JPH11177161A - 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型薄膜ヘッド - Google Patents

磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型薄膜ヘッド

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JPH11177161A
JPH11177161A JP9342456A JP34245697A JPH11177161A JP H11177161 A JPH11177161 A JP H11177161A JP 9342456 A JP9342456 A JP 9342456A JP 34245697 A JP34245697 A JP 34245697A JP H11177161 A JPH11177161 A JP H11177161A
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JP
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layer
tunnel barrier
ferromagnetic
magnetoresistive element
film
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Withdrawn
Application number
JP9342456A
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English (en)
Inventor
Yasusuke Irie
庸介 入江
Kazuo Yokoyama
和夫 横山
Osamu Kusumoto
修 楠本
Hiroyasu Tsuji
弘恭 辻
Toshio Fukazawa
利雄 深澤
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高感度・高出力な磁気抵抗効果型素子、ヘッ
ドの特性の向上および安定化を実現する。 【解決手段】 第１の強磁性層／絶縁層（トンネル障壁
層）／第２の強磁性層／絶縁層（トンネル障壁層）／第
３の強磁性層の２つの接合を有する構造においてトンネ
ル障壁層を安定に保つために絶縁層の一部を酸化させな
いで残す。または、トンネル障壁保護層を界面に挿入す
る。さらに特性向上を実現するために多層構造を全て真
空中で作成する。以上により、トンネル障壁層の界面が
保護され、特性が安定するとともに耐熱性も向上する。
また、真空中で作成することで比抵抗も小さくでき特性
改善につながる。したがって高感度磁気抵抗効果素子、
ＭＲヘッド等への応用が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えば磁気エン
コーダ、磁気記録媒体より信号を読みとるための磁気抵
抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッドに関するものであ
る。特に高密度記録媒体からの読みだしに使用する素子
として強磁性トンネル効果を利用した素子として各所で
広く研究開発が進められている。
【０００２】
【従来の技術】従来より磁気抵抗効果素子を用いた磁気
抵抗効果型ヘッド（以下、ＭＲヘッドという）等の開発
が進められている。近年、マルチメディア化にともなう
データの大容量化により大容量記憶装置の需要が高まっ
ている。大容量記憶装置の中でも特にハードディスクド
ライブ（以下ＨＤＤという）は、大容量、高速データ転
送、安価という点からパーソナルコンピューターなどを
中心にその需要が高まっている。このような流れから、
ＨＤＤは高密度化の傾向にあり、ＨＤＤを支えるデバイ
スの一つであるＭＲヘッドは高記録密度かにともない高
感度で峡トラック化、峡ギャップ化が要求されている。
このような要求からＭＲヘッドまたはスピンバルブヘッ
ドより高感度な磁気抵抗効果を示す素子として前記強磁
性トンネル素子があり、磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗
効果型ヘッドとしての利用が検討されている。
【０００３】図４(a)に強磁性トンネル素子の従来例を
示す。素子構成は、基板１上に積層された第１の強磁性
層２、第１の絶縁層３、第２の強磁性層４、第２の絶縁
層５、第３の強磁性層６からなる。第１の強磁性層２上
に形成された電極５は電流端子（＋）、電極６は電圧端
子（−）、第２の強磁性層４上に形成された電極７は電
流端子（−）、電極８は電圧端子（−）である。
【０００４】図４(b)に強磁性トンネル素子の断面図を
示す。このような第１の強磁性層２／絶縁層（トンネル
障壁）３／第２の強磁性層４からなる接合が一つである
強磁性トンネル素子の場合、そのコンダクタンスは（数
１）のように示される。
【０００５】
【数１】
【０００６】従ってフェルミ準位での状態密度はスピン
依存する。そのため第１の強磁性層と第２の強磁性層の
磁化の方向が平行にした場合と反平行にした場合とでは
トンネル・コンダクタンスが違ってくる。今、磁化を平
行にした場合と反平行にした場合のコンダクタンスをそ
れぞれＧ↑↑、Ｇ↑↓とすると式１よりトンネル磁気抵
抗効果（Tunneling Magnetoresistance略してＴＭＲ）
は式３で与えられる。以上より遷移金属強磁性体の場合
ＴＭＲは第１の強磁性層と第２の強磁性層のスピン分極
そのものの積で表されることがわかっている（IEEE Tra
nsactions on Magnetics,Vol,MAG-18,No.2,March 198
2）。
【０００７】これより、良好なＴＭＲ効果（抵抗が低
く、抵抗変化率が大きい）を得るためには第１の強磁性
層、第２の強磁性層各々の磁性材料について分極率の高
い材料を用いたり、量子トンネル効果本来の特性を上げ
るしか方法はない。しかし、遷移金属強磁性体で分極率
の高い材料で報告があるのはFeCo等であり、また良好な
トンネル効果が得られている絶縁体はNiO、Al2O3等であ
る。このように現在では、強磁性トンネル効果本来の特
性をさらに上げるために使用できる材料は限られてい
る。
【０００８】また、図４（ｃ）に示すように構造的に特
性を向上させる方法としては、第１の強磁性層２／第１
の絶縁層３／第２の強磁性層４／第２の絶縁層５／第３
の強磁性層６という多層構造にして第１の強磁性層２／
第１の絶縁層３／第２の強磁性層４から構成される接合
の出力と第２の強磁性層４／第２の絶縁層５／第３の強
磁性層６から構成される接合Ｂの出力を差分検出する方
法がある（特開平-251618）。
【０００９】しかし、トンネル障壁を形成する絶縁層を
作成する場合、Al、またはNiをプラズマ酸化あるいは自
然酸化により酸化させる。このとき酸化層（絶縁層）の
厚みはプラズマを発生時間または酸素導入時間と導入量
によって制御される。この時間や導入量が多すぎてトン
ネル接合を形成する磁性層まで酸化してしまうと特性が
劣化してしまう。また、実際の素子として使用する場合
には、素子作成時に加わる熱でトンネル接合部の磁性層
にトンネル障壁形成している絶縁層の酸素が拡散して酸
化されたり、強磁性層の結晶が成長してトンネル障壁層
を突き破り（電気的にショートする）特性が劣化する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は第１の強磁性
層２／第１の絶縁層（トンネル障壁）３／第２の強磁性
層４／第２の絶縁層（トンネル障壁）５／第３の強磁性
層６の基本構成を用いる素子において、トンネル接合を
形成する磁性層に対する酸素の拡散を防止するとともに
強磁性層に熱が加わることで結晶粒が成長し、トンネル
障壁層を突き破り破壊してしまう（電気的にショートす
る）などによって劣化する磁気抵抗効果特性を安定化
し、高感度で高密度記録に対応できる磁気抵抗効果素子
および磁気抵抗効果型ヘッドを実現するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明の磁気抵抗効果素子、及び磁気抵抗効果
型ヘッドは以下のように構成されてる。
【００１２】図１(a)に示すように、素子の基本構成は
基板１上に第１の強磁性膜2／第１の絶縁層（トンネル
障壁）3／第２の強磁性膜4／第２の絶縁膜（トンネル障
壁）5／第３の強磁性層6からなる。これは、絶縁層全て
がトンネル障壁を形成している場合である。この場合に
は絶縁障壁を形成する層と強磁性層の界面で酸素が拡散
し、強磁性層が酸化され特性が劣化してしまう。また、
多層構造作成時に空気中に放置すると、空気にさらされ
た膜面とその上に形成された膜の界面に不純物が混入し
特性の劣化（比抵抗の増加）を起こす。そこで、図１
(a)で示されるような絶縁層全てがトンネル障壁となる
ような場合には、トンネル障壁層と強磁性層の界面形成
が非常に重要で、必ず真空中で多層構造（多重トンネル
障壁層）を形成する。
【００１３】また、より安定に特性を得るためにはトン
ネル障壁を形成する過程でプラズマ酸化あるいは自然酸
化の時間、または酸素量を調整して非磁性層（たとえば
Al）の一部分だけを酸化させないで残す。あるいは強磁
性層とトンネル障壁を形成する層の界面に拡散防止層を
挿入する。熱が加わることで強磁性層の結晶粒が成長し
トンネル障壁を破壊する場合にはトンネル障壁保護層と
してトンネル障壁に影響を与えなおような膜をトンネル
障壁層と強磁性層の界面に挿入する。なお、前記多層構
造（多重トンネル障壁層）を作成する場合には必ず真空
中で行う。これらの方法により上記課題を解決する。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例の形態につ
いて、図１(b)から図３を用いて説明する。
【００１５】（実施の形態１）図１(b)は本発明の磁気
抵抗効果素子の構成を示している。素子を作成する過程
を説明すると、シリコン(Si）基板１上に電極材料1aを
スパッタした後、第１の強磁性膜2、絶縁層3を形成する
ためのアルミウム(Al)をRFスパッタで連続成膜した。そ
の後チャンバー内に酸素を導入してRF逆スパッタを行い
酸素プラズマ放電によりアルミニウム(Al)を酸化させア
ルミナ（Al2O3）とした。そして第２の強磁性層4を磁場
中で第１に強磁性層2と磁化の向きが直交するように磁
場中スパッタした。
【００１６】次に絶縁層5を形成するためのアルミニウ
ム(Al)をスパッタし、絶縁層3の場合と同様にチャンバ
ー内に酸素を導入してRF逆スパッタを行い酸素プラズマ
放電によりアルミニウム(Al)を酸化させアルミナ（Al
2O）とした。第３の強磁性層6を磁場中で第１の強磁性
層の磁化の向きと平行となるようにRFスパッタ装置を用
いて連続作製した。
【００１７】素子の加工および電極形成にはイオンミリ
ング装置及びリアクティブイオンエッチング装置、リフ
トオフ法を用いて行った。測定はこれらの構成を用い
て、第２の強磁性層4を電気的に接地し、第１の強磁性
層2が(+)、第２の強磁性層4が(-)に、第３の強磁性層6
が(+)、第２の強磁性層4が(-)に電圧が印可されるよう
に接続した。そして磁界を+1KOe〜-1KOeまで変えて測定
した結果、第１の強磁性層2／絶縁層（トンネル障壁
層）3／第２の強磁性層4の接合で得られた出力と、第２
の強磁性層4／絶縁層（トンネル障壁層）5／第３の強磁
性層5の接合で得られた出力は大気中に一度出した場合
の素子に比べ特性が向上した。なお、トンネル障壁層を
形成するアルミニウム（Al）を酸化させる方法として、
アルミニウム(Al)をスパッタした後、真空チャンバー内
に酸素を導入して放置する自然酸化でも同様な効果が得
られる。
【００１８】（実施の形態２）図２は本発明の磁気抵抗
効果素子の構成を示している。素子を作成する過程を以
下に説明する。シリコン(Si）基板１上に電極材料1a、
第１の強磁性膜2、絶縁層3を形成するためのアルミウム
(Al)をRFスパッタで連続成膜した。その後チャンバー内
に酸素を導入してRF逆スパッタを行い酸素プラズマ放電
によりアルミニウム(Al)を酸化させアルミナ（Al2O）と
した。このとき酸素導入量と時間を制御して、アルミニ
ウム(Al)の酸化を行い、強磁性層側の一部分だけを酸化
させないでアルミニウム(Al)のまま残す構造（非酸化層
9）とした。
【００１９】そして第２の強磁性層4を磁場中で第１に
強磁性層2と磁化の向きが直交するようにスパッタし
た。次に絶縁層5を形成するためのアルミニウム(Al)を
スパッタし、絶縁層3の場合と同様にチャンバー内に酸
素を導入してRF逆スパッタを行い酸素プラズマ放電によ
りアルミニウム(Al)を酸化させアルミナ（Al2O）とし
た。このとき酸素導入量と時間を制御して、アルミニウ
ムの酸化を行い、強磁性層側の一部分だけを酸化させな
いでアルミニウムのまま残す構造（非酸化層9）とし
た。
【００２０】第３の強磁性層6を磁場中で第１の強磁性
層の磁化の向きと平行となるようにRFスパッタ装置を用
いて連続作製した。素子の加工および電極形成にはイオ
ンミリング装置及びリアクティブイオンエッチング装
置、リフトオフ法を用いて行った。測定は実施の形態１
と同様な方法で行った。この結果、絶縁障壁層と強磁性
層の片方の界面に酸化されてないアルミニウム（Al）が
ある場合とない場合では、アルミニウム(Al)が一部残っ
ている構成のほうが安定な特性が得られ、さらに素子化
の過程で熱が加わった場合、強磁性層の結晶粒の成長に
伴う界面の乱れが原因で起こるトンネル障壁層の破壊を
防止する効果が見られた。なお、トンネル障壁層を形成
するアルミニウム（Al）を酸化させる方法として、アル
ミニウム(Al)をスパッタした後、真空チャンバー内に酸
素を導入して放置する自然酸化でも同様な効果が得られ
る。
【００２１】（実施の形態３）図３(a)は本発明の磁気
抵抗効果素子の構成を示している。素子を作成する過程
を以下に説明する。シリコン(Si）基板１上に電極材料1
a、第１の強磁性膜2、絶縁層3を形成するためのアルミ
ウム(Al)をRFスパッタで連続成膜した。その後チャンバ
ー内に酸素を導入してRF逆スパッタを行い酸素プラズマ
放電によりアルミニウム(Al)を酸化させアルミナ（Al
2O）とした。このとき酸素導入量と時間を制御して、ア
ルミニウム(Al)の酸化を行い、強磁性層側の一部分だけ
を酸化させないでアルミニウム(Al)のまま残す構造（非
酸化層9）とした。
【００２２】そして、その上にトンネル障壁保護層3aと
してアルミニウム（Al）をスパッタし、第２の強磁性層
4を磁場中で第１に強磁性層2と磁化の向きが直交するよ
うにスパッタした。次に絶縁層5を形成するためのアル
ミニウム(Al)をスパッタし、絶縁層3の場合と同様にチ
ャンバー内に酸素を導入してRF逆スパッタを行い酸素プ
ラズマ放電によりアルミニウム(Al)を酸化させアルミナ
（Al2O）とした。
【００２３】このとき酸素導入量と時間を制御して、ア
ルミニウムの酸化を行い、強磁性層側の一部分だけを酸
化させないでアルミニウムのまま残す構造（非酸化層
9）とした。そして、その上にトンネル障壁保護層5aと
してアルミニウム（Al）をスパッタし、第３の強磁性層
6を磁場中で第１の強磁性層の磁化の向きと平行となる
ようにRFスパッタ装置を用いて連続作製した。素子の加
工および電極形成にはイオンミリング装置及びリアクテ
ィブイオンエッチング装置、リフトオフ法を用いて行っ
た。
【００２４】測定は実施の形態１と同様な方法で行っ
た。この結果、絶縁障壁層と強磁性層の両方の界面に酸
化されてないアルミニウム（Al）がある場合と片方にし
かない場合、そして全くない場合では、アルミニウム(A
l)が両方の界面に挿入されている構成のほうが安定な特
性が得られ、第２の強磁性層４の軟磁性としての特性も
向上した。さらに素子化の過程で熱が加わった場合、強
磁性層の結晶粒の成長に伴う界面の乱れが原因で起こる
トンネル障壁層の破壊を防止する効果が見られた。な
お、トンネル障壁層を形成するアルミニウム（Al）を酸
化させる方法として、アルミニウム(Al)をスパッタした
後、真空チャンバー内に酸素を導入して放置する自然酸
化でも同様な効果が得られる。
【００２５】（実施の形態４）図３(ｂ)は本発明の磁気
抵抗効果素子の構成を示している。素子を作成する過程
を説明すると、シリコン(Si）基板１上に電極材料1aを
スパッタして、第１の強磁性膜2をスパッタした後、ト
ンネル障壁保護層3ｂとして金（Au）をスパッタし、そ
して絶縁層3を形成するためのアルミウム(Al)をRFスパ
ッタで連続成膜した。その後チャンバー内に酸素を導入
してRF逆スパッタを行い酸素プラズマ放電によりアルミ
ニウム(Al)を酸化させアルミナ（Al2O3）とした。
【００２６】その上トンネル障壁保護層3ｂとして金(A
u)をスパッタした後、第２の強磁性層4を磁場中で第１
に強磁性層2と磁化の向きが直交するように磁場中スパ
ッタした。そしてその上にトンネル障壁保護層５ｂとし
て金(Au)、絶縁層5を形成するためのアルミニウム(Al)
をスパッタし、絶縁層3の場合と同様にチャンバー内に
酸素を導入してRF逆スパッタを行い酸素プラズマ放電に
よりアルミニウム(Al)を酸化させアルミナ（Al2O）とし
た。その上にトンネル障壁保護層５ｂとして金(Au)、第
３の強磁性層6を磁場中で第１の強磁性層の磁化の向き
と平行となるようにRFスパッタ装置を用いて連続作製し
た。素子の加工および電極形成にはイオンミリング装置
及びリアクティブイオンエッチング装置、リフトオフ法
を用いて行った。
【００２７】測定は実施の形態１と同様な方法で行っ
た。この結果、絶縁障壁層と強磁性層の両方の界面にト
ンネル障壁防護層である金(Au)がある場合とない場合で
は、トンネル障壁防護層である金(Au)が両方の界面に挿
入されている構成のほうが安定な特性が得られ、第２の
強磁性層４の軟磁性としての特性も向上した。
【００２８】さらに素子化の過程で熱が加わった場合、
強磁性層の結晶粒の成長に伴う界面の乱れが原因で起こ
るトンネル障壁層の破壊を防止する効果が見られた。な
お、トンネル障壁層を形成するアルミニウム（Al）を酸
化させる方法として、アルミニウム(Al)をスパッタした
後、真空チャンバー内に酸素を導入して放置する自然酸
化でも同様な効果が得られる。これらの （実施の形態５）構成は実施の形態４と同様で、トンネ
ル障壁防護層を磁性体にした場合を説明する。まず、素
子を作成する過程を説明すると、シリコン(Si）基板１
上に電極材料1aをスパッタして、第１の強磁性膜2をス
パッタした後、トンネル障壁保護層3ｃとしてアモルフ
ァス磁性材料をスパッタし、そして絶縁層3を形成する
ためのアルミウム(Al)をRFスパッタで連続成膜した。そ
の後チャンバー内に酸素を導入してRF逆スパッタを行い
酸素プラズマ放電によりアルミニウム(Al)を酸化させア
ルミナ（Al2O3）とした。
【００２９】その上トンネル障壁保護層3ｃとしてアモ
ルファス磁性材料をスパッタした後、第２の強磁性層4
を磁場中で第１に強磁性層2と磁化の向きが直交するよ
うに磁場中スパッタした。そしてその上にトンネル障壁
保護層５ｃとしてアモルファス磁性材料、絶縁層5を形
成するためのアルミニウム(Al)をスパッタし、絶縁層3
の場合と同様にチャンバー内に酸素を導入してRF逆スパ
ッタを行い酸素プラズマ放電によりアルミニウム(Al)を
酸化させアルミナ（Al2O）とした。
【００３０】その上にトンネル障壁保護層５ｃとしてア
モルファス磁性材料、第３の強磁性層6を磁場中で第１
の強磁性層の磁化の向きと平行となるようにRFスパッタ
装置を用いて連続作製した。素子の加工および電極形成
にはイオンミリング装置及びリアクティブイオンエッチ
ング装置、リフトオフ法を用いて行った。測定は実施の
形態１と同様な方法で行った。この結果、絶縁障壁層と
強磁性層の両方の界面にトンネル障壁防護層であるアモ
ルファス磁性材料がある場合とない場合では、トンネル
障壁防護層であるアモルファス磁性材料が両方の界面に
挿入されている構成のほうが安定な特性が得られ、さら
に素子化の過程で熱が加わった場合、強磁性層の結晶粒
の成長に伴う界面の乱れが原因で起こるトンネル障壁層
の破壊を防止する効果が見られた。
【００３１】なお、トンネル障壁層を形成するアルミニ
ウム（Al）を酸化させる方法として、アルミニウム(Al)
をスパッタした後、真空チャンバー内に酸素を導入して
放置する自然酸化でも同様な効果が得られる。
【００３２】（実施の形態６）構成は実施の形態４と同
様で、トンネル障壁防護層を酸化物にした場合を説明す
る。まず、素子を作成する過程を説明すると、シリコン
(Si）基板１上に電極材料1aをスパッタして、第１の強
磁性膜2をスパッタした後、トンネル障壁保護層3ｄとし
て酸化物（NiO)をスパッタし、そして絶縁層3を形成す
るためのアルミウム(Al)をRFスパッタで連続成膜した。
その後チャンバー内に酸素を導入してRF逆スパッタを行
い酸素プラズマ放電によりアルミニウム(Al)を酸化させ
アルミナ（Al2O3）とした。その上トンネル障壁保護層3
ｄとして酸化物（NiO)をスパッタした後、第２の強磁性
層4を磁場中で第１に強磁性層2と磁化の向きが直交する
ように磁場中スパッタした。そしてその上にトンネル障
壁保護層５ｄとして酸化物（NiO)、絶縁層5を形成する
ためのアルミニウム(Al)をスパッタし、絶縁層3の場合
と同様にチャンバー内に酸素を導入してRF逆スパッタを
行い酸素プラズマ放電によりアルミニウム(Al)を酸化さ
せアルミナ（Al2O）とした。その上にトンネル障壁保護
層５ｄとして酸化物（NiO)、第３の強磁性層6を磁場中
で第１の強磁性層の磁化の向きと平行となるようにRFス
パッタ装置を用いて連続作製した。素子の加工および電
極形成にはイオンミリング装置及びリアクティブイオン
エッチング装置、リフトオフ法を用いて行った。
【００３３】測定は実施の形態１と同様な方法で行っ
た。この結果、絶縁障壁層と強磁性層の両方の界面にト
ンネル障壁防護層である酸化物（NiO)がある場合とない
場合では、トンネル障壁防護層である酸化物（NiO)が両
方の界面に挿入されている構成のほうが安定な特性が得
られ、さらに素子化の過程で熱が加わった場合、強磁性
層の結晶粒の成長に伴う界面の乱れが原因で起こるトン
ネル障壁層の破壊を防止する効果が見られた。なお、ト
ンネル障壁層を形成するアルミニウム（Al）を酸化させ
る方法として、アルミニウム(Al)をスパッタした後、真
空チャンバー内に酸素を導入して放置する自然酸化でも
同様な効果が得られる。
【００３４】
【実施例】以下具体的な実施例により、この発明の効果
の説明を行う。
【００３５】（実施例１）スパッタ装置を用いて以下に
示した構成の磁気抵抗効果素子をSi基板上に作成した。
【００３６】 [Fe(100)/Al2O3(15)/CoFe(100)/Al2O3(15)/Fe(100)] 但し、( )内の単位はオンク゛ストロームである。
【００３７】第１の強磁性層Fe及び第３の強磁性層Feの
磁化方向が互いに同方向を向くように磁場中スパッタを
行い、第２の強磁性層CoFeの磁化方向がFeと直交するよ
うに磁場中スパッタを行った。トンネル障壁層（Al
2O3）はアルミニウム(Al)をスパッタした後、RF逆スパ
ッタによるプラズマ酸化法で作成した。
【００３８】なお、これらの多層構造の作成は全て真空
中で行った。電極形成および素子加工にはイオンエッチ
ング、リアクティブエッチング、リフトオフ法を使用し
た。Fe/Al2O3/CoFe、CoFe/Al2O3/Feのそれぞれの接合に
対して接続して磁気抵抗効果の測定を行った。磁気抵抗
効果の測定は磁界を軟磁性を示すCoFe膜の磁化困難軸方
向に印加して測定した。
【００３９】この結果、Fe/Al2O3/CoFe、CoFe/Al2O3/Fe
それぞれの接合から抵抗変化率が２１％、２５％の結果
が得られた。また、構成は同様な構成を用いてトンネル
障壁層（Al2O3）を作成後に大気中に放置して、その上
に強磁性層CoFe、Feを形成した。
【００４０】電極形成および素子加工にはイオンエッチ
ング、リアクティブエッチング、リフトオフ法を使用し
た。Fe/Al2O3/CoFe、CoFe/Al2O3/Feのそれぞれの接合に
対して接続して磁気抵抗効果の測定を行った。
【００４１】磁気抵抗効果の測定は磁界を軟磁性を示す
CoFe膜の磁化困難軸方向に印加して測定した。この結
果、Fe/Al2O3/CoFe、CoFe/Al2O3/Feそれぞれの接合から
抵抗変化率が１４％、１２％の結果が得られた。以上よ
り多層膜形成において一度も大気に触れさせることなく
真空中で作成したほうが抵抗変化率も向上する。
【００４２】よって磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型
ヘッドにおいて実用的な特性を示すことは明らかであ
る。
【００４３】（実施例２）スパッタ装置を用いて以下に
示した構成の磁気抵抗効果素子をSi基板上に作成した。
【００４４】[Fe(100)/Al+Al2O3(20)/CoFe(100)/Al＋Al
2O3(20)/Fe(100)] 但し、( )内の単位はオンク゛ストロームである。
【００４５】第１の強磁性層Fe及び第３の強磁性層Feの
磁化方向が互いに同方向を向くように磁場中スパッタを
行い、第２の強磁性層CoFeの磁化方向がFeと直交するよ
うに磁場中スパッタを行った。トンネル障壁層（Al
2O3）はアルミニウム(Al)をスパッタした後、RF逆スパ
ッタによるプラズマ酸化法で作成した。このときチャン
バーないに導入する酸素の量とプラズマ放電の時間で酸
化層の厚みを制御して一部分アルミニウム(Al)のまま残
した構造にした。なおこれらの多層構造の作成は全て真
空中で行った。電極形成および素子加工にはイオンエッ
チング、リアクティブエッチング、リフトオフ法を使用
した。Fe/Al+Al2O3/CoFe、CoFe/Al+Al2O3/Feのそれぞれ
の接合に対して接続して磁気抵抗効果の測定を行った。
磁気抵抗効果の測定は磁界を軟磁性を示すCoFe膜の磁化
困難軸方向に印加して測定した。
【００４６】この結果、Fe/Al+Al2O3/CoFe、CoFe/Al+Al
2O3/Feそれぞれの接合から抵抗変化率が２８％、２９％
の結果が得られた。また、歩留まりも向上した。以上よ
りトンネル障壁層の一部を酸化させないで残した構造を
用いたほうが抵抗変化率も向上する。よって磁気抵抗効
果素子、磁気抵抗効果型ヘッドにおいて実用的な特性を
示すことは明らかである。
【００４７】（実施例３）スパッタ装置を用いて以下に
示した構成の磁気抵抗効果素子をSi基板上に作成した。
【００４８】[Fe(100)/Al+Al2O3(20)/Al(5)/CoFe(100)/
Al＋Al2O3(20)/Al(5)/Fe(100)] 但し、( )内の単位はオンク゛ストロームである。
【００４９】第１の強磁性層Fe及び第３の強磁性層Feの
磁化方向が互いに同方向を向くように磁場中スパッタを
行い、第２の強磁性層CoFeの磁化方向がFeと直交するよ
うに磁場中スパッタを行った。トンネル障壁層（Al
2O3）はアルミニウム(Al)をスパッタした後、RF逆スパ
ッタによるプラズマ酸化法で作成した。このときチャン
バーないに導入する酸素の量とプラズマ放電の時間で酸
化層の厚みを制御して一部分アルミニウム(Al)のまま残
した構造にした。また、もう一方の界面には再度アルミ
ニウム(Al)を５スパッタした。なおこれらの多層構造の
作成は全て真空中で行った。電極形成および素子加工に
はイオンエッチング、リアクティブエッチング、リフト
オフ法を使用した。Fe/Al+Al2O3/CoFe、CoFe/Al+Al2O3/
Feのそれぞれの接合に対して接続して磁気抵抗効果の測
定を行った。磁気抵抗効果の測定は磁界を軟磁性を示す
CoFe膜の磁化困難軸方向に印加して測定した。
【００５０】この結果、Fe/Al+Al2O3/Al/CoFe、CoFe/Al
+Al2O3/Al/Feそれぞれの接合から抵抗変化率が２７％、
２８％の結果が得られた。また、歩留まりもトンネル障
壁層の片側にアルミニウム(Al)がある場合に比べ１５％
向上した。その上、耐熱性に関しても100℃程度の向上
が見られた。以上よりトンネル障壁層の両側にアルミニ
ウム(Al)が挿入された構造を用いたほうが歩留まり、耐
熱性の面から特性の向上が見られた。よって磁気抵抗効
果素子、磁気抵抗効果型ヘッドにおいて実用的な特性を
示すことは明らかである。
【００５１】（実施例４）スパッタ装置を用いて以下に
示した構成の磁気抵抗効果素子をSi基板上に作成した。
【００５２】[Fe(100)/Au(5)/Al2O3(15)/Au(5)/CoFe(10
0)/Au(5)/Al2O3(15)/Au(5)/Fe(100)] 但し、( )内の単位はオンク゛ストロームである。
【００５３】第１の強磁性層Fe及び第３の強磁性層Feの
磁化方向が互いに同方向を向くように磁場中スパッタを
行い、第２の強磁性層CoFeの磁化方向がFeと直交するよ
うに磁場中スパッタを行った。トンネル障壁層（Al
2O3）はアルミニウム(Al)をスパッタした後、RF逆スパ
ッタによるプラズマ酸化法で作成した。このときチャン
バーないに導入する酸素の量とプラズマ放電の時間で酸
化層の厚みを制御して全てがアルミナ(Al2O3)とした。
また、トンネル障壁層(Al2O3)の両界面には金(Au)を５
スパッタした。なおこれらの多層構造の作成は全て真空
中で行った。電極形成および素子加工にはイオンエッチ
ング、リアクティブエッチング、リフトオフ法を使用し
た。Fe/Au/Al2O3/Au/CoFe、CoFe/Au/Al2O3/Au/Feのそれ
ぞれの接合に対して接続して磁気抵抗効果の測定を行っ
た。磁気抵抗効果の測定は磁界を軟磁性を示すCoFe膜の
磁化困難軸方向に印加して測定した。
【００５４】この結果、Fe/Au/Al2O3/Au/CoFe、CoFe/Au
/Al2O3/Au/Feそれぞれの接合から抵抗変化率が２５％、
２６％の結果が得られた。また、歩留まりもトンネル障
壁層の両側に金(Au)がある場合に比べ同程度であった。
【００５５】その上、耐熱性に関しても100℃程度と同
程度の特性が得られた。以上よりトンネル障壁層の両側
にアルミニウム(Al)が挿入された構造を用いたほうが歩
留まり、耐熱性の面から特性の向上が見られた。よって
磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型ヘッドにおいて実用
的な特性を示すことは明らかである。
【００５６】（実施例５）スパッタ装置を用いて以下に
示した構成の磁気抵抗効果素子をSi基板上に作成した。
【００５７】[Fe(100)/CoZrTa(50)/Al2O3(15)/CoZrTa(5
0)/CoFe(100)/CoZrTa(50)/Al2O 3(15)/ CoZrTa(50)/Fe
(100)] 但し、( )内の単位はオンク゛ストロームである。
【００５８】第１の強磁性層Fe及び第３の強磁性層Feの
磁化方向が互いに同方向を向くように磁場中スパッタを
行い、第２の強磁性層CoFeの磁化方向がFeと直交するよ
うに磁場中スパッタを行った。トンネル障壁層（Al
2O3）はアルミニウム(Al)をスパッタした後、RF逆スパ
ッタによるプラズマ酸化法で作成した。このときチャン
バーないに導入する酸素の量とプラズマ放電の時間で酸
化層の厚みを制御して全てがアルミナ(Al2O3)とした。
また、トンネル障壁層(Al2O3)の両界面にはアモルファ
ス材料のCoZrTaを５０スパッタした。なおこれらの多層
構造の作成は全て真空中で行った。電極形成および素子
加工にはイオンエッチング、リアクティブエッチング、
リフトオフ法を使用した。Fe/CoZrTa/Al2O3/CoZrTa/CoF
e、CoFe/CoZrTa/Al2O3/CoZrTa/Feのそれぞれの接合に対
して接続して磁気抵抗効果の測定を行った。磁気抵抗効
果の測定は磁界を軟磁性を示すCoFe膜の磁化困難軸方向
に印加して測定した。
【００５９】この結果、Fe/CoZrTa/Al2O3/CoZrTa/CoF
e、CoFe/CoZrTa/Al2O3/CoZrTa/Feそれぞれの接合から抵
抗変化率が２６％、２６％の結果が得られた。また、歩
留まりもトンネル障壁層の両側にアルミニウム(Al)があ
る場合に比べ同程度であった。その上、耐熱性に関して
も150℃程度と同程度の特性が得られた。以上よりトン
ネル障壁層の両側にアモルファス材料が挿入された構造
を用いたほうが歩留まり、耐熱性の面から特性の向上が
見られた。なお、アモルファス材料の厚みは１００以上
になると非抵抗が増加してしまい特性が劣化する。従っ
て１００以下がよい。よって磁気抵抗効果素子、磁気抵
抗効果型ヘッドにおいて実用的な特性を示すことは明ら
かである。
【００６０】（実施例６）スパッタ装置を用いて以下に
示した構成の磁気抵抗効果素子をSi基板上に作成した。
【００６１】[Fe(100)/NiO(3)/Al2O3(15)/NiO(3)/CoFe
(100)/NiO(3)/Al2O3(15)/NiO(3)/Fe(100)] 但し、( )内の単位はオンク゛ストロームである。
【００６２】第１の強磁性層Fe及び第３の強磁性層Feの
磁化方向が互いに同方向を向くように磁場中スパッタを
行い、第２の強磁性層CoFeの磁化方向がFeと直交するよ
うに磁場中スパッタを行った。トンネル障壁層（Al
2O3）はアルミニウム(Al)をスパッタした後、RF逆スパ
ッタによるプラズマ酸化法で作成した。このときチャン
バーないに導入する酸素の量とプラズマ放電の時間で酸
化層の厚みを制御して全てがアルミナ(Al2O3)とした。
また、トンネル障壁層(Al2O3)の両界面には酸化物のNiO
を３スパッタした。なおこれらの多層構造の作成は全て
真空中で行った。電極形成および素子加工にはイオンエ
ッチング、リアクティブエッチング、リフトオフ法を使
用した。Fe/NiO/Al2O3/NiO/CoFe、CoFe/NiO/Al2O3/NiO/
Feのそれぞれの接合に対して接続して磁気抵抗効果の測
定を行った。磁気抵抗効果の測定は磁界を軟磁性を示す
CoFe膜の磁化困難軸方向に印加して測定した。
【００６３】この結果、Fe/NiO/Al2O3/NiO/CoFe、CoFe/
NiO/Al2O3/NiO/Feそれぞれの接合から抵抗変化率が２７
％、２６％の結果が得られた。また、歩留まりもトンネ
ル障壁層の両側にアルミニウム(Al)がある場合に比べ同
程度であった。その上、耐熱性に関しても150℃程度と
同程度の特性が得られた。以上よりトンネル障壁層の両
側に酸化物が挿入された構造を用いたほうが歩留まり、
耐熱性の面から特性の向上が見られた。なお、酸化物の
厚みは５以上になると非抵抗が増加してしまい特性が劣
化する。従って５以下がよい。よって磁気抵抗効果素
子、磁気抵抗効果型ヘッドにおいて実用的な特性を示す
ことは明らかである。
【００６４】
【発明の効果】この発明によれば、室温でかつ実用的な
印加磁界で大きな磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子
を得ることができ、高感度磁気抵抗効果素子、ＭＲヘッ
ド等への応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の磁気抵抗効果素子の構成図（絶
縁層の全部がトンネル障壁である場合） （ｂ）実施の形態１の構成図
【図２】実施の形態２の構成図
【図３】（ａ）実施の形態３の構成図 （ｂ）実施の形態４、５、６の構成図
【図４】（ａ）従来のトンネル接合が１つの場合の磁気
抵抗効果素子を示す構成図 （ｂ）従来のトンネル接合が１つの場合の磁気抵抗効果
素子を示す断面図 （ｃ）従来のトンネル接合が２つの場合の磁気抵抗効果
素子を示す断面図
【符号の説明】
１ 基板 １ａ 電極材料 ２ 第１の強磁性層 ３ 第１の絶縁層（トンネル障壁層） ３ａ トンネル障壁保護層 ３ａ’ ＳｉＯ2 ３ｂ トンネル障壁保護層 ４ 第２の強磁性層１３ ５ 第２の絶縁層（トンネル障壁層） ５ａ トンネル障壁保護層 ５ｂ トンネル障壁保護層 ６ 第３の強磁性層 ７ 非酸化層 ａ 電極 ｂ 電極 ｃ 電極 ｄ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻 弘恭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 深澤 利雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に形成された少なくとも３つ以上
    強磁性層と少なくとも２つ以上のトンネル障壁を有する
    強磁性トンネル接合において、トンネル障壁層を形成す
    る層の全部がトンネル障壁層であることを特徴とする磁
    気抵抗効果素子。
  2. 【請求項２】 基板上に形成された少なくとも３つ以上
    強磁性層と少なくとも２つ以上のトンネル障壁を有する
    強磁性トンネル接合において、トンネル障壁層を形成す
    る層の一部がトンネル障壁層であることを特徴とする磁
    気抵抗効果素子。
  3. 【請求項３】 基板上に形成された少なくとも３つ以上
    強磁性層と少なくとも２つ以上のトンネル障壁を有する
    強磁性トンネル接合において、トンネル障壁層を形成す
    る層の少なくとも片側にトンネル障壁防護層となるよう
    な膜が挿入されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素
    子。
  4. 【請求項４】 トンネル障壁層が1.5nm以下であること
    を特徴とする請求項１〜請求項３記載の磁気抵抗効果素
    子。
  5. 【請求項５】 トンネル障壁防護層となるような膜が金
    属膜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。
  6. 【請求項６】 金属膜が非磁性金属膜であることを特徴
    とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 【請求項７】 金属膜が磁性膜であることを特徴とする
    請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 【請求項８】 磁性膜が強磁性膜であることを特徴とす
    る請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 【請求項９】 磁性膜が反強磁性膜であることを特徴と
    する請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 【請求項１０】 トンネル障壁防護層となるような膜が
    酸化物膜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。
  11. 【請求項１１】 酸化物膜が非磁性金属酸化物膜である
    ことを特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 【請求項１２】 酸化物膜が磁性酸化物膜であることを
    特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子。
  13. 【請求項１３】 磁性層膜が強磁性酸化膜であることを
    特徴とする請求項１２記載の磁気抵抗効果素子。
  14. 【請求項１４】 酸化物膜が反強磁性酸化膜であること
    を特徴とする請求項１２記載の磁気抵抗効果素子。
  15. 【請求項１５】 トンネル障壁防護層が10nm以下である
    ことを特徴とする請求項５〜請求項９記載の磁気抵抗効
    果素子。
  16. 【請求項１６】 トンネル障壁防護層が0.5nm以下であ
    ることを特徴とする請求項１０〜請求項１４記載の磁気
    抵抗効果素子。
  17. 【請求項１７】 基板上に形成された少なくとも３つ以
    上強磁性層と少なくとも２つ以上のトンネル障壁を有す
    る強磁性トンネル接合において、これらの多層構造を真
    空中で全て作成することを特徴とする磁気抵抗効果素子
    の作成方法。
  18. 【請求項１８】 基板上に形成された少なくとも３つ以
    上強磁性層と少なくとも２つ以上のトンネル障壁を有す
    る強磁性トンネル接合において、これらの多層膜をスパ
    ッタによって作成することを特徴とする磁気抵抗効果素
    子の作成方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１〜１６に記載の磁気抵抗効果
    素子を再生ギャップの中に配置して成る磁気抵抗効果型
    ヘッド。
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