JP2008047757A

JP2008047757A - Tmr element

Info

Publication number: JP2008047757A
Application number: JP2006223127A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tamanoi; 健玉野井; Tsutomu Tanaka; 努田中
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2008-02-28

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a TMR element wherein an electric noise generating in the TMR element is suppressed by simplily changing its structure. <P>SOLUTION: The TMR element contains a laminate structure composed of at least a pin layer 2, a barrier layer 3, a metal oxide buffer layer 4, and a free layer 5, and basically the buffer layer 4 has a substrate which is composed of a material which is easy to oxidize, as compared with a material constituting the free layer 5. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気ノイズを低減したトンネル磁気抵抗素子、即ち、ＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子に関する。 The present invention relates to a tunnel magnetoresistive element with reduced electrical noise, that is, a TMR (tunneling magnetoresistive) element.

これまで、磁気ディスクの高密度化にともない、再生用ヘッドの開発は、ＭＲ（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッド、ＧＭＲ（ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッド、ＴＭＲヘッドへと推移してきた。 Up to now, with the increase in the density of magnetic disks, the development of reproducing heads has shifted to MR (magnetoresistive) heads, GMR (giant magnetoresistive) heads, and TMR heads.

ＴＭＲヘッドで用いられる素子は、強磁性層間に絶縁層を介在させてあり、その絶縁層を通過したトンネル電流を利用する点で他のヘッドとは異なっている。 The element used in the TMR head is different from the other heads in that an insulating layer is interposed between the ferromagnetic layers and a tunnel current passing through the insulating layer is used.

ＴＭＲヘッド用再生素子に於ける主要層構成は、磁化反転層（フリー層）/ 絶縁層（バリア層）/ 固定磁化層（ピン層）から成っている。 The main layer structure in the reproducing element for a TMR head is composed of a magnetization inversion layer (free layer) / an insulating layer (barrier layer) / a fixed magnetization layer (pinned layer).

ＴＭＲヘッドは、従来のヘッドとは異なり、強磁性層間にバリア層を介在させた構成になっていることから、これまでのヘッドでは観測されなかった新たなノイズが発生している。 Unlike conventional heads, TMR heads have a configuration in which a barrier layer is interposed between ferromagnetic layers, and thus new noise that has not been observed in conventional heads is generated.

ＴＭＲヘッドに於いて観測されるノイズとしては、電子の熱運動に起因するジョンソンノイズ、電子が障壁をトンネルすることに起因して発生するショットノイズ、素子の磁性膜に起因して発生するノイズ（ランダムテレグラフノイズ、或いは、バルクハウゼンノイズ）などが知られている。 Noise observed in the TMR head includes Johnson noise caused by electron thermal motion, shot noise caused by electrons tunneling through a barrier, and noise caused by magnetic films of elements ( Random telegraph noise or Barkhausen noise) is known.

これらのうちで支配的な磁気ノイズについては、原因が明確である為、容易に対策を施すことが可能であり、具体的には、外部磁場を加えて強制的に磁化状態を固定した場合、磁気ノイズは観測されない。 Among these, the dominant magnetic noise can be easily taken because the cause is clear. Specifically, when an external magnetic field is applied and the magnetization state is forcibly fixed, Magnetic noise is not observed.

然しながら、ＴＭＲヘッドでは、外部磁場を加えて磁化を安定させた状態にした場合に於いても観測される磁気ノイズが存在するので、このノイズについては、磁気ノイズとは別に発生要因があると考えられた。 However, in the TMR head, there is a magnetic noise that is observed even when the magnetization is stabilized by applying an external magnetic field. It was.

そして、種々と研究された結果、このノイズは、絶縁層を通過したトンネル電流の揺らぎに起因するノイズであると推定され、電気ノイズ、と呼んでいる。 As a result of various studies, this noise is estimated to be noise caused by fluctuations in the tunnel current that has passed through the insulating layer, and is called electrical noise.

この電気ノイズの大きさは、磁気ノイズと同程度であり、発生頻度は間欠的に生じる場合が多く、例えば約１５ｃｍ（６インチ）のウエーハにＴＭＲ素子を作製した場合、その約４％に電気ノイズの発生が見られた。 The magnitude of this electrical noise is similar to that of magnetic noise, and the frequency of occurrence is often intermittent. For example, when a TMR element is fabricated on a wafer of about 15 cm (6 inches), about 4% of the electrical noise is produced. Generation of noise was observed.

ＴＭＲヘッドに電気ノイズが発生する場合、ＴＭＲヘッドのドライブ評価時にエラーとして検出されるので、製品歩留まりの低下に直接的に影響を及ぼすことになる。 When electrical noise is generated in the TMR head, it is detected as an error when evaluating the drive of the TMR head, which directly affects the reduction in product yield.

ところで、本発明に於いては、ＴＭＲ素子に於ける電気ノイズの発生を確認する為、非弾性電子トンネル分光法（ｉｎｅｌａｓｔｉｃ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＩＥＴＳ）を用いるのであるが、このＩＥＴＳに依って、酸化アルミニウム膜、酸化マグネシウム膜をバリア層としたトンネル接合膜の特性を測定することは従来から行われていて公知である（例えば、非特許文献１乃至非特許文献５を参照。）。 In the present invention, inelastic-electron-tunneling spectroscopy (IETS) is used to confirm the generation of electrical noise in the TMR element. In addition, measuring the characteristics of a tunnel junction film using an aluminum oxide film or a magnesium oxide film as a barrier layer has been conventionally performed (see, for example, Non-Patent Document 1 to Non-Patent Document 5).

このＩＥＴＳに依る測定は、電流の電圧に対する２次微分値の変化を厳密に観測し、トンネル電子の非弾性散乱が存在する場合にピークとして観測する方法であり、非特許文献１及び非特許文献２に於いては、零ｍＶ付近〜１２０ｍＶ付近に現れるピークについて検討され、非特許文献３に於いては、±２０ｍＶ付近に現れるピークの起源について検討され、非特許文献４に於いては、磁性複合酸化物で観測されるピークについてデータを開示し、非特許文献５に於いては、ＭｇＯバリア層を用いたトンネル接合膜に対し、磁化状態を変えて観測されるピークについて検討している。 This measurement based on IETS is a method of observing the change of the second derivative with respect to the voltage of the current strictly, and observing it as a peak when inelastic scattering of tunnel electrons exists. In No. 2, the peak appearing near zero mV to 120 mV is examined. In Non-Patent Document 3, the origin of the peak appearing in the vicinity of ± 20 mV is examined. Data is disclosed about the peak observed in the complex oxide, and Non-Patent Document 5 examines the peak observed by changing the magnetization state of the tunnel junction film using the MgO barrier layer.

然しながら、何れの先行技術文献に於いても、ＩＥＴＳ特性のピークについて、種々と検討はしているものの、ＴＭＲ素子に発生する電気ノイズを抑止する為の技術開示、或いは、その為の指針などについて開示するところはない。
村井、安藤、手束、宮崎、「日本応用磁気学会誌」、２２，５７３（１９９８）．村井、安藤、上条、大坊、久保田、宮崎「日本応用磁気学会誌」２４，５４（２０００）．Ｙ．Ａｎｄｏ，Ｍ．Ｈａｙａｓｈｉ，Ｍ．Ｏｏｇａｎｅ，Ｈ．ＫｕｂｏｔａａｎｄＴ．Ｍｉｙａｚａｋｉ：ＪＡＰ，９３，７０２３（２００３）．Ｘ．Ｆ．Ｈａｎ，Ｊ．Ｍｕｒａｉ，Ｍ．Ｈａｙａｓｈｉ，Ｎ．Ｔｅｚｕｋａ，Ｈ．Ｋｕｂｏｔａ，Ｙ．ＡｎｄｏａｎｄＴ，Ｍｉｙａｚａｋｉ：Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，２４，６０３（２０００）．Ｙ．Ａｎｄｏ，Ｔ．Ｍｉｙａｋｏｓｈｉ，Ｍ．ＯｏｇａｎｅａｎｄＴ．Ｍｉｙａｚａｋｉ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８７，１４２５０２−１（２００５）． However, in any of the prior art documents, although various investigations have been made on the peak of the IETS characteristic, technical disclosure for suppressing electrical noise generated in the TMR element, or guidelines for that purpose, etc. There is no place to disclose.
Murai, Ando, Tezuka, Miyazaki, “Journal of Applied Magnetics Society of Japan”, 22, 573 (1998). Murai, Ando, Kamijo, Daibo, Kubota, Miyazaki "Journal of Japan Society of Applied Magnetics" 24, 54 (2000). Y. Ando, M.M. Hayashi, M .; Ogane, H .; Kubota and T.K. Miyazaki: JAP, 93, 7023 (2003). X. F. Han, J .; Murai, M .; Hayashi, N .; Tezuka, H .; Kubota, Y. et al. Ando and T, Miyazaki: J. Am. Magn. Soc. Japan, 24, 603 (2000). Y. Ando, T .; Miyakoshi, M .; Ogane and T.W. Miyazaki: Appl. Phys. Lett. , 87, 142502-1 (2005).

本発明では、ＴＭＲ素子に発生する電気ノイズを簡単な構造改変を加えることで抑止できるようにする。 In the present invention, electrical noise generated in the TMR element can be suppressed by making a simple structural modification.

本発明に依るＴＭＲ素子に於いては、少なくともピン層／バリア層／金属層／フリー層からなる積層構成を含むＴＭＲ素子に於いて、前記金属層がフリー層を構成する材料に比較して酸化され易い材料で構成されてなることが基本になっている。 In the TMR element according to the present invention, in the TMR element including the laminated structure composed of at least the pinned layer / barrier layer / metal layer / free layer, the metal layer is oxidized as compared with the material constituting the free layer. Basically, it is made of a material that is easily processed.

前記手段を採ることに依り、フリー層が酸化されて磁性金属酸化物を生成することは皆無となり、その結果、電気ノイズの発生は著しく低減され、ウェーハ上に於ける素子歩留りは、現時点で約４％の改善が実現され、ＴＭＲ素子の信頼性は向上した。 By adopting the above measures, the free layer is not oxidized to produce a magnetic metal oxide, and as a result, the generation of electrical noise is remarkably reduced, and the device yield on the wafer is currently about An improvement of 4% was realized and the reliability of the TMR element was improved.

本発明者等は、ＴＭＲ素子に電気ノイズが発生する原因は、絶縁層に電子がトラップされるような欠陥あるいは不純物が存在するためではないかとの考えに基づき、積層に於ける界面情報について敏感に反映する測定方法、即ち、ＩＥＴＳを用いて調査したところ、電気ノイズが存在するＴＭＲ素子では、フリー層とバリア層との界面に磁性金属酸化物が不純物として存在することを確認した。 The inventors of the present invention are sensitive to the interface information in the stack based on the idea that the cause of the electrical noise in the TMR element is that there are defects or impurities that trap electrons in the insulating layer. As a result of investigation using IETS, it was confirmed that the magnetic metal oxide exists as an impurity at the interface between the free layer and the barrier layer.

そこで、この磁性金属酸化物が形成されないように、磁化反転層（フリー層）/ 絶縁層（バリア層）/ 固定磁化層（ピン層）から構成される従来のＴＭＲ素子に於けるフリー層とバリア層界面にフリー層材料に比較して酸化されやすい金属層を設けた。即ち、表面側からフリー層/ 金属層/ バリア層/ ピン層という構成にした。 Therefore, in order to prevent the formation of this magnetic metal oxide, the free layer and the barrier in the conventional TMR element composed of the magnetization reversal layer (free layer) / insulating layer (barrier layer) / fixed magnetization layer (pinned layer). A metal layer that is more easily oxidized than the free layer material was provided at the layer interface. In other words, the free layer / metal layer / barrier layer / pinned layer are arranged from the surface side.

一般に、ＴＭＲ素子を作製する場合、ピン層側から順に積層するが、バリア層を形成するには、バリア層となるべき金属材料層を成膜した後、酸化工程を経て金属材料層を酸化して酸化物にするか、或いは、酸化物原料をＲＦスパッタリングすることで直接成膜している。 In general, when a TMR element is manufactured, layers are stacked in order from the pinned layer side. To form a barrier layer, after forming a metal material layer to be a barrier layer, the metal material layer is oxidized through an oxidation step. The oxide film is formed directly, or the oxide material is directly formed by RF sputtering.

上記のようにして形成したバリア層には酸素が残留し、フリー層の磁性金属材料を酸化させるので、そのようなことが起こらないようにする為、バリア層形成後、フリー層の磁性金属材料よりも酸化されやすい金属層を介挿し、この金属層が残留酸素を吸着するバッファ層としての役割を果たすようにする。 Since oxygen remains in the barrier layer formed as described above and oxidizes the magnetic metal material of the free layer, in order to prevent this from happening, the magnetic metal material of the free layer is formed after the barrier layer is formed. A metal layer that is more easily oxidized is interposed, and this metal layer serves as a buffer layer that adsorbs residual oxygen.

このようにすることで、フリー層を構成する材料が酸化されることは無くなり、磁性金属酸化物の不純物が生成されることは抑止される。その結果、従来の技術に依るＴＭＲ素子に見られるように、伝導電子をトラップし、トンネル電流の揺らぎに影響を与える不純物は存在せず、従って、電気ノイズは発生しない。 By doing in this way, the material which comprises a free layer will not be oxidized, and it will suppress that the impurity of a magnetic metal oxide is produced | generated. As a result, as seen in TMR devices according to the prior art, there are no impurities that trap conduction electrons and affect the fluctuation of the tunnel current, and therefore no electrical noise is generated.

ここで、フリー層を構成する磁性金属材料に比較して酸化され易い金属を選択する場合の目安としては、金属のイオン化傾向を考慮して決めれば良い。即ち、Ｌｉ＞Ｒｂ＞Ｋ＞Ｂａ＞Ｓｒ＞Ｃａ＞Ｎａ＞Ｍｇ＞Ｂｅ＞Ａｌ＞Ｔｉ＞Ｚｒ＞Ｍｎ＞Ｚｎ＞Ｃｒ＞Ｆｅ＞Ｃｄ＞Ｃｏ＞Ｎｉ＞Ｓｎ＞Ｐｂ＞Ｈ＞Ｓｂ＞Ｂｉ＞Ｃｕ＞Ｈｇ＞Ａｇ＞Ｐｄ＞Ｐｔ＞Ａｕの順でイオン化されやすい。 Here, as a guideline for selecting a metal that is more easily oxidized than the magnetic metal material constituting the free layer, it may be determined in consideration of the ionization tendency of the metal. That is, Li> Rb> K> Ba> Sr> Ca> Na> Mg> Be> Al> Ti> Zr> Mn> Zn> Cr> Fe> Cd> Co> Ni> Sn> Pb> H> Sb> Bi> It is easy to be ionized in the order of Cu> Hg> Ag> Pd> Pt> Au.

従って、フリー層にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの磁性金属を用いた場合には、これよりもイオン化傾向が大きいＭｇ、Ａｌ、Ｔｉなどの非磁性金属をバッファ層として用いればよいことになる。これらの非磁性金属は、バリア層材料としても実績があるため、金属酸化物層として存在していてもＴＭＲ比などの性能に影響することはない。 Therefore, when a magnetic metal such as Fe, Co, or Ni is used for the free layer, a nonmagnetic metal such as Mg, Al, or Ti that has a higher ionization tendency than that may be used as the buffer layer. Since these nonmagnetic metals have a track record as a barrier layer material, even if they exist as a metal oxide layer, they do not affect the performance such as the TMR ratio.

上記したように、本発明では、ＴＭＲ素子に於いて、磁性金属酸化物が生成されない層構成にしたことで、電気ノイズの発生を抑制できた。 As described above, in the present invention, in the TMR element, the generation of electric noise can be suppressed by adopting a layer configuration in which no magnetic metal oxide is generated.

〔実験例の説明〕
本発明者らは、先ず、電気ノイズがあるＴＭＲ素子と電気ノイズがないＴＭＲ素子とを選別して、それぞれについてＩＥＴＳ測定を行った。 [Explanation of experimental examples]
The inventors first selected a TMR element having electrical noise and a TMR element having no electrical noise, and performed IETS measurement for each.

図３は実験に用いたＴＭＲ素子の層構成を表す要部切断側面説明図であり、この層構成は、厚さ１００ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層１／厚さ１８ｎｍのＣｏＦｅからなるピン層２／ＡｌＯからなるバリア層３／厚さ厚さ１０ｎｍのＣｏＦｅからなるフリー層５で構成した。この場合の抵抗率Ｒ×Ａは４〜４．５〔Ωμｍ²〕であった。 FIG. 3 is an explanatory side view of the principal part showing the layer structure of the TMR element used in the experiment. This layer structure includes an antiferromagnetic layer made of IrMn having a thickness of 100 nm / a pinned layer made of CoFe having a thickness of 18 nm. 2 / barrier layer 3 made of AlO / free layer 5 made of CoFe having a thickness of 10 nm. The resistivity R × A in this case was 4 to 4.5 [Ωμm ² ].

電気ノイズの有無については、抵抗（Ｒ）の値を長時間に亙って測定して、０．５秒で±1 Ω以上の変化が３０分以内に１回以上あったものを「電気ノイズあり」と判断することにした。 As for the presence or absence of electrical noise, measure the resistance (R) value over a long period of time, and if there is a change of ± 1 Ω or more in 0.5 seconds at least once within 30 minutes, “Electric noise” It was decided that “Yes”.

図４（Ａ）及び（Ｂ）は電気ノイズが存在しないＴＭＲ素子と電気ノイズが存在するＴＭＲ素子に於けるデータを表す線図であり、縦軸にはＲ〔Ω〕を、そして、横軸には時間〔分〕をそれぞれ採ってある。 4A and 4B are diagrams showing data in a TMR element in which no electrical noise is present and a TMR element in which electrical noise is present. The vertical axis represents R [Ω] and the horizontal axis. Each time is taken in minutes.

図４のデータを得た測定中には、ＴＭＲ素子に外部磁場５ｋＯｅを印加し、フリー層５とピン層２の磁化方向を平行状態に固定し、磁気に起因したノイズが重畳しない状態にして測定した。 During the measurement of obtaining the data of FIG. 4, an external magnetic field of 5 kOe is applied to the TMR element, the magnetization directions of the free layer 5 and the pinned layer 2 are fixed in a parallel state, and noise caused by magnetism is not superimposed. It was measured.

図５（Ａ）及び（Ｂ）はＴＭＲ素子に対するＩＥＴＳ特性の結果を表す線図であり、縦軸には二次微分抵抗の値を、そして、横軸には電圧をそれぞれ採ってある。 FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the results of IETS characteristics for the TMR element, with the vertical axis representing the value of the secondary differential resistance and the horizontal axis representing the voltage.

何れのＴＭＲ素子も零ｍＶ付近にピークが観測されるが、これは非特許文献１及び２に見られるところからすれば、ＣｏＦｅとして合金化されずに単独で残ったＣｏ或いはＦｅに起因するピークと判断される。 In any TMR element, a peak is observed in the vicinity of zero mV. From the viewpoint of non-patent documents 1 and 2, this is a peak attributed to Co or Fe remaining alone without being alloyed as CoFe. It is judged.

この磁性金属の存在は、何れの試料にも見られるところから、電気ノイズには関与していないものと判断される。そして、±２０ｍＶ付近では、何れの試料にもピークが観測されているが、非特許文献３からすれば、フリー層５及びピン層２を構成している磁性層のマグノン非弾性励起に起因したピークと考えられる。このピークの存在も何れの試料にも見られるため電気ノイズには関係しないと考えられる。 The presence of this magnetic metal is found in any sample, and therefore is judged not to be involved in electrical noise. And, in the vicinity of ± 20 mV, a peak is observed in any sample, but according to Non-Patent Document 3, it is caused by magnon inelastic excitation of the magnetic layer constituting the free layer 5 and the pinned layer 2. It is considered a peak. The presence of this peak is also observed in any sample, so it is considered that it does not relate to electrical noise.

電気ノイズが見られる試料では、＋２０ｍＶ以外にも＋３５ｍＶにピークがあるように看取される。この付近は、アルミニウムのフォノンによるピークも考えられるが、何れの試料もアルミニウム金属を用いているにもかかわらず一方の試料のみから観測されることから別の影響である可能性がある。 In the sample in which electrical noise is seen, it can be seen that there is a peak at +35 mV in addition to +20 mV. In this vicinity, a peak due to phonon of aluminum can be considered, but although any sample uses aluminum metal, it is observed from only one sample, which may be another influence.

非特許文献４には、磁性金属酸化物によっても＋３１ｍＶ付近にピークが観測されることが記載されている。また、測定で正電圧印加は、電流をフリー層５側からピン層２側に流しているので、電子はピン層２側からフリー層５側にトンネルすることになるため、正電圧側はフリー層５とバリア層３との界面に於ける情報を反映している。即ち、＋３５ｍＶ付近に見られるピークは、フリー層５とバリア層３との界面に存在する磁性金属酸化物による可能性がある。 Non-Patent Document 4 describes that a peak is observed in the vicinity of +31 mV even with a magnetic metal oxide. In addition, in the measurement, when a positive voltage is applied, current flows from the free layer 5 side to the pinned layer 2 side, so electrons tunnel from the pinned layer 2 side to the free layer 5 side, so the positive voltage side is free. Information at the interface between the layer 5 and the barrier layer 3 is reflected. That is, the peak seen near +35 mV may be due to the magnetic metal oxide present at the interface between the free layer 5 and the barrier layer 3.

図６はフリー層とバリア層との界面に存在する磁性金属酸化物を模式的に示したＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図であり、図３に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。尚、６は電気ノイズ発生要因不純物である磁性金属酸化物を示し、また、６Ａは酸素を、６Ｂは磁性金属をそれぞれ示している。 FIG. 6 is an explanatory side view of the main part of the TMR element schematically showing the magnetic metal oxide present at the interface between the free layer and the barrier layer, and is indicated by the same symbols as those used in FIG. These parts shall represent the same or equivalent parts. Reference numeral 6 denotes a magnetic metal oxide which is an electrical noise generating impurity, 6A denotes oxygen, and 6B denotes a magnetic metal.

本発明者等は、前記検討結果を踏まえ、フリー層５とバリア層３との界面に酸化されやすい金属層を設けたＴＭＲ素子を作製し、ＩＥＴＳ特性を測定したところ、極めて良好な結果を得ることができた。 Based on the above examination results, the present inventors produced a TMR element provided with a metal layer that is easily oxidized at the interface between the free layer 5 and the barrier layer 3 and measured IETS characteristics, and obtained extremely good results. I was able to.

図１は本発明のＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図であり、図３に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。 FIG. 1 is an explanatory side view of a principal part showing a TMR element according to the present invention, and parts designated by the same symbols as those used in FIG. 3 represent identical or equivalent parts.

図１に於いて、４はバリア層３とフリー層５との間に介在する金属酸化物バッファ層であって、本発明に於いて新たに導入したものであり、このバッファ層４としては、フリー層５を構成する金属材料に比較して酸化されやすい金属材料を基材として選択する。具体的には、Ｆｅよりもイオン化傾向が大きい非磁性のＭｇ金属を用いている。 In FIG. 1, reference numeral 4 denotes a metal oxide buffer layer interposed between the barrier layer 3 and the free layer 5, which is newly introduced in the present invention. A metal material that is more easily oxidized than the metal material constituting the free layer 5 is selected as the base material. Specifically, nonmagnetic Mg metal having a higher ionization tendency than Fe is used.

全体の層構成は、厚さ１００ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層１／厚さ１８ｎｍのＣｏＦｅからなるピン層２、ＡｌＯからなるバリア層３／厚さ０．６ｎｍのＭｇを基材とするバッファ層４／厚さ１０ｎｍのＣｏＦｅからなるフリー層５とした。バッファ層４としては、Ｍｇ以外にもイオン化傾向が大きい金属、例えば、ＡｌやＴｉなどの非磁性金属を用いることができる。例えば、ＭｇをＡｌに代替した場合には、バリア層３の膜厚が厚くなるだけであって他に変わるところはない。 The overall layer structure is 100 nm thick IrMn antiferromagnetic layer 1/18 nm thick CoFe pinned layer 2 AlO barrier layer 3 /0.6 nm thick Mg based buffer Layer 4 / Free layer 5 made of CoFe having a thickness of 10 nm. As the buffer layer 4, a metal having a high ionization tendency other than Mg, for example, a nonmagnetic metal such as Al or Ti can be used. For example, when Mg is replaced with Al, only the thickness of the barrier layer 3 is increased, and there is no other change.

バリア層３の酸化工程を終えた後、バッファ層４となるべき金属層を形成するに際しては、金属層の全体が残留酸素によって酸化されてしまう厚さにすることが好ましい。この際、フリー層５とバリア層３との界面に非磁性金属層が残っているとＴＭＲ比が劣化する傾向があることから、劣化が見られない厚さとして、金属層の全てが酸化されつくされてしまうように膜厚を制御すると良い。 When the metal layer to be the buffer layer 4 is formed after the oxidation process of the barrier layer 3 is finished, it is preferable that the metal layer has a thickness that is oxidized by residual oxygen. At this time, if the nonmagnetic metal layer remains at the interface between the free layer 5 and the barrier layer 3, the TMR ratio tends to be deteriorated. It is better to control the film thickness so that it is formed.

図２は本発明に依るＴＭＲ素子のＩＥＴＳ特性を表す線図であり、縦軸には二次微分抵抗の値を、そして、横軸には電圧をそれぞれ採ってある。図から明らかなように、＋３５ｍＶ付近にピークは観測されていない。そして、電気ノイズの発生を見られなかった。 FIG. 2 is a diagram showing the IETS characteristics of the TMR element according to the present invention, in which the vertical axis represents the value of the second differential resistance and the horizontal axis represents the voltage. As is clear from the figure, no peak is observed around +35 mV. And no generation of electrical noise was seen.

バリア層３の構成材料をＭｇＯにした以外は実施例１と同じ層構成のＴＭＲ素子についてＩＥＴＳ特性及び電気ノイズを測定したところ、＋３５ｍＶ付近にピークは見られず、そして、電気ノイズも観測されなかった。 The IETS characteristics and electrical noise were measured for the TMR element having the same layer configuration as in Example 1 except that the constituent material of the barrier layer 3 was MgO. No peak was observed near +35 mV, and no electrical noise was observed. It was.

前記実施例では、フリー層５とバリア層３との界面にフリー層５の磁性酸化物を形成させないことを主体として説明したが、本発明に於いては、バリア層３とピン層２との界面にピン層２の磁性酸化物を形成させないようにする場合にも実施すると好結果を得ることができる。 In the above embodiment, the description has been made mainly on the fact that the magnetic oxide of the free layer 5 is not formed at the interface between the free layer 5 and the barrier layer 3, but in the present invention, the barrier layer 3 and the pinned layer 2 Good results can be obtained when the magnetic oxide of the pinned layer 2 is not formed at the interface.

本発明のＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図である。It is principal part cutting side surface explanatory drawing showing the TMR element of this invention. 本発明に依るＴＭＲ素子のＩＥＴＳ特性を表す線図である。It is a diagram showing the IETS characteristic of the TMR element by this invention. ＴＭＲ素子の層構成を表す要部切断側面説明図である。It is principal part cutting side surface explanatory drawing showing the layer structure of a TMR element. 電気ノイズが存在しないＴＭＲ素子と電気ノイズが存在するＴＭＲ素子に於けるデータを表す線図である。It is a diagram showing the data in the TMR element in which electrical noise does not exist and the TMR element in which electrical noise exists. ＴＭＲ素子に於けるＩＥＴＳ特性の結果を表す線図である。It is a diagram showing the result of the IETS characteristic in a TMR element. フリー層とバリア層との界面に存在する磁性金属酸化物を模式的に示したＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図である。It is principal part cut | disconnection side explanatory drawing showing the TMR element which showed typically the magnetic metal oxide which exists in the interface of a free layer and a barrier layer.

Explanation of symbols

１反強磁性層
２ピン層
３バリア層
４金属酸化物バッファ層
５フリー層
６磁性金属酸化物
６Ａ酸素
６Ｂ磁性金属
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Antiferromagnetic layer 2 Pin layer 3 Barrier layer 4 Metal oxide buffer layer 5 Free layer 6 Magnetic metal oxide 6A Oxygen 6B Magnetic metal

Claims

A TMR element including a laminated structure including at least a pinned layer / barrier layer / metal oxide buffer layer / free layer,
The TMR element, wherein the metal oxide buffer layer is made of a material that is more easily oxidized than a material constituting the free layer.

2. The TMR element according to claim 1, wherein the metal oxide buffer layer is made of a nonmagnetic metal material as a base material.

3. The TMR element according to claim 1, wherein the metal oxide buffer layer is made of a nonmagnetic metal material selected from Mg, Al, and Ti as a base material.

4. The TMR element according to claim 1, wherein a metal oxide buffer layer is interposed between the pinned layer and the barrier layer. 5.