(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルバリア層を挟むようにして形成された第１の強磁性層と第２の強磁性層が積層された多層膜構造を有する強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
当該方法における強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の成膜は、真空成膜装置内で行なわれ、
第１の強磁性層または第２の強磁性層の上に、トンネルバリア層の基礎層となる非磁性金属層を成膜した後、酸素ラジカル源の圧力と真空成膜装置の槽内の圧力との圧力差を推進力（ｄｒｉｖｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）として、実質的に酸素ラジカル源と同じ成分である酸化気体を真空成膜槽内に連続的に供給し、酸化すべき非磁性金属層に連続的に接触させることによりトンネルバリア層の形成が行なわれてなり、さらに、プラズマ発生源と基板との間に通過孔を有する石英の仕切り板が介在され、酸素ラジカル発生の際に用いたプラズマがサンプルに当たらないような処置がされてなることを特徴とする強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
非磁性金属層と酸素ラジカル源との間の距離は、３００ｍｍ以下である請求項１に記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
ラジカル酸化時間は、１〜３０ｍｉｎである請求項１または請求項２に記載の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記録媒体等の磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果膜のうち、特に小さな磁場変化を大きな電気抵抗変化信号として読み取ることができる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子に関する。これらは主として、例えば、ハードディスクドライブ装置に組み込まれて使用される。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスク（ＨＤＤ）の高密度化に伴い、高感度、高出力の磁気ヘッドが要求されてきている。このような要求に対して、強磁性層／トンネルバリア層／強磁性層という多層構造からなる強磁性トンネル磁気抵抗効果を利用した強磁性トンネル磁気抵抗効果素子が注目されている。
【０００３】
強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、トンネルバリア層を挟む一対の強磁性層間の積層方向に電流を流す場合に、両方の強磁性層間における互いの磁化の相対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル電流が変化する現象をいう。
【０００４】
この場合のトンネルバリア層は、薄い絶縁膜であって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存しながら電子が通過できるものである。両強磁性層間における互いの磁化の相対角度が小さければトンネル確率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さくなる。これとは逆に、両強磁性層間における互いの磁化の相対角度が大きければトンネ確率は低くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。
【０００５】
従来の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）は、基板上に下部の強磁性層を形成させ、この強磁性体上にＡｌに代表される非磁性体層を形成させた後、当該非磁性体層（Ａｌ）を自然酸化法、もしくはプラズマ酸化法等で酸化させ、トンネルバリア層を完成させる。しかる後、当該トンネルバリア層の上に上部の強磁性層が形成される。
【０００６】
ところで、ＴＭＲ素子のＨＤＤ用ヘッドへの応用を考えた場合、素子の低抵抗化（抵抗を下げること）は必須である。その理由は以下の通り。つまり、ＴＭＲ素子の抵抗は基本的には、下記式（１）で表される。
【０００７】
Ｒσ＝Ｃσ  ｅｘｐ（−２  κ  ｄ）                  式（１）
【０００８】
κ＝（２  ｍ  φ／ｈ２）１／２
【０００９】
ここで、ｄは障壁の厚さ、φはフェルミ準位から測った障壁ポテンシャルの高さである。Ｃσは磁性層と絶縁層の電子状態で決まる量であり、近似的に二つの磁性層のフェルミ準位の積に比例すると考えて良い。
【００１０】
上記式（１）に従うと、素子の低抵抗化を図るためには障壁の厚さｄを小さくするか、あるいは障壁ポテンシャルφを小さくすれば良いことが分かる。しかしながら、障壁ポテンシャルφを小さくした場合、トンネル電流自体が減少してしまい、結果としてＴＭＲ効果を減少させてしまうので好ましくない。
【００１１】
この一方で、同程度の障壁厚さｄであっても、トンネルバリア層の形成方法の違いにより接合抵抗が大きく変わる旨の報告もなされている（Ｔｈｅ  ４３ｒｄ  ＭＭＭ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  １９９８，  ＧＡ−０３）。具体的には、プラズマ酸化法と自然酸化法で酸化物であるトンネルバリア層を形成した場合を比較した場合、自然酸化法で形成されたトンネルバリア層は、プラズマ酸化法のそれとくらべて２桁以上の小さな抵抗値を持つようになる旨が報告されている。従って、ＨＤＤヘッドの適用を考えた場合、自然酸化法は、非常に好ましい酸化方法と言える。しかしながら、自然酸化法にも全く問題がないわけではない。つまり第１の問題は、バリア層形成のために１時間以上の酸化時間を要し、生産性が悪い点にある。第２の問題は、酸化力が弱いために、例えばＡｌ等の非磁性金属層表面に酸化膜が形成された後には、その後の酸化がなかなか進行せず、非磁性金属層の内部にいわゆる「酸化残り」が発生する。このような「酸化残り」は、不純物として作用し、ＴＭＲ効果を著しく損なわせる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような実状のものに創案されたものであって、その目的は、生産性および品質の安定性に優れ、ＴＭＲ効果が格段と優れる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むようにして形成された第１の強磁性層と第２の強磁性層が積層された多層膜構造を有する強磁性トンネル磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層は、非磁性金属層をラジカル酸化法にて酸化処理した非磁性酸化膜として構成される。
【００１４】
本発明の好ましい態様として、前記非磁性酸化膜は、酸素ラジカルを酸化すべき非磁性金属層に接触させることにより形成された膜として構成される。
【００１５】
本発明の好ましい態様として、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層には、前記多層膜構造の厚さ方向に電流を流すための一対の電極が電気的に接続されてなるように構成される。
【００１６】
本発明の好ましい態様として、前記第１および第２の強磁性層のうちいずれか一方の強磁性層は、磁気情報である外部磁場に応答して自由に磁化の向きが変えられるように作用し、他方の強磁性層側には磁化の向きを固定するためのピン止め層が形成されてなるように構成される。
【００１７】
本発明の好ましい態様として、前記第１の強磁性層は、反強磁性型磁気結合をしている一対の磁性層と、その間に挟まれた非磁性金属層の組み合わせからなるように構成される。
【００１８】
本発明の好ましい態様として、前記第２の強磁性層は、反強磁性型磁気結合をしている一対の磁性層と、その間に挟まれた非磁性金属層の組み合わせからなるように構成される。
【００１９】
また、本発明は、トンネルバリア層を挟むようにして形成された第１の強磁性層と第２の強磁性層が積層された多層膜構造を有する強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法であって、当該方法は、前記第１の強磁性層または第２の強磁性層を形成する工程と、当該第１の強磁性層または第２の強磁性層の上に、非磁性金属層を形成し、しかる後、当該非磁性金属層をラジカル酸化法にて酸化処理してトンネルバリア層を形成する工程を含むように構成される。
【００２０】
本発明の好ましい態様として、前記ラジカル酸化法は、酸素ラジカルを酸化すべき非磁性金属層に接触させることにより行なわれる。
【００２１】
本発明の好ましい態様として、酸素ラジカルを含む酸素ラジカル源から供給される酸化気体を酸化すべき非磁性金属層に連続的に接触させることにより酸化処理が行なわれる。
【００２２】
本発明の好ましい態様として、酸化されるべき非磁性金属層と酸素ラジカル源との間の距離は、酸素ラジカルが非磁性金属層に到着するまでラジカル状態を維持できるような距離として設定される。
【００２３】
本発明の好ましい態様として、非磁性金属層と酸素ラジカル源との間の距離は、３００ｍｍ以下に設定される。
【００２４】
本発明の好ましい態様として、ラジカル酸化時間は、１〜３０ｍｉｎに設定される。
【００２５】
本発明において、素子抵抗を小さくすることにより大きな電流を流すことが可能となり、その結果大きな出力電圧を取り出すことが可能となる。また、静電破壊（ＥＳＤ）防止の観点からも素子の抵抗を下げることが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）の好適な一例を示す断面図である。この実施の形態において、ＴＭＲ素子１は、スピントンネル磁気抵抗効果を示すトンネル多層膜３を備えている。すなわち、トンネル多層膜３は、トンネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０を挟むようにして形成された第１の強磁性層２０と第２の強磁性層４０が積層された多層膜構造を有している。
【００２８】
このようなトンネル多層膜３の構造において、さらに前記第１の強磁性層２０と第２の強磁性層４０の外部方向にはそれぞれ、トンネル多層膜３の厚さ方向（（α）方向）に電流を流すための一対の電極７１および電極７５が積層され、電気的に接続される。すなわち、図１に示される実施の形態では、基板５の上に、電極７１、第２の強磁性層４０、トンネルバリア層３０、第１の強磁性層２０、電極７５が順次形成される。
【００２９】
２つの強磁性層２０，４０のうち、例えば、前記第１の強磁性層２０は、磁気情報である外部磁場に応答して自由に磁化の向きが変えられるようないわゆるフリー層として機能させられ、前記第２の強磁性層４０は、当該強磁性層４０の磁化の向きが一定方向に固定された磁化固定層として機能させられることが一般的である。このような実施の態様では強磁性層４０の磁化を固定するためのピン止め層が形成される。もちろん、２つの強磁性層２０，４０の位置および機能は逆にしてもよい。
【００３０】
強磁性層２０，４０を構成する材質は、高いＴＭＲ変化量が得られるように高スピン分極材料が好ましく、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＣｏＮｉ等が用いられる。強磁性層２０の膜厚は、２０〜２００Å、好ましくは４０〜１００Åとされる。膜厚が厚くなりすぎると、ヘッド動作時の出力が低下する傾向があり、また、膜厚が薄くなりすぎると、磁気特性が不安定となりヘッド動作時のノイズが増大するという不都合が生じる。強磁性層４０の膜厚は、１０〜５０Å、好ましくは２０〜３０Åとされる。膜厚が厚くなりすぎると、後述するような反強磁性体による磁化のピンニングが弱まり、また、膜厚が薄くなりすぎると、ＴＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。
【００３１】
このような第１の強磁性層２０および第２の強磁性層４０は、単層に限定されることはなく、反強磁性型磁気結合をしている一対の磁性層と、その間に挟まれた非磁性金属層の組み合わせからなる積層体も、特に好ましい態様の一つである。このような積層体としては、例えば、ＣｏＦｅ（厚さ３０Å）／Ｒｕ（厚さ７Å）／ＣｏＦｅ（厚さ２０Å）の３層積層体からなる強磁性層が挙げられる。
【００３２】
ピン止め層は図１に図示されていないが、図１において第２の強磁性層４０の磁化をピンニングするためには、通常、電極７１と第２の強磁性層４０との間に反強磁性層からなるピン止め層が形成される。２つの強磁性層２０，４０の機能を逆にした場合、電極７５と第１の強磁性層２０との間に反強磁性層からなるピン止め層が形成される。
【００３３】
ここで、強磁性トンネル磁気抵抗効果について図４を参照しつつ簡単に説明しておく。強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、トンネルバリア層３０を挟む一対の強磁性層２０，４０間の積層方向に電流を流す場合に、両方の強磁性層２０，４０間における互いの磁化の相対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル電流が変化する現象をいう。この場合のトンネルバリア層３０は、薄い絶縁膜であって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存しながら電子が通過できるものである。図４（Ａ）に示されるように両強磁性層２０，４０間における互いの磁化が平行である場合（あるいは互いの磁化の相対角度が小さい場合）、電子のトンネル確率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さくなる。これとは逆に、図４（Ｂ）に示されるように両強磁性層２０，４０間における互いの磁化が反平行である場合（あるいは互いの磁化の相対角度が大きい場合）、電子のトンネル確率は低くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。このような磁化の相対角度の変化に基づく抵抗変化を利用して、例えば外部磁場の検出動作が行われる。
【００３４】
本発明における第１の特徴は、前記トンネルバリア層３０が、ラジカル酸化法により酸化処理されて形成された酸化膜であることにある。
【００３５】
すなわち、図２（Ａ）に示されるようにトンネルバリア層の基礎層となるＡｌ，Ｎｉ，Ｇｄ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ等の非磁性金属層３０ａを第２の強磁性層４０の上に形成した後に、当該非磁性金属層３０ａの上部膜面に向けて、酸素ラジカルを酸化すべき非磁性金属層３０ａに接触させることにより非磁性金属層３０ａの全体が酸化処理されてトンネルバリア層３０が形成される。より具体的な好適な手法を説明すると、強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の成膜は、真空成膜装置内で行う。そして、トンネルバリア層を形成する際に、トンネルバリア層の基礎層となる非磁性金属層３０ａを成膜した後、酸素ラジカルを含む酸素ラジカル源（酸素ラジカル源は、酸素を主成分としその中にラジカル状態になったラジカル酸素を一部含んでいる）から圧力差を利用して（酸素ラジカル源の圧力と真空成膜装置の槽内の圧力との圧力差をｄｒｉｖｉｎｇ  ｆｏｒｃｅとする）、酸化気体（実質的に酸素ラジカル源と同じ成分）を真空成膜槽内に連続的に供給し、酸化すべき非磁性金属層３０ａに連続的に接触させることにより行なわれる。
【００３６】
この際、非磁性金属層３０ａと酸素ラジカル源との間の距離は、酸素ラジカル源中の酸素ラジカルが非磁性金属層３０ａに到着するまでラジカル状態を維持できるように設定されることが必要である。この一つの基準として、非磁性金属層３０ａと酸素ラジカル源との間の距離Ｔｓは、３００ｍｍ以下、特に、３０〜２８０ｍｍに設定することが望ましい。この値（距離）が大きくなり過ぎると（例えば３００ｍｍを超える場合）、例えば６０分以上の長時間の酸化処置を行っても十分な酸化膜が得られず、十分なトンネルバリア特性および大きなＴＭＲ変化率が得られない傾向にある。また、非磁性金属層３０ａと酸素ラジカル源との間の距離が近く成り過ぎると、急激な酸化処理となるために酸化の程度にばらつきが生じ、結果として特性のばらつきにつながる傾向が生じる。良好な素子特性を得るためには、急激な酸化よりはマイルド酸化が望ましく、酸化処理時間であるラジカル酸化時間は、３０ｍｉｎ以下、特に、１〜３０ｍｉｎ、好ましくは１〜２５ｍｉｎに設定するのが良い。
【００３７】
酸素ラジカル源を作るには、例えば、ラジカルガンを用いて酸素ラジカルを発生させる。上述のごとく本発明ではその酸素ラジカルの酸化力を用いて酸化層であるトンネルバリア層３０を形成する。ラジカルガンは、分子のラジカル状態を作り出すための装置であり、当該プラズマガンは、磁場中に閉じ込められたプラズマに、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす周波数のマイクロ波を導入することによって、プラズマ中の電子にエネルギーを与え、その結果、分子のラジカル状態を作り出すように作用している。また、当然のことではあるが、酸素ラジカル発生の際に用いたプラズマがサンプルに当たらないような処置をほどこしておくことは必須である。例えば、プラズマ発生源と基板との間に通過孔を有する石英の仕切り板を介在させておくことが必要である。また、酸素ラジカルを発生させる方法としては、高周波加速（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）を用いる方法もある。
【００３８】
ここでラジカルについて簡単に説明する。多くの分子の安定な基底状態では、電子の全スピンの大きさに対する量子数は０である。ところが、ある種の分子では不対電子をもつ電子構造が基底状態となっている。不対電子とは、本来、互いに反対の方向を向いたスピンを持つ２個の対電子により構成されるべきものが、何らかの条件によりスピン対がこわされているものを言う。従って、ラジカル状態においては電子の全スピンの大きさに対する量子数は０ではない。このような分子種は遊離基（Ｆｒｅｅ  Ｒａｄｉｃａｌ）と呼ばれて反応性に富んだ性質を有している。
【００３９】
このような酸素ラジカルにより酸化処理されて形成されたトンネルバリア層３０は、Ａｌ２Ｏ３，ＮｉＯ，ＧｄＯ，ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５，ＭｏＯ２，ＴｉＯ２，ＷＯ２等から構成される。トンネルバリア層３０の厚さは、素子の低抵抗化のためできるだけ薄いことが望ましいが、あまり薄すぎてピンホールが生じるとリーク電流がながれてしまい好ましくない。一般には、５〜２０Å程度とされる。
【００４０】
本発明において、酸素ラジカルを用いて形成されるトンネルバリア層３０は、特に、以下に示すような特徴を有する。
【００４１】
（１）トンネルバリア層３０のみの酸化が確実に行なわれ、しかもその酸化膜はＴＭＲ効果に良好な特性を示す。すなわち、トンネルバリア層３０は十分なトンネルバリア特性を有するようになり、しかも、トンネルバリア層３０の下部に位置する強磁性層への酸化の悪影響がほとんど無いために大きなＴＭＲ変化率が得られる。
【００４２】
（２）酸化力が程よくマイルドであるために、仮に酸化時間の多少のばらつきが生じたとしても、実質的な膜特性にはほとんど影響を及ぼさない。また、いわゆる膜中の酸化残りの発生もほとんど無い。従って、高品質かつ品質の安定性に優れる。生産性も十分満足できると思慮される。
【００４３】
次いで、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子をトンネル磁気ヘッドの一例として発展させた実施形態が図３に示される。この図においてトンネル磁気ヘッドは、基板５の上に、電極７１、ピン止め層５０、第２の強磁性層４０、トンネルバリア層３０、第１の強磁性層２０、電極７５を順次有しており、さらに、電極７１と電極７５の絶縁を保持するための絶縁層８，８を介して、第１の強磁性層２０へバイアス磁界を付与するためのハードマグネット層６１，６１が形成されている。この実施形態はピン止め層５０がボトムに位置するタイプを例示しているが、もちろんピン止め層５０がトップに位置するタイプであってもよい。このトップタイプでは、基板５の上に、電極７１、第１の強磁性層２０、トンネルバリア層３０、第２の強磁性層４０、ピン止め層５０、電極７５を順次有する形態をとる。
【００４４】
【実施例】
上述してきた強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の発明を、以下に示す具体的実施例によりさらに詳細に説明する。
【００４５】
（実験例Ｉ）
【００４６】
ラジカル酸化法（本発明）と、従来法であるプラズマ酸化法（比較例Ｉ−Ｂ）、自然酸化法（比較例Ｉ−Ｃ）との比較実験をそれぞれ行った。
【００４７】
ラジカル酸化法による本発明実験Ｉ−Ａ
【００４８】
下記に示すような強磁性トンネル磁気抵抗効果素子サンプルを作製した。すなわち、基板５（Ａｌ２Ｏ３付きのＡｌＴｉＣ）の上に、電極層７１（Ｔａ；厚さ５０Å）、いわゆるフリー層として機能する強磁性層２０（ＮｉＦｅ層（厚さ１００Å）とＣｏＦｅ（厚さ２０Å）の積層体）、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ１０Å）、磁化方向が検出磁界方向に固定されたいわゆるピンニングされた強磁性層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３０Å）、強磁性層４０の磁化をピンニングするためのピン止め層５０（ＲｕＲｈＭｎ；厚さ１００Å）、電極層７５（Ｔａ；厚さ５０Å）を順次、薄膜積層してサンプルを作製した。完成した素子サイズは２μｍ×２μｍの大きさとした。
【００４９】
トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ１０Å）の作製に際しては、バリア層のベースとなるＡｌ膜を厚さ１０Åに成膜した後、本発明に基づくラジカル酸化法を用いて、酸化アルミニウム（アルミナ）膜とした。なお、ラジカル酸化法の操作条件は、ラジカル発生源（ラジカルガン使用）におけるラジカル発生のためのプラズマ電極の投入電力５０Ｗとし、酸素ラジカル処理を行うチャンバー内のＯ２圧力＝２．５Ｐａ雰囲気中とし、酸素ラジカルを供給するラジカル発生源から真空成膜装置内に置かれたトンネルバリア層３０までの距離Ｔｓは、１００ｍｍとした。酸化時間を下記表１に示すように種々変えて、種々のサンプル（Ｉ−Ａ−１〜Ｉ−Ａ−１２）を作製した。
【００５０】
これらの各サンプルについて、下記の要領で、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定した。
【００５１】
（１）抵抗値Ｒ（Ω・μｍ２）
【００５２】
サンプルに印加される電圧がゼロ磁界で５０ｍＶ程度となるように定電流を流し、±９００（Ｏｅ）の磁界を印加した時の電圧の最小値から抵抗値Ｒｍｉｎを求め、これを抵抗値Ｒ（Ω・μｍ２）とした。
【００５３】
（２）ＴＭＲ変化率（％）
【００５４】
サンプルに印加される電圧がゼロ磁界で５０ｍＶ程度となるように定電流を流し、±９００（Ｏｅ）の磁界を印加した時の電圧の最小値から最小抵抗値Ｒｍｉｎを求め、また、電圧の最大値から最大抵抗値Ｒｍａｘを求め、以下の算出式（１）からＴＭＲ変化率（％）を求めた。
【００５５】
ＴＭＲ変化率（％）＝（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ    ×１００  …式（１）
【００５６】
これらの結果を下記表１に示した。
【００５７】
【表１】
0003557493.tif 000002
【００５８】
なお、上記強磁性層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３０Å）の構成を、Ｒｕ層を介して２つの強磁性体で積層した、ＣｏＦｅ（厚さ３０Å）／Ｒｕ（厚さ７Å）／ＣｏＦｅ（厚さ２０Å）の３層積層体からなる強磁性層に変えた場合についても同様な実験を行った。このような態様を採択することにより、ヘッド動作時の出力波形の対称性をコントロールすることが可能となり、この点でより好ましい態様といえる。しかしながら、ラジカル酸化法の実験結果は、酸化条件と、抵抗値ＲやＴＭＲ変化率との関係は、単に１層の強磁性層ＣｏＦｅ（厚さ３０Å）を用いた場合と同様であったために、特にデータとしての記載は行っていない。
【００５９】
従来法であるプラズマ酸化法による比較例実験Ｉ−Ｂ（比較例Ｉ−Ｂ）
【００６０】
上記本発明実験Ｉ−Ａのサンプル作製要領のなかで、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ１０Å）の作製方法のみ変え、それ以外は実質的に上記実験Ｉ−Ａのサンプルと同様にして比較例Ｉ−Ｂの各種サンプルを作製した。すなわち、バリア層のベースとなるＡｌ膜を厚さ１０Åに成膜した後、プラズマ酸化法を用いて、酸化アルミニウム（アルミナ）膜とした。プラズマ酸化法の操作条件は、Ｏ２圧力＝０．５Ｐａ、ＲＦ出力（高周波出力）＝０・０１Ｗ／ｃｍ２、真空成膜装置内に置かれたトンネルバリア層３０までの距離Ｔｓは、１００ｍｍとした。酸化時間を下記表２に示すように種々変えて、種々の比較サンプル（Ｉ−Ｂ−１〜Ｉ−Ｂ−６）を作製した。
【００６１】
これらの各比較サンプルについて、上記と同様に、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定した。
【００６２】
これらの結果を下記表２（比較例Ｉ−Ｂ）に示した。
【００６３】
【表２】
0003557493.tif 000003
【００６４】
従来法であるプラズマ酸化法による比較例実験Ｉ−Ｃ（比較例Ｉ−Ｃ）
【００６５】
上記実験Ｉ−Ａ（本発明）のサンプル作製要領のなかで、トンネルバリア層３０（酸化アルミニウム；厚さ１０Å）の作製方法のみ変え、それ以外は実質的に上記実験Ｉ−Ａのサンプルと同様にして比較例Ｉ−Ｃの各種サンプルを作製した。すなわち、バリア層のベースとなるＡｌ膜を厚さ１０Åに成膜した後、自然酸化法を用いて、酸化アルミニウム（アルミナ）膜とした。自然酸化法の操作条件は、Ｏ２圧力＝２５０００Ｐａ雰囲気で行った。酸化時間を下記表３に示すように種々変えて、種々の比較サンプル（Ｉ−Ｃ−１〜Ｉ−Ｃ−１０）を作製した。
【００６６】
これらの各比較サンプルについて、上記と同様に、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定した。
【００６７】
これらの結果を下記表３（比較例Ｉ−Ｃ）に示した。
【００６８】
【表３】
0003557493.tif 000004
【００６９】
上記表１〜３に示される結果より以下のことが確認できる。
【００７０】
表１に示されるように本発明のサンプルは、酸化時間１０分〜３０分の間で良好なトンネルバリア層が形成されており、この間で、１０％以上の高いＴＭＲ変化率（最高で１３．０％）が得られていることがわかる。特に酸化時間１５〜２０分の間では１２％以上の極めて高いＴＭＲ変化率が得られている。逆な見方をすれば、この１２％以上の極めて高いＴＭＲ変化率が得られる良好な酸化時間帯域は、極めて広く、多少の酸化時間のばらつきがあっても、得られる素子品質は極めて安定していることがわかる。
【００７１】
これに対して、表２に示される比較例Ｉ−Ｂのプラズマ酸化法では、酸化処理速度は早いものの、低い抵抗値の素子を得ることは困難である。また、安定した品質の素子を供給するという観点からみても、当該方法の現実性は乏しい。酸化時間が少し多くなっただけでバリア層の下部に位置する強磁性層までが酸化ダメージを受けてしまう。
【００７２】
また、表３に示される比較例Ｉ−Ｃの自然酸化法では、酸化処理速度が遅く１０％以上の高いＴＭＲ変化率の素子を得ようとすると、処理時間が６０分以上かかり生産性が良くない。また、酸化力が弱く酸化残りが発生するせいか、１０．７％を超えるような高いＴＭＲ変化率は得られていない（表１の本発明では最高で１３．０％が得られている）。
【００７３】
（実験例ＩＩ）
【００７４】
上記本発明のラジカル酸化法による実験Ｉ−Ａにおいて、ラジカル発生のためのプラズマ源への投入電力を５０Ｗから１００Ｗに変えた。さらに、酸素ラジカルを供給するラジカル発生源から真空成膜装置内に置かれたトンネルバリア層３０までの距離Ｔｓを３０ｍｍ（実験ＩＩ−１）、１００ｍｍ（実験ＩＩ−２）、２００ｍｍ（実験ＩＩ−３）、３００ｍｍ（実験ＩＩ−４）とした。これらの各距離Ｔｓにおいてそれぞれ、酸化時間を下記表４〜７に示すように種々変えて、種々のサンプルを作製した。表４がＴｓ＝３０ｍｍの場合、表５がＴｓ＝１００ｍｍの場合、表６がＴｓ＝２００ｍｍの場合、表７がＴｓ＝３００ｍｍの場合である。
【００７５】
これらの各サンプルについて、上記の要領で、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定した。
【００７６】
これらの結果を下記表４〜７（本発明）に示した。
【００７７】
【表４】
0003557493.tif 000005
【００７８】
【表５】
0003557493.tif 000006
【００７９】
【表６】
0003557493.tif 000007
【００８０】
【表７】
0003557493.tif 000008
【００８１】
下記表４〜７（本発明）に示される結果より、ラジカル源と酸化すべき薄膜までの距離Ｔｓに依存して最適酸化時間が存在することがわかる。当該装置構成では、投入電力を１００Ｗ以上に上げたとしてもＴｓ＝３００ｍｍ程度が限界に思われる。
【００８２】
また、素子品質の安定性を考慮すれば、Ｔｓの最小値は、Ｔｓ＝３０ｍｍ程度が妥当であると思われる。
【００８３】
（実験例ＩＩＩ）
【００８４】
上記本発明のラジカル酸化法による実験Ｉ−Ａにおいて、ラジカル発生のためのプラズマ源への投入電力を５０Ｗから１５０Ｗに変えた。投入電力を上げるとそれに応じてラジカルの密度が上がる。それ以外は、実験Ｉ−Ａと実質的に同様にして酸化時間を種々変えて、種々のサンプルを作製した。
【００８５】
これらの各サンプルについて、上記の要領で、（１）抵抗値Ｒおよび（２）ＴＭＲ変化率を測定した。
【００８６】
これらの結果を下記表８（本発明）に示した。
【００８７】
【表８】
0003557493.tif 000009
【００８８】
この表８のデータおよび前記表１および前記表５のデータをそれぞれ比較する。すると、これらは投入電力の大きさの違いだけであり、投入電力の大きさに依存して最適な酸化時間が存在することがわかる。投入電力を大きくするとラジカルの密度が上がり、酸化時間を短縮することができる。しかしながら、ＴＭＲの最大値を比較するに、かなずしもラジカルの密度を大きくすれば良いと言うものではなく、最適範囲が存在するものと考えられる。急激な酸化過程は好ましくなく投入電力は５０〜１００Ｗが好適範囲である。
【００８９】
【発明の効果】
上記の結果より本発明の効果は明らかである。すなわち、本発明は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むようにして形成された第１の強磁性層と第２の強磁性層が積層された多層膜構造を有する強磁性トンネル磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層は、非磁性金属層をラジカル酸化法にて酸化処理された酸化膜として構成されているので、生産性および品質の安定性に優れ、ＴＭＲ効果が格段と優れる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の好適な一例を示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子の好適な製造方法の一例を経時的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果素子をトンネル磁気ヘッドに適用させた場合の一例を示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）および（Ｂ）は、強磁性トンネル磁気抵抗効果を説明するための概略説明図である。
【符号の説明】
１…強磁性トンネル磁気抵抗効果素子
３…トンネル多層膜
５…基板
２０…第１の強磁性層
３０…トンネルバリア層
４０…第２の強磁性層
７１，７５…電極（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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