(57)【要約】【課題】低保磁力、低磁歪および低ＲＡ値を確保しつつ、高いＴＭＲ比を得る。【解決手段】フリー層１８は、トンネルバリア層１７の側から第１の強磁性層、挿入層および第２の強磁性層が順に積層された複合構造を有する。第１の強磁性層は、ＣｏＦｅ合金、または、そのＣｏＦｅ合金にＮｉなどを添加してなる合金を含み、かつ、正の磁歪定数を有する。挿入層は、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含む。第２の強磁性層は、ＣｏＦｅやＮｉＦｅなどからなり、負の磁歪定数を有する。【選択図】図１
2010166051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基体上に、シード層と反強磁性（ＡＦＭ）層とピンド層とを順に有する積層構造と、
（ｂ）前記ピンド層の上に形成されたトンネルバリア層と、
（ｃ）前記トンネルバリア層の上に、第１の強磁性層と挿入層と第２の強磁性層とを順に有する複合フリー層と、
（ｄ）前記複合フリー層の前記第２の強磁性層の上に設けられたキャップ層と
を備え、
（１）前記第１の強磁性層は、前記トンネルバリア層と接し、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金、を含み、かつ、正の磁歪定数を有するものであり、
（２）前記挿入層は、前記第１の強磁性層の上に形成され、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含むものであり、
（３）前記第２の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金、を含み、かつ、負の磁歪定数を有するものである
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１の強磁性層は、０．２ｎｍ以上４ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記挿入層は、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＴａにより表される組成（但し、ＣｏとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記挿入層は、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第２の強磁性層は、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のうちの少なくとも一種からなる
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
（ａ）基体上に、シード層と反強磁性（ＡＦＭ）層とピンド層とを順に有する積層構造と、
（ｂ）前記ピンド層の上に形成された非磁性スペーサ層と、
（ｃ）前記非磁性スペーサ層の上に、第１の強磁性層と挿入層と第２の強磁性層とを順に有する複合フリー層と、
（ｄ）前記複合フリー層の前記第２の強磁性層の上に設けられたキャップ層と
を備え、
（１）前記第１の強磁性層は、前記トンネルバリア層と接し、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金、を含み、かつ、正の磁歪定数を有するものであり、
（２）前記挿入層は、前記第１の強磁性層の上に形成され、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含むものであり、
（３）前記第２の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金、を含み、かつ、負の磁歪定数を有するものである
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
ＧＭＲ−ＣＰＰセンサまたはＧＭＲ−ＣＩＰセンサに搭載される請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の強磁性層は、０．２ｎｍ以上４ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記挿入層は、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＴａにより表される組成（但し、ＣｏとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有する
請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記挿入層は、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有する
請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記第２の強磁性層は、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
ＴＭＲセンサに用いられる磁気抵抗効果素子の形成方法であって、
（ａ）基体上に、シード層と、反強磁性（ＡＦＭ）層と、ピンド層とを順に積層することにより積層構造を形成する工程と、
（ｂ）前記ピンド層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、
（ｃ）前記トンネルバリア層の上に、第１の強磁性層と、挿入層と、第２の強磁性層とを有する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
を含み、
（１）前記第１の強磁性層を、前記トンネルバリア層と接し、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金、を用いて正の磁歪定数を有するように形成し、
（２）前記挿入層を、前記第１の強磁性層の上に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含むように形成し、
（３）前記第２の強磁性層を、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金、を用いて負の磁歪定数を有するように形成する
磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１４】
前記トンネルバリア層を、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のうちの少なくとも一種を用いて形成する
請求項１３記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１５】
前記トンネルバリア層を、
前記ピンド層の上に第１のＭｇ層を成膜したのち、前記第１のＭｇ層に対して自然酸化処理を行うことによりＭｇＯ層を形成し、さらに前記ＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層を成膜することにより形成する
請求項１４記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１６】
前記基体上に設けられた積層構造、トンネルバリア層、複合フリー層の全体に対してアニール処理を行う工程を含む
請求項１５記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１７】
前記第１の強磁性層を、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造とし、０．２ｎｍ以上４ｎｍ以下の厚さとなるように形成する
請求項１３記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１８】
前記挿入層を、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さとなるように、かつ、ＣｏＴａにより表される組成（但し、ＣｏとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有するように形成する
請求項１３記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１９】
前記挿入層を、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さとなるように、かつ、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有するように形成する
請求項１３記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項２０】
前記第２の強磁性層を、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さとなるように、かつ、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有するように形成する
請求項１３記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【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ＭＲ（magnetoresistive) 素子およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）センサすなわち磁気トンネル素子（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction）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センサは、一般的に、薄い非磁性絶縁体層により２つの強磁性層が分離された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センサの積層構造は、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。磁気再生ヘッドにおいて、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センサの膜面に対して垂直方向に流れると（ＣＰＰ（Current-Perpendicular-to Plane）構造）、フリー層およびピンド層（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、フリー層およびピンド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センサは、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る場合もある。
【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）ヘッドが挙げられる。この構造では、ＴＭＲセンサ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センサ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反強磁性（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厚さは、このトンネルバリア層を通過する電流を、伝導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センサは、次世代の磁気ヘッドにおいて、ＧＭＲセンサに取って代わる候補として最も有望である。先進のＴＭＲセンサは、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センサの利点は、ＧＭＲセンサと比較して、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、フリー層の磁歪定数（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磁場（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センサ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】
また、特許文献２および特許文献３は、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅにより表される３層構造を有し、ＧＭＲ−ＣＰＰセンサおよびＴＭＲセンサのいずれに用いられた場合においても低保磁力および低磁歪が得られるフリー層を開示している。
【０００９】
特許文献４は、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に挟まれた感度増強層（Ｔａ）を有するフリー層を開示している。第１の強磁性層は、正の磁歪定数を有し、ＣｏＦｅＢ系合金またはＣｏＦｅ系合金から構成されている。第２の強磁性層は、負の磁歪定数を有し、ＣｏＦｅ系合金，Ｎｉ系合金，またはＮｉＦｅ系合金から構成されている。
【００１０】
特許文献５は、トンネルバリア層の上に形成されたＮｉＦｅまたはＣｏＦｅを有する下部層と、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，またはＷを有するスペーサ層と、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ，またはＮｉＦｅを有する上部層と、を含む３層のフリー層を開示している。
【００１１】
特許文献６は、ＦｅＣｏ，ホイスラー合金，およびＮｉＦｅを有するフリー層を開示している。
【００１２】
特許文献７は、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＴａＢ構造を有するフリー層を開示している。
【００１３】
特許文献８および特許文献９は、ＮｉＦｅと、ＣｏＦｅと、ＣｏＦｅＢとが積層されたフリー層を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【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７３３３３０６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００４７１５９号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／０１３９８２７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／０１８８９４２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０２４２３９６号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００８／００６１３８８号明細書
【特許文献８】米国特許第６９８２９３２号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００８／０１５２８３４号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】S. Yuasa等著、「Giant room-temperature magnetoresistance 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. 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３】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】
【００１６】
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。
【００１７】
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を用いたフリー層の磁歪定数（λ）は、高密度メモリ用途における最大許容値（約５×１０-6）よりも格段に高くなってしまう。また、低い磁歪定数および軟磁性特性が得られるという理由により、ＣｏＦｅＢの代わりに、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ複合体を有するフリー層も用いられている。ところが、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅをフリー層に用いた場合、ＴＭＲ比が低下する。他の方法としては、正の磁歪定数を有するＣｏＦｅＢ層と、負の磁歪定数を有するＮｉＦｅ層とを有する複合フリー層を用いることにより、低磁歪および軟磁気特性を向上させる技術がある。しかし、ＣｏＦｅＢとＮｉＦｅとが直接接した場合、著しいＭＲ（ＴＭＲ）比の低下が生じることから、ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ型のフリー層構造は実用的でない。したがって、高ＴＭＲ比、低ＲＡ値、および低保磁力とともに、低磁歪が得られる、ＴＭＲセンサの改良型フリー層が望まれる。
【００１８】
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、低磁歪、低ＲＡ値および低保磁力を達成しつつ、高いＭＲ比をも得ることが可能な複合フリー層を有する磁気抵抗効果素子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】
【００１９】
本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、基体上に、シード層と反強磁性層とピンド層とを順に有する積層構造と、ピンド層の上に形成されたトンネルバリア層と、そのトンネルバリア層の上に、第１の強磁性層と挿入層と第２の強磁性層とを順に有する複合フリー層と、この複合フリー層の第２の強磁性層の上に設けられたキャップ層とを備えるものである。ここで、（１）第１の強磁性層は、トンネルバリア層と接し、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金、を含み、かつ、正の磁歪定数を有するものであり、（２）挿入層は、第１の強磁性層の上に形成され、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含むものであり、（３）第２の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金、を含み、かつ、負の磁歪定数を有するものである。
【００２０】
本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、基体上に、シード層と反強磁性層とピンド層とを順に有する積層構造と、ピンド層の上に形成された非磁性スペーサ層と、その非磁性スペーサ層の上に、第１の強磁性層と挿入層と第２の強磁性層とを順に有する複合フリー層と、この複合フリー層の第２の強磁性層の上に設けられたキャップ層とを備えるものである。ここで、（１）第１の強磁性層は、トンネルバリア層と接し、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金、を含み、かつ、正の磁歪定数を有するものであり、（２）挿入層は、第１の強磁性層の上に形成され、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含むものであり、（３）第２の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金、を含み、かつ、負の磁歪定数を有するものである。
【００２１】
本発明の磁気抵抗効果素子の形成方法は、ＴＭＲセンサに用いられる磁気抵抗効果素子の形成方法であって、（ａ）基体上に、シード層と反強磁性層とピンド層とを順に積層することにより積層構造を形成する工程と、（ｂ）ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、（ｃ）トンネルバリア層の上に第１の強磁性層と挿入層と第２の強磁性層とを有する複合フリー層を形成する工程と、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ものである。ここでは、（１）第１の強磁性層を、トンネルバリア層と接し、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金、を用いて正の磁歪定数を有するように形成し、（２）挿入層を、第１の強磁性層の上に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含むように形成し、（３）第２の強磁性層を、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金、を用いて負の磁歪定数を有するように形成する。
【００２２】
本発明の磁気抵抗効果素子およびその形成方法では、例えば第１の強磁性層が、０．２ｎｍ以上４ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有するようにするとよい。また、挿入層が、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＴａにより表される組成（但し、ＣｏとＴａとの比率は１：１から４：１である）もしくはＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有するようにするとよい。さらに、第２の強磁性層が、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有するようにするとよい。また、トンネルバリア層については、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のうちの少なくとも一種からなるようにするとよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の磁気抵抗効果素子および形成方法によれば、それぞれ所定の材料からなる第１の強磁性層、挿入層および第２の強磁性層を有する複合フリー層を備えるようにしたので、低磁歪定数、低ＲＡ値および低保磁力を達成しつつ、例えば６０％を超える高いＴＭＲ比を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の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。
【図４】本発明の第２の実施の形態としてのＧＭＲセンサの構成を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、少なくとも一つの磁性元素と、少なくとも一つの非磁性元素とを有する挿入層を含む複合フリー層を備えた高性能磁気抵抗効果センサ、およびその形成方法である。以下に説明する例示的な実施の形態は、再生ヘッドのＴＭＲセンサを示しているが、本発明は、ＣＭＲ−ＣＰＰセンサまたはＧＭＲ−ＣＩＰセンサ等の磁気抵抗素子を有する他のデバイスに用いることもできる。ＴＭＲセンサまたはＧＭＲセンサは、ボトムスピンバルブ構造、トップスピンバルブ構造、または多層スピンバルブ構造を有し得ることは、当業者により理解されることである。ＭＲ比は、ＴＭＲセンサを参照する際にはＴＭＲ比と同義として用いられる場合がある。なお、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】
[第１の実施の形態]
以下、図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施の形態におけるＴＭＲセンサ１の構成について説明する。図１は、ＴＭＲセンサ１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Ｓ１の断面構成を拡大して表している。
【００２７】
図１に示したように、このＴＭＲセンサ１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Ｓ１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Ｓ１の両側には、下部シールド層１０の上面および積層体Ｓ１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Ｓ１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。
【００２８】
積層体Ｓ１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。
【００２９】
シード層１４は、例えば１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する。シード層１４は、Ｔａ／Ｒｕからなる２層構造であることが好ましいが、単一のＴａ層であってもよいし、あるいはＴａ／ＮｉＣｒ，Ｔａ／Ｃｕ，Ｔａ／Ｃｒなどの他の２層構造を採用してもよい。シード層１４は、その上に形成される層において滑らかで均質な粒状構造を促進する役割を果たすものである。
【００３０】
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、４ｎｍ以上７ｎｍ以下の厚さを有すると共にＩｒＭｎからな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。
【００３１】
ピンド層１６は、強磁性材料からなるＡＰ２層（図示せず）と、ルテニウムなどからなる非磁性の結合層（図示せず）と、強磁性材料からなるＡＰ１層（図示せず）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／Ｒｕ／ＡＰ１）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１の容易軸方向に沿って小さな正味磁気モーメントを発現するようになっている。結合層は、ＡＰ２層と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）がより均一になるようにするために、アモルファス構造が採用される。
【００３２】
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）により形成するトンネルバリア層１７を構成するようにしてもよい。
【００３３】
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、過剰な酸素はＭｇＯｘ層の上面に蓄積されるので、仮にトンネルバリア層のＭｇＯｘ層のすぐ上にフリー層を形成した場合には、そのフリー層が酸化されてしまうと考えられる。これに対して、第２のＭｇ層を成膜するようにした場合には、そのようなフリー層の酸化を防止できるのである。このような構造のＴＭＲセンサ１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値がより増加することになる。
【００３４】
積層体Ｓ１のすべての層は、例えばＡｎｅｌｖａ社製Ｃ−７１００等のスパッタリングシステムにおける直流スパッタリングチャンバ内で成膜可能である。このシステムは、複数のターゲットが設けられた超高真空直流マグネトロンスパッタチャンバと、少なくとも１つの酸化チャンバとを備えている。そのようなスパッタ成膜プロセスは、通常、アルゴンスパッタガスを用いて５×１３３×１０-8〜５×１３３×１０-9［Ｐａ］程度のベース圧力下で行われる。この圧力が低いほど、形成される膜の均一性が向上する。
【００３５】
自然酸化は、スパッタ成膜システムにおける酸化チャンバ内において、０．１×１３３．３×１０-3〜１３３．３［Ｐａ］程度の酸素圧力の下で１５〜３００秒程度にわたって行われる。本実施の形態では、自然酸化プロセスの間は加熱も冷却も行わない。０．５〜５［Ω・μｍ2 ］程度のＲＡ値を得るためには、酸素圧力を１０-4×１３３×１０-6〜１３３［Ｐａ］程度に設定して上記の時間にわたって自然酸化処理を行うのが好ましい。酸素ガスとＡｒ，ＫｒまたはＸｅ等の不活性ガスとの混合ガスを用いると、酸化プロセスをよりよくコントロールすることができる。
【００３６】
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。
【００３７】
なお、トンネルバリア層１７として、ＴｉＯｘ，ＡｌＴｉＯ，ＭｇＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＺｒＯｘ，もしくはＨｆＯｘ等の他の材料、またはＭｇＯを含めたこれらの他の材料の任意の組み合わせを適宜用いてもよい。
【００３８】
このＴＭＲセンサ１において最も重要な特徴をなすのは、トンネルバリア層１７の上のフリー層１８である。フリー層１８は、図２に示したように３層構造を有している。具体的には、フリー層１８は、トンネルバリア層１７の側から順に第１の強磁性層１８ａと、挿入層１８ｂと、第２の強磁性層１８ｃとが順に積層されたものである。
【００３９】
なお、本出願人は、先の出願において、それ以前のものと比較して高いＴＭＲ比、低い保磁力、低い磁歪、および低いＲＡ値を有するＴＭＲセンサまたはＧＭＲセンサに用いられる複合フリー層構造を開示した。例えば、本願関連出願としての米国特許出願第１１／９８３７１８号には、ＣｏＦｅＢ層／非磁性層／ＮｉＦｅ層よりなる３層構造を有し、そのうちの非磁性層がＨｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，またはＣｒを有するフリー層が開示されている。このフリー層では、例えば、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層とが、Ｔａを有する挿入層により分離されているため、高いＴＭＲ比が得られる。また、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層とは、互いの磁気モーメントを平行配置に配列させる傾向を有するオレンジピール型の結合を介して、磁気的に結合している。一方で、このオレンジピール結合は比較的弱く、実デバイスとしては、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層との互いの磁気モーメントを反平行に配列させる傾向を有する、２つの強磁性フリー層の境界部からの静磁結合を備える必要がある。さらに、互いに異なる符号の磁歪に起因して、応力誘導異方性が、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層との磁気モーメントを互いに垂直に配列させ易い。その結果、このフリー層構造の磁気ノイズは、やや高くなっている。したがって、信号の振幅は高いものの、信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio）についての改善は限定的であることから、ＳＮＲのさらなる向上が望ましい。
【００４０】
本願関連出願である米国特許出願第１１／９８３３２９号では、プラス（＋）の磁歪値を有する少なくとも一つのＣｏＦｅ層と、少なくとも一つの負の磁歪層（ＣｏＢまたはＦｅＢ等）とを含む３層構造を有するフリー層により、高性能なセンサが得られることが実証されている。一方で、本出願人は、フリー層の磁気特性を調整する際の柔軟性をさらに高めることを可能とすべく、上述した複合フリー層をさらに改変することを動機付けられた。そして、本出願人は、今回、第１の強磁性層１８ａ／挿入層１８ｂ／第２の強磁性層１８ｃにより表される３層構造において、その中間層である挿入層１８ｂが少なくとも一つの磁性元素と、少なくとも一つの非磁性元素とを含むようにし、かつ、その厚さおよび非磁性元素の含有量の双方を変化させることにより、ＴＭＲ比、磁歪、および第１の強磁性層１８ａと第２の強磁性層１８ｃとの間の結合強度を調整することが可能なことを見出した。
【００４１】
第１の強磁性層１８ａは、トンネルバリア層１７と接し、例えば、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）によって構成される。あるいは、上記のコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方に、Ｎｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金によって構成されてもよい。
【００４２】
第１の強磁性層１８ａは、特に、０．２ｎｍ以上４ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有することが望ましい。ｄＲ／Ｒ（ＴＭＲ比）の向上に有利となるからである。強磁性層１８ａが、ＣｏＦｅＢを含む２つ以上の層の多層構造である場合、そのＣｏＦｅＢ層の厚さは、ｄＲ／Ｒを最大限に高めるために、多層構造における他の層よりも厚いことが好ましい。ただし、ＣｏＦｅＢ層は、基本的に大きなプラス（＋）の磁歪値を有しており、高性能を達成すべく約５×１０-6未満の磁歪を得るためには、フリー層１８の一つ以上の他の層におけるマイナス（−）の磁歪値を用いてこれを相殺する必要がある。また、第１の強磁性層１８ａは、全体として正の磁歪定数を有するものである。
【００４３】
挿入層１８ｂの厚さを一定としつつ、磁性元素の含有量を増加させた場合、第１の強磁性層１８ａと第２の強磁性層１８ｃとの間の結合強度は増加する一方で、ＴＭＲ比は低下する。挿入層１８ｂの磁性元素の含有量を低下させた場合、逆の効果が現れる。センサ中のノイズを最小限に抑制し、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善する上では、第１の強磁性層１８ａと第２の強磁性層１８ｃとの間の結合（Ｈｃｐ）が強力であることが望ましい。さらに、このＨｃｐの値が増加すると、磁気的安定性が向上することにもなる。
【００４４】
挿入層１８ｂは、第１の強磁性層１８ａの上に形成され、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも一種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも一種の非磁性元素とを含むものである。
【００４５】
挿入層１８ｂが四元合金から構成される場合、そのうちの非磁性元素として、Ｂを用いてもよい。挿入層１８ｂは、好ましくは全体的に非磁性を示し、例えば０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有する。
【００４６】
挿入層１８ｂは、例えばＣｏＴａにより表される組成を有するとよい。但し、ＣｏとＴａとの比率は１：１から４：１であり、特に２：１であることが望ましい。適宜、Ｃｏの含有量を５０〜８０原子％の間で変化させることにより、全体的な非磁性特性を得るようにしてもよい。上述したように、磁性元素（ここでは、Ｃｏ）の含有量を増加させた場合、第１の強磁性層１８ａと第２の強磁性層１８ｃとの間の結合強度が増大する一方で、ＴＭＲ比が低下する。Ｃｏの含有量を５０原子％付近にまで減少させた場合、結合強度は低下するものの、ＴＭＲ比は増加する。
【００４７】
あるいは挿入層１８ｂは、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成を有するようにしてもよい。但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１であり、特に２：１であることが望ましい。ＣｏＦｅＢＴａ合金中のＣｏＦｅＢの組成は、Ｃｏが４０から７０原子％、Ｆｅが２０から４０原子％、Ｂが１０から３０原子％であることが好ましい。
【００４８】
挿入層１８ｂは、スパッタ成膜装置内で各元素のターゲットを同時スパッタすることにより形成され得る。ＣｏＦｅＢＴａ合金からなる挿入層１８ｂのように複数の元素を含む場合、例えば、ＣｏＦｅＢターゲットとＴａターゲットとを同時スパッタすることにより、所望の組成が得られる。
【００４９】
第２の強磁性層１８ｃは、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金によって構成される。あるいは、上記のＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金によって構成されてもよい。第２の強磁性層１８ｃは、例えば、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する。
【００５０】
第２の強磁性層１８ｃがＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する場合、ＮｉＦｅ層は、他の２つのＣｏＦｅ層よりも実質的に厚いことが好ましい。ＮｉＦｅの軟磁性特性を活用するとともに、ＮｉＦｅ材料より得られるマイナス（−）の磁歪値の寄与を活用して第１の強磁性層１８ａにおけるプラス（＋）の磁歪値を相殺するためである。ＮｉＦｅ層を、２つのＣｏＦｅ層間に挟むことにより、ＮｉＦｅ層とＴａを含む挿入層１８ｂとの接触を防止することもできる。ＴａとＮｉＦｅ層とが接触すると、ｄＲ／Ｒを悪化させるいわゆる「デッドゾーン」が形成されるが、上記の３層構造によってこれを回避することができる。
【００５１】
基本的に、第２の強磁性層１８ｃは、全体として負の磁歪定数を有するものであり、挿入層１８ｂを介した第１の強磁性層１８ａとの強力な結合を促進するものであることが好ましい。ただし、第２の強磁性層１８ｃを、プラス（＋）の小さな磁歪値を有する第１の強磁性層１８ａと組み合わせて用いる場合、第２の強磁性層１８ｃが小さいプラス（＋）の磁歪値を有するようにしてもよい。
【００５２】
キャップ層１９は、第２の強磁性層１８ｃの上に形成され、Ｒｕ，Ｔａ，またはＲｕとＴａとの組み合わせより構成される。なお、キャップ層１９は、この技術分野において用いられる他の材料より構成してもよい。
【００５３】
このように、本実施の形態のＴＭＲセンサ１は、それぞれ所定の材料からなる第１の強磁性層、挿入層および第２の強磁性層を有する複合フリー層を備えるようにしたので、低磁歪定数、低ＲＡ値および低保磁力を達成しつつ、例えば６０％を超える高い抵抗変化率（ＴＭＲ比）を実現することができる。
【００５４】
次に、図１および図２に加え、図３を参照して本実施の形態におけるＴＭＲセンサ１の形成方法について説明する。図３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。
【００５５】
まず、所定の基板上に下部シールド層１０を形成する。そののち、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をそれぞれ上記の所定材料を用いて所定の構造となるように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、所定のスパッタ蒸着装置を用いて行う。なお、積層膜における全ての層を同じスパッタリングチャンバ内で成膜するようにしてもよい。
【００５６】
トンネルバリア層１７を形成するにあたっては、例えば、ピンド層１６の上に第１のＭｇ層を成膜したのち、第１のＭｇ層に対して自然酸化処理を行うことによりＭｇＯ層を形成し、さらにそのＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層を成膜することにより形成する。第１のＭｇ層の酸化工程は、例えばスパッタ装置の酸素チャンバ内で行われる。
【００５７】
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、２〜１０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、隣接する第１および第２の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。
【００５８】
次に、図３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Ｓ１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Ｓ１が得られる。
【００５９】
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Ｓ１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Ｓ１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１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。
【００６０】
本実施の形態のＴＭＲセンサ１におけるフリー層１８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。
【００６１】
[第２の実施の形態]
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る複合フリー層を有するＧＭＲセンサ１Ａを表わす断面図である。このＧＭＲセンサ１ＡはＣＩＰ構造またはＣＰＰ構造を有し、ＧＭＲ−ＣＰＰヘッドまたはＧＭＲ−ＣＩＰヘッドに適用可能なものである。ＧＭＲセンサ１Ａは、上記第１の実施の形態のＴＭＲセンサ１におけるトンネルバリア層１７を、例えばＣｕなどからなる非磁性スペーサ層２７に置き換えたものである。それ以外の構成要素は、上述したＴＭＲセンサ１と同様である。第１の強磁性層１８ａは、非磁性スペーサ層２７の上面に接している。ＧＭＲセンサ１Ａは、上述したＴＭＲセンサ１と同様にして作製される。
【００６２】
このようなＧＭＲセンサ１Ａにおいても、ＴＭＲセンサ１と同様に、低磁歪定数、低ＲＡ値および低保磁力を達成しつつ、例えば６０％を超える高い抵抗変化率（ＧＭＲ比）を実現することができる。
【実施例】
【００６３】
次に、本発明に関する実施例（実験例）について説明する。
【００６４】
本発明のＴＭＲセンサにより、その性能改善が実現されることを確認するために、以下のような比較実験を行った。
【００６５】
表１は、図１に示したＴＭＲセンサ１において、フリー層１８のうちの挿入層１８ｂの構成を種々に変えたときに得られる磁気特性（抵抗変化率ｄＲ／Ｒおよび結合磁界Ｈｃｐ（×１０3／４π［Ａ／ｍ］））を表すものである（サンプルＡ〜Ｄ）。
【００６６】
ここでのＴＭＲセンサ１の積層構造は以下の通りである。
「シード層／反強磁性（ＡＦＭ）層／ピンド層／トンネルバリア層／フリー層／キャップ層」
ここで、シード層はＴａ（２）／Ｒｕ（２）の２層構造であり、反強磁性（ＡＦＭ）層はＩｒＭｎ（７）である。  ピンド層はＡＰ２層／Ｒｕ層／ＡＰ１層の３層構造であり、詳細にはＦｅ30 Ｃｏ70 層（２．５）／Ｒｕ（０．７５）／Ｆｅ30 Ｃｏ70 層（２．５）である。トンネルバリア層はＭｇＯｘで表わされ、より詳細にはＭｇ（０．７）／ＮＯＸ／Ｍｇ（０．３）である。フリー層は第１の強磁性層（ＦＬ１）／挿入層／第２の強磁性層（ＦＬ２）の３層構造である。そのうちＦＬ１層はＣｏ90 Ｆｅ10 （０．３）／Ｃｏ60 Ｆｅ20 Ｂ20 （２）／Ｃｏ90 Ｆｅ10（０．３）の３層構造であり、ＦＬ２層は、Ｃｏ90 Ｆｅ10 （０．３）／Ｎｉ90 Ｆｅ10 （４）／Ｃｏ90 Ｆｅ10 （０．３）の３層構造である。また、挿入層は、各々表１に示した通りである。キャップ層はＲｕ（１）／Ｔａ（６）の２層構造である。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、８０００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］の磁界を印加しながら真空中で２８０℃の温度下において５時間に亘ってアニール処理を行った。なお、いずれもサンプルにおいても、ＲＡ値は１．２となるように作製した。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
表１に示したように、サンプルＡでは、挿入層を、Ｔａからなる厚さ０．１ｎｍの単層構造とした。サンプルＢでは、挿入層をＴａからなる厚さ０．３ｎｍの単層構造とした。サンプルＣでは、挿入層を、ＣｏＦｅＢＴａまたはＣｏＴａからなる厚さ０．６ｎｍ厚の単層構造とした。さらに、サンプルＤでは、挿入層を、ＣｏＦｅＢＴａまたはＣｏＴａからなる厚さ０．４ｎｍ厚の単層構造とした。
【００６９】
表１からわかるように、複合フリー層の２つの強磁性層間に、Ｔａを有する挿入層を設けた場合、Ｔａの厚さを、サンプルＡにおける０．１ｎｍから、サンプルＢにおける０．３ｎｍに増加させると、抵抗変化率ｄＲ／Ｒは、５７％から６０％に増加した。これは、より厚さを有するＴａ層は、ＣｏＦｅＢ層と接するＮｉＦｅ層による影響を遮断する上で、好ましいからである。一方で、Ｔａ層の厚さの増加に伴い、２つの強磁性層間の結合磁界（Ｈｃｐ）は急激に低下した。これは、デバイス安定性に対して悪影響を与えるため、好ましくない。
【００７０】
これに対し、サンプルＣおよびＤは、本発明に係る挿入層が、第１の強磁性層（ＦＬ１）と第２の強磁性層（ＦＬ２）との間に挿入されるようにしたので、比較的高い抵抗変化率ｄＲ／Ｒおよび低いＲＡ値と共に、高い結合磁界Ｈｃｐを実現可能であることを示している。例えば、０．６ｎｍ厚のＣｏＦｅＢＴａ膜またはＣｏＴａ膜を挿入層として選択することにより（サンプルＣ）、抵抗変化率ｄＲ／Ｒについて格段に高い６３％が得られており、かつ、結合磁界Ｈｃｐも７８０Ｏｅという高い値を示している。ここで、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率、またはＣｏとＴａとの比率は２：１であり、ＣｏＦｅＢＴａまたはＣｏＴａからなる単一構造は非磁性である。前述したように、挿入層の厚さを減少させた場合（サンプルＤ）には、抵抗変化率ｄＲ／Ｒが低下するが、結合磁界Ｈｃｐは増加する。一方で、挿入層の厚さを６Å（＝０．６ｎｍ）を超える程度まで増加させた場合、抵抗変化率ｄＲ／Ｒが増加するが、結合磁界Ｈｃｐは低下することが考えられる。挿入層における磁性元素と非磁性元素との比率を調整することにより、抵抗変化率ｄＲ／Ｒおよび結合磁界Ｈｃｐをさらに最適化することが可能である。さらに、ＮｉＦｅ層の組成または厚さを変化させることにより、抵抗変化率ｄＲ／Ｒに対する影響を最小限に抑えつつ、複合フリー層の磁歪を調整し得る。
【００７１】
表１に示したサンプルＣ，Ｄは、いずれも適度に良好な磁気的柔軟性を有しており、保磁力（Ｈｃ）は４から５Ｏｅ前後、磁歪定数は約１×１０-6となった。磁気特性は、０．８μｍの円形素子から得た。なお、抵抗変化率ｄＲ／Ｒ値は、ＴＭＲセンサ１の寸法が減少するにつれて増加する傾向が見られた。
【００７２】
本発明の利点は、６０％を超える高いＴＭＲ比を、低ＲＡ値（２Ω×μｍ2未満）および低磁歪と共に得ることができることにある。これは、ＦｅＣｏ／ＮｉＦｅを有するフリー層（低ｄＲ／Ｒ比）またはＦｅＣｏ／ＣｏＦｅＢを有するフリー層（高磁歪）より構成された従来のＴＭＲセンサと比べ、大幅に改善された点である。さらに、本実施の形態で開示したように、ＦＬ１／挿入層／ＦＬ２の組成を有する複合フリーにより、軟磁性特性（低Ｈｃ）が実現されている。
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
Ｓ１…積層体、１…ＴＭＲセンサ、１Ａ…ＧＭＲセンサ、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、１８ａ…第１の強磁性層、１８ｂ…挿入層、１８ｃ…第２の強磁性層、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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