JP3976231B2 - トンネル磁気抵抗効果素子およびその製造方法ならびにトンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記録媒体の磁場を検出するトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法に関し、特に、高いトンネル効果を維持しつつ、接合抵抗値を低減することができる特定の材料からなるトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、異方性磁気抵抗（Anisotropic Magneto-Resistance, 以下、ＡＭＲ）効果あるいはスピンバルブ（Spin-Valve, 以下、ＳＶ）効果に基づいた磁気抵抗（Magneto-Resistive,以下、ＭＲ）センサは、磁気記録媒体を再生するための再生変換器（トランスデューサ）として広く用いられている。このようなＭＲセンサは、磁性材料よりなる再生ヘッド部で生じる抵抗変化を利用して、記録媒体に記録された信号の変化によって生じる漏洩磁界を検出するものである。ＡＭＲ効果を利用したＭＲセンサ（ＡＭＲセンサ）の磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒは低く、一般に１〜３％である。これに対し、同じ磁場を印加した場合のＳＶセンサのΔＲ／Ｒは一般に２〜７％に及ぶ。このような高感度ＳＶヘッドは非常に高い記録密度に対応することができ、その記録密度は、１平方センチメートルあたり数ギガ・ビット以上（数Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 以上）になる。従って、ＳＶ磁気再生ヘッドは次第にＡＭＲ再生ヘッドに取って代わるようになった。
【０００３】
基本的なＳＶセンサは、米国特許第５，１５９，５１３号に記載されているように、２つの強磁性層が非磁性層によって隔てられている構造を有している。さらに、このＳＶセンサでは、２つの強磁性層のうちの１つに隣接するように、例えば、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）合金で形成された交換結合層（ピン止め層）が形成されている。交換結合層とこれに隣接する強磁性層との間には交換結合が生じ、その強磁性層の磁化方向が特定の一方向へ強くピン止め、すなわち固定されている。この磁化方向が固定された強磁性層は強磁性ピンド層と呼ばれる。他方の強磁性層、つまり強磁性フリー層の磁化方向は、小さな外部磁場に応じて自由に回転する。このようなＳＶセンサでは、２つの強磁性層の磁化方向が、平行から反平行状態に変化するにつれて電気抵抗が増加するようになっており、これにより、比較的高い抵抗変化率（ＭＲ比）が得られる。
【０００４】
最近では、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistance, ＴＭＲ）を使用する新しいＭＲセンサ（ＴＭＲセンサ）を超高密度記録媒体へ適用することが期待されている。これらのセンサは、磁気トンネル接合型（Magnetic Tunnel Junction, ＭＴＪ）センサ、あるいは磁気抵抗トンネル接合型（Magneto-Resistive Tunnel Junction,ＭＲＴＪ）センサとも呼ばれ、大きなＴＭＲが室温で最初に確認されてから重要な技術として注目されるようになった。これに関しては、Moodera らによる「室温下で大きな磁気抵抗をもつ強磁性薄膜トンネル接合」（"Large magneto resistance at room temperature in ferromagnetic thin film tunnel junctions",Phys.Rev.Lett.v.74,pp.3273-3276,1995 ）に記載されている。ＳＶセンサと同様、ＴＭＲセンサは、２つの強磁性層によって非磁性層を挟み込んだ構造を有している。２つの磁性層のうち、一方の強磁性層は、特定の一方向に固定された磁気モーメントを有する強磁性ピンド層であり、もう一方の強磁性層は、外部磁場に応じて自由に回転する磁気モーメントを有する強磁性フリー層（または、センス層）である。ところが、ＳＶセンサと異なり、ＴＭＲセンサにおける上記２つの強磁性層間に挟まれた非磁性層は、薄い絶縁層、すなわちトンネルバリア層として形成されている。電子が絶縁層をトンネルできるように、絶縁層は十分に薄くなっている。さらに、ＳＶセンサと異なり、ＴＭＲセンサの動作は、いわゆるＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型であって、ＴＭＲセンサのセンス電流が、積層膜の厚み方向つまり強磁性層表面に対して垂直方向に流れる。
【０００５】
トンネルバリア層を流れるセンス電流は、２つの強磁性層のスピン分極状態に強く依存する。センス電流が第１の強磁性層を通過すると、電子はスピン分極化される。２つの強磁性層の磁化方向が互いに反平行な場合は、トンネルバリア層を介した電子トンネル効果が得られる確率は低下し、その結果、センス電流は流れにくくなり、大きな接合抵抗Ｒapが得られる。一方、２つの強磁性層の磁化方向が互いに平行な場合、電子トンネル効果が得られる確率は高くなり、センス電流が流れやすくなるので、これにより、小さな接合抵抗Ｒp が得られる。両方の強磁性層の磁化方向が互いに直交な状態、すなわち、平行状態と反平行状態との中間の状態では、接合抵抗Ｒm はＲapとＲp の中間の大きさとなり、Ｒap＞Ｒm ＞Ｒp という関係が得られる。これらの記号を使用して磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）を定義すると、ΔＲ／Ｒ＝（Ｒap−Ｒp ）／Ｒp と表すことができる。
【０００６】
磁気記録媒体における磁化遷移のように、２つの強磁性層の相対的な磁化方向の配置、すなわち角度は、外部磁場に影響されて変化する。この相対的な磁化方向の角度変化は、ＴＭＲセンサの電気抵抗にも影響するため、出力電圧が変化する。したがって、電気抵抗の変化、すなわち、相対的な磁化方向の角度変化に基づく出力電圧の変化を検出することにより、外部磁場の変化を検出することが可能となる。このようにして、ＴＭＲセンサは、磁気記録媒体に記録された情報の再生を行うことができるようになっている。
【０００７】
しかし、ＴＭＲセンサにおいては、高ＴＭＲ比と接合抵抗値との両立が困難であるという問題がある。ＴＭＲ比は、２つの強磁性層におけるそれぞれのスピン分極に比例する。Parkinらによる「交換バイアス磁気トンネル接合および不揮発性磁気ＲＡＭへの応用」("Exchange-biased magnetic tunnel junctions and application to nonvolatile magnetic random access memory",J.Appl.Phys.,v.85,pp.5828-5833,15 April 1999）によれば、２つの強磁性層を良好な組み合わせにすると、４０％程度のＴＭＲ比が達成されたことが示されている。しかし、このような高いＴＭＲ比が得られているにもかかわらず、上記のようなＴＭＲセンサは再生ヘッドに適用されていない。接合抵抗値が大きいため、ショットノイズ（電子がトンネルバリア層を通過する際に生じるノイズ）が高く、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ：Signal to Noise ）が低くなってしまうためである。ここで、ショットノイズＶrms 、センス電流Ｉ、周波数帯域Δｆおよび接合抵抗値Ｒの相互の関係は、以下の（１）式で表される。なお、式中ｅは電気素量であり約１．６×１０-19 Ｃ（クーロン）である。
【０００８】
Ｖrms ＝（２・ｅ・Ｉ・Δｆ）0.5 ・Ｒ ・・・ （１）
【０００９】
このショットノイズを低減するには、ＴＭＲセンサの接合抵抗値Ｒと面積Ａとの積Ｒ・Ａ（ＲＡと記す。）の値を小さくすればよい。ＴＭＲセンサの製造過程での酸化工程において、自然酸化法（いわゆる"in situ" 酸化法）を採用すれば、ＲＡを低減することは可能である。ＲＡはトンネルバリア層の特徴を表し、ある接合面積についての接合抵抗値Ｒ′は、Ｒ′＝ＲＡ／（接合面積）で表される。また、接合抵抗値Ｒは、トンネルバリア層の厚みｄと、障壁高さΦの平方根に指数関数的に比例する。これを式で表すとＲ∝ｅｘｐ（ｄ・Φ0.5 ）となる。接合抵抗値Ｒを低下させるためには、トンネルバリア層の厚みｄを減少させればよい。例えば、厚さ０．７ｎｍ以下のアルミニウム（Ａｌ）層に適切な自然酸化処理を施したトンネルバリア層を用いたＴＭＲセンサでは、１５Ωμｍ2 程度の低いＲＡを得ることができる。このように、ＲＡが著しく低いためショットノイズを低減することができ、かつ、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲセンサは超高密度記録媒体に対応する再生ヘッドに適用できると期待されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、金属層の自然酸化法によってトンネルバリア層を形成する方法は、より小さな接合抵抗値Ｒを得るには好適であると考えられる。また、この金属層の厚みを減らすことも、接合抵抗値Ｒの低減には必要とされる。しかしながら、ＴＭＲセンサが備えた薄いトンネルバリア層は非常に敏感であり、製造過程中のラッピング工程とよばれる工程において問題となる。ラッピング工程とは、ＴＭＲヘッドのＡＢＳ（Air Bearing Surface ）の形成精度に関わる工程である。ＴＭＲセンサのトンネルバリア層は非常に薄く、損傷を受けやすい。このため、このラッピング工程において、トンネルバリア層の一部が破壊され、トンネルバリア層によって隔てられるべき２つの隣り合う強磁性層間に電気的短絡（ショート）が生じて、センサとして役に立たなくなる可能性がある。従って、この点を考慮するとトンネルバリア層を可能な限り厚くすることが望ましく、接合抵抗値Ｒの低減からなされる要求と矛盾するものとなる。
【００１１】
ところで、ＴＭＲに関しては、１９７５年にJulliereの「強磁性薄膜間でのトンネル効果」（"Tunneling Between Ferromagnetic Films",Physics Letters,54A225,1975 ）にて論じられているが、それ以降、１９９５年までに報告されたＴＭＲセンサは、室温下におけるＴＭＲ比が低く、せいぜい約１〜２％程度にとどまるものであった。一例として、S.Maekawa およびU.Gafvert による「強磁性薄膜間の電子トンネル効果」（"Electron Tunneling Between Ferromagnetic Films",IEEE Transactions on Magnetics,MAG-18,707-708,1982 ）がある。これは、トンネルバリア層の材料としてニッケル酸化物（ＮｉＯｘ）の適用を検討した報告であるが、ＴＭＲ比は２％未満である。この構造においてＴＭＲ比が低くなる原因は、ＮｉＯｘが室温では反強磁性を示し、伝導電子のスピン分極が表面反射の際に失われるという、いわゆる、スピンフリップ散乱を生じてしまうことにある。
【００１２】
１０％以上という高ＴＭＲ比を室温下で得られるＴＭＲセンサは、前述のMoodera らによる「室温下で大きな磁気抵抗をもつ強磁性薄膜トンネル接合」（"Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film tunnel Junctions",Physics.Review.Letters,74,327,1995）によって報告された。この文献によれば、ベース電極の成長による表面粗さを低減し、極低温に冷却された基板を乾燥させ、シード層を用い、かつ、ベース電極を非常に薄くすることによって、ＴＭＲ比を向上することができると考えられた。このときのトンネルバリア層は、低温下でアルミニウム（Ａｌ）層を積層したのち、アルミニウム（Ａｌ）層を暖め、プラズマ酸化によってより多くのアルミニウム（Ａｌ）を酸化するという方法で形成された。このときの接合抵抗値は、２００×３００μｍ2 の断面積の接合部に対し、数百Ωから数十ｋΩの範囲であった。
【００１３】
比較的高い接合抵抗値をもつＴＭＲセンサは、Ｓ／Ｎ比が低くなってしまい、特定用途の再生ヘッドや装置にしか適用できないものとなってしまう。上記のような比較的高い接合抵抗値をもつＴＭＲセンサの中にも、好ましい、高ＴＭＲ比を示すものもあるが、Ｓ／Ｎ比は低いので、得られる効果が少ない。さらに、高密度記録になると必然的に接合部のサイズが小さくなる。接合部のサイズが小さくなると接合抵抗値が高くなるため、接合抵抗値によるＳ／Ｎ比の低下はより深刻な問題になる。したがって、室温下において十分に高いＴＭＲ比を達成すると共に、適度に低い接合抵抗を提供できるＴＭＲセンサが必要とされている。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、トンネルバリア層に適した特定の材料を選択し、最大限の磁気抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法を提供することである。すなわち、室温下において優れた磁気抵抗変化率を維持することができ、かつ、高いＳ／Ｎ比を得ることができるトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、トンネルバリア層の障壁高さを低くすることで、低い接合抵抗を維持すると共に、トンネルバリア層の厚みを比較的大きくすることのできるトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極と、外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極と、強磁性フリー層と強磁性ピンド層との間に挟まれたトンネルバリア層とを備え、このトンネルバリア層が、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物（ＮｉＣｒＯ x ）からなるようにしたものである。
【００１７】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層が０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物からなるので、そのトンネルバリア層の障壁高さを低減することができる。
【００２４】
さらに、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、強磁性ピンド層に隣接し、この強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を備えていることが望ましい。
【００２５】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子では、強磁性ピンド層が、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）およびクロムからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層と、この非磁性金属層を挟んで反強磁性的に結合する２つの強磁性層とを含んでいることが望ましい。この場合、反強磁性的に結合する２つの強磁性層の磁化方向が互いに反対向きとなるため、強磁性ピンド層の作る磁界が強磁性フリー層に与える影響を小さくすることが可能になる。
【００２６】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子では、強磁性フリー層の下に隣接するシード層を有し、このシード層は、タンタル、クロム、チタン、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群のうち少なくとも１種を含んでいるようにすることが望ましい。
【００２８】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極を形成する工程と、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成する工程と、このトンネルバリア層上に外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極を形成する工程とを含むようにしたものである。
【００２９】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法では、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成するようにしたので、トンネルバリア層の障壁高さを低減することができる。
【００３６】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を、強磁性ピンド層上に隣接するように形成する工程を含んでいることが望ましい。
【００３７】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、ルテニウム、レニウム、ロジウム、銅およびクロムからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層を、反強磁性的に結合する一対の強磁性層で挟み込むことによって前記強磁性ピンド層を形成する工程を含んでいることが望ましい。これにより、反強磁性的に結合する２つの強磁性層の磁化方向が互いに反対向きとなるため、強磁性ピンド層の作る磁界が強磁性フリー層に与える影響を小さくすることが可能になる。
【００３８】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、タンタル、クロム、チタン、ニッケルクロム合金およびニッケルクロム鉄合金からなる群のうち少なくとも１種を含む材料によりシード層を形成する工程を含んでいることが望ましい。
【００４０】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドは、電気回路に接続され、前記電気回路により外部磁場の印加によって発生するセンス電流の電気抵抗変化を検出するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドである。このヘッドは、第１の電気リード層と、第２の電気リード層と、この第２の電気リード層から第１の電気リード層ヘセンス電流経路が形成されるように第１および第２の電気リード層の間に隣接して設けられたトンネル磁気抵抗効果素子とを備えている。トンネル磁気抵抗効果素子は、外部磁場より磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極と、外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極と、強磁性フリー層と強磁性ピンド層との間に挟まれ、強磁性フリー層および強磁性ピンド層の積層面に対してほぼ垂直にトンネル電流が流れるように形成されたトンネルバリア層とを備える。このトンネルバリア層は、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物からなるものである。
【００４１】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドでは、トンネルバリア層が０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物によって構成されているので、その障壁高さを低減することができる。
【００４８】
さらに本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドは、強磁性ピンド層に隣接し、この強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を備えていることが望ましい。
【００４９】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドでは、強磁性ピンド層が、ルテニウム、レニウム、ロジウム、銅およびクロムからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層と、この非磁性金属層を挟んで、反強磁性的に結合する２つの強磁性層とを含んでいることが望ましい。この場合、反強磁性的に結合する２つの強磁性層の磁化方向が互いに反対向きとなるため、強磁性ピンド層の作る磁界が強磁性フリー層に与える影響を小さくすることが可能になる。
【００５０】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドは、強磁性フリー層の下に隣接するシード層を有し、このシード層は、タンタル、クロム、チタン、ＮｉＣｒ合金およびＮｉＣｒＦｅ合金からなる群のうち少なくとも１種を含んでいることが望ましい。
【００５２】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法は、電気回路に接続され、前記電気回路により外部磁場の印加によって発生するセンス電流の電気抵抗変化を検出するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法であって、基板上に、第１の電気リード層を形成する工程と、第１の電気リード層の上に、外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極を形成する工程と、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成する工程と、このトンネルバリア層の上に、外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極を形成する工程と、第２の電極の上に第２の電気リード層を形成する工程とを含むようにしたものである。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。まず、図１および図２を参照して、本実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子およびこれを含むトンネル磁気抵抗効果型（ＴＭＲ）ヘッドの構成について説明する。
【００５４】
なお、本発明の実施の形態には、様々な構成要素、構成要素の配置、様々な工程および工程の手順があり、添付した図面は好ましい実施の形態を例証するためのものであって、本発明を制限するものではない。
【００５５】
＜ＴＭＲ素子およびＴＭＲヘッドの構成＞
図１は、本実施の形態に係るＴＭＲ素子７０を含むＴＭＲヘッド１の平面図である。ＴＭＲ素子７０は、トンネル磁気抵抗効果を発揮し、図示しない磁気記録媒体に書き込みされた情報を読み取るためのものであり、図２に示したような積層構造を有する。
【００５６】
ＴＭＲヘッド１は、基板９の上に、下部電気リード層１０、ＴＭＲ素子７０および絶縁層５０、ならびに上部電気リード層６０が順に積層された構造を有している。ここで、ＴＭＲ素子７０は絶縁層５０に埋設され、ＴＭＲ素子７０の下部表面は下部電気リード層１０に接し、一方、上部表面は上部電気リード層６０に接している。
【００５７】
下部電気リード層１０および上部電気リード層６０は、ＴＭＲ素子７０に対して、積層面に垂直な方向にセンス電流を流す電流経路としての機能を果たす。絶縁層５０は、下部電気リード層１０と上部電気リード層６０とを電気的に絶縁するためのものである。なお、下部電気リード層１０は、本発明の「第１の電気リード層」の一具体例に対応し、上部電気リード層６０は、本発明の「第２の電気リード層」の一具体例に対応する。
【００５８】
下部電気リード層１０に接して、下部電極積層体２０が形成され、この下部電極積層体２０上にトンネルバリア層３０および上部電極積層体４０が順に積層されている。なお、下部電極積層体２０は本発明の「第１の電極」の一具体例に対応し、上部電極積層体４０は本発明の「第２の電極」の一具体例に対応する。
【００５９】
トンネルバリア層３０を挟んで隣り合う下部電極積層体２０および上部電極積層体４０は、共に強磁性層を含んでいる。下部電気リード１０の上部表面上に形成された下部電極積層体２０は、シード層２２と、シード層２２上に形成される強磁性フリー層２４とを含んでいる。シード層２２は非磁性層であり、その上に形成される強磁性フリー層２４の磁気特性と結晶性を向上させるものである。
【００６０】
上部電気積層体４０は、強磁性ピンド層４２、反強磁性層（交換結合層とも呼ばれる）４４および保護層４６が順に形成された構造を有している。強磁性ピンド層４２は、固定層とも呼ばれる。これは、ＴＭＲ素子に対してある方向の外部磁場が印加されても、強磁性層４２における磁気モーメントの回転は反強磁性層４４によって妨げられ、磁化方向が固定されているからである。一方、フリー強磁性層２４の磁気モーメントは固定されず、したがって、所定の範囲で磁場が印加された状態でも、磁気モーメントは自由に回転できる。ここで、強磁性ピンド層４２の磁化方向４３は外部磁場に対して平行に合わせるのが好ましい。強磁性フリー層２４の磁化方向２３は、外部磁場のない状態で、強磁性ピンド層４２の磁化方向４３に対して垂直に位置するのが好ましい。
【００６１】
センス電流は、上部電気リード層６０から下部電気リード層１０へ向かって流れる。したがって、保護層４６、反強磁性層４４、強磁性ピンド層４２、トンネルバリア層３０、強磁性フリー層２４、シード層２２および下部電気リード層１０の順に、積層面に対して垂直に通過する。トンネルバリア層３０を流れるトンネル電流の量は、トンネルバリア層３０に隔てられて隣接している２つの強磁性層の磁化方向、すなわち、強磁性フリー層２４の磁化方向２３と強磁性ピンド層４２の磁化方向４３との相対的な方向に依存する。このように、ＴＭＲ素子には、上部電気リード層６０から下部電気リード層１０へと電流経路が形成されている。
【００６２】
磁気記録媒体からの磁場によって、磁化方向２３は、磁化方向４３に平行あるいは反平行になるように回転する。これによって、２つの強磁性層、すなわち、強磁性フリー層２４および強磁性ピンド層４２の磁気モーメントの相対的配向が変わり、さらにトンネル電流の量も変わる。よって、ＴＭＲ素子７０の接合抵抗値が変化し、この抵抗変化は、例えば、ディスク駆動装置（図示せず）によって出力電圧変化として検出され、再生データに変換される。
【００６３】
＜ＴＭＲヘッドの製造方法＞
次に、図１および図２を参照して、ＴＭＲ素子７０を含むＴＭＲヘッド１の製造方法を説明する。
【００６４】
まず、基体９の上に、スパッタリング等により、アルミナ等からなる絶縁層（図示せず）を形成したのち、この絶縁層の上に、複数の導電性非磁性材料を積層した構造、例えば、タンタル、銅、タンタルを順に積層した構造からなる下部電気リード層１０を形成する。次に、下部電気リード層１０上の一部にＴＭＲ素子７０を形成すると共に、そのＴＭＲ素子７０の周囲領域を埋め込むようにして、下部電気リード層１０上にアルミナ等の絶縁層５０を形成する。こののち、ＴＭＲ素子７０および絶縁層５０を覆うように、スパッタリング等により、例えば、タンタル、銅、タンタルを順に積層した構造からなる上部電気リード層６０を形成する。
【００６５】
以上により、トンネル磁気抵抗効果を利用するＴＭＲ素子７０と、ＴＭＲ素子７０に対して、積層面に垂直な方向にセンス電流を流すための電流経路（下部電気リード層１０および上部電気リード層６０）とを備えた磁気記録媒体再生用のＴＭＲヘッドの形成が完了する。
【００６６】
ここで、ＴＭＲ素子７０は、例えば、次のようにして形成される。図２に示したように、下部電極リード層１０上に、スパッタリング等によりシード層２２を形成する。シード層２２は、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群より選択される材料によって形成されるのが好ましい。シード層２２上に、例えば、スパッタリング等により、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金とコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金とを順に積層し、磁性材料の積層体からなる強磁性フリー層２４を形成する。このように、下部電極リード層１０上に、下部電極積層体２０を形成する。
【００６７】
続いて、下部電極積層体２０の上に、アルミニウム等の金属層をスパッタリング等で形成し、これを例えば、自然酸化法（いわゆる、ｉｎ ｓｉｔｕ法）によって金属層を酸化処理することにより、トンネルバリア層３０を形成する。トンネルバリア層３０は、厚さ２ｎｍ以下の極薄い絶縁材料からなるものであり、具体的には後述する。
【００６８】
トンネルバリア層３０を形成した後、ＣｏＦｅ合金等の磁性層、ルテニウム（Ｒｕ）等の非磁性層およびＣｏＦｅ合金等の磁性層を順に積層し、強磁性ピンド層４２を形成する。なお、好ましい強磁性ピンド層４２は、ルテニウムの他にレニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅およびクロム等からなる群より選択される非磁性金属層を挟んで反強磁性結合した、２つの強磁性層を含む構造を備えたものである。次いで、やはり、スパッタリング等により、白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金等からなる反強磁性層４４を形成する。強磁性ピンド層４２と反強磁性層４４との界面において交換結合が生じ、強磁性ピンド層４２における磁化の向きが固定される。最後に、反強磁性層４４上に、タンタルからなる保護層４６を形成する。こうして、ＴＭＲ素子７０の形成が完了する。
【００６９】
< ニッケルクロム酸化合金層を含むＴＭＲ素子の評価>
先述したS.Maekawa およびU.Gafvert による「強磁性薄膜間の電子トンネル効果」（"Electron Tunneling Between Ferromagnetic Films",IEEE Transactions on Magnetics,MAG-18,707-708,1982 ）によれば、トンネルバリア層の材料としてニッケル酸化物（ＮｉＯｘ）を適用した場合、それが室温下では反強磁性を示し、いわゆる、スピンフリップ散乱を生じるため、高いＴＭＲ比が得られないことは明らかである。しかし、ＮｉＯｘのエネルギーギャップ（障壁高さとも呼ばれる）が比較的低いので、トンネルバリア層の材料としてＮｉＯｘを適用することは、小さな接合抵抗値Ｒを得るためには有利と考えられる。そこで、本出願人は、非磁性を示すニッケルを主成分とする合金を酸化し、トンネルバリア層となる材料に適用することとした。
【００７０】
本実施の形態に係るＴＭＲ素子を構成するトンネルバリア層３０の材料となる合金薄層は、ニッケルと少なくとも１種の非磁性材料との合金を含んでいることが望ましい。この非磁性材料とは、例えば、クロム、モリブデン、タンタル、ニオブ、銅、白金、パラジウム、ボロン、炭素、アルミニウム、タングステン、シリコン、チタン、バナジウム、ルテニウム、レニウム、ジルコニウム、ハフニウム、マグネシウム、ガリウム等の単体金属およびそれらの合金である。
【００７１】
上記の合金薄膜を酸化処理し、トンネルバリア層に使用すれば、ＴＭＲ素子全体の接合抵抗値を低減できるとともに、不要なスピンフリップ散乱を低減することができる。以上の優れた効果は、後述するように、合金の組成および構成要素を適切に選択して初めて得られるものである。本実施の形態のＴＭＲ素子７０について、従来のＡｌＯx からなるトンネルバリア層を有するＴＭＲ素子と比較しながら評価を行ったので、以下に詳述する。
【００７２】
<<接合抵抗値およびＴＭＲ比の磁場依存性>>
本実施の形態のＴＭＲ素子７０の一例として、ＮｉＣｒＯｘ（ニッケルクロム合金の酸化物）のトンネルバリア層３０Ａを有するＴＭＲ素子７０Ａ（１×１μｍ2 ）を形成し、これに対する比較例としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）のトンネルバリア層３０Ａ′を有するＴＭＲ素子７０Ａ′（１×１μｍ2 ）を形成した。次に、室温下でＴＭＲ素子７０Ａ，７０Ａ′に磁場を印加し、接合抵抗値およびトンネル磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）について磁場依存性を調査した。図３および図４にその結果を示す。図３は、ＡｌＯｘのトンネルバリア層３０Ａ′を有するＴＭＲ素子７０Ａ′で得られた結果（比較例）であり、図４は、ＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層３０Ａをもつ本実施の形態のＴＭＲ素子７０Ａで得られた結果である。図３および図４は共に、左側の縦軸が接合抵抗値Ｒと接合面積Ａとの積Ｒ×Ａ（ＲＡ）を示し、右側の縦軸がＴＭＲ比を示し、さらに横軸が印加した磁場Ｈを示す。この実験で用いられたトンネルバリア層３０Ａは、厚み０．９ｎｍのＮｉＣｒ層を酸化して形成し、一方、トンネルバリア層３０Ａ′は、厚み０．９ｎｍのアルミニウム層を酸化して形成したものである。
【００７３】
図３に示したように、比較例として評価したＡｌＯｘからなるトンネルバリア層３０Ａ′を有するＴＭＲ素子７０Ａ′では、室温下でＲＡは約１５０Ωμｍ2 、ＴＭＲ比は約１８％であった。一方、図４に示したように、本実施の形態によるＮｉＣｒＯｘからなるトンネルバリア層３０Ａを有するＴＭＲ素子７０Ａでは、接合抵抗値ＲＡが約６．６Ωμｍ2 であり、比較例（ＡｌＯｘ）よりもはるかに低い値となった。さらに、図４によれば、ＴＭＲ素子７０ＡのＴＭＲ比も相対的に僅かに小さな値であることがわかる。ＴＭＲ比が小さくなった原因は、スピンフリップ散乱の影響によるものと考えられる。
【００７４】
<<接合面積依存性>>
本実施の形態に係るＴＭＲ素子として、ＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層３０Ｂを有するＴＭＲ素子７０Ｂを形成し、比較例としてＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するＴＭＲ７０Ｂ′を形成した。これらＴＭＲ素子７０Ｂ，７０Ｂ′について、接合面積を変数とし、接合抵抗値Ｒの変化を調査した。ここで、トンネルバリア層３０Ｂは、厚み０．９ｎｍのＮｉＣｒ層を酸化して得たものであり、一方、トンネルバリア層３０Ｂ′は、厚み０．９ｎｍのアルミニウム層を酸化して得たものである。図５に、その結果を示す。縦軸は接合抵抗Ｒを表し、横軸は接合面積Ａを表す。本実施の形態であるＮｉＣｒＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂについての測定結果を□でプロットし、一方、比較例であるＡｌＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂ′についての測定結果を●でプロットした。図５に示したように、ＴＭＲ素子７０Ｂ，７０Ｂ′は共に、接合面積Ａが接合抵抗Ｒに反比例して増減している（Ｒ∝１／Ａに従って増減している）。しかし、同じ接合面積Ａで比較すると、ＮｉＣｒＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂの方が、より小さい接合抵抗値Ｒを示している。
【００７５】
さらに、ＴＭＲ素子７０Ｂ，７０Ｂ′について、ＴＭＲ比の接合面積依存性を調査した。図６に、その結果を示す。縦軸はＴＭＲ比を表し、横軸は接合面積Ａを表す。図５と同様、本実施の形態であるＮｉＣｒＯｘ層を含むＴＭＲ素子７０Ｂについての測定結果を□でプロットし、一方、比較例であるＡｌＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂ′についての測定結果を●でプロットした。図６に示したように、ＮｉＣｒＯｘ層を含むＴＭＲ素子７０Ｂでは、接合面積Ａが１μｍ2 以下である場合、ＴＭＲ比は接合面積Ａと関係なく約１１〜１２％であるが、接合面積Ａが９（＝３×３）μｍ2 以上の場合は、ＴＭＲ比は接合面積Ａと共に上昇し、より好ましい傾向となる。その一方、図５に示したように、ＮｉＣｒＯｘ層を含むＴＭＲ素子７０Ｂでは、９（＝３×３）μｍ2 より大きい接合面積の場合、接合抵抗値Ｒがリード抵抗（□抵抗Ｒ ０．４５Ω）と同等の値、もしくはリード抵抗よりもより低い値になる。以上の結果から、接合面積Ａが９（＝３×３）μｍ2 以上の場合、接合抵抗をある程度低減できると共に、よりＴＭＲ比が得られる。
【００７６】
<<電圧依存性>>
次に、本実施の形態のＴＭＲ素子７０の一例として、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層を備えたＴＭＲ素子７０Ｃ（サイズは０．６×０．６μｍ2 ）を形成し、センス電流とバイアス電圧との関係およびコンダクタンスとバイアス電圧との関係について調査した。図７は、ＴＭＲ素子７０Ｃにおけるセンス電流のバイアス電圧依存性を示すものである。縦軸はセンス電流（ｍＡ）を示し、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示す。図８は、ＴＭＲ素子７０Ｃにおけるコンダクタンスの電圧依存性を示すものであり、縦軸はコンダクタンス（１／Ω）を示し、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示す。なお、上記実施の形態のトンネルバリア層は、厚み０．９ｎｍのＮｉＣｒ合金層を酸化することによって形成した。
【００７７】
図７に示したように、センス電流の変化はバイアス電圧に対し、非線形の曲線で表され、単調増加を示す。一方、図８に示したように、コンダクタンスの変化は印加されるバイアス電圧に依存する。バイアス電圧がゼロのときに極小値を示し、バイアス電圧の絶対値増加と共にコンダクタンスも増加する。図７および図８により、ＮｉＣｒＯｘをトンネルバリア層として用いた場合、ＴＭＲ素子７０Ｃにおけるトンネル現象は、一般的なコンダクタンスの変化を示すことがわかる。
【００７８】
さらに、図９は、ＴＭＲ７０Ｃについて、ＴＭＲ比のバイアス電圧依存性について調査した結果を示すものである。縦軸がＴＭＲ比（％）を示し、横軸がバイアス電圧（Ｖ）を示す。
【００７９】
図９に示したように、バイアス電圧の絶対値が増加すると、ＴＭＲ比は、ほぼ線形に急激な減少を示し、バイアス電圧に対して高い減少率となっている。これは上記のような構成のＴＭＲ素子においてよく見られる現象である。例えば、図９に示されているように、電圧がゼロから正あるいは負の方向に変化すると、ＴＭＲ比は初期値（バイアス電圧がゼロのときのＴＭＲ比）から減少し、電圧が−０．１６Ｖあるいは０．１４ＶになるとＴＭＲ比は初期値の半分の値になる。なお、図９において、正の値のバイアス電圧は上部電極から下部電極に向かうバイアス電圧のことを言う。このように、バイアス電圧の変化に従ってＴＭＲ比が急激に減少することは、低い障壁高さをもつＴＭＲ素子で見られる共通の特徴である。
【００８０】
<<トンネルバリア層の厚みと接合抵抗>>
次に、トンネルバリア層の厚みと、接合抵抗値との関係について調査をおこなった。図１０は、アルミニウム層を酸化処理することによりＡｌＯx からなるトンネルバリア層３０Ｄ′を形成し、これを含むＴＭＲ素子７０Ｄ′における接合抵抗値と接合面積との積Ｒ×Ａ（ＲＡ）の変化を示したものである。図１０において、横軸は酸化処理前のアルミニウム層の厚み（ｎｍ）を示し、縦軸はＲＡ（Ωμｍ2 ）を示す。一方、図１１は、本実施の形態のトンネルバリア層３０の一例として、ＮｉＣｒ合金層を酸化処理することにより厚みの異なる複数のトンネルバリア層３０Ｄを形成した場合のＴＭＲ素子７０ＤにおけるＲＡの変化を示したものである。図１１において、横軸は酸化処理前のＮｉＣｒ合金層の厚さ（ｎｍ）を示し、縦軸はＲＡ（Ωμｍ2 ）を示す。
【００８１】
図１０および図１１に示したように、トンネルバリア層の厚みが増加するにしたがって、ＲＡも増加する。図１０に示したＡｌＯｘからなる従来のトンネルバリア層３０Ｄ′のＲＡの増加は、図１１に示したＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層３０ＤのＲＡの増加と比較して、トンネルバリア層の厚みがかなり小さいときから始まっている。これはＡｌＯｘの障壁高さがＮｉＣｒＯｘよりも大きいためである。さらに、ＲＡについて同じ厚みで比較した場合、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層３０Ｄの方が大幅に低減されることが明らかである。この場合、本実施の形態のトンネルバリア層３０Ｄの形成に用いたＮｉＣｒ合金層は、１原子層厚より２ｎｍまでの厚みであることが望ましい。特に、図１１に示されているように、１．１ｎｍ以下の厚みであることが望ましい。
【００８２】
図１２は、従来のトンネルバリア層３０Ｄ′を備えたＴＭＲ素子３０Ｄ′について、トンネルバリア層の厚みによる、ＴＭＲ比の変化を調査した結果である。図１２において、横軸は、トンネルバリア層３０Ｄ′に含まれるＡｌＯx の原材料となった酸化処理前のアルミニウム層の厚み（ｎｍ）を示す。同様に、図１３は、本実施の形態の一例であるトンネルバリア層３０Ｄを備えたＴＭＲ素子３０Ｄについて、ＴＭＲ比のトンネルバリア層の厚み依存性を調査した結果である。図１３において、横軸は、トンネルバリア層３０Ｄに含まれるＮｉＣｒＯx の原材料となった酸化処理前のＮｉＣｒ合金層の厚み（ｎｍ）を示す。
【００８３】
図１２に示したように、ＡｌＯｘを含むトンネルバリア層３０Ｄ′では、厚みが０．７ｎｍのときにＴＭＲ比が最大値（２５％超）を示すことがわかる。一方、図１３に示したように、ＡｌＯｘを含むトンネルバリア層３０Ｄ′と同じ酸化条件で形成されたＮｉＣｒＯｘでは、ＮｉＣｒの厚みが０．９ｎｍのときに、ＴＭＲ比は最大値（約１１〜１２％）を示すことがわかる。これらの結果から、ＮｉＣｒ合金膜における最適な酸化条件は、アルミニウム層の最適な酸化条件とは異なるということが推定される。
【００８４】
上述したように、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層のＴＭＲ比は、様々な方法で最適化することができる。最適なＮｉＣｒ組成を確保しつつ最適な酸化条件を確保する方法はその一つの方法である。
【００８５】
＜トンネルバリア層の形成方法＞
本出願人は、上記実施の形態に挙げたＴＭＲ素子７０におけるＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層３０を、以下の方法に従って形成すれば、最適なトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）がより確実に得られることを見出した。以下、その形成方法について述べる。
【００８６】
本実施の形態によるトンネルバリア層３０の形成方法は、スパッタリング条件の最適化を図ることと、ＮｉＣｒ合金層を形成する基板温度の適正化を図ることの２点によってＮｉＣｒ合金薄層の質を最適化するものである。適切なスパッタリング条件としては、ＮｉＣｒ蒸着時のアルゴン（Ａｒ）の圧力と印加電力とを適切な値に設定することである。一方、基板９は、室温未満（約１５０Ｋ）に冷却されることが好ましい。上記したように、スパッタリング条件と基板温度とを適切に設定することによって、ＮｉＣｒ層の粒子サイズを小さく制御することができ、これにより、トンネル磁気抵抗効果を向上させることができる。ＮｉＣｒ合金のクロム含有量は、非磁性を示す組成になるように設定され、全体の３０％から９０％程度の比較的大きな範囲を占めることになる。
【００８７】
スパッタリングを行うにあたって、ターゲット組成物を選択して適切なＮｉＣｒ合金組成を選ぶことにより、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層の最適な組成を得る。このようにすればより高いＴＭＲ比を得ることができる。以下、これについて詳述する。
【００８８】
本実施の形態によるトンネルバリア層３０の形成方法においては、酸化条件も、より優れたＴＭＲ比を得るための必要な条件である。ＡｌＯx 層の形成と同じ酸化プロセスを適用して、ＮｉＣｒ合金層を酸化することによりＮｉＣｒＯｘ層を形成することができ、このような場合でも好ましい結果が得られる。例えば、アルミニウム薄層と同様にＮｉＣｒ合金薄層を室温で１時間、２６ｋＰａの圧力で純粋な酸素雰囲気中に暴露して酸化する。この酸化法が自然酸化法と呼ばれるもので、好適な酸化方法である。この場合において、ＮｉＣｒ合金層の全ての反応が完了するまで、真空破壊が発生しないことが望ましい。
【００８９】
最適な酸化条件を整える方法として、上述の自然酸化方法以外の酸化方法を選択することもできる。例えば、プラズマ酸化や酸素ラジカルによる酸化が挙げられる。例えば０．１Ｐａから数十ｋＰａまでの範囲から適切な酸素圧力を選択する方法や、後述するようにＴＭＲ素子７０に少し熱を加えて酸化を加速させる方法も好ましい。好ましい酸化所要時間は、例えば、数分から数時間の範囲内にある。このような酸化圧力や酸化所要時間などのパラメータの最適値は、どの酸化法を使用するかによって変わる。
【００９０】
このように、特定の材料を選択し、トンネルバリア層および強磁性層を形成することで結晶構造が改善され、特定の結晶配向を有するＮｉＣｒ合金層を成長させることができる。その結果、トンネル磁気抵抗効果はさらに向上することになる。
【００９１】
以上、実施の形態を挙げて本発明をしたが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形態では、トンネルバリア層３０としてＮｉＣｒＯｘを形成する例を挙げたがこれに限定されるものではない。
【００９２】
なお、上記実施の形態に挙げたＴＭＲ素子によれば、ハードディスクドライブなどのデータ再生に関わる磁気ディスク装置だけでなく、その他の磁気記録装置媒体を備えた装置や、その他の磁場検出デバイスにも適用でき、実用上要求される室温下において、高ＴＭＲ比と高Ｓ／Ｎ比との両立が図れなかったことによる従来技術の制限および欠点による様々な問題を解決することが可能である。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子および請求項９ないし請求項１２のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドによれば、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物からなるトンネルバリア層を備えるようにしたので、室温下において優れた磁気抵抗変化率を維持しながら、適度に低い接合抵抗値を得ることができる。したがって、室温下においても高ＴＭＲ比と高Ｓ／Ｎ比とを両立することが可能となる。
【００９５】
請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法および請求項１３記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法によれば、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成するようにしたので、室温下において優れた磁気抵抗変化率を維持しながら、適度に低い接合抵抗値を得ることができる。したがって、室温下においても高ＴＭＲ比と高Ｓ／Ｎ比とを両立することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るトンネルバリア層を含むトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの平面図である。
【図２】図１のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの部分断面図である。
【図３】従来型のＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、印加した磁場に対する接合抵抗値およびトンネル磁気抵抗変化率の変化を表す特性図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、印加した磁場に対する接合抵抗値およびトンネル磁気抵抗変化率の変化を表す特性図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子および従来型のＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、接合面積と接合抵抗値との関係を表す特性図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子および従来型のＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、接合面積とトンネル磁気抵抗変化率との関係を表す特性図である
【図７】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、センス電流とバイアス電圧との関係を表す特性図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、コンダクタンスとバイアス電圧との関係を表す特性図である。
【図９】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、トンネル磁気抵抗変化率とバイアス電圧との関係を表す特性図である。
【図１０】従来型のトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するアルミニウム層の厚みと接合抵抗値との関係を表す特性図である。
【図１１】本発明の一実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するＮｉＣｒ合金層の厚みと接合抵抗値との関係を表す特性図である。
【図１２】従来型のトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するアルミニウム層の厚みとトンネル磁気抵抗変化率との関係を表す特性図である。
【図１３】本発明の一実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するＮｉＣｒ合金層の厚みとトンネル磁気抵抗変化率との関係を表す特性図である。
【符号の説明】
１…トンネル磁気抵抗効果型ヘッド、９…基板、１０…下部電気リード、２０…下部電極積層体、２２…シード層、２３…磁化方向、２４…強磁性フリー層、３０…トンネルバリア層、４０…上部電極積層体、４２…強磁性ピンド層、４４…反強磁性層、４６…保護層、５０…絶縁層、６０…上部電気リード、７０…トンネル磁気抵抗効果素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記録媒体の磁場を検出するトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法に関し、特に、高いトンネル効果を維持しつつ、接合抵抗値を低減することができる特定の材料からなるトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、異方性磁気抵抗（Anisotropic Magneto-Resistance, 以下、ＡＭＲ）効果あるいはスピンバルブ（Spin-Valve, 以下、ＳＶ）効果に基づいた磁気抵抗（Magneto-Resistive,以下、ＭＲ）センサは、磁気記録媒体を再生するための再生変換器（トランスデューサ）として広く用いられている。このようなＭＲセンサは、磁性材料よりなる再生ヘッド部で生じる抵抗変化を利用して、記録媒体に記録された信号の変化によって生じる漏洩磁界を検出するものである。ＡＭＲ効果を利用したＭＲセンサ（ＡＭＲセンサ）の磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒは低く、一般に１〜３％である。これに対し、同じ磁場を印加した場合のＳＶセンサのΔＲ／Ｒは一般に２〜７％に及ぶ。このような高感度ＳＶヘッドは非常に高い記録密度に対応することができ、その記録密度は、１平方センチメートルあたり数ギガ・ビット以上（数Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 以上）になる。従って、ＳＶ磁気再生ヘッドは次第にＡＭＲ再生ヘッドに取って代わるようになった。
【０００３】
基本的なＳＶセンサは、米国特許第５，１５９，５１３号に記載されているように、２つの強磁性層が非磁性層によって隔てられている構造を有している。さらに、このＳＶセンサでは、２つの強磁性層のうちの１つに隣接するように、例えば、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）合金で形成された交換結合層（ピン止め層）が形成されている。交換結合層とこれに隣接する強磁性層との間には交換結合が生じ、その強磁性層の磁化方向が特定の一方向へ強くピン止め、すなわち固定されている。この磁化方向が固定された強磁性層は強磁性ピンド層と呼ばれる。他方の強磁性層、つまり強磁性フリー層の磁化方向は、小さな外部磁場に応じて自由に回転する。このようなＳＶセンサでは、２つの強磁性層の磁化方向が、平行から反平行状態に変化するにつれて電気抵抗が増加するようになっており、これにより、比較的高い抵抗変化率（ＭＲ比）が得られる。
【０００４】
最近では、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistance, ＴＭＲ）を使用する新しいＭＲセンサ（ＴＭＲセンサ）を超高密度記録媒体へ適用することが期待されている。これらのセンサは、磁気トンネル接合型（Magnetic Tunnel Junction, ＭＴＪ）センサ、あるいは磁気抵抗トンネル接合型（Magneto-Resistive Tunnel Junction,ＭＲＴＪ）センサとも呼ばれ、大きなＴＭＲが室温で最初に確認されてから重要な技術として注目されるようになった。これに関しては、Moodera らによる「室温下で大きな磁気抵抗をもつ強磁性薄膜トンネル接合」（"Large magneto resistance at room temperature in ferromagnetic thin film tunnel junctions",Phys.Rev.Lett.v.74,pp.3273-3276,1995 ）に記載されている。ＳＶセンサと同様、ＴＭＲセンサは、２つの強磁性層によって非磁性層を挟み込んだ構造を有している。２つの磁性層のうち、一方の強磁性層は、特定の一方向に固定された磁気モーメントを有する強磁性ピンド層であり、もう一方の強磁性層は、外部磁場に応じて自由に回転する磁気モーメントを有する強磁性フリー層（または、センス層）である。ところが、ＳＶセンサと異なり、ＴＭＲセンサにおける上記２つの強磁性層間に挟まれた非磁性層は、薄い絶縁層、すなわちトンネルバリア層として形成されている。電子が絶縁層をトンネルできるように、絶縁層は十分に薄くなっている。さらに、ＳＶセンサと異なり、ＴＭＲセンサの動作は、いわゆるＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型であって、ＴＭＲセンサのセンス電流が、積層膜の厚み方向つまり強磁性層表面に対して垂直方向に流れる。
【０００５】
トンネルバリア層を流れるセンス電流は、２つの強磁性層のスピン分極状態に強く依存する。センス電流が第１の強磁性層を通過すると、電子はスピン分極化される。２つの強磁性層の磁化方向が互いに反平行な場合は、トンネルバリア層を介した電子トンネル効果が得られる確率は低下し、その結果、センス電流は流れにくくなり、大きな接合抵抗Ｒapが得られる。一方、２つの強磁性層の磁化方向が互いに平行な場合、電子トンネル効果が得られる確率は高くなり、センス電流が流れやすくなるので、これにより、小さな接合抵抗Ｒp が得られる。両方の強磁性層の磁化方向が互いに直交な状態、すなわち、平行状態と反平行状態との中間の状態では、接合抵抗Ｒm はＲapとＲp の中間の大きさとなり、Ｒap＞Ｒm ＞Ｒp という関係が得られる。これらの記号を使用して磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）を定義すると、ΔＲ／Ｒ＝（Ｒap−Ｒp ）／Ｒp と表すことができる。
【０００６】
磁気記録媒体における磁化遷移のように、２つの強磁性層の相対的な磁化方向の配置、すなわち角度は、外部磁場に影響されて変化する。この相対的な磁化方向の角度変化は、ＴＭＲセンサの電気抵抗にも影響するため、出力電圧が変化する。したがって、電気抵抗の変化、すなわち、相対的な磁化方向の角度変化に基づく出力電圧の変化を検出することにより、外部磁場の変化を検出することが可能となる。このようにして、ＴＭＲセンサは、磁気記録媒体に記録された情報の再生を行うことができるようになっている。
【０００７】
しかし、ＴＭＲセンサにおいては、高ＴＭＲ比と接合抵抗値との両立が困難であるという問題がある。ＴＭＲ比は、２つの強磁性層におけるそれぞれのスピン分極に比例する。Parkinらによる「交換バイアス磁気トンネル接合および不揮発性磁気ＲＡＭへの応用」("Exchange-biased magnetic tunnel junctions and application to nonvolatile magnetic random access memory",J.Appl.Phys.,v.85,pp.5828-5833,15 April 1999）によれば、２つの強磁性層を良好な組み合わせにすると、４０％程度のＴＭＲ比が達成されたことが示されている。しかし、このような高いＴＭＲ比が得られているにもかかわらず、上記のようなＴＭＲセンサは再生ヘッドに適用されていない。接合抵抗値が大きいため、ショットノイズ（電子がトンネルバリア層を通過する際に生じるノイズ）が高く、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ：Signal to Noise ）が低くなってしまうためである。ここで、ショットノイズＶrms 、センス電流Ｉ、周波数帯域Δｆおよび接合抵抗値Ｒの相互の関係は、以下の（１）式で表される。なお、式中ｅは電気素量であり約１．６×１０-19 Ｃ（クーロン）である。
【０００８】
Ｖrms ＝（２・ｅ・Ｉ・Δｆ）0.5 ・Ｒ ・・・ （１）
【０００９】
このショットノイズを低減するには、ＴＭＲセンサの接合抵抗値Ｒと面積Ａとの積Ｒ・Ａ（ＲＡと記す。）の値を小さくすればよい。ＴＭＲセンサの製造過程での酸化工程において、自然酸化法（いわゆる"in situ" 酸化法）を採用すれば、ＲＡを低減することは可能である。ＲＡはトンネルバリア層の特徴を表し、ある接合面積についての接合抵抗値Ｒ′は、Ｒ′＝ＲＡ／（接合面積）で表される。また、接合抵抗値Ｒは、トンネルバリア層の厚みｄと、障壁高さΦの平方根に指数関数的に比例する。これを式で表すとＲ∝ｅｘｐ（ｄ・Φ0.5 ）となる。接合抵抗値Ｒを低下させるためには、トンネルバリア層の厚みｄを減少させればよい。例えば、厚さ０．７ｎｍ以下のアルミニウム（Ａｌ）層に適切な自然酸化処理を施したトンネルバリア層を用いたＴＭＲセンサでは、１５Ωμｍ2 程度の低いＲＡを得ることができる。このように、ＲＡが著しく低いためショットノイズを低減することができ、かつ、高いＴＭＲ比を有するＴＭＲセンサは超高密度記録媒体に対応する再生ヘッドに適用できると期待されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、金属層の自然酸化法によってトンネルバリア層を形成する方法は、より小さな接合抵抗値Ｒを得るには好適であると考えられる。また、この金属層の厚みを減らすことも、接合抵抗値Ｒの低減には必要とされる。しかしながら、ＴＭＲセンサが備えた薄いトンネルバリア層は非常に敏感であり、製造過程中のラッピング工程とよばれる工程において問題となる。ラッピング工程とは、ＴＭＲヘッドのＡＢＳ（Air Bearing Surface ）の形成精度に関わる工程である。ＴＭＲセンサのトンネルバリア層は非常に薄く、損傷を受けやすい。このため、このラッピング工程において、トンネルバリア層の一部が破壊され、トンネルバリア層によって隔てられるべき２つの隣り合う強磁性層間に電気的短絡（ショート）が生じて、センサとして役に立たなくなる可能性がある。従って、この点を考慮するとトンネルバリア層を可能な限り厚くすることが望ましく、接合抵抗値Ｒの低減からなされる要求と矛盾するものとなる。
【００１１】
ところで、ＴＭＲに関しては、１９７５年にJulliereの「強磁性薄膜間でのトンネル効果」（"Tunneling Between Ferromagnetic Films",Physics Letters,54A225,1975 ）にて論じられているが、それ以降、１９９５年までに報告されたＴＭＲセンサは、室温下におけるＴＭＲ比が低く、せいぜい約１〜２％程度にとどまるものであった。一例として、S.Maekawa およびU.Gafvert による「強磁性薄膜間の電子トンネル効果」（"Electron Tunneling Between Ferromagnetic Films",IEEE Transactions on Magnetics,MAG-18,707-708,1982 ）がある。これは、トンネルバリア層の材料としてニッケル酸化物（ＮｉＯｘ）の適用を検討した報告であるが、ＴＭＲ比は２％未満である。この構造においてＴＭＲ比が低くなる原因は、ＮｉＯｘが室温では反強磁性を示し、伝導電子のスピン分極が表面反射の際に失われるという、いわゆる、スピンフリップ散乱を生じてしまうことにある。
【００１２】
１０％以上という高ＴＭＲ比を室温下で得られるＴＭＲセンサは、前述のMoodera らによる「室温下で大きな磁気抵抗をもつ強磁性薄膜トンネル接合」（"Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film tunnel Junctions",Physics.Review.Letters,74,327,1995）によって報告された。この文献によれば、ベース電極の成長による表面粗さを低減し、極低温に冷却された基板を乾燥させ、シード層を用い、かつ、ベース電極を非常に薄くすることによって、ＴＭＲ比を向上することができると考えられた。このときのトンネルバリア層は、低温下でアルミニウム（Ａｌ）層を積層したのち、アルミニウム（Ａｌ）層を暖め、プラズマ酸化によってより多くのアルミニウム（Ａｌ）を酸化するという方法で形成された。このときの接合抵抗値は、２００×３００μｍ2 の断面積の接合部に対し、数百Ωから数十ｋΩの範囲であった。
【００１３】
比較的高い接合抵抗値をもつＴＭＲセンサは、Ｓ／Ｎ比が低くなってしまい、特定用途の再生ヘッドや装置にしか適用できないものとなってしまう。上記のような比較的高い接合抵抗値をもつＴＭＲセンサの中にも、好ましい、高ＴＭＲ比を示すものもあるが、Ｓ／Ｎ比は低いので、得られる効果が少ない。さらに、高密度記録になると必然的に接合部のサイズが小さくなる。接合部のサイズが小さくなると接合抵抗値が高くなるため、接合抵抗値によるＳ／Ｎ比の低下はより深刻な問題になる。したがって、室温下において十分に高いＴＭＲ比を達成すると共に、適度に低い接合抵抗を提供できるＴＭＲセンサが必要とされている。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、トンネルバリア層に適した特定の材料を選択し、最大限の磁気抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法を提供することである。すなわち、室温下において優れた磁気抵抗変化率を維持することができ、かつ、高いＳ／Ｎ比を得ることができるトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、トンネルバリア層の障壁高さを低くすることで、低い接合抵抗を維持すると共に、トンネルバリア層の厚みを比較的大きくすることのできるトンネル磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極と、外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極と、強磁性フリー層と強磁性ピンド層との間に挟まれたトンネルバリア層とを備え、このトンネルバリア層が、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物（ＮｉＣｒＯ x ）からなるようにしたものである。
【００１７】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層が０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物からなるので、そのトンネルバリア層の障壁高さを低減することができる。
【００２４】
さらに、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、強磁性ピンド層に隣接し、この強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を備えていることが望ましい。
【００２５】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子では、強磁性ピンド層が、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）およびクロムからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層と、この非磁性金属層を挟んで反強磁性的に結合する２つの強磁性層とを含んでいることが望ましい。この場合、反強磁性的に結合する２つの強磁性層の磁化方向が互いに反対向きとなるため、強磁性ピンド層の作る磁界が強磁性フリー層に与える影響を小さくすることが可能になる。
【００２６】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子では、強磁性フリー層の下に隣接するシード層を有し、このシード層は、タンタル、クロム、チタン、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群のうち少なくとも１種を含んでいるようにすることが望ましい。
【００２８】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極を形成する工程と、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成する工程と、このトンネルバリア層上に外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極を形成する工程とを含むようにしたものである。
【００２９】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法では、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成するようにしたので、トンネルバリア層の障壁高さを低減することができる。
【００３６】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を、強磁性ピンド層上に隣接するように形成する工程を含んでいることが望ましい。
【００３７】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、ルテニウム、レニウム、ロジウム、銅およびクロムからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層を、反強磁性的に結合する一対の強磁性層で挟み込むことによって前記強磁性ピンド層を形成する工程を含んでいることが望ましい。これにより、反強磁性的に結合する２つの強磁性層の磁化方向が互いに反対向きとなるため、強磁性ピンド層の作る磁界が強磁性フリー層に与える影響を小さくすることが可能になる。
【００３８】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法は、タンタル、クロム、チタン、ニッケルクロム合金およびニッケルクロム鉄合金からなる群のうち少なくとも１種を含む材料によりシード層を形成する工程を含んでいることが望ましい。
【００４０】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドは、電気回路に接続され、前記電気回路により外部磁場の印加によって発生するセンス電流の電気抵抗変化を検出するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドである。このヘッドは、第１の電気リード層と、第２の電気リード層と、この第２の電気リード層から第１の電気リード層ヘセンス電流経路が形成されるように第１および第２の電気リード層の間に隣接して設けられたトンネル磁気抵抗効果素子とを備えている。トンネル磁気抵抗効果素子は、外部磁場より磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極と、外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極と、強磁性フリー層と強磁性ピンド層との間に挟まれ、強磁性フリー層および強磁性ピンド層の積層面に対してほぼ垂直にトンネル電流が流れるように形成されたトンネルバリア層とを備える。このトンネルバリア層は、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物からなるものである。
【００４１】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドでは、トンネルバリア層が０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物によって構成されているので、その障壁高さを低減することができる。
【００４８】
さらに本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドは、強磁性ピンド層に隣接し、この強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を備えていることが望ましい。
【００４９】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドでは、強磁性ピンド層が、ルテニウム、レニウム、ロジウム、銅およびクロムからなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層と、この非磁性金属層を挟んで、反強磁性的に結合する２つの強磁性層とを含んでいることが望ましい。この場合、反強磁性的に結合する２つの強磁性層の磁化方向が互いに反対向きとなるため、強磁性ピンド層の作る磁界が強磁性フリー層に与える影響を小さくすることが可能になる。
【００５０】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドは、強磁性フリー層の下に隣接するシード層を有し、このシード層は、タンタル、クロム、チタン、ＮｉＣｒ合金およびＮｉＣｒＦｅ合金からなる群のうち少なくとも１種を含んでいることが望ましい。
【００５２】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法は、電気回路に接続され、前記電気回路により外部磁場の印加によって発生するセンス電流の電気抵抗変化を検出するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法であって、基板上に、第１の電気リード層を形成する工程と、第１の電気リード層の上に、外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極を形成する工程と、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成する工程と、このトンネルバリア層の上に、外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極を形成する工程と、第２の電極の上に第２の電気リード層を形成する工程とを含むようにしたものである。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。まず、図１および図２を参照して、本実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子およびこれを含むトンネル磁気抵抗効果型（ＴＭＲ）ヘッドの構成について説明する。
【００５４】
なお、本発明の実施の形態には、様々な構成要素、構成要素の配置、様々な工程および工程の手順があり、添付した図面は好ましい実施の形態を例証するためのものであって、本発明を制限するものではない。
【００５５】
＜ＴＭＲ素子およびＴＭＲヘッドの構成＞
図１は、本実施の形態に係るＴＭＲ素子７０を含むＴＭＲヘッド１の平面図である。ＴＭＲ素子７０は、トンネル磁気抵抗効果を発揮し、図示しない磁気記録媒体に書き込みされた情報を読み取るためのものであり、図２に示したような積層構造を有する。
【００５６】
ＴＭＲヘッド１は、基板９の上に、下部電気リード層１０、ＴＭＲ素子７０および絶縁層５０、ならびに上部電気リード層６０が順に積層された構造を有している。ここで、ＴＭＲ素子７０は絶縁層５０に埋設され、ＴＭＲ素子７０の下部表面は下部電気リード層１０に接し、一方、上部表面は上部電気リード層６０に接している。
【００５７】
下部電気リード層１０および上部電気リード層６０は、ＴＭＲ素子７０に対して、積層面に垂直な方向にセンス電流を流す電流経路としての機能を果たす。絶縁層５０は、下部電気リード層１０と上部電気リード層６０とを電気的に絶縁するためのものである。なお、下部電気リード層１０は、本発明の「第１の電気リード層」の一具体例に対応し、上部電気リード層６０は、本発明の「第２の電気リード層」の一具体例に対応する。
【００５８】
下部電気リード層１０に接して、下部電極積層体２０が形成され、この下部電極積層体２０上にトンネルバリア層３０および上部電極積層体４０が順に積層されている。なお、下部電極積層体２０は本発明の「第１の電極」の一具体例に対応し、上部電極積層体４０は本発明の「第２の電極」の一具体例に対応する。
【００５９】
トンネルバリア層３０を挟んで隣り合う下部電極積層体２０および上部電極積層体４０は、共に強磁性層を含んでいる。下部電気リード１０の上部表面上に形成された下部電極積層体２０は、シード層２２と、シード層２２上に形成される強磁性フリー層２４とを含んでいる。シード層２２は非磁性層であり、その上に形成される強磁性フリー層２４の磁気特性と結晶性を向上させるものである。
【００６０】
上部電気積層体４０は、強磁性ピンド層４２、反強磁性層（交換結合層とも呼ばれる）４４および保護層４６が順に形成された構造を有している。強磁性ピンド層４２は、固定層とも呼ばれる。これは、ＴＭＲ素子に対してある方向の外部磁場が印加されても、強磁性層４２における磁気モーメントの回転は反強磁性層４４によって妨げられ、磁化方向が固定されているからである。一方、フリー強磁性層２４の磁気モーメントは固定されず、したがって、所定の範囲で磁場が印加された状態でも、磁気モーメントは自由に回転できる。ここで、強磁性ピンド層４２の磁化方向４３は外部磁場に対して平行に合わせるのが好ましい。強磁性フリー層２４の磁化方向２３は、外部磁場のない状態で、強磁性ピンド層４２の磁化方向４３に対して垂直に位置するのが好ましい。
【００６１】
センス電流は、上部電気リード層６０から下部電気リード層１０へ向かって流れる。したがって、保護層４６、反強磁性層４４、強磁性ピンド層４２、トンネルバリア層３０、強磁性フリー層２４、シード層２２および下部電気リード層１０の順に、積層面に対して垂直に通過する。トンネルバリア層３０を流れるトンネル電流の量は、トンネルバリア層３０に隔てられて隣接している２つの強磁性層の磁化方向、すなわち、強磁性フリー層２４の磁化方向２３と強磁性ピンド層４２の磁化方向４３との相対的な方向に依存する。このように、ＴＭＲ素子には、上部電気リード層６０から下部電気リード層１０へと電流経路が形成されている。
【００６２】
磁気記録媒体からの磁場によって、磁化方向２３は、磁化方向４３に平行あるいは反平行になるように回転する。これによって、２つの強磁性層、すなわち、強磁性フリー層２４および強磁性ピンド層４２の磁気モーメントの相対的配向が変わり、さらにトンネル電流の量も変わる。よって、ＴＭＲ素子７０の接合抵抗値が変化し、この抵抗変化は、例えば、ディスク駆動装置（図示せず）によって出力電圧変化として検出され、再生データに変換される。
【００６３】
＜ＴＭＲヘッドの製造方法＞
次に、図１および図２を参照して、ＴＭＲ素子７０を含むＴＭＲヘッド１の製造方法を説明する。
【００６４】
まず、基体９の上に、スパッタリング等により、アルミナ等からなる絶縁層（図示せず）を形成したのち、この絶縁層の上に、複数の導電性非磁性材料を積層した構造、例えば、タンタル、銅、タンタルを順に積層した構造からなる下部電気リード層１０を形成する。次に、下部電気リード層１０上の一部にＴＭＲ素子７０を形成すると共に、そのＴＭＲ素子７０の周囲領域を埋め込むようにして、下部電気リード層１０上にアルミナ等の絶縁層５０を形成する。こののち、ＴＭＲ素子７０および絶縁層５０を覆うように、スパッタリング等により、例えば、タンタル、銅、タンタルを順に積層した構造からなる上部電気リード層６０を形成する。
【００６５】
以上により、トンネル磁気抵抗効果を利用するＴＭＲ素子７０と、ＴＭＲ素子７０に対して、積層面に垂直な方向にセンス電流を流すための電流経路（下部電気リード層１０および上部電気リード層６０）とを備えた磁気記録媒体再生用のＴＭＲヘッドの形成が完了する。
【００６６】
ここで、ＴＭＲ素子７０は、例えば、次のようにして形成される。図２に示したように、下部電極リード層１０上に、スパッタリング等によりシード層２２を形成する。シード層２２は、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群より選択される材料によって形成されるのが好ましい。シード層２２上に、例えば、スパッタリング等により、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金とコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金とを順に積層し、磁性材料の積層体からなる強磁性フリー層２４を形成する。このように、下部電極リード層１０上に、下部電極積層体２０を形成する。
【００６７】
続いて、下部電極積層体２０の上に、アルミニウム等の金属層をスパッタリング等で形成し、これを例えば、自然酸化法（いわゆる、ｉｎ ｓｉｔｕ法）によって金属層を酸化処理することにより、トンネルバリア層３０を形成する。トンネルバリア層３０は、厚さ２ｎｍ以下の極薄い絶縁材料からなるものであり、具体的には後述する。
【００６８】
トンネルバリア層３０を形成した後、ＣｏＦｅ合金等の磁性層、ルテニウム（Ｒｕ）等の非磁性層およびＣｏＦｅ合金等の磁性層を順に積層し、強磁性ピンド層４２を形成する。なお、好ましい強磁性ピンド層４２は、ルテニウムの他にレニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅およびクロム等からなる群より選択される非磁性金属層を挟んで反強磁性結合した、２つの強磁性層を含む構造を備えたものである。次いで、やはり、スパッタリング等により、白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金等からなる反強磁性層４４を形成する。強磁性ピンド層４２と反強磁性層４４との界面において交換結合が生じ、強磁性ピンド層４２における磁化の向きが固定される。最後に、反強磁性層４４上に、タンタルからなる保護層４６を形成する。こうして、ＴＭＲ素子７０の形成が完了する。
【００６９】
< ニッケルクロム酸化合金層を含むＴＭＲ素子の評価>
先述したS.Maekawa およびU.Gafvert による「強磁性薄膜間の電子トンネル効果」（"Electron Tunneling Between Ferromagnetic Films",IEEE Transactions on Magnetics,MAG-18,707-708,1982 ）によれば、トンネルバリア層の材料としてニッケル酸化物（ＮｉＯｘ）を適用した場合、それが室温下では反強磁性を示し、いわゆる、スピンフリップ散乱を生じるため、高いＴＭＲ比が得られないことは明らかである。しかし、ＮｉＯｘのエネルギーギャップ（障壁高さとも呼ばれる）が比較的低いので、トンネルバリア層の材料としてＮｉＯｘを適用することは、小さな接合抵抗値Ｒを得るためには有利と考えられる。そこで、本出願人は、非磁性を示すニッケルを主成分とする合金を酸化し、トンネルバリア層となる材料に適用することとした。
【００７０】
本実施の形態に係るＴＭＲ素子を構成するトンネルバリア層３０の材料となる合金薄層は、ニッケルと少なくとも１種の非磁性材料との合金を含んでいることが望ましい。この非磁性材料とは、例えば、クロム、モリブデン、タンタル、ニオブ、銅、白金、パラジウム、ボロン、炭素、アルミニウム、タングステン、シリコン、チタン、バナジウム、ルテニウム、レニウム、ジルコニウム、ハフニウム、マグネシウム、ガリウム等の単体金属およびそれらの合金である。
【００７１】
上記の合金薄膜を酸化処理し、トンネルバリア層に使用すれば、ＴＭＲ素子全体の接合抵抗値を低減できるとともに、不要なスピンフリップ散乱を低減することができる。以上の優れた効果は、後述するように、合金の組成および構成要素を適切に選択して初めて得られるものである。本実施の形態のＴＭＲ素子７０について、従来のＡｌＯx からなるトンネルバリア層を有するＴＭＲ素子と比較しながら評価を行ったので、以下に詳述する。
【００７２】
<<接合抵抗値およびＴＭＲ比の磁場依存性>>
本実施の形態のＴＭＲ素子７０の一例として、ＮｉＣｒＯｘ（ニッケルクロム合金の酸化物）のトンネルバリア層３０Ａを有するＴＭＲ素子７０Ａ（１×１μｍ2 ）を形成し、これに対する比較例としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）のトンネルバリア層３０Ａ′を有するＴＭＲ素子７０Ａ′（１×１μｍ2 ）を形成した。次に、室温下でＴＭＲ素子７０Ａ，７０Ａ′に磁場を印加し、接合抵抗値およびトンネル磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）について磁場依存性を調査した。図３および図４にその結果を示す。図３は、ＡｌＯｘのトンネルバリア層３０Ａ′を有するＴＭＲ素子７０Ａ′で得られた結果（比較例）であり、図４は、ＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層３０Ａをもつ本実施の形態のＴＭＲ素子７０Ａで得られた結果である。図３および図４は共に、左側の縦軸が接合抵抗値Ｒと接合面積Ａとの積Ｒ×Ａ（ＲＡ）を示し、右側の縦軸がＴＭＲ比を示し、さらに横軸が印加した磁場Ｈを示す。この実験で用いられたトンネルバリア層３０Ａは、厚み０．９ｎｍのＮｉＣｒ層を酸化して形成し、一方、トンネルバリア層３０Ａ′は、厚み０．９ｎｍのアルミニウム層を酸化して形成したものである。
【００７３】
図３に示したように、比較例として評価したＡｌＯｘからなるトンネルバリア層３０Ａ′を有するＴＭＲ素子７０Ａ′では、室温下でＲＡは約１５０Ωμｍ2 、ＴＭＲ比は約１８％であった。一方、図４に示したように、本実施の形態によるＮｉＣｒＯｘからなるトンネルバリア層３０Ａを有するＴＭＲ素子７０Ａでは、接合抵抗値ＲＡが約６．６Ωμｍ2 であり、比較例（ＡｌＯｘ）よりもはるかに低い値となった。さらに、図４によれば、ＴＭＲ素子７０ＡのＴＭＲ比も相対的に僅かに小さな値であることがわかる。ＴＭＲ比が小さくなった原因は、スピンフリップ散乱の影響によるものと考えられる。
【００７４】
<<接合面積依存性>>
本実施の形態に係るＴＭＲ素子として、ＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層３０Ｂを有するＴＭＲ素子７０Ｂを形成し、比較例としてＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するＴＭＲ７０Ｂ′を形成した。これらＴＭＲ素子７０Ｂ，７０Ｂ′について、接合面積を変数とし、接合抵抗値Ｒの変化を調査した。ここで、トンネルバリア層３０Ｂは、厚み０．９ｎｍのＮｉＣｒ層を酸化して得たものであり、一方、トンネルバリア層３０Ｂ′は、厚み０．９ｎｍのアルミニウム層を酸化して得たものである。図５に、その結果を示す。縦軸は接合抵抗Ｒを表し、横軸は接合面積Ａを表す。本実施の形態であるＮｉＣｒＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂについての測定結果を□でプロットし、一方、比較例であるＡｌＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂ′についての測定結果を●でプロットした。図５に示したように、ＴＭＲ素子７０Ｂ，７０Ｂ′は共に、接合面積Ａが接合抵抗Ｒに反比例して増減している（Ｒ∝１／Ａに従って増減している）。しかし、同じ接合面積Ａで比較すると、ＮｉＣｒＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂの方が、より小さい接合抵抗値Ｒを示している。
【００７５】
さらに、ＴＭＲ素子７０Ｂ，７０Ｂ′について、ＴＭＲ比の接合面積依存性を調査した。図６に、その結果を示す。縦軸はＴＭＲ比を表し、横軸は接合面積Ａを表す。図５と同様、本実施の形態であるＮｉＣｒＯｘ層を含むＴＭＲ素子７０Ｂについての測定結果を□でプロットし、一方、比較例であるＡｌＯｘを含むＴＭＲ素子７０Ｂ′についての測定結果を●でプロットした。図６に示したように、ＮｉＣｒＯｘ層を含むＴＭＲ素子７０Ｂでは、接合面積Ａが１μｍ2 以下である場合、ＴＭＲ比は接合面積Ａと関係なく約１１〜１２％であるが、接合面積Ａが９（＝３×３）μｍ2 以上の場合は、ＴＭＲ比は接合面積Ａと共に上昇し、より好ましい傾向となる。その一方、図５に示したように、ＮｉＣｒＯｘ層を含むＴＭＲ素子７０Ｂでは、９（＝３×３）μｍ2 より大きい接合面積の場合、接合抵抗値Ｒがリード抵抗（□抵抗Ｒ ０．４５Ω）と同等の値、もしくはリード抵抗よりもより低い値になる。以上の結果から、接合面積Ａが９（＝３×３）μｍ2 以上の場合、接合抵抗をある程度低減できると共に、よりＴＭＲ比が得られる。
【００７６】
<<電圧依存性>>
次に、本実施の形態のＴＭＲ素子７０の一例として、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層を備えたＴＭＲ素子７０Ｃ（サイズは０．６×０．６μｍ2 ）を形成し、センス電流とバイアス電圧との関係およびコンダクタンスとバイアス電圧との関係について調査した。図７は、ＴＭＲ素子７０Ｃにおけるセンス電流のバイアス電圧依存性を示すものである。縦軸はセンス電流（ｍＡ）を示し、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示す。図８は、ＴＭＲ素子７０Ｃにおけるコンダクタンスの電圧依存性を示すものであり、縦軸はコンダクタンス（１／Ω）を示し、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示す。なお、上記実施の形態のトンネルバリア層は、厚み０．９ｎｍのＮｉＣｒ合金層を酸化することによって形成した。
【００７７】
図７に示したように、センス電流の変化はバイアス電圧に対し、非線形の曲線で表され、単調増加を示す。一方、図８に示したように、コンダクタンスの変化は印加されるバイアス電圧に依存する。バイアス電圧がゼロのときに極小値を示し、バイアス電圧の絶対値増加と共にコンダクタンスも増加する。図７および図８により、ＮｉＣｒＯｘをトンネルバリア層として用いた場合、ＴＭＲ素子７０Ｃにおけるトンネル現象は、一般的なコンダクタンスの変化を示すことがわかる。
【００７８】
さらに、図９は、ＴＭＲ７０Ｃについて、ＴＭＲ比のバイアス電圧依存性について調査した結果を示すものである。縦軸がＴＭＲ比（％）を示し、横軸がバイアス電圧（Ｖ）を示す。
【００７９】
図９に示したように、バイアス電圧の絶対値が増加すると、ＴＭＲ比は、ほぼ線形に急激な減少を示し、バイアス電圧に対して高い減少率となっている。これは上記のような構成のＴＭＲ素子においてよく見られる現象である。例えば、図９に示されているように、電圧がゼロから正あるいは負の方向に変化すると、ＴＭＲ比は初期値（バイアス電圧がゼロのときのＴＭＲ比）から減少し、電圧が−０．１６Ｖあるいは０．１４ＶになるとＴＭＲ比は初期値の半分の値になる。なお、図９において、正の値のバイアス電圧は上部電極から下部電極に向かうバイアス電圧のことを言う。このように、バイアス電圧の変化に従ってＴＭＲ比が急激に減少することは、低い障壁高さをもつＴＭＲ素子で見られる共通の特徴である。
【００８０】
<<トンネルバリア層の厚みと接合抵抗>>
次に、トンネルバリア層の厚みと、接合抵抗値との関係について調査をおこなった。図１０は、アルミニウム層を酸化処理することによりＡｌＯx からなるトンネルバリア層３０Ｄ′を形成し、これを含むＴＭＲ素子７０Ｄ′における接合抵抗値と接合面積との積Ｒ×Ａ（ＲＡ）の変化を示したものである。図１０において、横軸は酸化処理前のアルミニウム層の厚み（ｎｍ）を示し、縦軸はＲＡ（Ωμｍ2 ）を示す。一方、図１１は、本実施の形態のトンネルバリア層３０の一例として、ＮｉＣｒ合金層を酸化処理することにより厚みの異なる複数のトンネルバリア層３０Ｄを形成した場合のＴＭＲ素子７０ＤにおけるＲＡの変化を示したものである。図１１において、横軸は酸化処理前のＮｉＣｒ合金層の厚さ（ｎｍ）を示し、縦軸はＲＡ（Ωμｍ2 ）を示す。
【００８１】
図１０および図１１に示したように、トンネルバリア層の厚みが増加するにしたがって、ＲＡも増加する。図１０に示したＡｌＯｘからなる従来のトンネルバリア層３０Ｄ′のＲＡの増加は、図１１に示したＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層３０ＤのＲＡの増加と比較して、トンネルバリア層の厚みがかなり小さいときから始まっている。これはＡｌＯｘの障壁高さがＮｉＣｒＯｘよりも大きいためである。さらに、ＲＡについて同じ厚みで比較した場合、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層３０Ｄの方が大幅に低減されることが明らかである。この場合、本実施の形態のトンネルバリア層３０Ｄの形成に用いたＮｉＣｒ合金層は、１原子層厚より２ｎｍまでの厚みであることが望ましい。特に、図１１に示されているように、１．１ｎｍ以下の厚みであることが望ましい。
【００８２】
図１２は、従来のトンネルバリア層３０Ｄ′を備えたＴＭＲ素子３０Ｄ′について、トンネルバリア層の厚みによる、ＴＭＲ比の変化を調査した結果である。図１２において、横軸は、トンネルバリア層３０Ｄ′に含まれるＡｌＯx の原材料となった酸化処理前のアルミニウム層の厚み（ｎｍ）を示す。同様に、図１３は、本実施の形態の一例であるトンネルバリア層３０Ｄを備えたＴＭＲ素子３０Ｄについて、ＴＭＲ比のトンネルバリア層の厚み依存性を調査した結果である。図１３において、横軸は、トンネルバリア層３０Ｄに含まれるＮｉＣｒＯx の原材料となった酸化処理前のＮｉＣｒ合金層の厚み（ｎｍ）を示す。
【００８３】
図１２に示したように、ＡｌＯｘを含むトンネルバリア層３０Ｄ′では、厚みが０．７ｎｍのときにＴＭＲ比が最大値（２５％超）を示すことがわかる。一方、図１３に示したように、ＡｌＯｘを含むトンネルバリア層３０Ｄ′と同じ酸化条件で形成されたＮｉＣｒＯｘでは、ＮｉＣｒの厚みが０．９ｎｍのときに、ＴＭＲ比は最大値（約１１〜１２％）を示すことがわかる。これらの結果から、ＮｉＣｒ合金膜における最適な酸化条件は、アルミニウム層の最適な酸化条件とは異なるということが推定される。
【００８４】
上述したように、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層のＴＭＲ比は、様々な方法で最適化することができる。最適なＮｉＣｒ組成を確保しつつ最適な酸化条件を確保する方法はその一つの方法である。
【００８５】
＜トンネルバリア層の形成方法＞
本出願人は、上記実施の形態に挙げたＴＭＲ素子７０におけるＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層３０を、以下の方法に従って形成すれば、最適なトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）がより確実に得られることを見出した。以下、その形成方法について述べる。
【００８６】
本実施の形態によるトンネルバリア層３０の形成方法は、スパッタリング条件の最適化を図ることと、ＮｉＣｒ合金層を形成する基板温度の適正化を図ることの２点によってＮｉＣｒ合金薄層の質を最適化するものである。適切なスパッタリング条件としては、ＮｉＣｒ蒸着時のアルゴン（Ａｒ）の圧力と印加電力とを適切な値に設定することである。一方、基板９は、室温未満（約１５０Ｋ）に冷却されることが好ましい。上記したように、スパッタリング条件と基板温度とを適切に設定することによって、ＮｉＣｒ層の粒子サイズを小さく制御することができ、これにより、トンネル磁気抵抗効果を向上させることができる。ＮｉＣｒ合金のクロム含有量は、非磁性を示す組成になるように設定され、全体の３０％から９０％程度の比較的大きな範囲を占めることになる。
【００８７】
スパッタリングを行うにあたって、ターゲット組成物を選択して適切なＮｉＣｒ合金組成を選ぶことにより、ＮｉＣｒＯｘを含むトンネルバリア層の最適な組成を得る。このようにすればより高いＴＭＲ比を得ることができる。以下、これについて詳述する。
【００８８】
本実施の形態によるトンネルバリア層３０の形成方法においては、酸化条件も、より優れたＴＭＲ比を得るための必要な条件である。ＡｌＯx 層の形成と同じ酸化プロセスを適用して、ＮｉＣｒ合金層を酸化することによりＮｉＣｒＯｘ層を形成することができ、このような場合でも好ましい結果が得られる。例えば、アルミニウム薄層と同様にＮｉＣｒ合金薄層を室温で１時間、２６ｋＰａの圧力で純粋な酸素雰囲気中に暴露して酸化する。この酸化法が自然酸化法と呼ばれるもので、好適な酸化方法である。この場合において、ＮｉＣｒ合金層の全ての反応が完了するまで、真空破壊が発生しないことが望ましい。
【００８９】
最適な酸化条件を整える方法として、上述の自然酸化方法以外の酸化方法を選択することもできる。例えば、プラズマ酸化や酸素ラジカルによる酸化が挙げられる。例えば０．１Ｐａから数十ｋＰａまでの範囲から適切な酸素圧力を選択する方法や、後述するようにＴＭＲ素子７０に少し熱を加えて酸化を加速させる方法も好ましい。好ましい酸化所要時間は、例えば、数分から数時間の範囲内にある。このような酸化圧力や酸化所要時間などのパラメータの最適値は、どの酸化法を使用するかによって変わる。
【００９０】
このように、特定の材料を選択し、トンネルバリア層および強磁性層を形成することで結晶構造が改善され、特定の結晶配向を有するＮｉＣｒ合金層を成長させることができる。その結果、トンネル磁気抵抗効果はさらに向上することになる。
【００９１】
以上、実施の形態を挙げて本発明をしたが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形態では、トンネルバリア層３０としてＮｉＣｒＯｘを形成する例を挙げたがこれに限定されるものではない。
【００９２】
なお、上記実施の形態に挙げたＴＭＲ素子によれば、ハードディスクドライブなどのデータ再生に関わる磁気ディスク装置だけでなく、その他の磁気記録装置媒体を備えた装置や、その他の磁場検出デバイスにも適用でき、実用上要求される室温下において、高ＴＭＲ比と高Ｓ／Ｎ比との両立が図れなかったことによる従来技術の制限および欠点による様々な問題を解決することが可能である。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子および請求項９ないし請求項１２のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドによれば、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物からなるトンネルバリア層を備えるようにしたので、室温下において優れた磁気抵抗変化率を維持しながら、適度に低い接合抵抗値を得ることができる。したがって、室温下においても高ＴＭＲ比と高Ｓ／Ｎ比とを両立することが可能となる。
【００９５】
請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法および請求項１３記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法によれば、強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム合金層を形成したのち、これを酸化することによりトンネルバリア層を形成するようにしたので、室温下において優れた磁気抵抗変化率を維持しながら、適度に低い接合抵抗値を得ることができる。したがって、室温下においても高ＴＭＲ比と高Ｓ／Ｎ比とを両立することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るトンネルバリア層を含むトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの平面図である。
【図２】図１のトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの部分断面図である。
【図３】従来型のＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、印加した磁場に対する接合抵抗値およびトンネル磁気抵抗変化率の変化を表す特性図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、印加した磁場に対する接合抵抗値およびトンネル磁気抵抗変化率の変化を表す特性図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子および従来型のＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、接合面積と接合抵抗値との関係を表す特性図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子および従来型のＡｌＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、接合面積とトンネル磁気抵抗変化率との関係を表す特性図である
【図７】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、センス電流とバイアス電圧との関係を表す特性図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、コンダクタンスとバイアス電圧との関係を表す特性図である。
【図９】本発明の一実施の形態に係るＮｉＣｒＯｘのトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗効果素子について、トンネル磁気抵抗変化率とバイアス電圧との関係を表す特性図である。
【図１０】従来型のトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するアルミニウム層の厚みと接合抵抗値との関係を表す特性図である。
【図１１】本発明の一実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するＮｉＣｒ合金層の厚みと接合抵抗値との関係を表す特性図である。
【図１２】従来型のトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するアルミニウム層の厚みとトンネル磁気抵抗変化率との関係を表す特性図である。
【図１３】本発明の一実施の形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層を形成するＮｉＣｒ合金層の厚みとトンネル磁気抵抗変化率との関係を表す特性図である。
【符号の説明】
１…トンネル磁気抵抗効果型ヘッド、９…基板、１０…下部電気リード、２０…下部電極積層体、２２…シード層、２３…磁化方向、２４…強磁性フリー層、３０…トンネルバリア層、４０…上部電極積層体、４２…強磁性ピンド層、４４…反強磁性層、４６…保護層、５０…絶縁層、６０…上部電気リード、７０…トンネル磁気抵抗効果素子
Claims (13)
- 外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極と、
外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極と、
前記強磁性フリー層と前記強磁性ピンド層との間に挟まれたトンネルバリア層と
を備え、前記トンネルバリア層は、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物（ＮｉＣｒＯ x ）からなる
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - さらに、前記強磁性ピンド層に隣接し、前記強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 前記強磁性ピンド層は、
ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）およびクロム（Ｃｒ）からなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層と、
前記非磁性金属層を挟んで、反強磁性的に結合する２つの強磁性層と
を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 前記強磁性フリー層の下に隣接するシード層を有し、
このシード層は、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群のうち少なくとも１種を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極を形成する工程と、
前記強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金層を形成したのち、これを酸化することにより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上に外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極を形成する工程と
を含むトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。 - さらに、前記強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を、前記強磁性ピンド層上に隣接するように形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。 - ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）およびクロム（Ｃｒ）からなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層を、反強磁性的に結合する一対の強磁性層で挟み込むことによって前記強磁性ピンド層を形成する
ことを特徴とする請求項５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。 - さらに、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群のうち少なくとも１種を含む材料によりシード層を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 電気回路に接続され、前記電気回路により外部磁場の印加によって発生するセンス電流の電気抵抗変化を検出するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドであって、
第１の電気リード層と、
第２の電気リード層と、
前記第２の電気リード層から第１の電気リード層ヘセンス電流経路が形成されるように、前記第１および第２の電気リード層の間に隣接して設けられたトンネル磁気抵抗効果素子と
を備え、前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
外部磁場より磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極と、
外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極と、
前記強磁性フリー層と前記強磁性ピンド層との間に挟まれ、前記強磁性フリー層および前記強磁性ピンド層の積層面に対してほぼ垂直にトンネル電流が流れるように形成されたトンネルバリア層と
を備え、前記トンネルバリア層は、０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金層が酸化したニッケルクロム合金酸化物（ＮｉＣｒＯ x ）からなる
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果型ヘッド。 - さらに、前記強磁性ピンド層に隣接し、前記強磁性ピンド層の磁化方向を特定方向に固定する反強磁性層を備えている
ことを特徴とする請求項９に記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッド。 - 前記強磁性ピンド層は、
ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）およびクロム（Ｃｒ）からなる群のうち少なくとも１種を含む非磁性金属層と、
前記非磁性金属層を挟んで、反強磁性的に結合する２つの強磁性層と
を含む
ことを特徴とする請求項９に記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッド。 - 前記強磁性フリー層の下に隣接するシード層を有し、
このシード層は、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群のうち少なくとも１種を含む
ことを特徴とする請求項９に記載のトンネル磁気抵抗効果型ヘッド。 - 電気回路に接続され、前記電気回路により外部磁場の印加によって発生するセンス電流の電気抵抗変化を検出するトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法であって、
基板上に、第１の電気リード層を形成する工程と、
前記第１の電気リード層の上に、外部磁場により磁化方向が自由に変化可能な強磁性フリー層を含む第１の電極を形成する工程と、
前記強磁性フリー層の上に０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金層を形成したのち、これを酸化することにより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の上に、外部磁場に影響されず特定方向に磁化が固定される強磁性ピンド層を含む第２の電極を形成する工程と、
前記第２の電極の上に第２の電気リード層を形成する工程と
を含むことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法。
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