JP2001057450A

JP2001057450A - 強磁性トンネル磁気抵抗効果素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001057450A
Application number: JP11316443A
Authority: JP
Inventors: Koji Shimazawa; 幸司島沢; Satoru Araki; 悟荒木; Haruyuki Morita; 治幸森田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2001-02-27
Anticipated expiration: 2019-11-08
Also published as: JP3557493B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】生産性および品質の安定性に優れ、ＴＭＲ効
果が格段と優れる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子を提
供する。【解決手段】トンネルバリア層３０と、トンネルバリ
ア層を挟むようにして形成された第１の強磁性層２０と
第２の強磁性層４０が積層された多層膜構造３を有する
強磁性トンネル磁気抵抗効果素子１であって、前記トン
ネルバリア層は、非磁性金属層をラジカル酸化法にて酸
化処理された酸化膜として構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記録媒体等の
磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果膜の
うち、特に小さな磁場変化を大きな電気抵抗変化信号と
して読み取ることができる強磁性トンネル磁気抵抗効果
素子に関する。これらは主として、例えば、ハードディ
スクドライブ装置に組み込まれて使用される。

【０００２】

【従来の技術】ハードディスク（ＨＤＤ）の高密度化に
伴い、高感度、高出力の磁気ヘッドが要求されてきてい
る。このような要求に対して、強磁性層／トンネルバリ
ア層／強磁性層という多層構造からなる強磁性トンネル
磁気抵抗効果を利用した強磁性トンネル磁気抵抗効果素
子が注目されている。

【０００３】強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、トンネ
ルバリア層を挟む一対の強磁性層間の積層方向に電流を
流す場合に、両方の強磁性層間における互いの磁化の相
対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル電
流が変化する現象をいう。

【０００４】この場合のトンネルバリア層は、薄い絶縁
膜であって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存
しながら電子が通過できるものである。両強磁性層間に
おける互いの磁化の相対角度が小さければトンネル確率
は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さくな
る。これとは逆に、両強磁性層間における互いの磁化の
相対角度が大きければトンネ確率は低くなるので、両者
間に流れる電流の抵抗は大きくなる。

【０００５】従来の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子
（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）は、基板上に下部
の強磁性層を形成させ、この強磁性体上にＡｌに代表さ
れる非磁性体層を形成させた後、当該非磁性体層（Ａ
ｌ）を自然酸化法、もしくはプラズマ酸化法等で酸化さ
せ、トンネルバリア層を完成させる。しかる後、当該ト
ンネルバリア層の上に上部の強磁性層が形成される。

【０００６】ところで、ＴＭＲ素子のＨＤＤ用ヘッドへ
の応用を考えた場合、素子の低抵抗化（抵抗を下げるこ
と）は必須である。その理由は以下の通り。つまり、Ｔ
ＭＲ素子の抵抗は基本的には、下記式（１）で表され
る。

【０００７】Ｒ_σ＝Ｃ_σ exp(-2 κ d) 式（１）

【０００８】κ＝(2 m φ／ｈ²)^1/2

【０００９】ここで、dは障壁の厚さ、φはフェルミ準
位から測った障壁ポテンシャルの高さである。Ｃ_σは磁
性層と絶縁層の電子状態で決まる量であり、近似的に二
つの磁性層のフェルミ準位の積に比例すると考えて良
い。

【００１０】上記式（１）に従うと、素子の低抵抗化を
図るためには障壁の厚さｄを小さくするか、あるいは障
壁ポテンシャルφを小さくすれば良いことが分かる。し
かしながら、障壁ポテンシャルφを小さくした場合、ト
ンネル電流自体が減少してしまい、結果としてＴＭＲ効
果を減少させてしまうので好ましくない。

【００１１】この一方で、同程度の障壁厚さｄであって
も、トンネルバリア層の形成方法の違いにより接合抵抗
が大きく変わる旨の報告もなされている（The 43rd MMM
Conference 1998, GA-03）。具体的には、プラズマ酸
化法と自然酸化法で酸化物であるトンネルバリア層を形
成した場合を比較した場合、自然酸化法で形成されたト
ンネルバリア層は、プラズマ酸化法のそれとくらべて２
桁以上の小さな抵抗値を持つようになる旨が報告されて
いる。従って、ＨＤＤヘッドの適用を考えた場合、自然
酸化法は、非常に好ましい酸化方法と言える。しかしな
がら、自然酸化法にも全く問題がないわけではない。つ
まり第１の問題は、バリア層形成のために１時間以上の
酸化時間を要し、生産性が悪い点にある。第２の問題
は、酸化力が弱いために、例えばＡｌ等の非磁性金属層
表面に酸化膜が形成された後には、その後の酸化がなか
なか進行せず、非磁性金属層の内部にいわゆる「酸化残
り」が発生する。このような「酸化残り」は、不純物と
して作用し、ＴＭＲ効果を著しく損なわせる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような実
状のものに創案されたものであって、その目的は、生産
性および品質の安定性に優れ、ＴＭＲ効果が格段と優れ
る強磁性トンネル磁気抵抗効果素子およびその製造方法
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層
を挟むようにして形成された第１の強磁性層と第２の強
磁性層が積層された多層膜構造を有する強磁性トンネル
磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層は、
非磁性金属層をラジカル酸化法にて酸化処理した非磁性
酸化膜として構成される。

【００１４】本発明の好ましい態様として、前記非磁性
酸化膜は、酸素ラジカルを酸化すべき非磁性金属層に接
触させることにより形成された膜として構成される。

【００１５】本発明の好ましい態様として、前記第１の
強磁性層と第２の強磁性層には、前記多層膜構造の厚さ
方向に電流を流すための一対の電極が電気的に接続され
てなるように構成される。

【００１６】本発明の好ましい態様として、前記第１お
よび第２の強磁性層のうちいずれか一方の強磁性層は、
磁気情報である外部磁場に応答して自由に磁化の向きが
変えられるように作用し、他方の強磁性層側には磁化の
向きを固定するためのピン止め層が形成されてなるよう
に構成される。

【００１７】本発明の好ましい態様として、前記第１の
強磁性層は、反強磁性型磁気結合をしている一対の磁性
層と、その間に挟まれた非磁性金属層の組み合わせから
なるように構成される。

【００１８】本発明の好ましい態様として、前記第２の
強磁性層は、反強磁性型磁気結合をしている一対の磁性
層と、その間に挟まれた非磁性金属層の組み合わせから
なるように構成される。

【００１９】また、本発明は、トンネルバリア層を挟む
ようにして形成された第１の強磁性層と第２の強磁性層
が積層された多層膜構造を有する強磁性トンネル磁気抵
抗効果素子の製造方法であって、当該方法は、前記第１
の強磁性層または第２の強磁性層を形成する工程と、当
該第１の強磁性層または第２の強磁性層の上に、非磁性
金属層を形成し、しかる後、当該非磁性金属層をラジカ
ル酸化法にて酸化処理してトンネルバリア層を形成する
工程を含むように構成される。

【００２０】本発明の好ましい態様として、前記ラジカ
ル酸化法は、酸素ラジカルを酸化すべき非磁性金属層に
接触させることにより行なわれる。

【００２１】本発明の好ましい態様として、酸素ラジカ
ルを含む酸素ラジカル源から供給される酸化気体を酸化
すべき非磁性金属層に連続的に接触させることにより酸
化処理が行なわれる。

【００２２】本発明の好ましい態様として、酸化される
べき非磁性金属層と酸素ラジカル源との間の距離は、酸
素ラジカルが非磁性金属層に到着するまでラジカル状態
を維持できるような距離として設定される。

【００２３】本発明の好ましい態様として、非磁性金属
層と酸素ラジカル源との間の距離は、３００ｍｍ以下に
設定される。

【００２４】本発明の好ましい態様として、ラジカル酸
化時間は、１〜３０ｍｉｎに設定される。

【００２５】本発明において、素子抵抗を小さくするこ
とにより大きな電流を流すことが可能となり、その結果
大きな出力電圧を取り出すことが可能となる。また、静
電破壊（ＥＳＤ）防止の観点からも素子の抵抗を下げる
ことが好ましい。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施の形態
について詳細に説明する。

【００２７】図１は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗
効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）の好適
な一例を示す断面図である。この実施の形態において、
ＴＭＲ素子１は、スピントンネル磁気抵抗効果を示すト
ンネル多層膜３を備えている。すなわち、トンネル多層
膜３は、トンネルバリア層３０と、トンネルバリア層３
０を挟むようにして形成された第１の強磁性層２０と第
２の強磁性層４０が積層された多層膜構造を有してい
る。

【００２８】このようなトンネル多層膜３の構造におい
て、さらに前記第１の強磁性層２０と第２の強磁性層４
０の外部方向にはそれぞれ、トンネル多層膜３の厚さ方
向（（α）方向）に電流を流すための一対の電極７１お
よび電極７５が積層され、電気的に接続される。すなわ
ち、図１に示される実施の形態では、基板５の上に、電
極７１、第２の強磁性層４０、トンネルバリア層３０、
第１の強磁性層２０、電極７５が順次形成される。

【００２９】２つの強磁性層２０，４０のうち、例え
ば、前記第１の強磁性層２０は、磁気情報である外部磁
場に応答して自由に磁化の向きが変えられるようないわ
ゆるフリー層として機能させられ、前記第２の強磁性層
４０は、当該強磁性層４０の磁化の向きが一定方向に固
定された磁化固定層として機能させられることが一般的
である。このような実施の態様では強磁性層４０の磁化
を固定するためのピン止め層が形成される。もちろん、
２つの強磁性層２０，４０の位置および機能は逆にして
もよい。

【００３０】強磁性層２０，４０を構成する材質は、高
いＴＭＲ変化量が得られるように高スピン分極材料が好
ましく、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦ
ｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＣｏＮｉ等が用いられる。強磁
性層２０の膜厚は、２０〜２００Å、好ましくは４０〜
１００Åとされる。膜厚が厚くなりすぎると、ヘッド動
作時の出力が低下する傾向があり、また、膜厚が薄くな
りすぎると、磁気特性が不安定となりヘッド動作時のノ
イズが増大するという不都合が生じる。強磁性層４０の
膜厚は、１０〜５０Å、好ましくは２０〜３０Åとされ
る。膜厚が厚くなりすぎると、後述するような反強磁性
体による磁化のピンニングが弱まり、また、膜厚が薄く
なりすぎると、ＴＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。

【００３１】このような第１の強磁性層２０および第２
の強磁性層４０は、単層に限定されることはなく、反強
磁性型磁気結合をしている一対の磁性層と、その間に挟
まれた非磁性金属層の組み合わせからなる積層体も、特
に好ましい態様の一つである。このような積層体として
は、例えば、ＣｏＦｅ（厚さ３０Å）／Ｒｕ（厚さ７
Å）／ＣｏＦｅ（厚さ２０Å）の３層積層体からなる強
磁性層が挙げられる。

【００３２】ピン止め層は図１に図示されていないが、
図１において第２の強磁性層４０の磁化をピンニングす
るためには、通常、電極７１と第２の強磁性層４０との
間に反強磁性層からなるピン止め層が形成される。２つ
の強磁性層２０，４０の機能を逆にした場合、電極７５
と第１の強磁性層２０との間に反強磁性層からなるピン
止め層が形成される。

【００３３】ここで、強磁性トンネル磁気抵抗効果につ
いて図４を参照しつつ簡単に説明しておく。強磁性トン
ネル磁気抵抗効果とは、トンネルバリア層３０を挟む一
対の強磁性層２０，４０間の積層方向に電流を流す場合
に、両方の強磁性層２０，４０間における互いの磁化の
相対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル
電流が変化する現象をいう。この場合のトンネルバリア
層３０は、薄い絶縁膜であって、トンネル磁気抵抗効果
によりスピンを保存しながら電子が通過できるものであ
る。図４（Ａ）に示されるように両強磁性層２０，４０
間における互いの磁化が平行である場合（あるいは互い
の磁化の相対角度が小さい場合）、電子のトンネル確率
は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さくな
る。これとは逆に、図４（Ｂ）に示されるように両強磁
性層２０，４０間における互いの磁化が反平行である場
合（あるいは互いの磁化の相対角度が大きい場合）、電
子のトンネル確率は低くなるので、両者間に流れる電流
の抵抗は大きくなる。このような磁化の相対角度の変化
に基づく抵抗変化を利用して、例えば外部磁場の検出動
作が行われる。

【００３４】本発明における第１の特徴は、前記トンネ
ルバリア層３０が、ラジカル酸化法により酸化処理され
て形成された酸化膜であることにある。

【００３５】すなわち、図２（Ａ）に示されるようにト
ンネルバリア層の基礎層となるＡｌ，Ｎｉ，Ｇｄ，Ｍ
ｇ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ等の非磁性金属層３０ａを第
２の強磁性層４０の上に形成した後に、当該非磁性金属
層３０ａの上部膜面に向けて、酸素ラジカルを酸化すべ
き非磁性金属層３０ａに接触させることにより非磁性金
属層３０ａの全体が酸化処理されてトンネルバリア層３
０が形成される。より具体的な好適な手法を説明する
と、強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の成膜は、真空成
膜装置内で行う。そして、トンネルバリア層を形成する
際に、トンネルバリア層の基礎層となる非磁性金属層３
０ａを成膜した後、酸素ラジカルを含む酸素ラジカル源
（酸素ラジカル源は、酸素を主成分としその中にラジカ
ル状態になったラジカル酸素を一部含んでいる）から圧
力差を利用して（酸素ラジカル源の圧力と真空成膜装置
の槽内の圧力との圧力差をdriving forceとする）、酸
化気体（実質的に酸素ラジカル源と同じ成分）を真空成
膜槽内に連続的に供給し、酸化すべき非磁性金属層３０
ａに連続的に接触させることにより行なわれる。

【００３６】この際、非磁性金属層３０ａと酸素ラジカ
ル源との間の距離は、酸素ラジカル源中の酸素ラジカル
が非磁性金属層３０ａに到着するまでラジカル状態を維
持できるように設定されることが必要である。この一つ
の基準として、非磁性金属層３０ａと酸素ラジカル源と
の間の距離Ｔｓは、３００ｍｍ以下、特に、３０〜２８
０ｍｍに設定することが望ましい。この値（距離）が大
きくなり過ぎると（例えば３００ｍｍを超える場合）、
例えば６０分以上の長時間の酸化処置を行っても十分な
酸化膜が得られず、十分なトンネルバリア特性および大
きなＴＭＲ変化率が得られない傾向にある。また、非磁
性金属層３０ａと酸素ラジカル源との間の距離が近く成
り過ぎると、急激な酸化処理となるために酸化の程度に
ばらつきが生じ、結果として特性のばらつきにつながる
傾向が生じる。良好な素子特性を得るためには、急激な
酸化よりはマイルド酸化が望ましく、酸化処理時間であ
るラジカル酸化時間は、３０ｍｉｎ以下、特に、１〜３
０ｍｉｎ、好ましくは１〜２５ｍｉｎに設定するのが良
い。

【００３７】酸素ラジカル源を作るには、例えば、ラジ
カルガンを用いて酸素ラジカルを発生させる。上述のご
とく本発明ではその酸素ラジカルの酸化力を用いて酸化
層であるトンネルバリア層３０を形成する。ラジカルガ
ンは、分子のラジカル状態を作り出すための装置であ
り、当該プラズマガンは、磁場中に閉じ込められたプラ
ズマに、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満た
す周波数のマイクロ波を導入することによって、プラズ
マ中の電子にエネルギーを与え、その結果、分子のラジ
カル状態を作り出すように作用している。また、当然の
ことではあるが、酸素ラジカル発生の際に用いたプラズ
マがサンプルに当たらないような処置をほどこしておく
ことは必須である。例えば、プラズマ発生源と基板との
間に通過孔を有する石英の仕切り板を介在させておくこ
とが必要である。また、酸素ラジカルを発生させる方法
としては、高周波加速（ＲＦ：Radio-frequency accele
ration）を用いる方法もある。

【００３８】ここでラジカルについて簡単に説明する。
多くの分子の安定な基底状態では、電子の全スピンの大
きさに対する量子数は０である。ところが、ある種の分
子では不対電子をもつ電子構造が基底状態となってい
る。不対電子とは、本来、互いに反対の方向を向いたス
ピンを持つ２個の対電子により構成されるべきものが、
何らかの条件によりスピン対がこわされているものを言
う。従って、ラジカル状態においては電子の全スピンの
大きさに対する量子数は０ではない。このような分子種
は遊離基（Free Radical）と呼ばれて反応性に富んだ性
質を有している。

【００３９】このような酸素ラジカルにより酸化処理さ
れて形成されたトンネルバリア層３０は、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｎ
ｉＯ，ＧｄＯ，ＭｇＯ，Ｔａ₂Ｏ₅，ＭｏＯ₂，ＴｉＯ₂，
ＷＯ ₂等から構成される。トンネルバリア層３０の厚さ
は、素子の低抵抗化のためできるだけ薄いことが望まし
いが、あまり薄すぎてピンホールが生じるとリーク電流
がながれてしまい好ましくない。一般には、５〜２０Å
程度とされる。

【００４０】本発明において、酸素ラジカルを用いて形
成されるトンネルバリア層３０は、特に、以下に示すよ
うな特徴を有する。

【００４１】（１）トンネルバリア層３０のみの酸化が
確実に行なわれ、しかもその酸化膜はＴＭＲ効果に良好
な特性を示す。すなわち、トンネルバリア層３０は十分
なトンネルバリア特性を有するようになり、しかも、ト
ンネルバリア層３０の下部に位置する強磁性層への酸化
の悪影響がほとんど無いために大きなＴＭＲ変化率が得
られる。

【００４２】（２）酸化力が程よくマイルドであるため
に、仮に酸化時間の多少のばらつきが生じたとしても、
実質的な膜特性にはほとんど影響を及ぼさない。また、
いわゆる膜中の酸化残りの発生もほとんど無い。従っ
て、高品質かつ品質の安定性に優れる。生産性も十分満
足できると思慮される。

【００４３】次いで、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗
効果素子をトンネル磁気ヘッドの一例として発展させた
実施形態が図３に示される。この図においてトンネル磁
気ヘッドは、基板５の上に、電極７１、ピン止め層５
０、第２の強磁性層４０、トンネルバリア層３０、第１
の強磁性層２０、電極７５を順次有しており、さらに、
電極７１と電極７５の絶縁を保持するための絶縁層８，
８を介して、第１の強磁性層２０へバイアス磁界を付与
するためのハードマグネット層６１，６１が形成されて
いる。この実施形態はピン止め層５０がボトムに位置す
るタイプを例示しているが、もちろんピン止め層５０が
トップに位置するタイプであってもよい。このトップタ
イプでは、基板５の上に、電極７１、第１の強磁性層２
０、トンネルバリア層３０、第２の強磁性層４０、ピン
止め層５０、電極７５を順次有する形態をとる。

【００４４】

【実施例】上述してきた強磁性トンネル磁気抵抗効果素
子の発明を、以下に示す具体的実施例によりさらに詳細
に説明する。

【００４５】（実験例Ｉ）

【００４６】ラジカル酸化法（本発明）と、従来法であ
るプラズマ酸化法（比較例Ｉ−Ｂ）、自然酸化法（比較
例Ｉ−Ｃ）との比較実験をそれぞれ行った。

【００４７】ラジカル酸化法による本発明実験Ｉ−Ａ

【００４８】下記に示すような強磁性トンネル磁気抵抗
効果素子サンプルを作製した。すなわち、基板５（Ａｌ
_２Ｏ_３付きのＡｌＴｉＣ）の上に、電極層７１（Ｔａ；
厚さ５０Å）、いわゆるフリー層として機能する強磁性
層２０（ＮｉＦｅ層（厚さ１００Å）とＣｏＦｅ（厚さ
２０Å）の積層体）、トンネルバリア層３０（酸化アル
ミニウム；厚さ１０Å）、磁化方向が検出磁界方向に固
定されたいわゆるピンニングされた強磁性層４０（Ｃｏ
Ｆｅ；厚さ３０Å）、強磁性層４０の磁化をピンニング
するためのピン止め層５０（ＲｕＲｈＭｎ；厚さ１００
Å）、電極層７５（Ｔａ；厚さ５０Å）を順次、薄膜積
層してサンプルを作製した。完成した素子サイズは２μ
ｍ×２μｍの大きさとした。

【００４９】トンネルバリア層３０（酸化アルミニウ
ム；厚さ１０Å）の作製に際しては、バリア層のベース
となるＡｌ膜を厚さ１０Åに成膜した後、本発明に基づ
くラジカル酸化法を用いて、酸化アルミニウム(アルミ
ナ)膜とした。なお、ラジカル酸化法の操作条件は、ラ
ジカル発生源（ラジカルガン使用）におけるラジカル発
生のためのプラズマ電極の投入電力５０Ｗとし、酸素ラ
ジカル処理を行うチャンバー内のＯ₂圧力＝２．５Ｐａ
雰囲気中とし、酸素ラジカルを供給するラジカル発生源
から真空成膜装置内に置かれたトンネルバリア層３０ま
での距離Ｔsは、１００ｍｍとした。酸化時間を下記表
１に示すように種々変えて、種々のサンプル（Ｉ−Ａ−
１〜Ｉ−Ａ−１２）を作製した。

【００５０】これらの各サンプルについて、下記の要領
で、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定し
た。

【００５１】（１）抵抗値Ｒ(Ω・μｍ²)

【００５２】サンプルに印加される電圧がゼロ磁界で５
０ｍＶ程度となるように定電流を流し、±９００（Ｏ
ｅ）の磁界を印加した時の電圧の最小値から抵抗値Ｒmi
nを求め、これを抵抗値Ｒ(Ω・μｍ²)とした。

【００５３】（２）ＴＭＲ変化率（％）

【００５４】サンプルに印加される電圧がゼロ磁界で５
０ｍＶ程度となるように定電流を流し、±９００（Ｏ
ｅ）の磁界を印加した時の電圧の最小値から最小抵抗値
Ｒminを求め、また、電圧の最大値から最大抵抗値Ｒmax
を求め、以下の算出式（１）からＴＭＲ変化率（％）を
求めた。

【００５５】ＴＭＲ変化率（％）＝（Ｒmax−Ｒmin）／Ｒmin ×１００ …式（１）

【００５６】これらの結果を下記表１に示した。

【００５７】

【表１】

【００５８】なお、上記強磁性層４０（ＣｏＦｅ；厚さ
３０Å）の構成を、Ｒｕ層を介して２つの強磁性体で積
層した、ＣｏＦｅ（厚さ３０Å）／Ｒｕ（厚さ７Å）／
ＣｏＦｅ（厚さ２０Å）の３層積層体からなる強磁性層
に変えた場合についても同様な実験を行った。このよう
な態様を採択することにより、ヘッド動作時の出力波形
の対称性をコントロールすることが可能となり、この点
でより好ましい態様といえる。しかしながら、ラジカル
酸化法の実験結果は、酸化条件と、抵抗値ＲやＴＭＲ変
化率との関係は、単に１層の強磁性層ＣｏＦｅ（厚さ３
０Å）を用いた場合と同様であったために、特にデータ
としての記載は行っていない。

【００５９】従来法であるプラズマ酸化法による比較例
実験Ｉ−Ｂ（比較例Ｉ−Ｂ）

【００６０】上記本発明実験Ｉ−Ａのサンプル作製要領
のなかで、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；
厚さ１０Å）の作製方法のみ変え、それ以外は実質的に
上記実験Ｉ−Ａのサンプルと同様にして比較例Ｉ−Ｂの
各種サンプルを作製した。すなわち、バリア層のベース
となるＡｌ膜を厚さ１０Åに成膜した後、プラズマ酸化
法を用いて、酸化アルミニウム(アルミナ)膜とした。プ
ラズマ酸化法の操作条件は、Ｏ₂圧力＝０．５Ｐａ、Ｒ
Ｆ出力（高周波出力）＝０・０１Ｗ／ｃｍ²、真空成膜
装置内に置かれたトンネルバリア層３０までの距離Ｔs
は、１００ｍｍとした。酸化時間を下記表２に示すよう
に種々変えて、種々の比較サンプル（Ｉ−Ｂ−１〜Ｉ−
Ｂ−６）を作製した。

【００６１】これらの各比較サンプルについて、上記と
同様に、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測
定した。

【００６２】これらの結果を下記表２（比較例Ｉ−Ｂ）
に示した。

【００６３】

【表２】

【００６４】従来法であるプラズマ酸化法による比較例
実験Ｉ−Ｃ（比較例Ｉ−Ｃ）

【００６５】上記実験Ｉ−Ａ（本発明）のサンプル作製
要領のなかで、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウ
ム；厚さ１０Å）の作製方法のみ変え、それ以外は実質
的に上記実験Ｉ−Ａのサンプルと同様にして比較例Ｉ−
Ｃの各種サンプルを作製した。すなわち、バリア層のベ
ースとなるＡｌ膜を厚さ１０Åに成膜した後、自然酸化
法を用いて、酸化アルミニウム(アルミナ)膜とした。自
然酸化法の操作条件は、Ｏ₂圧力＝２５０００Ｐａ雰囲
気で行った。酸化時間を下記表３に示すように種々変え
て、種々の比較サンプル（Ｉ−Ｃ−１〜Ｉ−Ｃ−１０）
を作製した。

【００６６】これらの各比較サンプルについて、上記と
同様に、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測
定した。

【００６７】これらの結果を下記表３（比較例Ｉ−Ｃ）
に示した。

【００６８】

【表３】

【００６９】上記表１〜３に示される結果より以下のこ
とが確認できる。

【００７０】表１に示されるように本発明のサンプル
は、酸化時間１０分〜３０分の間で良好なトンネルバリ
ア層が形成されており、この間で、１０％以上の高いＴ
ＭＲ変化率（最高で１３．０％）が得られていることが
わかる。特に酸化時間１５〜２０分の間では１２％以上
の極めて高いＴＭＲ変化率が得られている。逆な見方を
すれば、この１２％以上の極めて高いＴＭＲ変化率が得
られる良好な酸化時間帯域は、極めて広く、多少の酸化
時間のばらつきがあっても、得られる素子品質は極めて
安定していることがわかる。

【００７１】これに対して、表２に示される比較例Ｉ−
Ｂのプラズマ酸化法では、酸化処理速度は早いものの、
低い抵抗値の素子を得ることは困難である。また、安定
した品質の素子を供給するという観点からみても、当該
方法の現実性は乏しい。酸化時間が少し多くなっただけ
でバリア層の下部に位置する強磁性層までが酸化ダメー
ジを受けてしまう。

【００７２】また、表３に示される比較例Ｉ−Ｃの自然
酸化法では、酸化処理速度が遅く１０％以上の高いＴＭ
Ｒ変化率の素子を得ようとすると、処理時間が６０分以
上かかり生産性が良くない。また、酸化力が弱く酸化残
りが発生するせいか、１０．７％を超えるような高いＴ
ＭＲ変化率は得られていない（表１の本発明では最高で
１３．０％が得られている）。

【００７３】（実験例II）

【００７４】上記本発明のラジカル酸化法による実験Ｉ
−Ａにおいて、ラジカル発生のためのプラズマ源への投
入電力を５０Ｗから１００Ｗに変えた。さらに、酸素ラ
ジカルを供給するラジカル発生源から真空成膜装置内に
置かれたトンネルバリア層３０までの距離Ｔsを３０ｍ
ｍ（実験II−１）、１００ｍｍ（実験II−２）、２００
ｍｍ（実験II−３）、３００ｍｍ（実験II−４）とし
た。これらの各距離Ｔsにおいてそれぞれ、酸化時間を
下記表４〜７に示すように種々変えて、種々のサンプル
を作製した。表４がＴs＝３０ｍｍの場合、表５がＴs＝
１００ｍｍの場合、表６がＴs＝２００ｍｍの場合、表
７がＴs＝３００ｍｍの場合である。

【００７５】これらの各サンプルについて、上記の要領
で、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定し
た。

【００７６】これらの結果を下記表４〜７（本発明）に
示した。

【００７７】

【表４】

【００７８】

【表５】

【００７９】

【表６】

【００８０】

【表７】

【００８１】下記表４〜７（本発明）に示される結果よ
り、ラジカル源と酸化すべき薄膜までの距離Ｔsに依存
して最適酸化時間が存在することがわかる。当該装置構
成では、投入電力を１００Ｗ以上に上げたとしてもＴs
＝３００ｍｍ程度が限界に思われる。

【００８２】また、素子品質の安定性を考慮すれば、Ｔ
sの最小値は、Ｔs＝３０ｍｍ程度が妥当であると思われ
る。

【００８３】（実験例III）

【００８４】上記本発明のラジカル酸化法による実験Ｉ
−Ａにおいて、ラジカル発生のためのプラズマ源への投
入電力を５０Ｗから１５０Ｗに変えた。投入電力を上げ
るとそれに応じてラジカルの密度が上がる。それ以外
は、実験Ｉ−Ａと実質的に同様にして酸化時間を種々変
えて、種々のサンプルを作製した。

【００８５】これらの各サンプルについて、上記の要領
で、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定し
た。

【００８６】これらの結果を下記表８（本発明）に示し
た。

【００８７】

【表８】

【００８８】この表８のデータおよび前記表１および前
記表５のデータをそれぞれ比較する。すると、これらは
投入電力の大きさの違いだけであり、投入電力の大きさ
に依存して最適な酸化時間が存在することがわかる。投
入電力を大きくするとラジカルの密度が上がり、酸化時
間を短縮することができる。しかしながら、ＴＭＲの最
大値を比較するに、かなずしもラジカルの密度を大きく
すれば良いと言うものではなく、最適範囲が存在するも
のと考えられる。急激な酸化過程は好ましくなく投入電
力は５０〜１００Ｗが好適範囲である。

【００８９】

【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明は、トンネルバリア層と、トン
ネルバリア層を挟むようにして形成された第１の強磁性
層と第２の強磁性層が積層された多層膜構造を有する強
磁性トンネル磁気抵抗効果素子であって、前記トンネル
バリア層は、非磁性金属層をラジカル酸化法にて酸化処
理された酸化膜として構成されているので、生産性およ
び品質の安定性に優れ、ＴＭＲ効果が格段と優れる強磁
性トンネル磁気抵抗効果素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果
素子の好適な一例を示す断面図である。

【図２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本発明の強磁
性トンネル磁気抵抗効果素子の好適な製造方法の一例を
経時的に示す断面図である。

【図３】図３は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果
素子をトンネル磁気ヘッドに適用させた場合の一例を示
す断面図である。

【図４】図４（Ａ）および（Ｂ）は、強磁性トンネル磁
気抵抗効果を説明するための概略説明図である。

【符号の説明】

１…強磁性トンネル磁気抵抗効果素子３…トンネル多層膜５…基板２０…第１の強磁性層３０…トンネルバリア層４０…第２の強磁性層７１，７５…電極(層)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネルバリア層と、トンネルバリア層
を挟むようにして形成された第１の強磁性層と第２の強
磁性層が積層された多層膜構造を有する強磁性トンネル
磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層は、非磁性金属層をラジカル酸化
法にて酸化処理した非磁性酸化膜であることを特徴とす
る強磁性トンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】前記非磁性酸化膜は、酸素ラジカルを酸
化すべき非磁性金属層に接触させることにより形成され
た膜である請求項１に記載の強磁性トンネル磁気抵抗効
果素子。
【請求項３】前記第１の強磁性層と第２の強磁性層に
は、前記多層膜構造の厚さ方向に電流を流すための一対
の電極が電気的に接続されてなる請求項１または請求項
２に記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】前記第１および第２の強磁性層のうちい
ずれか一方の強磁性層は、磁気情報である外部磁場に応
答して自由に磁化の向きが変えられるように作用し、他
方の強磁性層側には磁化の向きを固定するためのピン止
め層が形成されてなる請求項１ないし請求項３のいずれ
かに記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】前記第１の強磁性層は、反強磁性型磁気
結合をしている一対の磁性層と、その間に挟まれた非磁
性金属層の組み合わせからなる請求項１ないし請求項４
のいずれかに記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】前記第２の強磁性層は、反強磁性型磁気
結合をしている一対の磁性層と、その間に挟まれた非磁
性金属層の組み合わせからなる請求項１ないし請求項５
のいずれかに記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】トンネルバリア層を挟むようにして形成
された第１の強磁性層と第２の強磁性層が積層された多
層膜構造を有する強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製
造方法であって、当該方法は、前記第１の強磁性層または第２の強磁性層を形成する工
程と、当該第１の強磁性層または第２の強磁性層の上に、非磁
性金属層を形成し、しかる後、当該非磁性金属層をラジ
カル酸化法にて酸化処理してトンネルバリア層を形成す
る工程を含むことを特徴とする強磁性トンネル磁気抵抗
効果素子の製造方法。
【請求項８】前記ラジカル酸化法は、酸素ラジカルを
酸化すべき非磁性金属層に接触させることにより行なわ
れる請求項７に記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子
の製造方法。
【請求項９】酸素ラジカルを含む酸素ラジカル源から
供給される酸化気体を酸化すべき非磁性金属層に連続的
に接触させることにより酸化処理が行なわれる請求項８
に記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】酸化されるべき非磁性金属層と酸素ラ
ジカル源との間の距離は、酸素ラジカルが非磁性金属層
に到着するまでラジカル状態を維持できるような距離と
して設定される請求項７ないし請求項９のいずれかに記
載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】非磁性金属層と酸素ラジカル源との間
の距離は、３００ｍｍ以下である請求項１０に記載の強
磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１２】ラジカル酸化時間は、１〜３０ｍｉｎ
である請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載の強
磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。