(57)【要約】【課題】ＭＲ変化率および信頼性の向上が図れる磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、および磁気ディスク装置を提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子におけるスペーサ層を、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成し、この第１の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層を形成し、この機能層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成し、この第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成することによって構成する。【選択図】図２
2008016740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層を形成する工程と、
前記形成された機能層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層及び機能層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記形成された電流狭窄層上にＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層を形成する工程と、
前記機能層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層を形成する工程と、
前記形成された第１の機能層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層を形成する工程と、
前記形成された第２の機能層及び第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層を形成する工程と、
前記形成された機能層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上にＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層を形成する工程と、
前記第２の機能層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記電流狭窄層上にさらにＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした金属層を形成する工程を具備することを特徴とする請求項１、２、又は４に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
前記機能層上にさらにＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした金属層を形成する工程を具備することを特徴とする請求項３又は５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
前記機能層が前記電流狭窄層と隣接する層との密着性を高める機能を有することを特徴とする、請求項１〜７に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
前記機能層の膜厚が０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
前記電流狭窄層を形成する際の、前記酸化・窒化・酸窒化が、イオンまたはプラズマの照射処理を経て実施することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層と、
前記機能層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層と、
前記機能層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記電流狭窄層上において、さらにＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした金属層を具備することを特徴とする請求項１１、１２、又は１４に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記機能層上において、さらにＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした金属層を具備することを特徴とする、請求項１３又は１５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
前記機能層が前記電流狭窄層と隣接する層との密着性を高める機能を有することを特徴とする、請求項１１〜１７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
前記機能層の膜厚が０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１１〜１８のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
前記電流狭窄層を形成する際の、前記酸化・窒化・酸窒化が、イオンまたはプラズマの照射処理を経て実施することを特徴とする、請求項１１〜１９のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された機能層と、
前記機能層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記機能層は、前記第１の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２２】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された機能層と、
前記機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２３】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された機能層と、
前記機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素と酸化物・窒化物生成エネルギーが同等またはそれ以下であり、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２４】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記第１の機能層は、前記第１の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とし、
前記第２の機能層は、前記第１の磁性層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２５】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記第１の機能層は、第１の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とし、
前記第２の機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素と酸化物・窒化物生成エネルギーが同等またはそれ以下であり、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２６】
前記電流狭窄層上において、さらにＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした金属層を具備することを特徴とする、請求項２１、２２、又は２４に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２７】
前記機能層上において、さらにＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした金属層を具備することを特徴とする、請求項２３又は２５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２８】
前記機能層が前記電流狭窄層と隣接する層との密着性を高める機能を有することを特徴とする、請求項２１〜２７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２９】
前記機能層の膜厚が０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項２１〜２８のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３０】
前記電流狭窄層を形成する際の、前記酸化・窒化・酸窒化が、イオンまたはプラズマの照射処理を経て実施することを特徴とする、請求項２１〜２９のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３１】
請求項１１〜３０のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする、磁気ヘッド。
【請求項３２】
磁気記録媒体と、請求項３１に記載の磁気ヘッドとを具えることを特徴とする、磁気記録再生装置。
【請求項３３】
請求項１１〜３０のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子を具えることを特徴とする、磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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の製造方法およびその磁気抵抗効果素子に関する。
【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非磁性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。
【０００７】
スペーサ層として、厚み方向への電流パスを含む酸化物層［ＮＯＬ（nano-oxide layer）］を用いたＣＰＰ素子が提案されている（特許文献１参照）。この素子では、電流狭窄［ＣＣＰ（Current-confied-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。以下、この素子をＣＣＰ−ＣＰＰ素子と呼ぶ。
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の磁気記憶装置はパソコンや携帯型音楽プレーヤーなどの用途に用いられている。しかしながら、今後、磁気記憶装置の使用用途がさらに広がり、また高密度記憶化が進むと、信頼性への要求がより厳しくなる。例えば、より高温度の条件下や、より高速での動作環境下での信頼性を向上させることが、必要になる。そのためには、磁気ヘッドの信頼性を、従来よりも向上させることが望ましい。
【０００９】
特にＣＣＰ−ＣＰＰ素子は、従来のＴＭＲ素子に比べて抵抗が低いため、より高転送レートが要求されるサーバー・エンタープライズ用途のハイエンドの磁気記憶装置に適用可能である。このようなハイエンドの用途には、高密度化と、高信頼性を同時に満たすことが要求される。また、これらの用途では、より高温化での信頼性を向上させることが望ましい。つまり、より厳しい環境（高温環境等）、より厳しい使用条件（高速で回転する磁気ディスクでの情報の読み取り等）下で、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子を使用することが必要となる。
【００１０】
本発明は、高密度記憶の磁気記憶装置に適用可能で、信頼性の向上が図られた磁気抵抗効果素子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】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様においては、
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層を形成する工程と、
前記形成された機能層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【００１２】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層及び機能層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【００１３】
さらに、本発明の一態様においては、
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記形成された電流狭窄層上にＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層を形成する工程と、
前記機能層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【００１４】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層を形成する工程と、
前記形成された第１の機能層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層を形成する工程と、
前記形成された第２の機能層及び第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【００１５】
さらに、本発明の一態様においては、
第１の磁性層を形成する工程と、
前記形成された第１の磁性層上にＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層を形成する工程と、
前記形成された第１の金属層上にＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層を形成する工程と、
前記形成された機能層上にＡｌを主成分とする第２の金属層を形成する工程と、
前記形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行い、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層上にＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層を形成する工程と、
前記第２の機能層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【００１６】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層と、
前記機能層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００１７】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００１８】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする機能層と、
前記機能層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００１９】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００２０】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成されたＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成されたＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成されたＡｌを主成分とする第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成されたＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群から選択される元素を主成分とする第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層と、
を具備することを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００２１】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された機能層と、
前記機能層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記機能層は、前記第１の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００２２】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された機能層と、
前記機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００２３】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された機能層と、
前記機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素と酸化物・窒化物生成エネルギーが同等またはそれ以下であり、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００２４】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記第１の機能層は、前記第１の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とし、
前記第２の機能層は、前記第１の磁性層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００２５】
また、本発明の一態様においては、
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記第１の機能層は、第１の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とし、
前記第２の機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素と酸化物・窒化物生成エネルギーが同等またはそれ以下であり、かつ前記第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子に関する。
【００２６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、本発明のようなＣＣＰ−ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子においては、特にスペーサ層を構成する絶縁層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）と、これに隣接する同じく前記スペーサ層を構成する金属層あるいはその他磁性層などとの密着性と素子の信頼性の相関が深いことを見出した。ＣＣＰ−ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子に対してその積層方向に沿って通電し、前記素子を駆動させた場合、電流密度が高くなる上記界面のそれぞれにおいて膜剥がれや膜質劣化が生じ、このような乱れがスピン依存伝導に影響を及ぼし、素子の信頼性を少なからず影響を与えることを発見するに至った。
【００２７】
かかる観点より、本発明者らは、特に上述したような層間界面に対して特に密着性に優れた機能層を形成することによって、前記層間界面の密着力を増大させ、信頼性が大幅に増大することを見出した。したがって、本発明の上記態様によれば、より強固な信頼性を有する、ＣＣＰ−ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【００２８】
このように信頼性性能が大きく向上することは、ＨＤＤ生産のときのみならず、あらゆる状況における破壊、熱的な耐性をも向上させることができるので、高信頼性が必要とされる、サーバーや、エンタープライズ用途のヘッドとして適したものとなる。単に記録密度を向上させるだけでない高信頼性のヘッドは、ＨＤＤの用途が広がっている近年の状況ではますます重要になってくる。ヘッドの寿命が長くなることは、ＨＤＤの使用環境を広げるということで非常に重要になってくる。このような高信頼性のヘッドは、熱的環境が厳しいカーナビゲーション用のＨＤＤとしても非常に有効である。
【００２９】
もちろん、このような高信頼性を有するヘッドは、上記のような高付加価値のＨＤＤだけでなく、民生用途として使用される通常のパソコン、携帯型音楽プレーヤー、携帯電話などのＨＤＤとして用いることができる。
【００３０】
なお、上述したように、密着性を有する機能層は単独の層とすることもできるし、複数の層を離隔して形成するようにすることもできる。これらは、上述した層間界面に要求される密着性に依存して適宜に決定することができる。
【００３１】
なお、上述した各態様の製造方法から明らかなように、上記機能層を形成する位置などに依存して、前記機能層を形成する工程は適宜に入れ替える。
【００３２】
また、上記電流狭窄層上、あるいは上記機能層上にさらにＣｕ，Ａｕ，Ａｇからなる群から選択される元素を主成分とした金属層を形成することができる。この金属層は、上記スペーサ層を構成する絶縁層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）からの酸素及び窒素などが上方に形成された第２の磁性層などに拡散し、劣化させることを抑制するためのバリア層、及び前記第２の磁性層の結晶促進を行うためのシード層として機能する。
【００３３】
なお、上記機能層の膜厚は０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下とすることができる。また、上記電流狭窄層を形成する際の、前記酸化・窒化・酸窒化が、イオンまたはプラズマの照射処理を経て実施することができる。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、本発明によれば、高密度記録の磁気記録装置に適用可能で、信頼性の向上が図られた磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明のその他の特徴及び利点について、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
【００３６】
（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）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。
【００３７】
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）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。
【００３８】
図１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み込むようにして設けられた下電極１１および上電極２０を有している。なお、これらの積層体は図示しない基板上に構成されている。
【００３９】
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、ＣＣＰ−ＮＯＬ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、ピン層１４、下部金属層１５、ＣＣＰ−ＮＯＬ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スピンバルブ膜に対応する。また、下部金属層１５、ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６、および上部金属層１７の全体がスペーサ層として定義される。なお、見やすさのために、極薄酸化層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。
【００４０】
以下、磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。
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その膜垂直方向に沿って電流が流れる。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し、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。
【００４１】
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。
【００４２】
バッファ層１２ａとしては、Ｔａ、Ｔｉ、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２〜１０ｎｍ程度が好ましく、３〜５ｎｍ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。上記のなかの好ましい一例として、Ｔａ［３ｎｍ］を用いることができる。
【００４３】
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。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（例えば、ＰｔＭｎ）の結晶配向を規則化したｆｃｔ構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）、あるいはｂｃｃ（body-centered cubic structure：体心立方構造）（１１０）配向とすることができる。
【００４４】
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。上記のなかの好ましい一例として、Ｒｕ［２ｎｍ］を用いることができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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５〜４０ｎｍ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。
【００４８】
ここでの結晶粒径は、シード層１２ｂの上に形成された結晶粒の粒径によって判別することができ、断面ＴＥＭなどによって決定することができる。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。
【００４９】
高密度記録に対応した再生ヘッドでは、素子サイズが、例えば、１００ｎｍ以下である。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。スピンバルブ膜の結晶粒径が４０ｎｍよりも大きいことは好ましくない。具体的には、結晶粒径が５〜４０ｎｍの範囲が好ましく、５〜２０ｎｍの範囲がさらに好ましい範囲である。
【００５０】
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。一方、結晶粒径が小さくなりすぎても、良好な結晶配向を維持することが一般的には困難になる。これら、結晶粒径の上限、および下限を考慮した結晶粒径の好ましい範囲が、５〜２０ｎｍである。
【００５１】
しかしながら、ＭＲＡＭ用途などでは、素子サイズが１００ｎｍ以上の場合があり、結晶粒径が４０ｎｍ程度と大きくてもそれほど問題とならない場合もある。即ち、シード層１２ｂを用いることで、結晶粒径が粗大化しても差し支えない場合もある。
【００５２】
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、Ｒｕ２nm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）。
【００５３】
一方、結晶粒径を４０ｎｍよりも粗大化させて用いるためには、さらに多量の添加元素を用いることが好ましい。シード層１２ｂの材料が、例えば、ＮｉＦｅＣｒの場合にはＣｒ量を３５〜４５％程度とし、ｆｃｃとｂｃｃの境界相を示す組成を用いて、ｂｃｃ構造を有するＮｉＦｅＣｒ層を用いることが好ましい。
【００５４】
前述したように、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。
【００５５】
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、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ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。
【００５６】
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。上記のなかの好ましい一例として、ＩｒＭｎ［１０ｎｍ］を用いることができる。
【００５７】
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層を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。
【００５８】
ピン層（磁化固着層）１４は、下部ピン層１４１（例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０３．５nm）、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。
【００５９】
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。
【００６０】
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ＦｅＣｏ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。
【００６１】
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３．４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０が挙げられる。
【００６２】
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。１ｓｔピークは、格段に大きな反平行磁化固着力がある一方、膜厚のマージンが小さい。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。
【００６３】
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、ＣＣＰ−ＮＯＬ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。
【００６４】
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、諸特性を満たしたＦｅ４０Ｃｏ６０〜Ｆｅ６０Ｃｏ４０が使いやすい材料の一例である。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
上部ピン層１４３の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。大きなピン固着磁界を得るためである。大きなピン固着磁界と、ｂｃｃ構造の安定性の両立のため、ｂｃｃ構造をもつ上部ピン層１４３の膜厚は、２．０ｎｍ〜４ｎｍ程度であることが好ましいということになる。
【００６８】
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。
【００６９】
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ることができる。このような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。
【００７０】
「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。
【００７１】
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、ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の近傍で電流が狭窄されるため、ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の界面近傍での抵抗の寄与が非常に大きい。つまり、ＣＣＰ−ＮＯＬ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、ＣＣＰ−ＮＯＬ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、重要な意味をもつ。これが、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。
【００７２】
しかしながら、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。バルク散乱効果を得るための極薄Ｃｕ層の膜厚は、０．１〜１ｎｍが好ましく、０．２〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が薄すぎると、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、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、０．２５ｎｍのＣｕを用いた。
【００７３】
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０．５〜２ｎｍが好ましく、１〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
次に、スペーサ層を形成する膜構成について述べる。下部金属層１５は、電流パス１６２の形成に用いられ、いわば電流パス１６２の供給源である。ただし、電流パス１６２の形成後にも明確な金属層として残存している必要はない。下部金属層１５は、広義のスペーサ層の一部を形成する材料である。下部金属層１５は、その上部のＣＣＰ−ＮＯＬ層１６を形成するときに、下部に位置する磁性層１４３の酸化を抑制するストッパ層としての機能も有する。
【００７７】
ＣＣＰ−ＮＯＬ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。絶縁層１６１として、Ａｌ2Ｏ3のようなアモルファス構造や、ＭｇＯのような結晶構造の双方が有り得る。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、１〜３ｎｍが好ましく、１．５〜２．５ｎｍの範囲がより好ましい。なお、ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６は本発明の電流狭窄層に相当する。
【００７８】
絶縁層１６１に用いる典型的な絶縁材料として、Ａｌ２Ｏ３をベース材料としたものや、これに添加元素を加えたものがある。添加元素として、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｂ，Ｃ，Ｖなどがある。これらの添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜変えることができる。一例として、約２ｎｍのＡｌ２Ｏ３を絶縁層１６１として用いることができる。
【００７９】
絶縁層１６１には、Ａｌ２Ｏ３のようなＡｌ酸化物の換わりに、Ｔｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｖ酸化物なども用いることができる。これらの酸化物の場合でも、添加元素として上述の材料を用いることができる。また、添加元素の量を０％〜５０％程度の範囲で適宜に変えることができる。
【００８０】
これら酸化物の換わりに、上述したようなＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｂ，Ｃをベースとした酸窒化物や、窒化物を用いても、電流を絶縁する機能を有する材料であれば構わない。
【００８１】
電流パス１６２は、ＣＣＰ−ＮＯＬ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、スペーサ層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。
【００８２】
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。
【００８３】
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）、一般的には結晶相である。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。
【００８４】
上部金属層１７は、その上に成膜されるフリー層１８がＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の酸化物に接して酸化されないように保護するバリア層としての機能、およびフリー層１８の結晶性を良好にする機能を有する。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、ｆｃｃ結晶性を良好にする層（例えば、Ｃｕ層）を配置することで（１ｎｍ以下程度の膜厚で良い）、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。
【００８５】
ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の材料やフリー層１８の材料によっては、必ずしも上部金属層１７を設けなくてもよい。アニール条件の最適化や、極薄酸化層１６の絶縁層１６１材料の選択、フリー層１８の材料などによって、結晶性の低下を回避し、ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の金属層１７が不要にできる。
【００８６】
しかし、製造上のマージンを考慮すると、ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６上に上部金属層１７を形成することが好ましい。好ましい一例としては、上部金属層１７として、Ｃｕ［０．５ｎｍ］を用いることができる。
【００８７】
上部金属層１７の構成材料として、Ｃｕ以外に、Ａｕ，Ａｇなどを用いることもできる。上部金属層１７の材料は、ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の電流パス１６２の材料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。
【００８８】
上部金属層１７の膜厚は、０〜１ｎｍが好ましく、０．１〜０．５ｎｍがより好ましい。上部金属層１７が厚すぎると、スペーサ層１６で狭窄された電流が上部金属層１７で広がって電流狭窄効果が不十分になり、ＭＲ変化率の低下を招く。
【００８９】
ここで、本実施形態のポイントは、スペーサ層中の少なくとも一部を密着量向上部とすることで、素子の信頼性を著しく改善することである。この処理の詳細については後述する。
【００９０】
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、スペーサ層１６との界面には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。高いＭＲ変化率を得るためには、スペーサ層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］単層を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を用いても構わない。
【００９１】
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０．５〜４ｎｍとすることが好ましい。その他、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０〜９０）が好ましい。
【００９２】
また、フリー層１８として、１〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１〜０．８ｎｍ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。
【００９３】
ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６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層をスペーサ層１６との界面材料として用いると、ＭＲ変化率が大きくなる。ＣＣＰ−ＮＯＬ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。これらの構成のうち、好ましい実施例の一例として、Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］を用いることができる。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
上電極２０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にその膜の垂直方向の電流が流れる。上部電極層２０には、電気的に低抵抗な材料（例えば、Ｃｕ，Ａｕ）が用いられる。
【００９８】
図２〜４は、上記実施態様における磁気抵抗効果素子のスペーサ層部分を拡大して示す図である。図２は、絶縁層１６１の下側界面、及び電流パス１６２の界面に、密着力向上層２１Ｌが形成された例を表している。図３は、絶縁層１６１の上側界面に、密着力向上層２１Ｕが形成された例を表している。図４は、絶縁層１６１の下側界面、及び電流パス１６２の界面に密着力向上層２１Ｌが、及び上側界面に、密着力向上層２１Ｕが形成された例を表している。
【００９９】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、絶縁層１６１に隣接させて上述した密着力向上層を設けることにより、絶縁層１６１と電流パス１６２及び下部金属層１５との密着性、絶縁層１６１と上部金属層１７との密着性、あるいは絶縁層１６１と電流パス１６２及び下部金属層１５、上部金属層１７との密着性を増大させることができる。これによって、これら層間界面の密着力を増大させ、素子の特性及び信頼性が大幅に増大することができ、信頼性の向上が図られたＣＣＰ−ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１００】
上述したように、絶縁層１６１の母材料は、主としてＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群より選択されるので、密着力向上層２１Ｌ，２１Ｕは、Ａｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｏ，Ｍｇ，Ｃｒ，およびＺｒからなる群より選択されるような材料から構成することができる。あるいは、絶縁層１６１の母材料として選択された元素よりも酸化物生成エネルギーが高く、前述した金属層１５、電流パス１６２、及び金属層１７よりも酸化物生成エネルギーが低い元素を用いることができる。
【０１０１】
表１に、上記の元素の酸化物生成エネルギーの一覧を示す。この表より、例えばＡｌを絶縁層１６１の母材料として用いる場合には、Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｃｒ，およびＺｒを密着力向上層２１Ｌとして用いることができる。例えば、Ｓｉの場合には、Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇといった具合である。
【０１０２】
但し、ＣＣＰ−ＮＯＬ形成プロセスを行った後、密着力向上層の母材となる層を形成し、その後、絶縁層１６１と金属層１７の界面に密着力向上層を形成するような場合においては、絶縁層１６１の母材料として選択された元素と同じ元素から密着性向上層を形成することもできる。これは、以下に詳述するように、ＣＣＰ−ＮＯＬを予め形成しておくため、その絶縁層を構成する酸素がエネルギー的に安定となり、密着力向上層の上に形成される金属層に接するＯの量を、上述したプロセスに起因して低減することができるためである。
【０１０３】
【表１】
2008016740.tif 000003
【０１０４】
密着力向上層の膜厚としては、密着力向上効果を得るためには厚いほうが望ましい。しかし、厚くしすぎると、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６とピン層１４、およびＣＣＰ−ＮＯＬ１６とフリー層１８の層方向の距離が遠くなり、ＣＣＰ−ＮＯＬにより狭窄された電流がピン層１４、およびフリー層１８の位置で広がってしまい、界面散乱の増幅効果が薄れてしまう場合がある。上記の理由より、密着力向上層の膜厚は、０．０５ｎｍ以上１ｎｍ以下が望ましく、０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下がさらに望ましい。
【０１０５】
なお、上記のような密着力向上層が挿入されたＣＣＰ−ＮＯＬ１６の構造は、Imago Scientific Instruments社のLocal Electrode Atom Probeによって確認できる。
【０１０６】
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界蒸発された原子の位置を二次元ディテクターで検知する。二次元ディテクターで検知された（ｘ，ｙ）二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。
【０１０７】
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三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。
【０１０８】
また、一般には電圧パルスを印加して電界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印加する。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。
【０１０９】
以下、本実施形態のＣＣＰ−ＮＯＬ１６の構造が信頼性に優れる理由について詳細に説明する。
【０１１０】
Ａ．ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の絶縁層１６１に隣接する金属の酸化について
ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６は、例えば、絶縁層１６１の材料としてＡｌ２Ｏ３を用い、金属層１５及び１７の材料としてＣｕを用いた場合、Ａｌ２Ｏ３に接するＣｕが酸化され、ＣｕＯｘが形成される。ＣｕＯｘは膜の密着力を低下させることで知られている。このように、金属層１５、および金属層１７に用いる、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇなどの酸化生成エネルギーの高い元素の酸化物が膜の密着力を低下する傾向がある。
【０１１１】
ＣＣＰ−ＣＰＰ素子では、絶縁層１６と隣接する金属層の密着力が低下した場合、電流通電による発熱を駆動力とした微視的な原子の乱れや微小な膜剥がれが発生しえる。ＣＣＰ−ＣＰＰ素子に電流通電を行った場合、電流はメタルパス付近に集中し、電流パス自体では電流密度が増すことによってジュール熱が発生し、局所的に高温になっている。また、電流パス付近の絶縁層にも伝導電子はある確率でアタックし、ダメージを与えている。ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）膜と異なり、電流集中していることで、厳しい状況にある。
【０１１２】
なお、実際に通電した素子を断面ＴＥＭで観察すると、界面が破壊されるまでは至っていない。あくまでも微視的な原子の乱れがスピン依存伝導に寄与している、と考えられる。
【０１１３】
このように、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６と隣接する金属層の密着力が弱い場合は、上述したことを原因とした、微視的な原子の乱れや微小な膜剥がれが発生し、信頼性が低下する恐れがある。しかしながら、図２及び４に示すような構成で密着力向上層２１Ｌを設けることにより、上記微視的な原子の乱れや微小な膜剥がれなどを抑制して、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６の信頼性、さらにはこれを含むＣＣＰ−ＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の信頼性を向上させることができるようになる。以下にその原理を詳述する。
【０１１４】
Ｂ．密着力向上層の採用による磁気抵抗効果素子の信頼性の向上
密着力向上層が磁気抵抗効果素子の信頼性に与える影響につき、図２に示した金属層１５、電流パス１６２と絶縁層１６１の間に密着力向上層２１Ｌを作製した場合を例にとり説明する。
【０１１５】
まず、密着力向上層を設けていない場合は、金属層１５、および電流パス１６２に直接酸素を多く含有する絶縁層１６１が直接接してしまうため、金属層１５、および電流パス１６２の金属が酸化してしまう。
【０１１６】
一方、図２のように密着力向上層を設けた場合、密着力向上層２１Ｌの材料は金属層１５、電流パス１６２よりも酸化物生成エネルギーが低く、絶縁層１６１の母材料よりも酸化物生成エネルギーの高い元素を用いる。ここで、絶縁層１６１と密着力向上層２１Ｌの酸素の分布は、絶縁層１６１の方が酸化物生成エネルギーが低い、つまり酸化しやすい材料のため、絶縁層１６１のほうが酸素の含有量は高くなる。この結果、金属層１５、および電流パス１６２に接する酸素の量は少なくなり、金属層１５、および電流パス１６２の酸化を抑制することができる。
【０１１７】
なお、上記密着性の向上原理に関しては、金属層１５、電流パス１６２と絶縁層１６１の間に密着力向上層２１Ｌを作製した場合を例にとり説明したが、その他、絶縁層１６１と上部金属層１７との密着力向上に関しても、同様の原理に基づいて密着性が向上し、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６の信頼性、さらにはこれを含むＣＣＰ−ＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子の信頼性を向上させることができるようになる。
【０１１８】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
以下、本実施の形態における磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を概略的に表すフロー図である。
【０１１９】
本図に示すように、概略的には、下地層１２〜キャップ層１９を上述したような材料組成及び大きさ（膜厚）に従って順次に形成される（工程Ｓ１１〜Ｓ１７）。このとき、工程Ｓ１４において、金属層１５、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６、金属層１７からなるスペーサ層を形成する際に、ＣＣＰ−ＮＯＬの絶縁層１６１と金属層１５、電流パス１６２、金属層１７の界面に密着力向上層を設ける。
【０１２０】
以下、図２〜４に示すような構成の密着力向上層を形成する場合における、特にＳ１４を詳細に分割して示した工程図を示す。なお、以下に示す工程においては、絶縁層１６１としてアモルファス構造を有するＡｌ２Ｏ３、電流パス１６２として金属結晶構造を有するＣｕから構成する場合について説明する。
【０１２１】
図６は、図２に示すような密着力向上層２１Ｌを形成する場合の工程を詳細に示したものである。
【０１２２】
最初に、下部金属層１５として、Ｃｕを成膜する（Ｓ14-ａ1）。次いで、密着力向上層の母材料となる金属層２１ＬＭを成膜する（Ｓ14-ａ2）。密着力向上層の母材料となる金属２１ＬＭは、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料となる元素１６１よりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１５よりも酸化物生成エネルギーの低い元素を用いることができる。ここでは、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を用いているため、密着力向上層として表１よりＳｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｃｒ、およびＺｒを用いることができる。
【０１２３】
次に、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料となる元素１６１Ｍを成膜する（Ｓ14-ａ3）。ここでは、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を形成するため、変換される母材料金属層１６１Ｍとして、ＡｌＣｕやＡｌを成膜する。
【０１２４】
次に、絶縁層１６１と電流パス１６２を形成するプロセスを行う（Ｓ14-ａ４）。この工程には、いくつかの方法があり、以降説明する。
【０１２５】
まず、母材料金属層１６１Ｍ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、母材料金属層１６１Ｍ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。このように母材料金属層１６１Ｍの成膜後にＰＩＴのようなエネルギー処理を行うことが重要である。
【０１２６】
成膜された時点では、金属層１５のＣｕ層、および密着力向上層の母材料層２１ＬＭは二次元的な膜の形態で存在している。ＰＩＴ工程により金属層１５のＣｕと密着力向上層の母材料２１ＬＭがＡｌＣｕ層中へ吸い上げられ、侵入する。ＡｌＣｕ層中へ侵入した、金属層１５のＣｕが、後の酸化処理を行った後でも金属状態のまま維持され電流パス１６２となる。また、ＡｌＣｕ層中へ侵入した、密着力向上層の母材料２１ＬＭは、このＰＩＴ処理の時点ではＣｕと完全に分離はしていないが、この後の酸化工程で分離が促進される。このＰＩＴ処理はＣｕ純度の高い電流狭窄構造（ＣＣＰ）を実現するために重要な処理である。
【０１２７】
この工程では、加速電圧３０〜１５０Ｖ、ビーム電流２０〜２００ｍＡ、処理時間３０〜１８０秒の条件でＡｒイオンを照射する。上記加速電圧の中でも、４０〜６０Ｖの電圧範囲が好ましい。これよりも高い電圧範囲の場合には、ＰＩＴ後の表面荒れ等の影響により、ＭＲ変化率の低下が生じる場合がある。また、電流値としては、３０〜８０ｍＡの範囲、照射時間として、６０秒から１５０秒の範囲を利用できる。
【０１２８】
また、ＰＩＴ処理の換わりに、ＡｌＣｕやＡｌなどの絶縁層１６１に変換される前の金属層をバイアススパッタで形成する手法もある。この場合には、バイアススパッタのエネルギーは、ＤＣバイアスの場合には３０〜２００Ｖ、ＲＦバイアスの場合には３０〜２００Ｗとすることができる。
【０１２９】
次に、酸化ガス（例えば、酸素）を供給して母材料金属層１６１Ｍを酸化し、絶縁層１６１を形成する。このとき、電流パス１６２はそのまま酸化されないように条件を選択する。この酸化により、母材料金属層１６１Ｍ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、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６を形成する。この酸化工程において、電流パスのＣｕとともに吸いあがった、密着力向上層の母材料２１ＬＭが、絶縁層１６１のＡｌ２Ｏ３と電流パス１６２のＣｕの界面に集まり、密着力向上層２１Ｌとなる。また、絶縁層１６の下にある密着力向上層の母材料２１ＬＭはそのまま密着力向上層２１Ｌとなる。
【０１３０】
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）を供給して母材料金属層１６１Ｍを酸化する（イオンビームアシスト酸化（ＩＡＯ：Ion beam-assisted Oxidation））。この酸化処理により、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁層１６１とＣｕからなる電流パス１６２とを有するスペーサ層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。
【０１３１】
この工程では、酸素を供給しながら、加速電圧４０〜２００Ｖ、ビーム電流３０〜２００ｍＡ、処理時間１５〜３００秒の条件でＡｒイオンを照射する。上記加速電圧の中でも、５０〜１００Ｖの電圧範囲が好ましい。加速電圧がこれよりも高いと、ＰＩＴ後の表面荒れ等の影響により、ＭＲ変化率の低下が生じる可能性がある。また、ビーム電流として、４０〜１００ｍＡ、照射時間として、３０秒〜１８０秒を採用できる。
【０１３２】
ＩＡＯでの酸化時の酸素供給量としては、２０００〜４０００Ｌが好ましい範囲である。ＩＡＯ時にＡｌだけでなく、下部磁性層（ピン層１４）まで酸化されると、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子の耐熱性、信頼性が低下するので好ましくない。信頼性向上のために、スペーサ層１６の下部に位置する磁性層（ピン層１４）が酸化されず、メタル状態であることが重要である。これを実現するためには酸素供給量を上記範囲とすることが必要である。
【０１３３】
また、供給された酸素によって安定な酸化物を形成するために、イオンビームを基板表面に照射している間だけ、酸素ガスをフローしていることが望ましい。即ち、イオンビームを基板表面に照射していないときは、酸素ガスをフローしないことが望ましい。
【０１３４】
下部金属層１５のＣｕ層の膜厚はＡｌＣｕ層の膜厚に応じて調整される。すなわち、ＡｌＣｕ層の膜厚を厚くすると、ＰＩＴ工程の際にＡｌＣｕ層中へ侵入させるＣｕ量を増加させなければならないので、Ｃｕ層の膜厚を厚くする必要がある。例えば、ＡｌＣｕの膜厚が０．６〜０．８ｎｍのときには、Ｃｕ層の膜厚を０．１〜０．５ｎｍ程度にする。ＡｌＣｕの膜厚が０．８〜１ｎｍのときには、Ｃｕ層の膜厚を０．３〜１ｎｍ程度にする。Ｃｕ層が薄すぎると、ＰＩＴ工程の際にＡｌＣｕ層中に十分な量のＣｕが供給されないため、ＡｌＣｕ層の上部までＣｕの電流パス１６２を貫通させることが困難になる。この結果、面積抵抗ＲＡが過剰に高くなり、かつＭＲ変化率が不十分な値となる場合がある。
【０１３５】
一方、下部金属層１５のＣｕ層が厚すぎると、ＰＩＴ工程の際にはＡｌＣｕ層中に十分な量のＣｕが供給されるが、ピン層１４とスペーサ層１６との間に厚いＣｕ層が残る可能性がある。ＣＣＰ−ＣＰＰ素子で高いＭＲ変化率を得るためには、スペーサ層１６において狭窄された電流が狭窄されたまま磁性層（ピン層１４またはフリー層１８）に到達することが必要である。ピン層１４とスペーサ層１６の間に厚いＣｕ層が残っていると、スペーサ層１６において狭窄された電流がピン層１４に到達するまでに広がり、ＭＲ変化率の低下を招く。磁気抵抗効果素子の完成後に最終的に残るＣｕの膜厚として、１ｎｍ以下であることが望ましい。これ以上の膜厚になると、電流狭窄効果が失われ、ＭＲ変化率の増大効果が失われてしまうからである。より好ましくは、最終的に残るＣｕの膜厚は０．６ｎｍ以下であることがよい。
【０１３６】
電流パスを形成する第１の金属層（下部金属層１５）の材料として、Ｃｕの代わりに、Ａｕ、Ａｇなどを用いてもよい。ただし、Ａｕ、Ａｇに比べて、Ｃｕの方が熱処理に対する安定性が高く、好ましい。
【０１３７】
ピン層１４に用いる磁性材料と電流パス１６２に用いる磁性材料が同じ場合には、ピン層１４上に電流パス１６２の供給源（第１の金属層）を成膜する必要はない。すなわち、ピン層１４上に絶縁層１６１に変換される第２の金属層を成膜した後、ＰＩＴ工程を行うことにより第２の金属層中にピン層１４の材料を侵入させ、磁性材料からなる電流パス１６２を形成することができる。
【０１３８】
母材料層１６２ＭにＡｌ９０Ｃｕ１０を用いると、ＰＩＴ工程中に、第１の金属層のＣｕが吸い上げられるのみでなく、ＡｌＣｕ中のＣｕがＡｌから分離される。即ち、第１、第２の金属層の双方から電流パス１６２が形成される。ＰＩＴ工程後にイオンビームアシスト酸化を行った場合には、イオンビームによるアシスト効果によってＡｌとＣｕの分離が促進されつつ酸化が進行する。
【０１３９】
母材料層１６２Ｍの膜厚は、ＡｌＣｕの場合には０．６〜２ｎｍ、Ａｌの場合には０．５〜１．７ｎｍ程度である。これらの第２の金属層が酸化されて形成される絶縁層１６１の膜厚は、０．８〜３．５ｎｍ程度となる。酸化後での膜厚が１．３〜２．５ｎｍ程度の範囲にある絶縁層１６１は作製しやすく、かつ電流狭窄効果の点でも有利である。また、絶縁層１６１を貫通する電流パス１６２の直径は１〜１０ｎｍ程度であり、２〜６ｎｍ程度が好ましい。直径１０ｎｍよりも大きなメタルパス１６２は小さな素子サイズにしたときに、各素子ごとの特性のばらつきの原因となるので好ましくなく、直径６ｎｍよりも大きなメタルパス１６２は存在しないことが好ましい。
【０１４０】
電流パス１６２の良好な構造を実現するために、上記説明ではＰＩＴ/ＩＡＯ処理によって電流パス１６２を形成する場合について説明した。しかしながら、ＰＩＴの換わりに、ＩＡＯ後にＡｒ，Ｘｅ，Ｋｒなどの希ガスのイオンビームまたは希ガスのプラズマによる処理を行っても、良好な電流パス１６２を形成することができる。この処理は，酸化後に行う処理ということで、ＡＩＴ（After-ion treatment）と呼ぶ。つまり、ＩＡＯ/ＡＩＴ処理によって電流パス１６２を形成することも可能である。
【０１４１】
ＰＩＴ処理では酸化前にＣｕとＡｌの分離（セグレゲーション）を実現する。これに対して、ＡＩＴ処理では，ＩＡＯによってＡｌをＡｌ２Ｏ３に酸化した後に、Ａｌ２Ｏ３とＣｕとの分離を促進する。ＡＩＴ時のイオンビームもしくはプラズマのエネルギー衝突によって、このような分離を促進することが可能となる。
【０１４２】
また、一部酸化している電流パス１６２の形成部分の酸素を還元することが可能となる。つまり、電流パス１６２の構成材料がＣｕの場合、ＩＡＯで形成されたＣｕＯｘの酸素をＡＩＴ処理で還元することで、金属状態のＣｕを形成することが可能となる。
【０１４３】
ＡＩＴ処理では，加速電圧５０〜２００Ｖ、電流３０〜３００ｍＡ、処理時間３０〜１８０秒の条件でＡｒ，Ｋｒ，Ｈｅ，Ｎｅ，Ｘｅなどの希ガスを含有するイオンビーム、またはプラズマ（ＲＦプラズマなど）を第２の金属層の表面に照射する。
【０１４４】
イオンビームの場合には，上記加速電圧と電流を独立に制御できる。一方，ＲＦプラズマなどの場合には、投入ＲＦパワーを決定すると加速電圧、電流が自動的に決まってしまい，加速電圧と電流を独立に制御することは困難である。しかしながら、ＲＦプラズマには、装置の維持メンテナンスが容易であるというメリットがある。よって、装置の状況により、イオンビームとＲＦプラズマのどちらでも利用できる。
【０１４５】
ＡＩＴ処理では，酸化後にＰＩＴよりも比較的強めのエネルギー処理を行う必要があるため、ピン層１４とフリー層１８の層間結合磁界（interlayer coupling field）が大きくなりやすい。スペーサ層１６の絶縁層１６１の表面凹凸がＡＩＴ処理によって増すため、Neel coupling（Orange peel coupling）が増加する場合があるからである。ＰＩＴ処理ではそのような問題はないため、ＰＩＴのほうが好ましいプロセスである。
【０１４６】
ＡＩＴをＰＩＴの換わりに行う場合とともに、ＰＩＴ処理を行った場合においてもＡＩＴを行っても良い。つまり、ＰＩＴ／ＩＡＯ／ＡＩＴという三つの処理を行うことも可能である。
【０１４７】
この場合は、ＩＡＯ後に残存した微量の吸着浮遊酸素を脱離させることを目的として、ＰＩＴ処理がない場合と比較して弱いエネルギーでのＡＩＴを行うことが好ましい。この場合のＡＩＴ条件の具体例は次の通りである。即ち、加速電圧５０〜１００Ｖ，電流３０〜２００ｍＡ、処理時間１０〜１２０秒の条件で、Ａｒ，Ｋｒ，Ｈｅ，Ｎｅ，Ｘｅなどの希ガスを含有するイオンビーム，またはプラズマ（ＲＦプラズマなど）を表面に照射する。
【０１４８】
次に、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６の上に、上部金属層１７として、例えば、Ｃｕ［０．２５ｎｍ］を成膜する（S4-a5）。好ましい膜厚範囲は、０．２〜０．６ｎｍ程度である。０．４ｎｍ程度を用いると、フリー層１８の結晶性を向上しやすいというメリットがある。フリー層１８の結晶性は、成膜条件などによって調整できるため、上部金属層１７は必須ではない。
【０１４９】
ところで、密着力を向上する施策として、上記の密着力向上層の挿入以外にも、プラズマあるいはイオンによる密着力向上処理が挙げられる。すなわち、密着力を向上したい界面に、イオンあるいはプラズマ処理をして界面の凹凸をまし、接触面積を増やすことで密着力を上げる。イオンあるいはプラズマ処理によって上下層のミキシングが生じ、より密着力が上がるという効果もある。
【０１５０】
具体的な一例として、希ガスのイオンビーム、またはプラズマを照射する。希ガスとして、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ、Ｈｅ、Ｎｅなどが挙げられるが、製造コストの点からＡｒが望ましい。Ａｒの代わりに、必要に応じて、より質量の大きいＸｅなどを用いると特有の効果が得られることがある。
【０１５１】
上記の密着力向上処理と本実施形態の密着力向上層の挿入を組み合わせるとさらに密着力の向上が見込める。図６に示したプロセスと組み合わせる場合は、下部金属層１５の表面や密着力向上層の母材料となる金属層２１ＬＭの表面に密着力向上処理を用いることができる。
【０１５２】
上記の密着力向上処理は、後述する他の界面に形成した密着力向上層とも組み合わせることができる。
【０１５３】
図７は、図３に示すような密着力向上層２１Ｕを形成する場合の工程を詳細に示したものである。本プロセスでは、密着力向上層の母材となる層を形成した後、ＣＣＰ−ＮＯＬ形成プロセスを行って、絶縁層１６１と金属層１７の界面に密着力向上層を形成する。
【０１５４】
最初に、金属層１５として、Ｃｕを成膜する（Ｓ14-ｂ1）。次に、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料となる元素１６１Ｍを成膜する（Ｓ14-ｂ2）。ここでは、絶縁層１６１としてにＡｌ２Ｏ３を形成するため、変換される母材料金属層１６１Ｍとして、ＡｌＣｕやＡｌを成膜する。
【０１５５】
次に、密着力向上層の母材料となる金属層２１ＵＭを成膜する（Ｓ14-ｂ3）。密着力向上層の母材料となる金属２１ＵＭは、上述したように、絶縁層１６１の母材料となる元素１６１Ｍよりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１７よりも酸化物生成エネルギーの低い元素を用いることができる。ここでは、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を用いているため、密着力向上層として表１よりＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｃｒ，およびＺｒを用いることができる。
【０１５６】
次に、絶縁層１６１と電流パス１６２を形成するプロセスを行う（Ｓ14-ｂ4）。この工程は、絶縁層１６１と電流パス１６２が形成され、金属層２１Ｕは、絶縁層１６１の上面に集まり、密着力向上層となる。
【０１５７】
次に、上述のようにして得たＣＣＰ−ＮＯＬ１６の上に、上部金属層１７として、例えば、Ｃｕ［０．２５ｎｍ］を成膜する（S14-ｂ5）。好ましい膜厚範囲は、０．２〜０．６ｎｍ程度である。０．４ｎｍ程度を用いると、フリー層１８の結晶性を向上しやすいというメリットがある。フリー層１８の結晶性は、成膜条件などによって調整できるため、上部金属層１７は必須ではない。
【０１５８】
金属層１７を形成しなかった場合、密着力向上層２１Ｕは絶縁層１６１とフリー層１８の間に形成される。フリー層１８の主元素はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉである。この場合、密着力向上層の母材料２１Ｕは、フリー層１８の構成元素よりも酸化物生成エネルギーが高ければ密着力向上効果が得られる。表１より、本実施形態で挙げている密着力向上層の母材料、Ａｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｏ，Ｍｇ，Ｃｒ、およびＺｒは、全てＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉよりも酸化物生成エネルギーが高いため適用することができる。
【０１５９】
図８も、同じく図３に示すような密着力向上層２１Ｕを形成する場合の工程を詳細に示したものである。本プロセスでは、ＣＣＰ−ＮＯＬ形成プロセスを行った後、密着力向上層の母材となる層を形成し、その後、絶縁層１６１と金属層１７の界面に密着力向上層を形成する。
【０１６０】
最初に、金属層１５として、Ｃｕを成膜する（Ｓ14-c1）。次に、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料となる元素１６１Ｍを成膜する（Ｓ14-c２）。ここでは、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を形成するため、変換される母材料金属層１６１Ｍとして、ＡｌＣｕやＡｌを成膜する。次に、絶縁層１６１と電流パス１６２を形成するプロセスを行う（Ｓ14-c3）。この工程では、上述したように、絶縁層１６１と電流パス１６２が形成される。
【０１６１】
次に、密着力向上層の母材料となる金属層２１ＵＭ’を成膜する（Ｓ14-c4）。ここで用いる密着力向上層の母材料となる金属２１ＵＭ’は、上述したように、絶縁層１６１の母材料となる元素１６１Ｍよりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１７よりも酸化物生成エネルギーの低い元素を用いることができるが、絶縁層１６１を構成する元素と同元素、つまり酸化エネルギーが同じ元素も用いることができる。この理由は後述する。この工程で、金属層２１ＵＭ’が絶縁層１６の上部に集まり、密着力向上層２１Ｕが形成される。
【０１６２】
密着力向上層の母材料２１ＵＭ’として、絶縁層１６１の母材料１６１Ｍと同元素を用いることができる理由を説明する。図８に示すプロセスでは、密着力向上層の母材料２１ＵＭ’の成膜が酸化工程の後に行われているため、絶縁層１６１のＡｌとＯの結合は強固にされている。そのため、密着力向上層として後に成膜したＡｌに、既に酸化物となっているＡｌ２Ｏ３からＯの移動は顕著には起こらず、絶縁層１６１のＡｌと密着力向上層のＡｌとでＯの含有量が同じにはならない。この結果、密着力向上層の上に形成される金属層に接するＯの量を低減することができる。
【０１６３】
次に、ＣＣＰ−ＮＯＬ１６の上に、上部金属層１７として、例えば、Ｃｕ［０．２５ｎｍ］を成膜する（S14-ｃ5）。好ましい膜厚範囲は、０．２〜０．６ｎｍ程度である。０．４ｎｍ程度を用いると、フリー層１８の結晶性を向上しやすいというメリットがある。フリー層１８の結晶性は、成膜条件などによって調整できるため、上部金属層１７は必須ではない。
【０１６４】
金属層１７を形成しなかった場合、密着力向上層２１Ｕは絶縁層１６１とフリー層１８の間に形成される。フリー層１８の主元素はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉである。この場合、密着力向上層の母材料２１Ｕは、フリー層１８の構成元素よりも酸化物生成エネルギーが高ければ密着力向上効果が得られる。表１より、本実施形態で挙げている密着力向上層の母材料、Ａｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｏ，Ｍｇ，Ｃｒ、およびＺｒは、全てＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉよりも酸化物生成エネルギーが高いため適用することができる。
【０１６５】
図９は、図４に示すような密着力向上層２１Ｌ及び２１Ｕを形成する場合の工程を詳細に示したものである。本プロセスでは、図７に示すプロセスに従って、密着力向上層の母材となる層を形成した後、ＣＣＰ−ＮＯＬ形成プロセスを行って、絶縁層１６１と金属層１５及び１７の界面に密着力向上層を形成する。
【０１６６】
最初に、金属層１５として、Ｃｕを成膜する（Ｓ14-d1）。次に、密着力向上層の母材料となる金属層２１ＬＭを成膜する（Ｓ14-d2）。密着力向上層の母材料となる金属２１ＬＭは、絶縁層１６１の母材料となる元素１６１Ｍよりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１５よりも酸化物生成エネルギーの低い元素を用いることができる。ここでは、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を用いているため、密着力向上層として表１よりＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｃｒ，およびＺｒを用いることができる。
【０１６７】
次に、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料となる元素１６１Ｍを成膜する（Ｓ14-d3）。ここでは、絶縁層１６１としてにＡｌ２Ｏ３を形成するため、変換される母材料金属層１６１Ｍとして、ＡｌＣｕやＡｌを成膜する。
【０１６８】
次に、密着力向上層の母材料となる金属層２１ＬＭを成膜する（Ｓ14-ｄ４）。密着力向上層の母材料となる金属２１ＵＭは、絶縁層１６１の母材料となる元素１６１Ｍよりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１７よりも酸化物生成エネルギーの低い元素を用いることができる。ここでは、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を用いているため、密着力向上層として表１よりＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｃｒ，およびＺｒを用いることができる。
【０１６９】
次に、絶縁層１６１と電流パス１６２を形成するプロセスを行う（Ｓ14-d5）。この工程では、上記同様に、絶縁層１６１と電流パス１６２が形成されると同時に、絶縁層１６１を覆うように密着力向上層２１Ｌ及び２１Ｕが形成される。  
【０１７０】
図１０は、同じく図４に示すような密着力向上層２１Ｌ及び２１Ｕを形成する場合の工程を詳細に示したものである。本プロセスでは、図７に示すプロセスに従って、密着力向上層の母材となる層を形成した後、ＣＣＰ−ＮＯＬ形成プロセスを行って、絶縁層１６１と金属層１５及び１７の界面に密着力向上層２１Ｌを形成し、さらに図８に示すプロセスに従って絶縁層１６１及び金属層１７の界面に密着力向上層２１Ｕ’を形成する。
【０１７１】
最初に、金属層１５として、Ｃｕを成膜する（Ｓ14-e1）。次に、密着力向上層の母材料となる金属層２１ＬＭを成膜する（Ｓ14-e2）。密着力向上層の母材料となる金属２１ＬＭは、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料となる元素１６１よりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１５よりも酸化物生成エネルギーの低い元素を用いることができる。ここでは、絶縁層１６１としてＡｌ２Ｏ３を用いているため、密着力向上層として表１よりＳｉ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｃｒ，およびＺｒを用いることができる。
【０１７２】
次に、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料となる元素１６１Ｍを成膜する（Ｓ14-e3）。ここでは、絶縁層１６１としてにＡｌ２Ｏ３を形成するため、変換される母材料金属層１６１Ｍとして、ＡｌＣｕやＡｌを成膜する。
【０１７３】
次に、絶縁層１６１と電流パス１６２を形成するプロセスを行う（Ｓ14-e4）。この工程では、上記同様に、絶縁層１６１と電流パス１６２が形成され、絶縁層１６１と金属層１５の界面、および電流パス１６２との界面に密着力向上層２１Ｌが形成される。  
【０１７４】
次に、密着力向上層の母材料となる金属層２１ＵＭ’を成膜する（Ｓ14-e5）。ここで用いる密着力向上層の母材料となる金属２１ＵＭ’は、絶縁層１６１の母材料となる元素１６１Ｍよりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１７よりも酸化物生成エネルギーの低い元素を用いることができるが、絶縁層１６１を構成する元素と同元素、つまり酸化エネルギーが同じ元素も用いることができる。この理由は図８に示すプロセスに関連して説明した理由に基づく。この工程で、金属層２１ＵＭ’が絶縁層１６の上部に集まり、密着力向上層２１Ｕ’が形成される。
【０１７５】
（磁気抵抗効果素子の製造に用いられる装置）
図１１は、磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の概略を示す模式図である。図１１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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
（磁気抵抗効果素子の製造方法の全体的説明）
以下、磁気抵抗効果素子の製造方法の全体について詳細に説明する。
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。
【０１７８】
基板を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。
【０１７９】
（１）下地層１２の形成（工程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。
【０１８０】
（２）ピニング層１３の形成（工程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。
【０１８１】
（３）ピン層１４の形成（工程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。
【０１８２】
（４）ＣＣＰ−ＮＯＬ層１６の形成（工程Ｓ１４）
次に、電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有するＣＣＰ−ＮＯＬ１６を形成する。ＣＣＰ−ＮＯＬ１６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。ＣＣＰ−ＮＯＬ１６の形成方法は、（磁気抵抗効果素子の製造方法）で述べたとおりである。絶縁層１６１と金属層１５及び電流パス１６２の界面、または、絶縁層１６１と金属層１７またはフリー層１８の界面に密着力向上層を設けることにより、信頼性の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１８３】
（５）フリー層１８の形成（工程Ｓ１５）
まず、高いＭＲ変化率を得るためには、スペーサ層１６と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。この場合、スペーサ層１６との界面には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。ＣｏＦｅ合金のなかでも特に軟磁気特性が安定なＣｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］を用いることができる。他の組成でも、ＣｏＦｅ合金は用いることができる。
【０１８４】
Ｃｏ９０Ｆｅ１０近傍のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５〜４ｎｍとすることが好ましい。他の組成のＣｏＦｅ合金（例えば、Ｃｏ５０Ｆｅ５０）を用いる場合、膜厚を０．５〜２ｎｍとすることが好ましい。スピン依存界面散乱効果を上昇させるために、フリー層１８に、例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（もしくは、ＦｅxＣｏ100-x（ｘ＝４５〜８５））を用いた場合には、フリー層１８としての軟磁性を維持するために、ピン層１４のような厚い膜厚は使用困難である。このため、０．５〜１ｎｍが好ましい膜厚範囲である。Ｃｏを含まないＦｅを用いる場合には、軟磁気特性が比較的良好なため、膜厚を０．５〜４ｎｍ程度とすることができる。
【０１８５】
ＣｏＦｅ層の上に設けられるＮｉＦｅ層は、軟磁性特性が安定な材料からなる。ＣｏＦｅ合金の軟磁気特性はそれほど安定ではないが、その上にＮｉＦｅ合金を設けることによって軟磁気特性を補完することができる。ＮｉＦｅをフリー層１８として用いることは、スペーサ層１６との界面に高ＭＲ変化率を実現できる材料が使用可能となり、スピンバルブ膜のトータル特性上好ましい。
【０１８６】
ＮｉＦｅ合金の組成は、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７８〜８５％程度）が好ましい。ここで、通常用いるＮｉＦｅの組成Ｎｉ８１Ｆｅ１９よりも、Ｎｉリッチな組成（例えば、Ｎｉ８３Ｆｅ１７）を用いることが好ましい。これはゼロ磁歪を実現するためである。ＣＣＰ構造のスペーサ層１６上に成膜されたＮｉＦｅでは、メタルＣｕ製のスペーサ層上に成膜されたＮｉＦｅよりも、磁歪がプラス側にシフトする。プラス側への磁歪のシフトをキャンセルするために、Ｎｉ組成が通常よりも多い、負側のＮｉＦｅ組成を用いている。
【０１８７】
ＮｉＦｅ層のトータル膜厚は２〜５ｎｍ程度（例えば、３．５ｎｍ）が好ましい。ＮｉＦｅ層を用いない場合には、１〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と０．１〜０．８ｎｍ程度の極薄Ｃｕ層とを、複数層交互に積層したフリー層１８を用いてもよい。
【０１８８】
（６）キャップ層１９、および上電極２０の形成（工程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。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】
【０１８９】
（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１０の構成を表す。
・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［３．２ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］
・金属層１５：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
・ＣＣＰ−ＮＯＬ１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２およびＴｉからなる密着力向上層（Ｔｉ［０．２５ｎｍ］/Ａｌ９０Ｃｕ１０［１ｎｍ］/Ｔｉ［０．２５ｎｍ］を成膜した後、ＰＩＴ／ＩＡＯ処理。）
・金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
・上電極２０。
【０１９０】
ＣＣＰ−ＮＯＬ１６の製造工程につき説明する。なお、その他の工程は、既述の手法で行われるので、説明を省略する。
【０１９１】
最初に、金属層１５として、Ｃｕを成膜する。膜厚はＣｕ［０．５ｎｍ］を成膜する。次に、密着力向上層の母材料となる金属層としてＴｉ［０．２５ｎｍ］を成膜する。下側の密着力向上層の母材料となるＴｉ［０．２５ｎｍ］は、ＣＣＰ−ＮＯＬの母材料であるＡｌ９０Ｃｕ１０の主成分であるＡｌよりも酸化生成エネルギーの高く、金属層１５であるＣｕよりも酸化物生成エネルギーが低い。ここでは、密着力向上層として、ＴｉのほかにＳｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｃｒ，およびＺｒを用いることができる。
【０１９２】
次に、絶縁層のＡｌ２Ｏ３の母材料となる、Ａｌ９０Ｃｕ１０［１ｎｍ］を成膜する。次に、上側の密着力向上層の母材料となるＴｉ［０．２５ｎｍ］を成膜する。次に、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁層とＣｕからなる電流パスを形成するプロセスを行う。本実施例では、ＰＩＴ処理とＩＡＯ処理を行った。
【０１９３】
上記の工程により、Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１およびＣｕの電流パス１６２からなるＣＣＰ−ＮＯＬにおいて、Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１と金属層１５の界面、Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１と電流パス１６２の界面、Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１と金属層１７の界面にＴｉからなる密着力向上層を設けることができる。
【０１９４】
本実施例に係る磁気抵抗効果膜１０を３次元アトムプローブで観察したところ、Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１と隣接する金属層の界面に、Ｔｉを主成分とした密着力向上層が形成されているのを確認できた。
【０１９５】
実施例に係るＣＣＰ−ＣＰＰ素子の特性を評価したところ、ＲＡ＝５００ｍΩ／μｍ２、ＭＲ変化率＝９％、ΔＲＡ＝４５ｍΩ／μｍ２であった。密着力向上層がないものと比べ、ＲＡ、ＭＲ変化率の値に大きな変化は生じていない。
【０１９６】
次に、信頼性について評価した。通電試験の条件は、温度１３０℃、バイアス電圧１４０ｍＶとした。通常の使用条件より厳しい条件とすることで、信頼性の相違が短期間の試験で表れるようにしている。また、通電方向として、ピン層１４からフリー層１８に電流が流れる方向とした。つまり、電子の流れとしては、逆向きになるのでフリー層１８からピン層１４に流れることになる。
【０１９７】
このような通電方向は、スピントランスファーノイズを低減するために望ましい方向である。フリー層１８からピン層１４に電流を流す場合（電子の流れとしては、ピン層からフリー層）のほうが、スピントランスファートルク効果が大きいといわれており、ヘッドにおいてはノイズ発生のもとになる。その観点からも、通電方向はピン層からフリー層に流れる方向が好ましい構成である。
【０１９８】
ここでの試験条件は加速試験のために、温度を通常の条件より高くしている。また、素子サイズの関係で、バイアス電圧も比較的強めの条件である。実施例では、実際のヘッドでの素子サイズ（実際には、０．１μｍ×０．１μｍよりも小さい素子サイズにおいて）より、素子サイズを大きくしている。素子サイズが大きいと、バイアス電圧が同一でも電流量が大きくなり、かつ素子の放熱性が悪くなる。このため、実施例の素子では、ジュール発熱の影響が実際のヘッドの素子よりも遙かに大きい、厳しい条件において試験していることになる。さらには、バイアス電圧も実際に使用される電圧値よりも大きく、かつ温度条件も実際よりも高温化と、すべての条件が厳しく設定されており、短時間で信頼性の良否を判断するために設定された、加速試験条件である。
【０１９９】
このような加速試験条件で通電試験を行ったところ、密着力向上層を設けていない素子に比べて、信頼性が著しく向上していることが確認できた。
【０２００】
本実施例で行った厳しい条件において、実施例の素子の信頼性が良好なことは、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子を高度な信頼性を要求される環境下で利用できることを意味する。高密度記録対応のヘッドにおいて、従来以上に信頼度の極めて高いヘッドが実現できることになる。この高密度記録対応のヘッドは、信頼性スペックが厳しい使用条件、例えば、高熱環境化で使用するカーナビ応用、高速で使用するサーバー、エンタープライズ応用などのＨＤＤ（Hard Disk Drive）に利用できる。
【０２０１】
（実施例２）
本例では、実施例１に対して、絶縁層１６１の上側界面に配置される密着力向上層の形成プロセスが異なっている。実施例１では、絶縁層１６１の上側界面に配置される密着力向上層の母材料Ｔｉ［０．２５ｎｍ］を成膜してから、ＰＩＴ／ＩＡＯ処理を行ったが、本実施例では、ＰＩＴ／ＩＡＯ処理を行ってから密着力向上層の母材料Ｔｉ［０．２５ｎｍ］を成膜した。このような形成プロセスで上側の密着力向上層を形成する場合、密着力向上層の母材料として、絶縁層１６１よりも酸化エネルギーが低い元素だけでなく、酸化エネルギーが同等の元素も用いることができる。つまり、ＴｉのほかにＡｌ，Ｓｉ，Ｈｆ，Ｖ，Ｗ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｃｒ，およびＺｒを用いることができる。
【０２０２】
本実施例に係る磁気抵抗効果膜１０を３次元アトムプローブで観察したところ、Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１と隣接する金属層の界面に、Ｔｉを主成分とした密着力向上層が形成されているのを確認できた。
【０２０３】
実施例に係るＣＣＰ−ＣＰＰ素子の特性を評価したところ、ＲＡ＝５００ｍΩ／μｍ２、ＭＲ変化率＝９％、ΔＲＡ＝４５ｍΩ／μｍ２であった。密着力向上層がないものと比べ、ＲＡ、ＭＲ変化率の値に大きな変化は生じていない。実施例１と同様に加速試験条件で通電試験を行ったところ、密着力向上層を設けていない素子に比べて、信頼性が著しく向上していることが確認できた。
【０２０４】
（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。
【０２０５】
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、５００ｍΩ／μｍ２以下が好ましく、３００ｍΩ／μｍ２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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
後に詳述する図１２、図１３の実施例の場合、図１２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１３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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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／ＣＣＰ−ＮＯＬ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／ＣＣＰ−ＮＯＬ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／ＣＣＰ−ＮＯＬ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。
【０２１３】
（磁気ヘッド）
図１２および図１３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１２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１３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。
【０２１４】
図１２および図１３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１２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１３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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
（ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリー）
図１２および図１３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。
【０２１８】
図１４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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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。
【０２２３】
図１５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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
（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。
【０２２６】
図１６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３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
【０２２７】
図１７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。
【０２２８】
図１８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１９は、図１８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１６または図１７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。
【０２２９】
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。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
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。
【０２３５】
（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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。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。
【０２３８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０２３９】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子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のスペーサ層付近を表す模式図である。
【図３】同じく、図１に示す磁気抵抗効果素子のスペーサ層付近を表す模式図である。
【図４】同じく、図１に示す磁気抵抗効果素子のスペーサ層付近を表す模式図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法における一例を示すフロー図である。
【図６】密着力向上層を導入したスペーサ層の形成工程を表すフロー図である。
【図７】同じく、密着力向上層を導入したスペーサ層の形成工程を表すフロー図である。
【図８】同じく、密着力向上層を導入したスペーサ層の形成工程を表すフロー図である。
【図９】同じく、密着力向上層を導入したスペーサ層の形成工程を表すフロー図である。
【図１０】同じく、密着力向上層を導入したスペーサ層の形成工程を表すフロー図である。
【図１１】本発明の磁気抵抗効果素子を形成するための成膜装置の模式図である。
【図１２】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す図である。
【図１３】同じく、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す図である。
【図１４】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。
【図１５】アクチュエータアーム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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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１９】図１７のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【０２４０】
１０…磁気抵抗効果膜、１１…下電極、１２…下地層、１２ａ…バッファ層、１２ｂ…シード層、１３…ピニング層、１４…ピン層、１４１…下部ピン層、１４２…磁気結合層、１４３…上部ピン層、１５…下部金属層、１６…ＣＣＰ−ＮＯＬ層、１６１…絶縁層、１６２…電流パス、１７…上部金属層、１８…フリー層、１９…キャップ層、２０…上電極、２１Ｌ，２１Ｕ…密着力向上層
【図１】
2008016740.tif 000004
【図２】
2008016740.tif 000005
【図３】
2008016740.tif 000006
【図４】
2008016740.tif 000007
【図５】
2008016740.tif 000008
【図６】
2008016740.tif 000009
【図７】
2008016740.tif 000010
【図８】
2008016740.tif 000011
【図９】
2008016740.tif 000012
【図１０】
2008016740.tif 000013
【図１１】
2008016740.tif 000014
【図１２】
2008016740.tif 000015
【図１３】
2008016740.tif 000016
【図１４】
2008016740.tif 000017
【図１５】
2008016740.tif 000018
【図１６】
2008016740.tif 000019
【図１７】
2008016740.tif 000020
【図１８】
2008016740.tif 000021
【図１９】
2008016740.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月26日(2007.4.26)
【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】請求項２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２３】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された機能層と、
前記機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギー低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素と酸化物・窒化物生成エネルギーが同等もしくは高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２５】
第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に形成された第１の金属層と、
前記第１の金属層上に形成された第１の機能層と、
前記第１の機能層上に形成された第２の金属層に対して、酸化・窒化・酸窒化を行うことにより形成された、絶縁層、及びこの絶縁層の層方向に電流を通過させる導電体を有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２の機能層と、
前記第２の機能層上に形成された第２の磁性層とを具備し、
前記第１の機能層は、第１の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが低く、かつ第２の金属層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギーが高い元素を主成分とし、
前記第２の機能層は、前記第２の磁性層の主成分である元素よりも酸化物・窒化物生成エネルギー低く、かつ前記第２の金属層の主成分である元素と酸化物・窒化物生成エネルギーが同等もしくは高い元素を主成分とすることを特徴とする、磁気抵抗効果素子。