JP5095765B2 - Method for manufacturing magnetoresistive element - Google Patents

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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の製造方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a magnetoresistive element that senses magnetism by flowing a sense current in a direction perpendicular to the film surface of the magnetoresistive film.

巨大磁気抵抗効果(Giant Magneto-Resistive Effect:GMR)を用いることで、磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜(Spin-Valve:SV膜)の磁気ヘッドやMRAM(Magnetic Random Access Memory)などへの適用は、磁気デバイス分野に大きな技術的進歩をもたらした。   By using a giant magneto-resistive effect (GMR), the performance of a magnetic device, particularly a magnetic head, has been dramatically improved. In particular, the application of a spin-valve (SV film) to a magnetic head, MRAM (Magnetic Random Access Memory), etc. has brought great technical progress in the field of magnetic devices.

「スピンバルブ膜」は、2つの強磁性層の間に非磁性のスペーサ層を挟んだ構造を有する積層膜であり、スピン依存散乱ユニットとも呼ばれる。この2つの強磁性層の一方(「ピン層」や「磁化固着層」などと称される)の磁化が反強磁性層などで固着され、他方(「フリー層」や「磁化自由層」などと称される)の磁化が外部磁界に応じて回転可能である。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することで、巨大な磁気抵抗変化が得られる。   The “spin valve film” is a laminated film having a structure in which a nonmagnetic spacer layer is sandwiched between two ferromagnetic layers, and is also called a spin-dependent scattering unit. The magnetization of one of these two ferromagnetic layers (referred to as “pinned layer” or “magnetization pinned layer”) is pinned by an antiferromagnetic layer, and the other (“free layer”, “magnetization free layer”, etc.) Magnetization) can be rotated in response to an external magnetic field. In the spin valve film, a huge change in magnetoresistance can be obtained by changing the relative angle between the magnetization directions of the pinned layer and the free layer.

スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子には、CIP(Current In Plane)−GMR素子、CPP(Current Perpendicular to Plane)−GMR素子、およびTMR(Tunneling Magneto Resistance)素子がある。CIP−GMR素子ではスピンバルブ膜の面に平行にセンス電流を通電し、CPP−GMR、およびTMR素子ではスピンバルブ膜の面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電する。センス電流を膜面に対し垂直に通電する方式の方が、将来の高記録密度ヘッド対応の技術として、注目されている。   The magnetoresistive effect element using the spin valve film includes a CIP (Current In Plane) -GMR element, a CPP (Current Perpendicular to Plane) -GMR element, and a TMR (Tunneling Magneto Resistance) element. In the CIP-GMR element, a sense current is passed in parallel to the surface of the spin valve film, and in the CPP-GMR and TMR elements, a sense current is passed in a direction substantially perpendicular to the surface of the spin valve film. The method of passing a sense current perpendicular to the film surface is attracting attention as a technology for future high recording density heads.

ここで、スピンバルブ膜が金属層で形成されたメタルCPP−GMR素子では、磁化による抵抗変化量が小さく、微弱磁界(例えば、高記録密度の磁気ディスクでの磁界)を検知するのは困難である。   Here, in a metal CPP-GMR element in which a spin valve film is formed of a metal layer, a resistance change amount due to magnetization is small, and it is difficult to detect a weak magnetic field (for example, a magnetic field in a magnetic disk having a high recording density). is there.

スペーサ層として、厚み方向への電流パスを含む酸化物層[NOL(nano-oxide layer)]を用いたCPP素子が提案されている(特許文献1参照)。この素子では、電流狭窄[CCP(Current-confined-path)]効果により素子抵抗およびMR変化率の双方を増大できる。以下、この素子をCCP−CPP素子と呼ぶ。   A CPP element using an oxide layer [NOL (nano-oxide layer)] including a current path in the thickness direction as a spacer layer has been proposed (see Patent Document 1). In this element, both the element resistance and the MR change rate can be increased by a current confinement [CCP (Current-confined-path)] effect. Hereinafter, this element is referred to as a CCP-CPP element.

特開2002−208744号JP 2002-208744 A

現在、HDD(Hard Disk Drive)等の磁気記憶装置はパソコンや携帯型音楽プレーヤーなどの用途に用いられている。しかしながら、今後、磁気記憶装置の使用用途がさらに広がり、また高密度記憶化が進むと、信頼性への要求がより厳しくなる。例えば、より高温度の条件下や、より高速での動作環境下での信頼性を向上させることが、必要になる。そのためには、磁気ヘッドの信頼性を、従来よりも向上させることが望ましい。   Currently, magnetic storage devices such as HDDs (Hard Disk Drives) are used for applications such as personal computers and portable music players. However, as the usage of magnetic storage devices further expands in the future, and the higher density storage progresses, the requirement for reliability becomes more severe. For example, it is necessary to improve the reliability under a higher temperature condition or under a higher speed operating environment. For this purpose, it is desirable to improve the reliability of the magnetic head as compared with the conventional case.

特にCCP−CPP素子は、従来のTMR素子に比べて抵抗が低いため、より高転送レートが要求されるサーバー・エンタープライズ用途のハイエンドの磁気記憶装置に適用可能である。このようなハイエンドの用途には、高密度化と、高信頼性を同時に満たすことが要求される。また、これらの用途では、より高温化での信頼性を向上させることが望ましい。つまり、より厳しい環境(高温環境等)、より厳しい使用条件(高速で回転する磁気ディスクでの情報の読み取り等)下で、CCP−CPP素子を使用することが必要となる。   In particular, since the CCP-CPP element has a lower resistance than the conventional TMR element, it can be applied to a high-end magnetic storage device for server enterprises that requires a higher transfer rate. Such high-end applications are required to satisfy high density and high reliability at the same time. In these applications, it is desirable to improve the reliability at higher temperatures. In other words, it is necessary to use the CCP-CPP element under a harsher environment (such as a high temperature environment) and a more severe usage condition (such as reading information on a magnetic disk rotating at high speed).

CCP−CPP素子は低抵抗なため高周波応答性・高密度記録対応性とメリットも大きいが、三次元ナノ構造を有する非常に複雑な形態であるため、現実的にはデザインしたような理想の構造を実現することは難しい。スペックが厳しいサーバー、エンタープライズ用途を実現するためには、より理想形態のCCP構造を実現する必要がある。   The CCP-CPP element has low resistance and high frequency response and high density recording compatibility and great merit, but because it is a very complicated form with a three-dimensional nanostructure, it is actually an ideal structure as designed Is difficult to realize. In order to realize servers and enterprise applications with strict specifications, it is necessary to realize a more ideal CCP structure.

本発明は、高密度記憶の磁気記憶装置に適用可能で、信頼性の向上が図られた磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive effect element that can be applied to a magnetic storage device for high-density storage and is improved in reliability.

上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、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応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、前記スペーサ層を形成するにあたり、第1の金属層を成膜し、前記第1の金属層上に第2の金属層を成膜し、前記第2の金属層を第1の絶縁層に変換するとともに前記第1の金属層が前記第1の絶縁層中に吸い上げられることで前記第1の絶縁層を貫通する第1の導電層を形成する第1の変換処理を行い、前記第1の絶縁層及び前記第1の導電層上に第3の金属層を成膜し、前記第3の金属層を第2の絶縁層に変換するとともに前記第1の導電層が前記第2の絶縁層中に吸い上げられることで前記第1の導電層上にのみ前記第2の絶縁層を貫通する第2の導電層を形成する第2の変換処理を行うことにより、前記第1の導電層及び第2の導電層を有する前記金属層、並びに前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層を有する前記絶縁層を形成することを特徴とし、前記第1の変換処理及び前記第2の変換処理の少なくとも一方は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンのうち少なくともいずれかひとつの元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第1のステップと、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンの少なくとも一つを含むガスをイオン化又はプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガス及び窒素ガスのうち少なくとも一方を含むガスを供給し、前記イオン化したガス又は前記プラズマ化したガスの雰囲気下、前記第2の金属層又は前記第3の金属層に対して酸化処理及び窒化処理の少なくとも一方を行う第2のステップと、を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention includes a magnetization pinned layer in which the magnetization direction is substantially pinned in one direction, a magnetization free layer in which the magnetization direction changes in response to an external magnetic field, and the magnetization pinned In the manufacturing method of the magnetoresistive effect element having the insulating layer and the spacer layer including the metal layer penetrating the insulating layer, which is provided between the layer and the magnetization free layer, A second metal layer is formed on the first metal layer, the second metal layer is converted into a first insulating layer, and the first metal layer is A first conversion process for forming a first conductive layer penetrating the first insulating layer by being sucked into the first insulating layer is performed, and the first insulating layer and the first conductive layer are formed on the first insulating layer. A third metal layer is formed, and the third metal layer is converted into a second insulating layer. Second conversion processing for forming a second conductive layer that penetrates the second insulating layer only on the first conductive layer by said first conductive layer is sucked into the second insulating layer To form the metal layer having the first conductive layer and the second conductive layer, and the insulating layer having the first insulating layer and the second insulating layer, At least one of the first conversion process and the second conversion process is performed by irradiating the film surface by ionizing or plasmaizing a gas containing at least one element of argon, xenon, helium, neon, and krypton. Oxygen gas and nitrogen in an atmosphere obtained by ionizing or plasmaizing a gas containing at least one of argon, xenon, helium, neon, and krypton A gas containing at least one of the gases is supplied, and at least one of oxidation treatment and nitridation treatment is performed on the second metal layer or the third metal layer in an atmosphere of the ionized gas or the plasma gas. And performing a second step.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、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応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた絶縁層と前記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する、いわゆるCCP構造の磁気抵抗効果素子において、前記スペーサ層を形成する際に、前記スペーサ層を従来の1段の変換処理によって実施する代わりに、本発明にしたがって2段の変換処理によって実施することにより、前記スペーサ層を比較的厚く形成することができる。   The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. As a result, a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed substantially in one direction, a magnetization free layer whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field, and the magnetization fixed layer and the magnetization free layer are provided. In a magnetoresistive effect element having a so-called CCP structure, which has a formed insulating layer and a spacer layer including a metal layer penetrating the insulating layer, when the spacer layer is formed, the spacer layer is converted into a conventional one-stage conversion. Instead of performing by processing, the spacer layer can be formed relatively thick by performing by two-stage conversion processing according to the present invention.

したがって、スペーサ層を構成する絶縁層の膜厚が増大し、前記スペーサ層中に形成された電流パス層以外の、本来的に絶縁層として機能すべき領域にリーク電流が流れることを完全に抑制することができるようになる。この結果、CCP効果をより強く発揮し、より強固な信頼性を実現することができる。   Therefore, the thickness of the insulating layer constituting the spacer layer is increased, and the leakage current is completely prevented from flowing in a region that should function as an insulating layer other than the current path layer formed in the spacer layer. Will be able to. As a result, the CCP effect can be exerted more strongly and stronger reliability can be realized.

また、絶縁層膜厚が厚くなることで、絶縁層の絶縁耐圧が向上するため、ESD(Electric Static Discharge)などの静電破壊耐性を向上させることが可能となる。ESD耐圧が高いことは、ヘッドをHDDに組むときの歩留まりを向上させることにつながる。   Further, since the insulation breakdown voltage of the insulating layer is improved by increasing the thickness of the insulating layer, it is possible to improve resistance to electrostatic breakdown such as ESD (Electric Static Discharge). A high ESD withstand voltage leads to an improvement in yield when the head is assembled to the HDD.

このように信頼性性能が大きく向上することは、HDD生産のときのみならず、あらゆる状況における破壊、熱的な耐性をも向上させることができるので、高信頼性が必要とされる、サーバーや、エンタープライズ用途のヘッドとして適したものとなる。単に記録密度を向上させるだけでない高信頼性のヘッドは、HDDの用途が広がっている近年の状況ではますます重要になってくる。ヘッドの寿命が長くなることは、HDDの使用環境を広げるということで非常に重要になってくる。このような高信頼性のヘッドは、熱的環境が厳しいカーナビゲーション用のHDDとしても非常に有効である。   Such a significant improvement in reliability performance can improve not only the HDD production but also the destruction and thermal resistance in every situation, so servers and high reliability are required. It will be suitable as a head for enterprise use. High-reliability heads that do not simply improve recording density are becoming increasingly important in the recent situation where HDD applications are expanding. Increasing the life of the head is very important in expanding the usage environment of the HDD. Such a highly reliable head is very effective as an HDD for car navigation where the thermal environment is severe.

もちろん、このような高信頼性を有するヘッドは、上記のような高付加価値のHDDだけでなく、民生用途として使用される通常のパソコン、携帯型音楽プレーヤー、携帯電話などのHDDとして用いることができる。   Of course, such a highly reliable head is used not only as a high value-added HDD as described above, but also as an HDD for ordinary personal computers, portable music players, mobile phones and the like used for consumer use. it can.

なお、以下において詳述するが、本発明の製造方法においては、第2の金属層及び第3の金属層に対して上述した第1の変換処理及び第2の変換処理を実施して目的とするスペーサ層を形成することになるが、この際、変換処理の際に前記第2の金属層下に形成された第1の金属層を構成する原子が移動エネルギーを得て上方に移動し、その結果、絶縁層中で金属層(電流パス)を形成するようになる。   In addition, although explained in full detail below, in the manufacturing method of this invention, the 1st conversion process and 2nd conversion process which were mentioned above are implemented with respect to the 2nd metal layer and the 3rd metal layer. In this case, the atoms constituting the first metal layer formed under the second metal layer during the conversion process move upward by obtaining movement energy, As a result, a metal layer (current path) is formed in the insulating layer.

したがって、上記態様では、スペーサ層を2段階の変換処理で実施しているので、2段目の変換処理においては、上記第1の金属層と同じ機能する金属層(第4の金属層)を別途前記第1の変換処理を通じて形成された前記絶縁層及び前記金属層と、前記第3の金属層との間に形成するようにすることもできる。この場合、前記第4の金属層を構成する原子が第2の変換処理の過程において、絶縁層に変換される過程の上記第3の金属層中に移動し、電流パスを形成するようになる。結果として、スペーサ層内を貫通する前記金属層(電流パス)を確実に行うことができるようになる。   Therefore, in the above aspect, since the spacer layer is implemented by the two-stage conversion process, in the second-stage conversion process, a metal layer (fourth metal layer) having the same function as the first metal layer is formed. Separately, the insulating layer and the metal layer formed through the first conversion treatment may be formed between the third metal layer. In this case, the atoms constituting the fourth metal layer move into the third metal layer in the process of being converted into the insulating layer in the process of the second conversion process, thereby forming a current path. . As a result, the metal layer (current path) penetrating through the spacer layer can be reliably performed.

なお、上述した製造方法を経ることにより、例えば、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応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、た絶縁層と前記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子において、
前記スペーサ層を形成する金属層が、基板側下部の酸素濃度と、基板反対側上部の酸素濃度の違いが10atomic%以内であることを特徴とする、磁気抵抗効果素子を得ることができる。
By passing through the manufacturing method described above, for example, a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed substantially in one direction, a magnetization free layer whose magnetization direction changes in response to an external magnetic field, and the magnetization fixed layer And a magnetoresistive effect element having a spacer layer including a metal layer penetrating the insulating layer, the insulating layer being provided between the magnetic free layer and the magnetization free layer.
A magnetoresistive effect element can be obtained in which the metal layer forming the spacer layer has a difference between the oxygen concentration in the lower part on the substrate side and the oxygen concentration in the upper part on the opposite side of the substrate within 10 atomic%.

また、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応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子において、
前記スペーサ層を形成する金属層が基板側下部の開口面積と、基板反対側上部の開口面積の違いが、20%以内であることを特徴とする、磁気抵抗効果素子を得ることができる。
A magnetization pinned layer in which the magnetization direction is substantially pinned in one direction; a magnetization free layer whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field; and the magnetization pinned layer and the magnetization free layer. In a magnetoresistive effect element having an insulating layer and a spacer layer including a metal layer penetrating the insulating layer,
A magnetoresistive effect element can be obtained in which the metal layer forming the spacer layer has a difference between the opening area of the lower part on the substrate side and the opening area of the upper part on the opposite side of the substrate within 20%.

以上、本発明によれば、高密度記憶の磁気記憶装置に適用可能で、信頼性の向上が図られた磁気抵抗効果素子を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive effect element which can be applied to a magnetic storage device of high density storage and has improved reliability.

本発明の磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)の一例を表す斜視図である。It is a perspective view showing an example of the magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) of this invention. 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の、スペーサ層を形成するための製造工程を表すフロー図である。It is a flowchart showing the manufacturing process for forming the spacer layer of the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)を製造するために用いられる装置の概略的な構成図である。It is a schematic block diagram of the apparatus used in order to manufacture the magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) which concerns on embodiment of this invention. 図3に示した酸化チャンバーの構成の一例である。It is an example of a structure of the oxidation chamber shown in FIG. 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の、スペーサ層を形成するための製造工程を表すフロー図である。It is a flowchart showing the manufacturing process for forming the spacer layer of the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the state which incorporated the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment of this invention in the magnetic head. 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。It is a figure which shows the state which incorporated the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment of this invention in the magnetic head. 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。It is a principal part perspective view which illustrates schematic structure of a magnetic recording / reproducing apparatus. 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。It is the expansion perspective view which looked at the head gimbal assembly ahead from an actuator arm from the disk side. 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。It is a figure which shows an example of the matrix structure of the magnetic memory which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the other example of the matrix structure of the magnetic memory which concerns on embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the principal part of the magnetic memory which concerns on embodiment of this invention. 図12のA−A’線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the A-A 'line of FIG.

以下、本発明のその他の特徴及び利点について、図面を参照しながら発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, other features and advantages of the present invention will be described based on the best mode for carrying out the invention with reference to the drawings.

(磁気抵抗効果素子)
図1は、本発明の磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)の一例を表す斜視図である。なお、本明細書において、総ての図面は模式的に描かれており、各構成要素の大きさ(膜厚など)及び構成要素同士の比率などは実際のものと異なるようにして描いている。 図1に示すように本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜10、およびこれを上下から挟む下電極11および上電極20を有し、図示しない基板上に構成される。
(Magnetoresistive element)
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) of the present invention. In the present specification, all drawings are schematically drawn, and the size of each component (film thickness, etc.) and the ratio between components are drawn differently from the actual ones. . As shown in FIG. 1, the magnetoresistive effect element according to the present embodiment includes a magnetoresistive effect film 10, and a lower electrode 11 and an upper electrode 20 sandwiching the magnetoresistive effect film 10 from above and below, and is configured on a substrate (not shown).

磁気抵抗効果膜10は、下地層12、ピニング層13、ピン層14、下部金属層15、スペーサ層(CCP−NOL)16(絶縁層161、電流パス162)、上部金属層17、フリー層18、キャップ層19が順に積層されて構成される。この内、ピン層14、下部金属層15、スペーサ層16、および上部金属層17、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を挟んでなるスピンバルブ膜に対応する。また、下部金属層15、スペーサ層(CCP−NOL)16、および上部金属層17の全体が広義のスペーサ層として定義される。なお、見やすさのために、スペーサ層16はその上下層(下部金属層15および上部金属層17)から切り離した状態で表している。   The magnetoresistive film 10 includes an underlayer 12, a pinning layer 13, a pin layer 14, a lower metal layer 15, a spacer layer (CCP-NOL) 16 (insulating layer 161, current path 162), an upper metal layer 17, and a free layer 18. The cap layer 19 is sequentially laminated. Among them, the pinned layer 14, the lower metal layer 15, the spacer layer 16, the upper metal layer 17, and the free layer 18 correspond to a spin valve film in which a nonmagnetic spacer layer is sandwiched between two ferromagnetic layers. To do. Further, the lower metal layer 15, the spacer layer (CCP-NOL) 16, and the upper metal layer 17 are defined as a broad spacer layer. For ease of viewing, the spacer layer 16 is shown separated from the upper and lower layers (the lower metal layer 15 and the upper metal layer 17).

以下、磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。   Hereinafter, components of the magnetoresistive element will be described.

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20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。下電極11には、電流を磁気抵抗効果素子に通電するために、電気抵抗が比較的小さい金属層が用いられる。NiFe、Cuなどが用いられる。   The lower electrode 11 is an electrode for energizing in the direction perpendicular to the spin valve film. When a voltage is applied between the lower electrode 11 and the upper electrode 20, a current flows through the inside of the spin valve film along the direction perpendicular to the film. By detecting a change in resistance caused by the magnetoresistive effect with this current, magnetism can be detected. For the lower electrode 11, a metal layer having a relatively small electric resistance is used in order to pass a current through the magnetoresistive element. NiFe, Cu or the like is used.

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。   The underlayer 12 can be divided into, for example, a buffer layer 12a and a seed layer 12b. The buffer layer 12a is a layer for reducing the roughness of the surface of the lower electrode 11. The seed layer 12b is a layer for controlling the crystal orientation and crystal grain size of the spin valve film formed thereon.

バッファ層12aとしては、Ta、Ti、W、Zr、Hf、Crまたはこれらの合金を用いることができる。バッファ層12aの膜厚は2〜10nm程度が好ましく、3〜5nm程度がより好ましい。バッファ層12a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12a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12a上に成膜されるシード層12bがバッファ効果を有する場合には、バッファ層12aを必ずしも設ける必要はない。上記のなかの好ましい一例として、Ta[3nm]を用いることができる。   As the buffer layer 12a, Ta, Ti, W, Zr, Hf, Cr, or an alloy thereof can be used. The thickness of the buffer layer 12a is preferably about 2 to 10 nm, and more preferably about 3 to 5 nm. If the buffer layer 12a is too thin, the buffer effect is lost. On the other hand, if the buffer layer 12a is too thick, the series resistance that does not contribute to the MR change rate is increased. When the seed layer 12b formed on the buffer layer 12a has a buffer effect, the buffer layer 12a is not necessarily provided. As a preferred example of the above, Ta [3 nm] can be used.

シード層12bは、その上に成膜される層の結晶配向を制御できる材料であればよい。シード層12bとして、fcc構造(face-centered cubic structure:面心立方格子構造)またはhcp構造(hexagonal close-packed structure:六方最密格子構造)やbcc構造(body-centered cubic structure:体心立方格子構造)を有する金属層などが好ましい。例えば、シード層12bとして、hcp構造を有するRuや、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(例えば、PtMn)の結晶配向を規則化したfct構造(face-centered tetragonal structure:面心正方構造)、あるいはbcc(body-centered cubic structure:体心立方構造)(110)配向とすることができる。これ以外にも、Cr、Zr、Ti、Mo,Nb,Wやこれらの合金層なども用いることができる。   The seed layer 12b may be any material that can control the crystal orientation of the layer formed thereon. As the seed layer 12b, an fcc structure (face-centered cubic structure), an hcp structure (hexagonal close-packed structure), or a bcc structure (body-centered cubic structure) A metal layer having a structure is preferable. For example, by using Ru having an hcp structure or NiFe having an fcc structure as the seed layer 12b, the crystal orientation of the spin valve film thereon can be changed to the fcc (111) orientation. Further, the fct structure (face-centered tetragonal structure) in which the crystal orientation of the pinning layer 13 (for example, PtMn) is regularized, or bcc (body-centered cubic structure) (110) orientation It can be. Besides these, Cr, Zr, Ti, Mo, Nb, W, alloy layers thereof, and the like can also be used.

結晶配向を向上させるシード層12bとしての機能を十分発揮するために、シード層12bの膜厚としては、1〜5nmが好ましく、より好ましくは、1.5〜3nmが好ましい。上記のなかの好ましい一例として、Ru[2nm]を用いることができる。   In order to sufficiently exhibit the function as the seed layer 12b for improving the crystal orientation, the film thickness of the seed layer 12b is preferably 1 to 5 nm, more preferably 1.5 to 3 nm. As a preferred example of the above, Ru [2 nm] can be used.

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度として、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。   The crystal orientation of the spin valve film and the pinning layer 13 can be measured by X-ray diffraction. Good orientation is obtained by setting the full width at half maximum of the rocking curve at the fcc (111) peak of the spin valve film, the fct (111) peak of the pinning layer 13 (PtMn), or the bcc (110) peak to 3.5 to 6 degrees. be able to. The orientation dispersion angle can also be determined from a diffraction spot using a cross-sectional TEM.

シード層12bとして、Ruの代わりに、NiFeベースの合金(例えば、NiFe100−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(NiFe100−x100−y(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12bでは、良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり、上記と同様に測定したロッキングカーブの半値幅を3〜5度とすることができる。 As the seed layer 12b, a NiFe-based alloy (for example, Ni x Fe 100-x (x = 90 to 50%, preferably 75 to 85%) or a third element X is added to NiFe instead of Ru. and the non-magnetic (Ni x Fe 100-x) 100-y X y (X = Cr, V, Nb, Hf, Zr, Mo)) can also be used. In the NiFe-based seed layer 12b, it is relatively easy to obtain good crystal orientation, and the half-value width of the rocking curve measured in the same manner as described above can be 3 to 5 degrees.

シード層12b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5〜40nm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。   The seed layer 12b has not only a function of improving the crystal orientation but also a function of controlling the crystal grain size of the spin valve film. Specifically, the crystal grain size of the spin valve film can be controlled to 5 to 40 nm, and even when the size of the magnetoresistive element is reduced, a high MR change rate can be realized without causing variations in characteristics.

ここでの結晶粒径は、シード層12bの上に形成された結晶粒の粒径によって判別することができ、断面TEMなどによって決定することができる。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12b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。   The crystal grain size here can be determined by the grain size of the crystal grains formed on the seed layer 12b, and can be determined by a cross-sectional TEM or the like. When the pinned layer 14 is a bottom type spin valve film positioned below the spacer layer 16, the pinning layer 13 (antiferromagnetic layer) or the pinned layer 14 (magnetization pinned) formed on the seed layer 12b. It can be determined by the crystal grain size of the layer.

高密度記録に対応した再生ヘッドでは、素子サイズが、例えば、100nm以下である。素子サイズに対する結晶粒径の比が大きいことは、素子の特性がばらつく原因となる。スピンバルブ膜の結晶粒径が40nmよりも大きいことは好ましくない。具体的には、結晶粒径が5〜40nmの範囲が好ましく、5〜20nmの範囲がさらに好ましい範囲である。   In a reproducing head compatible with high-density recording, the element size is, for example, 100 nm or less. A large ratio of the crystal grain size to the element size causes variations in element characteristics. It is not preferable that the crystal grain size of the spin valve film is larger than 40 nm. Specifically, the crystal grain size is preferably in the range of 5 to 40 nm, and more preferably in the range of 5 to 20 nm.

素子面積あたりの結晶粒の数が少なくなると、結晶数が少ないことに起因した特性のばらつきの原因となりうるため、結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。特に電流パスを形成しているCCP−CPP素子では結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。一方、結晶粒径が小さくなりすぎても、良好な結晶配向を維持することが一般的には困難になる。これら、結晶粒径の上限、および下限を考慮した結晶粒径の好ましい範囲が、5〜20nmである。   When the number of crystal grains per element area decreases, it may cause variation in characteristics due to the small number of crystals, so it is not preferable to increase the crystal grain size. In particular, it is not preferable to increase the crystal grain size in a CCP-CPP element in which a current path is formed. On the other hand, it is generally difficult to maintain good crystal orientation even if the crystal grain size becomes too small. A preferable range of the crystal grain size in consideration of the upper limit and the lower limit of the crystal grain size is 5 to 20 nm.

しかしながら、MRAM用途などでは、素子サイズが100nm以上の場合があり、結晶粒径が40nm程度と大きくてもそれほど問題とならない場合もある。即ち、シード層12bを用いることで、結晶粒径が粗大化しても差し支えない場合もある。   However, in MRAM applications and the like, the element size may be 100 nm or more, and even if the crystal grain size is as large as about 40 nm, there may be no problem. That is, by using the seed layer 12b, the crystal grain size may be increased in some cases.

上述した5〜20nmの結晶粒径を得るためには、シード層12bとして、Ru2nmや、(NiFe100−x100−y(X=Cr、V、Nb、Hf、Zr、Mo))層の場合には、第3元素Xの組成yを0〜30%程度とすることが好ましい(yが0%の場合も含む)。 In order to obtain the crystal grain size of 5~20nm described above, as the seed layer 12b, Ru2nm and, (Ni x Fe 100-x ) 100-y X y (X = Cr, V, Nb, Hf, Zr, Mo )) In the case of a layer, the composition y of the third element X is preferably about 0 to 30% (including the case where y is 0%).

一方、結晶粒径を40nmよりも粗大化させて用いるためには、さらに多量の添加元素を用いることが好ましい。シード層12bの材料が、例えば、NiFeCrの場合にはCr量を35〜45%程度とし、fccとbccの境界相を示す組成を用いて、bcc構造を有するNiFeCr層を用いることが好ましい。   On the other hand, in order to use the crystal grain size coarser than 40 nm, it is preferable to use a larger amount of additive element. When the material of the seed layer 12b is, for example, NiFeCr, it is preferable to use a NiFeCr layer having a bcc structure with a Cr amount of about 35 to 45% and a composition showing a boundary phase between fcc and bcc.

前述したように、シード層12bの膜厚は1nm〜5nm程度が好ましく、1.5〜3nmがより好ましい。シード層12bの厚さが薄すぎると結晶配向制御などの効果が失われる。一方、シード層12bの厚さが厚すぎると、直列抵抗の増大を招き、さらにスピンバルブ膜の界面の凹凸の原因となることがある。   As described above, the thickness of the seed layer 12b is preferably about 1 nm to 5 nm, and more preferably 1.5 to 3 nm. If the thickness of the seed layer 12b is too thin, effects such as crystal orientation control are lost. On the other hand, if the thickness of the seed layer 12b is too thick, the series resistance may be increased, and unevenness at the interface of the spin valve film may be caused.

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、PtMn、PdPtMn、IrMn、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。   The pinning layer 13 has a function of fixing magnetization by imparting unidirectional anisotropy to a ferromagnetic layer to be a pinned layer 14 formed thereon. As a material of the pinning layer 13, an antiferromagnetic material such as PtMn, PdPtMn, IrMn, RuRhMn can be used. Of these, IrMn is advantageous as a material for a head corresponding to a high recording density. IrMn can apply unidirectional anisotropy with a film thickness smaller than that of PtMn, and is suitable for narrowing the gap necessary for high-density recording.

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、8〜20nm程度が好ましく、10〜15nm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、3〜12nmが好ましく、4〜10nmがより好ましい。上記のなかの好ましい一例として、IrMn[7nm]を用いることができる。   In order to impart sufficient strength of unidirectional anisotropy, the film thickness of the pinning layer 13 is appropriately set. When the material of the pinning layer 13 is PtMn or PdPtMn, the thickness is preferably about 8 to 20 nm, and more preferably 10 to 15 nm. When the material of the pinning layer 13 is IrMn, unidirectional anisotropy can be imparted even with a film thickness thinner than PtMn, and is preferably 3 to 12 nm, more preferably 4 to 10 nm. As a preferred example of the above, IrMn [7 nm] can be used.

ピニング層13として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層を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%)、(CoPt100−x100−yCr(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の増大を抑制できる。 As the pinning layer 13, a hard magnetic layer can be used instead of the antiferromagnetic layer. As a hard magnetic layer, for example, CoPt (Co = 50~85%) , (Co x Pt 100-x) 100-y Cr y (x = 50~85%, y = 0~40%), FePt (Pt = 40-60%) can be used. Since the hard magnetic layer (especially CoPt) has a relatively small specific resistance, an increase in the series resistance and the area resistance RA can be suppressed.

ピン層14は、下部ピン層141(例えば、Co90Fe103.5nm)、磁気結合層142(例えば、Ru)、および上部ピン層143(例えば、Fe50Co50[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe50Co50[1nm])からなるシンセティックピン層とすることが好ましい一例である。ピニング層13(例えば、IrMn)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。 The pinned layer 14 includes a lower pinned layer 141 (for example, Co 90 Fe 10 3.5 nm), a magnetic coupling layer 142 (for example, Ru), and an upper pinned layer 143 (for example, Fe 50 Co 50 [1 nm] / Cu [0] .25 nm]) × 2 / Fe 50 Co 50 [1 nm]) is a preferred example. The pinning layer 13 (for example, IrMn) and the lower pinned layer 141 immediately above the pinning layer 13 are exchange-magnetically coupled so as to have unidirectional anisotropy. The lower pinned layer 141 and the upper pinned layer 143 above and below the magnetic coupling layer 142 are strongly magnetically coupled so that the magnetization directions are antiparallel to each other.

下部ピン層141の材料として、例えば、CoFe100−x合金(x=0〜100%)、NiFe100−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ても良い。 As a material of the lower pinned layer 141, for example, a Co x Fe 100-x alloy (x = 0 to 100%), a Ni x Fe 100-x alloy (x = 0 to 100%), or a nonmagnetic element is added thereto Can be used. Further, as the material of the lower pinned layer 141, a single element of Co, Fe, Ni or an alloy thereof may be used.

下部ピン層141の磁気膜厚(飽和磁化Bs×膜厚t(Bs・t積))が、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。一例として、上部ピン層143が(Fe50Co50[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe50Co50[1nm]の場合、薄膜での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。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。したがって、膜厚が約3.6nmのCo90Fe10を用いることが望ましい。また、ピニング層13としてIrMnを用いる場合には、下部ピン層141の組成はCo90Fe10よりも少しFe組成を増やすことが好ましい。具体的には、Co75Fe25などが望ましい実施例の一例である。 The magnetic film thickness (saturation magnetization Bs × film thickness t (Bs · t product)) of the lower pinned layer 141 is preferably substantially equal to the magnetic film thickness of the upper pinned layer 143. That is, it is preferable that the magnetic film thickness of the upper pinned layer 143 and the magnetic film thickness of the lower pinned layer 141 correspond. As an example, when the upper pinned layer 143 is (Fe 50 Co 50 [1 nm] / Cu [0.25 nm]) × 2 / Fe 50 Co 50 [1 nm], the saturation magnetization of FeCo in the thin film is about 2.2 T. Therefore, the magnetic film thickness is 2.2T × 3 nm = 6.6 Tnm. Since the saturation magnetization of Co 90 Fe 10 is about 1.8 T, the thickness t of the lower pinned layer 141 that gives the same magnetic thickness as above is 6.6 Tnm / 1.8T = 3.66 nm. Therefore, it is desirable to use Co 90 Fe 10 having a film thickness of about 3.6 nm. Further, when using IrMn as the pinning layer 13, it is preferable that the composition of the lower pinned layer 141 slightly increases the Fe composition as compared with Co 90 Fe 10 . Specifically, Co 75 Fe 25 or the like is an example of a preferred embodiment.

下部ピン層141に用いられる磁性層の膜厚は1.5〜4nm程度が好ましい。ピニング層13(例えば、IrMn)による一方向異方性磁界強度および磁気結合層142(例えば、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の観点に基づく。下部ピン層141が薄すぎると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。好ましい一例として、膜厚3.6nmのCo75Fe25が挙げられる。 The thickness of the magnetic layer used for the lower pinned layer 141 is preferably about 1.5 to 4 nm. Based on the unidirectional anisotropic magnetic field strength due to the pinning layer 13 (eg, IrMn) and the antiferromagnetic coupling magnetic field strength between the lower pinned layer 141 and the upper pinned layer 143 via the magnetic coupling layer 142 (eg, Ru) . If the lower pinned layer 141 is too thin, the MR change rate becomes small. On the other hand, if the lower pinned layer 141 is too thick, it is difficult to obtain a sufficient unidirectional anisotropic magnetic field necessary for device operation. A preferable example is Co 75 Fe 25 having a film thickness of 3.6 nm.

磁気結合層142(例えば、Ru)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。磁気結合層142としてのRu層の膜厚は0.8〜1nmであることが好ましい。なお、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。RKKY(Ruderman-Kittel- Kasuya-Yosida)結合の2ndピークに対応する膜厚0.8〜1nmの換わりに、RKKY結合の1stピークに対応する膜厚0.3〜0.6nm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、0.9nmのRuが一例として挙げられる。   The magnetic coupling layer 142 (for example, Ru) has a function of forming a synthetic pin structure by causing antiferromagnetic coupling in the upper and lower magnetic layers (lower pinned layer 141 and upper pinned layer 143). The film thickness of the Ru layer as the magnetic coupling layer 142 is preferably 0.8 to 1 nm. Note that any material other than Ru may be used as long as the material causes sufficient antiferromagnetic coupling in the upper and lower magnetic layers. Instead of the film thickness of 0.8 to 1 nm corresponding to the 2nd peak of RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) bond, the film thickness of 0.3 to 0.6 nm corresponding to the 1st peak of RKKY bond can also be used. . Here, as an example, 0.9 nm of Ru, which can stably obtain a highly reliable coupling, is obtained.

上部ピン層143の一例として、(Fe50Co50[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe50Co50[1nm]のような磁性層を用いることができる。上部ピン層143は、スピン依存散乱ユニットの一部をなす。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。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特に重要である。 As an example of the upper pinned layer 143, a magnetic layer such as (Fe 50 Co 50 [1 nm] / Cu [0.25 nm]) × 2 / Fe 50 Co 50 [1 nm] can be used. The upper pinned layer 143 forms part of the spin dependent scattering unit. The upper pinned layer 143 is a magnetic layer that directly contributes to the MR effect, and both the constituent material and the film thickness are important in order to obtain a large MR change rate. In particular, the magnetic material located at the interface with the spacer layer 16 is particularly important in that it contributes to spin-dependent interface scattering.

上部ピン層143としてここで用いた、bcc構造をもつFe50Co50を用いる効果について述べる。上部ピン層143として、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、FeCo100−x(x=30〜100%)や、FeCo100−xに添加元素を加えたものが挙げられる。そのなかでも、諸特性を満たしたFe40Co60〜Fe60Co40が使いやすい材料の一例である。 The effect of using the Fe 50 Co 50 having the bcc structure used here as the upper pinned layer 143 will be described. When a magnetic material having a bcc structure is used as the upper pinned layer 143, a large MR change rate can be realized because the spin-dependent interface scattering effect is large. Examples of the FeCo-based alloy having a bcc structure include Fe x Co 100-x (x = 30 to 100%) and those obtained by adding an additive element to Fe x Co 100-x . Among these, Fe 40 Co 60 to Fe 60 Co 40 satisfying various characteristics are examples of easy-to-use materials.

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。   When the upper pinned layer 143 is formed of a magnetic layer having a bcc structure that easily realizes a high MR ratio, the total thickness of the magnetic layer is preferably 1.5 nm or more. This is to keep the bcc structure stable. Since the metal material used for the spin valve film often has an fcc structure or an fct structure, only the upper pinned layer 143 may have a bcc structure. For this reason, if the film thickness of the upper pinned layer 143 is too thin, it becomes difficult to keep the bcc structure stable, and a high MR ratio cannot be obtained.

ここでは、上部ピン層143として、極薄Cu積層を含むFe50Co50を用いている。ここで、上部ピン層143は、全膜厚が3nmのFeCoと、1nmのFeCo毎に積層された0.25nmのCuとからなり、トータル膜厚3.5nmである。 Here, as the upper pinned layer 143, Fe 50 Co 50 including an ultrathin Cu stack is used. Here, the upper pinned layer 143 is made of FeCo having a total film thickness of 3 nm and Cu having a thickness of 0.25 nm stacked for every 1 nm of FeCo, and has a total film thickness of 3.5 nm.

上部ピン層143の膜厚は5nm以下であることが好ましい。大きなピン固着磁界を得るためである。大きなピン固着磁界と、bcc構造の安定性の両立のため、bcc構造をもつ上部ピン層143の膜厚は、2.0nm〜4nm程度であることが好ましいということになる。   The film thickness of the upper pinned layer 143 is preferably 5 nm or less. This is to obtain a large pin fixing magnetic field. In order to achieve both the large pinned magnetic field and the stability of the bcc structure, the film thickness of the upper pinned layer 143 having the bcc structure is preferably about 2.0 nm to 4 nm.

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構造をもつコバルト合金を用いることができる。上部ピン層143として、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の磁性材料として、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組成をもつニッケル合金の順になる。 For the upper pinned layer 143, instead of a magnetic material having a bcc structure, a Co 90 Fe 10 alloy having an fcc structure widely used in a conventional magnetoresistive effect element or a cobalt alloy having an hcp structure may be used. it can. As the upper pinned layer 143, any single metal such as Co, Fe, Ni, or an alloy material containing any one of these elements can be used. When the magnetic material of the upper pinned layer 143 is arranged from those advantageous for obtaining a large MR ratio, an FeCo alloy material having a bcc structure, a cobalt alloy having a cobalt composition of 50% or more, and an Ni composition of 50% or more are obtained. It becomes the order of nickel alloy.

ここでの一例として挙げたものは、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ることができる。このような構造を有する上部ピン層143では、極薄Cu層によって、スピン依存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。   As an example here, as the upper pinned layer 143, a magnetic layer (FeCo layer) and a nonmagnetic layer (ultra-thin Cu layer) stacked alternately can be used. In the upper pinned layer 143 having such a structure, a spin-dependent scattering effect called a spin-dependent bulk scattering effect can be improved by an ultrathin Cu layer.

「スピン依存バルク散乱効果」は、スピン依存界面散乱効果と対の言葉として用いられる。スピン依存バルク散乱効果とは、磁性層内部でMR効果を発現する現象である。スピン依存界面散乱効果は、スペーサ層と磁性層の界面でMR効果を発現する現象である。   The “spin-dependent bulk scattering effect” is used as a paired term with the spin-dependent interface scattering effect. The spin-dependent bulk scattering effect is a phenomenon that manifests the MR effect inside the magnetic layer. The spin-dependent interface scattering effect is a phenomenon in which the MR effect is exhibited at the interface between the spacer layer and the magnetic layer.

以下、磁性層と非磁性層の積層構造によるバルク散乱効果の向上につき説明する。   Hereinafter, the improvement of the bulk scattering effect by the laminated structure of the magnetic layer and the nonmagnetic layer will be described.

CCP−CPP素子においては、スペーサ層16の近傍で電流が狭窄されるため、スペーサ層16の界面近傍での抵抗の寄与が非常に大きい。つまり、スペーサ層16と磁性層(ピン層14、フリー層18)の界面での抵抗が、磁気抵抗効果素子全体の抵抗に占める割合が大きい。このことは、スピン依存界面散乱効果の寄与がCCP−CPP素子では非常に大きく、重要であることを示している。つまり、スペーサ層16の界面に位置する磁性材料の選択が従来のCPP素子の場合と比較して、重要な意味をもつ。これが、ピン層143として、スピン依存界面散乱効果が大きいbcc構造をもつFeCo合金層を用いた理由であり、前述したとおりである。   In the CCP-CPP element, since the current is confined in the vicinity of the spacer layer 16, the contribution of resistance in the vicinity of the interface of the spacer layer 16 is very large. That is, the ratio of the resistance at the interface between the spacer layer 16 and the magnetic layer (the pinned layer 14 and the free layer 18) to the resistance of the entire magnetoresistive element is large. This indicates that the contribution of the spin-dependent interface scattering effect is very large and important in the CCP-CPP element. That is, the selection of the magnetic material positioned at the interface of the spacer layer 16 has an important meaning as compared with the case of the conventional CPP element. This is the reason why the FeCo alloy layer having the bcc structure having a large spin-dependent interface scattering effect is used as the pinned layer 143, as described above.

しかしながら、バルク散乱効果の大きい材料を用いることも無視できず、より高MR変化率を得るためにはやはり重要である。バルク散乱効果を得るための極薄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す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。そこで、好ましい一例として挙げたものでは、0.25nmのCuを用いた。   However, the use of a material having a large bulk scattering effect cannot be ignored, and it is still important to obtain a higher MR change rate. The film thickness of the ultrathin Cu layer for obtaining the bulk scattering effect is preferably 0.1 to 1 nm, and more preferably 0.2 to 0.5 nm. If the thickness of the Cu layer is too thin, the effect of improving the bulk scattering effect is weakened. If the Cu layer is too thick, the bulk scattering effect may be reduced, and the magnetic coupling of the upper and lower magnetic layers via the nonmagnetic Cu layer will be weak, and the characteristics of the pinned layer 14 will be insufficient. . Therefore, in a preferable example, 0.25 nm of Cu was used.

磁性層間の非磁性層の材料として、Cuの換わりに、Hf、Zr、Ti、Alなどを用いてもよい。一方、これら極薄の非磁性層を挿入した場合、FeCoなど磁性層の一層あたりの膜厚は0.5〜2nmが好ましく、1〜1.5nm程度がより好ましい。   As a material for the nonmagnetic layer between the magnetic layers, Hf, Zr, Ti, Al, or the like may be used instead of Cu. On the other hand, when these ultrathin nonmagnetic layers are inserted, the film thickness of one magnetic layer such as FeCo is preferably 0.5 to 2 nm, more preferably about 1 to 1.5 nm.

上部ピン層143として、FeCo層とCu層との交互積層構造に換えて、FeCoとCuを合金化した層を用いてもよい。このようなFeCoCu合金として、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。ここで、FeCoに添加する元素として、Cuの代わりに、Hf、Zr,Ti、Alなど他の元素を用いてもよい。   As the upper pinned layer 143, a layer obtained by alloying FeCo and Cu may be used instead of the alternately laminated structure of the FeCo layer and the Cu layer. Examples of such an FeCoCu alloy include (FexCo100-x) 100-yCuy (x = 30 to 100%, y = about 3 to 15%), but other composition ranges may be used. Here, as an element added to FeCo, other elements such as Hf, Zr, Ti, and Al may be used instead of Cu.

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、従来から広く用いられている、2〜4nmのCo90Fe10単層を用いてもよい。この材料に他の元素を添加してもよい。 The upper pinned layer 143 may be a single layer film made of Co, Fe, Ni, or an alloy material thereof. For example, as the upper pinned layer 143 having the simplest structure, a 2 to 4 nm Co 90 Fe 10 single layer that has been widely used in the past may be used. Other elements may be added to this material.

次に、広義のスペーサ層を形成する膜構成について述べる。下部金属層15は後述するプロセスにおいて、電流パス162材料の供給源として用いられた後の残存層であり、最終形態として必ずしも残存していない場合もある。   Next, a film configuration for forming the spacer layer in a broad sense will be described. The lower metal layer 15 is a remaining layer after being used as a supply source of the current path 162 material in a process described later, and may not necessarily remain as a final form.

スペーサ層(CCP−NOL)16は、絶縁層161、電流パス162を有する。なお、前述のように、スペーサ層16、下部金属層15、および上部金属層17を含めて、広義のスペーサ層として取り扱う。   The spacer layer (CCP-NOL) 16 includes an insulating layer 161 and a current path 162. As described above, the spacer layer 16, the lower metal layer 15, and the upper metal layer 17 are handled as a spacer layer in a broad sense.

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、Al23のようなアモルファス構造や、MgOのような結晶構造の双方が有り得る。スペーサ層としての機能を発揮するために、絶縁層161の厚さは、1〜3.5nmが好ましく、1.5〜3nmの範囲がより好ましい。 The insulating layer 161 is made of oxide, nitride, oxynitride, or the like. The insulating layer 161 can have both an amorphous structure such as Al 2 O 3 and a crystal structure such as MgO. In order to exhibit the function as the spacer layer, the thickness of the insulating layer 161 is preferably 1 to 3.5 nm, and more preferably 1.5 to 3 nm.

図1のように、ナノオーダーで三次元構造を有するこのような複雑な構造を有するスペーサ層を形成することは難しい。理想形態に近いCCP構造を実現するために、本発明による製造方法が有効であることを見出した。この製造方法が本発明の最も重要なところであるため、詳細は後に説明する。   As shown in FIG. 1, it is difficult to form a spacer layer having such a complicated structure having a three-dimensional structure on the nano order. The present inventors have found that the manufacturing method according to the present invention is effective for realizing a CCP structure close to an ideal form. Since this manufacturing method is the most important part of the present invention, details will be described later.

絶縁層161に用いる典型的な絶縁材料として、Alをベース材料としたものや、これに添加元素を加えたものがある。添加元素として、Ti、Hf、Mg、Zr,V,Mo、Si,Cr,Nb,Ta,W、B,C、Vなどがある。これらの添加元素の添加量は0%〜50%程度の範囲で適宜変えることができる。一例として、約2nmのAlを絶縁層161として用いることができる。 As a typical insulating material used for the insulating layer 161, there are a material using Al 2 O 3 as a base material and a material obtained by adding an additive element thereto. Examples of additive elements include Ti, Hf, Mg, Zr, V, Mo, Si, Cr, Nb, Ta, W, B, C, and V. The addition amount of these additive elements can be appropriately changed within a range of about 0% to 50%. As an example, about 2 nm of Al 2 O 3 can be used as the insulating layer 161.

絶縁層161には、AlのようなAl酸化物の換わりに、Ti酸化物、Hf酸化物、Mg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。これらの酸化物の場合でも、添加元素として上述の材料を用いることができる。また、添加元素の量を0%〜50%程度の範囲で適宜に変えることができる。 For the insulating layer 161, instead of Al oxide such as Al 2 O 3 , Ti oxide, Hf oxide, Mg oxide, Zr oxide, Cr oxide, Ta oxide, Nb oxide, Mo oxidation Materials, Si oxides, V oxides, and the like can also be used. Even in the case of these oxides, the above-described materials can be used as additive elements. Further, the amount of the additive element can be appropriately changed within a range of about 0% to 50%.

これら酸化物の換わりに、上述したようなAl,Si,Hf,Ti,Mg,Zr,V,Mo,Nb,Ta,W,B,Cをベースとした酸窒化物や、窒化物を用いても、電流を絶縁する機能を有する材料であれば構わない。   Instead of these oxides, oxynitrides and nitrides based on Al, Si, Hf, Ti, Mg, Zr, V, Mo, Nb, Ta, W, B, and C as described above are used. However, any material having a function of insulating current may be used.

電流パス162は、スペーサ層16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161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、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MR変化率を増大可能である。電流パス162(CCP)を形成する材料は、Cu以外には、Au,Ag、Alや、Ni,Co,Fe、もしくはこれらの元素を少なくとも一つは含む合金層を挙げることができる。一例として、電流パス162として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。   The current path 162 is a path (path) through which current flows perpendicularly to the film surface of the spacer layer 16 and is used to confine the current. It functions as a conductor that allows current to pass in the direction perpendicular to the film surface of the insulating layer 161, and can be composed of, for example, a metal layer such as Cu. That is, the spacer layer 16 has a current confinement structure (CCP structure), and the MR change rate can be increased by the current confinement effect. Examples of the material forming the current path 162 (CCP) include Au, Ag, Al, Ni, Co, Fe, or an alloy layer including at least one of these elements, in addition to Cu. As an example, the current path 162 can be formed of an alloy layer containing Cu. An alloy layer such as CuNi, CuCo, or CuFe can also be used. Here, a composition having 50% or more of Cu is preferable in order to reduce the high MR ratio and the interlayer coupling field (Hin) between the pinned layer 14 and the free layer 18.

電流パス162は絶縁層161と比べて著しく酸素、窒素の含有量が少ない領域であり(少なくとも2倍以上の酸素や窒素の含有量の差がある)、一般的には結晶相である。結晶相は非結晶相よりも抵抗が小さいため、電流パス162として機能しやすい。   The current path 162 is a region where the oxygen and nitrogen contents are significantly lower than that of the insulating layer 161 (there is at least a two-fold difference in oxygen and nitrogen content), and is generally a crystalline phase. Since the crystalline phase has a smaller resistance than the amorphous phase, it easily functions as the current path 162.

上部金属層17は、広義のスペーサ層の一部を形成するものである。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。例えば、絶縁層161の材料がアモルファス(例えば、Al23)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、fcc結晶性を良好にする層(例えば、Cu層)を配置することで(1nm以下程度の膜厚で良い)、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。 The upper metal layer 17 forms part of a broad spacer layer. It has a function as a barrier layer that protects the free layer 18 formed thereon from being oxidized in contact with the oxide of the spacer layer 16 and a function of improving the crystallinity of the free layer 18. For example, when the material of the insulating layer 161 is amorphous (for example, Al 2 O 3 ), the crystallinity of the metal layer formed thereon is deteriorated, but the layer that improves the fcc crystallinity (for example, By arranging the (Cu layer) (the film thickness may be about 1 nm or less), the crystallinity of the free layer 18 can be remarkably improved.

スペーサ層16の材料やフリー層18の材料によっては、必ずしも上部金属層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。   Depending on the material of the spacer layer 16 and the material of the free layer 18, the upper metal layer 17 is not necessarily provided. By optimizing the annealing conditions, selection of the insulating layer 161 material of the spacer layer 16, the material of the free layer 18, etc., the crystallinity can be avoided and the metal layer 17 on the spacer layer 16 can be eliminated.

しかし、製造上のマージンを考慮すると、スペーサ層16上に上部金属層17を形成することが好ましい。好ましい一例としては、上部金属層17として、Cu[0.5nm]を用いることができる。   However, considering the manufacturing margin, it is preferable to form the upper metal layer 17 on the spacer layer 16. As a preferred example, Cu [0.5 nm] can be used as the upper metal layer 17.

上部金属層17の構成材料として、Cu以外に、Au,Ag,Ruなどを用いることもできる。上部金属層17の材料は、スペーサ層16の電流パス162の材料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162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。   In addition to Cu, Au, Ag, Ru, or the like can be used as a constituent material of the upper metal layer 17. The material of the upper metal layer 17 is preferably the same as the material of the current path 162 of the spacer layer 16. When the material of the upper metal layer 17 is different from the material of the current path 162, the interface resistance is increased. However, if both are the same material, the interface resistance is not increased.

上部金属層17の膜厚は、0〜1nmが好ましく、0.1〜0.5nmがより好ましい。上部金属層17が厚すぎると、スペーサ層16で狭窄された電流が上部金属層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。   The thickness of the upper metal layer 17 is preferably 0 to 1 nm, and more preferably 0.1 to 0.5 nm. If the upper metal layer 17 is too thick, the current confined by the spacer layer 16 spreads in the upper metal layer 17 and the current confinement effect becomes insufficient, leading to a reduction in MR ratio.

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を挿入してNiFeを用いたCo90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]という二層構成がフリー層18の一例として挙げられる。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。高いMR変化率を得るためには、スペーサ層16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。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を用いても構わない。 The free layer 18 is a layer having a ferromagnetic material whose magnetization direction is changed by an external magnetic field. For example, a two-layer configuration of Co 90 Fe 10 [1 nm] / Ni 83 Fe 17 [3.5 nm] using NiFe with CoFe inserted at the interface is an example of the free layer 18. In this case, it is preferable to provide a CoFe alloy at the interface with the spacer layer 16 rather than a NiFe alloy. In order to obtain a high MR ratio, selection of the magnetic material of the free layer 18 located at the interface of the spacer layer 16 is important. In the case where the NiFe layer is not used, a Co 90 Fe 10 [4 nm] single layer can be used. A free layer having a three-layer structure such as CoFe / NiFe / CoFe may be used.

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0.5〜4nmとすることが好ましい。その他、CoFe100−x(x=70〜90)が好ましい。 Among the CoFe alloys, Co 90 Fe 10 is preferable because the soft magnetic characteristics are stable. When a CoFe alloy near Co 90 Fe 10 is used, the film thickness is preferably 0.5 to 4 nm. In addition, Co x Fe 100-x (x = 70 to 90) is preferable.

また、フリー層18として、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ものを用いてもよい。   Further, as the free layer 18, a CoFe layer or Fe layer having a thickness of 1 to 2 nm and an ultrathin Cu layer having a thickness of about 0.1 to 0.8 nm may be alternately stacked.

スペーサ層16がCu層から形成される場合には、ピン層14と同様に、フリー層18でも、bccのFeCo層をスペーサ層16との界面材料として用いると、MR変化率が大きくなる。スペーサ層16との界面材料として、fccのCoFe合金に換えて、bccのFeCo合金を用いることもできる。この場合、bcc層が形成されやすい、FeCo100−x(x=30〜100)や、これに添加元素を加えた材料を用いることができる。これらの構成のうち、好ましい実施例の一例として、Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]を用いることができる。 When the spacer layer 16 is formed of a Cu layer, similarly to the pinned layer 14, even in the free layer 18, when the bcc FeCo layer is used as an interface material with the spacer layer 16, the MR ratio is increased. As an interface material with the spacer layer 16, a bcc FeCo alloy may be used instead of the fcc CoFe alloy. In this case, Fe x Co 100-x (x = 30 to 100) in which a bcc layer is easily formed, or a material obtained by adding an additive element thereto can be used. Of these configurations, Co 90 Fe 10 [1 nm] / Ni 83 Fe 17 [3.5 nm] can be used as an example of a preferred embodiment.

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0.5〜2nm程度が好ましい。この構成のキャップ層19は、特に、フリー層18がNiFeからなる場合に望ましい。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。   The cap layer 19 has a function of protecting the spin valve film. The cap layer 19 can have, for example, a plurality of metal layers, for example, a two-layer structure of a Cu layer and a Ru layer (Cu [1 nm] / Ru [10 nm]). As the cap layer 19, a Ru / Cu layer in which Ru is disposed on the free layer 18 side can also be used. In this case, the film thickness of Ru is preferably about 0.5 to 2 nm. The cap layer 19 having this configuration is particularly desirable when the free layer 18 is made of NiFe. This is because Ru has a non-solid relationship with Ni, so that magnetostriction of the interface mixing layer formed between the free layer 18 and the cap layer 19 can be reduced.

キャップ層19が、Cu/Ru、Ru/Cu、いずれの場合も、Cu層の膜厚は0.5〜10nm程度が好ましく、Ru層の膜厚は0.5〜5nm程度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。   When the cap layer 19 is Cu / Ru or Ru / Cu, the thickness of the Cu layer is preferably about 0.5 to 10 nm, and the thickness of the Ru layer can be about 0.5 to 5 nm. . Since Ru has a high specific resistance value, it is not preferable to use a very thick Ru layer.

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望ましいキャップ層の材料の例である。   As the cap layer 19, another metal layer may be provided instead of the Cu layer or the Ru layer. The configuration of the cap layer 19 is not particularly limited, and other materials may be used as long as the cap can protect the spin valve film. However, care should be taken because the MR ratio and long-term reliability may change depending on the selection of the cap layer. Cu and Ru are examples of desirable cap layer materials from these viewpoints.

上電極20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20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。上部電極層20には、電気的に低抵抗な材料(例えば、Cu,Au、NiFeなど)が用いられる。   The upper electrode 20 is an electrode for energizing in the direction perpendicular to the spin valve film. When a voltage is applied between the lower electrode 11 and the upper electrode 20, a current in the vertical direction of the film flows in the spin valve film. The upper electrode layer 20 is made of an electrically low resistance material (for example, Cu, Au, NiFe, etc.).

(磁気抵抗効果素子の製造方法)
以下、本実施の形態における磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。
(Method for manufacturing magnetoresistive element)
Hereinafter, a method for manufacturing the magnetoresistive effect element according to the present embodiment will be described.

図2は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の、スペーサ層15、16、17を形成するための製造工程を表すフロー図である。図1(A)〜(G)を参照して、本発明に係わる磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)の製造方法を概略的に説明する。   FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process for forming the spacer layers 15, 16, and 17 of the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention. With reference to FIGS. 1A to 1G, a method of manufacturing a magnetoresistive element (CCP-CPP element) according to the present invention will be schematically described.

図2(A)に示すように、下電極が前もって形成された基板上に、下地層およびピニング層(これらの部材は図示していない)を成膜し、ピニング層上にピン層14を成膜する。ピン層14上に、電流パスを形成する第1の金属層m1(例えばCu)を成膜する。第1の金属層m1上に絶縁層に変換される第2の金属層m2(例えばAlCuやAl)を成膜する。   As shown in FIG. 2A, an underlayer and a pinning layer (these members are not shown) are formed on a substrate on which a lower electrode has been formed in advance, and a pinned layer 14 is formed on the pinning layer. Film. On the pinned layer 14, a first metal layer m1 (for example, Cu) that forms a current path is formed. A second metal layer m2 (for example, AlCu or Al) to be converted into an insulating layer is formed on the first metal layer m1.

次いで、図2(B)及び(C)に示すように、第2の金属層m2表面に、絶縁層と電流パスを有するCCP構造の一部を形成するための、表面酸化処理あるいは表面窒化処理を行う。この表面酸化処理及び表面窒化処理は、具体的には以下に詳述するような工程を経て行うことができるが、これらの処理は単なる酸化処理などとは異なり、図2(B)及び(C)に示すように、第2の金属層m2の絶縁層化と、第1の金属層m1に移動エネルギーを付与して金属層(電流パス)とを形成するための、CPP構造を形成するような構造変換処理(第1の変換処理)とする。   Next, as shown in FIGS. 2B and 2C, a surface oxidation treatment or a surface nitridation treatment for forming a part of the CCP structure having an insulating layer and a current path on the surface of the second metal layer m2. I do. Specifically, the surface oxidation treatment and the surface nitridation treatment can be performed through the steps described in detail below. However, these treatments are different from simple oxidation treatment and the like, as shown in FIGS. ) To form an insulating layer of the second metal layer m2 and to form a CPP structure for forming a metal layer (current path) by applying transfer energy to the first metal layer m1. Structure conversion processing (first conversion processing).

図2(C)で形成するCCP構造は、理想形態に近いCCP構造を実現しやすいように、m1、m2ともに比較的薄い膜厚で形成している。この膜厚が厚いと、図2(C)のような理想的な形状を有するCCP構造を実現することが困難となる。しかし、薄い膜厚のままだと、NOLの絶縁層としての機能が不十分となってしまい、リーク電流が流れたり、静電破壊電圧が低い値となってしまうので、このままでは問題となる。そこで、図2(D)以降の形成プロセスが必要になる。   The CCP structure formed in FIG. 2C is formed with a relatively thin film thickness for both m1 and m2 so that a CCP structure close to the ideal form can be easily realized. When this film thickness is thick, it becomes difficult to realize a CCP structure having an ideal shape as shown in FIG. However, if the film thickness remains as it is, the function of the NOL as an insulating layer becomes insufficient, and a leak current flows or the electrostatic breakdown voltage becomes a low value. Therefore, the formation process after FIG. 2D is necessary.

次いで、図2(D)に示すように、図2(A)と同様に、電流パスを形成する第4の金
属層m4(例えばCu)を成膜する。第4の金属層m4上に絶縁層に変換される第3の金
属層m3(例えばAlCuやAl)を成膜する。
Next, as shown in FIG. 2D, as in FIG. 2A, a fourth metal layer m4 (for example, Cu) that forms a current path is formed. A third metal layer m3 (for example, AlCu or Al) to be converted into an insulating layer is formed on the fourth metal layer m4.

次いで、図2(E)に示すように、図2(B)と同様に、第3の金属層m3表面に、絶縁層と電流パスを有するCCP構造の一部を形成するための、表面酸化処理あるいは表面窒化処理を行う。その結果、図2(F)のような構造が実現される。この表面酸化処理及び表面窒化処理は、具体的には以下に詳述するような工程を経て行うことができるが、これらの処理は単なる酸化処理などとは異なり、図2(E)及び(F)に示すように、第3の金属層m3の絶縁層化と、第4の金属層m4に移動エネルギーを付与して金属層(電流パス)とを形成するための、CPP構造を形成するような構造変換処理(第2の変換処理)とする。   Next, as shown in FIG. 2E, as in FIG. 2B, surface oxidation for forming a part of the CCP structure having an insulating layer and a current path on the surface of the third metal layer m3. Treatment or surface nitriding treatment is performed. As a result, a structure as shown in FIG. Specifically, the surface oxidation treatment and the surface nitridation treatment can be performed through the steps described in detail below, but these treatments are different from simple oxidation treatments and the like, as shown in FIGS. ) To form an insulating layer of the third metal layer m3 and to form a CPP structure for forming a metal layer (current path) by imparting transfer energy to the fourth metal layer m4. Structure conversion processing (second conversion processing).

なお、理想形態に近いCCP構造を実現しやすいように、m3、m4ともに比較的薄い膜厚で形成している。この膜厚が厚いと、図2(F)のような理想的な形状を有するCCP構造を実現することが困難となる。一層のみではこのような構造ではNOLの絶縁機能が十分ではないが、図2(C)で既にCCP−NOL構造の一層分を作製しているので、図2(E)で形成するCCP−NOLは薄い膜厚で十分である。このように、CCP−NOL形成のプロセスを二段階に分けることによって、図2(F)のような理想形体に近いCCP−NOL構造を実現することができる。   In order to easily realize a CCP structure close to the ideal form, both m3 and m4 are formed with a relatively thin film thickness. When this film thickness is large, it becomes difficult to realize a CCP structure having an ideal shape as shown in FIG. In such a structure, the insulation function of the NOL is not sufficient with only one layer, but since one layer of the CCP-NOL structure has already been prepared in FIG. 2C, the CCP-NOL formed in FIG. A thin film thickness is sufficient. In this way, by dividing the CCP-NOL formation process into two stages, a CCP-NOL structure close to the ideal form as shown in FIG. 2F can be realized.

次いで、図2(G)に示すように、必要に応じてスペーサ層16上にCuなどの金属層17を成膜し、その上にフリー層18を成膜する。なお、スペーサ層16上の金属層17は、その上に成膜されるフリー層が酸化の影響を受けることを防止する機能を有するが、必ずしも設ける必要はない。   Next, as shown in FIG. 2G, a metal layer 17 such as Cu is formed on the spacer layer 16 as necessary, and a free layer 18 is formed thereon. Note that the metal layer 17 on the spacer layer 16 has a function of preventing the free layer formed thereon from being affected by oxidation, but is not necessarily provided.

本発明の実施形態に係る方法を用いることにより、スペーサ層16の絶縁層22を貫通する電流パス21の純度を上下層の位置に関わらず向上させることができ、かつCCP形状の上下対称性が良好な、高いMR変化率を有しかつ信頼性が良好な磁気抵抗効果素子を製造することができる。   By using the method according to the embodiment of the present invention, the purity of the current path 21 that penetrates the insulating layer 22 of the spacer layer 16 can be improved regardless of the position of the upper and lower layers, and the vertical symmetry of the CCP shape can be improved. A good magnetoresistive element having a high MR ratio and good reliability can be manufactured.

なお、上記例では、CCP−NOL構造中の金属層(電流パス)を形成するための第4の金属層m4を設けているが、この層は本発明においては必須の要素ではない。金属層m4が存在しない場合においても上記第2の変換処理を行うことにより、第1の金属層m1を構成する原子がさらなる移動エネルギーを得、上方に移動して絶縁層となった第3の金属層m3中に電流パスを形成するようになる。   In the above example, the fourth metal layer m4 for forming the metal layer (current path) in the CCP-NOL structure is provided, but this layer is not an essential element in the present invention. Even when the metal layer m4 is not present, by performing the second conversion treatment, the atoms constituting the first metal layer m1 obtain further transfer energy and move upward to form an insulating layer. A current path is formed in the metal layer m3.

しかしながら、上記第4の金属層m4を形成することにより、第3の金属層m3からなる絶縁層中に電流パスを良好な状態で簡易に形成することができるようになる。   However, by forming the fourth metal layer m4, a current path can be easily formed in a good state in the insulating layer made of the third metal layer m3.

次に、上記の工程をより詳細に説明する。   Next, the above process will be described in more detail.

図2(A)において、m1は電流パスを形成するための材料、m2は酸化、窒化、または酸窒化処理によって絶縁層に変換される金属層である。m1としては、Cu,Au,Ag,Alなどの金属層が好ましい。m2としては、酸化、窒化されたときに良好な絶縁機能を有するAl,Si,Mg,Ti,Hf,Zr,Cr,Mo,Nb,Wのうち少なくともひとつの元素を含む材料から形成されることが好ましい。これらの単体金属でも良いし、合金材料でも構わない。m1の膜厚としては、0.1〜1.5nm程度が好ましく、m2の膜厚としては、0.3〜1nm程度が好ましい。   In FIG. 2A, m1 is a material for forming a current path, and m2 is a metal layer that is converted into an insulating layer by oxidation, nitridation, or oxynitridation treatment. As m1, a metal layer of Cu, Au, Ag, Al or the like is preferable. m2 is formed of a material containing at least one element of Al, Si, Mg, Ti, Hf, Zr, Cr, Mo, Nb, and W having a good insulating function when oxidized and nitrided. Is preferred. These single metals or alloy materials may be used. The film thickness of m1 is preferably about 0.1 to 1.5 nm, and the film thickness of m2 is preferably about 0.3 to 1 nm.

図2(B)において、ピン層14上に第1の金属層m1および第2の金属層m2を成膜した後に行う表面酸化処理あるいは表面窒化処理は、第2の金属層m2中に第1の金属層m1の一部を侵入させるとともに、金属層m2を絶縁層22に変換するために行われる工程である。このように、金属から絶縁層への変換処理とともに、電流パスをナノオーダーで作製するためには、上記表面酸化処理あるいは上記表面窒化処理は、例えば以下のようにして実施することができる。   In FIG. 2B, the surface oxidation treatment or the surface nitridation treatment performed after the first metal layer m1 and the second metal layer m2 are formed on the pinned layer 14 is performed in the first metal layer m2. This is a step performed to allow a part of the metal layer m1 to penetrate and to convert the metal layer m2 into the insulating layer 22. As described above, in order to produce a current path in nano order together with the conversion process from the metal to the insulating layer, the surface oxidation treatment or the surface nitridation treatment can be performed as follows, for example.

まず、m2の中をm1中に侵入させるためには、原子の移動エネルギーを与える必要がある。そのために、酸化処理又は窒化処理を行うときには酸素ガス又は窒素ガスを単純にチャンバーにフローするだけの自然酸化プロセス又は自然窒化プロセスではなく、イオンやプラズマ状態のガスを照射することによるエネルギーを用いることが好ましい。また、m1を酸化、窒化、または酸窒化物として良好な絶縁耐性を有するものにするためには、酸化処理及び窒化処理もエネルギーを与えられた状態で形成することが好ましい。   First, in order to allow m2 to enter m1, it is necessary to provide atom transfer energy. Therefore, when performing oxidation treatment or nitriding treatment, use energy by irradiating ions or plasma state gas, not natural oxidation process or natural nitridation process that simply flows oxygen gas or nitrogen gas into the chamber. Is preferred. Further, in order to make m1 have good insulation resistance as oxidation, nitridation, or oxynitride, the oxidation treatment and nitridation treatment are preferably formed in a state where energy is applied.

このような観点から、前記酸化処理及び窒化処理は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、クリプトンなどのガスをイオン化あるいはプラズマ化し、このようなイオン化雰囲気あるいはプラズマ雰囲気中に酸素ガスや窒素ガスなどを供給し、前記雰囲気中のイオンやプラズマのアシストを受けた状態で、行うことが好ましい(第1の方法)。   From such a viewpoint, the oxidation treatment and nitridation treatment are performed by ionizing or plasmaizing a gas such as argon, xenon, helium, neon, or krypton, and supplying oxygen gas, nitrogen gas, or the like into the ionized atmosphere or plasma atmosphere. However, it is preferable to carry out the process under the assistance of ions or plasma in the atmosphere (first method).

また、上記酸化処理や窒化処理において、上述したアシストを効果的に実施するためには、以下に示すような複数の工程を実施することが好ましい。   In order to effectively perform the above-described assist in the oxidation treatment or nitridation treatment, it is preferable to perform a plurality of steps as shown below.

(I)上述した第1の方法における酸化処理あるいは窒化処理の後に、上述した希ガスのイオン、もしくはプラズマを膜表面に照射する(第2の方法)。 (I) After the oxidation treatment or nitridation treatment in the first method, the film surface is irradiated with the rare gas ions or plasma (second method).

本方法においては、上述した第1の方法における酸化処理及び窒化処理を実施した後、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、クリプトンのうち少なくともいずれかひとつの元素を含むイオン、またはプラズマを膜表面に照射する。またこれら希ガスの換わりに、酸素、または窒素ガスのイオン、またはプラズマを照射することも可能である。   In this method, after the oxidation treatment and nitridation treatment in the first method described above are performed, the film surface is irradiated with ions containing at least one element of argon, xenon, helium, neon, and krypton, or plasma. To do. Further, instead of these rare gases, oxygen or nitrogen gas ions or plasma can be irradiated.

この方法によれば、イオン照射あるいはプラズマ照射によって、上記酸化処理及び窒化処理を事後的にアシストするようになり、例えば第1の金属層m1などにさらなる移動エネルギーを付加し、均一な大きさかつ特性の電流パスを簡易に形成することができる。   According to this method, the oxidation treatment and the nitridation treatment are assisted afterwards by ion irradiation or plasma irradiation. For example, further movement energy is added to the first metal layer m1, etc. A characteristic current path can be easily formed.

(II)上述した第1の方法における酸化処理あるいは窒化処理の前に、上述した希ガスのイオン、もしくはプラズマを膜表面に照射する(第3の方法)。 (II) Before the oxidation treatment or nitridation treatment in the first method, the film surface is irradiated with the above-described rare gas ions or plasma (third method).

この場合には、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、クリプトンのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む希ガスのイオンもしくはプラズマを膜表面に照射する。この場合においても、例えば第1の金属層m1などに予め移動エネルギーを付加しておくことができ、後の酸化処理などを経ることによって均一な大きさかつ特性の電流パスを簡易に形成することができる。   In this case, the film surface is irradiated with rare gas ions or plasma containing at least one element of argon, xenon, helium, neon, and krypton. Also in this case, for example, the transfer energy can be added in advance to the first metal layer m1 or the like, and a current path having a uniform size and characteristics can be easily formed through a subsequent oxidation process or the like. Can do.

(III)上述した第1の方法における酸化処理あるいは窒化処理の前後に、上述した希ガスのイオン、もしくはプラズマを膜表面に照射する(第4の方法)。 (III) Before or after the oxidation treatment or nitridation treatment in the first method described above, the film surface is irradiated with the aforementioned rare gas ions or plasma (fourth method).

これは、上記(I)及び(II)の方法を組み合わせたものである。したがって、第1の方法における酸化処理あるいは窒化処理の後のイオンあるいはプラズマ照射は、上記(I)の場合と同様にして行うことができ、したがって、第1の方法における酸化処理あるいは窒化処理の前のイオンあるいはプラズマ照射は、上記(II)の場合と同様にして行うことができる。   This is a combination of the above methods (I) and (II). Therefore, the ion or plasma irradiation after the oxidation treatment or nitridation treatment in the first method can be performed in the same manner as in the case of the above (I), and therefore before the oxidation treatment or nitridation treatment in the first method. The ion or plasma irradiation can be performed in the same manner as in the above (II).

次に、上記のようなプロセスにおいて、(I)の酸化処理などの後に行う処理、または(II)の酸化処理など前に行う処理のイオンビーム、またはプラズマの照射条件の詳細について述べる(第2の方法〜第4の方法)。   Next, in the process as described above, the details of the ion beam or plasma irradiation conditions of the process performed after the oxidation process of (I) or the process performed before the oxidation process of (II) or the like will be described (second) Method to fourth method).

上述した希ガスをイオン化した際、あるいはプラズマ化した際には、加速電圧Vを+30〜130V、ビーム電流Ibを20〜200mA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。ここではイオンビームを用いたが、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全く同様に作成することが可能である。   When the above rare gas is ionized or converted into plasma, it is preferable to set the acceleration voltage V to +30 to 130 V and the beam current Ib to 20 to 200 mA. These conditions are significantly weaker than the conditions for ion beam etching. Although an ion beam is used here, it can be created in the same manner by using plasma such as RF plasma instead of the ion beam.

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度、膜面に平行に入射する場合を90度と定義して、0〜80度の範囲で適宜変更する。この工程による処理時間は15秒〜180秒程度が好ましく、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、CCP−CPP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〜180秒程度が最も好ましい。   The incident angle of the ion beam is defined as 0 degree when incident perpendicular to the film surface and 90 degrees when incident parallel to the film surface, and is appropriately changed within a range of 0 to 80 degrees. The treatment time in this step is preferably about 15 seconds to 180 seconds, and more preferably 30 seconds or more from the viewpoint of controllability. If the treatment time is too long, the productivity of the CCP-CPP element is inferior, which is not preferable. From these viewpoints, the treatment time is most preferably about 30 seconds to 180 seconds.

上述したようなエネルギーを有するイオンビームを照射することによって、第2の金属層m2中へ第1の金属層m1の構成原子が高い移動エネルギーを得て吸い上げられて侵入し、電流パスが生成されることになる。   By irradiating the ion beam having the energy as described above, the constituent atoms of the first metal layer m1 are sucked up and penetrated into the second metal layer m2 with high movement energy, and a current path is generated. Will be.

上述したように、第2の金属層m2としては、AlCuやAlを用いることができる。第2の金属層m2としてCuを含まないAlを用いた場合、第1の金属層m1からのCuの吸い上げだけが生じる。第2の金属層m2としては、Al以外の金属材料を用いることができる。例えば第2の金属層m2として、安定な酸化物に変換される、Si、Hf、Zr、Ti、Mg、Cr、Mo,Nb,Wなどを用いてもよい。   As described above, AlCu or Al can be used as the second metal layer m2. When Al not containing Cu is used as the second metal layer m2, only Cu suction from the first metal layer m1 occurs. For the second metal layer m2, a metal material other than Al can be used. For example, as the second metal layer m2, Si, Hf, Zr, Ti, Mg, Cr, Mo, Nb, W, or the like that is converted into a stable oxide may be used.

また、上記酸化処理をイオン、もしくはプラズマを用いた場合の詳細な条件について述べる(第1の方法及び第2の方法〜第4の方法における一ステップ)。このときのイオン、もしくはプラズマの照射条件は、加速電圧Vを+40〜200V、ビーム電流Ibを30〜300mA程度に設定することが好ましい。酸化処理時間は、15秒〜300秒程度が好ましく、20秒〜180秒程度がより好ましい。強いイオンビームを用いるときには処理時間を短くし、弱いイオンビームを用いるときには処理時間を長くする。   In addition, detailed conditions in the case where ions or plasma is used for the oxidation treatment will be described (one step in the first method and the second method to the fourth method). The ion or plasma irradiation conditions at this time are preferably set such that the acceleration voltage V is +40 to 200 V and the beam current Ib is about 30 to 300 mA. The oxidation treatment time is preferably about 15 seconds to 300 seconds, and more preferably about 20 seconds to 180 seconds. When a strong ion beam is used, the processing time is shortened, and when a weak ion beam is used, the processing time is lengthened.

酸化時の酸素暴露量の好ましい範囲は、イオン、またはプラズマを用いた酸化処理の場合には1000〜5000L(1L=1×10-6Torr×sec)、自然酸化の場合には3000〜30000Lである。 The preferable range of the oxygen exposure amount during oxidation is 1000 to 5000 L (1 L = 1 × 10 −6 Torr × sec) in the case of oxidation treatment using ions or plasma, and 3000 to 30000 L in the case of natural oxidation. is there.

上記のような適正な条件を図2で示す各工程で用いることにより、理想形体近いCCP構造を実現することが可能になる。   By using the appropriate conditions as described above in the respective steps shown in FIG. 2, it is possible to realize a CCP structure close to the ideal shape.

図2(D)において、m3、m4はそれぞれm1、m2と同一の材料でも良いし、異なっていても構わない。一般的には、同一の材料を用いることが好ましい実施形態である。具体的には、m4はCu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む金属層で形成され、m3としては、酸化、窒化されたときに良好な絶縁機能を有するAl,Si,Mg,Ti,Hf,Zr,Cr,Mo,Nb,Wのうち少なくともひとつの元素を含む材料から形成されることが好ましい。これらの単体金属でも良いし、合金材料でも構わない。   In FIG. 2D, m3 and m4 may be the same material as m1 and m2, or may be different. In general, it is a preferred embodiment to use the same material. Specifically, m4 is formed of a metal layer containing at least one element of Cu, Au, Ag, and Al, and m3 is Al, Si having a good insulating function when oxidized or nitrided. , Mg, Ti, Hf, Zr, Cr, Mo, Nb, and W are preferably formed from a material containing at least one element. These single metals or alloy materials may be used.

m3の膜厚としては、0.1〜1.5nm程度が好ましく、m4の膜厚としては、0.3〜1nm程度が好ましい。   The film thickness of m3 is preferably about 0.1 to 1.5 nm, and the film thickness of m4 is preferably about 0.3 to 1 nm.

なお、上記においては、特に酸化処理を行う場合についての詳細な条件が記載されているが、窒化処理においても類似の条件を用いることができる。   Note that, in the above, detailed conditions for the case of performing the oxidation treatment in particular are described, but similar conditions can also be used for the nitriding treatment.

図2(G)において、上部金属層17、フリー層18が成膜されるが、上部金属層17としては、CCPを構成する材料と同一でも良いし、異種材料でも構わない。望ましい形としては、Cu,Au,Ag、Alなどが望ましい実施形態である。上部金属層17の膜厚としては、0〜1nmが好ましい値である。   In FIG. 2G, the upper metal layer 17 and the free layer 18 are formed, but the upper metal layer 17 may be the same as the material constituting the CCP or may be a different material. As desirable forms, Cu, Au, Ag, Al and the like are desirable embodiments. The thickness of the upper metal layer 17 is preferably 0 to 1 nm.

図3に本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子(CCP−CPP素子)を製造するために用いられる装置の概略的な構成を示す。図3に示すように、搬送チャンバー(TC)50を中心として、ロードロックチャンバー51、プレクリーニングチャンバー52、第1の金属成膜チャンバー(MC1)53、第2の金属成膜チャンバー(MC2)54、酸化チャンバー(OC)60がそれぞれ真空バルブを介して設けられている。この装置では、真空バルブを介して接続された各チャンバーの間で、真空中において基板を搬送することができるので、基板の表面は清浄に保たれる。   FIG. 3 shows a schematic configuration of an apparatus used for manufacturing a magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, a load lock chamber 51, a pre-cleaning chamber 52, a first metal film forming chamber (MC1) 53, and a second metal film forming chamber (MC2) 54 are centered on a transfer chamber (TC) 50. Each of the oxidation chambers (OC) 60 is provided via a vacuum valve. In this apparatus, since the substrate can be transported in a vacuum between the chambers connected via the vacuum valve, the surface of the substrate is kept clean.

金属成膜チャンバー53,54は多元(5〜10元)のターゲットを有する。成膜方式は、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)法などが挙げられる。   The metal film forming chambers 53 and 54 have multi-targets (5 to 10 yuan). Examples of the film forming method include sputtering methods such as DC magnetron sputtering and RF magnetron sputtering, ion beam sputtering methods, vapor deposition methods, CVD (Chemical Vapor Deposition) methods, and MBE (Molecular Beam Epitaxy) methods.

表面酸化処理には、イオンビーム機構、RFプラズマ機構、または加熱機構を有するチャンバーを利用でき、かつ金属成膜チャンバーとは分けることが必要である。   For the surface oxidation treatment, a chamber having an ion beam mechanism, an RF plasma mechanism, or a heating mechanism can be used, and it is necessary to separate it from the metal film forming chamber.

上記真空チャンバーの典型的な真空度の値としては、10-9Torr台であり、10−8Torrの前半の値が許容できる。 A typical value of the vacuum degree of the vacuum chamber is on the order of 10 −9 Torr, and the first half value of 10 −8 Torr is acceptable.

本発明において特徴的なm1、m2、m3,m4の成膜は金属成膜チャンバー53、54のいずれかで行われ、表面酸化処理は酸化チャンバー60において行われる。m1、m2の成膜後には搬送チャンバー50を介してウェハーが酸化チャンバー60に搬送され酸化処理が行われる。その後、金属成膜チャンバー53、54のいずれかに搬送されてm3、m4が成膜されたのち、再び搬送チャンバー50を介してウェハーは酸化処理チャンバー60に搬送され、酸化処理が行われる。その後、金属成膜チャンバー53、54のいずれかに搬送されて上部金属層17、フリー層18の成膜が行われる。   The film formation of m 1, m 2, m 3 and m 4, which is characteristic in the present invention, is performed in one of the metal film formation chambers 53 and 54, and the surface oxidation treatment is performed in the oxidation chamber 60. After the deposition of m1 and m2, the wafer is transferred to the oxidation chamber 60 through the transfer chamber 50 and an oxidation process is performed. Thereafter, the m3 and m4 films are formed by being transferred to one of the metal film forming chambers 53 and 54, and then the wafer is transferred again to the oxidation processing chamber 60 through the transfer chamber 50, and the oxidation process is performed. Thereafter, the upper metal layer 17 and the free layer 18 are formed by being transferred to one of the metal film formation chambers 53 and 54.

図4は、図3に示した酸化チャンバー60の構成の一例である。ここでは酸化チャンバー60はイオンビームを有するチャンバーとなっている。図に示すように、酸化チャンバー60は真空ポンプ61によって真空引きされ、酸化チャンバー60にはマスフローコントローラー(MFC)63により流量制御された酸素ガスが酸素供給管62から導入される。酸化チャンバー60内にはイオンソース70が設けられている。イオンソースの形式は、ICP(Inductive coupled plasma)型、Capacitive coupled plasma型、ECR(Electron-cyclotron resonance)型、カウフマン型などが挙げられる。イオンソース70に対向するように基板ホルダー80および基板1が配置される。   FIG. 4 shows an example of the configuration of the oxidation chamber 60 shown in FIG. Here, the oxidation chamber 60 is a chamber having an ion beam. As shown in the figure, the oxidation chamber 60 is evacuated by a vacuum pump 61, and oxygen gas whose flow rate is controlled by a mass flow controller (MFC) 63 is introduced into the oxidation chamber 60 from an oxygen supply pipe 62. An ion source 70 is provided in the oxidation chamber 60. Examples of the ion source include ICP (Inductive coupled plasma) type, Capacitive coupled plasma type, ECR (Electron-cyclotron resonance) type, and Kaufmann type. The substrate holder 80 and the substrate 1 are arranged so as to face the ion source 70.

イオンソース70からのイオン放出口には、イオン加速度を調整する3枚のグリッド71、72、73が設けられている。イオンソース70の外側にはイオンを中和するニュートラライザ74が設けられている。基板ホルダー80は傾斜可能に支持されている。基板1へのイオンの入射角度は広い範囲で変えることができるが、典型的な入射角度の値は15°〜60°である。   Three grids 71, 72, and 73 that adjust ion acceleration are provided at the ion emission port from the ion source 70. A neutralizer 74 for neutralizing ions is provided outside the ion source 70. The substrate holder 80 is supported to be tiltable. Although the incident angle of ions on the substrate 1 can be varied in a wide range, a typical incident angle value is 15 ° to 60 °.

この酸化チャンバー60において、Arなどのイオンビームを基板1に照射することにより、イオンを用いた表面酸化処理に伴うエネルギーアシストを行うことができ、酸素供給管62から酸素ガスを供給しながらArなどのイオンビームを基板1に照射することにより金属層から酸化層への変換を行うことができる。   In this oxidation chamber 60, by irradiating the substrate 1 with an ion beam of Ar or the like, energy assist associated with the surface oxidation treatment using ions can be performed, and Ar or the like while supplying oxygen gas from an oxygen supply pipe 62. By irradiating the substrate 1 with this ion beam, conversion from the metal layer to the oxide layer can be performed.

ここでは酸化チャンバーとしてイオンビームを有するチャンバーだが、RFプラズマチャンバーなどでも全く同等の効果を有する。いずれにしても前述のように、表面酸化処理においてはエネルギーを与える処理を行うことが必要なので、イオン、もしくはプラズマを発生することができるチャンバーにおいて表面酸化処理を行うことが必要となる。   Here, the chamber has an ion beam as an oxidation chamber, but an RF plasma chamber or the like has exactly the same effect. In any case, as described above, in the surface oxidation process, it is necessary to perform a process for applying energy. Therefore, it is necessary to perform the surface oxidation process in a chamber capable of generating ions or plasma.

また、エネルギーを与えるための手段として、加熱処理を行うことも可能である。この場合には、100℃〜300℃の温度で数十秒から数分程度の処理を行うなどがある。この処理を表面酸化処理の一環として行うこともできる。   Further, heat treatment can be performed as a means for applying energy. In this case, the treatment is performed for several tens of seconds to several minutes at a temperature of 100 ° C. to 300 ° C. This treatment can also be performed as part of the surface oxidation treatment.

(磁気抵抗効果素子の製造方法の全体的説明)
以下、磁気抵抗効果素子の製造方法の全体について、図1を用いて詳細に説明する。
(Overall description of manufacturing method of magnetoresistive effect element)
Hereinafter, the whole manufacturing method of a magnetoresistive effect element is demonstrated in detail using FIG.

最初に、基板(図示せず)上に、下電極11、下地層12、ピニング層13、ピン層14、下部金属層15、スペーサ層16、上部金属層17、フリー層18、キャップ層19、上電極20を順に形成する。   First, on a substrate (not shown), a lower electrode 11, an underlayer 12, a pinning layer 13, a pin layer 14, a lower metal layer 15, a spacer layer 16, an upper metal layer 17, a free layer 18, a cap layer 19, The upper electrode 20 is formed in order.

次いで、図3のような装置構成を用いて、基板をロードロックチャンバー51にセットし、金属の成膜を金属成膜チャンバー53または54で、酸化を酸化物層・窒化物層形成チャンバー60でそれぞれ行う。金属成膜チャンバーの到達真空度は1×10−8Torr以下とすることが好ましく、5×10−10Torr〜5×10−9Torr程度が一般的である。搬送チャンバー50の到達真空度は10−9Torrオーダーである。酸化物層・窒化物層形成チャンバー60の到達真空度は8×10−8Torr以下である。 Next, using the apparatus configuration as shown in FIG. 3, the substrate is set in the load lock chamber 51, the metal film formation is performed in the metal film formation chamber 53 or 54, and the oxidation is performed in the oxide layer / nitride layer formation chamber 60. Do each. The ultimate vacuum of the metal film forming chamber is preferably 1 × 10 −8 Torr or less, and generally about 5 × 10 −10 Torr to 5 × 10 −9 Torr. The ultimate vacuum of the transfer chamber 50 is on the order of 10 −9 Torr. The ultimate vacuum of the oxide layer / nitride layer forming chamber 60 is 8 × 10 −8 Torr or less.

(1)下地層12の形成
基板(図示せず)上に、下電極11を微細加工プロセスによって前もって形成しておく。下電極11上に、下地層12として、例えば、Ta[5nm]/Ru[2nm]を成膜する。既述のように、Taは下電極の荒れを緩和したりするためのバッファ層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。
(1) Formation of the underlayer 12 The lower electrode 11 is formed in advance on a substrate (not shown) by a microfabrication process. On the lower electrode 11, for example, Ta [5 nm] / Ru [2 nm] is formed as the base layer 12. As described above, Ta is the buffer layer 12a for reducing the roughness of the lower electrode. Ru is a seed layer 12b for controlling the crystal orientation and crystal grain size of the spin valve film formed thereon.

(2)ピニング層13の形成
下地層12上にピニング層13を成膜する。ピニング層13の材料としては、PtMn、PdPtMn、IrMn、RuRhMnなどの反強磁性材料を用いることができる。
(2) Formation of Pinning Layer 13 The pinning layer 13 is formed on the underlayer 12. As a material of the pinning layer 13, an antiferromagnetic material such as PtMn, PdPtMn, IrMn, RuRhMn can be used.

(3)ピン層14の形成
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(Co90Fe10)、磁気結合層142(Ru)、および上部ピン層143(Co90Fe10[4nm])からなるシンセティックピン層とすることができる。
(3) Formation of Pinned Layer 14 The pinned layer 14 is formed on the pinning layer 13. The pinned layer 14 can be, for example, a synthetic pinned layer including a lower pinned layer 141 (Co 90 Fe 10 ), a magnetic coupling layer 142 (Ru), and an upper pinned layer 143 (Co 90 Fe 10 [4 nm]). .

(4)スペーサ層16の形成
次に、電流狭窄構造(CCP構造)を有するスペーサ層(CCP−NOL)16を形成する。ここが本発明において最も特徴的な工程であるため以下詳細に説明する。
(4) Formation of Spacer Layer 16 Next, a spacer layer (CCP-NOL) 16 having a current confinement structure (CCP structure) is formed. Since this is the most characteristic process in the present invention, it will be described in detail below.

まず、スペーサ層16を形成するには、ピン14までを金属成膜チャンバーで成膜した後に、酸化物層・窒化物層形成チャンバー60に搬送され、60にて処理を行う。   First, in order to form the spacer layer 16, the layers up to the pins 14 are formed in a metal film forming chamber, then transferred to the oxide layer / nitride layer forming chamber 60, and processed at 60.

ここで、スペーサ層16の望ましい形体について述べる。スペーサ層16として、比較的厚めのスペーサ層16を実現することが望ましい。その理由として、メリットと絶縁層膜厚が厚くなることによって、電流パス層以外の本来ならば絶縁層として機能しなければならない領域にリーク電流が流れることを完全に抑制することができ、CCP効果をより強く発揮し、より強固な信頼性を実現することができることがある。また、絶縁層膜厚が厚くなることで、絶縁層の絶縁耐圧が向上するため、ESD(Electric Static Discharge)などの静電破壊耐性を向上させることが可能となる。ESD耐圧が高いことは、ヘッドをHDDに組むときの歩留まりを向上させることにつながる。   Here, a desirable shape of the spacer layer 16 will be described. It is desirable to realize a relatively thick spacer layer 16 as the spacer layer 16. The reason for this is that the increase in the merit and the thickness of the insulating layer can completely prevent the leakage current from flowing in a region that should otherwise function as an insulating layer other than the current path layer, and the CCP effect. It is possible to achieve stronger reliability and realize stronger reliability. Further, since the insulation breakdown voltage of the insulating layer is improved by increasing the thickness of the insulating layer, it is possible to improve resistance to electrostatic breakdown such as ESD (Electric Static Discharge). A high ESD withstand voltage leads to an improvement in yield when the head is assembled to the HDD.

このように信頼性性能が大きく向上することは、HDD生産のときのみならず、あらゆる状況における破壊、熱的な耐性をも向上させることができるので、高信頼性が必要とされる、サーバーや、エンタープライズ用途のヘッドとして適したものとなる。単に記録密度を向上させるだけでない高信頼性のヘッドは、HDDの用途が広がっている近年の状況ではますます重要になってくる。ヘッドの寿命が長くなることは、HDDの使用環境を広げるということで非常に重要になってくる。このような高信頼性のヘッドは、熱的環境が厳しいカーナビゲーション用のHDDとしても非常に有効である。   Such a significant improvement in reliability performance can improve not only the HDD production but also the destruction and thermal resistance in every situation, so servers and high reliability are required. It will be suitable as a head for enterprise use. High-reliability heads that do not simply improve recording density are becoming increasingly important in the recent situation where HDD applications are expanding. Increasing the life of the head is very important in expanding the usage environment of the HDD. Such a highly reliable head is very effective as an HDD for car navigation where the thermal environment is severe.

もちろん、このような高信頼性を有するヘッドは、上記のような高付加価値のHDDだけでなく、民生用途として使用される通常のパソコン、携帯型音楽プレーヤー、携帯電話などのHDDとして用いることができる。   Of course, such a highly reliable head is used not only as a high value-added HDD as described above, but also as an HDD for ordinary personal computers, portable music players, mobile phones and the like used for consumer use. it can.

なお、上述のように、比較的厚い膜厚のスペーサ層を形成することが望ましいが、実現するプロセスは容易ではない。従来のスペーサ層16の形成方法としては例えば、特願2004−233641などがある。しかしながら、従来のプロセスにおいては厚いスペーサ層を形成することは困難を伴う。それはm1をm2中に吸い上げさせるという工程を考えると、厚い膜厚では膜表面からのエネルギー処理が届かなくなってしまうことは容易に想像される。   As described above, it is desirable to form a relatively thick spacer layer, but the realization process is not easy. As a conventional method for forming the spacer layer 16, there is, for example, Japanese Patent Application No. 2004-233641. However, it is difficult to form a thick spacer layer in the conventional process. Considering the process of sucking up m1 into m2, it is easily imagined that energy treatment from the film surface cannot be reached at a thick film thickness.

一方、十分なエネルギーを与えるためにイオンビーム、プラズマのエネルギーを大きくしすぎると、今度はエッチングされて削れてしまい、m1をm2に吸い上げるのではなく、単にm2をエッチングして削る、もっと極端な場合は、m2、m1ともにエッチングされてなくなってしまうということになってしまう。これでは、エネルギーアシストの効果は全くなくなってしまう。   On the other hand, if the energy of the ion beam or plasma is increased too much in order to give enough energy, this time, the etching will be etched away, and m1 will not be sucked up to m2, but it will be etched by m2 instead. In this case, both m2 and m1 are not etched. In this case, the energy assist effect is completely lost.

以上のことから、厚いスペーサ層16を従来のプロセスで形成することは困難を伴うことがわかる。   From the above, it can be seen that it is difficult to form the thick spacer layer 16 by a conventional process.

一方、薄いスペーサ層16を形成することは比較的容易であるが、それでは十分なCCP機能を発揮しない。例えば、本来絶縁層として機能しなければならない部分にトンネル電流も流れ、これはリーク電流となってしまう。また、絶縁層膜厚が薄いと、絶縁耐圧を弱くなるので、ESDなどにも弱く、製造工程上いろいろな工夫が必要になり、歩留まりの低下を引き起こしてしまう。   On the other hand, although it is relatively easy to form the thin spacer layer 16, it does not exhibit a sufficient CCP function. For example, a tunnel current also flows through a portion that should originally function as an insulating layer, which becomes a leak current. In addition, when the insulating layer is thin, the withstand voltage is weakened, so that it is weak against ESD, and various measures are required in the manufacturing process, resulting in a decrease in yield.

このように、従来プロセスにおいては、実用上は十分な機能を発揮するものの、より高信頼性が要求される用途や、製造上の歩留まりをより向上させるという観点においては、より高信頼性を有するヘッドが必要とされている。   As described above, although the conventional process exhibits a sufficient function in practical use, it has higher reliability in terms of applications that require higher reliability and in terms of further improving the manufacturing yield. A head is needed.

このような問題を解決するために、上述したような本発明の製造方法を用いることによって、スペーサ層を構成する絶縁層の膜厚が増大し、前記スペーサ層中に形成された電流パス層以外の、本来的に絶縁層として機能すべき領域にリーク電流が流れることを完全に抑制することができるようになる。この結果、CCP効果をより強く発揮し、より強固な信頼性を実現することができる。また、絶縁層膜厚が厚くなることで、絶縁層の絶縁耐圧が向上するため、ESD(Electric Static Discharge)などの静電破壊耐性を向上させることが可能となる。   In order to solve such a problem, the thickness of the insulating layer constituting the spacer layer is increased by using the manufacturing method of the present invention as described above, and other than the current path layer formed in the spacer layer. Thus, it is possible to completely suppress the leakage current from flowing through the region that should function as the insulating layer. As a result, the CCP effect can be exerted more strongly and stronger reliability can be realized. Further, since the insulation breakdown voltage of the insulating layer is improved by increasing the thickness of the insulating layer, it is possible to improve resistance to electrostatic breakdown such as ESD (Electric Static Discharge).

本発明によるスペーサ層16を形成するには、図2のようなステップを用いる。ここでは、アモルファス構造を有するAl23からなる絶縁層161中に金属結晶構造を有するCuからなる電流パス162を含むスペーサ層16を形成する場合を例に具体的に説明する。 To form the spacer layer 16 according to the present invention, steps as shown in FIG. 2 are used. Here, the case where the spacer layer 16 including the current path 162 made of Cu having a metal crystal structure is formed in the insulating layer 161 made of Al 2 O 3 having an amorphous structure will be specifically described.

最初に、上部ピン層143上に、電流パスの供給源となる金属層m1(例えばCu)を成膜した後、下部金属層m1上に絶縁層161の一部として変換される被酸化金属層m2(例えばAlCuやAl)を成膜する。   First, after a metal layer m1 (for example, Cu) serving as a current path supply source is formed on the upper pinned layer 143, an oxidized metal layer that is converted as a part of the insulating layer 161 on the lower metal layer m1. m2 (for example, AlCu or Al) is deposited.

次いで、被酸化金属層に対して変換処理を行う。この変換処理は、上述のような酸化処理あるいは窒化処理を経て行うことができる。また、このような変換処理は複数のステップを経て実施するようにすることができる。例えば、変換処理の第1ステップとして、希ガス(例えばAr)のイオンビームを照射する。この前処理をPIT(Pre-ion treatment)という。このPITの結果、被酸化金属層中に下部金属層の一部が吸い上げられて侵入した状態になる。エネルギー処理を行うための手段としてPITは有効である。   Next, a conversion process is performed on the metal layer to be oxidized. This conversion process can be performed through the oxidation process or the nitridation process as described above. Further, such conversion processing can be performed through a plurality of steps. For example, as a first step of the conversion process, an ion beam of a rare gas (eg, Ar) is irradiated. This pretreatment is called PIT (Pre-ion treatment). As a result of this PIT, a part of the lower metal layer is sucked and invaded into the metal layer to be oxidized. PIT is effective as a means for performing energy processing.

なお、上記エネルギーを与える別の手段として、膜表面を加熱するなどの手段も有効である。このときは、100〜300℃程度で加熱する手段などがある。また、前述のように、酸素ガスを用いて酸化膜への変換を行った後に、Arなどの希ガスを用いてエネルギー処理を行う方法でもよい。この後処理をAIT(After-ion treatment)と呼ぶ。   As another means for providing the energy, a means such as heating the film surface is also effective. At this time, there are means for heating at about 100 to 300 ° C. Further, as described above, a method of performing energy treatment using a rare gas such as Ar after conversion to an oxide film using oxygen gas may be used. This post-treatment is called AIT (After-ion treatment).

また、上述したPITなどに加えて、本例では上記イオンビームなどの存在下に酸素ガスや窒素ガスなどを供給し、エネルギーアシストを得た状態で酸化処理あるいは窒化処理を行う。これらの処理が本発明の本流であり、例えばIAO(Ion−beam assisted oxidation)などと呼ぶ。   In addition to the above-described PIT and the like, in this example, oxygen gas or nitrogen gas is supplied in the presence of the ion beam or the like, and oxidation or nitridation is performed with energy assistance. These processes are the main stream of the present invention, and are called, for example, IAO (Ion-beam assisted oxidation).

上記のような処理を経ることによって、第1の金属層m1のCuがAlCu層中へ吸い上げられ、第2の金属層m2が金属状態から絶縁層状態へと変換される。   Through the above-described treatment, Cu in the first metal layer m1 is sucked into the AlCu layer, and the second metal layer m2 is converted from the metal state to the insulating layer state.

PIT,およびAITでは、加速電圧30〜150V、ビーム電流20〜200mA、処理時間30〜180秒の条件でArイオンを照射する。上記加速電圧の中でも、40〜60Vの電圧範囲が好ましい。これよりも高い電圧範囲の場合には、PITやAIT後の表面荒れ等の影響により、MR変化率の低下が生じる場合がある。また、電流値としては、30〜80mAの範囲、照射時間として、60秒から150秒の範囲を利用できる。   In PIT and AIT, Ar ions are irradiated under conditions of an acceleration voltage of 30 to 150 V, a beam current of 20 to 200 mA, and a processing time of 30 to 180 seconds. Among the acceleration voltages, a voltage range of 40 to 60 V is preferable. In the case of a voltage range higher than this, the MR change rate may decrease due to the influence of surface roughness after PIT or AIT. Further, the current value can be in the range of 30 to 80 mA, and the irradiation time can be in the range of 60 to 150 seconds.

また、PITやAIT処理の換わりに、AlCuやAlなどの絶縁層161の一部として変換される前の金属層をバイアススパッタで形成する手法もある。この場合には、バイアススパッタのエネルギーは、DCバイアスの場合には30〜200V、RFバイアスの場合には30〜200Wとすることができる。   There is also a method of forming a metal layer before being converted as a part of the insulating layer 161 such as AlCu or Al by bias sputtering instead of the PIT or AIT processing. In this case, the energy of bias sputtering can be 30 to 200 V in the case of DC bias, and 30 to 200 W in the case of RF bias.

なお、IAOでは、加速電圧40〜200V、ビーム電流30〜200mA、処理時間15〜300秒の条件でArイオンを照射する。上記加速電圧の中でも、50〜100Vの電圧範囲が好ましい。加速電圧がこれよりも高いと、PIT後の表面荒れ等の影響により、MR変化率の低下が生じる可能性がある。また、ビーム電流として、40〜100mA、照射時間として、30秒〜180秒を採用できる。   In IAO, Ar ions are irradiated under conditions of an acceleration voltage of 40 to 200 V, a beam current of 30 to 200 mA, and a processing time of 15 to 300 seconds. Among the acceleration voltages, a voltage range of 50 to 100 V is preferable. If the acceleration voltage is higher than this, there is a possibility that the MR change rate is lowered due to the influence of surface roughness after PIT. In addition, a beam current of 40 to 100 mA and an irradiation time of 30 to 180 seconds can be adopted.

IAOでの酸化時の酸素供給量としては、1000〜3000Lが好ましい範囲である。IAO時にAlだけでなく、下部磁性層(ピン層14)まで酸化されると、CCP−CPP素子の耐熱性、信頼性が低下するので好ましくない。信頼性向上のために、スペーサ層16の下部に位置する磁性層(ピン層14)が酸化されず、メタル状態であることが重要である。これを実現するためには酸素供給量を上記範囲とすることが必要である。   The oxygen supply amount during oxidation with IAO is preferably in the range of 1000 to 3000 L. Oxidation not only to Al but also to the lower magnetic layer (pinned layer 14) during IAO is not preferable because the heat resistance and reliability of the CCP-CPP element deteriorate. In order to improve reliability, it is important that the magnetic layer (pinned layer 14) located below the spacer layer 16 is not oxidized and is in a metal state. In order to realize this, it is necessary to set the oxygen supply amount within the above range.

また、供給された酸素によって安定な酸化物を形成するために、イオンビームを基板表面に照射している間だけ、酸素ガスをフローしていることが望ましい。即ち、イオンビームを基板表面に照射していないときは、酸素ガスをフローしないことが望ましい。   In addition, in order to form a stable oxide with the supplied oxygen, it is desirable that oxygen gas is flowed only while the surface of the substrate is irradiated with an ion beam. That is, it is desirable not to flow oxygen gas when the substrate surface is not irradiated with an ion beam.

上述のような処理を経た後、例えば、Alからなる絶縁層161とCuからなる電流パス162とを有するスペーサ層16の一部が形成される。Alが酸化されやすく、Cuが酸化されにくいという、酸化エネルギーの差を利用した処理である。 After the processing as described above, for example, a part of the spacer layer 16 having the insulating layer 161 made of Al 2 O 3 and the current path 162 made of Cu is formed. This is a process that utilizes the difference in oxidation energy that Al is easily oxidized and Cu is not easily oxidized.

以上のプロセスまでについては、特願2004−233641と同様であるが、本発明においては、より理想形態に近いCCP構造を実現するために、m1、m2の膜厚ともに薄い膜厚を用いる。薄くすることで、より容易に良好な形態のCCP構造を実現することが可能となるからである。   The processes up to the above are the same as in Japanese Patent Application No. 2004-233641, but in the present invention, in order to realize a CCP structure closer to the ideal form, both the thicknesses m1 and m2 are thin. This is because it is possible to realize a CCP structure in a good form more easily by reducing the thickness.

具体的なm1の膜厚としては、0.1〜1.5nm程度が好ましく、m2の膜厚としては、0.3〜1nm程度が好ましい。   The specific film thickness of m1 is preferably about 0.1 to 1.5 nm, and the film thickness of m2 is preferably about 0.3 to 1 nm.

電流パスを形成する第1の金属層m1(下部金属層15)の材料として、Cuの代わりに、Au、Ag、Alや、少なくともこれらの元素のうちひとつを含む金属を用いてもよい。ただし、Au、Agに比べて、Cuの方が熱処理に対する安定性が高く、好ましい。第1の金属層m1の材料として、これらの非磁性材料の代わりに、磁性材料を用いてもよい。磁性材料としては、Co、Fe、Niや、これらの合金が挙げられる。   As a material of the first metal layer m1 (lower metal layer 15) forming the current path, Au, Ag, Al, or a metal containing at least one of these elements may be used instead of Cu. However, Cu is more preferable than Au and Ag because of its higher stability to heat treatment. As a material of the first metal layer m1, a magnetic material may be used instead of these nonmagnetic materials. Examples of the magnetic material include Co, Fe, Ni, and alloys thereof.

第2の金属層m2にAl90Cu10を用いると、PIT工程中に、第1の金属層m1の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。即ち、第1、第2の金属層m2の双方から電流パス162が形成される。PIT工程後にイオンビームアシスト酸化を行った場合には、イオンビームによるアシスト効果によってAlとCuの分離が促進されつつ酸化が進行する。 When Al 90 Cu 10 is used for the second metal layer m2, not only Cu in the first metal layer m1 is sucked up during the PIT process, but also Cu in the AlCu is separated from Al. That is, the current path 162 is formed from both the first and second metal layers m2. When ion beam assisted oxidation is performed after the PIT process, the oxidation proceeds while the separation of Al and Cu is promoted by the assist effect of the ion beam.

第2の金属層m2として、Al90Cu10の代わりに、電流パス162の構成材料であるCuを含まないAl単金属を用いてもよい。この場合、電流パス162の構成材料となるCuは下地の第1の金属層m1からのみ供給される。第2の金属層m2としてAlCuを用いた場合、PIT工程中に第2の金属層m2からも電流パス162の材料であるCuが供給される。このため、厚い絶縁層161を形成する場合でも、比較的容易に電流パス162を形成することができる。第2の金属層m2としてAlを用いた場合、酸化により形成されるAlにCuが混入しにくくなるため、耐圧の高いAlを形成しやすい。Al、AlCuそれぞれのメリットがあるので、状況に応じて使い分けられる。 As the second metal layer m2, an Al single metal that does not contain Cu, which is a constituent material of the current path 162, may be used instead of Al 90 Cu 10 . In this case, Cu as a constituent material of the current path 162 is supplied only from the first metal layer m1 as a base. When AlCu is used as the second metal layer m2, Cu that is the material of the current path 162 is also supplied from the second metal layer m2 during the PIT process. For this reason, even when the thick insulating layer 161 is formed, the current path 162 can be formed relatively easily. When Al is used as the second metal layer m2, Cu is less likely to be mixed into Al 2 O 3 formed by oxidation, so that Al 2 O 3 with a high breakdown voltage can be easily formed. Since there are merits of Al and AlCu, they can be used properly according to the situation.

第2の金属層m2の膜厚は、AlCu、Alの場合には0.3〜1nm程度が好ましい。この膜厚範囲はm1、m2のみでスペーサ層16を形成しようとしたときには薄すぎるといえる膜厚範囲も含んでいる。例えば、0.3nmのAlを用いた場合には、これだけでスペーサ層16の形成を終えたとしたら、不十分な膜厚である。しかしながら、後に述べるように、もう一度別のプロセスによってスペーサ層16を形成し、本ステップまではスペーサ層16の一部を形成したのみであるので、上記のような薄い膜厚はCCPを形成するという観点では望ましい範囲となる。   The film thickness of the second metal layer m2 is preferably about 0.3 to 1 nm in the case of AlCu or Al. This film thickness range includes a film thickness range that can be said to be too thin when the spacer layer 16 is formed only by m1 and m2. For example, in the case of using 0.3 nm of Al, if the formation of the spacer layer 16 is completed only by this, the film thickness is insufficient. However, as will be described later, since the spacer layer 16 is formed again by another process and only a part of the spacer layer 16 is formed up to this step, the thin film thickness as described above forms CCP. This is a desirable range from the viewpoint.

第2の金属層m2としてのAlCuは、AlxCu100-x(x=100〜70%)で表される組成を有するものが好ましい。AlCuには、Ti、Hf、Zr、Nb、Mg、Mo、Siなどの元素を添加してもよい。この場合、添加元素の組成は2〜30%程度が好ましい。これらの元素を添加すると、CCP構造の形成が容易になる可能性がある。また、Alの絶縁層161とCuの電流パス162との境界領域にこれらの添加元素が他の領域よりリッチに分布すると、絶縁層161と電流パス162との密着性が向上して、エレクトロマイグレーション(electro-migration)耐性が向上する可能性がある。 The AlCu as the second metal layer m2 preferably has a composition represented by AlxCu100-x (x = 100 to 70%). Elements such as Ti, Hf, Zr, Nb, Mg, Mo, and Si may be added to AlCu. In this case, the composition of the additive element is preferably about 2 to 30%. When these elements are added, the formation of the CCP structure may be facilitated. Further, when these additive elements are distributed more richly in the boundary region between the Al 2 O 3 insulating layer 161 and the Cu current path 162 than in other regions, the adhesion between the insulating layer 161 and the current path 162 is improved. Electro-migration resistance may be improved.

CCP−CPP素子においては、スペーサ層16の金属電流パスに流れる電流の密度が10〜1010A/cmもの巨大な値になる。このため、エレクトロマイグレーション耐性が高く、電流通電時のCu電流パス162の安定性を確保できることが重要である。ただし、適切なCCP構造が形成されれば、第2の金属層m2に元素を加えなくても十分良好なエレクトロマイグレーション耐性を実現できる。 In the CCP-CPP element, the density of the current flowing through the metal current path of the spacer layer 16 is a huge value of 10 7 to 10 10 A / cm 2 . For this reason, it is important that the electromigration resistance is high and the stability of the Cu current path 162 during current application can be ensured. However, if an appropriate CCP structure is formed, sufficiently good electromigration resistance can be realized without adding an element to the second metal layer m2.

第2の金属層m2の材料は、Alを形成するためのAl合金に限らず、Hf、Mg、Zr、Ti、Ta、Mo、W、Nb、Siなどを主成分とする合金でもよい。また、第2の金属層m2から変換される絶縁層161は、酸化物に限らず、窒化物や酸窒化物でもよい。 The material of the second metal layer m2 is not limited to an Al alloy for forming Al 2 O 3, but may be an alloy containing Hf, Mg, Zr, Ti, Ta, Mo, W, Nb, Si, or the like as a main component. Good. The insulating layer 161 converted from the second metal layer m2 is not limited to an oxide, and may be a nitride or an oxynitride.

第2の金属層m2としてどのような材料を用いた場合にも、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されたときの膜厚は0.8〜3.5nm程度が好ましい。   Whatever material is used for the second metal layer m2, the film thickness at the time of film formation is preferably 0.5 to 2 nm, and the film thickness when converted to oxide, nitride or oxynitride Is preferably about 0.8 to 3.5 nm.

絶縁層161は、それぞれ単体の元素を含む酸化物だけでなく、合金材料の酸化物、窒化物、酸窒化物でもよい。例えば、Alを母材として、Ti、Mg,Zr,Ta,Mo,W,Nb,Siなどのいずれか一つの元素、もしくはAlに複数の元素を0〜50%含有する材料の酸化物なども用いることができる。 The insulating layer 161 may be not only an oxide containing a single element but also an oxide, nitride, or oxynitride of an alloy material. For example, using Al 2 O 3 as a base material, oxidation of any one element such as Ti, Mg, Zr, Ta, Mo, W, Nb, Si, or a material containing 0 to 50% of a plurality of elements in Al Things can also be used.

また、第3の金属層m3は0.3〜1.0nmが好ましく、第4の金属層m4は0.1〜1.5nmが好ましい。この第3の金属層m3及び第4の金属層m4に対しても上述した場合と同様の変換処理を行う。第3の金属層m3はAlCuやAlから構成することができ、第4の金属層m4はCuなどから構成することができる。   The third metal layer m3 is preferably 0.3 to 1.0 nm, and the fourth metal layer m4 is preferably 0.1 to 1.5 nm. The same conversion process as described above is performed on the third metal layer m3 and the fourth metal layer m4. The third metal layer m3 can be composed of AlCu or Al, and the fourth metal layer m4 can be composed of Cu or the like.

以上のように、本例では、第1の金属層m1及び第2の金属層m2、並びに第3の金属層m3及び第4の金属層m4に対してそれぞれ変換処理を、2段階の変換処理でスペーサ層を構成するようにしている。したがって、前記スペーサ層を比較的厚いCCP構造を呈するものとして構成することができる。   As described above, in this example, the conversion process is performed on the first metal layer m1 and the second metal layer m2, and the third metal layer m3 and the fourth metal layer m4, respectively. The spacer layer is made up of. Therefore, the spacer layer can be configured to exhibit a relatively thick CCP structure.

また、上記具体例では、変換処理を2段階で実施しているが、当然に3段階以上の変換処理を実施してCCP型のスペーサ層を形成するようにすることができる。しかしながら、現状要求されるCPP構造型の磁気抵抗効果素子においては、上述した2段階の変換処理を経るのみで目的とする特性のCPP構造型の磁気抵抗効果素子を得ることができる。   In the above specific example, the conversion process is performed in two stages, but naturally, the conversion process of three or more stages may be performed to form a CCP type spacer layer. However, in the CPP structure type magnetoresistive effect element that is currently required, a CPP structure type magnetoresistive effect element having the desired characteristics can be obtained only through the two-step conversion process described above.

(5)上部金属層17、フリー層18の形成
次いで、スペーサ層16の上に、上部金属層17として、例えば、Cu[0.25nm]を成膜する。好ましい膜厚範囲は、0.2〜1.0nm程度である。0.25nm程度を用いると、フリー層18の結晶性を向上しやすいというメリットがある。ただし、この上部金属層は場合によっては必ずしも形成しなくても構わない。
(5) Formation of Upper Metal Layer 17 and Free Layer 18 Next, for example, Cu [0.25 nm] is deposited on the spacer layer 16 as the upper metal layer 17. A preferable film thickness range is about 0.2 to 1.0 nm. When about 0.25 nm is used, there is an advantage that the crystallinity of the free layer 18 is easily improved. However, this upper metal layer may not necessarily be formed in some cases.

上部金属層17の上に、フリー層18、例えば、Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]を形成する。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。CoFe合金のなかでも特に軟磁気特性が安定なCo90Fe10[1nm]を用いることができる。他の組成でも、CoFe合金は用いることができる。 On the upper metal layer 17, a free layer 18, for example, Co 90 Fe 10 [1 nm] / Ni 83 Fe 17 [3.5 nm] is formed. In order to obtain a high MR ratio, selection of the magnetic material of the free layer 18 located at the interface with the spacer layer 16 is important. In this case, it is preferable to provide a CoFe alloy at the interface with the spacer layer 16 rather than a NiFe alloy. Among CoFe alloys, Co 90 Fe 10 [1 nm] having particularly stable soft magnetic properties can be used. CoFe alloys can also be used with other compositions.

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。他の組成のCoFe合金(例えば、Co50Fe50)を用いる場合、膜厚を0.5〜2nmとすることが好ましい。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、例えば、Fe50Co50(もしくは、FexCo100-x(x=45〜85))を用いた場合には、フリー層18としての軟磁性を維持するために、ピン層14のような厚い膜厚は使用困難である。このため、0.5〜1nmが好ましい膜厚範囲である。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。 When a CoFe alloy near Co 90 Fe 10 is used, the film thickness is preferably 0.5 to 4 nm. When using a CoFe alloy having another composition (for example, Co 50 Fe 50 ), the film thickness is preferably 0.5 to 2 nm. When, for example, Fe 50 Co 50 (or FexCo100-x (x = 45 to 85)) is used for the free layer 18 in order to increase the spin-dependent interface scattering effect, soft magnetism as the free layer 18 is used. Therefore, it is difficult to use a thick film such as the pinned layer 14. For this reason, 0.5-1 nm is a preferable film thickness range. When Fe containing no Co is used, since the soft magnetic characteristics are relatively good, the film thickness can be set to about 0.5 to 4 nm.

CoFe層の上に設けられるNiFe層は、軟磁性特性が安定な材料からなる。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る。NiFeをフリー層18として用いることは、スペーサ層16との界面に高MR変化率を実現できる材料が使用可能となり、スピンバルブ膜のトータル特性上好ましい。   The NiFe layer provided on the CoFe layer is made of a material having a stable soft magnetic property. The soft magnetic property of the CoFe alloy is not so stable, but the soft magnetic property can be supplemented by providing the NiFe alloy thereon. The use of NiFe as the free layer 18 makes it possible to use a material that can realize a high MR ratio at the interface with the spacer layer 16, and is preferable in terms of the total characteristics of the spin valve film.

NiFe合金の組成は、NixFe100-x(x=78〜85%程度)が好ましい。ここで、通常用いるNiFeの組成Ni81Fe19よりも、Niリッチな組成(例えば、Ni83Fe17)を用いることが好ましい。これはゼロ磁歪を実現するためである。CCP構造のスペーサ層16上に成膜されたNiFeでは、メタルCu製のスペーサ層上に成膜されたNiFeよりも、磁歪がプラス側にシフトする。プラス側への磁歪のシフトをキャンセルするために、Ni組成が通常よりも多い、負側のNiFe組成を用いている。 The composition of the NiFe alloy is preferably NixFe100-x (x = about 78 to 85%). Here, it is preferable to use a Ni-rich composition (for example, Ni 83 Fe 17 ) rather than the commonly used NiFe composition Ni 81 Fe 19 . This is to realize zero magnetostriction. In the NiFe film formed on the spacer layer 16 having the CCP structure, the magnetostriction shifts to the positive side as compared with the NiFe film formed on the metal Cu spacer layer. In order to cancel the shift of magnetostriction to the plus side, a negative NiFe composition having a larger Ni composition than usual is used.

NiFe層のトータル膜厚は2〜5nm程度(例えば、3.5nm)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。   The total film thickness of the NiFe layer is preferably about 2 to 5 nm (for example, 3.5 nm). When the NiFe layer is not used, a free layer 18 in which a plurality of CoFe layers or Fe layers of 1 to 2 nm and ultrathin Cu layers of about 0.1 to 0.8 nm are alternately stacked may be used.

(6)キャップ層19、および上電極20の形成
フリー層18の上に、キャップ層19として例えば、Cu[1nm]/Ru[10nm]を積層する。キャップ層19の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極20を形成する。
(6) Formation of Cap Layer 19 and Upper Electrode 20 For example, Cu [1 nm] / Ru [10 nm] is laminated on the free layer 18 as the cap layer 19. An upper electrode 20 is formed on the cap layer 19 to vertically apply current to the spin valve film.

(実施例1)
以下、本発明の実施例につき説明する。以下に、本発明の実施例に係る磁気抵抗効果膜10の構成を表す。
Example 1
Examples of the present invention will be described below. Below, the structure of the magnetoresistive effect film | membrane 10 based on the Example of this invention is represented.

・下電極11
・下地層12:Ta[3nm]/Ru[2nm]
・ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
・ピン層14:Co90Fe10[3.6nm]/Ru[0.9nm]/(Fe50Co
50[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe50Co50[1nm]
・金属層15:Cu[0.1nm]
・スペーサ層(CCP−NOL)16:Alの絶縁層161およびCuの電流パス162
・金属層17:Cu[0.25nm]
・フリー層18:Co90Fe10[1nm]/Ni83Fe17[3.5nm]
・キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
・上電極20。
Lower electrode 11
・ Underlayer 12: Ta [3 nm] / Ru [2 nm]
Pinning layer 13: Ir 22 Mn 78 [7 nm]
Pinned layer 14: Co 90 Fe 10 [3.6 nm] / Ru [0.9 nm] / (Fe 50 Co
50 [1 nm] / Cu [0.25 nm]) × 2 / Fe 50 Co 50 [1 nm]
Metal layer 15: Cu [0.1 nm]
Spacer layer (CCP-NOL) 16: Al 2 O 3 insulating layer 161 and Cu current path 162
Metal layer 17: Cu [0.25 nm]
Free layer 18: Co 90 Fe 10 [1 nm] / Ni 83 Fe 17 [3.5 nm]
Cap layer 19: Cu [1 nm] / Ru [10 nm]
-Upper electrode 20.

CCP−NOLの作成方法
以下本発明に特徴的なCCP−NOLの作成方法についてのみもう少し具体的に述べる。ピン層14までは成膜し終わっており、基板は酸化チャンバー60に搬送されている状態から説明する。
CCP-NOL Creation Method Only the CCP-NOL creation method characteristic of the present invention will be described more specifically below. The film formation up to the pinned layer 14 has been completed, and the substrate will be described from the state where it is transferred to the oxidation chamber 60.

まず、図2(A)ステップとして、m1としてCuを0.3nm、m2としてAlCuを0.6nm成膜した。   First, as a step in FIG. 2A, Cu was formed to 0.3 nm as m1 and AlCu was formed to 0.6 nm as m2.

図2(B)ステップとして、1段目の変換処理を行う。具体的な変換処理としては、以下のような複数ステップで行った。まず、Arイオンビームをサンプル表面に照射した状態で、酸素ガスを酸化チャンバーにフローする。Arイオンビームのエネルギーは60Vを用いた(IAO)。その後、酸素ガスフローをストップし、Arイオンビームの照射のみを行った。このときのArイオンビームの条件は酸化のときに用いた条件と全く同様である。イオンビームの照射を60秒行った(AIT)。その結果、図2(C)のような形態が形成される。   As the step in FIG. 2B, the first stage conversion process is performed. The specific conversion process was performed in a plurality of steps as follows. First, oxygen gas is flowed into the oxidation chamber in a state in which the sample surface is irradiated with an Ar ion beam. The energy of the Ar ion beam was 60 V (IAO). Thereafter, the oxygen gas flow was stopped and only Ar ion beam irradiation was performed. The conditions of the Ar ion beam at this time are exactly the same as those used for the oxidation. Ion beam irradiation was performed for 60 seconds (AIT). As a result, a form as shown in FIG. 2C is formed.

次いで、図2(D)ステップとして、m3としてCuを0.3nm、m4としてAlCuを0.6nm成膜した。   Next, as a step in FIG. 2D, Cu was formed to 0.3 nm as m3 and AlCu was formed to 0.6 nm as m4.

次いで、図2(E)のプロセスとして、2段目の変換処理を行った。具体的な変換処理としては、以下のような複数ステップで行った。まず、Arイオンビームをサンプル表面に照射した状態で、酸素ガスを酸化チャンバーにフローする。Arイオンビームのエネルギーは60Vを用いた(IAO)。その後、酸素ガスフローをストップし、Arイオンビームの照射のみを行った。このときのArイオンビームの条件は酸化のときに用いた条件と全く同様である。イオンビームの照射を60秒行った(AIT)。その結果、図2(F)のような形態を形成することができる。   Next, a second-stage conversion process was performed as the process of FIG. The specific conversion process was performed in a plurality of steps as follows. First, oxygen gas is flowed into the oxidation chamber in a state in which the sample surface is irradiated with an Ar ion beam. The energy of the Ar ion beam was 60 V (IAO). Thereafter, the oxygen gas flow was stopped and only Ar ion beam irradiation was performed. The conditions of the Ar ion beam at this time are exactly the same as those used for the oxidation. Ion beam irradiation was performed for 60 seconds (AIT). As a result, a form as shown in FIG. 2F can be formed.

図2(G)のプロセスとして、上部金属層17を0.25nm形成し、スペーサ層15、16、17が完成する。   In the process of FIG. 2G, the upper metal layer 17 is formed to 0.25 nm, and the spacer layers 15, 16, and 17 are completed.

ここで、図示したような構成は、CCP−CPP素子をすべて成膜した後に行う熱処理による最終形態であるので、CCP−CPP素子の成膜途中の段階においては図示したような最終構成になっていない場合もある。実際にはCCP−CPP膜キャップ層まですべて成膜後に行う熱処理によってもエネルギーアシスト効果となるため、熱処理まで終了した状態で最終形体となる。熱処理の条件は290度4時間行うことになる。   Here, the configuration shown in the figure is the final form by the heat treatment performed after all the CCP-CPP elements are formed. Therefore, the final configuration shown in the figure is in the middle of the film formation of the CCP-CPP elements. There may be no. Actually, the heat treatment performed after film formation up to the CCP-CPP film cap layer also has an energy assist effect, so that the final shape is obtained after the heat treatment is completed. The heat treatment is performed at 290 degrees for 4 hours.

スペーサ層の形成が終わると、酸化チャンバー60から搬出され、金属成膜チャンバーへと搬送される。金属成膜チャンバーにて、フリー層の成膜が行われる。   When the formation of the spacer layer is completed, the spacer layer is unloaded from the oxidation chamber 60 and transferred to the metal film forming chamber. A free layer is formed in a metal film forming chamber.

(実施例の評価)
実施例を比較例と共に評価した。
(Evaluation of Examples)
Examples were evaluated with comparative examples.

比較例として、図5に示すような従来プロセスで行った場合について比較した。比較例においては、m1の膜厚は、実施例のm1とm3の膜厚の和である、0.6nmのCuを成膜し、比較例のm2の膜厚として、実施例のm2とm4の膜厚の和である、1.2nmのAlCuを成膜した。   As a comparative example, a case where the conventional process as shown in FIG. In the comparative example, the film thickness of m1 is the sum of the film thickness of m1 and m3 of the example, and 0.6 nm of Cu is formed, and the film thickness of m2 of the comparative example is m2 and m4 of the example. An AlCu film having a thickness of 1.2 nm was formed.

変換処理プロセスとしては、実施例で行った変換処理プロセスと全く同様のプロセスを一度のみ行った。つまり、IAO/AITプロセスにおいてスペーサ層を作製した。   As the conversion process, the same process as the conversion process performed in the example was performed only once. That is, the spacer layer was produced in the IAO / AIT process.

ここで、特性を評価した通電方向として、ピン層14からフリー層18に電流が流れる方向とした。つまり、電子の流れとしては、逆向きになるのでフリー層18からピン層14に流れることになる。このような通電方向は、スピントランスファーノイズを低減するために望ましい方向である。フリー層18からピン層14に電流を流す場合(電子の流れとしては、ピン層からフリー層)のほうが、スピントランスファートルク効果が大きいといわれており、ヘッドにおいてはノイズ発生のもとになる。その観点からも、通電方向はピン層からフリー層に流れる方向が好ましい構成である。   Here, the current flowing direction from the pinned layer 14 to the free layer 18 was set as the energizing direction for which the characteristics were evaluated. In other words, the flow of electrons is reversed, and therefore flows from the free layer 18 to the pinned layer 14. Such an energizing direction is a desirable direction in order to reduce spin transfer noise. When a current is passed from the free layer 18 to the pinned layer 14 (in terms of electron flow, the pinned layer to the free layer) is said to have a larger spin transfer torque effect, and noise is generated in the head. From this point of view, the energization direction is preferably a direction in which the pin layer flows to the free layer.

実施例に係るCCP−CPP素子の特性を評価したところ、RA=500mΩ/μm、MR変化率=9%であった。一方、比較例に係わるCCP−CPP素子の特性を評価したところ、RA=900mΩ/μm、MR変化率=7%であった。両者とも、形成後のNOL膜厚はほぼ等しいにも係わらず、RA,MR変化率ともに実施例と比較例では優位な差が認められた。 When the characteristics of the CCP-CPP element according to the example were evaluated, RA = 500 mΩ / μm 2 and MR change rate = 9%. On the other hand, when the characteristics of the CCP-CPP element according to the comparative example were evaluated, RA = 900 mΩ / μm 2 and MR change rate = 7%. In both cases, although the NOL film thickness after the formation was almost equal, the RA and MR change rates were found to be significantly different between the example and the comparative example.

ここで、上記のような違いが見られた原因を調べるために、三次元アトムプローブを用いて実施例と比較例の比較検討を行った。三次元アトムプローブとは、サンプルをニードル状に加工して、そのサンプルを真空チャンバー内にセットしサンプルに高電圧を印加することで先端の原子を一個、一個電界蒸発を生じさせて、三次元ナノ構造を原子オーダーで分析する破壊試験方法である。   Here, in order to investigate the cause of the difference as described above, a comparative study between the example and the comparative example was performed using a three-dimensional atom probe. A three-dimensional atom probe is a three-dimensional atom probe that processes a sample into a needle shape, sets the sample in a vacuum chamber, and applies a high voltage to the sample to generate one atom at the tip and one field evaporation. It is a destructive testing method that analyzes nanostructures in atomic order.

その結果、比較例の場合には、電流パス21の上部において電流パス開口面積が小さくなってしまっており、かつ酸素濃度が電流パス21の下部よりも多くなってしまっている。具体的には、電流パスによっては、上下で20%以上面積の差が生じてしまっているものがある。ここで、電流パスの下部、および上部の定義としては、下部は電流パス膜厚方向の膜厚を、基板側を0、膜表面側を100としたときに、50未満の場所を電流パスの下部と呼び、50以上の場所を電流パスの上部と呼ぶ。   As a result, in the case of the comparative example, the current path opening area is small in the upper part of the current path 21, and the oxygen concentration is larger than that in the lower part of the current path 21. Specifically, some current paths cause an area difference of 20% or more between the upper and lower sides. Here, as the definition of the lower part and the upper part of the current path, the lower part indicates the film thickness direction in the current path film thickness direction, where 0 is the substrate side and 100 is the film surface side. Called the lower part and more than 50 places called the upper part of the current path.

また、電流パス21のCu純度にも、電流パス21の上部か、下部かで違いが見られる。具体的には、電流パス上部のほうが電流パス下部よりもCu中に含まれる酸素濃度が10atomic%以上多い場合がある。電流パス21のCu純度が悪くなった場合には、CCP効果が薄れ性能が悪くなってしまう。また、このような形状の上下非対称性は、通電方向による信頼性の違いも引き起こすことになるので、好ましくない。   Also, a difference is seen in the Cu purity of the current path 21 between the upper part and the lower part of the current path 21. Specifically, the oxygen concentration contained in Cu may be higher by 10 atomic% or more in the upper part of the current path than in the lower part of the current path. When the Cu purity of the current path 21 is deteriorated, the CCP effect is reduced and the performance is deteriorated. In addition, the vertical asymmetry of such a shape is not preferable because it causes a difference in reliability depending on the energization direction.

一方、実施例の場合には、電流パス21の上部においても下部においても、電流パス開口面積に20%もの違いはなく、均一に形成されている。また、電流パスの酸素濃度には上部でも下部でも10atomic%もの大きな差は生じていない。   On the other hand, in the case of the embodiment, there is no difference of 20% in the current path opening area in the upper part and the lower part of the current path 21, and they are uniformly formed. Also, there is no significant difference of 10 atomic% in the oxygen concentration in the current path between the upper part and the lower part.

このような違いが生じた原因として、比較実施例の場合には、m2の膜厚として、1.2nmのAlCuを表面酸化した場合には、m1のCuの吸い上げが完全な形にならず、不完全な状態になってしまうことに起因すると考えられる。酸素濃度についても、m2の膜厚が厚すぎる場合には表面酸化を行ったときに上部のほうが下部よりも酸素濃度が高い。 また、絶縁層161を貫通する電流パス162の直径は1〜10nm程度であり、2〜6nm程度になっている。直径10nmよりも大きな電流パス162は小さな素子サイズにしたときに、各素子ごとの特性のばらつきの原因となるので好ましくなく、直径6nmよりも大きな電流パス162は存在しないことが好ましい。   As a cause of such a difference, in the case of the comparative example, in the case of surface oxidation of 1.2 nm of AlCu as the film thickness of m2, the uptake of Cu of m1 is not perfect, This is thought to be due to an incomplete state. Regarding the oxygen concentration, when the film thickness of m2 is too thick, the oxygen concentration in the upper part is higher than that in the lower part when surface oxidation is performed. The diameter of the current path 162 that penetrates the insulating layer 161 is about 1 to 10 nm, and is about 2 to 6 nm. The current path 162 having a diameter larger than 10 nm is not preferable because it causes variation in characteristics of each element when the element size is reduced, and it is preferable that the current path 162 having a diameter larger than 6 nm does not exist.

(実施例2)
実施例1ではボトム型スピンバルブ膜を有するCPP構造の磁気抵抗効果素子について説明したが、本実施例ではトップ型スピンバルブ膜を有するCPP構造の磁気抵抗効果素子について説明する。トップ型スピンバルブ膜では、ピン層14がフリー層18よりも上に配置される。即ち、SCTは、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素子のみならず、トップ型のCCP−CPP素子にも適用できる。この場合でも本発明に特徴的なスペーサ層16を形成するプロセスについては全く同様である。図1において、上部ピン層の変わりにフリー層がスペーサ層の下地となり、図1におけるフリー層18の換わりに、ピン層14に相当する層がスペーサ層の上層に配置されることになる。
(Example 2)
In the first embodiment, the magnetoresistive effect element having the CPP structure having the bottom type spin valve film has been described. In this example, the magnetoresistive effect element having the CPP structure having the top type spin valve film will be described. In the top type spin valve film, the pinned layer 14 is disposed above the free layer 18. That is, the SCT can be applied not only to the bottom type CCP-CPP element in which the pinned layer 14 is located below the free layer 18 but also to the top type CCP-CPP element. Even in this case, the process for forming the spacer layer 16 characteristic of the present invention is exactly the same. In FIG. 1, the free layer becomes the base of the spacer layer instead of the upper pinned layer, and instead of the free layer 18 in FIG. 1, a layer corresponding to the pinned layer 14 is disposed above the spacer layer.

具体的には以下のような構成が一例である。   Specifically, the following configuration is an example.

・下電極11
・下地層12:Ta[3nm]/Ru[2nm]
・フリー層18:Ni83Fe17[3.5nm]/Co90Fe10[1nm]
・金属層15:Cu[0.5nm]
・スペーサ層(CCP−NOL)16:Alの絶縁層161およびCuの電流パス162
・金属層17:Cu[0.25nm]
・ピン層14:(Fe50Co50[1nm]/Cu[0.25nm])×2/Fe50Co50[1nm]/Ru[0.9nm]/Co90Fe10[3.6nm]
・ピニング層13:Ir22Mn78[7nm]
・キャップ層19:Cu[1nm]/Ru[10nm]
・上電極20。
Lower electrode 11
・ Underlayer 12: Ta [3 nm] / Ru [2 nm]
Free layer 18: Ni 83 Fe 17 [3.5 nm] / Co 90 Fe 10 [1 nm]
Metal layer 15: Cu [0.5 nm]
Spacer layer (CCP-NOL) 16: Al 2 O 3 insulating layer 161 and Cu current path 162
Metal layer 17: Cu [0.25 nm]
Pinned layer 14: (Fe 50 Co 50 [1 nm] / Cu [0.25 nm]) × 2 / Fe 50 Co 50 [1 nm] / Ru [ 0.9 nm] / Co 90 Fe 10 [3.6 nm]
Pinning layer 13: Ir 22 Mn 78 [7 nm]
Cap layer 19: Cu [1 nm] / Ru [10 nm]
-Upper electrode 20.

上述のように、トップ型のCCP−CPP素子を製造する場合には、下地層12とキャップ層19との間にある層が、図2とほぼ逆の順序で成膜される。但し、下部金属層15および上部金属層17は、スペーサ層16の作成等との関係で、順番が逆転していない。つまり、m1、m2、m3、m4の役割はボトム型でもトップ型でも全く同様である。   As described above, when a top-type CCP-CPP element is manufactured, the layers between the base layer 12 and the cap layer 19 are formed in the reverse order of FIG. However, the order of the lower metal layer 15 and the upper metal layer 17 is not reversed due to the formation of the spacer layer 16 and the like. That is, the roles of m1, m2, m3, and m4 are exactly the same for the bottom type and the top type.

(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。
(Application of magnetoresistive effect element)
Hereinafter, application of the magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) according to the embodiment of the present invention will be described.

本発明の実施形態において、CPP素子の素子抵抗RAは、高密度対応の観点から、500mΩ/μm以下が好ましく、300mΩ/μm以下がより好ましい。素子抵抗RAを算出する場合には、CPP素子の抵抗Rにスピンバルブ膜の通電部分の実効面積Aを掛け合わせる。ここで、素子抵抗Rは直接測定できる。一方、スピンバルブ膜の通電部分の実効面積Aは素子構造に依存する値であるため、その決定には注意を要する。 In an embodiment of the present invention, the element resistance RA of the CPP element, from the viewpoint of high density corresponding, preferably 500mΩ / μm 2 or less, 300mΩ / μm 2 or less is more preferable. In calculating the element resistance RA, the resistance R of the CPP element is multiplied by the effective area A of the energized portion of the spin valve film. Here, the element resistance R can be directly measured. On the other hand, since the effective area A of the energized portion of the spin valve film is a value depending on the element structure, it needs to be carefully determined.

例えば、スピンバルブ膜の全体を実効的にセンシングする領域としてパターニングしている場合には、スピンバルブ膜全体の面積が実効面積Aとなる。この場合、素子抵抗を適度に設定する観点から、スピンバルブ膜の面積を少なくとも0.04μm以下にし、300Gbpsi以上の記録密度では0.02μm以下にする。 For example, when the entire spin valve film is patterned as an effective sensing region, the effective area A is the area of the entire spin valve film. In this case, from the viewpoint of appropriately setting the element resistance, the area of the spin valve film is set to at least 0.04 μm 2, and at a recording density of 300 Gbpsi or less, it is set to 0.02 μm 2 or less.

しかし、スピンバルブ膜に接してスピンバルブ膜より面積の小さい下電極11または上電極20を形成した場合には、下電極11または上電極20の面積がスピンバルブ膜の実効面積Aとなる。下電極11または上電極20の面積が異なる場合には、小さい方の電極の面積がスピンバルブ膜の実効面積Aとなる。この場合、素子抵抗を適度に設定する観点から、小さい方の電極の面積を少なくとも0.04μm以下にする。 However, when the lower electrode 11 or the upper electrode 20 having a smaller area than the spin valve film is formed in contact with the spin valve film, the area of the lower electrode 11 or the upper electrode 20 becomes the effective area A of the spin valve film. When the area of the lower electrode 11 or the upper electrode 20 is different, the area of the smaller electrode is the effective area A of the spin valve film. In this case, from the viewpoint of appropriately setting the element resistance, the area of the smaller electrode is set to at least 0.04 μm 2 or less.

後に詳述する図6、図7の実施例の場合、図6でスピンバルブ膜10の面積が一番小さいところは上電極20と接触している部分なので、その幅をトラック幅Twとして考える。また、ハイト方向に関しては、図7においてやはり上電極20と接触している部分が一番小さいので、その幅をハイト長Dとして考える。スピンバルブ膜の実効面積Aは、A=Tw×Dとして考える。   In the embodiment shown in FIGS. 6 and 7 to be described in detail later, the portion where the area of the spin valve film 10 is the smallest in FIG. 6 is the portion in contact with the upper electrode 20, so the width is considered as the track width Tw. Regarding the height direction, the portion in contact with the upper electrode 20 in FIG. 7 is the smallest, so the width is considered as the height length D. The effective area A of the spin valve film is considered as A = Tw × D.

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、電極間の抵抗Rを100Ω以下にすることができる。この抵抗Rは、例えばヘッドジンバルアセンブリー(HGA)の先端に装着した再生ヘッド部の2つの電極パッド間で測定される抵抗値である。   In the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention, the resistance R between the electrodes can be 100Ω or less. This resistance R is, for example, a resistance value measured between two electrode pads of a reproducing head unit attached to the tip of a head gimbal assembly (HGA).

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子において、ピン層14またはフリー層18がfcc構造である場合には、fcc(111)配向性をもつことが望ましい。ピン層14またはフリー層18がbcc構造をもつ場合には、bcc(110)配向性をもつことが望ましい。ピン層14またはフリー層18がhcp構造をもつ場合には、hcp(001)配向またはhcp(110)配向性をもつことが望ましい。   In the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention, when the pinned layer 14 or the free layer 18 has an fcc structure, it is desirable to have fcc (111) orientation. When the pinned layer 14 or the free layer 18 has a bcc structure, it is desirable to have bcc (110) orientation. When the pinned layer 14 or the free layer 18 has an hcp structure, it is desirable to have hcp (001) orientation or hcp (110) orientation.

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の結晶配向性は、配向のばらつき角度で4.0度以内が好ましく、3.5度以内がより好ましく、3.0度以内がさらに好ましい。これは、X線回折のθ−2θ測定により得られるピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として求められる。また、素子断面からのナノディフラクションスポットでのスポットの分散角度として検知することができる。   The crystal orientation of the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention is preferably 4.0 degrees or less, more preferably 3.5 degrees or less, and further preferably 3.0 degrees or less in terms of the orientation variation angle. This is calculated | required as a half value width of the rocking curve in the peak position obtained by (theta) -2 (theta) measurement of X-ray diffraction. Further, it can be detected as a dispersion angle of the spot at the nano-diffraction spot from the element cross section.

反強磁性膜の材料にも依存するが、一般的に反強磁性膜とピン層14/スペーサ層16/フリー層18とでは格子間隔が異なるため、それぞれの層においての配向のばらつき角度を別々に算出することが可能である。例えば、白金マンガン(PtMn)とピン層14/スペーサ層16/フリー層18とでは、格子間隔が異なることが多い。白金マンガン(PtMn)は比較的厚い膜であるため、結晶配向のばらつきを測定するのには適した材料である。ピン層14/スペーサ層16/フリー層18については、ピン層14とフリー層18とで結晶構造がbcc構造とfcc構造というように異なる場合もある。この場合、ピン層14とフリー層18とはそれぞれ別の結晶配向の分散角をもつことになる。   Although depending on the material of the antiferromagnetic film, since the lattice spacing is generally different between the antiferromagnetic film and the pinned layer 14 / spacer layer 16 / free layer 18, the orientation variation angle in each layer is different. Can be calculated. For example, platinum manganese (PtMn) and pinned layer 14 / spacer layer 16 / free layer 18 often have different lattice spacings. Since platinum manganese (PtMn) is a relatively thick film, it is a suitable material for measuring variation in crystal orientation. Regarding the pinned layer 14 / spacer layer 16 / free layer 18, the pinned layer 14 and the free layer 18 may have different crystal structures such as a bcc structure and an fcc structure. In this case, the pinned layer 14 and the free layer 18 have different crystal orientation dispersion angles.

(磁気ヘッド)
図6および図7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6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7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。
(Magnetic head)
6 and 7 show a state in which the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention is incorporated in a magnetic head. FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element cut in a direction substantially parallel to a medium facing surface facing a magnetic recording medium (not shown). FIG. 7 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element cut in a direction perpendicular to the medium facing surface ABS.

図6および図7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20とがそれぞれ設けられている。図6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7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。   The magnetic head illustrated in FIGS. 6 and 7 has a so-called hard abutted structure. The magnetoresistive film 10 is the CCP-CPP film described above. A lower electrode 11 and an upper electrode 20 are provided above and below the magnetoresistive effect film 10, respectively. In FIG. 6, a bias magnetic field application film 41 and an insulating film 42 are laminated on both sides of the magnetoresistive film 10. As shown in FIG. 7, a protective layer 43 is provided on the medium facing surface of the magnetoresistive film 10.

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、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。   The sense current for the magnetoresistive effect film 10 is energized in a direction substantially perpendicular to the film surface as indicated by the arrow A by the lower electrode 11 and the upper electrode 20 arranged above and below the magnetoresistive effect film 10. A bias magnetic field is applied to the magnetoresistive film 10 by a pair of bias magnetic field application films 41, 41 provided on the left and right. By this bias magnetic field, the magnetic anisotropy of the free layer 18 of the magnetoresistive effect film 10 is controlled to form a single magnetic domain, thereby stabilizing the magnetic domain structure and suppressing Barkhausen noise due to the domain wall movement. can do. Since the S / N ratio of the magnetoresistive film 10 is improved, high sensitivity magnetic reproduction is possible when applied to a magnetic head.

(ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリー)
図6および図7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。
(Hard disk and head gimbal assembly)
The magnetic head shown in FIGS. 6 and 7 can be incorporated into a recording / reproducing integrated magnetic head assembly and mounted on a magnetic recording / reproducing apparatus.

図8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、本実施形態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。本実施形態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。   FIG. 8 is a main part perspective view illustrating a schematic configuration of such a magnetic recording / reproducing apparatus. That is, the magnetic recording / reproducing apparatus 150 of this embodiment is an apparatus of a type using a rotary actuator. In the figure, a magnetic disk 200 is mounted on a spindle 152 and rotated in the direction of arrow A by a motor (not shown) that responds to a control signal from a drive device control unit (not shown). The magnetic recording / reproducing apparatus 150 of this embodiment may include a plurality of magnetic disks 200.

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、薄膜状のサスペンション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。   A head slider 153 that records and reproduces information stored in the magnetic disk 200 is attached to the tip of a thin-film suspension 154. The head slider 153 has a magnetic head including the magnetoresistive effect element according to any one of the above-described embodiments mounted near its tip.

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。   When the magnetic disk 200 rotates, the medium facing surface (ABS) of the head slider 153 is held with a predetermined flying height from the surface of the magnetic disk 200. Alternatively, a so-called “contact traveling type” in which the slider contacts the magnetic disk 200 may be used.

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。   The suspension 154 is connected to one end of the actuator arm 155. A voice coil motor 156, which is a kind of linear motor, is provided at the other end of the actuator arm 155. The voice coil motor 156 includes a drive coil (not shown) wound around a bobbin portion, and a magnetic circuit including a permanent magnet and a counter yoke arranged so as to sandwich the coil.

アクチュエータアーム155は、スピンドル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。   The actuator arm 155 is held by ball bearings (not shown) provided at two positions above and below the spindle 157, and can be freely rotated and slid by a voice coil motor 156.

図9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ー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。   FIG. 9 is an enlarged perspective view of the head gimbal assembly ahead of the actuator arm 155 as viewed from the disk side. That is, the assembly 160 has an actuator arm 155, and a suspension 154 is connected to one end of the actuator arm 155. A head slider 153 including a magnetic head including the magnetoresistive effect element according to any one of the above-described embodiments is attached to the tip of the suspension 154. The suspension 154 has a lead wire 164 for writing and reading signals, and the lead wire 164 and each electrode of the magnetic head incorporated in the head slider 153 are electrically connected. In the figure, reference numeral 165 denotes an electrode pad of the assembly 160.

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。   According to the present embodiment, by providing the magnetic head including the magnetoresistive element described above, it is possible to reliably read information magnetically recorded on the magnetic disk 200 at a high recording density.

(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磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置された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。
(Magnetic memory)
Next, a magnetic memory equipped with the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention will be described. That is, by using the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention, a magnetic memory such as a random access magnetic memory (MRAM) in which memory cells are arranged in a matrix can be realized.

図10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。   FIG. 10 is a diagram showing an example of a matrix configuration of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention. This figure shows a circuit configuration when memory cells are arranged in an array. In order to select one bit in the array, a column decoder 350 and a row decoder 351 are provided, and the switching transistor 330 is turned on by the bit line 334 and the word line 332 to be uniquely selected and detected by the sense amplifier 352. As a result, the bit information recorded in the magnetic recording layer (free layer) in the magnetoresistive film 10 can be read. When writing bit information, a magnetic field generated by applying a write current to a specific write word line 323 and bit line 322 is applied.

図11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。   FIG. 11 is a diagram showing another example of the matrix configuration of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention. In this case, bit lines 322 and word lines 334 wired in a matrix are selected by decoders 360 and 361, respectively, and specific memory cells in the array are selected. Each memory cell has a structure in which a magnetoresistive element 10 and a diode D are connected in series. Here, the diode D has a role of preventing the sense current from bypassing in the memory cells other than the selected magnetoresistive effect element 10. Writing is performed by a magnetic field generated by supplying a write current to the specific bit line 322 and the write word line 323, respectively.

図12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13は、図12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10または図11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。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing the main part of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention. FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 12. The structures shown in these drawings correspond to 1-bit memory cells included in the magnetic memory shown in FIG. This memory cell has a memory element portion 311 and an address selection transistor portion 312.

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。   The memory element portion 311 includes the magnetoresistive effect element 10 and a pair of wirings 322 and 324 connected thereto. The magnetoresistive effect element 10 is the magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) according to the above-described embodiment.

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。   On the other hand, the address selection transistor portion 312 is provided with a transistor 330 connected via a via 326 and a buried wiring 328. The transistor 330 performs a switching operation according to the voltage applied to the gate 332, and controls opening and closing of a current path between the magnetoresistive effect element 10 and the wiring 334.

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。   Further, below the magnetoresistive effect element 10, a write wiring 323 is provided in a direction substantially orthogonal to the wiring 322. These write wirings 322 and 323 can be formed of, for example, aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing any of these.

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適宜反転させる。   In the memory cell having such a configuration, when writing bit information to the magnetoresistive effect element 10, a write pulse current is supplied to the wirings 322 and 323, and a composite magnetic field induced by these currents is applied to thereby apply the magnetoresistive effect element. The magnetization of the recording layer is appropriately reversed.

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。   When reading bit information, a sense current is passed through the wiring 322, the magnetoresistive effect element 10 including the magnetic recording layer, and the lower electrode 324, and the resistance value of the magnetoresistive effect element 10 or a change in the resistance value is measured. To do.

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。   The magnetic memory according to the embodiment of the present invention uses the magnetoresistive effect element (CCP-CPP element) according to the embodiment described above to reliably control the magnetic domain of the recording layer even if the cell size is reduced. Reliable writing can be ensured and reading can be performed reliably.

(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。
(Other embodiments)
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention. The specific structure of the magnetoresistive film, and other shapes and materials of the electrode, bias application film, insulating film, etc., are appropriately implemented by those skilled in the art, and the present invention is similarly implemented. The effect of can be obtained. For example, when applying a magnetoresistive element to a reproducing magnetic head, the detection resolution of the magnetic head can be defined by providing magnetic shields above and below the element.

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再生装置についても適用できる。さらに、本発明の磁気再生装置は、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。   The embodiment of the present invention can be applied not only to a longitudinal magnetic recording system but also to a perpendicular magnetic recording system magnetic head or magnetic reproducing apparatus. Furthermore, the magnetic reproducing apparatus of the present invention may be a so-called fixed type having a specific recording medium constantly provided, or a so-called “removable” type in which the recording medium can be replaced.

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憶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、磁気記憶再生装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。   In addition, all magnetoresistive elements, magnetic heads, magnetic storage / reproduction devices, and magnetic memories that can be appropriately designed and implemented by those skilled in the art based on the magnetic head and magnetic storage / reproduction device described above as embodiments of the present invention Are also within the scope of the present invention.

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…磁気結合層、143…上部ピン層、15…下部金属層、16…スペーサ層、161…絶縁層、162…電流パス、17…上部金属層、18…フリー層、19…キャップ層、20…上電極、21…電流パス、21‘…電流パス、162…21と21’を合わせた電流パス、22…絶縁層、22’ …絶縁層、161…22と22‘を合わせた絶縁層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Magnetoresistance effect film | membrane, 11 ... Lower electrode, 12 ... Underlayer, 12a ... Buffer layer, 12b ... Seed layer, 13 ... Pinning layer, 14 ... Pin layer, 141 ... Lower pin layer, 142 ... Magnetic coupling layer, 143 ... upper pin layer, 15 ... lower metal layer, 16 ... spacer layer, 161 ... insulating layer, 162 ... current path, 17 ... upper metal layer, 18 ... free layer, 19 ... cap layer, 20 ... upper electrode, 21 ... current Path, 21 '... current path, 162 ... current path combining 21 and 21', 22 ... insulating layer, 22 '... insulating layer, 161 ... insulating layer combining 22 and 22'

Claims (10)

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応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する金属層を含むスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記スペーサ層を形成するにあたり、
第1の金属層を成膜し、
前記第1の金属層上に第2の金属層を成膜し、
前記第2の金属層を第1の絶縁層に変換するとともに前記第1の金属層が前記第1の絶縁層中に吸い上げられることで前記第1の絶縁層を貫通する第1の導電層を形成する第1の変換処理を行い、
前記第1の絶縁層及び前記第1の導電層上に第3の金属層を成膜し、
前記第3の金属層を第2の絶縁層に変換するとともに前記第1の導電層が前記第2の絶縁層中に吸い上げられることで前記第1の導電層上にのみ前記第2の絶縁層を貫通する第2の導電層を形成する第2の変換処理を行うことにより、前記第1の導電層及び第2の導電層を有する前記金属層、並びに前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層を有する前記絶縁層を形成することを特徴とし、
前記第1の変換処理及び前記第2の変換処理の少なくとも一方は、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンのうち少なくともいずれかひとつの元素を含むガスをイオン化、もしくはプラズマ化して膜表面に照射する第1のステップと、
アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、及びクリプトンの少なくとも一つを含むガスをイオン化又はプラズマ化して得た雰囲気中に、酸素ガス及び窒素ガスのうち少なくとも一方を含むガスを供給し、前記イオン化したガス又は前記プラズマ化したガスの雰囲気下、前記第2の金属層又は前記第3の金属層に対して酸化処理及び窒化処理の少なくとも一方を行う第2のステップと、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
A magnetization pinned layer in which the magnetization direction is substantially pinned in one direction, a magnetization free layer whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field, and provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer and insulated In a method for manufacturing a magnetoresistive effect element having a layer and a spacer layer including a metal layer penetrating the insulating layer,
In forming the spacer layer,
Depositing a first metal layer;
Forming a second metal layer on the first metal layer;
The second metal layer is converted into a first insulating layer, and the first metal layer is sucked into the first insulating layer, whereby a first conductive layer penetrating the first insulating layer is formed. Perform a first conversion process to form,
Forming a third metal layer on the first insulating layer and the first conductive layer;
Converting the third metal layer into a second insulating layer and sucking the first conductive layer into the second insulating layer, so that the second insulating layer is only on the first conductive layer. By performing a second conversion process for forming a second conductive layer penetrating through the metal layer, the metal layer having the first conductive layer and the second conductive layer, and the first insulating layer and the second Forming the insulating layer having an insulating layer of
At least one of the first conversion process and the second conversion process is:
A first step of irradiating the film surface by ionizing or plasmaizing a gas containing at least one element of argon, xenon, helium, neon, and krypton;
A gas containing at least one of oxygen gas and nitrogen gas is supplied into an atmosphere obtained by ionizing or plasmaizing a gas containing at least one of argon, xenon, helium, neon, and krypton, and the ionized gas or A second step of performing at least one of an oxidation treatment and a nitridation treatment on the second metal layer or the third metal layer under an atmosphere of the gasified plasma;
A method for manufacturing a magnetoresistive effect element, comprising:
前記第1の変換処理の後、前記第3の金属層の成膜前に前記第1の金属層と同じ材料からなる第4の金属層を成膜す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の製造方法。   The fourth metal layer made of the same material as the first metal layer is formed after the first conversion process and before the formation of the third metal layer. The manufacturing method of the magnetoresistive effect element of description. 前記第1の金属層として、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む材料を成膜し、前記第2、第3の金属層として、Al,Si,Mg,Ti,Hf,Zr,Cr,Mo,Nb,Wのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む材料を成膜することを特徴とする、請求項1又は2のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   As the first metal layer, a material containing at least one element of Cu, Au, Ag, and Al is formed, and as the second and third metal layers, Al, Si, Mg, Ti, 3. The magnetoresistive effect element manufacturing method according to claim 1, wherein a material containing at least one element of Hf, Zr, Cr, Mo, Nb, and W is formed. Method. 前記第4の金属層として、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む材料を成膜することを特徴とする、請求項2に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   3. The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 2, wherein a material containing at least one element of Cu, Au, Ag, and Al is formed as the fourth metal layer. 前記第1の金属層の膜厚が、0.1〜1.5nm、前記第2、第3の金属層の膜厚が0.3〜1nmであることを特徴とする、請求項3記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   The film thickness of the first metal layer is 0.1 to 1.5 nm, and the film thickness of the second and third metal layers is 0.3 to 1 nm. Manufacturing method of magnetoresistive effect element. 前記第4の金属層の膜厚が、0.1〜1.5nmであることを特徴とする、請求項4に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   5. The method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to claim 4, wherein the thickness of the fourth metal layer is 0.1 to 1.5 nm. 前記第2の変換処理の後に、Cu,Au,Ag,Alのうち少なくともいずれかひとつの元素を含む金属層を形成することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   The magnetic layer according to any one of claims 1 to 6, wherein a metal layer containing at least one element of Cu, Au, Ag, and Al is formed after the second conversion treatment. A method of manufacturing a resistance effect element. 前記磁化固着層及び前記磁化自由層の少なくとも一方は、CoおよびFeを含む合金で形成されていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   8. The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1, wherein at least one of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer is formed of an alloy containing Co and Fe. . 前記磁化固着層は、体心立方構造を有することを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetization pinned layer has a body-centered cubic structure. 前記磁化自由層は、NiおよびFeを含む合金で形成された層を有することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。   The method for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetization free layer includes a layer formed of an alloy containing Ni and Fe.
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