(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、該下地層上に形成された反強磁性層と、該反強磁性層と交換結合した第１の強磁性層と、反平行結合層と、該反平行結合層を介して該第１の強磁性層の磁気モーメントと反平行に結合した磁気モーメントを有する第２の強磁性層と、絶縁障壁層と、第３の強磁性層が積層されたトンネル接合型磁気抵抗効果素子であって、
該第２の強磁性層及び該第３の強磁性層の前記絶縁障壁層側の一部または全部は結晶質であり、かつ
該絶縁障壁層は、MgOの間に単独で立方晶の結晶構造を持ち該MgOと全率固溶する特定の酸化物材料を挟んで積層したサンドイッチ構造として構成されおり、
前記特定の酸化物材料として、NiO、CoO、FeOの少なくともいずれか１つの合金酸化物を含む
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記絶縁障壁層は、１つの前記特定の酸化物材料を２つの前記MgOでサンドイッチした積層構造を含む
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記絶縁障壁層は、前記MgOと前記酸化物材料との多層構造を含むことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
少なくとも１つのトンネル接合型磁気抵抗効果素子を備えたトンネル接合型磁気抵抗効果ヘッドであって、
前記トンネル接合型磁気抵抗効果素子は、
基板と強磁性体からなる下部磁気シールド層と強磁性体からなる上部磁気シールド層の間に、下地層と、該下地層上に形成された反強磁性層と、該反強磁性層と交換結合した第１の強磁性層と、反平行結合層と、該反平行結合層を介して該第１の強磁性層の磁気モーメントと反平行に結合した磁気モーメントを有する第２の強磁性層と、絶縁障壁層と、第３の強磁性層が積層されたトンネル接合型磁気抵抗効果素子であり、
該第２の強磁性層及び該第３の強磁性層の前記絶縁障壁層側の一部または全部は結晶質であり、かつ
該絶縁障壁層は、MgOの間に単独で立方晶の結晶構造を持ち該MgOと全率固溶する特定の酸化物材料を挟んで積層したサンドイッチ構造として構成されおり、
前記特定の酸化物材料として、NiO、CoO、FeOの少なくともいずれか１つの合金酸化物を含む
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果ヘッド。
【請求項５】
磁気記録再生装置であって、
磁気記録媒体と、
請求項４に記載の少なくとも１つのトンネル接合型磁気抵抗効果素子を有するトンネル接合型磁気抵抗効果ヘッドと、
ハードディスクドライブを備えている
ことを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項６】
真空下での、トンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
基板に下地層を形成し、
該下地層上に反強磁性層を形成し、
該反強磁性層上に第１の強磁性層を形成し、
該第１の強磁性層上に反平行結合層を形成し、
該反平行結合層上に第２の強磁性層を形成し、
該第２の強磁性層上に絶縁障壁層を形成し、
該絶縁障壁層上に第３の強磁性層を形成することにより、トンネル接合型磁気抵抗効果素子を製造する方法であり、
前記絶縁障壁層は、MgOの間に単独で立方晶の結晶構造を持ち該MgOと全率固溶する特定の酸化物材料を挟んで積層したサンドイッチ構造として形成され、
前記特定の酸化物材料は、NiO、CoO、FeOの少なくともいずれか１つの合金酸化物を含む
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記下地層の下に強磁性体からなり前記基板として機能する下部磁気シールド層を形成し、
前記絶縁障壁層の上に、強磁性体からなる上部磁気シールド層を形成する
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６において、
前記第２の強磁性層を形成した後に、真空中で、第１の酸化物材料としてのMgOのターゲットと、第２の酸化物材料としての単独で立方晶の結晶構造を持ち該MgOと全率固溶する特定の酸化物材料のターゲットを搭載した２つのカソードを真空中で放電させることにより、前記第１の酸化物材料と前記第２の酸化物材料から成る前記サンドイッチ構造の前記絶縁障壁層を形成する
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記下地層の下に強磁性体からなり前記基板として機能する下部磁気シールド層を形成し、
前記絶縁障壁層の上に、強磁性体からなる上部磁気シールド層を形成する
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項６において、
前記第２の強磁性層を形成した後に、真空中で、前記MgOのターゲットと、前記特定の酸化物材料のターゲットを搭載した２つのカソードを真空中で交互に放電させることにより、前記サンドイッチ構造の前記絶縁障壁層を形成する
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記下地層の下に強磁性体からなり基板として機能する下部磁気シールド層を形成し、
前記絶縁障壁層の上に、強磁性体からなる上部磁気シールド層を形成する
ことを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項６において、
真空中でスパッタリング法を用いて、
前記地層の形成、前記反強磁性層の形成、前記第１の強磁性層の形成、前記反平行結合層の形成、前記第２の強磁性層の形成、及び前記絶縁障壁層の形成を行うことを特徴とするトンネル接合型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、磁気ディスク装置等の磁気記録再生装置に使用されるトンネル接合型磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置における高記録密度化は、記録媒体上の記録トラック幅と記録ビット長の微小化によって実現されるが、一方で記録媒体上の記録ビットから生じる再生信号磁束量の低下をもたらす。そこで、高記録密度化を実現するために、再生ヘッドに用いられるセンサの高感度化が必要となり、高感度のＴＭＲ膜（Tunnel Magneto-Resistive filｍ）が使用されている。
【０００３】
ＴＭＲ膜素子は基本的に、下地層と、反強磁性層と、反強磁性層と交換結合した第１の強磁性層と、反平行結合層を介して第１の強磁性層の磁気モーメントと反平行に結合した磁気モーメントを有する第２の強磁性層と、絶縁障壁層と、第３の強磁性層が積層された構造を成している。第１の強磁性層と反平行結合層と第２の強磁性層は固定層と呼ばれ、固定層の第１の強磁性層と第２の強磁性層は、互いに磁気モーメントが強く反平行結合しており、第１の強磁性層は、反強磁性層との交換結合により、強くその磁気モーメントを固定されているために、固定層は容易にその磁気モーメントの方位を変えることはない。一方、第３の強磁性層は自由層と呼ばれ、外部から加わる磁界によって容易にその磁気モーメントの方位を変化させる。
【０００４】
媒体に記録された磁気情報を再生する過程は次の通りである。
記録ビットから生じる信号磁界がセンサに入ると、信号磁界は自由層の磁気モーメントを回転させる。これにより自由層と固定層の磁気モーメントとの相対角度が変化する。相対角度が変化すると、電子のスピンによる散乱確率が変化するためにセンサの抵抗が変化する。このセンサの抵抗変化を電気信号に変えることで記録ビットの情報を再生する。図４に、参考に再生過程を示す。
【０００５】
図５は、将来的に面記録密度の向上に対応するために必要とされる、再生トラック幅、ストライプハイトおよび面積抵抗ＲＡの予測例を示す。図５において、面積抵抗ＲＡ（以下ＲＡと呼ぶ）は、面積１μｍ2のセンサの膜面に垂直方向の電気抵抗である。ＴＭＲセンサは電流を膜面に垂直に通じるために、センサの抵抗はセンサの面積に逆比例する。
【０００６】
記録密度の上昇とともに再生トラック幅およびストライプハイトは微細化するために、検出電流の通過するセンサの面積が小さくなる。従って、仮にＲＡが一定であるとすると、その抵抗がセンサの面積に逆比例して大きくなる。例えば、図５において記録密度が350Ｇｂ/in2から1000Gb/in2まで増大すると、センサの面積は１/４になるために、抵抗は４倍になってしまう。このように抵抗が４倍にも増大すると信号処理回路系が正常動作しなくなる。従って、信号処理回路系からみたセンサの抵抗を一定にする必要がある。すなわち、センサの微細化に伴いセンサの面積抵抗ＲＡを小さくする必要がある。図５では、センサの面積が減少してもセンサの抵抗が一定になるようにＲＡを算出している。図５に示すように、面記録密度500Gb/in2ではＲＡは1.0であり、面記録密度1000Gb/in2ではＲＡを0.6μｍ2まで低減する必要があり、面記録密度2000Gb/in2においては、RAを0.2Ωμｍ2まで低減する必要がある。図５はあくまでも試算であり、現実の値と多少の数値の違いは生じるものと考えられるが、今後の傾向を表している。
【０００７】
特許文献１には、非晶質材料Co-Fe-B合金膜上にMgOをスパッタリング法により作成すると結晶性のよいMgOが生成でき、熱処理によって室温で180％という高いＭＲ比が得られることが記載されている。しかしながら、この技術において、面積抵抗ＲＡは1000Ωμｍ２と大きく、ハードディスク用の再生ヘッドへの適用した場合再生ヘッド抵抗が大きくなりすぎるいという課題がある。
【０００８】
MgOを用いたＴＭＲセンサをハードディスク用再生ヘッドへ応用することを目的として、低ＲＡ領域でのＭＲ比を改善するための研究がなされている。非特許文献１には、絶縁障壁層の作成方法として、０．４nｍ程度の薄い金属マグネシウム層を成膜したのちに、酸化マグネシウムターゲットを用いて、ＲＦスパッタリング法により酸化マグネシウム層を作成する方法が提案されている。この方法によりＲＡが２．０Ωμｍ２で100％というＭＲ比を実現したとしている。
【０００９】
しかしながら、図５からわかるように2000Gb/in2の高密度記録化を実現するためには、さらに一桁低いＲＡ=０．２Ωμｍ２が必要である。非特許文献１に開示されている方法を用いても、ＲＡを２．０Ωμｍ２以下に小さくするとＭＲ比が急激に減少し、ＲＡ=０．２Ωμｍ２ではMR比が消失してしまう。このため、２０００Gb/in２用の再生ヘッドに、従来知られるMgOを用いたTMRセンサを用いると再生感度が得られず、再生ヘッドとして機能しないという問題点がある。RAの大きさは、絶縁障壁層MgOの膜厚を薄くすると小さくなる。
【００１０】
非特許文献２のFIG.16には、MgOの膜厚とコンダクタンスの理論計算が記載されている。MR比に関係するのはMajorityとAnti-Parallelのコンダクタンスの差である。MgOのレイヤー数が小さくなると、MR比に関係するMajorityとAnti-Parallelのコンダクタンスの差が小さくなる傾向がある。これらのMajorityとAnti-Parallelのコンダクタンスのラインは直線延長すると、３モノレイヤ付近でライン交差することから、３モノレイヤでMR比がほぼ消失することが予想される。発明者らの検討ではMgOの３モノレイヤの膜厚はRA＝０．３Ωμｍ２に対応する。従って、RA=０．３Ωμｍ２でMR比が消失するのは、MgOを絶縁障壁層に用いる場合従来のTMRセンサの物理限界と考えられる。
【００１１】
また、特許文献２には、積層型トンネル型磁気抵抗効果型素子において、強磁性層に酸化の影響を与えることなく、金属層を完全に酸化した絶縁障壁層を形成することができ、かつ絶縁障壁層の膜厚を厚く形成する旨（段落００４０）、及び、絶縁障壁層の材料として、Ａｌ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｇｄ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｈｆから選択された少なくとも一種以上の元素の酸化物を用いることが好ましい旨が記載されている（段落００６４−００６６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−８０１１６号公報
【特許文献２】特開２００１−２１７４８３号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】K. Tsunekawa, D. D. Djayaprawira, M. Nagai, ”CoFeB / MgO(001)/ CoFeB Magnetic Tunnel Junctions for read head applications, Appl. Phys. Lett. 87, 072503 (2005)
【非特許文献２】W. H. Butler, X.-G. Zhang and T. C. Schulthess, “ Spin dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches” Phys. Rev.B, 63, 054416-1(2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記したように、将来のさらなる高記録密度化を実現するためには、面積抵抗ＲＡを１．０Ωμｍ2以下に低減することが重要である。しかし、このような低いＲＡの領域では急激なＭＲ比の低下を生じるためにセンサ感度が低下する。
【００１５】
また、特許文献２に記載の積層型トンネル型磁気抵抗効果型素子は、ペロフスカイト型酸化物を用いて強磁性層を形成することに対応して、絶縁障壁層もＮｉ等のペロフスカイト型酸化物を用いているが、これは加工精度の緩和を図り、製造工程を容易化するためである（段落００６９）。この記載は、絶縁障壁層としてＮｉ等のペロフスカイト型酸化物以上のものを用いることを示唆しないし、またこの種のペロフスカイト型酸化物を絶縁障壁層に用いたとしても、面積抵抗ＲＡを１．０Ωμｍ2以下に低減することが期待できない。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、センサの面積抵抗ＲＡが小さくなっても、高いＭＲ変化率のＴＭＲヘッドを得ることにある。より具体的に言えば、本発明は、面積抵抗ＲＡが１．０Ωμｍ2以下の領域で、ＭＲ比の劣化の少ないトンネル型磁気抵抗効果ヘッド及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るトンネル接合型磁気抵抗効果素子は、好ましくは、下地層と、該下地層上に形成された反強磁性層と、該反強磁性層と交換結合した第１の強磁性層と、反平行結合層と、該反平行結合層を介して該第１の強磁性層の磁気モーメントと反平行に結合した磁気モーメントを有する第２の強磁性層と、絶縁障壁層と、第３の強磁性層が積層されたトンネル接合型磁気抵抗効果素子であって、該第２の強磁性層及び該第３の強磁性層の絶縁障壁層側の一部または全部は結晶質であり、かつ該絶縁障壁層は、MgOと、単独で立方晶の結晶構造を持ち該MgOと全率固溶する特定の酸化物材料により構成することを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子である。
【００１８】
好ましい例では、前記絶縁障壁層は、MgOと、該特定の酸化物材料の混合した酸化物から構成される。
また、好ましくは、前記絶縁障壁層は、MgOと、該特定の酸化物材料を積層して構成される。
また、好ましくは、前記絶縁障壁層は、MgOと、該特定の酸化物材料としてNiO、CoO、FeOの少なくともいずれか１つの合金酸化物により構成される。
【００１９】
本発明に係るトンネル接合型磁気抵抗効果ヘッドは、好ましくは、基板と強磁性体からなる下部磁気シールド層と強磁性体からなる上部磁気シールド層の間に、下地層と、該下地層上に形成された反強磁性層と、該反強磁性層と交換結合した第１の強磁性層と、反平行結合層と、該反平行結合層を介して該第１の強磁性層の磁気モーメントと反平行に結合した磁気モーメントを有する第２の強磁性層と、絶縁障壁層と、第３の強磁性層が積層されたトンネル接合型磁気抵抗効果素子であって、該第２の強磁性層及び該第３の強磁性層の絶縁障壁層側の一部または全部は結晶質であり、かつ該絶縁障壁層は、MgOと、単独で立方晶の結晶構造を持ち該MgOと全率固溶する特定の酸化物材料により構成されたトンネル接合型磁気抵抗効果素子を有することを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果ヘッドである。
【００２０】
また、本発明に係るトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法は、好ましくは、真空中でスパッタリング法を用いて、基板に下地層を形成し、該下地層上に反強磁性層、該反強磁性層上に第１の強磁性層、該第１の強磁性層上に反平行結合層を形成し、該反平行結合層上に第２の強磁性層を形成し、該第２の強磁性層に絶縁障壁層を形成し、該絶縁障壁層上に第３の強磁性層を形成することにより、トンネル接合型磁気抵抗効果素子を製造する方法であって、
該第２の強磁性層を形成した後に、真空中で、第１の酸化物材料としてのMgOのターゲットと、第２の酸化物材料としての単独で立方晶の結晶構造を持ち該MgOと全率固溶する特定の酸化物材料のターゲットを搭載した２つのカソードを真空中で放電させることにより、第１の酸化物材料と第２の酸化物材料から成る酸化物合金を形成することで、前記絶縁障壁層を形成することを特徴とするトンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法である。
【００２１】
好ましい例では、前記第１の酸化物材料のターゲットと、前記第２の酸化物材料のターゲットを搭載した２つのカソードを真空中で同時に放電させることにより、前記第１の酸化物材料と前記第２の酸化物材料の混合物から成る酸化物合金を形成することで、前記絶縁障壁層を形成する。
また、好ましくは、前記第１の酸化物材料のターゲットと、前記第２の酸化物材料のターゲットを搭載した２つのカソードを真空中で交互に放電させることにより、前記第１の酸化物材料と前記第２の酸化物材料を積層して酸化物合金を形成することで、前記絶縁障壁層を形成する。
また、好ましくは、基板と強磁性体からなる下部磁気シールド層と、強磁性体からなる上部磁気シールド層の間に、前記トンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造工程を実施することにより、トンネル接合型磁気抵抗効果ヘッドを製造する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、MgOと、CoO、FeOまたはNiOを混合又は積層して形成した絶縁障壁層を用いることにより、TMR素子は１．０Ωμｍ2以下の低面積抵抗領域で、MR変化の劣化を抑止することができる。これにより超高密度のハードディスクドライブに用いる再生ヘッドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例によるＴＭＲセンサ膜のMR性能を示す図。
【図２】一実施例に係るＴＭＲヘッドの基本構成を示す図。
【図３】MgOと他の酸化物の合金酸化物のバンドギャップの組成依存性を示す図。
【図４】再生ヘッドの再生過程を示す図。
【図５】面記録密度に対する、必要再生トラック幅、ストライプハイト及び面積抵抗ＲＡの予測例を示す図。
【図６】簡略化された電子のトンネル効果のモデルを示す図。
【図７】電子の絶縁障壁層を透過する確率の障壁層厚さ、障壁高さとの関係を示す図。
【図８】金属/絶縁層/金属のサンドイッチ構造の電子のエネルギー状態の模式図。
【図９】絶縁障壁層が規則的に配列した結晶である場合と絶縁障壁層が規則的でない結晶である場合とを示す模式図。
【図１０】各種酸化物のバンドギャップ値、結晶構造、MgO結晶との格子のミスマッチ、及びMgOに対する固溶限界を示す図。
【図１１】他の実施例による絶縁障壁層の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
非特許文献２から予測されるように、絶縁障壁層を薄くすることによってRAを低減すると、MR比が低下し、センサの感度が低下する。また、絶縁障壁層をあまりに薄くすると絶縁障壁層の絶縁破壊が起こりやすくなり、再生ヘッドの信頼性が劣化する。そこで、本発明者らは絶縁障壁層の膜厚を薄くすることなく、RAを低下する方法が必要であると考えた。
【００２５】
図６は、簡略化された電子のトンネル効果のモデルを示す。絶縁障壁層の厚さをaとし、障壁層の障壁高さをV0とし、左から右へエネルギーEFをもった電子が通過する。電子の波長をλ１、波数をｋ１とする。入射電子(X≦0)の波動関数をφ1、透過電子(a≦X)の波動関数をφ3、絶縁障壁内部（0≦X≦a）の波動関数をφ2とする。A1はφ1の進行波の振幅、A2は入射電子の障壁層によって反射される反射波の振幅である。C1は透過電子の進行波の振幅である。B1、B2は絶縁障壁層内部の電子の波の振幅である。電子が障壁層を透過する透過確率Tで表わすと、T=C1/A1で表される。
【００２６】
図６のモデルに基づいて、電子の透過確率Tを計算した。透過確率の障壁層高さに対する依存性を図７に示す。障壁エネルギー高さV0と電子のエネルギーEの差分の平方根と障壁層厚さaの積に対して、透過確率Tの２乗をプロットした。グラフからわかるように、障壁層の高さV0が大きくなると電子の透過確率は急激に減少する。障壁層の厚さが厚くなると透過確率は急激に小さくなる。電子の波長が長くなると透過確率は減少することがわかる。
【００２７】
透過確率Tが減少することは面積抵抗RAが増大することを意味する。絶縁障壁層の膜厚aを小さくすることなくRAを低減するためには、絶縁障壁層の障壁エネルギー高さと電子のエネルギーの差(V0‐EF)を低くするのが望ましい。図７では電子の波長をさまざまに変化させて計算を行ったが、一般には伝導電子の波長はフェルミエネルギーEFと呼ばれる物質固有のエネルギーと電子の有効質量によって決まるために、物質によって固有である。強磁性材料の強磁性を担う元素はFe,Co,Niに限定される。伝導電子の波長を意図的に変化させることは容易ではないために、電子の波長を制御することによりRAを低減することは難しい。そこで、発明者らはＲＡの低減を絶縁障壁層の障壁層高さV0を低減することを絶縁障壁層に新材料を採用することにより実現した。
【００２８】
図８は、金属/絶縁層/金属のサンドイッチ構造の電子のエネルギー状態の模式図を示す。縦軸に電子のエネルギーを示す。符号８１の部分は金属の電子が占めるエネルギーバンドを示し、符号８２の部分は絶縁層の価電子の占める価電子バンドを示す。絶縁層の価電子バンド８２の上にはバンドギャップ（禁制帯）８３があり、その上に伝導バンド８４が存在する。伝導バンドの中の電子が、トンネル現象を除く一般の電気伝導に寄与する。絶縁層では、価電子バンドに電子が一杯に詰まっており、価電子帯の電子は伝導に寄与しない。バンドギャップ（禁制帯）のなかにエネルギー準位は存在せず、バンドギャップに電子は存在しない。絶縁層ではこのバンドギャップが大きいために、価電子帯の電子は伝導バンドまで励起されることはなく、伝導バンドは空である。伝導バンドが空であるから絶縁層は一般的な電気伝導性がない（トンネル現象は電気伝導とは別現象である）。
【００２９】
図８に示すように、伝導バンドの底のエネルギーが障壁エネルギー高さV0となる。これは図６のV0と同じである。金属中の伝導に寄与する電子のエネルギーは、金属のエネルギーバンド８１を占める電子の上面であるフェルミエネルギーEFである。図６のE= EFである。以上のことから、金属/絶縁層/金属のサンドイッチ構造のTMR素子のエネルギー障壁高さを低くするためには、絶縁層のバンドギャップ８３の小さな絶縁材料を選択すればよいことに到達した。
【００３０】
TMRセンサとして大きな小さなRAと高いMR比を実現するためには、その絶縁障壁層が規則的に配列した結晶であることが重要である。以下このことについて説明する。図９には絶縁障壁層が規則的に配列した結晶である場合と絶縁障壁層が規則的でない結晶である場合とを模式的に示す。図９(A)には強磁性層及び障壁層がともに結晶であり、界面での格子の整合性がよく、原子の規則配列が強磁性層及び障壁層で違いがない理想的な場合を示す。図９(B)には、障壁層が不規則配列である場合を示す。
【００３１】
図９の上側の強磁性層から来た電子が薄い絶縁障壁層を通り抜け、下側の強磁性層に達する場合を考える。図９(B)の場合は、絶縁障壁層には原子配置の周期性がないために、電子は、散乱なく通過することができない。電子は障壁層のいたるところで散乱する。電子が散乱する場合、電子スピン角運動量が保存されないため、電子スピン角運動量の保存に起因して生じるTMR効果は小さくなる。
【００３２】
一方、図９(A)は強磁性層、絶縁障壁層ともに規則的な原子配列をしており、強磁性層と絶縁障壁層の界面での原子配列のミスマッチが小さい。この場合、電子が障壁層を通過する際に電子の散乱が起こりにくい。従って、電子スピンの保存に起因して生じるTMR効果は大きくなる。すなわち、大きなMR変化率を得るためには、強磁性層と絶縁障壁層が規則的な原子配列をしており、両者間の界面の原子配列のミスマッチが小さいことが望ましい。
【００３３】
そこで、本発明の課題を解決するために、一例では、絶縁障壁層の材料として、MgOと、バンドギャップの小さな特定の酸化物材料を混合した酸化物を用いるのがよい。特定の酸化物材料としては、MgOと同じ立方晶（例えばNaCl型）の結晶構造を有し、MgOとの格子のミスマッチが小さくかつ、MgOと全率固溶する酸化物である。特定の酸化物材料の好ましい例につては後述する。
また、他の例においては、上記例のような、MgOとバンドギャップの小さな特定の酸化物材料を混合した酸化物とするのではなくて、MgOとバンドギャップの小さな特定の酸化物材料を積層して酸化物材料の絶縁障壁層を形成する。この構成によっても同様の効果を得ることができる。
【００３４】
図１０は、各種酸化物のバンドギャップ値、結晶構造、MgO結晶との格子のミスマッチ、及びMgOに対する固溶限界を示す。バンドギャップがMgOに比べて小さく、MgOと結晶系が同じで、格子のミスマッチが小さく、MgOと全率固溶する酸化物は、NiO、CoO、FeOである。
例えば、酸化コバルトCoOまたは酸化ニッケルNiOの場合、これらの材料は、MgOと同じNaCl型の結晶構造であり、格子定数のミスマッチは0.8％、1.2％と小さく、MgOに対して全率固溶する。従って、CoOまたはFeO、NiOをMgOと混合して（又は積層して）絶縁障壁層を形成しても、その規則配列が劣化することはない。これらの酸化物材料を絶縁障壁層に用いてTMR素子を形成してもTMR効果を劣化させることない。
【００３５】
MgOのバンドギャップは７．２eVに対して、CoOのバンドギャップは３．０eVであり、NiOのバンドギャップは４eVである。両者ともに、MgOに比べてバンドギャップが小さく、これらの酸化物をMgOと混合して（又は積層して）絶縁障壁層を形成しても、絶縁障壁層としての平均の障壁高さは小さくなる。従って、障壁層の厚さを薄くすることなくTMR素子の面積抵抗RAを低減することができる。
なお、絶縁障壁層は、MgOと混合（又は積層）する合金酸化物として、NiO、CoO、FeOのいずれか１種、又はこれらの複数を含む合金酸化物（即ち少なくともいずれか１つの合金酸化物）により構成してもよい。
【００３６】
＜実施例１＞トンネル接合型磁気抵抗効果素子の構成
次に、図２を参照して、本発明の実施例に係る磁気トンネル接合型ヘッド（ＴＭＲヘッド）の基本構成を説明する。図２はＴＭＲヘッドを浮上面側から見た図である。ＴＭＲヘッド１０は、下部磁気シールド層（兼電極層）１４と上部磁気シールド層（兼電極層）１６の間に、ＴＭＲ膜１２が積層配置された構成である。ＴＭＲ膜１２は、基板となる下部磁気シールド層（兼電極層）１４上に、下地層２０と、反強磁性層２４と、反強磁性層２４と交換結合した第１の強磁性層２６２と、反平行結合層２６４を介して第１の強磁性層２６２の磁気モーメントと反平行に結合した磁気モーメントを有する第２の強磁性層２６６と、絶縁障壁層２８と、第３の強磁性層３０と、キャップ層３２が積層されて構成される。
【００３７】
第１の強磁性層２６２と第２の強磁性層２６６は固定層と呼ばれ、固定層２６の第１の強磁性層２６２と第２の強磁性層２６６は、互いに磁気モーメントが強く反平行結合している。第１の強磁性層２６２は、反強磁性層２４との交換結合により、強くその磁気モーメントを固定されているために、固定層２６は容易にその磁気モーメントの方向を変えることはない。一方、第３の強磁性層３０は自由層と呼ばれ、外部から加わる磁界によって容易にその磁気モーメントの方位を変化させる。
【００３８】
＜実施例２＞トンネル接合型磁気抵抗効果素子の製造方法
真空中でスパッタリング法によって膜を形成する装置を用いて、基板に以下に示す積層膜を成膜する。装置は基板を冷却する機構を有し、基板を冷却しながら、スパッタリング法により基板上に、少なくとも金属材料１種類と絶縁物材料１種類を形成する機能を有する。
基板上に、下地層Ta 2nｍ / Ru 2nｍ、下地層上にMn-20at%Ir合金膜6nｍからなる反強磁性層、反強磁性層上にCo-25at%Fe合金膜2nｍからなる第１の強磁性層、第１の強磁性層上にRu0.４nｍからなる反平行結合層を形成し、Ru反平行結合層上に、第２の強磁性層Co-40at%Fe-20at%B合金膜2nｍを形成し、Co-Fe-B膜上に絶縁障壁層0.6〜1.2nｍをRFスパッタリングにより形成する。第２の強磁性層として、Co-Fe-B膜上に0.5nｍ程度のＢを含まないCoFe合金膜を形成した後に絶縁障壁層を形成してもよい。絶縁障壁層を形成した後に、第３の強磁性層としてCo-8at%Fe-20at%B合金層2.5nｍを形成する。第３の強磁性層として、絶縁層上に0.5nｍ程度のＢを含まないCoFe膜を形成し、その上にCo-Fe-B合金膜を形成する構成としてもよい。第３の強磁性層上には、キャップ層としてRu3nｍを形成する。
【００３９】
ここで、絶縁障壁層は次の工程により形成される。
即ち、同一真空チャンバ内に少なくとも２つのRFカソードを有するスパッタチャンバに、酸化マグネシウムMgOターゲットと酸化コバルトCoOターゲットを搭載する。このスパッタチャンバを絶縁障壁層スパッタチャンバという。上記第２の強磁性層まで成膜した基板を真空中で、絶縁障壁層スパッタチャンバ内に設置する。そして、アルゴンガスを導入し、MgOターゲットと酸化コバルトCoOターゲットを搭載した２つのカソードを同時に放電させて、MgOとCoOを基板上に同時に堆積することによってMgOとCoOの合金を形成する。
【００４０】
MgOとCoOを搭載するカソードに投入する電力を調整することによってMgO−CoOの合金濃度を変化することができる。CoOの濃度に依存することなくすべての濃度でNaCl型の結晶構造が得られる。バンドギャップは、CoOの濃度とともに、MgOの７．２eVから減少してCoOのバンドギャップ値３．０eVにまで減少する。MgOと混合させる材料としては、CoOのほかに、NiOも有効である。
【００４１】
図３は、MgOと他の酸化物の合金酸化物のバンドギャップの組成依存性を示す。
MgOとCoOの混合酸化物、MgOとNiOの混合酸化物、及びMgOとCaOの混合酸化物のバンドギャップの値をCoO, NiO, CaOの濃度に対してプロットしている。CaOの場合、その濃度に対してバンドギャップは増大し、CoO、NiOを添加した場合は、バンドギャップがこれらの濃度に対して減少する。CoOやNiOは絶縁障壁層高さを低減するために有効であることが分かる。
【００４２】
図１は一実施例によるＴＭＲセンサ膜のMR性能を示す。即ち、絶縁障壁層にMgO−CoOを用い、絶縁障壁層の膜厚を変化させてTMR素子を作成した際の、RAとMRの関係を示す。サンプルには強磁界中での熱処理を加えた後に評価を行っている。CoOの濃度ゼロの場合、RA0.8Ωから急激にMR比が低下し、RA＝0.4ではMRはほぼ消失するのに対して、CoO25％や50％の場合にはRAの減少に対する急激なMRの現象は見られなくなり、緩やかにMR比が低下する。その結果RAが０．５以下の領域でMR比の顕著な改善がみられる。たとえば、CoO 25ｍol%の場合RA=0.2でも４０％以上のMR比を得ることができ,顕著なTMR性能の改善が得られる。
【００４３】
＜実施例３＞
図１１に示す例は、絶縁障壁層を積層構造にした例である。なお、絶縁障壁層以外のセンサ膜の積層構造を実施例１と同じである。
（Ａ）は、ＣｏＯをMgOの１モノレイヤでサンドイッチする構造として、絶縁障壁層を形成した例を示す。同様に、（Ｂ）は、NiOをMgOの１モノレイヤでサンドイッチ構造として、絶縁障壁層を形成した例を示す。ＣｏＯとＮｉＯの膜を２モノレイヤ以上として変化させた。これらの構成例によっても、ＲＡの小さい領域でMgO単独で絶縁障壁層を構成するよりも高いＭＲ比が得られた。
【００４４】
これらの酸化物材料によってサンドイッチ構造の絶縁障壁層を形成する方法は、次の通りである。例えば、（Ａ）に示す、ＭｇO−ＣｏＯ−ＭｇOの絶縁障壁層を形成するには、即ち、上記した実施例２の製造方法を用いて、同一真空チャンバ内に２つのRFカソードを有する絶縁障壁層形成スパッタチャンバに、MgOターゲットとCoOターゲットを搭載する。上記第２の強磁性層まで成膜した基板を真空中で、絶縁障壁層スパッタチャンバ内に設置して、アルゴンガスを導入し、まずMgOターゲットを搭載したカソードを一定時間放電させる。その後、CoOターゲットを搭載したカソードを一定時間放電させる。その後、再び、MgOターゲットを搭載したカソードを一定時間放電させる。この放電工程によって、ＭｇＯ−ＣｏＯ−ＭｇOの順に積層した絶縁障壁層が形成される。
【符号の説明】
【００４５】
１０：ＴＭＲヘッド  １２：ＴＭＲ膜  １４：下部磁気シールド層  
１６：上部磁気シールド層  ２０：下地層  ２４：反強磁性層  
２６：固定層  ２６２：第１強磁性層  ２６４：反平行結合層  ２６６：第２強磁性層  
２８：絶縁障壁層  ３０：第３の強磁性層（自由層）  ３２：キャップ層。
【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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