(57)【要約】【課題】ＴＭＲ素子に関し、ＴＭＲ素子に発生する電気ノイズを簡単な構造改変を加えることで抑止できるようにする。【解決手段】少なくともピン層２／バリア層３／金属酸化物バッファ層４／フリー層５からなる積層構成を含むＴＭＲ素子であって、バッファ層４がフリー層５を構成する材料に比較して酸化され易い材料を基材としたものであることが基本になっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともピン層／バリア層／金属酸化物バッファ層／フリー層からなる積層構成を含むＴＭＲ素子であって、
前記金属酸化物バッファ層は前記フリー層を構成する材料に比較して酸化され易い材料を基材としたものであること
を特徴とするＴＭＲ素子。
【請求項２】
前記金属酸化物バッファ層が非磁性金属材料を基材としたものであること
を特徴とする請求項１記載のＴＭＲ素子。
【請求項３】
前記金属酸化物バッファ層がＭｇ、Ａｌ、Ｔｉから選択された何れかの非磁性金属材料を基材としたものであること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載のＴＭＲ素子。
【請求項４】
金属酸化物バッファ層を前記ピン層と前記バリア層との間に介在させてなること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載のＴＭＲ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気ノイズを低減したトンネル磁気抵抗素子、即ち、ＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、磁気ディスクの高密度化にともない、再生用ヘッドの開発は、ＭＲ（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッド、ＧＭＲ（ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッド、ＴＭＲヘッドへと推移してきた。
【０００３】
ＴＭＲヘッドで用いられる素子は、強磁性層間に絶縁層を介在させてあり、その絶縁層を通過したトンネル電流を利用する点で他のヘッドとは異なっている。
【０００４】
ＴＭＲヘッド用再生素子に於ける主要層構成は、磁化反転層（フリー層）/ 絶縁層（バリア層）/ 固定磁化層（ピン層）から成っている。
【０００５】
ＴＭＲヘッドは、従来のヘッドとは異なり、強磁性層間にバリア層を介在させた構成になっていることから、これまでのヘッドでは観測されなかった新たなノイズが発生している。
【０００６】
ＴＭＲヘッドに於いて観測されるノイズとしては、電子の熱運動に起因するジョンソンノイズ、電子が障壁をトンネルすることに起因して発生するショットノイズ、素子の磁性膜に起因して発生するノイズ（ランダムテレグラフノイズ、或いは、バルクハウゼンノイズ）などが知られている。
【０００７】
これらのうちで支配的な磁気ノイズについては、原因が明確である為、容易に対策を施すことが可能であり、具体的には、外部磁場を加えて強制的に磁化状態を固定した場合、磁気ノイズは観測されない。
【０００８】
然しながら、ＴＭＲヘッドでは、外部磁場を加えて磁化を安定させた状態にした場合に於いても観測される磁気ノイズが存在するので、このノイズについては、磁気ノイズとは別に発生要因があると考えられた。
【０００９】
そして、種々と研究された結果、このノイズは、絶縁層を通過したトンネル電流の揺らぎに起因するノイズであると推定され、電気ノイズ、と呼んでいる。
【００１０】
この電気ノイズの大きさは、磁気ノイズと同程度であり、発生頻度は間欠的に生じる場合が多く、例えば約１５ｃｍ（６インチ）のウエーハにＴＭＲ素子を作製した場合、その約４％に電気ノイズの発生が見られた。
【００１１】
ＴＭＲヘッドに電気ノイズが発生する場合、ＴＭＲヘッドのドライブ評価時にエラーとして検出されるので、製品歩留まりの低下に直接的に影響を及ぼすことになる。
【００１２】
ところで、本発明に於いては、ＴＭＲ素子に於ける電気ノイズの発生を確認する為、非弾性電子トンネル分光法（ｉｎｅｌａｓｔｉｃ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＩＥＴＳ）を用いるのであるが、このＩＥＴＳに依って、酸化アルミニウム膜、酸化マグネシウム膜をバリア層としたトンネル接合膜の特性を測定することは従来から行われていて公知である（例えば、非特許文献１乃至非特許文献５を参照。）。
【００１３】
このＩＥＴＳに依る測定は、電流の電圧に対する２次微分値の変化を厳密に観測し、トンネル電子の非弾性散乱が存在する場合にピークとして観測する方法であり、非特許文献１及び非特許文献２に於いては、零ｍＶ付近〜１２０ｍＶ付近に現れるピークについて検討され、非特許文献３に於いては、±２０ｍＶ付近に現れるピークの起源について検討され、非特許文献４に於いては、磁性複合酸化物で観測されるピークについてデータを開示し、非特許文献５に於いては、ＭｇＯバリア層を用いたトンネル接合膜に対し、磁化状態を変えて観測されるピークについて検討している。
【００１４】
然しながら、何れの先行技術文献に於いても、ＩＥＴＳ特性のピークについて、種々と検討はしているものの、ＴＭＲ素子に発生する電気ノイズを抑止する為の技術開示、或いは、その為の指針などについて開示するところはない。
【非特許文献１】村井、安藤、手束、宮崎、「日本応用磁気学会誌」、２２，５７３（１９９８）．
【非特許文献２】村井、安藤、上条、大坊、久保田、宮崎「日本応用磁気学会誌」２４，５４（２０００）．
【非特許文献３】Ｙ．Ａｎｄｏ，Ｍ．Ｈａｙａｓｈｉ，Ｍ．Ｏｏｇａｎｅ，Ｈ．Ｋｕｂｏｔａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ：ＪＡＰ，９３，７０２３（２００３）．
【非特許文献４】Ｘ．Ｆ．Ｈａｎ，Ｊ．Ｍｕｒａｉ，Ｍ．Ｈａｙａｓｈｉ，Ｎ．Ｔｅｚｕｋａ，Ｈ．Ｋｕｂｏｔａ，Ｙ．Ａｎｄｏ  ａｎｄ  Ｔ，Ｍｉｙａｚａｋｉ：Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，２４，６０３（２０００）．
【非特許文献５】Ｙ．Ａｎｄｏ，Ｔ．Ｍｉｙａｋｏｓｈｉ，Ｍ．Ｏｏｇａｎｅ  ａｎｄ  Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８７，１４２５０２−１（２００５）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明では、ＴＭＲ素子に発生する電気ノイズを簡単な構造改変を加えることで抑止できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に依るＴＭＲ素子に於いては、少なくともピン層／バリア層／金属層／フリー層からなる積層構成を含むＴＭＲ素子に於いて、前記金属層がフリー層を構成する材料に比較して酸化され易い材料で構成されてなることが基本になっている。
【発明の効果】
【００１７】
前記手段を採ることに依り、フリー層が酸化されて磁性金属酸化物を生成することは皆無となり、その結果、電気ノイズの発生は著しく低減され、ウェーハ上に於ける素子歩留りは、現時点で約４％の改善が実現され、ＴＭＲ素子の信頼性は向上した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明者等は、ＴＭＲ素子に電気ノイズが発生する原因は、絶縁層に電子がトラップされるような欠陥あるいは不純物が存在するためではないかとの考えに基づき、積層に於ける界面情報について敏感に反映する測定方法、即ち、ＩＥＴＳを用いて調査したところ、電気ノイズが存在するＴＭＲ素子では、フリー層とバリア層との界面に磁性金属酸化物が不純物として存在することを確認した。
【００１９】
そこで、この磁性金属酸化物が形成されないように、磁化反転層（フリー層）/ 絶縁層（バリア層）/ 固定磁化層（ピン層）から構成される従来のＴＭＲ素子に於けるフリー層とバリア層界面にフリー層材料に比較して酸化されやすい金属層を設けた。即ち、表面側からフリー層/ 金属層/ バリア層/ ピン層という構成にした。
【００２０】
一般に、ＴＭＲ素子を作製する場合、ピン層側から順に積層するが、バリア層を形成するには、バリア層となるべき金属材料層を成膜した後、酸化工程を経て金属材料層を酸化して酸化物にするか、或いは、酸化物原料をＲＦスパッタリングすることで直接成膜している。
【００２１】
上記のようにして形成したバリア層には酸素が残留し、フリー層の磁性金属材料を酸化させるので、そのようなことが起こらないようにする為、バリア層形成後、フリー層の磁性金属材料よりも酸化されやすい金属層を介挿し、この金属層が残留酸素を吸着するバッファ層としての役割を果たすようにする。
【００２２】
このようにすることで、フリー層を構成する材料が酸化されることは無くなり、磁性金属酸化物の不純物が生成されることは抑止される。その結果、従来の技術に依るＴＭＲ素子に見られるように、伝導電子をトラップし、トンネル電流の揺らぎに影響を与える不純物は存在せず、従って、電気ノイズは発生しない。
【００２３】
ここで、フリー層を構成する磁性金属材料に比較して酸化され易い金属を選択する場合の目安としては、金属のイオン化傾向を考慮して決めれば良い。即ち、Ｌｉ＞Ｒｂ＞Ｋ＞Ｂａ＞Ｓｒ＞Ｃａ＞Ｎａ＞Ｍｇ＞Ｂｅ＞Ａｌ＞Ｔｉ＞Ｚｒ＞Ｍｎ＞Ｚｎ＞Ｃｒ＞Ｆｅ＞Ｃｄ＞Ｃｏ＞Ｎｉ＞Ｓｎ＞Ｐｂ＞Ｈ＞Ｓｂ＞Ｂｉ＞Ｃｕ＞Ｈｇ＞Ａｇ＞Ｐｄ＞Ｐｔ＞Ａｕの順でイオン化されやすい。
【００２４】
従って、フリー層にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの磁性金属を用いた場合には、これよりもイオン化傾向が大きいＭｇ、Ａｌ、Ｔｉなどの非磁性金属をバッファ層として用いればよいことになる。これらの非磁性金属は、バリア層材料としても実績があるため、金属酸化物層として存在していてもＴＭＲ比などの性能に影響することはない。
【００２５】
上記したように、本発明では、ＴＭＲ素子に於いて、磁性金属酸化物が生成されない層構成にしたことで、電気ノイズの発生を抑制できた。
【００２６】
〔実験例の説明〕
本発明者らは、先ず、電気ノイズがあるＴＭＲ素子と電気ノイズがないＴＭＲ素子とを選別して、それぞれについてＩＥＴＳ測定を行った。
【００２７】
図３は実験に用いたＴＭＲ素子の層構成を表す要部切断側面説明図であり、この層構成は、厚さ１００ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層１／厚さ１８ｎｍのＣｏＦｅからなるピン層２／ＡｌＯからなるバリア層３／厚さ厚さ１０ｎｍのＣｏＦｅからなるフリー層５で構成した。この場合の抵抗率Ｒ×Ａは４〜４．５〔Ωμｍ2 〕であった。
【００２８】
電気ノイズの有無については、抵抗（Ｒ）の値を長時間に亙って測定して、０．５秒で±1 Ω以上の変化が３０分以内に１回以上あったものを「電気ノイズあり」と判断することにした。
【００２９】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は電気ノイズが存在しないＴＭＲ素子と電気ノイズが存在するＴＭＲ素子に於けるデータを表す線図であり、縦軸にはＲ〔Ω〕を、そして、横軸には時間〔分〕をそれぞれ採ってある。
【００３０】
図４のデータを得た測定中には、ＴＭＲ素子に外部磁場５ｋＯｅを印加し、フリー層５とピン層２の磁化方向を平行状態に固定し、磁気に起因したノイズが重畳しない状態にして測定した。
【００３１】
図５（Ａ）及び（Ｂ）はＴＭＲ素子に対するＩＥＴＳ特性の結果を表す線図であり、縦軸には二次微分抵抗の値を、そして、横軸には電圧をそれぞれ採ってある。
【００３２】
何れのＴＭＲ素子も零ｍＶ付近にピークが観測されるが、これは非特許文献１及び２に見られるところからすれば、ＣｏＦｅとして合金化されずに単独で残ったＣｏ或いはＦｅに起因するピークと判断される。
【００３３】
この磁性金属の存在は、何れの試料にも見られるところから、電気ノイズには関与していないものと判断される。そして、±２０ｍＶ付近では、何れの試料にもピークが観測されているが、非特許文献３からすれば、フリー層５及びピン層２を構成している磁性層のマグノン非弾性励起に起因したピークと考えられる。このピークの存在も何れの試料にも見られるため電気ノイズには関係しないと考えられる。
【００３４】
電気ノイズが見られる試料では、＋２０ｍＶ以外にも＋３５ｍＶにピークがあるように看取される。この付近は、アルミニウムのフォノンによるピークも考えられるが、何れの試料もアルミニウム金属を用いているにもかかわらず一方の試料のみから観測されることから別の影響である可能性がある。
【００３５】
非特許文献４には、磁性金属酸化物によっても＋３１ｍＶ付近にピークが観測されることが記載されている。また、測定で正電圧印加は、電流をフリー層５側からピン層２側に流しているので、電子はピン層２側からフリー層５側にトンネルすることになるため、正電圧側はフリー層５とバリア層３との界面に於ける情報を反映している。即ち、＋３５ｍＶ付近に見られるピークは、フリー層５とバリア層３との界面に存在する磁性金属酸化物による可能性がある。
【００３６】
図６はフリー層とバリア層との界面に存在する磁性金属酸化物を模式的に示したＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図であり、図３に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。尚、６は電気ノイズ発生要因不純物である磁性金属酸化物を示し、また、６Ａは酸素を、６Ｂは磁性金属をそれぞれ示している。
【００３７】
本発明者等は、前記検討結果を踏まえ、フリー層５とバリア層３との界面に酸化されやすい金属層を設けたＴＭＲ素子を作製し、ＩＥＴＳ特性を測定したところ、極めて良好な結果を得ることができた。
【実施例１】
【００３８】
図１は本発明のＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図であり、図３に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
【００３９】
図１に於いて、４はバリア層３とフリー層５との間に介在する金属酸化物バッファ層であって、本発明に於いて新たに導入したものであり、このバッファ層４としては、フリー層５を構成する金属材料に比較して酸化されやすい金属材料を基材として選択する。具体的には、Ｆｅよりもイオン化傾向が大きい非磁性のＭｇ金属を用いている。
【００４０】
全体の層構成は、厚さ１００ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層１／厚さ１８ｎｍのＣｏＦｅからなるピン層２、ＡｌＯからなるバリア層３／厚さ０．６ｎｍのＭｇを基材とするバッファ層４／厚さ１０ｎｍのＣｏＦｅからなるフリー層５とした。バッファ層４としては、Ｍｇ以外にもイオン化傾向が大きい金属、例えば、ＡｌやＴｉなどの非磁性金属を用いることができる。例えば、ＭｇをＡｌに代替した場合には、バリア層３の膜厚が厚くなるだけであって他に変わるところはない。
【００４１】
バリア層３の酸化工程を終えた後、バッファ層４となるべき金属層を形成するに際しては、金属層の全体が残留酸素によって酸化されてしまう厚さにすることが好ましい。この際、フリー層５とバリア層３との界面に非磁性金属層が残っているとＴＭＲ比が劣化する傾向があることから、劣化が見られない厚さとして、金属層の全てが酸化されつくされてしまうように膜厚を制御すると良い。
【００４２】
図２は本発明に依るＴＭＲ素子のＩＥＴＳ特性を表す線図であり、縦軸には二次微分抵抗の値を、そして、横軸には電圧をそれぞれ採ってある。図から明らかなように、＋３５ｍＶ付近にピークは観測されていない。そして、電気ノイズの発生を見られなかった。
【実施例２】
【００４３】
バリア層３の構成材料をＭｇＯにした以外は実施例１と同じ層構成のＴＭＲ素子についてＩＥＴＳ特性及び電気ノイズを測定したところ、＋３５ｍＶ付近にピークは見られず、そして、電気ノイズも観測されなかった。
【００４４】
前記実施例では、フリー層５とバリア層３との界面にフリー層５の磁性酸化物を形成させないことを主体として説明したが、本発明に於いては、バリア層３とピン層２との界面にピン層２の磁性酸化物を形成させないようにする場合にも実施すると好結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図である。
【図２】本発明に依るＴＭＲ素子のＩＥＴＳ特性を表す線図である。
【図３】ＴＭＲ素子の層構成を表す要部切断側面説明図である。
【図４】電気ノイズが存在しないＴＭＲ素子と電気ノイズが存在するＴＭＲ素子に於けるデータを表す線図である。
【図５】ＴＭＲ素子に於けるＩＥＴＳ特性の結果を表す線図である。
【図６】フリー層とバリア層との界面に存在する磁性金属酸化物を模式的に示したＴＭＲ素子を表す要部切断側面説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  反強磁性層
２  ピン層
３  バリア層
４  金属酸化物バッファ層
５  フリー層
６  磁性金属酸化物
６Ａ  酸素
６Ｂ  磁性金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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