JP5750211B2 - Ｔｍｒ素子およびその形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、磁気再生ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory ）等に用いられるＴＭＲ（tunneling magnetoresistive) 素子およびその形成方法に関する。
ＭＴＪ（magnetic tunneling junction ）素子としても知られるＴＭＲセンサは、ＭＲＡＭや磁気再生ヘッドにおいてキーとなる記憶エレメントである。このＴＭＲセンサは、一般に、非磁性絶縁層によって分離された２つの磁性層を含む積層構造を有する。中でも、ボトム型スピンバルブ構造と呼ばれるものは、通常、基板上に順に形成された、シード層（バッファ層）、反強磁性（ＡＦＭ）層、ピンド層、トンネルバリア層、フリー層およびキャップ層により構成される。フリー層は、外部磁界（記録媒体磁界）に反応するセンシング層として機能する一方、ピンド層は、磁化が固定された参照（基準）層として機能する。トンネルバリア層を貫く方向における電気抵抗の値は、フリー層の磁気モーメントの方向とピンド層の磁気モーメントの方向との間の相対角度に依存して変化する。その結果、磁気信号が電気信号に変換される。磁気再生ヘッドにおいては、ＴＭＲセンサは、下部シールド層と上部シールド層との間に形成される。センス電流が、上部シールド層から下部シールド層（ＭＲＡＭでは上部導電層から下部導電層）へと、積層面に垂直に（ＣＣＰ：current perpendicular to the plane）流れる場合において、フリー層とピンド層の磁化方向が互いに平行になっている状態では、より低い抵抗値が検出され（記憶状態“１”）、フリー層とピンド層の磁化方向が互いに反平行になっている状態では、より高い抵抗値が検出される（記憶状態“０”）。
なお、巨大磁気抵抗効果（GMR ：giant magnetoresistive）素子は、上記とは異なるタイプの素子である。このタイプでは、絶縁層（トンネルバリア層）の代わりに、銅などの非磁性導電層が用いられる。
ＴＭＲ積層構造においては、ピンド層として、シンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ）構造が用いられることが多い。このＳｙＡＦ構造は、外側層が、結合層を介して、トンネルバリア層に接する内側層と磁気的に結合したものである。この外側層は、所定方向に磁化された隣接ＡＦＭ層によってそれと同じ方向に固定された磁気モーメントを有する。トンネルバリア層は非常に薄いので、そこを通過する電流は、伝導電子の量子力学的トンネル効果による電流である。
次世代の磁気記録ヘッド分野において、現時点で、ＴＭＲセンサはＧＭＲセンサに置き換わる最も有力な候補である。最新のＴＭＲセンサは、再生ヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ）における断面サイズが０．１μｍ×０．１μｍ程度である。ＴＭＲセンサの優位性は、ＧＭＲセンサに比べてＭＲ比が大きいことにある。高性能のＴＭＲセンサには、高いＭＲ比に加えて、小さい面積抵抗値（ＲＡ値＝面積×抵抗値）と、小さい磁歪( λ) と小さい保磁力（Ｈｃ）とを有するフリー層と、強力なピンド層と、トンネルバリア層を介する層間結合Ｈinが小さいことが求められる。ＭＲ比（ＴＭＲ比とも呼ばれるが）は、ｄＲ／Ｒで定義される。ここで、ＲはＴＭＲセンサの抵抗値の最小値であり、ｄＲはフリー層の磁気状態を変化させたときの抵抗値の変化量である。ＴＭＲ比が大きければ、より高速の読み出しが可能である。また、高密度記録と高い周波数での用途においては、ＲＡ値を１〜３［Ω・μｍ2 ］程度にまで低減しなければならない。
ＧＭＲ−ＣＰＰ素子またはＴＭＲ素子に用いられるフリー層について調査を行ったところ、以下のような先行技術が見つかった。
特許文献１には、Ｃｏ，ＣｏＦｅ合金，Ｎｉ，またはＮｉＦｅ合金からなるフリー層を備えたＧＭＲ−ＣＰＰ素子が開示されている。フリー層の上または内部には、ＣｏＮｉＦｅＢまたはＣｏＢ（その詳細な組成は開示なし）からなる高抵抗層が形成されている。しかしながら、この特許文献１は、高い抵抗特性を開示したものであり、小さいＲＡ値が求められるＴＭＲ用途には到底適用できない。
特許文献２には、検出感度を向上させるための層（Ｔａ層）を第１および第２の強磁性層の間に挟みこんだ構造を有するフリー層が開示されている。第１の強磁性層は、ＣｏＦｅＢ系またはＣｏＦｅ系の合金からなり、正の磁歪係数を有する。一方、第２の強磁性層は、ＣｏＦｅ系、Ｎｉ系またはＮｉＦｅ系の合金からなり、負の磁歪係数を有する。
特許文献３には、ＧＭＲ−ＣＰＰ素子またはＴＭＲ素子の用途において小さな保磁力と小さな磁歪係数とを達成するために、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅという構造のフリー層を用いることが開示されている。
特許文献４には、磁歪λを−１×１０-6〜１×１０-6という範囲内に抑えるために、ＣｏＦｅＢおよびＮｉを用いた並行スパッタリングによって形成され、Ｎｉ含有量が５〜１７％程度のＣｏＮｉＦｅＢフリー層を有する磁気抵抗効果素子が開示されている。
米国特許第７，０３５，０５８号 米国特許公開２００７／０１３９８２７号 米国特許公開２００７／００４７１５９号 米国特許公開２００７／００７０５５３号
このような背景において酸化マグネシウム（ＭｇＯｘ）をトンネルバリア層として用いたＴＭＲセンサは、高周波磁気記録用途において極めて有望な候補と考えられる。酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）や酸化チタン（ＴｉＯｘ）をトンネルバリア層として用いたＴＭＲセンサに比べて、ＴＭＲ比が著しく大きいからである。高いＴＭＲ比を確保しつつより小さな保磁力Ｈｃを達成するため、当業界は、ＴＭＲセンサのフリー層としてＣｏＦｅＢ層を用いる方向に向かっている。ところが、残念なことに、ＣｏＦｅＢからなるフリー層においては、磁歪の大きさが、高密度メモリ用途において許容される最大値（５×１０-6）を大きく超えている。そこで、ＣｏＦｅＢ層の代わりに、低磁歪で軟磁性特性に優れたＣｏＦｅ／ＮｉＦｅという２層の複合構造を有するフリー層が用いられるようになっている。ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅフリー層を用いると、ＴＭＲ比が低下する。したがって、低磁歪でありながら、高いＴＭＲ比と小さなＲＡ値と小さな保磁力とを実現し得る、改善されたＴＭＲ素子が求められている。
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、ＦｅＣｏ／ＮｉＦｅという複合フリー層を備えた従来のＴＭＲ素子に比べて少なくとも１５〜３０％改善されたＴＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）を発現し得るフリー層を備えたＴＭＲ素子およびその形成方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、上記の第１の目的を達成しつつ、−５×１０-6〜５×１０-6という範囲の低磁歪（λｓ）と、３［Ω・μｍ2 ］以下という小さな面積抵抗値（ＲＡ）と、４×１０3 ／４π〜６×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］という小さな保磁力（Ｈｃ）とを得ることが可能なＴＭＲ素子およびその形成方法を提供することにある。
本発明の上記目的は、適切な基層（例えば、再生ヘッドにおける下部シールド層）の上に次のような構造のＴＭＲ素子を形成することにより達成される。このＴＭＲ素子は、例えばボトム型スピンバルブ構造を有するもので、基層の上に順次形成された、シード層、反強磁性（ＡＦＭ）層、ピンド層、トンネルバリア層、フリー層およびキャップ層を備える。トンネルバリア層は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなり、フリー層は、例えば、ＣｏＢX （コバルトボロン；Ｘは０〜３０原子％）またはＦｅＢV （鉄ボロン；Ｖは０〜３０原子％）を含む低磁歪層として形成される。フリー層を、ＣｏＢX またはＦｅＢV からなる単層として構成する場合、その膜厚は２ｎｍから６ｎｍ程度である。
あるいは、フリー層をＦｅＣｏY ／ＣｏＢX （Ｙは０〜１００原子％）という複合層として形成可能である。ここで、トンネルバリア層に接するのはＦｅＣｏY 層である。ＦｅＣｏY 層の膜厚は０．２ｎｍから１ｎｍ程度であり、ＣｏＢX 層の膜厚は２ｎｍから５ｎｍ程度である。ＣｏＢX 層は−５×１０-6から０までの磁歪係数λを有するのが好ましい。
必要に応じて、フリー層を、ＦｅＣｏY ／ＣｏU ＦｅW ＢZ ／ＣｏＢX 、ＦｅＣｏY ／ＣｏＢX ／ＣｏU ＦｅW ＢZ 、ＦｅＣｏY ／ＣｏＦｅW ／ＣｏＢX 、またはＦｅＣｏY ／ＦｅＢV ／ＣｏＢX という３層の複合構造として形成してもよい。ここで、Ｕは１〜９５原子％、Ｗは０〜７０原子％、ＶおよびＺはともに０〜３０原子％である。ＦｅＣｏY 層、ＣｏU ＦｅW ＢZ およびＣｏＢX 層の膜厚は、それぞれ、０．２ｎｍから１ｎｍ、０．５ｎｍから２ｎｍ、２ｎｍから４ｎｍ程度とするのが好ましい。また、ＣｏＦｅW 層およびＦｅＢV 層の膜厚は、０．２ｎｍから１ｎｍ程度とするのが好ましい。ＣｏＢX 層は−５×１０-6から０までの磁歪係数λを有するのが好ましい。
他の例として、フリー層を、膜厚は２ｎｍないし６ｎｍ程度のＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT からなる単層、またはＦｅＣｏY ／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT という２層の複合構造として形成してもよい。ここで、Ｐは５〜９０原子％、Ｒは５〜２０原子％、Ｓは５〜９０原子％、Ｔは１〜３０原子％、Ｐ＋Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００原子％である。ＦｅＣｏY 層の膜厚は０．２ｎｍから１ｎｍ程度とし、ＣｏＢX 層の膜厚は２ｎｍから５ｎｍ程度とするのが好ましい。ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層は、ＣｏＢターゲットとＣｏＮｉＦｅ（コバルトニッケル鉄）ターゲットとを並行スパッタリングすることにより形成可能である。
あるいは、フリー層を、ＦｅＣｏY ／ＣｏU ＦｅW ＢZ ／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 、ＦｅＣｏY ／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT ／ＣｏU ＦｅW ＢZ 、ＦｅＣｏY ／ＣｏＦｅW ／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 、またはＦｅＣｏY ／ＦｅＢV ／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT という３層構造として形成してもよい。ＦｅＣｏY 層の膜厚は０．２ｎｍから１ｎｍ、ＣｏU ＦｅW ＢZ 層の膜厚は０．５ｎｍから２ｎｍ、ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層の膜厚は２ｎｍから４ｎｍ程度とするのが好ましい。ここで、ＣｏＮｉＦｅＢ層は、ＣｏＢおよびＣｏＮｉＦｅからなるターゲットを用いたスパッタ成膜により形成可能である。
さらに他の例として、ＣｏＮｉＦｅＢ層をＣｏＮｉＦｅＢＭに置き換えてもよい。ここで、Ｍは、Ｖ（バナジウム），Ｔｉ（チタン），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｎｂ（ニオビウ
ム），Ｈｆ（ハフニウム），Ｔａ（タンタル）およびＭｏ（モリブデン）のうちのいずれかである。ＣｏＮｉＦｅＢＭ中におけるＭの含有量は１０原子％未満である。ＣｏＮｉＦｅＢＭ層は、ＣｏＢターゲットとＣｏＮｉＦｅＭターゲットとを並行スパッタすることにより形成可能である。
通常、ＴＭＲ積層体はスパッタリングシステムにおいて成膜される。そのすべての層は、同じスパッタチャンバ内で成膜するのが好ましい。ＭｇＯｘトンネルバリア層は、まずピンド層の上に第１のＭｇ層を成膜したのち自然酸化によりＭｇＯｘ層を形成し、さらにその上に第２のＭｇ層を成膜することにより、形成することができる。そのような酸化処理は、スパッタリングシステムにおける酸化チャンバ内で行われる。ＴＭＲ積層体をパターニングしたのち、その上にキャップ層を形成する。
なお、本願に関連して本出願人が出願したものとして、２００６年７月１２日出願の出願（特願２００６−１９１８９９）、およびその基礎となる米国出願（２００５年７月１３日出願の米国特許出願（出願番号１１／１８０８０８））がある。
本発明に係るＴＭＲ素子およびその形成方法によれば、ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層の上にＣｏＢX またはＦｅＢV を含む低磁歪のフリー層を形成するようにしたので、小さい保磁力およびＲＡ値を確保しつつ、従来のＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ構造のフリー層の場合に比べてＴＭＲ比を高めることができる。
ここで、フリー層は、ＦｅＣｏY ／ＣｏＢX （Ｙは０〜１００原子％）という２層構造、あるいは、ＦｅＣｏY ／ＣｏU ＦｅW ＢZ ／ＣｏＢX 、ＦｅＣｏY ／ＣｏＢX ／ＣｏU ＦｅW ＢZ 、ＦｅＣｏY ／ＣｏＦｅW ／ＣｏＢX 、またはＦｅＣｏY ／ＦｅＢV ／ＣｏＢX という３層構造として形成してもよく、さらに、これらの場合において、ＣｏＢX を、ＣｏＮｉＦｅＢまたはＣｏＮｉＦｅＢＭに置き換えてもよい（ＭはＶ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ
，Ｈｆ，ＴａまたはＭｏ）。小さい保磁力およびＲＡ値を確保しつつ、従来のＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ構造のフリー層の場合に比べてＴＭＲ比を１５〜３０％程度向上させることも可能である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、ＴＭＲ素子の構造の説明と共に、適宜、その形成方法についても説明する。
本実施の形態のＴＭＲ素子は、ＣｏＢまたはＣｏＮｉＦｅＢＭを含むフリー層を備えるＴＭＲセンサである。そのようなＴＭＲセンサは、再生ヘッドにおいて用いられるほか、トンネル磁気抵抗効果素子を基礎とする例えばＭＲＡＭ構造や、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）−ＣＰＰ（面直交電流型）センサにも適用される。ＴＭＲセンサには、ボトム型スピンバルブ構造、トップ型スピンバルブ構造、および多層型スピンバルブ構造がある。以下の説明において、図面はあくまで具体例としてのものであり、本発明を限定するものではない。例えば、多くの要素は必ずしも等倍で描かれておらず、それらの相対的な大きさは、実際の素子における要素サイズとは異なる。
図１は、ＴＭＲ積層構造の一部をエアベアリング面から見た状態を表すものである。このＴＭＲ積層構造１は、基層１０上に順に、シード層１４と、ＡＦＭ層１５と、ピンド層１６と、トンネルバリア層１７と、フリー層１８と、キャップ層１９とが積層された、ボトムスピンバルブ型の積層構造を有している。基層１０は、図示しない基体の上に、例えば下部リードあるいは下部シールド（Ｓ１）として形成されたＮｉＦｅ層であり、約２μｍの膜厚を有する。上記の基体は、例えばＡｌＴｉＣからなるウェハである。
シード層１４は、約１ｎｍ〜１０ｎｍの膜厚を有し、Ｔａ／Ｒｕという複合構造を有するのが好ましいが、これに代えて、Ｔａ単層としてもよいし、あるいはＴａ／ＮｉＣｒ、Ｔａ／Ｃｕ、Ｔａ／Ｃｒ等の複合構造としてもよい。シード層１４は、その上に形成される層の結晶構造の平坦性および均一性を促進させるものである。
シード層１４の上に形成されたＡＦＭ層１５は、その上のピンド層１６（その中でも特に、後述する外側層であるＡＰ２層）の磁化方向を固定するためのものであり、４ｎｍ〜３０ｎｍ程度の膜厚を有する。このＡＦＭ層１５は、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）により形成するのが好ましいが、必要に応じて、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、ニッケルマンガン（ＮｉＭｎ）、オスミウムマンガン（ＯｓＭｎ）、ルテニウムマンガン（ＲｕＭｎ）、ロジウムマンガン（ＲｈＭｎ）、パラジウムマンガン（ＰｄＭｎ）、ＲｕＲｈＭｎもしくはＭｎＰｔＰｄを用いるようにしてもよい。
ピンド層１６は、下層側の第２反平行（ＡＰ２）層と上層側（内側）の第１反平行（ＡＰ１）との間にＲｕ、ＲｈまたはＩｒからなる結合層を挟んでなるＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層という積層構造のシンセティック反平行（ＳｙＡＰ）構造を有するのが好ましい。ＡＦＭ層１５の上に形成されたＡＰ２層は、外側ピンド層とも呼ばれ、例えば、Ｆｅ含有量が１０原子％ｄ程度のＣｏＦｅからなり、約１ｎｍ〜５ｎｍの厚さを有している。このＡＰ２層の磁気モーメントは、隣接するＡＦＭ層１２により、ＡＰ１層の磁気モーメントに対して反平行方向に固定されている。一例を挙げれば、ＡＰ１層が−ｘ軸方向に磁気モーメントを有している場合、ＡＰ２層１３は＋ｘ軸方向に磁気モーメントを有する。
ＡＰ２層の厚さはＡＰ１層の厚さよりも僅かに薄くなっており、これにより、ピンド層１６は、全体として、後工程においてパターニングされるＴＭＲセンサの容易軸方向に沿って小さな正味磁気モーメントを発現するようになっている。結合層は、ＡＰ２層１３とＡＰ１層５０との間の交換結合を促進させるためのもので、例えば０．３ｎｍ〜０．９ｎｍ程度の膜厚のＲｕにより形成するのが好ましい。ＡＰ１層は、内側ピンド層とも呼ばれ、単層または複合層からなるが、その表面（後にトンネルバリア層１７が形成される面）がより均一になるようにするために、アモルファス構造が採用される。
ボトム型スピンバルブ構造の例において、トンネルバリア層１７は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯｘ）により構成することができる。ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層は、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）や酸化チタン（ＴｉＯｘ）をトンネルバリア層として用いたＴＭＲ積層構造に比べて高いＴＭＲ比を得ることができるからである。ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層１７は、ピンド層１６の上に０．４ｎｍ〜１．４ｎｍ程度の膜厚の第１のＭｇ層（図示せず）を形成したのち、この第１のＭｇ層に対して自然酸化（ＮＯＸ）を行い、さらにその上に０．２ｎｍ〜０．８ｎｍ程度の膜厚の第２のＭｇ層を形成することにより形成することが好ましい。したがって、この場合のトンネルバリア層１７はＭｇＯｘ／Ｍｇという２層構造を有するものと考えられる。ここで、第２のＭｇ層は、その後に成膜されるフリー層の酸化を防止するように機能する。上記の自然酸化の結果、過剰な酸素はＭｇＯｘ層の上面に蓄積されるので、仮にトンネルバリア層のＭｇＯｘ層のすぐ上にフリー層を形成した場合には、そのフリー層が酸化されてしまうと考えられる。これに対して、第２のＭｇ層を成膜するようにした場合には、そのようなフリー層の酸化を防止できるのである。このような構造のＴＭＲセンサでは、その面積抵抗（ＲＡ）値およびＭＲ比は、２つのＭｇ層（第１および第２のＭｇ層）の膜厚を変化させることにより、あるいは自然酸化の時間と圧力を変化させることにより、調整することができる。具体的には、酸化時間をより長くしたり、圧力をより高くすることによりＭｇＯｘ層が厚くなると、ＲＡ値がより大きくなるであろう。
ＴＭＲ積層構造１のすべての層は、例えばＡｎｅｌｖａ社製Ｃ−７１００等のスパッタリングシステムにおける直流スパッタリングチャンバ内で成膜可能である。このシステムは、複数のターゲットが設けられた超高真空直流マグネトロンスパッタチャンバと、少なくとも１つの酸化チャンバとを備えている。そのようなスパッタ成膜プロセスは、通常、アルゴンスパッタガスを用いて５×１３３×１０-8〜５×１３３×１０-9［Ｐａ］程度のベース圧力下で行われる。この圧力が低いほど、形成される膜の均一性が向上する。
自然酸化は、スパッタ成膜システムにおける酸化チャンバ内において、０．１×１３３．３×１０-3〜１３３．３［Ｐａ］程度の酸素圧力の下で１５〜３００秒程度にわたって行われる。本実施の形態では、自然酸化プロセスの間は加熱も冷却も行わない。０．５〜５［Ω・μｍ2 ］程度のＲＡ値を得るためには、酸素圧力を１０-4×１３３×１０-6〜１３３［Ｐａ］程度に設定して上記の時間にわたって自然酸化処理を行うのが好ましい。酸素ガスとＡｒ，ＫｒまたはＸｅ等の不活性ガスとの混合ガスを用いると、酸化プロセスをよりよくコントロールすることができる。
ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層１７はまた、ＲＦスパッタリング法または反応性スパッタリング法によってピンド層の上にＭｇＯｘ層を成膜することによっても形成可能であろう。しかしながら、このようなスパッタ成膜によるＭｇＯｘ膜厚は、本実施の形態の方法（自然酸化法）に比べると、あまり望ましい方法とはいえない。本発明者らが、０．６μｍというサイズの円形素子を作製し、その最終的なＲＡ値のばらつき（１σ）を測定したところ、ＲＦスパッタリング法では１０％を越えるものであったのに対し、本実施の形態の方法（直流スパッタ成膜＋自然酸化法）では３％未満であった。
必要に応じて、ＭｇＯのほかに他の材料（例えば、ＴｉＯｘ、ＴｉＡｌＯｘ、ＭｇＺｎＯｘ、ＡｌＯｘ、ＺｎＯｘ、またはこれらの任意の組み合わせ）を含むようにトンネルバリア層を構成するようにしてもよい。
図１において、最も重要な特徴をなすのは、トンネルバリア層の上のフリー層１８である。フリー層１８は、単層または複合層から構成される。
具体的には、フリー層１８は、例えば２〜６ｎｍ程度の膜厚を有する低磁歪の単層により構成可能である。そのような単層としては、例えば、磁歪係数λが−５×１０-6〜０程度のＣｏＢX 層（１原子％≦Ｘ≦３０原子％）、または磁歪係数λが０〜５×１０-6程度のＦｅＢV 層（１原子％≦Ｖ≦３０原子％）があげられる。なお、このような２成分合金層の場合、それらの２つの構成元素の総和は１００原子％である。
本実施の形態の他の例として、フリー層１８を、磁歪係数λが１×１０-6〜４×１０-6程度の２層の複合構造として構成することも可能である。その一例として、例えば、ＦｅＣｏY ／ＣｏＢX （０原子％≦Ｙ≦１００原子％）という構成が可能である。ここで、ＦｅＣｏY は、トンネルバリア層１７に接触している層であり、膜厚が０．２ｎｍ〜１ｎｍである。ＣｏＢX 層の膜厚は２ｎｍから５ｎｍである。
本実施の形態のさらに他の例として、フリー層１８を３層の複合構造として構成することも可能である。その例として、例えば、ＦｅＣｏY 層／ＣｏU ＦｅW ＢZ 層／ＣｏＢX 層、ＦｅＣｏY 層／ＣｏＢX 層／ＣｏU ＦｅW ＢZ 層、またはＦｅＣｏY 層／ＣｏＦｅW 層／ＣｏＢX 層という構造が挙げられる。これらの場合、３層構造全体としての磁歪係数λは、１×１０-6〜４×１０-6程度であるのが好ましい。あるいは、磁歪係数λが−５×１０-6〜４×１０-6程度のＦｅＣｏY 層／ＦｅＢV 層／ＣｏＢX 層という構造が挙げられる。上記において、１原子％≦Ｕ≦９５原子％、０原子％≦Ｗ≦７０原子％、１原子％≦（Ｖ，Ｚ）≦３０原子％、Ｕ＋Ｗ＋Ｚ＝１００、Ｙ≠Ｗである。また、ＦｅＣｏY 層およびＣｏＦｅW 層の膜厚はともに０．２ｎｍ〜１ｎｍ程度であり、ＣｏＢX 層の膜厚は２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。ＣｏU ＦｅW ＢZ 層の膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度であり、ＦｅＢV 層の膜厚は０．２ｎｍ〜１ｎｍ程度である。
フリー層１８として、−５×１０-6〜０程度の小さな負の磁歪係数λを有するＣｏＢX 層、あるいは０〜５×１０-6程度の小さな正の磁歪係数λを有するＦｅＢV 層を用いた場合には、４×１０-3／４π〜６×１０-3／４π［Ａ／ｍ］という小さな保磁力Ｈｃと、ＴＭＲセンサに必要とされる小さなＲＡ値とを保ちつつ、従来のＦｅＣｏ／ＮｉＦｅからなるフリー層の場合に比べてＴＭＲ比が１５〜３０％ほども改善される。また、負の磁歪係数λをもつＣｏＢX 層と、正の磁歪係数λをもつ１以上の材料からなる層とを組み合わせることにより、−５×１０-6〜５×１０-6という磁歪係数λをもつ２層または３層の複合構造を有するフリー層を形成することができ、この場合にも、上記したＣｏＢX フリー層を用いた場合のＴＭＲ比、ＲＡ値および保磁力と同等の値が得られる。
本実施の形態のさらに他の例として、フリー層１８を、ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT からなる単層、またはＦｅＣｏY 層／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層という２層構造として形成してもよい。このとき、単層または２層構造全体としての磁歪係数λは、１×１０-6〜４×１０-6程度であるのが好ましい。この場合、ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層は、ＣｏＢターゲットとＣｏＮｉＦｅ（またはＣｏＮｉＦｅＢ）ターゲットとを並行スパッタすることにより形成可能である。ここで、５原子％≦Ｐ≦９０原子％、５原子％≦Ｒ≦２０原子％、５原子％≦Ｓ≦９０原子％、１原子％≦Ｔ≦３０原子％、Ｐ＋Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００原子％である。
あるいは、フリー層１８を３層複合構造としてもよい。３層構造としては、例えば、ＦｅＣｏY 層／ＣｏU ＦｅW ＢZ 層／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層、ＦｅＣｏY 層／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層／ＣｏU ＦｅW ＢZ 層、ＦｅＣｏY 層／ＣｏＦｅW 層／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層、またはＦｅＣｏY 層／ＦｅＢV 層／ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層等が３層構造が挙げられる。ここで、ＦｅＣｏY 層の膜厚は０．２ｎｍ〜１ｎｍ程度であり、ＣｏU ＦｅW ＢZ 層、ＣｏＦｅW 層およびＦｅＢV 層の膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度であり、ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層の膜厚は２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。この場合、ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT 層は、ＣｏＢターゲットとＣｏＮｉＦｅターゲット、またはＣｏＢターゲットとＣｏＮｉＦｅＢターゲットを並行スパッタすることにより形成可能である。並行スパッタプロセスにおいて、ＣｏＢターゲットを磁歪係数λの調整手段として用いるようにするのが好ましい。
本実施の形態のさらに他の例として、フリー層１８を、ＣｏＮｉＦｅＢＭからなる単層として形成してもよい。ここで、Ｍは、Ｖ（バナジウム），Ｔｉ（チタン），Ｚｒ（ジル
コニウム），Ｎｂ（ニオビウム），Ｈｆ（ハフニウム），Ｔａ（タンタル）またはＭｏ（モリブデン）であり、ＣｏＮｉＦｅＢＭ層中のＭの含有量は１０原子％未満である。このＣｏＮｉＦｅＢＭ層は、ＣｏＢターゲットとＣｏＮｉＦｅＭターゲットとを並行スパッタすることにより得られる。あるいは、フリー層１８を、ＦｅＣｏY 層／ＣｏＮｉＦｅＢＭ層という２層構造として構成してもよい。このとき、ＣｏＮｉＦｅＢＭ単層または２層構造（ＦｅＣｏY 層／ＣｏＮｉＦｅＢＭ層）全体としての磁歪係数λは、１×１０-6〜４×１０-6程度であるのが好ましい。必要に応じて、上記したいくつかの３層構造の例において、ＣｏＮｉＦｅＢ層をＣｏＮｉＦｅＢＭ層に置き換えて、ＦｅＣｏY 層／ＣｏU ＦｅW ＢZ 層／ＣｏＮｉＦｅＢＭ層、ＦｅＣｏY 層／ＣｏＮｉＦｅＢＭ層／ＣｏU ＦｅW ＢZ 層、ＦｅＣｏY 層／ＣｏＦｅW 層／ＣｏＮｉＦｅＢＭ層、またはＦｅＣｏY 層／ＦｅＢV 層／ＣｏＮｉＦｅＢＭ層という３層複合構造としてもよい。ここで、ＦｅＣｏY 層の膜厚は０．２ｎｍ〜１ｎｍ程度であり、ＣｏU ＦｅW ＢZ 層、ＣｏＦｅW 層およびＦｅＢV 層の膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度であり、ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT Ｍ層の膜厚は２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。
ＣｏＮｉＦｅＢ層またはＣｏＮｉＦｅＢＭ層を用いる３層構造の場合には、ＣｏＮｉＦｅＢ層またはＣｏＮｉＦｅＢＭ層が−５×１０-6〜５×１０-6程度の磁歪係数λを有するのが好ましい。このとき、３層構造全体としての磁歪係数λは、２×１０-6〜４×１０-6
程度であるのが好ましい。ＣｏＮｉＦｅＢ層またはＣｏＮｉＦｅＢＭ層と、他の磁性層（ＦｅＣｏ層、ＣｏU ＦｅW ＢZ 層、ＣｏＦｅW 層、ＦｅＢV 層）とを組み合わせた磁性層により、小さなＲＡ値と小さな保磁力Ｈｃとを保ちつつ、ＦｅＣｏ／ＮｉＦｅ構造の場合と同等のＴＭＲ比改善が見込まれる。
保護層１９は、例えば、Ｃｕ／Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕで表される積層構造（図示せず）として形成可能である。
こうしてＴＭＲ積層構造１の成膜が完了した後、その途中まで仕上がったＴＭＲ積層構造１を真空オーブン内に入れて熱アニール処理を行う。熱アニール処理は、２４０〜３４０°Ｃの温度の下、少なくとも２０００×１０-3／４π［Ａ／ｍ］、好ましくは８０００×１０-3／４π［Ａ／ｍ］という磁界を印加しつつ、２〜１０時間にわたって行う。アニールプロセスにおける時間や温度等の条件を適切に設定することにより、未反応の酸素が、隣接するＭｇ層中に拡散し、その結果、トンネルバリア層１７は均一なＭｇＯｘ層になる。
次に、図２に示したように、従来のシーケンスにより、ＴＭＲ積層構造１をパターニングする。例えば、キャップ層１９の上にフォトレジスト層２０を形成し、これをパターニングしたのち、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンビームエッチング（ＩＢＥ）等を用いて、ＴＭＲ積層構造１のうち、フォトレジスト層の開口部に露出している下層部分を除去する。エッチングプロセスは、下部シールド層１０に達したところで、または、下部シールド層１０とバリア層（図示せず）との間で停止する。これにより、上面１９ａおよび側壁２１を有するＴＭＲセンサ１Ａが得られる。
次に、図３に示したように、ＴＭＲセンサの側壁２１に沿って絶縁層２２を形成したのち、その上にバイアス層２３およびキャップ層２４を形成し、その後、フォトレジスト層２０をリフトオフプロセスにより除去する。続いて、キャップ層２４およびＴＭＲセンサの上面１９ａの上に上部シールド２５としての上部リードを成膜する。下部シールド１０と同様に、上部シールド２５もまた、膜厚が約２μｍのＮｉＦｅ層として形成する。ＴＭＲ再生ヘッド１は、上部シールド２５の上にさらに第２のギャップ層（図示せず）を備える。
次に、本発明に関する実施例（実験例）について説明する。
本実施の形態のフリー層をＴＭＲセンサに用いることにより性能改善が実現されることを示すために、以下のような比較実験を行った。
表１は、フリー層の構成を種々に変えたときに得られるＴＭＲセンサの保磁力Ｈｃ（×１０3 ／（４π）［Ａ／ｍ］）および磁歪λの値を表すものである。ここでのＴＭＲセンサの積層構造は、次の通りである。
シード層／ＡＦＭ層／ＡＰ２層／Ｒｕ層／ＡＰ１層／ＭｇＯｘ層／フリー層／キャップ層
シード層＝Ｔａ２／Ｒｕ２
ＡＦＭ層＝ＩｒＭｎ７
ＡＰ２層／Ｒｕ層／ＡＰ１層８（＝ピンド層）
＝Ｃｏ70Ｆｅ30２．５／Ｒｕ０．７５／Ｃｏ70Ｆｅ30２．５
ＭｇＯｘ＝Ｍｇ０．７／ＮＯＸ／Ｍｇ０．３
キャップ層＝Ｒｕ１／Ｔａ６
Figure 0005750211
なお、組成の後ろの数字は膜厚（ｎｍ）を示す。以下、同様である。本実験では、上記の積層構造をＮｉＦｅからなる下部シールド層の上に形成し、８０００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］の磁界を印加しながら真空中で２５０°Ｃの温度での熱処理を５時間にわたって行った。
表１において、サンプル１は、フリー層の構成をＦｅＣｏ１／ＮｉＦｅ４としたものであり、これを第１の比較例とした。サンプル２は、フリー層の構成をＦｅＣｏ０．３／ＣｏＦｅＢ３としたものであり、これを第２の比較例とした。
サンプル３〜５は、本実施の形態に係る実施例である。サンプル３は、フリー層の構成をＦｅ70Ｃｏ30０. ３／Ｃｏ80Ｂ20３という２層構造としたものであり、サンプル４は、フリー層の構成をＦｅ70Ｃｏ30０．３／Ｃｏ72Ｆｅ8 Ｂ20１／Ｃｏ80Ｂ20３という３層構造としたものである。サンプル５は、フリー層の構成をＦｅ70Ｃｏ30０．３／Ｃｏ72Ｆｅ8 Ｂ20１／Ｃｏ56Ｎｉ8 Ｆｅ16Ｂ20４という３層構造としたもので、ＣｏＢターゲットとＣｏＮｉＦｅＢターゲットとを用いた並行スパッタリングにより形成したものである。
表１に示した結果から判るように、本実施例のサンプル３〜５では、磁歪λが１×１０-6〜４×１０-6程度であり、第１の比較例のサンプル２と比較して、実質的に小さい値となっている。また、保磁力Ｈｃについていえば、本実施例のサンプル３〜５では、比較例のサンプル１，２に比べて遜色ない小さな値が得られている。
表２は、フリー層の構成を上記表１の場合と同様に種々に変えたときに得られるＴＭＲセンサのＴＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）および面接抵抗値（ＲＡ値）を表すものである。フリー層およびそれ以外の構成も表１と同様である。なお、これらのデータは、６インチウェハ上に素子を作製した場合に得られたものである。
Figure 0005750211
表２に示した結果から判るように、本実施例のサンプル３〜５では、高いＴＭＲ比と小さなＲＡ値とが同時に得られている。具体的には、本実施例のサンプル３〜５では、比較例のサンプル１，２と同等の２．３〜２．５［Ω・μｍ2 ］という小さなＲＡ値を保ちつつ、ＴＭＲ比がサンプル１，２よりも１４〜２５％も向上している。
以上説明したように、本実施の形態のＴＭＲセンサの優位性の一つは、３［Ω・μｍ2 ］よりも小さなＲＡ値と低い磁歪係数λとが得られると同時に６０％を超える高いＴＭＲ比が得られる点にあり、従来の構造からは得られない特徴である。なぜなら、従来のＣｏＦｅ１／ＮｉＦｅ４構成のフリー層をもつＴＭＲセンサ（サンプル１）では、比較的小さな磁歪係数が得られるものの、ＴＭＲ比が低くなってしまい、また、従来のＦｅＣｏ０．３／ＣｏＦｅＢ３構成のフリー層をもつＴＭＲセンサ（サンプル２）では、比較的高いＴＭＲ比が得られるものの、磁歪係数が大きくなるからである。これに対して、本実施の形態のＴＭＲセンサ（サンプル３〜５）によれば、許容し得るＲＡ値と保磁力Ｈｃとを確保しつつ、サンプル１に比べてＴＭＲ比が１４〜２５％程度向上すると共に、サンプル２に比べて磁歪係数λが５０％以下になるのである。
本実施の形態で説明したフリー層の形成には、取り立てて新規なスパッタリングターゲットや新規なスパッタチャンバ等を必要としないので、従来に比べてコストアップを伴うことなく形成することが可能である。さらに、通常のＧＭＲセンサの製造工程において採用されているプロセスと互換性のある低温アニールプロセスを適用することができる。したがって、現行のプロセスフローや、これに関連するプロセスを何ら改変する必要がなく、製造が容易である。
以上、特定の実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等においては、ピンド層がトンネルバリア層の下側に位置するボトム型スピンバルブ構造のＴＭＲセンサを例にとって説明したが、ピンド層がトンネルバリア層の上側に位置するトップ型スピンバルブ構造のＴＭＲセンサにも適用可能である。
本発明の一実施の形態に係るＴＭＲ素子の形成方法における一工程を説明するための素子断面図である。 図１に続く工程を説明するための素子断面図である。 図２に続く工程により形成されたＴＭＲ素子の構成を表す素子断面図である。
符号の説明
１Ａ…ＴＭＲセンサ、１０…基層、１４…シード層、１５…ＡＦＭ層、１６…ピンド層、１７…トンネルバリア層、１８…フリー層、１９，２４…キャップ層、２２…絶縁層、２３…バイアス層、２５…上部シールド層。

Claims (5)

  1. 基板の上に順に積層形成された、シード層、反強磁性層およびピンド層を含む積層体と、
    前記ピンド層の上に形成された、ＭｇＯｘ（酸化マグネシウム）からなるトンネルバリア層と、
    前記トンネルバリア層の上に形成された、下側ＦｅＣｏY （０原子％＜Ｙ＜１００原子％）層、と中間ＣｏU ＦｅW ＢZ （１原子％≦Ｕ≦９５原子％、０原子％＜Ｗ≦７０原子％、１原子％≦Ｚ≦３０原子％）層、と上側ＣｏＢX （コバルトボロン；１原子％≦Ｘ≦３０原子％）層とからなる３層構造を有するフリー層と、
    前記フリー層の上に形成されたキャップ層とを備えた
    ＴＭＲ（tunneling magnetoresistive) 素子。
  2. 前記下側ＦｅＣｏY層は０．２ｎｍから１ｎｍの膜厚を有し、
    前記中間ＣｏU ＦｅW ＢZ層は０．５ｎｍから２ｎｍの膜厚を有し、
    前記上側ＣｏＢX層は−５×１０-6から０までの磁歪係数λを有すると共に２ｎｍから４ｎｍの膜厚を有する
    請求項１に記載のＴＭＲ素子。
  3. 基板の上に順に積層形成された、シード層、反強磁性層およびピンド層を含む積層体と、
    前記ピンド層の上に形成された、ＭｇＯｘ（酸化マグネシウム）からなるトンネルバリア層と、
    前記トンネルバリア層の上に形成された、下側ＦｅＣｏY （０原子％＜Ｙ＜１００原子％）層と、中間ＣｏU ＦｅW ＢZ （１原子％≦Ｕ≦９５原子％、０原子％＜Ｗ≦７０原子％、１原子％≦Ｚ≦３０原子％）層と、上側ＣｏP ＮｉR ＦｅS ＢT（５原子％≦Ｐ≦９０原子％、５原子％≦Ｒ≦２０原子％、５原子％≦Ｓ≦９０原子％、１原子％≦Ｔ≦３０原子％；Ｐ＋Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００原子％） 層とからなる３層構造を有するフリー層と、
    前記フリー層の上に形成されたキャップ層とを備えた
    ＴＭＲ素子。
  4. ＴＭＲセンサにおけるＴＭＲ素子の形成方法であって、
    基板の上に順に、シード層、反強磁性層およびピンド層を形成する工程と、
    前記ピンド層の上に第１のＭｇ層を形成したのち自然酸化を行うことによりＭｇＯｘ層を形成すると共にその上に第２のＭｇ層を形成することにより、前記ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
    前記トンネルバリア層の上に、下側ＦｅＣｏY （０原子％＜Ｙ＜１００原子％）層と中間ＣｏU ＦｅW ＢZ （１原子％≦Ｕ≦９５原子％、０原子％＜Ｗ≦７０原子％、１原子％≦Ｚ≦３０原子％）層と上側Ｃｏ P Ｎｉ R Ｆｅ S Ｂ T （５原子％≦Ｐ≦９０原子％、５原子％≦Ｒ≦２０原子％、５原子％≦Ｓ≦９０原子％、１原子％≦Ｔ≦３０原子％；Ｐ＋Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００原子％）層とからなる３層構造を有するフリー層を形成する工程と、
    前記フリー層の上にキャップ層を形成する工程とを含む
    ＴＭＲ素子の形成方法。
  5. 前記中間ＣｏU ＦｅW ＢZ 層の膜厚を０．５ｎｍから２ｎｍとし、
    前記上側Ｃｏ P Ｎｉ R Ｆｅ S Ｂ T 層の膜厚を２ｎｍから４ｎｍとする
    請求項４に記載のＴＭＲ素子の形成方法。


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