JP4830876B2 - トンネル型磁気検出素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばハードディスク装置やその他の磁気検出装置に搭載されるトンネル効果を利用した磁気検出素子に係り、特に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上を図ることができるトンネル型磁気検出素子及びその製造方法に関する。

トンネル型磁気抵抗効果型素子は、トンネル効果を利用して抵抗変化を生じさせるものであり、固定磁性層の磁化と、フリー磁性層の磁化とが反平行のとき、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に設けられた絶縁障壁層（トンネル障壁層）を介してトンネル電流が流れにくくなって、抵抗値は最大になり、一方、前記固定磁性層の磁化とフリー磁性層の磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり抵抗値は最小になる。

この原理を利用して、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層の磁化が変動することにより変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの漏れ磁界が検出されるようになっている。
特表２０００―５０８８３４号公報 特開２００６−５２０１０５号公報 特開２００３−２０４０４５号公報

トンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させるには、例えば、絶縁障壁層に接するフリー磁性層の材質を従来と変更する。例えば、前記フリー磁性層はＮｉ−Ｆｅからなる軟磁性層と、前記軟磁性層と前記絶縁障壁層間に位置して前記絶縁障壁層に接するＣｏ−Ｆｅから成るエンハンス層とで構成される。前記エンハンス層を構成するＣｏ−ＦｅのＦｅ濃度を大きくすると抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができる。

その一方、前記エンハンス層のＦｅ濃度を大きくするとフリー磁性層の磁歪が増大して、動作安定性が低下するといった問題があった。

よって、フリー磁性層や固定磁性層の構成を従来と変更せずに、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を従来よりも増大させたい。

上記特許文献にはいずれにもトンネル型磁気検出素子が開示されている。また各特許文献には絶縁障壁層の材質が記載されている。

しかしながら上記特許文献には、いずれにもフリー磁性層や固定磁性層の構成を変更せずに、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる構成は開示されていない。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが出来るトンネル型磁気検出素子及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明におけるトンネル型磁気検出素子は、
下から第１磁性層、絶縁障壁層、第２磁性層の順で積層され、前記第１磁性層及び第２磁性層のうち一方が、磁化方向が固定される固定磁性層で、他方が外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層であり、
前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｔａ−Ｏからなり、
前記絶縁障壁層を構成するＴｉとＴａの各濃度をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｔａ濃度は、０ａｔ％より大きく、７ａｔ％以下であることを特徴とするものである。

これにより、固定磁性層やフリー磁性層を従来の構成から変更せずに、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。

本発明では、Ｔａ濃度は、１．８５ａｔ％以上で５．３４ａｔ％以下含まれることがより好ましい。

本発明では、前記絶縁障壁層内にはＴａの組成変調領域が形成されている膜構成を提示できる。

また本発明では、前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層の内部、上面、あるいは下面のうち少なくともいずれか１箇所に、Ｔａ−Ｏ（酸化タンタル）層が形成された構造を提示できる。

また本発明では、前記Ｔａ−Ｏ（酸化タンタル）層は形成面上に間欠的に形成されていることが好ましい。すなわち前記Ｔａ−Ｏ層は、完全に前記形成面上を覆うことが無いほど薄い膜厚で形成されている。

本発明では、前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｔａ合金を酸化して形成された構成でもよい。
また本発明では、前記第１磁性層が固定磁性層で、前記第２磁性層がフリー磁性層であり、前記フリー磁性層は下からＣｏ−Ｆｅで形成されたエンハンス層，Ｎｉ−Ｆｅで形成された軟磁性層の順に積層されていることが、より効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる上で好ましい。

また本発明におけるトンネル型磁気検出素子の製造方法は、以下の工程を有することを特徴とするものである。

（ａ） 第１磁性層上に、Ｔｉ（チタン）層とＴａ（タンタル）層との積層構造を形成し、この際、前記Ｔａ層の平均膜厚（Ｔａ層が複数層ある場合には、各Ｔａ層の平均膜厚を足した合計膜厚）と前記Ｔｉ層（Ｔｉ層が複数層ある場合には、各Ｔｉ層の平均膜厚を足した合金膜厚）の平均膜厚とを足した前記積層構造の全膜厚に対する前記Ｔａ層の膜厚比を、０％よりも大きく７．１４％以下にする工程、
（ｂ） 前記Ｔｉ層及び前記Ｔａ層を酸化処理して、Ｔｉ−Ｔａ−Ｏからなる絶縁障壁層を形成する工程、
（ｃ） 前記絶縁障壁層上に第２磁性層を形成する工程。

上記により、固定磁性層やフリー磁性層を従来の構成から変更せずに、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができるトンネル型磁気検出素子を簡単且つ適切に製造できる。

本発明では、前記（ａ）工程において、前記Ｔａ層の平均膜厚を０Åより大きく０．４Åより小さい範囲内とすることが好ましい。

また本発明では、前記（ａ）工程において、前記Ｔａ層の膜厚比を、１．８９％以上５．４５％以下とすることが、より高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得る上で好ましい。このとき、前記（ａ）工程において、前記Ｔａ層の平均膜厚を０．１Å以上０．３Å以下とすることが好ましい。

本発明のトンネル型磁気検出素子では、固定磁性層やフリー磁性層を従来の構成から変更せずに、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができる。

図１は本実施形態のトンネル型磁気検出素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）を記録媒体との対向面と平行な面から切断した断面図である。

トンネル型磁気検出素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、磁気記録媒体の記録磁界を検出するものである。なお、図中においてＸ方向は、トラック幅方向、Ｙ方向は、磁気記録媒体からの漏れ磁界の方向（ハイト方向）、Ｚ方向は、磁気記録媒体の移動方向及び前記トンネル型磁気検出素子の各層の積層方向、である。

図１の最も下に形成されているのは、例えばＮｉＦｅ合金で形成された下部シールド層２１である。前記下部シールド層２１上に前記積層体Ｔ１が形成されている。なお前記トンネル型磁気検出素子は、前記積層体Ｔ１と、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に形成された下側絶縁層２２、ハードバイアス層２３、上側絶縁層２４とで構成される。

前記積層体Ｔ１の最下層は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性金属材料で形成された下地層１である。この下地層１の上に、シード層２が設けられる。前記シード層２は、Ｎｉ−Ｆｅ−ＣｒまたはＣｒによって形成される。前記シード層２をＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒによって形成すると、前記シード層２は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な面に代表的に｛１１１｝面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。また、前記シード層２をＣｒによって形成すると、前記シード層２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な面に、代表的に｛１１０｝面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。なお、前記下地層１は形成されなくともよい。

前記シード層２の上に形成された反強磁性層３は、元素α（ただしαは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。

これら白金族元素を用いたα−Ｍｎ合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。

また前記反強磁性層３は、元素αと元素α′（ただし元素α′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されてもよい。

前記反強磁性層３は例えばＩｒ−Ｍｎで形成される。
前記反強磁性層３上には固定磁性層（第１磁性層）４が形成されている。前記固定磁性層４は、下から第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ、第２固定磁性層４ｃの順で積層された積層フェリ構造である。前記反強磁性層３との界面での交換結合磁界（Ｈｅｘ）及び非磁性中間層４ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記第１固定磁性層４ａと第２固定磁性層４ｃの磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆる積層フェリ構造と呼ばれ、この構成により前記固定磁性層４の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層４と反強磁性層３との界面で発生する交換結合磁界を見かけ上大きくすることができる。なお前記第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃは例えば１２〜２４Å程度で形成され、非磁性中間層４ｂは８Å〜１０Å程度で形成される。

前記第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃはＣｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉなどの強磁性材料で形成されている。また非磁性中間層４ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性金属材料で形成される。

前記固定磁性層４上に形成された絶縁障壁層５は、Ｔｉ−Ｔａ−Ｏ（酸化チタン・タンタル）で形成されている。

前記絶縁障壁層５上には、フリー磁性層（第２磁性層）６が形成されている。前記フリー磁性層６は、例えばＮｉ−Ｆｅ合金の軟磁性材料で形成される軟磁性層６ｂと、前記軟磁性層６ｂと前記絶縁障壁層５との間に形成される例えばＣｏ−Ｆｅからなるエンハンス層６ａとで構成される。前記エンハンス層６ａは、前記絶縁障壁層５に接して形成される。前記軟磁性層６ｂは、前記エンハンス層６ａに比べて例えば低保磁力、低異方性磁界の軟磁気特性に優れた磁性材料で形成されることが好ましい。前記エンハンス層６ａは、前記軟磁性層６ｂよりもスピン分極率の大きい磁性材料で形成されることが好ましい。Ｃｏ−Ｆｅ等のスピン分極率の大きい磁性材料で前記エンハンス層６ａを形成することで、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることができる。前記エンハンス層６ａを構成するＣｏ−ＦｅのＦｅ濃度は、３０ａｔ％〜１００ａｔ％の範囲内であることが好ましい。また、軟磁性層６ｂを構成するＮｉ−ＦｅのＮｉ濃度は、８０．０ａｔ％〜９５．０ａｔ％の範囲内であることが好ましい。

なお前記フリー磁性層６は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層された積層フェリ構造であってもよい。また前記フリー磁性層６のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の幅寸法でトラック幅Ｔｗが決められる。

前記フリー磁性層６上にはＴａ等で形成された保護層７が形成されている。
前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端面１１，１１は、下側から上側に向けて徐々に前記トラック幅方向の幅寸法が小さくなるように傾斜面で形成されている。

図１に示すように、前記積層体Ｔ１の両側に広がる下部シールド層２１上から前記積層体Ｔ１の両側端面１１上にかけて下側絶縁層２２が形成され、前記下側絶縁層２２上にハードバイアス層２３が形成され、さらに前記ハードバイアス層２３上に上側絶縁層２４が形成されている。

前記下側絶縁層２２と前記ハードバイアス層２３間にバイアス下地層（図示しない）が形成されていてもよい。前記バイアス下地層は例えばＣｒ、Ｗ、Ｔｉで形成される。

前記絶縁層２２，２４はＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の絶縁材料で形成されたものであり、前記積層体Ｔ１内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向の両側に分流するのを抑制すべく前記ハードバイアス層２３の上下を絶縁するものである。前記ハードバイアス層２３は例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成される。

前記積層体Ｔ１上及び上側絶縁層２４上にはＮｉ−Ｆｅ合金等で形成された上部シールド層２６が形成されている。

図１に示す実施形態では、前記下部シールド層２１及び上部シールド層２６が前記積層体Ｔ１に対する電極層として機能し、前記積層体Ｔ１の各層の膜面に対し垂直方向（図示Ｚ方向と平行な方向）に電流が流される。

前記フリー磁性層６は、前記ハードバイアス層２３からのバイアス磁界を受けてトラック幅方向（図示Ｘ方向）と平行な方向に磁化されている。一方、固定磁性層４を構成する第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃはハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に磁化されている。前記固定磁性層４は積層フェリ構造であるため、第１固定磁性層４ａと第２固定磁性層４ｃはそれぞれ反平行に磁化されている。前記固定磁性層４は磁化が固定されている（外部磁界によって磁化変動しない）が、前記フリー磁性層６の磁化は外部磁界により変動する。

前記フリー磁性層６が、外部磁界により磁化変動すると、第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層との磁化が反平行のとき、前記第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層６との間に設けられた絶縁障壁層５を介してトンネル電流が流れにくくなって、抵抗値は最大になり、一方、前記第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層６との磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり抵抗値は最小になる。

この原理を利用して、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層６の磁化が変動することにより変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの漏れ磁界が検出されるようになっている。

図１の実施形態における特徴的部分は、前記絶縁障壁層５が、Ｔｉ−Ｔａ−Ｏ（酸化チタン・タンタル）で形成され、前記絶縁障壁層５を構成するＴｉとＴａの各濃度をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｔａ濃度が、０ａｔ％より大きく７ａｔ％以下の点にある。

これにより、固定磁性層４やフリー磁性層６の構成を変更することなく、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。

本形態では、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｔａ−Ｏ（酸化チタン・タンタル）で形成するが、このときＴａ濃度を高く設定しない。Ｔａ濃度を０ａｔ％より大きく７ａｔ％以下の濃度範囲に設定することで、従来と同程度のＲＡ（素子抵抗Ｒ×面積Ａ）を維持しつつ、従来より高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能である。

次に、前記絶縁障壁層５の構造について説明する。
前記絶縁障壁層５は、例えば図１に示すように積層構造で形成されている。図１では、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層５ａ上にＴａ−Ｏ（酸化マグネシウム）層５ｂが重ねて形成されている。

図１に示すように、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａのほうが、Ｔａ−Ｏ層５ｂよりも厚い膜厚で形成されている。前記絶縁障壁層５を構成するＴｉとＴａの各濃度をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｔａ濃度が、０ａｔ％より大きく７ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａ、及び、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂの膜厚は設定されている。

前記絶縁障壁層５の全膜厚は５〜１０Å程度である。前記Ｔａ−Ｏ層５ｂの平均膜厚は非常に薄い。前記Ｔａ−Ｏ層５ｂの平均膜厚は０．２〜２Å程度である。

このため図２に示すように、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの上面（形成面）５ａ１に間欠的に形成されている。すなわち前記Ｔａ−Ｏ層５ｂにはピンホール５ｂ１が形成される。なお前記Ｔａ−Ｏ層５ｂの平均膜厚とは、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂを、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａ上の全域に一律の膜厚に均したときの膜厚を意味するから、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂが、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａ上に形成されていないピンホール５ｂ１の部分も含めて「平均膜厚」は規定される。

本実施形態のように絶縁障壁層５をＴｉ−Ｔａ−Ｏで形成することで、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が増大するのは、絶縁障壁層５上面の濡れ性が変化し、前記絶縁障壁層５上に形成されるエンハンス層６ａの平坦性や結晶配向性が改善されたことが理由として考えられる。そのほかに、絶縁障壁層５にＴａが含まれることで、絶縁障壁層５から固定磁性層４やフリー磁性層６へ向う酸素拡散が減少したことも理由として考えられる。

また図３のように、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの下面５ａ２（このときＴａ−Ｏ層の形成面は、第２固定磁性層４ｃの上面である）に形成されてもよい。あるいは、前記上面５ａ１及び下面５ａ２の双方に形成されてもよい。

また、図４に示すように、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの内部に形成されてもよい。すなわち、図４の形態では、絶縁障壁層５は、Ｔｉ−Ｏ層５ａ／Ｔａ−Ｏ層５ｂ／Ｔｉ−Ｏ層５ａの積層構造となっている。

本実施形態では、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの上面５ａ１，内部、及び下面５ａ２のうち少なくともいずれか１箇所に形成されている。

またＴａ−Ｏ層５ｂに含まれるＴａに固定磁性層４やフリー磁性層６への酸素拡散の抑制効果があると考えると、前記Ｔａ−Ｏ層５ｂは、絶縁障壁層５の上面５ａ１，あるいは下面５ａ２、又は、上面５ａ１及び下面５ａ２の双方に形成されることが好適であると考えられる。

また図１のように下から固定磁性層４、絶縁障壁層５及びフリー磁性層６の順に積層されるボトム型のトンネル型磁気検出素子において、下からＴｉ−Ｏ層５ａ／Ｔａ−Ｏ層５ｂ／エンハンス層６ａの順に積層されることが、エンハンス層５ａの結晶配向性を高める上で効果的と考えられる。

あるいは図５に示すように、前記絶縁障壁層５には膜厚方向（図示Ｚ方向）にＴａの組成変調領域が形成されていてもよい。すなわち図５の形態は、Ｔｉ−Ｏ層５ａとＴａ−Ｏ層５ｂとの界面がはっきりと見えず、Ｔｉ，Ｔａが互いに拡散することで、一つの層としての前記絶縁障壁層５内部にＴａの組成変調領域が形成された構造である。実際、アニール処理等によってＴａとＴｉは拡散し組成変調領域が形成されやすい。

図５に示す右のグラフは、横軸がＴａ濃度、縦軸が絶縁障壁層５との膜厚位置関係を示している。前記グラフ上に図示された曲線がＴａ濃度の変化を示している。図５に示す形態では、Ｔａ濃度は、前記絶縁障壁層５の上面５ｃ付近で最も高く、下面５ｄに向かうにしたがって徐々に減少している。

なおＴａの組成変調曲線は、図５に示すグラフの形態に限定されるものでない。例えば絶縁障壁層５の膜厚中央付近で最もＴａ濃度が高くなる組成変調を起こしても良い。また、Ｔａは絶縁障壁層５の全体に拡散せず、図５のように、例えば上面５ｃ付近でのみ拡散し、膜厚中心から下面５ｄにかけてＴｉ−Ｏだけで形成されている形態であってもよい。

あるいは、前記絶縁障壁層５は、Ｔｉ−Ｔａ合金層を酸化処理して形成されたものであってもよい。かかる場合、前記絶縁障壁層５内部には図５に示すようなＴａの組成変調領域は見当たらず、ＴｉとＴａとが膜内にほぼ均一に交じり合っているものと考えられる。

本実施形態では、前記絶縁障壁層５を構成するＴｉとＴａの各濃度を合わせて１００ａｔ％としたときに、Ｔａ濃度は、１．８５ａｔ％以上５．３４ａｔ％以下であることが好ましい。これにより、確実に従来に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。また、加熱前後におけるＲＡの変動を従来に比べて小さく出来る。

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

あるいは、下から、下側反強磁性層、下側固定磁性層、下側絶縁障壁層、フリー磁性層、上側絶縁障壁層、上側固定磁性層、及び上側反強磁性層が順に積層されてなるデュアル型のトンネル型磁気検出素子であってもよい。前記下側絶縁障壁層及び上側絶縁障壁層が本実施形態のＴｉ−Ｔａ−Ｏで形成される。

本実施形態のトンネル型磁気検出素子の製造方法について説明する。図６ないし図９は、製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子を図１と同じ位置にて切断した部分断面図である。

図６に示す工程では、下部シールド層２１上に、下地層１、シード層２、反強磁性層３、第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ、及び第２固定磁性層４ｃを連続成膜する。

前記第２固定磁性層４ｃ上に、Ｔｉ（チタン）層１４をスパッタ法等で成膜する。さらに前記Ｔｉ層１４上にＴａ（タンタル）層１５をスパッタ法等で成膜する。

本実施形態では、前記Ｔｉ層１４の平均膜厚とＴａ層１５の平均膜厚とを足したＴａ層１５とＴｉ層１４との積層構造の全膜厚に対する前記Ｔａ層１５の膜厚比を、０％より大きく７．１４％以下に設定する。

また本実施形態では、Ｔａ層１５とＴｉ層１４との積層構造の総合膜厚に対する前記Ｔａ層１５の膜厚比を、１．８９％以上５．４５％以下に設定することが好適である。

具体的には本実施形態では、前記Ｔｉ層１４の平均膜厚とＴａ層１５の平均膜厚とを足したＴａ層１５とＴｉ層１４との積層構造の全膜厚を４〜７Åの範囲内で形成する。このうち、前記Ｔａ層１５を、０Åより大きく０．４Åより小さい平均膜厚で成膜する。またＴａ層１５を、０．１Å以上０．３Å以下の平均膜厚で成膜することが好ましい。
このようにＴａ層１５は非常に薄いため、Ｔｉ層１４上に間欠的に形成される。

次に、真空チャンバー内に酸素を流入する。これにより前記Ｔｉ層１４及びＴａ層１５は全酸化され、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層５ａとＴａ−Ｏ（酸化タンタル）層５ｂから成る絶縁障壁層５が形成される。このとき前記絶縁障壁層５に含まれるＴａ濃度は、ＴｉとＴａの各濃度をあわせて１００ａｔ％としたとき、０ａｔ％より大きく７ａｔ％以下、好ましくは、１．８５ａｔ％以上５．３４ａｔ％以下である。なお膜厚比から濃度比に換算する際に使用したＴａ密度は１６．６５（ｇ／ｃｍ^３），Ｔｉ密度は４．５（ｇ／ｃｍ^３）である。

次に、図７に示すように、前記絶縁障壁層５上に、例えばＣｏ−Ｆｅから成るエンハンス層６ａ及びＮｉ−Ｆｅから成る軟磁性層６ｂから成るフリー磁性層６、及び保護層７を成膜する。以上により下地層１から保護層７までが積層された積層体Ｔ１を形成する。

次に、前記積層体Ｔ１上に、リフトオフ用レジスト層３０を形成し、前記リフトオフ用レジスト層３０に覆われていない前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端部をエッチング等で除去する（図８を参照）。

次に、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側であって前記下部シールド層２１上に、下から下側絶縁層２２、ハードバイアス層２３、及び上側絶縁層２４の順に積層する（図９を参照）。

そして前記リフトオフ用レジスト層３０を除去し、前記積層体Ｔ１及び前記上側絶縁層２４上に上部シールド層２６を形成する。

上記したトンネル型磁気検出素子の製造方法では、その形成過程でアニール処理を含む。代表的なアニール処理は、前記反強磁性層３と第１固定磁性層４ａ間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせるためのアニール処理である。

アニール温度を２４０℃〜３１０℃程度、アニール時間を数時間とした前記アニール処理を行うことで、前記絶縁障壁層５を構成するＴｉとＴａとが元素拡散を起こして、Ｔａの組成変調領域が形成されやすい。図６ないし図９に示す工程で形成されたトンネル型磁気検出素子では、絶縁障壁層５の下面５ｄ側から上面５ｃに向けて徐々にＴａ濃度が上昇する組成変調領域が形成されやすい。

上記したトンネル型磁気検出素子の製造方法では、図６の工程で、Ｔｉ層１４上にＴａ層１５を形成しているが、例えば下からＴａ層１５／Ｔｉ層１４の順、下からＴａ層１５／Ｔｉ層１４／Ｔａ層１５の順、下からＴｉ層１４／Ｔａ層１５／Ｔｉ層１４の順等、特に積層構成を制限するものではない。

また、図６の工程時に、Ｔｉ−Ｔａ合金層を前記第２固定磁性層４ｃ上に形成し、Ｔｉ−Ｔａ合金層を酸化処理してもよい。これによりＴｉ−Ｔａ−Ｏからなる絶縁障壁層５を形成できる。このとき、予め、Ｔｉ−Ｔａ合金層のＴａ濃度を０ａｔ％より大きく７ａｔ％以下の範囲内で調整しておく。

酸化の方法としては、例えば、ラジカル酸化、イオン酸化、プラズマ酸化あるいは自然酸化を提示できる。ラジカル時間は例えば１００秒から３００秒の範囲である。

なお上記のようにＴｉ層１４及びＴａ層１５を積層した後、酸化処理してＴｉ−Ｔａ−Ｏの絶縁障壁層５を形成する方法のほかに、Ｔｉ−Ｔａ−Ｏからなるターゲットを用いて、絶縁障壁層５をスパッタ成膜してもよい。このとき、ターゲット中でのＴａ濃度は、ＴｉとＴａの各濃度をあわせて１００ａｔ％としたとき、０ａｔ％より大きく７ａｔ％以下に設定されている。

下からフリー磁性層６、絶縁障壁層５、固定磁性層４及び反強磁性層３の順で積層されたシングル型のトンネル型磁気検出素子、及びデュアル型のトンネル型磁気検出素子は、いずれも図６ないし図９で説明した製造方法に準じて製造される。

図１に示すトンネル型磁気検出素子を形成した。
積層体Ｔ１を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；｛Ｎｉ_{４９ａｔ％}Ｆｅ_{１２ａｔ％}Ｃｒ_{３９ａｔ％}（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｃｏ_７０at%Ｆｅ_３０at%（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ_９０at%Ｆｅ_１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[Ｆｅ_９０at%Ｃｏ_１０at%（１０）／Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（５０）]／保護層７；Ｒｕ（１０）／Ｔａ（１９０）の順に積層した。なお括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。

実験では、第２固定磁性層４ｃ上に５．２Åの平均膜厚のＴｉ層１４をスパッタ成膜した後、前記Ｔｉ層１４上に、０．１Å、０．２Å、０．３Å、及び０．４Åのいずれかの平均膜厚からなるＴａ層１５をスパッタ成膜した。そして、前記Ｔｉ層１４及びＴａ層１５をラジカル酸化した。ラジカル酸化条件を、電力値；１００Ｗ〜１０００Ｗ，Ｏ_２圧力値；１〜１０Ｐａ，酸化時間；１００〜３００ｓｅｃとした。

上記によりＴａ濃度の異なるＴｉ−Ｔａ−Ｏの絶縁障壁層５を備えた４種類の積層体Ｔ１を形成した。また５．２Åの平均膜厚のＴｉ層１４のみを上記した条件でラジカル酸化して成るＴｉ−Ｏの絶縁障壁層を備えた積層体Ｔ１も形成した。
前記積層体Ｔ１を形成した後、２７０℃で３時間４０分間、アニール処理を行った。

実験では、Ｔａ層１５の平均膜厚が異なる各トンネル型磁気抵抗効果素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を測定した。その実験結果を図１０に示す。

図１０に示すようにＴａ層１５の平均膜厚を、０Åより大きく０．４Åより小さくすることで、Ｔａ層１５を形成しない従来例（Ｔａ層１５の膜厚が０Å）に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られるとわかった。

またＲＡは、全ての試料において、１〜２（Ω・μｍ^２）の範囲内に収まることがわかった。

図１０の横軸にはＴａ層１５の膜厚比［｛Ｔａ層１５の平均膜厚／（Ｔａ層の平均膜厚＋Ｔｉ層の平均膜厚（５．２Å））｝×１００（％）］、及び、Ｔａ濃度比（ＴｉとＴａの各濃度を合わせて１００ａｔ％としたときのＴａ濃度）が記載されている。なお膜厚比から濃度比に換算する際に使用したＴａ密度は１６．６５（ｇ／ｃｍ^３），Ｔｉ密度は４．５（ｇ／ｃｍ^３）であった。

図１０に示すように、Ｔａ膜厚比を、０％より大きく７．１４％以下の範囲とし、あるいは、Ｔａ濃度比を、０ａｔ％より大きく７ａｔ％以下の範囲とすることで、従来よりも高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られることがわかった。

また図１０に示す実験では、Ｔａ層１５の平均膜厚を０．１Å以上０．３Å以下にすることが確実に従来に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができ、より好適であることがわかった。

また図１０に示すように、Ｔａ膜厚比を、１．８９％以上５．４５％以下の範囲とし、あるいは、Ｔａ濃度比を、１．８５ａｔ％以上５．３４ａｔ％以下の範囲とすることで、従来に比べて確実に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られることがわかった。

第１実施形態のトンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な面から切断した断面図、 第１実施形態の絶縁障壁層の構造を示す部分拡大断面図、 第２実施形態の絶縁障壁層の構造を示す部分拡大断面図、 第３実施形態の絶縁障壁層の構造を示す部分拡大断面図、 第４実施形態の絶縁障壁層の構造を示す部分拡大断面図と、Ｔａの組成変調を示すグラフ、 本実施形態のトンネル型磁気検出素子の製造方法を示す一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な面から切断した断面図）、 図６の次に行われる一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な面から切断した断面図）、 図７の次に行われる一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な面から切断した断面図）、 図８の次に行われる一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な面から切断した断面図）、 Ｔｉと０．１Å、０．２Å、０．３Å、０．４Åの平均膜厚で形成されたＴａとの各積層構造を酸化させて成る絶縁障壁層、及び、Ｔｉの単層を酸化させて成る絶縁障壁層を有する各トンネル型磁気検出素子のＴａ厚，Ｔａ膜厚比及びＴａ濃度比と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、

符号の説明

３ 反強磁性層
４ 固定磁性層
４ａ 第１固定磁性層
４ｂ 非磁性中間層
４ｃ 第２固定磁性層
５ 絶縁障壁層
５ａ Ｔｉ−Ｏ層
５ｂ Ｔａ−Ｏ層
６ フリー磁性層
７ 保護層
１４ Ｔｉ層
１５ Ｔａ層
２２、２４ 絶縁層
２３ ハードバイアス層

Claims (11)

1. 下から第１磁性層、絶縁障壁層、第２磁性層の順で積層され、前記第１磁性層及び第２磁性層のうち一方が、磁化方向が固定される固定磁性層で、他方が外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層であり、
   前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｔａ−Ｏからなり、
   前記絶縁障壁層を構成するＴｉとＴａの各濃度をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｔａ濃度は、０ａｔ％より大きく、７ａｔ％以下であることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
2. 前記Ｔａ濃度は、１．８５ａｔ％以上で５．３４ａｔ％以下である請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
3. 前記絶縁障壁層内にはＴａの組成変調領域が形成されている請求項１又は２に記載のトンネル型磁気検出素子。
4. 前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層の内部、上面、あるいは下面のうち少なくともいずれか１箇所に、Ｔａ−Ｏ（酸化タンタル）層が形成された構造である請求項１又は２に記載のトンネル型磁気検出素子。
5. 前記Ｔａ−Ｏ（酸化タンタル）層は形成面上に間欠的に形成されている請求項４記載のトンネル型磁気検出素子。
6. 前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｔａ合金を酸化して形成されたものである請求項１又は２に記載のトンネル型磁気検出素子。
7. 前記第１磁性層が固定磁性層で、前記第２磁性層がフリー磁性層であり、前記フリー磁性層は下からＣｏ−Ｆｅで形成されたエンハンス層，Ｎｉ−Ｆｅで形成された軟磁性層の順に積層されている請求項１ないし６のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
8. 以下の工程を有することを特徴とするトンネル型磁気検出素子の製造方法。
   （ａ） 第１磁性層上に、Ｔｉ（チタン）層とＴａ（タンタル）層との積層構造を形成し、この際、前記Ｔａ層の平均膜厚（Ｔａ層が複数層ある場合には、各Ｔａ層の平均膜厚を足した合計膜厚）と前記Ｔｉ層（Ｔｉ層が複数層ある場合には、各Ｔｉ層の平均膜厚を足した合金膜厚）の平均膜厚とを足した前記積層構造の全膜厚に対する前記Ｔａ層の膜厚比を、０％よりも大きく７．１４％以下にする工程、
   （ｂ） 前記Ｔｉ層及び前記Ｔａ層を酸化処理して、Ｔｉ−Ｔａ−Ｏからなる絶縁障壁層を形成する工程、
   （ｃ） 前記絶縁障壁層上に第２磁性層を形成する工程。
9. 前記（ａ）工程において、前記Ｔａ層の平均膜厚を０Åより大きく０．４Åより小さい範囲内とする請求項８記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
10. 前記（ａ）工程において、前記Ｔａ層の膜厚比を、１．８９％以上５．４５％以下とする請求項８記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
11. 前記（ａ）工程において、前記Ｔａ層の平均膜厚を０．１Å以上０．３Å以下とする請求項１０記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。

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