す構造物(TMR素子10)が完成する。   Next, the formed magnetoresistive film is processed into a predetermined shape. A resist pattern having a predetermined shape is formed on the magnetoresistive film by a photoresist method, and ion milling is performed using the resist pattern as a mask until the substrate-side magnetic shield layer 32 is exposed, as shown in FIG. The structure (TMR element 10) is completed.

次に、図4(c)に示す構造物を形成するまでの工程について説明する。上述のように磁気抵抗効果膜を所定の寸法に加工した後、レジストパターンを残したまま、スパッタリング法により基板31の上側面全面に厚さ3〜10nmの絶縁膜40を形成する。その後、スパッタリング法により、絶縁膜40の上にCoCrPtを堆積させて、TMR素子10の両側部に磁区制御層41を形成する。次いで、レジストパターンを除去する。   Next, steps required until a structure shown in FIG. After the magnetoresistive film is processed to a predetermined size as described above, the insulating film 40 having a thickness of 3 to 10 nm is formed on the entire upper surface of the substrate 31 by sputtering while leaving the resist pattern. Thereafter, CoCrPt is deposited on the insulating film 40 by sputtering to form the magnetic domain control layers 41 on both sides of the TMR element 10. Next, the resist pattern is removed.

次に、磁区制御層41の表面を平坦化した後、TMR素子10及び磁区制御層41の表面の上に例えばNiFeなどからなる上側磁気シールド層34を2〜3μmの厚さに形成する。このようにして、図4(c)に示す構造物が完成する。   Next, after planarizing the surface of the magnetic domain control layer 41, the upper magnetic shield layer 34 made of, for example, NiFe is formed on the surfaces of the TMR element 10 and the magnetic domain control layer 41 to a thickness of 2 to 3 μm. In this way, the structure shown in FIG. 4C is completed.

次いで、公知の方法により、上側磁気シールド層34の上に、誘導型記録素子35(主磁極、補助磁極、ヨーク、コイル等)を形成する(図3参照)。このようにして、本実施形態に係わる磁気ヘッド30が完成する。   Next, an inductive recording element 35 (main magnetic pole, auxiliary magnetic pole, yoke, coil, etc.) is formed on the upper magnetic shield layer 34 by a known method (see FIG. 3). In this way, the magnetic head 30 according to this embodiment is completed.

磁気ヘッド30において、TMR素子10を流れる検出電流は膜面と垂直(法線)方向に流れ、例えば、検出電流は上側磁気シールド層34から基板側磁気シールド32に流れる。TMR素子10のフリー強磁性層18は、磁気記録媒体から漏れる磁場によって、図3において紙面と垂直な面内方向に磁化の方向が変化し、この結果、TMR素子10の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電気的に検出することにより磁気記録媒体に記録された情報を読み取ることができる。さらに、本実施形態の磁気ヘッド30に使用されるTMR素子10は、その抵抗面積積RAが小さい場合でも、高いMR比を示すため、抵抗面積積RAの小さい素子を用いた場合でもS/N比が低下することがない。このため、抵抗面積積RAの小さい素子を用いることにより、磁気記録媒体の読み取り速度(転送速度)を向上することができる。   In the magnetic head 30, the detection current flowing through the TMR element 10 flows in the direction perpendicular (normal) to the film surface. For example, the detection current flows from the upper magnetic shield layer 34 to the substrate-side magnetic shield 32. The direction of magnetization of the free ferromagnetic layer 18 of the TMR element 10 changes in the in-plane direction perpendicular to the paper surface in FIG. 3 due to the magnetic field leaking from the magnetic recording medium. As a result, the resistance value of the TMR element 10 changes. Information recorded on the magnetic recording medium can be read by electrically detecting the change in the resistance value. Further, since the TMR element 10 used in the magnetic head 30 of the present embodiment exhibits a high MR ratio even when the resistance area product RA is small, even when an element having a small resistance area product RA is used, the S / N ratio is high. The ratio does not decrease. For this reason, the reading speed (transfer speed) of the magnetic recording medium can be improved by using an element having a small resistance area product RA.

(磁気ディスク装置)
次に、図5を参照しつつ磁気ディスク装置50について説明する。本実施形態に係わる磁気ディスク装置50は、上述の磁気ヘッド30を備えたことを特徴とする。
(Magnetic disk unit)
Next, the magnetic disk device 50 will be described with reference to FIG. The magnetic disk device 50 according to the present embodiment is characterized by including the magnetic head 30 described above.

図5に示すように、磁気ディスク装置50は、筐体54内に磁気記録媒体51と、先端に磁気ヘッド30を備えたヘッドスライダ(基板)31と、ヘッドスライダ31を保持するサスペンションアーム53とを収納している。磁気記録媒体51は図示しないスピンドルモータにより回転され、磁気ヘッド30はサスペンションアーム53を駆動する図示しないヘッド位置決め機構により記録媒体51上の所定のトラックに移動することができる。   As shown in FIG. 5, the magnetic disk device 50 includes a magnetic recording medium 51 in a housing 54, a head slider (substrate) 31 having a magnetic head 30 at the tip, and a suspension arm 53 that holds the head slider 31. Is housed. The magnetic recording medium 51 is rotated by a spindle motor (not shown), and the magnetic head 30 can be moved to a predetermined track on the recording medium 51 by a head positioning mechanism (not shown) that drives the suspension arm 53.

本実施形態の磁気ディスク装置は、磁気ヘッド30の読み取り素子(TMR素子10)に、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物(例えばMgO)膜を備えている。このため、従来の読み取り素子よりも読み取り信号の出力信号が高くなりS/N比が改善し、より信頼性の高い読み取り動作が可能となる。また、従来のTMR素子よりもより低い抵抗面積積RAの素子を読み取り素子に使用することができる。これにより、本実施形態の磁気ディスク装置50は、TMR素子の抵抗値をより低くでき、記録媒体からの読み取り信号の転送速度を上げることができるので、より速い情報読み出し速度を達成することができる。   The magnetic disk device of this embodiment includes a crystalline oxide (for example, MgO) film subjected to an oxygen exposure process on the reading element (TMR element 10) of the magnetic head 30. Therefore, the output signal of the read signal is higher than that of the conventional read element, the S / N ratio is improved, and a read operation with higher reliability is possible. In addition, an element having a resistance area product RA lower than that of a conventional TMR element can be used as a reading element. As a result, the magnetic disk device 50 of the present embodiment can lower the resistance value of the TMR element and increase the transfer speed of the read signal from the recording medium, so that a faster information reading speed can be achieved. .

(第3実施形態)
以下、図6〜図8を参照しつつ第3実施形態について説明する。第3実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いた磁気メモリ装置に関する。ここに、図6は第3実施形態に係わるメモリ装置の構成例1を示す図であり、図7は構成例1の磁気メモリ装置の1つのメモリセルの等価回路図である。また、図8は、第3実施形態の構成例2を示す断面図である。尚、上記各図において、既に説明した構成と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。また、図6及び図8において、方向を示すための直交座標軸を示す。このうち、Y1及びY2方向は紙面に垂直な方向であり、Y1方向は紙面の奥に、Y2方向は紙面の手前に向かう方向である。以下の説明において、単にX方向という場合は、X1方向及びX2方向のいずれでもよく、Y方向、Z方向についても同様とする。
(Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described with reference to FIGS. The third embodiment relates to a magnetic memory device using the magnetoresistive effect element of the present invention as a storage element. FIG. 6 is a diagram showing a configuration example 1 of the memory device according to the third embodiment, and FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of one memory cell of the magnetic memory device of the configuration example 1. Moreover, FIG. 8 is sectional drawing which shows the structural example 2 of 3rd Embodiment. In addition, in each said figure, the same code | symbol is attached | subjected about the same component as the already demonstrated structure, and the description is abbreviate | omitted. 6 and 8 show orthogonal coordinate axes for indicating directions. Of these, the Y1 and Y2 directions are directions perpendicular to the paper surface, the Y1 direction is the back of the paper surface, and the Y2 direction is the front of the paper surface. In the following description, the X direction may be either the X1 direction or the X2 direction, and the same applies to the Y direction and the Z direction.

(電流磁界書き込み型磁気メモリ装置)
図6に示すように、磁気メモリ装置60は、例えばマトリクス状に配置された複数のメモリセル61により構成される。メモリセル61は、TMR素子10及びFET62によって構成される。FET62は、p型又はn型MOSFETを用いることができる。以下の説明ではn型MOSFETを例に説明する。FET62は、半導体基板63中に形成されたpウエル(p型不純物が導入された領域)と、半導体基板63の表面に互いに隔てて設けられた拡散領域65a及び65bを備える。拡散領域65a及び65bは、n型不純物が拡散された領域であり、拡散領域65aがソース(S)側であり、拡散領域65bがドレイン(D)側である。拡散領域65a及び65bの間の部分の上方には、ゲート絶縁膜66を介してゲート(G)が形成されている。FET62のソース側の拡散領域65aは、垂直配線74及び層内配線75を介してTMR素子10の一方(例えば基板側下地層12a)と電気的に接続されている。また、ドレイン側の拡散領域65bは、垂直配線74を介してプレート線と電気的に接続されている。ゲート(G)は読み出し用のワード線69と接続されている。尚、図6の例ではワード線69がFET62のゲート(G)電極を兼ねている。
(Current magnetic field writing type magnetic memory device)
As shown in FIG. 6, the magnetic memory device 60 includes a plurality of memory cells 61 arranged in a matrix, for example. The memory cell 61 is configured by the TMR element 10 and the FET 62. The FET 62 can be a p-type or n-type MOSFET. In the following description, an n-type MOSFET will be described as an example. The FET 62 includes a p-well (a region into which p-type impurities are introduced) formed in the semiconductor substrate 63 and diffusion regions 65a and 65b provided on the surface of the semiconductor substrate 63 so as to be separated from each other. The diffusion regions 65a and 65b are regions where n-type impurities are diffused, the diffusion region 65a is on the source (S) side, and the diffusion region 65b is on the drain (D) side. A gate (G) is formed above the portion between the diffusion regions 65 a and 65 b through a gate insulating film 66. The source-side diffusion region 65 a of the FET 62 is electrically connected to one of the TMR elements 10 (for example, the substrate-side base layer 12 a) via the vertical wiring 74 and the intra-layer wiring 75. The drain-side diffusion region 65 b is electrically connected to the plate line via the vertical wiring 74. The gate (G) is connected to the read word line 69. In the example of FIG. 6, the word line 69 also serves as the gate (G) electrode of the FET 62.

ビット線70は、TMR素子10の他方(例えば上側キャップ層19b)と電気的に接続されている。TMR素子10の下方には、電気的に隔離して書き込み用のワード線71が配置されている。TMR素子10は、先に図1に示したTMR素子10と同様な構成であり、トンネルバリア層には酸素暴露処理が施されている。TMR素子10は、磁化容易軸の方向をY方向に沿って設定する。この磁化容易軸の方向は、熱処理によって形成してもよく、形状異方性により形成しても良い。形状異方性によりX方向に磁化容易軸を形成する場合には、TMR素子10の膜面に平行な断面形状(X−Y平面に平行な断面形状)をY方向の辺よりもX方向の辺が長い矩形とする。   The bit line 70 is electrically connected to the other side of the TMR element 10 (for example, the upper cap layer 19b). Below the TMR element 10, a word line 71 for writing is arranged electrically isolated. The TMR element 10 has the same configuration as that of the TMR element 10 shown in FIG. 1, and the tunnel barrier layer is subjected to oxygen exposure treatment. The TMR element 10 sets the direction of the easy axis of magnetization along the Y direction. The direction of the easy magnetization axis may be formed by heat treatment or by shape anisotropy. When the easy magnetization axis is formed in the X direction due to the shape anisotropy, the cross-sectional shape parallel to the film surface of the TMR element 10 (the cross-sectional shape parallel to the XY plane) A rectangle with a long side.

尚、磁気メモリ装置60は、半導体基板63の表面やゲート電極Gがシリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの層間絶縁膜73に覆われている。また、TMR素子10、プレート線68、読み出し用ワード線69、ビット線70、書き込み用ワード線71、垂直配線74、及び層内配線75は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜73によって互いに電気的に絶縁されている。   In the magnetic memory device 60, the surface of the semiconductor substrate 63 and the gate electrode G are covered with an interlayer insulating film 73 such as a silicon nitride film or a silicon oxide film. The TMR element 10, the plate line 68, the read word line 69, the bit line 70, the write word line 71, the vertical wiring 74, and the intra-layer wiring 75 are interlayer insulating films except for the electrical connection described above. 73 are electrically insulated from each other.

磁気メモリ装置60は、TMR素子10に情報を保持する。情報は、リファレンス層16の磁化方向に対して、フリー強磁性層18の磁化の方向が平行か、反並行の状態であるかによって保持される。   The magnetic memory device 60 holds information in the TMR element 10. Information is held depending on whether the magnetization direction of the free ferromagnetic layer 18 is parallel or antiparallel to the magnetization direction of the reference layer 16.

次に、磁気メモリ装置60の書き込み及び読み出し動作について説明する。   Next, write and read operations of the magnetic memory device 60 will be described.

磁気メモリ装置60のTMR素子10への情報の書き込み動作は、TMR素子10の上下に配置されたビット線70と書き込み用ワード線71とにより行われる。ビット線70は、TMR素子10の上方をX方向に伸びており、ビット線70に電流を流すことによりTMR素子10に対してY方向の磁界が印加される。また、書き込み用ワード線71はTMR素子10の下方をY方向に伸びており、書き込み用ワード線71に電流を流すことによりTMR素子10にX方向の磁界が印加される。TMR素子10のフリー強磁性層18の磁化は、磁界が印加されていない場合にはX方向を向いており、その磁化方向は安定である。   The operation of writing information to the TMR element 10 of the magnetic memory device 60 is performed by the bit line 70 and the write word line 71 arranged above and below the TMR element 10. The bit line 70 extends in the X direction above the TMR element 10, and a magnetic field in the Y direction is applied to the TMR element 10 by passing a current through the bit line 70. The write word line 71 extends in the Y direction below the TMR element 10, and a magnetic field in the X direction is applied to the TMR element 10 by passing a current through the write word line 71. When the magnetic field is not applied, the magnetization of the free ferromagnetic layer 18 of the TMR element 10 faces the X direction, and the magnetization direction is stable.

情報をTMR素子10に書き込む際はビット線70と書き込み用ワード線71とに同時に電流を流す。例えば、TMR素子10のフリー強磁性層18の磁化をX1方向に向けるときは、ビット線70にX方向に電流を流すとともに、書き込みワード線71にY1方向の電流を流す。ビット線70に流れる電流によりTMR素子10にY方向の磁界が印加され、フリー強磁性層18が磁化困難軸の障壁を越えるための磁界の一部として機能する。また、書き込みワード線71をY1方向に流れる電流は、TMR素子10にX1方向の磁界を印加し、フリー強磁性層18の磁化の方向をX1方向に向ける。   When writing information to the TMR element 10, a current is simultaneously applied to the bit line 70 and the write word line 71. For example, when the magnetization of the free ferromagnetic layer 18 of the TMR element 10 is directed in the X1 direction, a current is supplied to the bit line 70 in the X direction and a current in the Y1 direction is supplied to the write word line 71. A magnetic field in the Y direction is applied to the TMR element 10 by the current flowing through the bit line 70, and the free ferromagnetic layer 18 functions as a part of the magnetic field for exceeding the barrier of the hard axis. The current flowing in the Y1 direction through the write word line 71 applies a magnetic field in the X1 direction to the TMR element 10 and directs the magnetization direction of the free ferromagnetic layer 18 in the X1 direction.

このようにして、TMR素子10のフリー強磁性層18の磁化の向きに応じて情報(“0”又は“1”)が書き込まれる。例えばTMR素子10のリファレンス層16の磁化の方向がX1方向に固定されている場合に、フリー強磁性層18の磁化の向きがX1方向であるときは、トンネルバリア膜17の抵抗値が低くなり、例えば“1”として検出できる。同様にフリー強磁性層18の磁化の向きがX2方向のときは、トンネルバリア膜17の抵抗値が高くなり例えば“0”として検出できる。尚、書き込み動作の際にビット線70及び書き込み用ワード線71に供給される電流値は、ビット線70又は書き込み用ワード線71のいずれか一方にのみ電流が流されてもフリー強磁性層18の磁化の反転が生じない程度に設定される。これにより、電流を供給したビット線70と電流を供給した書き込み用ワード線71の交点に位置するTMR素子10にのみ書き込みを行うことができる。また、書き込み動作の際にビット線70を流れる電流がTMR素子10に流れないように、FET62をオフとして、FET62のソース(S)はハイインピーダンスに設定される。   In this way, information (“0” or “1”) is written according to the direction of magnetization of the free ferromagnetic layer 18 of the TMR element 10. For example, when the magnetization direction of the reference layer 16 of the TMR element 10 is fixed in the X1 direction and the magnetization direction of the free ferromagnetic layer 18 is in the X1 direction, the resistance value of the tunnel barrier film 17 becomes low. For example, it can be detected as “1”. Similarly, when the magnetization direction of the free ferromagnetic layer 18 is the X2 direction, the resistance value of the tunnel barrier film 17 becomes high and can be detected as, for example, “0”. It should be noted that the current value supplied to the bit line 70 and the write word line 71 during the write operation is the same as that of the free ferromagnetic layer 18 even if a current flows only through either the bit line 70 or the write word line 71. Is set to such an extent that no magnetization reversal occurs. Thereby, writing can be performed only to the TMR element 10 located at the intersection of the bit line 70 supplied with the current and the writing word line 71 supplied with the current. Further, the FET 62 is turned off and the source (S) of the FET 62 is set to high impedance so that the current flowing through the bit line 70 does not flow to the TMR element 10 during the write operation.

磁気メモリ装置60の読み出し動作は、ビット線70をソースSよりも低い電圧に設定し、読み出し用ワード線69(ゲート電極G)にFET62の閾値電圧よりも高い電圧を印加する。これにより、FET62はオンとなり、電子がビット線70からTMR素子10、ソースS及びドレインDを介してプレート線68に流れる。プレート線68に電流計等の電流検出器78を電気的に接続することで、フリー強磁性層18とリファレンス層16との相対的な磁化の向きを反映した磁気抵抗値を検出することができる。これにより、MTR素子10が保持する“1”又は“0”の情報を読み出すことができる。   In the read operation of the magnetic memory device 60, the bit line 70 is set to a voltage lower than that of the source S, and a voltage higher than the threshold voltage of the FET 62 is applied to the read word line 69 (gate electrode G). As a result, the FET 62 is turned on, and electrons flow from the bit line 70 to the plate line 68 via the TMR element 10, the source S and the drain D. By electrically connecting a current detector 78 such as an ammeter to the plate line 68, it is possible to detect a magnetoresistance value reflecting the relative magnetization direction of the free ferromagnetic layer 18 and the reference layer 16. . Thereby, “1” or “0” information held by the MTR element 10 can be read.

以上のように構成された第3実施形態の構成例1の磁気メモリ装置10において、TMR素子10のトンネルバリア層17は、結晶性酸化物(例えばMgO)膜を形成後に結晶性酸化物膜を酸素暴露処理を行っているため、酸素欠陥の少ない結晶性酸化物膜からなる。そして、この酸素欠陥の少ない結晶性酸化物(例えばMgO)膜からなるトンネルバリア膜17によれば、抵抗面積積RAが小さな素子でもMR比が大きい。したがって、磁気メモリ装置60では、情報の読み出しの際に、保持された“0”及び“1”に対する磁気抵抗値の変化がより大きいので、TMR素子10の出力変化もより大きくなり、より正確な読み出しができる。さらに、素子抵抗を低くすることができるので、TMR素子10からの読み出し速度をより早くすることができる。   In the magnetic memory device 10 of the configuration example 1 of the third embodiment configured as described above, the tunnel barrier layer 17 of the TMR element 10 is formed of a crystalline oxide film after forming a crystalline oxide (for example, MgO) film. Since the oxygen exposure treatment is performed, it is made of a crystalline oxide film with few oxygen defects. According to the tunnel barrier film 17 made of a crystalline oxide (eg, MgO) film with few oxygen defects, the MR ratio is large even in an element having a small resistance area product RA. Therefore, in the magnetic memory device 60, when the information is read, the change in the magnetoresistance value with respect to the held “0” and “1” is larger, so that the output change of the TMR element 10 becomes larger and more accurate. Reading is possible. Furthermore, since the element resistance can be lowered, the reading speed from the TMR element 10 can be further increased.

(偏極スピン電流注入書き込み型磁気メモリ装置)
図8は、第3実施形態の構成例2に係わる磁気メモリ装置80を示す。尚、図8において図6と同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。磁気メモリ装置80は、TMR素子10に情報を書き込むための機構及び動作が構成例1の磁気メモリ装置60と異なる。
(Polarized spin current injection writing type magnetic memory device)
FIG. 8 shows a magnetic memory device 80 according to Configuration Example 2 of the third embodiment. In FIG. 8, the same components as those in FIG. The magnetic memory device 80 is different from the magnetic memory device 60 of Configuration Example 1 in the mechanism and operation for writing information to the TMR element 10.

磁気メモリ装置80のメモリセルは、書き込み用ワード線71が設けられていない点を除いて、図6及び図7に示すメモリセルと同様の構成である。以下、図7及び図8を参照しつつ説明する。   The memory cell of the magnetic memory device 80 has the same configuration as the memory cell shown in FIGS. 6 and 7 except that the write word line 71 is not provided. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS.

磁気メモリ装置80は、偏極スピン電流をTMR素子10に注入し、その電流の向きによって、フリー強磁性層18の磁化の向きを制御する。偏極スピン電流は、電子が取りうる2つのスピンの向きのうち、一方の向きの電子からなる電子流である。偏極スピン電流の向きをTMR素子10のZ1方向又はZ2方向に流すことで、フリー強磁性層18の磁化にトルクを発生させ、いわゆるスピン注入磁化反転を起こさせる。偏極スピン電流の電流量は、フリー強磁性層18の膜厚に応じて適宜選択されるが、20mA以下である。偏極スピン電流の電流量は、図6の構成例1の書き込み動作でビット線70及び書き込みワード線71に流れる電流量よりも少なく、消費電力を低減できる。   The magnetic memory device 80 injects a polarized spin current into the TMR element 10 and controls the magnetization direction of the free ferromagnetic layer 18 according to the direction of the current. A polarized spin current is an electron flow composed of electrons in one of two possible spin directions. By causing the direction of the polarized spin current to flow in the Z1 direction or the Z2 direction of the TMR element 10, torque is generated in the magnetization of the free ferromagnetic layer 18 to cause so-called spin injection magnetization reversal. The amount of the polarized spin current is appropriately selected according to the film thickness of the free ferromagnetic layer 18, but is 20 mA or less. The amount of the polarized spin current is smaller than the amount of current flowing through the bit line 70 and the write word line 71 in the write operation of the configuration example 1 in FIG. 6, and the power consumption can be reduced.

尚、偏極スピン電流は、TMR素子10と略同様の構成を有するCu膜を2つの強磁性体層で挟んだ積層体に垂直に電流を流すことで生成することができる。電子のスピンの向きは2つの強磁性体の磁化の向きを平行又は反平行に設定することで制御できる。磁気メモリ装置80の読み取り動作は、図6の構成例1の磁気メモリ装置60と同様である。   The polarized spin current can be generated by causing a current to flow perpendicularly to a laminate in which a Cu film having a configuration substantially similar to that of the TMR element 10 is sandwiched between two ferromagnetic layers. The direction of electron spin can be controlled by setting the magnetization directions of the two ferromagnets to be parallel or antiparallel. The reading operation of the magnetic memory device 80 is the same as that of the magnetic memory device 60 of the configuration example 1 of FIG.

構成例2の磁気メモリ装置80は、構成例1の磁気メモリ装置60の持つ効果に加えて低消費電力化が可能であるという効果も有する。   In addition to the effect of the magnetic memory device 60 of the configuration example 1, the magnetic memory device 80 of the configuration example 2 also has an effect that power consumption can be reduced.

(その他の実施形態)
以上のように本発明のTMR素子10は、トンネルバリア層17として結晶性酸化物膜(例えばMgO膜)を2つの強磁性体膜の間に1層形成する構成であったが、本発明はこれ以外にも以下の構成とすることもできる。すなわち、3層の強磁性体膜の間に2層のトンネルバリア層を形成した2重強磁性トンネル接合を有するTMR素子にも適用することができる。ここに、図9は、本発明の別実施形態に係わる2重強磁性トンネル接合を有するTMR素子20の構成を示す断面図である。尚、先に説明した部分と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
(Other embodiments)
As described above, the TMR element 10 of the present invention has a configuration in which one layer of a crystalline oxide film (for example, MgO film) is formed as a tunnel barrier layer 17 between two ferromagnetic films. In addition to this, the following configuration may be adopted. That is, the present invention can also be applied to a TMR element having a double ferromagnetic tunnel junction in which two tunnel barrier layers are formed between three ferromagnetic films. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a TMR element 20 having a double ferromagnetic tunnel junction according to another embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to the part demonstrated previously, and the description is abbreviate | omitted.

TMR素子20は、基板11上に、基板側下地層12a及び上側下地層12bを有する下地層12と、反強磁性層13と、ピンド層14と、非磁性結合層15と、リファレンス層16とトンネルバリア層17と、フリー強磁性層18とを順に備え、さらにその上に上部トンネルバリア層27と、上部リファレンス層26と、上部非磁性中間層25と、上部ピンド層24と、上部反強磁性層23と、基板側キャップ層19a及び上側キャップ層19bで構成されるキャップ層19とを順に備えている。本発明の別実施形態において、トンネルバリア層17及び上部トンネルバリア層27は同一の材料、膜厚であり、例えばMgO膜等の結晶性酸化物膜からなる。この結晶性酸化物膜は、低酸素分圧下(例えば10-7Pa程度の高真空下)で酸化物(例えばMgO)をターゲットとしたスパッタ法により形成される。さらに、本実施形態のトンネルバリア層17及び27は、形成された結晶性酸化物を103Pa以下の酸素分圧を有する酸素ガス又は酸素を含むガスと接触する酸素暴露処理を経て作製される。 The TMR element 20 includes a base layer 12 having a substrate side base layer 12a and an upper base layer 12b, an antiferromagnetic layer 13, a pinned layer 14, a nonmagnetic coupling layer 15, and a reference layer 16 on a substrate 11. A tunnel barrier layer 17 and a free ferromagnetic layer 18 are provided in order, and an upper tunnel barrier layer 27, an upper reference layer 26, an upper nonmagnetic intermediate layer 25, an upper pinned layer 24, and an upper antiferroelectric layer are further provided thereon. A magnetic layer 23 and a cap layer 19 including a substrate-side cap layer 19a and an upper cap layer 19b are sequentially provided. In another embodiment of the present invention, the tunnel barrier layer 17 and the upper tunnel barrier layer 27 have the same material and film thickness, and are made of a crystalline oxide film such as an MgO film. This crystalline oxide film is formed by sputtering using an oxide (for example, MgO) as a target under a low oxygen partial pressure (for example, under a high vacuum of about 10 −7 Pa). Furthermore, the tunnel barrier layers 17 and 27 of the present embodiment are produced through an oxygen exposure treatment in which the formed crystalline oxide is brought into contact with an oxygen gas having an oxygen partial pressure of 10 3 Pa or less or a gas containing oxygen. .

TMR素子20において、上部リファレンス層26はリファレンス層16と、上部非磁性中間層25は非磁性中間層15と、上部ピンド層24はピンド層14と、上部反強磁性層23は反強磁性層13と、それぞれ同一の材料、膜厚、製法によって形成することができる。尚、本実施形態の基板11、下地層12、反強磁性層13、ピンド層14、非磁性結合層15、リファレンス層16、トンネルバリア層17、フリー強磁性層18、キャップ層19は、図1で既に説明したTMR素子10の対応する符号が付された構成部分と同一として構成することができる。   In the TMR element 20, the upper reference layer 26 is the reference layer 16, the upper nonmagnetic intermediate layer 25 is the nonmagnetic intermediate layer 15, the upper pinned layer 24 is the pinned layer 14, and the upper antiferromagnetic layer 23 is the antiferromagnetic layer. 13 and the same material, film thickness, and manufacturing method. The substrate 11, the underlayer 12, the antiferromagnetic layer 13, the pinned layer 14, the nonmagnetic coupling layer 15, the reference layer 16, the tunnel barrier layer 17, the free ferromagnetic layer 18, and the cap layer 19 of the present embodiment are shown in FIG. 1 can be configured to be the same as the components to which the corresponding reference numerals of the TMR element 10 already described in FIG.

以上のように構成された2重強磁性トンネル接合を有するTMR素子20においても、結晶性酸化物膜の形成後に、結晶性酸化物膜に酸素暴露処理を行っているため、従来の2重強磁性トンネル接合を有するTMR素子よりも高いMR比を得ることができる。   Also in the TMR element 20 having the double ferromagnetic tunnel junction configured as described above, the crystalline oxide film is subjected to the oxygen exposure treatment after the formation of the crystalline oxide film. An MR ratio higher than that of a TMR element having a magnetic tunnel junction can be obtained.

図1は、本発明の第1実施形態に係わる磁気抵抗効果素子を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention. 図2は、第1実施形態の実験例及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子のRAとMR比との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the RA and MR ratio of the magnetoresistive effect element according to the experimental example and the comparative example of the first embodiment. 図3は、本発明の第2実施形態に係わる磁気ヘッドの要部の構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the main part of the magnetic head according to the second embodiment of the present invention. 図4(a)〜(c)は第2実施形態に係わる磁気ヘッドの製造途中の様子を示す断面図である。4A to 4C are cross-sectional views showing a state in the middle of manufacturing the magnetic head according to the second embodiment. 図5は、本発明の第2実施形態に係わる磁気ヘッドを備えた磁気ディスク装置を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a magnetic disk device including a magnetic head according to the second embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第3実施形態に係わる磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a memory cell of a magnetic memory device according to the third embodiment of the present invention. 図7は、第3実施形態に係わる磁気メモリ装置の一部分についての等価回路を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit for a part of the magnetic memory device according to the third embodiment. 図8は、第3実施形態に係わる磁気メモリ装置の変形例を示す断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing a modification of the magnetic memory device according to the third embodiment. 図9は、本発明の別実施形態に係わる磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a magnetoresistive effect element according to another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…TMR素子、11…基板、12…下地層、12a…基板側下地層、12b…上側下地層、13…反強磁性層、14…ピンド層、15…非磁性結合層、16…リファレンス層、17…トンネルバリア層、18…フリー強磁性層、19…キャップ層、19a…基板側キャップ層、19b…上側キャップ層、20…2重トンネル接合型TMR素子、27…上部トンネルバリア層、26…上部リファレンス層、25…上部非磁性結合層、24…上部ピンド層、23…上部反強磁性層、30…磁気ヘッド、31…基板(ヘッドスライダ)、32…基板側磁気シールド層、34…上側磁気シールド層、35…誘導型記録素子、40…絶縁膜、41…磁区制御層、50…磁気ディスク装置、51…磁気記録媒体、52…磁気ヘッド、53…サスペンションアーム、54…筐体、60…磁気メモリ装置(電流磁界書き込み型)、61…メモリセル、62…FET、63…半導体基板、64…pウエル、65a…ソース側拡散領域、65b…ドレイン側拡散領域、66…ゲート絶縁膜、68…プレート線、69…読み出し用ワード線、70…ビット線、71…書き込み用ワード線、73…層間絶縁膜、74…垂直配線、75…層内配線、78…電流検出器、80…磁気メモリ装置(偏極スピン電流注入書き込み型)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... TMR element, 11 ... Substrate, 12 ... Underlayer, 12a ... Substrate side underlayer, 12b ... Upper underlayer, 13 ... Antiferromagnetic layer, 14 ... Pinned layer, 15 ... Nonmagnetic coupling layer, 16 ... Reference layer , 17 ... Tunnel barrier layer, 18 ... Free ferromagnetic layer, 19 ... Cap layer, 19a ... Substrate side cap layer, 19b ... Upper cap layer, 20 ... Double tunnel junction TMR element, 27 ... Upper tunnel barrier layer, 26 ... upper reference layer, 25 ... upper nonmagnetic coupling layer, 24 ... upper pinned layer, 23 ... upper antiferromagnetic layer, 30 ... magnetic head, 31 ... substrate (head slider), 32 ... substrate side magnetic shield layer, 34 ... Upper magnetic shield layer, 35 ... inductive recording element, 40 ... insulating film, 41 ... magnetic domain control layer, 50 ... magnetic disk device, 51 ... magnetic recording medium, 52 ... magnetic head, 53 ... suspension , Arm, 54 ... housing, 60 ... magnetic memory device (current magnetic field writing type), 61 ... memory cell, 62 ... FET, 63 ... semiconductor substrate, 64 ... p well, 65a ... source side diffusion region, 65b ... drain side diffusion Area 66... Gate insulating film 68. Plate line 69. Reading word line 70. Bit line 71. Writing word line 73. Interlayer insulating film 74. Vertical wiring 75 75 In-layer wiring 78 ... Current detector, 80 ... Magnetic memory device (polarized spin current injection writing type).

Claims (5)

基板の上方に形成された第1の強磁性体層と、
前記第1の強磁性体層の上に形成された結晶性酸化物からなるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に形成された第2の強磁性体層と、を備えた磁気抵抗効果素子であって、
前記トンネルバリア層は、酸素暴露処理された結晶性酸化物膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
A first ferromagnetic layer formed above the substrate;
A tunnel barrier layer made of a crystalline oxide formed on the first ferromagnetic layer;
A magnetoresistive effect element comprising: a second ferromagnetic layer formed on the tunnel barrier layer;
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the tunnel barrier layer is made of a crystalline oxide film that has been exposed to oxygen.
前記トンネルバリア層がMgO膜からなることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the tunnel barrier layer is made of an MgO film. 基板上方に強磁性体からなる第1の強磁性体層を形成する工程と、
前記第1の強磁性体層の上に結晶性酸化物からなるトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層を酸素暴露処理する工程と、
前記トンネルバリア層の上に強磁性体からなる第2の強磁性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
Forming a first ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material above the substrate;
Forming a tunnel barrier layer made of a crystalline oxide on the first ferromagnetic layer;
A step of exposing the tunnel barrier layer to oxygen;
Forming a second ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material on the tunnel barrier layer;
A method for manufacturing a magnetoresistive effect element, comprising:
前記トンネルバリア層は、スパッタ法により形成することを特徴とする請求項3に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   4. The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 3, wherein the tunnel barrier layer is formed by a sputtering method. 前記トンネルバリア層は、MgOをターゲットとして、高真空下においてスパッタ法により形成されることを特徴とする請求項3に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   4. The method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to claim 3, wherein the tunnel barrier layer is formed by sputtering under high vacuum using MgO as a target.
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