JP3331397B2 - トンネル磁気抵抗効果素子 - Google Patents
トンネル磁気抵抗効果素子Info
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- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
- G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
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Description
【０００１】
【０００２】本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子に関
する。強磁性トンネル磁気抵抗効果素子は、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素子であり、このもの
は主として、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。
する。強磁性トンネル磁気抵抗効果素子は、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素子であり、このもの
は主として、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。
【０００３】
【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トンネル磁気抵抗効果素子が注
目されている。
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トンネル磁気抵抗効果素子が注
目されている。
【０００４】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。
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。
【０００５】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。トンネルバリア
層は、一般には１０Å前後の薄いＡｌ等の金属を酸化さ
せることにより形成される。
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。トンネルバリア
層は、一般には１０Å前後の薄いＡｌ等の金属を酸化さ
せることにより形成される。
【０００６】トンネルバリア層を介して形成される両強
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。
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。
【０００７】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。
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。
【０００８】 Ｒσ＝Ｃσ exp(2 κ d) 式（１）
【０００９】κ＝(2 m φ／ｈ2)1/2
【００１０】ここで、dは障壁（バリア層）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。Ｃσ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。
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。Ｃσ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。
【００１１】上記式（１）に従うと、素子の低抵抗化を
図るためには障壁（バリア層）の厚さｄを小さくすれば
良いことが分かる。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からである。ま
た、静電破壊（Electro-Static Discharges）防止の観
点からも、素子が低抵抗であることは望ましい。
図るためには障壁（バリア層）の厚さｄを小さくすれば
良いことが分かる。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からである。ま
た、静電破壊（Electro-Static Discharges）防止の観
点からも、素子が低抵抗であることは望ましい。
【００１２】しかしながら、障壁（バリア層）の厚さｄ
を小さくしようとすればするほど、バリア層表面状態は
極めてよい平滑性が要求されるものと考えられる。膜厚
が薄いにもかかわらず平滑性が乏しい場合には、障壁
（バリア層）の一部にピンホールが発生し易くなり、ピ
ンホール個所から電流リークが生じるおそれがある。電
流リークが生じた場合には、高出力が得られなくなって
しまう。さらに、電流リークの程度が大きい場合には出
力が全く得られなくなる場合もある。
を小さくしようとすればするほど、バリア層表面状態は
極めてよい平滑性が要求されるものと考えられる。膜厚
が薄いにもかかわらず平滑性が乏しい場合には、障壁
（バリア層）の一部にピンホールが発生し易くなり、ピ
ンホール個所から電流リークが生じるおそれがある。電
流リークが生じた場合には、高出力が得られなくなって
しまう。さらに、電流リークの程度が大きい場合には出
力が全く得られなくなる場合もある。
【００１３】このような背景のもと、ヘッド形態をも含
むトンネル磁気抵抗効果素子の実現化への具体的提案
は、まだ初期段階と言え、特に、ヘッド出力の大幅な向
上が得られるような、トンネルバリア層の表面粗さ仕様
に係る提案はなされていないのが実状である。
むトンネル磁気抵抗効果素子の実現化への具体的提案
は、まだ初期段階と言え、特に、ヘッド出力の大幅な向
上が得られるような、トンネルバリア層の表面粗さ仕様
に係る提案はなされていないのが実状である。
【００１４】
【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、トン
ネル磁気抵抗効果素子の良好な特性、特に、大きなヘッ
ド出力が得られるようなトンネルバリア層の仕様を提案
することにある。
状のものに創案されたものであって、その目的は、トン
ネル磁気抵抗効果素子の良好な特性、特に、大きなヘッ
ド出力が得られるようなトンネルバリア層の仕様を提案
することにある。
【００１５】
【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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層表面の
表面粗さの状態を示す３つの指標である、中心線平均粗
さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmaxが１０ｎｍ以下、
標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下となるように構成
される。
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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層表面の
表面粗さの状態を示す３つの指標である、中心線平均粗
さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmaxが１０ｎｍ以下、
標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下となるように構成
される。
【００１６】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネルバリア層表面の表面粗さの状態を示す３つの指
標である、中心線平均粗さＲａが０．００１〜１ｎｍ、
最大高さＲmaxが０．０１〜１０ｎｍ、標準偏差粗さＲr
msが０．００１〜１．２ｎｍとなるように構成される。
トンネルバリア層表面の表面粗さの状態を示す３つの指
標である、中心線平均粗さＲａが０．００１〜１ｎｍ、
最大高さＲmaxが０．０１〜１０ｎｍ、標準偏差粗さＲr
msが０．００１〜１．２ｎｍとなるように構成される。
【００１７】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネル磁気抵抗効果素子は、基体のうえに形成された
下地層の上に、強磁性フリー層、トンネルバリア層、強
磁性ピンド層、強磁性ピンド層の磁化をピン止めするた
めのピン止め層を順次備えてなる形態を有するように構
成される。
トンネル磁気抵抗効果素子は、基体のうえに形成された
下地層の上に、強磁性フリー層、トンネルバリア層、強
磁性ピンド層、強磁性ピンド層の磁化をピン止めするた
めのピン止め層を順次備えてなる形態を有するように構
成される。
【００１８】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネル磁気抵抗効果素子は、基体のうえに形成された
下地層の上に、強磁性ピンド層の磁化をピン止めするた
めのピン止め層、強磁性ピンド層、トンネルバリア層、
強磁性フリー層を順次備えてなる形態を有するように構
成される。
トンネル磁気抵抗効果素子は、基体のうえに形成された
下地層の上に、強磁性ピンド層の磁化をピン止めするた
めのピン止め層、強磁性ピンド層、トンネルバリア層、
強磁性フリー層を順次備えてなる形態を有するように構
成される。
【００１９】また、本発明の好ましい態様として、トン
ネルバリア層が形成されるに至るまでに予め形成されて
いたいずれかの層の表面が、ガスクラスターイオンビー
ム法によって平滑化処理されてなるように構成される。
ネルバリア層が形成されるに至るまでに予め形成されて
いたいずれかの層の表面が、ガスクラスターイオンビー
ム法によって平滑化処理されてなるように構成される。
【００２０】また、本発明の好ましい態様として、トン
ネル多層膜が形成される前の下地層表面がガスクラスタ
ーイオンビーム法によって平滑化処理されてなるように
構成される。
ネル多層膜が形成される前の下地層表面がガスクラスタ
ーイオンビーム法によって平滑化処理されてなるように
構成される。
【００２１】また、本発明の好ましい態様として、前記
強磁性フリー層は、その長手方向両端部にそれぞれ配置
されたバイアス付与手段によって、強磁性フリー層の長
手方向にバイアス磁界が印加されるように構成される。
強磁性フリー層は、その長手方向両端部にそれぞれ配置
されたバイアス付与手段によって、強磁性フリー層の長
手方向にバイアス磁界が印加されるように構成される。
【００２２】また、本発明の好ましい態様として、前記
強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
【００２３】また、本発明の好ましい態様として、前記
強磁性ピンド層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
強磁性ピンド層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
【００２４】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むように対
向配置された一対の電極と電気的に接合されてなるよう
に構成される。
トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むように対
向配置された一対の電極と電気的に接合されてなるよう
に構成される。
【００２５】また、本発明の好ましい態様として、前記
一対の電極を挟むように対向配置された一対のシールド
層を備えてなるように構成される。
一対の電極を挟むように対向配置された一対のシールド
層を備えてなるように構成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明のトンネル磁気抵抗
効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）につい
て詳細に説明する。
効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）につい
て詳細に説明する。
【００２７】図１は、本発明のＴＭＲ素子１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、ＴＭ
Ｒ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３０を
挟むようにして形成された強磁性層フリー層２０と強磁
性層ピンド層４０が積層された多層膜構造を有してい
る。
例を示す断面図である。この実施の形態において、ＴＭ
Ｒ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３０を
挟むようにして形成された強磁性層フリー層２０と強磁
性層ピンド層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、さらに前記強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層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が直接または間接に積層され、トンネル多
層膜３と一対の電極７１，電極７５は電気的に接続され
る。
て、さらに前記強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層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が直接または間接に積層され、トンネル多
層膜３と一対の電極７１，電極７５は電気的に接続され
る。
【００２９】前記強磁性フリー層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する。また、前記強磁
性ピンド層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する。強磁性
層４０の磁化を固定する（交換結合する）ためのピン止
め層５０が強磁性層４０に接した状態で形成される。
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する。また、前記強磁
性ピンド層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する。強磁性
層４０の磁化を固定する（交換結合する）ためのピン止
め層５０が強磁性層４０に接した状態で形成される。
【００３０】さらに、図１の実施の形態では、図面の下
側に位置する電極７１と強磁性フリー層２０との間に
は、下地層８が介在されている。つまり、図１に示され
る実施の形態では、基板５の上に、電極７１、下地層
８、強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０、強磁
性ピンド層４０、ピン止め層５０、電極７５が順次形成
された形態をとっている。
側に位置する電極７１と強磁性フリー層２０との間に
は、下地層８が介在されている。つまり、図１に示され
る実施の形態では、基板５の上に、電極７１、下地層
８、強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０、強磁
性ピンド層４０、ピン止め層５０、電極７５が順次形成
された形態をとっている。
【００３１】強磁性フリー層２０および強磁性ピンド層
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，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＣ
ｏＮｉ等が用いられる。また、いわゆるフリー層として
機能する強磁性フリー層２０の膜厚は、２０〜２００
Å、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。また、いわゆる磁化固定層（強磁性ピンド層）
として機能する強磁性ピンド層４０の膜厚は、１０〜５
０Å、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、Ｔ
ＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。
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，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＣ
ｏＮｉ等が用いられる。また、いわゆるフリー層として
機能する強磁性フリー層２０の膜厚は、２０〜２００
Å、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。また、いわゆる磁化固定層（強磁性ピンド層）
として機能する強磁性ピンド層４０の膜厚は、１０〜５
０Å、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、Ｔ
ＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。
【００３２】このような強磁性フリー層２０および強磁
性ピンド層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。さらに強磁性フリー層は、ＮｉＦ
ｅ／ＣｏＦｅ等の多層構造をとってもよい。
性ピンド層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。さらに強磁性フリー層は、ＮｉＦ
ｅ／ＣｏＦｅ等の多層構造をとってもよい。
【００３３】２つの強磁性層２０，４０によって挟まれ
るトンネルバリア層３０は、Ａｌ2Ｏ3，ＮｉＯ，Ｇｄ
Ｏ，ＭｇＯ，Ｔａ2Ｏ5，ＭｏＯ2，ＴｉＯ2，ＷＯ2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。
るトンネルバリア層３０は、Ａｌ2Ｏ3，ＮｉＯ，Ｇｄ
Ｏ，ＭｇＯ，Ｔａ2Ｏ5，ＭｏＯ2，ＴｉＯ2，ＷＯ2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。
【００３４】本発明における第１の特徴は、このトンネ
ルバリア層３０の表裏２つの表面３１,３２の表面状態
にある。すなわち、本発明におけるトンネルバリア層３
０表面３１，３２は、その表面粗さの状態を示す３つの
指標である、（１）中心線平均粗さＲａ、（２）最大高
さＲmax、および（３）標準偏差粗さＲrmsがそれぞれ、
下記条件を満たすように設定される。すなわち、（１）
中心線平均粗さＲａに関して言えば、Ｒａ値が１ｎｍ以
下、特に０．００１〜１ｎｍ、より好ましくは０．００
１〜０．８ｎｍ、さらに好ましくは０．００１〜０．６
ｎｍとされる。このＲａ値の下限値は、できるだけゼロ
に近づけることが望ましいが、現在の平滑化の技術レベ
ルや平滑化に要する経済性を考慮すると下限値は０．０
０１ｎｍ程度とされる。中心線平均粗さＲａは、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１で定義される。より詳細には、表面の粗
さ曲線からその中心線の方向に測定長さＬの部分を抜き
取り、この抜き取り部分の中心線をＸ軸、縦倍率の方向
をＹ軸とし、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表したとき、下
記式（１）によって求められる値である。
ルバリア層３０の表裏２つの表面３１,３２の表面状態
にある。すなわち、本発明におけるトンネルバリア層３
０表面３１，３２は、その表面粗さの状態を示す３つの
指標である、（１）中心線平均粗さＲａ、（２）最大高
さＲmax、および（３）標準偏差粗さＲrmsがそれぞれ、
下記条件を満たすように設定される。すなわち、（１）
中心線平均粗さＲａに関して言えば、Ｒａ値が１ｎｍ以
下、特に０．００１〜１ｎｍ、より好ましくは０．００
１〜０．８ｎｍ、さらに好ましくは０．００１〜０．６
ｎｍとされる。このＲａ値の下限値は、できるだけゼロ
に近づけることが望ましいが、現在の平滑化の技術レベ
ルや平滑化に要する経済性を考慮すると下限値は０．０
０１ｎｍ程度とされる。中心線平均粗さＲａは、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１で定義される。より詳細には、表面の粗
さ曲線からその中心線の方向に測定長さＬの部分を抜き
取り、この抜き取り部分の中心線をＸ軸、縦倍率の方向
をＹ軸とし、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表したとき、下
記式（１）によって求められる値である。
【００３５】
【式１】
【００３６】（２）最大高さＲmaxに関して言えば、Ｒm
ax値が１０ｎｍ以下、特に０．０１〜１０ｎｍ、より好
ましくは０．０１〜７ｎｍ、さらに好ましくは０．０１
〜４ｎｍとされる。このＲmax値の下限値は、できるだ
けゼロに近づけることが望ましいが、現在の平滑化の技
術レベルや平滑化に要する経済性を考慮すると下限値は
０．０１ｎｍ程度とされる。最大高さＲmaxは、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１で定義される。より詳細には、断面形状
の中心線に対しての最高値と最低値の差で表される。
ax値が１０ｎｍ以下、特に０．０１〜１０ｎｍ、より好
ましくは０．０１〜７ｎｍ、さらに好ましくは０．０１
〜４ｎｍとされる。このＲmax値の下限値は、できるだ
けゼロに近づけることが望ましいが、現在の平滑化の技
術レベルや平滑化に要する経済性を考慮すると下限値は
０．０１ｎｍ程度とされる。最大高さＲmaxは、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１で定義される。より詳細には、断面形状
の中心線に対しての最高値と最低値の差で表される。
【００３７】（３）標準偏差粗さＲrmsに関して言え
ば、Ｒrms値が１．２ｎｍ以下、特に、０．００１〜
１．２μｍ、より好ましくは０．００１〜０．８ｎｍ、
さらに好ましくは０．００１〜０．６ｎｍとされる。こ
のＲrms値の下限値は、できるだけゼロに近づけること
が望ましいが、現在の平滑化の技術レベルや平滑化に要
する経済性を考慮すると下限値は０．００１ｎｍ程度と
される。標準偏差粗さＲrmsは、より詳細には、全デー
タのＺ値の標準偏差であり、下記式（２）で表される。
Ｚ値は中心線に対しての最高値と最低値の差を表す。
ば、Ｒrms値が１．２ｎｍ以下、特に、０．００１〜
１．２μｍ、より好ましくは０．００１〜０．８ｎｍ、
さらに好ましくは０．００１〜０．６ｎｍとされる。こ
のＲrms値の下限値は、できるだけゼロに近づけること
が望ましいが、現在の平滑化の技術レベルや平滑化に要
する経済性を考慮すると下限値は０．００１ｎｍ程度と
される。標準偏差粗さＲrmsは、より詳細には、全デー
タのＺ値の標準偏差であり、下記式（２）で表される。
Ｚ値は中心線に対しての最高値と最低値の差を表す。
【００３８】
【式２】
【００３９】式（２）中、Ｎはデータのポイント数、Ｚ
ｉは各データポイントのＺ値（Ｚ値は中心線に対しての
最高値と最低値の差）、Ｚaveは、全Ｚ値の平均値を表
す。
ｉは各データポイントのＺ値（Ｚ値は中心線に対しての
最高値と最低値の差）、Ｚaveは、全Ｚ値の平均値を表
す。
【００４０】本発明において、上記のＲａ値が１ｎｍを
超えたり、Ｒmax値が１０ｎｍを超えたり、Ｒrms値が
１．２ｎｍを超えたりすると、トンネルバリア層の接合
部におて電気的なリーク電流が生じ易くなり、その結
果、実質的なＴＭＲ変化率が大きく減少するとともに、
ヘッド出力が大きく減少してしまう。３つのパラメータ
の中では特にＲmax値が重要である。実際の素子の大き
さは非常に小さく、測定長さが十分に取れないケースも
あり、このような場合であってもＲmax値は、直接、特
性に影響を及ぼす表面の凹凸の差を最も適切に表現して
いる値であるからである。
超えたり、Ｒmax値が１０ｎｍを超えたり、Ｒrms値が
１．２ｎｍを超えたりすると、トンネルバリア層の接合
部におて電気的なリーク電流が生じ易くなり、その結
果、実質的なＴＭＲ変化率が大きく減少するとともに、
ヘッド出力が大きく減少してしまう。３つのパラメータ
の中では特にＲmax値が重要である。実際の素子の大き
さは非常に小さく、測定長さが十分に取れないケースも
あり、このような場合であってもＲmax値は、直接、特
性に影響を及ぼす表面の凹凸の差を最も適切に表現して
いる値であるからである。
【００４１】トンネルバリア層３０の両側の表面３１，
３２の表面粗さの状態を本発明の範囲内に設定する手法
としては、以下の（ｉ）〜（Ｖ）の手法が好適に用いら
れる。これらの手法は単独で用いてもよいし、また、複
数の手法を適宜、組み合わせてもよい。
３２の表面粗さの状態を本発明の範囲内に設定する手法
としては、以下の（ｉ）〜（Ｖ）の手法が好適に用いら
れる。これらの手法は単独で用いてもよいし、また、複
数の手法を適宜、組み合わせてもよい。
【００４２】（ｉ）トンネル多層膜３が形成される前の
下地層８の表面を平滑化処理する。その平滑化処理方法
としてはガスクラスターイオンビーム法を用いるのがよ
い。ガスクラスターイオンビーム法とは、１〜５ｋｇ程
度に加圧したガスを１０-4〜１０-1Torr程度に減圧した
チャンバに吹き出すことにより断熱膨張によって生じる
１０3〜１０6個のガスクラスターをイオン化し、加速電
極によって所定の電圧にて加速し、所定のガスクラスタ
ーの数量（（ドース量）１０5〜１０8）を処理すべきウ
エーハ上に入射させる方法である。このとき、クラスタ
ーと基板上の凹凸との衝突によって、出っ張っている凸
部分のみ削られるという状況が生じ、結果的に平坦化処
理の効果が得られる。
下地層８の表面を平滑化処理する。その平滑化処理方法
としてはガスクラスターイオンビーム法を用いるのがよ
い。ガスクラスターイオンビーム法とは、１〜５ｋｇ程
度に加圧したガスを１０-4〜１０-1Torr程度に減圧した
チャンバに吹き出すことにより断熱膨張によって生じる
１０3〜１０6個のガスクラスターをイオン化し、加速電
極によって所定の電圧にて加速し、所定のガスクラスタ
ーの数量（（ドース量）１０5〜１０8）を処理すべきウ
エーハ上に入射させる方法である。このとき、クラスタ
ーと基板上の凹凸との衝突によって、出っ張っている凸
部分のみ削られるという状況が生じ、結果的に平坦化処
理の効果が得られる。
【００４３】ガスクラスターイオンビーム法で用いられ
るガスとしては、アルゴン、キセノン、クリプトン、ネ
オン、水素、ヘリウムや、これらの混合ガス等が挙げら
れる。
るガスとしては、アルゴン、キセノン、クリプトン、ネ
オン、水素、ヘリウムや、これらの混合ガス等が挙げら
れる。
【００４４】なお、従来公知の平坦化技術である、アル
ミナ砥粒やコロイダルシリカを砥粒として含ませた研磨
液を用いての研磨方法では、本発明の範囲内の表面状態
を形成することは極めて困難であり、実現性に乏しい。
さらには、電極やピン止め層（反強磁性層）の腐食の問
題もあり好ましくない。
ミナ砥粒やコロイダルシリカを砥粒として含ませた研磨
液を用いての研磨方法では、本発明の範囲内の表面状態
を形成することは極めて困難であり、実現性に乏しい。
さらには、電極やピン止め層（反強磁性層）の腐食の問
題もあり好ましくない。
【００４５】（ii）トンネルバリア層３０を成膜する直
前の層である、例えば強磁性フリー層２０の表面をガス
クラスターイオンビーム法で平滑化処理する。なお、図
１の変形例としてトンネル多層膜３の積層順を逆にした
場合には、強磁性ピンド層４０の表面をガスクラスター
イオンビーム法で平滑化処理する。
前の層である、例えば強磁性フリー層２０の表面をガス
クラスターイオンビーム法で平滑化処理する。なお、図
１の変形例としてトンネル多層膜３の積層順を逆にした
場合には、強磁性ピンド層４０の表面をガスクラスター
イオンビーム法で平滑化処理する。
【００４６】（iii）トンネルバリア層３０の成膜条件
の選定
の選定
【００４７】トンネルバリア層は、Ａｌ単金属の層を予
め形成した後、所定の酸化方法を用いて所定の厚みのバ
リア層として形成される。ここで、Ａｌの成膜条件を最
も小さな比抵抗値が得られるようかつ、最も表面粗度の
小さな平滑表面が得られるようにトンネルバリア層３０
の成膜条件を最適化する。
め形成した後、所定の酸化方法を用いて所定の厚みのバ
リア層として形成される。ここで、Ａｌの成膜条件を最
も小さな比抵抗値が得られるようかつ、最も表面粗度の
小さな平滑表面が得られるようにトンネルバリア層３０
の成膜条件を最適化する。
【００４８】（iv）電極７１を形成した後、その表面を
ガスクラスターイオンビーム法で平滑化処理し、その
後、トンネル多層膜３を形成する。
ガスクラスターイオンビーム法で平滑化処理し、その
後、トンネル多層膜３を形成する。
【００４９】（Ｖ）シールド層を形成後、その表面をガ
スクラスターイオンビーム法で平滑化処理し、その後、
電極７１およびトンネル多層膜３を形成する。
スクラスターイオンビーム法で平滑化処理し、その後、
電極７１およびトンネル多層膜３を形成する。
【００５０】本発明における下地層８は、Ｗ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の材料から薄膜形成され、その厚さ
は、２０〜１００Å程度に設定される。
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の材料から薄膜形成され、その厚さ
は、２０〜１００Å程度に設定される。
【００５１】また、本発明において、前記強磁性ピンド
層４０の磁化をピン止めするピン止め層５０は、そのピ
ン止め機能を果たすものであれば、特に限定されない
が、通常、反強磁性材料が用いられる。厚さは、通常、
６０〜３００Å程度とされる。
層４０の磁化をピン止めするピン止め層５０は、そのピ
ン止め機能を果たすものであれば、特に限定されない
が、通常、反強磁性材料が用いられる。厚さは、通常、
６０〜３００Å程度とされる。
【００５２】電極７１，７５としては、Ｗ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の導電体材料が用いられる。電極７
１，７５の外側両端にはそれぞれパーマロイ等からなる
（磁気）シールド層を設けてもよい。また、図１に示さ
れる実施形態はピン止め層５０がトップに位置するタイ
プを例示しているが、もちろんピン止め層５０がボトム
に位置するタイプであってもよい。このボトムタイプの
積層状態は図示していないが、基板５の上に、電極７
１、下地層８、ピン止め層５０、強磁性ピンド層４０、
トンネルバリア層３０、強磁性フリー層２０、電極７５
を順次有する形態をとることになる。
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の導電体材料が用いられる。電極７
１，７５の外側両端にはそれぞれパーマロイ等からなる
（磁気）シールド層を設けてもよい。また、図１に示さ
れる実施形態はピン止め層５０がトップに位置するタイ
プを例示しているが、もちろんピン止め層５０がボトム
に位置するタイプであってもよい。このボトムタイプの
積層状態は図示していないが、基板５の上に、電極７
１、下地層８、ピン止め層５０、強磁性ピンド層４０、
トンネルバリア層３０、強磁性フリー層２０、電極７５
を順次有する形態をとることになる。
【００５３】図２には図１の変形例が示される。図２に
おいて、下地層８の下と、ピン止め層５０の上には、そ
れぞれギャップ層１０１とギャップ層１０５が形成さ
れ、これらの外方両端には電極−シールド兼用層（comm
on lead and shield layer）９１,９５が形成されてい
る。電極−シールド兼用層（common lead and shield l
ayer）９１,９５は、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、センダ
スト、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ等から構成される。ギャ
ップ層１０１，１０５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｍｇ，Ｒｕ，Ｗ，Ｚｎあるいは
これらとの合金から構成される。ギャップ層は、特に、
シールド−シールド間距離の調整およびＴＭＲ多層膜位
置の調整という機能を果たす。
おいて、下地層８の下と、ピン止め層５０の上には、そ
れぞれギャップ層１０１とギャップ層１０５が形成さ
れ、これらの外方両端には電極−シールド兼用層（comm
on lead and shield layer）９１,９５が形成されてい
る。電極−シールド兼用層（common lead and shield l
ayer）９１,９５は、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、センダ
スト、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ等から構成される。ギャ
ップ層１０１，１０５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｍｇ，Ｒｕ，Ｗ，Ｚｎあるいは
これらとの合金から構成される。ギャップ層は、特に、
シールド−シールド間距離の調整およびＴＭＲ多層膜位
置の調整という機能を果たす。
【００５４】このような本発明のトンネル磁気抵抗効果
素子をトンネル磁気抵抗効果型ヘッド２（以下、単に
「ＴＭＲヘッド２」と称す）の好適な一例として発展さ
せた実施形態が図３に示される。ＴＭＲヘッド２も本発
明でいうトンネル磁気抵抗効果素子の概念に含まれ、本
発明のクレームの技術的範囲に含まれる。
素子をトンネル磁気抵抗効果型ヘッド２（以下、単に
「ＴＭＲヘッド２」と称す）の好適な一例として発展さ
せた実施形態が図３に示される。ＴＭＲヘッド２も本発
明でいうトンネル磁気抵抗効果素子の概念に含まれ、本
発明のクレームの技術的範囲に含まれる。
【００５５】図３は、本発明のＴＭＲヘッド２の好適な
一例を示す断面図である。この断面図は磁気情報である
外部磁場を発する磁気記録媒体と実質的に対向するよう
に配置される面に相当する。この面は、いわゆるＡＢＳ
（Air Bearing Surface）と呼ばれる。
一例を示す断面図である。この断面図は磁気情報である
外部磁場を発する磁気記録媒体と実質的に対向するよう
に配置される面に相当する。この面は、いわゆるＡＢＳ
（Air Bearing Surface）と呼ばれる。
【００５６】この実施の形態において、ＴＭＲヘッド２
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３０を挟むよう
にして形成された強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層
４０が積層された多層膜構造を有している。前述したよ
うに強磁性フリー層２０は、基本的に磁気情報である外
部磁場に応答して自由(フリー)に磁化の向きが変えられ
るように作用する。また、強磁性ピンド層４０は、その
磁化方向が、すべて一定方向を向くようにピン止めされ
ている（図３の場合ピン止めされる磁化の方向は紙面の
奥行き方向）。そのため、通常、図３に示されるように
強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン
止め層５０が、前記強磁性ピンド層４０のトンネルバリ
ア層３０と接する側と反対の面に積層される。
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３０を挟むよう
にして形成された強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層
４０が積層された多層膜構造を有している。前述したよ
うに強磁性フリー層２０は、基本的に磁気情報である外
部磁場に応答して自由(フリー)に磁化の向きが変えられ
るように作用する。また、強磁性ピンド層４０は、その
磁化方向が、すべて一定方向を向くようにピン止めされ
ている（図３の場合ピン止めされる磁化の方向は紙面の
奥行き方向）。そのため、通常、図３に示されるように
強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン
止め層５０が、前記強磁性ピンド層４０のトンネルバリ
ア層３０と接する側と反対の面に積層される。
【００５７】図３に示される実施形態において、前記ト
ンネル多層膜３の積層方向の両側には、トンネル多層膜
３にセンス電流をながすための電極と磁気シールドの両
方の機能を果たす、電極−シールド兼用層（common lea
d and shield layer）９１,９５が、それぞれ、電気的
に接合（electrical contact）されている。前述したよ
うに電極−シールド兼用層（common lead and shield l
ayer）９１,９５を用いることにより、リードギャップ
は大幅に縮小でき、さらに、トンネル多層膜中の不均一
な電流の流れを防止することができる。
ンネル多層膜３の積層方向の両側には、トンネル多層膜
３にセンス電流をながすための電極と磁気シールドの両
方の機能を果たす、電極−シールド兼用層（common lea
d and shield layer）９１,９５が、それぞれ、電気的
に接合（electrical contact）されている。前述したよ
うに電極−シールド兼用層（common lead and shield l
ayer）９１,９５を用いることにより、リードギャップ
は大幅に縮小でき、さらに、トンネル多層膜中の不均一
な電流の流れを防止することができる。
【００５８】このような電極−シールド兼用層（common
lead and shield layer）９１,９５にセンス用の電流
が流され、これらの層９１,９５に電気的に接合されて
いるトンネル多層膜３の積層方向にセンス電流が流れる
ようになっている。
lead and shield layer）９１,９５にセンス用の電流
が流され、これらの層９１,９５に電気的に接合されて
いるトンネル多層膜３の積層方向にセンス電流が流れる
ようになっている。
【００５９】このような電極−シールド兼用層９１,９
５は、直接、トンネル多層膜３と接触するように形成さ
れてもよいし、あるいは図３の実施の形態に示されるよ
うに、非磁性かつ導電性のあるギャップ層１０１,１０
５を、それぞれ介して電極−シールド兼用層９１,９５
とトンネル多層膜３とを電気的に接合するようにしても
よい。
５は、直接、トンネル多層膜３と接触するように形成さ
れてもよいし、あるいは図３の実施の形態に示されるよ
うに、非磁性かつ導電性のあるギャップ層１０１,１０
５を、それぞれ介して電極−シールド兼用層９１,９５
とトンネル多層膜３とを電気的に接合するようにしても
よい。
【００６０】前記ギャップ層１０１,１０５は、前述し
たように、特に、シールド−シールド間距離の調整およ
びＴＭＲ多層膜位置の調整という機能や、トンネル電流
が不均一になるのを防止するという機能を果たす。これ
らは通常、図示のごとく一層から形成されることが好ま
しいが、上記の材質の中から選定された複数の材質の積
層体とすることもできる。このようなギャップ層１０
１，１０５の膜厚は、５０〜７００Å程度とされる。
たように、特に、シールド−シールド間距離の調整およ
びＴＭＲ多層膜位置の調整という機能や、トンネル電流
が不均一になるのを防止するという機能を果たす。これ
らは通常、図示のごとく一層から形成されることが好ま
しいが、上記の材質の中から選定された複数の材質の積
層体とすることもできる。このようなギャップ層１０
１，１０５の膜厚は、５０〜７００Å程度とされる。
【００６１】本発明におけるトンネル多層膜３は、下地
層８を介して形成されるとともに図３に示されるような
仕様に基づいて構成されることが好ましい。すなわち、
トンネル多層膜３の一部を構成する強磁性フリー層２０
は、図３に示されるようにその長手方向（紙面の左右方
向）両端部にそれぞれ積層され接続配置されたバイアス
付与手段６１，６１によって、強磁性フリー層の長手方
向にバイアス磁界（例えば矢印（α１）方向）が印加さ
れるようになっている。
層８を介して形成されるとともに図３に示されるような
仕様に基づいて構成されることが好ましい。すなわち、
トンネル多層膜３の一部を構成する強磁性フリー層２０
は、図３に示されるようにその長手方向（紙面の左右方
向）両端部にそれぞれ積層され接続配置されたバイアス
付与手段６１，６１によって、強磁性フリー層の長手方
向にバイアス磁界（例えば矢印（α１）方向）が印加さ
れるようになっている。
【００６２】当該強磁性フリー層２０の長手方向（バイ
アス磁界印加方向と実質的に同じ）の長さＬfは、前記
強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpよりも大きく設
定される。強磁性フリー層２０は、その長さＬfが強磁
性ピンド層４０の長さＬpよりも長い分だけ、その両端
部に、強磁性ピンド層４０の長手方向両端部位置（ライ
ンｈの引き出し線で表示される）よりもさらに延長され
た拡張部位２０ａをそれぞれ備えなるように配置され
る。この拡張部位２０ａは、その長さがＬfeで表示さ
れ、強磁性フリー層２０の一部分を占めている。つま
り、拡張部位２０ａは強磁性ピンド層４０端部からのは
み出し長さ部分と同義である。
アス磁界印加方向と実質的に同じ）の長さＬfは、前記
強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpよりも大きく設
定される。強磁性フリー層２０は、その長さＬfが強磁
性ピンド層４０の長さＬpよりも長い分だけ、その両端
部に、強磁性ピンド層４０の長手方向両端部位置（ライ
ンｈの引き出し線で表示される）よりもさらに延長され
た拡張部位２０ａをそれぞれ備えなるように配置され
る。この拡張部位２０ａは、その長さがＬfeで表示さ
れ、強磁性フリー層２０の一部分を占めている。つま
り、拡張部位２０ａは強磁性ピンド層４０端部からのは
み出し長さ部分と同義である。
【００６３】強磁性フリー層２０の長手方向の長さＬf
は、０．５〜２０μｍ程度とされる。また、強磁性ピン
ド層４０の長手方向長さＬpとの関係で規定される強磁
性ピンド層４０の拡張部位２０ａの長さＬfeは、０．１
〜５μｍ程度とされる。
は、０．５〜２０μｍ程度とされる。また、強磁性ピン
ド層４０の長手方向長さＬpとの関係で規定される強磁
性ピンド層４０の拡張部位２０ａの長さＬfeは、０．１
〜５μｍ程度とされる。
【００６４】このような強磁性フリー層２０の両端の拡
張部位２１に、バイアス付与手段６１，６１が積層状態
で接続される。バイアス付与手段６１，６１が積層され
た部分は、拡張部位２０ａと交換結合され、磁化方向は
矢印（α１）方向に固着される。バイアス付与手段６
１，６１は、それぞれ、図３に示されるように前記強磁
性ピンド層４０の長手方向両端部からそれぞれ一定のス
ペースＤを確保して形成されている。
張部位２１に、バイアス付与手段６１，６１が積層状態
で接続される。バイアス付与手段６１，６１が積層され
た部分は、拡張部位２０ａと交換結合され、磁化方向は
矢印（α１）方向に固着される。バイアス付与手段６
１，６１は、それぞれ、図３に示されるように前記強磁
性ピンド層４０の長手方向両端部からそれぞれ一定のス
ペースＤを確保して形成されている。
【００６５】このような一定のスペースＤは、ヘッドの
設計仕様を決定する際に、ＴＭＲ変化率特性を実質的に
低下させないようにするために所定範囲に定めることが
望ましい。具体的数値は、ヘッド仕様、例えば、用いる
構成部材の材質や、寸法設定等により適宜設定すること
が望ましい。特に、より好ましい態様として実験的に見
出された数値を挙げるならば、前記一定のスペースＤ
は、０．０２μｍ以上、特に、０．０２μｍ以上０．３
μｍ以下の範囲、さらには０．０２μｍ以上０．１５μ
ｍ未満の範囲とすることが好ましい。このＤの値が、
０．０２μｍ未満となると、ＴＭＲ変化率が低下する傾
向にある。この一方で、このＤ値が大きくなり過ぎて、
０．３μｍを超えると、有効トラック幅が広がってしま
い高記録密度化への将来の要求に合致しなくなる傾向が
生じる。有効トラック幅を特に重点的に考慮すると、Ｄ
値は０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１
５μｍを含まない）とすることが好ましい。
設計仕様を決定する際に、ＴＭＲ変化率特性を実質的に
低下させないようにするために所定範囲に定めることが
望ましい。具体的数値は、ヘッド仕様、例えば、用いる
構成部材の材質や、寸法設定等により適宜設定すること
が望ましい。特に、より好ましい態様として実験的に見
出された数値を挙げるならば、前記一定のスペースＤ
は、０．０２μｍ以上、特に、０．０２μｍ以上０．３
μｍ以下の範囲、さらには０．０２μｍ以上０．１５μ
ｍ未満の範囲とすることが好ましい。このＤの値が、
０．０２μｍ未満となると、ＴＭＲ変化率が低下する傾
向にある。この一方で、このＤ値が大きくなり過ぎて、
０．３μｍを超えると、有効トラック幅が広がってしま
い高記録密度化への将来の要求に合致しなくなる傾向が
生じる。有効トラック幅を特に重点的に考慮すると、Ｄ
値は０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１
５μｍを含まない）とすることが好ましい。
【００６６】図３に例示されたＴＭＲヘッド１全体の構
成、特に上述していない部材を中心にして簡単に説明し
ておくと、本実施の形態においては、ＴＭＲ多層膜の両
端部外方には、図示のごとく例えばアルミナからなる絶
縁層１１１，１１１および絶縁層１１２，１１２が形成
される。これにより、バイアス付与手段６１，６１とト
ンネルバリア層３０の絶縁などが確実に行なわれるよう
になっている。
成、特に上述していない部材を中心にして簡単に説明し
ておくと、本実施の形態においては、ＴＭＲ多層膜の両
端部外方には、図示のごとく例えばアルミナからなる絶
縁層１１１，１１１および絶縁層１１２，１１２が形成
される。これにより、バイアス付与手段６１，６１とト
ンネルバリア層３０の絶縁などが確実に行なわれるよう
になっている。
【００６７】強磁性トンネル磁気抵抗効果について簡単
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。両強磁性層２０，４
０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、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。
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。両強磁性層２０，４
０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、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。
【００６８】
【実施例】上述してきたトンネル磁気抵抗効果素子（Ｔ
ＭＲ素子）に関する発明を、以下に示す具体的実施例に
よりさらに詳細に説明する。
ＭＲ素子）に関する発明を、以下に示す具体的実施例に
よりさらに詳細に説明する。
【００６９】（実験例Ｉ）
【００７０】下記に示すような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（Ａｌ２Ｏ３
付きのＡｌＴｉＣ）の上に、電極層７１（Ｃｕ；厚さ７
００Å）、下地層（Ｔａ；厚さ１００Å）、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（ＣｏＦｅ；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１００Å）、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１μｍ×１μｍの大きさとし
た。
子サンプルを作製した。すなわち、基板５（Ａｌ２Ｏ３
付きのＡｌＴｉＣ）の上に、電極層７１（Ｃｕ；厚さ７
００Å）、下地層（Ｔａ；厚さ１００Å）、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（ＣｏＦｅ；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１００Å）、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１μｍ×１μｍの大きさとし
た。
【００７１】このように膜設計されたＴＭＲ素子につい
て、必要に応じて上記（ｉ）〜（Ｖ）の手法を用いてト
ンネルバリア層表面の表面粗さを下記表１に示すように
種々変えたサンプルを作製した。
て、必要に応じて上記（ｉ）〜（Ｖ）の手法を用いてト
ンネルバリア層表面の表面粗さを下記表１に示すように
種々変えたサンプルを作製した。
【００７２】なお、トンネルバリア層表面の表面粗さを
測定するに際しては、積層状態が分かるようにサンプル
を積層方向に切断し、具体的に、高分解能透過電子顕微
鏡（ＴＥＭ）や走査型２次電子顕微鏡（Ｓ−ＴＥＭ）を
用いて測定した。測定範囲は表面粗さ測定用の専用パタ
ーンを形成し、１０μｍ×１０μｍとした。
測定するに際しては、積層状態が分かるようにサンプル
を積層方向に切断し、具体的に、高分解能透過電子顕微
鏡（ＴＥＭ）や走査型２次電子顕微鏡（Ｓ−ＴＥＭ）を
用いて測定した。測定範囲は表面粗さ測定用の専用パタ
ーンを形成し、１０μｍ×１０μｍとした。
【００７３】なお、実際のＴＭＲ素子の大きさは、
（０．１５μｍ×０．１５μｍ）〜（１μｍ×１μｍ）
程度の大きさのものが一般的である。これらの素子にお
いても、Ｒａ、Ｒmax、およびＲrmsが本発明のクレーム
範囲内にあることが必須であるが、一般には測定範囲が
広くなると粗さの諸量は大きくなっていく傾向がある。
（０．１５μｍ×０．１５μｍ）〜（１μｍ×１μｍ）
程度の大きさのものが一般的である。これらの素子にお
いても、Ｒａ、Ｒmax、およびＲrmsが本発明のクレーム
範囲内にあることが必須であるが、一般には測定範囲が
広くなると粗さの諸量は大きくなっていく傾向がある。
【００７４】下記表１に示される種々の実験用ＴＭＲ素
子サンプルを用いて、下記の要領でＴＭＲ変化率（％）
を求めた。
子サンプルを用いて、下記の要領でＴＭＲ変化率（％）
を求めた。
【００７５】ＴＭＲ変化率（％）
【００７６】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。
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。
【００７７】 ＴＭＲ変化率（％）＝（Ｒmax−Ｒmin）／Ｒmin ×１００ …式（１）
【００７８】結果を下記表１に示した。
【００７９】
【表１】
【００８０】表１に示される結果より、ＴＭＲ変化率を
向上させるためには、表面粗さの状態を示す３つのパラ
メータ全てが本発明の範囲を満たさなければならないこ
とがわかる。
向上させるためには、表面粗さの状態を示す３つのパラ
メータ全てが本発明の範囲を満たさなければならないこ
とがわかる。
【００８１】
【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強磁性フリー
層と強磁性ピンド層が積層されたトンネル多層膜を有す
るトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバ
リア層表面の表面粗さの状態を示す３つの指標である、
中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmaxが１
０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下であ
るように構成されているので、ＴＭＲ変化率が大きくな
り、大きなヘッド出力が得られる。
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強磁性フリー
層と強磁性ピンド層が積層されたトンネル多層膜を有す
るトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバ
リア層表面の表面粗さの状態を示す３つの指標である、
中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmaxが１
０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下であ
るように構成されているので、ＴＭＲ変化率が大きくな
り、大きなヘッド出力が得られる。
【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。
素子の好適な一例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果
素子の他の好適な一例を示す断面図である。
素子の他の好適な一例を示す断面図である。
【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抵抗効果型ヘッドに発展させた場合
の一例を示す断面図である。
素子をトンネル磁気抵抗効果型ヘッドに発展させた場合
の一例を示す断面図である。
１…トンネル磁気抵抗効果素子 ３…トンネル多層膜 ５…基板 ２０…強磁性フリー層 ３０…トンネルバリア層 ４０…強磁性ピンド層 ７１，７５…電極(層)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−11333（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−120470（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−293483（ＪＰ，Ａ) 特開2000−215415（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−105928（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−175920（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−134620（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−57261（ＪＰ，Ａ) 特開2001−6130（ＪＰ，Ａ) 特開2001−36165（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/26 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (11)
- 【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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、 前記トンネルバリア層の表裏２つの表面における各々の
表面状態は、その表面粗さの状態を示す３つの指標であ
る、中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmax
が１０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下
であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項２】 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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、該トンネル磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層を成
膜する直前の層がガスクラスターイオンビーム法で平滑
化処理されており、 前記トンネルバリア層の表裏２つの表面における各々の
表面状態は、その表面粗さの状態を示す３つの指標であ
る、中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmax
が１０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下
であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項３】 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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、該トンネル磁気抵抗効果素子は、前記トンネル多層膜が
形成される前の下地層表面がガスクラスターイオンビー
ム法によって平滑化処理されており、 前記トンネルバリア層の表裏２つの表面における各々の
表面状態は、その表面粗さの状態を示す３つの指標であ
る、中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmax
が１０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下
であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項４】 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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、前記強磁性フリー層は、その長手方向両端部にそれぞれ
配置されたバイアス付与手段によって、強磁性フリー層
の長手方向にバイアス磁界が印加されるようになってお
り、 前記トンネルバリア層の表裏２つの表面における各々の
表面状態は、その表面粗さの状態を示す３つの指標であ
る、中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmax
が１０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下
であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項５】 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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、前記強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic fer
rimagnet)であり、 前記トンネルバリア層の表裏２つの表面における各々の
表面状態は、その表面粗さの状態を示す３つの指標であ
る、中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmax
が１０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下
であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項６】 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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、前記強磁性ピンド層は、合成フェリ磁石(synthetic fer
rimagnet)であり、 前記トンネルバリア層の表裏２つの表面における各々の
表面状態は、その表面粗さの状態を示す３つの指標であ
る、中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmax
が１０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下
であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項７】 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強磁性フリー層と強磁性ピ
ンド層が積層されたトンネル多層膜を有するトンネル磁
気抵抗効果素子であって、前記トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むよう
に対向配置された一対の電極と電気的に接合されてお
り、 前記トンネルバリア層の表裏２つの表面における各々の
表面状態は、その表面粗さの状態を示す３つの指標であ
る、中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下、最大高さＲmax
が１０ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが１．２ｎｍ以下
であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項８】 前記トンネルバリア層表面の表面粗さ
の状態を示す３つの指標である、中心線平均粗さＲａが
０．００１〜１ｎｍ、最大高さＲmaxが０．０１〜１０
ｎｍ、標準偏差粗さＲrmsが０．００１〜１．２ｎｍで
ある請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のトンネ
ル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項９】 前記トンネル磁気抵抗効果素子は、基体
のうえに形成された下地層の上に、強磁性フリー層、ト
ンネルバリア層、強磁性ピンド層、強磁性ピンド層の磁
化をピン止めするためのピン止め層を順次備えてなる形
態を有する請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の
トンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項１０】 前記トンネル磁気抵抗効果素子は、基
体のうえに形成された下地層の上に、強磁性ピンド層の
磁化をピン止めするためのピン止め層、強磁性ピンド
層、トンネルバリア層、強磁性フリー層を順次備えてな
る形態を有する請求項１ないし請求項８のいずれかに記
載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項１１】 前記一対の電極を挟むように対向配置
された一対のシールド層を備えてなる請求項７に記載の
トンネル磁気抵抗効果素子。
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|---|---|---|---|
| JP20844199A JP3331397B2 (ja) | 1999-07-23 | 1999-07-23 | トンネル磁気抵抗効果素子 |
| US09/538,470 US6483675B1 (en) | 1999-07-23 | 2000-03-30 | Tunnel magnetoresistance effect element |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20844199A JP3331397B2 (ja) | 1999-07-23 | 1999-07-23 | トンネル磁気抵抗効果素子 |
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|---|---|
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| JP3331397B2 true JP3331397B2 (ja) | 2002-10-07 |
Family
ID=16556272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20844199A Expired - Lifetime JP3331397B2 (ja) | 1999-07-23 | 1999-07-23 | トンネル磁気抵抗効果素子 |
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-
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- 2000-03-30 US US09/538,470 patent/US6483675B1/en not_active Expired - Lifetime
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