(57)【要約】【課題】低保磁力、低磁歪、低ＲＡ値および高ＴＭＲ比と維持し、ノイズを低減する。【解決手段】ＴＭＲ素子は、下部シールド層１０の上に、シード層１４，ＡＦＭ層１５，ピンド層１６，トンネルバリア層１７，フリー層１８，キャップ層１９が順に積層された積層体１を有する。フリー層１８は、トンネルバリア層１７の側から硼素を含まないＮＢＣ層と、硼素を含有するＢＣ層とが交互に積層された複合構造を有する。ＮＢＣ層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭ，またはＣｏＦｅＬＭなどからなり、トンネルバリア層と接している。ＢＣ層は、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＢＭ，ＣｏＢ，ＣｏＢＭ，またはＣｏＢＬＭなどからなり、ＮＢＣ層よりも大きな厚みを有する。ＭおよびＬは、Ｎｉ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂのうちのいずれか１種の元素を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。【選択図】図１
2010074170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンセティック反平行（ＳｙＡＰ）ピンド層と、
（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）nによって表される積層構造（但し、ＭおよびＬは、ニッケル（Ｎｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），テルビウム（Ｔｂ）およびニオブ（Ｎｂ）のうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは２以上の整数である。ＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅＢＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも厚い。）を有するフリー層と、
一方の面が前記シンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面が前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するように、前記シンセティック反平行ピンド層と前記フリー層との間に設けられたトンネルバリア層と
を備えたＴＭＲ素子。
【請求項２】
前記フリー層を構成するＣｏＦｅＢからなる層におけるボロン含有率は、１０原子％以上４０原子％以下であり、
前記フリー層を構成するＣｏＦｅＢＭからなる層におけるボロン含有率は、５原子％以上４０原子％以下である
請求項１記載のＴＭＲ素子。
【請求項３】
前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層は、０．２ｎｍ（２Å）以上０．８ｎｍ（８Å）以下の厚みを有し、
前記フリー層におけるＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅＢＭからなる層は、１ｎｍ（１０Å）以上８ｎｍ（８０Å）以下の厚みを有する
請求項１記載のＴＭＲ素子。
【請求項４】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のいずれか、またはこれらを２種以上混合した材料からなる
請求項１記載のＴＭＲ素子。
【請求項５】
シンセティック反平行（ＳｙＡＰ）ピンド層と、
（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅＬＭ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭによって表される積層構造（但し、ＭおよびＬは、ニッケル（Ｎｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），テルビウム（Ｔｂ）およびニオブ（Ｎｂ）のうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは１以上の整数である。ＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅＢＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも厚い。）を有するフリー層と、
一方の面が前記シンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面が前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するように、前記シンセティック反平行ピンド層と前記フリー層との間に設けられたトンネルバリア層と
を備えたＴＭＲ素子。
【請求項６】
前記フリー層を構成するＣｏＦｅＢからなる層におけるボロン含有率は、１０原子％以上４０原子％以下であり、
前記フリー層を構成するＣｏＦｅＢＭからなる層におけるボロン含有率は、５原子％以上４０原子％以下である
請求項５記載のＴＭＲ素子。
【請求項７】
前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層は、０．２ｎｍ（２Å）以上０．８ｎｍ（８Å）以下の厚みを有し、
前記フリー層におけるＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅＢＭからなる層は、１ｎｍ（１０Å）以上８ｎｍ（８０Å）以下の厚みを有する
請求項５記載のＴＭＲ素子。
【請求項８】
前記フリー層のＣｏＦｅＭにおける元素Ｍの含有率、ならびに前記フリー層のＣｏＦｅＬＭにおける元素Ｌおよび元素Ｍの合計の含有率は、いずれも１０原子％未満である
請求項５記載のＴＭＲ素子。
【請求項９】
シンセティック反平行（ＳｙＡＰ）ピンド層と、
（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＬＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＬＭ）n によって表される積層構造（但し、ＭおよびＬは、ニッケル（Ｎｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），テルビウム（Ｔｂ）およびニオブ（Ｎｂ）のうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは２以上の整数である。ＣｏＢ，ＣｏＢＭ，およびＣｏＢＬＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも厚い。）を有するフリー層と、
一方の面が前記シンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面が前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するように、前記シンセティック反平行ピンド層と前記フリー層との間に設けられたトンネルバリア層と
を備えたＴＭＲ素子。
【請求項１０】
前記フリー層を構成するＣｏＢからなる層におけるボロン含有率は、５原子％以上３０原子％以下である
請求項９記載のＴＭＲ素子。
【請求項１１】
前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層は、０．２ｎｍ（２Å）以上０．８ｎｍ（８Å）以下の厚みを有し、
前記フリー層におけるＣｏＢ，ＣｏＢＭおよびＣｏＢＬＭからなる層は、１ｎｍ（１０Å）以上８ｎｍ（８０Å）以下の厚みを有する
請求項９記載のＴＭＲ素子。
【請求項１２】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のいずれか、またはこれらを２種以上混合した材料からなる
請求項９記載のＴＭＲ素子。
【請求項１３】
シンセティック反平行（ＳｙＡＰ）ピンド層と、
（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＢＬＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭによって表される積層構造（但し、ＭおよびＬは、ニッケル（Ｎｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），テルビウム（Ｔｂ）およびニオブ（Ｎｂ）のうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは１以上の整数である。ＣｏＢ，ＣｏＢＭおよびＣｏＢＬＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも厚い。）を有するフリー層と、
一方の面が前記シンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面が前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するように、前記シンセティック反平行ピンド層と前記フリー層との間に設けられたトンネルバリア層と
を備えたＴＭＲ素子。
【請求項１４】
前記フリー層を構成するＣｏＢからなる層におけるボロン含有率は、５原子％以上３０原子％以下である
請求項１３記載のＴＭＲ素子。
【請求項１５】
前記フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層は、０．２ｎｍ（２Å）以上０．８ｎｍ（８Å）以下の厚みを有し、
前記フリー層におけるＣｏＢ，ＣｏＢＭおよびＣｏＢＬＭからなる層は、１ｎｍ（１０Å）以上８ｎｍ（８０Å）以下の厚みを有する
請求項１３記載のＴＭＲ素子。
【請求項１６】
前記フリー層のＣｏＦｅＭにおける元素Ｍの含有率、ならびに前記フリー層のＣｏＦｅＬＭにおける元素Ｌおよび元素Ｍの合計の含有率は、いずれも１０原子％未満である
請求項１３記載のＴＭＲ素子。
【請求項１７】
（ａ）基体の上に、シード層と、反強磁性層と、ＡＰ２層＼結合層＼ＡＰ１層からなる積層構造を有し、前記ＡＰ２層が前記反強磁性層に接するシンセティック反平行ピンド層とを順に含む積層体を形成する工程と、
（ｂ）一方の面が前記シンセティック反平行ピンド層におけるＡＰ１層と接するようにトンネルバリア層を形成する工程と、
（ｃ）前記トンネルバリア層の上に、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭ，またはＣｏＦｅＬＭからなり第１の厚みを有する複数の層と、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＢＭ，ＣｏＢ，ＣｏＢＭ，またはＣｏＢＬＭからなり前記第１の厚みよりも大きな第２の厚みを有する１以上の層（但し、ＭおよびＬは、ニッケル（Ｎｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），テルビウム（Ｔｂ）およびニオブ（Ｎｂ）のうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。）とを順に積層することにより複合フリー層を形成する工程と、
（ｄ）前記複合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。
【請求項１８】
前記第１の厚みを１ｎｍ（１０Å）以上８ｎｍ（８０Å）以下とし、
前記第２の厚みを０．２ｎｍ（２Å）以上０．８ｎｍ（８Å）以下とする
請求項１７記載のＴＭＲ素子の形成方法。
【請求項１９】
前記トンネルバリア層を、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のいずれか、またはこれらを２種以上混合した材料により形成する
請求項１７記載のＴＭＲ素子の形成方法。
【請求項２０】
ＤＣスパッタリング法により第１のＭｇ層を成膜したのち、この第１のＭｇ層に対して自然酸化処理を行うことによりＭｇＯ層を生成し、さらにこのＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層をＤＣスパッタリング法により成膜することにより、ＭｇＯを含む前記トンネルバリア層を形成する
請求項１９記載のＴＭＲ素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気再生ヘッド等に用いられるＴＭＲ（tunneling magnetoresistive) 素子およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ素子、すなわち磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction）素子は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）や磁気再生ヘッド等の磁気デバイスにおける重要な構成要素（記憶素子）である。ＴＭＲ素子は、一般的に、２つの強磁性層が薄い非磁性絶縁体層によって分離された構成を有する積層構造を備えている。いわゆるボトムスピンバルブ構造を有するＴＭＲ素子の積層構造は、基体上に順次形成された、シード（バッファ）層と、反強磁性（ＡＦＭ：Anti-Ferromagnetic）層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、フリー層と、キャップ層とによって構成されるのが一般的である。フリー層は、外部磁界（媒体からの信号磁界）に反応するセンス層として機能する。これに対し、ピンド層は相対的に固定され、フリー層に対する基準層として機能する。トンネルバリア層（絶縁体層）を介した電気抵抗は、フリー層の磁気モーメントの、基準層の磁気モーメントに対する相対的な方向に伴って変化し、これにより磁気信号が電気信号へと変換される。磁気再生ヘッドでは、ＴＭＲセンサは、下部シールドと上部シールドとの間に形成されている。センス電流が、上部シールドから下部シールドに向かって（ＭＲＡＭデバイスでは上部電極から下部電極に向かって）、ＴＭＲ層を含む平面に対して垂直方向に流れると（ＣＰＰ（Current-Perpendicular-to Plane）構造）、フリー層および基準層の磁化方向が平行（「１」記憶状態）である場合には低抵抗となり、フリー層および基準層の磁化方向が反平行（「０」記憶状態）である場合には高抵抗となる。なお、ＴＭＲ素子は、センス電流の方向を示す面内通電（ＣＩＰ：Current In Plane）構造を含んで構成されてもよい。
【０００３】
他の種類の記憶デバイスとしては、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistive）ヘッドが知られている。この構造では、ＴＭＲ素子の積層構造におけるピンド層とフリー層との間の絶縁体層が、銅などの非磁性導電性スペーサによって置き換えられている。
【０００４】
ＴＭＲ素子の積層構造におけるピンド層は、シンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造を有する場合がある。この構造では、外側ピンド層が、結合層を介して、トンネルバリア層に接する内側ピンドと磁気的に結合している。外側ピンド層は、同一方向に磁化された隣接するＡＦＭ層との交換結合によって特定の方向に固定された磁気モーメントを有している。トンネルバリア層の膜厚は、このトンネルバリア層を通過する電流を、導電電子の量子力学的トンネル効果によって得られるほど薄くなっている。
【０００５】
現在のところ、ＴＭＲ素子は、次世代の磁気ヘッドにおいて、ＧＭＲ素子に取って代わる候補として最も有望である。先進のＴＭＲ素子は、磁気ヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ：Air-Bearing Surface）において、０．１μｍ×０．１μｍ程度の断面積を有している。ＴＭＲ素子の利点は、ＧＭＲ素子と比較して、大幅に高い抵抗変化率（ＭＲ比）を得ることができることにある。高性能のＴＭＲ素子に求められる特性としては、ＭＲ比が高いことに加え、ＲＡ値が低いこと、フリー層の磁歪（λ）および保磁力（Ｈｃ）が低いこと、ピンド層が強力であること、トンネルバリア層を通しての層間結合（Ｈｉｎ）が弱いこと、等がある。ＭＲ比（ＴＭＲ比とも呼ばれる）は、ｄＲ／Ｒで表され、ＲはＴＭＲセンサの抵抗値の最小値であり、ｄＲはフリー層の磁化状態の変化に応じて観測される抵抗変化量である。ｄＲ／Ｒが大きければ、読み出し速度（再生速度）が向上する。高記録密度用途または高周波用途に対しては、ＲＡ値を約１から３Ω・μｍ2 にまで減少させる必要がある。
【０００６】
高周波記録用途においては、ＭｇＯを用いたＴＭＲ素子が有望視されている。これは、そのＴＭＲ比が、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）またはチタン酸化物（ＴｉＯｘ）を用いたＴＭＲ素子のそれと比べて著しく高いことによる。非特許文献１および非特許文献２には、エピタキシャルなＦｅ（００１）＼ＭｇＯ（００１）＼Ｆｅ（００１）と、多結晶構造のＦｅＣｏ（００１）＼ＭｇＯ（００１）＼（Ｆｅ70 Ｃｏ30 ）80 Ｂ20 を用いたトンネル接合構造によって、室温で約２００％というＭＲ比が達成され得ることが示されている。また、非特許文献３には、室温で最高４１０％というＭＲ比を得ることができると報告されている。非特許文献４には、従来のスパッタリング法によって形成されたＣｏＦｅＢ＼ＭｇＯ（００１）＼ＣｏＦｅＢからなる構造を有するトンネル接合構造においても、柔軟性と均質性とを利点とする２３０％という非常に高いＭＲ比を得ることができると報告されている。ただし、上記した技術では、ＲＡ値が所望のＲＡ値よりも大きくなっている。
【０００７】
非特許文献５には、ＣｏＦｅＢからなるピンド層と、高周波スパッタにより形成されたＭｇＯ層との間に、ＤＣスパッタにより形成されたＭｇ層を挿入することによりＲＡ値を低減できることが示されている。また、この非特許文献５では、ＲＡ値が２．４Ω・μｍ2という条件下の場合には、ＣｏＦｅＢ＼Ｍｇ＼ＭｇＯ＼ＣｏＦｅＢの構造を有するトンネル接合素子により、ＭＲ比は１３８％に達することが示されている。なお、非特許文献５においてＭｇ層を挿入するという考えは、特許文献１において初めて提案されたが、その目的は、ＣｏＦｅ＼ＭｇＯ（反応性スパッタリング）＼ＮｉＦｅ構造における下部電極（ＣｏＦｅ）の酸化を防ぐことであった。一方、非特許文献６には、高周波スパッタ法によるＭｇＯ層の形成に先立ち、タンタル（Ｔａ）をゲッターとしたプレ・スパッタ処理を施すことにより、ＴＭＲ比が５５％に達すると共に、ＲＡ値を低減できることが報告されている。
【０００８】
なお、特許文献２には、ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼ＣｏＦｅＢの３層構造からなるフリー層が開示されている。このフリー層は、２つのＣｏＦｅＢ層とＣｕ層とのそれぞれの界面における大きなスピン偏極がスピン依存散乱を促進し、磁気抵抗効果を高める機能を有している。特許文献３では、ＣｏＦｅＢ層とＣｏＮｂＺｒ層との積層構造を有するフリー層が開示されている。この積層構造は例えばＣｏＦｅ層の上に形成され、フリー層と分離層との間の接触面をもたらす。特許文献４には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ含有合金もしくはそれらの混合材料からなる複数の膜を有する磁性層について記載がなされている。特許文献５には、第１〜第３の層からなる３層構造のフリー層が記載されている。第１〜第３の層の構成材料は、それぞれ、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｂ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅおよびそれらの合金からなる群から選択される。特許文献６には、ＣｏＦｅ層、ＮｉＦｅ層もしくはＣｏＦｅＢ層のいずれか、またはそれらの層の積層構造からなるフリー層が記載されている。さらに、そのようなフリー層を採用することにより、ＭＲ比および軟磁性特性が向上する旨も記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６８４１３９５号明細書
【特許文献２】米国特許第７３１０２１０号明細書
【特許文献３】米国特許第６９８２９３２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／０２５３１１６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／００５２７９３号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００３／０１２３１９８号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】S. Yuasa等著、「Giant room-temperature agnetoresistance in single crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions」、Nature Materials、２００４年、第３版、ｐ．８６８−８７１
【非特許文献２】S. Parkin 等著、「Giant tunneling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers」、Nature Materials、２００４年、第３号、ｐ．８６２−８６７
【非特許文献３】S. Yuasa 等著、「Giant tunneling magnetoresistance up to 410% at room temperature in fully epitaxial Co/MgO/Co magnetic tunnel junctions with bcc Co (001) electrodes」、Applied Physics Letters、２００６年、第８９巻、０４２５０５
【非特許文献４】D. Djayaprawira等著、「230% room temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions」、Physics Letters、２００５年、第８６巻、０９２５０２
【非特許文献５】K. Tsunekawa等著、「Giant tunnel magnetoresistance effect in low resistance CoFeB/MgO(001)/CoFeB magnetic tunnel junctions for read head applications」、Applied Physics Letters、２００５年、第８７巻、０７２５０３
【非特許文献６】Y. Nagamine等著、「Ultralow resistance-area produce at 0.4 ohm-μｍ２ and high magnetoresistance above 50％ in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic junctions」、Applied Physics Letters、２００６年、第８９巻、１６２５０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＭｇＯからなるトンネルバリア層を有するＴＭＲ素子において低ＲＡ値を得るための他の方法としては、第１のＭｇ層をＤＣスパッタなどにより形成したのち、その第１のＭｇ層に対して自然酸化（ＮＯＸ：Natural Oxidation）処理を行い、これにより得られたＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層をＤＣスパッタなどにより形成することが挙げられる。この方法によれば、より良好な工程管理が可能となるとともに、再生時におけるＭＲ比のばらつきの改善が期待できる。
【００１２】
現在、この技術分野では、ＭｇＯを有するトンネルバリア層を用いたＴＭＲ素子において、もっぱらＣｏＦｅＢをフリー層に用いることにより、高ＴＭＲ比を保ちつつ低Ｈｃを得るようにしている。また、アニール温度が３００℃未満の低温であっても高いＭＲ比を得るために、ＭｇＯからなるトンネルバリア層とＣｏＦｅＢからなるフリー層との間に薄いＣｏＦｅ層を挿入することも行われている。しかしながら、ＣｏＦｅＢからなるフリー層を用いることは、２つの大きな問題点を伴う。第１の問題点は、正の磁歪定数（λ）が増大してしまうことである。第２の問題点は、ＣｏＦｅＢからなるフリー層を用いることにより過剰なノイズが発生し易くなり、結果的に信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓ／Ｎ比）が低下してしまい、望ましくないということである。さらに、最近では、磁歪定数、保磁力およびノイズレベルがそれぞれ低いことに加え、５５％を超えるＴＭＲ比を有し、かつ、ＲＡ値が２．０Ω・μｍ2 以下であるようなＴＭＲ素子を実現可能なフリー層が求められている。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、−５×１０-6 以上５×１０-6 以下の磁歪、３Ω×μｍ2 程度の低い面積抵抗ＲＡ値、および４×１０3／（４π）から７×１０3／（４π）［Ａ／ｍ］の低い保磁力Ｈｃを達成しつつ、単層のＣｏＦｅＢ層もしくはＣｏＦｅ層とＣｏＦｅＢ層との２層構造からなるフリー層と比較した場合に、ノイズをより低減可能な複合フリー層を有するＴＭＲセンサおよびその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１のＴＭＲ素子は、シンセティック反平行ピンド層と、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）nによって表される積層構造を有するフリー層と、一方の面がシンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面がフリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するようにシンセティック反平行ピンド層とフリー層との間に設けられたトンネルバリア層とを備えるものである。但し、フリー層の積層構造において、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは２以上の整数である。ＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅＢＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも大きな厚みを有する。
【００１５】
本発明の第２のＴＭＲ素子は、シンセティック反平行ピンド層と、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅＬＭ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭによって表される積層構造を有するフリー層と、一方の面がシンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面がフリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するように、シンセティック反平行ピンド層とフリー層との間に設けられたトンネルバリア層とを備えるものである。但し、フリー層の積層構造において、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは１以上の整数である。ＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅＢＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも大きな厚みを有する。
【００１６】
本発明の第３のＴＭＲ素子は、シンセティック反平行ピンド層と、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＬＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＬＭ）n によって表される積層構造を有するフリー層と、一方の面がシンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面がフリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するように、シンセティック反平行ピンド層とフリー層との間に設けられたトンネルバリア層とを備えるものである。但し、フリー層の積層構造において、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは２以上の整数である。ＣｏＢ，ＣｏＢＭ，およびＣｏＢＬＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも大きな厚みを有する。ＣｏＢは、例えばＣｏS ＢT （Ｔは５〜３０原子％，Ｓ＋Ｔ＝１００％）で表されるものである。
【００１７】
本発明の第４のＴＭＲ素子は、シンセティック反平行ピンド層と、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＢＬＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭによって表される積層構造を有するフリー層と、一方の面がシンセティック反平行ピンド層と接すると共に他方の面がフリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層と接するように、シンセティック反平行ピンド層とフリー層との間に設けられたトンネルバリア層とを備えるものである。但し、フリー層の積層構造において、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは１以上の整数である。ＣｏＢ，ＣｏＢＭおよびＣｏＢＬＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも大きな厚みを有する。
【００１８】
本発明のＴＭＲ素子の形成方法は、以下の（ａ）から（ｄ）の各工程を含むものである。
（ａ）基体の上に、シード層と、反強磁性層と、ＡＰ２層＼結合層＼ＡＰ１層からなる積層構造を有し、ＡＰ２層が反強磁性層に接するシンセティック反平行ピンド層とを順に含む積層体を形成する工程。
（ｂ）一方の面がシンセティック反平行ピンド層におけるＡＰ１層と接するようにトンネルバリア層を形成する工程。
（ｃ）トンネルバリア層の上に、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭ，またはＣｏＦｅＬＭからなり第１の厚みを有する複数の層と、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＢＭ，ＣｏＢ，ＣｏＢＭ，またはＣｏＢＬＭからなり第１の厚みよりも大きな第２の厚みを有する１以上の層（但し、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。）とを順に積層することにより複合フリー層を形成する工程。
（ｄ）複合フリー層の上にキャップ層を形成する工程。
【００１９】
本発明のＴＭＲ素子およびその形成方法では、フリー層におけるＣｏＦｅＢからなる層のボロン含有率を１０原子％以上４０原子％以下とし、フリー層におけるＣｏＦｅＢＭからなる層のボロン含有率を５原子％以上４０原子％以下とし、フリー層におけるＣｏＢからなる層のボロン含有率を５原子％以上３０原子％以下とすることが望ましい。
【００２０】
本発明のＴＭＲ素子およびその形成方法では、フリー層におけるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層については０．２ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みとし、フリー層におけるＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＢＭ，ＣｏＢ，ＣｏＢＭもしくはＣｏＢＬＭからなる層については１ｎｍ以上８ｎｍ以下の厚みとするとよい。
【００２１】
本発明のＴＭＲ素子およびその形成方法では、フリー層のＣｏＦｅＭにおける元素Ｍの含有率、ならびにフリー層のＣｏＦｅＬＭにおける元素Ｌおよび元素Ｍの合計の含有率については、いずれも１０原子％未満とするとよい。
【００２２】
本発明のＴＭＲ素子およびその形成方法では、トンネルバリア層を、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のいずれか、またはこれらを２種以上混合した材料により形成するとよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のＴＭＲ素子および形成方法によれば、硼素を含むコバルト化合物からなる硼素含有層（ＢＣ層）と、硼素を含まないコバルト鉄化合物からなる硼素非含有層（ＮＢＣ層）との積層構造を有するフリー層を備えるようにしたので、低磁歪、低ＲＡ値、低保磁力および高ＴＭＲ比を確保しつつ、ノイズ低減が十分になされ、Ｓ／Ｎ比が向上することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態としてのＴＭＲセンサの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示したＴＭＲセンサの要部構成を表す断面図である。
【図３】図１に示したＴＭＲセンサにおけるフリー層の詳細な構成を表す断面図である。
【図４】図１に示したＴＭＲセンサにおけるフリー層の他の構成例を表す断面図である。
【図５】図１に示したＴＭＲセンサの形成方法における一工程を表すエアベアリング面に平行な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。本発明は、高性能な磁気デバイスにおいて必要とされる高ＭＲ比、低ＲＡ値、低磁歪および低Ｈｃを発現する複合フリー層、およびそれを備えたセンサ素子に関するものである。なお、以下の実施の形態では、上記の複合フリー層を再生ヘッドとしてのＴＭＲセンサに適用した例を示しているが、本発明の複合フリー層は、ＣＩＰ−ＧＭＲセンサまたはＣＰＰ−ＧＭＲセンサなどの、磁気抵抗効果素子を有する他のデバイスに用いることもできる。また、以下の実施の形態では、ＴＭＲセンサとしてボトムスピンバルブ構造を例示するが、本発明は、当業者により理解されるように、トップスピンバルブ構造または多層スピンバルブ構造も包含するものである。図面はあくまでも一例であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【００２６】
これまで、本出願人は、２段階のアニーリング処理に関連する方法を実施してきた。この２段階のアニーリング処理は、例えばフリー層にＣｏＦｅＢ層を含む場合の軟磁性の損失を復元するのに好適に用いられる。２段階のアニーリング処理は、第１の温度および第１の時間を条件とする（第１の）磁場の利用と、第１の温度よりも高い第２の温度、および第１の時間よりも短い第２の時間を条件とする（第２の）磁場の利用とを含むものである。しかしながら、この２段階のアニーリング処理を実施しても十分なノイズリダクションを行うことが困難な場合がある。
【００２７】
また、ＣｏＦｅＢ層を主成分とするフリー層では、所望の軟磁気特性を得るには一定量の硼素を含有することが求められる。しかしながら、非磁性である硼素を多量に（例えば約２０％程度）含有すると、軟磁気特性が向上する一方で不要なノイズを招く傾向にあり、その結果、再生ヘッドとしての信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）の低下を引き起こすこととなる。さらに、硼素の多量に含有すると、磁歪定数λの上昇が懸念される。関連する米国特許出願１１／９８３３２９には、磁歪定数λを低減するためにＣｏＦｅＢの組成を整合させる方法、および、絶対値の大きな正の磁歪定数λを有するＣｏＦｅＢの代わりに絶対値の小さな負の磁歪定数λを有するＣｏＢに置き換える方法について開示されている。しかしながら、上記の技術においても、硼素を比較的多く含むＣｏＢ層に起因した無視できないノイズが残存することとなる。したがって、フリー層に関し、性能を向上させるためにさらなる改良が求められる。すなわち、硼素を含む複合フリー層において、ノイズを低減し（ＳＮＲを向上させ）、高いｄＲ／Ｒ、低磁歪λ、低ＲＡ値を得ることが望まれる。
【００２８】
そこで本発明では、フリー層が、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＢＭ，ＣｏＢ，ＣｏＢＭもしくはＣｏＢＬＭなどからなる少なくとも１つの硼素含有（ＢＣ）層と、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭなどからなる複数の硼素非含有層とを有するようにしている。但し、上記ＬおよびＭは、例えばニッケル（Ｎｉ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），ジルコニウム（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ），テルビウム（Ｔｂ）およびニオブ（Ｎｂ）のうちの互いに異なる元素を表す。
【００２９】
以下、図１〜図４を参照して本実施の形態におけるＴＭＲセンサの構成について説明する。図１は、ＴＭＲセンサにおける、エアベアリング面と平行な断面の構成を表しており、図２は、図１に示した積層体１の断面構成を拡大して表している。
【００３０】
図１に示したように、このＴＭＲセンサは、対向配置された下部シールド層１０と上部シールド層２５との間に、磁気トンネル接合構造を有する積層体１が狭持されたものである。下部シールド層１０は、例えば２μｍの厚さを有するＮｉＦｅ層であり、例えば、アルティック（Ａｌ・ＴｉＣ）からなる基板上に形成される。積層体１の両側には、下部シールド層１０の上面および積層体１の端面（側面）を連続して覆う絶縁層２２と、この絶縁層２２の上に位置するバイアス層２３と、このバイアス層２３を覆うキャップ層２４とが、積層体１をトラック幅方向（Ｘ軸方向）に挟むように設けられている。
【００３１】
積層体１は、例えば、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とが下部シールド層１０の上に順次積層されたボトムスピンバルブ構造を有している。
【００３２】
シード層１４は、好ましくはタンタル層およびルテニウム層の２層構造Ｔａ＼Ｒｕからなる。但し、単層のタンタル層や、タンタル層とＮｉＣｒ層との２層構造Ｔａ＼ＮｉＣｒ、タンタル層と銅層との２層構造Ｔａ＼Ｃｕ、もしくはタンタル層とクロム層との２層構造Ｔａ＼Ｃｒなどによってシード層１４を構成することもできる。このシード層１４は、その上に形成される積層構造における平滑かつ均質な粒子成長を促進するものである。
【００３３】
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（その中でも特に外側層であるＡＰ２層（後述））の磁化方向を固定するように機能するものであり、例えば４ｎｍ（４０Å）以上３０ｎｍ（３００Å）以下の厚さを有する。ＡＦＭ層１５はＩｒＭｎによって形成することが望ましいが、必要に応じてＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，またはＭｎＰｔＰｄを用いてもよい。
【００３４】
ピンド層１６は、強磁性材料からなるＡＰ２層と、ルテニウムなどからなる非磁性の結合層と、強磁性材料からなるＡＰ１層とがＡＦＭ層１５の側から順に積層されたシンセティック反平行（ＳｙＡＰ：Synthetic Anti-Parallel）構造「ＡＰ２層＼結合層＼ＡＰ１層」を有している。結合層は、ルテニウムのほか、例えばＲｈまたはＩｒなどによって形成することができる。ＡＰ２層は、外側ピンド層とも称され、ＡＦＭ層１５に接している。ＡＰ２層は、例えば、Ｆｅが約１０原子％含まれるＣｏＦｅからなり、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有する。ＡＰ２層の磁気モーメントは、ＡＰ１層の磁気モーメントとは反平行の方向に固定されている。例えば、ＡＰ１層が「−Ｘ」方向の磁気モーメントを有している場合、ＡＰ２層は「＋Ｘ」方向に配向した磁気モーメントを有している。また、ＡＰ２層とＡＰ１層との厚さは、わずかに異なっている。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ネット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層とＡＰ１層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以上０．９ｎｍ以下の膜厚の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）がより均質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。
【００３５】
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好ましい。ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層１７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。但し、必要に応じて、ＭｇＯのほかに他の材料（例えば、ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のいずれか、またはこれらを２種以上混合した材料）によりトンネルバリア層１７を構成するようにしてもよい。
【００３６】
ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層１７は、ピンド層１６の上に例えば０．４ｎｍ以上１．４ｎｍ以下の膜厚の第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）処理を行い、さらにその上に例えば０．２ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の膜厚の第２のＭｇ層を設けることにより形成することが好ましい。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、過剰な酸素が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、圧力をより高くしたりすることによりＭｇＯｘ層が厚くなると、ＲＡ値がより大きくなるであろう。
【００３７】
積層体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、形成される膜の均質性が向上する。
【００３８】
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］程度の酸素分圧の下で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、酸素分圧を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。
【００３９】
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。
【００４０】
このＴＭＲセンサにおいて最も重要な特徴をなすのは、トンネルバリア層１７の上のフリー層１８である。フリー層１８は、ＣｏＦｅＢもしくはＣｏＦｅＢＭからなる硼素含有（ＢＣ）層１８ｂ（後出）と、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる硼素非含有（ＮＢＣ）層１８ａ（後出）とが交互に積層されたものである。すなわち、フリー層１８は、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）nによって表される積層構造を有している。ここで、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種の元素を表す。但し、ＭとＬとは互いに異なる元素である。また、ｎは２以上の整数である。ＣｏＦｅＢからなる層の構成材料は、組成式［Ｃｏ(100-X) ＦｅX ］100-Y ＢY で表される。ここで、Ｘは０〜１００原子％を表し、Ｙは１０〜４０原子％を表す。ＢＣ層１８ｂがＣｏＦｅＢからなる場合には、その硼素含有率は１０原子％以上４０原子％以下であることが望ましい。ＢＣ層１８ｂがＣｏＦｅＢＭからなる場合には、その硼素含有率は５原子％以上４０原子％以下であることが望ましい。一例として、Ｍがニッケル（Ｎｉ）である場合のＣｏＮｉＦｅＢからなる層は、ＣｏＢとＣｏＮｉＦｅとの同時スパッタリングによって形成される。ＣｏＢは、同時スパッタリングにおいて磁歪定数λの調整のために好適に用いられる。さらに、フリー層１８において、ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＭからなるＢＣ層１８ｂは、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭまたはＣｏＦｅＬＭからなるＮＢＣ層１８ａよりも大きな厚みを有している。フリー層１８におけるＮＢＣ層１８ａは、トンネルバリア層１７と接している。
【００４１】
図３はフリー層１８の詳細な構成を表す拡大断面図であり、上記の積層構造におけるｎ＝２の場合を表している。すなわち、トンネルバリア層１７の上に、ＮＢＣ層１８ａ１，ＢＣ層１８ｂ１，ＮＢＣ層１８ａ２，ＢＣ層１８ｂ２の順に積層された４層構造の例を表している。
【００４２】
ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭまたはＣｏＦｅＬＭからなるＮＢＣ層１８ａ（１８ａ１〜１８ａｎ）の各々は、例えば０．２ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みを有し、ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＭからなるＢＣ層１８ｂ（１８ｂ１〜１８ｂｎ）の各々は、例えば１．０ｎｍ以上８．０ｎｍ以下の厚みを有する。フリー層１８の合計の厚みは、１０ｎｍ未満であることが望ましい。また、ＮＢＣ層１８ａ（１８ａ１〜１８ａｎ）の各々の厚みを、ＢＣ層１８ｂ（１８ｂ１〜１８ｂｎ）の各々の厚みよりも小さくすることにより、ＴＭＲ比をより高めることができる。すなわち、フリー層１８に占めるＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭの含有率が増加するほどＴＭＲ比は低下してしまうので、好ましくない。また、積層体１において、ＮＢＣ層１８ａがトンネルバリア層１７と接することが重要である。ＢＣ層１８ｂがトンネルバリア層１７と接すると、ノイズの増大を招き、ＴＭＲ比が低下してしまうからである。
【００４３】
（第１の変形例）
フリー層１８は上記の構成に限定されるものではない。例えば、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＭ）n ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＬＭ）n ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＬＭ）n によって表される積層構造としてもよい。すなわち、ＢＣ層１８ｂ（１８ｂ１〜１８ｂｎ）を、ＣｏＢ，ＣｏＢＭまたはＣｏＢＬＭによって構成することもできる。ここで、ＣｏＢ，ＣｏＢＭまたはＣｏＢＬＭとしては、硼素の含有率が５〜３０原子％である低磁歪のものを用いることが望ましい。なお、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種の元素を表す。但し、ＭとＬとは互いに異なる元素である。また、ｎは２以上の整数である。この第１の変形例においても、ＣｏＢ，ＣｏＢＭまたはＣｏＢＬＭからなるＢＣ層１８ｂは、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭまたはＣｏＦｅＬＭからなるＮＢＣ層１８ａよりも大きな厚みを有していることが望ましい。
【００４４】
（第２の変形例）
また、フリー層は以下の構成であってもよい。具体的には、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢ）n ＼ＣｏＦｅＬＭ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＦｅＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭによって表される積層構造としてもよい。ここで、ＭおよびＬは、ニッケル，タンタル，チタン，タングステン，ジルコニウム，ハフニウム，テルビウムおよびニオブのうちのいずれか１種を表す。ＭとＬとは互いに異なる元素である。ｎは１以上の整数である。ＣｏＦｅＢおよびＣｏＦｅＢＭからなる層は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＭもしくはＣｏＦｅＬＭからなる層よりも大きな厚みを有する。本変形例では、ＮＢＣ層がＢＣ層よりも１層多く含まれるので、最上層および最下層がいずれもＮＢＣ層となる。
【００４５】
図４は、第２の変形例としてのフリー層１８の詳細な構成を表す拡大断面図であり、上記の積層構造におけるｎ＝２の場合を表している。すなわち、トンネルバリア層１７の上に、ＮＢＣ層１８ａ１，ＢＣ層１８ｂ１，ＮＢＣ層１８ａ２，ＢＣ層１８ｂ２，ＮＢＣ層１８ａ３の順に積層された５層構造の例を表している。本変形例では、フリー層１８における最下層のＮＢＣ層（図４ではＮＢＣ層１８ａ１）がトンネルバリア層１７と接する一方で、フリー層１８における最上層のＮＢＣ層（図４ではＮＢＣ層１８ａ３）がキャップ層１９と接することとなる。
【００４６】
（第３の変形例）
また、フリー層は以下の構成であってもよい。具体的には、（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢ）n ＼ＣｏＢＬＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭ，（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅ，（ＣｏＦｅＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅＭ，または（ＣｏＦｅＬＭ＼ＣｏＢＬＭ）n ＼ＣｏＦｅＬＭによって表される積層構造としてもよい。本変形例は、ＢＣ層をＣｏＢ，ＣｏＢＭまたはＣｏＢＬＭによって構成したことを除き、他は上記第２の変形例と同様の構成を有する。ここで、ＣｏＢ，ＣｏＢＭまたはＣｏＢＬＭとしては、硼素の含有率が５〜３０原子％である低磁歪のものを用いることが望ましい。
【００４７】
キャップ層１９は、フリー層１８が形成された後、フリー層１８の上に成膜される。キャップ層１９は、例えばＲｕもしくはＴａからなる単一層、またはＲｕ＼Ｔａ＼Ｒｕなどの複合層によって構成される。複合層からなる場合、最上層はＲｕ層であることが好ましい。Ｒｕ層は、酸化に耐性を示し、後続の工程において形成される上部のトップリードとしても機能する上部シールド層２５との良好な電気的接続を確保するとともに、後続の平坦化工程における化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polish）処理を行う際のストップ層として機能するからである。
【００４８】
次に、図１〜図４に加え、図５を参照して本実施の形態におけるＴＭＲセンサの形成方法について説明する。図５は、ＴＭＲセンサの形成方法における一工程を表す断面図である。
【００４９】
まず、所定の基板上に下部シールド層１０を形成したのち、その下部シールド層１０の上にシード層１４、ＡＦＭ層１５、ピンド層１６、トンネルバリア層１７、フリー層１８、キャップ層１９を順次積層することにより積層膜を形成する。積層膜の形成は、上述したように所定のスパッタ蒸着装置を用いて行う。
【００５０】
次いで、この積層膜を真空オーブン内に入れ、その積層膜に対するアニール処理を行う。アニール処理は、２４０℃以上３４０℃以下の温度範囲、好ましくは２５０℃以上２７０℃以下の温度範囲において、少なくとも２０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］、好ましくは８０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］の強度の磁界を印加しつつ、２〜５時間に亘って行う。アニール処理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は均質なＭｇＯｘ層になる。また、ピンド層１６およびフリー層１８の磁化方向が設定される。
【００５１】
アニール処理は、２段階に分けて異なる温度範囲において行うようにしてもよい。ＣｏＦｅＢ合金層またはＣｏＦｅＢＭ合金層は、２５０〜３００℃程度の温度範囲でのアニール処理により部分的に結晶性を有するものとなる。３００℃を超えるような高温下でのアニール処理を行うことにより、ＣｏＦｅＢ合金層またはＣｏＦｅＢＭ合金層は、ほぼ完全に結晶化したものとなる。なお、ＣｏＢ合金層またはＣｏＢＭ合金層は、アニール処理温度が２５０℃であっても大部分が結晶化すると考えられる。一般的に、高い結晶性を有するＣｏＦｅＢ合金層（またはＣｏＦｅＢＭ層）は、高い抵抗変化率ｄＲ／Ｒをもたらす。しかしながら、アニール温度が高い場合、保磁力Ｈｃは望ましい値よりも高い値となることが多い。本実施の形態における好ましいアニール処理の温度範囲が２５０℃から２７０℃であるのはこうした理由による。この温度範囲は、６０％を超える高い抵抗変化率ｄＲ／Ｒと、６０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］未満の低い保磁力Ｈｃとの双方を実現するための折衷条件といえる。
【００５２】
次に、図５に示したように、従来のシーケンスにより、アニール処理がなされた積層膜をパターニングすることにより積層体１を得る。具体的には、例えばキャップ層１９の上面１９ａを覆うようにフォトレジスト層２０を形成し、これを所定形状に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、積層膜のうち、フォトレジスト層２０によって覆われていない露出部分を除去する。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を有する積層体１が得られる。
【００５３】
次に、図１に示したように、下部シールド層１０の露出した上面から積層体１の側壁２１まで連続して覆うように絶縁層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および積層体１の上面１９ａの上に上部リードとしての上部シールド層２５を形成する。下部シールド層１０と同様に、上部シールド層２５もまた、膜厚が約２μｍのＮｉＦｅ層として形成する。これによりＴＭＲセンサが完成する。なお、上部シールド層２５の上にさらに第２のギャップ層（図示せず）を備えるようにしてもよい。
【００５４】
本実施の形態のＴＭＲセンサにおけるフリー層を形成するにあたっては、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。
【実施例】
【００５５】
次に、本発明に関する実施例（実験例）について説明する。
【００５６】
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。
【００５７】
表１は、フリー層の構成、およびアニール処理条件を種々に変えたときに得られるフリー層の磁気特性、すなわち、飽和磁束密度Ｂｓ，保磁力Ｈｃ（×１０3／４π［Ａ／ｍ］），磁歪定数λ，面積抵抗値（ＲＡ値）［Ω×μｍ2］および抵抗変化率ｄＲ／Ｒを表すものである（サンプルＡ〜Ｄ）。
【００５８】
ここでのＴＭＲセンサの積層構造は以下の通りである。
「シード層＼ＡＦＭ層＼ＡＰ２層＼Ｒｕ層＼ＡＰ１層＼ＭｇＯ層＼フリー層＼キャップ層」
シード層；Ｔａ（２）＼Ｒｕ（２）
ＡＦＭ層；ＩｒＭｎ（７）
ＡＰ２層＼Ｒｕ層＼ＡＰ１層（８）（＝ピンド層）；ＣｏＦｅ（２．５）＼Ｒｕ（０．７５）／ＣｏＦｅ（２．０）
ＭｇＯｘ（＝トンネルバリア層）；Ｍｇ（０．７）＼ＮＯＸ＼Ｍｇ（０．４）
キャップ層；Ｒｕ（５）
なお、括弧内の数値は膜厚（ｎｍ）を表す。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たのち、２段階のアニール処理を行った。具体的には、第１のステップでは、８０００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］の磁界を印加しながら真空中において２５０℃で３時間にわたりアニール処理を行い、第２のステップでは、同じ強度の磁場中において２８０℃で１．５時間にわたりアニール処理をおこなった。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
サンプルＡは比較例であり、表１に示したように、ＦｅＣｏ層とＣｏＢ層との２層構造ＦｅＣｏ＼ＣｏＢからなるフリー層を有するものである。下層としてのＦｅＣｏ層はＣｏ70 Ｆｅ30 からなり、０．５ｎｍ（５Å）の厚みを有する。一方、上層としてのＣｏＢ層は、Ｃｏ80 Ｂ20 からなり、４．８ｎｍ（４８Å）の厚みを有する。
【００６１】
サンプルＢは、上記実施の形態における第１の変形例に対応するものであり、フリー層の積層構造は（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）2 である。すなわち、サンプルＢは、サンプルＡの構造においてＣｏＢ層の中間に薄いＣｏＦｅ層を設けるようにした構造である。そのような構造を有することにより、保磁力ＨｃがサンプルＡと比較して僅かに増加したものの、飽和磁束密度Ｂｓや磁歪定数λ、面積抵抗ＲＡおよび抵抗変化率ｄＲ／Ｒについては大きな変化が見られなかった。
【００６２】
サンプルＣは、サンプルＡの構造にさらにＦｅＣｏ層を加えたものであり、上記実施の形態における第３の変形例に対応する。すなわち、フリー層の積層構造は（ＣｏＦｅ＼ＣｏＢ）＼ＣｏＦｅ である。最上層のＣｏＦｅ層を設けることにより、サンプルＡと比較した場合、約２％程度の抵抗変化率ｄＲ／Ｒの低下がみられたものの、磁歪λ，保磁力Ｈｃおよび面積抵抗ＲＡについては同程度となった。
【００６３】
サンプルＤは、上記実施の形態における第３の変形例に対応する５層構造のフリー層を有するものである。
【００６４】
このようなサンプルＢ〜Ｄのフリー層を有する積層体をＴＭＲヘッドに搭載し、Ｓ／Ｎ比を測定したところ、サンプルＡのフリー層を搭載したＴＭＲヘッドと比較して向上することが確認された。ノイズ低減効果の要因は、主に、フリー層における微細構造の変化、硼素の分布の改善（ＢＣ層とＮＢＣ層との界面における硼素の集中の緩和）、ＣｏＦｅ層同士の磁気結合などにあると考えられる。
【００６５】
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。さらに、本発明に係るフリー層の概念は、例えばＧＭＲデバイスに拡張することができる。この場合、トンネルバリア層は、ＧＭＲ−ＣＰＰセンサにおいてはＣｕ等のスペーサ層に置き換えられる。
【符号の説明】
【００６６】
１…積層体、１０…下部シールド層、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、２０…フォトレジスト層。
【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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