JP4403337B2 - トンネル磁気抵抗効果素子、及びトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッド - Google Patents
トンネル磁気抵抗効果素子、及びトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッド Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル障壁層を介して一対の磁性層を積層し、一方の磁性層から他方の磁性層にトンネル電流が流れた際にこのトンネル電流のコンダクタンスが一対の磁性層の磁化の分極率に依存して変化するトンネル磁気抵抗効果素子、並びにトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一対の磁性層で薄い絶縁膜層を挟持してなる層構造において、一対の磁性層を電極として所定の電圧を印加すると、絶縁膜層に流れるトンネル電流のコンダクタンスが一対の磁性金属層の磁化の相対角度に依存して変化するといった磁気トンネリング効果が報告されている。すなわち、一対の磁性層で薄い絶縁膜層を挟持してなる層構造では、絶縁膜層に流れるトンネル電流に対する磁気抵抗効果を示すのである。
【０００３】
この磁気トンネリング効果では、一対の磁性層の磁化の分極率により磁気抵抗比を理論的に算出でき、特に、一対の磁性層にＦｅを用いた場合には、約４０％の磁気抵抗比を期待することができる。
【０００４】
このため、一対の磁性層で薄い絶縁膜層を挟持してなる層構造を有するトンネル磁気抵抗効果膜を用いたトンネル磁気抵抗効果素子が磁気抵抗効果素子として注目を集めている。
【０００５】
また、磁気ヘッドの分野においては、高密度の磁気記録、主にハードディスクドライブ用の再生ヘッドとして、最近、ＧＭＲヘッドが広く用いられているが、今後の更なる高密度化に伴い、更に高感度、高出力のＧＭＲヘッドが必要となる。そして、ＧＭＲヘッドとしての現在の主流は、スピンバルプヘッドであるが、更なる高出力化を目的として、上述したトンネル磁気抵抗効果を感磁素子として用いた磁気ヘッド、いわゆるトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドが注目され、研究が進められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、トンネル磁気抵抗効果素子には、バリア層である絶縁膜層を備えているため電気抵抗が高くなるという問題がある。この問題を解決するため、絶縁膜層の低電気抵抗化を目的として、各種絶縁膜層の製造方法が検討され、低抵抗化が進められている。
【０００７】
また、絶縁膜層の厚みを薄くすることにより電気抵抗を下げられるため、絶縁膜層の薄膜化についても検討が進められており、現在１ｎｍ以下というかなりの薄膜化がなされている。
【０００８】
しかしながら、絶縁膜層を薄膜化する方法には、絶縁膜層の薄膜化に伴い発生する絶縁膜層の欠陥等により磁気抵抗効果が損なわれてしまうという問題がある。そこで、この絶縁膜層の欠陥を少なくするために、この絶縁膜層の平坦度を向上させることが重要となってきた。絶縁膜層の平坦度を向上させるためには、絶縁膜層を積層する界面の平坦度を良くすることが必要であり、単純に、機械加工などで基板面を平坦にすることや、特開平２０００−１１３３０号公報に記されているように、基板面にアモルファス金属層を配して、その上に形成する層を平坦に成長させるという方法等が提案されている。
【０００９】
しかしながら、上述した方法では、基板面やアモルファス金属層から絶縁膜層までに積層した膜厚が厚い場合には、それらの結晶成長がすすむと、結局絶縁膜層での平坦性が低下してしまう可能性がある。したがって、絶縁膜層を薄膜化することにより絶縁膜層の電気抵抗を低抵抗化させ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子を作製する有効な方法は、未だ確立されていないのが実情である。
【００１０】
そこで、本発明は上述した従来の実情に鑑みて創案されたものであり、電気抵抗が低く、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子、及びトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、少なくとも基板上に第１の磁性層と当該第１の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と当該トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、トンネル障壁層を介して第１の磁性層及び第２の磁性層の間にトンネル電流が流れるトンネル磁気抵抗効果素子であって、第１の磁性層は、磁化自由層であり、且つ、第２の磁性層が、磁化固定層である、トップスピンバルブ型の構造を有し、磁化自由層は、一対の強磁性層が非磁性層を介して積層されてなる積層フェリ構造を有し、積層フェリ構造は、トンネル障壁層を平坦化するＲｕ―Ｏ層を備え、Ｒｕ―Ｏ層は、強磁性層を平坦化することで、該強磁性層上に形成されるトンネル障壁層を平坦化する。
【００１２】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、トンネル障壁層よりも先にＲｕ―Ｏ層が形成されている。そして、Ｒｕ―Ｏ層上に形成される層は、その粒子の粒径が小さいため、Ｒｕ―Ｏ層上に形成された層の表面粗さは、良好なものとなる。すなわち、Ｒｕ―Ｏ層上に形成された層の表面の平坦性は、他の各層表面の平坦性と比較して良好な状態に形成される。したがって、このＲｕ―Ｏ層よりも上層に形成されているトンネル障壁層表面の平坦性は、良好な状態とされている。これにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止される。
【００１３】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、基板上に一対の磁気シールド層と当該一対の磁気シールド層に当該一対の磁気シールド層間に当該一対の磁気シールド層にそれぞれ当接して形成された一対の磁気ギャップ層と当該一対の磁気ギャップ層間に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子を備えてなり、トンネル磁気抵抗効果素子は、少なくとも基板上に第１の磁性層と当該第１の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と当該トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備えトンネル障壁層を介して第１の磁性層及び第２の磁性層の間にトンネル電流が流れるトンネル磁気抵抗効果素子であって、第１の磁性層は、磁化自由層であり、且つ、第２の磁性層が、磁化固定層である、トップスピンバルブ型の構造を有し、磁化自由層は、一対の強磁性層が非磁性層を介して積層されてなる積層フェリ構造を有し、積層フェリ構造は、トンネル障壁層を平坦化するＲｕ―Ｏ層を備え、Ｒｕ―Ｏ層は、強磁性層を平坦化することで、該強磁性層上に形成されるトンネル障壁層を平坦化する。
【００１４】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、上述した本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子を備えるため、トンネル障壁層表面の平坦性が良好な状態とされている。したがって、トンネル障壁層の厚みを薄く形成してトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドを構成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止されるトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドとされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各部材の寸法比率が実際と同じであるとは限らない。
【００１７】
まず、本発明を適用したトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と呼ぶ。）について説明する。図１に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第１の実施例の要部斜視図を示す。
【００１８】
ＴＭＲ素子１は、基板２と、基板２上に形成された磁化固定層である第１の磁性金属層３と、この第１の磁性金属層３上に形成されたトンネル障壁層４と、このトンネル障壁層４上に形成された磁化自由層である第２の磁性金属層５とを備えて構成される。すなわち、このＴＭＲ素子１は、磁化固定層である第１の磁性金属層３と磁化自由層である第２の磁性金属層５とがトンネル障壁層４を介して積層されたいわゆるボトムスピンバルブ型の構造を有している。また、このＴＭＲ素子１では、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層５とがトンネル障壁層４を介して積層されることによりトンネル接合が形成されている。
【００１９】
基板２は、ＴＭＲ素子１を形成する際の台座となるものであり、例えば、Ｓｉからなる平滑な主面を有する基板等が用いられる。
【００２０】
第１の磁性金属層３は、いわゆる磁化固定層あり、このＴＭＲ素子１では、基板２上に形成された反強磁性６層と、当該反強磁性層６上に形成された第１の強磁性層７と、当該第１の強磁性層７上に形成された金属酸化物層８と、当該金属酸化物層８上に形成された第２の強磁性層９との４層により構成されており、反強磁性層６によって強磁性層の磁化の方向が特定の方向に固定されている。ここで、金属酸化物層８は、第１の強磁性層７が酸化されて形成された金属酸化物の層を表す。
【００２１】
このＴＭＲ素子１では、後述するトンネル障壁層４よりも下側、すなわちトンネル障壁層４と基板との間に、第１の強磁性層７が酸化された金属酸化物層８を備えてなる。
【００２２】
金属酸化物層上に形成される層は、その粒子の粒径が小さいため、金属酸化物層８上に形成された層の表面粗さは、良好なものとなる。すなわち、金属酸化物層８上に形成された層の表面の平坦性は、他の各層表面の平坦性と比較して良好な状態に形成される。
【００２３】
そこで、金属酸化物層８を形成することにより、当該金属酸化物層８上に形成される各層の表面の平坦性を良好なものとすることができる。すなわち、当該金属酸化物層８上に形成された層の表面の平坦性は、第１の強磁性層７の表面の平坦性よりも良好とされているため、当該金属酸化物層８上に形成される各層の表面の平坦性も、当該金属酸化物層８を形成しない場合に比べて良好なものとされる。すなわち、このＴＭＲ素子１では、磁化固定層である第１の磁性金属層３が、当該第１の磁性金属層３が備える第１の強磁性層７が酸化された金属酸化物層８を有することにより、後述するトンネル障壁層４を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層９の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態とされた第２の強磁性層９上に積層されるトンネル障壁層４もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされる。すなわち、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２側に金属酸化物層８を備えているため、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされている。
【００２４】
また、上記において、金属酸化物層８は、トンネル障壁層４に近い位置に形成されることが好ましい。具体的には、トンネル障壁層４から、２，３層程度下層に形成されることが好ましい。これは、金属酸化物層８が、トンネル障壁層４からあまり離れた位置に配された場合、基板２とトンネル障壁層４との間の厚みが厚くなり、トンネル障壁層を平坦性を向上させる効果が小さくなる虞があるからである。
【００２５】
また、上記においては、金属酸化物層８が第１の強磁性層７が酸化された層とされているが、金属酸化物層は、これに限定されることなく、第１の強磁性層７と関連のない異なる種類の金属酸化物層であっても良い。
【００２６】
上記において、反強磁性層６としては、交換結合磁界及びブロッキング温度の高い反強磁性材料を用いることができ、このような材料としては、例えばＰｔＭｎや、他のＭｎ系不規則合金、Ｍｎ系規則合金、ＮｉＯ、α−Ｆｅ2Ｏ3等の酸化物反強磁性材料、或いは硬磁性材料等を用いることができる。また、第１の強磁性層７及び第２の強磁性層９としては、良好な軟磁気特性を示す磁性材料を用いることができ、このような材料としては、例えばＣｏＦｅ、ＮｉＦｅや、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの少なくとも一種を含む合金、又はそれらの積層体等を用いることができる。この場合、金属酸化物層としては、ＣｏＦｅ−Ｏ等を用いることができる。ここで、ＣｏＦｅ−Ｏは、ＣｏＦｅの酸化物を表す。
【００２７】
トンネル障壁層４は、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層４との間に流れる電流、いわゆるトンネル電流のトンネル障壁となるものである。トンネル障壁層４は、絶縁材料からなり、例えばＡｌ−Ｏ等を用いることができる。ここで、Ａｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物等を表す。また、絶縁材料としては、Ａｌ−Ｏに限定されることはなく、他の金属の酸化物、炭化物、窒化物等を用いることもできる。
【００２８】
第２の磁性金属層５は、いわゆる磁化自由層であり、外部磁界に応じて磁化方向が変化する。第２の磁性金属層５としては、良好な軟磁気特性を示す磁性材料を用いることができ、このような材料としては、例えばＣｏＦｅ、ＮｉＦｅや、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの少なくとも一種を含む合金、又はそれらの積層体等を用いることができる。
【００２９】
以上のように構成されたＴＭＲ素子１では、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層５との間に所定の電圧が印加されると、図１中矢印Ａで示す方向、すなわち第２の磁性金属層５から第１の磁性金属層３の方向に、トンネル障壁層４を介してトンネル電流が流れる。
【００３０】
ここで、このＴＭＲ素子１では、第１の磁性金属層３が磁化方向を変化させない磁化固定層となり、第２の磁性金属層５が外部磁界に対して自由に磁化方向を変化させる磁化自由層とされている。また、第１の強磁性層７は、反強磁性材料からなる反強磁性層６との間で交換結合しており、図１中矢印Ｂで示す方向に磁化方向が固定されている。一方、磁化自由層である第２の磁性金属層５は、図１中矢印Ｃで示す方向に一軸異方性を有するように形成されている。したがって、外部磁界が印加されない状態では、磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向とは、略直交することとなる。
【００３１】
そして、ＴＭＲ素子１は、この状態で図１中の矢印Ｄで示す方向に外部磁界が印加されると、磁化自由層である第２の磁性金属層５の磁化方向が変化して、磁化固定層である第１の磁性金属層３の磁化方向と所定の角度を有することとなる。
【００３２】
更に、このＴＭＲ素子１では、磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向との成す角度に応じて、トンネル電流に対する電気抵抗が変化する。すなわち、磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向とが同一となるとき、すなわち順平行となるとき、電気抵抗は、最も小さくなり、逆に磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向とが互いに反対となるとき、すなわち反平行となるとき、電気抵抗は、最も大きくなる。また、両層の磁化方向の成す角度がこの中間の角度であるときには、電気抵抗は、磁化方向の成す角度に正弦的に変化する。
【００３３】
したがって、このＴＭＲ素子１では、ＴＭＲ素子１にトンネル電流を流し、このときの電気抵抗の変化を測定することにより外部磁界の変化を検出することができる。
【００３４】
以上のように構成されたＴＭＲ素子１では、基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層が介在しているため、トンネル障壁層４を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層９の平坦性が良好な状態とされている。これにより、平坦性が良好な状態にある第２の強磁性層９上に積層されたトンネル障壁層４もまた、その平坦性が良好なものとされている。そのため、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止される。したがって、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされている。すなわち、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層が介在しているため、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされている。
【００３５】
図２に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第２の実施例を示す。ただし、図２においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００３６】
第２の実施例のＴＭＲ素子１１は、基板と、基板上に形成された磁化固定層である第１の磁性金属層と、当該第１の磁性金属層上に形成されたトンネル障壁層と、当該トンネル障壁層上に形成された磁化自由層である第２の磁性金属層とを備えて構成される。このＴＭＲ素子１１は、磁化固定層である第１の磁性金属層と磁化自由層である第２の磁性金属層とが、トンネル障壁層を介して積層されたいわゆるボトムスピンバルブ型の構造を有している。
【００３７】
基板２は、ＴＭＲ素子１１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層１２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化固定層であり、ＰｔＭｎ層１３と、当該ＰｔＭｎ層１３上に形成されたＣｏＦｅ層１４と、当該ＣｏＦｅ層１４上に形成されたＣｏＦｅ−Ｏ層１５と、当該ＣｏＦｅ−Ｏ層１５上に形成されたＣｏＦｅ層１６とにより構成される。
【００３８】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層１７からなり、第１の磁性金属層３上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００３９】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７上には、磁化自由層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７に当接して形成されたＣｏＦｅ層１８と、当該ＣｏＦｅ層１８上に形成されたＮｉＦｅ層１９との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層１８は、補助自由層であり、スピン分極率を増加させる働きをする。このように磁化自由層を２層構造とすることにより、ＴＭＲ素子１１の磁気抵抗比を増大させることができる。
【００４０】
以上のように構成された第２の実施例のＴＭＲ素子１１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１と同様に、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７よりも下側、すなわち、Ｓｉ層１２とＡｌ−Ｏ層１７との間に、第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化された金属酸化物層であるＣｏＦｅ−Ｏ層１５が介在している。そして、当該ＣｏＦｅ−Ｏ層１５上に形成される各層の表面の平坦性が、良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子１１では、Ｓｉ層１２とＡｌ−Ｏ層１７との間に第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化された金属酸化物層、すなわちＣｏＦｅ−Ｏ層１５が介在することにより、第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化されたトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層１６の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層１６上に積層されるトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子１１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子は、トンネル障壁層よりも下層、すなわちＳｉ層１２とＡｌ−Ｏ層１７との間に、第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化された金属酸化物層であるＣｏＦｅ−Ｏ層１５が介在しているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００４１】
図３に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第３の実施例を示す。ただし、図３においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００４２】
第３の実施例のＴＭＲ素子２１は、基板と、基板上に形成された磁化固定層である第１の磁性金属層と、当該第１の磁性金属層上に形成されたトンネル障壁層と、当該トンネル障壁層上に形成された磁化自由層である第２の磁性金属層２とを備えて構成される。このＴＭＲ素子２１は、磁化固定層である第１の磁性金属層と磁化自由層である第２の磁性金属層２とが、トンネル障壁層を介して積層されたいわゆるボトムスピンバルブ型の構造を有している。
【００４３】
基板は、ＴＭＲ素子２１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層２２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化固定層であり、ＰｔＭｎ層２３と、当該ＰｔＭｎ層２３上に形成されたＣｏＦｅ層２４と、当該ＣｏＦｅ層２４上に形成されたＲｕ層２５と、当該Ｒｕ層２５上に形成されたＲｕ−Ｏ層２６と、当該Ｒｕ−Ｏ層２６上に形成されたＣｏＦｅ層２７とにより構成される。
【００４４】
このＴＭＲ２１素子が、第２の実施例のＴＭＲ素子１１と異なる点は、磁化固定層である第１の磁性金属層が積層フェリ構造を有することである。すなわち、このＴＭＲ素子２１では、第１の磁性金属層が備えるＣｏＦｅ層２４と、当該ＣｏＦｅ層２４上に形成されたＲｕ層２５と、当該Ｒｕ層２５上に形成されたＲｕ−Ｏ層２６と、当該Ｒｕ−Ｏ層２６上に形成されたＣｏＦｅ層２７とにより積層フェリ構造を構成している。磁化固定層を積層フェリ構造とすることにより、磁化固定層における磁気モーメントが低くなり、磁化自由層にかかる反磁界が小さくなる。積層フェリ構造は、上述したように２層の強磁性層の中間に非磁性層が形成された構造とされる。そして、この非磁性層の厚みを調整することにより、２層の強磁性層は、それぞれの磁化方向が反平行となるように結合する。なお、積層フェリ構造の中間に形成される非磁性層としては、Ｒｕの他に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ等も用いることができる。
【００４５】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層２８からなり、第１の磁性金属層上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００４６】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層２８上には、磁化自由層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層に当接して形成されたＣｏＦｅ層２９と、当該ＣｏＦｅ層２９上に形成されたＮｉＦｅ層３０との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層２９は、補助自由層であり、スピン分極率を増加させる働きをする。このように磁化自由層を２層構造とすることにより、ＴＭＲ素子２１の磁気抵抗比を増大させることができる。
【００４７】
以上のように構成された第３の実施例のＴＭＲ素子２１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１と同様に、トンネル障壁層よりも下側、すなわち、基板であるＳｉ層２２とＡｌ−Ｏ層２８との間に積層フェリ構造中に備えられたＲｕ２５が酸化された金属酸化物層であるＲｕ−Ｏ層２６を備えてなる。そして、当該Ｒｕ−Ｏ層２６上に形成される各層の表面の平坦性が良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子２１では、基板であるＳｉ層２２とＡｌ−Ｏ層２８との間に当該第１の磁性金属層が備える非磁性層であるＲｕ層２５が酸化された金属酸化物層、すなわちＲｕ−Ｏ層２６を有することにより、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層２８を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層２７の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層２７上に積層されるトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層２８もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子２１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子２１は、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備えているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００４８】
図４に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第４の実施例を示す。ただし、図４においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００４９】
第４の実施例のＴＭＲ素子３１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１と反対に、磁化自由層である第１の磁性金属層と、磁化固定層である第２の磁性金属層とがトンネル障壁層を介して積層されたいわゆるトップスピンバルブ型の構造を有する。
【００５０】
基板は、ＴＭＲ素子３１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層３２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化自由層であり、ＮｉＦｅ層３３と、当該ＮｉＦｅ層３３上に形成されたＮｉＦｅ−Ｏ３４層と、当該ＮｉＦｅ−Ｏ層３４上に形成されたＮｉＦｅ層３５と、当該ＮｉＦｅ層３５上に形成された補助自由層であるＣｏＦｅ層３６とにより構成されている。
【００５１】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層３７からなり、第１の磁性金属層上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００５２】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層３７上には、磁化固定層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層３７に当接して形成されたＣｏＦｅ層３８と、当該ＣｏＦｅ層３８上に形成されたＰｔＭｎ層３９との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層３８は、強磁性層であり、反強磁性層であるＰｔＭｎ層３９により磁化の方向が固定されている。
【００５３】
以上のように構成された第４の実施例のＴＭＲ素子３１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１とは逆に、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層３７よりも下側、すなわち、基板であるＳｉ層３２とＡｌ−Ｏ層３７との間に金属酸化物層であるＮｉＦｅ−Ｏ層３４を備えてなる。そして、当該ＮｉＦｅ−Ｏ層３４上に形成される各層の表面の平坦性が、良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子３１では、基板であるＳｉ層３２とＡｌ−Ｏ層３７との間に金属酸化物層を備えることにより、トンネル障壁層を積層する直下の層、すなわち、補助自由層であるＣｏＦｅ層３６の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある補助自由層であるＣｏＦｅ層３６上に積層されるトンネル障壁層もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子３１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子３１は、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備えているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００５４】
図５に、本発明を適用したＴＭＲ素子トンネル磁気抵抗効果素子の第５の実施例を示す。ただし、図５においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００５５】
第５の実施例のＴＭＲ素子４１は、第４の実施例のＴＭＲ素子３１と同様に、磁化自由層である第１の磁性金属層と、磁化固定層である第２の磁性金属層とがトンネル障壁層を介して積層されたいわゆるトップスピンバルブ型の構造を有する。
【００５６】
基板は、ＴＭＲ素子４１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層４２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化自由層であり、ＮｉＦｅ層４３と、当該ＮｉＦｅ層４３上に形成されたＲｕ層４４と、当該Ｒｕ層４４上に形成されたＲｕ−Ｏ層４５と、当該Ｒｕ−Ｏ層４５上に形成されたＮｉＦｅ層４６と、当該ＮｉＦｅ層４６上に形成された補助自由層であるＣｏＦｅ層４７とにより構成されている。
【００５７】
このＴＭＲ素子４１が、第４の実施例のＴＭＲ素子３１と異なる点は、磁化自由層が積層フェリ構造を有することである。すなわち、このＴＭＲ素子では、第１の磁性金属層が備えるＮｉＦｅ層４３と、当該ＮｉＦｅ層４３上に形成されたＲｕ層４４と、当該Ｒｕ層４４上に形成されたＲｕ−Ｏ層４５と、当該Ｒｕ−Ｏ層４５上に形成されたＮｉＦｅ層４６とにより積層フェリ構造を構成している。磁化自由層を積層フェリ構造とすることにより、磁化自由層における磁気モーメントが低くなり、磁化固定層にかかる反磁界が小さくなる。積層フェリ構造は、上記のように２層の強磁性層の中間に非磁性層が形成された構造とされる。そして、この非磁性層の厚みを調製することにより、２層の強磁性層は、それぞれの磁化方向が反平行となるように結合する。なお、積層フェリ構造の中間に形成される非磁性層としては、Ｒｕの他に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ等も用いることができる。
【００５８】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層４８からなり、第１の磁性金属層上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００５９】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８上には、磁化固定層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８に当接して形成されたＣｏＦｅ層４９と、当該ＣｏＦｅ層４９上に形成されたＰｔＭｎ層５０との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層４９は、強磁性層であり、反強磁性層であるＰｔＭｎ層５０により磁化の方向が固定されている。
【００６０】
以上のように構成された第５の実施例のＴＭＲ素子４１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１とは逆に、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８よりも下側、すなわ基板であるＳｉ層４２とＡｌ−Ｏ層４８との間に積層フェリ構造中に備えられたＲｕ層４４が酸化された金属酸化物層であるＲｕ−Ｏ層４５を備えてなる。そして、当該Ｒｕ−Ｏ層４５上に形成される各層の表面の平坦性が、良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子４１では、基板であるＳｉ層４２とＡｌ−Ｏ層４８との間に金属酸化物層、すなわちＲｕ−Ｏ層４５を備えることにより、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８を積層する直下の層、すなわち、補助自由層であるＣｏＦｅ層４９の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある補助自由層であるＣｏＦｅ層４９上に積層されるトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子４１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子４１は、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備えているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００６１】
以上のように構成されたＴＭＲ素子は、次のようにして作製することができる。ここでは、上述した第１の実施例のＴＭＲ素子１を例にとって説明する。
【００６２】
このＴＭＲ素子１は、スパッタリング等の通常の薄膜形成工程によって作製することができる。
【００６３】
ＴＭＲ素子１は、上述した各層が数ｎｍ程度の非常に薄い層厚で形成され、積層構造とされてなる。したがって、磁気抵抗効果素子は、例えば超高真空スパッタ装置を用いて成膜することが望ましい。これにより、磁気抵抗効果素子は、各層の層質を良好なものとすることができるとともに、各層の層厚を精度良く形成することができる。
【００６４】
ここで、超高真空スパッタ装置の一例を図６に示す。この超高真空スパッタ装置５１は、基板準備室５２と、逆スパッタによって基板クリーニングを行う予備プロセス室５３と、スパッタリングによる成膜を減圧下にて行うことが可能な成膜室５４との３室構造とされている。なお、成膜室５４におけるバックグラウンドの到達真空度は、１．０×１０-9Ｐａ程度まで可能とされている。
【００６５】
この超高真空スパッタ装置５１は、スパッタリングカソード５５として、誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを使用しており、ターゲット上にＲＦコイルが配されている。これにより、低ガス圧下においても放電が可能となっており、高いイオン化率が得られるようになされている。
【００６６】
また、超高真空スパッタ装置５１の成膜室５４には、スパッタリングカソード５５が複数設けられている。そして、上述したＴＭＲ素子を製造する際には、これら各スパッタリングカソード５５に、例えば、Ｐｔ（４０原子％）−Ｍｎ（６０原子％）ターゲット、Ｃｏ（９０原子％）−Ｆｅ（１０原子％）ターゲット、Ａｌ2Ｏ3ターゲットをそれぞれ配して用いる。
【００６７】
ＴＭＲ素子１を製造する際には、基板２を成膜室５４内に配置し、真空ポンプ（図示せず。）によって成膜室５４内を十分に減圧し、例えば到達真空圧力を１×１０-6Ｐａ程度にする。ここで、成膜室５４内を十分に減圧することにより、ＴＭＲ素子１を作製する際に、ＴＭＲ素子１の各層内に酸素などの不純物元素が含まれることを防止することができ、耐食性に優れた高品質のＴＭＲ素子１を作製することができる。そして、成膜室５４内の真空度を調節しながらスパッタガスとしてＡｒガスを導入する。そして、基板２が配置された陽極板（図示せず。）に正の電圧を印加し、例えばＰｔ−Ｍｎターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、Ｐｔ−ＭｎターゲットにＡｒを衝突させてＰｔＭｎをスパッタし、基板２上に例えば膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層を積層する。
【００６８】
次に、陽極板に正の電圧を印加し、例えばＣｏ−Ｆｅターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、反強磁性層上に例えば膜厚２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金からなる第１の強磁性層を積層する。
【００６９】
次に、第１の強磁性層を形成した基板２を超高真空スパッタ装置５１から取り出し、大気中において所定の時間放置して第１の強磁性層の表面を酸化させることにより、例えば膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ−Ｏ層からなる金属酸化物層８を形成する。
【００７０】
次に、金属酸化物層８であるＣｏＦｅ−Ｏ層を形成した基板２を再度成膜室５４に配置し、上記と同様に超高真空スパッタ装置５１の成膜室５４内を減圧し、Ａｒガスを導入する。そして、陽極板に正の電圧を印加し、例えばＣｏ−Ｆｅターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、金属酸化物層上に例えば膜厚２．２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金からなる第２の強磁性層を積層する。以上により、磁化固定層である第１の強磁性層３を形成することができる。
【００７１】
次に、例えばＡｌ2Ｏ3ターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５にＲＦ電力を印加する。これにより、第２の強磁性層上に、例えば膜厚１ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなるトンネル障壁層４を積層する。
【００７２】
次に、陽極板に正の電圧を印加し、例えばＣｏ−Ｆｅターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、トンネル障壁層４上に例えば膜厚２．５ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金からなる磁化自由層である第２の強磁性層強磁性層５を積層する。
【００７３】
最後に、反強磁性層６の規則化熱処理を、例えば２６５℃の温度において４時間保持することにより施す。
【００７４】
ＴＭＲ素子１は、以上のようにして基板２上に各層を順次成膜することにより作製することができる。
【００７５】
上記において、金属酸化物層８を形成する方法としては、大気中に暴露する方法を挙げたが、第１の強磁性層７の表面を大気圧以下の酸素中に暴露することにより、第１の強磁性層７を酸化させて形成することもできる。また、上記の方法の他に、電子サイクロトン波共鳴（Electron cycloton resonance：ＥＣＲ）や、誘導結合型プラズマ（Inductively coupled plasma：ＩＣＰ）を含むプラズマ酸化法等も用いることができる。
【００７６】
また、トンネル障壁層４として、Ａｌ−Ｏ層、すなわち、Ａｌの酸化物を形成する際には、第２の強磁性層９上に直接Ａｌ2Ｏ3膜等をスパッタリング等により形成する方法を挙げたが、第２の強磁性層９上にＡｌ膜をスパッタリング等により成膜した後に、酸素プラズマ等を用いて酸化させても良い。
【００７７】
上述したＴＭＲ素子１の製造方法では、トンネル障壁層４を形成するに先立って、金属酸化物層８を形成することを特徴とする。すなわち、このＴＭＲ素子１の製造方法においては、金属酸化物層８を基板２とトンネル障壁層４との間に形成する。
【００７８】
金属酸化物は、その層上に形成される層の粒子の粒径が小さくなるため、金属酸化物層上に層を形成した際、その表面粗さが良好なものとなる。すなわち、上記の場合、金属酸化物層８を形成することにより、当該金属酸化物層８上に形成される第２の強磁性層９の表面の平坦性を良好なものとすることができる。そして、表面の平坦性が良好な状態とされた第２の強磁性層９上にトンネル障壁層４を形成することにより、トンネル障壁層４表面の平坦性もまた良好な状態とすることができる。
【００７９】
そして、トンネル障壁層４の平坦性を良好なものとすることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止することができ、これらに起因する磁気抵抗効果の損失を防止することができ、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１を作製することができる。
【００８０】
したがって、上述したＴＭＲ素子１の製造方法によれば、トンネル障壁層４を形成するに先立ち、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層８を形成することにより、トンネル障壁層４を薄く形成した場合においても良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１を作製することが可能となる。すなわち、このＴＭＲ素子１の製造方法によれば、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化を可能とすることができ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１を作製することが可能となる。
【００８１】
次に、本発明のＴＭＲ素子が適用されるトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッド（以下、ＴＭＲヘッドと呼ぶ。）について説明する。図７は本発明を適用したＴＭＲヘッド６１の要部斜視図である。また、図８は、本発明が適用されたＴＭＲヘッド６１を摺動面側から見た要部側面図である。また、以下の説明では、ＴＭＲヘッド６１を構成する各部材並びにその材料、大きさ、膜厚及び成膜方法等について具体的な例を挙げるが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
【００８２】
ＴＭＲヘッド６１は、例えばＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ（アルチック）等の硬質の非磁性材料により略平板状に形成された基板６２と、この基板６２上に形成された下層磁気シールド層６３と、この下層磁気シールド層６３上に形成された下層磁気ギャップ層６４と、この下層磁気ギャップ層６４上に形成されたＴＭＲ素子６５と、下層磁気ギャップ層６４上においてＴＭＲ素子６５を両側から挟み込むように形成された絶縁膜層６６と、この絶縁膜層６６上にその高さをＴＭＲ素子６５と略同一に形成された永久磁石層６７と、下層磁気ギャップ層６４上において絶縁膜層６６及び永久磁石層６７を挟み込むように、且つその高さをＴＭＲ素子６５と略同一に形成された絶縁膜層６８と、ＴＭＲ素子６５、及び永久磁石層６７、並びに絶縁膜層６８上に形成された上層磁気ギャップ層６９と、この上層磁気ギャップ層６９上に形成された上層磁気シールド層７０と、下層磁気シールド層６３上の後段に形成された接続端子７１とを備えて構成される。
【００８３】
ＴＭＲヘッド６１は、上述した各層及び各部材が薄膜状に形成されて基板６２上に積層されてなる。また、ＴＭＲヘッド６１は、記録媒体の摺動面で上述した各層及び各部材が外方に臨み、略同一面を構成している。
【００８４】
下層磁気シールド層６３は、ＴＭＲヘッド６１における記録媒体の摺動面から所定の幅で臨むように基板６２上に形成されている。下層磁気シールド層６３は、例えばＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金（センダスト）、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｒｕ−Ｇａ合金、Ｆｅ−Ｔａ−Ｎ合金等の高い耐熱性を有し、且つ良好な軟磁気特性及び導電性を示す金属磁性層が１〜５μｍ程度の厚みで形成されている。
【００８５】
下層磁気ギャップ層６４は、例えばＣｕ、Ｔａ等の導電性を有する非磁性材料により下層磁気シールド層６３上に１０〜１００μｍ程度の厚みで形成されている。
【００８６】
ＴＭＲ素子６５は、下層磁気ギャップ層６４の直上に位置して、略矩形形状に形成される。このＴＭＲ素子６５は、上述したＴＭＲ素子１と同等の膜構造とされており、図１に示すように、第１の磁性金属層３と、当該第１の磁性金属層３上に形成されたトンネル障壁層４と、当該トンネル障壁層４上に形成された第２の磁性金属層５とがこの順で積層されている。そして、第１の磁性金属層３は、磁化固定層であり、反強磁性層と、第１の強磁性層と、金属酸化物層と、第２の強磁性層とがこの順で積層して構成されている。また、第２の磁性金属層５は、磁化自由層である。すなわち、このＴＭＲ素子６５は、いわゆるボトムスピンバルブ型ＴＭＲ素子とされている。
【００８７】
そして、このＴＭＲ素子６５では、トンネル障壁層４よりも下側、すなわち、基板２とトンネル障壁層４との間に第１の強磁性層７が酸化された金属酸化物層８を備えてなる。これにより、このＴＭＲ素子６５は、トンネル障壁層４の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子６５は、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層８を備えているため、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００８８】
したがって、このＴＭＲヘッド６１は、上述したＴＭＲ素子６５を備えるため、ＴＭＲ素子の電気抵抗が低抵抗化され、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲヘッドとされている。
【００８９】
永久磁石層６７は、磁化自由層の磁化安定化を図るために設けるものであり、下層磁気ギャップ層６４上において絶縁膜層６６、永久磁石層６７の順でＴＭＲ素子６５を挟み込むように形成されている。絶縁膜層６６としては、例えばＡｌ2Ｏ3等を用いることができ、また、永久磁石層６７としては、例えばＣｏＣｒＰｔ等を用いることができる。
【００９０】
絶縁膜層６８は、ＴＭＲ素子６５を周囲から絶縁するためのものであり、例えばＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料により形成される。また、図７及び図８に示した絶縁膜層６８は、一部分であり、図示した部分以外に、図中の隙間部分にも絶縁膜層が形成されているがここでは図示を省略している。
【００９１】
上層磁気ギャップ層６９は、例えばＣｕ、Ｔａ等の導電性を有する非磁性材料によりＴＭＲ素子６５、及び永久磁石層６７、並びに絶縁膜層上６８に１０〜１００μｍ程度の厚みで形成されている。
【００９２】
上層磁気シールド層７０は、ＴＭＲヘッド６１における記録媒体の摺動面から所定の幅で臨むように上層磁気ギャップ層６９上に形成されている。上層磁気シールド層７０は、上述した下層磁気シールド層６３と同様に、良好な軟磁気特性を示す金属磁性材料からなり、スパッタリング等の成膜方法により１〜５μｍ程度の厚みで形成されている。
【００９３】
ＴＭＲヘッド６１において、下層磁気シールド層６３と、上層磁気シールド層７０とは、磁気記録媒体からの信号磁界のうち、再生対象外の磁界がＴＭＲヘッド６１に引き込まれないように機能する。すなわち、ＴＭＲヘッド６１においては、下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０とがＴＭＲ素子６５の上下に配されているために、磁気記録媒体からの信号磁界のうち、再生対象外の磁界が下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０とに導かれ、再生対象の信号磁界だけがＴＭＲ素子６５に引き込まれる。
【００９４】
したがって、ＴＭＲヘッド６１においては、下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０との間隔が、いわゆる再生ギャップ長とされている。
【００９５】
接続端子は、下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０とを電気的に接続可能とするものであり、導電材料により下層磁気シールド層６３の所定の端部に形成される。
【００９６】
以上のように構成されたＴＭＲヘッド６１では、下層磁気シールド層６３と、下層磁気ギャップ６４層と、上層磁気シールド層７０と、上層磁気ギャップ層６９とが導電性を有する材料により形成されており、下層磁気シールド層６３と下層磁気ギャップ層６４とが、第１の磁性金属層側の電極として機能し、上層磁気シールド層７０と上層磁気ギャップ層６９とが第２の磁性金属層側の電極として機能する。
【００９７】
このＴＭＲヘッド６１では、磁気記録媒体から信号磁界が印加されると、磁化自由層である第２の磁性金属層５の磁化方向が変化して、磁化固定層である第１の磁性金属層３の磁化方向と所定の角度を有することとなる。
【００９８】
また、下層磁気シールド層６４と上層磁気シールド層７０との間には所定の電圧が印加されており、トンネル障壁層４を介して第２の磁性金属層５から第１の磁性金属層３の方向にトンネル電流が流れる。そして、磁化自由層である第２の磁性金属層５の磁化方向と磁化固定層である第１の磁性金属層３の磁化方向との成す角度に応じて、トンネル電流に対する電気抵抗が変化する。したがって、このＴＭＲヘッド６１では、この電気抵抗の変化を測定することにより、磁気記録媒体からの信号磁界を検出することができる。
【００９９】
以上説明したように、本発明に係るＴＭＲヘッド６１は、感磁部として上述した磁気抵抗効果素子であるＴＭＲ素子６５を備える。したがって、本発明に係るＴＭＲヘッド６１は、上述した本発明に係るＴＭＲ素子６５を備えることにより、ＴＭＲ素子の電気抵抗が低抵抗化され、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲヘッドとされている。
【０１００】
このようなＴＭＲヘッドは、次のようにして作製することができる。
【０１０１】
上述したＴＭＲヘッド６１を製造する際は、まず、図９に示すように、ＡｌＴｉＣ系、ＴｉＯ-ＣａＯ系等の一般に薄膜磁気ヘッドを作製する際に使用される基板８１を用意する。そして、この基板８１の一主面上に、下層磁気シールド層６３となる磁性金属膜であるセンダスト膜８２と、下層磁気ギャップ層６４となる非磁性金属膜であるＴａ膜８３とを順次成膜する。このとき、非磁性金属膜８３は、ＴＭＲ素子６５の下地層となることから、高度に平坦化されていることが望ましい。
【０１０２】
次に、図１０に示すように、Ｔａ膜８３上に、第１の磁性金属層３となるＰｔＭｎ膜８４、ＣｏＦｅ膜８５、ＣｏＦｅ−Ｏ膜８６及びＣｏＦｅ膜８７を順次成膜する。また、ＰｔＭｎ膜８４には、ＣｏＦｅ膜８５との間で、磁気記録媒体から印加される信号磁界に対して略平行な方向に交換結合するように配向処理が施される。また、ＣｏＦｅ−Ｏ膜８６は、ＣｏＦｅ膜を酸素プラズマにより酸化させることにより形成される。
【０１０３】
そして、ＣｏＦｅ膜８７上に、トンネル障壁層４となるＡｌ2Ｏ3膜８８を成膜する。このＡｌ2Ｏ3膜８８は、ＣｏＦｅ膜８７上にＡｌ膜を成膜し、このＡｌ膜を酸素プラズマにより酸化させることにより形成される。この場合、Ａｌ2Ｏ3膜８８は、例えば、酸化時間、ガス圧力、酸素分圧及び高周波投入電力等を適宜調節することにより、酸化が制御される。また、Ａｌ2Ｏ3膜８８の形成方法としては、ＣｏＦｅ膜８７上に直接Ａｌ2Ｏ3膜をスパッタリング等により成膜する手法であっても良い。
【０１０４】
次に、図１１に示すように、Ａｌ2Ｏ3膜８８上に、第２の磁性金属層５となるＮｉＦｅ膜８９を成膜する。また、ＮｉＦｅ膜８９には、磁気記録媒体から印加される信号磁界に対して略垂直な方向に一軸異方性を有するように配向処理が施される。
【０１０５】
次に、図１２に示すように、ＮｉＦｅ膜８９上に、レジスト材料を塗布してレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりこのレジスト膜を所定の形状にパターンニングすることによって、レジストパターン９０を形成する。具体的に、レジストパターン９０は、レジスト膜をＮｉＦｅ膜８９上の絶縁膜層６６と永久磁石層６７とが形成される領域以外に残存するようなパターンニングを施すことにより形成される。
【０１０６】
次に、図１３に示すように、このレジストパターン９０をマスクとして、イオンミリング等の手法により、レジストパターン９０が形成されていない領域のＴＭＲ膜を、この下部に形成されたＴａ膜８３が露出するまでエッチングして除去する。これにより、Ｔａ膜８３上において、絶縁膜層６６と永久磁石層６７とが形成される部分以外の領域に、上記において形成した各膜及びレジストパターン９０が残存した状態となる。
【０１０７】
次に、図１４に示すように、レジストパターン９０を残存させた状態で、上層絶縁膜層６６となる非磁性膜であるＡｌ2Ｏ3膜９１をスパッタリング等により成膜する。
【０１０８】
次に、図１５に示すように、Ａｌ2Ｏ3膜９１を形成した上に更に永久磁石層６７となる磁性金属膜であるＣｏＣｒＰｔ膜９２をスパッタリング等により成膜する。
【０１０９】
次に、図１６に示すように、有機溶剤等によりレジストパターン９０とともに、このレジストパターン９０上に残存するＡｌ2Ｏ3膜９１及びＣｏＣｒＰｔ膜９２を剥離して除去する。これにより、Ｔａ膜８３上の所定の位置に、絶縁膜層６６及び永久磁石層６７が形成されることとなる。
【０１１０】
次に、図１７に示すように、ＮｉＦｅ膜８９及びＣｏＣｒＰｔ膜９２上に、レジスト材料を塗布してレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりこのレジスト膜を所定の形状にパターニングすることによって、レジストパターン９３を形成する。具体的に、レジストパターン９３は、ＮｉＦｅ膜８９上のＴＭＲ素子６５となる領域及び磁性金属膜９２上に残存するようなパターンニングを施すことにより形成される。
【０１１１】
次に、図１８に示すように、このレジストパターン９３をマスクとして、イオンミリング等の手法により、レジストパターン９３が形成されていない領域を、この下部に形成された非磁性金属膜８３が露出するまでエッチングして除去する。これにより、下層磁気シールド層６３上に、略矩形形状とされたＴＭＲ素子６５、絶縁膜層６６及び永久磁石層６７が形成されることとなる。
【０１１２】
次に、図１９に示すように、レジストパターン９３を残存させた状態で、永久磁石層６７と略々同じ高さとなるように絶縁膜層６８となる非磁性膜であるＡｌ2Ｏ3膜９４をスパッタリング等により成膜する。
【０１１３】
次に、図２０に示すように、有機溶剤等によりレジストパターン９３とともに、このレジストパターン９３上に残存するＡｌ2Ｏ3膜４を剥離して除去する。これにより、ＴＭＲ素子６５、絶縁膜層６６及び永久磁石層６７が絶縁膜層６８中に埋め込まれたようなかたちとなる。
【０１１４】
次に、図２１に示すように、レジストパターン９３が除去された主面上に、上層磁気ギャップ層６９となる非磁性膜であるＴａ膜９５をスパッタリング等により成膜する。
【０１１５】
次に、図２２に示すように、Ｔａ９５の主面上に上層磁気シールド層７０となる磁性金属膜であるセンダスト膜９６を所定の形状に形成する。この上層磁気シールド層７０の形成方法としては、上層磁気シールド層７０となる磁性金属膜を所定の形状とされたレジストパターンを用いた鍍金法により形成する手法、或いは、上層磁気シールド層７０となる磁性金属膜をスパッタリング等により成膜した後に所定の形状にエッチングすることにより形成する手法等が挙げられる。
【０１１６】
そして、フォトリソグラフィ技術及びエッチングによって、絶縁膜層６８及び下層磁気シールド層６３を所定の形状（図示せず。）とする。また、下層磁気シールド層６３の端部上の絶縁膜６８に、下層磁気シールド層６３が露出するような開口部を形成し、この開口部内に導電材料を充填することにより、下層磁気シールド層６８上に接続端子７１を形成する。これにより、下層磁気シールド層６３を上層磁気シールド層７０とともに電気的に接続可能とする。
【０１１７】
以上のようにして、図７に示すようなＴＭＲヘッド６１が作製される。
【０１１８】
上述したＴＭＲヘッドの製造方法によれば、ＴＭＲ素子６５を作製する際に、前述したＴＭＲ素子１の製造方法を用いている。すなわち、トンネル障壁層４を形成するに先立ち、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を形成する。これにより、トンネル障壁層を薄く形成した場合においても良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子を作製することが可能となる。
【０１１９】
したがって、このＴＭＲヘッドの製造方法によれば、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化を可能とすることができ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲヘッドを作製することが可能となる。
【０１２０】
以上、本発明に係るＴＭＲ素子及びＴＭＲヘッドについて詳細に説明したが、本発明の効果を確認するために、以下のような二つのサンプルを作製し、表面の平坦性を測定した。
【０１２１】
サンプル１
サンプル１は、金属酸化物層を設けずに下記構成の各層を積層して作製した。サンプル１の構成は、ガラス基板／Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．２ｎｍ）とした。すなわち、サンプル１は、従来のボトムスピンバルブ型ＴＭＲ素子において、基板から第１の磁性金属層までを形成した状態のものである。
【０１２２】
サンプル２
サンプル２は、金属酸化物層を設けて下記構成の各層を積層して作製した。サンプル２の構成は、ガラス基板／Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ）／Ｒｕ／Ｒｕ−Ｏ（Ｒｕ層との合計で０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．２ｎｍ）とした。すなわち、サンプル２は、本発明を適用したボトムスピンバルブ型ＴＭＲ素子において、基板から第１の磁性金属層までを形成した状態のものである。
【０１２３】
＜特性評価＞
上記において作製したサンプル１及びサンプル２について、最上層であるＣｏＦｅ層（２．２ｎｍ）の表面粗度を原子間力顕微鏡（Atomic force microscope：ＡＦＭ）ナノスコープＩＩＩａ／Ｄ−３０００（商品名、デジタルインストルメンツ社製）を用いて測定した。その結果を図２３及び図２４に示す。図２３及び図２４においては、横軸に測定長を、縦軸にＣｏＦｅ層の表面粗度を示した。図２３及び図２４から、Ｒｕ層の表面を酸化させた金属酸化物層Ｒｕ−Ｏを備えるサンプル２の表面粗度は、サンプル１の表面粗さと比較してピークの高さが全体的に低くなっていることが判る。このことより、金属酸化物層を備えるサンプル２の表面粗度がサンプル１と比較して大きく改善されていることが判る。これは、上記において詳説したように、当該金属酸化物層上に形成された層の結晶粒径が小さくなることによると考えられる。このことより、ＴＭＲ素子を作製する際においても、トンネル障壁層よりも下層に金属酸化物層を設けることにより、トンネル障壁層を薄膜化した場合においても、平坦性の良いトンネル障壁層を形成することが可能でありることが判る。すなわち、トンネル障壁層の薄膜化が可能となるため、トンネル障壁層の低電気抵抗化が可能となるといえる。そして、トンネル障壁層を薄膜化した際の平坦性の悪さに起因した欠陥や亀裂等の発生が防止できるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子を構成することができるといえる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、
基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備える。すなわち、このトンネル磁気抵抗効果素子では、トンネル障壁層よりも先に金属酸化物層が形成されている。これにより、この金属酸化物層よりも上層に形成されているトンネル障壁層表面の平坦性は、良好な状態とされ、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止される。そして、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止されるため、トンネル障壁層の薄膜化が可能とされ、トンネル障壁層の低抵抗化が可能とされる。
【０１２５】
したがって、本発明によれば、電気抵抗が低く、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子を提供することが可能となる。
【０１２６】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、上述した本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子を備える。
【０１２７】
したがって、本発明によれば、電気抵抗が低く、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例のＴＭＲ素子の要部斜視図である。
【図２】第２の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図３】第３の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図４】第４の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図５】第５の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図６】超高真空スパッタ装置の一構成例を示した図である。
【図７】本発明を適用したＴＭＲヘッドの要部斜視図である。
【図８】本発明を適用したＴＭＲヘッドを摺動面側から見た要部側面図である。
【図９】本発明を適用したＴＭＲヘッドの製造方法を説明する図であり、基板の一主面上に、センダスト膜と、Ｔａ膜とを成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１０】同製造方法を説明する図であり、Ｔａ膜上にＰｔＭｎ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅ−Ｏ膜、ＣｏＦｅ膜及びＡｌ2Ｏ3膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１１】同製造方法を説明する図であり、Ａｌ2Ｏ3膜上にＮｉＦｅ膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１２】同製造方法を説明する図であり、Ａｌ2Ｏ3膜上にレジストパターンを形成した状態を示す要部側面図である。
【図１３】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域のＴＭＲ膜をＴａ膜が露出するまでエッチングして除去した状態を示す要部側面図である。
【図１４】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンを残存させた状態で、Ａｌ2Ｏ3膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１５】同製造方法を説明する図であり、Ａｌ2Ｏ3膜上にＣｏＣｒＰｔ膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１６】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンとともに、レジストパターン上に残存するＡｌ2Ｏ3膜及びＣｏＣｒＰｔ膜を剥離して除去した状態を示す要部側面図である。
【図１７】同製造方法を説明する図であり、ＮｉＦｅ膜及びＣｏＣｒＰｔ膜上にレジストパターンを形成した状態を示す要部側面図である。
【図１８】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域を、エッチングして除去した状態を示す要部側面図である。
【図１９】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンを残存させた状態で、永久磁石層６７と略々同じ高さとなるようにＡｌ2Ｏ3膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図２０】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンとともに、レジストパターン上に残存するＡｌ2Ｏ3膜を剥離して除去した状態を示す要部側面図である。
【図２１】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンが除去された主面上にＴａ膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図２２】同製造方法を説明する図であり、Ｔａ膜の主面上にセンダスト膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図２３】サンプル１の最上層であるＣｏＦｅ層の表面粗度を示した特性図である。
【図２４】サンプル２の最上層であるＣｏＦｅ層の表面粗度を示した特性図である。
【符号の説明】
１ トンネル磁気抵抗効果素子、２ 基板、３ 第１の磁性金属層、４ トンネル障壁層、５ 第２の磁性金属層、６ 反強磁性層、７ 第１の強磁性層、８金属酸化物層、９ 第２の強磁性層
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル障壁層を介して一対の磁性層を積層し、一方の磁性層から他方の磁性層にトンネル電流が流れた際にこのトンネル電流のコンダクタンスが一対の磁性層の磁化の分極率に依存して変化するトンネル磁気抵抗効果素子、並びにトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、一対の磁性層で薄い絶縁膜層を挟持してなる層構造において、一対の磁性層を電極として所定の電圧を印加すると、絶縁膜層に流れるトンネル電流のコンダクタンスが一対の磁性金属層の磁化の相対角度に依存して変化するといった磁気トンネリング効果が報告されている。すなわち、一対の磁性層で薄い絶縁膜層を挟持してなる層構造では、絶縁膜層に流れるトンネル電流に対する磁気抵抗効果を示すのである。
【０００３】
この磁気トンネリング効果では、一対の磁性層の磁化の分極率により磁気抵抗比を理論的に算出でき、特に、一対の磁性層にＦｅを用いた場合には、約４０％の磁気抵抗比を期待することができる。
【０００４】
このため、一対の磁性層で薄い絶縁膜層を挟持してなる層構造を有するトンネル磁気抵抗効果膜を用いたトンネル磁気抵抗効果素子が磁気抵抗効果素子として注目を集めている。
【０００５】
また、磁気ヘッドの分野においては、高密度の磁気記録、主にハードディスクドライブ用の再生ヘッドとして、最近、ＧＭＲヘッドが広く用いられているが、今後の更なる高密度化に伴い、更に高感度、高出力のＧＭＲヘッドが必要となる。そして、ＧＭＲヘッドとしての現在の主流は、スピンバルプヘッドであるが、更なる高出力化を目的として、上述したトンネル磁気抵抗効果を感磁素子として用いた磁気ヘッド、いわゆるトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドが注目され、研究が進められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、トンネル磁気抵抗効果素子には、バリア層である絶縁膜層を備えているため電気抵抗が高くなるという問題がある。この問題を解決するため、絶縁膜層の低電気抵抗化を目的として、各種絶縁膜層の製造方法が検討され、低抵抗化が進められている。
【０００７】
また、絶縁膜層の厚みを薄くすることにより電気抵抗を下げられるため、絶縁膜層の薄膜化についても検討が進められており、現在１ｎｍ以下というかなりの薄膜化がなされている。
【０００８】
しかしながら、絶縁膜層を薄膜化する方法には、絶縁膜層の薄膜化に伴い発生する絶縁膜層の欠陥等により磁気抵抗効果が損なわれてしまうという問題がある。そこで、この絶縁膜層の欠陥を少なくするために、この絶縁膜層の平坦度を向上させることが重要となってきた。絶縁膜層の平坦度を向上させるためには、絶縁膜層を積層する界面の平坦度を良くすることが必要であり、単純に、機械加工などで基板面を平坦にすることや、特開平２０００−１１３３０号公報に記されているように、基板面にアモルファス金属層を配して、その上に形成する層を平坦に成長させるという方法等が提案されている。
【０００９】
しかしながら、上述した方法では、基板面やアモルファス金属層から絶縁膜層までに積層した膜厚が厚い場合には、それらの結晶成長がすすむと、結局絶縁膜層での平坦性が低下してしまう可能性がある。したがって、絶縁膜層を薄膜化することにより絶縁膜層の電気抵抗を低抵抗化させ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子を作製する有効な方法は、未だ確立されていないのが実情である。
【００１０】
そこで、本発明は上述した従来の実情に鑑みて創案されたものであり、電気抵抗が低く、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子、及びトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、少なくとも基板上に第１の磁性層と当該第１の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と当該トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、トンネル障壁層を介して第１の磁性層及び第２の磁性層の間にトンネル電流が流れるトンネル磁気抵抗効果素子であって、第１の磁性層は、磁化自由層であり、且つ、第２の磁性層が、磁化固定層である、トップスピンバルブ型の構造を有し、磁化自由層は、一対の強磁性層が非磁性層を介して積層されてなる積層フェリ構造を有し、積層フェリ構造は、トンネル障壁層を平坦化するＲｕ―Ｏ層を備え、Ｒｕ―Ｏ層は、強磁性層を平坦化することで、該強磁性層上に形成されるトンネル障壁層を平坦化する。
【００１２】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、トンネル障壁層よりも先にＲｕ―Ｏ層が形成されている。そして、Ｒｕ―Ｏ層上に形成される層は、その粒子の粒径が小さいため、Ｒｕ―Ｏ層上に形成された層の表面粗さは、良好なものとなる。すなわち、Ｒｕ―Ｏ層上に形成された層の表面の平坦性は、他の各層表面の平坦性と比較して良好な状態に形成される。したがって、このＲｕ―Ｏ層よりも上層に形成されているトンネル障壁層表面の平坦性は、良好な状態とされている。これにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止される。
【００１３】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、基板上に一対の磁気シールド層と当該一対の磁気シールド層に当該一対の磁気シールド層間に当該一対の磁気シールド層にそれぞれ当接して形成された一対の磁気ギャップ層と当該一対の磁気ギャップ層間に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子を備えてなり、トンネル磁気抵抗効果素子は、少なくとも基板上に第１の磁性層と当該第１の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と当該トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備えトンネル障壁層を介して第１の磁性層及び第２の磁性層の間にトンネル電流が流れるトンネル磁気抵抗効果素子であって、第１の磁性層は、磁化自由層であり、且つ、第２の磁性層が、磁化固定層である、トップスピンバルブ型の構造を有し、磁化自由層は、一対の強磁性層が非磁性層を介して積層されてなる積層フェリ構造を有し、積層フェリ構造は、トンネル障壁層を平坦化するＲｕ―Ｏ層を備え、Ｒｕ―Ｏ層は、強磁性層を平坦化することで、該強磁性層上に形成されるトンネル障壁層を平坦化する。
【００１４】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、上述した本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子を備えるため、トンネル障壁層表面の平坦性が良好な状態とされている。したがって、トンネル障壁層の厚みを薄く形成してトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドを構成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止されるトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドとされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各部材の寸法比率が実際と同じであるとは限らない。
【００１７】
まず、本発明を適用したトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と呼ぶ。）について説明する。図１に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第１の実施例の要部斜視図を示す。
【００１８】
ＴＭＲ素子１は、基板２と、基板２上に形成された磁化固定層である第１の磁性金属層３と、この第１の磁性金属層３上に形成されたトンネル障壁層４と、このトンネル障壁層４上に形成された磁化自由層である第２の磁性金属層５とを備えて構成される。すなわち、このＴＭＲ素子１は、磁化固定層である第１の磁性金属層３と磁化自由層である第２の磁性金属層５とがトンネル障壁層４を介して積層されたいわゆるボトムスピンバルブ型の構造を有している。また、このＴＭＲ素子１では、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層５とがトンネル障壁層４を介して積層されることによりトンネル接合が形成されている。
【００１９】
基板２は、ＴＭＲ素子１を形成する際の台座となるものであり、例えば、Ｓｉからなる平滑な主面を有する基板等が用いられる。
【００２０】
第１の磁性金属層３は、いわゆる磁化固定層あり、このＴＭＲ素子１では、基板２上に形成された反強磁性６層と、当該反強磁性層６上に形成された第１の強磁性層７と、当該第１の強磁性層７上に形成された金属酸化物層８と、当該金属酸化物層８上に形成された第２の強磁性層９との４層により構成されており、反強磁性層６によって強磁性層の磁化の方向が特定の方向に固定されている。ここで、金属酸化物層８は、第１の強磁性層７が酸化されて形成された金属酸化物の層を表す。
【００２１】
このＴＭＲ素子１では、後述するトンネル障壁層４よりも下側、すなわちトンネル障壁層４と基板との間に、第１の強磁性層７が酸化された金属酸化物層８を備えてなる。
【００２２】
金属酸化物層上に形成される層は、その粒子の粒径が小さいため、金属酸化物層８上に形成された層の表面粗さは、良好なものとなる。すなわち、金属酸化物層８上に形成された層の表面の平坦性は、他の各層表面の平坦性と比較して良好な状態に形成される。
【００２３】
そこで、金属酸化物層８を形成することにより、当該金属酸化物層８上に形成される各層の表面の平坦性を良好なものとすることができる。すなわち、当該金属酸化物層８上に形成された層の表面の平坦性は、第１の強磁性層７の表面の平坦性よりも良好とされているため、当該金属酸化物層８上に形成される各層の表面の平坦性も、当該金属酸化物層８を形成しない場合に比べて良好なものとされる。すなわち、このＴＭＲ素子１では、磁化固定層である第１の磁性金属層３が、当該第１の磁性金属層３が備える第１の強磁性層７が酸化された金属酸化物層８を有することにより、後述するトンネル障壁層４を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層９の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態とされた第２の強磁性層９上に積層されるトンネル障壁層４もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされる。すなわち、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２側に金属酸化物層８を備えているため、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされている。
【００２４】
また、上記において、金属酸化物層８は、トンネル障壁層４に近い位置に形成されることが好ましい。具体的には、トンネル障壁層４から、２，３層程度下層に形成されることが好ましい。これは、金属酸化物層８が、トンネル障壁層４からあまり離れた位置に配された場合、基板２とトンネル障壁層４との間の厚みが厚くなり、トンネル障壁層を平坦性を向上させる効果が小さくなる虞があるからである。
【００２５】
また、上記においては、金属酸化物層８が第１の強磁性層７が酸化された層とされているが、金属酸化物層は、これに限定されることなく、第１の強磁性層７と関連のない異なる種類の金属酸化物層であっても良い。
【００２６】
上記において、反強磁性層６としては、交換結合磁界及びブロッキング温度の高い反強磁性材料を用いることができ、このような材料としては、例えばＰｔＭｎや、他のＭｎ系不規則合金、Ｍｎ系規則合金、ＮｉＯ、α−Ｆｅ2Ｏ3等の酸化物反強磁性材料、或いは硬磁性材料等を用いることができる。また、第１の強磁性層７及び第２の強磁性層９としては、良好な軟磁気特性を示す磁性材料を用いることができ、このような材料としては、例えばＣｏＦｅ、ＮｉＦｅや、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの少なくとも一種を含む合金、又はそれらの積層体等を用いることができる。この場合、金属酸化物層としては、ＣｏＦｅ−Ｏ等を用いることができる。ここで、ＣｏＦｅ−Ｏは、ＣｏＦｅの酸化物を表す。
【００２７】
トンネル障壁層４は、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層４との間に流れる電流、いわゆるトンネル電流のトンネル障壁となるものである。トンネル障壁層４は、絶縁材料からなり、例えばＡｌ−Ｏ等を用いることができる。ここで、Ａｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物等を表す。また、絶縁材料としては、Ａｌ−Ｏに限定されることはなく、他の金属の酸化物、炭化物、窒化物等を用いることもできる。
【００２８】
第２の磁性金属層５は、いわゆる磁化自由層であり、外部磁界に応じて磁化方向が変化する。第２の磁性金属層５としては、良好な軟磁気特性を示す磁性材料を用いることができ、このような材料としては、例えばＣｏＦｅ、ＮｉＦｅや、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのうちの少なくとも一種を含む合金、又はそれらの積層体等を用いることができる。
【００２９】
以上のように構成されたＴＭＲ素子１では、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層５との間に所定の電圧が印加されると、図１中矢印Ａで示す方向、すなわち第２の磁性金属層５から第１の磁性金属層３の方向に、トンネル障壁層４を介してトンネル電流が流れる。
【００３０】
ここで、このＴＭＲ素子１では、第１の磁性金属層３が磁化方向を変化させない磁化固定層となり、第２の磁性金属層５が外部磁界に対して自由に磁化方向を変化させる磁化自由層とされている。また、第１の強磁性層７は、反強磁性材料からなる反強磁性層６との間で交換結合しており、図１中矢印Ｂで示す方向に磁化方向が固定されている。一方、磁化自由層である第２の磁性金属層５は、図１中矢印Ｃで示す方向に一軸異方性を有するように形成されている。したがって、外部磁界が印加されない状態では、磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向とは、略直交することとなる。
【００３１】
そして、ＴＭＲ素子１は、この状態で図１中の矢印Ｄで示す方向に外部磁界が印加されると、磁化自由層である第２の磁性金属層５の磁化方向が変化して、磁化固定層である第１の磁性金属層３の磁化方向と所定の角度を有することとなる。
【００３２】
更に、このＴＭＲ素子１では、磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向との成す角度に応じて、トンネル電流に対する電気抵抗が変化する。すなわち、磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向とが同一となるとき、すなわち順平行となるとき、電気抵抗は、最も小さくなり、逆に磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向とが互いに反対となるとき、すなわち反平行となるとき、電気抵抗は、最も大きくなる。また、両層の磁化方向の成す角度がこの中間の角度であるときには、電気抵抗は、磁化方向の成す角度に正弦的に変化する。
【００３３】
したがって、このＴＭＲ素子１では、ＴＭＲ素子１にトンネル電流を流し、このときの電気抵抗の変化を測定することにより外部磁界の変化を検出することができる。
【００３４】
以上のように構成されたＴＭＲ素子１では、基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層が介在しているため、トンネル障壁層４を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層９の平坦性が良好な状態とされている。これにより、平坦性が良好な状態にある第２の強磁性層９上に積層されたトンネル障壁層４もまた、その平坦性が良好なものとされている。そのため、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止される。したがって、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされている。すなわち、このＴＭＲ素子１は、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層が介在しているため、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１とされている。
【００３５】
図２に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第２の実施例を示す。ただし、図２においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００３６】
第２の実施例のＴＭＲ素子１１は、基板と、基板上に形成された磁化固定層である第１の磁性金属層と、当該第１の磁性金属層上に形成されたトンネル障壁層と、当該トンネル障壁層上に形成された磁化自由層である第２の磁性金属層とを備えて構成される。このＴＭＲ素子１１は、磁化固定層である第１の磁性金属層と磁化自由層である第２の磁性金属層とが、トンネル障壁層を介して積層されたいわゆるボトムスピンバルブ型の構造を有している。
【００３７】
基板２は、ＴＭＲ素子１１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層１２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化固定層であり、ＰｔＭｎ層１３と、当該ＰｔＭｎ層１３上に形成されたＣｏＦｅ層１４と、当該ＣｏＦｅ層１４上に形成されたＣｏＦｅ−Ｏ層１５と、当該ＣｏＦｅ−Ｏ層１５上に形成されたＣｏＦｅ層１６とにより構成される。
【００３８】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層１７からなり、第１の磁性金属層３上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００３９】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７上には、磁化自由層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７に当接して形成されたＣｏＦｅ層１８と、当該ＣｏＦｅ層１８上に形成されたＮｉＦｅ層１９との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層１８は、補助自由層であり、スピン分極率を増加させる働きをする。このように磁化自由層を２層構造とすることにより、ＴＭＲ素子１１の磁気抵抗比を増大させることができる。
【００４０】
以上のように構成された第２の実施例のＴＭＲ素子１１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１と同様に、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７よりも下側、すなわち、Ｓｉ層１２とＡｌ−Ｏ層１７との間に、第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化された金属酸化物層であるＣｏＦｅ−Ｏ層１５が介在している。そして、当該ＣｏＦｅ−Ｏ層１５上に形成される各層の表面の平坦性が、良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子１１では、Ｓｉ層１２とＡｌ−Ｏ層１７との間に第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化された金属酸化物層、すなわちＣｏＦｅ−Ｏ層１５が介在することにより、第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化されたトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層１６の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層１６上に積層されるトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層１７もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子１１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子は、トンネル障壁層よりも下層、すなわちＳｉ層１２とＡｌ−Ｏ層１７との間に、第１の強磁性層であるＣｏＦｅ層１４が酸化された金属酸化物層であるＣｏＦｅ−Ｏ層１５が介在しているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００４１】
図３に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第３の実施例を示す。ただし、図３においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００４２】
第３の実施例のＴＭＲ素子２１は、基板と、基板上に形成された磁化固定層である第１の磁性金属層と、当該第１の磁性金属層上に形成されたトンネル障壁層と、当該トンネル障壁層上に形成された磁化自由層である第２の磁性金属層２とを備えて構成される。このＴＭＲ素子２１は、磁化固定層である第１の磁性金属層と磁化自由層である第２の磁性金属層２とが、トンネル障壁層を介して積層されたいわゆるボトムスピンバルブ型の構造を有している。
【００４３】
基板は、ＴＭＲ素子２１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層２２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化固定層であり、ＰｔＭｎ層２３と、当該ＰｔＭｎ層２３上に形成されたＣｏＦｅ層２４と、当該ＣｏＦｅ層２４上に形成されたＲｕ層２５と、当該Ｒｕ層２５上に形成されたＲｕ−Ｏ層２６と、当該Ｒｕ−Ｏ層２６上に形成されたＣｏＦｅ層２７とにより構成される。
【００４４】
このＴＭＲ２１素子が、第２の実施例のＴＭＲ素子１１と異なる点は、磁化固定層である第１の磁性金属層が積層フェリ構造を有することである。すなわち、このＴＭＲ素子２１では、第１の磁性金属層が備えるＣｏＦｅ層２４と、当該ＣｏＦｅ層２４上に形成されたＲｕ層２５と、当該Ｒｕ層２５上に形成されたＲｕ−Ｏ層２６と、当該Ｒｕ−Ｏ層２６上に形成されたＣｏＦｅ層２７とにより積層フェリ構造を構成している。磁化固定層を積層フェリ構造とすることにより、磁化固定層における磁気モーメントが低くなり、磁化自由層にかかる反磁界が小さくなる。積層フェリ構造は、上述したように２層の強磁性層の中間に非磁性層が形成された構造とされる。そして、この非磁性層の厚みを調整することにより、２層の強磁性層は、それぞれの磁化方向が反平行となるように結合する。なお、積層フェリ構造の中間に形成される非磁性層としては、Ｒｕの他に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ等も用いることができる。
【００４５】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層２８からなり、第１の磁性金属層上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００４６】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層２８上には、磁化自由層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層に当接して形成されたＣｏＦｅ層２９と、当該ＣｏＦｅ層２９上に形成されたＮｉＦｅ層３０との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層２９は、補助自由層であり、スピン分極率を増加させる働きをする。このように磁化自由層を２層構造とすることにより、ＴＭＲ素子２１の磁気抵抗比を増大させることができる。
【００４７】
以上のように構成された第３の実施例のＴＭＲ素子２１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１と同様に、トンネル障壁層よりも下側、すなわち、基板であるＳｉ層２２とＡｌ−Ｏ層２８との間に積層フェリ構造中に備えられたＲｕ２５が酸化された金属酸化物層であるＲｕ−Ｏ層２６を備えてなる。そして、当該Ｒｕ−Ｏ層２６上に形成される各層の表面の平坦性が良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子２１では、基板であるＳｉ層２２とＡｌ−Ｏ層２８との間に当該第１の磁性金属層が備える非磁性層であるＲｕ層２５が酸化された金属酸化物層、すなわちＲｕ−Ｏ層２６を有することにより、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層２８を積層する直下の層、すなわち、第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層２７の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある第２の強磁性層であるＣｏＦｅ層２７上に積層されるトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層２８もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子２１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子２１は、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備えているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００４８】
図４に、本発明を適用したＴＭＲ素子の第４の実施例を示す。ただし、図４においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００４９】
第４の実施例のＴＭＲ素子３１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１と反対に、磁化自由層である第１の磁性金属層と、磁化固定層である第２の磁性金属層とがトンネル障壁層を介して積層されたいわゆるトップスピンバルブ型の構造を有する。
【００５０】
基板は、ＴＭＲ素子３１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層３２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化自由層であり、ＮｉＦｅ層３３と、当該ＮｉＦｅ層３３上に形成されたＮｉＦｅ−Ｏ３４層と、当該ＮｉＦｅ−Ｏ層３４上に形成されたＮｉＦｅ層３５と、当該ＮｉＦｅ層３５上に形成された補助自由層であるＣｏＦｅ層３６とにより構成されている。
【００５１】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層３７からなり、第１の磁性金属層上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００５２】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層３７上には、磁化固定層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層３７に当接して形成されたＣｏＦｅ層３８と、当該ＣｏＦｅ層３８上に形成されたＰｔＭｎ層３９との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層３８は、強磁性層であり、反強磁性層であるＰｔＭｎ層３９により磁化の方向が固定されている。
【００５３】
以上のように構成された第４の実施例のＴＭＲ素子３１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１とは逆に、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層３７よりも下側、すなわち、基板であるＳｉ層３２とＡｌ−Ｏ層３７との間に金属酸化物層であるＮｉＦｅ−Ｏ層３４を備えてなる。そして、当該ＮｉＦｅ−Ｏ層３４上に形成される各層の表面の平坦性が、良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子３１では、基板であるＳｉ層３２とＡｌ−Ｏ層３７との間に金属酸化物層を備えることにより、トンネル障壁層を積層する直下の層、すなわち、補助自由層であるＣｏＦｅ層３６の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある補助自由層であるＣｏＦｅ層３６上に積層されるトンネル障壁層もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子３１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子３１は、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備えているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００５４】
図５に、本発明を適用したＴＭＲ素子トンネル磁気抵抗効果素子の第５の実施例を示す。ただし、図５においては、ＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図を示す。
【００５５】
第５の実施例のＴＭＲ素子４１は、第４の実施例のＴＭＲ素子３１と同様に、磁化自由層である第１の磁性金属層と、磁化固定層である第２の磁性金属層とがトンネル障壁層を介して積層されたいわゆるトップスピンバルブ型の構造を有する。
【００５６】
基板は、ＴＭＲ素子４１を形成する際の台座となるものであり、Ｓｉ層４２からなる平滑な主面を有する基板により形成されている。
第１の磁性金属層は、磁化自由層であり、ＮｉＦｅ層４３と、当該ＮｉＦｅ層４３上に形成されたＲｕ層４４と、当該Ｒｕ層４４上に形成されたＲｕ−Ｏ層４５と、当該Ｒｕ−Ｏ層４５上に形成されたＮｉＦｅ層４６と、当該ＮｉＦｅ層４６上に形成された補助自由層であるＣｏＦｅ層４７とにより構成されている。
【００５７】
このＴＭＲ素子４１が、第４の実施例のＴＭＲ素子３１と異なる点は、磁化自由層が積層フェリ構造を有することである。すなわち、このＴＭＲ素子では、第１の磁性金属層が備えるＮｉＦｅ層４３と、当該ＮｉＦｅ層４３上に形成されたＲｕ層４４と、当該Ｒｕ層４４上に形成されたＲｕ−Ｏ層４５と、当該Ｒｕ−Ｏ層４５上に形成されたＮｉＦｅ層４６とにより積層フェリ構造を構成している。磁化自由層を積層フェリ構造とすることにより、磁化自由層における磁気モーメントが低くなり、磁化固定層にかかる反磁界が小さくなる。積層フェリ構造は、上記のように２層の強磁性層の中間に非磁性層が形成された構造とされる。そして、この非磁性層の厚みを調製することにより、２層の強磁性層は、それぞれの磁化方向が反平行となるように結合する。なお、積層フェリ構造の中間に形成される非磁性層としては、Ｒｕの他に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ等も用いることができる。
【００５８】
トンネル障壁層は、Ａｌ−Ｏ層４８からなり、第１の磁性金属層上に形成されている。ここでＡｌ−Ｏは、Ａｌの酸化物を表す。
【００５９】
そして、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８上には、磁化固定層である第２の磁性金属層が形成されており、当該第２の磁性金属層は、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８に当接して形成されたＣｏＦｅ層４９と、当該ＣｏＦｅ層４９上に形成されたＰｔＭｎ層５０との２層により構成される。ここで、ＣｏＦｅ層４９は、強磁性層であり、反強磁性層であるＰｔＭｎ層５０により磁化の方向が固定されている。
【００６０】
以上のように構成された第５の実施例のＴＭＲ素子４１は、第１の実施例のＴＭＲ素子１とは逆に、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８よりも下側、すなわ基板であるＳｉ層４２とＡｌ−Ｏ層４８との間に積層フェリ構造中に備えられたＲｕ層４４が酸化された金属酸化物層であるＲｕ−Ｏ層４５を備えてなる。そして、当該Ｒｕ−Ｏ層４５上に形成される各層の表面の平坦性が、良好なものとされる。したがって、このＴＭＲ素子４１では、基板であるＳｉ層４２とＡｌ−Ｏ層４８との間に金属酸化物層、すなわちＲｕ−Ｏ層４５を備えることにより、トンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８を積層する直下の層、すなわち、補助自由層であるＣｏＦｅ層４９の平坦性が良好な状態とされる。更に、平坦性が良好な状態にある補助自由層であるＣｏＦｅ層４９上に積層されるトンネル障壁層であるＡｌ−Ｏ層４８もまた、その平坦性が良好なものとされる。そして、このＴＭＲ素子４１は、トンネル障壁層の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子４１は、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備えているため、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００６１】
以上のように構成されたＴＭＲ素子は、次のようにして作製することができる。ここでは、上述した第１の実施例のＴＭＲ素子１を例にとって説明する。
【００６２】
このＴＭＲ素子１は、スパッタリング等の通常の薄膜形成工程によって作製することができる。
【００６３】
ＴＭＲ素子１は、上述した各層が数ｎｍ程度の非常に薄い層厚で形成され、積層構造とされてなる。したがって、磁気抵抗効果素子は、例えば超高真空スパッタ装置を用いて成膜することが望ましい。これにより、磁気抵抗効果素子は、各層の層質を良好なものとすることができるとともに、各層の層厚を精度良く形成することができる。
【００６４】
ここで、超高真空スパッタ装置の一例を図６に示す。この超高真空スパッタ装置５１は、基板準備室５２と、逆スパッタによって基板クリーニングを行う予備プロセス室５３と、スパッタリングによる成膜を減圧下にて行うことが可能な成膜室５４との３室構造とされている。なお、成膜室５４におけるバックグラウンドの到達真空度は、１．０×１０-9Ｐａ程度まで可能とされている。
【００６５】
この超高真空スパッタ装置５１は、スパッタリングカソード５５として、誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを使用しており、ターゲット上にＲＦコイルが配されている。これにより、低ガス圧下においても放電が可能となっており、高いイオン化率が得られるようになされている。
【００６６】
また、超高真空スパッタ装置５１の成膜室５４には、スパッタリングカソード５５が複数設けられている。そして、上述したＴＭＲ素子を製造する際には、これら各スパッタリングカソード５５に、例えば、Ｐｔ（４０原子％）−Ｍｎ（６０原子％）ターゲット、Ｃｏ（９０原子％）−Ｆｅ（１０原子％）ターゲット、Ａｌ2Ｏ3ターゲットをそれぞれ配して用いる。
【００６７】
ＴＭＲ素子１を製造する際には、基板２を成膜室５４内に配置し、真空ポンプ（図示せず。）によって成膜室５４内を十分に減圧し、例えば到達真空圧力を１×１０-6Ｐａ程度にする。ここで、成膜室５４内を十分に減圧することにより、ＴＭＲ素子１を作製する際に、ＴＭＲ素子１の各層内に酸素などの不純物元素が含まれることを防止することができ、耐食性に優れた高品質のＴＭＲ素子１を作製することができる。そして、成膜室５４内の真空度を調節しながらスパッタガスとしてＡｒガスを導入する。そして、基板２が配置された陽極板（図示せず。）に正の電圧を印加し、例えばＰｔ−Ｍｎターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、Ｐｔ−ＭｎターゲットにＡｒを衝突させてＰｔＭｎをスパッタし、基板２上に例えば膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層を積層する。
【００６８】
次に、陽極板に正の電圧を印加し、例えばＣｏ−Ｆｅターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、反強磁性層上に例えば膜厚２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金からなる第１の強磁性層を積層する。
【００６９】
次に、第１の強磁性層を形成した基板２を超高真空スパッタ装置５１から取り出し、大気中において所定の時間放置して第１の強磁性層の表面を酸化させることにより、例えば膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ−Ｏ層からなる金属酸化物層８を形成する。
【００７０】
次に、金属酸化物層８であるＣｏＦｅ−Ｏ層を形成した基板２を再度成膜室５４に配置し、上記と同様に超高真空スパッタ装置５１の成膜室５４内を減圧し、Ａｒガスを導入する。そして、陽極板に正の電圧を印加し、例えばＣｏ−Ｆｅターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、金属酸化物層上に例えば膜厚２．２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金からなる第２の強磁性層を積層する。以上により、磁化固定層である第１の強磁性層３を形成することができる。
【００７１】
次に、例えばＡｌ2Ｏ3ターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５にＲＦ電力を印加する。これにより、第２の強磁性層上に、例えば膜厚１ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなるトンネル障壁層４を積層する。
【００７２】
次に、陽極板に正の電圧を印加し、例えばＣｏ−Ｆｅターゲットが配設されたスパッタリングカソード５５に負の電圧を印加する。これにより、トンネル障壁層４上に例えば膜厚２．５ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金からなる磁化自由層である第２の強磁性層強磁性層５を積層する。
【００７３】
最後に、反強磁性層６の規則化熱処理を、例えば２６５℃の温度において４時間保持することにより施す。
【００７４】
ＴＭＲ素子１は、以上のようにして基板２上に各層を順次成膜することにより作製することができる。
【００７５】
上記において、金属酸化物層８を形成する方法としては、大気中に暴露する方法を挙げたが、第１の強磁性層７の表面を大気圧以下の酸素中に暴露することにより、第１の強磁性層７を酸化させて形成することもできる。また、上記の方法の他に、電子サイクロトン波共鳴（Electron cycloton resonance：ＥＣＲ）や、誘導結合型プラズマ（Inductively coupled plasma：ＩＣＰ）を含むプラズマ酸化法等も用いることができる。
【００７６】
また、トンネル障壁層４として、Ａｌ−Ｏ層、すなわち、Ａｌの酸化物を形成する際には、第２の強磁性層９上に直接Ａｌ2Ｏ3膜等をスパッタリング等により形成する方法を挙げたが、第２の強磁性層９上にＡｌ膜をスパッタリング等により成膜した後に、酸素プラズマ等を用いて酸化させても良い。
【００７７】
上述したＴＭＲ素子１の製造方法では、トンネル障壁層４を形成するに先立って、金属酸化物層８を形成することを特徴とする。すなわち、このＴＭＲ素子１の製造方法においては、金属酸化物層８を基板２とトンネル障壁層４との間に形成する。
【００７８】
金属酸化物は、その層上に形成される層の粒子の粒径が小さくなるため、金属酸化物層上に層を形成した際、その表面粗さが良好なものとなる。すなわち、上記の場合、金属酸化物層８を形成することにより、当該金属酸化物層８上に形成される第２の強磁性層９の表面の平坦性を良好なものとすることができる。そして、表面の平坦性が良好な状態とされた第２の強磁性層９上にトンネル障壁層４を形成することにより、トンネル障壁層４表面の平坦性もまた良好な状態とすることができる。
【００７９】
そして、トンネル障壁層４の平坦性を良好なものとすることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止することができ、これらに起因する磁気抵抗効果の損失を防止することができ、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１を作製することができる。
【００８０】
したがって、上述したＴＭＲ素子１の製造方法によれば、トンネル障壁層４を形成するに先立ち、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層８を形成することにより、トンネル障壁層４を薄く形成した場合においても良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１を作製することが可能となる。すなわち、このＴＭＲ素子１の製造方法によれば、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化を可能とすることができ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子１を作製することが可能となる。
【００８１】
次に、本発明のＴＭＲ素子が適用されるトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッド（以下、ＴＭＲヘッドと呼ぶ。）について説明する。図７は本発明を適用したＴＭＲヘッド６１の要部斜視図である。また、図８は、本発明が適用されたＴＭＲヘッド６１を摺動面側から見た要部側面図である。また、以下の説明では、ＴＭＲヘッド６１を構成する各部材並びにその材料、大きさ、膜厚及び成膜方法等について具体的な例を挙げるが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
【００８２】
ＴＭＲヘッド６１は、例えばＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ（アルチック）等の硬質の非磁性材料により略平板状に形成された基板６２と、この基板６２上に形成された下層磁気シールド層６３と、この下層磁気シールド層６３上に形成された下層磁気ギャップ層６４と、この下層磁気ギャップ層６４上に形成されたＴＭＲ素子６５と、下層磁気ギャップ層６４上においてＴＭＲ素子６５を両側から挟み込むように形成された絶縁膜層６６と、この絶縁膜層６６上にその高さをＴＭＲ素子６５と略同一に形成された永久磁石層６７と、下層磁気ギャップ層６４上において絶縁膜層６６及び永久磁石層６７を挟み込むように、且つその高さをＴＭＲ素子６５と略同一に形成された絶縁膜層６８と、ＴＭＲ素子６５、及び永久磁石層６７、並びに絶縁膜層６８上に形成された上層磁気ギャップ層６９と、この上層磁気ギャップ層６９上に形成された上層磁気シールド層７０と、下層磁気シールド層６３上の後段に形成された接続端子７１とを備えて構成される。
【００８３】
ＴＭＲヘッド６１は、上述した各層及び各部材が薄膜状に形成されて基板６２上に積層されてなる。また、ＴＭＲヘッド６１は、記録媒体の摺動面で上述した各層及び各部材が外方に臨み、略同一面を構成している。
【００８４】
下層磁気シールド層６３は、ＴＭＲヘッド６１における記録媒体の摺動面から所定の幅で臨むように基板６２上に形成されている。下層磁気シールド層６３は、例えばＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金（センダスト）、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｒｕ−Ｇａ合金、Ｆｅ−Ｔａ−Ｎ合金等の高い耐熱性を有し、且つ良好な軟磁気特性及び導電性を示す金属磁性層が１〜５μｍ程度の厚みで形成されている。
【００８５】
下層磁気ギャップ層６４は、例えばＣｕ、Ｔａ等の導電性を有する非磁性材料により下層磁気シールド層６３上に１０〜１００μｍ程度の厚みで形成されている。
【００８６】
ＴＭＲ素子６５は、下層磁気ギャップ層６４の直上に位置して、略矩形形状に形成される。このＴＭＲ素子６５は、上述したＴＭＲ素子１と同等の膜構造とされており、図１に示すように、第１の磁性金属層３と、当該第１の磁性金属層３上に形成されたトンネル障壁層４と、当該トンネル障壁層４上に形成された第２の磁性金属層５とがこの順で積層されている。そして、第１の磁性金属層３は、磁化固定層であり、反強磁性層と、第１の強磁性層と、金属酸化物層と、第２の強磁性層とがこの順で積層して構成されている。また、第２の磁性金属層５は、磁化自由層である。すなわち、このＴＭＲ素子６５は、いわゆるボトムスピンバルブ型ＴＭＲ素子とされている。
【００８７】
そして、このＴＭＲ素子６５では、トンネル障壁層４よりも下側、すなわち、基板２とトンネル障壁層４との間に第１の強磁性層７が酸化された金属酸化物層８を備えてなる。これにより、このＴＭＲ素子６５は、トンネル障壁層４の平坦性が良好なものとされることにより、トンネル障壁層４の厚みを薄く形成した場合においてもトンネル障壁層４における欠陥や亀裂等の発生が防止されるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされる。すなわち、このＴＭＲ素子６５は、トンネル障壁層４よりも下層、すなわち基板２とトンネル障壁層４との間に金属酸化物層８を備えているため、トンネル障壁層４を薄膜化することによるトンネル障壁層４の低電気抵抗化が可能とされ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子とされている。
【００８８】
したがって、このＴＭＲヘッド６１は、上述したＴＭＲ素子６５を備えるため、ＴＭＲ素子の電気抵抗が低抵抗化され、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲヘッドとされている。
【００８９】
永久磁石層６７は、磁化自由層の磁化安定化を図るために設けるものであり、下層磁気ギャップ層６４上において絶縁膜層６６、永久磁石層６７の順でＴＭＲ素子６５を挟み込むように形成されている。絶縁膜層６６としては、例えばＡｌ2Ｏ3等を用いることができ、また、永久磁石層６７としては、例えばＣｏＣｒＰｔ等を用いることができる。
【００９０】
絶縁膜層６８は、ＴＭＲ素子６５を周囲から絶縁するためのものであり、例えばＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料により形成される。また、図７及び図８に示した絶縁膜層６８は、一部分であり、図示した部分以外に、図中の隙間部分にも絶縁膜層が形成されているがここでは図示を省略している。
【００９１】
上層磁気ギャップ層６９は、例えばＣｕ、Ｔａ等の導電性を有する非磁性材料によりＴＭＲ素子６５、及び永久磁石層６７、並びに絶縁膜層上６８に１０〜１００μｍ程度の厚みで形成されている。
【００９２】
上層磁気シールド層７０は、ＴＭＲヘッド６１における記録媒体の摺動面から所定の幅で臨むように上層磁気ギャップ層６９上に形成されている。上層磁気シールド層７０は、上述した下層磁気シールド層６３と同様に、良好な軟磁気特性を示す金属磁性材料からなり、スパッタリング等の成膜方法により１〜５μｍ程度の厚みで形成されている。
【００９３】
ＴＭＲヘッド６１において、下層磁気シールド層６３と、上層磁気シールド層７０とは、磁気記録媒体からの信号磁界のうち、再生対象外の磁界がＴＭＲヘッド６１に引き込まれないように機能する。すなわち、ＴＭＲヘッド６１においては、下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０とがＴＭＲ素子６５の上下に配されているために、磁気記録媒体からの信号磁界のうち、再生対象外の磁界が下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０とに導かれ、再生対象の信号磁界だけがＴＭＲ素子６５に引き込まれる。
【００９４】
したがって、ＴＭＲヘッド６１においては、下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０との間隔が、いわゆる再生ギャップ長とされている。
【００９５】
接続端子は、下層磁気シールド層６３と上層磁気シールド層７０とを電気的に接続可能とするものであり、導電材料により下層磁気シールド層６３の所定の端部に形成される。
【００９６】
以上のように構成されたＴＭＲヘッド６１では、下層磁気シールド層６３と、下層磁気ギャップ６４層と、上層磁気シールド層７０と、上層磁気ギャップ層６９とが導電性を有する材料により形成されており、下層磁気シールド層６３と下層磁気ギャップ層６４とが、第１の磁性金属層側の電極として機能し、上層磁気シールド層７０と上層磁気ギャップ層６９とが第２の磁性金属層側の電極として機能する。
【００９７】
このＴＭＲヘッド６１では、磁気記録媒体から信号磁界が印加されると、磁化自由層である第２の磁性金属層５の磁化方向が変化して、磁化固定層である第１の磁性金属層３の磁化方向と所定の角度を有することとなる。
【００９８】
また、下層磁気シールド層６４と上層磁気シールド層７０との間には所定の電圧が印加されており、トンネル障壁層４を介して第２の磁性金属層５から第１の磁性金属層３の方向にトンネル電流が流れる。そして、磁化自由層である第２の磁性金属層５の磁化方向と磁化固定層である第１の磁性金属層３の磁化方向との成す角度に応じて、トンネル電流に対する電気抵抗が変化する。したがって、このＴＭＲヘッド６１では、この電気抵抗の変化を測定することにより、磁気記録媒体からの信号磁界を検出することができる。
【００９９】
以上説明したように、本発明に係るＴＭＲヘッド６１は、感磁部として上述した磁気抵抗効果素子であるＴＭＲ素子６５を備える。したがって、本発明に係るＴＭＲヘッド６１は、上述した本発明に係るＴＭＲ素子６５を備えることにより、ＴＭＲ素子の電気抵抗が低抵抗化され、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲヘッドとされている。
【０１００】
このようなＴＭＲヘッドは、次のようにして作製することができる。
【０１０１】
上述したＴＭＲヘッド６１を製造する際は、まず、図９に示すように、ＡｌＴｉＣ系、ＴｉＯ-ＣａＯ系等の一般に薄膜磁気ヘッドを作製する際に使用される基板８１を用意する。そして、この基板８１の一主面上に、下層磁気シールド層６３となる磁性金属膜であるセンダスト膜８２と、下層磁気ギャップ層６４となる非磁性金属膜であるＴａ膜８３とを順次成膜する。このとき、非磁性金属膜８３は、ＴＭＲ素子６５の下地層となることから、高度に平坦化されていることが望ましい。
【０１０２】
次に、図１０に示すように、Ｔａ膜８３上に、第１の磁性金属層３となるＰｔＭｎ膜８４、ＣｏＦｅ膜８５、ＣｏＦｅ−Ｏ膜８６及びＣｏＦｅ膜８７を順次成膜する。また、ＰｔＭｎ膜８４には、ＣｏＦｅ膜８５との間で、磁気記録媒体から印加される信号磁界に対して略平行な方向に交換結合するように配向処理が施される。また、ＣｏＦｅ−Ｏ膜８６は、ＣｏＦｅ膜を酸素プラズマにより酸化させることにより形成される。
【０１０３】
そして、ＣｏＦｅ膜８７上に、トンネル障壁層４となるＡｌ2Ｏ3膜８８を成膜する。このＡｌ2Ｏ3膜８８は、ＣｏＦｅ膜８７上にＡｌ膜を成膜し、このＡｌ膜を酸素プラズマにより酸化させることにより形成される。この場合、Ａｌ2Ｏ3膜８８は、例えば、酸化時間、ガス圧力、酸素分圧及び高周波投入電力等を適宜調節することにより、酸化が制御される。また、Ａｌ2Ｏ3膜８８の形成方法としては、ＣｏＦｅ膜８７上に直接Ａｌ2Ｏ3膜をスパッタリング等により成膜する手法であっても良い。
【０１０４】
次に、図１１に示すように、Ａｌ2Ｏ3膜８８上に、第２の磁性金属層５となるＮｉＦｅ膜８９を成膜する。また、ＮｉＦｅ膜８９には、磁気記録媒体から印加される信号磁界に対して略垂直な方向に一軸異方性を有するように配向処理が施される。
【０１０５】
次に、図１２に示すように、ＮｉＦｅ膜８９上に、レジスト材料を塗布してレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりこのレジスト膜を所定の形状にパターンニングすることによって、レジストパターン９０を形成する。具体的に、レジストパターン９０は、レジスト膜をＮｉＦｅ膜８９上の絶縁膜層６６と永久磁石層６７とが形成される領域以外に残存するようなパターンニングを施すことにより形成される。
【０１０６】
次に、図１３に示すように、このレジストパターン９０をマスクとして、イオンミリング等の手法により、レジストパターン９０が形成されていない領域のＴＭＲ膜を、この下部に形成されたＴａ膜８３が露出するまでエッチングして除去する。これにより、Ｔａ膜８３上において、絶縁膜層６６と永久磁石層６７とが形成される部分以外の領域に、上記において形成した各膜及びレジストパターン９０が残存した状態となる。
【０１０７】
次に、図１４に示すように、レジストパターン９０を残存させた状態で、上層絶縁膜層６６となる非磁性膜であるＡｌ2Ｏ3膜９１をスパッタリング等により成膜する。
【０１０８】
次に、図１５に示すように、Ａｌ2Ｏ3膜９１を形成した上に更に永久磁石層６７となる磁性金属膜であるＣｏＣｒＰｔ膜９２をスパッタリング等により成膜する。
【０１０９】
次に、図１６に示すように、有機溶剤等によりレジストパターン９０とともに、このレジストパターン９０上に残存するＡｌ2Ｏ3膜９１及びＣｏＣｒＰｔ膜９２を剥離して除去する。これにより、Ｔａ膜８３上の所定の位置に、絶縁膜層６６及び永久磁石層６７が形成されることとなる。
【０１１０】
次に、図１７に示すように、ＮｉＦｅ膜８９及びＣｏＣｒＰｔ膜９２上に、レジスト材料を塗布してレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりこのレジスト膜を所定の形状にパターニングすることによって、レジストパターン９３を形成する。具体的に、レジストパターン９３は、ＮｉＦｅ膜８９上のＴＭＲ素子６５となる領域及び磁性金属膜９２上に残存するようなパターンニングを施すことにより形成される。
【０１１１】
次に、図１８に示すように、このレジストパターン９３をマスクとして、イオンミリング等の手法により、レジストパターン９３が形成されていない領域を、この下部に形成された非磁性金属膜８３が露出するまでエッチングして除去する。これにより、下層磁気シールド層６３上に、略矩形形状とされたＴＭＲ素子６５、絶縁膜層６６及び永久磁石層６７が形成されることとなる。
【０１１２】
次に、図１９に示すように、レジストパターン９３を残存させた状態で、永久磁石層６７と略々同じ高さとなるように絶縁膜層６８となる非磁性膜であるＡｌ2Ｏ3膜９４をスパッタリング等により成膜する。
【０１１３】
次に、図２０に示すように、有機溶剤等によりレジストパターン９３とともに、このレジストパターン９３上に残存するＡｌ2Ｏ3膜４を剥離して除去する。これにより、ＴＭＲ素子６５、絶縁膜層６６及び永久磁石層６７が絶縁膜層６８中に埋め込まれたようなかたちとなる。
【０１１４】
次に、図２１に示すように、レジストパターン９３が除去された主面上に、上層磁気ギャップ層６９となる非磁性膜であるＴａ膜９５をスパッタリング等により成膜する。
【０１１５】
次に、図２２に示すように、Ｔａ９５の主面上に上層磁気シールド層７０となる磁性金属膜であるセンダスト膜９６を所定の形状に形成する。この上層磁気シールド層７０の形成方法としては、上層磁気シールド層７０となる磁性金属膜を所定の形状とされたレジストパターンを用いた鍍金法により形成する手法、或いは、上層磁気シールド層７０となる磁性金属膜をスパッタリング等により成膜した後に所定の形状にエッチングすることにより形成する手法等が挙げられる。
【０１１６】
そして、フォトリソグラフィ技術及びエッチングによって、絶縁膜層６８及び下層磁気シールド層６３を所定の形状（図示せず。）とする。また、下層磁気シールド層６３の端部上の絶縁膜６８に、下層磁気シールド層６３が露出するような開口部を形成し、この開口部内に導電材料を充填することにより、下層磁気シールド層６８上に接続端子７１を形成する。これにより、下層磁気シールド層６３を上層磁気シールド層７０とともに電気的に接続可能とする。
【０１１７】
以上のようにして、図７に示すようなＴＭＲヘッド６１が作製される。
【０１１８】
上述したＴＭＲヘッドの製造方法によれば、ＴＭＲ素子６５を作製する際に、前述したＴＭＲ素子１の製造方法を用いている。すなわち、トンネル障壁層４を形成するに先立ち、トンネル障壁層よりも下層、すなわち基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を形成する。これにより、トンネル障壁層を薄く形成した場合においても良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子を作製することが可能となる。
【０１１９】
したがって、このＴＭＲヘッドの製造方法によれば、トンネル障壁層を薄膜化することによるトンネル障壁層の低電気抵抗化を可能とすることができ、且つ良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲヘッドを作製することが可能となる。
【０１２０】
以上、本発明に係るＴＭＲ素子及びＴＭＲヘッドについて詳細に説明したが、本発明の効果を確認するために、以下のような二つのサンプルを作製し、表面の平坦性を測定した。
【０１２１】
サンプル１
サンプル１は、金属酸化物層を設けずに下記構成の各層を積層して作製した。サンプル１の構成は、ガラス基板／Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．２ｎｍ）とした。すなわち、サンプル１は、従来のボトムスピンバルブ型ＴＭＲ素子において、基板から第１の磁性金属層までを形成した状態のものである。
【０１２２】
サンプル２
サンプル２は、金属酸化物層を設けて下記構成の各層を積層して作製した。サンプル２の構成は、ガラス基板／Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１．１ｎｍ）／Ｒｕ／Ｒｕ−Ｏ（Ｒｕ層との合計で０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．２ｎｍ）とした。すなわち、サンプル２は、本発明を適用したボトムスピンバルブ型ＴＭＲ素子において、基板から第１の磁性金属層までを形成した状態のものである。
【０１２３】
＜特性評価＞
上記において作製したサンプル１及びサンプル２について、最上層であるＣｏＦｅ層（２．２ｎｍ）の表面粗度を原子間力顕微鏡（Atomic force microscope：ＡＦＭ）ナノスコープＩＩＩａ／Ｄ−３０００（商品名、デジタルインストルメンツ社製）を用いて測定した。その結果を図２３及び図２４に示す。図２３及び図２４においては、横軸に測定長を、縦軸にＣｏＦｅ層の表面粗度を示した。図２３及び図２４から、Ｒｕ層の表面を酸化させた金属酸化物層Ｒｕ−Ｏを備えるサンプル２の表面粗度は、サンプル１の表面粗さと比較してピークの高さが全体的に低くなっていることが判る。このことより、金属酸化物層を備えるサンプル２の表面粗度がサンプル１と比較して大きく改善されていることが判る。これは、上記において詳説したように、当該金属酸化物層上に形成された層の結晶粒径が小さくなることによると考えられる。このことより、ＴＭＲ素子を作製する際においても、トンネル障壁層よりも下層に金属酸化物層を設けることにより、トンネル障壁層を薄膜化した場合においても、平坦性の良いトンネル障壁層を形成することが可能でありることが判る。すなわち、トンネル障壁層の薄膜化が可能となるため、トンネル障壁層の低電気抵抗化が可能となるといえる。そして、トンネル障壁層を薄膜化した際の平坦性の悪さに起因した欠陥や亀裂等の発生が防止できるため、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止され、良好な磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子を構成することができるといえる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、
基板とトンネル障壁層との間に金属酸化物層を備える。すなわち、このトンネル磁気抵抗効果素子では、トンネル障壁層よりも先に金属酸化物層が形成されている。これにより、この金属酸化物層よりも上層に形成されているトンネル障壁層表面の平坦性は、良好な状態とされ、トンネル障壁層の厚みを薄く形成した場合においても、トンネル障壁層における欠陥や亀裂等の発生が防止される。そして、これらに起因する磁気抵抗効果の損失が防止されるため、トンネル障壁層の薄膜化が可能とされ、トンネル障壁層の低抵抗化が可能とされる。
【０１２５】
したがって、本発明によれば、電気抵抗が低く、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果素子を提供することが可能となる。
【０１２６】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、上述した本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子を備える。
【０１２７】
したがって、本発明によれば、電気抵抗が低く、良好な磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッドを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例のＴＭＲ素子の要部斜視図である。
【図２】第２の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図３】第３の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図４】第４の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図５】第５の実施例のＴＭＲ素子を正面側から見た要部断面図である。
【図６】超高真空スパッタ装置の一構成例を示した図である。
【図７】本発明を適用したＴＭＲヘッドの要部斜視図である。
【図８】本発明を適用したＴＭＲヘッドを摺動面側から見た要部側面図である。
【図９】本発明を適用したＴＭＲヘッドの製造方法を説明する図であり、基板の一主面上に、センダスト膜と、Ｔａ膜とを成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１０】同製造方法を説明する図であり、Ｔａ膜上にＰｔＭｎ膜、ＣｏＦｅ膜、ＣｏＦｅ−Ｏ膜、ＣｏＦｅ膜及びＡｌ2Ｏ3膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１１】同製造方法を説明する図であり、Ａｌ2Ｏ3膜上にＮｉＦｅ膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１２】同製造方法を説明する図であり、Ａｌ2Ｏ3膜上にレジストパターンを形成した状態を示す要部側面図である。
【図１３】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域のＴＭＲ膜をＴａ膜が露出するまでエッチングして除去した状態を示す要部側面図である。
【図１４】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンを残存させた状態で、Ａｌ2Ｏ3膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１５】同製造方法を説明する図であり、Ａｌ2Ｏ3膜上にＣｏＣｒＰｔ膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図１６】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンとともに、レジストパターン上に残存するＡｌ2Ｏ3膜及びＣｏＣｒＰｔ膜を剥離して除去した状態を示す要部側面図である。
【図１７】同製造方法を説明する図であり、ＮｉＦｅ膜及びＣｏＣｒＰｔ膜上にレジストパターンを形成した状態を示す要部側面図である。
【図１８】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域を、エッチングして除去した状態を示す要部側面図である。
【図１９】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンを残存させた状態で、永久磁石層６７と略々同じ高さとなるようにＡｌ2Ｏ3膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図２０】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンとともに、レジストパターン上に残存するＡｌ2Ｏ3膜を剥離して除去した状態を示す要部側面図である。
【図２１】同製造方法を説明する図であり、レジストパターンが除去された主面上にＴａ膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図２２】同製造方法を説明する図であり、Ｔａ膜の主面上にセンダスト膜を成膜した状態を示す要部側面図である。
【図２３】サンプル１の最上層であるＣｏＦｅ層の表面粗度を示した特性図である。
【図２４】サンプル２の最上層であるＣｏＦｅ層の表面粗度を示した特性図である。
【符号の説明】
１ トンネル磁気抵抗効果素子、２ 基板、３ 第１の磁性金属層、４ トンネル障壁層、５ 第２の磁性金属層、６ 反強磁性層、７ 第１の強磁性層、８金属酸化物層、９ 第２の強磁性層
Claims (2)
- 少なくとも、基板上に第１の磁性層と、当該第１の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、当該トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、上記トンネル障壁層を介して上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の間にトンネル電流が流れるトンネル磁気抵抗効果素子であって、
上記第１の磁性層は、磁化自由層であり、且つ、上記第２の磁性層が、磁化固定層である、トップスピンバルブ型の構造を有し、
上記磁化自由層は、一対の強磁性層が非磁性層を介して積層されてなる積層フェリ構造を有し、
上記積層フェリ構造は、上記トンネル障壁層を平坦化するＲｕ―Ｏ層を備え、
上記Ｒｕ―Ｏ層は、上記強磁性層を平坦化することで、該強磁性層上に形成されるトンネル障壁層を平坦化するトンネル磁気抵抗効果素子。 - 基板上に一対の磁気シールド層と、当該一対の磁気シールド層に当該一対の磁気シールド層間に当該一対の磁気シールド層にそれぞれ当接して形成された一対の磁気ギャップ層と、当該一対の磁気ギャップ層間に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子と、当該一対の磁気シールド層に接続して形成された一対のリード電極とを備えてなり、
上記トンネル磁気抵抗効果素子は、少なくとも、基板上に第１の磁性層と、当該第１の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、当該トンネル障壁層上に形成された第２の磁性層とを備え、上記トンネル障壁層を介して上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の間にトンネル電流が流れるトンネル磁気抵抗効果素子であって、
上記第１の磁性層は、磁化自由層であり、且つ、上記第２の磁性層が、磁化固定層である、トップスピンバルブ型の構造を有し、
上記磁化自由層は、一対の強磁性層が非磁性層を介して積層されてなる積層フェリ構造を有し、
上記積層フェリ構造は、上記トンネル障壁層を平坦化するＲｕ―Ｏ層を備え、
上記Ｒｕ―Ｏ層は、上記強磁性層を平坦化することで、該強磁性層上に形成されるトンネル障壁層を平坦化するトンネル磁気抵抗効果型磁気ヘッド。
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