JP4975335B2 - 磁気抵抗効果素子，磁気ヘッド，および磁気記録再生装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子，磁気ヘッド，および磁気記録再生装置 Download PDF

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Description

本発明は，磁気抵抗効果膜の膜面の垂直方向にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子，磁気ヘッド，および磁気記録再生装置に関する。
近年，ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）の急速な小型化・高密度化が進行し，今後もさらなる高密度化が見込まれている。記録トラック幅を狭くしてトラック密度を高めることで，ＨＤＤの高密度化を実現できる。しかし，トラック幅が狭くなると，記録される磁化の大きさ，すなわち記録信号が小さくなり，媒体信号を再生するＭＲヘッドの再生感度の向上が必要となる。
最近では，巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistance effect）を利用した高感度なスピンバルブ膜を含むＧＭＲヘッドが採用されている。スピンバルブ膜（「スピン依存散乱ユニット」ともいう）は，２層の強磁性層の間に非磁性スペーサ層を挟んだサンドイッチ構造を有する多層膜である。２層の強磁性層の一方の強磁性層（「ピン層」あるいは「磁化固定層」という）の磁化方向は反強磁性層などで固着される。他方の強磁性層（「フリー層」あるいは「磁化自由層」という）の磁化方向は外部磁界により変化可能である。スピンバルブ膜では，２層の強磁性層の磁化方向の相対角度の変化によって，大きな磁気抵抗効果が得られる。
従来のスピンバルブ膜のＧＭＲヘッドは，膜面に対して平行にセンス電流を流すＣＩＰ（Current In Plane）構造であった（ＣＩＰ−ＧＭＲ素子）。それに対し，膜面に対して垂直にセンス電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造のＧＭＲ素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）は，ＣＩＰ−ＧＭＲ素子よりも大きなＧＭＲ効果を持つため注目されている。
しかし，デバイスとして最も実現可能性の高いスピンバルブ膜構造の場合，スピンに依存する層であるピン層／非磁性スペーサ層／フリー層（スピン依存散乱ユニット）の総膜厚が非常に薄く，界面の数も少ないことから，ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において垂直通電した際の素子抵抗は非常に小さい。その結果，磁気抵抗効果自体は巨大でも，得られる抵抗変化量，すなわち出力が小さくなる。スピンバルブ膜構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子を実用化するためには，スピン依存散乱ユニットの抵抗値を引き上げ，抵抗変化量を大きくすることが重要である。また，ピン層，フリー層の磁性層材料にスピン依存散乱効果の高い材料を用いることが重要である。
ピン層／非磁性スペーサ層／フリー層（スピン依存散乱ユニット）が全て金属で構成されているメタルＣＰＰ−ＧＭＲ素子において，フリー層とピン層の磁性材料を従来のｆｃｃ構造のＣｏ9０Ｆｅ１０からｂｃｃ構造のＦｅ５０Ｃｏ５０に替えるとスピン依存界面散乱効果が上昇すること，および磁性層中に極薄Ｃｕを挿入することによりスピン依存バルク散乱効果が上昇することが確認されている。（例えば非特許文献１，２参照）しかし，これらの抵抗変化量ｄＲＡ，ＭＲ変化率の値は２００Ｇｂｐｓｉ以上で必要とされるパフォーマンスに対しまだ不十分である。
一方，ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のスピン依存散乱ユニットの抵抗値を引き上げるため，非磁性スペーサ層に膜面垂直方向の電流パス（ＣＣＰ：Current-Confined-Path）を含む酸化物層（ＮＯＬ：Nano Oxide Layer）を用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子が提案されている（例えば，特許文献１参照）。以下，このような素子をＣＣＰ−ＣＰＰ素子という。ＣＣＰ−ＣＰＰ素子では，電流パス部分にのみ電流が通電し，それ以外の部分には電流が通電しないという電流狭窄効果により，スピン依存散乱ユニットの抵抗値を引き上げ，抵抗変化量を増大することができる。
ＣＣＰ−ＧＭＲ素子では，垂直通電した際の全抵抗においてＣＣＰ−ＮＯＬ部分の占める割合が高いため，ＣＣＰ−ＧＭＲ素子の面積抵抗ＲＡおよび抵抗変化量ｄＲＡはほぼＣＣＰ−ＮＯＬスペーサの近傍で決定される。そのため，スピン依存散乱のなかでも，界面散乱効果のほうが，バルク散乱効果よりも影響が大きい。すなわち，ＣＣＰ−ＣＰＰ素子においては，フリー層，及びピン層の磁性層材料として大きいスピン依存界面散乱効果を有する材料を用いることが，高ＭＲ変化率を実現するために有効である。
ＣＣＰ−ＣＰＰ素子のフリー層，ピン層の磁性層として，すでにメタルＣＣＰ−ＣＰＰ素子において高いスピン依存界面散乱効果が確認されているｂｃｃ構造のＦｅ５０Ｃｏ５０を用いることにより，高い抵抗変化量，およびＭＲ変化率が確認されている（非特許文献３参照）。
なお，フリー層上に最近接原子間距離が大きい元素からなるキャップ層を設けることで，結晶性の劣化を抑制したり回復させたりする技術が開示されている（特許文献２参照）。また，前述の特許文献１には，ピン層，フリー層あるいは非磁性中間層の少なくともいずれかに抵抗調整層を設ける技術が開示されている。
特開２００２−２０８７４４ 特開２００５−２５９９７６ J. Appl. Phys., 92, 2646 (2002) J. Appl. Phys., 93, 7915(2003) Appl. Phys. Lett., 87, 082507 (2005)
ここで，磁気抵抗効果素子の信頼性の向上が望まれる。例えば，磁気抵抗効果素子へのセンス電流の通電によるＭＲ変化率の経時変化が小さいことが望ましい。
上記に鑑み，本発明の目的はセンス電流の通電によるＭＲ変化率の経時変化の低減が図られた磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することにある。
本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着され
た磁化固着層と，磁化方向が外部磁界に対して変化する磁化自由層と，前記磁化固着層と
磁化自由層との間に設けられたＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、およびＺｎからなる群より選択
される少なくとも１種の元素を含む酸化物，窒化物，または酸窒化物からなる第１の絶縁
層および前記第１の絶縁層を層方向に貫通する第１の電流パスを含み圧縮応力を有する非
磁性スペーサ層と，前記磁化自由層に対して前記非磁性スペーサ層が形成された側とは反
対側に配置され，Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、およびＺｎからなる群 より選択される少な
くとも１種の元素を含む酸化物，窒化物，または酸窒化物から選択される１の材料のみか
らなり圧縮応力を有する薄膜挿入層と，を具備し、前記磁化自由層の内部応力は、前記非
磁性スペーサ層及び前記薄膜挿入層から受ける外部応力により圧縮応力となることを特徴
とする。
本発明によれば，センス電流の通電によるＭＲ変化率の経時変化の低減が図られた磁気抵抗効果素子，磁気ヘッド，および磁気記録再生装置を提供できる。
（第１の実施の形態）
以下，図を参照しつつ，本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）の断面を表す断面図である。図１の磁気抵抗効果素子は，基板上に形成された，下電極１１，下地層１２，ピニング層１３，ピン層１４，金属層１５，スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６，金属層１７，フリー層１８，薄膜挿入層１９，キャップ層２０，および上電極２１を有する。この内，ピン層１４，スペーサ層１６，およびフリー層１８が，２つの強磁性層の間に非磁性のスペーサ層１６を挟んでなるスピンバルブ膜（スピン依存散乱ユニット）に対応する。スペーサ層１６は，絶縁層１６１と，絶縁層１６１を貫通する電流パス１６２を含む。
本実施形態では，フリー層１８とキャップ層２０の間に薄膜挿入層１９を設け，長時間の電流通電を行っても磁気抵抗素子のＭＲ変化率の低下が生じないようにしている。
以下，磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。
下電極１１は，スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２１との間に電圧が印加されることで，スピンバルブ膜内部をその膜垂直方向に沿って電流が流れる。この電流によって，磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することで，磁気の検知が可能となる。
下地層１２は，例えば，バッファ層１２ａ，シード層１２ｂに区分することができる。バッファ層１２ａは下電極１１表面の荒れを緩和したりするための層である。シード層１２ｂは，その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するための層である。
ピニング層１３は，その上に成膜されるピン層１４となる強磁性層に一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して磁化を固着する機能を有する。ピニング層１３の材料としては，反強磁性材料を用いることができる。
ピン層１４は，下部ピン層１４１，磁気結合中間層１４２，および上部ピン層１４３からなるシンセティックピン層とすることができる。ピニング層１３とその直上の下部ピン層１４１は一方向異方性（unidirectional anisotropy）をもつように交換磁気結合している。磁気結合中間層１４２の上下の下部ピン層１４１および上部ピン層１４３は，磁化の向きが互いに反平行になるように強く磁気結合している。
磁気結合中間層１４２は，上下の磁性層（下部ピン層１４１および上部ピン層１４３）に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する機能を有する。
上部ピン層１４３は，スピン依存散乱ユニットの一部をなし，ＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層である。
金属層１５は，電流パス１６２の形成に用いられ，いわば電流パス１６２の供給源である。ただし，電流パス１６２の形成後にも明確な金属層として残存している必要はない。
スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６は，絶縁層１６１，電流パス１６２を有する。なお，スペーサ層１６，金属層１５，および金属層１７を含めて，スペーサ層１６として取り扱うことも可能である。
絶縁層１６１は，酸化物，窒化物，酸窒化物等から構成される。絶縁層１６１として，Ａｌ2Ｏ3のようなアモルファス構造，ＭｇＯのような結晶構造の双方が有り得る。
電流パス１６２は，電流を狭窄するためのものであり，絶縁層１６１の層方向に電流を通過させる導電体として機能し，例えば，Ｃｕ等の非磁性金属から構成できる。即ち，スペーサ層１６では，電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有し，電流狭窄効果により素子抵抗およびＭＲ変化率を増大可能である。
金属層１７は，その上に成膜されるフリー層１８がスペーサ層１６の酸化物に接して酸化されないように保護するバリア層としての機能，およびフリー層１８の結晶性を良好にする機能を有する。
スペーサ層１６の材料やフリー層１８の材料によっては，必ずしも金属層１７を設けなくてもよい。アニール条件の最適化や，スペーサ層１６の絶縁層１６１材料の選択，フリー層１８の材料などによって，結晶性の低下を回避し，スペーサ層１６上の金属層１７が不要にできる。
しかし，製造上のマージンを考慮すると，スペーサ層１６上に金属層１７を形成することが好ましい。
フリー層１８は，磁化方向が外部磁界によって変化する強磁性体を有する層である。
キャップ層２０は，スピンバルブ膜を保護する機能を有する。
上電極２１は，スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２１との間に電圧が印加されることで，スピンバルブ膜内部にその膜の垂直方向の電流が流れる。
（薄膜挿入層１９）
以下，薄膜挿入層１９の詳細を説明する。薄膜挿入層１９は，スピンバルブ膜内の応力を調整し，スピンバルブ膜が内部応力によって劣化するのを防止するためのものである。
Ａ．応力による磁気抵抗効果素子の劣化
スピンバルブ膜が応力によって劣化するメカニズムを説明する。
ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜では，多数の金属薄膜の積層膜中にスペーサ層１６が挿入される。スペーサ層１６は，例えば，酸化物からなる絶縁層１６１を含む。一般に，酸化物等の絶縁体は金属よりも大きい応力を有することが多い。そのため，ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜では，スペーサ層１６と隣接する金属層１７が自己の内部応力より大きな応力をスペーサ層１６から受ける。即ち，スペーサ層１６と隣接する金属層１７の近傍は応力の分布が大きな不安定な状態となる。
磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）への電流の通電により，ジュールの法則に従った発熱が起こる。このとき，発熱の温度上昇値は，印加電圧と電流の積に比例する。ＣＣＰ−ＣＰＰ素子では，その全抵抗に対するスペーサ層１６の抵抗の割合が大きいため，印加した電圧はほぼスペーサ層１６に加わる。また，スペーサ層１６で電流が狭窄されるため，電流パス１６２での局所的な電流密度は非常に高くなる。すなわち，ＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜中の電流パス１６２は高電圧，高電流密度となり，局所的にジュール発熱が起こることが予想される。
電流通電によりスペーサ層１６の近傍で発熱が起こると，その近傍の原子のモビリティが上がり，内部応力に従った原子の移動が起こる。ここで，スペーサ層１６と隣接する金属層１７では，応力の分布が大きいため，原子の移動距離にも分布が生ずる。その結果，スペーサ層１６と隣接する金属層１７との界面において，格子のミスマッチ，及び原子のミキシング，ラフネスの増加が生じる可能性がある。これらの現象は，スピン依存界面散乱効果の低下の原因となる。
前述のように，ＣＣＰ−ＣＰＰ素子では，全抵抗に対するスペーサ層１６近傍での抵抗の割合が大きい。このため，スペーサ層１６近傍でのスピン依存界面散乱がＭＲ変化率に与える寄与が大きい。即ち，スペーサ層１６近傍での界面構造の劣化はＭＲ変化率の劣化に直結する可能性がある。
Ｂ．薄膜挿入層１９による応力の調整
薄膜挿入層１９の有効性を説明するために，薄膜挿入層１９の有無によるＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜の内部応力の違いを示す。
（１）薄膜挿入層１９を設けない場合
図２は，薄膜挿入層１９を設けていないＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜の内部応力を表す概念図である。図２の（ａ）はスペーサ層１６〜キャップ層２０の断面を表す。図２の（ｂ）はスペーサ層１６〜キャップ層２０の各層での材料固有の内部応力（実線）と各層が隣接層から受ける応力（破線）を表す。図２の（ｃ）はスペーサ層１６〜キャップ層２０の各層での実際の内部応力を表す。ここで，図２の（ｂ）及び（ｃ）の縦軸は（ａ）のＣＣＰ−ＣＰＰ素子の断面図に対応させている。なお，図２では，圧縮応力を有するスペーサ層１６を例にとっている。
図２の（ｂ）の実線で表したように，スペーサ層１６が圧縮応力を有し，その上の金属層（金属層１７，フリー層１８，キャップ層２０）は弱い引張応力を有する。図２の（ｃ）の破線で表すように，スペーサ層１６とその上の金属層は互いの材料固有の応力による作用反作用でそれぞれ隣接する層が有する応力を外部応力として受ける。このため，実際にＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜中の応力は，図２の（ｂ）の実線と破線の足し合わせとなり，図２の（ｃ）で表される。
図２の（ｃ）に示されるように，スペーサ層１６と金属層１７の界面からフリー層１８にかけて内部応力の値が急峻に変化している。前述のように，この急峻な内部応力の変化（分布）は，電流通電時の発熱による原子の移動の際に，格子のミスマッチ，及び原子のミキシング，ラフネスの増加といった，スピン依存界面散乱効果が低下する原因となる。
（２）薄膜挿入層１９を設けた場合
本実施形態では，図１に示すようにフリー層１８とキャップ層２０の間に薄膜挿入層１９を設ける。薄膜挿入層１９としては，ＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６の材料固有の内部応力と同一極性の応力を有する材料を選択する。ここで，同一極性とは，引張応力（正極性）同士あるいは圧縮応力（負極性）同士の組み合わせを意味する。
図３は，薄膜挿入層１９を挿入したＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜の内部応力を表す概念図である。図３の（ａ），（ｂ），（ｃ）は，図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）と同様に，（ａ）断面図，（ｂ）各層の材料固有の応力（実線）と各層が隣接層から受ける応力，（ｃ）各層の実際の応力である。
図３の（ｂ）の実線で示したように，共に大きな圧縮応力を有するスペーサ層１６と薄膜挿入層１９に金属層１７及びフリー層１８が挟まれている。このため，各層が隣接する層から受ける外部応力（破線で図示）により，金属層１７とフリー層１８に大きな圧縮応力が加わる。その結果，金属層１７とフリー層１８での実際の内部応力は圧縮応力となり，スペーサ層１６と金属層１７との界面からフリー層１８までの応力の変化がなだらかになる（図３の（ｃ）参照）。
この結果，電流通電時の発熱によって，内部応力に従った原子の移動がおきても，スペーサ層１６からフリー層１８までの内部応力の変化がなだらかなため，原子の移動も隣接する層と近いものとなる。これにより，格子のミスマッチ，及び原子のミキシング，ラフネスの増加といった，スピン依存界面散乱効果の低下を招く現象を防止できる。
この薄膜挿入層１９を挿入したＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜では，薄膜挿入層１９とキャップ層２０の界面での内部応力の変化が急峻になる。しかし，これは次の（１），（２）の理由から，大きな問題とはならない。即ち，（１）ＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６から十分離れているため電流通電時の温度上昇が小さい。（２）スピン依存散乱ユニット外なので構造の劣化が起こってもＭＲ変化率の低下が生じ難い。
スペーサ層１６と薄膜挿入層１９の具体的な材料について説明する。本発明者らは，各種酸化物材料の単層膜を作製し，基板曲率測定法により，それぞれの酸化物材料固有の応力値を調べた。その結果を，圧縮応力を有する材料とその応力値を表１に，引張応力を有する材料とその応力値を表２に示す。なお，基板曲率測定法は，基板に膜を形成することで基板に生じる撓み（曲率）から，その膜の内部応力を測定する手法である。
Figure 0004975335
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スペーサ層１６の絶縁層１６１の構成材料（酸化物等の絶縁物）として，表１に示した圧縮応力を有する酸化物を用いた場合，薄膜挿入層１９としてスペーサ層１６と同様に圧縮応力を有する表１から選択された酸化物層を用いる。逆に，スペーサ層１６の絶縁層１６１の構成材料として，表２に示した引張応力を有する酸化物を用いた場合は，薄膜挿入層１９としてスペーサ層１６と同様に引張応力を有する表２から選択された酸化物層を用いる。
なお，ここでは絶縁物として酸化物を例に挙げて説明しているが，絶縁物として窒化物あるいは酸窒化物を用いることも可能である。スペーサ層１６の応力と同一極性の応力を有する絶縁材料一般を薄膜挿入層１９の構成材料として利用可能である。
薄膜挿入層１９の膜厚は，応力調整効果が得られ，さらに抵抗の増加によるＭＲ比の減少が見られない範囲であればよいが，次の理由から，０．５ｎｍ〜１．５ｎｍが望ましい。
薄膜挿入層１９が隣接する層に与える応力の大きさは，酸化物材料の内部応力σADJと膜厚tADJの積σADJ・tADJに比例する。そのため，薄膜挿入層１９の膜厚が薄すぎると，応力調整の機能を発揮することができず，薄膜挿入層１９の膜厚が厚いほど応力調整を効果的に行うことができる。応力調整機能を発揮するためには，薄膜挿入層１９の膜厚が０．５ｎｍ以上であることが望ましい。
一方，薄膜挿入層１９の膜厚が厚すぎると，薄膜挿入層１９の抵抗が上がってしまい，ＣＣＰ−ＣＰＰ素子のスピン依存散乱ユニット外の抵抗を上げてしまうことになり，ＭＲ変化率の現象を招く。そのため，いずれの酸化物材料を用いた場合でも，薄膜挿入層１９の膜厚は１．５ｎｍ以下が望ましい。
薄膜挿入層１９の材料としては，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａ，およびＺｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む酸化物，あるいは窒化物，あるいは酸窒化物を主成分とする。
金属層１７とフリー層１８の膜厚は，薄膜挿入層１９による応力調整が効果的な範囲であることが望ましい。金属層１７とフリー層１８の膜厚の和が厚すぎる場合，スペーサ層１６〜フリー層１８のスピン依存散乱ユニットの応力変化をなだらかにすることが困難となる。薄膜挿入層１９の応力調整作用がＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６近傍まで及びにくくなるからである。そのため，金属層１７とフリー層１８の膜厚の和は，１０ｎｍ以下が望ましく，５ｎｍ以下がさらに望ましい。
本実施形態では，フリー層１８上にスペーサ層１６と同じ極性の応力を有する薄膜挿入層１９を設けている。これにより，スペーサ層１６の上の金属層１７やフリー層１８の内部応力とスペーサ層１６の内部応力のギャップが低減される。このため，上述した電流通電時の発熱による内部応力に従った各層の原子移動のギャップが低減され，スピン依存界面散乱の低下を抑制できる。
その結果，長時間の電流通電を行ってもＭＲ変化率の低下を生じない，信頼性を高めた磁気抵抗効果素子を提供できる。
（３）薄膜挿入層１９の下に金属層２２を設けた場合
図４に示すように，フリー層１８と薄膜挿入層１９の間に金属層２２を設けてもよい。金属層２２は，その下に成膜されるフリー層１８が薄膜挿入層１９の酸化物に接して酸化されないように保護するバリア層として機能する。
薄膜挿入層１９の材料やフリー層１８の材料によっては，図１に示す磁気抵抗効果素子のように，必ずしも金属層２２を設けなくてもよい。アニール条件の最適化や，薄膜挿入層１９の材料の選択，フリー層１８の材料などによって，フリー層１８の酸化を回避し，フリー層１８と薄膜挿入層１９の間の金属層２２を不要とできる。しかし，製造上のマージンを考慮すると，スペーサ層１６上に金属層１７を形成することが好ましい。
金属層２２を設ける場合，金属層１７，フリー層１８，金属層２２の膜厚は薄膜挿入層１９による応力調整が効果的な範囲であることが望ましい。金属層１７とフリー層１８と金属層２２の膜厚の和が厚すぎる場合，スペーサ層１６〜フリー層１８のスピン依存散乱ユニットの応力変化をなだらかにすることが困難となる。薄薄膜挿入層１９の応力調整作用がＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６近傍まで及びにくくなるからである。そのため，金属層１７とフリー層１８と金属層２２の膜厚の和は，１０ｎｍ以下が望ましく，５ｎｍ以下がさらに望ましい。
（４）トップ型のＣＣＰ−ＣＰＰ素子への適用
本実施形態では磁気抵抗効果素子としてピン層１４がフリー層１８よりも下に位置するボトム型のＣＣＰ−ＣＰＰ素子を例に挙げて説明している。これに対して，ピン層１４がフリー層１８よりも上に配置されるトップ型のＣＣＰ−ＣＰＰ素子でも薄膜挿入層１９による応力調整が可能である。
トップ型のＣＣＰ−ＣＰＰ素子では，基板上に，下電極１１，下地層１２，フリー層１８，金属層１５，スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６，金属層１７，ピン層１４，ピニング層１３，キャップ層２０，および上電極２１が順に配置される。図５に示すように，下地層１２とフリー層１８との間に薄膜挿入層１９を配置することで，スペーサ層１６近傍での応力調整による信頼性向上を図ることができる。
トップ型のＣＣＰ−ＣＰＰ素子の場合でも，図６に示すように，薄膜挿入層１９とフリー層１８の間に金属層２２を設けてもよい。
（薄膜挿入層１９の作製）
薄膜挿入層１９の作製には，酸化物，窒化物，または酸窒化物のターゲットによるダイレクトスパッタ法を用いることができる。ダイレクトスパッタ法では，酸化物，窒化物，または酸窒化物そのものを成膜することができる。これらのターゲットの材料として，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａ，およびＺｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む酸化物，窒化物，または酸窒化物を用いることができる。
薄膜挿入層１９の作製は，金属材料の成膜後の酸化でも行える。例えば，酸化物の母材であるＡｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａ，およびＺｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含むターゲットを用いて成膜を行った後に，酸化ガスを供給して酸化物を形成する。
酸化の方法としては，母材の金属膜を酸素雰囲気に接触させて酸化させる自然酸化を用いることができる。または，酸素のＲＦプラズマあるいはイオンビームの照射によるエネルギーアシスト効果を用いた酸化でもよい。後者のほうが，安定な酸化物を得ることができるのでより好ましい。
なお，上記の方法は，窒化，及び酸窒化の場合も有効である。例えば，窒素ガスや窒素と酸素の混合ガスのプラズマやイオンを照射することで，金属を窒化または酸窒化して薄膜挿入層１９を作成できる。
（第２の実施の形態）
図７は本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）の断面を表す断面図である。本実施形態では，第1の実施形態と比べて，金属層２３が付加され，薄膜挿入層１９Ａの膜構造が異なる。
薄膜挿入層１９Ａの膜構造は，ＣＣＰ−ＮＯＬ構造であり，絶縁層１９１および電流パス１９２を有する。金属層２３は，電流パス１９２の形成に用いられ，いわば電流パス１９２の供給源である。ただし，電流パス１９２の形成後にも明確な金属層として残存している必要はない。
薄膜挿入層１９ＡをＣＣＰ−ＮＯＬ構造とすることで，磁気抵抗効果素子の抵抗値を増大することなく，薄膜挿入層１９Ａを厚くして，効果的な応力調整が可能となる。
ただし，薄膜挿入層１９ＡにＣＣＰ−ＮＯＬ構造を用いた場合でも，膜厚が２．０ｎｍ以上となると，電流パス１９２を形成することが作製プロセス上困難になる。そのため，薄膜挿入層１９Ａの膜厚は０．５ｎｍ〜２．０ｎｍが望ましい。
薄膜挿入層１９Ａの電流パス１９２の開口率は，応力調整効果が得られ，さらに抵抗の増加によるＭＲ比の減少が見られない範囲であればよい。次の理由から，開口率が３０％以上６０％以下であることが望ましい。ここで，開口率Ｒは，薄膜挿入層１９Ａの面積Ｓ０に対する電流パス１９２の面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ０）である。
薄膜挿入層１９Ａの応力値σ０とその面積Ｓ０の積σ０・Ｓ０は，絶縁層１９１の内部応力σ１とその面積Ｓ１の積σ１・Ｓ１と，電流パス１９２の内部応力σ２と面積Ｓ２の積σ２・Ｓ２との和に等しい。即ち，次の式（１）が成立する。
σ０・Ｓ０＝σ１・Ｓ１＋σ２・Ｓ２ ……式（１）
式（１）から，次の式（２）が成立する。
σ０＝σ１・（１−Ｒ）＋σ２・Ｒ ……式（２）
式（２）は，電流パス１９２の開口率Ｒが大きくなると，薄膜挿入層１９Ａの応力値σ０が絶縁層１９１の内部応力σ１から離れ，電流パス１９２の内部応力σ２に近づくことを意味する。ここで，電流パス１９２の内部応力σ２の絶対値は絶縁層１９１の内部応力σ１の絶対値より小さい。このため，開口率Ｒが大きくなり過ぎると，薄膜挿入層１９Ａの応力値σ０の絶対値が小さくなり，応力調整機能を発揮することが困難となる。応力調整機能を発揮するためには，薄膜挿入層１９Ａの電流パス１９２の開口率が６０％以下であることが望ましい。
一方，薄膜挿入層１９Ａの開口率が小さすぎると，薄膜挿入層１９Ａの抵抗が増大する。これは，ＣＣＰ−ＣＰＰ素子のスピン依存散乱ユニット外での抵抗が増大することを意味し，ＭＲ変化率の減少を招く。そのため，薄膜挿入層１９Ａの開口率は３０％以上が望ましい。
上記の理由から，薄膜挿入層１９Ａの電流パス１９２の開口率は３０％以上６０％以下が望ましい。
（薄膜挿入層１９Ａの作製）
図８は，薄膜挿入層１９Ａの作製手順の一例を表すフロー図である。
ＣＣＰ−ＮＯＬ構造の薄膜挿入層１９Ａは，以下のように作製できる。
（１）金属層２３（第１の金属層）の形成（ステップＳ１１）
フリー層１８上に，金属層２３を形成する。金属層２３は，薄膜挿入層１９Ａの電流パス１９２の供給源となる層であり，Ｃｕ，Ａｇ，またはＡｕから構成される。
（２）被酸化金属層（第２の金属層）の形成（ステップＳ１２）
金属層２３上に被酸化金属層を形成する。被酸化金属層は，薄膜挿入層１９Ａの酸化物層（絶縁層１９１）に変換される層であり，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，ＴａおよびＺｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む。
（３）被酸化金属層へのイオンまたはプラズマの照射（ステップＳ１３）
被酸化金属層にイオンまたはプラズマを照射する。被酸化金属層の表面に希ガス（例えばＡｒ）のイオンビーム，あるいはＲＦプラズマを照射する。この前処理は，ＰＩＴ（Pre-ion treatment）工程と呼ばれる。ＰＩＴ工程の結果，被酸化金属層中に金属層２３の一部が吸い上げられて侵入した状態になる。
（４）被酸化金属層の酸化（ステップＳ１４）
被酸化金属層を酸化する。具体的には，希ガス（例えばＡｒ）のイオンビーム，あるいはＲＦプラズマの照射を行いながら酸化ガス（例えばＯ２）を供給して，被酸化金属層を酸化物層に変換する。この酸化処理（イオンビームアシスト酸化（ＩＡＯ：Ion beam-assisted Oxidation））により，酸化物材料（絶縁層１９１）中にＣｕなどの電流パス１９２が積層方向に貫通したＣＣＰ−ＮＯＬ構造の薄膜挿入層１９Ａが作製される。
以下，図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例においては，図１に示す積層構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ50Ｍｎ50［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［３．６ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／｛（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］｝
・金属層１５：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・スペーサ層１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２［１．５ｎｍ］
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］
・薄膜挿入層１９：表１に記載の圧縮応力を有する酸化物材料［０．２〜１．５ｎｍ］
・キャップ層２０：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［５ｎｍ］
・上電極２１
基板上に，スピンバルブ膜に垂直方向にセンス電流を流すための下電極１１を形成する。
この下電極１１上に，下地層１２としてＴａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］を成膜する。Ｔａは下電極の荒れを緩和するバッファ層１２ａである。Ｒｕはその上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するシード層１２ｂである。
バッファ層１２ａとして，Ｔａの代わりに，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗやそれらの合金材料を用いてもよい。バッファ層１２ａの膜厚は３〜５ｎｍが望ましい。バッファ層１２ａが薄すぎるとバッファ効果が失われる。一方，バッファ層１２ａが厚すぎると垂直方向にセンス電流を流した場合の直列抵抗増大を引き起こすため好ましくない。
シード層１２ｂとしては，ｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密構造）あるいはｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方構造）を持つ材料を用いるのが好ましい。
Ｒｕをシード層１２ｂとして用いると，その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向とすることができ，ＰｔＭｎの結晶配向をｆｃｔ（１１１）配向，ｂｃｃ構造の結晶配向をｂｃｃ（１１０）配向とすることができる。
また，シード層１２ｂを設けることにより，その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶粒径を１０〜４０ｎｍに制御することができる。このため，素子サイズが小さくなっても素子間におけるメタルパスの占有率のばらつきを招くことなく，適正な面積抵抗ＲＡおよび高いＭＲを実現できる。
シード層１２ｂの膜厚は２〜６ｎｍが好ましい。シード層１２ｂの厚さが薄すぎると結晶配向の制御効果が失われる。バッファ層１２ｂが厚すぎると垂直方向にセンス電流を流した場合の直列抵抗増大を引き起こすので好ましくない。
下地層１２の上にピニング層１３としてＰｔ50Ｍｎ50［１５ｎｍ］を成膜する。ピニング層１３は，その上に成膜されるピン層１４の磁化方向を固着する役割を持つ。ピニング層１３の膜厚は，薄すぎるとピン固着機能を発現しないため好ましくなく，厚すぎると狭ギャップ化の観点から好ましくない。ピニング層１３としてＰｔ50Ｍｎ50を用いる場合，Ｐｔ50Ｍｎ50の膜厚は８〜２０ｎｍ程度が好ましく，１０〜１５ｎｍがより好ましい。
ピニング層１３に用いる反強磁性材料としては，ＰｔＭｎの他にＰｄＰｔＭｎ，ＩｒＭｎが挙げられる。ＩｒＭｎはＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎよりも薄い膜厚でピン固着機能が発現するので狭ギャップの観点から望ましい。ピニング層１３としてＩｒＭｎを用いる場合，ＩｒＭｎの膜厚は４〜１２ｎｍが好ましく，５〜１０ｎｍがより好ましい。
ピニング層１３の上にピン層１４を成膜する。本実施例ではピン層１４として，下部ピン層１４１（Ｃｏ90Ｆｅ10［３．６ｎｍ］），磁気結合中間層１４２（Ｒｕ［０．９ｎｍ］），上部ピン層１４３｛（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］｝からなるシンセティックピン層を用いている。
下部ピン層１４１はピニング層１３と交換磁気結合しており，一方向異方性をもつ。下部ピン層１４１と上部ピン層１４３は磁気結合中間層１４２を介して磁化の向きが互いに反平行を向くように磁気結合している。
下部ピン層１４１は，磁気膜厚すなわち飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ（Ｂｓ・ｔ積）が，上部ピン層１４３とほぼ等しくなるように設計することが好ましい。本実施例では，上部ピン層１４３が（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［２．５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］であり，ＦｅＣｏの飽和磁化が約２．２Ｔであるため，磁気膜厚は２．２Ｔ×３ｎｍ＝６．６Ｔｎｍとなる。下部ピン層１４１についてはＣｏ90Ｆｅ10の飽和磁化が約１．８Ｔなので，上記と等しい磁気膜厚を与える下部ピン層１４１の膜厚ｔは６．６Ｔｎｍ／１．８Ｔ＝３．６６ｎｍとなる。本実施例では膜厚３．６ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10を用いている。
ピニング層１３（ＰｔＭｎ）による一方向異方性磁界強度およびＲｕを介した下部ピン層１４１と上部ピン層１４３との反強磁性結合磁界強度という観点から，下部ピン層１４１に用いられる磁性層の膜厚は２〜５ｎｍ程度が好ましい。膜厚が薄すぎるとＭＲ変化率が小さくなる。膜厚が厚すぎるとデバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。
下部ピン層１４１には，例えばＣｏxＦｅ100-x合金（ｘ＝０〜１００％），ＮｉxＦｅ100-x合金（ｘ＝０〜１００％），またはこれらに非磁性元素を添加したものを用いることができる。
磁気結合中間層（Ｒｕ層）１４２は上下の磁性層に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する機能を有する。磁気結合中間層１４２の膜厚は０．８〜１ｎｍであることが好ましい。上下の磁性層に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば，Ｒｕ以外の材料を用いてもよい。
上部ピン層１４３｛（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［２．５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］｝は，スピン依存散乱ユニットの一部をなす。特に，スペーサ層１６との界面に位置する磁性材料は，スピン依存界面散乱に寄与する点で重要である。本実施例ではｂｃｃ構造をもつＦｅ50Ｃｏ50を用いている。
スペーサ層１６との界面にｂｃｃ構造をもつ磁性材料を用いた場合，スピン依存界面散乱効果が大きいため，大きなＭＲ変化率を実現することができる。ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ系合金としては，ＦｅxＣｏ100-x（ｘ＝３０〜１００％）や，ＦｅxＣｏ100-xに添加元素を加えたものが挙げられる。
スピンバルブ膜に用いられる金属材料は，ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方構造）またはｆｃｔ構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）であることが多いため，上部ピン層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。このため，上部ピン層１４３の膜厚が薄すぎると，ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり，高いＭＲ変化率が得られなくなるので好ましくない。上部ピン層１４３（スペーサ層１６とＲｕの間にあるピン層１４）として機能する磁性材料の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましく，大きなピン固着磁界を得るために，５ｎｍ以下であることが好ましい。
また，ピン層１４が高いＭＲ変化率を実現しやすいｂｃｃ構造をもつ磁性層から形成される場合には，ｂｃｃ構造をより安定に保つために，ｂｃｃ構造をもつ層の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましい。大きなピン固着磁界を得るとともにｂｃｃ構造の安定性を保つために，ｂｃｃ構造をもつピン層１４の膜厚範囲は，２．５ｎｍ〜４ｎｍ程度が好ましい。
また，ピン層１４の構成材料として，相図上でｂｃｃ構造がより安定に得られる組成範囲にある，Ｆｅ75Ｃｏ25〜Ｆｅ85Ｃｏ15なども挙げられる。上部ピン層１４３には，ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに，ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金や，ｈｃｐ構造をもつコバルト合金も用いることができる。Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉなどの単体金属，またはこれらのいずれか一つの元素を含む合金材料はすべて用いることができる。上部ピン層１４３の磁性材料を，大きなＭＲ変化率を得るのに有利なものから並べると，ｂｃｃ構造をもつ合金材料，５０％以上のコバルト組成をもつコバルト合金，５０％以上のＮｉ組成をもつニッケル合金の順になる。
本実施例においては上部ピン層１４３として，磁性層（ＦｅＣｏ層）と非磁性層（極薄Ｃｕ層）とを交互に積層したものを用いている。このような構造を有する上部ピン層１４３では，バルク散乱効果と呼ばれるスピン依存散乱効果を向上させることができる。ＣＣＰ−ＣＰＰ素子においては，スペーサ近傍で電流が狭窄されるため，スペーサ層１６の界面近傍の抵抗の寄与が非常に大きくなる。この場合，バルク散乱効果よりも界面散乱効果の寄与が大きいため，スペーサ層１６との界面に位置する材料の選択が重要な意味をもつ。それでも，バルク散乱効果の大きい材料を用いることは有効である。
磁性層間のＣｕ層の膜厚は，０．１〜１ｎｍが好ましく，０．２〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が薄すぎると，バルク散乱効果を向上させる効果が弱くなる。Ｃｕ層の膜厚が厚すぎると，バルク散乱効果が減少させることがあるうえに，非磁性のＣｕ層を介した上下磁性層の磁気結合が弱くなり，ピン層１４の特性が不十分となる。
磁性層間の非磁性層の材料としては，Ｃｕの代わりに，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉなどを用いてもよい。一方，ＦｅＣｏなどの磁性層の膜厚は０．５〜２ｎｍが好ましく，１〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
ＦｅＣｏ層とＣｕ層とを交互に積層した上部ピン層１４３の代わりに，ＦｅＣｏとＣｕを合金化した上部ピン層１４３を用いてもよい。このようなＦｅＣｏＣｕ合金としては，例えば（ＦｅxＣｏ100-x）100-yＣｕy（ｘ＝３０〜１００％，ｙ＝３〜１５％程度）が挙げられるが，これ以外の組成範囲を用いてもよい。ＦｅＣｏに添加する元素として，Ｃｕの代わりに，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉなど他の元素を用いてもよい。
上部ピン層１４３には，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉや，これらの合金材料からなる単層膜を用いてもよい。例えば，最も単純な構造の上部ピン層１４３として，Ｃｏ90Ｆｅ10単層を用いてもよい。このような材料に元素を添加してもよい。
ピン層１４上にスペーサ層１６の電流パス１６２の供給源となる金属層１５としてＣｕを成膜した後，スペーサ層１６の絶縁層に変換される被酸化金属層としてＡｌＣｕ層を成膜する。
被酸化金属層に希ガス（例えばＡｒ）のイオンビームを照射して前処理を行う。この前処理をＰＩＴ（Pre-ion treatment）という。このＰＩＴの結果，被酸化金属層中に金属層１５の一部が吸い上げられて侵入した状態になる。
その後，酸化ガス（例えばＯ２）を供給して被酸化金属層を酸化する。この酸化により，被酸化金属層をＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層１６１に変換される。このようにして，絶縁層１６１およびこれ貫通する電流パス１６２からなるスペーサ層１６が形成される。
電流パスとなる第１の金属層であるＣｕの膜厚は，ＡｌＣｕの膜厚に応じて調整される。ＡｌＣｕの厚さを厚くした場合，電流パスの占有率を保つためには，ＡｌＣｕ中に侵入させるＣｕの量を増加させなければならないためである。Ｃｕの膜厚が適正範囲よりも薄ければ，電流パスの占有率が下がり面積抵抗が適正値よりも高くなってしまう。一方，Ｃｕの膜厚が適正範囲よりも厚い場合，ＣＣＰ−ＮＯＬにより狭窄された電流が磁性層に到達するまでの間にＣｕ中で広がってしまい，ＭＲ変化率の低下を招き，好ましくない。
金属層１５としては，酸化されにくく，かつ比抵抗の低い材料が望ましい。Ｃｕの代わりとして，Ａｕ，Ａｇなどを用いてもよい。
被酸化金属層としてＡｌＣｕを用いた場合，第１の酸化工程中において，第１の金属層からＣｕが吸い上げられるのみでなく，ＡｌＣｕ中のＣｕがＡｌから分離される。この場合，第１の金属層と被酸化金属層の双方のＣｕから電流パスが形成される。本実施例では被酸化金属層としてＡｌ90Ｃｕ10を用いたが，被酸化金属層としてＣｕを含まない純Ａｌを用いてもよい。純Ａｌを用いた場合，Ｃｕの吸いあがりによってのみ電流パスが形成される。
被酸化金属層の材料は，Ａｌ2Ｏ3を形成するためのＡｌ合金に限らず，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔａ，およびＺｎなどおよびそれらを主成分とする合金でもよい。また，被酸化金属層から変換される絶縁層は酸化物に限らず，窒化物や酸窒化物でもよい。被酸化金属層としてどのような材料を用いた場合でも，成膜時の膜厚は０．５〜２ｎｍが好ましく，酸化物，窒化物または酸窒化物に変換後の膜厚は０．８〜３．５ｎｍ程度が好ましい。
スペーサ層１６の上に，金属層１７としてＣｕ［０．２５ｎｍ］を成膜する。この金属層１７は，その上に成膜されるフリー層１８がスペーサ層１６の酸化物に接して酸化されないようにするバリア層としての機能を有する。
なお，フリー層１８の酸化はアニール条件の最適化などによって回避できることもあるので，スペーサ層１６上の金属層１７は必ずしも設ける必要はない。このように，スペーサ層１６の下の金属層１５は電流パス１６２の供給源であるため必須であるが，スペーサ層１６の上の金属層１７は必須というわけではない。但し，製造上のマージンを考慮すると，スペーサ層１６上の金属層１７を形成することが好ましい。
金属層１７の材料としては，Ｃｕ以外に，Ａｕ，Ａｇ，Ｒｕなどを用いることもできる。ただし，金属層１７の材料は，電流パス１６２の材料と同一材料であることが好ましい。金属層１７の材料として電流パス１６２の材料と異種の材料を用いた場合には界面抵抗の増大を招くが，両者が同一の材料であれば界面抵抗の増大は生じない。金属層１７の膜厚は，０〜１ｎｍが好ましく，０．１〜０．５ｎｍがより好ましい。金属層１７が厚すぎると，スペーサ層１６で狭窄された電流が金属層１７で広がって電流狭窄効果が不十分になり，ＭＲ変化率の低下を招く。
金属層１７の上に，フリー層１８としてＣｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］を成膜する。高いＭＲ変化率を得るためには，スペーサ層１６との界面に位置するフリー層１８の磁性材料の選択が重要である。この場合，スペーサ層１６との界面には，ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。本実施例では，ＣｏＦｅ合金のなかでも特に軟磁気特性が安定なＣｏ90Ｆｅ10を用いている。
Ｃｏ90Ｆｅ10近傍のＣｏＦｅ合金を用いる場合には，膜厚を０．５〜４ｎｍとすることが好ましい。
他の組成（例えばピン層１４に関連して説明した組成）のＣｏＦｅ合金を用いる場合，膜厚を０．５〜２ｎｍとすることが好ましい。例えば，スピン依存界面散乱効果を上昇させるために，フリー層１８にもピン層１４と同様にｂｃｃ構造を有するＦｅ50Ｃｏ50（もしくは，ＦｅxＣｏ100-x（ｘ＝４５〜８５））を用いることが考えられる。この場合，フリー層１８は，軟磁性を維持するために，あまり厚い膜厚は使用できず，０．５〜１ｎｍが好ましい膜厚範囲となる。
Ｃｏを含まないＦｅを用いる場合には，軟磁気特性が比較的良好なため，膜厚を０．５〜４ｎｍ程度とすることができる。
ＣｏＦｅ層の上に設けられるＮｉＦｅ層は軟磁性特性が安定な材料である。ＣｏＦｅ合金の軟磁気特性はそれほど安定ではないが，その上にＮｉＦｅ合金を設けることによって軟磁気特性を補完することができ，大きなＭＲ変化率を得ることができる。
ＮｉＦｅ合金の組成は，ＮｉxＦｅ100-x（ｘ＝７８〜８５％程度）が好ましい。本実施例においては通常用いるＮｉＦｅの組成Ｎｉ81Ｆｅ19よりも，Ｎｉリッチな組成（Ｎｉ83Ｆｅ17）を用いている。これはＣＣＰ構造を有するスペーサ層１６上にフリー層１８を形成した場合には，ゼロ磁歪を実現するためのＮｉ組成が多少ずれるためである。ＮｉＦｅ層の膜厚は２〜５ｎｍ程度が好ましい。
ＮｉＦｅ層を用いない場合には，１〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と０．１〜０．８ｎｍ程度の極薄Ｃｕ層とを，複数層交互に積層したフリー層１８を用いてもよい。
金属層１７とフリー層１８の膜厚は，上述したようにそれぞれ望ましい膜厚範囲があるが，その膜厚の和が薄膜挿入層１９による応力調整が効果的に得られる範囲であることが望ましい。金属層１７とフリー層１８の膜厚の和が厚すぎる場合，スペーサ層１６〜フリー層１８のスピン依存散乱ユニットの応力変化をなだらかにすることが困難となる。薄膜挿入層１９の応力調整作用がＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６近傍まで及びにくいからげある。そのため，金属層１７とフリー層１８の膜厚の和は，１０ｎｍ以下が望ましく，５ｎｍ以下がさらに望ましい。本実施例では，金属層１７としてＣｕ［０．２５ｎｍ］，フリー層１８としてＣｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］を設けている。このため，金属層１７とフリー層１８の膜厚の和は４．７５ｎｍである。
フリー層１８の上に，薄膜挿入層１９として酸化物材料を積層する。本実施例では，ＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６として圧縮応力を有するＡｌ２Ｏ３を用いている。このため，薄膜挿入層１９は同じ圧縮応力を有する酸化物材料として，実施形態の表１に示した材料の中でもＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，ＺｎＯ，Ｔａ２Ｏ５を用いた。
薄膜挿入層１９の膜厚は，応力調整効果が得られ，さらに抵抗の増加によるＭＲ比の減少が見られない範囲であればよい。以下の理由から，薄膜挿入層１９の膜厚は０．５ｎｍ〜１．５ｎｍが望ましい。
薄膜挿入層１９が隣接する層に与える応力の大きさは，酸化物材料の内部応力σADJと膜厚tADJの積σADJ・tADJに比例する。そのため，薄膜挿入層１９の膜厚が薄すぎると，応力調整の機能を発揮することができず，薄膜挿入層１９の膜厚が厚いほど効果的に応力調整を行うことができる。応力調整機能を発揮するためには，薄膜挿入層１９の膜厚が０．５ｎｍ以上であることが望ましい。
一方，薄膜挿入層１９の膜厚が厚すぎると，薄膜挿入層１９の抵抗が上がってしまい，ＣＣＰ−ＣＰＰ素子のスピン依存散乱ユニット外の抵抗を上げてしまうことになりＭＲ変化率の現象を招く。そのため，いずれの酸化物材料を用いた場合でも，薄膜挿入層１９の膜厚は１．５ｎｍ以下が望ましい。
本実施例では，薄膜挿入層１９の抵抗を上げることなく，応力調整機能を発揮できる膜厚範囲である，０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲で，各種酸化物材料で適宜調整して作製した。
本実施例では，図１に示すように，フリー層１８上に薄膜挿入層１９を設けているが，図２に示すように，フリー層１８と薄膜挿入層１９の間に金属層２２を設けてもよい。この金属層２２は，その下に成膜されるフリー層１８が薄膜挿入層１９の酸化物に接して酸化されないようにするバリア層としての機能を有する。
なお，フリー層１８の酸化はアニール条件の最適化などによって回避できることもあるので，フリー層１８と薄膜挿入層１９の間の金属層２２は必ずしも設ける必要はない。但し，製造上のマージンを考慮すると，フリー層１８と薄膜挿入層１９の間の金属層２２を形成することが好ましい。金属層２２の材料としては，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｒｕなどを用いることもできる。金属層２２の膜厚は，０〜１ｎｍが好ましく，０．１〜０．５ｎｍがより好ましい。
金属層２２を設ける場合，金属層１７，フリー層１８，金属層２２の膜厚の和が，薄膜挿入層１９による応力調整が効果的に得られる範囲であることが望ましい。金属層１７とフリー層１８と金属層２２の膜厚の和が厚すぎる場合，スペーサ層１６〜フリー層１８のスピン依存散乱ユニットの応力変化をなだらかにすることが困難となる。薄膜挿入層１９の応力調整作用がＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６近傍まで及びにくいからである。そのため，金属層１７とフリー層１８と金属層２２の膜厚の和は，１０ｎｍ以下が望ましく，５ｎｍ以下がさらに望ましい。
薄膜挿入層１９の上に，キャップ層２０としてＣｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］を積層する。キャップ層２０はスピンバルブ膜を保護する機能を有する。Ｃｕ層の膜厚は０．５〜１０ｎｍ程度が好ましい。Ｃｕ層を設けることなく，フリー層１８の上にＲｕ層を０．５〜１０ｎｍ程度の厚さで直接設けてもよい。Ｃｕ層の上にＲｕ層の代わりに他の金属層を設けてもよい。キャップ層２０の構成は特に限定されず，キャップ効果を発揮できるものであれば他の材料を用いてもよい。キャップ層２０の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極２１を形成する。
本実施例のＣＣＰ−ＣＰＰ素子特性を評価したところ，薄膜挿入層１９としてＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，ＺｎＯ，Ｔａ２Ｏ５のいずれの酸化物材料を用いた場合においても，薄膜挿入層１９を挿入しなかった場合に比べて，長時間の電流通電によるＭＲ劣化の低減が確認された。
（実施例２）
本実施例においては，図１に示す積層構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ50Ｍｎ50［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［３．６ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／｛（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］｝
・金属層１５：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・スペーサ層１６：ＴｉＯ２絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］
・薄膜挿入層１９：表２に記載した酸化物材料
・キャップ層２０：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［５ｎｍ］
実施例１の構造と異なるところは，ＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６の材料と薄膜挿入層１９の材料である。ＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６の絶縁層材料として，引張応力を有するＴｉＯ２を用いた場合，薄膜挿入層１９としてスペーサ層１６と同じ引張応力を有する表２に記載した材料を用いることができる。本実施例では，薄膜挿入層１９としてＴｉＯ２を用いた。
本実施例のＣＣＰ−ＣＰＰ素子特性を評価したところ，薄膜挿入層１９としてＴｉＯ２を用いることにより，薄膜挿入層１９を挿入しなかった場合に比べて，長時間の電流通電によるＭＲ劣化の低減が確認された。
（実施例３）
本実施例においては，図７に示す積層構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ50Ｍｎ50［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［３．６ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／｛（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］｝
・金属層１５：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・スペーサ層１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２［１．５ｎｍ］
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］
・金属層２３：Ｃｕ［１ｎｍ］
・薄膜挿入層１９Ａ：表１に記載の圧縮応力を有する酸化物材料からなる絶縁層１９１およびＣｕ電流パス１９２ ［０．５〜２．０ｎｍ］
・キャップ層２０：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［５ｎｍ］
実施例１と異なるところは，金属層２３が付与され，薄膜挿入層１９Ａの膜構造が異なることである。薄膜挿入層１９Ａの膜構造は，ＣＣＰ−ＮＯＬ構造であり，絶縁層１９１及び電流パス１９２を有する。金属層２３は，電流パス１９２の形成に用いられ，いわば電流パス１９２の供給源である。ただし，電流パス１９２の形成後にも明確な金属層として残存している必要はない。
ＣＣＰ−ＮＯＬ構造の薄膜挿入層１９Ａは，以下のように作製できる。
フリー層１８上に，金属層２２を形成する。金属層２２は，薄膜挿入層１９Ａの電流パス１９２の供給源となる層であり，Ｃｕ，Ａｇ，またはＡｕから構成される。金属層２３上に被酸化金属層を形成する。被酸化金属層は，薄膜挿入層１９Ａの酸化物層（絶縁層１９１）に変換される層であり，Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，ＴａおよびＺｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む。被酸化金属層の表面に希ガス（例えばＡｒ）のイオンビーム，あるいはＲＦプラズマを照射する。この前処理は，ＰＩＴ（Pre-ion treatment）工程と呼ばれる。ＰＩＴ工程の結果，被酸化金属層中に金属層２３の一部が吸い上げられて侵入した状態になる。
被酸化金属層を酸化する。具体的には，希ガス（例えばＡｒ）のイオンビーム，あるいはＲＦプラズマの照射を行いながら酸化ガス（例えばＯ２）を供給して，被酸化金属層を酸化物層に変換する。この酸化処理（イオンビームアシスト酸化（ＩＡＯ：Ion beam-assisted Oxidation））により，酸化物材料（絶縁層１９１）中にＣｕなどの電流パス１９２が積層方向に貫通したＣＣＰ−ＮＯＬ構造の薄膜挿入層１９Ａが作製される。
本実施例のＣＣＰ−ＣＰＰ素子特性を評価したところ，薄膜挿入層１９Ａの絶縁層１９１として，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，ＺｎＯ，Ｔａ２Ｏ５のいずれの酸化物材料を用いた場合においても，薄膜挿入層１９Ａを挿入しなかった場合に比べて，長時間の電流通電によるＭＲ劣化の低減が確認された。
（実施例４）
本実施例においては，図７に示す積層構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ50Ｍｎ50［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［３．６ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／｛（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］｝
・金属層１５：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・スペーサ層１６：ＴｉＯ2絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２［１．５ｎｍ］
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［１ｎｍ］／Ｎｉ83Ｆｅ17［３．５ｎｍ］
・金属層２３：Ｃｕ［１ｎｍ］
・薄膜挿入層１９Ａ：表２に記載の圧縮応力を有する酸化物材料からなる絶縁層１９１およびＣｕ電流パス１９２ ［０．５〜２．０ｎｍ］
・キャップ層２０：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［５ｎｍ］
実施例３と異なるところは，ＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６の材料と薄膜挿入層１９の材料である。ＣＣＰ−ＮＯＬスペーサ層１６の絶縁層材料として，引張応力を有するＴｉＯ２を用いた場合，薄膜挿入層１９Ａの絶縁層１９１としてスペーサ層１６と同じ引張応力を有する表２に記載した材料を用いることができる。本実施例では，薄膜挿入層１９Ａの絶縁層１９１としてＴｉＯ２を用いた。
本実施例のＣＣＰ−ＣＰＰ素子特性を評価したところ，薄膜挿入層１９Ａの絶縁層１９１としてＴｉＯ２を用いることにより，薄膜挿入層１９Ａを挿入しなかった場合に比べて，長時間の電流通電によるＭＲ劣化の低減が確認された。
（磁気抵抗効果素子の応用）
以下，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）の応用について説明する。
（磁気ヘッド）
図９および図１０は，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図９は，磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図１０は，この磁気抵抗効果素子を媒体対向面ＡＢＳに対して垂直な方向に切断した断面図である。
図９および図１０に例示した磁気ヘッドは，いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。磁気抵抗効果膜１０は上述したＣＣＰ−ＣＰＰ膜である。磁気抵抗効果膜１０の上下には，下電極１１と上電極２１とがそれぞれ設けられている。図９において，磁気抵抗効果膜１０の両側面には，バイアス磁界印加膜４１と絶縁膜４２とが積層して設けられている。図１０に示すように，磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面には保護層４３が設けられている。
磁気抵抗効果膜１０に対するセンス電流は，その上下に配置された下電極１１，上電極２１によって矢印Ａで示したように，膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また，左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜４１，４１により，磁気抵抗効果膜１０にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により，磁気抵抗効果膜１０のフリー層１８の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し，磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
磁気抵抗効果膜１０のＳ／Ｎ比が向上しているので，磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
（ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリー）
図９および図１０に示した磁気ヘッドは，記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで，磁気記録再生装置に搭載することができる。
図１１は，このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち，本発明の磁気記録再生装置１５０は，ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において，磁気ディスク２００は，スピンドル１５２に装着され，図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は，複数の磁気ディスク２００を備えてもよい。
磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は，サスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は，上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
磁気ディスク２００が回転すると，ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」でもよい。
サスペンション１５４はアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には，リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は，ボビン部に巻かれた図示しない駆動コイルと，このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
アクチュエータアーム１５５は，ピボット１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され，ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
図１２は，アクチュエータアーム１５５から先のヘッドジンバルアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち，アセンブリ１６０は，アクチュエータアーム１５５を有し，アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には，上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し，このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５はアセンブリ１６０の電極パッドである。
本実施形態によれば，上述の磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備することにより，高い記録密度で磁気ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
（磁気メモリ）
次に，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち，本発明の実施形態に係るランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ：magnetic random access memory）などの磁気メモリを実現できる。
図１３は，本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は，メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために，列デコーダ３５０，行デコーダ３５１が備えられており，ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり，一意に選択され，センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果膜１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは，特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
図１４は，本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合，マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが，それぞれデコーダ３６０，３６１により選択されて，アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは，磁気抵抗効果素子１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで，ダイオードＤは，選択された磁気抵抗効果素子１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは，特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
図１５は，本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。図１６は，図１５のＡ−Ａ‘線に沿う断面図である。これらの図に示した構造は，図１３または図１４に示した磁気メモリに含まれる１ビット分のメモリセルに対応する。このメモリセルは，記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
記憶素子部分３１１は，磁気抵抗効果素子１０と，これに接続された一対の配線３２２，３２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０は，上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）である。
一方，アドレス選択用トランジスタ部分３１２には，ビア３２６および埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は，ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし，磁気抵抗効果素子１０と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
また，磁気抵抗効果素子１０の下方には，書き込み配線３２３が，配線３２２とほぼ直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２，３２３は，例えばアルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
このような構成のメモリセルにおいて，ビット情報を磁気抵抗効果素子１０に書き込むときは，配線３２２，３２３に書き込みパルス電流を流し，それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を便宜反転させる。
また，ビット情報を読み出すときは，配線３２２と，磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０と，下電極３２４とを通してセンス電流を流し，磁気抵抗効果素子１０の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
本発明の実施形態に係る磁気メモリは，上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）を用いることにより，セルサイズを微細化しても，記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき，且つ，読み出しも確実に行うことができる。
また，最近では，上記のような電流磁界による書き込み方法ではなく，スピン注入磁化反転を利用した書き込み方法も提案されている。スピン注入磁化反転書き込みとは，スピンの向きの揃った電流を磁気抵抗効果素子１０に通電することにより書き込みを行う方法である。スピン注入磁化反転書き込み方式の磁気メモリにおいても，上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）を用いることができる。このようにすることで，セルサイズを微細化しても，記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき，且つ，読み出しも確実に行うことができる。
また，ＭＲＡＭ用途の磁気抵抗効果膜１０として，図１７に示す積層構造を有する実施例が実施可能である。
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ50Ｍｎ50［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［３．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）Ｂ１０［３．５ｎｍ］
・トンネル絶縁層２５：ＭｇＯ［１．５ｎｍ］
・下部フリー層１８Ａ：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［１ｎｍ］
・電流狭窄層２５：Ａｌ2Ｏ3絶縁層およびＮｉＦｅ電流パスのＣＣＰ−ＮＯＬ［１．０ｎｍ］
・上部フリー層１８Ｂ：ＮｉＦｅ［２．５ｎｍ］
・金属層２３：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・薄膜挿入層１９Ａ：表１に記載の圧縮応力を有する酸化物材料からなる絶縁層およびＣｕ電流パスのＣＣＰ−ＮＯＬ ［０．５〜２．０ｎｍ］
・キャップ層２０：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［５ｎｍ］
ＭＲＡＭ用途において，磁気抵抗効果をトンネル素子で実現し，ＭＲＡＭのスイッチング手法を高めるためにＣＣＰ構造を用いるなどの提案もされている（Ｈ． Ｍｅｎｇ ａｎｄ Ｊ−Ｐ． Ｗａｎｇ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｍａｇｎ． ４１（１０），２６１２（２００５））。
この場合には，フリー層内部に電流狭窄層２５としてＣＣＰ−ＮＯＬを設ける必要がある。このとき，電流通電によるＣＣＰ−ＮＯＬ近傍の発熱とＣＣＰ−ＮＯＬ近傍の内部応力を駆動力とした原子の移動が起きる。ここで，ＣＣＰ−ＮＯＬの近傍では，応力の分布が大きいため，原子の移動距離にも分布が生ずる。その結果，結晶性酸化物であるＭｇＯと隣接する金属層との界面，あるいは金属層の内部において，格子のミスマッチ，及び原子のミキシング，ラフネスの増加が生じる可能性がある。これらの現象は，ＴＭＲ効果の低下の原因となる。
この場合も上記の実施形態と同様に，薄膜挿入層（特に，フリー層内部の電流狭窄層２５の材料固有の内部応力と同一極性の応力を有する材料）をフリー層上に挿入することで，ＴＭＲ効果の低下を防止できる。本実施例では，フリー層中の電流狭窄層２５の材料が，圧縮応力を有するＡｌ2Ｏ3であるため，薄膜挿入層１９Ａの絶縁層１９１の材料としては同じ圧縮応力を有する表１に記載の酸化物材料を用いることができる。
フリー層内部に電流狭窄層２５としてＣＣＰ−ＮＯＬが挿入された場合には，電流パスとなる金属は，Ｃｕの代わりに，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅやそれらの合金材料を用いることが望ましい。ＣＣＰ−ＮＯＬを介して上下磁性層が強く磁気結合していることが好ましいからである。
また，フリー層に挿入されたＣＣＰ−ＮＯＬを実現するための形成プロセスとして，前述のＰＩＴ／ＩＡＯ処理を行うことが望ましい。この場合には電流パスを形成する材料として，フリー層の構成材料をそのまま使用することが可能となる。
本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の面積抵抗ＲＡの値はほぼＭｇＯのトンネル絶縁層で決定しており，１．５Ωμm２〜１×１０3Ωμm２である。本実施例のトンネル素子のＲＡ値は，実施例１のＣＣＰ−ＣＰＰ素子の面積抵抗値ＲＡ，５００ｍΩμｍ２に比べて大きい。従い，実施例１と同じ電圧を印加した場合，素子のセンス電流は実施例１の場合より小さい。そのため，センス電流通電による発熱は実施例１のＣＣＰ−ＣＰＰ素子よりも小さい。
しかし，このような場合においても，上述したようなＴＭＲ効果する現象は少なからず発生しうる。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子においても，薄膜挿入層１９Ａの挿入によって，上述したＴＭＲ効果低下を招く現象の防止を期待できる。
また，ＭＲＡＭ用途の磁気抵抗効果膜１０として，図１８に示す積層構造を有する実施例が実施可能である。
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｐｔ50Ｍｎ50［１５ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［３．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）Ｂ１０［３．５ｎｍ］
・トンネル絶縁層２５：ＭｇＯ［１．５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］
・金属層２３：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・薄膜挿入層１９Ａ：表１に記載の圧縮応力を有する酸化物材料からなる絶縁層およびＣｕ電流パスのＣＣＰ−ＮＯＬ ［０．５〜２．０ｎｍ］
・キャップ層２０：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［５ｎｍ］
ＭＲＡＭ用途の本実施例においては，磁気抵抗効果をトンネル素子で実現している。トンネル素子の場合でも，トンネル絶縁層近傍において，ＣＣＰ−ＮＯＬのジュール発熱ほどではないが発熱が起こる。このため，発熱と内部応力を駆動力とした原子の移動が起きる。
ここで，トンネル絶縁層２４として用いているＭｇＯの近傍は，応力の分布が大きく，不安定な状態となっている。この近傍では，応力の分布が大きいため，原子の移動距離にも分布が生ずる。その結果，スペーサ層としてトンネル絶縁膜の結晶性酸化物であるＭｇＯと隣接する金属層との界面，あるいは金属層の内部において，格子のミスマッチ，及び原子のミキシング，ラフネスの増加が生じる可能性がある。これらの現象は，ＴＭＲ効果の低下の原因となる。
この場合も上記の実施形態と同様に，薄膜挿入層（特に，トンネル絶縁層２４の材料固有の内部応力と同一極性の応力を有する材料）をフリー層上に挿入することで，ＴＭＲ効果の低下を防止できる。本実施例では，トンネル絶縁層２４の材料が，圧縮応力を有するＭｇＯである。このため，薄膜挿入層１９Ａの絶縁層１９１の材料として，同じ圧縮応力を有する表１に記載の酸化物材料を用いることができる。
本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の面積抵抗ＲＡの値はほぼＭｇＯのトンネル絶縁層で決定しており，１．５Ωμm２〜１×１０3Ωμm２である。本実施例のトンネル素子のＲＡ値は，実施例１のＣＣＰ−ＣＰＰ素子の面積抵抗値ＲＡ，５００ｍΩμｍ２に比べて大きい。従い，実施例１と同じ電圧を印加した場合，素子のセンス電流は実施例１の場合より小さい。そのため，センス電流通電による発熱は実施例１のＣＣＰ−ＣＰＰ素子よりも小さい。
しかし，このような場合においても，上述したようなＴＭＲ効果を低減する現象は少なからず発生しうる。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子においても，薄膜挿入層１９Ａの挿入によって，ＴＭＲ効果低下を招く現象の防止を期待できる。
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
磁気抵抗効果膜の具体的な構造や，その他，電極，バイアス印加膜，絶縁膜などの形状や材質に関しては，当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し，同様の効果を得ることができる。
例えば，磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に，素子の上下に磁気シールドを付与することにより，磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
また，本発明の実施形態は，長手磁気記録方式のみならず，垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気記録再生装置についても適用できる。
さらに，本発明の磁気記録再生装置は，特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く，一方，記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
その他，本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を基にして，当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子，磁気ヘッド，磁気記録再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を表す断面図である。 薄膜挿入層を設けていないＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜の内部応力を表す概念図である。 薄膜挿入層を挿入したＣＣＰ−ＣＰＰスピンバルブ膜の内部応力を表す概念図である。 本発明の第１の実施形態において，金属層２２を設けた場合の磁気抵抗効果素子の断面を表す断面図である。 本発明の第１の実施形態において，トップ型の磁気抵抗効果素子の断面を表す断面図である。 本発明の第１の実施形態において，トップ型かつ金属層２２を設けた場合の磁気抵抗効果素子の断面を表す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を表す断面図である。 薄膜挿入層の作製手順の一例を表すフロー図である。 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示す図である。 磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。 アクチュエータアームから先のヘッドジンバルアセンブリーをディスク側から眺めた拡大斜視図である。 本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。 図１７のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係るフリー中に電流狭窄層を有するトンネル磁気抵抗効果素子の断面を表す断面図である。 本発明の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子の断面を表す断面図である。
符号の説明
１０…磁気抵抗効果膜，１１…下電極，１２…下地層，１２ａ…バッファ層，１２ｂ…シード層，１３…ピニング層，１４…ピン層，１４１…下部ピン層，１４２…磁気結合中間層，１４３…上部ピン層，１５…金属層，１６…スペーサ層，１６１…絶縁層，１６２…電流パス，１７…金属層，１８…フリー層，１９…薄膜挿入層，２０…キャップ層，２１…上電極，２２…金属層，２３…金属層，２４…トンネル絶縁層，２５…電流狭窄層，２５１…絶縁層，２５２…電流パス

Claims (5)

  1. 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と，
    磁化方向が外部磁界に対して変化する磁化自由層と，
    前記磁化固着層と磁化自由層との間に設けられたＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、およびＺｎ
    からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む酸化物，窒化物，または酸窒化物
    からなる第１の絶縁層および前記第１の絶縁層を層方向に貫通する第１の電流パスを含み
    圧縮応力を有する非磁性スペーサ層と，
    前記磁化自由層に対して前記非磁性スペーサ層が形成された側とは反対側に配置され，
    Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔａ、およびＺｎからなる群 より選択される少なくとも１種の元素
    を含む酸化物，窒化物，または酸窒化物から選択される１の材料のみからなり圧縮応力を
    有する薄膜挿入層と，
    を具備し、前記磁化自由層の内部応力は、前記非磁性スペーサ層及び前記薄膜挿入層から
    受ける外部応力により圧縮応力となることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 前記薄膜挿入層の膜厚が，０．５ｎｍ以上，２．０ｎｍ以下であることを特徴とする請
    求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記薄膜挿入層と前記磁化自由層との間に，Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｕ，およびＡｇからなる群
    より選択される少なくとも１種の元素を含む金属層を有することを特徴とする請求項１又
    は２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする
    磁気ヘッド。
  5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする
    磁気記録再生装置。
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