JP4140616B2 - トンネル磁気抵抗効果素子、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ及び磁気ディスク装置、並びに該トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、検査方法及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号磁界を検出して磁界強度に応じた抵抗変化を示すトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果素子、このＴＭＲ効果素子を備えた薄膜磁気ヘッド、この薄膜磁気ヘッドを備えたヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）及びこのＨＧＡを備えた磁気ディスク装置（ＨＤＤ）に関する。さらに、本発明は、ＴＭＲ効果素子の検査方法及び検査装置、並びに製造方法に関する。

ＨＤＤの大容量小型化に伴い、薄膜磁気ヘッドにおいてさらなる高感度化かつ高出力化が要求されている。この要求に対応すべく、現在信号磁界の読み出しに応用されているＧＭＲ効果の２倍以上の抵抗変化率が期待できるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が注目されている。実際に、読み出し用のＴＭＲ効果素子を備えた薄膜磁気ヘッドの開発が積極的に行われている。

ＴＭＲ効果素子は、磁化方向が固定されている磁化固定層と印加される磁界に応じて磁化方向が可変の磁化自由層との間に、トンネル効果のエネルギー障壁として作用するトンネル絶縁層が挟まれた構造を有している。このトンネル絶縁層の存在によって、ＴＭＲ効果素子は、他の磁気抵抗（ＭＲ）効果素子と比べて素子抵抗値が高くなっている。このように素子抵抗が高いと、一般に素子抵抗と浮遊容量とがローパスフィルタ回路を形成し、素子のカットオフ周波数が低下して高記録密度に不可欠な高周波化が妨げられてしまう。さらに、素子内の電導を担う電子のランダム運動に由来するショットノイズも大きくなる。この結果、素子出力のＳＮ比が低下してしまう。

一方、近年、より高い記録密度を実現するために、垂直磁気記録方式を用いたＨＤＤが導入されつつある。垂直磁気記録方式においては、従来の長手磁気記録方式に比べて媒体ノイズのレベルが高いので、磁気ヘッドに対する低ノイズ化の要求は相対的に緩和されている。従って、垂直磁気記録方式において読み出し用にＴＭＲ効果素子を用いることは、同素子の高出力が生かせる点で非常に有望である。しかしながら、垂直磁気記録方式においても、さらなる高記録密度化に対応するためには、より高い周波数に対応しつつＳＮ比を向上させるべく、素子抵抗の低減が不可避となりつつある。

また、ＴＭＲ効果素子においては、電流が、金属体のみならず、トンネル絶縁層という誘電体を流れる。この誘電体を流れるトンネル電流の特性によって、素子抵抗の温度係数は負値側に傾く。この温度係数がある程度の大きな負値をとるＴＭＲ効果素子が磁気ヘッドに用いられた場合、温度係数が金属電導としての正値をとるＧＭＲヘッドの場合と同様に、環境温度の変化によって抵抗変化に起因する出力の不安定化が生じる場合がある。特に、素子と媒体との接触によるサーマルアスペリティが問題となっていた。

これらの問題への対処として、特許文献１においては、素子（ヘッド）の抵抗値の温度勾配がフラットなＴＭＲ効果素子を有する薄膜磁気ヘッドが開示されている。また、特許文献２においては、サーマルアスペリティの回避のために、トンネル接合磁気抵抗効果膜の抵抗値が５×１０^−５Ωｃｍ^２以下に制限されている。さらに、特許文献３においては、トンネル絶縁層形成の際に金属層の酸化がＵＶ光によって支援されると共に抵抗値が１０ｋΩμｍ^２未満に制限されている。

また、特許文献４においては、抵抗体がＴＭＲ効果素子に並列接続されており、素子抵抗値、抵抗体の抵抗値及び素子抵抗値と素子断面積との積ＲＡが規定された薄膜磁気ヘッドが開示されている。さらに、特許文献５においては、トンネル電流路に並列に形成された電流路を備えた強磁性トンネル接合素子を開示しており、この並列に形成された電流路として（トンネル）絶縁層に形成されたピンホールを挙げている。
特開２００４−１８５６７６号公報 特開２００３−２０８７０８号公報 特開２００３−５０７８８４号公報 特開２００４−２３４７５５号公報 特開２００２―２１７４７１号公報

上述したごときＴＭＲ効果素子又は同素子を有する薄膜磁気ヘッドによると、素子の抵抗値又は抵抗の温度係数を所定の範囲に制限しても、なお、ポッピングノイズが相当発生するという問題が生じていた。

ＴＭＲ効果素子においては、上述したように、素子抵抗の低減化が重要な課題となっているが、この点に関して、従来、例えば特許文献１にも記載されているように、「トンネルバリア層中のピンホールの割合が増大するほど」、素子（ヘッド）の「抵抗の絶対値が低減」するとされてきた。さらにその結果として、「ノイズの低減を達成することができる」と考えられてきた。確かに、素子抵抗の低減とともに抵抗依存型のショットノイズ等は低下する。

しかしながら、一方で、素子によってはポッピングノイズが増大し、ノイズの程度によっては再生エラー等の不都合を生じさせていた。すなわち、特許文献１〜５に記載された素子のように、素子抵抗に関して所定の規定を有するものであっても、ポッピングノイズが相当発生する場合が生じてしまうので、ノイズの低減によってＳＮ比を改善するとともに再生エラーを防止することが非常に困難となっていた。

ここで、従来、ＴＭＲ効果素子に発生するポッピングノイズとしては、バルクハウゼンノイズ等、ＴＭＲ効果素子内の磁化状態に起因する磁気的要因によるもののみが知られていた。しかしながら、上述したように、実際には原因及び強弱を決定する要因が完全に解明されていないポッピングノイズが発生する場合が生じており、対策を講じることが非常に困難であった。

従って、本発明の目的は、素子抵抗が十分に低減されており、しかもポッピングノイズの発生が制限されたＴＭＲ効果素子、このＴＭＲ効果素子を備えた薄膜磁気ヘッド、この薄膜磁気ヘッドを備えたＨＧＡ及びこのＨＧＡを備えたＨＤＤを提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、素子抵抗が十分に低減されており、しかもポッピングノイズの発生が制限されたＴＭＲ効果素子の検査方法及び検査装置、並びに製造方法を提供することにある。

本発明について説明する前に、明細書において用いられる用語の定義を行う。基板の素子形成面に形成された、ＴＭＲ効果素子又は薄膜磁気ヘッドの積層構造において、基準となる層よりも素子形成面側にある層又はその部分は「下部」とし、又は「下」にあるとし、素子形成面とは反対側にある層又はその部分は「上部」とし、又は「上」にあるとする。

本発明によれば、金属酸化物を主成分とするトンネルバリア層と、このトンネルバリア層を挟持して積層された２つの強磁性層とを備えたＴＭＲ効果素子であって、このトンネルバリア層が多数の電荷サイトを含んでおり、この多数の電荷サイトのトンネルバリア層内での密度ｎと、この多数の電荷サイトに起因してトラップされた電子の移動度μとが、ｎ_Ｓ１及びｎ_Ｓ２をそれぞれ信号の読み出しの際の素子抵抗最小時及び最大時のトンネル電子の密度とし、μ_０をトラップされない場合の電子の移動度とした場合に、０＜（ｎ_Ｓ１ ^−１−ｎ_Ｓ２ ^−１）^−１・（μ_０−μ）・（ｎμ）^−１＜０.２で表される関係を満たすＴＭＲ効果素子が提供される。

ここで、電荷サイトとは、電導を担う電子のトラップに関与する又は関与させるサイトであり、具体的には、同層中の金属正イオン又は金属原子の近傍の電子をトラップし得る領域を指す。この電荷サイトの中心である金属正イオン又は金属原子の周囲には酸素欠陥が生じている。その結果、同欠陥位置に捕獲（トラップ）され、さらには同欠陥位置から放出される電子が、電荷キャリアとなる。

本発明によるトンネルバリア層は、このような電荷サイトを多数含むことに起因して、適度な電気抵抗体的性質を有するに至っている。その結果、本発明によるＴＭＲ効果素子の素子抵抗は、従来に比べて十分に小さくなっている。

さらに、トンネルバリア層におけるｎ及びμが、０＜（ｎ_Ｓ１ ^−１−ｎ_Ｓ２ ^−１）^−１・（μ_０−μ）・（ｎμ）^−１＜０.２を満たすことによって、従来問題となっていた低抵抗化によるポッピングノイズの増大という弊害が、後述するように確実に回避される。その結果、素子出力の高周波特性が向上し、ＨＤＤ等の装置として使用可能なＳＮ比を有するＴＭＲ効果素子が実現される。

本発明によれば、また、金属酸化物を主成分とするトンネルバリア層と、このトンネルバリア層を挟持して積層された２つの強磁性層とを備えたＴＭＲ効果素子であって、このトンネルバリア層が、多数の電荷サイトを含んでおり、この多数の電荷サイトの存在によって、ＴＭＲ効果素子を磁気的に飽和させた状態でトンネルバリア層の層面に垂直な方向にバイアス電圧を５μ秒以上印加した際に、電気的ポッピング出力電圧が発生し、この電気的ポッピング出力電圧をΔＶ _Ｐ とし、素子出力電圧をΔＶ _Ｓ とすると、ΔＶ _Ｐ が、０＜ΔＶ _Ｐ ／ΔＶ _Ｓ ＜０.２の関係を満たすＴＭＲ効果素子が提供される。

本願発明者等は、ＴＭＲ効果素子において低減化が課題であったポッピングノイズを詳細に分析し、ポッピングノイズを、素子の磁化状態に起因する出力電圧と電気的ポッピング出力電圧とに分離することに初めて成功した。さらに、電気的ポッピング出力電圧が、上述した電荷サイトと関係していることを突き止め、本発明に到達した。すなわち、電荷サイトが存在しており、電気的ポッピング出力電圧が適度に発生している本発明のＴＭＲ効果素子においては、素子の抵抗値が十分に小さくなる一方、ＨＤＤ等の装置として使用可能なＳＮ比が確保される。

また、従来においては、発生するポッピングノイズの原因及び強弱を決定する要因が完全には解明されていなかった。従って、低抵抗化することはできても、同ノイズの制御を行うことができなかった。しかしながら、本発明によれば、ポッピングノイズから電気的ポッピング出力を分離し評価することによって、低抵抗化を実現した上でノイズ対策を講じることが可能となる。なお、素子を一旦作製すれば、発生する電気的ポッピング出力電圧は、安定しており十分に制御可能である。

ここで、発生する電気的ポッピング出力電圧をΔＶ_Ｐとし、素子出力電圧をΔＶ_Ｓとすると、ΔＶ_Ｐが、０＜ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ＜０.２の関係を満たすことによって、電荷サイトの存在によって低抵抗化が実現した上で、さらに低抵抗化によるポッピングノイズの増大が確実に回避される。その結果、素子出力の高周波特性が向上し、ＨＤＤ等の装置として使用可能なＳＮ比を有するＴＭＲ効果素子が実現される。

また、トンネルバリア層が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうち１つ若しくは２つ以上の元素からなる金属若しくは合金と酸素との化合物、又はこの金属若しくは合金にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＰのうちこの金属若しくは合金よりも酸化の自由エネルギーが低い１つ若しくは２つ以上の元素が添加された合金と酸素との化合物を主成分とすることが好ましい。

また、トンネルバリア層が、金属層を、酸素分子、酸素原子、酸素イオン、オゾン（Ｏ_３）及び酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）のうち１つ又は２つ以上を含む雰囲気中で酸化させることによって形成されていることが好ましい。ここで、この金属層が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうち１つ若しくは２つ以上の元素からなる金属若しくは合金、又はこの金属若しくは合金にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＰのうちこの金属若しくは合金よりも酸化の自由エネルギーが低い１つ若しくは２つ以上の元素が添加された合金であることが好ましい。

金属層の酸化用の気体として、特にＯ_３及びＮ_２Ｏは、酸素よりも分子量が大きいので、通常の酸素ガスを用いた場合よりも多くの酸素欠陥を発生させ、結果としてより多くの電荷サイトを含んだ層を形成可能とする。また、酸素分子、酸素原子及び酸素イオンを含む雰囲気においても、これらの成分の分圧、金属層の温度等を制御することによって、電荷サイトを十分に形成することが可能となる。

また、上述したようにＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＰから選択された酸化の自由エネルギーがより低い添加元素は、トンネルバリア層内において電荷サイト形成に寄与する金属正イオン又は金属原子となり易い。すなわち、これらの元素の添加によって、同層内に電荷サイトを積極的に形成することが可能となる。

本発明によれば、さらに、データの読み出し手段として、上述したＴＭＲ効果素子を少なくとも１つ備えており、データの書き込み手段として、書き込み磁気ヘッド素子を少なくとも１つ備えた薄膜磁気ヘッドが提供される。

本発明によれば、さらにまた、上述の薄膜磁気ヘッドと、この薄膜磁気ヘッドが備えているＴＭＲ効果素子及び書き込み磁気ヘッド素子への信号線と、この薄膜磁気ヘッドを支持する支持機構とを備えたＨＧＡが提供される。

本発明によれば、さらにまた、上述のＨＧＡと磁気ディスクとをそれぞれ少なくとも１つ備えており、ＴＭＲ効果素子及び書き込み磁気ヘッド素子による読み出し及び書き込み動作を制御するための記録再生回路をさらに備えたＨＤＤが提供される。

本発明によれば、さらにまた、ＴＭＲ効果素子に外部磁界を印加することによって、このＴＭＲ効果素子を磁気的に飽和させた状態とし、次いでこのＴＭＲ効果素子の層面に垂直な方向にバイアス電圧を５μ秒以上印加した際に、素子出力電圧に発生した電気的ポッピング出力電圧を計測し、この計測した結果からＴＭＲ効果素子の評価を行うＴＭＲ効果素子の検査方法が提供される。ここで、電気的ポッピング出力電圧をΔＶ_Ｐとし、素子出力電圧をΔＶ_Ｓとすると、ΔＶ_Ｐが、０＜ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ＜０.２の関係を満たす場合に、このＴＭＲ効果素子を良品であると評価することが好ましい。

従来、ＴＭＲ効果素子に発生するポッピングノイズの原因及び強弱を決定する要因が完全には解明されていなかったため、同素子におけるノイズの検査及び評価が困難であった。しかしながら、本発明による検査方法によれば、外部磁界の印加によって、素子を磁気的に飽和させた状態においても発生する電気的ポッピングノイズを、素子の磁化状態に起因するノイズから分離し評価することが可能となる。その結果、低抵抗化とＨＤＤ等の装置として使用可能なＳＮ比の確保とを共に実現し得るＴＭＲ効果素子を選別することが可能となる。

本発明によれば、さらにまた、上述した検査方法を用いた選別工程を含むＴＭＲ効果素子の製造方法であって、第１の強磁性層を形成した後、この第１の強磁性層上に金属層を形成し、次いで、この金属層を、酸素分子、酸素原子、酸素イオン、オゾン及び酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）のうちの１つ又は２つ以上を含む雰囲気中で酸化させることによってトンネルバリア層を形成し、このトンネルバリア層上に第２の強磁性薄膜層を形成することによって、ＴＭＲ効果積層体を形成する工程と、このＴＭＲ効果積層体を主要部として形成されたＴＭＲ効果素子を上述した検査方法を用いて選別する工程とを含むＴＭＲ効果素子の製造方法が提供される。

本発明によれば、さらにまた、上述したＴＭＲ効果素子の製造方法を含む薄膜磁気ヘッドの製造方法であって、ＴＭＲ効果素子の製造方法によってスライダ基板ウエハ上にＴＭＲ効果素子を形成した後、このスライダ基板ウエハを、ＴＭＲ効果素子が一列状に並んだバー部材に切断し、次いで、このバー部材を研磨してＭＲハイト加工を行った後に、上述した検査方法を用いてバー部材上のＴＭＲ効果素子を選別する薄膜磁気ヘッドの製造方法が提供される。なお、スライダ基板ウエハ上にＴＭＲ効果素子を形成した後であって、バー部材に切断する前に、上述した検査方法を用いてウエハ上のＴＭＲ効果素子を選別してもよい。

本発明によれば、さらにまた、上述したＴＭＲ効果素子の製造方法を含む薄膜磁気ヘッドの製造方法であって、このＴＭＲ効果素子の製造方法によってスライダ基板ウエハ上にＴＭＲ効果素子を形成した後、ライダ基板ウエハを、ＴＭＲ効果素子が一列状に並んだバー部材に切断し、次いで、このバー部材を研磨してＭＲハイト加工を行った後に、このバー部材を個々の薄膜磁気ヘッドに切断分離し、その後、上述した検査方法を用いて個々の薄膜磁気ヘッドを選別する薄膜磁気ヘッドの製造方法が提供される。

本発明によれば、さらにまた、ＴＭＲ効果素子に外部磁界を印加して磁気的に飽和した状態とするための磁界印加手段と、ＴＭＲ効果素子にバイアス電圧を５μ秒以上印加する電圧印加手段と、ＴＭＲ効果素子の素子出力電圧に発生する電気的ポッピング出力電圧を計測する手段と、計測された電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐと素子出力電圧ΔＶ_Ｓとから、ＴＭＲ効果素子の評価を行う手段とを備えたＴＭＲ効果素子の検査装置が提供される。ここで、評価を行う手段が、ΔＶ_Ｐが０＜ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ＜０.２の関係を満たす場合はこのＴＭＲ効果素子が良品であると評価する手段であることが好ましい。

本発明によれば、ＴＭＲ効果素子の素子抵抗を十分に低減し、しかもポッピングノイズの発生を制限することができる。その結果、素子出力の高周波特性が向上し、ＨＤＤ等の装置として使用可能なＳＮ比が確保される。

以下に、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一の要素は、同一の参照番号を用いて示されている。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。

図１は、本発明によるＨＤＤの一実施形態における要部の構成を概略的に示す斜視図であり、図２は、本発明によるＨＧＡの一実施形態を示す斜視図である。また、図３（Ａ）は、図２の実施形態におけるＨＧＡの先端部に装着されている薄膜磁気ヘッド（スライダ）を示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の磁気ヘッド素子３２の一実施形態を概略的に示す平面図である。

図１において、１０は、スピンドルモータ１１の回転軸の回りを回転する複数の磁気ディスク、１２は、薄膜磁気ヘッド（スライダ）２１をトラック上に位置決めするためのアセンブリキャリッジ装置、１３は、この薄膜磁気ヘッドの書き込み及び読み出し動作を制御するための記録再生回路をそれぞれ示している。

アセンブリキャリッジ装置１２には、複数の駆動アーム１４が設けられている。これらの駆動アーム１４は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１５によってピボットベアリング軸１６を中心にして角揺動可能であり、この軸１６に沿った方向にスタックされている。各駆動アーム１４の先端部には、ＨＧＡ１７が取り付けられている。各ＨＧＡ１７には、薄膜磁気ヘッド（スライダ）２１が、各磁気ディスク１０の表面に対向するように設けられている。磁気ディスク１０、駆動アーム１４、ＨＧＡ１７及びスライダ２１は、単数であってもよい。

記録再生回路１３は、図示していないが、記録再生制御ＬＳＩと、記録再生制御ＬＳＩから記録データを受け取るライトゲートと、ライトゲートからの信号を後述する書き込み用の電磁コイル素子に出力するライト回路と、後述する読み出し用のＴＭＲ効果素子にセンス電流を供給する定電流回路と、ＴＭＲ効果素子の素子出力電圧を増幅する増幅器と、記録再生制御ＬＳＩに対して再生データを出力する復調回路とを備えている。

図２に示すように、ＨＧＡ１７は、サスペンション２０の先端部に、磁気ヘッド素子を有するスライダ２１を固着し、さらにそのスライダ２１の端子電極に配線部材２５の一端を電気的に接続して構成される。

サスペンション２０は、ロードビーム２２と、このロードビーム２２上に固着され支持された弾性を有するフレクシャ２３と、ロードビーム２２の基部に設けられたベースプレート２４と、フレクシャ２３上に設けられておりリード導体及びその両端に電気的に接続された接続パッドからなる配線部材２５とから主として構成されている。なお、図示されていないが、サスペンション２０の途中にヘッド駆動用ＩＣチップを装着してもよい。

図３（Ａ）に示すように、本実施形態における薄膜磁気ヘッド（スライダ）２１は、適切な浮上量を得るように加工されたＡＢＳ３０と、素子形成面３１上に形成された磁気ヘッド素子３２と、素子形成面３１上に形成された被覆層４４の層面から露出した４つの信号端子電極３５とを備えている。ここで、磁気ヘッド素子３２は、読み出し用のＴＭＲ効果素子３３と、書き込み用の電磁コイル素子３４とから構成されている。さらに、４つの信号端子電極３６は、２つ単位でＴＭＲ効果素子３３及び電磁コイル素子３４にそれぞれ接続されている。

ＴＭＲ効果素子３３及び電磁コイル素子３４においては、図３（Ｂ）に示すように、素子の一端がＡＢＳ３０側のヘッド端面３００に達している。これらの端が磁気ディスクと対向することによって、信号磁界の感受による読み出しと信号磁界の印加による書き込みとが行われる。

図４は、図３（Ｂ）の実施形態の磁気ヘッド素子３２における、図３（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、図におけるコイルの巻き数は図を簡略化するため、図３（Ｂ）における巻き数より少なく表されている。各コイル層は１層、２層以上又はヘリカルコイルでもよい。また、図４においては、磁気ディスク１０の断面図も併せて示している。

図４において、２１０はスライダ基板であり、ＡＢＳ３０を有し、書き込み又は読み出し動作時には回転する磁気ディスク表面１０ａ上において流体力学的に所定の浮上量をもって浮上している。このスライダ基板２１０のＡＢＳ３０を底面とした際の一つの側面である素子形成面３１に、読み出し用のＴＭＲ効果素子３３と、書き込み用の電磁コイル素子３４と、素子間を磁気的にシールドするための素子間シールド層４２と、これらの素子を保護する被覆層４４とが主に形成されている。

ＴＭＲ効果素子３３は、ＴＭＲ積層体３３２と、この積層体を挟む位置に配置されている下部電極層３３０及び上部電極層３３４とを含む。ＴＭＲ積層体３３２は、非常に高い感度で磁気ディスク１０からの信号磁界４５を感受する。上下部電極層３３４及び３３０は、それぞれ磁気シールドとしても機能しており、ＴＭＲ積層体３３２が雑音となる外部磁界を受けることを防止する。なお、ＴＭＲ積層体３３２の構成については後に詳述する（図６）。

本実施形態における電磁コイル素子３４は、垂直磁気記録用であり、主磁極層３４０、補助磁極層３４５、主コイル層３４３及びバッキングコイル層３４７を含む。主磁極層３４０は、主コイル層３４３及びバッキングコイル層３４７によって誘導された磁束を、書き込みがなされる磁気ディスク１０の垂直磁気記録層１０１にまで収束させながら導くための磁路である。ここで、バッキングコイル層３４７は、磁気ディスク１０内の軟磁性裏打ち層１０２の磁化による記録ビットの乱れ及び再生出力におけるノイズの増大を防止するために設けられているが、省略されてもよい。

主磁極層３４０は、主磁極主要層３４００及び主磁極補助層３４０１から構成されている。ここで、主磁極層３４０のヘッド端面３００側の端部３４０ａにおける層厚方向の長さ（厚さ）は、この主磁極主要層３４００のみの層厚に相当しており小さくなっている。この結果、高記録密度化に対応した微細な書き込み磁界を発生させることができる。

補助磁極層３４５のヘッド端面３００側の端部は、補助磁極層３４５の他の部分よりも層断面が広いトレーリングシールド部３４５０となっている。補助磁極層３４５にトレーリングシールド部３４５０を設けることによって、トレーリングシールド部３４５０の端部３４５０ａと主磁極層３４０の端部３４０ａとの間において磁界勾配がより急峻になる。この結果、記録ビット間の磁化遷移が急峻に形成され、信号出力のジッタが小さくなって読み出し時のエラーレートを小さくすることができる。なお、主磁極層３４０の端部３４０ａ及びトレーリングシールド部３４５０の磁気ディスク表面１０ａ側の端は、ヘッド端面３００に達しているが、ヘッド端面３００には、極薄の保護膜としてＤＬＣ（Diamond Like Carbon）等のコーディングが施されている。

磁気ディスク１０は、本実施形態において、書き込み用の電磁コイル素子が垂直磁気記録用であることに対応して、垂直磁気記録層１０１及び軟磁性裏打ち層１０２を備えた垂直磁気記録媒体となっている。

なお、本実施形態においては、電磁コイル素子３４及び磁気ディスク１０は、垂直磁気記録用となっているが、当然に従来の長手磁気記録用のものであってもよい。

図５は、図４の実施形態における磁気ヘッド素子３２の製造工程を説明する断面図であり、図４のＡ−Ａ線断面を示している。

以下、同図を用いて本実施形態における薄膜磁気ヘッドの製造工程を説明する。まず、図５（Ａ）に示すように、例えばアルティック（Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ）等から形成されたスライダ基板２１０上に、例えばスパッタリング法によって、例えばＡｌ_２Ｏ_３等からなる厚さ０.０５〜１０μｍ程度の絶縁層４０を積層する。次いで、絶縁層４０上に、例えばめっき法によって、例えばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮ又はＦｅＺｒＮ等からなる厚さ０.３〜３μｍ程度の下部電極層３３０を形成する。

次いで、例えばスパッタリング法、フォトリソグラフィ法及びイオンエッチング法等を用いて、ＴＭＲ積層体３３２及び絶縁層３３３を形成する。ＴＭＲ積層体３３２及び絶縁層３３３の形成方法については後に詳述する。

次いで、例えばめっき法によって、ＴＭＲ積層体３３２及び絶縁層３３３上に、例えばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮ又はＦｅＺｒＮ等からなる厚さ０.３〜４μｍ程度の上部電極層３３４を形成し、ＴＭＲ効果素子３３の形成を完了する。次いで、例えばスパッタリング法によって、上部電極層３３４上に、例えばＡｌ_２Ｏ_３等からなる厚さ０.１〜２.０μｍ程度の下部非磁性層４１を形成する。さらに、例えばスパッタリング法によって、下部非磁性層４１上に、例えばＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮ又はＦｅＺｒＮ等からなる厚さ０.３〜４μｍ程度の素子間シールド層４２を形成する。その後、例えばスパッタリング法によってＡｌ_２Ｏ_３等からなる絶縁膜を成膜して、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法等を用いて平坦化を行うことによって、ＴＭＲ効果素子のヘッド端面３００とは反端側の位置に平坦化層５０を形成する。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、素子間シールド層４２上に、例えばスパッタリング法によって、例えばＡｌ_２Ｏ_３等からなる厚さ０.３〜１.０μｍ程度の第１の中間非磁性層３４６０を形成する。さらに、この第１の中間非磁性層３４６０上に、例えばフレームめっき法等によって、例えばＣｕ等からなる厚さ０.５〜３μｍ程度のバッキングコイル層３４７を形成する。次いで、このバッキングコイル層３４７を覆うように又は同層パターン間を埋めるように、例えば熱硬化されたレジスト層等からなる厚さ０.１〜５μｍ程度の第１のコイル絶縁層３４８を形成する。さらに、このコイル絶縁層３４８（及びバッキングコイル層３４７）を覆うように、例えばスパッタリング法によって、例えばＡｌ_２Ｏ_３等からなる厚さ０.３〜１.０μｍ程度の第２の中間非磁性層３４６１を形成する。その後、例えばＣＭＰ法等によって、第２の中間非磁性層３４６１を平坦化する。

次いで、図５（Ｃ）に示すように、平坦化された第２の中間非磁性層３４６１上に、例えばスパッタリング法又はめっき法等によって、例えばＮｉ、Ｆｅ及びＣｏのうちいずれか２つ若しくは３つからなる合金、又はこれらを主成分として所定の元素が添加された合金等からなる厚さ０.０１〜０.５μｍ程度の主磁極主要層３４００と、同じく例えばスパッタリング法又はめっき法等によって、例えばＮｉ、Ｆｅ及びＣｏのうちいずれか２つ若しくは３つからなる合金、又はこれらを主成分として所定の元素が添加された合金等からなる厚さ０.５〜３μｍ程度の主磁極補助層３４０１とを形成する。

次いで、主磁極補助層３４０１上に、例えばスパッタリング法等によって、例えばＡｌ_２Ｏ_３又はＤＬＣ等からなる厚さ０.０１〜０.５μｍ程度のギャップ層３４１を形成し、次いで、ギャップ層３４１上に、例えば熱硬化されたレジスト層等からなる厚さ０.１〜５μｍ程度の第２のコイル絶縁層３４４０を形成し、この第２のコイル絶縁層３４４０上に、例えばフレームめっき法等によって、例えばＣｕ等からなる厚さ０.５〜３μｍ程度の主コイル層３４３を形成する。さらに、この主コイル層３４３を覆うように、例えば熱硬化されたレジスト層等からなる厚さ０.１〜５μｍ程度の第３のコイル絶縁層３４４１を形成する。

さらに、第３のコイル絶縁層３４４１を覆うように、例えばＮｉ、Ｆｅ及びＣｏのうちいずれか２つ若しくは３つからなる合金、又はこれらを主成分として所定の元素が添加された合金等からなる厚さ約０.５〜５μｍ程度の補助磁極層３４５を形成する。以上の工程によって、電磁コイル素子３４の形成が完了する。最後に、ＴＭＲ効果素子３３及び電磁コイル素子３４を覆うように、例えばＡｌ_２Ｏ_３等からなる絶縁膜を成膜した後、この絶縁膜を例えばＣＭＰ法等を用いて平坦化することによって被覆層４４を形成して、磁気ヘッド素子３２の形成を終了する。

図６は、図４の実施形態のＴＭＲ効果素子３３の主要部であるＴＭＲ積層体３３２の層構成を概略的に示す断面図であり、図４のヘッド端面３００側から見たＢ−Ｂ線断面を示している。

同図において、７０は下部金属層、７１は下地層、７２は反強磁性層、７３は磁化固定層、７４は低抵抗トンネルバリア層、７５は磁化自由層、７６は上部金属層をそれぞれ示している。ここで、下部金属層７０は、下部電極層３３０上に形成されており、ＴＭＲ積層体３３２を下部電極層３３０に電気的に接続する。さらに、上部金属層７６は、この上に上部電極層３３４が形成されることによって、ＴＭＲ積層体３３２を上部電極層３３４に電気的に接続する。従って、磁界検出の際のセンス電流は、上下部電極層間においてＴＭＲ積層体内の各層面に対して垂直な方向に流れることになる。また、絶縁層３３３は、ＭＲ積層体３３２の周囲を取り囲むように形成されている。

なお、図６の絶縁層３３３の位置であって、磁化固定層７３、低抵抗トンネルバリア層７４、磁化自由層７５のトラック幅方向の両側に、隣接トラックからのノイズ磁界を吸収するためのサイド軟磁性層が設けられていてもよい。この場合、このサイド軟磁性層の下方の位置、並びに少なくとも磁化固定層７３及び低抵抗トンネルバリア層７４のトラック幅方向の両端部とサイド軟磁性層との間の位置にサイド絶縁膜が設けられる。このサイド絶縁膜を設けることによって、少なくとも、センス電流が低抵抗トンネルバリア層７４を介さないで流れてしまう現象を回避し、効率良くＴＭＲ出力を取り出すことができる。

さらに、同じく絶縁層３３３の位置であって、磁化固定層７３、低抵抗トンネルバリア層７４、磁化自由層７５のトラック幅方向の両側に、硬磁性材料からなる層を設けて、さらにこの硬磁性材料の層とＴＭＲ積層体３３２との間に薄い絶縁層を介在させることによって、磁化自由層７５にハードバイアス方式によるバイアス磁界を印加してもよい。又は、磁化自由層７５と上部金属層７６との間に、バイアス非磁性層、バイアス強磁性層及びバイアス反強磁性層が順次積層されたインスタックバイアス（in-stack bias）積層体、その他のバイアス手段が設けられていてもよい。これらのバイアス手段は、磁化自由層７５に交換バイアス磁界を印加して磁化自由層７５の単磁区化をより一層促進させる。

反強磁性層７２は、下部金属層７０上に下地層７１を介して形成されている。反強磁性層７２上に積層された磁化固定層７３においては、この反強磁性層７２側から、第１の強磁性膜７３ａ、非磁性膜７３ｂ、第２の強磁性膜７３ｃが順次成膜されて積み重なっており、いわゆるシンセティックフェリ構造となっている。第１の強磁性膜７３ａには、反強磁性層７２との交換結合により交換バイアス磁界が印加されて、これにより磁化固定層７２全体の磁化が安定的に固定される。

磁化固定層７３上に形成された低抵抗トンネルバリア層７４の構成については、本発明の重要なポイントであり、後に詳述する。

低抵抗トンネルバリア層７４上に積層された磁化自由層７５は、この低抵抗トンネルバリア層７４側から、高分極率膜７５ａ及び軟磁性膜７５ｂが順次成膜されて積み重なった構成となっている。磁化自由層７５は、印加される信号磁界に応答して磁化方向が変化するが、磁化固定層７３との間で、低抵抗トンネルバリア層をトンネル効果の障壁とした強磁性トンネル結合を形成している。従って、磁化自由層７５の磁化方向が信号磁界に応答して変化すると、磁化自由層７３のアップ及びダウンスピンバンドの状態密度の変動によってトンネル電流が増減し、結果としてＴＭＲ積層体３３２の電気抵抗値が変化する。この変化量を計測することによって、微弱であって局所的な信号磁界を高感度で確実に検出することができる。ここで、高分極率膜７５ａは必ずしも必要ではなく省略可能である。省略した場合、低抵抗トンネルバリア層７４との界面に存在することになる軟磁性膜７５ｂ相当の抵抗変化率が実現することになる。

このように、ＴＭＲ積層体からなる読み出し用ＴＭＲ効果素子の特性は、強磁性トンネル結合の状態によって決定されており、特に、トンネル障壁となる絶縁層の性質に大きく影響される。一般に、従来のＴＭＲ効果素子は、ＧＭＲ効果素子等の他の磁気抵抗（ＭＲ）効果素子と比べて素子抵抗値が高くなっている。これは、従来のトンネル絶縁（トンネルバリア）層においては、誘電体的性質が支配的であって、トンネル電流が受ける抵抗が高くなることによる。

これに対して、本実施形態の低抵抗トンネルバリア層７４は、電荷サイトを多数含むように形成されている。ここで、電荷サイトとは、電導を担う電子のトラップに関与する又は関与させるサイトであり、具体的には、同層中の金属正イオン又は金属原子の近傍の電子をトラップし得る領域を指す。

また、この電荷サイトの中心である金属正イオン又は金属原子は、酸化が不十分な状態にあり、その周囲に配位する酸素原子（又はイオン）が本来の配位数よりも少なくなる。従って、このような金属正イオン又は金属原子が、酸素欠陥を積極的に発生させている。その結果、全体の電気的中性を維持するために同欠陥位置に電子が発生するとともに、この電子及び印加電圧による外部からの電子のうち、同欠陥位置にトラップされ、さらには同欠陥位置から放出される電子が、電荷キャリアとなる。なお、以上述べたように、電荷サイトは酸素欠陥を伴うものであるが、この酸素欠陥が、ある程度集合することによって微小なボイドを形成している場合や、さらには低抵抗トンネルバリア層が極めて薄い層であることから、ピンホール又はピンホールに近い状態を形成している場合も、電荷サイトに含まれる。ただし、磁化固定層と磁化自由層とが、低抵抗トンネルバリア層の欠陥箇所において接触している場合、この接触部分の形態は、本願におけるピンホールではなく、電荷サイトには含まれない。

以上、低抵抗トンネルバリア層７４は、電荷サイトの存在によって適度な電気抵抗体的性質を有するに至っている。その結果、ＴＭＲ積層体３３２の素子抵抗は、従来に比べて十分に小さくなっている。なお、低抵抗トンネルバリア層７４は、多結晶状態、単結晶状態、又はアモルファス状態のいずれであってもよく、いずれの状態においても同様の現象、効果が生じる。

さらに、低抵抗トンネルバリア層７４においては、この電荷サイトの同層内での密度をｎ（ｃｍ^−３）とし、この電荷サイトに起因してトラップされた電子の移動度をμ（ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）とすると、ｎ及びμが、後に詳しく説明する条件式である、
（１） ０＜（ｎ_Ｓ１ ^−１−ｎ_Ｓ２ ^−１）^−１・（μ_０−μ）・（ｎμ）^−１＜０.２
を満たすように形成されている。ここで、ｎ_Ｓ１及びｎ_Ｓ２（ｃｍ^−３）は、それぞれ素子出力最小時及び最大時のトンネル電子の密度であり、μ_０（ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１）はトラップがない場合の電子の移動度である。

これにより、ＴＭＲ積層体３３２を備えたＴＭＲ効果素子３３においては、素子抵抗が十分小さい上に、ポッピングノイズの発生が再生出力の障害とならない程度以下に制限されている。その結果、カットオフ周波数の低下が防止されて高記録密度に不可欠な高周波化がより容易になり、その上、ショットノイズのみならず、ポッピングノイズも低減するので、ＨＤＤ等の装置として使用可能な素子出力のＳＮ比が確保される。

以下に、本発明に至った経緯について述べるとともに、上述した電荷サイトにおけるｎ及びμの条件式（１）を説明する。

本願発明者等は、ＴＭＲ効果素子からの出力において主に観測されるショットノイズ、１／ｆノイズ及びポッピングノイズを詳細に分析し、ポッピングノイズを、素子の磁化状態に起因する出力電圧と電気的ポッピング出力電圧とに分離することに成功した。

図７は、本願発明者等によるポッピングノイズの分離方法を説明する図である。

図７によれば、ノイズの分離は、３つのステージによって行われる。まず、第１のステージにおいて、外部磁界が無い状態で５秒間、ＴＭＲ効果素子を備えた薄膜磁気ヘッドの出力電圧に発生するポッピングノイズをカウントする。具体的には、記録媒体からの信号磁界の無い状態で通電時に発生するヘッドの出力電圧の二乗平均値の１.２倍の電圧を、ポッピング出力電圧カウント測定の閾値とする。５秒間の測定時間内にこの閾値を超える電圧の回数をカウントする。カウントデータの確からしさを向上させるためにこの操作を３回行う。ここで、ポッピングノイズが観測されない場合、検査対象の薄膜磁気ヘッドは、ポッピングノイズの無い安定した素子として評価される。一方、ポッピングノイズが観測された場合、検査対象の薄膜磁気ヘッドは、次の第２のステージに移行される。

第２のステージにおいては、薄膜磁気ヘッドに６ｋＯｅ（約４８０ｋＡ／ｍ）の外部磁界が印加された状態において、第１のステージと同様に、この薄膜磁気ヘッドの出力電圧に発生するポッピングノイズがカウントされる。ここで、ポッピングノイズが観測されなくなった場合、このポッピングノイズは素子の磁化状態に起因するノイズであるとする。この分類は、例えば、磁壁移動に起因するバルクハウゼンノイズ等は、外部磁界印加によって素子内の磁化が飽和した状態においては消滅することによる。一方、ポッピングノイズがなお観測される場合、このポッピングノイズは、素子の磁化状態に起因するものではなく、電気的であるとする。

次いで、第３のステージにおいて、ポッピングノイズの再現性を確認するために、外部磁界が無い状態でのポッピングノイズのカウントを第１のステージと同様に行う。ここでも第２のステージと同じくポッピングノイズが観測される場合、このポッピングノイズは電気的であることが確認され、第２のステージでは観測されなかったポッピングノイズが観測される場合、このポッピングノイズは素子の磁化状態に起因するものであることが確認される。

さらに、本願発明者等は、前記のような電気的なポッピングノイズを、制御する対象としての電気的ポッピング出力電圧とし、ＴＭＲ効果素子における電気的ポッピング出力電圧が、トンネル絶縁層内に存在する電荷サイトと関係していることを突き止めた。

図８は、複数のＴＭＲ効果素子を備えた薄膜磁気ヘッドについて耐電圧試験を行った結果を表すグラフである。ここで、各ＴＭＲ効果素子の層厚方向の抵抗値と層面積との積ＲＡは４.０Ωμｍ^２であり、トンネルジャンクション面積は０.１１×０.１１μｍ^２である。また、図９は、薄膜磁気ヘッドの出力電圧のパターンを表すグラフである。ここで、出力電圧測定の際、６ｋＯｅ（約４８０ｋＡ／ｍ）の外部磁界を印加しながらバイアス電圧として１５０ｍＶを印加している。さらに、図１０は、電気的ポッピング出力電圧と絶縁破壊電圧との関係を示したグラフである。

図８によれば、絶縁破壊電圧の値は、明確に２つのグループに分かれるが、グループＡは、トンネル絶縁層内に電荷サイトが存在しない場合に対応しており、グループＢは、電荷サイトが存在している場合に対応していることが分かっている。

図９によれば、出力電圧パターンａには、ポッピング出力電圧は現れていないが、出力電圧パターンｂ１及びｂ２においては、電気的ポッピング出力電圧が観測される。このような電気的ポッピング出力電圧は、図１０に示すように、絶縁破壊電圧が小さいグループＢに属する薄膜磁気ヘッドにのみ観測されている。従って、電気的ポッピング出力電圧は、トンネル絶縁層内の電荷サイトが原因であることが理解される。ここで、電荷サイトが多く存在するほど薄膜磁気ヘッドの抵抗値が小さくなるが、電気的ポッピング出力電圧の発生頻度が大きくなる。

以上に述べた実験研究の結果に基づいて、本願発明者等は、素子抵抗が十分に低減されており、しかもポッピングノイズの発生が制限されたＴＭＲ効果素子を得ることができると考えた。その結果、電気的ポッピング出力電圧が発生していても素子出力に悪影響を及ぼさない程度に制限されるように、電荷サイトをトンネルバリア層内に積極的に制限しつつ形成する本発明に到達した。さらに、図７に示したポッピングノイズの分離方法を用いてＴＭＲ効果素子の検査及び製造を行うことを特徴とする本発明に到達した。

ここで、電荷サイトの密度ｎ及びトラップされた電子の移動度μの条件式（１）の説明を行う。

一般に、電導を担う電子の電荷をｅ、密度をｎ_ｅ、及び移動度をμとすると、比抵抗ρは、
（２） ρ＝（ｎ_ｅｅμ）^−１
で表される。電荷サイトによる電子のトラップによって生じる電気的ポッピング出力電圧の場合、ノイズのワンパルスに寄与する最大数の電子の密度ｎ_ｅは、電荷サイトの密度ｎとなる。ここで、電荷サイト数は、トンネルバリア層の大きさ、形状及び形成時点の諸条件で決定されるので、電荷サイト密度ｎは、層形成後において一定値をとる。また、電荷サイトの存在によって発生する電気的ポッピング出力電圧は、トラップされた電子の移動度の瞬間的変化に起因して発生することになる。すなわち、電子がトンネルバリア層を通過する際に、電荷サイトにトラップされる場合とされない場合とのそれぞれの移動度の差が電気的ポッピング出力電圧を引き起こすことになる。

ここで、以下の説明のために、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐと、ＴＭＲ効果素子の読み出し時の素子出力電圧ΔＶ_Ｓとを明確に定義する。図１１（Ａ）は、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐを定義するための、電気的ポッピング出力電圧の測定例を示す素子出力電圧の特性図である。また、図１１（Ｂ）は、素子出力電圧ΔＶ_Ｓを定義するための、素子抵抗ＭＲＲと印加磁界との関係を示す特性図である。

図１１（Ａ）において、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐは、測定時間Ｔ_Ｍ中に観察された電気的ポッピング出力において、出力頂点位置での電圧値と基準電圧値との差の絶対値のうち最大のものとする。すなわち、電気的ポッピング出力のピークの高さ及び谷の深さのうち最大値となる。一方、図１１（Ｂ）においては、素子抵抗値がＭＲＲ_Ｐである際のポッピング出力の最大値が、上述したΔＶ_Ｐ（抵抗値に換算すると、電流をＩとした場合にΔＶ_Ｐ／Ｉ）となる。ここで、ＭＲＲ_Ｐは、各ヘッドに対して、磁化固定層の磁化の向きに磁化自由層の磁化の向きを揃えさせる外部磁界を印加した際の素子抵抗値である。

なお、測定時間Ｔ_Ｍは、ポッピング出力のカウントの確からしさを保証するため、実際に、最短でも５μ秒であることを必要とする。当然に、５μ秒より長い時間、例えば２００μ秒程度でもよい。

一方、ＴＭＲ効果素子の読み出し時の素子出力電圧ΔＶ_Ｓ（抵抗値に換算すると、電流をＩとした場合にΔＶ_Ｓ／Ｉ）は、図１１（Ｂ）において、データ読み出し時における素子抵抗値ＭＲＲ_Ｓを中心にした素子抵抗最大値ＭＲＲ_ＭＡＸと素子抵抗最小値ＭＲＲ_ＭＩＮとの差とする。ここで、ＭＲＲ_Ｓは、無磁界中での素子抵抗値である。

以上の定義をもとにして、ΔＶ_Ｐ及びΔＶ_Ｓの物理的内容を以下に考察する。トンネルバリア層において、電子がトラップされる場合の比抵抗及び移動度を、それぞれρ_Ｐ１及びμとし、トラップされない場合の比抵抗及び移動度を、それぞれρ_Ｐ２及びμ_０とすると、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐは、トンネルバリア層の層面積をＳ、層厚をｌ、電流をＩとした場合に、式（２）を用いて、
（３） ΔＶ_Ｐ＝（ρ_Ｐ１−ρ_Ｐ２）・ｌ／Ｓ・Ｉ
＝（（ｎｅμ_０）^−１−（ｎｅμ）^−１）・ｌ／Ｓ・Ｉ
で表される。

一方、ＴＭＲ効果素子の読み出し時の素子出力電圧ΔＶ_Ｓは、磁化固定層及び磁化自由層の分極率から発生するアップスピン電子及びダウンスピン電子の状態密度のフェルミレベルでの差が、抵抗変化を引き起こすことにより発生する。すなわち、素子出力電圧ΔＶ_Ｓは、伝導を担い得る電子の密度の変化として表すことができる。ここで、トンネル電子の移動度は、トンネルバリア層の層厚ｌ等によって決定される値であり、上述した、電子がトラップされない場合の移動度μ_０に等しい。

ここで、信号を読み取る上で最も素子抵抗が小さい場合のトンネル電子の比抵抗及び密度を、それぞれρ_Ｓ１及びｎ_Ｓ１とし、最も素子抵抗が大きい場合のトンネル電子の比抵抗及び密度を、それぞれρ_Ｓ２及びｎ_Ｓ２とすると、素子出力電圧ΔＶ_Ｓは、
（４） ΔＶ_Ｓ＝（ρ_Ｓ２−ρ_Ｓ１）・ｌ／Ｓ・Ｉ
＝（（ｎ_Ｓ２ｅμ_０）^−１−（ｎ_Ｓ１ｅμ_０）^−１）・ｌ／Ｓ・Ｉ
で表される。

次いで、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐの許容範囲について述べる。

表１に、４つの薄膜磁気ヘッドにおける実施例として、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐ及び素子出力電圧ΔＶ_Ｓとデータ読み出しの際のビットエラーレート（ＢＥＲ）との測定結果を示している。また、図１２は、表１に示した測定結果における、ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_ＳとＢＥＲとの関係を示したグラフである。

表１には、各ヘッドにおけるＭＲＲ_Ｐ及びＭＲＲ_ＳとΔＶ_Ｐ及びΔＶ_Ｓとが計測された結果が順次左側から示されている。さらに、これらの計測値から一般式（２）を用いて算出される、ｎμ、ｎμ_０、ｎ_Ｓ１μ_０及びｎ_Ｓ２μ_０の値も併せて示されている。さらに、この各ヘッドを用いて行ったデータの読み出しの際のＢＥＲの測定結果が最右欄に示されている。表１によれば、４つのヘッドＨ１、Ｈ２、Ｈ３及びＨ４において、素子抵抗値ＭＲＲ_Ｐ及びＭＲＲ_Ｓは、それぞれ２２３.６〜２３９.５Ω及び２４８.２〜２６４.４Ωの範囲内であり、素子出力電圧ΔＶ_Ｓは、３.１１〜３.６６ｍＶの範囲内である。すなわち、これらの４つのヘッドは、素子抵抗及び素子出力において大きな差を持たない同程度のヘッドであることがわかる。

この表１におけるΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓの結果とＢＥＲの測定結果との関係を示したのが図１２である。同図によれば、上述したように、これらの４つのヘッドは素子抵抗及び素子出力において同程度であるにもかかわらず、ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ値が唯一０.２以上の範囲にあるヘッドＨ４においてのみ、ＢＥＲが１０^―４.５を超えて大きくなっている。

ここで、実際の製造現場においては経験的に、同一測定条件下で測定したＢＥＲが１０^―４.５以下のヘッドが良品とされている。従って、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐの許容範囲の上限として、ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ値は０.２未満であることが要求されることが分かる。

一方、絶縁破壊電圧が低いグループに属しており電荷サイトを有するＴＭＲ効果素子でありながら、電気的ポッピング出力電圧をほとんど発生させないＴＭＲ効果素子も存在するので、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐにおいては、有限値すなわち信号出力の０％を超えた値が下限値となる。従って、
（５） ０＜ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ＜０.２
が、条件式となる。

式（３）及び（４）を用いると、ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓは、
（６） ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ＝（（ｎｅμ_０）^−１−（ｎｅμ）^−１）・
（（ｎ_Ｓ２ｅμ_０）^−１−（ｎ_Ｓ１ｅμ_０）^−１）^−１
＝（ｎ_Ｓ１ｎ_Ｓ２μ_０（μ−μ_０））・（ｎ（ｎ_Ｓ１−ｎ_Ｓ２）μμ_０）^−１
となるので、式（５）及び（６）より、先に示した条件式である、
（１） ０＜（ｎ_Ｓ１ ^−１−ｎ_Ｓ２ ^−１）^−１・（μ_０−μ）・（ｎμ）^−１＜０.２
が導かれる。

従って、電荷サイトの密度ｎ及びトラップされた電子の移動度μが、条件式（１）を満たすことによって、素子抵抗が十分小さい上に、ポッピングノイズの発生が再生の障害とならない程度以下に制限されることが可能となる。

図１３（Ａ）〜（Ｃ）は、図４の実施形態におけるＴＭＲ積層体３３２を形成する一部工程を示す断面図であり、図６と同様に、図４のヘッド端面３００側から見たＢ−Ｂ線断面を示している。

図１３（Ａ）に示すように、まず、図示しないスライダ基板上に形成されたこれも図示しない絶縁層上に、例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ２μｍ程度の下部電極層３３０をめっき等の方法で成膜する。次いで同層上に、例えばＴａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ又はＷ等からなる厚さ５ｎｍ程度の下部金属層７０と、例えばＮｉＦｅ又はＮｉＣｒ等からなる厚さ５ｎｍ程度の下地膜７１と、例えばＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ等からなる厚さ５〜１５ｎｍ程度の反強磁性層７２と、例えばＣｏＦｅ等からなる厚さ２ｎｍ程度の第１の強磁性膜７３ａと、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ及びＣｕ等のうちの１つ又は２つ以上の合金からなる厚さ０.８ｎｍ程度の非磁性膜７３ｂと、例えばＣｏＦｅ等からなる厚さ３ｎｍ程度の第２の強磁性膜７３ｃとが順次、スパッタリング法等によって成膜される。

次いで、形成された第２の強磁性膜７３ｃ上に、例えばＡｌ等からなる厚さ０.５〜０.６ｎｍ程度の金属膜が、スパッタリング法等によって成膜される。次いで、この金属膜が、真空装置内に導入された、酸素分子、酸素原子、酸素イオン、オゾン（Ｏ_３）及び酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）のうち１つ又は２つ以上を含有した気体の雰囲気中で酸化されて低抵抗トンネルバリア層７４となる。この酸化用の気体の中でも、特に、Ｏ_３及びＮ_２Ｏは、酸素よりも分子量が大きく、通常の酸素ガスを用いた場合よりも多くの酸素欠陥を発生させ、結果としてより多くの電荷サイトを含んだ層を形成可能とする。実際にＮ_２Ｏを用いた場合、例えば、Ｎ_２Ｏ分圧を０.１〜１ｋＰａ、Ｎ_２Ｏ流量を２００〜１０００ｓｃｃｍとして、酸化時間をＲＡ（層厚方向の抵抗値×層面積）に応じて調整することによって、通常の酸素ガスを用いた場合よりも５０〜１００％の酸素欠陥量の増加が実現される。また、酸素分子、酸素原子及び酸素イオンを含む雰囲気においても、これらの成分の分圧、金属層の温度等を制御することによって、酸素欠陥を十分に形成することが可能となる。

ここで、金属膜が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうち１つ若しくは２つ以上の元素からなる金属若しくは合金、又はこの金属若しくは合金にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＰのうちこの金属若しくは合金よりも酸化の自由エネルギーが低い１つ若しくは２つ以上の元素が添加された合金であってもよい。このような酸化の自由エネルギーがより低い添加元素は、トンネルバリア層内において電荷サイト形成に寄与する金属正イオン又は金属原子となり易い。すなわち、これらの元素の添加によって、同層内に電荷サイトを積極的に形成することが可能となる。

次いで、図１３（Ｂ）に示すように、形成された低抵抗トンネルバリア層７４上に、例えばＣｏＦｅ等からなる厚さ１ｎｍ程度の高分極率膜７５ａと、例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ３ｎｍ程度の軟磁性膜７５ｂと、例えばＴａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ又はＷ等からなる厚さ１６ｎｍ程度の上部金属層７６とが順次、スパッタリング法等によって形成される。

なお、図示されていないが、上述したように、磁化自由層７５と上部金属層７６との間に、インスタックバイアス積層体を設ける場合、軟磁性膜７５ｂ上に、例えばＴａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＳｉ等のうち１つ又は２つ以上の合金からなる厚さ１ｎｍ程度のバイアス非磁性層、例えばＣｏＦｅ等からなる厚さ５ｎｍ程度のバイアス強磁性層、及び例えばＩｒＭｎ等からなる厚さ７ｎｍ程度のバイアス反強磁性層が順次、スパッタリング法等によって積層される。

次いで、図１３（Ｃ）に示すように、上部金属層７６（又はバイアス反強磁性層）上に、例えばリフトオフ用のフォトレジスト層を露光現像することによってフォトレジストパターン８０が形成される。その後、このフォトレジストパターン８０をマスクとするイオンミリング法等によって、図１３（Ｃ）中の斜線で示された領域８１が除去される。その後、この上に例えばＡｌ_２Ｏ_３等からなる絶縁膜がスパッタリング法等によって成膜され、さらにフォトレジストパターン８０を剥離するリフトオフ法によって、図１３（Ｄ）に示すように、厚さ３０ｎｍ程度の絶縁層３３３が形成される。さらに、この上に例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ２μｍ程度の上部電極層３３４が、めっき等の方法で形成される。

なお、図示されていないが、上述したように、絶縁層３３３の位置にハードバイアス手段を設ける場合、上記のイオンミリング処理の後、まず、例えばＡｌ_２Ｏ_３等からなる厚さ５〜１５ｎｍ程度の絶縁膜がスパッタリング法によって成膜され、次いで、例えばＣｏＰｔ又はＣｏＣｒＰｔ等からなる硬磁性層が積層される。その後、フォトレジストパターン８０を剥離するリフトオフ法によって、絶縁層３３３の位置にハードバイアス手段が形成される。

なお、上述したように、絶縁層３３３の位置にハードバイアス手段ではなく、サイド軟磁性層が設けられる場合も同様にして形成される。ただし、サイド軟磁性層は、例えばＮｉＦｅ等の軟磁性材料から構成される。また、サイド絶縁膜は、例えばＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁材料から構成される。

本実施形態における反強磁性層７２、磁化固定層７３及び磁化自由層７５を構成する各膜の材料及び膜厚は、上述したものに限定されることなく、種々の材料及び膜厚が適用可能である。また、磁化固定層７３においては、３つの膜からなる３層構造の他に、強磁性膜からなる単層構造又はその他の層数の多層構造を採用することもできる。さらに磁化自由層７５においても、２層構造の他に、高分極率膜４４４ａの存在しない単層構造、又は磁歪調整用の膜を含む３層以上の多層構造を採用することも可能である。

図１４（Ａ）は、本発明による薄膜磁気ヘッドの製造方法の一実施形態を概略的に示すフローチャートであり、図１４（Ｂ）は、同製造方法における他の実施形態を概略的に示すフローチャートである。

図１４（Ａ）によれば、最初に、スライダ用のウエハ基板の素子形成面に下部電極層が形成され（ステップＳ１）、次いで、ＴＭＲ積層体の磁化固定層が形成され（ステップＳ２）、次いで、ＴＭＲ積層体の低抵抗トンネルバリア層が形成され（ステップＳ３）、次いで、ＴＭＲ積層体の磁化自由層が形成され（ステップＳ４）、さらに、上部電極層が形成されて（ステップＳ５）、ＴＭＲ効果素子が完成する。次いで、素子間シールド層の形成（ステップＳ６）の後、電磁コイル素子が形成され（ステップＳ７）、さらに、被覆層及び信号端子電極が形成されて（ステップＳ８）、ウエハ基板工程が終了する。

次いで、形成工程が終了したウエハ基板を切断して複数の磁気ヘッド素子が一列状に並んだバー部材を形成する（ステップＳ９）。次いで、このバー部材を研磨することによって所望のＭＲハイトを得るべく、ＭＲハイト加工を行う（ステップＳ１０）。

ここで、本発明による薄膜磁気ヘッドは、低抵抗トンネルバリア層を備えており、低抵抗トンネルバリア層の形成工程（ステップＳ３）において、同層内に電荷サイトを制御して形成することによって低抵抗化が図られている。この結果として、薄膜磁気ヘッドが低抵抗化しており、しかも電気的ポッピング出力電圧の発生が制限されていることを確認して選別するために、ＭＲハイト加工（ステップＳ１０）の後に、選別工程（ステップＳ_Ｓ）を行う。この選別工程は、電気的ポッピング出力電圧の発生が所定範囲内にある薄膜磁気ヘッドのみを検査によって選別するものであり、後に詳述する（図１６）。その後、ＭＲハイト加工が施されたバー部材を個々のスライダ（薄膜磁気ヘッド）に切断分離することによって（ステップＳ１１）、薄膜磁気ヘッドの製造工程が終了する。

なお、この選別工程（ステップＳ_Ｓ）は、図１４（Ｂ）に示したように、このスライダへの切断分離（ステップＳ１１´）後に行われてもよい。また、この選別工程（ステップＳ_Ｓ）は、図１４（Ａ）の上部電極層の形成（ステップＳ５）からバー部材の形成（ステップＳ９）までの各工程の終了後に行われてもよい。いずれの場合においても、上下部電極層は既に形成されているので、選別検査のためのバイアス電圧印加が可能となっている。さらに、ステップＳ１〜１１の製造方法で形成されたスライダをサスペンションに装着してＨＧＡの状態にした上で、検査としてこのような方法を行うことも可能である。

図１５は、本発明による薄膜磁気ヘッド（ＴＭＲ効果素子）の検査（選別）を行う検査装置の構成の一部を概略的に説明する図である。

図１５（Ａ）によれば、９０は複数の薄膜磁気ヘッドが互いに連接して一列配置されたバー部材であり、９１は検査装置をそれぞれ示している。

バー部材９０は、多数の薄膜磁気ヘッドをマトリクス状に形成してなるスライダ基板ウエハを個々のバー部材に切断分離した後、ＭＲハイト加工を行った状態のものである。バー部材９０の各磁気ヘッド素子３２は、ＴＭＲ効果素子３３と、このＴＭＲ効果素子３３に電気的に接続されている１対の信号端子電極３５とを備えている。

検査装置９１は、ＴＭＲ効果素子用の１対の信号端子電極３５に電気的に接触可能な１対のプローブ９１ａと、この１対のプローブ９１ａに電気的に接続されており、バイアス電圧又はセンス電流を供給するバイアス電圧及び定電流電源９１ｂと、１対のプローブ９１ａに電気的に接続されており、ＴＭＲ効果素子３３から出力される電圧の値を測定する電圧測定回路９１ｃと、電圧測定回路９１ｃに電気的に接続されており、測定した出力電圧のアナログ出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器９１ｄと、ＴＭＲ効果素子３３を磁気的に飽和させるのに十分な直流磁界をバー部材９０に印加可能なヘルムホルツコイル９１ｅと、ヘルムホルツコイル９１ｅを駆動させるための直流磁界印加用電源９１ｆと、Ａ／Ｄ変換器９１ｄに電気的に接続されており、そのデジタル信号を継続的に入力してＭＲ効果素子の素子出力電圧中に発生するポッピングノイズを取り出し、そのポッピング出力電圧を計算して、そのＴＭＲ効果素子の良否を判別すると共に、バイアス電圧及び定電流電源９１ｂ、Ａ／Ｄ変換器９１ｄ及び直流磁界印加用電源９１ｆの動作を制御するデジタルコンピュータ９１ｇとを備えている。

図１５（Ｂ）によれば、検査すべき対象に関する変更態様として、バー部材９０を個々の磁気ヘッドスライダ２１に分離した状態に切断した上で、ＴＭＲ効果素子３２の１対の信号端子電極３５に１対のプローブ９１ａを電気的に接触させて検査を行う。検査装置の他の構成、動作及び作用効果は、図１５（Ａ）の場合と同様である。

図１６は、本発明による薄膜磁気ヘッドの選別工程（検査方法）を概略的に示すフローチャートである。

まず、バー部材９０（図１５）に対して、ヘルムホルツコイル９１ｅを用いて飽和直流磁界の印加を開始する（ステップＳ_Ｓ１）。この飽和直流磁界は、各ＴＭＲ効果素子３３における磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向との関係が一定となるような磁界である。

次いで、バー部材９０の良否の評価を行うＴＭＲ効果素子の信号端子電極３５に１対のプローブ９１ａを電気的に接触させ、この状態で、バイアス電圧及び定電流電源９１ｂにより、バイアス電圧として、例えば５０〜３００ｍＶ、好ましくは１５０〜２００ｍＶを、５μ秒の間、ＴＭＲ効果素子に印加する（ステップＳ_Ｓ２）。なお、バイアス電圧印加時間は、５μ秒より長い時間、例えば２００μ秒程度でもよい。

次いで、電圧測定回路９１ｃによってＴＭＲ効果素子からの出力電圧を測定し、その出力電圧値をコンピュータ９１ｇに入力して、ＴＭＲ効果素子の出力電圧中に発生する電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐを計測する（ステップＳ_Ｓ３）。

次いで、バー部材９０に対しての飽和直流磁界の印加を終了する（ステップＳ_Ｓ４）。その後、バー部材９０に対して信号磁界相当の磁界を印加する（ステップＳ_Ｓ５）。

次いで、バイアス電圧及び定電流電源９１ｂを用いて、所定のセンス電流をＴＭＲ効果素子に印加する（Ｓ_Ｓ６）。次いで、電圧測定回路９１ｃによってＴＭＲ効果素子からの出力電圧を測定し、素子出力電圧ΔＶ_Ｓをコンピュータ９１ｇに取り込む（ステップＳ_Ｓ７）。

次いで、バー部材９０に対しての信号磁界相当の磁界の印加を終了する（ステップＳ_Ｓ８）。

その後、電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐと素子出力電圧ΔＶ_Ｓとの比を算出して、その計算結果ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓが、０よりも大きくて０.２未満であるか否かを判定する（ステップＳ_Ｓ９）。

ゼロよりも大きくて０.２未満である場合は、そのＴＭＲ効果素子が低抵抗であり、しかも電気的ポッピング出力電圧の発生が制限された良品であると評価し（ステップＳ_Ｓ１０）、同範囲内ではない場合は、そのＴＭＲ効果素子が不良品であると評価する（ステップＳ_Ｓ１１）。次いで、バー部材９０の他のＴＭＲ効果素子について、同様の評価を順次行う。

図１７は、本発明による薄膜磁気ヘッドにおける読み出し出力ゲインの周波数特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。同図において、特性Ｃは、従来のトンネル絶縁層を有する薄膜磁気ヘッドの特性である。ここで、トンネル絶縁層の抵抗を４００Ω、寄生容量を１.５ｐＦとした。また、特性Ｄは、本発明による低抵抗トンネルバリア層を有する薄膜磁気ヘッドの特性である。ここで、低抵抗トンネルバリア層の抵抗は、トンネル障壁による抵抗４００Ωと電荷サイトによる電気伝導の抵抗１５００Ωとの並列状態とした。ここで、両抵抗の合成抵抗値は３１６Ωとなる。従って、特性Ｄに対応する本発明の薄膜磁気ヘッドは、特性Ｃに対応する従来の薄膜磁気ヘッドよりも、素子抵抗が低減化されている。寄生容量は同じく１.５ｐＦとした。さらに、配線接続部のインピーダンス及び接続長は、両ヘッド共に、それぞれ７６Ω及び３５ｍｍとし、プリアンプの入力インピーダンス及び寄生容量を、両ヘッド共に、それぞれ７０Ω及び５ｐＦとした。

同図によれば、本発明による薄膜磁気ヘッドＤは、従来のヘッドＣに比べて、極低周波の領域を除いた図中の全ての周波数範囲において、ゲインが上回っている。すなわち、本発明による薄膜磁気ヘッドにおいては、ＴＭＲ効果素子の適切な低抵抗化によって、高周波特性が向上していることが理解される。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

本発明によるＨＤＤの一実施形態における要部の構成を概略的に示す斜視図である。 本発明によるＨＧＡ全体を表す斜視図である。 図２の実施形態におけるＨＧＡの先端部に装着されている薄膜磁気ヘッド及び磁気ヘッド素子の概略図である。 図３の実施形態における磁気ヘッド素子における断面図である。 図４の実施形態における磁気ヘッド素子の製造工程を説明する断面図である。 図４の実施形態におけるＴＭＲ効果素子３３の主要部であるＴＭＲ積層体３３２の層構成を概略的に示す断面図である。 本願発明者等によるポッピングノイズの分離方法を説明する図である。 複数の薄膜磁気ヘッドについて耐電圧試験を行った結果を表すグラフである。 薄膜磁気ヘッドの出力電圧のパターンを表すグラフである。 電気的ポッピング出力電圧と絶縁破壊電圧との関係を示したグラフである。 電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐ及び素子出力電圧ΔＶ_Ｓを定義するための特性図である。 表１に示した測定結果における、ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_ＳとＢＥＲとの関係を示したグラフである。 図４の実施形態におけるＴＭＲ積層体を形成する一部工程を示す断面図である。 本発明による薄膜磁気ヘッドの製造方法を概略的に示すフローチャートである。 本発明による薄膜磁気ヘッド（ＴＭＲ効果素子）の検査（選別）を行う検査装置の構成の一部を概略的に説明する図である。 本発明による薄膜磁気ヘッドの選別工程（検査方法）を概略的に示すフローチャートである。 本発明による薄膜磁気ヘッドにおける読み出し出力ゲインの周波数特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。

符号の説明

１０ 磁気ディスク
１０ａ 磁気ディスク表面
１０１ 垂直磁気記録層
１０２ 軟磁性裏打ち層
１１ スピンドルモータ
１２ アセンブリキャリッジ装置
１３ 記録再生回路
１４ 駆動アーム
１５ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）
１６ ピボットベアリング軸
１７ ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）
２０ サスペンション
２１ スライダ
２１０ スライダ基板
２２ ロードビーム
２３ フレクシャ
２４ ベースプレート
２５ 配線部材
３０ 浮上面（ＡＢＳ）
３００ ヘッド端面
３１ 素子形成面
３２ 磁気ヘッド素子
３３ ＴＭＲ効果素子
３３０ 下部電極層
３３２ ＭＲ積層体
３３３ 絶縁層
３３４ 上部電極層
３４ 電磁コイル素子
３４０ 主磁極層
３４０ａ 端部
３４００ 主磁極主要層
３４０１ 主磁極補助層
３４１ ギャップ層
３４３ 主コイル層
３４４０ 第２のコイル絶縁層
３４４１ 第３のコイル絶縁層
３４５ 補助磁極層
３４６０ 第１の中間非磁性層
３４６１ 第２の中間非磁性層
３４７ バッキングコイル層
３４８ 第１のコイル絶縁層
３４５０ トレーリングシールド部
３５ 信号端子電極
４０ 絶縁層
４１ 下部非磁性層
４２ 素子間シールド層
４４ 被覆層
５０ 平坦化層
７０ 下部金属層
７１ 下地層
７２ 反強磁性層
７３ 固定磁化層
７３ａ 第１の強磁性膜
７３ｂ 非磁性膜
７３ｃ 第２の強磁性膜
７４ 低抵抗トンネルバリア層
７５ 磁化自由層
７５ａ 高分極率膜
７５ｂ 軟磁性膜
７６ 上部金属層
８０ フォトレジストパターン
８１ 領域
９０ バー部材
９１ 検査装置
９１ａ プローブ
９１ｂ バイアス電圧及び定電流電源
９１ｃ 電圧測定回路
９１ｄ Ａ／Ｄ変換器
９１ｅ ヘルムホルツコイル
９１ｆ 直流磁界印加用電源
９１ｇ デジタルコンピュータ

Claims (16)

1. 金属酸化物を主成分とするトンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟持して積層された２つの強磁性層とを備えたトンネル磁気抵抗効果素子であって、該トンネルバリア層が多数の電荷サイトを含んでおり、該多数の電荷サイトの該トンネルバリア層内での密度ｎと、該多数の電荷サイトに起因してトラップされた電子の移動度μとが、ｎ_Ｓ１及びｎ_Ｓ２をそれぞれ信号の読み出しの際の素子抵抗最小時及び最大時のトンネル電子の密度とし、μ_０をトラップされない場合の電子の移動度とした場合に、
   ０＜（ｎ_Ｓ１ ^−１−ｎ_Ｓ２ ^−１）^−１・（μ_０−μ）・（ｎμ）^−１＜０.２
   で表される関係を満たすことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
2. 金属酸化物を主成分とするトンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟持して積層された２つの強磁性層とを備えたトンネル磁気抵抗効果素子であって、該トンネルバリア層が、多数の電荷サイトを含んでおり、該多数の電荷サイトの存在によって、該トンネル磁気抵抗効果素子を磁気的に飽和させた状態で前記トンネルバリア層の層面に垂直な方向にバイアス電圧を５μ秒以上印加した際に、電気的ポッピング出力電圧が発生し、該電気的ポッピング出力電圧をΔＶ _Ｐ とし、素子出力電圧をΔＶ _Ｓ とすると、ΔＶ _Ｐ が、０＜ΔＶ _Ｐ ／ΔＶ _Ｓ ＜０.２の関係を満たすことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
3. 前記トンネルバリア層が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうち１つ若しくは２つ以上の元素からなる金属若しくは合金と酸素との化合物、又は該金属若しくは合金にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＰのうち該金属若しくは合金よりも酸化の自由エネルギーが低い１つ若しくは２つ以上の元素が添加された合金と酸素との化合物を主成分とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
4. 前記トンネルバリア層が、金属層を、酸素分子、酸素原子、酸素イオン、オゾン及び酸化二窒素のうち１つ又は２つ以上を含む雰囲気中で酸化させることによって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
5. 前記金属層が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうち１つ若しくは２つ以上の元素からなる金属若しくは合金、又は該金属若しくは合金にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＰのうち該金属若しくは合金よりも酸化の自由エネルギーが低い１つ若しくは２つ以上の元素が添加された合金であることを特徴とする請求項４に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
6. データの読み出し手段として、請求項１から５のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子を少なくとも１つ備えており、データの書き込み手段として、書き込み磁気ヘッド素子を少なくとも１つ備えていることを特徴とする薄膜磁気ヘッド。
7. 請求項６に記載の薄膜磁気ヘッドと、該薄膜磁気ヘッドが備えている前記トンネル磁気抵抗効果素子及び前記書き込み磁気ヘッド素子への信号線と、該薄膜磁気ヘッドを支持する支持機構とを備えていることを特徴とするヘッドジンバルアセンブリ。
8. 請求項７に記載のヘッドジンバルアセンブリと磁気ディスクとをそれぞれ少なくとも１つ備えており、前記トンネル磁気抵抗効果素子及び前記書き込み磁気ヘッド素子による読み出し及び書き込み動作を制御するための記録再生回路をさらに備えていることを特徴とする磁気ディスク装置。
9. トンネル磁気抵抗効果素子に外部磁界を印加することによって該トンネル磁気抵抗効果素子を磁気的に飽和させた状態とし、次いで該トンネル磁気抵抗効果素子の層面に垂直な方向にバイアス電圧を５μ秒以上印加した際に、素子出力電圧に発生した電気的ポッピング出力電圧を計測し、該計測した結果からトンネル磁気抵抗効果素子の評価を行うことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の検査方法。
10. 前記電気的ポッピング出力電圧をΔＶ_Ｐとし、素子出力電圧をΔＶ_Ｓとすると、前記トンネル磁気抵抗効果素子におけるΔＶ_Ｐが、０＜ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ＜０.２の関係を満たすかどうかを判定することを特徴とする請求項９に記載の検査方法。
11. 請求項９又は１０に記載の検査方法を用いた選別工程を含むトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
    第１の強磁性層を形成した後、該第１の強磁性層上に金属層を形成し、次いで、該金属層を、酸素分子、酸素原子、酸素イオン、オゾン及び酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）のうちの１つ又は２つ以上を含む雰囲気中で酸化させることによってトンネルバリア層を形成し、該トンネルバリア層上に第２の強磁性薄膜層を形成することによって、トンネル磁気抵抗効果積層体を形成する工程と、
    該トンネル磁気抵抗効果積層体を主要部として形成されたトンネル磁気抵抗効果素子を、前記検査方法を用いて選別する工程と
    を含むことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
12. 前記金属層が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうち１つ若しくは２つ以上の元素からなる金属若しくは合金、又は該金属若しくは合金にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＰのうち該金属若しくは合金よりも酸化の自由エネルギーが低い１つ若しくは２つ以上の元素が添加された合金であることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
13. 請求項１１又は１２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法を含む薄膜磁気ヘッドの製造方法であって、前記トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法によってスライダ基板ウエハ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成した後、該スライダ基板ウエハを、該トンネル磁気抵抗効果素子が一列状に並んだバー部材に切断し、次いで、該バー部材を研磨してＭＲハイト加工を行った後に、前記検査方法を用いて該バー部材上の該トンネル磁気抵抗効果素子を選別することを特徴とする薄膜磁気ヘッドの製造方法。
14. 請求項１１又は１２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法を含む薄膜磁気ヘッドの製造方法であって、前記トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法によってスライダ基板ウエハ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成した後、該スライダ基板ウエハを、該トンネル磁気抵抗効果素子が一列状に並んだバー部材に切断し、次いで、該バー部材を研磨してＭＲハイト加工を行った後に、該バー部材を個々の薄膜磁気ヘッドに切断分離し、その後、前記検査方法を用いて該個々の薄膜磁気ヘッドを選別することを特徴とする薄膜磁気ヘッドの製造方法。
15. トンネル磁気抵抗効果素子に外部磁界を印加して磁気的に飽和した状態とするための磁界印加手段と、該トンネル磁気抵抗効果素子にバイアス電圧を５μ秒以上印加する電圧印加手段と、該トンネル磁気抵抗効果素子の素子出力電圧に発生する電気的ポッピング出力電圧を計測する手段と、計測された該電気的ポッピング出力電圧ΔＶ_Ｐと素子出力電圧ΔＶ_Ｓとから、該トンネル磁気抵抗効果素子の評価を行う手段とを備えていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の検査装置。
16. 前記評価を行う手段が、前記トンネル磁気抵抗効果素子におけるΔＶ_Ｐが、０＜ΔＶ_Ｐ／ΔＶ_Ｓ＜０.２の関係を満たすかどうかを判定する手段であることを特徴とする請求項１５に記載の検査装置。

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