(57)【要約】【課題】強磁場耐性に優れた抵抗変化率が高いトップピン型のトンネル型磁気抵抗効果素子を提供すること。【解決手段】フリー磁性層１２、絶縁障壁層１３および固定磁性層１９の順に積層されたトップピン型のトンネル型磁気抵抗効果素子１０であって、固定磁性層１９が、絶縁障壁層１３側から、第２磁性層１４、非磁性中間層１５および第１磁性層１６の順に積層され、第２磁性層１４と第１磁性層１６との固定磁化方向が反平行となっているセルフピン止め構造を備えており、第２磁性層１４が結晶配向促進層１４１を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリー磁性層、絶縁障壁層および固定磁性層の順に積層されたトップピン型のトンネル型磁気抵抗効果素子であって、
前記固定磁性層が、前記絶縁障壁層側から、第２磁性層、非磁性中間層および第１磁性層の順に積層され、前記第２磁性層と前記第１磁性層との固定磁化方向が反平行となっているセルフピン止め構造を備えており、
前記第２磁性層が結晶配向促進層を備えていることを特徴とするトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１磁性層に積層された反強磁性層を備えている請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記結晶配向促進層がｆｃｃ［１１１］結晶構造を有する請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第２磁性層が、前記結晶配向促進層に積層された第１のＣｏＦｅ層を備えている請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第２磁性層が、前記絶縁障壁層に積層された第２のＣｏＦｅ層を備えている請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
上記結晶配向促進層が、ニッケルを主成分とする強磁性材料からなる請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
上記結晶配向促進層がＮｉＦｅからなる請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第２磁性層が、前記絶縁障壁層と前記結晶配向促進層との間に、結晶配向リセット層を備えている、請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
結晶配向リセット層がアモルファスである請求項８に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
結晶配向リセット層が（ＣｏＦｅ）Ｂ層および／またはＴａ層である請求項８に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記Ｔａ層の厚さが０．１〜０．４ｎｍである請求項１０に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の前記トンネル型磁気抵抗効果素子が同一基板上に複数形成された磁気検出装置であって、
複数の前記トンネル型磁気抵抗効果素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれる磁気検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル型磁気抵抗効果素子およびこれを備えた磁気検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部磁界に対して電気抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子は、磁気検出装置などに用いられる。磁気抵抗効果素子としては、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ膜）やトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ膜）などがある。
【０００３】
特許文献１には、フリー磁性層、トンネルバリア層（Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ）およびピンド層（ＡＰ１／結合層（Ｒｕ）／ＡＰ２）を備えたボトムピン（ボトムスピンバルブ）構造のＴＭＲセンサが記載されている。また、当該ＴＭＲセンサにおいて、トンネルバリア層に接するＡＰ１層をＣｏまたはＣｏＦｅにより形成すること、およびＴＭＲセンサがトップピン（トップスピンバルブ）構造を有してもよいことも記載されている。
【０００４】
特許文献２には、フリー磁性層、接合層（トンネルバリア層、ＭｇＯ）、レファレンス層および交換ピニング層からなるトップピン型のＴＭＲ膜において、接合層に接するレファレンス層をＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅなどの積層構造で形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３００８４０号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３８３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
トップピン型のＴＭＲ膜では、絶縁障壁層（トンネルバリア層）に積層される固定磁性層の結晶性が低下してアモルファス様になるため、セルフピン止め構造を備えた固定磁性層を構成する各層の層分離が低下するという問題がある。特許文献１および特許文献２のいずれにおいても、トップピン型のＴＭＲ膜における、絶縁障壁層の影響により固定磁性層の結晶性が低下する問題が考慮されていない。このように、従来、トップピン型のＴＭＲ膜では、絶縁障壁層に積層される固定磁性層の結晶性が低下するため、磁場耐性および抵抗変化率△ＭＲを高くすることができないという問題があった。
そこで、本発明は、強磁場耐性に優れた抵抗変化率が高いトップピン型のトンネル型磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、フリー磁性層、絶縁障壁層および固定磁性層の順に積層されたトップピン型のトンネル型磁気抵抗効果素子であって、前記固定磁性層が、前記絶縁障壁層側から、第２磁性層、非磁性中間層および第１磁性層の順に積層され、前記第２磁性層と前記第１磁性層との固定磁化方向が反平行となっているセルフピン止め構造を備えており、前記第２磁性層が結晶配向促進層を備えていることを特徴とするトンネル型磁気抵抗効果素子である。
第２磁性層が備える結晶配向促進層が絶縁障壁層の影響で低下した結晶性を高くすることにより、第２磁性層に積層される非磁性中間層および第１磁性層の結晶性ならびに原子密度が高くなる。これにより、固定磁性層を構成する各層の層分離を良好にして、非磁性中間層を介した第２磁性層と第１磁性層との反強磁性的な磁気相互作用（ＲＫＫＹ相互作用）を強くすることができる。
【０００８】
本発明のトンネル型磁気抵抗効果素子は、前記第１磁性層に積層された反強磁性層を備えていることが好ましい。
第１磁性層に反強磁性層を積層することにより、第１磁性層の磁気異方性の分散を抑制できる。
前記結晶配向促進層がｆｃｃ［１１１］格子構造を有することが好ましい。
ｆｃｃ［１１１］格子構造を有することにより、結晶配向促進層に積層される、非磁性中間層および第１磁性層の結晶性を高くすることができる。
【０００９】
また、前記第２磁性層が、前記結晶配向促進層に積層された第１のＣｏＦｅ層を備えていてもよく、前記第２磁性層が、前記絶縁障壁層に積層された第２のＣｏＦｅ層を備えていてもよい。
結晶配向促進層に第１のＣｏＦｅ層を積層することで、第２磁性層と第１磁性層との非磁性中間層を介した反強磁性的な磁気相互作用が強くなって固定磁性層のセルフピン止め構造が安定化し、トンネル型磁気抵抗効果素子の磁場耐性が向上する。絶縁障壁層に積層された第２のＣｏＦｅ層を設けることで、トンネル型磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が大きくなる。
【００１０】
上記結晶配向促進層が、ニッケルを主成分とする強磁性材料、例えば、ＮｉＦｅであってもよい。ＮｉＦｅはｆｃｃ［１１１］格子構造を有しており、その上に積層される第１のＣｏＦｅ層などの結晶性を高くするために有効である。
【００１１】
前記第２磁性層が、前記絶縁障壁層と前記結晶配向促進層との間に、結晶配向リセット層を備えていることが好ましい。
結晶配向リセット層を設けることにより、絶縁障壁層の結晶構造の影響を分断することができるから、絶縁障壁層の影響が抑えられた状態で結晶配向促進層を積層することができる。このため、結晶配向促進層に加えて結晶配向リセット層を備えることにより、さらに密度が高く、各層の層分離が良い固定磁性層とすることができる。
【００１２】
前記結晶配向リセット層は、例えば、アモルファスである。アモルファスの結晶配向リセット層を設けることで、絶縁障壁層の結晶構造の影響を分断し、結晶配向リセット層に積層される層の結晶性および原子密度を高くすることができる。
【００１３】
前記結晶配向リセット層は、例えば、（ＣｏＦｅ）Ｂ層および／またはＴａ層であってもよい。この場合、Ｔａ層の厚さが０．１〜０．４ｎｍであることが好ましい。
Ｔａ層の厚さを上記の範囲とすれば、結晶配向をリセットするとともにＴａ層の上下（積層方向におけるＴａ層の両側）に積層された層の磁気的な結合を維持することができる。
【００１４】
上記の課題を解決するために提供される本発明は、他の一態様において、本発明の前記トンネル型磁気抵抗効果素子が同一基板上に複数形成された磁気検出装置であって、複数の前記トンネル型磁気抵抗効果素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれる磁気検出装置である。
本発明のトンネル型磁気抵抗効果素子を用いることにより、強磁場耐性に優れた抵抗変化率の高い磁気検出装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のトンネル型磁気抵抗効果素子は、第２磁性層が結晶配向促進層を備えていることにより、その上に積層される層の結晶性が高くなる。このため、固定磁性層の第１磁性層と第２磁性層との反強磁性的な磁気相互作用が強くなり、セルフピン止め構造が安定化する。したがって、強磁場耐性に優れた抵抗変化率が高いトップピン型のトンネル型磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】トップピン型のＴＭＲ膜の膜構成を模式的に説明する説明図
【図２】トップピン型のＴＭＲ膜の磁場耐性が弱くなる原因に関する説明図
【図３】トップピン型のＴＭＲ膜の膜構成（変形例）を模式的に説明する説明図
【図４】トップピン型のＴＭＲ膜の膜構成（変形例）を模式的に説明する説明図
【図５】本発明の磁気検出装置の回路ブロック図
【図６】（ａ）（ｂ）本発明の磁気検出装置の製造方法における固定磁性層の形成工程を模式的に示した図
【図７】実施例１のＴＭＲ膜の磁化曲線を示すグラフ
【図８】実施例２のＴＭＲ膜の磁化曲線を示すグラフ
【図９】実施例３のＴＭＲ膜の磁化曲線を示すグラフ
【図１０】実施例４のＴＭＲ膜の磁化曲線を示すグラフ
【図１１】実施例５のＴＭＲ膜の磁化曲線を示すグラフ
【図１２】実施例６のＴＭＲ膜の磁化曲線を示すグラフ
【図１３】比較例１のＴＭＲ膜の磁化曲線を示すグラフ
【図１４】固定磁性層の結晶構造の配向性の違いによる磁化曲線の違いを模式的に示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１７】
磁気抵抗効果素子に強い磁場が印加された場合、固定磁性層の磁化状態が分散して、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が不可逆的に劣化する。このため、固定磁性層の耐磁性に優れたセルフピン型の磁気抵抗効果素子が提案されている。セルフピン型の磁気抵抗効果素子では、固定磁性層の第１磁性層と第２磁性層とが、非磁性中間層を介した反強磁性的な磁気相互作用（以下、適宜、反強磁性結合またはＲＫＫＹ相互作用という。）によって結合している。固定磁性層の磁化固定力はフリー磁性層から遠い側の第１磁性層の高い保磁力に基づいている。このため、第１磁性層に反強磁性層を積層（非磁性中間層と反対の側）し、第１磁性層に交換結合磁界Ｈｅｘを印加することで、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が強い磁場により劣化することを抑制している。
【００１８】
固定磁性層が形成された後にフリー磁性層が形成されるいわゆるボトムピン（ボトムスピンバルブ）型の磁気抵抗効果素子は、固定磁性層の前に反強磁性層が形成され、反強磁性層に固定磁性層の第１磁性層が積層される。反強磁性層上に第１磁性層として高保磁力のＦｅＣｏ層を積層すると、ＦｅＣｏ層の磁化曲線の角型比（角型性）が劣化するという問題がある。ＦｅＣｏ層の角型比が劣化して第１磁性層が十分な残留磁化を発生できなければ、２つの強磁性層（第１磁性層、第２磁性層）の間に反強磁性結合が生じず、固定磁性層として機能しなくなる。
【００１９】
フリー磁性層が形成された後に固定磁性層が形成されるトップピン（トップスピンバルブ）型の磁気抵抗効果素子は、固定磁性層の後に反強磁性層が形成され、固定磁性層の第１磁性層に反強磁性層が積層される。巨大磁気抵抗効果素子（適宜、「ＧＭＲ膜」という。）では、磁化曲線の角型性が良好なＦｅＣｏ層の第１磁性層を形成してその第１磁性層に反強磁性層を積層することにより、ＦｅＣｏ層の磁気異方性の分散を抑制できる。
【００２０】
しかし、トンネル型磁気抵抗効果素子（適宜、「ＴＭＲ膜」という。）は、ＧＭＲ膜とは異なり、トップピン型としても磁場耐性の良好な固定磁性層を形成することできない。これは、フリー磁性層と固定磁性層との間にＧＭＲ膜とは異なる層が設けられることに原因があると考えられる。すなわち、ＴＭＲ膜において絶縁障壁層として用いられるＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどの酸化物と、ＧＭＲ膜において非磁性材料層として用いられるＣｕとの結晶構造の相違が固定磁性層の磁場耐性に影響していると推測される。
【００２１】
図２はトップピン型のＴＭＲ膜の磁場耐性が弱くなる原因に関する説明図であり、ＧＭＲ膜およびＴＭＲ膜の一例について、アニール処理前（Ａｓ−ｄｅｐｏ）における各膜を構成する層の結晶配向の推定を示している。
【００２２】
同図に示すように、トップピン型のＧＭＲ膜では、非磁性材料層として用いられるＣｕ層の結晶配向は、固定磁性層に用いられるＣｏ９０ａｔ．％Ｆｅ１０ａｔ．％（本明細書および図面では、適宜、ａｔ．％を略してＣｏ９０Ｆｅ１０と記す。）同様、面心立方格子構造ｆｃｃ［１１１］である。このため、固定磁性層のＣｏ９０Ｆｅ１０層は、同質の結晶構造を備えたＣｕ層に積層されて、十分に結晶配向した原子密度が高いものとなる。したがって、固定磁性層は、Ｒｕ層を介した反強磁性結合が強い、磁場耐性が良好なものとなる。
【００２３】
対して、トップピン型のＴＭＲ膜では、絶縁障壁層として用いられるＭｇＯ層の結晶配向がＮａＣｌ型である。このため、固定磁性層のＣｏ９０Ｆｅ１０層は、結晶構造および原子間距離が大きく異なるＭｇＯ層に積層される。Ｃｏ９０Ｆｅ１０層は自発的に結晶配向し難い性質であることから、ＭｇＯに積層された場合、十分に結晶配向することができず、無配向、またはアモルファス様になると推定される。Ｃｏ９０Ｆｅ１０層に積層されるＲｕ層およびＦｅ６０Ｃｏ４０層も、Ｃｏ９０Ｆｅ１０層と同様に無配向、またはアモルファス様になる。したがって、固定磁性層を構成する各層の結晶性が低く、層分離が悪くなる結果、Ｒｕ層を介した反強磁性結合が弱くなり、強磁性結合が支配的になって磁場耐性が低くなると考えられる。
【００２４】
すなわち、トップピン型のＴＭＲ膜では、フリー磁性層と固定磁性層との間に設けられている絶縁障壁層が、隣接する層と異質な結晶構造であるため、結晶配向が分断されてしまい、固定磁性層を構成する各層が無配向、またはアモルファス様となって反強磁性結合が弱くなり、磁場耐性が低下するものと推定される。
【００２５】
（トンネル型磁気抵抗効果素子）
図１は、トップピン型のＴＭＲ膜１０の膜構成を模式的に説明する説明図である。同図に示すように、ＴＭＲ膜１０は、下地層（シード層）１１、フリー磁性層１２、絶縁障壁層１３、第２磁性層１４、非磁性中間層１５、第１磁性層１６、反強磁性層１７および保護層１８の順に積層されたトップピン型のトンネル型磁気抵抗効果素子である。第２磁性層１４、非磁性中間層１５および第１磁性層１６により固定磁性層１９が構成されている。
【００２６】
下地層１１は、図示しない基板や下部電極層に最初に形成される層である。材料は特に限定されないが、例えば、ＮｉＦｅＣｒやＲｕなどが用いられる。
【００２７】
フリー磁性層１２は、下地層１１に積層されるものであり、その材料および構造は限定されない。例えば、材料としてＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などを用いて、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。
【００２８】
絶縁障壁層１３は、フリー磁性層１２に積層される。材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯｘ、ＭｇＯなどが用いられる。ＴＭＲ膜１０の抵抗変化率を高くする観点から、ＭｇＯが好ましい。
【００２９】
固定磁性層１９は、絶縁障壁層１３側から、第２磁性層１４、非磁性中間層１５および第１磁性層１６の順に積層される。第２磁性層１４と第１磁性層１６とは強磁性層であり、非磁性中間層１５を介した反強磁性結合によって、磁化方向が反平行に固定されたセルフピン止め構造を備えている。ＴＭＲ膜１０の感度軸方向は第２磁性層１４の固定磁化方向である。
【００３０】
ＴＭＲ膜１０の第２磁性層１４は、結晶配向促進層１４１および第１のＣｏＦｅ層１４２が絶縁障壁層１３側からこの順に積層されている。
結晶配向促進層１４１は、たとえば、ｆｃｃ［１１１］格子構造を備えた金属により形成され、その上に形成される第１のＣｏＦｅ層１４２、非磁性中間層１５および第１磁性層１６の結晶配向を促進し、結晶性の高い層とする。ｆｃｃ［１１１］格子構造を備えた金属として、ＮｉＦｅなどのニッケルを主成分とする強磁性材料があげられる。Ｎｉ以外の成分としては、Ｆｅ以外に、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｔａなどが挙げられる。自発的にｆｃｃ［１１１］に配向し易い性質が高く、かつ軟磁気特性に優れることから、Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（Ｐｃパーマロイ）が好ましい。
【００３１】
結晶配向促進層１４１の厚さは、結晶配向を促進する観点から、０．５ｎｍ以上が好ましく、１．０ｎｍ以上がより好ましく、１．５ｎｍ以上がさらに好ましい。反強磁性結合による固定磁性層１９の磁化固定力を強くする観点から、５．０ｎｍ以下が好ましく、４．０ｎｍ以下がより好ましく、３．０ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００３２】
第１のＣｏＦｅ層１４２は、絶縁障壁層１３ではなく結晶配向促進層１４１に隣接して積層されることで、結晶性に優れた原子密度が高い層となる。例えば、ｆｃｃ［１１１］格子構造を有する結晶配向促進層１４１の上に積層することにより、結晶性に優れた原子密度が高い、ｆｃｃ［１１１］格子構造を有する第１のＣｏＦｅ層１４２を形成することができる。このため、第１のＣｏＦｅ層１４２に積層される、非磁性中間層１５および第１磁性層１６も結晶性が高いものとなる。したがって、固定磁性層１９の反強磁性結合が強くなりセルフピン止め構造が安定化する。
【００３３】
第１のＣｏＦｅ層１４２の組成は特に限定されないが、軟磁気特性に優れ、磁場中成膜時に磁場方向の分散を抑えて磁化させ易いという観点、またＲｕを介したＲＫＫＹ相互作用を大きくする観点からＣｏ９０Ｆｅ１０が好ましい。
第１のＣｏＦｅ層１４２の厚みは、上記効果を高くする観点から、０．５〜２．０ｎｍが好ましく、１．０〜１．５ｎｍがより好ましい。
【００３４】
非磁性中間層１５は、Ｒｕによって形成される。Ｒｕにより形成された非磁性中間層１５の厚さを０．３〜０．４５ｎｍ、または０．７５〜０．９５ｎｍとすれば、第２磁性層１４と第１磁性層１６とが反強磁性結合することができる。
【００３５】
第１磁性層１６は、例えば、Ｃｏ１００−ＸＦｅＸ（Ｘ＝４０〜８０）のような保磁力Ｈｃが高い材料が用いられる。第１磁性層１６の成膜（製膜）後は、非磁性中間層１５を介して第１磁性層１６と第２磁性層１４とが反平行に結合し、固定磁性層１９として機能する。第１磁性層１６と第２磁性層１４とは、磁化量（飽和磁化Ｍｓ・層厚ｔ）の差は概略同等（実質的にゼロ）となるように調整されることが、固定磁性層１９の磁場耐性を強くする観点から好ましい。
【００３６】
反強磁性層１７は、交換結合作用により、第１磁性層１６の磁化方向を固定する（ピン止めする）。材料は、特に限定されないが、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎ、Ｃｒの一方、または両方を含有する反強磁性材料等が用いられる。
【００３７】
保護層１８の材料は限定されないが、ＲｕやＴａ等が用いられる。
【００３８】
（変形例１）
図３は、トップピン型のＴＭＲ膜２０の膜構成の変形例を模式的に説明する説明図である。同図に示すＴＭＲ膜２０は、固定磁性層１９の第２磁性層１４が、結晶配向促進層１４１の絶縁障壁層１３側に、結晶配向リセット層１４３をさらに備えている点において、図１のＴＭＲ膜１０と異なっている。
【００３９】
結晶配向促進層１４１に加えて結晶配向リセット層１４３を設けたことにより、絶縁障壁層１３の影響をリセットして、その後に積層される層に対する絶縁障壁層１３の結晶構造の影響をさらに抑制することができる。これにより、結晶配向促進層１４１に積層される層の結晶構造が良好な原子密度が高いものとなり、各層の層分離が良い固定磁性層１９となる。したがって、固定磁性層のセルフピン止め構造を安定化することができる。
【００４０】
結晶配向リセット層１４３は、アモルファスにより形成することができる。アモルファスは、例えば、（ＣｏＦｅ）Ｂ層および／またはＴａ層により形成することができる。「アモルファス」とは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって、結晶構造が認められないことをいう。
【００４１】
結晶配向リセット層１４３を形成する（ＣｏＦｅ）Ｂの組成は特に限定されないが、（Ｃｏ１００−ＸＦｅＸ）１００−ｙＢｙ（ｘは２５〜１００、ｙは１０〜３０）が好ましい。結晶配向リセット層１４３をアモルファスの（ＣｏＦｅ）Ｂで形成する場合、絶縁障壁層１３の影響を分断する観点から、その厚さは０．５ｎｍ以上が好ましく、０．８ｎｍ以上がより好ましく、１．０ｎｍ以上がさらに好ましい。反強磁性結合による固定磁性層１９の磁化固定力を強くする観点から、３．０ｎｍ以下が好ましく、２．５ｎｍ以下がより好ましく、２．０ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００４２】
結晶配向リセット層１４３としてＴａ層を用いる場合、厚さ０．１〜０．４ｎｍのベータＴａ層とすることが好ましい。これにより、絶縁障壁層１３の影響を分断するとともにＴａ層の上下に積層された層を磁気的に結合させて、反強磁性結合による固定磁性層１９の磁化固定力を強くすることができる。
【００４３】
結晶配向リセット層１４３は、単層、複数層のいずれでもよい。例えば、（ＣｏＦｅ）Ｂ層およびＴａ層の積層構造とすれば、絶縁障壁層１３の影響をより小さくすることができる。これにより、結晶配向リセット層１４３に積層される各層が明確に区別された層分離の良いものとなる。
【００４４】
（変形例２）
図４は、トップピン型のＴＭＲ膜３０の膜構成の変形例を模式的に説明する説明図である。同図に示すＴＭＲ膜３０は、固定磁性層１９の第２磁性層１４が、結晶配向リセット層１４３の絶縁障壁層１３側に第２のＣｏＦｅ層１４４を備えている点において、図３のＴＭＲ膜２０と異なっている。
【００４５】
絶縁障壁層１３に第２のＣｏＦｅ層１４４を積層することで、抵抗変化率が大きいＴＭＲ膜１０とすることができる。
【００４６】
第２のＣｏＦｅ層１４４は、結晶性の高い層を形成可能な条件において、体心立方構造（ｂｃｃ）を形成可能なＣｏ１００−ＸＦｅＸ（Ｘは３０〜１００）が好ましい。その厚みは、抵抗変化率の大きなＴＭＲ膜１０とする観点から、０．３ｎｍ以上が好ましく、０．５ｎｍ以上がより好ましい。
【００４７】
（磁気検出装置）
図５は、本実施形態の磁気検出装置５０の回路ブロック図である。磁気検出装置５０は、フルブリッジ回路４０により構成されている。同図には矢印で固定磁性層１９の第２磁性層１４の磁化方向を示す。フルブリッジ回路４０は、第２磁性層１４の固定磁化方向が異なるＴＭＲ膜１０の順番を入れ替えた２つの直列回路４２ａおよび直列回路４２ｂが、電源電圧４１と接地電位４４との間に、並列に接続された構成である。
【００４８】
フルブリッジ回路４０を構成する、直列回路４２ａの中点端子４３ａの出力電位と直列回路４２ｂの中点端子４３ｂの出力電位との差動出力が、磁界の検知出力電圧として得られる。
【００４９】
磁気検出装置５０では、ＴＭＲ膜１０のフリー磁性層１２（図１参照）の向きが外部磁界の方向に倣うように変化する。このとき、ＴＭＲ膜１０の抵抗値は、第２磁性層１４の固定磁化方向とフリー磁性層１２の磁化方向との相対角度に応じて変化する。
【００５０】
外部磁界の方向や強度が変化すると、それに伴いフルブリッジ回路４０の検知出力電圧も変動する。このため、フルブリッジ回路４０から得られる検知出力電圧に基づいて、外部磁界を検出できる。図５では、図の紙面に向かって左右方向の磁場を検出可能に構成された磁気検出装置５０を示したが、図の紙面に向かって上下方向の磁場を可能に構成された磁気検出装置と組み合わせれば、上下方向および左右方向の磁場を同時に検出することができる。
【００５１】
（磁気検出装置の製造方法）
図６（ａ）および図６（ｂ）は、図５の磁気検出装置５０の製造方法を模式的に示す図であり、成膜工程における基板と磁場の印加方向との関係を示している。同図では、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ膜１０を形成する場合について説明する。
【００５２】
図６（ａ）の工程では、基板に２つのＴＭＲ膜１０を形成する。ＴＭＲ膜１０における固定磁性層１９の第１磁性層１６（図１参照）を成膜する工程において、基板に１８０°方向の白抜き矢印で示す方向の磁場を与えながら第１磁性層１６を成膜する。第１磁性層１６と第２磁性層１４との間に生じるＲＫＫＹ相互作用により、第２磁性層１４の固定磁化方向が黒矢印で示す０°方向のＴＭＲ膜１０を形成することができる。
【００５３】
図６（ｂ）の工程では、第１磁性層１６を成膜する工程において与える白抜き矢印で示す磁場の方向を０°方向に変えて、図６（ａ）の工程で形成したＴＭＲ膜１０とは固定磁性層１９の磁化方向が異なるＴＭＲ膜１０を同一の基板に形成する。この工程で形成されるＴＭＲ膜１０における第２磁性層１４の固定磁化方向は、黒矢印で示す１８０°方向である。磁場の印加方向は、基板と磁場との相対関係により決まるから、印加する磁場の方向を変化させる際、基板または磁場印加手段のいずれを移動させてもよい。
【００５４】
このように、磁場を印加する方向を変えて固定磁性層１９の形成工程を繰り返すことにより、固定磁性層１９の固定磁化方向が異なるＴＭＲ膜１０を同一の基板に形成することができる。
【００５５】
基板上に固定磁性層１９の固定磁化方向が相違する複数のＴＭＲ膜１０の成膜が完了した後に、固定磁性層１９の第１磁性層１６と反強磁性層１７との間で交換結合磁界Ｈｅｘを発生させるため、磁場を印加しない無磁場中でアニールを行う。これにより、ＴＭＲ膜１０をエージングして安定な磁気検出装置５０とすることができる。
【００５６】
その後、１つの基板上に形成された複数のＴＭＲ膜１０を結線することで図５に示すフルブリッジ回路４０を形成し、磁気検出装置５０の製造を完了する。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
【００５８】
（実施例１）
下部電極層：［Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（２５）］上に、下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４．２）／フリー磁性層［ＮｉＦｅ（９．０）／Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２．０）／第２磁性層：［第２のＣｏＦｅ層：Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）／結晶配向促進層：ＮｉＦｅ（２．５）／第１のＣｏＦｅ層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．０）］／非磁性材料層：Ｒｕ（０．４）／第１磁性層：Ｆｅ６０Ｃｏ４０（２．５）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８．０）／保護層：［Ｒｕ（２．０）／Ｔａ（２０．０）／Ｒｕ（７．０）］の順に積層して、ＴＭＲ膜を製造した。本実施例および以降の実施例において、（）内の数字は各層の厚さ（ｎｍ）を示す。
【００５９】
（実施例２）
下部電極層：［Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（２５）］上に、下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４．２）／フリー磁性層［ＮｉＦｅ（９．０）／Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２．０）／第２磁性層：［第２のＣｏＦｅ層：Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）／結晶配向リセット層：Ｔａ（０．３）／結晶配向促進層：ＮｉＦｅ（２．５）／第１のＣｏＦｅ層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．０）］／非磁性材料層：Ｒｕ（０．４）／第１磁性層：Ｆｅ６０Ｃｏ４０（２．５）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８．０）／保護層：［Ｒｕ（２．０）／Ｔａ（２０．０）／Ｒｕ（７．０）］ＴＭＲ膜を製造した。
【００６０】
（実施例３）
下部電極層：［Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（２５）］上に、下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４．２）／フリー磁性層［ＮｉＦｅ（９．０）／Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２．０）／第２磁性層：［結晶配向リセット層：（Ｃｏ５０Ｆｅ５０）７０Ｂ３０（１．０）／結晶配向促進層：ＮｉＦｅ（３．０）／第１のＣｏＦｅ層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．０）］／非磁性材料層：Ｒｕ（０．４）／第１磁性層：Ｆｅ６０Ｃｏ４０（２．５）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８．０）／保護層：［Ｒｕ（２．０）／Ｔａ（２０．０）／Ｒｕ（７．０）］の順に積層して、ＴＭＲ膜を製造した。
【００６１】
（実施例４）
下部電極層：［Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（２５）］上に、下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４．２）／フリー磁性層［ＮｉＦｅ（９．０）／Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２．０）／第２磁性層：［［結晶配向リセット層：（Ｃｏ５０Ｆｅ５０）７０Ｂ３０（１．０）／Ｔａ（０．３）］／結晶配向促進層：ＮｉＦｅ（２．５）／第１のＣｏＦｅ層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．０）］／非磁性材料層：Ｒｕ（０．４）／第１磁性層：Ｆｅ６０Ｃｏ４０（２．５）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８．０）／保護層：［Ｒｕ（２．０）／Ｔａ（２０．０）／Ｒｕ（７．０）］の順に積層して、ＴＭＲ膜を製造した。
【００６２】
（実施例５）
下部電極層：［Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（２５）］上に、下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４．２）／フリー磁性層［ＮｉＦｅ（９．０）／Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２．０）／第２磁性層：［第２のＣｏＦｅ層：Ｃｏ５０Ｆｅ５０（０．５）／結晶配向リセット層：（Ｃｏ５０Ｆｅ５０）７０Ｂ３０（１．５）／結晶配向促進層：ＮｉＦｅ（１．５）／第１のＣｏＦｅ層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．０）］／非磁性材料層：Ｒｕ（０．４）／第１磁性層：Ｆｅ６０Ｃｏ４０（２．７５）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８．０）／保護層：［Ｒｕ（２．０）／Ｔａ（２０．０）／Ｒｕ（７．０）］の順に積層して、ＴＭＲ膜を製造した。
【００６３】
（実施例６）
下部電極層［Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（２５）］上に、下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４．２）／フリー磁性層［（Ｃｏ５０Ｆｅ５０）７０Ｂ３０（３．０）／Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２．０）／第２磁性層：［第２のＣｏＦｅ層：Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）／結晶配向リセット層：（Ｃｏ５０Ｆｅ５０）７０Ｂ３０（１．５）／結晶配向促進層：ＮｉＦｅ（１．５）／第１のＣｏＦｅ層：Ｃｏ９０Ｆｅ９０（１．０）］／非磁性材料層：Ｒｕ（０．４）／第１磁性層：Ｆｅ６０Ｃｏ４０（３．５）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８．０）／保護層：［Ｒｕ（２．０）／Ｔａ（２０．０）／Ｒｕ（７．０）］の順に積層して、ＴＭＲ膜を製造した。
【００６４】
（比較例１）
下部電極層：［Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（３）／ＣｕＮ（２０）／Ｔａ（２５）］上に、下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４．２）／フリー磁性層［ＮｉＦｅ（９．０）／Ｃｏ５０Ｆｅ５０（１．０）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２．０）／第２磁性層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．４）／非磁性材料層：Ｒｕ（０．４）／第１磁性層：Ｆｅ６０Ｃｏ４０（２．０）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８．０）／保護層：［Ｒｕ（２．０）／Ｔａ（２０．０）／Ｒｕ（７．０）］の順に積層して、ＴＭＲ膜を製造した。
【００６５】
実施例１〜実施例６および比較例１のＴＭＲ膜の磁化曲線を図７〜図１２および図１３ならびに表１に示す。
【表１】
2020136471.tif 000003
【００６６】
図１４は、固定磁性層を構成する各層の結晶性の違いがＴＭＲ膜の磁化曲線に及ぼす影響を模式的に示したグラフである。同図では、固定磁性層を構成する各層が、結晶性および原子密度が高い固定磁性層を備えたＴＭＲ膜の磁化曲線を実線で示し、各層の結晶性および原子密度が低い固定磁性層を備えたＴＭＲ膜の磁化曲線を破線で示している。
【００６７】
結晶性が高い、すなわち結晶配向が強い固定磁性層を備えたＴＭＲ膜は、フリー磁性層が磁化反転する領域と、固定磁性層（第１磁性層または第２磁性層）が磁化反転する領域とが、磁化曲線において明確に分かれる。これは、ＴＭＲ膜を構成する固定磁性層の層分離が良好であることを意味している。固定磁性層の層分離の程度は、プラトー磁場（Ｈｐ（＋）、Ｈｐ（−））で評価することができる。ここで、「プラトー磁場」とは、磁化固定層の磁化反転が始まる磁場の大きさであり、固定磁性層のＭｓ・ｔ（単位面積当たりの飽和磁化、フリー磁性層磁化反転の終了時）が２％変動した磁場の大きさで定義する。
【００６８】
対して、結晶性が低い、すなわち結晶配向が弱い固定磁性層を備えたＴＭＲ膜は、フリー磁性層が磁化反転する領域と、固定磁性層（第１磁性層または第２磁性層）が磁化反転する領域とが、磁化曲線において明確に分かれない。これは、ＴＭＲ膜を構成する固定磁性層の層分離が良好でなく、フリー磁性層の磁化反転と固定磁性層の磁化反転とが連続的に生じていることを示している。固定磁性層の層分離が悪い場合、磁化曲線にプラトー磁場が現れないこととなる。
【００６９】
図１３に示す比較例１のトップピン型のＴＭＲ膜では、フリー磁性層と、固定磁性層における第１磁性層および第２磁性層の磁化反転が連続的に発生している。これは、図２で説明したように、絶縁障壁層およびその上に積層された固定磁性層の結晶配向が弱いため、固定磁性層のＲｕ層を介した反強磁性結合（ＲＫＫＹ相互作用）が弱いことに起因していると考えられる。この場合、固定磁性層とフリー磁性層との反平行磁化状態はほとんど形成できず、高い抵抗変化率（△ＭＲ）を備えたＴＭＲ膜とはならない。
【００７０】
図７に示す実施例１のトップピン型のＴＭＲ膜の磁化曲線では、プラトー磁場（Ｈｐ（−））が認められた。この結果から、実施例１のＴＭＲ膜における固定磁性層の層分離が良くなっていることが示唆される。また、実施例１の抵抗変化率は比較例１のものと比較して十分に高かった。
実施例１の結果から、固定磁性層の第２磁性層に結晶配向促進層（促進層）を設けることにより、固定磁性層の磁化固定力および抵抗変化率が大きくなることが分かる。
【００７１】
図８〜図１２に示す実施例２〜実施例６のトップピン型のＴＭＲ膜の磁化曲線では、いずれもフリー磁性層の磁化反転部と、固定磁性層の第１磁性層および第２磁性層の磁化反転部との間にプラトー磁場（Ｈｐ（−）、Ｈｐ（−））が明瞭に認められた。これは、固定磁性層の層分離がさらに良好であり、固定磁性層が十分に機能していることを示している。また、いずれのＴＭＲ膜も抵抗変化率△ＭＲが比較例１と比較して十分に高かった。
【００７２】
実施例２〜実施例６のＴＭＲ膜で、安定した固定磁性層が形成できていた。これは、絶縁障壁層上の第２磁性層内に結晶配向リセット層（リセット層）と結晶配向促進層とを備えていることによると考えられる。すなわち、結晶配向リセット層によって絶縁障壁層の影響をリセットしたうえで、結晶配向促進層として、［１１１］配向しやすいｆｃｃ構造のＮｉ合金（ＮｉＦｅ）を設けた積層構造によるといえる。この積層構造が、固定磁性層の各層の結晶性および原子密度を高くすることによって、反強磁性結合を強化したと考えられる。
【００７３】
また、絶縁障壁層に隣接して第２のＣｏＦｅ層を積層した実施例１、２、５および６のＴＭＲ膜は、絶縁障壁層に隣接してリセット層を積層した実施例３および４のＴＭＲ膜よりも、抵抗変化率が高くなった。この結果から、絶縁障壁層に隣接する第２のＣｏＦｅ層を積層することにより、ＴＭＲ膜の抵抗変化率が高くなることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明のＴＭＲ膜は、同一基板上に固定磁性層の磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気検出装置などに用いることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０、２０、３０：ＴＭＲ膜
１１    ：下地層
１２    ：フリー磁性層
１３    ：絶縁障壁層
１４    ：第２磁性層
１４１  ：結晶配向促進層
１４２  ：第１のＣｏＦｅ層
１４３  ：結晶配向リセット層
１４４  ：第２のＣｏＦｅ層
１５    ：非磁性中間層
１６    ：第１磁性層
１７    ：反強磁性層
１８    ：保護層
１９    ：固定磁性層
４０    ：フルブリッジ回路
４１    ：電源電圧
４２ａ、４２ｂ  ：直列回路
４３ａ、４３ｂ  ：中点端子
４４    ：接地電位
５０    ：磁気検出装置
【図１】
2020136471.tif 000004
【図２】
2020136471.tif 000005
【図３】
2020136471.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2020136471.tif 000009
【図７】
2020136471.tif 000010
【図８】
2020136471.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2020136471.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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