(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、
第２の電極と、
前記１の電極と前記第２の電極との間に設けられた反強磁性層と、
前記第２の電極と前記反強磁性層との間に設けられ磁化が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、
前記第２の電極と前記磁化固着層との間に設けられ、酸化物を有する絶縁層、及びこの絶縁層を層方向に電流を通過させる導電体とを有する電流狭窄層を含むスペーサ層と、
前記第２の電極と前記スペーサ層との間に設けられ磁化が外部磁界に対して変化する磁化自由層と、
前記磁化自由層の層中に設けられ、Ｓｉ、Ｍｇ、及びＢから選択されＦｅよりも酸化物生成自由エネルギーが低い元素を少なくとも一つ含む機能層と、
を備えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた反強磁性層と、
前記第２の電極と前記反強磁性層との間に設けられ磁化が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、
前記第２の電極と前記磁化固着層との間に設けられ、酸化物を有し、トンネル電流が通過する絶縁スペーサ層と、
前記第２の電極と前記絶縁スペーサ層との間に設けられ磁化が外部磁界に対して変化する磁化自由層と、
前記磁化自由層の層中に設けられ、Ｓｉ、Ｍｇ、及びＢから選択されＦｅよりも酸化物生成自由エネルギーが低い元素を少なくとも一つ含む機能層と、
を備えることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記機能層は、Ｓｉを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素
子。
【請求項４】
前記磁化固着層の、前記スペーサ層の界面から１ｎｍ以内の領域、及び前記磁化自由層の、前記スペーサ層の界面から１ｎｍ以内の領域の少なくとも一方において、Ｆｅ含有量が１０［ａｔ．％］以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁化固着層の、前記スペーサ層の界面から１ｎｍ以内の領域、及び前記磁化自由層の、前記スペーサ層の界面から１ｎｍ以内の領域の少なくとも一方において、Ｆｅ含有量が４０［ａｔ．％］以上であることを特徴とする、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項７】
磁気記録媒体と、請求項６に記載の磁気ヘッドとを備えることを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項８】
請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項９】
請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）の急速な小型化・高密度化が進行し、今後もさらなる高密度化が見込まれている。記録トラック幅を狭くしてトラック密度を高めることで、ＨＤＤの高密度化を実現できる。しかし、トラック幅が狭くなると、記録される磁化の大きさ、すなわち記録信号が小さくなり、媒体信号を再生するＭＲヘッドの再生感度の向上が必要となる。
【０００３】
最近では、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistance effect）を利用した高感度なスピンバルブ膜を含むＧＭＲヘッドが採用されている。スピンバルブ膜は、２層の強磁性層の間にスペーサ層を挟んだサンドイッチ構造を有する積層膜であり、抵抗変化を生ずる積層膜構造部位はスピン依存散乱ユニットとも呼ばれる。２層の強磁性層の一方の強磁性層（「ピン層」あるいは「磁化固定層」という）の磁化方向は反強磁性層などで固着される。他方の強磁性層（「フリー層」あるいは「磁化自由層」という）の磁化方向は外部磁界により変化可能である。スピンバルブ膜では、２層の強磁性層の磁化方向の相対角度の変化によって、大きな磁気抵抗効果が得られる。
【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、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、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。
【０００５】
膜面垂直に通電する方式においては、ＴＭＲ素子ではスペーサ層として絶縁層を用い、通常のＣＰＰ−ＧＭＲではスペーサ層として金属層を用いる。
【０００６】
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、微弱磁界を検知するのは困難である。かかる問題に鑑み、特開２００３−１３３６１４号公報及び特開２００３−６０２６３号公報では、スピン依存散乱ユニットを構成する磁化固着層及び磁化自由層内にＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｏ、ＮおよびＦからなる群より選択される少なくとも１種の元素で構成された層を挿入し、ＣＰＰ−ＧＭＲの抵抗変化量を増大させ、磁気抵抗効果を増大させるような試みがなされている。
【０００７】
一方、上述した試みとは別に、ＣＰＰ−ＧＭＲを構成するスペーサ層を、単なる金属層ではなく、厚み方向への電流パスを含む酸化物層［ＮＯＬ（nano-oxide layer）］から構成するＣＰＰ素子が提案されている（特開２００２−２０８７４４号公報）。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。このような素子は、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１３３６１４号
【特許文献２】特開２００３−６０２６３号
【特許文献３】特開２００２−２０８７４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のようなＣＣＰ−ＣＰＰ素子では、その感度の向上が求められている。ＣＣＰ−ＣＰＰ素子の感度として、ＭＲ変化率を挙げることができる。
【００１０】
上記に鑑み、本発明は、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子のＭＲ変化率を向上させることを目的とする。また、このようなＣＣＰ−ＣＰＰ素子を用いた磁気ヘッド、磁気ディスク装置及び磁気メモリ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】
【００１１】
実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１の電極と、第２の電極とを備える。また、第１の電極と第２の電極との間に設けられた反強磁性層と、第２の電極と反強磁性層との間に設けられ磁化が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、第２の電極と磁化固着層との間に設けられ、絶縁層、及びこの絶縁層を層方向に電流を通過させる導電体とを有する電流狭窄層を含むスペーサ層と、第２の電極とスペーサ層との間に設けられ磁化が外部磁界に対して変化する磁化自由層とを備える。さらに、磁化自由層の層中、並びに磁化自由層及びスペーサ層の界面の少なくとも一か所に設けられ、Ｓｉ、Ｍｇ、及びＢから選択されＦｅよりも酸化物生成自由エネルギーが低い元素を少なくとも一つ含む機能層とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の基本構成の一例を表す斜視図である。
【図２】図１に示す磁気抵抗効果素子において機能層挿入によるＭＲ向上メカニズムを説明するための図である。
【図３】図１に示す磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図である。
【図４】図１に示す磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の一例の概略を示す模式図である。
【図５】図１に示す磁気抵抗効果素子の製造工程のフロー図である。
【図６】図１に示す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断面図である。
【図７】同じく、図１に示す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断面図である。
【図８】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気記録再生装置の一例を示す斜視図である。
【図９】本発明の磁気ヘッドアセンブリの一例を示す図である。
【図１０】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクスの一例を示す図である。
【図１１】本発明の磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリマトリクス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】
【００１３】
実施形態の磁気抵抗効果素子によれば、磁化固着層の層中、磁化自由層の層中、磁化固着層及びスペーサ層の界面、並びに磁化自由層及びスペーサ層の界面の少なくとも一か所に、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌを含む機能層を設けるようにしている。この機能層は、以下に詳述するように、磁気抵抗効果素子のスピン依存散乱ユニットに存在する余剰酸素を捕獲し、この余剰酸素が磁気固着層や磁気自由層中に拡散するのを抑制するように機能すると推定され、その結果、特に磁化自由層内部および界面に存在することによるスピン依存散乱の低下を抑制することができる。また、前記機能層は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌなどの原子番号の小さい元素から構成されているため、スピン分極した伝導電子が前記機能層中においてスピン分極を失ってしまうということがない。
【００１４】
また、前記機能層は、磁化固着層中に含まれるＭｎや磁化自由層中に含まれるＮｉなどの拡散を抑制するように機能し、前記Ｎｉなどの元素に起因したスピン依存界面散乱の低下を抑制することができる。さらに、前記磁化自由層が特にｂｃｃ構造を呈する場合は、上述した機能層の存在により、前記磁化自由層の構造安定化を図ることができる。結果として、上述した３つの作用によって、得られる磁気抵抗効果素子、すなわちＣＣＰ−ＣＰＰ素子のＭＲ変化率を増大させることができる。
【００１５】
なお、上述した３つの作用はあくまで本発明者らの考察によるものであり、本実施形態の成立性に何ら影響を及ぼすものではない。本実施形態では、いわゆるＣＣＰ−ＣＰＰ素子において、上述したような要件を満足する機能層を設けることにより、そのＭＲ変化率を向上させることが可能となることによって特徴づけられる。
【００１６】
また、本発明の他の態様によれば、前記スペーサ層は、前記電流狭窄層と、前記磁化固着層及び前記磁化自由層の少なくとも一方と隣接するようにして、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかを含む金属層を形成することができる。前記金属層が、前記電流狭窄層と前記磁化固着層との間に形成される場合、前記金属層は、前記電流狭窄層の電流パスを構成する供給源として機能するとともに、前記磁化固着層の、前記電流狭窄層中に含まれる酸化物、窒化物、酸窒化物などに対する保護層として機能する。前記金属層が、前記電流狭窄層と前記磁化自由層との間に形成される場合、前記金属層は、前記磁化自由層の、前記電流狭窄層中に含まれる酸化物、窒化物、酸窒化物などに対する保護層として機能する。
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明のその他の特徴、並びに製造方法、及び磁気ヘッドなどへの応用例を説明する。
【００１８】
（磁気抵抗効果素子：ＣＣＰ−ＣＰＰ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、図１および以降の図は全て模式図であり、図上での膜厚同士の比率と、実際の膜厚同士の比率は必ずしも一致しない。
【００１９】
本図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ようにして下電極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。
【００２０】
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、電流狭窄層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、下部金属層１５、電流狭窄層１６、および上部金属層１７がスペーサ層を構成し、ピン層１４、下部金属層１５、電流狭窄層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磁気抵抗効果を発現する基本膜構成、即ち、スピン依存散乱ユニット（スピンバルブ膜）に対応する。なお、見やすさのために、電流狭窄層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。
以下、磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。
【００２１】
＜電極＞
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膜面垂直方向に沿って電流が流れるようになる。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。
【００２２】
上電極２０は、下電極同様に、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。上電極２０には、電気的に低抵抗な材料（例えば、Ｃｕ、Ａｕ）が用いられる。
【００２３】
＜下地層＞
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。
【００２４】
バッファ層１２ａとしては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、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１〜１０ｎｍ程度が好ましく、２〜５ｎｍ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。好ましい一例として、Ｔａ［３ｎｍ］を用いることができる。
【００２５】
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。
【００２６】
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がＩｒＭｎの場合には良好なｆｃｃ（１１１）配向が実現され、ピニング層１３がＰｔＭｎの場合に規則化したｆｃｔ（１１１）構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）が得られる。また、磁性層としてｆｃｃ金属を用いたときには良好なｆｃｃ（１１１）配向を実現でき、磁性層としてｂｃｃ金属を用いたときには、良好なｂｃｃ（１１０）配向とすることができる。
【００２７】
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。好ましい一例として、Ｒｕ［２ｎｍ］を用いることができる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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５〜２０ｎｍ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。
【００３１】
スピンバルブ膜の結晶粒径は、シード層１２ｂとスペーサ層１６との間に配置された層の結晶粒の粒径によって判別できる（例えば、断面ＴＥＭなどによって決定できる）。例えば、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。
【００３２】
高密度記録に対応した再生ヘッドでは、素子サイズは確実に１００ｎｍ以下の微細なサイズとなる。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為、スピンバルブ膜の結晶粒径が２０ｎｍよりも大きいことは好ましくない。
【００３３】
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。
【００３４】
一方、結晶粒径が大きいほうが結晶粒界による電子乱反射、非弾性散乱サイトが少なくなる。このため、大きなＭＲ変化率を実現するためには、結晶粒径が大きいことが好ましく、少なくとも５ｎｍ以上であることが必要となる。このように、ＭＲ変化率の観点と素子ごとのばらつきをなくす観点それぞれでの結晶粒径への要求事項は、互いに矛盾し、トレードオフの関係にある。このトレードオフ関係を考慮した結晶粒径の好ましい範囲が、５〜２０ｎｍである。
【００３５】
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、Ｒｕ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）。
【００３６】
前述のように、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。
【００３７】
なお、微細な結晶粒径での良好なシード層１２ｂを実現できるならば、シード層１２ｂにここで挙げた材料以外を用いても構わない。
【００３８】
＜ピニング層＞
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。
【００３９】
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、４〜１８ｎｍが好ましく、５〜１５ｎｍがより好ましい。好ましい一例として、ＩｒＭｎ［７ｎｍ］を用いることができる。
【００４０】
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層も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。
【００４１】
＜ピン層：磁化固着層＞
ピン層１４は、下部ピン層１４１（例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０  ３．５ｎｍ）、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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Ｆｅ５０Ｃｏ５０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、Ｃｏ７５Ｆｅ２５を用いる場合は、同様の計算から、膜厚が約３．３ｎｍとすることが望ましい。
【００４４】
下部ピン層１４１に用いられる磁性層の膜厚は２〜５ｎｍ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変化率に影響を与える上部ピン層１４３も薄くしなければならなくなるため、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３．３ｎｍのＣｏ７５Ｆｅ２５が挙げられる。
【００４５】
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。
【００４６】
前述のように、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。
【００４７】
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、諸特性をすべて満たしたＦｅ４０Ｃｏ６０〜Ｆｅ８０Ｃｏ２０が使いやすい材料の一例である。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
上部ピン層１４３の膜厚は、厚いほうが大きなＭＲ変化率が得やすいが、大きなピン固着磁界を得るためには薄いほうが好ましく、トレードオフの関係が存在する。例えば、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いたときには、ｂｃｃ構造を安定にする必要があるため、１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。また、ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金層を用いるときにも、大きなＭＲ変化率を得るため、やはり１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。一方、大きなピン固着磁界を得るためには、上部ピン層１４３の膜厚が最大でも、５ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以下であることがより好ましい。以上のように、上部ピン層１４３の膜厚は、１．５ｎｍ〜５ｎｍが好ましく、２．０ｎｍ〜４ｎｍ程度がより好ましい。
【００５１】
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Ｃｏや、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。
【００５２】
また、上部ピン層１４３として、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌなどのホイスラー磁性合金層を用いることも可能である。
【００５３】
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ている。このような非磁性元素材料との積層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。
【００５４】
「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。
【００５５】
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。
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、非常に重要な意味をもつ。これが、上部ピン層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。
【００５６】
しかしながら、スピン依存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。スピン依存バルク散乱効果を得るための極薄Ｃｕ層の膜厚は、０．１ｎｍ〜１ｎｍが好ましく、０．２ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が薄すぎると、スピン依存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、スピン依存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、０．４ｎｍのＣｕを用いた。
【００５７】
磁性層間の非磁性層の材料として、Ｃｕの換わりに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ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０．５ｎｍ〜２ｎｍが好ましく、１ｎｍ〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
【００５８】
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など他の元素を用いてもよい。
【００５９】
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。
【００６０】
本実施形態では、図１に示すように、下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３に、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌを含む機能層２１を挿入（形成）する。この機能層は、例えば特許文献１及び２などに示したＣｕなどから構成される非磁性の挿入層によるスピン依存バルク散乱効果の向上とは異なる機能を有している。機能層２１は本実施例に示すようなＣＣＰ−ＣＰＰ素子のＣＣＰ−ＧＭＲ膜に挿入した場合のみ大きなＭＲ変化率の向上を図ることができる。機能層２１の詳細については後述する。
【００６１】
なお、機能層２１は、下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３の内部に形成するようにしているが、双方に必ずしも形成することを要求するものではなく、いずれか一方に形成することもできる。また、下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３の内部に形成することなく、その表面部分、例えば上部ピン層１４３と以下に説明するスペーサ層の下部金属層１５との間に形成するようにすることもできる。さらに、機能層２１は、ピン層に形成することなく、以下に説明するように、フリー層及び／又はキャップ層のみに形成するようにすることもできる。
【００６２】
＜スペーサ層＞
下部金属層１５は、電流パス１６２の形成に用いられ、電流パス１６２の供給源である。下部金属層１５は、その上部の絶縁層１６１を形成するときに、下部に位置する上部ピン層１４３の酸化を抑制するストッパ層としての機能も有する。
【００６３】
電流パス１６２の構成材料がＣｕの場合には、下部金属層１５の構成材料も同一（Ｃｕ）であることが好ましい。電流パス１６２の構成材料を磁性材料とする場合には、この磁性材料はピン層１４の磁性材料と同一、別種のいずれでも構わない。電流パス１６２の構成材料として、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇなどを用いても良い。
【００６４】
電流狭窄層１６は、絶縁層１６１、電流パス１６２を有する。絶縁層１６１は、酸化物、窒化物、酸窒化物等から構成される。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、１ｎｍ〜３ｎｍが好ましく、１．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲がより好ましい。
【００６５】
電流パス１６２は、電流狭窄層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、電流狭窄層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を、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。
【００６６】
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）、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。
【００６７】
上部金属層１７は、電流狭窄層１６を構成する酸素・窒素がフリー層１８中に拡散することを抑制するためのバリア層、およびフリー層１８の良好な結晶成長を促進するためのシード層として機能する。具体的には、上部金属層１７は、その上に成膜されるフリー層１８が電流狭窄層１６の酸化物・窒化物・酸窒化物に接して酸化や窒化されないように保護する。即ち、上部金属層１７は、電流パス１６２の酸化物層中の酸素とフリー層１８との直接的な接触を制限する。また、上部金属層１７は、フリー層１８の結晶性を良好にし、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、結晶性を良好にする極薄のシード層（例えば、Ｃｕ層）を配置することで、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。
【００６８】
上部金属層１７の材料は、電流狭窄層１６の電流パス１６２の材料（例えば、Ｃｕ）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ためである。なお、電流パス１６２の構成材料を磁性材料とする場合には、この磁性材料はフリー層１８の磁性材料と同一、別種のいずれでも構わない。上部金属層１７の構成材料として、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇなどを用いることができる。
【００６９】
＜フリー層：磁化自由層＞
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、電流狭窄層１６との界面には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが大きなＭＲ変化率を実現するために好ましい。高いＭＲ変化率を得るためには、電流狭窄層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］単層も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１８を用いても構わない。また、後述するように、フリー層１８の一部にＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス合金層を用いても構わない。
【００７０】
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０．５ｎｍ〜４ｎｍとすることが好ましい。その他、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０〜９０）も用いることができる好ましい組成範囲である。
【００７１】
また、フリー層１８として、１ｎｍ〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ〜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。
【００７２】
電流狭窄層１６を形成する材料のうち、電流が流れる電流パス層１６２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層を電流狭窄層１６との界面材料として用いると、ＭＲ変化率が大きくなる。電流狭窄層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。例えば、Ｃｏ５０Ｆｅ５０［１ｎｍ］／Ｎｉ８５Ｆｅ１５［３．５ｎｍ］を用いることができる。
【００７３】
また、フリー層１８の一部として、ＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス磁性層を用いても構わない。ただし、アモルファス磁性層を用いる場合でも、ＭＲ変化率に大きな影響を与えるスペーサ層１６と接する界面は結晶構造を有する磁性層を用いることが必要である。
フリー層１８の構造としては、スペーサ層１６側からみて、次のような構成が可能である。即ち、フリー層１８の構造として、（１）結晶層のみ、（２）結晶層/アモルファス層の積層、（３）結晶層/アモルファス層/結晶層の積層、などが考えられる。ここで重要なことは、（１）〜（３）いずれでもスペーサ層１６との界面は必ず結晶層が接するようにしていることである。
【００７４】
本実施形態では、フリー層１８内に、図１に示すように、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌを含む機能層２１を挿入（形成）する。この機能層は、ピン層の場合に説明したように、例えば特許文献１及び２などに示したＣｕなどから構成される非磁性の挿入層によるスピン依存バルク散乱効果の向上とは異なる機能を有している。機能層２１は本実施例に示すようなＣＣＰ−ＣＰＰ素子のＣＣＰ−ＧＭＲ膜に挿入した場合のみ大きなＭＲ変化率の向上を図ることができる。機能層２１の詳細については後述する。
【００７５】
なお、機能層２１は、フリー層１８の内部に形成するようにしているが、その表面部分、例えばフリー層１８と以下に説明するスペーサ層の上部金属層１７との間に形成するようにすることもできる。さらに、機能層２１は、フリー層に形成することなく、以下に説明するようにキャップ層のみに形成するようにすることもでき、上述したようにピン層にのみ形成するようにすることができる。
【００７６】
＜キャップ層＞
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
本実施形態では、キャップ層１９内に、図１に示すように、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌを含む機能層２１を挿入（形成）する。この機能層は、ピン層の場合に説明したように、例えば特許文献１及び２などに示したＣｕなどから構成される非磁性の挿入層によるスピン依存バルク散乱効果の向上とは異なる機能を有している。機能層２１は本実施例に示すようなＣＣＰ−ＣＰＰ素子のＣＣＰ−ＧＭＲ膜に挿入した場合のみ大きなＭＲ変化率の向上を図ることができる。機能層２１の詳細については後述する。
【００８０】
なお、機能層２１は、キャップ層１９の内部に形成するようにしているが、その表面部分、例えばフリー層１８とキャップ層１７との間に形成するようにすることもできる。さらに、機能層２１は、キャップ層に形成することなく、上述したようにピン層及び／又はフリー層にのみ形成するようにすることができる。
【００８１】
本実施形態では、上述した下部ピン層１４１、上部ピン層１４３、フリー層１８、及びキャップ層１９の少なくとも一層に、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌを含む機能層２１を挿入することにより、図１に示す構成の磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）のＭＲ変化率を増大させることができる。なお、上述したように、特許文献１及び２などに開示された技術は、上記機能層に類似した挿入層の形成によってスピン依存バルク散乱を向上させ、その結果、ＭＲ変化率を増大させているが、本実施形態（本発明）の機能層は、以下に説明するように、従来のようなスピン依存バルク散乱によってＭＲ変化率が増大するものではない。
【００８２】
（機能層の詳細）
本発明者らは、図１に示す磁気抵抗効果素子の下部ピン層１４１、上部ピン層１４３、フリー層１８、またはキャップ層１９の少なくとも一層に、Ｓｉからなる機能層を挿入することにより、ＭＲ変化率が向上することを発見した。下記にＭＲ変化率の向上を確認した磁気抵抗効果膜の膜構成を示す。Ｓｉ機能層の挿入をしていない、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜の膜構成を示す。
【００８３】
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［３．３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］
・金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・電流狭窄層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・金属層１７：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
・フリー層１８：Ｆｅ４０Ｃｏ６０［２ｎｍ］／Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］
・上電極２０  
【００８４】
上記の膜構成のＣＣＰ−ＧＭＲ膜のＭＲ変化率は１１％であった。上記のＣＣＰ−ＧＭＲ膜のフリー層１８にＳｉ機能層を挿入していないＦｅ４０Ｃｏ６０［２nm］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５nm］を用いた場合のＭＲ変化率は９．５％である。上記の結果より、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜のフリー層１８にＳｉ層を挿入することにより、１．５％のＭＲ変化率の向上を確認することができた。
【００８５】
上記の膜構成において、フリー層１８へのＳｉ挿入によりＭＲ変化率の向上を確認したが、キャップ層１９、ピン層１４にＳｉを挿入しても同様にＭＲ変化率の向上を確認した。それらの結果の詳細は実施例に示す。
【００８６】
以下、本実施形態の磁気抵抗効果膜の構造がＭＲに優れる理由について詳細に説明する。ただし、現時点では、ＭＲが向上したメカニズムは完全に把握しきれていない部分もある。
【００８７】
Ａ．機能層挿入によるＭＲ向上および信頼性向上メカニズム考察
機能層挿入によるＭＲ向上および信頼性向上の原因として、余剰酸素の捕獲効果が考えられる。図２（a）に機能層を挿入していない、従来のＣＣＰ−ＧＭＲ膜の断面図を示す。図２の膜構成では、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を用いているため、Ａｌ２Ｏ３形成時に発生する余剰酸素が隣接する、ピン層１４、およびフリー層１８に拡散してしまう。
【００８８】
このような電流狭窄層１６からピン層１４およびフリー層１８への余剰酸素の拡散は、ピン層およびフリー層に用いられている磁性材料Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの酸化を引き起こす。
酸化によって生成されたＣｏＯ、ＦｅＯ、ＮｉＯがピン層１４およびフリー層１８の内部に存在すると、スピン依存バルク散乱の低下を招く。また、ＣｏＯ、ＦｅＯ、ＮｉＯがピン層１４と下部金属層１５との界面、または上部金属層１７とフリー層１８との界面に存在すると、スピン依存界面散乱の低下を招く。これらの現象は、ともにＭＲの低下を招いてしまう。従来のＣＣＰ−ＧＭＲ膜は、上記のような理由で、ＧＭＲ効果のフルポテンシャルを発揮できておらず、今後さらに高い記録密度の磁気記録装置用の磁気ヘッドに搭載するためには、絶縁層１６２からの余剰酸素の拡散を防ぐことが有効な手段である。
【００８９】
図２（ｂ）には、図２（ａ）に示したCCP-GＭＲ膜に機能層を挿入した場合の断面図を示す。図２（ｂ）では、上部ピン層１４３中に機能層２１としてＳｉを、フリー層１８中に機能層２１としてＳｉを挿入している。表１にさまざまな元素の酸化物生成エネルギーの一覧を示す。表１において、酸化物生成エネルギーが低いほど、酸化されやすい元素である。表１より、Ｓｉはピン層１４、およびフリー層１８に用いられているＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉよりも酸化されやすい。そのため、フリー層、ピン層の酸素は、挿入されたＳｉに集まり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの還元、およびＳｉの酸化が引き起こされる。Ｓｉからなる元素を機能層として、上部ピン層１４３、およびフリー層１８に挿入することで、ＣｏＯ、ＦｅＯ、ＮｉＯの形成を抑制することができ、スピン依存バルク散乱、スピン依存界面散乱の低下を抑制できる。結果として、ＧＭＲ効果のフルポテンシャルを発揮することにより高いＭＲ変化率を得ることができる。
【００９０】
【表１】
0006054479.tif 000002
【００９１】
ここで、機能層に用いる元素は適切に選択しなくては、上記のＭＲ変化率の向上効果を得ることができない。表１に示すようにＳｉ以外にも、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉよりも酸化されやすい元素は多数存在する。例えば、ＴａやＨｆなど原子番号の大きい元素をピン層、フリー層中に挿入した場合でも、上述したＳｉ元素と同様に余剰酸素を捕獲する機能を発揮すると考えられる。しかし、ＴａやＨｆなど原子番号の大きい元素を機能層として用いた場合、スピン分極した伝導電子が、原子番号の大きいＴａ、Ｈｆ層を通過するときにスピン軌道相互作用により、スピンに依存しない散乱を引き起こしてしまう。つまり、Ｔａ、Ｈｆ層の余剰酸素捕獲によりＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの磁性元素がＧＭＲ効果のフルポテンシャルを発揮できる状態となっても、伝導電子がＴａ、Ｈｆ層においてスピン分極を失ってしまい、スピン分極した伝導電子が磁性元素に効率よく届かず、結果としてＧＭＲ効果を阻害してしまい、ＭＲ変化率の低下を招く。
【００９２】
一方、本発明でＭＲの向上を確認したＳｉは比較的原子番号の小さい元素であるため、スピンに依存しない電子の散乱はＴａやＨｆほど顕著には起こらず、ＧＭＲ効果を阻害することがない。すなわち、スピンに依存しない電子の散乱というデメリットは引き起こさずに、余剰酸素の捕獲効果というメリットのみ享受できるため、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜のＭＲ変化率の向上を起こせる。上記の理由から、Ｓｉ以外にも比較的原子番号の小さい元素であり、かつＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉよりも酸化されやすい元素として、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌが挙げられる。これらの元素も、Ｓｉと同様に余剰酸素の捕獲によるＣＣＰ−ＧＭＲ膜のＭＲ変化率の向上を期待できる。
【００９３】
機能層の挿入によるＭＲ変化率の向上には、挿入層による余剰酸素捕獲効果に加えて、拡散防止の効果も影響している可能性がある。ピニング膜１３に含まれるＭｎや上部フリー層に含まれるＮｉが、電流狭窄層の近傍に拡散してくると、電流パスの比抵抗の増大、およびスピン依存界面散乱の低下を招く。これらの現象はともにＭＲ変化率の低下を招いてしまう。例えば、図１の磁気抵抗効果膜において、上部ピン層１４３にＳｉからなる機能層を挿入することにより、ピニング層１３に含まれるＭｎの電流狭窄層１６近傍への拡散を抑制して、機能層の挿入によるＭＲ変化率が向上していることが考えられる。また、例えば図１の磁気抵抗効果膜において、フリー層１８として、Ｆｅ４０Ｃｏ６０［２ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３５ｎｍ］を用いた場合、Ｆｅ４０Ｃｏ６０［２ｎｍ］とＮｉ８３Ｆｅ１７［３５ｎｍ］との間に機能層としてＳｉ［０．２５ｎｍ］を設けた場合、フリー層１８のＮｉの電流狭窄層１６への拡散を抑制して、ＭＲ変化率の向上していることが考えられる。
【００９４】
しかしながら、後の実施例にも示すが、キャップ層１９に機能層としてＳｉを挿入した場合でも、ＭＲ変化率の向上効果を確認できている。この場合の機能層は、ピニング層と電流狭窄層との間、またフリー層内部のＮｉ含有層と電流狭窄層との間に配置されてはいないため、Ｍｎ、Ｎｉの拡散防止層の役割は果たしていない。この結果から、上述したＭｎ、Ｎｉの拡散防止効果は、本発明の機能層挿入によるＭＲ変化率向上の少なくとも主原因ではないと考えられる。
【００９５】
機能層の挿入によるＭＲ変化率の向上のメカニズムのもうひとつとして、フリー層１８のｂｃｃ構造安定化が考えられる。
【００９６】
フリー層１８のスペーサ層界面側に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。しかし、フリー層１８を、ｂｃｃ構造を有する例えばＦｅ５０Ｃｏ５０の単層を用いると、軟磁気特性の観点から好ましくなく、実用上、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［２ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［３．５ｎｍ］のように、軟磁気特性に優れたＮｉＦｅ合金との積層構造とすることが望ましい。しかし、このような積層構造にした場合、Ｆｅ５０Ｃｏ５０層が１ｎｍと薄いために、Ｆｅ５０Ｃｏ５０の上部に設けられたＮｉＦｅ合金のｆｃｃ構造に影響を受けて、Ｆｅ５０Ｃｏ５０層のｂｃｃ構造が不安定となる。ここで、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［２ｎｍ］／Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［３．５ｎｍ］のようにｂｃｃ構造のＦｅ５０Ｃｏ５０とｆｃｃ構造のＮｉＦｅ合金との間にＳｉ層を挿入することにより、Ｆｅ５０Ｃｏ５０とＮｉＦｅ合金との格子整合を断ち切って、Ｆｅ５０Ｃｏ５０層のｂｃｃ構造を安定化することが考えられる。
【００９７】
しかしながら、上述したように、キャップ層１９にＳｉ層を挿入した場合でもＭＲ向上効果を確認できているため、上述したｂｃｃ構造安定化は少なくとも主原因ではないと考えられる。
【００９８】
上述したように、本発明で確認した機能層挿入によるＭＲ変化率向上効果はＣＣＰ−ＮＯＬからの余剰酸素の捕獲が原因である可能性が高い。ただし、フリー層１８にＦｅ５０Ｃｏ５０［２ｎｍ］／Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［３．５ｎｍ］となるようにＳｉ機能層を挿入した場合などは、上述したＮｉの拡散防止効果やＦｅ５０Ｃｏ５０層のｂｃｃ安定効果も余剰酸素捕獲効果に加えて機能を果たしている可能性もある。上記の理由によって、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜において、機能層２１の挿入によって、ＭＲ変化率の向上をはかることができる。
【００９９】
Ｂ．機能層の構造
本実施形態の機能層２１としては、Ｓｉ以外にも、Ｍｇ、Ｂ、ＡｌなどのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅよりも酸化エネルギーが低く、原子番号の低い元素も用いることができる。機能層２１として、非磁性材料であるＳｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌを挿入することで、ピン層１４、またはフリー層１８内（即ち、機能層２１を介した上下の磁性層間）での磁気結合が分断される可能性がある。機能層２１を介した磁気結合を十分大きな値として保つためには、機能層２１の膜厚として、０．０５ｎｍ〜１ｎｍ、さらに好ましくは０．１ｎｍ〜０．７ｎｍが望ましい。
【０１００】
一方、機能層２１をキャップ層１９に用いる場合、磁気結合の分断などの問題は考えなくともよいため、ピン層１４およびフリー層１８内に用いる場合よりも、厚い膜厚まで用いることができる。ただし、厚すぎると、直列抵抗の増大を招くため、０．０５ｎｍ〜３ｎｍ、さらに好ましくは０．１ｎｍ〜１ｎｍが望ましい。
【０１０１】
機能層２１をピン層１４およびフリー層１８内に用いる場合、磁性元素Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅとＳｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌとの混合層を用いてもよい。例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［２ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［３．５ｎｍ］なる構成のフリー層１８に機能層を挿入する場合、Ｆｅ５０Ｃｏ５０にＳｉを添加した合金層やＮｉ９０Ｆｅ１０にＳｉを添加した合金層を機能層として挿入することができる。ここで、磁性元素との混合層を機能層とすることは、Ｓｉ単層の機能層に比べてＳｉ原子が膜厚方向に広がってしまうために、余剰酸素を局所的に捕獲する効果はＳｉ単層に比べて弱まる。ただし、上記のように、Ｓｉ単層よりも余剰酸素を一箇所に捕獲する能力が低くとも、機能層を挿入しない場合よりはＭＲ変化率の向上を引き起こせる。また、磁性元素との混合層を機能層として用いた場合、Ｓｉ単層で用いた場合よりも、機能層を介した上下の磁性層の磁気結合がとりやすいというメリットもあるため、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅとＳｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌとの混合層を用いても良い。
【０１０２】
ここで、ピン層１４を構成する磁性層、およびフリー層１８を構成する磁性層全体に添加した場合を考えてみると、例えば、フリー層１８として用いる、ＦｅＣｏ／ＮｉＦｅのような積層磁性層に、Ｓｉを全体的に添加すると、ＦｅＣｏＳｉ／ＮｉＦｅＳｉのフリー層１８となる。この場合では、余剰酸素を捕獲するＳｉがフリー層１８の全体に存在するため、機能層として挿入した場合の一箇所に酸素を集める効果がなくなってしまう。つまり、本実施形態（本発明）のＳｉの挿入は、あくまで機能層として挿入することに意味があり、磁性層全体への添加元素として用いても本発明の効果を得ることができない。
【０１０３】
機能層２１の配置する位置としては、スペーサ層からあまり離れた位置に配置することは望ましくない。この理由は、スペーサ層からあまり離れた位置に配置すると、ピン層１４、およびフリー層１８のスペーサ層に近い部分の余剰酸素を捕獲することができず、電流狭窄が行われる電流狭窄層１６の近傍の最もＭＲに寄与のある磁性層に余剰酸素が残ってしまうためである。機能層２１を挿入する位置としては、ピン層１４に挿入する場合は、ピン層１４とスペーサ層との界面から膜面に対してピン層１４の方向に１０ｎｍ以内の領域、また、フリー層１８、キャップ層１９に挿入する場合は、スペーサ層とフリー層１８の界面から膜面に対してフリー層１８の方向に１０ｎｍ以内の領域に配置することが望ましい。
【０１０４】
機能層２１は、ピン層１４、フリー層１８、キャップ層１９といった層に複数層挿入しても構わない。このような場合には、例えば、フリー層１８に複数層挿入する場合、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／機能層第一層Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［１．５ｎｍ］／機能層第二層Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［１．０ｎｍ］／機能層第三層Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［１．０ｎｍ］のようにすることができる。これら第１層と第２層、もしくは第２層と第３層との間の距離は、１ｎｍから２ｎｍ程度が望ましい範囲である。
【０１０５】
機能層２１を複数層用いるメリットとして、機能層の余剰酸素の捕獲効果を増強する点がある。機能層２１を複数層挿入するのは、ピン層１４の場合でも良いし、フリー層１８、キャップ層１９の場合でも良い。また、ピン層１４、フリー層１８の両方に複数層挿入してもよい。
【０１０６】
複数層の機能層２１を用いるデメリットとして、機能層２１を介した磁性層間の磁気結合が弱まることで、磁気特性が悪くなる可能性がある。磁気特性の劣化を防止するためには、ピン層１４、およびフリー層１８内での機能層２１の膜厚の総量が一層の場合と同等の膜厚範囲であることが好ましい。また、一つの磁性層内での複数の機能層２１間の距離としては、上述したように、１〜２ｎｍが好ましい範囲となる。
【０１０７】
機能層２１挿入によるＭＲの増大量は磁性層の材料によって異なり、Ｆｅ組成が高いときに大きい。例えば、以下の膜構成の場合、
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［３．３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・電流狭窄層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
・フリー層１８：後述
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］
・上電極２０
フリー層１８の構成がＦｅ−Ｃｏ［２ｎｍ］／Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］（機能層２１有）と、Ｆｅ−Ｃｏ［２ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］（機能層２１無）とにおいて、フリー層１８中のスペーサ層との界面におけるＦｅ−Ｃｏ合金の組成とＳｉ挿入とによるＭＲの増大量を比較すると、Ｆｅ組成が１０[at.%]で０．５％向上、Ｆｅ組成が４０[at.%]で１．５％向上、Ｆｅ組成が５０[at.%]で２．２％向上となった。
【０１０８】
この結果から、フリー層１８のスペーサ層界面側に配置されたＦｅ−Ｃｏ合金のＦｅ組成が大きい場合に、Ｓｉ挿入によるＭＲの向上が大きいことがわかる。したがって、機能層２１を磁性層に挿入する場合、磁性層内部においてスペーサ層から１ｎｍ以内の領域のＦｅ組成が１０ａｔ％以上であることが、機能層２１挿入によるＭＲ向上効果を得る上で望ましく、４０ａｔ％以上であることがさらに望ましい。
【０１０９】
Ｆｅ組成の高い磁性層において、機能層２１挿入によるＭＲ増大量が大きい原因として、磁性元素の酸化エネルギーの違いが考えられる。Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの中でもＦｅは最も酸化エネルギーが低く酸化しやすい。ピン層１４やフリー層１８には、Ｆｅ組成の高い磁性材料を用いている場合は、ＣＣＰ−ＮＯＬからの余剰酸素による酸化が起こりやすく、余剰酸素のない場合のＧＭＲ効果のフルポテンシャルに対する余剰酸素の影響をうけたＭＲの劣化量が大きい。このような余剰酸素によるＭＲ劣化量の大きかった磁性層では、Ｓｉ挿入による余剰酸素の捕獲効果によるＭＲの回復量も大きいため、Ｓｉ挿入によるＭＲ増大量が大きい。Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの中では、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの順で酸化エネルギーが高くなっていくため、機能層２１によるＭＲ増大量もＦｅ含有量の大きい磁性層が最も高く、次にＮｉ、Ｃｏの順となる。
【０１１０】
上記のような機能層が挿入された磁気抵抗効果膜１０の構造は、３次元アトムプローブにより確認することができる。３次元アトムプローブとしては、例えばImago Scientific Instruments社のLocal Electrode Atom Probeを用いることができる。
【０１１１】
３次元アトムプローブ顕微鏡は、材料の原子オーダーでの組成情報を３次元でマッピング可能な測定手法である。具体的には、先端の曲率半径３０〜１００ｎｍ、高さ１００μｍ程度のニードル状のポストに加工された測定対象サンプルに高電圧を印加する。そして、測定対象サンプルの先端から電解蒸発された原子の位置を２次元ディテクターで検知する。２次元ディテクターで検知された（x、 y）２次元平面内での原子の位置情報の時間経過（時間軸）を追うことで、ｚ方向の深さ情報を得て（ｘ、ｙ、ｚ）３次元の構造が観察可能となる。
【０１１２】
なお、Imago Scientific Instruments社の装置のほかに、Oxford Instruments社やCameca社、もしくは同等の機能を有する３次元アトムプローブを用いても分析することが可能である。また、一般には電圧パルスを印加して電解蒸発を生じさせるが、電圧パルスの換わりにレーザーパルスを用いても良い。どちらの場合にも、バイアス電界を付加するためにＤＣ電圧を用いる。電圧パルスの場合、電圧によって、電界蒸発に必要な電界を引火する。レーザーパルスの場合、局所的に温度を上昇させ、電界蒸発を起こりやすい状態にすることで、電界蒸発を生じさせる。
【０１１３】
また、上記のような機能層が挿入された磁気抵抗効果膜１０の構造は、断面TEM像において、局所的にEDXによる元素分析をすることによっても、特定することが出来る。
【０１１４】
なお、本実施形態では、図１には、ボトム型のＣＣＰ−ＧＭＲ膜を示しているが、トップ型のＣＣＰ−ＧＭＲ膜を形成し、これに対して上述のような方法（形態）に従って、適宜に機能層の挿入するようにすることもできる。図３に機能層２１を設けたトップ型のＣＣＰ−ＧＭＲ膜の断面図を示す。トップ型の場合、ボトム側でのキャップ層１９への機能層２１挿入の代わりに、下地層１２に機能層２１挿入を用いることができる。
次に、本実施形態のＣＣＰ−ＣＰＰ素子を他の参考例と対比して説明する。
【０１１５】
Ｃ．メタルCPP-GMR膜にSiを挿入した場合との比較
メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜において、Ｃｕを磁性層に挿入することにより、スピン依存バルク散乱が増強し、ＭＲ変化率が向上する技術が、非特許文献１に公開されている（非特許文献１：H. Yuasa et al.、 J. Appl. Phys. 92 (5)、 2646 (2002)）。また、上述した特許文献１（特開２００３−１３３６１４号）及び特許文献２（特開２００３−６０２６３号）では、Ｃｕに加えて、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉなどで形成された挿入層がメタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜の抵抗変化量を増強するのに有効であると示してある。以下、本発明のＣＣＰ−ＧＭＲ膜にＳｉを挿入した場合とメタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜にＳｉを挿入した場合との違いを説明する。
【０１１６】
メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜において、挿入層を用いることにより、ＭＲ変化率が向上する原因はスピンバルク散乱効果の増強である。最もスピン依存バルク散乱の増強に効果のある元素はＣｕであり、本発明で挙げたＳｉやＡｌやＢやＭｇはＣｕに比べてその増強効果は低く、メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜では、Ｃｕを挿入した場合が最もＭＲ変化率を増強できる。具体的には、メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜にＳｉ、Ｂ、Ａｌを挿入した場合のＭＲの増大量は、メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜にＣｕを挿入した場合のＭＲの増大量の１／４以下である。
【０１１７】
ＣＣＰ−ＧＭＲ膜においても、挿入層の挿入によるバルク散乱の増強効果は有効である。実際に本実施形態においても上部ピン層１４３にＦｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ［２．５ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ［２．５ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］のようにＣｕを挿入することにより、スピン依存バルク散乱の増強効果を利用している。しかしながら、Ｃｕ挿入によるＣＣＰ−ＧＭＲ膜のＭＲ増大量が約１％であるのに対し、Ｓｉ挿入によるＭＲの増大量は１．５％以上であった。これは、メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜に挿入した場合とは完全に逆転した関係である。したがって、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜にＳｉを挿入した場合のＭＲ向上の原因がメタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜に挿入した場合のＭＲ向上の原因とは異なっていることを示しており、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜へのＳｉ挿入による大きなＭＲ変化率の向上はＣＣＰ−ＧＭＲ膜での特有の現象であることがわかる。
【０１１８】
また、本発明のＣＣＰ−ＧＭＲ膜へのＳｉ挿入によるＭＲ向上効果が、メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜へのＳｉ挿入によるＭＲ向上効果とは異なる理由として、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜のキャップ層１９にＳｉを挿入した場合でもＭＲ向上効果があることが挙げられる。メタルＣＰＰ−ＧＭＲのキャップ層にＳｉを挿入してもスピン依存バルク散乱の増強は起こらないため、ＭＲ変化率の向上はまったく起きない。
【０１１９】
上述のように、メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜の磁性層内にＳｉを挿入しても、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜にＳｉを挿入した場合のような大きなＭＲの向上がみられない原因は、メタルＣＰＰ−ＧＭＲ膜では、余剰酸素の供給源となるＣＣＰ−ＮＯＬがないため、磁性層内に余剰酸素がなく、バルクおよび界面のスピン依存散乱のフルポテンシャルをもともと発揮できているためであると考えられる。一方、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜では、ＣＣＰ−ＮＯＬからの余剰酸素により、バルクおよび界面のスピン依存散乱のフルポテンシャルが発揮できていないために、Ｓｉ挿入による余剰酸素の捕獲によるスピン依存散乱を回復する効果を利用することができ、その結果、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜へのＳｉ機能層による余剰酸素の捕獲という特有の効果により、大きなＭＲ向上がおきていると考えられる。
【０１２０】
このように、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜へのＳｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌからなる機能層挿入による余剰酸素の捕獲という特有の効果を利用することで、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜のＭＲ変化率に大きな効果を得ることができる。
【０１２１】
Ｄ．ＴＭＲ膜への機能層の適用
本発明の機能層は、ＴＭＲ膜に適用しても、ＭＲの向上効果が期待できる。
ＴＭＲ膜は、図１に示すＣＣＰ−ＧＭＲ膜のスペーサ層として用いられている、下部金属層１５＋電流狭窄層１６＋上部金属層１７を、絶縁層に置き換えた構造を有する。ＴＭＲ膜の絶縁層には、例えばＭｇＯやＡｌ２Ｏ３などの酸化物が用いられる。ＴＭＲ膜では、ピン層１４およびフリー層１８のスピン分極率がＭＲを議論するのに用いられる。このスピン分極率は、ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３からピン層１４およびフリー層１８への余剰酸素の拡散により低下する。そのため、ＴＭＲ膜においても、余剰酸素の拡散によるスピン分極率の低下を抑制することがＭＲ変化率の向上に有効である。つまり、本発明の機能層をＴＭＲ膜のピン層１４、フリー層１８、およびキャップ層１９に適用した場合でもＭＲ変化率の向上が期待できる。
【０１２２】
ＴＭＲ膜に本発明の機能層を適用する例として、以下のような膜構成が挙げられる。
Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］／Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］／Ｃｏ８０Ｆｅ２０［２ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）８０Ｂ２０［２．４ｎｍ］／ＭｇＯ［１．５ｎｍ］／Ｃｏ８０Ｆｅ２０［１ｎｍ］／Ｓｉ［０．２５ｎｍ］／Ｎｉ８５Ｆｅ１５［３．５ｎｍ］／Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］
上記の膜構成は、ＴＭＲ膜のフリー層に機能層としてＳｉ［０．２５ｎｍ］を用いた場合の例である。
【０１２３】
ＴＭＲ膜に本発明の機能層を適用する例として、さらに以下のような膜構成が挙げられる。
Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］／Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］／Ｃｏ８０Ｆｅ２０［２ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）８０Ｂ２０［０．８ｎｍ］／Ｓｉ［０．１２５ｎｍ］／（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）８０Ｂ２０［１．６ｎｍ］／ＭｇＯ［１．５ｎｍ］／Ｃｏ８０Ｆｅ２０［１ｎｍ］／Ｎｉ８５Ｆｅ１５［３．５ｎｍ］／Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］
上記の膜構成は、ＴＭＲ膜のピン層に機能層としてＳｉ［０．１２５ｎｍ］を用いた場合の例である。
【０１２４】
ＴＭＲ膜に本発明の機能層を適用する例として、さらに以下のような膜構成が挙げられる。
Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］／Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］／Ｃｏ８０Ｆｅ２０［２ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）８０Ｂ２０［２．４ｎｍ］／ＭｇＯ［１．５ｎｍ］／Ｃｏ８０Ｆｅ２０［１ｎｍ］／Ｎｉ８５Ｆｅ１５［３．５ｎｍ］／Ｓｉ［０．５ｎｍ］／Ｃｕ［０．５ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１ｎｍ］
上記の膜構成は、ＴＭＲ膜のキャップ層に機能層としてＳｉ［０．５ｎｍ］を挿入した場合の例である。
【０１２５】
以上、絶縁スペーサ層としてＭｇＯを用いた場合の適用例を示した。絶縁スペーサ層に用いる材料が酸素を含有している材料ならば、機能層挿入によるＭＲの向上効果が期待できる。絶縁スペーサ層の具体的な材料としては、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２を用いることができる。
【０１２６】
（磁気抵抗効果素子の製造に用いられる装置）
図４は、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の一例の概略を示す模式図である。
【０１２７】
図４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、酸化物層・窒化物層形成チャンバー（ＯＣ）
６０がそれぞれゲートバルブを介して設けられている。この成膜装置では、ゲート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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
（磁気抵抗効果膜の製造方法）
次に、本実施形態における磁気抵抗効果素子の製造方法の一例について詳細に説明する。
図５に磁気抵抗効果素子の製造工程のフロー図を示す。基本的な製造プロセスは、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。この際、基板は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、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。
次に、各層の製造工程について説明する。
【０１３０】
（１）下地層１２の形成（ステップＳ１１）
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。
【０１３１】
（２）ピニング層１３の形成（ステップＳ１２）
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。
【０１３２】
（３）ピン層１４（および機能層２１）の形成（ステップＳ１３）
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。
【０１３３】
ここで、例えば上部ピン層１４３の成膜の途中で、成膜する材料を換えることにより、機能層２１を形成することができる。具体的には、成膜材料をＣｏ９０Ｆｅ１０からＳｉに切り替え、再度Ｃｏ９０Ｆｅ１０に戻すことで、上部ピン層１４３中にＳｉからなる機能層２１が形成される。また、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からＳｉに切り替え、再度Ｃｏ９０Ｆｅ１０に切り替えない場合は、上部ピン層１４３の表面上に機能層２１が形成されることになる。
【０１３４】
（４）スペーサ層１５〜１７の形成（ステップＳ１４）
次に、電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有する電流狭窄層１６を含む、スペーサ層１５〜１７を形成する。スペーサ層１５〜１７を形成するには、酸化物層・窒化物層形成チャンバー６０を用いる。
【０１３５】
電流狭窄層１６を形成するには、以下のような方法を用いる。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を含む電流狭窄層を形成する場合を例に説明する。
【０１３６】
１）上部ピン層１４３（あるいは機能層２１）上に、電流パスの供給源となる下部金属層１５（例えばＣｕ）を成膜した後、下部金属層１５上に絶縁層に変換される被酸化金属層（例えばＡｌＣｕやＡｌ）を成膜する。次いで、前記被酸化金属層に希ガス（例えばＡｒ）のイオンビームを照射して前処理を行う。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。
【０１３７】
２）酸化ガス（例えばＯ２）を供給して被酸化材料を酸化する。この酸化により、被酸化金属層をＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層１６１に変換するとともに、絶縁層１６１を貫通する電流パス１６２を形成して、電流狭窄層１６を形成する。例えば、希ガス（Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｈｅなど）のイオンビームを照射しながら酸化ガス（例えば酸素）を供給して被酸化金属層を酸化することができる。この方法をＩＡＯ（Ion Assisted Oxidation）という。この酸化処理により、絶縁層１６１であるＡｌ２Ｏ３と電流パス１６２であるＣｕとが分離した形態の電流狭窄層１６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。次いで、電流狭窄層１６の上に、上部金属層１７（たとえばＣｕ）を成膜する。
【０１３８】
（５）フリー層１８（および機能層２１）の形成（ステップＳ１５）
上部金属層１７の上に、フリー層１８として、例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］/Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］を成膜する。ここで、フリー層１８の成膜の途中で、成膜する材料を換えることにより、機能層２１を形成することができる。具体的には、成膜材料をＣｏ９０Ｆｅ１０からＳｉに切り替え、次いで、Ｎｉ８３Ｆｅ１７に切り替えることで、フリー層１８中にＳｉからなる機能層２１が形成される。また、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からＳｉに切り替え、Ｎｉ８３Ｆｅ１７に切り替えない場合は、フリー層１８の表面上に機能層２１が形成されることになる。
【０１３９】
（６）キャップ層１９（および機能層２３）、および上電極２０の形成（ステップＳ１６）
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。ここで、キャップ層１９の成膜の途中で、成膜する材料を換えることにより、機能層２２を形成することができる。具体的には、成膜材料をＣｕからＳｉに切り替えて、次にＣｕに切り替えることで、キャップ層１９中にＳｉからなる機能層２１を形成することができる。
【０１４０】
次いで、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】
【０１４１】
（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の基本膜構成を以下に示す。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［３．３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・電流狭窄層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
・フリー層１８：後述
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］
・上電極２０
【０１４２】
本実施例では、フリー層１８への機能層挿入の有無による磁気抵抗効果膜の特性の比較を行った。以下にフリー層１８に機能層を設けた実施例１と機能層を設けていない比較例１のフリー層構成と、本実施例１と比較例１の磁気抵抗効果膜の特性を評価した結果を以下に示す。
【０１４３】
【表２】
0006054479.tif 000003
【０１４４】
実施例１の磁気抵抗効果膜は、比較例１に対して１．５％のＭＲの向上を確認できた。
このＭＲの向上は、ＣＣＰ−ＮＯＬのＡｌ２Ｏ３からフリー層１８中に拡散した余剰酸素を、挿入したＳｉ層が捕獲したためと考えられる。また、実施例１に係る磁気抵抗効果膜を３次元アトムプローブで観察したところ、フリー層１８内部に機能層としてＳｉが層状に形成されているのを確認できた。
【０１４５】
（実施例２）
本実施例では、機能層をフリー層１８、キャップ層１９の様々な箇所に挿入して比較を行った。以下に実施例２の基本膜構成を示す。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［３．９ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］
・金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・電流狭窄層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・金属層１７：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
・フリー層１８：後述
・キャップ層１９：後述
・上電極２０
【０１４６】
実施例２の基本膜構成は実施例１の基本膜構成に比べてピン層１４の膜厚が異なっている。ピン層１４の膜厚を厚くすることにより、上部ピン層１４３の結晶性がよくなること、またスピン依存バルク散乱効果をより有効に使えるため、高いＭＲ変化率を得ることができる。本実施例で作製したフリー層１８とキャップ層１９の構成を下記の表３に示す。
また、本実施例でも、比較例２として、機能層を挿入していない、素子も作製した。本実施例２Ａ，２Ｂ，２Ｃと比較例２の磁気抵抗効果膜の特性を評価した結果を同じ表３に示す。
【０１４７】
【表３】
0006054479.tif 000004
【０１４８】
実施例２A、実施例２B、実施例２Cの磁気抵抗効果膜はいずれも、比較例２に対してそれぞれ、１．５％、１．３％、１．２％のＭＲの向上を確認できた。このＭＲの向上は、ＣＣＰ−ＮＯＬのＡｌ２Ｏ３からフリー層１８中に拡散した余剰酸素を、挿入したＳｉ層が捕獲したためと考えられる。また、比較例２が比較例１に対してＭＲ変化率が高いのは、比較例１に比べてピン層１４の膜厚を厚くしているためである。この結果から、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜へのＳｉからなる機能層の挿入が、フリー層１８、およびキャップ層１９に挿入した場合において、ＭＲ向上効果があることを確認できた。実施例２Bおよび実施例２Cが、実施例２Aに比べて、ＭＲ向上量が少ない。この原因として、実施例２Bおよび実施例２Cは、実施例２Aに比べて、機能層の挿入位置がスペーサ層から離れた位置に配置されているために、フリー層１８のスペーサ層に近い部分の余剰酸素の捕獲が、実施例２Aに比べて劣るためと考えられる。実施例２A、２B、２Cに係る磁気抵抗効果膜を３次元アトムプローブで観察したところ、フリー層１８内部に機能層としてＳｉが層状に形成されているのを確認できた。
【０１４９】
（実施例３）
本実施例では、実施例２のピン層１４にさらに機能層を挿入した場合の比較を行った。
以下に実施例３の基本膜構成を示す。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：後述
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・電流狭窄層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
・フリー層１８：後述
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］
・上電極２０
【０１５０】
実施例３のピン層１４、フリー層１８の構成を以下の表に示す。実施例３は実施例２Aに比べて上部ピン層１４３に機能層Ｓｉを挿入している点が異なっている。同じ表４に磁気抵抗効果膜の特性を評価した結果を同じ表４に示す。
【０１５１】
【表４】
0006054479.tif 000005
【０１５２】
実施例３の磁気抵抗効果膜は、比較例２に対して２．０％のＭＲの向上を確認できた。
また、実施例２Aに対して０．５％のＭＲの向上を確認できた。上記の結果より、ＣＣＰ−ＧＭＲ膜のピン層１４にＳｉからなる機能層を挿入した場合にＭＲ向上効果があることが確認できた。実施例３に係る磁気抵抗効果膜を３次元アトムプローブで観察したところ、フリー層１８内部に機能層としてＳｉが層状に形成されているのを確認できた。
【０１５３】
（実施例４）
本実施例では、機能層の膜厚を変えた場合の比較を行った。以下に実施例３の基本膜構成を示す。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［３．９ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・電流狭窄層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
・フリー層１８：後述
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］
・上電極２０
【０１５４】
本実施例では、フリー層１８に挿入するSi層の膜厚を変えた磁気抵抗効果膜の特性の比較を行った。
【０１５５】
【表５】
0006054479.tif 000006
【０１５６】
実施例４の磁気抵抗効果膜は、実施例１に比べて、機能層のＳｉの膜厚を厚くしている。実施例４の磁気抵抗効果膜は、比較例２に対して１．５％のＭＲの向上を確認できた。
このＭＲの増大量は、実施例１の比較例１に対するＭＲの増大量と同等であった。したがって、このＭＲの向上は、ＣＣＰ−ＮＯＬのＡｌ２Ｏ３からフリー層１８中に拡散した余剰酸素を、挿入したＳｉ層が捕獲したためと考えられる。実施例３に係る磁気抵抗効果膜を３次元アトムプローブで観察したところ、フリー層１８内部に機能層としてＳｉが層状に形成されているのを確認できた。
【０１５７】
（実施例５）
本実施例では、異なる構成のフリー層１８にＳｉを挿入した場合の比較を行った。以下に実施例２の基本膜構成を示す。
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［３．９ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・電流狭窄層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．４ｎｍ］
・フリー層１８：後述
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｔａ［２ｎｍ］／Ｒｕ［１５ｎｍ］
・上電極２０
【０１５８】
本実施例で作製したフリー層１８の構成を下記の表に示す。ここで、比較例３、２、４は、フリー層１８中のスペーサ層界面のＦｅ−Ｃｏ合金の組成を変えており、それぞれＦｅ組成が50[at.%]、40[at.%]、10[at.%]とした。実施例５A、２A、５Bは、それぞれ比較例３、２、４にＳｉを挿入した構造となっている。本実施例の磁気抵抗効果膜の特性を評価した結果を同じ表６に示す。以下の結果から、異なるフリー層構成にＳｉを挿入した場合の比較をすることができる。
【０１５９】
【表６】
0006054479.tif 000007
【０１６０】
実施例５Ａの磁気抵抗効果膜は、比較例３に対して２．０％のＭＲの向上を確認できた。実施例５Ｂの磁気抵抗効果膜は、比較例４に対して０．５％のＭＲの向上を確認できた。このＭＲの向上は、ＣＣＰ−ＮＯＬのＡｌ２Ｏ３からフリー層１８中に拡散した余剰酸素を挿入したＳｉ層が捕獲したためと考えられる。ここで、フリー層１８中のスペーサ層界面のＦｅ−Ｃｏ合金の組成とＳｉ挿入によるＭＲの増大量とを比較すると、Ｆｅ組成が１０[at.%]で０．５％向上、Ｆｅ組成が４０[at.%]で１．５％向上、Ｆｅ組成が５０[at.%]で２．２％向上である。この結果から、フリー層１８のスペーサ層界面側に配置されたＦｅ−Ｃｏ合金のＦｅ組成が大きい場合に、Ｓｉ挿入によるＭＲの向上が大きいことがわかる。
【０１６１】
この原因として、ＦｅとＣｏの酸化エネルギーの違いが考えられる。表１よりＦｅはＣｏよりも酸化エネルギーが低く、酸化されやすいため、Ｆｅ組成の高いフリー層のほうが余剰酸素による酸化を起こしやすい。つまり、Ｓｉを挿入していいないときの余剰酸素によるＭＲ劣化量がＦｅ組成の高いフリー層のほうが大きい。このような、余剰酸素によるＭＲ劣化量の大きかったフリー層では、Ｓｉ挿入による余剰酸素の捕獲効果によるＭＲの回復量も大きいと考えられる。
【０１６２】
なお、実施例５Ａ、５Ｂに係る磁気抵抗効果膜を３次元アトムプローブで観察したところ、フリー層１８内部に機能層としてＳｉが層状に形成されているのを確認できた。
【０１６３】
（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。
【０１６４】
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、５００ｍΩμｍ２以下が好ましく、３００ｍΩμｍ２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。
【０１６５】
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、２００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では０．０２μｍ２以下にする。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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
（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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
（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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
（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。
【０１８３】
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３３２とビット線３３４に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。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。
【０１８６】
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。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。
【０１８７】
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。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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
（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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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】
【０１９３】
１０  磁気抵抗効果膜
１１  下電極
１２  下地層
１３  ピニング層
１４  ピン層
１５  下部（非磁性）金属層
１６  電流狭窄層
１７  上部（非磁性）金属層
１８  フリー層
１９  キャップ層
２０  上電極
２１  機能層
１５０  磁気記録再生装置
１５２  スピンドル
１５３  ヘッドスライダ
１５４  サスペンション
１５５  アクチュエータアーム
１５６  ボイスコイルモータ
１５７  スピンドル
１６０  磁気ヘッドアッセンブリ
１６４  リード線
２００  磁気記録磁気ディスク
３１１  記憶素子部分
３１２  アドレス選択用トランジスタ部分
３１２  選択用トランジスタ部分
３２１  磁気抵抗効果素子
３２２  ビット線
３２２  配線
３２３  ワード線
３２３  配線
３２４  下部電極
３２６  ビア
３２８  配線
３３０  スイッチングトランジスタ
３３２  ゲート
３３２  ワード線
３３４  ビット線
３３４  ワード線
３５０  列デコーダ
３５１  行デコーダ
３５２  センスアンプ
３６０  デコーダ
【図１】
0006054479.tif 000008
【図２】
0006054479.tif 000009
【図３】
0006054479.tif 000010
【図４】
0006054479.tif 000011
【図５】
0006054479.tif 000012
【図６】
0006054479.tif 000013
【図７】
0006054479.tif 000014
【図８】
0006054479.tif 000015
【図９】
0006054479.tif 000016
【図１０】
0006054479.tif 000017
【図１１】
0006054479.tif 000018
【図１２】
0006054479.tif 000019
【図１３】
0006054479.tif 000020