(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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の製造方法において、前記スペーサ層は、第１の金属層を成膜し、前記第１の金属層上に、前記絶縁層に変換される第２の金属層を成膜し、前記第２の金属層を前記絶縁層に変換するとともに前記絶縁層を貫通する前記金属層を形成する第１の変換処理を行い、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上に、前記絶縁層に変換される第３の金属層を成膜し、前記第３の金属層を前記絶縁層に変換するとともに前記絶縁層を貫通する前記金属層を形成する第２の変換処理を行って形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記第１の変換処理の後、前記第３の金属層の成膜前に第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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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又は３のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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又は５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
「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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】図３に示した酸化チャンバーの構成の一例である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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】図１２のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【００２７】
以下、磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
シード層１２ｂとして、Ｒｕの代わりに、ＮｉＦｅベースの合金（例えば、ＮｉｘＦｅ１００−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（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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、（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（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）。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（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。
【００４６】
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。
【００４７】
下部ピン層１４１の材料として、例えば、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０〜１００％）、ＮｉｘＦｅ１００−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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０〜１００％）や、ＦｅｘＣｏ１００−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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
「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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、Ａｌ2Ｏ3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。
【００６８】
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。
【００６９】
絶縁層１６１に用いる典型的な絶縁材料として、Ａｌ２Ｏ３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Ａｌ２Ｏ３を絶縁層１６１として用いることができる。
【００７０】
絶縁層１６１には、Ａｌ２Ｏ３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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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、Ａｌ2Ｏ3）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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０〜９０）が好ましい。
【００８１】
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。
【００８２】
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、ＦｅｘＣｏ１００−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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
（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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
次に、上記の工程をより詳細に説明する。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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）。
【０１０４】
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。
【０１０５】
（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）。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
（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）。
【０１０９】
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。
【０１１０】
（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）。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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）。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
（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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
（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。
【０１３８】
（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。
【０１３９】
（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。
【０１４０】
（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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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Ａｌ2Ｏ3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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
上述のような処理を経た後、例えば、Ａｌ２Ｏ３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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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Ａｌ２Ｏ３にＣｕが混入しにくくなるため、耐圧の高いＡｌ２Ｏ３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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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、Ａｌ２Ｏ３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。
【０１７０】
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１０７〜１０１０Ａ／ｃｍ２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。
【０１７１】
第２の金属層ｍ２の材料は、Ａｌ２Ｏ３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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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、Ａｌ２Ｏ３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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
（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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
（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。
【実施例】
【０１８４】
（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。
【０１８５】
・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：Ａｌ２Ｏ３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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
（実施例の評価）
実施例を比較例と共に評価した。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
実施例に係るＣＣＰ−ＣＰＰ素子の特性を評価したところ、ＲＡ＝５００ｍΩ／μｍ２、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／μｍ２、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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
（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。
【０２０５】
具体的には以下のような構成が一例である。
【０２０６】
・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：Ａｌ２Ｏ３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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
（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。
【０２０９】
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／μｍ２以下が好ましく、３００ｍΩ／μｍ２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。
【０２１０】
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０．０４μｍ２以下にし、３００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では０．０２μｍ２以下にする。
【０２１１】
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０．０４μｍ２以下にする。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
（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。
【０２１８】
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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
（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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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。
【０２２３】
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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
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。
【０２２８】
（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。
【０２２９】
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。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
（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。
【０２３９】
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。
【０２４０】
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。
【符号の説明】
【０２４１】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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