JP2007221086A - トンネル型磁気検出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、ＲＡを小さくし、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能なトンネル型磁気検出素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 酸化チタン等の絶縁酸化物で形成された絶縁障壁層５の上に形成されるフリー磁性層６のうち前記絶縁障壁層５と接する位置にエンハンス層６ａが形成されている。前記絶縁障壁層５の下には固定磁性層４を構成する第２固定磁性層４ｃが形成される。前記第２固定磁性層４ｃは、膜面と平行な方向に｛１１１｝面が優先配向する面心立方構造で形成され、前記絶縁障壁層５は、ルチル型構造等で形成され、前記エンハンス層６ａは、膜面と平行な方向に｛１１０｝面が優先配向する体心立方構造で形成される。これにより、ＲＡを小さくし、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばハードディスク装置に搭載されたり、あるいはＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）として用いられるトンネル型磁気検出素子に係り、特に、ＲＡ（素子抵抗Ｒ×素子面積Ａ）を小さく、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来るトンネル型磁気検出素子及びその製造方法に関する。

下記特許文献にはトンネル型磁気検出素子の発明が開示されている。前記トンネル型磁気検出素子は、少なくとも固定磁性層と、フリー磁性層と、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に介在する絶縁障壁層との積層構造を有する。

前記固定磁性層及び前記フリー磁性層は、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ等の磁性材料で形成される（例えば下記の特許文献１の［００４５］欄、特許文献２の［００４０］欄、特許文献３の［００３５］欄）。

ところで、トンネル型磁気検出素子では、ＲＡ（素子抵抗Ｒ×素子面積Ａ）を小さく、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来るようにすることが課題の一つとなっている。

例えば、スピン分極率の高い磁性材料層を前記絶縁障壁層と接する側に配置することで、前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来るものと期待される。例えばＣｏＦｅ合金は、ＮｉＦｅ合金に比べてスピン分極率が高い。
特開２００１―６１３０号公報 特開２００１―６１２７号公報 特開２００２―１６４５９０号公報 特開２００５―２２８９９８号公報 特開２００４−６５８９号公報

前記固定磁性層は、例えば、第１固定磁性層と、第２固定磁性層と、前記第１固定磁性層と前記第２固定磁性層との間に介在する非磁性中間層とが積層されて成る積層フェリ構造で形成される。前記第２固定磁性層が前記絶縁障壁層に接する。

また前記フリー磁性層には、特許文献１の［００６７］欄にも記載されているように、例えば、絶縁障壁層（特許文献１ではトンネルバリア層３０と記載されている）と接する位置に、高いスピン分極率を有するエンハンス層が設けられる（特許文献１では、強磁性フリー層２０とトンネルバリア層３０との間に高電子伝導のスピン分極材料からなる強磁性薄膜層が介在すると記載されている）。

上記した前記固定磁性層及び前記フリー磁性層の構成において、前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に主に寄与する層は、前記固定磁性層では前記第２固定磁性層であり、前記フリー磁性層では前記エンハンス層である。そして従来では、前記第２固定磁性層及び前記エンハンス層を同じ組成からなる磁性材料で形成していた。例えば、前記第２固定磁性層及び前記エンハンス層をＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}で形成していた。また特許文献１の［００７０］欄や特許文献２の［００５６］欄には、エンハンス層及び固定磁性層をＣｏで形成していることが開示されている。

しかし従来のトンネル型磁気検出素子では、ＲＡを小さくすると抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）も小さくなってしまい、前記ＲＡを小さくし、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが困難であった。

また特許文献５の［０２０９］欄には、フリー磁性層（フリー層）又は固定磁性層（ピン層）が面心立方構造（ｆｃｃ）や体心立方構造（ｂｃｃ）で形成されることが好ましいと記載されているが、具体的な好ましい結晶構造の組み合わせは記載されていない。なお特許文献５には絶縁障壁層（スペーサ層）の好ましい結晶構造は記載されていない。

上記したように、従来では、通常、前記第２固定磁性層及び前記エンハンス層を同じ組成で形成していたので、当然、結晶構造も同じとなる。

しかし、後述する実験によれば、前記第２固定磁性層及び前記エンハンス層の結晶構造が同じであると、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることができず、また第２固定磁性層及びエンハンス層の結晶構造のみならず、前記絶縁障壁層の結晶構造も合わせて、各層の結晶構造を適正化しないと、効果的に、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできないことがわかった。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に、ＲＡを小さくし、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能なトンネル型磁気検出素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明におけるトンネル型磁気検出素子は、
下から下側磁性層、絶縁障壁層、上側磁性層の順に積層され、一方の前記磁性層は、磁化が固定される固定磁性層の全部あるいは一部を成し、他方の前記磁性層は、磁化が外部磁界により変動するフリー磁性層の全部あるいは一部を成し、
少なくとも前記下側磁性層の一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成され、
少なくとも前記絶縁障壁層の一部は、非晶質構造、体心立方構造、体心正方構造、又は、ルチル型構造のうち１種又は２種以上の混合状態で形成され、
少なくとも前記上側磁性層の一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成されることを特徴とするものである。

本発明では、少なくとも前記下側磁性層の一部が、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成されている。前記面心立方構造の｛１１１｝面は最稠密面であるため、前記絶縁障壁層を形成する過程での酸化等の影響が前記下側磁性層の内部にまで及びにくく、前記下側磁性層の劣化を効果的に抑制できる。また、面心立方構造にするには、例えば下側磁性層をＣｏＦｅ合金で形成する場合、Ｆｅ組成比を小さくすることが必要である。ここでＣｏとＦｅとの酸化物の標準生成自由エネルギーを比較するとＦｅのほうが酸化物の標準生成自由エネルギーが低いため、ＦｅはＣｏに比べて酸化されやすいが、面心立方構造を得るためにＦｅ組成比を小さくすることで酸化の影響を適切に弱めることができる。これにより前記下側磁性層のスピン分極率を適切に向上させることが出来る。

また、下側磁性層が酸化の影響を受けやすい状態であると、絶縁障壁層内の酸素元素が前記下側磁性層側に引き寄せられやすくなり、前記絶縁障壁層の内部で酸素量の勾配が生じやすくなるが、本発明では、前記下側磁性層が酸化の影響を受けにくくなっているので、前記絶縁障壁層内部での酸素量の勾配を極力小さくできる。

さらに本発明では、少なくとも前記絶縁障壁層の一部は、非晶質構造、体心立方構造、あるいは体心正方構造、又は、ルチル型構造のうち１種又は２種以上の混合状態で形成され、少なくとも前記上側磁性層の一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成される。

前記｛１１０｝面は体心立方構造における最稠密面であり、絶縁障壁層から上側磁性層に拡散する酸素やＴｉ等が前記上側磁性層の内部にまで侵入するのを抑制する効果がある。これにより、スピン分極率が大きくなるＦｅ組成比で形成された上側磁性層であっても、アニール等による酸素等の拡散によるスピン分極率の低下を適切に抑制することが可能である。この効果は、絶縁障壁層が結晶構造であっても非晶質構造であってもどちらでも有効である。

また上記した絶縁障壁層と上側磁性層の結晶構造の組み合わせにより、前記絶縁障壁層と前記上側磁性層との界面での格子整合性は向上し、前記上側磁性層は結晶性良く形成される。これにより前記上側磁性層のスピン分極率を向上させることが出来る。

以上により、前記下側磁性層及び上側磁性層のスピン分極率を適切に向上させることができ、ＲＡ（Ｒは素子抵抗、Ａは素子面積）を小さくし、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能になる。

本発明では、少なくとも前記絶縁障壁層の一部は、ルチル型構造で形成されることが好ましい。具体的には、前記絶縁障壁層は、酸化チタンで形成されることが好ましい。ルチル型構造を構成する一元素（酸化チタンではチタン）は、体心正方構造をとり、ルチル型構造で形成された絶縁障壁層上に、体心立方構造の上側磁性層が形成されると、前記絶縁障壁層と前記上側磁性層との界面での格子整合性を適切に向上させることが出来る。なお絶縁障壁層が非晶質ライクであっても、非晶質中の短範囲での秩序性が上記した体心立方的、体心正方的あるいはルチル的な原子配列を一部でも有していれば、上記した効果を発揮できるものと考えられる。また、特に酸化チタンを絶縁障壁層として選択すると、後述する実験でも証明されているように、より効果的に、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能になる。

本発明では、前記下側磁性層は、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただし、Ｆｅの組成比ｘは、０ａｔ％以上で２０ａｔ％以下の範囲内）で形成されることが好ましい。これにより前記下側磁性層を、適切に、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成できる。

また、本発明では、前記上側磁性層は、Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（ただしＦｅの組成比ｙは、３０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２Ｃｒ_０．６Ｆｅ_０．４Ａｌで形成されることが好ましい。これにより、前記上側磁性層を、適切に、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成できる。

本発明では、前記絶縁障壁層下に前記固定磁性層が形成され、前記固定磁性層は、下から第１固定磁性層、非磁性中間層、及び第２固定磁性層の順に積層された積層フェリ構造で、前記第２固定磁性層が前記絶縁障壁層の下面に接して形成され、
前記絶縁障壁層上に前記フリー磁性層が形成され、前記フリー磁性層は、前記絶縁障壁層の上面に接して形成されるエンハンス層と、前記エンハンス層上に形成される軟磁性層の積層構造で形成され、
前記第２固定磁性層の少なくとも一部が前記下側磁性層で形成され、前記エンハンス層の少なくとも一部が前記上側磁性層で形成されることが好ましい。

前記固定磁性層を構成する第２固定磁性層、及び、前記フリー磁性層の一部を構成するエンハンス層は、共に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に主に寄与する層であり、前記第２固定磁性層及び前記エンハンス層の結晶構造を上記のように適切に調整することで、ＲＡを小さく、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能である。

上記構成において、前記軟磁性層は、前記上側磁性層の磁歪と逆符号の磁歪の磁歪調整領域を有することが好ましい。このとき、前記上側磁性層はＣｏＦｅ合金で形成され、前記磁歪調整領域は、Ｎｉ_ＺＦｅ_{１００−Ｚ}で形成され、Ｎｉの組成比Ｚは、８１．５ａｔ％より大きく１００ａｔ％以下で形成されることが好ましい。このように上側磁性層の磁歪と前記磁歪調整領域の磁歪との符号を逆にすることで、前記フリー磁性層全体の磁歪の絶対値を小さくできる。特に、前記絶縁障壁層の上に前記フリー磁性層が形成される形態では、前記エンハンス層の全部あるいは一部を構成する上側磁性層のＦｅ組成比は体心立方構造を得るために大きくされ、前記上側磁性層の磁歪が正に大きくなることがわかっている。したがって、少なくとも前記軟磁性層の磁歪調整領域での組成を上記のように調整して前記磁歪調整領域での磁歪を負にすることで、フリー磁性層全体の磁歪の絶対値が小さくなるように調整できる。

また本発明では、前記絶縁障壁層の下に前記フリー磁性層が形成され、前記フリー磁性層は、下から、軟磁性層、エンハンス層の順で積層され、前記エンハンス層が前記絶縁障壁層の下面に接して形成され、
前記絶縁障壁層の上に前記固定磁性層が形成され、前記固定磁性層は、下から前記絶縁障壁層の上面に接する第２固定磁性層、非磁性中間層、及び第１固定磁性層の順に積層された積層フェリ構造で形成され、
前記エンハンス層の少なくとも一部が、前記下側磁性層で形成され、前記第２固定磁性層の少なくとも一部が前記上側磁性層で形成される形態であってもよい。

本発明におけるトンネル型磁気検出素子の製造方法は、以下の工程を有することを特徴とするものである。

（ａ） 下側磁性層を形成し、このとき、少なくとも前記下側磁性層の一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成する工程、
（ｂ） 前記下側磁性層上に、少なくとも一部が、非晶質構造、体心立方構造、体心正方構造、又は、ルチル型構造のうち１種又は２種以上の混合状態で形成された絶縁障壁層を形成する工程、
（ｃ） 前記絶縁障壁層上に上側磁性層を形成し、このとき、少なくとも前記上側磁性層の一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成する工程、
本発明では、前記（ａ）工程で、前記下側磁性層を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成するので、前記下側磁性層には、膜面と平行な方向に最稠密面が配向し、前記下側磁性層は前記（ｂ）工程で絶縁障壁層を形成する際の酸化等の影響を受けにくい。

また前記（ｃ）工程では、非晶質構造、体心立方構造、体心正方構造、又は、ルチル型構造を有する絶縁障壁層上に、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造を有する上側磁性層を形成するため、絶縁障壁層から上側磁性層への酸素等の拡散を抑制でき、前記絶縁障壁層と前記上側磁性層との界面での格子整合性を適切に向上させることができ、前記上側磁性層を結晶性良く形成できる。

以上により、上記した製造方法では、前記下側磁性層、及び前記上側磁性層のスピン分極率を適切に向上させることができ、したがってＲＡを小さく、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きいトンネル型磁気検出素子を適切且つ容易に製造することができる。

本発明では、前記（ｂ）工程において、前記下側磁性層上に、金属層又は半導体層を形成し、前記金属層又は前記半導体層を酸化して酸化絶縁物から成る絶縁障壁層を形成することが好ましい。具体的には、前記（ｂ）工程において、前記下側磁性層上に、チタン層を形成し、前記チタン層を酸化して酸化チタンから成る前記絶縁障壁層を形成することが好ましい。これにより、ＲＡを小さく、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きいトンネル型磁気検出素子をより適切且つ容易に製造することができて好ましい。

また本発明では、前記（ａ）工程において、前記下側磁性層を、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただし、Ｆｅの組成比ｘは、０以上で２０ａｔ％以下の範囲内）で形成することが、前記下側磁性層を、適切に、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成でき好ましい。

また本発明では、前記（ｃ）工程において、前記上側磁性層を、Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（ただしＦｅの組成比ｙは、３０以上で１００ａｔ％以下の範囲内）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２Ｃｒ_０．６Ｆｅ_０．４Ａｌで形成することが、前記上側磁性層を、適切に、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成でき好ましい。

本発明によれば、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることができる。

図１は本実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子を備えた再生ヘッドを記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図である。

トンネル型磁気抵抗効果素子は、例えばハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、図中においてＸ方向は、トラック幅方向、Ｙ方向は、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向（ハイト方向）、Ｚ方向は、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子の各層の積層方向、である。

図１の最も下に形成されているのは、例えばＮｉＦｅ合金で形成された下部シールド層２１である。前記下部シールド層２１上に前記積層体Ｔ１が形成されている。なお前記トンネル型磁気抵抗効果素子は、前記積層体Ｔ１と、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に形成された下側絶縁層２２、ハードバイアス層２３、上側絶縁層２４とで構成される。

前記積層体Ｔ１の最下層は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層１である。この下地層１の上に、シード層２が設けられる。前記シード層２は、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成される。

前記シード層２の上に形成された反強磁性層３は、元素α（ただしαは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料、又は、元素αと元素α′（ただし元素α′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成される。例えば前記反強磁性層３は、ＩｒＭｎやＰｔＭｎで形成される。

前記反強磁性層３上には固定磁性層４が形成されている。前記固定磁性層４は、下から第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ、第２固定磁性層４ｃの順で積層された積層フェリ構造である。前記反強磁性層３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層４ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記第１固定磁性層４ａと第２固定磁性層４ｃの磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆる積層フェリ構造と呼ばれ、この構成により前記固定磁性層４の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層４と反強磁性層３との界面で発生する交換結合磁界を見かけ上大きくすることができる。

前記第１固定磁性層４ａは、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉなどの強磁性材料で形成されている。また非磁性中間層４ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。前記第２固定磁性層４ｃについては後述する。

前記固定磁性層４上に形成された絶縁障壁層５は、絶縁酸化物で形成される。好ましくは前記絶縁障壁層５は酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）で形成される。

前記絶縁障壁層５上には、フリー磁性層６が形成されている。前記フリー磁性層６は、ＮｉＦｅ合金等の磁性材料で形成される軟磁性層６ｂと、前記軟磁性層６ｂと前記絶縁障壁層５との間に形成されるエンハンス層６ａとで構成される。前記軟磁性層６ｂは、軟磁気特性に優れた磁性材料で形成されることが好ましく、前記エンハンス層６ａは、前記軟磁性層６ｂよりもスピン分極率の大きい磁性材料で形成される。

前記フリー磁性層６のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の幅寸法でトラック幅Ｔｗが決められる。

前記フリー磁性層６上にはＴａ等の非磁性導電材料で形成された保護層７が形成されている。

図１に示すように、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端面１１，１１は、下側から上側に向けて徐々に前記トラック幅方向の幅寸法が小さくなるように傾斜面で形成されている。

図１に示すように、前記積層体Ｔ１の両側に広がる下部シールド層２１上から前記積層体Ｔ１の両側端面１１上にかけて下側絶縁層２２が形成され、前記下側絶縁層２２上にハードバイアス層２３が形成され、さらに前記ハードバイアス層２３上に上側絶縁層２４が形成されている。

前記下側絶縁層２２と前記ハードバイアス層２３間にバイアス下地層（図示しない）が形成されていてもよい。前記バイアス下地層は例えばＣｒ、Ｗ、Ｔｉで形成される。

前記絶縁層２２，２４はＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の絶縁材料で形成されたものであり、前記積層体Ｔ１内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向の両側に分流するのを抑制すべく前記ハードバイアス層２３の上下を絶縁するものである。前記ハードバイアス層２３は例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成される。

前記積層体Ｔ１上及び上側絶縁層２４上にはＮｉＦｅ合金等で形成された上部シールド層２６が形成されている。

図１に示す実施形態では、前記下部シールド層２１及び上部シールド層２６が前記積層体Ｔ１に対する電極層として機能し、前記積層体Ｔ１の各層の膜面に対し垂直方向（図示Ｚ方向と平行な方向）に電流が流される。

前記フリー磁性層６は、前記ハードバイアス層２３からのバイアス磁界を受けてトラック幅方向（図示Ｘ方向）と平行な方向に磁化されている。一方、固定磁性層４を構成する第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃはハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に磁化されている。前記固定磁性層４は積層フェリ構造であるため、第１固定磁性層４ａと第２固定磁性層４ｃはそれぞれ反平行に磁化されている。前記固定磁性層４は磁化が固定されている（外部磁界によって磁化変動しない）が、前記フリー磁性層６の磁化は外部磁界により変動する。

前記フリー磁性層６が、外部磁界により磁化変動すると、第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層６との磁化が反平行のとき、前記第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層６との間に設けられた絶縁障壁層５を介してトンネル電流が流れにくくなって、抵抗値は最大になり、一方、前記第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層６との磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり抵抗値は最小になる。

この原理を利用し、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層６の磁化が変動することにより、変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの洩れ磁界が検出されるようになっている。

図１の実施形態における特徴的部分について以下に説明する。図１に示す前記固定磁性層４を構成する前記第２固定磁性層（下側磁性層）４ｃは、前記絶縁障壁層５の下面に接して形成され、前記フリー磁性層６を構成するエンハンス層（上側磁性層）６ａは、前記絶縁障壁層５の上面に接して形成され、第２固定磁性層４ｃ／絶縁障壁層５／エンハンス層６ａが主に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に寄与する層となっている。

本実施形態では、前記絶縁障壁層５の下に形成される前記第２固定磁性層４ｃの少なくとも一部は、膜面（図示Ｘ―Ｙ面）と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造（ｆｃｃ）で形成される。ここで、「代表的に｛１１１｝面として表される結晶面」とは、ミラー指数を用いて表した結晶格子面を示し、前記｛１１１｝面として表される等価な結晶面としては、（１１１）面、（−１１１）面、（１−１１）面、（１１―１）面、（−１−１１）面、（−１１―１）面、（１―１―１）面、（−１―１―１）面が存在する。

前記第２固定磁性層４ｃは全体的に、前記面心立方構造で形成されることが好ましいが、一部にのみ形成される場合には、前記面心立方構造は、前記絶縁障壁層５との界面から前記第２固定磁性層４ｃの内部方向（図示Ｚ方向の逆方向）の途中にかけて形成されていることが好ましい。

図３は面心立方構造の｛１１１｝面を平面から見た模式図である。前記面心立方構造の｛１１１｝面は最稠密面である。このため、前記絶縁障壁層５を形成する過程での酸化等の影響が前記第２固定磁性層４ｃの内部にまで及びにくく、前記第２固定磁性層４ｃの劣化を効果的に抑制できる。

本実施形態では、前記第２固定磁性層４ｃは、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただし、Ｆｅの組成比ｘは、０ａｔ％以上で２０ａｔ％以下の範囲内）で形成されることが好ましい。これにより、前記第２固定磁性層４ｃを適切に、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造（ｆｃｃ）で形成できる。

上記のようにＣｏＦｅ合金で前記第２固定磁性層４ｃを形成するときＦｅ組成比ｘを小さくする。ここでＣｏとＦｅとの酸化物の標準生成自由エネルギーを比較するとＦｅのほうが酸化物の標準生成自由エネルギーが低いため、ＦｅはＣｏに比べて酸化されやすいが、面心立方構造を得るためにＦｅ組成比ｘを小さくすることで酸化の影響を適切に弱めることができる。これにより前記第２固定磁性層４ｃのスピン分極率を適切に向上させることが出来る。

また前記第２固定磁性層４ｃが酸化の影響を受けやすい状態であると、前記絶縁障壁層５内の酸素元素が前記第２固定磁性層４ｃ側に引き寄せられやすくなり、前記絶縁障壁層５の内部で酸素量の勾配が生じやすくなるが、本実施形態では、前記第２固定磁性層４ｃが酸化の影響を受けにくくなっているので、前記絶縁障壁層５内部での酸素量の勾配を極力小さくできる。

次に、前記絶縁障壁層５の少なくとも一部は、非晶質構造、体心立方構造（ｂｃｃ）、体心正方構造、あるいは、ルチル型構造（rutile structure）のうち１種又は２種以上の混合状態であることが好ましい。前記絶縁障壁層５が、Ｔｉ−Ｏ、Ｓｎ−Ｏ、Ｐｄ−Ｏ、Ｖ−Ｏ、Ｎｂ−Ｏ、Ｍｎ−Ｏ、Ｎｉ―Ｆ、Ｍｇ―Ｆで形成されると、前記絶縁障壁層５をルチル型構造に出来る。図４は、前記ルチル型構造を示す。例えば酸化チタンの場合、図４に示すようにチタン（Ｔｉ）は体心正方構造をとる。

次に、前記エンハンス層６ａの少なくとも一部は、体心立方構造（ｂｃｃ）で、膜面（図示Ｘ−Ｙ面）に平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向している。ここで、「代表的に｛１１０｝面として表される結晶面」とは、ミラー指数を用いて表した結晶格子面を示し、前記｛１１０｝面として表される等価な結晶面としては、（１１０）面、（−１１０）面、（１−１０）面、（−１―１０）面、（１０１）面、（−１０１）面、（１０−１）面、（―１０−１）面、（０１１）面、（０−１１面）、（０１―１面）、（０−１―１）面が存在する。なお図５は、体心立方構造の｛１１０｝面を平面から見た模式図である。

前記エンハンス層６ａは全体的に、前記体心立方構造で形成されることが好ましいが、一部にのみ形成される場合には、前記体心立方構造は、前記絶縁障壁層５との界面から前記エンハンス層６ａの内部方向（図示Ｚ方向）の途中にかけて形成されていることが好ましい。

｛１１０｝面は体心立方構造における最稠密面であり、絶縁障壁層５からエンハンス層６ａに拡散する酸素やＴｉ等が前記エンハンス層６ａの内部にまで侵入するのを抑制する効果がある。これにより、スピン分極率が大きくなるＦｅ組成比で形成されたエンハンス層６ａであっても、アニール等による酸素等の拡散によるスピン分極率の低下を適切に抑制することが可能である。この効果は、絶縁障壁層５が結晶構造であっても非晶質構造であってもどちらでも有効である。

また上記したように、少なくとも前記絶縁障壁層５の一部は、体心立方構造、あるいは体心正方構造、又は、ルチル型構造を有して形成され、少なくとも前記絶縁障壁層５上に形成されるエンハンス層６ａの一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成されると、前記絶縁障壁層５と前記エンハンス層６ａとの界面での格子整合性は向上し、前記エンハンス層６ａは結晶性良く形成される。これにより前記エンハンス層６ａのスピン分極率を向上させることが出来る。なお絶縁障壁層５が非晶質ライクであっても、非晶質中の短範囲での秩序性が上記した体心立方的、体心正方的あるいはルチル的な原子配列を一部でも有していれば、上記した効果を発揮できるものと考えられる。また、前記絶縁障壁層５は全体的に、非晶質構造、体心立方構造、あるいは体心正方構造、又は、ルチル型構造のうち１種又は２種の混合状態で形成されることが好ましいが、一部にのみ形成される場合には、前記エンハンス層６ａとの界面から前記絶縁障壁層５の内部方向（図示Ｚ方向と逆方向）の途中にかけて形成されていることが好ましい。

前記絶縁障壁層５上に形成される前記エンハンス層６ａは、Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（ただしＦｅの組成比ｙは、３０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２Ｃｒ_０．６Ｆｅ_０．４Ａｌで形成されることが好ましい。これにより前記エンハンス層６ａを、適切に、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成できる。

ところで前記エンハンス層６ａをＣｏＦｅ合金で形成するとき、前記エンハンス層６ａのＦｅ組成比ｙは、前記絶縁障壁層５の下に形成される第２固定磁性層４ｃをＣｏＦｅ合金で形成した場合のＦｅ組成比ｘに比べて大きくされる。これにより前記第２固定磁性層４ｃを面心立方構造で、前記エンハンス層６ａを体心立方構造で適切に形成できる。このように前記エンハンス層６ａをＣｏＦｅ合金で形成する場合、Ｆｅ組成比ｙを大きくすることが必要であるが、Ｆｅ組成比ｙを大きくしても前記絶縁障壁層５の上に形成されるエンハンス層６ａは、前記絶縁障壁層５の形成過程での酸化等の影響を受けにくいので、前記絶縁障壁層５の下に形成される第２固定磁性層４ｃのように、酸化等の影響を特に考慮することなく、前記エンハンス層６ａには元々スピン分極率の高い磁性材料を選択することが出来る。

また、前記絶縁障壁層５を金属層又は半導体層を形成した後、前記金属層又は前記半導体層を酸化して成る絶縁酸化物で形成した場合、前記第２固定磁性層４ｃの前記絶縁障壁層との界面付近は酸化の影響を受けるが、前記絶縁障壁層５の上に形成されるエンハンス層６ａのＦｅ組成比を、前記絶縁障壁層５の下に形成される第２固定磁性層４ｃのＦｅ組成比よりも大きくすることで、前記第２固定磁性層４ｃの前記絶縁障壁層５との界面付近での酸素が前記エンハンス層６ａ側に引き寄せられ（すなわち前記第２固定磁性層４ｃの前記界面付近は還元され）、前記第２固定磁性層４ｃの前記界面付近での酸素量が減少するものと考えられる。

以上により、前記第２固定磁性層４ｃ及びエンハンス層６ａのスピン分極率を適切に向上させることができ、その結果、ＲＡ（Ｒは素子抵抗、Ａは素子面積）を小さくし、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能になる。

前記絶縁障壁層５はルチル型構造を有することが好ましい。具体的には、前記絶縁障壁層５は酸化チタンで形成されることが好ましい。前記絶縁障壁層５を酸化チタンで形成すると、前記絶縁障壁層５の結晶構造は、熱的に最も安定なルチル型構造が支配的となる。図４で説明したように、ルチル型構造を構成する一元素（酸化チタンではチタン）は、体心正方構造をとり、ルチル型構造で形成された絶縁障壁層５上に、体心立方構造のエンハンス層６ａが形成されると、前記絶縁障壁層５と前記エンハンス層６ａとの界面での格子整合性を適切に向上させることが出来る。また、特に酸化チタンを絶縁障壁層５として選択すると、後述する実験でも証明されているように、より効果的に、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能になる。前記絶縁障壁層５は、非晶質構造、体心立方構造、あるいは体心正方構造、又はルチル型構造から選択される１種以上と他の結晶構造との混相であってもよい。

前記絶縁障壁層５上に形成されるエンハンス層６ａがＣｏＦｅ合金で形成されるとき、Ｆｅ組成比ｘは上記したように３０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内で形成されることが好ましく、５０ａｔ％以下で１００ａｔ％以下の範囲内で形成されることがより好ましく、７０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内で形成されることがさらに好ましい。上記のようにＦｅ組成比Ｘの下限値を上げていくと、より効果的に、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできることがわかっている。

また前記絶縁障壁層５上に形成される前記エンハンス層６ａには、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ等のホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、スピン分極率が大きい金属であり、伝導電子のほとんどが、アップスピン電子またはダウン電子のいずれか一方のみからなるハーフメタルである。前記エンハンス層６ａにホイスラー合金を用いることで、より適切に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることができる。

次に前記フリー磁性層６を構成する軟磁性層６ｂは、ＮｉＦｅ合金で形成されることが、前記軟磁性層６ｂの軟磁気特性を適切に向上させることができ好ましい。ところで後述する実験に示すように、例えば前記絶縁障壁層５上に形成されるエンハンス層６ａをＣｏ_{５０ａｔ％}Ｆｅ_{５０ａｔ％}で形成し、前記軟磁性層６ｂを、Ｎｉ_{８１．５ａｔ％}Ｆｅ_{１８．５ａｔ％}で形成したとき、前記エンハンス層６ａをＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}で形成し、前記軟磁性層６ｂを、Ｎｉ_{８１．５ａｔ％}Ｆｅ_{１８．５ａｔ％}で形成した場合に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることが出来るものの、前記フリー磁性層６の磁歪λの絶対値は大きくなってしまうという問題が生じる。したがって、前記軟磁性層６ｂには、前記エンハンス層６ａの磁歪の符号と逆符号の磁歪を有する材質を選択して、前記フリー磁性層６の磁歪の絶対値を小さくすることが好ましい。たとえば、上記したように前記絶縁障壁層５上に形成される前記エンハンス層６ａをＣｏＦｅ合金で形成するときＦｅ組成比を３０ａｔ％以上に大きくするが、Ｆｅ組成比を大きくすると正磁歪となるため、前記軟磁性層６ｂには負磁歪となる軟磁性材料を選択することが好ましい。

前記エンハンス層６ａがＣｏＦｅ合金で形成され、前記軟磁性層６ｂがＮｉ_ｚＦｅ_{１００−ｚ}で形成されるとき、Ｎｉの組成比ｚは、８１．５ａｔ％より大きく１００ａｔ％以下で形成されることが好ましい。これにより前記フリー磁性層６の磁歪の絶対値を適切に小さくすることができる。

なおＮｉの組成比ｚが、８１．５ａｔ％より大きく１００ａｔ％以下で形成されるＮｉ_ＺＦｅ_{１００−Ｚ}から成る軟磁性層を磁歪調整層として、従来と同様の組成からなる軟磁性層６ｂと、前記エンハンス層６ａとの間に設ける構造であってもよい。

なお組成分析には、ＳＩＭＳ分析装置や電解放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ）を用いたナノビーム特性Ｘ線分析（Ｎａｎｏ−ｂｅａｍ ＥＤＸ）等を用いる。

また図１では前記絶縁障壁層５の下に形成される前記第２固定磁性層４ｃの全体が本実施形態における「下側磁性層」として形成されるが、例えば、前記第２固定磁性層４ｃが磁性層の積層構造で、そのうち少なくとも前記絶縁障壁層５と接する磁性層が本実施形態での「下側磁性層」として形成されるものであってもよい。また、積層フェリ構造でなく、前記固定磁性層４が磁性層の単層構造、あるいは磁性層の積層構造で形成される等、図１の形態に限定されない。かかる場合、いずれにしても本実施形態における「下側磁性層」は、前記固定磁性層４の全体あるいは一部（少なくとも前記絶縁障壁層５との接する磁性層）として設けられていればよい。

また、図１では、前記絶縁障壁層５の上に形成される前記エンハンス層６ａの全体が本実施形態における「上側磁性層」として形成されるが、例えば、前記エンハンス層６ａが磁性層の積層構造で、そのうち、少なくとも前記絶縁障壁層５と接する磁性層が本実施形態での「上側磁性層」として形成されるものであってもよい。あるいは前記フリー磁性層６に前記エンハンス層６ａが設けられていない構成である等、図１の形態に限定されない。なお本明細書においてエンハンス層６ａとは、前記軟磁性層６ｂよりスピン分極率が高く、前記軟磁性層６ｂを構成する少なくとも一元素（ＮｉＦｅで形成される場合はＮｉ）が前記絶縁障壁層５に拡散するのを防止する役割を有する層である。このようなエンハンス層６ａが形成されていなくてもよい。いずれにしても本実施形態において、前記フリー磁性層６の全部あるいは一部（少なくとも前記絶縁障壁層５と接する磁性層）が本実施形態における「上側磁性層」として形成されていればよい。

図１に示す実施形態では、前記絶縁障壁層５の下に固定磁性層４が形成され、前記絶縁障壁層５の上にフリー磁性層６が形成されているが、前記絶縁障壁層５の下にフリー磁性層６が形成され、前記絶縁障壁層５の上に固定磁性層４が形成される形態の場合、具体的には、下から軟磁性層６ｂ／エンハンス層６ａ／絶縁障壁層５／第２固定磁性層４ｃ／非磁性中間層４ｂ／第１固定磁性層４ａの順に積層される場合、少なくとも前記エンハンス層６ａ（下側磁性層）の一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成され、少なくとも前記第２固定磁性層４ｃ（上側磁性層）の一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成される。すなわち、図１と逆構造の場合、前記絶縁障壁層５の下に形成される前記エンハンス層６ａを、図１に示す第２固定磁性層４ｃと同じ結晶構造や組成で形成し、前記絶縁障壁層５の上に形成される前記第２固定磁性層４ｃを、図１に示すエンハンス層６ａと同じ結晶構造や組成で形成するのである。

図２は、第２の実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子を備えた再生ヘッドを記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図である。なお図１と同じ符号が付けられている層は図１と同じ層を示している。

図２では前記トンネル型磁気検出素子はデュアル型となっている。すなわち、前記トンネル型磁気検出素子を構成する積層体Ｔ２は、下から、下地層１、シード層２、下側反強磁性層３０、下側固定磁性層３１、下側絶縁障壁層３２、フリー磁性層３３、上側絶縁障壁層３４、上側固定磁性層３５、上側反強磁性層３６、及び保護層３７の順に積層されている。

前記下側固定磁性層３１は、下から下側第１固定磁性層３１ａ、下側非磁性中間層３１ｂ、下側第２固定磁性層３１ｃの順に積層された積層フェリ構造である。

前記上側固定磁性層３５は、下から上側第２固定磁性層３５ｃ、上側非磁性中間層３５ｂ、上側第１固定磁性層３５ａの順に積層された積層フェリ構造である。

前記フリー磁性層３３は、エンハンス層３３ａ／軟磁性層３３ｂ／エンハンス層３３ｃの順に積層されている。

図２に示す実施形態では、前記絶縁障壁層３２，３４が２層設けられている。したがって夫々の絶縁障壁層３２，３４の上下に形成された磁性層の結晶構造を適切に調整する必要がある。なお前記絶縁障壁層３２，３４の少なくとも一部は、非晶質構造、体心立方構造、あるいは体心正方構造、又は、ルチル型構造のうち１種又は２種以上の混合状態で形成される。

前記下側絶縁障壁層３２の下に形成された前記下側第２固定磁性層３１ｃ（下側磁性層）の少なくとも一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成される。

また、前記下側絶縁障壁層３２の上に形成された前記フリー磁性層３３の最下層である前記エンハンス層３３ａ（上側磁性層）の少なくとも一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成される。

次に、前記上側絶縁障壁層３４の下に形成されたフリー磁性層３３の最上層であるエンハンス層３３ｃ（下側磁性層）の少なくとも一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成される。

また、前記上側絶縁障壁層３４の上に形成された前記上側第２固定磁性層３５ｃ（上側磁性層）の少なくとも一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成される。

上記構成により、ＲＡを小さく、且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることができる。

図２に示す各絶縁障壁層３２，３４上に当接して形成された前記エンハンス層３３ａ及び前記上側第２固定磁性層３５ｃは、図１で説明したエンハンス層６ａと同様の組成で形成されることが好ましく、図２に示す各絶縁障壁層３２，３４の下に当接して形成された前記エンハンス層３３ｃ及び、前記下側第２固定磁性層３１ｃは、図１で説明した第２固定磁性層４ｃと同様の組成で形成されることが好ましい。

本実施形態のトンネル型磁気検出素子の製造方法について説明する。なお各層の材質については図１で説明したのでそちらを参照されたい。

図１に示す実施形態では、下部シールド層２１上に、下地層１、シード層２、反強磁性層３、第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ、第２固定磁性層４ｃを連続して同真空中にてスパッタ成膜する。

次に前記同真空中にて、前記第２固定磁性層４ｃ上に、金属層又は半導体層をスパッタ成膜する。

ここで、図１に示す絶縁障壁層５を酸化チタンで形成する場合、Ｔｉターゲットを用い、前記第２固定磁性層４ｃ上にチタン層を形成する。そして、前記チタン層を自然酸化、ラジカル酸化、イオン酸化あるいはプラズマ酸化等により酸化して酸化チタンから成る絶縁障壁層５を形成する。

次に、前記絶縁障壁層５上に、エンハンス層６ａ、軟磁性層６ｂ及び保護層７を連続して同真空中でスパッタ成膜する。

前記保護層７まで積層した後、磁場中熱処理を施す。磁場をハイト方向（図示Ｙ方向）に向けて行う。これにより前記固定磁性層４を構成する第１固定磁性層４ａと前記第２固定磁性層４ｃとをハイト方向と平行な方向で且つ互いに逆方向に向くように磁化固定できる。

そして図１に示すように、前記積層体Ｔ１をトラック幅方向（図示Ｘ方向）の幅寸法が下から上に向かうにしたがって徐々に小さくなる略台形状にエッチング加工し、その後、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に下から下側絶縁層２２、ハードバイアス層２３、上側絶縁層２４の順に積層し、さらに前記保護層７上及び前記上側絶縁層２４上に上部シールド層２６を形成する。

図２に示すトンネル型磁気検出素子の製造方法は、上記した図１に示すトンネル型磁気検出素子の製造方法に準じた方法により形成できる。

本実施形態の製造方法では、前記第２固定磁性層４ｃの少なくとも一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成する。具体的には前記第２固定磁性層４ｃを、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただし、Ｆｅの組成比ｘは、０ａｔ％以上で２０ａｔ％以下の範囲内）で形成する。

また本実施形態では、前記絶縁障壁層５を酸化チタン等のルチル型構造を有する絶縁物で形成する。なおルチル型構造以外に、前記絶縁障壁層５を、非晶質構造、体心立方構造、あるいは、体心正方構造を有する絶縁物で形成してもよい。また前記絶縁障壁層５は、２種以上の上記構造の混合状態であってもよい。

そして、前記絶縁障壁層５上に形成されるエンハンス層６ａの少なくとも一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成する。具体的には、前記エンハンス層６ａを、Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（ただしＦｅの組成比ｙは、３０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２Ｃｒ_０．６Ｆｅ_０．４Ａｌで形成する。

上記のように、前記絶縁障壁層５の下に形成される前記第２固定磁性層４ｃの少なくとも一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成することで、前記膜面と平行な方向に最稠密面が配向し、前記第２固定磁性層４ｃは、前記絶縁障壁層５を形成する過程での酸化等の影響を受けにくい。

また前記絶縁障壁層５上に形成される前記エンハンス層６ａの少なくとも一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成することで、体心立方構造、あるいは体心正方構造、又は、ルチル型構造を有する絶縁障壁層５との界面で格子整合性が向上し、前記エンハンス層６ａを結晶性良く形成できる。

また、前記トンネル型磁気検出素子の製造過程において熱処理が施される。上記したように前記固定磁性層４の磁化固定のための熱処理が代表的な熱処理である。このような熱処理により、絶縁障壁層５の結晶質状態を促進でき、前記絶縁障壁層５の上に形成されるエンハンス層６ａとの界面での格子整合性をより効果的に、向上させることが出来る。

以上により、本実施形態のトンネル型磁気検出素子の製造方法によれば、主に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に寄与する第２固定磁性層４ｃ及び前記エンハンス層６ａの双方のスピン分極率を適切に向上させることができ、したがってＲＡが小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きい前記トンネル型磁気検出素子を適切且つ簡単に製造することが可能である。

なお本実施形態のトンネル型磁気検出素子は、ハードディスク装置のみならずＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）として用いられてもよい。

図１に示す構造のトンネル型磁気検出素子を形成した。図１に示す積層体Ｔ１の基本膜構成は、下から、
下地層：Ｔａ（８０）／シード層：ＮｉＦｅＣｒ（５０）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（７０）／固定磁性層［第１固定磁性層：Ｃｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（１４）／非磁性中間層：Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層：Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ／絶縁障壁層：Ｔｉ−Ｏ（１４）／フリー磁性層［Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（１０）／Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（４０）］／保護層：Ｔａ（２００）
なお括弧内の数値は膜厚を示しており、単位はÅである。上記のように前記第２固定磁性層を、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘで、前記フリー磁性層を構成するエンハンス層をＣｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙで形成した。Ｆｅ組成比ｘ、ｙの単位はａｔ％である。
なお前記絶縁障壁層はＴｉ層を形成した後、前記Ｔｉ層を酸化して形成した。

実験では、下記に示す構成Ａ，構成Ｂあるいは構成Ｃの夫々に基づいて前記第２固定磁性層のＦｅ組成比ｘ及びエンハンス層のＦｅ組成比ｙを種々変化させたトンネル型磁気検出素子を形成した。

（構成Ａ）
第２固定磁性層をＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}で統一し、前記エンハンス層のＣｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙのＦｅ組成比ｙを０〜１００ａｔ％まで１０ａｔ％刻みで形成した各トンネル型磁気検出素子を形成した。

（構成Ｂ）
エンハンス層をＣｏ_{５０ａｔ％}Ｆｅ_{５０ａｔ％}で統一し、第２固定磁性層のＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘのＦｅ組成比ｘを０ａｔ％、１０ａｔ％、３０ａｔ％、及び５０ａｔ％とした各トンネル型磁気検出素子を形成した。

（構成Ｃ）
エンハンス層をＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}で統一し、第２固定磁性層のＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘのＦｅ組成比ｘを２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％、５０ａｔ％および６０ａｔ％とした各トンネル型磁気検出素子を形成した。

そして上記により形成された各トンネル型磁気検出素子のＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を求めるとともに、前記第２固定磁性層と前記エンハンス層の結晶構造を調べた。その結果を図６に示す。

図６に示すように、グループＡに含まれるトンネル型磁気検出素子は、第２固定磁性層（絶縁障壁層の下に設けられる磁性層）が面心立方構造（ｆｃｃ）で、エンハンス層（絶縁障壁層の上に設けられる磁性層）が体心立方構造（ｂｃｃ）となっている。グループＢに含まれるトンネル型磁気検出素子は、第２固定磁性層（絶縁障壁層の下に設けられる磁性層）が体心立方構造（ｂｃｃ）で、エンハンス層（絶縁障壁層の上に設けられる磁性層）が体心立方構造（ｂｃｃ）となっている。グループＣに含まれるトンネル型磁気検出素子は、第２固定磁性層（絶縁障壁層の下に設けられる磁性層）が体心立方構造（ｂｃｃ）で、エンハンス層（絶縁障壁層の上に設けられる磁性層）が面心立方構造（ｆｃｃ）となっている。グループＤに含まれるトンネル型磁気検出素子は、第２固定磁性層（絶縁障壁層の下に設けられる磁性層）が面心立方構造（ｆｃｃ）で、エンハンス層（絶縁障壁層の上に設けられる磁性層）が面心立方構造（ｆｃｃ）となっている。

図６に示すように、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできるグループはグループＡであることがわかった。すなわち、第２固定磁性層（絶縁障壁層の下に設けられる磁性層）を面心立方構造（ｆｃｃ）で、エンハンス層（絶縁障壁層の上に設けられる磁性層）を体心立方構造（ｂｃｃ）とすれば、より効果的に、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできることがわかった。

図６に示す実験から、前記絶縁障壁層上に形成されるエンハンス層をＣｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙで形成するとき、Ｆｅ組成比ｙを３０ａｔ％〜１００ａｔ％の範囲内とすれば前記エンハンス層を体心立方構造で形成できることがわかった。

また前記絶縁障壁層下に形成される第２固定磁性層をＣｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘで形成するとき、Ｆｅ組成比ｘを０ａｔ％〜２０ａｔ％で形成すれば、前記第２固定磁性層を面心立方構造で形成出来ることがわかった。

ところでグループＡのようにエンハンス層及び第２固定磁性層の結晶構造を適正化することで、ＲＡを小さく且つ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできるのは、絶縁障壁層下に形成される第２固定磁性層は、最稠密面である面心立方構造の｛１１１｝面が膜面と平行な方向に優先配向されているため、前記第２固定磁性層は前記絶縁障壁層の形成過程で行われる酸化の影響を受けにくいこと、前記エンハンス層を体心立方構造で形成すると、スピン分極率を大きくできるとともに、エンハンス層は体心立方構造における最稠密面である｛１１０｝面が優先配向していることにより、絶縁障壁層からエンハンス層への酸素等の拡散侵入を抑制し、前記エンハンス層のスピン分極率の劣化を抑制すること、酸化チタンで形成された絶縁障壁層はルチル型構造を有するため、前記絶縁障壁層と前記エンハンス層との界面での格子整合性は向上し、前記エンハンス層の結晶性を良好な状態に出来ること等が挙げられる。

次に、前記絶縁障壁層上に形成されるエンハンス層をＣｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙで形成したときのより好ましいＦｅ組成比ｙを導き出すべく、上記構成Ａで形成されたトンネル型磁気検出素子を使用して、各トンネル型磁気検出素子のＦｅ組成比ｙと、ＲＡとの関係、及び、Ｆｅ組成比ｙと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係について調べた。その結果を図７及び図８に示す。

図７に示すように、Ｆｅ組成比ｙが２０ａｔ％程度となるとＲＡは最大となり、前記Ｆｅ組成比ｙを２０ａｔ％よりも大きくするほど、ＲＡは小さくなることがわかった。

また図８に示すようにＦｅ組成比ｙが大きくなるほど、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は大きくなることがわかった。

図７，図８から、Ｆｅ組成比ｙのより好ましい範囲を５０ａｔ％〜１００ａｔ％、さらに好ましい範囲を７０ａｔ％〜１００ａｔ％の範囲と設定した。

次に、上記した基本膜構成において、第２固定磁性層をＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}、エンハンス層をＣｏ_５０ａｔ％Ｆｅ_{５０ａｔ％}としたトンネル型磁気検出素子を形成し、このトンネル型磁気検出素子を膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した。そのＴＥＭ写真（実施例）を図９に示す。

また、上記した基本膜構成において、第２固定磁性層及びエンハンス層を共にＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}としたトンネル型磁気検出素子を形成し、このトンネル型磁気検出素子を膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した。そのＴＥＭ写真（比較例）を図１０に示す。

図９及び図１０では、点線で囲んだ箇所を拡大して示している。図９では拡大写真が４箇所、図１０では拡大写真が１箇所である。写真に白く写っている部分がＴｉ−Ｏで形成された絶縁障壁層であり、前記絶縁障壁層の上下において前記絶縁障壁層よりも色濃い部分が、第２固定磁性層及びエンハンス層である（図９の右下の拡大写真に、各層が表記されている）。

図９の実施例は、図１０の比較例に比べて、前記第２固定磁性層及びエンハンス層の部分では膜面と平行な方向に格子縞がはっきり見えることがわかった。また絶縁障壁層の部分では、格子縞が見える箇所とぼやけている箇所があり結晶構造と非晶質構造との混相であると考えられる。

一方、図１０の比較例では、前記絶縁障壁層と第２固定磁性層及びエンハンス層との界面付近がぼやける箇所が多く見られ、これは、前記絶縁障壁層と前記第２固定磁性層及びエンハンス層との間で元素拡散が大きく、あるいは、界面での格子整合性が弱く適切に結晶成長していないためであると考えられる。また図１０の比較例では、図９の実施例に比べて、第２固定磁性層及びエンハンス層において格子縞が見える部分でも、前記格子縞が斜め方向に走っている箇所が多く、図９の実施例のように膜面と平行な方向に見える格子縞が少なかった。

このように実施例では、前記第２固定磁性層及びエンハンス層の部分で膜面と平行な方向に格子縞がはっきり見え、前記第２固定磁性層及びエンハンス層が、良好な結晶状態を保っていることがわかった。

次に上記の基本膜構成を有するトンネル型磁気検出素子を用い、フリー磁性層の構成を以下の構成とした各トンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）と、各トンネル型磁気検出素子のフリー磁性層の磁歪とを求めた。

前記フリー磁性層の構成を、エンハンス層：Ｃｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}／軟磁性層：Ｎｉ_{８１．５ａｔ％}Ｆｅ_{１８．５ａｔ％}（比較例１）、エンハンス層：Ｃｏ_５０ａｔ％Ｆｅ_{５０ａｔ％}／軟磁性層：Ｎｉ_{８１．５ａｔ％}Ｆｅ_{１８．５ａｔ％}（実施例１）、エンハンス層：Ｃｏ_{５０ａｔ％}Ｆｅ_{５０ａｔ％}／軟磁性層：Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（実施例２）とした。

比較例１では、前記エンハンス層（絶縁障壁層の上に形成される磁性層）と第２固定磁性層（絶縁障壁層の下に形成される磁性層）のＦｅ組成比が同じとなっている。前記エンハンス層と前記第２固定磁性層は共に面心立方構造となっている。

一方、実施例１，実施例２はいずれも前記エンハンス層（絶縁障壁層の上に形成される磁性層）のほうが、第２固定磁性層（絶縁障壁層の下に形成される磁性層）に比べてＦｅ組成比が大きくなっている。実施例１，２ではいずれも前記エンハンス層が体心立方構造であり、第２固定磁性層が面心立方構造である。また実施例２のほうが、実施例１よりも軟磁性層のＮｉ組成比を大きくしている。

図１１に示すように、実施例１，２のほうが、比較例１に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きくなることがわかった。

一方、図１２に示すように、フリー磁性層の磁歪は、比較例１と実施例２とが小さいのに対し、実施例１では大きくなることがわかった。

前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きく、且つ、フリー磁性層の磁歪を小さくするには、実施例２に示すように、軟磁性層の組成を調整する必要があることがわかった。ＣｏＦｅ合金においてＦｅ組成比を大きくしていくとＣｏＦｅ合金は大きな正磁歪となる。本実施例でのエンハンス層は大きな正磁歪を有する。このため、実施例２のように軟磁性層をＮｉＦｅ合金で形成した場合にＮｉ組成比を大きくして前記軟磁性層を負磁歪とすることで、前記フリー磁性層の磁歪の絶対値を小さくできることがわかった。具体的にはＮｉ組成比を８１．５ａｔ％より大きく１００ａｔ％以下の範囲内にすれば、前記軟磁性層を適切に負磁歪にでき、前記フリー磁性層の磁歪の絶対値を適切に小さくできる。

なお、上記のフリー磁性層の磁歪実験では、前記フリー磁性層を絶縁障壁層の上に設けた構成としている。前記絶縁障壁層の下にフリー磁性層を設ける場合は、そもそも、前記フリー磁性層を構成する前記エンハンス層のＦｅ組成比を面心立方構造にすべく従来と同様に小さくするので、特に軟磁性層の組成変更によって前記フリー磁性層の磁歪調整を行う必要性はない。

本実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子を備えた再生ヘッドを記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図、 図１とは異なる実施形態のトンネル型磁気検出素子を備えた再生ヘッドを記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図、 面心立方構造の｛１１１｝面を平面から見た模式図、 酸化チタンの結晶構造を示す模式図、 体心立方構造の｛１１０｝面を平面から見た模式図、 エンハンス層又は第２固定磁性層のＦｅ組成比が異なる複数のトンネル型磁気検出素子のＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を、特に結晶構造別にグループ分けして示すグラフ、 絶縁障壁層上に形成されるエンハンス層のＦｅ組成比ｙとＲＡとをの関係を示すグラフ、 絶縁障壁層上に形成されるエンハンス層のＦｅ組成比ｙと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、 第２固定磁性層をＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}、エンハンス層をＣｏ_５０ａｔ％Ｆｅ_{５０ａｔ％}としたトンネル型磁気検出素子を形成し、このトンネル型磁気検出素子を膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した写真（実施例）、 第２固定磁性層及びエンハンス層を共にＣｏ_{９０ａｔ％}Ｆｅ_{１０ａｔ％}としたトンネル型磁気検出素子を形成し、このトンネル型磁気検出素子を膜厚方向と平行な方向から切断し、その切断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観測した写真（比較例）、 絶縁障壁層の上に形成されるエンハンス層のＦｅ組成比のほうが、前記絶縁障壁層の下に形成される第２固定磁性層のＦｅ組成比よりも大きい実施例１、実施例２（ただし実施例１と実施例２とでは、軟磁性層のＮｉ組成比が異なる）及び、前記エンハンス層のＦｅ組成比と前記第２固定磁性層のＦｅ組成比とが同じ比較例１の各トンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示すグラフ、 実施例１，実施例２及び比較例１のフリー磁性層の磁歪の大きさを示すグラフ、

符号の説明

３、３０、３６ 反強磁性層
４、３１、３５ 固定磁性層
４ａ、３１ａ、３５ａ 第１固定磁性層
４ｂ、３１ｂ、３５ｂ 非磁性中間層
４ｃ、３１ｃ、３５ｃ 第２固定磁性層
５、３２、３４ 絶縁障壁層
６、３３ フリー磁性層
７、３７ 保護層

Claims (14)

1. 下から下側磁性層、絶縁障壁層、上側磁性層の順に積層され、一方の前記磁性層は、磁化が固定される固定磁性層の全部あるいは一部を成し、他方の前記磁性層は、磁化が外部磁界により変動するフリー磁性層の全部あるいは一部を成し、
   少なくとも前記下側磁性層の一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成され、
   少なくとも前記絶縁障壁層の一部は、非晶質構造、体心立方構造、体心正方構造、又は、ルチル型構造のうち１種又は２種以上の混合状態で形成され、
   少なくとも前記上側磁性層の一部は、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成されることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
2. 少なくとも前記絶縁障壁層の一部は、ルチル型構造で形成される請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
3. 前記絶縁障壁層は、酸化チタンで形成される請求項１又は２記載のトンネル型磁気検出素子。
4. 前記下側磁性層は、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただし、Ｆｅの組成比ｘは、０ａｔ％以上で２０ａｔ％以下の範囲内）で形成される請求項１ないし３のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
5. 前記上側磁性層は、Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（ただしＦｅの組成比ｙは、３０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２Ｃｒ_０．６Ｆｅ_０．４Ａｌで形成される請求項１ないし４のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
6. 前記絶縁障壁層下に前記固定磁性層が形成され、前記固定磁性層は、下から第１固定磁性層、非磁性中間層、及び第２固定磁性層の順に積層された積層フェリ構造で、前記第２固定磁性層が前記絶縁障壁層の下面に接して形成され、
   前記絶縁障壁層上に前記フリー磁性層が形成され、前記フリー磁性層は、前記絶縁障壁層の上面に接して形成されるエンハンス層と、前記エンハンス層上に形成される軟磁性層の積層構造で形成され、
   前記第２固定磁性層の少なくとも一部が前記下側磁性層で形成され、前記エンハンス層の少なくとも一部が前記上側磁性層で形成される請求項１ないし５のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
7. 前記軟磁性層は、前記上側磁性層の磁歪と逆符号の磁歪の磁歪調整領域を有する請求項６記載のトンネル型磁気検出素子。
8. 前記上側磁性層はＣｏＦｅ合金で形成され、前記磁歪調整領域は、Ｎｉ_ｚＦｅ_{１００−ｚ}で形成され、Ｎｉの組成比ｚは、８１．５ａｔ％より大きく１００ａｔ％以下で形成される請求項７記載のトンネル型磁気検出素子。
9. 前記絶縁障壁層の下に前記フリー磁性層が形成され、前記フリー磁性層は、下から、軟磁性層、エンハンス層の順で積層され、前記エンハンス層が前記絶縁障壁層の下面に接して形成され、
   前記絶縁障壁層の上に前記固定磁性層が形成され、前記固定磁性層は、下から前記絶縁障壁層の上面に接する第２固定磁性層、非磁性中間層、及び第１固定磁性層の順に積層された積層フェリ構造で形成され、
   前記エンハンス層の少なくとも一部が、前記下側磁性層で形成され、前記第２固定磁性層の少なくとも一部が前記上側磁性層で形成される請求項１ないし５のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
10. 以下の工程を有することを特徴とするトンネル型磁気検出素子の製造方法。
    （ａ） 下側磁性層を形成し、このとき、少なくとも前記下側磁性層の一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向する面心立方構造で形成する工程、
    （ｂ） 前記下側磁性層上に、少なくとも一部が、非晶質構造、体心立方構造、体心正方構造、又は、ルチル型構造のうち１種又は２種以上の混合状態で形成された絶縁障壁層を形成する工程、
    （ｃ） 前記絶縁障壁層上に上側磁性層を形成し、このとき、少なくとも前記上側磁性層の一部を、膜面と平行な方向に代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向する体心立方構造で形成する工程、
11. 前記（ｂ）工程において、前記下側磁性層上に、金属層又は半導体層を形成し、前記金属層又は前記半導体層を酸化して酸化絶縁物から成る絶縁障壁層を形成する請求項１０記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
12. 前記（ｂ）工程において、前記下側磁性層上に、チタン層を形成し、前記チタン層を酸化して酸化チタンから成る前記絶縁障壁層を形成する請求項１１記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
13. 前記（ａ）工程において、前記下側磁性層を、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただし、Ｆｅの組成比ｘは、０ａｔ％以上で２０ａｔ％以下の範囲内）で形成する請求項１０ないし１２のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
14. 前記（ｃ）工程において、前記上側磁性層を、Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（ただしＦｅの組成比ｙは、３０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２Ｃｒ_０．６Ｆｅ_０．４Ａｌで形成する請求項１０ないし１３のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。

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