JP2010177219A - トンネル型磁気検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能なトンネル型磁気検出素子を提供することを目的としている。
【解決手段】 第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５との間に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔのうち少なくともいずれか１種で形成された金属挿入層１４が挿入されている。前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５は、磁気的に結合されて同一方向に磁化されている。前記第１軟磁性層１３と絶縁障壁層５との間にはエンハンス層１２が形成されている。これにより、絶縁障壁層５がＭｇ−Ｏで形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子において、従来に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばハードディスク装置やその他の磁気検出装置に搭載されるトンネル効果を利用した磁気検出素子に係り、特に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能なトンネル型磁気検出素子に関する。

トンネル型磁気検出素子（ＴＭＲ素子）は、トンネル効果を利用して抵抗変化するものであり、固定磁性層の磁化と、フリー磁性層の磁化とが反平行のとき、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に設けられた絶縁障壁層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、前記固定磁性層の磁化とフリー磁性層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。

この原理を利用して、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層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、記録媒体からの漏れ磁界が検出されるようになっている。
特開２００６―２６１６３７号公報

前記トンネル型磁気検出素子の絶縁障壁層にＭｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）を使用した場合、前記絶縁障壁層をＡｌ−ＯやＴｉ−Ｏで形成する場合に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きく出来ることがわかっている。

しかしながら高記録密度化に対応するためには、更なる抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大が必要とされた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能なトンネル型磁気検出素子を提供することを目的としている。

本発明のトンネル型磁気検出素子は、
下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の順に、あるいは、下から前記フリー磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記固定磁性層の順に積層された積層部分を備える積層体を有し、
前記絶縁障壁層は、Ｍｇ−Ｏで形成され、
前記フリー磁性層は、積層される複数の軟磁性層と、各軟磁性層間に介在する金属挿入層と、前記軟磁性層のうち最も前記絶縁障壁層側に設けられた第１軟磁性層と前記絶縁障壁層との間に位置して、前記軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とで構成され、
各軟磁性層間は磁気的に結合されて、全ての前記軟磁性層は同一方向に磁化されており、
前記金属挿入層は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔのうち少なくともいずれか１種で形成されることを特徴とするものである。

これにより、絶縁障壁層をＭｇ―Ｏで形成したトンネル型磁気抵抗効果素子において、従来に比べて効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。

なお本発明は、特許文献１と異なって、前記フリー磁性層を積層フェリ構造としていない。前記フリー磁性層を積層フェリ構造にすると、例えば前記フリー磁性層のトラック幅方向の両側に位置するハードバイアス層から前記フリー磁性層に流入する一方向のバイアス磁界により、非磁性中間層を介して対向する２層の磁性層における反平行の磁化状態が乱れて、バルクハウゼンノイズが発生しやすい。また、前記フリー磁性層の保磁力は出来る限り小さいことが好ましいが、前記フリー磁性層を積層フェリ構造にすると保磁力が大きくなりやすい。

本発明では、前記軟磁性層間に金属挿入層が介在するが、前記金属挿入層は、各軟磁性層間の磁気的な結合を確保し、全ての軟磁性層を同一方向に磁化できる程度に薄く形成されている。よって本発明では前記金属挿入層の介在によって各軟磁性層間の磁気的な結合は切断されず、また積層フェリ構造にはならないので、バルクハウゼンノイズを抑制でき、また保磁力を低下でき、安定した再生特性を得ることが可能である。

本発明では、前記金属挿入層の平均膜厚は、１Å以上で４Å以下であることが好ましい。各軟磁性層を適切に磁気的に結合させることができ、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を維持できると共に、バルクハウゼンノイズを適切に抑制できる等、再生特性の安定性を向上させることが可能である。

また本発明では、前記第１軟磁性層の平均膜厚は、１０Å以上で２０Å以下であることが好ましい。これにより、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。

また本発明では、前記軟磁性層はＮｉ−Ｆｅで形成され、前記エンハンス層はＣｏ−Ｆｅで形成されることが、フリー磁性層の軟磁気特性を良好に保つとともに効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができ好適である。

また本発明では、下から前記固定磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記フリー磁性層の順に積層されていることが、効果的に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得る上で好適である。

本発明のトンネル型磁気検出素子は、従来に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。

図１は、本実施形態のトンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な面にて切断した断面図、図２は、図１に示すトンネル型磁気抵抗効果素子の主にフリー磁性層の部分を拡大した部分拡大断面図、である。なお図１ではフリー磁性層が単層構造のように図示されているが、実際には図２に示す積層構造で形成されている。

トンネル型磁気検出素子は、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、磁気記録媒体からの漏れ磁界（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漏れ磁界の方向（ハイト方向）、Ｚ方向は、磁気記録媒体の移動方向及び前記トンネル型磁気検出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Ｎｉ−Ｆｅ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上に積層体１０が形成されている。なお前記トンネル型磁気検出素子は、前記積層体１０と、前記積層体１０のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に形成された絶縁層２２、ハードバイアス層２３、保護層２４とで構成される。

前記積層体１０の最下層は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の非磁性元素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、Ｎｉ−Ｆｅ−ＣｒまたはＣｒ、あるいはＲｕによって形成される。なお、前記下地層１は形成されなくともよい。

前記シード層２の上に形成された反強磁性層３は、元素Ｘ（ただしＸ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で形成されることが好ましい。

また前記反強磁性層３は、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′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てもよい。

前記反強磁性層３は例えばＩｒ−Ｍｎ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（Ｈｅｘ）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。前記固定磁性層４を積層フェリ構造で形成することにより前記固定磁性層４の磁化を安定した状態にできる。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。なお前記第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃは、夫々、例えば１０〜４０Å程度で形成され、非磁性中間層４ｂは８Å〜１０Å程度で形成される。

前記第１固定磁性層４ａは、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉなどの強磁性材料で形成される。なお前記第２固定磁性層４ｃは、第１固定磁性層４ａと同様の材質で形成することも可能であるが、より好ましい材質については後述する。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。

前記固定磁性層４上には、Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）から成る絶縁障壁層５が形成される。また、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の構成は後述する。

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等で形成された保護層７が形成されている。

前記積層体１０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１０の両側に広がる下部シールド層２１上から前記積層体１０の両側端面１１上にかけて絶縁層２２が形成され、前記絶縁層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上に保護層２４が形成されている。

前記絶縁層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はＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の絶縁材料で形成されている。前記絶縁層２２は、前記積層体１０内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記積層体１０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。前記保護層２４はＴａ等の非磁性材料で形成される。

前記積層体１０上及び保護層２４上にはＮｉ−Ｆｅ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１０に対する電極層として機能し、前記積層体１０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の磁化は固定されている（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、抵抗値は最大になる。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。

この原理を利用して、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、磁気記録媒体からの漏れ磁界が検出されるようになっている。

本実施形態におけるトンネル型磁気検出素子の特徴的部分について以下に説明する。
図２に示すように、前記フリー磁性層６は、下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、金属挿入層１４及び第２軟磁性層１５の順に積層されている。

前記エンハンス層１２は、前記第１軟磁性層１３及び前記第２軟磁性層１５よりもスピン分極率が大きい磁性材料で形成され、前記エンハンス層１２は、Ｃｏ−Ｆｅで形成されることが好適である。前記エンハンス層１２が形成されないと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きく低下することがわかっている。よって前記エンハンス層１２は必須の層である。前記エンハンス層１２を構成するＣｏ−ＦｅのＦｅ濃度を大きくことで高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。Ｃｏ−ＦｅのＦｅ濃度は２５ａｔ％〜１００ａｔ％の範囲内であることが好適である。Ｆｅ濃度はより好ましくは２５ａｔ％〜９０ａｔ％の範囲内である。

前記第１軟磁性層１３及び前記第２軟磁性層１５は、前記エンハンス層１２よりも低保磁力、低異方性磁界である等、軟磁気特性に優れた材質である。前記第１軟磁性層１３及び前記第２軟磁性層１５は、異なる軟磁性材料で形成されてもよいが、共にＮｉ−Ｆｅで形成されることが好適である。Ｎｉ−ＦｅのＦｅ濃度は１０ａｔ％〜２０ａｔ％の範囲内であることが好適である。

前記金属挿入層１４は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔのうち少なくともいずれか１種で形成される。２種以上選ばれた場合、前記金属挿入層１４は、例えば合金で形成され、あるいは、各非磁性金属材料から成る層の積層構造で形成される。また前記金属挿入層１４がＩｒ−Ｍｎで形成されるとき、Ｉｒ濃度は１５ａｔ％〜３０ａｔ％の範囲内であることが好適である。例えばＩｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}を用いる。

前記金属挿入層１４は、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間が磁気的に結合され、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５とが共に同じ方向に磁化されるように、薄い膜厚で形成される。例えば前記第１軟磁性層１３及び前記第２軟磁性層１５は共に図示Ｘ方向に磁化されている。このとき前記エンハンス層１２も図示Ｘ方向に磁化されている。

前記金属挿入層１４の平均膜厚Ｔ３は１Å以上４Å以下で形成されることが好ましい。前記金属挿入層１４の平均膜厚Ｔ３が１Åよりも薄いと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できない。また前記金属挿入層１４の平均膜厚Ｔ３が４Åよりも厚いと、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間の磁気的な結合が切断されやすくなり、バルクハウゼンノイズが発生しやすくなる等、再生特性が不安定化する。よって本実施形態では、前記金属挿入層１４の平均膜厚Ｔ３は１Å以上４Å以下であることが好適である。

上記のように前記金属挿入層１４の平均膜厚Ｔ３は非常に薄い。よって、前記金属挿入層１４は、図２のように、一定膜厚で形成されず、前記第１軟磁性層１３上に間欠的に形成されてもよい。また前記金属挿入層１４が間欠的に形成されることで、前記第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５との磁気的結合力（強磁性結合）をより強めることができる。また前記金属挿入層１４の平均膜厚Ｔ３とは、前記金属挿入層１４を、前記第１軟磁性層１３上の全域に一律の膜厚に均したときの膜厚を意味するから、前記金属挿入層１４が、前記第１軟磁性層１３上に間欠的に形成される場合、前記金属挿入層１４が、前記第１軟磁性層１３上に形成されていない箇所（ピンホール部分）も含めて「平均膜厚」は規定される。

本実施形態では、上記したように前記絶縁障壁層５はＭｇ−Ｏで形成される。Ｍｇ−Ｏは、Ｍｇ組成比が４０〜６０ａｔ％の範囲内であることが好ましく、最も好ましくはＭｇ_{５０ａｔ％}Ｏ_{５０ａｔ％}である。

そして、絶縁障壁層５をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子において、前記フリー磁性層６の絶縁障壁層５と接する側にエンハンス層１２を設け、また前記フリー磁性層６を構成する軟磁性層１３，１５間に金属挿入層１４を挿入することで、従来に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に増大させることができる。

前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が増大したのは、第１に、前記絶縁障壁層５から軟磁性層１３，１５内やエンハンス層１２内に拡散する酸素原子を前記金属挿入層１４が優先的に化学結合して、前記軟磁性層１３，１５内部やエンハンス層１２内部の酸素濃度が減少し、この結果、前記軟磁性層１３，１５やエンハンス層１２のバンド構造が適正化されてスピン分極率が向上したことが理由として考えられる。第２に、絶縁障壁層５の界面に印加される応力や格子歪みが変化して絶縁障壁層５の界面でのスピン分極率が向上したことが理由として考えられる。

また、絶縁障壁層５をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子では、第２固定磁性層４ｃ／絶縁障壁層５／エンハンス層１２が、膜面（Ｘ−Ｙ平面）と平行な面方向に、代表的に｛１００｝面として表される等価な結晶面が優先配向した体心立方構造（ｂｃｃ構造）で形成されることが、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させる上で重要である。

一方、前記エンハンス層１２上に形成されるＮｉ−Ｆｅの軟磁性層は、膜面（Ｘ―Ｙ平面）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した面心立方構造（ｆｃｃ構造）で形成される。このため、従来のように、エンハンス層１２上に厚い単層構造の軟磁性層（Ｎｉ−Ｆｅ）を設けた構成では、前記エンハンス層１２の結晶構造は、その上面に位置する軟磁性層（Ｎｉ−Ｆｅ）の結晶構造の影響を受けて結晶歪みが生じやすい。

これに対して、本実施形態では、前記軟磁性層１３，１５間に、金属挿入層１４を介在させている。よって前記エンハンス層１２に接する第１軟磁性層１３の膜厚は、前記金属挿入層１４を形成せずに、前記第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５とを一体化した場合よりも薄く出来る。よって前記エンハンス層１２に接する第１軟磁性層１３自体の結晶配向を弱めることが出来る。

また金属挿入層１４は、アモルファス状態であることがより好適である。これにより、第２軟磁性層１５と第１軟磁性層１３間の結晶配向は前記金属挿入層１４の部分で適切に分断される。この結果、前記エンハンス層１２の結晶構造に対する軟磁性層の影響を弱くできる。これも抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が増大する一因であると考えられる。

図２に示すように、前記エンハンス層１２の平均膜厚はＴ１であり、前記第１軟磁性層１３の平均膜厚はＴ２であり、前記第２軟磁性層１５の平均膜厚はＴ４である。

前記エンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１は、２Å以上で３０Å以下であることが、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に増大させる上で好適である。また前記エンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１は１０Å以上３０Å以下であることがより好ましい。

また第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２は、１０Å以上で２０Å以下であることが好ましい。前記第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２は厚すぎると、前記第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１４との間に金属挿入層１４を挿入した効果、すなわちエンハンス層１２に接する前記第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２を薄くして第１軟磁性層１４自体の結晶配向を弱めるとともに、第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５間の結晶配向を分断することで、エンハンス層１２の{１００}面を効果的に優先配向させて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる効果が小さくなってしまう。また前記第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２は薄すぎても、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下してしまう。そこで本実施形態では前記第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２を、１０Å以上で２０Å以下の範囲内に設定した。前記第１軟磁性層１２の平均膜厚Ｔ２は、より好ましくは１５Å以上で２５Å以下である。

また前記第２軟磁性層１５の平均膜厚Ｔ４は、前記第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２と合わせた総合膜厚が４０Å以上で７０Å以下の範囲内となるように調整される。これにより前記フリー磁性層６の保磁力Ｈｃ等に代表される軟磁気特性を良好に保つことが出来、また効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができる。

図１及び図２に示す形態では、下から反強磁性層３、固定磁性層４、絶縁障壁層５、フリー磁性層６及び保護層７の順で積層されているが、下から、フリー磁性層６、絶縁障壁層５、固定磁性層４、反強磁性層３及び保護層７の順で積層されていてもよい。

かかる場合、図３に示すように、前記フリー磁性層６は、下から第２軟磁性層１５、金属挿入層１４、第１軟磁性層１３及びエンハンス層１２の順に積層され、前記フリー磁性層６上に絶縁障壁層５が形成される。前記フリー磁性層６を構成する各層の膜厚や材質は上記で説明した通りである。

あるいは、下から、下側反強磁性層、下側固定磁性層、下側絶縁障壁層、フリー磁性層、上側絶縁障壁層、上側固定磁性層、及び上側反強磁性層が順に積層されてなるデュアル型のトンネル型磁気検出素子であってもよい。

かかる場合、図４に示すように、前記フリー磁性層６は、下からエンハンス層１２、軟磁性層２８、金属挿入層１４、軟磁性層２５、エンハンス層２７の順に積層される。前記フリー磁性層６の下側のエンハンス層１２下には前記下側絶縁障壁層１７が形成され、前記フリー磁性層６の上側のエンハンス層２７上には前記上側絶縁障壁層１８が形成される。フリー磁性層６を構成する各層の膜厚や材質は上記で説明した通りである。前記軟磁性層２５，２８は、いずれも図２に示す第１軟磁性層１３と同様の膜厚で形成される。

図２ないし図４に示す実施形態では、いずれもフリー磁性層６の内部に挿入される金属挿入層１４は一層であったが、二層以上であってもよい。前記金属挿入層１４が二層以上である場合、軟磁性層／金属挿入層／軟磁性層／金属挿入層／軟磁性層・・・の積層構造となる。

ただし、前記金属挿入層１４の層数が多くなると、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の十分な増大効果を期待できなくなり、またＲＡの変動が大きくなる等と考えられることから、前記金属挿入層１４を１層よりも多くする場合には、２層から８層の間とすることが好ましい。

本実施形態では、効果的に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得るために、前記第２固定磁性層４ｃはＣｏ−Ｆｅ−Ｂの単層構造、あるいは、Ｃｏ−Ｆｅ−ＢとＣｏ−Ｆｅとの積層構造（Ｃｏ−Ｆｅが絶縁障壁層５側）で形成されることが好適である。前記第２固定磁性層４ｃを構成するＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、組成式が（Ｃｏ_βＦｅ_{１００−β}）_{１００−γ}Ｂ_γからなり、原子比率βは、０〜７５、組成比γは１０〜３０ａｔ％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上に形成される絶縁障壁層５及びエンハンス層１２を、適切に、膜面（Ｘ−Ｙ平面）と平行な面方向に、代表的に｛１００｝面として表される等価な結晶面が優先配向した体心立方構造（ｂｃｃ構造）で形成でき、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能である。

本実施形態では、前記第１軟磁性層１３及び第２軟磁性層１５はＮｉ−Ｆｅで形成され、エンハンス層１２はＣｏ−Ｆｅで形成されることが、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができるとともにフリー磁性層６の軟磁気特性を良好に保つことができて好ましい。

また後述する実験の層構成もそうであるように、下から固定磁性層４、絶縁障壁層５及びフリー磁性層６の順に積層されたトンネル型磁気検出素子において本実施形態を適用することで効果的に従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能となる。

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。図５ないし図８は、製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子の部分断面図であり、いずれも図１に示すトンネル型磁気抵抗効果素子と同じ位置での断面を示している。なお図６ないし図８ではフリー磁性層が単層構造のように図示されているが、実際には前記フリー磁性層を図２に示す積層構造で形成する。

図５に示す工程では、下部シールド層２１上に、下から順に、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、及び第２固定磁性層４ｃ、絶縁障壁層５を同一真空中で連続成膜する。

本実施形態では、前記絶縁障壁層５をＭｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）で形成する。前記絶縁障壁層５は、例えば所定の組成比で形成されたＭｇ−Ｏのターゲットを用いて、Ｍｇ−Ｏを第２固定磁性層４ｃ上にスパッタ成膜して得られる。

次に、図６に示すように、図５と同じ真空中で、前記絶縁障壁層５上にフリー磁性層６及び保護層７を連続成膜する。

本実施形態では、図２に示すように、前記フリー磁性層６を下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、金属挿入層１４及び第２軟磁性層１５の順に積層する。前記エンハンス層１２をＣｏ−Ｆｅ合金で形成して、前記第１軟磁性層１３及び第２軟磁性層１５をＮｉ−Ｆｅ合金で形成することが好適である。

また本実施形態では、前記金属挿入層１４を、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔのうち少なくともいずれか１種で形成する。
以上により下地層１から保護層７までが積層された積層体１０を形成する。

次に、前記積層体１０上に、リフトオフ用レジスト層３０を形成し、前記リフトオフ用レジスト層３０に覆われていない前記積層体１０のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端部をエッチング等で除去する（図７を参照）。

次に、前記積層体１０のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側であって前記下部シールド層２１上に、下から絶縁層２２、ハードバイアス層２３、及び保護層２４の順に積層する（図８を参照）。

そして前記リフトオフ用レジスト層３０を除去し、前記積層体１０及び前記保護層２４上に上部シールド層２６を形成する。

上記したトンネル型磁気検出素子の製造方法では、前記積層体１０の形成後に熱処理を含む。代表的な熱処理は、前記反強磁性層３と第１固定磁性層４ａ間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせるための磁場中熱処理である。

本実施形態では、前記第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５間に前記金属挿入層１４を介在させたことで、前記エンハンス層１２に接する第１軟磁性層１３を薄い膜厚で形成できる。前記第１軟磁性層１３をＮｉ−Ｆｅで形成したとき、前記第１軟磁性層１３は、界面（Ｘ―Ｙ平面）と平行な面方向に、代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向した面心立方構造（ｆｃｃ構造）で形成される。

絶縁障壁層５をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子においては、第２固定磁性層４ｃ／絶縁障壁層５／エンハンス層１２が、界面（Ｘ−Ｙ平面）と平行な面方向に、代表的に｛１００｝面として表される等価な結晶面が優先配向した体心立方構造（ｂｃｃ構造）で形成されることが、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させる上で重要であるが、上記のように前記エンハンス層１２と接する第１軟磁性層１３を薄く形成できるので、前記第１軟磁性層１３自体の結晶配向を弱めることが出来る。また前記挿入磁性層１４を設けることにより、第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５間の結晶配向を分断できる。その結果、前記エンハンス層１２を、Ｍｇ−Ｏで形成された絶縁障壁層５上にて、効果的に、界面（Ｘ−Ｙ平面）と平行な面方向に、代表的に｛１００｝面として表される等価な結晶面が優先配向した体心立方構造（ｂｃｃ構造）で形成でき、従来に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きいトンネル型磁気検出素子を簡単且つ適切に製造できる。

図３で説明した下からフリー磁性層６、絶縁障壁層５及び固定磁性層４の順に積層される構造や、図４で説明したデュアル型の構造は、図５ないし図８で説明した製造方法に準じて製造される。

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に内蔵される磁気ヘッドとしての用途以外に、ＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）や磁気センサとして用いることが出来る。

図２のように、下からエンハンス層１２／第１軟磁性層１３／金属挿入層１４／第２軟磁性層１５の順に積層したフリー磁性層を有する以下の積層体を備えたトンネル型磁気検出素子を形成した。

積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／Ｒｕ（４０）／反強磁性層３；Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}（８０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ_{３０ａｔ％}Ｃｏ_{７０ａｔ％}（１４）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；｛Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０｝_{８０ａｔ％}Ｂ_{２０ａｔ％}（１８）］／絶縁障壁層５；Ｍｇ_{５０ａｔ％}Ｏ_{５０ａｔ％}（１１）／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ_５０at%Ｃｏ_５０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（２０）／金属挿入層１４；（３）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（４０）]／保護層７；［Ｒｕ（２０）／Ｔａ（１８０）］の順に積層した。

実験では、絶縁障壁層５を、Ｍｇ−Ｏのターゲットを用いてスパッタ成膜した。上記の積層体における各層の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。

また、前記金属挿入層１４を、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０）_{６４ａｔ％}Ｃｒ３６ａｔ_％、Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}、Ｒｕ、Ｐｔ、あるいはＣｒの夫々で形成した各トンネル型磁気検出素子を製造した。
前記積層体を形成した後、２７０℃で３時間４０分間、熱処理を行った。

［比較例１］
上記の実施例１の積層体の膜構成のうち、絶縁障壁層をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子を製造した。

Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏは、第２固定磁性層４ｃ上に平均膜厚が４．８ÅのＴｉ層を形成し、前記Ｔｉ層上に平均膜厚が０．６ÅのＭｇ層を形成し、前記Ｔｉ層とＭｇ層を酸化して得た。

上記した実施例１及び比較例１の各試料の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を調べた。その実験結果が図９に示されている。図９の横軸は金属挿入層の材質である。

図９に示す縦軸値は、前記金属挿入層を設けなかった試料（図９の「なし」の試料）の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を１としたときの抵抗変化率（Ｒ／Ｒ）の比率である。

図９に示すように絶縁障壁層をＭｇ−Ｏで形成した試料のうち、金属挿入層としてＡｌ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ及びＣｒを選択すると、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が、金属挿入層を挿入しない場合に比べて低下することがわかった。

よって図９の実験結果から、金属挿入層として、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔを選択すると、金属挿入層を設けない従来構造よりも抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができるとわかった。

一方、比較例１である絶縁障壁層をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成した試料では、金属挿入層として、どの材料を用いても、前記金属挿入層を設けない従来構造よりも抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下することがわかった。

以上により、Ｎｉ−Ｆｅで形成された軟磁性層中に、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔのいずれかにより形成された金属挿入層を挿入することで抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる効果は、絶縁障壁層としてＭｇ−Ｏを用いたときに有効であることがわかった。

［比較例２］
次に、積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／Ｒｕ（４０）／反強磁性層３；Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}（８０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ_{３０ａｔ％}Ｃｏ_{７０ａｔ％}（１４）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；｛Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０｝_{８０ａｔ％}Ｂ_{２０ａｔ％}（１８）］／絶縁障壁層５；Ｍｇ_{５０ａｔ％}Ｏ_{５０ａｔ％}（１１）／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ_５０at%Ｃｏ_５０at%（１０）／金属挿入層１４；（３）／軟磁性層１５；Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（６０）]／保護層７；［Ｒｕ（２０）／Ｔａ（１８０）］の順に積層した。

比較例２でも、上記した実施例１のように、前記金属挿入層１４を、Ｔｉ、Ｍｇ、（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０）_{６４ａｔ％}Ｃｒ_{３６ａｔ％}、Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}、Ｒｕ、Ｐｔ、あるいはＣｒの夫々で形成した各トンネル型磁気検出素子を製造した。

実施例１では、金属挿入層を、Ｎｉ−Ｆｅの軟磁性層中に挿入した構成であるが、比較例２では、エンハンス層と単層の軟磁性層の間に前記金属挿入層を設けた構成である。
そして比較例２の各試料における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を測定した。

図１０の縦軸値は、上記した実施例１と比較例２の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の実験結果を、前記金属挿入層を設けなかった試料（図１０の「なし」の試料）の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を１としたときの比率である。図１０に示す金属挿入層を、Ｎｉ−Ｆｅの軟磁性層中に挿入した構成の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は図９と同様である。

図１０に示すように、エンハンス層と単層の軟磁性層の間に前記金属挿入層を設けた比較例２の構成では、金属挿入層を設けない従来構造に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下することがわかった。

図１０の実験結果から、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔのいずれかにより形成された金属挿入層を設けることで抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる効果は、前記金属挿入層を軟磁性層中に挿入したときに有効であることがわかった。

トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な面にて切断した断面図、 第１実施形態のトンネル型磁気検出素子の構造を示す図１の部分拡大断面図、 第２実施形態のトンネル型磁気検出素子の構造を示す部分拡大断面図、 第３実施形態のトンネル型磁気検出素子の構造を示す部分拡大断面図、 製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子の断面図、 図５の次に行われる一工程図（断面図）、 図６の次に行われる一工程図（断面図）、 図７の次に行われる一工程図（断面図）、 絶縁障壁層をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子と、絶縁障壁層をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子の双方に対して、フリー磁性層を構成するＮｉ−Ｆｅ中に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｃｒのいずれかの金属挿入層を挿入した際の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を、前記金属挿入層を挿入しない形態の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に対する比率で示した示すグラフ、 絶縁障壁層をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子のフリー磁性層を構成するＮｉ−Ｆｅ中に、及び、絶縁障壁層をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子のフリー磁性層を構成するＮｉ−Ｆｅとエンハンス層であるＣｏ−Ｆｅ間に、夫々、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｃｒのいずれかの金属挿入層を挿入した際の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を、前記金属挿入層を挿入しない形態の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に対する比率で示した示すグラフ、

符号の説明

３ 反強磁性層
４ 固定磁性層
４ａ 第１固定磁性層
４ｂ 非磁性中間層
４ｃ 第２固定磁性層
５ 絶縁障壁層
６ フリー磁性層
７、２４ 保護層
１０ 積層体
１２、２７ エンハンス層
１３ 第１軟磁性層
１４ 金属挿入層
１５ 第２軟磁性層
１７ 下側絶縁障壁層
１８ 上側絶縁障壁層
２２ 絶縁層
２３ ハードバイアス層
２５、２８ 軟磁性層

Claims (5)

1. 下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の順に、あるいは、下から前記フリー磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記固定磁性層の順に積層された積層部分を備える積層体を有し、
   前記絶縁障壁層は、Ｍｇ−Ｏで形成され、
   前記フリー磁性層は、積層される複数の軟磁性層と、各軟磁性層間に介在する金属挿入層と、前記軟磁性層のうち最も前記絶縁障壁層側に設けられた第１軟磁性層と前記絶縁障壁層との間に位置して、前記軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とで構成され、
   各軟磁性層間は磁気的に結合されて、全ての前記軟磁性層は同一方向に磁化されており、
   前記金属挿入層は、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＲｕあるいはＰｔのうち少なくともいずれか１種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. 前記金属挿入層の平均膜厚は、１Å以上で４Å以下である請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
3. 前記第１軟磁性層の平均膜厚は、１０Å以上で２０Å以下である請求項１又は２に記載のトンネル型磁気検出素子。
4. 前記軟磁性層はＮｉ−Ｆｅで形成され、前記エンハンス層はＣｏ−Ｆｅ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. 下から前記固定磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記フリー磁性層の順に積層されている請求項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。

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