JP5172472B2 - ピンド層およびこれを用いたｔｍｒセンサ並びにｔｍｒセンサの製造方法 - Google Patents

ピンド層およびこれを用いたｔｍｒセンサ並びにｔｍｒセンサの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、再生ヘッドに用いるＴＭＲセンサ、およびこのＴＭＲセンサに含まれるピンド層（複合内側ピンド層）、並びにＴＭＲセンサの製造方法に関する。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Magnetic Tunneling Junction) を利用したＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive) センサは、ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)や磁気記録ヘッドなどの磁気デバイスにおける主要構成素子（記憶素子）である。このＴＭＲセンサは、薄膜非磁性誘電体層を間にした２つの強磁性層からなる積層構造を有している。
一般的に、所謂ボトムスピンバルブ構造のＴＭＲセンサは、基板上に、シード（バッファ）層、反強磁性（ＡＦＭ；Anti-ferromagnetic)層、外側ピンド層、結合層、内側ピンド層、トンネルバリア層、フリー層および保護層をこの順に積層してなるものである。フリー層は、外部磁界に対してセンス層として機能し、内側ピンド層は相対的に固定された基準層として機能する。トンネルバリア層（絶縁層）の電気抵抗は、フリー層の磁気モーメントの基準層（内側ピンド層）の磁気モーメントに対する相対的な方向に伴って変化し、これにより磁気信号が電気信号へと変換される。磁気再生ヘッドにおいて、ＴＭＲセンサは、下部シールドと上部シールドとの間に形成される。センス電流が、上部シールドから下部シールドに向かって（ＭＲＡＭデバイスでは上部電極から下部電極に向かって）、ＴＭＲ層を含む平面に対して垂直方向に流れると、フリー層および基準層の磁化方向が平行（「１」記憶状態）である場合には低抵抗となり、フリー層および基準層の磁化方向が反平行（「０」記憶状態）である場合には高抵抗となる。なお、ＴＭＲセンサはＣＩＰ(Current In Plane)構造を含んで構成されてもよい。
外側ピンド層は、同じ方向に磁化された、隣接するＡＦＭ層との交換結合によって、一方向に固定された磁気モーメントを有している。通常、外側ピンド層と内側ピンド層は、ルテニウム（Ｒｕ）を含む結合層を介して磁気的に結合されている。トンネルバリア層は極めて薄いため、このトンネルバリア層に電流が流れることによって、電子伝導の量子力学的トンネル効果が得られる。現在、磁気再生ヘッドの分野において、ＴＭＲセンサは、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magnetoresistive)センサに代わる、次世代のセンサとして有望視されている。最新のＴＭＲセンサでは、再生ヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ；Air Bearing Surface）に、０．１μｍ×０．１μｍ程度の断面積を有しているものがある。ＴＭＲセンサは、ＭＲ比が高く、ＣＰＰ配置に適していることから、高記録密度化を実現できるという利点がある。高性能なＴＭＲセンサを実現させるには、面積抵抗（ＲＡ；Area×Resistance)値が低いこと、ＭＲ比が高いことに加え、低磁歪（λ）を示す軟性フリー層および剛性ピンド層を有すると共に、バリア層を間にした層間結合が低いことが要求される。ＭＲ比はｄＲ/Ｒによって表される。ここで、ＲはＴＭＲセンサの最小抵抗値、ｄＲ/Ｒはフリー層の磁化状態の 変化による抵抗値の変化率を表す。高いｄＲ/Ｒを得ることによって再生速度を向上させることができる。高記録密度または高周波記録デバイスを実現するには、ＲＡ値を約１Ω-μｍ２乃至３Ω-μｍ２まで低減しなければならないが、従来では、そうするとそれに伴いＭＲ比も著しく低下してしまうという問題があった。適切なＳＮ比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio) を維持するために、従来よりもＲＡ値が低く、かつＭＲ比の大きな新たなＴＭＲセンサが望まれている。
以上の点に関連して、先行技術としては、以下のような非特許文献１〜６および特許文献１〜６がある。
Nature Materials ３，８６８−８７１（２００４） Nature Materials ３，８６２−８６７（２００４） Applied Physics Letters ８９，０４２５０５（２００６） Applied Physics Letters ８６，０９２５０２（２００５） Applied Physics Letters ８７，０７２５０３（２００５） Applied Physics Letters ８９，１６２５０７（２００６） 米国特許６，８４１，３９５号 米国特許出願公開２００７／００４７１５９ 米国特許６，４９３，１９６号 米国特許６，９９５，９６０号 米国特許７，１６１，７７４号 米国特許７，１６３，７５５号
ところで、高周波記録デバイスの分野においては、ＭｇＯを用いたトンネル接合素子が有望視されている。これは、ＭｇＯのＭＲ比が、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）またはチタン酸化物（ＴｉＯｘ）を用いたトンネル接合素子のそれと比べて著しく高いことによる。Yuasaらによる 非特許文献１の“Giant room-temperature magnetoresistancein single crystal Fe/MgO/Ge magnetic tunnel junctions”、およびParkinらによる非特許文献２の“Giant tunneling magnetoresistanceat room temperature with MgO(100) tunnel barriers”には、極めて高いＲＡ値を得ることができると報告されている。
これらの報告には、エピタキシャルなＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／Ｆｅ（００１）と、多結晶構造のＦｅＣｏ（００１）／ＭｇＯ（００１）／（Ｆｅ７０Ｃｏ３０）８０Ｂ２０を用いたトンネル接合構造によって、室温で約２００％というＭＲ比を達成できることが示されている。また、Yuasaらによる非特許文献３の“Giant tunneling magnetoresistanceup to 410% at room temperature in fully epitaxial Co/MgO/Co magnetic tunnel junctions with bcc Co (001) electrodes”には、極めて高いＴＭＲ比を得ることができると報告されている。一方、Djayaprawiraらによる非特許文献４の“230% room temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeBmagnetic tunnel junctions”には、従来のスパッタリング法によって形成されたＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅＢからなる構造を有するトンネル接合構造においても、極めて高いＭＲ比を一様に実現できる可能性を示唆している。
しかし、上述の従来技術では、トンネル接合のＲＡ値は、２４０Ω- μｍ２乃至１００００Ω- μｍ２の範囲内であり、再生ヘッドに適用するには高過ぎるという問題があった。この問題を解決するために、Tsunekawaらによる非特許文献５の“Giant tunnel magnetoresistanceeffect in low resistance CoFeB/MgO(001)/CoFeB magnetic tunnel junctions for read head applications”では、下部ＣｏＦｅＢ層と高周波スパッタにより形成されたＭｇＯ層との間に、ＤＣスパッタにより形成された金属Ｍｇ層を挿入することによりＲＡ値を低減できることが示されている。また、Ｍｇ層は、ＭｇＯ（００１）層が薄い場合には、その結晶配向性を向上させることができる旨が開示されている。更に、ＲＡ値が２．４Ω- μｍ２という条件下の場合には、ＣｏＦｅＢ／Ｍｇ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの構造を有するトンネル接合により、ＭＲ比は１３８％に達することが示されている。金属Ｍｇ層を挿入するという考えは、Ｌｉｎｎによる特許文献１において初めて提案されたが、その目的は、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ（反応性スパッタリング）／ＮｉＦｅ構造における下部電極（ＣｏＦｅ）の酸化を防ぐことであった。一方、Y.Nagamineらによる非特許文献６の“Ultralow resistance-area produce at 0.4 ohm-μｍ２ and high magnetoresistanceabove 50％ in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic junctions”には、高周波スパッタ法によるＭｇＯ層の形成に先立ち、タンタル（Ｔａ）をゲッターとしたプレスパッタ処理を施すことにより、ＴＭＲ比が５５％に達すると共に、ＲＡ値を低減できることが報告されている。
このように、従来、ＭｇＯバリア層を有するトンネル接合構造において、高いＭＲ比と低いＲＡ値を実現できることが示されている。しかしながら、これを再生ヘッドのＴＭＲセンサに適用するには、まだ多くの問題が残っている。例えば、再生ヘッドでは、アニール温度は３００℃以下に抑える必要がある。また、高周波スパッタにより形成されたＭｇＯトンネルバリア層では、従来のＤＣスパッタおよび自然酸化により形成されたＡｌＯｘバリア層と比べて、ＲＡ値の平均値や均一性の制御が困難である。更に、低磁歪（λ）や軟磁気特性を確保するためには、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ構造のフリー層をＣｏＦｅＢ層の上に配置することが望ましいが、このようなＣｏＦｅ／ＮｉＦｅフリー層をＭｇＯトンネルバリア層とともに用いる場合には、ＭＲ比が従来のＡｌＯｘトンネルバリア層 と近いレベルにまで低下してしまうという問題があった。ＴＭＲセンサは、高ＭＲ比、低ＲＡ値および低磁歪などの望ましい特性を損なうことのないＭｇＯトンネルバリア層を備える必要がある。
その他、特許文献２には、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅからなる３層構造のフリー層が開示されている。特許文献３には、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ構造を有するピンド層が、特許文献４には、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ構造を有するピンド層が開示されている。
特許文献５には、ピンド層を形成する際、ＮｉＦｅ，Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅＣｏ，ＦｅＣｏ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＺｒＭｏ，ＣｏＺｒＮｂ，ＣｏＺｒ，ＣｏＺｒＴａ，ＣｏＴＨｆ，ＣｏＮｂＨｆ，ＣｏＨｆＰｄ，ＣｏＴａＺｒＮｂおよびＣｏＺｒＭｏＮｉなどの合金やアモルファス材料を用いることが開示されている。ここでは、Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏ，ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＮｉ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＮｉを含む複合ピンド層（ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層）が開示されているが、複合ＡＰ１層については開示されていない。
特許文献６には、ピンド層を、ＣｏＦｅＢ，Ｆｅを含む材料、または少なくともＦｅ，Ｃｏ，またはＮｉを重量の５０％以上の割合で含む材料によって構成することが開示されている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、従来のピンド層を有するトンネル接合素子と比べて、高ＭＲ比を維持しつつＲＡ値を低減できると共に、ノイズを低減することが可能なＴＭＲセンサ用のピンド層（複合内側ピンド層，複合ＡＰ１層）を提供することにある。
本発明の第２の目的は、上記複合内側ピンド層を備え、ピンニングや結晶化などの特性を最適化することができるＴＭＲセンサを提供することにある。
本発明の第３の目的は、第１および第２の目的を満たし、かつ安価に製造可能なＴＭＲセンサの製造方法を提供することにある。
本発明の第１の態様は、再生ヘッドにおける下部シールドなどの好適な基板上に、ＴＭＲセンサを形成したものである。ＴＭＲセンサは、例えば、下部シールド上に、シード層、ＡＦＭ層、ピンド層、トンネルバリア層、フリー層および保護層をこの順に形成したボトムスピンバルブ構造を有する。ピンド層は、ＡＰ２層/結合層/ＡＰ１層からなる構造を有している。この構造では、ＡＰ２層はＡＦＭ層により磁化方向が固定され、結合層はルテニウム（Ｒｕ）からなり、ＡＰ１層（複合内側ピンド層）は、ＡＰ２層の磁気モーメントと反平行方向の磁気モーメントを有すると共にＣｏＦｅＢ／Ｆｅ／Ｃｏの３層構造を含む複合構成を有している。複合内側ピンド層の下部層はＲｕ結合層と隣接しており、例えば、Ｃｏ(100-X-Y)ＦｅXＢY（Ｘ＝５〜９５原子％、Ｙ＝５〜３０原子％）で表される組成を有する。
なお、この下部層をＣｏＦｅＢに代えて、ＣｏＦｅＢＭ（Ｂは Ｎｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｔ，Ｃｒ，ＳｉおよびＶからなる群から選択される１種または２種以上の元素）により構成してもよい。但し、これらに限定されるものではない。複合ピンド層では、第２層（下部層に隣接する層）は、好ましくはＣｏ，ＮｉまたはＢなどの他の元素を含有し、ＦｅまたはＦｅ含有量が少なくとも２５原子％であるＦｅ合金により構成される。複合ピンド層の第３層はＣｏまたはＣｏリッチ合金からなり、トンネルバリア層に隣接する。そのＣｏ含有量は９０原子％以上であることが好ましい。
なお、下部層（ＣｏＦｅＢ層）と結合層（Ｒｕ）との間に他の層を追加してもよい。例えば、結晶性の向上と外側ピンド層とのピンニング強化のため、結合層と下部層との間にＣｏＦｅ層を挿入してもよい。
トンネルバリア層は、好ましくはＭｇ／ＭｇＯ／Ｍｇの積層構造であり、Ｍｇ層はＤＣスパッタ法により形成されるが、ＭｇＯ層は下部Ｍｇ層が自然酸化を経ることにより形成される。
内側ピンド層はＣｏＦｅＢ／Ｃｏの２層構造としてもよいが、好ましくはこれらＣｏＦｅＢ層とＣｏ層との間にアニール工程において結晶化した高スピン偏極層を形成する。
ＴＭＲセンサを構成する全ての層は同じスパッタ装置により成膜することができる。但し、ＭｇＯ層をＭｇ層の上に形成する自然酸化プロセスは、スパッタ装置の酸化チャンバ内で実施することが好ましい。ＴＭＲセンサの積層構造は、保護層上に上部シールドを形成するに先立ち、公知の方法によりパターニングされる。
本発明のＴＭＲセンサでは、トンネルバリア層に隣接するピンド層を、外側ピンド（ＡＰ２）層、結合層および内側ピンド（ＡＰ１）層により構成し、そのうちＡＰ１層が、（１）コバルト鉄ボロン層またはコバルト鉄ボロン合金層、（２）コバルト鉄ボロン層またはコバルト鉄ボロン合金層の上に形成された鉄層または鉄合金層、および（３）鉄層または鉄合金層の上に形成され、トンネルバリア層と接するコバルト層またはコバルト合金層を含むようにしたので、高ＭＲ比を維持しつつＲＡ値を低減できると共に、ノイズを低減することが可能になる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）／鉄（Ｆｅ）／コバルト（Ｃｏ）の積層構造を有する複合内側ピンド層（ＡＰ１層）を備えたＴＭＲセンサ、ならびにそのようなＴＭＲセンサの製造方法について説明する。ここでは、典型例として再生ヘッドに適用されるＴＭＲセンサについて説明するが、本発明はこれに限られたものではなく、例えば、ＭＲＡＭなどのトンネル磁気抵抗効果素子を用いた他のデバイスに適用されてもよい。ＴＭＲセンサは、周知のボトムスピンバルブ、トップスピンバルブ、または多層スピンバルブ構造を有していてもよい。なお、図面は代表的な例として示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、さまざまな層は必ずしも縮尺通りに描かれてはおらず、それらの寸法は、実際のデバイスとは異なっている。
図１は本発明の一実施の形態に係る複合ピンド層を有するＴＭＲセンサの断面構成を表している。この図は、ＴＭＲ再生ヘッド３０の一部分を、エアベアリング面 (ＡＢＳ；Air Bearing Surface)から見た状態を表すものである。基板１０は、ここでは、下部リードすなわち下部シールド（Ｓ１）である。下部シールドは、２μｍの膜厚を有するＮｉＦｅ層であり、図示しない基板上に公知の方法によって形成される。その下部構造は例えばＡｌＴｉＣからなるウェハからなる。
ＴＭＲ素子は、この基板１０上に、シード層１１、ＡＦＭ層１２、ピンド層２０、トンネルバリア層２１、フリー層２２および保護層２３をこの順に積層したボトムスピンバルブ構造を有している。シード層１１は、例えば膜厚が１ｎｍ乃至１０ｎｍのＴａ／Ｒｕ複合構造によって構成されている。このシード層１１は、その他、Ｔａ，Ｔａ／ＮｉＣｒ，Ｔａ／Ｃｕ，またはＴａ／Ｃｒの構造により構成されていてもよい。シード層１１は、その上に形成される層に、平坦で均一な粒状構造をもたらす作用を有する。シード層１１上のＡＦＭ層１２は、ピンド層２０（特にその外側層のＡＰ２層１３）の磁化方向を固定している。ＡＦＭ層１２は、４ｎｍ乃至３０ｎｍの膜厚を有し、ＩｒＭｎにより構成されることが好ましいが、その他、ＭｎＰｔ，ＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，またはＭｎＰｔＰｄからなる群から選択される１種により構成されてもよい。
ピンド層２０は、結合層１４がＡＰ２層１３とＡＰ１層１９との間に挟まれたＡＰ２／結合層（Ｒｕ）／ＡＰ１によって表されるシンセティック反平行（ＳｙＡＰ；synthetic anti-parallel) 構造を有している。ＡＰ２層１３（外側ピンド層）はＡＦＭ層１２上に形成されている。このＡＰ２層１３は、１０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅにより構成されており、その膜厚は１ｎｍ乃至５ｎｍである。ＡＰ２層１３の磁気モーメントは、ＡＰ１層１９の磁気モーメントとは反平行方向に固定されている。例えば、３層構造を有するＡＰ１層１９が−Ｘ方向への磁気モーメントを有するのに対し、ＡＰ２層１３は＋Ｘ方向への磁気モーメントを有する。
ここで、ＡＰ１層１９を構成する３層（下部層１６，中間層１７および上部層１８）は、同方向の磁気モーメントを有している。ＡＰ２層１３とＡＰ１層１９とのわずかな膜厚差により、ピンド層２０には後工程で形成されるＴＭＲセンサの容易軸方向に沿った微小なネット磁気モーメントが生じている。ＡＰ２層１３とＡＰ１層１９との交換結合は結合層１４によって促進されている。結合層１４は例えば膜厚が０．３ｎｍ乃至０．９ｎｍであり、Ｒｕにより構成されることが好ましいが、代わりにＩｒによって構成されてもよい。
本実施の形態では、このように結合層１４の上に３層構造（例えばＣｏＦｅＢ／Ｆｅ／Ｃｏ）の複合ＡＰ１層１９（内側ピンド層）を有することを特徴とする。複合ＡＰ１層１９のうちの下部層１６は膜厚１ｎｍ乃至８ｎｍであり、組成がＣｏ（１００−Ｘ−Ｙ）ＦｅＸＢＹによって表される。ここで、好ましくはＸは５原子％乃至９５原子％、Ｙは５原子％乃至３０原子％である。
下部層１６は、その他、例えばＣｏＦｅＢＭ合金により構成されてもよい。ここで、ＭはＮｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｔ，Ｃｒ，ＳｉまたはＶからなる群から選択される１種以上の要素からなることが好ましいが、これに限定されるものではない。
ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＭからなる下部層１６はアモルファスであり、例えば、複合ＡＰ１層１９をＣｏＦｅ層により形成した場合と比較して表面がより平坦になり、その結果ピンド層２０はより均一化される。下部層１６上の中間層１７は、例えばＦｅ、またはＣｏ，Ｎｉ，またはＢなどの他の要素との組み合わせからなるＦｅ合金により構成され、その膜厚は０．５ｎｍ乃至５ｎｍである。Ｆｅ合金とする場合のＦｅの含有量は２５原子％以上であることが好ましい。
複合ＡＰ１層１９を構成する上部層１８はトンネルバリア層２１に隣接し、その膜厚は０．５ｎｍ乃至３ｎｍである。この上部層１８は、ＣｏまたはＣｏリッチ合金により構成される。Ｃｏリッチ合金とする場合のＣｏの含有量は、９０原子％以上であることが好ましい。理論的には解明されていないが、アニール温度が低い場合でも中間層１７および上部層１８はスピン偏極の大きな体心立方結晶構造となる。このようにトンネルバリア層２１と隣接し、ＣｏまたはＣｏリッチ合金により構成された上部層１８の存在により、Ｆｅからなる中間層１７が酸化され、ＦｅＯとなること防止されている。ＦｅＯとなると、ＲＡ値が高くなり、ノイズを増大させるため、この作用は有益である。
なお、上記の「内側ピンド層」とは、ピンド層２０のうち、トンネルバリア層２１の最も近くに位置する部分、「外側ピンド層」とは、ピンド層２０のうち、トンネルバリア層２１から最も離れた場所に位置する部分をそれぞれ表すものである。
本実施の形態では、上記のようにボトムスピンバルブ構造を有し、複合ＡＰ１層１９上のトンネルバリア層２１はＭｇ／ＭｇＯ／Ｍｇの積層構造となっている。なお、トップスピンバルブ構造とする場合には、ＴＭＲ積層体は、基板上に、シード層、フリー層、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇからなるトンネルバリア層、ＡＰ１／結合層（Ｒｕ）／ＡＰ２からなるピンド層、ＡＦＭ層、および保護層をこの順に積層したものとなる。トップスピンバルブ構造では、ＡＰ１層（内側ピンド層）は、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ構造を有するトンネルバリア層の上部Ｍｇ層の上に成膜される。
また、本実施の形態の複合ＡＰ１層１９は、図示しないが、２層構造すなわち結合層１４に隣接する下部層（ＣｏＦｅＢ層）およびトンネルバリア層２１に隣接する上部層（ＣｏまたはＣｏＦｅ層）により構成してもよい。この場合、アニール処理によって、ＣｏＦｅＢ層とＣｏ（またはＣｏＦｅ）層との間に結晶化された高スピン偏極層が形成されるよう、ＣｏＦｅＢ層の組成、Ｃｏ（またはＣｏＦｅ）層の膜厚およびアニール温度を選択する。トンネルバリア層２１に隣接したＣｏリッチな上部Ｃｏ（またはＣｏＦｅ）層により、複合ＡＰ１層１９の均一性がより向上すると共にノイズが低減されることとなる。
更に、複合ＡＰ１層１９は４層以上の構成としてもよい。例えば、図２は、図１に示した複合ＡＰ１層１９の最下層（結合層１４に隣接する位置）に第４の層としてＣｏＦｅ層１５を備えたものである。すなわち、この複合ＡＰ１層１９は、結合層１５の上に、ＣｏＦｅ層１５、ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＭ層１６、ＦｅまたはＦｅ合金層１７、およびＣｏまたはＣｏ合金層１８からなる積層構造を有する。このようにＣｏＦｅ層１５を複合ＡＰ１層１９内に追加することにより、ＡＰ２層１３および結合層１４を通してのＡＦＭ層１２による複合ＡＰ１層１９のピンニングが高まると共に、複合ＡＰ１層１９の各層の結晶化が促進される。すなわち、ＣｏＦｅ層１５の体心立方結晶構造がＡＰ１層１９中の上の層（下部層１６、中間層１７および上部層１８）の結晶成長を促進するものである。
本実施の形態では、また、複合ＡＰ１層１９の中または上に、酸素界面活性層（ＯＳＬ；Oxygen Surfactant Layer）（図示せず）を形成するようにしてもよい。これにより上層のトンネルバリア層２１の膜均一性が向上する。
なお、これは当業者には周知であるが、結晶成長を滑らかに行うと共によりよい結晶構造を形成するために、アルゴン（Ａｒ）ガスなどを用いたプラズマ処理を施し、複合ＡＰ１層１９のいずれかの層を改変するようにしてもよい。例えば、複合ＡＰ１層１９の中間層１７の成膜に先立ち、下部層１６に対してプラズマ処理を施すものである。
複合ＡＰ１層１９の上に形成されるトンネルバリア層２１は、上記のようにＭｇ／ＭｇＯ／Ｍｇの３層構造を有することが好ましい。このうち下部Ｍｇ層（第１層）は、膜厚が例えば０．４ｎｍ乃至１．４ｎｍであり、スパッタ装置内で成膜される。スパッタ装置としては、複数のターゲットを有する超高真空ＤＣマグネトロンスパッタチャンバと共に酸化チャンバを備えたものが好ましい（例えばアネルバ社製のＣ−７１００）。スパッタ条件として、チャンバ内圧力を例えば５×１０−８ｔｏｒｒ乃至５×１０−９ｔｏｒｒ、スパッタガスをアルゴン（Ａｒ）ガスとすることにより、複合ＡＰ１層１９の上に下部Ｍｇ層が成膜される。このように低圧力であっても、下部Ｍｇ層として均一な膜を形成することができる。
トンネルバリア層２１における下部Ｍｇ層上のＭｇＯ層（第２層）は、下部Ｍｇ層を自然酸化（ＮＯＸ；Natural Oxidation)することにより形成される。自然酸化処理は、上記スパッタ装置の酸素チャンバ内で、０．１ｍｔｏｒｒ乃至１ｔｏｒｒの圧力の酸素雰囲気下、１５秒から３００秒間で行われる。この酸化チャンバ内での自然酸化処理中において、酸化チャンバに対して加熱や冷却を行う必要はない。この自然酸化により、ＭｇＯ層は５ｎｍ乃至１２ｎｍの膜厚を有するものとなる。０．５Ω- μｍ２乃至５Ω- μｍ２の範囲内のＲＡ値を得るためには、酸化圧を１０−６ｔｏｒｒ乃至１ｔｏｒｒとして、所定の時間の酸化処理を施す。Ｏ２と、Ａｒ，Ｋｒ，またはＸｅなどの不活性ガスによる混合ガスを用いると、自然酸化工程をより良く制御することができる。
本実施の形態では、このようにトンネルバリア層２１（Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ）における下部Ｍｇ層上へのＭｇＯ層の形成を自然酸化により行うものであるが、高周波スパッタまたは反応性スパッタ法を用いることもできる。但し、トンネルバリア層のＭｇＯ層をスパッタ法により形成すると、そのＴＭＲセンサの性能は、本実施の形態のＴＭＲセンサのそれほど望ましいものではない。本発明者の実験によると、円形素子構造（０．６μｍ径）とした場合の最終的なＲＡ均一性（１σ）は、トンネルバリア層のＭｇＯ層を、ＤＣスパッタ法により形成されたＭｇ層の自然酸化によって形成した場合が３％未満であるのに対し、高周波スパッタにより形成した場合には１０％以上であった。
トンネルバリア層２１の上部Ｍｇ層（第３層，第２Ｍｇ層）は、ＤＣスパッタ法によりＭｇＯ層の上に堆積される。上部Ｍｇ層は膜厚が０．２ｎｍ乃至０．８ｎｍであり、その上に形成されるフリー層２２の酸化を防止する役割を担う。自然酸化工程の結果として、ＭｇＯ層の上面に過剰な酸素が蓄積されるが、このＭｇＯ層の上にフリー層２２を直に形成すると、過剰な酸素がそのフリー層２２を酸化する可能性がある。ここで、ＴＭＲセンサのＲＡ値およびＭＲ比は、トンネルバリア層２１の２つのＭｇ層の膜厚を変化させること、および自然酸化に要する時間と圧力とを変化させることにより調整することが可能である。例えば、自然酸化の時間が長く、および／またはその雰囲気圧力が高くてＭｇＯ層の膜厚が厚くなると、ＲＡ値が増加する。
トンネルバリア層２１の構成材料としては、ＭｇＯに加えて、ＴｉＯｘ，ＴｉＡｌＯｘ，ＭｇＺｎＯｘまたはＡｌＯｘ、あるいはこれらの組み合わせを用いてもよい。
図１に戻って説明を続けると、トンネルバリア層２１上のフリー層２２は、Ｃｏ１００−ＷＦｅＷ／Ｎｉ１００−ＺＦｅＺを含んで構成されることが好ましい。ここで、ｗは１０原子％〜９０原子％、ｚは５原子％〜７０原子％である。必要に応じて、フリー層２２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，およびＢからなる群から選択される少なくとも２つを含む合金からなる多層構造を有していてもよい。
フリー層２２上の保護層２３は、例えば、Ｒｕ／Ｔａ，Ｒｕ／Ｚｒ，Ｒｕ／Ｈｆ，Ｔａ，ＮｉＦｅＨｆ，ＮｉＦｅＺｒ，またはＮｉＦｅＭｇにより構成されている。本実施の形態では、フリー層２２および保護層２３は、シード層１１からトンネルバリア層２０までの積層構造と同じスパッタ装置内で形成される。勿論、必要であれば、各層ごとにチャンバを変更するようにしてもよい。
保護層２３を形成してＴＭＲセンサが完成すると、ピンド層２０およびフリー層２２の磁化方向を規定するために、少なくとも２０００Ｏｅの磁場、好ましくは８０００Ｏｅの磁場中において、温度２４０℃〜３４０℃の真空オーブンにより２〜１０時間、アニールする。但し、特定の環境下では、アニール工程に要する時間や温度によって、未反応の酸素が隣接するＭｇ層まで拡散するため、上記Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ構造のトンネルバリア層２１は全体が均一なＭｇＯ層となることもある。
次に、公知のプロセスにより、ＴＭＲセンサの積層構造をパターニングする。例えば、保護層２３上にフォトレジスト層（図示せず）を形成し、このフォトレジスト層をパターニングしたのち、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング）、ＩＢＥ（Ion Beam Etching；イオンビームエッチング）などにより、フォトレジスト層の開口を通して下層の露出部分を選択的に除去する。このエッチング工程を、下部シールド１０、または下部シールド１０とトンネルバリア層２１（図１）との間で終了する。これにより例えば図３に示したように上面３１ｂおよび側面３１ｃを有するＴＭＲセンサ３１ａが形成される。そして、ＴＭＲセンサ３１ａの側面に沿うよう絶縁層３２を埋設したのち、リフトオフ工程により上記フォトレジスト層を取り除く。
続いて、絶縁層３２およびＴＭＲ素子３１ａの上に上部シールド２４（上部リード）を形成する。この上部シールド２４は、例えば下部シールド１０と同様に膜厚が２μｍのＮｉＦｅ層とする。なお、再生ヘッド３０としては、上部シールド２４の上に第２のギャップ層（図示せず）を含めるようにしてもよい。
次に、上記複合内側ピンド層（ＡＰ１層）１９を備えたＴＭＲセンサの性能を確認するために以下の実験を行った。本実施例１のＴＭＲセンサは、上述した方法により形成され、Ｔａ／Ｒｕ（シード層）／ＩｒＭｎ（ＡＦＭ層）／ＣｏＦｅ（ＡＰ２層）／Ｒｕ（結合層）／ＣｏＦｅＢ／Ｆｅ／Ｃｏ（複合ＡＰ１層）／Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ（トンネルバリア層）／ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ（フリー層）／Ｒｕ／Ｔａ（保護層）からなる積層構造を有する。複合ＡＰ１層１９は例えばＣｏ２４Ｆｅ５６Ｂｅ２０／Ｆｅ／Ｃｏの３層構造を有し、ＣｏＦｅＢｅ層、Ｆｅ層およびＣｏ層の膜厚はそれぞれ１．５ｎｍ、１ｎｍ、０．７ｎｍとした。トンネルバリア層２１（Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ）は、自然酸化工程によりＭｇＯ層が形成される前の下部Ｍｇ層の膜厚を０．７ｎｍ、ＭｇＯ層の上に形成される上部Ｍｇ層の膜厚を０．３ｎｍとした。
その他の層の膜厚（ｎｍ）は、以下のとおりである。シード層１１はＴａ（２ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）、ＡＦＭ層１２はＩｒＭｎ（７ｎｍ）、ＡＰ２層１３はＣｏＦｅ（１．９ｎｍ）、結合層１４はＲｕ（０．７５ｎｍ）、フリー層２２はＣｏＦｅ（１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４ｎｍ）、保護層２３はＲｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（６ｎｍ）。このＴＭＲ積層構造をＮｉＦｅ下部シールド層の上に形成し、８０００Ｏｅの印加磁場中において、温度２８０℃の真空状態で５時間アニールした。
複合ＡＰ１層１９を備えた本実施例１のＭＴＪ素子（ＴＭＲセンサ）では、以下に示すように、４０％以上という高いＭＲ比を維持しつつ、ＲＡ値が低い（２Ω- μｍ２未満）と共に磁気歪が大幅に低減されており、各特性は従来のＡｌＯｘバリア層を備えたＭＴＪ素子と比べて著しく向上している。
図４は、実施例１のＭＴＪ素子の性能が、本発明者が以前に製造したＭｇＯトンネルバリア層を含む他のＭＴＪ素子（比較例１）よりも向上していることを示している。実線４０によって表される比較例１のＭＴＪ素子は、複合ＡＰ１層としてＣｏＦｅＢ／Ｆｅ／Ｃｏ構造の代わりにＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ構造を用いた点を除き、実施例１の構成と同じとした。測定値４０ａ〜４０ｃは、トンネルバリア層２１（Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ）を形成する際の自然酸化工程に要する時間が異なることによるものである。測定値４１は、実施例１についてのＭＲ比およびＲＡ値を示している。注目すべきは、ほぼ同じ４８％のｄＲ／Ｒを示す比較例１の測定値４０ａに比べて、実施例１ではそのＲＡ値がかなり低くなっていることである。
加えて、円形素子（直径０．６μｍ）構造を有する本実施例１のＭＴＪ素子では、その磁気歪は、２×１０−６未満の許容範囲内であった。この磁気歪の値は、フリー層におけるＣｏＦｅ層およびＮｉＦｅ層の膜厚、または組成を変化させることにより調整可能である。
以上のように、本発明者は、優れた均一性を保ちつつ、４０％以上の高いＭＲ比と２Ω- μｍ２未満の低いＲＡ値を有し、かつ低磁気歪のＴＭＲセンサを実現するには、Ｍｇ／ＭｇＯ（ＮＯＸ）／Ｍｇ構造を有するトンネルバリア層２１などと共に、複合ＡＰ１層１９を備えることが有効であることを見出した。
本実施の形態では、その他、複合ＡＰ１層１９を形成するに際し、コストが安いという効果を有する。本発明者が以前に行っていたプロセスと比べると、本実施の形態では、１または２つの層を追加するだけでよく、新たなスパッタリングターゲットやスパッタリングチャンバを必要としない。更に、本実施の形態では、フリー層をＣｏＦｅ／ＮｉＦｅからなる構造としているため、アニール工程は低温でよい。そのため現在製造されているＧＭＲセンサに適用される設備を利用することができる。すなわち、プロセスの流れやそれに関連するシステムを何等変更する必要はない。
また、本実施の形態では、トンネルバリア層２１を構成するＭｇＯ層を自然酸化により形成するため、ＭｇＯ層をＲＦスパッタ法により形成する場合に比べて、膜厚や酸化状態が均一となる。その結果、トンネルバリア層２１の抵抗値（トンネル抵抗値）を厳密に制御することができ、それによってより高い性能を引き出すことが可能になる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の範囲および主旨から逸脱することなく種々の変形が可能である。
本発明の一実施の形態に係る複合内側ピンド層を有するＴＭＲセンサの構成を表す断面図である。 本発明の他の実施の形態を表す断面図である。 図１のＴＭＲセンサを有するＴＭＲ再生ヘッドの断面図である。 比較例に対する図１のＴＭＲセンサの性能を説明するための特性図である。
符号の説明
１０…基板（下部シールド）、１１…シード層、１２…ＡＦＭ層、１３…ＡＰ２層、１４…結合層、１５…結合層（ＣｏＦｅ)、１6 …下部層、１７…中間層、１8 …上部層、１９…複合ＡＰ１層、２０…ピンド層、２１…トンネルバリア層、２２…フリー層、２３…保護層、２４ …上部シールド。

Claims (21)

  1. 磁気抵抗効果素子におけるピンド層であって、
    （ａ）反強磁性（ＡＦＭ）層に接すると共に前記ＡＦＭ層により磁化方向が固定された外側ピンド（ＡＰ２）層と、
    （ｂ）一面が前記ＡＰ２層上に形成された結合層と、
    （ｃ）前記結合層の、前記ＡＰ２層とは反対側に形成されると共に、前記ＡＰ２層の磁気モーメントと反平行方向の磁気モーメントを有する内側ピンド（ＡＰ１）層とを備え、前記ＡＰ１層は、少なくとも、
    （１）ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層、
    （２）前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層の上に形成されたＦｅ層またはＦｅ合金層、および、
    （３）前記Ｆｅ層またはＦｅ合金層の上に形成され、前記磁気抵抗効果素子におけるトンネルバリア層と接するＣｏ層またはＣｏ合金層
    を有することを特徴とするピンド層。
  2. 前記磁気抵抗効果素子が、基板上に形成されたシード層と、前記シード層の上の前記ＡＦＭ層と、前記トンネルバリア層の上に形成されたフリー層と、前記フリー層の上の保護層とを更に備えたトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）センサであり、前記ＡＰ２層が前記ＡＦＭ層に接している
    ことを特徴とする請求項１に記載のピンド層。
  3. 前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層の膜厚は１ｎｍ乃至８ｎｍ、前記Ｆｅ層またはＦｅ合金層の膜厚は０．５ｎｍ乃至５ｎｍ、前記Ｃｏ層またはＣｏ合金層の膜厚は０．５ｎｍ乃至３ｎｍである
    ことを特徴とする請求項１に記載のピンド層。
  4. 前記ＣｏＦｅＢ層が、Ｃｏ(100-X-Y)ＦｅXＢYで表される組成を有し、前記組成におけるＸが５原子％乃至９５原子％であり、Ｙが５原子％乃至３０原子％である
    ことを特徴とする請求項１に記載のピンド層。
  5. 前記Ｆｅ合金層が、Ｃｏ，ＮｉまたはＢを含むと共に少なくとも２５原子％のＦｅ含有量を有し、前記Ｃｏ合金が、９０原子％よりも多いＣｏ含有量を有し、前記ＣｏＦｅＢ合金がＣｏＦｅＢＭで表される組成を有し、前記組成におけるＭがＮｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｓｉ，およびＶからなる群から選択される１種以上である
    ことを特徴とする請求項１に記載のピンド層。
  6. 前記ＡＰ１層が、前記結合層と前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層との間にＣｏＦｅ層を更に備えている
    ことを特徴とする請求項１に記載のピンド層。
  7. 前記トンネルバリア層が、ＭｇＯ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＴｉＡｌＯｘおよびＭｇＺｎＯｘ、またはこれらの材料の組み合わせからなる
    ことを特徴とする請求項１に記載のピンド層。
  8. 基板上にシード層、ＡＦＭ層、ピンド層、トンネルバリア層、フリー層および保護層をこの順に備えたＴＭＲセンサであって、
    前記ピンド層は、
    （ａ）前記ＡＦＭ層の上に形成されると共に前記ＡＦＭ層により磁化方向が固定された外側ピンド（ＡＰ２）層と、
    （ｂ）一面が前記ＡＰ２層上に形成された結合層と、
    （ｃ）前記結合層の、前記ＡＰ２層とは反対側に形成されると共に、前記ＡＰ２層の磁気モーメントと反平行方向の磁気モーメントを有する内側ピンド（ＡＰ１）層とを備え、前記ＡＰ１層は、少なくとも、
    （１）ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層、
    （２）前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層の上に形成されたＦｅ層またはＦｅ合金層、および、
    （３）前記Ｆｅ層またはＦｅ合金層の上に形成され、前記トンネルバリア層と接するＣｏ層またはＣｏ合金層
    を有することを特徴とするＴＭＲセンサ。
  9. 前記ＡＰ２層はＣｏＦｅからなり、前記結合層はＲｕからなり、前記ＡＰ１層は、１ｎｍ乃至８ｎｍの膜厚に形成され、Ｃｏ(100-X-Y)ＦｅXＢYで表される組成を有し、前記組成におけるＸが５原子％乃至９５原子％であり、Ｙが５原子％から３０原子％であるＣｏＦｅＢ層を含むＣｏＦｅＢ／Ｆｅ／Ｃｏからなる構成を有し、前記Ｆｅ層が０．５ｎｍ乃至５ｎｍの膜厚に形成され、前記コバルト層が０．５ｎｍ乃至３ｎｍの膜厚に形成されている
    ことを特徴とする請求項８に記載のＴＭＲセンサ。
  10. 前記ＡＰ１層が、前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層と前記結合層との間に形成されたＣｏＦｅ層を更に含む
    ことを特徴とする請求項８に記載のＴＭＲセンサ。
  11. 前記Ｆｅ合金が、Ｃｏ，ＮｉまたはＢを含むと共に少なくとも２５原子％のＦｅ含有量を有し、前記Ｃｏ合金が、９０原子％よりも多いＣｏ含有量を有し、前記ＣｏＦｅＢ合金がＣｏＦｅＢＭで表される組成を有し、前記組成におけるＭがＮｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｓｉ，およびＶからなる群から選択される１種以上である
    ことを特徴とする請求項８に記載のＴＭＲセンサ。
  12. 前記シード層がＴａ／Ｒｕからなり、前記ＡＦＭ層がＩｒＭｎからなり、前記トンネルバリア層がＭｇＯを含み、前記フリー層はＣｏＦｅ／ＮｉＦｅからなり、前記保護層がＴａ／Ｒｕからなる構成を有している
    ことを特徴とする請求項８に記載のＴＭＲセンサ。
  13. 前記トンネルバリア層が、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇの積層構造を有する
    ことを特徴とする請求項８に記載のＴＭＲセンサ。
  14. ピンド層を有するＴＭＲセンサの製造方法であって、
    基板上にシード層、ＡＦＭ層、ピンド層、トンネルバリア層、フリー層および保護層をこの順に形成する工程を含み、
    前記ピンド層は、
    （ａ）前記ＡＦＭ層に接すると共に前記ＡＦＭ層により磁化方向が固定された外側ピンド（ＡＰ２）層と、
    （ｂ）一面が前記ＡＰ２層上に形成された結合層と、
    （ｃ）前記結合層の、前記ＡＰ２層とは反対側に形成されると共に、前記ＡＰ２層の磁気モーメントと反平行方向の磁気モーメントを有する内側ピンド（ＡＰ１）層とを備え、前記ＡＰ１層は、少なくとも、
    （１）ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層、
    （２）前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層の上に形成されたＦｅ層またはＦｅ合金層、および
    （３）前記Ｆｅ層またはＦｅ合金層の上に形成され、トンネルバリア層と接しているＣｏ層またはＣｏ合金層
    を有することを特徴とするＴＭＲセンサの製造方法。
  15. 前記ＴＭＲセンサが、基板上に形成されたシード層と、前記シード層の上の前記ＡＦＭ層と、前記トンネルバリア層の上に形成されたフリー層と、前記フリー層の上の保護層とを更に備え、前記ＡＰ２層が前記ＡＦＭ層に接している
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
  16. 前記ＡＰ１層のＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層と前記結合層との間に、ＣｏＦｅ層を形成する工程
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
  17. 前記ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢ合金を、１ｎｍ乃至８ｎｍの膜厚に形成すると共に、Ｃｏ(100-X-Y)ＦｅXＢYで表される組成とし、その組成におけるＸを５原子％ないし９５原子％、Ｙを５原子％乃至３０原子％とし、またはＣｏＦｅＢＭで表される組成とし、その組成におけるＭをＮｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｓｉ，およびＶからなる群から選択される１種以上とする
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
  18. 前記Ｃｏ層またはＣｏ合金層を、０．５ｎｍ乃至３ｎｍの膜厚に形成し、前記Ｃｏ合金を、９０原子％よりも多いＣｏ含有量とし、前記Ｆｅ層またはＦｅ合金層を、０．５ｎｍ乃至５ｎｍの膜厚で形成し、前記Ｆｅ合金に、Ｃｏ，ＮｉまたはＢを含めると共に、そのＦｅ含有量を少なくとも２５原子％とする
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
  19. 前記ピンド層を含むＴＭＲセンサを、２４０℃乃至３４０℃の温度でアニールする
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
  20. 前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層と前記Ｃｏ層またはＣｏ合金層との間に界面活性層を形成する工程、または前記Ｃｏ層またはＣｏ合金層と前記トンネルバリア層との間に界面活性層を形成する工程
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
  21. 前記Ｃｏ層またはＣｏ合金層を形成する工程に先立ち、前記ＣｏＦｅＢ層またはＣｏＦｅＢ合金層にプラズマ処理を施す工程、または前記トンネルバリア層を形成する工程に先立ち、前記Ｃｏ層またはＣｏ合金層にプラズマ処理を施す
    ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
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