JP4991920B2 - 磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
磁気抵抗効果素子の品質を向上させる上で、ＭＲ変化率を増大させることが重要である。ＭＲ変化率を増大させる目的で、磁気抵抗効果素子の構成の改変やスペーサ層の材料の選択等が行われている。例えば、強磁性層の層中あるいは、これらと非磁性スペーサ層との界面に、酸化物あるいは窒化物からなる薄膜のスピンフィルター層（Ｓｐｉｎ Ｆｉｌｔｅｒ：ＳＦ）を挿入した磁気抵抗効果素子が提案されている。このＳＦ層は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れか一方の通電を阻害するスピンフィルター効果を有するために、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｒｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）変化率を増大させることができる。このように、磁気抵抗効果素子に対して様々な改良がなされているものの、更なるＭＲ変化率の増大が求められている。
特開２００４−６５８９号公報 特開２００７−２１４３３３号公報
本発明の目的は、ＭＲ変化率の高い磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することにある。
実施形態によれば、キャップ層と、磁化固着層と、前記キャップ層と前記磁化固着層との間に設けられた磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたスペーサ層と、前記磁化固着層中、前記磁化固着層と前記スペーサ層との間、前記スペーサ層と前記磁化自由層との間、前記磁化自由層中、および前記磁化自由層と前記キャップ層との間の何れかに設けられ、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される少なくとも１つの元素並びにＦｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物を有する機能層と、を備えた積層体と、前記積層体の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを備えた磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記機能層の母材料から成る膜を成膜し、前記膜に、酸素の分子、イオン、プラズマおよびラジカルから成る群から選択される少なくとも１つを含むガスを用いた酸化処理を施し、前記酸化処理が施された膜に対して、４０Ｗ以上１００Ｗ以下の高周波バイアスによって生成される還元性ガスのプラズマを用いた還元処理を施すことを含む磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。
実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示すフローチャート。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 第１の変形例に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 第２の変形例に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 第３の変形例に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 第４の変形例に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 第５の変形例に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 第６の変形例に係る磁気抵抗効果素子を示す図。 実施形態に係る磁気ヘッドを示す図。 実施形態に係る磁気ヘッドを示す図。 実施形態に係る磁気記録再生装置を示す図。 実施形態に係るヘッドスライダを示す図。 実施形態に係るヘッドスタックアッセンブリを示す図。 磁気抵抗効果素子の断面を示す図。 磁気抵抗効果素子の各層に含まれる元素を示す図。 機能層のＸ線回析測定の結果を示す図。
以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。また、以下説明する図面において、符号が一致するものは、同様のものを示しており、重複した説明は省略する。
実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ膜を含むＣＰＰ−ＧＭＲ(Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ Ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ)素子またはＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌｉｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｔａｎｃｅ）素子を想定している。スピンバルブ膜とは、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積層膜であり、抵抗変化を生ずる積層膜構造部位はスピン依存散乱ユニットとも呼ばれる。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。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子では、スピンバルブ膜面に対して垂直方向から電流を流す。
［製造方法］
実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の製造方法について説明する。
図１は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示すフローチャートである。図１のフローチャートでは、特に機能層２１を形成する工程の詳細が示されている。実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、各層を順次成膜することで製造することができる。特に機能層２１の形成は、第１工程Ｓ１１０、第２工程Ｓ１２０および第３工程Ｓ１３０を含む。第１工程Ｓ１１０では機能層の母材料から成る膜を成膜し、第２工程Ｓ１２０では当該膜に、酸素の分子、イオン、プラズマおよびラジカルから成る群から選択される少なくとも１つを含むガスを用いた酸化処理を施し、および第３工程では酸化処理が施された膜に対して還元性ガスを用いた還元処理を施す。これに対し、従来の製造方法では、膜の形成および酸化処理が行われるのみであり、還元処理は行われない。
なお、実施形態に係る製造方法では、各層の形成方法として、ＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、およびＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。
以下に、製造方法全体の詳細を説明する。例として、図２に示される実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
最初に、基板上に下電極１１を微細加工プロセスによって形成する。次に、下電極１１上に、下地層１２として例えばＴａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］を形成する。Ｔａは下電極１１の荒れを緩和等するためのバッファ層に相当する。Ｒｕはその上に形成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に相当する。
その後、下地層１２上にピニング層１３を形成する。ピニング層１３の材料としては、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、又はＲｕＲｈＭｎ等の反強磁性材料を用いることができる。
その後、ピニング層１３上にピン層１４を形成する。ピン層１４は、例えば、下部ピン層１４１（Ｃｏ７５Ｆｅ２５［３．２ｎｍ］）、磁気結合層１４２（Ｒｕ）、および上部ピン層１４３（Ｃｏ５０Ｆｅ５０［３ｎｍ］）からなるシンセティックピン層とすることができる。
その後、ピン層１４上にスペーサ層１６を形成する。スペーサ層１６として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕから選択される少なくとも１つの元素を含む非磁性金属層やＣＣＰスペーサ層、トンネル絶縁スペーサ層が形成される。
その後、スペーサ層１６上に機能層２１を形成する。
具体的には、まず、第１工程Ｓ１１０として、上部ピン層１４３上にＦｅ５０Ｃｏ５０とＺｎの金属層を成膜する。ここで、Ｆｅ５０Ｃｏ５０とＺｎの金属層は、Ｆｅ５０Ｃｏ５０／ＺｎやＺｎ／Ｆｅ５０Ｃｏ５０や（Ｆｅ５０Ｃｏ５０／Ｚｎ）×２のようなＦｅ５０Ｃｏ５０層とＺｎ層の積層体としても良いし、Ｚｎ５０（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）５０のような合金の単層としてもよい。第１工程Ｓ１１０として、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される少なくとも１つの元素並びにＦｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１つの元素を含む金属層を成膜することができる。
次に、第２工程Ｓ１２０として、ＺｎとＦｅ５０Ｃｏ５０を含む金属材料に酸化処理を施す。この酸化処理は、希ガスなどのイオンビームまたはプラズマを金属材料層に照射しながら、酸素を供給して行う、イオンアシスト酸化（ＩＡＯ：Ｉｏｎ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を用いることができる。また、上記のイオンアシスト酸化処理において、酸素ガスをイオン化またはプラズマ化してもよい。イオンビームの照射による金属材料層へのエネルギーアシストにより、安定で均一な酸化物層を機能層２１として形成することができる。また、一層の機能層２１を形成するに当たり、上述した金属材料層の形成と酸化処理を数回繰り返して行ってもよい。この場合、所定の膜厚の機能層２１を一度の成膜および酸化処理で作製するのではなく、膜厚を分割して薄い膜厚の金属材料層に酸化処理を行うほうが好ましい。また、ＺｎとＦｅ５０Ｃｏ５０を含む金属材料層を酸素雰囲気に晒す自然酸化を用いてもよい。ただし、安定な酸化物を形成するためには、エネルギーアシストを用いた酸化方法のほうが好ましい。また、ＺｎとＦｅ５０Ｃｏ５０の金属材料を積層体とした場合は、均一に混合されたＺｎとＦｅ５０Ｃｏ５０の機能層２１を形成する上で、イオンビームの照射を行いながら酸化したほうが好ましい。
希ガスなどのイオンビームまたはプラズマを用いる場合、当該希ガスは、例えば、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオンおよびクリプトンから成る群から選択される少なくとも１つを含むガスを使用することができる。
なお、エネルギーアシストの方法として、イオンビームの照射以外に加熱処理などを行ってもよい。この場合、たとえば、金属材料層を成膜後に１００℃〜３００℃の温度で加熱しながら、酸素を供給してもよい。
以下、機能層２１を形成する酸化処理において、イオンビームアシスト酸化処理を行った場合のビーム条件について説明する。酸化処理により、機能層２１を形成する際に前述した希ガスをイオン化またはプラズマ化して照射する場合、その加速電圧Ｖを３０Ｖ〜１３０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ〜２００ｍＡに設定することが好ましい。これらの条件は、イオンビームエッチングを行う場合の条件と比較すると著しく弱い条件である。イオンビームの換わりにＲＦプラズマなどのプラズマを用いても同様に機能層２１を形成することができる。イオンビームの入射角度は、膜面に対して垂直に入射する場合を０°、膜面に平行に入射する場合を９０°と定義して、０°〜８０°の範囲で適宜変更する。この工程による処理時間は１５秒〜１２００秒が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長すぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が劣るため好ましくない。これらの観点から、処理時間は３０秒から６００秒が好ましい。
イオン又はプラズマを用いた酸化処理の場合、酸素暴露量はＩＡＯの場合には１×１０３〜１×１０４Ｌ（Ｌａｎｇｍｉｕｒ、１Ｌ＝１×１０−６Ｔｏｒｒ×ｓｅｃ）が好ましい。自然酸化の場合には３×１０３Ｌ〜３×１０４Ｌが好ましい。
次に、第３工程として、還元性ガスを用いた還元処理を行う。還元性ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトンまたはキセノンのイオン、プラズマまたはラジカル、または水素または窒素の分子、イオン、プラズマまたはラジカルの少なくとも何れかを含むガスを使用することができる。特に還元性ガスとして、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトンまたはキセノンのイオンまたはプラズマ、または水素または窒素のイオンまたはプラズマの少なくとも何れかを含むガスを使用することが好ましい。さらに、還元性ガスとしては、アルゴンのイオンまたはプラズマの少なくとも何れかを含むガスを使用することが好ましい。
この還元処理によって、酸化処理後の母材料から成る膜の酸化価数を調整することができる。例えば、機能層としてＺｎおよびＦｅ５０Ｃｏ５０を含む酸化物を使用する場合、酸化処理を終えた後のＺｎ−Ｆｅ酸化物機能層は、（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）３Ｏ４、α−（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）２Ｏ３、γ−（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）２Ｏ３等の様々な結晶構造のＺｎ−Ｆｅ酸化物の混合酸化物となっている。ここで、（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）３Ｏ４は導電体であり、低い抵抗率を得る観点で望ましい酸化物であるものの、α−（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）２Ｏ３およびγ−（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）２Ｏ３は絶縁性の酸化物であるため、これらの存在は機能層の抵抗率の増大を招く。実施形態に係る製造方法では、第３工程として機能層に対して還元性ガスを用いた還元処理を行い、α−（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）２Ｏ３、γ−（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）２Ｏ３等の価数を還元して（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｎ）３Ｏ４に変換することにより、低い抵抗率のスピンフィルタリング層を提供し、スピンフリップの発生を抑えてスピンフィルタリング効果による高いＭＲ変化率を実現することができる。
第３工程において、還元処理は、酸化処理後の母材料から成る膜を加熱しながら行うことができる。例えば、１００℃から３００℃に加熱した母材料に対して還元処理を行うことができる。加熱することで、より効率的に還元処理を行うことができる。
第３工程後において、さらに第４工程として、還元処理後の膜に対して、アルゴンイオンの照射、アルゴンプラズマの照射および加熱から成る群から選択される少なくとも１つの水分除去処理を施すことができる。これによって、還元処理の際に生成する水分を除去することができる。
また、機能層２１の作製において、第１工程から第４工程までを終えた後、第３工程と第４工程とを再度繰り返すことができる。生成した水の除去と還元処理とを交互に繰り返すことで、より効率的に膜を還元することができる。
さらに、十分に還元したい場合または膜厚が大きい場合等において、良好な還元を実現する目的で、特定の工程を複数回繰り返すこともできる。例えば、第１工程、第２工程、第３工程および第４工程を複数回繰り返すことができる。この場合、膜の形成、酸化処理、還元処理および水の除去から成る一連の処理が複数回繰り返される。または、第１工程、第２工程および第３工程を複数回繰り返すことができる。この場合、膜の形成、酸化処理および還元処理から成る一連の処理が複数回繰り返され、第４の工程を行う場合には、最後に水の除去工程が行われる。あるいは、第１工程および第２工程を複数回繰り返すことができる。この場合、成膜および酸化処理が交互に行われた後、還元処理（および、任意に水の除去）が行われる。このように、所定の膜厚の機能層２１を一度の成膜および酸化還元処理によって作製するのではなく、膜厚を分割して、その膜厚ずつ成膜および酸化還元処理を行うことが好ましい。
このような還元処理について、特にＡｒイオンビーム照射を行った場合のビーム条件を以下に説明する。還元処理により、機能層２１を形成する際に前述した希ガスをイオン化またはプラズマ化して照射する場合、その加速電圧Ｖを３０Ｖ〜１３０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ〜２００ｍＡに設定することが好ましい。これらの条件は、イオンビームエッチングを行う場合の条件と比較すると著しく弱い条件である。イオンビームの換わりにＲＦプラズマなどのプラズマを用いても同様に機能層２１を形成することができる。イオンビームの入射角度は、膜面に対して垂直に入射する場合を０°、膜面に平行に入射する場合を９０°と定義して、０°〜８０°の範囲で適宜変更する。この工程による処理時間は１５秒〜１２００秒が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長すぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が劣るため好ましくない。これらの観点から、処理時間は３０秒から６００秒が好ましい。
その後、機能層２１上にフリー層１８を形成する。フリー層１８としては、例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｎｉ８５Ｆｅ１５［３．５ｎｍ］を形成する。
その後、フリー層１８上にキャップ層１９を形成する。キャップ層１９としては、例えば、Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］を形成する。
その後、アニール処理を行う。
最後に、キャップ層１９上に磁気抵抗効果素子１０へ垂直通電するための上電極２０を形成する。
［磁気抵抗効果素子］
（実施形態）
図２は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の構成を示す図である。
実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、磁気抵抗効果素子１０を酸化等の劣化から防止するキャップ層１９と、磁化が固着された磁化固着層（以下、ピン層と呼ぶ）１４と、キャップ層１９とピン層１４との間に設けられた磁化が自由に回転する磁化自由層（以下、フリー層と呼ぶ）１８と、ピン層１４とフリー層１８との間に設けられた非磁性体からなるスペーサ層１６と、スペーサ層１６とフリー層１８との間に設けられ、少なくともＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの何れか１つの元素、並びに少なくともＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１つの元素を混合した酸化物を含む機能層２１と、を備える。ここで、キャップ層１９、フリー層１８、機能層２１、スペーサ層１６、及びピン層１４を含む構成要素が積層されたものを積層体と定義する。
また、磁気抵抗効果素子１０は、積層体の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極（下電極１１および上電極２０）を備える。これらの電極は、それぞれ積層体の最も外側の層に接触しており、スペーサ層１６を基準として、ピン層１４側に位置する電極を下電極１１と称し、フリー層１８側に位置する電極を上電極２０と称する。さらに、磁気抵抗効果素子１０は、下電極１１とピン層１４との間に設けられ、ピン層１４の磁化方向を固着するための反強磁性体からなるピニング層１３、およびピニング層１３と下電極１１との間に設けられた下地層１２を備える。
下電極１１および上電極２０は、磁気抵抗効果素子１０の膜面に対して垂直方向に電流を流す。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、磁気抵抗効果素子１０の内部を膜面垂直方向に沿って電流が流れる。
この電流が流れることで、磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することができ、磁気の検知が可能となる。下電極１１および上電極２０としては、電流を磁気抵抗効果素子１０に流すために、電気抵抗が比較的小さいＣｕ、Ａｕ等が用いられる。
下地層１２は、例えば、バッファ層およびシード層が積層した構成をとる。ここで、バッファ層は下電極１１側に位置し、シード層はピニング層１３側に位置する。
バッファ層は下電極１１の表面の荒れを緩和し、バッファ層上に積層される層の結晶性を改善する。バッファ層としては、例えばＴａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ又はこれらの合金を用いることができる。バッファ層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以上５ｎｍ以下がより好ましい。バッファ層の厚さが薄すぎるとバッファ効果が失われる。一方、バッファ層の厚さが厚すぎるとＭＲ変化率に寄与しない直列抵抗を増大させることになる。なお、バッファ層上に形成されるシード層がバッファ効果を有する場合には、バッファ層を必ずしも設ける必要はない。好ましい一例として、Ｔａを３ｎｍ形成することができる。
シード層は、シード層上に積層される層の結晶配位向及び結晶粒径を制御する。シード層としては、ｆｃｃ構造（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：面心立方格子構造）、ｈｃｐ構造（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：六方最密格子構造）またはｂｃｃ構造（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：体心立方格子構造）を有する金属等が好ましい。
例えば、シード層として、ｈｃｐ構造を有するＲｕまたはｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅを用いることにより、その上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。また、ピニング層１３がＩｒＭｎの場合には良好なｆｃｃ（１１１）配向が実現され、ピニング層１３がＰｔＭｎの場合には規則化したｆｃｔ（１１１）構造（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：面心正方構造）が得られる。また、フリー層１８及びピン層１４としてｆｃｃ金属を用いたときには良好なｆｃｃ（１１１）配向を実現でき、フリー層１８及びピン層１４としてｂｃｃ金属を用いたときには、良好なｂｃｃ（１１０）配向とすることができる。結晶配向を向上させるシード層としての機能を十分発揮するために、シード層の膜厚としては、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下がより好ましい。好ましい一例として、Ｒｕを２ｎｍ形成することができる。
他にも、シード層として、Ｒｕの代わりに、ＮｉＦｅベースの合金（例えば、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝９０％〜５０％、好ましくは７５％〜８５％）や、ＮｉＦｅに第３元素Ｘを添加して非磁性にした（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ））を用いることもできる。ＮｉＦｅベースのシード層では、良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり、ロッキングカーブの半値幅を３°〜５°とすることができる。
シード層には、結晶配向を向上させる機能だけでなく、スピンバルブ膜の結晶粒径を制御する機能もある。具体的には、スピンバルブ膜の結晶粒径を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下に制御することができ、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、特性のばらつきを招くことなく高いＭＲ変化率を実現できる。
なお、シード層の結晶粒径を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下にすることで、結晶粒界による電子乱反射及び非弾性散乱サイトが少なくなる。このサイズの結晶粒径を得るには、Ｒｕを２ｎｍ形成する。また、（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＺｙ（Ｚ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ））の場合には、第３元素Ｘの組成ｙを０％〜３０％程度として（ｙが０の場合も含む）、２ｎｍ形成することが好ましい。
スピンバルブ膜の結晶粒径は、シード層とスペーサ層１６との間に配置された層の結晶粒の粒径によって判別できる（例えば、断面ＴＥＭなどによって決定できる）。例えば、ピン層１４がスペーサ層１６よりも下層に位置するボトム型スピンバルブ膜の場合には、シード層の上に形成されるピニング層１３（反強磁性層）や、ピン層１４（磁化固着層）の結晶粒径によって判別することができる。
ピニング層１３は、その上に形成されるピン層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、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、又はＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。この内、高記録密度対応のヘッドの材料として、ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは、ＰｔＭｎよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ、高密度記録の為に必要な狭ギャップ化に適している。
十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層１３の膜厚を適切に設定する。ピニング層１３の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、膜厚として、８ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎの場合には、ＰｔＭｎなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与可能であり、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。好ましい一例として、Ｉｒ２２Ｍｎ７８を７ｎｍ形成することができる。
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層も用いることができる。ハード磁性層として、例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０％〜８５％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０％〜８５％、ｙ＝０％〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０％〜６０％）を用いることができる。ハード磁性層（特に、ＣｏＰｔ）は比抵抗が比較的小さいため、直列抵抗および面積抵抗ＲＡ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ａｒｅａ）の増大を抑制できる。
ここで、面積抵抗ＲＡとは、磁気抵抗効果素子１０の積層膜の積層方向に対して垂直な断面積と磁気抵抗効果素子１０の積層膜の膜面に垂直に電流を流したときに一対の電極から得られる抵抗との積を示す。
スピンバルブ膜やピニング層１３の結晶配向性は、Ｘ線回折により測定できる。スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、ピニング層１３（ＰｔＭｎ）のｆｃｔ（１１１）ピークまたはｂｃｃ（１１０）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５°〜６°として、良好な配向性を得ることができる。なお、この配向の分散角は断面ＴＥＭを用いた回折スポットからも判別することができる。
ピン層１４は、ピニング層１３側から下部ピン層１４１、磁気結合層１４２、及び上部ピン層１４３をこの順に積層した構成をとる。
ピニング層１３と下部ピン層１４１は一方向異方性（Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を持つように交換磁気結合している。磁気結合層１４２を挟む下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３は、磁化の向きが互いに反平行になるように強く結合している。
下部ピン層１４１の材料としては、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。また、下部ピン層１４１の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの単元素やこれらの合金を用いることもできる。または、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸ合金（ｘ＝０％〜１００％、ｘ＝０％〜３０％）を用いることもできる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸのようなアモルファス合金を用いた場合、磁気抵抗効果素子の素子サイズが小さくなった場合に素子間のバラツキを抑える観点で好ましい。
下部ピン層１４１の膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。ピニング層１３による一方向異方性磁界強度および磁気結合層１４２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を強く保つためである。
また、下部ピン層１４１が薄すぎると、ＭＲ変化率に影響を与える上部ピン層１４３も薄くしなければならなくなるため、ＭＲ変化率が小さくなる。一方、下部ピン層１４１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。
また、下部ピン層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ（Ｂｓ・ｔ積））を考慮する場合、上部ピン層１４３の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり、上部ピン層１４３の磁気膜厚と下部ピン層１４１の磁気膜厚とが対応することが好ましい。
例えば、上部ピン層１４３がＦｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］の場合、薄膜でのＦｅ５０Ｃｏ５０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。Ｃｏ７５Ｆｅ２５の飽和磁化が約２．１Ｔ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／２．１Ｔ＝３．１５ｎｍとなる。したがって、この場合、下部ピン層１４１の膜厚は約３．２ｎｍのＣｏ７５Ｆｅ２５を用いることが好ましい。
ここで、‘／’は‘／’の左側に記載されたものから順に積層していることを示し、Ａｕ／Ｃｕ／Ｒｕと記載された場合、Ａｕ層上にＣｕ層を積層し、Ｃｕ層上にＲｕ層を積層していることを示す。また、‘×２’とは、２層であることを示し、（Ａｕ／Ｃｕ）×２と記載された場合、Ａｕ層上にＣｕ層を積層し、Ｃｕ層上にさらにＡｕ層、Ｃｕ層と順次積層していることを示す。また、‘［ ］’はその材料の膜厚を示す。
磁気結合層１４２は、磁気結合層１４２を挟む下部ピン層１４１及び上部ピン層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。磁気結合層１４２として、Ｒｕを用いることができ、磁気結合層１４２の膜厚は０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下であることが好ましい。なお、磁気結合層１４２を挟む下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３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。磁気結合層１４２の膜厚は、ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）結合の２ｎｄピークに対応する膜厚０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下の代わりに、ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する膜厚０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下を用いることもできる。ここでは、より高信頼性の結合を安定して特性が得られる、膜厚が０．９ｎｍのＲｕが一例として挙げられる。
上部ピン層１４３は、ＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層であり、大きなＭＲ変化率を得るために、この構成材料、膜厚の双方が重要である。
上部ピン層１４３としては、Ｆｅ５０Ｃｏ５０を用いることができる。Ｆｅ５０Ｃｏ５０は、ｂｃｃ構造を有する磁性材料である。この材料は、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、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。そのなかでも、諸特性をすべて満たしたＦｅ４０Ｃｏ６０〜Ｆｅ８０Ｃｏ２０が使いやすい材料の一例である。
上部ピン層１４３が、高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ている場合には、この磁性層の全膜厚が１．５ｎｍ以上であることが好ましい。ｂｃｃ構造を安定に保つためである。スピンバルブ膜に用いられる金属材料は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ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。
また、上部ピン層１４３の材料として、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸ合金（ｘ＝０％〜１００％、ｘ＝０％〜３０％）を用いることもできる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸのようなアモルファス合金を用いた場合、磁気抵抗効果素子の素子サイズが小さくなった場合に懸念される結晶粒に起因した素子間のバラツキを抑える観点で好ましい。また、このようなアモルファス合金を用いた場合、上部ピン層１４３を平坦な膜にすることができるため、上部ピン層１４３の上に形成されるトンネル絶縁層を平坦化する効果がある。トンネル絶縁層の平坦化は、トンネル絶縁層の欠陥の頻度を減らすことができるため、低い面積抵抗で高いＭＲ変化率を得るために重要である。特に、トンネル絶縁層材料としてＭｇＯを用いる場合、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸのようなアモルファス合金を用いることでその上に形成されるＭｇＯ層の（１００）配向性を強めることができる。ＭｇＯ層の（１００）配向性は高いＭＲ変化率を得るために重要である。また、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸ合金はアニール時にＭｇＯ（１００）面をテンプレートとして結晶化するため、ＭｇＯと（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸ合金の良好な結晶整合を得ることが出来る。このような良好な結晶整合は高いＭＲ変化率を得る観点で重要である。
上部ピン層１４３の膜厚は、厚いほうが大きなＭＲ変化率を得やすいが、大きなピン固着磁界を得るためには薄いほうが好ましく、トレードオフの関係が存在する。例えば、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いたときには、ｂｃｃ構造を安定にする必要があるため、１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。また、ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金層を用いるときにも、大きなＭＲ変化率を得るため、やはり１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。一方、大きなピン固着磁界を得るためには、上部ピン層１４３の膜厚が最大でも、５ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以下であることがより好ましい。以上のように、上部ピン層１４３の膜厚は、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、２．０ｎｍ以上４ｎｍ以下がより好ましい。
上部ピン層１４３には、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに、従来の磁気抵抗効果素子で広く用いられているｆｃｃ構造を有するＣｏ９０Ｆｅ１０合金や、ｈｃｐ構造をもつＣｏや、Ｃｏ合金を用いることができる。上部ピン層１４３として、Ｃｏ、Ｆｅ、又はＮｉなどの単体金属、若しくはこれらのいずれか一つの元素を含む合金材料を用いることができる。上部ピン層１４３の磁性材料として、大きなＭＲ変化率を得るのに有利なものは、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ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組成である。
また、上部ピン層１４３として、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌなどのホイスラー磁性合金層を用いることも可能である。
スペーサ層１６は、ピン層１４とフリー層１８との磁気的な結合を分断する。スペーサ層１６は、非磁性金属層やＣＣＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｃｏｎｆｉｎｅｄ−ｔｏ−ｐａｔｈ）スペーサ層やトンネル絶縁スペーサ層を用いることができる。
スペーサ層１６として、非磁性金属層を用いる場合は、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのいずれかの元素を用いることができる。また、スペーサ層１６の膜厚は０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。
スペーサ層１６にＣＣＰスペーサ層を用いる場合を、図３を用いて説明する。図３（ａ）に示されるようにＣＣＰスペーサ層は、下部金属層１５、電流狭窄層２３および上部金属層１７から成る。さらに、図３（ｂ）に示されるように、電流狭窄層２３は、絶縁層２５および電流パス２４から成る。電流パス２４は電流を通過させることができる。
下部金属層１５は、電流パス２４の形成に用いられ、電流パス２４の供給源である。下部金属層１５は、その上部の絶縁層２５を形成するときに、下部に位置する上部ピン層１４３の酸化を抑制するストッパ層としての機能も有する。
電流パス２４の構成材料がＣｕの場合には、下部金属層１５の構成材料も同一（Ｃｕ）であることが好ましい。電流パス２４の構成材料を磁性材料とする場合には、この磁性材料はピン層１４の磁性材料と同一、別種のいずれでも構わない。電流パス２４の構成材料として、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇなどを用いても良い。
絶縁層２５は、酸化物、窒化物、酸窒化物等から構成される。スペーサ層としての機能を発揮するために、絶縁層２５の厚さは、１ｎｍ〜３ｎｍが好ましく、１．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲がより好ましい。
絶縁層２５に用いられる典型的な材料としては、Ａｌ２Ｏ３およびこれに添加元素を加えたものが挙げられる。例として、膜厚約２ｎｍのＡｌ２Ｏ３を用いることができる。添加元素としては、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃなどがある。これらの添加元素の添加量は０〜５０％程度の範囲で適宜帰ることができる。
絶縁層２５には、Ａｌ２Ｏ３のようなＡｌ酸化物の変わりに、Ｍｇ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｖ酸化物なども用いることができる。これらの酸化物に対しても上述した添加元素を用いることができる。添加元素の添加量は０〜５０％程度の範囲で適宜変えることができる。
絶縁層２５として、酸化物の変わりに、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃをベースとする窒化物または酸窒化物を用いても良い。
電流パス２４は、電流狭窄層２３の膜面垂直に電流を流すパス（経路）であり、電流を狭窄するためのものである。絶縁層２５の膜面垂直方向に電流を通過させる導電体として機能し、例えば、Ｃｕ等の金属層から構成できる。即ち、電流狭窄層２３では、電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有し、電流狭窄効果によりＭＲ変化率を増大可能である。電流パス２４（ＣＣＰ）を形成する材料は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはこれらの元素を少なくとも１つ含む合金層を用いることができる。一例として、電流パス２４を、Ｃｕを含む合金層で形成することができる。ＣｕＮｉ、ＣｕＣｏ、ＣｕＦｅなどの合金層も用いることができる。ここで、５０％以上のＣｕを有する組成とすることが、高ＭＲ変化率と、ピン層１４とフリー層１８の層間結合磁界（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｉｅｌｄ、 Ｈｉｎ）を小さくするためには好ましい。
電流パス２４は絶縁層２５と比べて著しく酸素および窒素の含有量が少ない領域であり（少なくとも２倍以上の酸素または窒素の含有量の差がある）、結晶相である。結晶相は非結晶相よりも抵抗が小さいため、電流パス２４として機能しやすい。
上部金属層１７は、電流狭窄層２３を構成する酸素および窒素がフリー層１８中に拡散することを抑制するためのバリア層、およびフリー層１８の良好な結晶成長を促進するためのシード層として機能する。具体的には、上部金属層１７は、その上に成膜されるフリー層１８が、電流狭窄層２３の酸化物、窒化物および酸窒化物に接して酸化および窒化されないように保護する。即ち、上部金属層１７は、電流パス２４の酸化物層中の酸素とフリー層１８との直接的な接触を制限する。また、上部金属層１７は、フリー層１８の結晶性を良好にし、例えば、絶縁層２５の材料がアモルファス（例えば、Ａｌ２Ｏ３）の場合には、その上に成膜される金属層の結晶性が悪くなるが、結晶性を良好にする極薄のシード層（例えば、Ｃｕ層）を配置することで、フリー層１８の結晶性を著しく改善することが可能となる。
上部金属層１７の材料は、電流狭窄層２３の電流パス２４の材料（例えば、Ｃｕ）と同一であることが好ましい。上部金属層１７の材料が電流パス２４の材料と異なる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ためである。なお、電流パス２４の構成材料を磁性材料とする場合には、この磁性材料はフリー層１８の磁性材料と同一、別種のいずれでも構わない。上部金属層１７の構成材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
スペーサ層にトンネル絶縁スペーサ層を用いる場合、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＺｎから選択される少なくとも１つの元素を含む非磁性酸化物とすることができる。特に、ＭｇＯはコヒーレントなスピン依存トンネリング現象を示すため、高いＭＲ変化率を得る観点で好ましい。また、トンネル絶縁スペーサ層１６の膜厚は１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。
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。例えば、界面にＣｏＦｅを形成してＮｉＦｅを用いたＣｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］という二層構成を用いることができる。なお、ＮｉＦｅ層を用いない場合には、Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］単層を用いることができる。また、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどの三層構成からなるフリー層１８を用いても構わない。
フリー層１８には、ＣｏＦｅ合金のなかでも、軟磁気特性が安定であることから、Ｃｏ９０Ｆｅ１０が好ましい。Ｃｏ９０Ｆｅ１０近傍のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることが好ましい。その他、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０％〜９０％）も用いることができる。
また、フリー層１８として、１ｎｍ以上２ｎｍ以下のＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の極薄Ｃｕ層とを複数層交互に積層したものを用いてもよい。
また、フリー層１８の一部として、ＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス磁性層を用いても構わない。ただし、アモルファス磁性層を用いる場合でも、ＭＲ変化率に大きな影響を与えるスペーサ層１６と接する界面は結晶構造を有する磁性層を用いることが必要である。フリー層１８の構造としては、スペーサ層１６側からみて、次のような構成が可能である。即ち、フリー層１８の構造として、（１）結晶層のみ、（２）結晶層／アモルファス層の積層、（３）結晶層／アモルファス層／結晶層の積層、などが考えられる。ここで重要なことは、（１）から（３）のいずれでもスペーサ層１６との界面は必ず結晶層が接することである。
キャップ層１９は、スピンバルブ膜を保護する機能を有する。キャップ層１９は、例えば、複数の金属層、例えば、Ｃｕ層とＲｕ層の２層構造（Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］）とすることができる。また、キャップ層１９として、Ｒｕをフリー層１８側に配置したＲｕ／Ｃｕ層なども用いることができる。この場合、Ｒｕの膜厚は０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下が好ましい。この構成のキャップ層１９は、特に、フリー層１８がＮｉＦｅからなる場合に好ましい。ＲｕはＮｉと非固溶な関係にあるので、フリー層１８とキャップ層１９の間に形成される界面ミキシング層の磁歪を低減できるからである。
キャップ層１９が、Ｃｕ／ＲｕやＲｕ／Ｃｕのいずれの場合も、Ｃｕ層の膜厚は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、Ｒｕ層の膜厚は０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。Ｒｕは比抵抗値が高いため、あまり厚いＲｕ層を用いることは好ましくないため、このような膜厚範囲にしておくことが好ましい。
キャップ層１９として、Ｃｕ層やＲｕ層の代わりに他の金属層を設けてもよい。キャップ層１９の構成は特に限定されず、キャップとしてスピンバルブ膜を保護可能なものであれば、他の材料を用いてもよい。但し、キャップ層の選択によってＭＲ変化率や長期信頼性が変わる場合があるので、注意が必要である。ＣｕやＲｕはこれらの観点からも好ましいキャップ層の材料の例である。
機能層２１は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の透過を制御することができるスピンフィルター効果を有する。機能層２１としては、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの何れか少なくとも１つの元素、並びにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか少なくとも１つの元素を混合した酸化物を含むことを特徴とする。具体的には、Ｆｅ５０Ｃｏ５０とＺｎの混合酸化物を用いることができる。なお、Ｚｎは、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの中でもＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉと同周期であるために、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉとの混合酸化物となった場合に磁性を帯びやすいので、機能層２１の磁化を安定化させることができるので、より好ましい。
これらの材料を用いることで、高いスピンフィルター効果と低い抵抗率の実現によるスピンフリップの低減を両立することができているため、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ変化率を向上させることができる。
ここで、低い抵抗率のスピンフィルタリング層を実現するためには、スピンフィルタリング層がＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４などの上記したＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄを含む酸化物材料を含有することが有効である。これらの酸化物材料が低い抵抗率を示す理由の１つとして、次のことが考えられる。これらの酸化物半導体は、３ｅＶ以上のバンドギャップを持つ半導体であるが、化学量論組成から少し還元気味にずれることにより酸素空孔などの真性欠陥がドナー準位を形成するため、伝導電子密度が１０１８ｃｍ−３〜１０１９ｃｍ−３程度まで到達する。これらの導電性酸化物のバンド構造において、価電子帯は主として酸素原子の２ｐ軌道で、伝導帯は金属原子のｓ軌道で構成されている。キャリア密度フェルミ準位が１０１８ｃｍ−３よりも増えると伝導帯に達し、縮退と呼ばれる状態になる。このような酸化物半導体はｎ型の縮退半導体と呼ばれ、伝導電子の十分な濃度と移動度を併せ持ち、低い抵抗率を実現する。なお、このような理論に当てはまらないものであっても、低い抵抗率を示すものであれば、そのような酸化物材料を使用することができる。
一方、高いスピンフィルター効果を有するスピンフィルタリング層を実現するためには、スピンフィルタリング層が室温で磁性を有するＣｏ、Ｆｅ、及びＮｉの酸化物を含有することが有効である。低い抵抗率を実現するのに有効なＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄを含む酸化物材料はバルクの特性として磁性を有していない。フリー層やピン層に極薄の酸化物層を挿入した場合、磁性を有していない酸化物材料も磁性を発現してスピンフィルター効果が得られることが特開２００４−６５８９号に開示されているが、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉの酸化物を含有したほうが酸化物層の膜厚の制限に縛られずに容易に磁性を発現して高いスピンフィルター効果が得られる。
また、機能層２１にさらに添加元素を加えても良い。Ｚｎ酸化物に添加元素としてＡｌを加えた場合、熱耐性があがることが報告されている。Ａｌのほかにも、添加元素としては、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳｎ等があげられる。耐熱性が向上するメカニズムは完全に明らかとはなっていないが、化学量論組成から還元気味にずれたことにより形成されるＺｎ酸化物中の酸素空孔の密度が、熱による再酸化の促進により減少して、キャリア密度が変わることが起因していると考えられる。他にも耐熱性が向上する理由として、上記したこれらの元素はＩＩＩ族、またはＩＶ族のドーパントにあたり、これらのドーパントは熱によるＺｎ原子の再酸化の促進を防ぐために、機能層２１中のキャリア密度の変化を抑えることができ、さらには熱に対する抵抗率の変化が抑えられるということが挙げられる。
機能層２１の膜厚は、十分なスピンフィルタリング効果を得るためには０．５ｎｍ以上とすることが好ましい。また、より均一な機能層２１を得るためには、製造上の装置の依存性を考慮して、１ｎｍ以上にすることがさらに好ましい。一方、膜厚の上限は再生ヘッドのリードギャップを広げない観点で１０ｎｍ以下とすることが好ましい。
（変形例）
機能層２１を設ける位置は、図２に示される実施形態（すなわちフリー層１８とスペーサ層１６との間）に限定されない。例えば、図４から９に示されるように様々な位置に挿入することができる。各変形例について以下に説明する。
（第１の変形例）
図４は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第１の変形例を示す図である。
第１の変形例は、機能層２１がフリー層１８内に設けられている点で実施形態と異なる。また、フリー層１８は第１のフリー層１８ａと第２のフリー層１８ｂからなる。なお、第１のフリー層１８ａは、スペーサ層１６と機能層２１との間に設けられ、第２のフリー層１８ｂはキャップ層１９と機能層２１との間に設けられている。
フリー層１８内に機能層２１を形成する場合、第１のフリー層１８ａ上に、スペーサ層１６、機能層２１、第２のフリー層１８ｂの順に形成する。
このように、機能層２１をフリー層１８内に機能層２１を設けた場合においても、前述したように機能層２１はスピンフィルタリング効果を発現する。また、機能層２１は、フリー層１８と磁気結合をし、フリー層１８と同様に磁化の方向が自由になるので、フリー層１８の機能を阻害することなく、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ変化率の向上に寄与する。さらに、機能層２１に含まれる酸素がスペーサ層１６に拡散することを少なくすることができるため、スペーサ層１６中に酸素元素が存在した場合に引き起こされるスペーサ層１６中でのスピンフリップの発生を抑制して高いＭＲ変化率を得ることができる。
（第２の変形例）
図５は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第２の変形例を示す図である。
第２の変形例は、機能層２１がフリー層１８とキャップ層１９との間に設けられている点で実施形態と異なる。
このように、機能層２１をフリー層１８とキャップ層１９との間に設けた場合においても、前述したように機能層２１はスピンフィルタリング効果を発現する。また、機能層２１は、酸化物であるので、磁気抵抗効果素子１０を酸化等の劣化から保護することができる。さらに、機能層２１に含まれる酸素がスペーサ層１６に拡散することを少なくすることができるため、スペーサ層１６中に酸素元素が存在した場合に引き起こされるスペーサ層１６中でのスピンフリップの発生を抑制して高いＭＲ変化率を得ることができる。
（第３の変形例）
図６は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第３の変形例を示す図である。
第３の変形例は、機能層２１がピン層１４とスペーサ層１６との間に設けられている点で実施形態と異なる。
このように、機能層２１をピン層１４とスペーサ層１６との間に設けた場合、前述したように機能層２１はスピンフィルタリング効果を発現する。また、機能層２１は、酸化物であるので、スペーサ層１６を構成する材料とピン１４層を構成する材料が混ざることを防ぐことができるので、スペーサ層１６はスピンフリップを抑制させた状態で伝導電子を通過させ、ピン層１４の磁化を安定して固着させることができる。
（第４の変形例）
図７は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第４の変形例を示す図である。
第４の変形例は、機能層２１が上部ピン層１４３内に設けられている点で実施形態と異なる。
このように、機能層２１を上部ピン層１４３内に設けた場合においても、前述したように機能層２１はスピンフィルタリング効果を発現する。また、機能層２１をスペーサ層と接しない位置に配置した場合、機能層２１に含まれる酸素のスペーサ層への拡散が少なくなるため、スペーサ層中に酸素元素が存在した場合に引き起こされるスペーサ層中のスピンフリップを回避して高いＭＲ変化率を得ることができる。
（第５の変形例）
図８は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第５の変形例を示す図である。
第５の変形例は、機能層２１が上部ピン層１４３と磁気結合層１４２との間に設けられている点で実施形態と異なる。
このように、機能層２１を上部ピン層１４３と磁気結合層１４２との間に設けた場合においても、前述したように機能層２１はスピンフィルタリング効果を発現する。また、機能層２１をスペーサ層と接しない位置に配置した場合、機能層２１に含まれる酸素のスペーサ層への拡散が少なくなるため、スペーサ層中に酸素元素が存在した場合に引き起こされるスペーサ層中のスピンフリップを回避して高いＭＲ変化率を得ることができる。
（第６の変形例）
図９は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第６の変形例を示す図である。
第６の変形例は、機能層２１が上部ピン層１４３とスペーサ層１６との間に設けられていることに加えて、更に２つ目の機能層２２がスペーサ層１６とフリー層１８との間に設けられている点で第１の実施形態と異なる。
なお、機能層２１の構成は機能層２２と同様であるので説明は省略する。
このように、機能層２１を上部ピン層１４３とスペーサ層１６との間に設けることに加えて、更に２つ目の機能層２２をスペーサ層１６とフリー層１８との間に設けることで、２つの機能層のスピンフィルタリング効果の足し合わせた効果を得ることができるので１層の機能層を用いた場合に比べて高いＭＲ変化率を得ることができる。
なお、第１から６の変形例に係る磁気抵抗効果素子１０は、実施形態で説明した磁気抵抗効果素子１０と同様の製造方法にて製造することができるため、第１から６の変形例の製造方法についての説明は省略する。
［磁気ヘッド］
次に、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を用いた磁気ヘッドについて説明する。
図１０および１１は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を組み込んだ磁気ヘッドを示す断面図である。図１０は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面（ＡＢＳ面）に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子１０を切断した断面図である。図１１は、磁気抵抗効果素子１０をＡＢＳ面に対して垂直な方向に切断した断面図である。
図１０および１１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。磁気抵抗効果素子１０の上下には、下電極１１と上電極２０とがそれぞれ設けられている。図１０において、磁気抵抗効果素子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１１に示すように、磁気抵抗効果素子１０のＡＢＳ面には保護層４３が設けられている。
磁気抵抗効果素子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および上電極２０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により、磁気抵抗効果素子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、磁気抵抗効果素子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。
［磁気記録再生装置および磁気ヘッドアセンブリ］
次に、実施形態に係る磁気抵抗効素子１０を用いた磁気記録再生装置および磁気ヘッドアセンブリについて説明する。
図１２は実施形態に係る磁気記録再生装置を示す斜視図である。
図１２に示すように、実施形態に係る磁気記録再生装置３１０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。磁気記録媒体２３０は、スピンドルモータ３３０に設けられ、駆動制御部（図示せず）からの制御信号に応答するモータ（図示せず）により媒体移動方向２７０の方向に回転する。磁気記録再生装置３１０は、複数の磁気記録媒体２３０を備えてもよい。
磁気記録媒体２３０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ２８０は、図１３に示すように、磁気抵抗効果素子１０を備えた磁気ヘッド１４０がヘッドスライダ２８０に設けられる。ヘッドスライダ２８０は、Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＣなどからなり、磁気ディスクなどの磁気記録媒体２３０の上を、浮上又は接触しながら相対的に運動できるように設計されている。
ヘッドスライダ２８０は薄膜状のサスペンション３５０の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ２８０の先端付近には、磁気ヘッド１４０が設けられている。
磁気記録媒体２３０が回転すると、サスペンション３５０により押し付け圧力とヘッドスライダ２８０の媒体対向面（ＡＢＳ）で発生する圧力とがつりあう。ヘッドスライダ２８０の媒体対向面は、磁気記録媒体２３０の表面から所定の浮上量をもって保持される。ヘッドスライダ２８０が磁気記録媒体２３０と接触する「接触走行型」としてもよい。
サスペンション３５０は、駆動コイル（図示せず）を保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム３６０の一端に接続されている。アクチュエータアーム３６０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３７０が設けられている。ボイスコイルモータ３７０は、アクチュエータアーム３６０のボビン部に巻き上げられた駆動コイル（図示せず）と、この駆動コイルを挟み込むように対向して設けられた永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路から構成することができる。
アクチュエータアーム３６０は、軸受部３８０の上下２箇所に設けられたボールベアリング（図示せず）によって保持され、ボイスコイルモータ３７０により回転摺動が自在にできるようになっている。その結果、磁気ヘッド１４０を磁気記録媒体２３０の任意の位置に移動可能となる。
図１４（ａ）は、実施形態に係る磁気記録再生装置３１０の一部を構成するヘッドスタックアセンブリ３９０を示す。
図１４（ｂ）は、ヘッドスタックアセンブリ３９０の一部となる磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ））４００を示す斜視図である。
図１４（ａ）に示すように、ヘッドスタックアセンブリ３９０は、軸受部３８０と、この軸受部３８０から延出したヘッドジンバルアセンブリ４００と、軸受部３８０からヘッドジンバルアセンブリ４００と反対方向に延出しているとともにボイスコイルモータのコイル４１０を支持した支持フレーム４２０を有する。
図１４（ｂ）に示すように、ヘッドジンバルアセンブリ４００は、軸受部３８０から延出したアクチュエータアーム３６０と、アクチュエータアーム３６０から延出したサスペンション３５０とを有する。
サスペンション３５０の先端には、実施形態に係る磁気記録ヘッド１４０を有するヘッドスライダ２８０が設けられている。
実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ））４００は、実施形態に係る磁気記録ヘッド１４０と、磁気記録ヘッド１４０が設けられたヘッドスライダ２８０と、ヘッドスライダ２８０を一端に搭載するサスペンション３５０と、サスペンション３５０の他端に接続されたアクチュエータアーム３６０とを備える。
サスペンション３５０は、信号の書き込み及び読み取り用、浮上量調整のためのヒータ用、ＳＴＯ１０用のリード線（図示せず）を有し、このリード線とヘッドスライダ２８０に組み込まれた磁気記録ヘッド１４０の各電極とが電気的に接続される。電極パッド（図示せず）はヘッドジンバルアセンブリ４００に設けられる。本実施形態では、電極パッドは８個設けられる。主磁極２００のコイル用の電極パッドが２つ、磁気再生素子１９０用の電極パッドが２つ、ＤＦＨ（ダイナミックフライングハイト）用の電極パッドが２つ、ＳＴＯ１０用の電極パッドが２つ設けられている。
信号処理部（図示せず）が、図１２に示す磁気記録再生装置３１０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部は、磁気記録ヘッド１４０を用いて磁気記録媒体２３０への信号の書き込みと読み出しを行う。信号処理部の入出力線は、ヘッドジンバルアセンブリ４００の電極パッドに接続され、磁気記録ヘッド１４０と電気的に結合される。
実施形態に係る磁気記録再生装置３１０は、磁気記録媒体２３０と、磁気記録ヘッド１４０と、磁気記録媒体２３０と磁気記録ヘッド１４０とを離間させ、又は、接触させた状態で対峙させながら相対的に移動可能とした可動部と、磁気記録ヘッド１４０を磁気記録媒体２３０の所定記録位置に位置あわせする位置制御部と、磁気記録ヘッド１４０を用いて磁気記録媒体２３０への書き込みと読み出しを行う信号処理部とを備える。
上記の磁気記録媒体２３０として、磁気記録媒体２３０が用いられる。上記の可動部は、ヘッドスライダ２８０を含むことができる。上記の位置制御部は、ヘッドジンバルアセンブリ４００を含むことができる。
磁気記録再生装置３１０は、磁気記録媒体２３０と、ヘッドジンバルアセンブリ４００と、ヘッドジンバルアセンブリ４００に搭載された磁気記録ヘッド１４０を用いて磁気記録媒体２３０への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部とを備える。
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、磁気記録再生装置および磁気メモリも同様に本発明に係る磁気抵抗効果素子を用いることができる。
実施形態では、ボトム型の磁気抵抗効果素子１０について説明したが、ピン層１４がスペーサ層１６よりも上に形成されたトップ型の磁気抵抗効果素子１０でも実施形態の効果を得ることができる。
（実施例１）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
図２に示されるような磁気抵抗効果素子を製造した。すなわち、機能層２１がスペーサ層１６とフリー層１８との間に設けられた磁気抵抗効果素子を製造した。各層の詳細は以下の通りである。
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
非磁性スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
機能層２１：Ｚｎ−Ｆｅ５０Ｃｏ５０−Ｏ［２ｎｍ］
フリー層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］。
磁気抵抗効果素子を、図１に示される方法にしたがって製造した。特に、機能層２１の製造は次のように行った。第１工程として、機能層２１の母材料としてＦｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｚｎ［０．６ｎｍ］を成膜した。次に、第２工程として、上記のＦｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｚｎ［０．６ｎｍ］層の表面を、イオンビーム酸化（ＩＡＯ）、プラズマ酸化または自然酸化によって、Ｚｎ−Ｆｅ５０Ｃｏ５０−Ｏ［２ｎｍ］に変換した。実施例では、この酸化処理の後に、Ａｒのプラズマ、イオンまたはラジカルを還元性ガスとして用いた還元処理を行った。一方、比較例では、この還元処理を行わなかった。各処理の詳細は表中に示す。
製造した各磁気抵抗効果素子について、ＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡを測定した。ＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡは、直流四端子法によって測定した。
以下の表１−１から１−３に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表１−１には、比較例１−１および実施例１−１から実施例１−３が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらにＡｒのプラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表１−１に示されるとおり、Ａｒによる還元処理まで行った場合は（実施例１−１から１−３）、機能層を設けない場合（ＲＥＦ）および還元処理を行わない場合（比較例１−１）と比較して、高いＭＲ変化率を示した。なお、比較例１−１も、ＲＥＦに比べて高いＭＲ変化率を示した。しかしながら、ＲＥＦに対するＭＲ変化率の上昇の程度は、実施例１−１から１−３の方が大幅に大きかった。
還元処理を行うことでＭＲ変化率を大幅に上昇させることができる理由は、以下の通りと考えられる。実施例に係る機能層の形成と従来の形成との違いは、自然酸化、ＩＡＯまたはプラズマ酸化によって酸化した膜に対して還元性ガスの照射（Ｏｘｇｅｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ：ＯＲＴ）を行う点である。従来の機能層の形成では、ＦｅＣｏＺｎ混合酸化物中に絶縁体価数である３価のα−（ＦｅＣｏＺｎ）２Ｏ３またはγ−（ＦｅＣｏＺｎ）２Ｏ３形成されてしまい、機能層の抵抗率を招いていた。機能層の抵抗の増大は機能層中のスピンフリップの発生を促してしまうため、スピンフィルタリング効果による十分なＭＲ変化率の増大を得ることができない。これに対し、還元性ガスの照射を行うことにより、機能層中のα−（ＦｅＣｏＺｎ）２Ｏ３およびγ−（ＦｅＣｏＺｎ）２Ｏ３を減少させることができ、低い抵抗率のスピンフィルタリング層を形成することが出来る。結果として、実施例のように、スピンフリップの発生率を抑えて、スピンフィルタリング効果による高いＭＲ変化率を有する磁気抵抗効果素子を得ることが出来る。
より詳細な分析のため、比較例１−１および実施例１−１の磁気抵抗効果素子について、断面を撮像し微小構造を調べた。図１５に断面ＴＥＭの分析結果を示す。図１５（ａ）が比較例１−１の断面を示し、図１５（ｂ）が実施例１−１の断面を示す。機能層の膜厚は何れの場合もほぼ１．８ｎｍであった。このことから、Ａｒプラズマの照射による機能層のエッチングは生じていないことがわかる。以上より、機能層の膜厚が変わっていない場合でも、ＯＲＴによるＭＲ変化率の増大が生じることがわかった。
さらに、比較例１−１および実施例１−１の各層に含まれる元素を分析した。図１６にそれぞれの３次元アトムプローブによる分析結果を示す。図１６（ａ）が比較例１−１の結果を示し、図１６（ｂ）が実施例１−１の結果を示す。図１６（ａ）より、比較例１−１の機能層における酸素の含有量は約２０ａｔｏｍ％であることがわかる。一方、図１６（ｂ）より、実施例１−１の機能層における酸素の含有量は約１０ａｔｏｍ％であることがわかる。すなわち、機能層の酸素含有量は、還元処理によって減少していることがわかる。図１５に示した断面ＴＥＭ像より、ＯＲＴによって機能層の膜厚は減少しないことがわかっているため、図１６の３次元アトムプローブの結果とあわせて、ＯＲＴにより機能層の還元が行われていることが確認できた。
さらに、比較例１−１および実施例１−１の機能層の結晶性を評価するために、以下のような機能層を３０回積層したモデル膜を作製しＸ線回折測定を行った。
下地層：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｃｕ［５ｎｍ］
機能層：（Ｚｎ−Ｆｅ５０Ｃｏ５０−Ｏ［２ｎｍ］）×３０層。
上記のモデル膜としての機能層を、表１の比較例１−１および実施例１−１と同様の方法で２通り作製し、比較した。図１７にそれぞれのＸ線回折の測定結果を示す。図１７（ａ）が比較例１−１と同様の製造方法で作製した試料の結果を示し、図１７（ｂ）が実施例１−１と同様の製造方法で作製した試料の結果を示す。図１７より、実施例１−１の２θ＝３６°付近のＺｎ−Ｆｅ５０Ｃｏ５０−Ｏ層に起因するスピネル講造の（３１１）回折ピーク強度が、比較例１−１のそれに比べて約３倍に増大していることが確認できる。この結果より、Ａｒプラズマを用いた還元処理が、機能層２１の酸化価数を調整する効果のみでなく、機能層２１の結晶性を改善する効果があることが確認された。機能層２１の結晶性の改善は、機能層２１中の欠陥の減少をもたらし、電子伝導時のスピンに依存しない散乱を減らすことができるため、高いＭＲ変化率を得る観点で好ましい。
Figure 0004991920
表１−２には、比較例１−１から１−３並びに実施例１−１、１−４および１−５が示される。比較例１−１および実施例１−１はＩＡＯにより酸化処理を行い、比較例１−２および実施例１−４はプラズマ酸化により酸化処理を行い、比較例１−３および実施例１−５は自然酸化により酸化処理を行った。実施例１−１、１−４および１−５については、酸化処理の後、Ａｒプラズマによる還元処理を行った。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表１−２に示されるとおり、酸化処理としてＩＡＯ、プラズマ酸化および自然酸化の何れを行った場合であっても、その後に還元処理を行うことで、ＭＲ変化率を大幅に増大できることがわかる。
Figure 0004991920
表１−３には、比較例１−１並びに実施例１−１および実施例１−６から１−１１が示される。比較例１−１は酸化処理を行った後、還元処理を行わない磁気抵抗効果素子である。実施例１−１および実施例１−６から１−１１は、酸化処理後さらにＡｒプラズマによる還元処理を行って作製した磁気抵抗効果素子であり、それぞれ、プラズマを生成する際の高周波バイアスを１０Ｗから１２０Ｗの間で変えて作製した。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表１−３に示されるとおり、還元処理を行う場合（実施例１−１および実施例１−６から１−１１）は、ＲＥＦおよび比較例１−１に対してＭＲ変化率が増大するが、高周波バイアスを２０Ｗ以上１００Ｗ以下にする場合（実施例１−１および実施例１−７から１−１０）にその増大が顕著であった。特に、高周波バイアスを４０Ｗとした場合（実施例１−１）、最も高いＭＲ変化率を示した。
（実施例２）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、還元処理にはＡｒの代わりにＨｅを使用した。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡを測定した。
以下の表２に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表２には、比較例２−１および実施例２−１から実施例２−３が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらにＨｅのプラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表２に示されるとおり、還元処理に使用する元素をＨｅに代えた場合であっても、実施例２−１から２−３は、ＲＥＦおよび比較例２−１と比較して高いＭＲ変化率を示すことがわかった。
さらに、実施例２−１の製造において酸化処理をプラズマ酸化または自然酸化に代えた磁気抵抗効果素子も製造したが、それらは実施例２−１と同様に高いＭＲ変化率を示した。
（実施例３）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、還元処理にはＡｒの代わりにＮｅを使用した。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡを測定した。
以下の表３に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表３には、比較例３−１および実施例３−１から実施例３−３が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらにＮｅのプラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表３に示されるとおり、還元処理に使用する元素をＮｅに代えた場合であっても、実施例３−１から３−３は、ＲＥＦおよび比較例３−１と比較して高いＭＲ変化率を示すことがわかった。
さらに、実施例３−１の製造において酸化処理をプラズマ酸化または自然酸化に代えた磁気抵抗効果素子も製造したが、それらは実施例３−１と同様に高いＭＲ変化率を示した。
（実施例４）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、還元処理にはＡｒの代わりにＫｒを使用した。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡを測定した。
以下の表４に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表４には、比較例４−１および実施例４−１から実施例４−３が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらにＫｒのプラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表４に示されるとおり、還元処理に使用する元素をＫｒに代えた場合であっても、実施例４−１から４−３は、ＲＥＦおよび比較例４−１と比較して高いＭＲ変化率を示すことがわかった。
さらに、実施例４−１の製造において酸化処理をプラズマ酸化または自然酸化に代えた磁気抵抗効果素子も製造したが、それらは実施例４−１と同様に高いＭＲ変化率を示した。
（実施例５）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、還元処理にはＡｒの代わりにＸｅを使用した。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡを測定した。
以下の表５に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表５には、比較例５−１および実施例５−１から実施例５−３が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらにＸｅのプラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表５に示されるとおり、還元処理に使用する元素をＸｅに代えた場合であっても、実施例５−１から５−３は、ＲＥＦおよび比較例５−１と比較して高いＭＲ変化率を示すことがわかった。
さらに、実施例５−１の製造において酸化処理をプラズマ酸化または自然酸化に代えた磁気抵抗効果素子も製造したが、それらは実施例５−１と同様に高いＭＲ変化率を示した。
（実施例６）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、還元処理にはＡｒの代わりに水素を使用した。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡを測定した。
以下の表６に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表６には、比較例６−１および実施例６−１から実施例６−４が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらに水素の分子、プラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表６に示されるとおり、還元処理に使用する元素を水素に代えた場合であっても、実施例６−１から６−４は、ＲＥＦおよび比較例６−１と比較して高いＭＲ変化率を示すことがわかった。
さらに、実施例６−１の製造において酸化処理をプラズマ酸化または自然酸化に代えた磁気抵抗効果素子も製造したが、それらは実施例６−１と同様に高いＭＲ変化率を示した。
（実施例７）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、還元処理にはＡｒの代わりに窒素を使用した。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および抵抗率を測定した。
以下の表７に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表７には、比較例７−１および実施例７−１から実施例７−４が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらに窒素の分子、プラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表７に示されるとおり、還元処理に使用する元素をＮに代えた場合であっても、実施例７−１から７−４は、ＲＥＦおよび比較例７−１と比較して高いＭＲ変化率を示すことがわかった。
さらに、実施例７−１の製造において酸化処理をプラズマ酸化または自然酸化に代えた磁気抵抗効果素子も製造したが、それらは実施例７−１と同様に高いＭＲ変化率を示した。
（実施例８）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、還元処理にはＡｒの代わりに水素を使用した。さらに、還元処理の後にＡｒガスを用いた水除去工程を行った。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および抵抗率を測定した。
以下の表８に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表８には、比較例８−１および実施例８−１から実施例８−４が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらに水素のプラズマによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。実施例８−２から８−４については、さらにＡｒのイオン、プラズマまたはラジカルによる水除去処理を行った。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表８に示されるとおり、還元処理後に水除去処理を施した場合であっても、実施例８−２から８−４は、ＲＥＦおよび比較例８−１と比較して高いＭＲ変化率を示すことがわかった。
さらに、実施例８−２から８−４は水除去処理を行っていない実施例８−１に比べて高いＭＲ変化率を示すことが確認された。
（実施例９）
実施形態に係る製造方法によって磁気抵抗効果素子を製造し、その性能を調べた。
実施例１と同様に製造したが、機能層の母材金属層として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｚｎ［０．６ｎｍ］の代わりにＦｅ［１ｎｍ］／Ｚｎ［０．６ｎｍ］を使用した。製造した磁気抵抗効果素子は実施例１と同様にＭＲ変化率および抵抗率を測定した。
以下の表９に、製造した磁気抵抗効果素子およびそれぞれの測定結果をまとめる。
Figure 0004991920
表9には、比較例９−１および実施例9−１から実施例9−３が示される。何れもＩＡＯによる酸化を行い、実施例については、さらにＡｒのプラズマ、イオンまたはラジカルによって還元を行った磁気抵抗効果素子である。なお、表中「ＲＥＦ」は、機能層を有さないスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子を示す参照用サンプルである。
表9に示されるとおり、Ａｒによる還元処理まで行った場合は（実施例9−１から9−３）、機能層を設けない場合（ＲＥＦ）および還元処理を行わない場合（比較例９−１）と比較して、高いＭＲ変化率を示した。なお、比較例９−１も、ＲＥＦに比べて高いＭＲ変化率を示した。しかしながら、ＲＥＦに対するＭＲ変化率の上昇の程度は、実施例９−１から９−３の方が大幅に大きかった。
本実施例より、機能層の母材金属層として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｚｎ［０．６ｎｍ］の代わりにＦｅ［１ｎｍ］／Ｚｎ［０．６ｎｍ］を用いた場合においても、還元処理を用いることによるＭＲ変化率の向上を確認することができた。機能層の母金属層としては、上述したＦｅ、ＣｏおよびＺｎの組合せ以外に、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される少なくとも１つの元素とＦｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１つの元素とを組み合わせた金属層を用いることができ、本実施例のように酸化処理および還元処理を用いて機能層を作製することでＭＲ変化率の向上を得ることができる。
（スペーサ層についての変形例）
スペーサ層としてＣｕの代わりに、その他の金属スペーサ層（ＡｇまたはＡｕ）およびトンネル絶縁スペーサ層（ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３またはＴｉＯ２）を使用して、上記の各実施例と同様に磁気抵抗効果素子を製造し、同様にＭＲ変化率および面積抵抗ＲＡについて分析した。
その結果、機能層を設けない場合および酸化処理のみを行い還元処理を行わない場合と比較して、大幅にＭＲ変化率することを確認した。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］
キャップ層と、
磁化固着層と、
前記キャップ層と前記磁化固着層との間に設けられた磁化自由層と、
前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたスペーサ層と、
前記磁化固着層中、前記磁化固着層と前記スペーサ層との間、前記スペーサ層と前記磁化自由層との間、前記磁化自由層中、および前記磁化自由層と前記キャップ層との間の何れかに設けられ、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される少なくとも１つの元素並びにＦｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物を有する機能層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極と
を備えた磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記機能層の母材料から成る膜を成膜し、
前記膜に、酸素の分子、イオン、プラズマおよびラジカルから成る群から選択される少なくとも１つを含むガスを用いた酸化処理を施し、
前記酸化処理が施された膜に対して還元性ガスを用いた還元処理を施す
ことを含む磁気抵抗効果素子の製造方法。
［２］
前記還元性ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトンもしくはキセノンのイオン、プラズマもしくはラジカル、または水素もしくは窒素の分子、イオン、プラズマもしくはラジカルの少なくとも何れかを含むガスである［１］に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［３］
前記還元性ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトンもしくはキセノンのイオンもしくはプラズマ、または水素もしくは窒素のイオンもしくはプラズマの少なくとも何れかを含むガスである［１］に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［４］
前記還元性ガスは、アルゴンのイオンまたはプラズマの少なくとも何れかを含むガスである［１］に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［５］
前記還元工程によって前記機能層の結晶性が向上する［１］から［４］の何れか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［６］
前記還元処理は前記膜を加熱しながら行う［１］から［５］の何れか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［７］
前記還元処理後、前記膜に対して、アルゴンイオンの照射、アルゴンプラズマの照射および加熱から成る群から選択される少なくとも１つの水分除去処理を施すことをさらに含む［１］から［６］の何れか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［８］
前記還元処理および前記水分除去処理を複数回繰り返す［７］に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［９］
前記成膜、前記酸化処理、前記還元処理および前記水分除去処理を複数回繰り返す［７］に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［１０］
前記成膜、前記酸化処理および前記還元処理を複数回繰り返す［１］から［７］の何れか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［１１］
前記成膜および前記酸化処理を複数回繰り返す［１］から［８］の何れか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［１２］
前記酸化処理は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオンおよびクリプトンから成る群から選択される少なくとも１つを含むガスをイオン化またはプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガスを供給して、前記機能層の母材料を酸化物に変換することを含む［１］から［１１］の何れか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［１３］
前記還元処理において、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトンまたはキセノンのイオンまたはプラズマを生成する際の高周波バイアスは２０Ｗ以上１００Ｗ以下である［２］に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
［１４］
［１］に記載の製造方法によって製造される磁気抵抗効果素子。
［１５］
［１４］に記載の磁気抵抗効果素子を一端に搭載するサスペンションと、前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームとを備える磁気ヘッドアセンブリ。
［１６］
［１５］に記載の磁気ヘッドアセンブリと、前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気抵抗効果素子を用いて情報が記録される磁気記録媒体とを備える磁気記録装置。
［１７］
［１６］に記載の磁気抵抗効果素子はマトリクス状に配置される磁気記録装置。
１０…磁気抵抗効果素子、１１…下電極、１２…下地層、１３…ピニング層、１４…ピン層（磁化固着層）、１６…トンネル絶縁スペーサ層、１８…フリー層（磁化自由層）、１８ａ…第１のフリー層、１８ｂ…第２のフリー層、１９…キャップ層、２０…上電極、２１、２２…機能層、４１…バイアス磁界印加膜、４２…絶縁膜、４３…保護層、１４０…磁気ヘッド、１４１…下部ピン層、１４２…磁気結合層、１４３…上部ピン層、２３０…磁気記録媒体、２７０…媒体移動方向、２８０…ヘッドスライダ、２９０…空気流入側、３００…空気流出側、３１０…磁気記録再生装置、３３０…スピンドルモータ、３５０…サスペンション、３６０…アクチュエータアーム、３７０…ボイスコイルモータ、３８０…軸受部、３８５…信号処理部、３９０…ヘッドスタックアセンブリ、４００…磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ））、４１０…コイル、４２０…支持フレーム、１５…下部金属層、１７…上部金属層、２３…電流狭窄層、２４…電流パス、２５…絶縁層。

Claims (11)

  1. キャップ層と、
    磁化固着層と、
    前記キャップ層と前記磁化固着層との間に設けられた磁化自由層と、
    前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたスペーサ層と、
    前記磁化固着層中、前記磁化固着層と前記スペーサ層との間、前記スペーサ層と前記磁化自由層との間、前記磁化自由層中、および前記磁化自由層と前記キャップ層との間の何れかに設けられ、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される少なくとも１つの元素並びにＦｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物を有する機能層と、
    を備えた積層体と、
    前記積層体の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極と
    を備えた磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
    前記機能層の母材料から成る膜を成膜し、
    前記膜に、酸素の分子、イオン、プラズマおよびラジカルから成る群から選択される少なくとも１つを含むガスを用いた酸化処理を施し、
    前記酸化処理が施された膜に対して、４０Ｗ以上１００Ｗ以下の高周波バイアスによって生成される還元性ガスのプラズマを用いた還元処理を施す
    ことを含む磁気抵抗効果素子の製造方法。
  2. 前記還元性ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、水素および窒素の少なくとも何れかを含むガスである請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  3. 前記還元性ガスは、アルゴンを含むガスである請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  4. 前記還元工程によって前記機能層の結晶性が向上する請求項１から３の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  5. 前記還元処理は前記膜を加熱しながら行う請求項１から４の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  6. 前記還元処理後、前記膜に対して、アルゴンイオンの照射、アルゴンプラズマの照射および加熱から成る群から選択される少なくとも１つの水分除去処理を施すことをさらに含む請求項１から５の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  7. 前記還元処理および前記水分除去処理を複数回繰り返す請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  8. 前記成膜、前記酸化処理、前記還元処理および前記水分除去処理を複数回繰り返す請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  9. 前記成膜、前記酸化処理および前記還元処理を複数回繰り返す請求項１から６の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  10. 前記成膜および前記酸化処理を複数回繰り返す請求項１から７の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
  11. 前記酸化処理は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオンおよびクリプトンから成る群から選択される少なくとも１つを含むガスをイオン化またはプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガスを供給して、前記機能層の母材料を酸化物に変換することを含む請求項１から１０の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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