(57)【要約】本発明は、Ａｌの酸化物、窒化物、及び酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を挟持するように積層された第１の磁性層及び第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層との間に配置された第３の磁性層とを含み、前記第１の磁性層及び第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なり、前記第３の磁性層は、面心立方晶及び面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である磁気抵抗効果素子、及びその製造方法並びに前記磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド又は磁気メモリ又は磁気記録装置に係るものであり、その目的は、特性及び耐熱性に優れる磁気抵抗効果素子と、その製造方法並びにこれを用いた磁気ヘッド、磁気メモリ及び磁気記録装置を提供することである。
2003092084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層とを含み、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なる磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
（ｉ）基板上に、第１の磁性層、第３の磁性層およびＡｌ層を順に積層する工程と、
（ｉｉ）前記Ａｌ層に酸化、窒化、および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行うことによって、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記トンネル絶縁層を前記第１の磁性層と第２の磁性層とによって狭持するように前記第２の磁性層を積層し、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層と前記第２の磁性層とを含む積層体を形成する工程とを含み、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含む請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記磁性材料が、式ＦｅｘＣｏｙで示される組成を有する請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式ＦｅｘＣｏｙにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【請求項４】
前記磁性材料が、式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’で示される組成を有する請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【請求項５】
前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記磁性材料が、式ＭｐＺｑで示される組成を有する請求項５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式ＭｐＺｑにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
【請求項７】
前記（ｉ）の工程において、前記基板と前記第１の磁性層との間に反強磁性層を積層する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
前記（ｉｉｉ）の工程の後に、
（ａ）前記積層体を熱処理する工程をさらに含む請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
Ａｌの酸化物、窒化物、および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層との間に配置された第３の磁性層とを含み、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なり、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含む請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記磁性材料が、式ＦｅｘＣｏｙで示される組成を有する請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式ＦｅｘＣｏｙにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【請求項１２】
前記磁性材料が、式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’で示される組成を有する請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【請求項１３】
前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記磁性材料が、式ＭｐＺｑで示される組成を有する請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式ＭｐＺｑにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９５
０．０５≦ｑ≦０．４
【請求項１５】
反強磁性層をさらに含む請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記反強磁性層が、前記第１の磁性層の前記トンネル絶縁層に面している面とは反対側に配置され、かつ、前記反強磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界以外の磁界の、前記磁気抵抗効果素子への導入を制限するシールドとを含む磁気ヘッド。
【請求項１８】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界を前記磁気抵抗効果素子へ導入する磁束ガイド部とを含む磁気ヘッド。
【請求項１９】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に情報を記録するための情報記録用導体線と、前記情報を読み出すための情報読出用導体線とを含む磁気メモリ。
【請求項２０】
複数の前記磁気抵抗効果素子が、マトリクス状に配置されている請求項１９に記載の磁気メモリ。
【請求項２１】
請求項１７に記載の磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含む磁気記録装置。
【請求項２２】
請求項１８に記載の磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含む磁気記録装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。また、磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気デバイスである磁気ヘッド、磁気メモリおよび磁気記録装置に関する。
背景技術
近年、高度通信網が発展するにしたがって、大量の情報を高速に扱うことができるデバイスが求められている。例えば、大容量かつ高速なデバイスとして、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を利用した磁気ヘッドや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への期待が高まっている。
ＴＭＲ効果は、トンネル絶縁層を介して積層された一対の磁性層の磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が異なる現象である。この現象を利用した磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）では、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）や巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した素子に比べて、微小磁界における磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が非常に大きい。このため、ＴＭＲ素子を次世代の磁気ヘッドやＭＲＡＭに応用するための開発が盛んに行われている。
ＴＭＲ素子を構成する各層の厚さは非常に薄く、数ｎｍ〜数十ｎｍのオーダーである。磁気抵抗特性（ＭＲ特性）に優れるＴＭＲ素子とするためには、これら各層の制御が重要になる。なかでも、トンネル絶縁層の状態が、素子のＭＲ特性に大きな影響を与えると考えられる。
例えば、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドなどのデバイスに応用する場合、大きなＭＲ比を実現するとともに、素子の接合抵抗値（素子の膜面方向とは垂直な方向に電流を流した場合の単位面積あたりの抵抗値）をできるだけ小さくする（例えば、１０Ω・μｍ２以下）ことが好ましい。接合抵抗値が小さい場合、例えば、トンネル絶縁層を電子が不規則に透過して流れる現象であるショットノイズの発生を抑制することができる（ショットノイズは素子のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を低下させる原因となる）。接合抵抗値を小さくするためには、例えば、トンネル絶縁層の膜厚を薄くすればよい。しかし、トンネル絶縁層の膜厚を単に薄くしただけでは、得られるＭＲ比が減少する可能性がある。一般に、トンネル絶縁層とそれに接する磁性層との界面は完全に平滑ではなく、サブナノメートルから数ナノメートル程度の原子レベルの粗さがみられる。即ち、トンネル絶縁層には、膜厚が局所的に厚い領域と薄い領域とが存在している。このため、トンネル絶縁層の膜厚を薄くするにつれて、膜厚が局所的に薄い領域でリーク電流が生じる可能性がある。リーク電流はＭＲ効果に寄与しないため、接合抵抗値は見かけ上小さくなるものの、ＭＲ比が減少する原因となる。
また、ＴＭＲ素子には、印加するバイアス電圧が大きくなるにつれて、得られるＭＲ比が減少するという課題がある。例えば、ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭの場合、一般に、約４００ｍＶのバイアス電圧を印加して用いるが、この状態では、バイアス電圧を印加しない状態に比べて得られるＭＲ比は約半分となる。このような「ＭＲ比のバイアス電圧依存性」は、トンネル絶縁層の格子欠陥、トンネル絶縁層に含まれる不純物、トンネル絶縁層と磁性層との界面の素励起、バンド構造のミスマッチなどに因ると考えられている。なかでも、トンネル絶縁層中の格子欠陥やバンド構造のミスマッチなどは、トンネル絶縁層と磁性層との界面の粗さが一因であると考えられている。
また、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドやＭＲＡＭなどのデバイスに用いる場合、素子には、デバイスの製造プロセスに耐えることのできる耐熱性が求められる。例えば、素子自体の製造工程において２００℃〜３００℃程度の熱処理が必要である。磁気ヘッドに用いる場合、その動作環境温度（例えば、１２０℃〜１７０℃程度）下で安定である必要がある。また、ＭＲ素子をＣＭＯＳ上に作製することによってＭＲＡＭデバイスとして応用する研究が進んでいるが、ＣＭＯＳを製造する工程ではさらに高温の熱処理（例えば、４００℃〜４５０℃）が必要とされる。
しかしながら、従来のＴＭＲ素子では、３００℃〜３５０℃程度の熱処理によって素子のＭＲ特性が劣化する傾向がみられる。これはトンネル絶縁層への不純物の拡散や、界面の粗さの増大などが原因であると考えられる。トンネル絶縁層の厚さは非常に薄く、このような影響を受けやすい。このため、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドやＭＲＡＭなどのデバイスに応用するためには、熱処理などによって素子の温度が上昇した場合にも、よりＭＲ特性が劣化しにくいＴＭＲ素子の開発が重要である。
発明の開示
このような状況に鑑み、本発明は、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子と、このようなＴＭＲ素子を製造する方法とを提供することを目的とする。また、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッド、磁気メモリおよび磁気記録装置を提供することを目的とする。なお、本明細書では、ＴＭＲ素子のことを、単に、磁気抵抗効果素子、あるいは、ＭＲ素子という場合がある。
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、トンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層とを含み、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なる磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
（ｉ）基板上に、第１の磁性層、第３の磁性層およびＡｌ層を順に積層する工程と、
（ｉｉ）前記Ａｌ層に酸化、窒化および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行うことによって、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記トンネル絶縁層を前記第１の磁性層と第２の磁性層とによって狭持するように前記第２の磁性層を積層し、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層と前記第２の磁性層とを含む積層体を形成する工程とを含み、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。なお、平行に（１１１）配向しているかどうかを判断する手法は、実施例に後述する。
本発明の製造方法では、前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含んでいてもよい。
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、式ＦｅｘＣｏｙで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＦｅｘＣｏｙにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’で示される組成を有していてもよい。ただし、上記式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含んでいてもよい。
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、式ＭｐＺｑで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＭｐＺｑにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
本発明の製造方法では、前記（ｉ）の工程において、前記基板と前記第１の磁性層との間に反強磁性層を積層してもよい。
本発明の製造方法では、前記（ｉｉｉ）の工程の後に、
（ａ）前記積層体を熱処理する工程をさらに含んでいてもよい。
次に、本発明の磁気抵抗効果素子は、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層との間に配置された第３の磁性層とを含み、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なり、前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含んでいてもよい。
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、式ＦｅｘＣｏｙで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＦｅｘＣｏｙにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’で示される組成を有していてもよい。ただし、上記式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含んでいてもよい。
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、式ＭｐＺｑで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＭｐＺｑにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
本発明の磁気抵抗効果素子では、反強磁性層をさらに含んでいてもよい。
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記反強磁性層が、前記第１の磁性層の前記トンネル絶縁層に面している面とは反対側に配置され、かつ、前記反強磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層であってもよい。
次に、本発明の磁気ヘッドは、上述した磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界以外の磁界の、前記磁気抵抗効果素子への導入を制限するシールドとを含んでいる。
また、本発明の磁気ヘッドは、上述した磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界を前記磁気抵抗効果素子へ導入する磁束ガイド部とを含んでいてもよい。
次に、本発明の磁気メモリは、上述した磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に情報を記録するための情報記録用導体線と、前記情報を読み出すための情報読出用導体線とを含んでいてもよい。
本発明の磁気メモリでは、複数の前記磁気抵抗効果素子が、マトリクス状に配置されていてもよい。
次に、本発明の磁気記録装置は、上述したいずれかの磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含んでいる。
発明の実施形態
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
最初に、本発明のＭＲ素子の製造方法について説明する。
本発明のＭＲ素子の製造方法によれば、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
図１Ａ〜図１Ｅに、本発明のＭＲ素子の製造方法の一例を示す。最初に、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、基板１の上に下部電極層２、第１の磁性層３、第３の磁性層４およびＡｌ層５を順に積層する（工程（ｉ））。このとき、第３の磁性層（界面平滑層）４は、面心立方晶（ｆｃｃ構造）および面心正方晶（ｆｃｔ構造）から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。このため、第３の磁性層４上にＡｌ層５を積層することによって、自らの膜面に対して（１１１）配向を有するＡｌ層５とすることができる。一般に、Ａｌは、その結晶構造が（１１１）配向を有するｆｃｃ構造である場合が最も安定かつ緻密である。よって、第３の磁性層４を配置せずに、第１の磁性層３上にＡｌ層５を直接積層した場合に比べて、より安定で緻密な結晶構造を有するＡｌ層５とすることができる。
次に、図１Ｄに示すように、Ａｌ層５を酸化することによって、Ａｌの酸化物（Ａｌ−Ｏ）を含むトンネル絶縁層６を形成する（工程（ｉｉ））。上述したように、第３の磁性層４によって、Ａｌ層５は（１１１）配向のｆｃｃ構造を有しており、また、安定で緻密な結晶構造を有している。このため、Ａｌ層５を酸化することによって形成されるトンネル絶縁層６を、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができる。なお、本明細書において、「Ａｌ−Ｏ」のようにハイフンを用いて組成を示す場合は、含まれる元素の組成比は特に限定されない。
次に、図１Ｅに示すように、トンネル絶縁層６を第１の磁性層３と第２の磁性層７とによって狭持するように第２の磁性層７を積層する。このようにして、第１の絶縁層３とトンネル絶縁層６と第２の磁性層７とを含む積層体１０を形成する（工程（ｉｉｉ））。その後、必要に応じて、例えば、上部電極層をさらに積層したり、微細加工などを行ったりすればよい。上述したように、トンネル絶縁層６を、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができるため、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
また、第３の磁性層４を積層することによって、以下に示すような効果も考えられる。
図２Ａは、従来のＴＭＲ素子の一例を示す模式断面図である。一般に、下部電極層５２の表面は、基板の表面の粗さや下部電極層自身の結晶粒界を反映した粗さ（下部電極層の膜面に対して、即ち、素子の膜面に対して、膜面方向の周期をｄ、膜面に垂直な方向の凸部の高さをｈとする）を有している。このような下部電極層５２上に、磁性層５３を積層し、トンネル絶縁層５６を形成した場合、磁性層５３の表面、即ち、磁性層５３とトンネル絶縁層５６との界面も同様の粗さを有することになる。また、トンネル絶縁層５６自身の表面にも、同様の粗さが生じることになる。このため、トンネル絶縁層５６を、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることが難しく、素子としての特性や耐熱性が劣化する可能性がある。また、図２Ａには明示していないが、磁性層５３自身の原子ステップに起因する粗さも考えられ、磁性層５３とトンネル絶縁層５６との界面に、図２Ａに示す周期ｄ、高さｈよりも微細な粗さがさらに生じる可能性がある。なお、本発明のＭＲ素子の製造方法の説明において、「表面」とは、素子の各層における基板とは反対側の面を意味している。
これに対して本発明のＴＭＲ素子では、図２Ｂに示すように（図２Ｂは本発明のＴＭＲ素子の一例を示す模式断面図である）、トンネル絶縁層６と第１の磁性層３との間に第３の磁性層４を配置している。第３の磁性層は、上述したように、ｆｃｃ構造およびｆｃｔ構造から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。このため、その表面を原子の大きさのオーダー（サブナノメートルのオーダー）で平滑にすることができる。よって、第１の磁性層２上に第３の磁性層４を積層した後に、トンネル絶縁層６を形成することによって、第３の磁性層４とトンネル絶縁層６との界面を平滑にすることができる。また、トンネル絶縁層６の表面を平滑にすることもできるため、トンネル絶縁層６上に第２の磁性層をさらに積層した場合にも、第２の磁性層とトンネル絶縁層６との界面を平滑にすることができる。このため、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
このように、本発明の製造方法で得られるＴＭＲ素子では、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができ、また、トンネル絶縁層に接する磁性層との界面を平滑にすることができるため、トンネル絶縁層をより薄膜化することが可能となる。このため、小さい接合抵抗値と大きいＭＲ比とを両立させたＴＭＲ素子を得ることができる。
また、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができるため、バイアス電圧を大きくした場合もＭＲ比の低下の少ない（即ち、バイアス電圧依存性が小さい）ＴＭＲ素子を得ることができる。
また、第３の磁性層の結晶面のうち最も細密な面である（１１１）面が、第３の磁性層の膜面に（即ち、素子の膜面に）平行であるため、トンネル絶縁層以外の層（下部電極層や第１の磁性層、その他、素子が反強磁性層を含む場合は反強磁性層など）からトンネル絶縁層への原子の熱拡散を抑制することができる。また、熱処理などにより、第１の磁性層に含まれる磁性材料の結晶粒径が大きくなった場合にも、その影響がトンネル絶縁層へ到達するのを抑制することができる。このため、耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
なお、図１に示す例では、Ａｌ層５を酸化する場合を示したが、Ａｌ層５に酸化、窒化および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行ってもよい。Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層６を形成することができ、この場合も、図１に示す例と同様のＴＭＲ素子を得ることができる。また、各層の成膜方法、Ａｌ層の酸化方法などについては後述する。
ここで、第３の磁性層４をより具体的に説明する。
第３の磁性層４は、ｆｃｃ構造およびｆｃｔ構造から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層であり、第１の磁性層３と磁気的に結合している限り、その組成、厚さなどは特に限定されない。
上記（ｉ）の工程において積層する第３の磁性層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であり、好ましくは、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲である。また、第３の磁性層４の表面の粗さは、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｂ  ０６０１−１９９４に規定する算術平均粗さＲａを用いて、例えば、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下の範囲である。また、図２Ａおよび図２Ｂに示す周期ｄおよび高さｈを用いて、例えば、ｄは、１５ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲であり、ｈは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲である。上述したように、第３の磁性層４の表面の粗さは、第３の磁性層４とトンネル絶縁層６との界面の粗さに反映される。
本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含んでいてもよい。この場合、第１の磁性層２と第３の磁性層４との磁気的な結合をより強くすることができるため、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
より具体的には、本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、式ＦｅｘＣｏｙで示される組成を有する磁性材料を含んでいてもよい。また、第３の磁性層４が、式Ｆｅｘ’Ｎｉｙ’で示される組成を有する磁性材料を含んでいてもよい。ただし、上述の式において、ｘ、ｙ、ｘ’およびｙ’は、以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１、０．０５≦ｘ≦０．３、０．７≦ｙ≦０．９５
ｘ’＋ｙ’＝１、０≦ｘ’≦０．７、０．３≦ｙ’≦１
なお、本明細書において、特に記載がない限り、組成を示すために用いる数値は、原子組成比に基づいている。
このような磁性材料はｆｃｃ構造になりやすい性質を有しており、上記（ｉ）の工程において、第３の磁性層４をより確実にｆｃｃ構造とすることができる。このため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素とを含んでいてもよい。このような磁性材料は、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの原子半径がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの原子半径よりも大きく、また、（１１１）配向しやすい性質を有しているため、上記（ｉ）の工程において、第３の磁性層４の表面をより確実に平滑にすることができる。また、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素のみからなる磁性層に比べて表面のエネルギー状態をより安定にできるため、上記（ｉ）の工程において、より安定で緻密なＡｌ層５とすることができる。このため、上記（ｉｉ）の工程において、より緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層６を形成することができる。
さらに、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕは、酸素、窒素などと反応しにくいため、第３の磁性層をより熱的に安定にすることができ、より耐熱性に優れるＭＲ素子を得ることができる。また、上記（ｉｉ）の工程において、第３の磁性層４をできるだけ酸化（窒化、酸窒化）することなく、Ａｌ層５を選択的に酸化（窒化、酸窒化）することができるため、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、式ＭｐＺｑで示される組成を有する磁性材料を含んでいてもよい。ただし、上記式ＭｐＺｑにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１、０．６≦ｐ≦０．９９、０．０１≦ｑ≦０．４
第３の磁性層４が、このような磁性材料を含むことによって、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
また、なかでも、ｐおよびｑが、ｐ＋ｑ＝１、０．６≦ｐ≦０．９５、０．０５≦ｑ≦０．４の関係を満たすことが好ましく、ｐ＋ｑ＝１、０．６≦ｐ≦０．９、０．１≦ｑ≦０．４の関係を満たすことがより好ましい。なお、ｑが０．５を超える場合は、第３の磁性層４の膜厚は、例えば、２ｎｍ以下であればよい。Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕは非磁性の元素であり、あまりに第３の磁性層の膜厚が大きすぎると、素子のＭＲ特性が劣化する可能性がある。
本発明の製造方法では、上記（ｉ）の工程において、基板と第１の磁性層との間に反強磁性層を積層してもよい。例えば、図１Ａ〜図１Ｅに示す例では、下部電極層２と第１の磁性層３との間に反強磁性層を積層してもよい。このような製造方法とすることによって、第１の磁性層３および第２の磁性層７から選ばれる一方の磁性層を固定磁性層、他方の磁性層を自由磁性層とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子を得ることができる。下部電極層と第１の磁性層との間に反強磁性層を積層した場合、第１の磁性層と反強磁性層との間に交換結合磁界が発生する。このため、第１の磁性層を固定磁性層（反強磁性層によって磁化方向が固定されている磁性層）、第２の磁性層２を自由磁性層（第１の磁性層に対して相対的に磁化回転が容易である磁性層）とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子を得ることができる。なお、上記（ｉ）の工程において、積層する反強磁性層の膜厚は、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である。
スピンバルブ型のＭＲ素子では、固定磁性層と自由磁性層との間の磁化方向の相対角度をより容易に変化させることができるため、微小な磁界によって動作するデバイスにより適するＴＭＲ素子とすることができる。また、より小型で大きなＭＲ比を示すＴＭＲ素子とすることができる。
反強磁性層に用いる材料は、特に限定されず、例えば、Ｍｎを含む反強磁性合金（Ｍｎ系反強磁性合金）を用いればよい。Ｍｎ系反強磁性合金は、例えば、式Ｚ−Ｍｎ（Ｚは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｆｅ、ＲｕおよびＲｈから選ばれる少なくとも１種の元素）で示される組成を有する合金を用いればよい。なかでも、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｒｈ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｐｄ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎなどの組成を有する合金が好ましい。
これらの反強磁性合金は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造をとりやすく、反強磁性層とした場合に、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向しやすい性質を有している。このため、このような反強磁性層を積層することによって、基板の表面の粗さあるいは下部電極層の結晶粒界などに起因する各層の表面の粗さを緩和することができる。このため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
なかでも、上記（ｉ）の工程において、基板と第１の磁性層との間に反強磁性層を積層する際に、Ｎｉ−ＦｅやＰｔなどの下地層を積層したうえで反強磁性層を積層してもよい。Ｎｉ−ＦｅやＰｔなどはｆｃｃ構造をとりやすいため、より確実に反強磁性層をｆｃｃ構造とすることができる。このため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
なお、Ｐｔ−ＭｎやＰｄ−Ｐｄ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎなどは、２５０℃以上の熱処理によってｆｃｔ構造に変化するため、熱処理によって第１の磁性層との交換結合磁界をより向上させることもできる。このため、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。また、反強磁性層を、基板と第１の磁性層との間に積層せずに（即ち、基板とトンネル絶縁層との間に積層せずに）、第２の磁性層上に積層（即ち、トンネル絶縁層の基板側の面とは反対側に）してもよい。この場合は、第２の磁性層が固定磁性層、第１の磁性層が自由磁性層であるスピンバルブ型のＴＭＲ素子を得ることができる。
その他の層について説明する。
上記（ｉ）の工程において積層するＡｌ層５の厚さは、特に限定されない。必要なＴＭＲ素子の特性に応じて任意に設定すればよく、例えば、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲である。積層したＡｌ層５の厚さは、そのままトンネル絶縁層６の厚さとすることができる。
上記（ｉ）の工程および上記（ｉｉｉ）の工程において積層する第１の磁性層３および第２の磁性層７に用いる材料は、強磁性を示す磁性材料であれば特に限定されない。例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅなどからなる磁性材料を用いればよい。また、必要に応じて、異なる磁性材料からなる複数の磁性膜を積層してもよい。また、積層する第１の磁性層３および第２の磁性層７の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲であればよい。
また、スピンバルブ型のＭＲ素子とする場合、自由磁性層となる磁性層には、例えば、軟磁気特性に優れる磁性材料を用いればよい。より具体的には、例えば、パーマロイ（例えば、Ｎｉ８１Ｆｅ１９：組成比はｗｔ％）、Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１、（Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１）０．８Ｂ０．２などを用いればよい。固定磁性層となる磁性層には、例えば、磁気異方性の大きい磁性材料を用いればよい。より具体的には、例えば、Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５、Ｃｏ０．５Ｐｔ０．５、Ｆｅ０．５Ｐｔ０．５などである。また、スピンバルブ型のＭＲ素子では、反強磁性層などによって固定磁性層の磁化方向を固定することができるため、上述した軟磁気特性に優れる磁性材料を固定磁性層となる磁性層に用いてもよい。
また、第１の磁性層３および第２の磁性層７のいずれか一方の磁性層が、非磁性膜を介して一対の磁性膜が積層された積層膜構造（いわゆる、積層フェリ構造）を含んでいてもよい。このとき、非磁性膜を介して上記一対の磁性膜の磁化方向が互いに反平行になるように磁気的に結合していれば、素子の端部から生じる漏洩磁界を低減することができ、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。なかでも、固定磁性層となる磁性層が上記積層フェリ構造を含む場合、固定磁性層の磁気異方性をより大きくする、即ち、外部から素子に加えられる磁界によって磁化方向がより変化しにくい固定磁性層とすることができる。
非磁性膜に用いる材料は、非磁性の材料であれば特に限定されず、例えば、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕなどを用いればよい。また、その膜厚は、例えば、０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲であればよい。磁性膜は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む膜であればよい。磁性膜の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であればよい。
基板１としては、非磁性である限り、特に限定されず、例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３（例えば、サファイア）などを用いればよい。また、その厚さは、例えば、０．１μｍ以上１０ｍｍ以下の範囲である。
なお、図１Ａ〜図１Ｅに示す例では、基板１上に下部電極層２が積層されている。下部電極層２に用いる材料は、導電性の材料である限り特に限定されず、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、ＴｉＮなどの低抵抗の材料（例えば、線抵抗率が１００μΩｃｍ以下）を用いればよい。異なる材料からなる膜を複数積層してもよい。上部電極層を積層する場合、上部電極層に用いる材料は、下部電極層に用いる材料と同様であればよい。下部電極層および上部電極層の厚さは、特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲である。
なお、本発明の製造方法では、図１Ａ〜図１Ｅに示す各層に限らず、必要に応じて、他の層を積層してもよい。例えば、下部電極層２と第１の磁性層３との間に（反強磁性層を積層する場合には、下部電極層と反強磁性層との間に）、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｆｅなどの下地層を積層してもよい。また、トンネル絶縁層を複数積層してもよい。トンネル絶縁層を複数積層する場合、少なくとも１つのトンネル絶縁層とそれに隣接する基板側の磁性層との間に上述の第３の磁性層を積層すればよい。
本発明の製造方法では、ＴＭＲ素子を構成する各層の形成方法には、例えば、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）、イオンビームデポジション（ＩＢＤ）、クラスターイオンビーム、および、ＲＦ、ＤＣ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、ヘリコン、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、対向ターゲットなどの各種スパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、イオンプレーティング法などを用いればよい。また、これらＰＶＤ法の他に、ＣＶＤ法、メッキ法あるいはゾルゲル法などを用いてもよい。
本発明の製造方法では、上記（ｉ）および上記（ｉｉ）の工程において、Ａｌ層を積層し、その後酸化するために、例えば、以下の方法を用いればよい。まず、ターゲットにＡｌを用い、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＩＢＤ法などのＰＶＤ法によりＡｌ層を形成する。次に、自然酸化法、プラズマ酸化法、ラジカル酸化法、オゾン酸化法などによりＡｌ層を酸化することによってＡｌ−Ｏからなるトンネル絶縁層を形成すればよい。
ここで、自然酸化法とは、純酸素ガス中、純酸素ガスと他のガス（例えば、不活性ガス、希ガスなど）との混合ガス中、あるいは、大気中においてＡｌ層を酸化する方法である。純酸素中、または、純酸素と他のガスとの混合ガス中における酸化では、酸素の分圧は、例えば、１×１０−２Ｐａ以上１×１０５Ｐａ以下の範囲であればよい。酸化の時間は、例えば、１０ｓｅｃ以上１００ｍｉｎ以下程度の範囲であり、温度は、例えば、１０℃以上１００℃以下の範囲であればよい。
また、ラジカル酸化法とは、酸素ガスをＲＦコイルやＥＣＲプラズマなどによって不対電子を有する酸素ラジカルとし、発生した酸素ラジカルの中性成分だけを利用して酸化を行う方法である。プラズマ酸化法とは、ラジカル酸化法とほぼ同様の手法を用いて酸素ガスをプラズマ状態にし、酸化力の強い酸素ラジカルやオゾンなどを利用して酸化を行う方法である。これらの手法を用いたＡｌ層の酸化の程度は、酸素の分圧、温度、時間、ラジカルあるいはプラズマの発生に用いた電力などを調整することによって制御できる。酸素の分圧は、例えば、０．０１Ｐａ以上１０Ｐａ以下の範囲であればよい。酸化の時間は、例えば、１ｓｅｃ以上１００ｍｉｎ以下程度の範囲であり、温度は、例えば、１０℃以上１００℃以下の範囲であればよい。このような条件下において、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層を形成することができる。
なお、Ａｌ層を窒化、または、酸窒化する場合は、上述の方法における酸素ガスを、窒素ガス、または、酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスに置き換えればよい。
本発明の製造方法では、上記（ｉｉｉ）の工程の後に、（ａ）上記（ｉｉｉ）の工程において形成した積層体を熱処理する工程をさらに含んでいてもよい。熱処理を行うことによって、トンネル絶縁層内の酸化状態をより均一にすることができるため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。熱処理の温度は、例えば、１５０℃以上５００℃以下の範囲であり、真空中、減圧下、不活性ガス中、希ガス中などで行えばよい。なお、上記（ｉｉｉ）の工程の後に上部電極層などをさらに積層する場合、その積層前に行ってもよいし、その積層後に行ってもよい。
なお、その他、基板として単結晶の基板を用いて、その基板上にエピタキシャル成長させた下部電極層を用いたり、下部電極層の表面をケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）などの手法によって平滑化したりすることによっても、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。第３の磁性層とトンネル絶縁層との界面の粗さをより平滑化することができるからである。
次に、本発明のＭＲ素子について説明する。
本発明のＭＲ素子の一例を図３に示す。図３に示すＭＲ素子は、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層６と、トンネル絶縁層６を狭持するように積層された第１の磁性層３および第２の磁性層７と、第１の磁性層３とトンネル絶縁層６との間に配置された第３の磁性層４とを含んでいる。また、第１の磁性層３および第２の磁性層７が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なっている。ここで、第３の磁性層４は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、第３の磁性層４の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。
このようなＭＲ素子とすることによって、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。また、このようなＭＲ素子は、例えば、上述した本発明のＭＲ素子の製造方法によって得ることができる。
本発明のＭＲ素子の別の一例を図４に示す。図４に示すＭＲ素子は、図３に示すＭＲ素子における第１の磁性層３のトンネル絶縁層６に面している面とは反対側に、反強磁性層８をさらに配置したＴＭＲ素子である。反強磁性層８をさらに配置することによって、第１の磁性層３を固定磁性層、第２の磁性層７を自由磁性層とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子とすることができる。また、第３の磁性層４がトンネル絶縁層６と第１の磁性層３との間に配置されているため、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。
図４に示すＭＲ素子では、反強磁性層８が、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層であってもよい。より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。なお、図３および図４に示す例において、反強磁性層８は、第２の磁性層７の上に配置されていてもよい。この場合、第２の磁性層７を固定磁性層、第１の磁性層３を自由磁性層とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子とすることができる。
また、図３および図４に示すＭＲ素子の例において、各層に用いる材料や各層の厚さ、各層の構成などは、本発明のＭＲ素子の製造方法において説明した材料や厚さ、構成などと同様であればよい。本発明のＭＲ素子の製造方法において説明した効果を有するＴＭＲ素子とすることができる。
また、図３および図４に示す例において、下部電極層、上部電極層、基板などをさらに含むＭＲ素子であってもよい。この場合にも、基板の表面の粗さや、下部電極層の結晶粒界の状態などによらず、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。また、逆に、後述のＭＲ素子を用いたデバイスの例などにおいて示すように、下部電極層、上部電極層、基板などがＭＲ素子として含まれていなくてもよい。
次に、本発明のＭＲ素子を用いたデバイスについて説明する。
ＭＲ素子を含み、素子の膜面に垂直な方向に電流を流す磁気デバイスを作製するためは、半導体プロセスやＧＭＲヘッド作製プロセスなどに一般的に用いられている手法を組み合わせて微細加工すればよい。より具体的には、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）などの物理的または化学的エッチング法、微細パターン形成のためのステッパー、電子ビーム（ＥＢ）法などを用いたフォトリソグラフィー技術などを組み合わせればよい。
このような方法によって作製された、電極を含むＭＲ素子の一例を図５に示す。図５に示すＭＲ素子は、基板１０４上に、下部電極層１０３、ＭＲ素子１０５、上部電極層１０２が順に積層されている。また、ＭＲ素子１０５の周囲、および、上部電極層１０２と下部電極層１０３との間には層間絶縁膜１０１が配置されている。層間絶縁膜１０１には、上部電極層１０２と下部電極層１０３との電気的な短絡を防ぐ働きがある。また、図５に示す素子では、上部電極層１０２および下部電極層１０３に挟まれたＭＲ素子１０５に電流を流して電圧を読み取ることができる。このため、図５に示すような素子の構成とすることによって、ＭＲ素子１０５の膜面に対して垂直な方向に電流を流して出力を読み出すことができる。なお、電極層などの表面を平坦化するためには、例えば、ＣＭＰやクラスターイオンビームエッチング、ＥＣＲエッチングなどを用いればよい。
上部電極層１０２および下部電極層１０３の材料は、上述の上部電極層および下部電極層と同様の材料を用いればよい。層間絶縁膜１０１は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの絶縁性に優れた材料を用いればよい。
本発明のＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの一例を図６に示す。図６は、ＭＲ素子により検知すべき磁界以外の磁界をＭＲ素子へ導入することを制限するシールドを備えたシールド型磁気ヘッドを示す模式図である。なお、図６では、説明をわかりやすくするために、磁気ヘッド２０１を断面図により示す。
図６に示す磁気ヘッド２０１は、磁性体からなる一対のシールド（上部シールド２０６および下部シールド２０８）を含み、上記一対のシールドにより形成された再生ギャップ２０９内に、ＭＲ素子２１０が配置されている。
また、図６に示す磁気ヘッド２０１は、記録用の書き込みヘッド部２０２と再生用の再生ヘッド部２０３とを含んでいる。情報を記録する際には、記録する情報に対応した電流をコイル２０４に流せばよい。コイル２０４に流した電流により発生した磁束が、上部記録コア２０５と上部シールド２０６との間に設けられた記録ギャップ２０７から漏れ出ることによって、記録ギャップ２０７近傍に配置された磁気記録媒体に記録が行われる。なお、上部記録コア２０５と上部シールド２０６との間には絶縁部２１１が形成されている。この絶縁部２１１は必ずしも必要ではなく、必要に応じて形成すればよい。
また、情報の再生は、上記磁気記録媒体に記録されている情報に対応した磁束が、再生ギャップ２０９を通してＭＲ素子２１０に作用することによって行われる。上記磁束の作用によってＭＲ素子２１０の抵抗値が変化するため、その変化を検出すればよい。なお、ＭＲ素子２１０の自由磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向とは、例えば、おおよそ直交する関係にあればよい。なお、ＭＲ素子がスピンバルブ型のＭＲ素子でない場合は、トンネル絶縁層を狭持する一対の磁性層のうち、外部磁界によって磁化方向の変化が相対的に容易である磁性層を自由磁性層とすればよい。
このとき、図６に示す磁気ヘッドでは、上部シールド２０６および下部シールド２０８により、ＭＲ素子によって検知されるべき磁界（即ち、上記磁束）以外の磁界が制限されるため、高感度の磁気ヘッドとすることができる。また、ＭＲ素子２１０として、上述した本発明のＭＲ素子を含むことによって、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッドとすることができる。
なお、図６には示していないが、ＭＲ素子２１０の両膜面には下部電極層と上部電極層とが接続されている。このとき、上下の電極層と上下のシールドとを、絶縁層などを配置することによって電気的に絶縁してもよい。また、上下の電極部を上下シールドと接続することによって、上下のシールドが上下の電極層を兼ねる構造であってもよい。なお、記録ギャップ２０７および再生ギャップ２０９の大きさは、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である。
上部シールド２０６および下部シールド２０８の材料は、一般的な軟磁性材料、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ合金などを用いればよい。なかでも、透磁率に優れる軟磁性材料が好ましい。絶縁部２１１には、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＯ２などの絶縁性に優れる材料を用いればよい。
また、ＭＲ素子２１０における自由磁性層の磁区制御のために、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ合金などの高保磁力磁性材料からなる磁性膜でＭＲ素子２１０を狭持することによって、素子にバイアス磁界を加えることも可能である。
本発明のＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの別の一例を図７に示す。図７に示す磁気ヘッドは、ＭＲ素子により検知すべき磁界をＭＲ素子３０１に導入（ガイド）するための磁束ガイド部であるヨーク３０２を含んでいる。また、ＭＲ素子３０１として、上述した本発明のＭＲ素子を含むことによって、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッドとすることができる。
ヨーク３０２は、例えば、磁界ＨがＭＲ素子の自由磁性層に導入されるように配置すればよい（図７に示す例では、ＭＲ素子３０１におけるヨーク３０２に近い側が自由磁性層となる）。なお、ヨーク３０２が、ＭＲ素子３０１の自由磁性層（あるいは、その一部）であってもよい。
本発明のＭＲ素子を用いた磁気ヘッドのまた別の一例を図８Ａおよび図８Ｂに示す。図８Ｂは、図８Ａに示す磁気ヘッド３１１を図８Ａに示す平面Ａで切断した断面図である。図８Ａおよび図８Ｂに示す磁気ヘッド３１１は、ＭＲ素子３０１により検知すべき磁界をＭＲ素子３０１に導入（ガイド）するための磁束ガイド部であるヨーク（上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４）を含んでいる。ＭＲ素子３０１は、上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４とＭＲ素子３０１とが磁気的に接続するように配置されている。このとき、ＭＲ素子３０１として上述した本発明のＭＲ素子を含むことによって、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッドとすることができる。
図８Ａおよび図８Ｂに示す磁気ヘッド３１１において、記録媒体からの磁界は、再生ギャップ３０８から上部ヨーク３０３によってＭＲ素子３０１に導かれる。また、図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、ＭＲ素子３０１は、上部電極層３０６および下部電極層３０５と電気的に接続されており、上下の電極層から素子に電圧を加えることによって素子の抵抗値を検出することができる。
また、図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４は、絶縁部３０７によりＭＲ素子３０１と電気的に絶縁されている。しかし、絶縁部３０７は必ずしも必要ではなく、例えば、上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４と、上部電極層３０６および下部電極層３０５とがそれぞれ兼用であってもよい。また、ＭＲ素子３０１は、例えば、その自由磁性層が上部ヨーク３０３側にくるように配置すればよい。なお、再生ギャップ３０８の大きさは、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である。
上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４の材料は、一般的な軟磁性材料、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｔａ−Ｚｒ、Ｆｅ−Ｔａ−Ｎなどを用いればよい。なかでも、透磁率に優れる軟磁性材料が好ましい。絶縁部３０７には、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＯ２などの絶縁性に優れる材料を用いればよい。
一般に、図８Ａおよび図８Ｂに示すようなヨークを含む磁気ヘッド（ヨーク型磁気ヘッド）は、図６に示すようなシールドを含む磁気ヘッド（シールド型磁気ヘッド）と比べて、感度では劣るものの、再生ギャップ中にＭＲ素子を配置する必要がないため、狭ギャップ化では有利である。即ち、より高密度磁気記録へ対応できる磁気ヘッドである。また、ＭＲ素子が記録媒体に対して露出していないため、記録媒体と磁気ヘッドとの接触などによるヘッドの破損や摩耗が少なく、信頼性の面で優れている。このため、ヨーク型磁気ヘッドは、磁気テープを記録媒体とするストリーマーなどに用いる場合に、特に優れているといえる。
上述した本発明の磁気ヘッドを用いて、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）や、ストリーマーなどの磁気記録装置を構成することができる。本発明の磁気記録装置の一例を図９に示す。図９に示す磁気記録装置４０１は、磁気ヘッド４０５、駆動部４０２、情報が記録される磁気記録媒体４０３および信号処理部４０４を含んでいる。このとき、磁気ヘッド４０５に上述した本発明の磁気ヘッドを用いることによって、特性および耐熱性に優れる磁気記録装置とすることができる。
本発明の磁気記録装置の別の一例を図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。図１０Ａおよび図１０Ｂは、磁気テープを記録媒体に用いた磁気記録装置の一例を示す模式図である。より具体的には、図１０Ａは、本発明の磁気記録装置の一例における回転ドラム型ヘッドの一例を示す模式図である。
図１０Ａに示す回転ドラム型ヘッド４５１は、下ドラム４５２および上回転ドラム４５３を含み、上回転ドラム４５３の外周面に磁気ヘッド４５４が配置されている。情報を記録および再生する際には、記録媒体である磁気テープを、リード４５５に沿って、上回転ドラム４５３の回転軸に対して傾斜した角度で走行させればよい。磁気ヘッド４５４は、磁気テープが走行する方向に対して傾斜した角度を保持したまま摺動することになる。また、上回転ドラム４５３と磁気テープとが安定して密着しながら摺動、走行できるように、上回転ドラム４５３の外周面には、複数の溝４５６が形成されている。磁気テープと上回転ドラム４５３との間に巻き込まれた空気などは、この溝４５６により排出することができる。
このような回転ドラム型ヘッドを用いた磁気記録装置の一例を図１０Ｂに示す。図１０Ｂに示す磁気記録装置は、回転ドラム型ヘッド４５１、供給リール４６１、巻き取りリール４６２、回転ポスト４６３、４６４、４６５、４６６、４６７および４６８、傾斜ポスト４６９および４７０、キャプスタン４７１、ピンチローラー４７２およびテンションアーム４７３を含んでいる。回転ドラム型ヘッド４５１の外周面には、上述したように、磁気ヘッド４５４が配置されている。磁気ヘッド４５４のうち、再生用の２個（残る２個は記録用）は、回転ドラムの外周面から、例えば、２０μｍ程度突き出すように配置されている。供給リール４６１に巻かれた磁気テープ４７４は、ピンチローラー４７２とキャプスタン４７１とによる引き込み動作によって走行することができる。供給リール４６１を出発した磁気テープ４７４は、傾斜ポスト４６９、４７０による案内によって回転ドラム型ヘッド４５１に配置された磁気ヘッド４５４に押しつけられ、再生および／または記録が行われる。回転ドラム型ヘッド４５４において再生および／または記録が行われた磁気テープ４７４は、ピンチローラー４７２とキャプスタン４７１との間を通り、巻き取りリール４６２に巻き取ることができる。
このとき、磁気ヘッド４５４に上述した本発明のＭＲ素子を用いることによって、特性および耐熱性に優れる磁気記録装置とすることができる。
また、磁気ヘッド４５４に（特に再生用の磁気ヘッド４５４に）図８に示すようなヨーク型磁気ヘッドを用いれば、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すようなヘリカルスキャン方式において問題である、摩耗などによるＭＲ素子の形状の変化を抑制することができる。また、磁気テープの接触、摺動によりＭＲ素子の静電破壊、磁気テープや大気中に含まれる化学物質との反応によるＭＲ素子の腐食などを抑制できるため、より信頼性に優れる磁気記録装置とすることができる。
次に、本発明のＭＲ素子をメモリ素子として用いた磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の一例を図１１に示す。図１１に示すＭＲＡＭでは、ＭＲ素子６０１は、ＣｕやＡｌなどからなるビット（センス）線６０２とワード線６０３との交点にマトリクス状に配置されている。ビット線は情報再生用導体線に、ワード線は情報記録用導体線にそれぞれ相当する。これらの線に信号電流を流した時に発生する合成磁界により、ＭＲ素子６０１に信号が記録される。信号は、「オン」状態となったラインが交差する位置に配置された素子（図１１では、ＭＲ素子６０１ａ）に記録される（２電流一致方式）。ＭＲ素子６０１として上述した本発明のＭＲ素子を用いることによって、特性および耐熱性に優れる（例えば、バイアス電圧依存性が小さい、即ち、高出力が可能な）ＭＲＡＭとすることができる。
図１２Ａ〜図１４Ｂを参照して、ＭＲＡＭの動作についてさらに説明する。図１２Ａ、図１３Ａおよび図１４Ａには、書き込み動作の基本例が示されている。また、図１２Ｂ、図１３Ｂおよび図１４Ｂには、読み込み動作の基本例が示されている。ＭＲ素子７０１は、上述した本発明のＭＲ素子である。
図１２Ａおよび図１２Ｂに示すＭＲＡＭでは、ＭＲ素子７０１の磁化状態を個別に読み取るために、素子ごとに、ＦＥＴなどのスイッチ素子７０５が配置されている。このＭＲＡＭは、ＣＭＯＳ基板上への作製に適している。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すＭＲＡＭでは、素子ごとに、非線形素子７０６が配置されている。非線形素子７０６は、例えば、バリスタ、トンネル素子、上述の３端子素子などを用いればよい。非線形素子の代わりに整流素子を用いてもよい。このＭＲＡＭは、ダイオードの成膜プロセスを用いれば、安価なガラス基板上にも作製できる。図１４Ａおよび図１４Ｂに示すＭＲＡＭでは、図１２Ａ〜図１３Ｂに示すようなスイッチ素子や非線形素子を用いることなく、ワード線７０４とビット線７０３との交点に、ＭＲ素子７０１が直接配置されている。このＭＲＡＭでは読み出し時に複数の素子に電流が流れることになるため、読み出し精度の観点から、例えば、素子数を１００００以下に制限することが好ましい。
また、図１２Ａ〜図１４Ｂに示すＭＲＡＭでは、ビット線７０３が、素子に電流を流して抵抗変化を読み取るセンス線としても用いられている。しかし、ビット電流による誤動作や素子破壊を防ぐため、センス線とビット線とを別途配置してもよい。この場合、ビット線を、素子と電気的な絶縁を保ちながら、かつ、センス線と平行に配置することが好ましい。なお、書き込み時における消費電力の観点から、ワード線、ビット線とＭＲ素子との間隔は、例えば、５００ｎｍ以下であればよい。
（実施例）
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
基板（３インチφ）上に、ＤＣおよびＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、各実施例に記載する膜構成のＴＭＲ素子を作製し、そのＭＲ特性を評価した。
ＭＲ比を求めるための磁気抵抗の測定は、素子の固定磁性層の磁化容易軸方向と同方向に最大８×１０４Ａ／ｍ（１ｋＯｅ）の外部磁界を印加しながら、直流四端子法を用いて行った。ＭＲ比は、磁気抵抗の測定で得られた最大抵抗値をＲｍａｘ、最小抵抗値をＲｍｉｎとして、次式（１）により算出した。
ＭＲ比＝｛（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ｝×１００（％）    （１）
また、Ｒｍｉｎ（Ω）×素子面積（μｍ２）を素子の接合抵抗値（Ω・μｍ２）とした。このとき、素子サイズやトンネル層のリーク電流などによる接合抵抗値のばらつきを補正するために、異なる素子面積の素子（例えば、素子面積が、１μｍ２、１０μｍ２、１００μｍ２の３種類の素子（膜構成などはすべて同じ））を準備してそれぞれの接合抵抗値を求め、その平均を用いた。なお、素子面積とは、素子をその膜面方向からみたときの面積である。また、素子サイズとは、素子をその膜面方向からみたときのサイズである。
第３の磁性層などの各層の結晶構造はＸ線回折法（ＸＲＤ）を用いて評価した。例えば、第３の磁性層における（１１１）面が、自らの膜面に対して平行に成長しているかどうかは、ＸＲＤの結果において結晶面（１１１）に対応する回折ピークが存在しており、その積分強度が他の回折ピークの積分強度よりも大きいかどうかにより確認した。より具体的には、結晶面（１１１）に対応する回折ピークのロッキングカーブ半値幅が１０°以下である場合に、第３の磁性層における（１１１）面が自らの膜面に対して平行に成長しており、かつ、（１１１）方向に良好な配向性および良好な結晶性を有しているとした。また、第３の磁性層が、ｆｃｃ構造、あるいは、ｆｃｔ構造を有しているかどうかについても、ＸＲＤにより評価した。ＸＲＤの測定には、反射型広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）で一般的に用いられる手法を用いた。また、より詳細に調べるために、測定したい層の膜面に直接Ｘ線を反射させる測定も行った。
（実施例１）
熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｐｔ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（３）／Ｘ／Ａｌ−Ｏ（０．５）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ（３）／Ｉｒ０．８Ｍｎ０．２（１０）
ここで、括弧内の数値は膜厚を示している。単位はｎｍであり、以下、同様にして膜厚を表示する。ただし、Ａｌ−Ｏの値は、酸化処理前のＡｌの設計膜厚値（合計値）である。Ａｌ−Ｏは、Ａｌを０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の膜厚で成膜した後、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の酸素含有雰囲気中、室温において１分間の酸化を繰り返して作製した（自然酸化法）。
基板には、熱酸化膜付Ｓｉ基板（熱酸化膜の膜厚：５００ｎｍ）を用いた。基板上のＴａ（３）／Ｐｔ（１００）／Ｔａ（３）は下部電極層である。Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（３）は第１の磁性層、Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（３）は第２の磁性層、Ｉｒ０．８Ｍｎ０．２（１０）は反強磁性層であり、実施例１におけるＭＲ素子は、第２の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
Ｘは、以下の表１に示す組成を有する磁性材料からなる第３の磁性層である。実施例１では、比較例としてＸを含まないサンプルを１種類（サンプルＡ）、実施例として３種類（サンプル１−１〜サンプル１−３）のサンプルを準備した。
各サンプルの成膜は、圧力が１．３×１０−６Ｐａ（１×１０−８Ｔｏｒｒ）以下になるまで排気したチャンバー内で行った。また、各サンプルとも、保護層兼上部電極層の一部として、反強磁性層上にＴａ（１５）／Ｐｔ（１０）を積層した。その後、各サンプルとも、フォトリソグラフィーおよびイオンミリングを用いて図５に示すようなメサ型に微細加工し、層間絶縁膜としてＡｌ２Ｏ３をスパッタにより形成した後、上部にスルーホールを開け、この上にＴａ（３）／Ｃｕ（５００）／Ｐｔ（１０）からなる上部電極を形成してＭＲ素子を作製した。素子サイズは全て２μｍ×４μｍとした。作製したＭＲ素子は、２５０℃、４．０×１０５Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中（１．３×１０−３Ｐａ以下の真空中）で３時間の熱処理を行った。
熱処理終了後、各サンプルのＭＲ特性としてＭＲ比を、また、各サンプルの接合抵抗値の値を求めた。
表１に、各サンプルにおけるＸの組成、膜厚とともに、各サンプルにおけるＭＲ比（％）および接合抵抗値（Ω・μｍ２）の結果を示す。
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表１に示すように、Ｘを配置していないサンプルＡでは、接合抵抗値は６Ω・μｍ２と小さいものの、１２％程度のＭＲ比しか得られなかった。また、サンプルＡにおいて、Ａｌ−Ｏ層の膜厚を１ｎｍと倍にしたところ、ＭＲ比は３１％と大きくなったが、接合抵抗値が６００Ω・μｍ２と大きく増加した。接合抵抗値とＭＲ比との両立が難しいことがわかる。
これに対して、Ｘを配置したサンプル１−１、１−２および１−３では、接合抵抗値が全て１０Ω・μｍ２以下になると同時に、得られたＭＲ比も２０％以上と大きくなった。Ｘを第１の磁性層とトンネル絶縁層との間に配置することによって、特性に優れるＴＭＲ素子が得られたことがわかる。なお、素子のサイズを変更して同様の測定を行ったところ、素子サイズ依存性は特に見られず、例えば、素子サイズが０．１μｍ×０．１μｍのサンプルにおいても、同様の結果を得ることができた。
次に、各サンプルの断面構造を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて評価した。
各サンプルの下部電極層であるＴａ（３）／Ｐｔ（１００）／Ｔａ（３）における各界面には、図２Ａおよび図２Ｂに示すような、Ｐｔの結晶粒の成長に起因すると考えられる粗さが観察された。その形状は、図２Ａおよび図２Ｂに示す周期ｄおよび高さｈを用いて、ｄ＝２０ｎｍ程度、ｈ＝２ｎｍ程度であった。
サンプルＡでは、ＭＲ素子内における各層の界面においても、下部電極層で観察された粗さと同様の粗さが観察された。
これに対して、サンプル１−１〜１−３の各サンプルでは、第１の磁性層と第３の磁性層との界面において下部電極層に見られた粗さと同様の粗さが観察されたものの、第３の磁性層とトンネル絶縁層との界面では、そのような粗さは見られず、平滑になっていた。さらに、トンネル絶縁層の上に積層された各層の界面も平滑となっており、第３の磁性層Ｘを配置することによって、トンネル絶縁層と第１の磁性層との界面の平滑性が向上し、均一な厚さのトンネル絶縁層が形成されたことがわかった。
また、サンプル１−１〜１−３について、Ａｌ−Ｏからなるトンネル絶縁層を形成した段階で、第３の磁性層Ｘの結晶構造をＸＲＤにより評価した。その結果、サンプル１−１〜１−３において、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向を示す結晶構造であった。また、サンプル１−１および１−２では、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、面心立方晶構造（ｆｃｃ構造）であり、サンプル１−３では、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、面心正方晶構造（ｆｃｔ構造）であった。また、サンプル１−１〜１−３の第３の磁性層Ｘに対するＸＲＤの測定結果において、結晶面（１１１）に対応する回折ピークのロッキングカーブ半値幅は、すべて１０°以下であった。
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および反強磁性層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
（実施例２）
Ｓｉ単結晶基板／Ａｇ（５）／Ｃｕ（１００）／Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（４）／Ｘ／Ａｌ−Ｏ（２）／Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５（３）／Ｃｏ０．５Ｐｔ０．５（１０）
基板には、Ｓｉ単結晶基板（配向結晶面が（１１１））を用いた。基板上のＡｇ（５）／Ｃｕ（１００）は下部電極層である。下部電極層は、Ｓｉ単結晶からなる基板の上でエピタキシャル成長しており、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向していた。
Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（４）は第１の磁性層、Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５（３）は第２の磁性層である。また、Ｃｏ０．５Ｐｔ０．５（１０）は高保磁力磁性材料からなる高保磁力層であり、隣接する第２の磁性層を固定磁性層とすることができる。このため実施例２におけるＭＲ素子は、第２の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
Ａｌ−Ｏ（２）はトンネル絶縁層であり、Ａｌ−Ｏ（２）は、Ａｌ層を２ｎｍの膜厚で成膜した後に、プラズマ酸化法を用いて形成した。プラズマ酸化は、酸素の分圧を全圧の７５％に調節したＡｒとＯ２との混合ガス（全圧が０．１Ｐａ（０．８ｍＴｏｒｒ））中において、ワンターンコイルに１５０ＷのＲＦ電力を投入することによって酸素プラズマを生成し、酸化時間を１８０秒として行った。
Ｘは、以下の表２に示す組成を有する磁性材料からなる第３の磁性層である。実施例２では、比較例としてＸを含まないサンプルを１種類（サンプルＢ）、実施例として３種類（サンプル２−１〜サンプル２−３）のサンプルを準備した。
各サンプルの成膜は、実施例１と同様に行った。また、各サンプルとも、保護層兼上部電極の一部として、高保磁力層上にＴａ（１５）／Ｐｔ（１０）を積層した。その後、各サンプルとも、実施例１と同様にメサ型に微細加工し、Ａｌ２Ｏ３からなる層間絶縁層を形成した後、上部にスルーホールを開け、この上にＴａ（３）／Ｃｕ（５００）／Ｐｔ（１０）からなる上部電極を形成してＭＲ素子を作製した。素子サイズは、全て１μｍ×３μｍとした。作製したＭＲ素子は、２００℃、４×１０５Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中（１．３×１０−３Ｐａ以下の真空中）で１０時間の熱処理を行った。
熱処理終了後、各サンプルのＭＲ特性としてＭＲ比を測定し、各サンプルのバイアス電圧依存性を評価した。バイアス電圧依存性は、最初にバイアス電圧がほぼ０（例えば、５０ｍＶ以下）のときのＭＲ比を求め、次に、素子にバイアス電圧を印加して、ＭＲ比の値が最初の半分になったときのバイアス電圧（Ｖｈ）を求めることにより評価した。Ｖｈの値が大きいほど、素子のバイアス電圧依存性は小さいと考えられる。
また、実施例２の各サンプルに対して、トンネル絶縁層を形成する前に、トンネル絶縁層を形成する磁性層の面（即ち、サンプル２−１〜２−３では第３の磁性層Ｘの表面、サンプルＢでは第１の磁性層の表面）の算術平均粗さ（Ｒａ）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により評価した。ＡＦＭの測定は、各サンプルを大気中に暴露することなく、減圧を保ったまま成膜用のチャンバー内で行った。なお、サンプル２−１〜２−３における第３の磁性層Ｘの結晶構造を実施例１と同様にＸＲＤにより解析したところ、いずれのサンプルにおいても、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、その膜面に対して平行に（１１１）配向を示す結晶構造であった。
表２に、各サンプルにおけるＸの組成、膜厚とともに、Ｖｈ（ｍＶ）およびＲａ（ｎｍ）の測定結果を示す。
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表２に示すように、Ｘを配置していないサンプルＢに比べて、Ｘを配置したサンプル２−１〜２−３では、Ｖｈがより大きく、即ち、バイアス電圧依存性がより小さくなった。また、サンプル２−１〜２−３では、サンプルＢに比べて、トンネル絶縁層を形成する磁性層の面における粗さの程度がより小さくなることがわかった。このため、Ｘを配置することによって、トンネル磁性層とそれに隣接する磁性層との界面の粗さや、トンネル磁性層の膜厚のばらつきなどを軽減できると考えられる。
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および高保磁力層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
（実施例３）
サンプルＣ（比較例）：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（６）／Ａｌ−Ｏ（１．２）／Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５（３）／Ｉｒ０．８Ｍｎ０．２（１２）
サンプル３−１：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）／Ｐｔ０．５Ｍｎ０．５（１５）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（４）／Ｆｅ０．７５Ｐｔ０．２５（２）／Ａｌ−Ｏ（０．７）／Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１（２）／Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（４）
サンプル３−２：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）／Ｉｒ０．８Ｍｎ０．２（１０）／Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１（４）／Ｆｅ０．６Ｐｄ０．４（２）／Ａｌ−Ｎ（１．４）／Ｎｉ０．６Ｆｅ０．４（５）
サンプル３−３：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）／Ｐｔ０．５Ｍｎ０．５（２０）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（１）／Ｆｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（２）／Ａｌ−Ｏ（１．０）／Ｆｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（２）／Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１（５）
基板には、熱酸化膜付Ｓｉ基板（熱酸化膜の膜厚：５００ｎｍ）を用いた。基板上のＴａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）は下部電極である。また、サンプル３−１〜３−３におけるＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）は下地層である。
サンプルＣでは、Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（６）は第１の磁性層、Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５（３）は第２の磁性層、Ｉｒ０．８Ｍｎ０．２（１２）は反強磁性層である。サンプルＣは、第２の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
サンプル３−１では、Ｐｔ０．５Ｍｎ０．５（１５）は反強磁性層、Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（４）は第１の磁性層、Ｆｅ０．７５Ｐｔ０．２５（２）は第３の磁性層、Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１（２）／Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（４）は第２の磁性層である。サンプル３−１は、第１の磁性層および第３の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
サンプル３−２では、Ｉｒ０．８Ｍｎ０．２（１０）は反強磁性層、Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１（４）は第１の磁性層、Ｆｅ０．６Ｐｄ０．４（２）は第３の磁性層、Ｎｉ０．６Ｆｅ０．４（５）は第２の磁性層である。サンプル３−２は、第１の磁性層および第３の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
サンプル３−３では、Ｐｔ０．５Ｍｎ０．５（２０）は反強磁性層、Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（１）は積層フェリ構造を含む第１の磁性層、Ｆｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（２）は第３の磁性層、Ｆｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（２）／Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１（５）は第２の磁性層である。サンプル３−３は、第１の磁性層および第３の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
サンプルＣのトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ（１．２）は、Ａｌ層を１．２ｎｍの膜厚で成膜した後、プラズマ酸化法を用いて形成した。プラズマ酸化は、酸素の分圧を全圧の７５％に調節したＡｒとＯ２との混合ガス（全圧が０．１Ｐａ（０．８ｍＴｏｒｒ））中において、ワンターンコイルに１５０ＷのＲＦ電力を投入することによって酸素プラズマを生成し、酸化時間を３０秒として行った。
サンプル３−１のトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ（０．７）は、Ａｌ層を０．７ｎｍの膜厚で成膜した後、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の純酸素中で自然酸化（１分間）することによって形成した。
サンプル３−２のトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｎ（１．４）は、Ａｌ層を１．４ｎｍの膜厚で成膜した後、プラズマ窒化法を用いて形成した。プラズマ窒化は、窒素の分圧を全圧の８０％に調節したＡｒとＮ２との混合ガス（全圧が０．１Ｐａ（０．８ｍＴｏｒｒ））中において、ワンターンコイルに２００ＷのＲＦ電力を投入することによって窒素プラズマを生成し、窒化時間を４０秒として行った。
サンプル３−３のトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ（１．０）は、Ａｌ層を成膜した後、自然酸化法により形成した。ただし、最初にＡｌ（０．４）を積層して酸化した後、その上にＡｌ（０．３）を積層して酸化し、さらにＡｌ（０．３）を積層して酸化する多段酸化法を用いて形成した。即ち、サンプル３−３のトンネル絶縁層は、Ａｌ−Ｏ（０．４）／Ａｌ−Ｏ（０．３）／Ａｌ−Ｏ（０．３）の多層膜になっていると考えられる。それぞれのステップの酸化条件はすべて同一条件とし、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の酸素含有雰囲気中において、１分間の酸化（室温中）とした。
各サンプルの成膜は、実施例１と同様に行った。また、各サンプルとも、保護層兼上部電極の一部として、第２の磁性層上にＴａ（１５）／Ｐｔ（１０）を積層した。その後、各サンプルとも、実施例１と同様にメサ型に微細加工し、Ａｌ２Ｏ３からなる層間絶縁層を形成した後、上部にスルーホールを開け、この上にＣｕ（５００）／Ｐｔ（１００）からなる上部電極を形成してＭＲ素子を作製した。素子サイズは、全て０．１μｍ×０．２μｍとした。作製したＭＲ素子は、２８０℃、４×１０５Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中（１．３×１０−３Ｐａ以下の真空中）で８時間の熱処理を行った。
実施例３では、まず、素子の成膜過程において、各層の表面（例えば、下部電極層を積層した段階では下部電極層の表面、第３の磁性層を積層した段階では第３の磁性層の表面）の粗さの程度をＡＦＭにより評価した。ＡＦＭの測定は、実施例２と同様に、各サンプルを大気中に暴露することなく、減圧を保ったまま行った。
各サンプルとも、下部電極層を積層した段階では、下部電極層の表面に、Ｃｕの結晶粒に起因すると考えられる粗さが観察された。図２Ａおよび図２Ｂに示す周期ｄおよび高さｈによれば、ｄは約５５ｎｍ、ｈは約６ｎｍであった。なお、周期ｄの大きさは、下部電極層に含まれるＣｕ層に対するＸＲＤ測定の結果から求めたＣｕの結晶粒の大きさと同程度であった。Ｃｕの結晶粒の大きさは、ＸＲＤ測定で得られたＣｕの結晶面に対応する回折ピークの半値幅をＳｈｅｒｒｅｒの式を用いて解析することによって算出した。
表３に、反強磁性層を積層した段階における反強磁性層の表面、および、第３の磁性層を積層した段階における第３の磁性層の表面の高さｈの値を示す。なお、サンプルＣでは、第１の磁性層を積層した段階における第１の磁性層の表面の高さｈの値を、第３の磁性層の欄に示す。
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表３に示すように、サンプル３−１〜３−３の反強磁性層の表面における粗さの程度はｈ＝１．４ｎｍ〜１．７ｎｍ程度となった。下部電極層と第１の磁性層との間に下地層と反強磁性層とを配置することによって、下部電極層の表面で観察された粗さ（ｈ＝６ｎｍ）が緩和されていることがわかる。おそらく、サンプル３−１〜３−３における第１の磁性層の表面における粗さの程度は、反強磁性層の表面と同様に、ｈ＝１．５ｎｍ程度になると思われる。また、第３の磁性層を配置することによって、第３の磁性層の表面における粗さの程度は約０．５ｎｍ程度となり、さらに平滑化されていることがわかった。これに対して、サンプルＣでは、第１の磁性層の表面における粗さの程度は、下部電極層の表面における粗さの程度と同程度であった。下部電極層の表面の粗さが、そのまま第１の磁性層の表面に影響を与えていると考えられる。
なお、サンプル３−１〜３−３における反強磁性層および第３の磁性層の結晶構造をＸＲＤにより評価したところ、それぞれｆｃｃ構造あるいはｆｃｔ構造を有しており、それぞれの膜面に対して平行に（１１１）配向していることが確認された。また、下地層はｆｃｃ構造を有していた。
次に、上記のように作製した各ＭＲ素子の耐熱性を調べるために、各サンプルとも２８０℃〜４５０℃の熱処理を行い、熱処理後のＭＲ比を求めた。熱処理は、表４に示す各温度において、０．５時間保持して行った。また、ＭＲ比を求めるための磁気抵抗の測定は、熱処理後に素子を室温に冷却して行った。表４にその結果を示す。
2003092084.tif 000006
表４に示すように、下部電極層と第１の磁性層との間に下地層、反強磁性層を配置し、また、第１の磁性層とトンネル絶縁層との間に第３の磁性層を配置したサンプル３−１〜３−３では、サンプルＣに比べて、より優れた耐熱性を示した。
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および反強磁性層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
（実施例４）
実施例１で作製したＭＲ素子（サンプル１−３およびサンプルＡ）を用いて、図６に示すようなシールド型磁気ヘッドを作製し、その特性を評価した。
磁気ヘッドの基板にはＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ基板を、上部記録コア、上部シールドおよび下部シールドにはＮｉ０．８Ｆｅ０．２合金を用いた。また、ＭＲ素子を狭持する電極層（上部電極層、下部電極層）には、Ｃｕ、ＰｔおよびＴａの積層膜を用い、上部シールドおよび下部シールドの一部を、それぞれ上部電極層および下部電極層とした。
ＭＲ素子には、自由磁性層に相当する磁性層の磁化容易方向が検知すべき信号磁界の方向と垂直（トラック幅方向）となるように、また、固定磁性層に相当する磁性層の磁化方向が検知すべき信号磁界の方向と平行になるように、異方性を付与した。このような異方性は、ＭＲ素子を作製した後、最初に固定磁性層の磁化方向を磁界中熱処理（２８０℃、４．０×１０５Ａ／ｍ（５ｋＯｅ））によって規定し、次に自由磁性層の磁化容易方向を磁界中熱処理（２００℃、８．０×１０３Ａ／ｍ（１００Ｏｅ））によって規定することで付与した。なお、ＭＲ素子のサイズは、０．５μｍ×０．５μｍとした。それぞれ、トラック幅とＭＲ高さに対応している。また磁気ヘッドの再生ギャップは０．１μｍとした。
このようにして作製した磁気ヘッドのＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を評価したところ、サンプル１−３を含む磁気ヘッドの方が、サンプルＡを含む磁気ヘッドに比べてＳ／Ｎ比が８ｄＢ向上していた。
（実施例５）
図８Ａおよび図８Ｂに示すようなヨーク型磁気ヘッドを作製し、その特性を評価した。
下部ヨークには高透磁率のＮｉ−Ｆｅ合金膜を用いた。下部ヨークを形成した後に、その表面をＣＭＰ研磨し、その上にＡｌ２Ｏ３からなる絶縁部、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａの積層膜からなる下部電極層を形成した後、以下に示す膜構成のＭＲ素子を形成した。ＭＲ素子の形成には、実施例１と同様の手法を用いた。
サンプル５−１：Ｐｔ０．５Ｍｎ０．５（１５）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（１）／Ｆｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（２）／Ａｌ−Ｏ（０．７）／Ｆｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（１）／Ｎｉ０．８Ｆｅ０．２（２）
サンプルＥ（比較例）：Ｐｔ０．５Ｍｎ０．５（１５）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（３）／Ａｌ−Ｏ（０．７）／Ｃｏ０．９Ｆｅ０．１（１）／Ｎｉ０．８Ｆｅ０．１（２）
Ｐｔ０．５Ｍｎ０．５（１５）は反強磁性層であり、Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ０．７５Ｆｅ０．２５（１）は積層フェリ構造を含む第１の磁性層である。サンプル５−１のＦｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（２）、Ｆｅ０．６Ｎｉ０．１５Ｐｔ０．２５（１）は第３の磁性層である。なおサンプル５−１には、反強磁性層の下地層として、下部電極層と反強磁性層との間にＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）を積層した。
トンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ層は、双方のサンプルとも、Ａｌ層を膜厚０．７ｎｍで積層した後、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の純酸素中で１０分間自然酸化することによって形成した。ＭＲ素子のサイズは、２μｍ×６μｍとした。
磁気ヘッドの作製にあたっては、素子の長辺が、図８Ａに示す面Ａに対して垂直となるように素子を配置した。また、上部電極層には、Ｔａ／Ｐｔ／Ｃｕからなる積層膜を用い、上部ヨークとの間には電気的な短絡を防ぐためにＳｉＯ２からなる絶縁層を形成した。上部ヨークにはＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｆｅからなる軟磁性膜を用いた。
ＭＲ素子には、実施例４と同様に、自由磁性層に相当する磁性層の磁化容易方向が検知すべき信号磁界の方向と垂直（図８Ａに示す面Ａに対して垂直な方向）になるように、また、固定磁性層にあたる磁性層の磁化方向が検知すべき信号磁界の方向と平行（図８Ａに示す面Ａに対して平行な方向）になるように異方性を付与した。ただし、自由磁性層の磁化容易方向を規定するための磁界中熱処理の磁界は、４×１０４Ａ／ｍ（５００Ｏｅ）とした。なお、磁気ヘッドの再生ギャップ長は０．５μｍとした。
上記のように作製した磁気ヘッドを、１８０℃の恒温槽に入れ、２００ｍＶの電圧をＭＲ素子に印加した状態で５０日間保持するという試験を実施し、試験前後のＭＲ出力を比較した。ＭＲ出力の測定は以下に示す方法を用いた。
ヘルムホルツコイル中に磁気ヘッドを設置し、ＭＲ素子に電流を印加しながら、その際に得られる磁気抵抗を直流四端子法により測定した。磁気抵抗の測定にあたっては、測定磁界を±４．０×１０４Ａ／ｍの範囲内で変化させた。このようにして得られた磁気抵抗の最大値と最小値の差を磁気ヘッドのＭＲ出力とした。なお、ヘルムホルツコイルにより発生させる測定磁界の方向は、ＭＲ素子の固定磁性層の磁化容易方向とした。
評価の結果、ＭＲ素子としてサンプルＥを用いた磁気ヘッドでは、試験前後において約３８％の非常に大きな出力低下が発生した。これに対して、ＭＲ素子としてサンプル５−１を用いた磁気ヘッドでは、試験前後の出力の低下が約１％以内であり、試験後も非常に安定した出力特性を示した。
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および高保磁力層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
（実施例６）
実施例３で作製したＭＲ素子（サンプル３−１、サンプル３−３、サンプルＣ）を用いて、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すようなスイッチ素子を含まない磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を作製した。ただし、サンプル３−１のトンネル絶縁層の膜厚を１．２ｎｍ、サンプル３−２のトンネル絶縁層の膜厚を１．４ｎｍとした。
ＭＲＡＭの作製は以下のように行った。まず、５００ｎｍの熱酸化膜を有するＳｉ基板上に、Ｃｕからなるワード線を形成し、その表面にＡｌ２Ｏ３からなる絶縁膜を形成した。次に、Ｃｕからなる下部電極層を形成した。ここでＣＭＰにより下部電極層の表面の平滑化を行った後、サンプル３−１、サンプル３−３またはサンプルＣに示す膜構成のＭＲ素子を積層させた。ＭＲ素子のサイズは、１μｍ×２μｍとした。
次に、作製したＭＲ素子に対し、２８０℃、４．０×１０５Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中熱処理を５時間行った。磁界は、素子の長辺の方向に印加した。その後、実施例１と同様に、メサ型に微細加工することによって、ＭＲ素子を形成した。最後に、上部電極層としてＣｕからなるビット線を形成し、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すようなスイッチ素子を持たない単一の磁気メモリを作製した。
作製した磁気メモリに対して、ワード線およびビット線に電流を流して磁界を発生させ、ＭＲ素子の自由磁性層の磁化方向を反転させて情報「０」を記録した。次に、ワード線とビット線に対して先程とは逆方向の電流を流して磁界を発生させ、自由磁性層の磁化方向を反転させて情報「１」を記録した。その後、それぞれの状態のＭＲ素子に対してバイアス電圧（約４００ｍＶ）を印加することによってセンス電流を流し、情報「０」と情報「１」の状態における素子電圧の差を測定したところ、サンプル３−１および３−３のＭＲ素子を含む磁気メモリでは、１００ｍＶ以上の出力を得ることができた。これに対して、サンプルＣのＭＲ素子を含む磁気メモリでは、情報「０」と「１」とを読み出すことはできたものの、出力は１００ｍＶ未満であった。これは、サンプルＣのＭＲ素子に比べて、サンプル３−１および３−３のＭＲ素子の方が、バイアス電圧依存性がより小さいためと考えられる。
次に、上記のＭＲ素子をＣＭＯＳ基板上に配置し、図１１に示すような、マトリクス状にＭＲ素子を配置した集積磁気メモリを作製した。素子配列は、１６×１６素子のメモリを１ブロックとして、合計８ブロックとした。ＭＲ素子の配置は、次のように行った。まずＣＭＯＳ基板上に、スイッチ素子としてＦＥＴをマトリクス状に配置し、ＣＭＰで表面を平坦化した後、サンプル３−１、サンプル３−２またはサンプルＣに示す膜構成のＭＲ素子をＦＥＴに対応してマトリクス状に配置した。ＭＲ素子サイズは、０．１μｍ×０．２５μｍとした。
ＭＲ素子の配置後、最初に磁界中熱処理（２８０℃、４×１０５Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）、１０時間）を行った。磁界は、ＭＲ素子の長辺の方向に印加した。その後、水素シンター処理を４００℃にて行った。なお、各ブロック中１素子は、配線抵抗や素子最低抵抗、ＦＥＴ抵抗などをキャンセルするためのダミー素子とした。また、ワード線、ビット線などは全てＣｕを用いた。
このように作製した磁気メモリに対し、ワード線およびビット線によって生じた合成磁界により、各ブロックそれぞれ８素子の自由磁性層の磁化反転を同時に行い、８ビットの信号を記録させた。次に、ＦＥＴのゲートを、それぞれのブロックに付き１素子づつＯＮし、素子にセンス電流を流した。このとき、各ブロック内におけるビット線、素子およびＦＥＴに発生する電圧と、ダミー電圧とをコンパレータにより比較し、それぞれの素子の出力を読み取った。
測定の結果、ＭＲ素子としてサンプルＣを用いたＭＲＡＭでは、全く素子出力が得られなかった。一方、ＭＲ素子としてサンプル３−１、３−３を用いたＭＲＡＭでは、上述の単一磁気メモリの場合と同様に、良好な素子出力が得られた。この結果から、サンプルＣが４００℃の熱処理に耐えられなかったのに対し、サンプル３−１および３−３は４００℃の熱処理に対しても十分な耐熱性を有していたといえる。
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
産業上の利用の可能性
以上のように、本発明によれば、素子の特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子と、このようなＴＭＲ素子を製造する方法とを提供することができる。また、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッド、磁気メモリおよび磁気記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａ〜図１Ｅは、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例の各工程における状態を示す模式断面図である。
図２Ａおよび図２Ｂは、従来の磁気抵抗効果素子と本発明の磁気抵抗効果素子との違いを説明するための模式断面図である。
図３は、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す模式断面図である。
図４は、本発明の磁気抵抗効果素子の別の一例を示す模式断面図である。
図５は、電極を含む本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図である。
図６は、本発明の磁気ヘッドの一例を示す断面図である。
図７は、本発明の磁気ヘッドの別の一例を示す断面図である。
図８Ａは、本発明の磁気ヘッドのまた別の一例を示す模式図である。
図８Ｂは、図８Ａに示した磁気ヘッドを図８Ａに示す面Ａで切断した断面図である。
図９は、本発明の磁気記録装置の一例を示す模式図である。
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の磁気記録装置の別の一例を示す模式図である。
図１１は、本発明の磁気メモリの一例を示す模式図である。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
【図１Ａ】
2003092084.tif 000007
【図１Ｂ】
2003092084.tif 000008
【図１Ｃ】
2003092084.tif 000009
【図１Ｄ】
2003092084.tif 000010
【図１Ｅ】
2003092084.tif 000011
【図２Ａ】
2003092084.tif 000012
【図２Ｂ】
2003092084.tif 000013
【図３】
2003092084.tif 000014
【図４】
2003092084.tif 000015
【図５】
2003092084.tif 000016
【図６】
2003092084.tif 000017
【図７】
2003092084.tif 000018
【図８Ａ】
2003092084.tif 000019
【図８Ｂ】
2003092084.tif 000020
【図９】
2003092084.tif 000021
【図１０Ａ】
2003092084.tif 000022
【図１０Ｂ】
2003092084.tif 000023
【図１１】
2003092084.tif 000024
【図１２Ａ】
2003092084.tif 000025
【図１２Ｂ】
2003092084.tif 000026
【図１３Ａ】
2003092084.tif 000027
【図１３Ｂ】
2003092084.tif 000028
【図１４Ａ】
2003092084.tif 000029
【図１４Ｂ】
2003092084.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月9日(2004.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層とを含み、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なる磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
（ｉ）基板上に、第１の磁性層、第３の磁性層およびＡｌ層を順に積層する工程と、
（ii）前記Ａｌ層に酸化、窒化、および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行うことによって、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層を形成する工程と、
（iii）前記トンネル絶縁層を前記第１の磁性層と第２の磁性層とによって狭持するように前記第２の磁性層を積層し、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層と前記第２の磁性層とを含む積層体を形成する工程とを含み、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含む請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記磁性材料が、式ＦｅxＣｏyで示される組成を有する請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式ＦｅxＣｏyにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【請求項４】
前記磁性材料が、式Ｆｅx'Ｎｉy'で示される組成を有する請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式Ｆｅx'Ｎｉy'において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【請求項５】
前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記磁性材料が、式ＭpＺqで示される組成を有する請求項５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式ＭpＺqにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
【請求項７】
前記（ｉ）の工程において、前記基板と前記第１の磁性層との間に反強磁性層を積層する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
前記（iii）の工程の後に、
（ａ）前記積層体を熱処理する工程をさらに含む請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
Ａｌの酸化物、窒化物、および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層との間に配置された第３の磁性層とを含み、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なり、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含む請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記磁性材料が、式ＦｅxＣｏyで示される組成を有する請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式ＦｅxＣｏyにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【請求項１２】
前記磁性材料が、式Ｆｅx'Ｎｉy'で示される組成を有する請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式Ｆｅx'Ｎｉy'において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【請求項１３】
前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記磁性材料が、式ＭpＺqで示される組成を有する請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式ＭpＺqにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
【請求項１５】
反強磁性層をさらに含む請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記反強磁性層が、前記第１の磁性層の前記トンネル絶縁層に面している面とは反対側に配置され、かつ、前記反強磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界以外の磁界の、前記磁気抵抗効果素子への導入を制限するシールドとを含む磁気ヘッド。
【請求項１８】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界を前記磁気抵抗効果素子へ導入する磁束ガイド部とを含む磁気ヘッド。
【請求項１９】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に情報を記録するための情報記録用導体線と、前記情報を読み出すための情報読出用導体線とを含む磁気メモリ。
【請求項２０】
複数の前記磁気抵抗効果素子が、マトリクス状に配置されている請求項１９に記載の磁気メモリ。
【請求項２１】
請求項１７に記載の磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含む磁気記録装置。
【請求項２２】
請求項１８に記載の磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含む磁気記録装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。また、磁気抵抗効果素子と、これを用いた磁気デバイスである磁気ヘッド、磁気メモリおよび磁気記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度通信網が発展するにしたがって、大量の情報を高速に扱うことができるデバイスが求められている。例えば、大容量かつ高速なデバイスとして、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を利用した磁気ヘッドや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への期待が高まっている。
【０００３】
ＴＭＲ効果は、トンネル絶縁層を介して積層された一対の磁性層の磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が異なる現象である。この現象を利用した磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）では、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）や巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用した素子に比べて、微小磁界における磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が非常に大きい。このため、ＴＭＲ素子を次世代の磁気ヘッドやＭＲＡＭに応用するための開発が盛んに行われている。
【０００４】
ＴＭＲ素子を構成する各層の厚さは非常に薄く、数ｎｍ〜数十ｎｍのオーダーである。磁気抵抗特性（ＭＲ特性）に優れるＴＭＲ素子とするためには、これら各層の制御が重要になる。なかでも、トンネル絶縁層の状態が、素子のＭＲ特性に大きな影響を与えると考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドなどのデバイスに応用する場合、大きなＭＲ比を実現するとともに、素子の接合抵抗値（素子の膜面方向とは垂直な方向に電流を流した場合の単位面積あたりの抵抗値）をできるだけ小さくする（例えば、１０Ω・μｍ2以下）ことが好ましい。接合抵抗値が小さい場合、例えば、トンネル絶縁層を電子が不規則に透過して流れる現象であるショットノイズの発生を抑制することができる（ショットノイズは素子のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を低下させる原因となる）。接合抵抗値を小さくするためには、例えば、トンネル絶縁層の膜厚を薄くすればよい。しかし、トンネル絶縁層の膜厚を単に薄くしただけでは、得られるＭＲ比が減少する可能性がある。一般に、トンネル絶縁層とそれに接する磁性層との界面は完全に平滑ではなく、サブナノメートルから数ナノメートル程度の原子レベルの粗さがみられる。即ち、トンネル絶縁層には、膜厚が局所的に厚い領域と薄い領域とが存在している。このため、トンネル絶縁層の膜厚を薄くするにつれて、膜厚が局所的に薄い領域でリーク電流が生じる可能性がある。リーク電流はＭＲ効果に寄与しないため、接合抵抗値は見かけ上小さくなるものの、ＭＲ比が減少する原因となる。
【０００６】
また、ＴＭＲ素子には、印加するバイアス電圧が大きくなるにつれて、得られるＭＲ比が減少するという課題がある。例えば、ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭの場合、一般に、約４００ｍＶのバイアス電圧を印加して用いるが、この状態では、バイアス電圧を印加しない状態に比べて得られるＭＲ比は約半分となる。このような「ＭＲ比のバイアス電圧依存性」は、トンネル絶縁層の格子欠陥、トンネル絶縁層に含まれる不純物、トンネル絶縁層と磁性層との界面の素励起、バンド構造のミスマッチなどに因ると考えられている。なかでも、トンネル絶縁層中の格子欠陥やバンド構造のミスマッチなどは、トンネル絶縁層と磁性層との界面の粗さが一因であると考えられている。
【０００７】
また、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドやＭＲＡＭなどのデバイスに用いる場合、素子には、デバイスの製造プロセスに耐えることのできる耐熱性が求められる。例えば、素子自体の製造工程において２００℃〜３００℃程度の熱処理が必要である。磁気ヘッドに用いる場合、その動作環境温度（例えば、１２０℃〜１７０℃程度）下で安定である必要がある。また、ＭＲ素子をＣＭＯＳ上に作製することによってＭＲＡＭデバイスとして応用する研究が進んでいるが、ＣＭＯＳを製造する工程ではさらに高温の熱処理（例えば、４００℃〜４５０℃）が必要とされる。
【０００８】
しかしながら、従来のＴＭＲ素子では、３００℃〜３５０℃程度の熱処理によって素子のＭＲ特性が劣化する傾向がみられる。これはトンネル絶縁層への不純物の拡散や、界面の粗さの増大などが原因であると考えられる。トンネル絶縁層の厚さは非常に薄く、このような影響を受けやすい。このため、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドやＭＲＡＭなどのデバイスに応用するためには、熱処理などによって素子の温度が上昇した場合にも、よりＭＲ特性が劣化しにくいＴＭＲ素子の開発が重要である。
【０００９】
このような状況に鑑み、本発明は、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子と、このようなＴＭＲ素子を製造する方法とを提供することを目的とする。また、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッド、磁気メモリおよび磁気記録装置を提供することを目的とする。なお、本明細書では、ＴＭＲ素子のことを、単に、磁気抵抗効果素子、あるいは、ＭＲ素子という場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、トンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層とを含み、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なる磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
（ｉ）基板上に、第１の磁性層、第３の磁性層およびＡｌ層を順に積層する工程と、
（ii）前記Ａｌ層に酸化、窒化および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行うことによって、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層を形成する工程と、
（iii）前記トンネル絶縁層を前記第１の磁性層と第２の磁性層とによって狭持するように前記第２の磁性層を積層し、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層と前記第２の磁性層とを含む積層体を形成する工程とを含み、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。なお、平行に（１１１）配向しているかどうかを判断する手法は、実施例に後述する。
【００１１】
本発明の製造方法では、前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含んでいてもよい。
【００１２】
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、式ＦｅxＣｏyで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＦｅxＣｏyにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【００１３】
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、式Ｆｅx'Ｎｉy'で示される組成を有していてもよい。ただし、上記式Ｆｅx'Ｎｉy'において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【００１４】
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含んでいてもよい。
【００１５】
本発明の製造方法では、前記磁性材料が、式ＭpＺqで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＭpＺqにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
【００１６】
本発明の製造方法では、前記（ｉ）の工程において、前記基板と前記第１の磁性層との間に反強磁性層を積層してもよい。
【００１７】
本発明の製造方法では、前記（iii）の工程の後に、
（ａ）前記積層体を熱処理する工程をさらに含んでいてもよい。
【００１８】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子は、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層との間に配置された第３の磁性層とを含み、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なり、前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。
【００１９】
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含んでいてもよい。
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、式ＦｅxＣｏyで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＦｅxＣｏyにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【００２１】
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、式Ｆｅx'Ｎｉy'で示される組成を有していてもよい。ただし、上記式Ｆｅx'Ｎｉy'において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【００２２】
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含んでいてもよい。
【００２３】
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記磁性材料が、式ＭpＺqで示される組成を有していてもよい。ただし、上記式ＭpＺqにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
【００２４】
本発明の磁気抵抗効果素子では、反強磁性層をさらに含んでいてもよい。
【００２５】
本発明の磁気抵抗効果素子では、前記反強磁性層が、前記第１の磁性層の前記トンネル絶縁層に面している面とは反対側に配置され、かつ、前記反強磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層であってもよい。
【００２６】
次に、本発明の磁気ヘッドは、上述した磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界以外の磁界の、前記磁気抵抗効果素子への導入を制限するシールドとを含んでいる。
【００２７】
また、本発明の磁気ヘッドは、上述した磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界を前記磁気抵抗効果素子へ導入する磁束ガイド部とを含んでいてもよい。
【００２８】
次に、本発明の磁気メモリは、上述した磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に情報を記録するための情報記録用導体線と、前記情報を読み出すための情報読出用導体線とを含んでいてもよい。
【００２９】
本発明の磁気メモリでは、複数の前記磁気抵抗効果素子が、マトリクス状に配置されていてもよい。
【００３０】
次に、本発明の磁気記録装置は、上述したいずれかの磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
【００３２】
最初に、本発明のＭＲ素子の製造方法について説明する。
【００３３】
本発明のＭＲ素子の製造方法によれば、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００３４】
図１Ａ〜図１Ｅに、本発明のＭＲ素子の製造方法の一例を示す。最初に、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、基板１の上に下部電極層２、第１の磁性層３、第３の磁性層４およびＡｌ層５を順に積層する（工程（ｉ））。このとき、第３の磁性層（界面平滑層）４は、面心立方晶（ｆｃｃ構造）および面心正方晶（ｆｃｔ構造）から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。このため、第３の磁性層４上にＡｌ層５を積層することによって、自らの膜面に対して（１１１）配向を有するＡｌ層５とすることができる。一般に、Ａｌは、その結晶構造が（１１１）配向を有するｆｃｃ構造である場合が最も安定かつ緻密である。よって、第３の磁性層４を配置せずに、第１の磁性層３上にＡｌ層５を直接積層した場合に比べて、より安定で緻密な結晶構造を有するＡｌ層５とすることができる。
【００３５】
次に、図１Ｄに示すように、Ａｌ層５を酸化することによって、Ａｌの酸化物（Ａｌ−Ｏ）を含むトンネル絶縁層６を形成する（工程（ii））。上述したように、第３の磁性層４によって、Ａｌ層５は（１１１）配向のｆｃｃ構造を有しており、また、安定で緻密な結晶構造を有している。このため、Ａｌ層５を酸化することによって形成されるトンネル絶縁層６を、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができる。なお、本明細書において、「Ａｌ−Ｏ」のようにハイフンを用いて組成を示す場合は、含まれる元素の組成比は特に限定されない。
【００３６】
次に、図１Ｅに示すように、トンネル絶縁層６を第１の磁性層３と第２の磁性層７とによって狭持するように第２の磁性層７を積層する。このようにして、第１の絶縁層３とトンネル絶縁層６と第２の磁性層７とを含む積層体１０を形成する（工程（iii））。その後、必要に応じて、例えば、上部電極層をさらに積層したり、微細加工などを行ったりすればよい。上述したように、トンネル絶縁層６を、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができるため、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００３７】
また、第３の磁性層４を積層することによって、以下に示すような効果も考えられる。
【００３８】
図２Ａは、従来のＴＭＲ素子の一例を示す模式断面図である。一般に、下部電極層５２の表面は、基板の表面の粗さや下部電極層自身の結晶粒界を反映した粗さ（下部電極層の膜面に対して、即ち、素子の膜面に対して、膜面方向の周期をｄ、膜面に垂直な方向の凸部の高さをｈとする）を有している。このような下部電極層５２上に、磁性層５３を積層し、トンネル絶縁層５６を形成した場合、磁性層５３の表面、即ち、磁性層５３とトンネル絶縁層５６との界面も同様の粗さを有することになる。また、トンネル絶縁層５６自身の表面にも、同様の粗さが生じることになる。このため、トンネル絶縁層５６を、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることが難しく、素子としての特性や耐熱性が劣化する可能性がある。また、図２Ａには明示していないが、磁性層５３自身の原子ステップに起因する粗さも考えられ、磁性層５３とトンネル絶縁層５６との界面に、図２Ａに示す周期ｄ、高さｈよりも微細な粗さがさらに生じる可能性がある。なお、本発明のＭＲ素子の製造方法の説明において、「表面」とは、素子の各層における基板とは反対側の面を意味している。
【００３９】
これに対して本発明のＴＭＲ素子では、図２Ｂに示すように（図２Ｂは本発明のＴＭＲ素子の一例を示す模式断面図である）、トンネル絶縁層６と第１の磁性層３との間に第３の磁性層４を配置している。第３の磁性層は、上述したように、ｆｃｃ構造およびｆｃｔ構造から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。このため、その表面を原子の大きさのオーダー（サブナノメートルのオーダー）で平滑にすることができる。よって、第１の磁性層２上に第３の磁性層４を積層した後に、トンネル絶縁層６を形成することによって、第３の磁性層４とトンネル絶縁層６との界面を平滑にすることができる。また、トンネル絶縁層６の表面を平滑にすることもできるため、トンネル絶縁層６上に第２の磁性層をさらに積層した場合にも、第２の磁性層とトンネル絶縁層６との界面を平滑にすることができる。このため、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００４０】
このように、本発明の製造方法で得られるＴＭＲ素子では、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができ、また、トンネル絶縁層に接する磁性層との界面を平滑にすることができるため、トンネル絶縁層をより薄膜化することが可能となる。このため、小さい接合抵抗値と大きいＭＲ比とを両立させたＴＭＲ素子を得ることができる。
【００４１】
また、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層とすることができるため、バイアス電圧を大きくした場合もＭＲ比の低下の少ない（即ち、バイアス電圧依存性が小さい）ＴＭＲ素子を得ることができる。
【００４２】
また、第３の磁性層の結晶面のうち最も細密な面である（１１１）面が、第３の磁性層の膜面に（即ち、素子の膜面に）平行であるため、トンネル絶縁層以外の層（下部電極層や第１の磁性層、その他、素子が反強磁性層を含む場合は反強磁性層など）からトンネル絶縁層への原子の熱拡散を抑制することができる。また、熱処理などにより、第１の磁性層に含まれる磁性材料の結晶粒径が大きくなった場合にも、その影響がトンネル絶縁層へ到達するのを抑制することができる。このため、耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００４３】
なお、図１に示す例では、Ａｌ層５を酸化する場合を示したが、Ａｌ層５に酸化、窒化および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行ってもよい。Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層６を形成することができ、この場合も、図１に示す例と同様のＴＭＲ素子を得ることができる。また、各層の成膜方法、Ａｌ層の酸化方法などについては後述する。
【００４４】
ここで、第３の磁性層４をより具体的に説明する。
【００４５】
第３の磁性層４は、ｆｃｃ構造およびｆｃｔ構造から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層であり、第１の磁性層３と磁気的に結合している限り、その組成、厚さなどは特に限定されない。
【００４６】
上記（ｉ）の工程において積層する第３の磁性層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であり、好ましくは、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲である。また、第３の磁性層４の表面の粗さは、ＪＩＳ（日本工業規格）  Ｂ  ０６０１−１９９４に規定する算術平均粗さＲaを用いて、例えば、０．５ｎｍ以上１ｎｍ以下の範囲である。また、図２Ａおよび図２Ｂに示す周期ｄおよび高さｈを用いて、例えば、ｄは、１５ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲であり、ｈは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲である。上述したように、第３の磁性層４の表面の粗さは、第３の磁性層４とトンネル絶縁層６との界面の粗さに反映される。
【００４７】
本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含んでいてもよい。この場合、第１の磁性層２と第３の磁性層４との磁気的な結合をより強くすることができるため、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００４８】
より具体的には、本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、式ＦｅxＣｏyで示される組成を有する磁性材料を含んでいてもよい。また、第３の磁性層４が、式Ｆｅx'Ｎｉy'で示される組成を有する磁性材料を含んでいてもよい。ただし、上述の式において、ｘ、ｙ、ｘ’およびｙ’は、以下の式を満たす数値である。
【００４９】
ｘ＋ｙ＝１、０．０５≦ｘ≦０．３、０．７≦ｙ≦０．９５
ｘ’＋ｙ’＝１、０≦ｘ’≦０．７、０．３≦ｙ’≦１
なお、本明細書において、特に記載がない限り、組成を示すために用いる数値は、原子組成比に基づいている。
【００５０】
このような磁性材料はｆｃｃ構造になりやすい性質を有しており、上記（ｉ）の工程において、第３の磁性層４をより確実にｆｃｃ構造とすることができる。このため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００５１】
本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素とを含んでいてもよい。このような磁性材料は、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの原子半径がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの原子半径よりも大きく、また、（１１１）配向しやすい性質を有しているため、上記（ｉ）の工程において、第３の磁性層４の表面をより確実に平滑にすることができる。また、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素のみからなる磁性層に比べて表面のエネルギー状態をより安定にできるため、上記（ｉ）の工程において、より安定で緻密なＡｌ層５とすることができる。このため、上記（ii）の工程において、より緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層６を形成することができる。
【００５２】
さらに、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕは、酸素、窒素などと反応しにくいため、第３の磁性層をより熱的に安定にすることができ、より耐熱性に優れるＭＲ素子を得ることができる。また、上記（ii）の工程において、第３の磁性層４をできるだけ酸化（窒化、酸窒化）することなく、Ａｌ層５を選択的に酸化（窒化、酸窒化）することができるため、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００５３】
本発明の製造方法では、第３の磁性層４が、式ＭpＺqで示される組成を有する磁性材料を含んでいてもよい。ただし、上記式ＭpＺqにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
【００５４】
ｐ＋ｑ＝１、０．６≦ｐ≦０．９９、０．０１≦ｑ≦０．４
第３の磁性層４が、このような磁性材料を含むことによって、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００５５】
また、なかでも、ｐおよびｑが、ｐ＋ｑ＝１、０．６≦ｐ≦０．９５、０．０５≦ｑ≦０．４の関係を満たすことが好ましく、ｐ＋ｑ＝１、０．６≦ｐ≦０．９、０．１≦ｑ≦０．４の関係を満たすことがより好ましい。なお、ｑが０．５を超える場合は、第３の磁性層４の膜厚は、例えば、２ｎｍ以下であればよい。Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕは非磁性の元素であり、あまりに第３の磁性層の膜厚が大きすぎると、素子のＭＲ特性が劣化する可能性がある。
【００５６】
本発明の製造方法では、上記（ｉ）の工程において、基板と第１の磁性層との間に反強磁性層を積層してもよい。例えば、図１Ａ〜図１Ｅに示す例では、下部電極層２と第１の磁性層３との間に反強磁性層を積層してもよい。このような製造方法とすることによって、第１の磁性層３および第２の磁性層７から選ばれる一方の磁性層を固定磁性層、他方の磁性層を自由磁性層とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子を得ることができる。下部電極層と第１の磁性層との間に反強磁性層を積層した場合、第１の磁性層と反強磁性層との間に交換結合磁界が発生する。このため、第１の磁性層を固定磁性層（反強磁性層によって磁化方向が固定されている磁性層）、第２の磁性層２を自由磁性層（第１の磁性層に対して相対的に磁化回転が容易である磁性層）とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子を得ることができる。なお、上記（ｉ）の工程において、積層する反強磁性層の膜厚は、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である。
【００５７】
スピンバルブ型のＭＲ素子では、固定磁性層と自由磁性層との間の磁化方向の相対角度をより容易に変化させることができるため、微小な磁界によって動作するデバイスにより適するＴＭＲ素子とすることができる。また、より小型で大きなＭＲ比を示すＴＭＲ素子とすることができる。
【００５８】
反強磁性層に用いる材料は、特に限定されず、例えば、Ｍｎを含む反強磁性合金（Ｍｎ系反強磁性合金）を用いればよい。Ｍｎ系反強磁性合金は、例えば、式Ｚ−Ｍｎ（Ｚは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｆｅ、ＲｕおよびＲｈから選ばれる少なくとも１種の元素）で示される組成を有する合金を用いればよい。なかでも、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｒｈ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｐｄ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎなどの組成を有する合金が好ましい。
【００５９】
これらの反強磁性合金は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造をとりやすく、反強磁性層とした場合に、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向しやすい性質を有している。このため、このような反強磁性層を積層することによって、基板の表面の粗さあるいは下部電極層の結晶粒界などに起因する各層の表面の粗さを緩和することができる。このため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００６０】
なかでも、上記（ｉ）の工程において、基板と第１の磁性層との間に反強磁性層を積層する際に、Ｎｉ−ＦｅやＰｔなどの下地層を積層したうえで反強磁性層を積層してもよい。Ｎｉ−ＦｅやＰｔなどはｆｃｃ構造をとりやすいため、より確実に反強磁性層をｆｃｃ構造とすることができる。このため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。
【００６１】
なお、Ｐｔ−ＭｎやＰｄ−Ｐｄ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎなどは、２５０℃以上の熱処理によってｆｃｔ構造に変化するため、熱処理によって第１の磁性層との交換結合磁界をより向上させることもできる。このため、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。また、反強磁性層を、基板と第１の磁性層との間に積層せずに（即ち、基板とトンネル絶縁層との間に積層せずに）、第２の磁性層上に積層（即ち、トンネル絶縁層の基板側の面とは反対側に）してもよい。この場合は、第２の磁性層が固定磁性層、第１の磁性層が自由磁性層であるスピンバルブ型のＴＭＲ素子を得ることができる。
【００６２】
その他の層について説明する。
【００６３】
上記（ｉ）の工程において積層するＡｌ層５の厚さは、特に限定されない。必要なＴＭＲ素子の特性に応じて任意に設定すればよく、例えば、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲である。積層したＡｌ層５の厚さは、そのままトンネル絶縁層６の厚さとすることができる。
【００６４】
上記（ｉ）の工程および上記（iii）の工程において積層する第１の磁性層３および第２の磁性層７に用いる材料は、強磁性を示す磁性材料であれば特に限定されない。例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅなどからなる磁性材料を用いればよい。また、必要に応じて、異なる磁性材料からなる複数の磁性膜を積層してもよい。また、積層する第１の磁性層３および第２の磁性層７の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲であればよい。
【００６５】
また、スピンバルブ型のＭＲ素子とする場合、自由磁性層となる磁性層には、例えば、軟磁気特性に優れる磁性材料を用いればよい。より具体的には、例えば、パーマロイ（例えば、Ｎｉ81Ｆｅ19：組成比はｗｔ％）、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1、（Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1）0.8Ｂ0.2などを用いればよい。固定磁性層となる磁性層には、例えば、磁気異方性の大きい磁性材料を用いればよい。より具体的には、例えば、Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5、Ｃｏ0.5Ｐｔ0.5、Ｆｅ0.5Ｐｔ0.5などである。また、スピンバルブ型のＭＲ素子では、反強磁性層などによって固定磁性層の磁化方向を固定することができるため、上述した軟磁気特性に優れる磁性材料を固定磁性層となる磁性層に用いてもよい。
【００６６】
また、第１の磁性層３および第２の磁性層７のいずれか一方の磁性層が、非磁性膜を介して一対の磁性膜が積層された積層膜構造（いわゆる、積層フェリ構造）を含んでいてもよい。このとき、非磁性膜を介して上記一対の磁性膜の磁化方向が互いに反平行になるように磁気的に結合していれば、素子の端部から生じる漏洩磁界を低減することができ、より特性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。なかでも、固定磁性層となる磁性層が上記積層フェリ構造を含む場合、固定磁性層の磁気異方性をより大きくする、即ち、外部から素子に加えられる磁界によって磁化方向がより変化しにくい固定磁性層とすることができる。
【００６７】
非磁性膜に用いる材料は、非磁性の材料であれば特に限定されず、例えば、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕなどを用いればよい。また、その膜厚は、例えば、０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の範囲であればよい。磁性膜は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む膜であればよい。磁性膜の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲であればよい。
【００６８】
基板１としては、非磁性である限り、特に限定されず、例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ、Ａｌ2Ｏ3（例えば、サファイア）などを用いればよい。また、その厚さは、例えば、０．１μｍ以上１０ｍｍ以下の範囲である。
【００６９】
なお、図１Ａ〜図１Ｅに示す例では、基板１上に下部電極層２が積層されている。下部電極層２に用いる材料は、導電性の材料である限り特に限定されず、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、ＴｉＮなどの低抵抗の材料（例えば、線抵抗率が１００μΩｃｍ以下）を用いればよい。異なる材料からなる膜を複数積層してもよい。上部電極層を積層する場合、上部電極層に用いる材料は、下部電極層に用いる材料と同様であればよい。下部電極層および上部電極層の厚さは、特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲である。
【００７０】
なお、本発明の製造方法では、図１Ａ〜図１Ｅに示す各層に限らず、必要に応じて、他の層を積層してもよい。例えば、下部電極層２と第１の磁性層３との間に（反強磁性層を積層する場合には、下部電極層と反強磁性層との間に）、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｆｅなどの下地層を積層してもよい。また、トンネル絶縁層を複数積層してもよい。トンネル絶縁層を複数積層する場合、少なくとも１つのトンネル絶縁層とそれに隣接する基板側の磁性層との間に上述の第３の磁性層を積層すればよい。
【００７１】
本発明の製造方法では、ＴＭＲ素子を構成する各層の形成方法には、例えば、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）、イオンビームデポジション（ＩＢＤ）、クラスターイオンビーム、および、ＲＦ、ＤＣ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、ヘリコン、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、対向ターゲットなどの各種スパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、イオンプレーティング法などを用いればよい。また、これらＰＶＤ法の他に、ＣＶＤ法、メッキ法あるいはゾルゲル法などを用いてもよい。
【００７２】
本発明の製造方法では、上記（ｉ）および上記（ii）の工程において、Ａｌ層を積層し、その後酸化するために、例えば、以下の方法を用いればよい。まず、ターゲットにＡｌを用い、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＩＢＤ法などのＰＶＤ法によりＡｌ層を形成する。次に、自然酸化法、プラズマ酸化法、ラジカル酸化法、オゾン酸化法などによりＡｌ層を酸化することによってＡｌ−Ｏからなるトンネル絶縁層を形成すればよい。
【００７３】
ここで、自然酸化法とは、純酸素ガス中、純酸素ガスと他のガス（例えば、不活性ガス、希ガスなど）との混合ガス中、あるいは、大気中においてＡｌ層を酸化する方法である。純酸素中、または、純酸素と他のガスとの混合ガス中における酸化では、酸素の分圧は、例えば、１×１０-2Ｐａ以上１×１０5Ｐａ以下の範囲であればよい。酸化の時間は、例えば、１０ｓｅｃ以上１００ｍｉｎ以下程度の範囲であり、温度は、例えば、１０℃以上１００℃以下の範囲であればよい。
【００７４】
また、ラジカル酸化法とは、酸素ガスをＲＦコイルやＥＣＲプラズマなどによって不対電子を有する酸素ラジカルとし、発生した酸素ラジカルの中性成分だけを利用して酸化を行う方法である。プラズマ酸化法とは、ラジカル酸化法とほぼ同様の手法を用いて酸素ガスをプラズマ状態にし、酸化力の強い酸素ラジカルやオゾンなどを利用して酸化を行う方法である。これらの手法を用いたＡｌ層の酸化の程度は、酸素の分圧、温度、時間、ラジカルあるいはプラズマの発生に用いた電力などを調整することによって制御できる。酸素の分圧は、例えば、０．０１Ｐａ以上１０Ｐａ以下の範囲であればよい。酸化の時間は、例えば、１ｓｅｃ以上１００ｍｉｎ以下程度の範囲であり、温度は、例えば、１０℃以上１００℃以下の範囲であればよい。このような条件下において、緻密で結晶欠陥の少ないトンネル絶縁層を形成することができる。
【００７５】
なお、Ａｌ層を窒化、または、酸窒化する場合は、上述の方法における酸素ガスを、窒素ガス、または、酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスに置き換えればよい。
【００７６】
本発明の製造方法では、上記（iii）の工程の後に、（ａ）上記（iii）の工程において形成した積層体を熱処理する工程をさらに含んでいてもよい。熱処理を行うことによって、トンネル絶縁層内の酸化状態をより均一にすることができるため、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。熱処理の温度は、例えば、１５０℃以上５００℃以下の範囲であり、真空中、減圧下、不活性ガス中、希ガス中などで行えばよい。なお、上記（iii）の工程の後に上部電極層などをさらに積層する場合、その積層前に行ってもよいし、その積層後に行ってもよい。
【００７７】
なお、その他、基板として単結晶の基板を用いて、その基板上にエピタキシャル成長させた下部電極層を用いたり、下部電極層の表面をケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）などの手法によって平滑化したりすることによっても、より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子を得ることができる。第３の磁性層とトンネル絶縁層との界面の粗さをより平滑化することができるからである。
【００７８】
次に、本発明のＭＲ素子について説明する。
【００７９】
本発明のＭＲ素子の一例を図３に示す。図３に示すＭＲ素子は、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層６と、トンネル絶縁層６を狭持するように積層された第１の磁性層３および第２の磁性層７と、第１の磁性層３とトンネル絶縁層６との間に配置された第３の磁性層４とを含んでいる。また、第１の磁性層３および第２の磁性層７が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なっている。ここで、第３の磁性層４は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、第３の磁性層４の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。
【００８０】
このようなＭＲ素子とすることによって、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。また、このようなＭＲ素子は、例えば、上述した本発明のＭＲ素子の製造方法によって得ることができる。
【００８１】
本発明のＭＲ素子の別の一例を図４に示す。図４に示すＭＲ素子は、図３に示すＭＲ素子における第１の磁性層３のトンネル絶縁層６に面している面とは反対側に、反強磁性層８をさらに配置したＴＭＲ素子である。反強磁性層８をさらに配置することによって、第１の磁性層３を固定磁性層、第２の磁性層７を自由磁性層とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子とすることができる。また、第３の磁性層４がトンネル絶縁層６と第１の磁性層３との間に配置されているため、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。
【００８２】
図４に示すＭＲ素子では、反強磁性層８が、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向している層であってもよい。より特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。なお、図３および図４に示す例において、反強磁性層８は、第２の磁性層７の上に配置されていてもよい。この場合、第２の磁性層７を固定磁性層、第１の磁性層３を自由磁性層とするスピンバルブ型のＴＭＲ素子とすることができる。
【００８３】
また、図３および図４に示すＭＲ素子の例において、各層に用いる材料や各層の厚さ、各層の構成などは、本発明のＭＲ素子の製造方法において説明した材料や厚さ、構成などと同様であればよい。本発明のＭＲ素子の製造方法において説明した効果を有するＴＭＲ素子とすることができる。
【００８４】
また、図３および図４に示す例において、下部電極層、上部電極層、基板などをさらに含むＭＲ素子であってもよい。この場合にも、基板の表面の粗さや、下部電極層の結晶粒界の状態などによらず、特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子とすることができる。また、逆に、後述のＭＲ素子を用いたデバイスの例などにおいて示すように、下部電極層、上部電極層、基板などがＭＲ素子として含まれていなくてもよい。
【００８５】
次に、本発明のＭＲ素子を用いたデバイスについて説明する。
【００８６】
ＭＲ素子を含み、素子の膜面に垂直な方向に電流を流す磁気デバイスを作製するためは、半導体プロセスやＧＭＲヘッド作製プロセスなどに一般的に用いられている手法を組み合わせて微細加工すればよい。より具体的には、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）などの物理的または化学的エッチング法、微細パターン形成のためのステッパー、電子ビーム（ＥＢ）法などを用いたフォトリソグラフィー技術などを組み合わせればよい。
【００８７】
このような方法によって作製された、電極を含むＭＲ素子の一例を図５に示す。図５に示すＭＲ素子は、基板１０４上に、下部電極層１０３、ＭＲ素子１０５、上部電極層１０２が順に積層されている。また、ＭＲ素子１０５の周囲、および、上部電極層１０２と下部電極層１０３との間には層間絶縁膜１０１が配置されている。層間絶縁膜１０１には、上部電極層１０２と下部電極層１０３との電気的な短絡を防ぐ働きがある。また、図５に示す素子では、上部電極層１０２および下部電極層１０３に挟まれたＭＲ素子１０５に電流を流して電圧を読み取ることができる。このため、図５に示すような素子の構成とすることによって、ＭＲ素子１０５の膜面に対して垂直な方向に電流を流して出力を読み出すことができる。なお、電極層などの表面を平坦化するためには、例えば、ＣＭＰやクラスターイオンビームエッチング、ＥＣＲエッチングなどを用いればよい。
【００８８】
上部電極層１０２および下部電極層１０３の材料は、上述の上部電極層および下部電極層と同様の材料を用いればよい。層間絶縁膜１０１は、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2などの絶縁性に優れた材料を用いればよい。
【００８９】
本発明のＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの一例を図６に示す。図６は、ＭＲ素子により検知すべき磁界以外の磁界をＭＲ素子へ導入することを制限するシールドを備えたシールド型磁気ヘッドを示す模式図である。なお、図６では、説明をわかりやすくするために、磁気ヘッド２０１を断面図により示す。
【００９０】
図６に示す磁気ヘッド２０１は、磁性体からなる一対のシールド（上部シールド２０６および下部シールド２０８）を含み、上記一対のシールドにより形成された再生ギャップ２０９内に、ＭＲ素子２１０が配置されている。
【００９１】
また、図６に示す磁気ヘッド２０１は、記録用の書き込みヘッド部２０２と再生用の再生ヘッド部２０３とを含んでいる。情報を記録する際には、記録する情報に対応した電流をコイル２０４に流せばよい。コイル２０４に流した電流により発生した磁束が、上部記録コア２０５と上部シールド２０６との間に設けられた記録ギャップ２０７から漏れ出ることによって、記録ギャップ２０７近傍に配置された磁気記録媒体に記録が行われる。なお、上部記録コア２０５と上部シールド２０６との間には絶縁部２１１が形成されている。この絶縁部２１１は必ずしも必要ではなく、必要に応じて形成すればよい。
【００９２】
また、情報の再生は、上記磁気記録媒体に記録されている情報に対応した磁束が、再生ギャップ２０９を通してＭＲ素子２１０に作用することによって行われる。上記磁束の作用によってＭＲ素子２１０の抵抗値が変化するため、その変化を検出すればよい。なお、ＭＲ素子２１０の自由磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向とは、例えば、おおよそ直交する関係にあればよい。なお、ＭＲ素子がスピンバルブ型のＭＲ素子でない場合は、トンネル絶縁層を狭持する一対の磁性層のうち、外部磁界によって磁化方向の変化が相対的に容易である磁性層を自由磁性層とすればよい。
【００９３】
このとき、図６に示す磁気ヘッドでは、上部シールド２０６および下部シールド２０８により、ＭＲ素子によって検知されるべき磁界（即ち、上記磁束）以外の磁界が制限されるため、高感度の磁気ヘッドとすることができる。また、ＭＲ素子２１０として、上述した本発明のＭＲ素子を含むことによって、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッドとすることができる。
【００９４】
なお、図６には示していないが、ＭＲ素子２１０の両膜面には下部電極層と上部電極層とが接続されている。このとき、上下の電極層と上下のシールドとを、絶縁層などを配置することによって電気的に絶縁してもよい。また、上下の電極部を上下シールドと接続することによって、上下のシールドが上下の電極層を兼ねる構造であってもよい。なお、記録ギャップ２０７および再生ギャップ２０９の大きさは、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である。
【００９５】
上部シールド２０６および下部シールド２０８の材料は、一般的な軟磁性材料、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ合金などを用いればよい。なかでも、透磁率に優れる軟磁性材料が好ましい。絶縁部２１１には、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＯ2などの絶縁性に優れる材料を用いればよい。
【００９６】
また、ＭＲ素子２１０における自由磁性層の磁区制御のために、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ合金などの高保磁力磁性材料からなる磁性膜でＭＲ素子２１０を狭持することによって、素子にバイアス磁界を加えることも可能である。
【００９７】
本発明のＭＲ素子を用いた磁気ヘッドの別の一例を図７に示す。図７に示す磁気ヘッドは、ＭＲ素子により検知すべき磁界をＭＲ素子３０１に導入（ガイド）するための磁束ガイド部であるヨーク３０２を含んでいる。また、ＭＲ素子３０１として、上述した本発明のＭＲ素子を含むことによって、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッドとすることができる。
【００９８】
ヨーク３０２は、例えば、磁界ＨがＭＲ素子の自由磁性層に導入されるように配置すればよい（図７に示す例では、ＭＲ素子３０１におけるヨーク３０２に近い側が自由磁性層となる）。なお、ヨーク３０２が、ＭＲ素子３０１の自由磁性層（あるいは、その一部）であってもよい。
【００９９】
本発明のＭＲ素子を用いた磁気ヘッドのまた別の一例を図８Ａおよび図８Ｂに示す。図８Ｂは、図８Ａに示す磁気ヘッド３１１を図８Ａに示す平面Ａで切断した断面図である。図８Ａおよび図８Ｂに示す磁気ヘッド３１１は、ＭＲ素子３０１により検知すべき磁界をＭＲ素子３０１に導入（ガイド）するための磁束ガイド部であるヨーク（上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４）を含んでいる。ＭＲ素子３０１は、上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４とＭＲ素子３０１とが磁気的に接続するように配置されている。このとき、ＭＲ素子３０１として上述した本発明のＭＲ素子を含むことによって、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッドとすることができる。
【０１００】
図８Ａおよび図８Ｂに示す磁気ヘッド３１１において、記録媒体からの磁界は、再生ギャップ３０８から上部ヨーク３０３によってＭＲ素子３０１に導かれる。また、図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、ＭＲ素子３０１は、上部電極層３０６および下部電極層３０５と電気的に接続されており、上下の電極層から素子に電圧を加えることによって素子の抵抗値を検出することができる。
【０１０１】
また、図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４は、絶縁部３０７によりＭＲ素子３０１と電気的に絶縁されている。しかし、絶縁部３０７は必ずしも必要ではなく、例えば、上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４と、上部電極層３０６および下部電極層３０５とがそれぞれ兼用であってもよい。また、ＭＲ素子３０１は、例えば、その自由磁性層が上部ヨーク３０３側にくるように配置すればよい。なお、再生ギャップ３０８の大きさは、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である。
【０１０２】
上部ヨーク３０３および下部ヨーク３０４の材料は、一般的な軟磁性材料、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｔａ−Ｚｒ、Ｆｅ−Ｔａ−Ｎなどを用いればよい。なかでも、透磁率に優れる軟磁性材料が好ましい。絶縁部３０７には、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＯ2などの絶縁性に優れる材料を用いればよい。
【０１０３】
一般に、図８Ａおよび図８Ｂに示すようなヨークを含む磁気ヘッド（ヨーク型磁気ヘッド）は、図６に示すようなシールドを含む磁気ヘッド（シールド型磁気ヘッド）と比べて、感度では劣るものの、再生ギャップ中にＭＲ素子を配置する必要がないため、狭ギャップ化では有利である。即ち、より高密度磁気記録へ対応できる磁気ヘッドである。また、ＭＲ素子が記録媒体に対して露出していないため、記録媒体と磁気ヘッドとの接触などによるヘッドの破損や摩耗が少なく、信頼性の面で優れている。このため、ヨーク型磁気ヘッドは、磁気テープを記録媒体とするストリーマーなどに用いる場合に、特に優れているといえる。
【０１０４】
上述した本発明の磁気ヘッドを用いて、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）や、ストリーマーなどの磁気記録装置を構成することができる。本発明の磁気記録装置の一例を図９に示す。図９に示す磁気記録装置４０１は、磁気ヘッド４０５、駆動部４０２、情報が記録される磁気記録媒体４０３および信号処理部４０４を含んでいる。このとき、磁気ヘッド４０５に上述した本発明の磁気ヘッドを用いることによって、特性および耐熱性に優れる磁気記録装置とすることができる。
【０１０５】
本発明の磁気記録装置の別の一例を図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。図１０Ａおよび図１０Ｂは、磁気テープを記録媒体に用いた磁気記録装置の一例を示す模式図である。より具体的には、図１０Ａは、本発明の磁気記録装置の一例における回転ドラム型ヘッドの一例を示す模式図である。
【０１０６】
図１０Ａに示す回転ドラム型ヘッド４５１は、下ドラム４５２および上回転ドラム４５３を含み、上回転ドラム４５３の外周面に磁気ヘッド４５４が配置されている。情報を記録および再生する際には、記録媒体である磁気テープを、リード４５５に沿って、上回転ドラム４５３の回転軸に対して傾斜した角度で走行させればよい。磁気ヘッド４５４は、磁気テープが走行する方向に対して傾斜した角度を保持したまま摺動することになる。また、上回転ドラム４５３と磁気テープとが安定して密着しながら摺動、走行できるように、上回転ドラム４５３の外周面には、複数の溝４５６が形成されている。磁気テープと上回転ドラム４５３との間に巻き込まれた空気などは、この溝４５６により排出することができる。
【０１０７】
このような回転ドラム型ヘッドを用いた磁気記録装置の一例を図１０Ｂに示す。図１０Ｂに示す磁気記録装置は、回転ドラム型ヘッド４５１、供給リール４６１、巻き取りリール４６２、回転ポスト４６３、４６４、４６５、４６６、４６７および４６８、傾斜ポスト４６９および４７０、キャプスタン４７１、ピンチローラー４７２およびテンションアーム４７３を含んでいる。回転ドラム型ヘッド４５１の外周面には、上述したように、磁気ヘッド４５４が配置されている。磁気ヘッド４５４のうち、再生用の２個（残る２個は記録用）は、回転ドラムの外周面から、例えば、２０μｍ程度突き出すように配置されている。供給リール４６１に巻かれた磁気テープ４７４は、ピンチローラー４７２とキャプスタン４７１とによる引き込み動作によって走行することができる。供給リール４６１を出発した磁気テープ４７４は、傾斜ポスト４６９、４７０による案内によって回転ドラム型ヘッド４５１に配置された磁気ヘッド４５４に押しつけられ、再生および／または記録が行われる。回転ドラム型ヘッド４５４において再生および／または記録が行われた磁気テープ４７４は、ピンチローラー４７２とキャプスタン４７１との間を通り、巻き取りリール４６２に巻き取ることができる。
【０１０８】
このとき、磁気ヘッド４５４に上述した本発明のＭＲ素子を用いることによって、特性および耐熱性に優れる磁気記録装置とすることができる。
【０１０９】
また、磁気ヘッド４５４に（特に再生用の磁気ヘッド４５４に）図８に示すようなヨーク型磁気ヘッドを用いれば、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すようなヘリカルスキャン方式において問題である、摩耗などによるＭＲ素子の形状の変化を抑制することができる。また、磁気テープの接触、摺動によりＭＲ素子の静電破壊、磁気テープや大気中に含まれる化学物質との反応によるＭＲ素子の腐食などを抑制できるため、より信頼性に優れる磁気記録装置とすることができる。
【０１１０】
次に、本発明のＭＲ素子をメモリ素子として用いた磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の一例を図１１に示す。図１１に示すＭＲＡＭでは、ＭＲ素子６０１は、ＣｕやＡｌなどからなるビット（センス）線６０２とワ−ド線６０３との交点にマトリクス状に配置されている。ビット線は情報再生用導体線に、ワード線は情報記録用導体線にそれぞれ相当する。これらの線に信号電流を流した時に発生する合成磁界により、ＭＲ素子６０１に信号が記録される。信号は、「オン」状態となったラインが交差する位置に配置された素子（図１１では、ＭＲ素子６０１ａ）に記録される（２電流一致方式）。ＭＲ素子６０１として上述した本発明のＭＲ素子を用いることによって、特性および耐熱性に優れる（例えば、バイアス電圧依存性が小さい、即ち、高出力が可能な）ＭＲＡＭとすることができる。
【０１１１】
図１２Ａ〜図１４Ｂを参照して、ＭＲＡＭの動作についてさらに説明する。図１２Ａ、図１３Ａおよび図１４Ａには、書き込み動作の基本例が示されている。また、図１２Ｂ、図１３Ｂおよび図１４Ｂには、読み込み動作の基本例が示されている。ＭＲ素子７０１は、上述した本発明のＭＲ素子である。
【０１１２】
図１２Ａおよび図１２Ｂに示すＭＲＡＭでは、ＭＲ素子７０１の磁化状態を個別に読み取るために、素子ごとに、ＦＥＴなどのスイッチ素子７０５が配置されている。このＭＲＡＭは、ＣＭＯＳ基板上への作製に適している。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すＭＲＡＭでは、素子ごとに、非線形素子７０６が配置されている。非線形素子７０６は、例えば、バリスタ、トンネル素子、上述の３端子素子などを用いればよい。非線形素子の代わりに整流素子を用いてもよい。このＭＲＡＭは、ダイオ−ドの成膜プロセスを用いれば、安価なガラス基板上にも作製できる。図１４Ａおよび図１４Ｂに示すＭＲＡＭでは、図１２Ａ〜図１３Ｂに示すようなスイッチ素子や非線形素子を用いることなく、ワ−ド線７０４とビット線７０３との交点に、ＭＲ素子７０１が直接配置されている。このＭＲＡＭでは読み出し時に複数の素子に電流が流れることになるため、読み出し精度の観点から、例えば、素子数を１００００以下に制限することが好ましい。
【０１１３】
また、図１２Ａ〜図１４Ｂに示すＭＲＡＭでは、ビット線７０３が、素子に電流を流して抵抗変化を読み取るセンス線としても用いられている。しかし、ビット電流による誤動作や素子破壊を防ぐため、センス線とビット線とを別途配置してもよい。この場合、ビット線を、素子と電気的な絶縁を保ちながら、かつ、センス線と平行に配置することが好ましい。なお、書き込み時における消費電力の観点から、ワ−ド線、ビット線とＭＲ素子との間隔は、例えば、５００ｎｍ以下であればよい。
【実施例】
【０１１４】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
【０１１５】
基板（３インチφ）上に、ＤＣおよびＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、各実施例に記載する膜構成のＴＭＲ素子を作製し、そのＭＲ特性を評価した。
【０１１６】
ＭＲ比を求めるための磁気抵抗の測定は、素子の固定磁性層の磁化容易軸方向と同方向に最大８×１０4Ａ／ｍ（１ｋＯｅ）の外部磁界を印加しながら、直流四端子法を用いて行った。ＭＲ比は、磁気抵抗の測定で得られた最大抵抗値をＲmax、最小抵抗値をＲminとして、次式（１）により算出した。
【０１１７】
ＭＲ比＝｛（Ｒmax−Ｒmin）／Ｒmin｝×１００（％）    （１）
また、Ｒmin（Ω）×素子面積（μｍ2）を素子の接合抵抗値（Ω・μｍ2）とした。このとき、素子サイズやトンネル層のリーク電流などによる接合抵抗値のばらつきを補正するために、異なる素子面積の素子（例えば、素子面積が、１μｍ2、１０μｍ2、１００μｍ2の３種類の素子（膜構成などはすべて同じ））を準備してそれぞれの接合抵抗値を求め、その平均を用いた。なお、素子面積とは、素子をその膜面方向からみたときの面積である。また、素子サイズとは、素子をその膜面方向からみたときのサイズである。
【０１１８】
第３の磁性層などの各層の結晶構造はＸ線回折法（ＸＲＤ）を用いて評価した。例えば、第３の磁性層における（１１１）面が、自らの膜面に対して平行に成長しているかどうかは、ＸＲＤの結果において結晶面（１１１）に対応する回折ピークが存在しており、その積分強度が他の回折ピークの積分強度よりも大きいかどうかにより確認した。より具体的には、結晶面（１１１）に対応する回折ピークのロッキングカーブ半値幅が１０°以下である場合に、第３の磁性層における（１１１）面が自らの膜面に対して平行に成長しており、かつ、（１１１）方向に良好な配向性および良好な結晶性を有しているとした。また、第３の磁性層が、ｆｃｃ構造、あるいは、ｆｃｔ構造を有しているかどうかについても、ＸＲＤにより評価した。ＸＲＤの測定には、反射型広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）で一般的に用いられる手法を用いた。また、より詳細に調べるために、測定したい層の膜面に直接Ｘ線を反射させる測定も行った。
【０１１９】
（実施例１）
熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｐｔ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（３）／Ｘ／Ａｌ−Ｏ（０．５）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）／Ｉｒ0.8Ｍｎ0.2（１０）
ここで、括弧内の数値は膜厚を示している。単位はｎｍであり、以下、同様にして膜厚を表示する。ただし、Ａｌ−Ｏの値は、酸化処理前のＡｌの設計膜厚値（合計値）である。Ａｌ−Ｏは、Ａｌを０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下の膜厚で成膜した後、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の酸素含有雰囲気中、室温において１分間の酸化を繰り返して作製した（自然酸化法）。
【０１２０】
基板には、熱酸化膜付Ｓｉ基板（熱酸化膜の膜厚：５００ｎｍ）を用いた。基板上のＴａ（３）／Ｐｔ（１００）／Ｔａ（３）は下部電極層である。Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（３）は第１の磁性層、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）は第２の磁性層、Ｉｒ0.8Ｍｎ0.2（１０）は反強磁性層であり、実施例１におけるＭＲ素子は、第２の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
【０１２１】
Ｘは、以下の表１に示す組成を有する磁性材料からなる第３の磁性層である。実施例１では、比較例としてＸを含まないサンプルを１種類（サンプルＡ）、実施例として３種類（サンプル１−１〜サンプル１−３）のサンプルを準備した。
【０１２２】
各サンプルの成膜は、圧力が１．３×１０-6Ｐａ（１×１０-8Ｔｏｒｒ）以下になるまで排気したチャンバー内で行った。また、各サンプルとも、保護層兼上部電極層の一部として、反強磁性層上にＴａ（１５）／Ｐｔ（１０）を積層した。その後、各サンプルとも、フォトリソグラフィーおよびイオンミリングを用いて図５に示すようなメサ型に微細加工し、層間絶縁膜としてＡｌ2Ｏ3をスパッタにより形成した後、上部にスルーホールを開け、この上にＴａ（３）／Ｃｕ（５００）／Ｐｔ（１０）からなる上部電極を形成してＭＲ素子を作製した。素子サイズは全て２μｍ×４μｍとした。作製したＭＲ素子は、２５０℃、４．０×１０5Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中（１．３×１０-3Ｐａ以下の真空中）で３時間の熱処理を行った。
【０１２３】
熱処理終了後、各サンプルのＭＲ特性としてＭＲ比を、また、各サンプルの接合抵抗値の値を求めた。
【０１２４】
表１に、各サンプルにおけるＸの組成、膜厚とともに、各サンプルにおけるＭＲ比（％）および接合抵抗値（Ω・μｍ2）の結果を示す。
【０１２５】
【表１】
2003092084.tif 000031
【０１２６】
表１に示すように、Ｘを配置していないサンプルＡでは、接合抵抗値は６Ω・μｍ2と小さいものの、１２％程度のＭＲ比しか得られなかった。また、サンプルＡにおいて、Ａｌ−Ｏ層の膜厚を１ｎｍと倍にしたところ、ＭＲ比は３１％と大きくなったが、接合抵抗値が６００Ω・μｍ2と大きく増加した。接合抵抗値とＭＲ比との両立が難しいことがわかる。
【０１２７】
これに対して、Ｘを配置したサンプル１−１、１−２および１−３では、接合抵抗値が全て１０Ω・μｍ2以下になると同時に、得られたＭＲ比も２０％以上と大きくなった。Ｘを第１の磁性層とトンネル絶縁層との間に配置することによって、特性に優れるＴＭＲ素子が得られたことがわかる。なお、素子のサイズを変更して同様の測定を行ったところ、素子サイズ依存性は特に見られず、例えば、素子サイズが０．１μｍ×０．１μｍのサンプルにおいても、同様の結果を得ることができた。
【０１２８】
次に、各サンプルの断面構造を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて評価した。
【０１２９】
各サンプルの下部電極層であるＴａ（３）／Ｐｔ（１００）／Ｔａ（３）における各界面には、図２Ａおよび図２Ｂに示すような、Ｐｔの結晶粒の成長に起因すると考えられる粗さが観察された。その形状は、図２Ａおよび図２Ｂに示す周期ｄおよび高さｈを用いて、ｄ＝２０ｎｍ程度、ｈ＝２ｎｍ程度であった。
【０１３０】
サンプルＡでは、ＭＲ素子内における各層の界面においても、下部電極層で観察された粗さと同様の粗さが観察された。
【０１３１】
これに対して、サンプル１−１〜１−３の各サンプルでは、第１の磁性層と第３の磁性層との界面において下部電極層に見られた粗さと同様の粗さが観察されたものの、第３の磁性層とトンネル絶縁層との界面では、そのような粗さは見られず、平滑になっていた。さらに、トンネル絶縁層の上に積層された各層の界面も平滑となっており、第３の磁性層Ｘを配置することによって、トンネル絶縁層と第１の磁性層との界面の平滑性が向上し、均一な厚さのトンネル絶縁層が形成されたことがわかった。
【０１３２】
また、サンプル１−１〜１−３について、Ａｌ−Ｏからなるトンネル絶縁層を形成した段階で、第３の磁性層Ｘの結晶構造をＸＲＤにより評価した。その結果、サンプル１−１〜１−３において、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向を示す結晶構造であった。また、サンプル１−１および１−２では、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、面心立方晶構造（ｆｃｃ構造）であり、サンプル１−３では、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、面心正方晶構造（ｆｃｔ構造）であった。また、サンプル１−１〜１−３の第３の磁性層Ｘに対するＸＲＤの測定結果において、結晶面（１１１）に対応する回折ピークのロッキングカーブ半値幅は、すべて１０°以下であった。
【０１３３】
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および反強磁性層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
【０１３４】
（実施例２）
Ｓｉ単結晶基板／Ａｇ（５）／Ｃｕ（１００）／Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（４）／Ｘ／Ａｌ−Ｏ（２）／Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5（３）／Ｃｏ0.5Ｐｔ0.5（１０）
基板には、Ｓｉ単結晶基板（配向結晶面が（１１１））を用いた。基板上のＡｇ（５）／Ｃｕ（１００）は下部電極層である。下部電極層は、Ｓｉ単結晶からなる基板の上でエピタキシャル成長しており、自らの膜面に対して平行に（１１１）配向していた。
【０１３５】
Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（４）は第１の磁性層、Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5（３）は第２の磁性層である。また、Ｃｏ0.5Ｐｔ0.5（１０）は高保磁力磁性材料からなる高保磁力層であり、隣接する第２の磁性層を固定磁性層とすることができる。このため実施例２におけるＭＲ素子は、第２の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
【０１３６】
Ａｌ−Ｏ（２）はトンネル絶縁層であり、Ａｌ−Ｏ（２）は、Ａｌ層を２ｎｍの膜厚で成膜した後に、プラズマ酸化法を用いて形成した。プラズマ酸化は、酸素の分圧を全圧の７５％に調節したＡｒとＯ2との混合ガス（全圧が０．１Ｐａ（０．８ｍＴｏｒｒ））中において、ワンターンコイルに１５０ＷのＲＦ電力を投入することによって酸素プラズマを生成し、酸化時間を１８０秒として行った。
【０１３７】
Ｘは、以下の表２に示す組成を有する磁性材料からなる第３の磁性層である。実施例２では、比較例としてＸを含まないサンプルを１種類（サンプルＢ）、実施例として３種類（サンプル２−１〜サンプル２−３）のサンプルを準備した。
【０１３８】
各サンプルの成膜は、実施例１と同様に行った。また、各サンプルとも、保護層兼上部電極の一部として、高保磁力層上にＴａ（１５）／Ｐｔ（１０）を積層した。その後、各サンプルとも、実施例１と同様にメサ型に微細加工し、Ａｌ2Ｏ3からなる層間絶縁層を形成した後、上部にスルーホールを開け、この上にＴａ（３）／Ｃｕ（５００）／Ｐｔ（１０）からなる上部電極を形成してＭＲ素子を作製した。素子サイズは、全て１μｍ×３μｍとした。作製したＭＲ素子は、２００℃、４×１０5Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中（１．３×１０-3Ｐａ以下の真空中）で１０時間の熱処理を行った。
【０１３９】
熱処理終了後、各サンプルのＭＲ特性としてＭＲ比を測定し、各サンプルのバイアス電圧依存性を評価した。バイアス電圧依存性は、最初にバイアス電圧がほぼ０（例えば、５０ｍＶ以下）のときのＭＲ比を求め、次に、素子にバイアス電圧を印加して、ＭＲ比の値が最初の半分になったときのバイアス電圧（Ｖh）を求めることにより評価した。Ｖhの値が大きいほど、素子のバイアス電圧依存性は小さいと考えられる。
【０１４０】
また、実施例２の各サンプルに対して、トンネル絶縁層を形成する前に、トンネル絶縁層を形成する磁性層の面（即ち、サンプル２−１〜２−３では第３の磁性層Ｘの表面、サンプルＢでは第１の磁性層の表面）の算術平均粗さ（Ｒa）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により評価した。ＡＦＭの測定は、各サンプルを大気中に暴露することなく、減圧を保ったまま成膜用のチャンバー内で行った。なお、サンプル２−１〜２−３における第３の磁性層Ｘの結晶構造を実施例１と同様にＸＲＤにより解析したところ、いずれのサンプルにおいても、第３の磁性層Ｘの結晶構造は、その膜面に対して平行に（１１１）配向を示す結晶構造であった。
【０１４１】
表２に、各サンプルにおけるＸの組成、膜厚とともに、Ｖh（ｍＶ）およびＲa（ｎｍ）の測定結果を示す。
【０１４２】
【表２】
2003092084.tif 000032
【０１４３】
表２に示すように、Ｘを配置していないサンプルＢに比べて、Ｘを配置したサンプル２−１〜２−３では、Ｖhがより大きく、即ち、バイアス電圧依存性がより小さくなった。また、サンプル２−１〜２−３では、サンプルＢに比べて、トンネル絶縁層を形成する磁性層の面における粗さの程度がより小さくなることがわかった。このため、Ｘを配置することによって、トンネル磁性層とそれに隣接する磁性層との界面の粗さや、トンネル磁性層の膜厚のばらつきなどを軽減できると考えられる。
【０１４４】
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および高保磁力層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
【０１４５】
（実施例３）
サンプルＣ（比較例）：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（６）／Ａｌ−Ｏ（１．２）／Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5（３）／Ｉｒ0.8Ｍｎ0.2（１２）
サンプル３−１：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）／Ｐｔ0.5Ｍｎ0.5（１５）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（４）／Ｆｅ0.75Ｐｔ0.25（２）／Ａｌ−Ｏ（０．７）／Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（２）／Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（４）
サンプル３−２：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）／Ｉｒ0.8Ｍｎ0.2（１０）／Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（４）／Ｆｅ0.6Ｐｄ0.4（２）／Ａｌ−Ｎ（１．４）／Ｎｉ0.6Ｆｅ0.4（５）
サンプル３−３：熱酸化膜付Ｓｉ基板／Ｔａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）／Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）／Ｐｔ0.5Ｍｎ0.5（２０）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（１）／Ｆｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（２）／Ａｌ−Ｏ（１．０）／Ｆｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（２）／Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（５）
基板には、熱酸化膜付Ｓｉ基板（熱酸化膜の膜厚：５００ｎｍ）を用いた。基板上のＴａ（３）／Ｃｕ（１００）／Ｔａ（３）は下部電極である。また、サンプル３−１〜３−３におけるＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）は下地層である。
【０１４６】
サンプルＣでは、Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（６）は第１の磁性層、Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5（３）は第２の磁性層、Ｉｒ0.8Ｍｎ0.2（１２）は反強磁性層である。サンプルＣは、第２の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
【０１４７】
サンプル３−１では、Ｐｔ0.5Ｍｎ0.5（１５）は反強磁性層、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（４）は第１の磁性層、Ｆｅ0.75Ｐｔ0.25（２）は第３の磁性層、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（２）／Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（４）は第２の磁性層である。サンプル３−１は、第１の磁性層および第３の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
【０１４８】
サンプル３−２では、Ｉｒ0.8Ｍｎ0.2（１０）は反強磁性層、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（４）は第１の磁性層、Ｆｅ0.6Ｐｄ0.4（２）は第３の磁性層、Ｎｉ0.6Ｆｅ0.4（５）は第２の磁性層である。サンプル３−２は、第１の磁性層および第３の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
【０１４９】
サンプル３−３では、Ｐｔ0.5Ｍｎ0.5（２０）は反強磁性層、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（１）は積層フェリ構造を含む第１の磁性層、Ｆｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（２）は第３の磁性層、Ｆｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（２）／Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（５）は第２の磁性層である。サンプル３−３は、第１の磁性層および第３の磁性層を固定磁性層とするスピンバルブ型のＭＲ素子である。
【０１５０】
サンプルＣのトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ（１．２）は、Ａｌ層を１．２ｎｍの膜厚で成膜した後、プラズマ酸化法を用いて形成した。プラズマ酸化は、酸素の分圧を全圧の７５％に調節したＡｒとＯ2との混合ガス（全圧が０．１Ｐａ（０．８ｍＴｏｒｒ））中において、ワンターンコイルに１５０ＷのＲＦ電力を投入することによって酸素プラズマを生成し、酸化時間を３０秒として行った。
【０１５１】
サンプル３−１のトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ（０．７）は、Ａｌ層を０．７ｎｍの膜厚で成膜した後、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の純酸素中で自然酸化（１分間）することによって形成した。
【０１５２】
サンプル３−２のトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｎ（１．４）は、Ａｌ層を１．４ｎｍの膜厚で成膜した後、プラズマ窒化法を用いて形成した。プラズマ窒化は、窒素の分圧を全圧の８０％に調節したＡｒとＮ2との混合ガス（全圧が０．１Ｐａ（０．８ｍＴｏｒｒ））中において、ワンターンコイルに２００ＷのＲＦ電力を投入することによって窒素プラズマを生成し、窒化時間を４０秒として行った。
【０１５３】
サンプル３−３のトンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ（１．０）は、Ａｌ層を成膜した後、自然酸化法により形成した。ただし、最初にＡｌ（０．４）を積層して酸化した後、その上にＡｌ（０．３）を積層して酸化し、さらにＡｌ（０．３）を積層して酸化する多段酸化法を用いて形成した。即ち、サンプル３−３のトンネル絶縁層は、Ａｌ−Ｏ（０．４）／Ａｌ−Ｏ（０．３）／Ａｌ−Ｏ（０．３）の多層膜になっていると考えられる。それぞれのステップの酸化条件はすべて同一条件とし、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の酸素含有雰囲気中において、１分間の酸化（室温中）とした。
【０１５４】
各サンプルの成膜は、実施例１と同様に行った。また、各サンプルとも、保護層兼上部電極の一部として、第２の磁性層上にＴａ（１５）／Ｐｔ（１０）を積層した。その後、各サンプルとも、実施例１と同様にメサ型に微細加工し、Ａｌ2Ｏ3からなる層間絶縁層を形成した後、上部にスルーホールを開け、この上にＣｕ（５００）／Ｐｔ（１００）からなる上部電極を形成してＭＲ素子を作製した。素子サイズは、全て０．１μｍ×０．２μｍとした。作製したＭＲ素子は、２８０℃、４×１０5Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中（１．３×１０-3Ｐａ以下の真空中）で８時間の熱処理を行った。
【０１５５】
実施例３では、まず、素子の成膜過程において、各層の表面（例えば、下部電極層を積層した段階では下部電極層の表面、第３の磁性層を積層した段階では第３の磁性層の表面）の粗さの程度をＡＦＭにより評価した。ＡＦＭの測定は、実施例２と同様に、各サンプルを大気中に暴露することなく、減圧を保ったまま行った。
【０１５６】
各サンプルとも、下部電極層を積層した段階では、下部電極層の表面に、Ｃｕの結晶粒に起因すると考えられる粗さが観察された。図２Ａおよび図２Ｂに示す周期ｄおよび高さｈによれば、ｄは約５５ｎｍ、ｈは約６ｎｍであった。なお、周期ｄの大きさは、下部電極層に含まれるＣｕ層に対するＸＲＤ測定の結果から求めたＣｕの結晶粒の大きさと同程度であった。Ｃｕの結晶粒の大きさは、ＸＲＤ測定で得られたＣｕの結晶面に対応する回折ピークの半値幅をＳｈｅｒｒｅｒの式を用いて解析することによって算出した。
【０１５７】
表３に、反強磁性層を積層した段階における反強磁性層の表面、および、第３の磁性層を積層した段階における第３の磁性層の表面の高さｈの値を示す。なお、サンプルＣでは、第１の磁性層を積層した段階における第１の磁性層の表面の高さｈの値を、第３の磁性層の欄に示す。
【０１５８】
【表３】
2003092084.tif 000033
【０１５９】
表３に示すように、サンプル３−１〜３−３の反強磁性層の表面における粗さの程度はｈ＝１．４ｎｍ〜１．７ｎｍ程度となった。下部電極層と第１の磁性層との間に下地層と反強磁性層とを配置することによって、下部電極層の表面で観察された粗さ（ｈ＝６ｎｍ）が緩和されていることがわかる。おそらく、サンプル３−１〜３−３における第１の磁性層の表面における粗さの程度は、反強磁性層の表面と同様に、ｈ＝１．５ｎｍ程度になると思われる。また、第３の磁性層を配置することによって、第３の磁性層の表面における粗さの程度は約０．５ｎｍ程度となり、さらに平滑化されていることがわかった。これに対して、サンプルＣでは、第１の磁性層の表面における粗さの程度は、下部電極層の表面における粗さの程度と同程度であった。下部電極層の表面の粗さが、そのまま第１の磁性層の表面に影響を与えていると考えられる。
【０１６０】
なお、サンプル３−１〜３−３における反強磁性層および第３の磁性層の結晶構造をＸＲＤにより評価したところ、それぞれｆｃｃ構造あるいはｆｃｔ構造を有しており、それぞれの膜面に対して平行に（１１１）配向していることが確認された。また、下地層はｆｃｃ構造を有していた。
【０１６１】
次に、上記のように作製した各ＭＲ素子の耐熱性を調べるために、各サンプルとも２８０℃〜４５０℃の熱処理を行い、熱処理後のＭＲ比を求めた。熱処理は、表４に示す各温度において、０．５時間保持して行った。また、ＭＲ比を求めるための磁気抵抗の測定は、熱処理後に素子を室温に冷却して行った。表４にその結果を示す。
【０１６２】
【表４】
2003092084.tif 000034
【０１６３】
表４に示すように、下部電極層と第１の磁性層との間に下地層、反強磁性層を配置し、また、第１の磁性層とトンネル絶縁層との間に第３の磁性層を配置したサンプル３−１〜３−３では、サンプルＣに比べて、より優れた耐熱性を示した。
【０１６４】
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および反強磁性層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
【０１６５】
（実施例４）
実施例１で作製したＭＲ素子（サンプル１−３およびサンプルＡ）を用いて、図６に示すようなシールド型磁気ヘッドを作製し、その特性を評価した。
【０１６６】
磁気ヘッドの基板にはＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ基板を、上部記録コア、上部シールドおよび下部シールドにはＮｉ0.8Ｆｅ0.2合金を用いた。また、ＭＲ素子を狭持する電極層（上部電極層、下部電極層）には、Ｃｕ、ＰｔおよびＴａの積層膜を用い、上部シールドおよび下部シールドの一部を、それぞれ上部電極層および下部電極層とした。
【０１６７】
ＭＲ素子には、自由磁性層に相当する磁性層の磁化容易方向が検知すべき信号磁界の方向と垂直（トラック幅方向）となるように、また、固定磁性層に相当する磁性層の磁化方向が検知すべき信号磁界の方向と平行になるように、異方性を付与した。このような異方性は、ＭＲ素子を作製した後、最初に固定磁性層の磁化方向を磁界中熱処理（２８０℃、４．０×１０5Ａ／ｍ（５ｋＯｅ））によって規定し、次に自由磁性層の磁化容易方向を磁界中熱処理（２００℃、８．０×１０3Ａ／ｍ（１００Ｏｅ））によって規定することで付与した。なお、ＭＲ素子のサイズは、０．５μｍ×０．５μｍとした。それぞれ、トラック幅とＭＲ高さに対応している。また磁気ヘッドの再生ギャップは０．１μｍとした。
【０１６８】
このようにして作製した磁気ヘッドのＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を評価したところ、サンプル１−３を含む磁気ヘッドの方が、サンプルＡを含む磁気ヘッドに比べてＳ／Ｎ比が８ｄＢ向上していた。
【０１６９】
（実施例５）
図８Ａおよび図８Ｂに示すようなヨーク型磁気ヘッドを作製し、その特性を評価した。
【０１７０】
下部ヨークには高透磁率のＮｉ−Ｆｅ合金膜を用いた。下部ヨークを形成した後に、その表面をＣＭＰ研磨し、その上にＡｌ2Ｏ3からなる絶縁部、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａの積層膜からなる下部電極層を形成した後、以下に示す膜構成のＭＲ素子を形成した。ＭＲ素子の形成には、実施例１と同様の手法を用いた。
【０１７１】
サンプル５−１：Ｐｔ0.5Ｍｎ0.5（１５）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（１）／Ｆｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（２）／Ａｌ−Ｏ（０．７）／Ｆｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（１）／Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2（２）
サンプルＥ（比較例）：Ｐｔ0.5Ｍｎ0.5（１５）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）／Ａｌ−Ｏ（０．７）／Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（１）／Ｎｉ0.8Ｆｅ0.1（２）
Ｐｔ0.5Ｍｎ0.5（１５）は反強磁性層であり、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（３）／Ｒｕ（０．８）／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（１）は積層フェリ構造を含む第１の磁性層である。サンプル５−１のＦｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（２）、Ｆｅ0.6Ｎｉ0.15Ｐｔ0.25（１）は第３の磁性層である。なおサンプル５−１には、反強磁性層の下地層として、下部電極層と反強磁性層との間にＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ（４）を積層した。
【０１７２】
トンネル絶縁層であるＡｌ−Ｏ層は、双方のサンプルとも、Ａｌ層を膜厚０．７ｎｍで積層した後、２６．３ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の純酸素中で１０分間自然酸化することによって形成した。ＭＲ素子のサイズは、２μｍ×６μｍとした。
【０１７３】
磁気ヘッドの作製にあたっては、素子の長辺が、図８Ａに示す面Ａに対して垂直となるように素子を配置した。また、上部電極層には、Ｔａ／Ｐｔ／Ｃｕからなる積層膜を用い、上部ヨークとの間には電気的な短絡を防ぐためにＳｉＯ2からなる絶縁層を形成した。上部ヨークにはＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ−Ｆｅからなる軟磁性膜を用いた。
【０１７４】
ＭＲ素子には、実施例４と同様に、自由磁性層に相当する磁性層の磁化容易方向が検知すべき信号磁界の方向と垂直（図８Ａに示す面Ａに対して垂直な方向）になるように、また、固定磁性層にあたる磁性層の磁化方向が検知すべき信号磁界の方向と平行（図８Ａに示す面Ａに対して平行な方向）になるように異方性を付与した。ただし、自由磁性層の磁化容易方向を規定するための磁界中熱処理の磁界は、４×１０4Ａ／ｍ（５００Ｏｅ）とした。なお、磁気ヘッドの再生ギャップ長は０．５μｍとした。
【０１７５】
上記のように作製した磁気ヘッドを、１８０℃の恒温槽に入れ、２００ｍＶの電圧をＭＲ素子に印加した状態で５０日間保持するという試験を実施し、試験前後のＭＲ出力を比較した。ＭＲ出力の測定は以下に示す方法を用いた。
【０１７６】
ヘルムホルツコイル中に磁気ヘッドを設置し、ＭＲ素子に電流を印加しながら、その際に得られる磁気抵抗を直流四端子法により測定した。磁気抵抗の測定にあたっては、測定磁界を±４．０×１０4Ａ／ｍの範囲内で変化させた。このようにして得られた磁気抵抗の最大値と最小値の差を磁気ヘッドのＭＲ出力とした。なお、ヘルムホルツコイルにより発生させる測定磁界の方向は、ＭＲ素子の固定磁性層の磁化容易方向とした。
【０１７７】
評価の結果、ＭＲ素子としてサンプルＥを用いた磁気ヘッドでは、試験前後において約３８％の非常に大きな出力低下が発生した。これに対して、ＭＲ素子としてサンプル５−１を用いた磁気ヘッドでは、試験前後の出力の低下が約１％以内であり、試験後も非常に安定した出力特性を示した。
【０１７８】
なお、第１の磁性層、第２の磁性層および高保磁力層の組成比が異なる場合においても、同様の結果を得ることができた。
【０１７９】
（実施例６）
実施例３で作製したＭＲ素子（サンプル３−１、サンプル３−３、サンプルＣ）を用いて、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すようなスイッチ素子を含まない磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を作製した。ただし、サンプル３−１のトンネル絶縁層の膜厚を１．２ｎｍ、サンプル３−２のトンネル絶縁層の膜厚を１．４ｎｍとした。
【０１８０】
ＭＲＡＭの作製は以下のように行った。まず、５００ｎｍの熱酸化膜を有するＳｉ基板上に、Ｃｕからなるワード線を形成し、その表面にＡｌ2Ｏ3からなる絶縁膜を形成した。次に、Ｃｕからなる下部電極層を形成した。ここでＣＭＰにより下部電極層の表面の平滑化を行った後、サンプル３−１、サンプル３−３またはサンプルＣに示す膜構成のＭＲ素子を積層させた。ＭＲ素子のサイズは、１μｍ×２μｍとした。
【０１８１】
次に、作製したＭＲ素子に対し、２８０℃、４．０×１０5Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）の磁界中熱処理を５時間行った。磁界は、素子の長辺の方向に印加した。その後、実施例１と同様に、メサ型に微細加工することによって、ＭＲ素子を形成した。最後に、上部電極層としてＣｕからなるビット線を形成し、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すようなスイッチ素子を持たない単一の磁気メモリを作製した。
【０１８２】
作製した磁気メモリに対して、ワード線およびビット線に電流を流して磁界を発生させ、ＭＲ素子の自由磁性層の磁化方向を反転させて情報「０」を記録した。次に、ワード線とビット線に対して先程とは逆方向の電流を流して磁界を発生させ、自由磁性層の磁化方向を反転させて情報「１」を記録した。その後、それぞれの状態のＭＲ素子に対してバイアス電圧（約４００ｍＶ）を印加することによってセンス電流を流し、情報「０」と情報「１」の状態における素子電圧の差を測定したところ、サンプル３−１および３−３のＭＲ素子を含む磁気メモリでは、１００ｍＶ以上の出力を得ることができた。これに対して、サンプルＣのＭＲ素子を含む磁気メモリでは、情報「０」と「１」とを読み出すことはできたものの、出力は１００ｍＶ未満であった。これは、サンプルＣのＭＲ素子に比べて、サンプル３−１および３−３のＭＲ素子の方が、バイアス電圧依存性がより小さいためと考えられる。
【０１８３】
次に、上記のＭＲ素子をＣＭＯＳ基板上に配置し、図１１に示すような、マトリクス状にＭＲ素子を配置した集積磁気メモリを作製した。素子配列は、１６×１６素子のメモリを１ブロックとして、合計８ブロックとした。ＭＲ素子の配置は、次のように行った。まずＣＭＯＳ基板上に、スイッチ素子としてＦＥＴをマトリクス状に配置し、ＣＭＰで表面を平坦化した後、サンプル３−１、サンプル３−２またはサンプルＣに示す膜構成のＭＲ素子をＦＥＴに対応してマトリクス状に配置した。ＭＲ素子サイズは、０．１μｍ×０．２５μｍとした。
【０１８４】
ＭＲ素子の配置後、最初に磁界中熱処理（２８０℃、４×１０5Ａ／ｍ（５ｋＯｅ）、１０時間）を行った。磁界は、ＭＲ素子の長辺の方向に印加した。その後、水素シンター処理を４００℃にて行った。なお、各ブロック中１素子は、配線抵抗や素子最低抵抗、ＦＥＴ抵抗などをキャンセルするためのダミー素子とした。また、ワード線、ビット線などは全てＣｕを用いた。
【０１８５】
このように作製した磁気メモリに対し、ワード線およびビット線によって生じた合成磁界により、各ブロックそれぞれ８素子の自由磁性層の磁化反転を同時に行い、８ビットの信号を記録させた。次に、ＦＥＴのゲートを、それぞれのブロックに付き１素子づつＯＮし、素子にセンス電流を流した。このとき、各ブロック内におけるビット線、素子およびＦＥＴに発生する電圧と、ダミー電圧とをコンパレータにより比較し、それぞれの素子の出力を読み取った。
【０１８６】
測定の結果、ＭＲ素子としてサンプルＣを用いたＭＲＡＭでは、全く素子出力が得られなかった。一方、ＭＲ素子としてサンプル３−１、３−３を用いたＭＲＡＭでは、上述の単一磁気メモリの場合と同様に、良好な素子出力が得られた。この結果から、サンプルＣが４００℃の熱処理に耐えられなかったのに対し、サンプル３−１および３−３は４００℃の熱処理に対しても十分な耐熱性を有していたといえる。
【０１８７】
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１８８】
以上のように、本発明によれば、素子の特性および耐熱性に優れるＴＭＲ素子と、このようなＴＭＲ素子を製造する方法とを提供することができる。また、特性および耐熱性に優れる磁気ヘッド、磁気メモリおよび磁気記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８９】
【図１Ａ】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例の各工程における状態を示す模式断面図である。
【図１Ｂ】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例の各工程における状態を示す模式断面図である。
【図１Ｃ】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例の各工程における状態を示す模式断面図である。
【図１Ｄ】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例の各工程における状態を示す模式断面図である。
【図１Ｅ】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の一例の各工程における状態を示す模式断面図である。
【図２Ａ】従来の磁気抵抗効果素子と本発明の磁気抵抗効果素子との違いを説明するための模式断面図である。
【図２Ｂ】従来の磁気抵抗効果素子と本発明の磁気抵抗効果素子との違いを説明するための模式断面図である。
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す模式断面図である。
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子の別の一例を示す模式断面図である。
【図５】電極を含む本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の磁気ヘッドの一例を示す断面図である。
【図７】本発明の磁気ヘッドの別の一例を示す断面図である。
【図８Ａ】本発明の磁気ヘッドのまた別の一例を示す模式図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示した磁気ヘッドを図８Ａに示す面Ａで切断した断面図である。
【図９】本発明の磁気記録装置の一例を示す模式図である。
【図１０Ａ】本発明の磁気記録装置の別の一例を示す模式図である。
【図１０Ｂ】本発明の磁気記録装置の別の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の磁気メモリの一例を示す模式図である。
【図１２Ａ】本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
【図１２Ｂ】本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
【図１３Ａ】本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
【図１３Ｂ】本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
【図１４Ａ】本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
【図１４Ｂ】本発明の磁気メモリにおける動作の基本例を示す模式図である。
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月7日(2004.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層とを含み、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なる磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
（ｉ）基板上に、第１の磁性層、第３の磁性層およびＡｌ層を順に積層する工程と、
（ii）前記Ａｌ層に酸化、窒化、および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行うことによって、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層を形成する工程と、
（iii）前記トンネル絶縁層を前記第１の磁性層と第２の磁性層とによって狭持するように前記第２の磁性層を積層し、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層と前記第２の磁性層とを含む積層体を形成する工程と、
（iv）前記積層体を３５０℃以上で熱処理する工程とを含み、
前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含み、
前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含み、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記磁性材料が、式ＦｅxＣｏyで示される組成を有する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式ＦｅxＣｏyにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【請求項３】
前記磁性材料が、式Ｆｅx'Ｎｉy'で示される組成を有する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式Ｆｅx'Ｎｉy'において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【請求項４】
前記磁性材料が、式ＭpＺqで示される組成を有する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
ただし、上記式ＭpＺqにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
【請求項５】
前記（ｉ）の工程において、前記基板と前記第１の磁性層との間に反強磁性層を積層する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
Ａｌの酸化物、窒化物、および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層との間に配置された第３の磁性層とを含み、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なり、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも一方の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含む請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁性材料が、式ＦｅxＣｏyで示される組成を有する請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式ＦｅxＣｏyにおいて、ｘおよびｙは以下の式を満たす数値である。
ｘ＋ｙ＝１
０．０５≦ｘ≦０．３
０．７≦ｙ≦０．９５
【請求項９】
前記磁性材料が、式Ｆｅx'Ｎｉy'で示される組成を有する請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式Ｆｅx'Ｎｉy'において、ｘ’およびｙ’は以下の式を満たす数値である。
ｘ’＋ｙ’＝１
０≦ｘ’≦０．７
０．３≦ｙ’≦１
【請求項１０】
前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含む請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記磁性材料が、式ＭpＺqで示される組成を有する請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
ただし、上記式ＭpＺqにおいて、Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
Ｚは、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素であり、
ｐおよびｑは、以下の式を満たす数値である。
ｐ＋ｑ＝１
０．６≦ｐ≦０．９９
０．０１≦ｑ≦０．４
【請求項１２】
反強磁性層をさらに含む請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記反強磁性層が、前記第１の磁性層の前記トンネル絶縁層に面している面とは反対側に配置され、かつ、前記反強磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項６に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界以外の磁界の、前記磁気抵抗効果素子への導入を制限するシールドとを含む磁気ヘッド。
【請求項１５】
請求項６に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子により検知すべき磁界を前記磁気抵抗効果素子へ導入する磁束ガイド部とを含む磁気ヘッド。
【請求項１６】
請求項６に記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に情報を記録するための情報記録用導体線と、前記情報を読み出すための情報読出用導体線とを含む磁気メモリ。
【請求項１７】
複数の前記磁気抵抗効果素子が、マトリクス状に配置されている請求項１６に記載の磁気メモリ。
【請求項１８】
請求項１４に記載の磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含む磁気記録装置。
【請求項１９】
請求項１５に記載の磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドにより磁気情報を読み出すことができる磁気記録媒体とを含む磁気記録装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
ＴＭＲ素子を構成する各層の厚さは非常に薄く、数ｎｍ〜数十ｎｍのオーダーである。磁気抵抗特性（ＭＲ特性）に優れるＴＭＲ素子とするためには、これら各層の制御が重要になる。なかでも、トンネル絶縁層の状態が、素子のＭＲ特性に大きな影響を与えると考えられる。その他、本発明に関連する公開特許公報として、下記特許文献１を挙げることができる。
【特許文献１】特開２００１−１５６３５７号公報（特に段落番号００５６、００９０、００９２、その他００３６）
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、トンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を狭持するように積層された第１の磁性層および第２の磁性層とを含み、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層が有する磁化方向の相対角度により抵抗値が異なる磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
（ｉ）基板上に、第１の磁性層、第３の磁性層およびＡｌ層を順に積層する工程と、
（ii）前記Ａｌ層に酸化、窒化および酸窒化から選ばれる少なくとも１種の反応を行うことによって、Ａｌの酸化物、窒化物および酸窒化物から選ばれる少なくとも１種の化合物を含むトンネル絶縁層を形成する工程と、
（iii）前記トンネル絶縁層を前記第１の磁性層と第２の磁性層とによって狭持するように前記第２の磁性層を積層し、前記第１の磁性層と前記トンネル絶縁層と前記第２の磁性層とを含む積層体を形成する工程と、
（iv）前記積層体を３５０℃以上で熱処理する工程と
を含み、
前記第３の磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含む磁性材料を含み、
前記磁性材料が、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含み、
前記第３の磁性層は、面心立方晶および面心正方晶から選ばれる少なくとも１種の結晶構造を有し、かつ、前記第３の磁性層の膜面に対して平行に（１１１）配向している層である。なお、平行に（１１１）配向しているかどうかを判断する手法は、実施例に後述する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2003092084.tif 000035
2003092084.tif 000036
2003092084.tif 000037
2003092084.tif 000038