(57)【要約】【課題】トンネル磁気抵抗効果素子の薄層化を図るべく、反強磁性層の表面粗さやトンネルバリア層の結晶性の問題を解消し、良好な磁気抵抗特性を得る。【解決手段】下地層、反強磁性層、第１の固定磁性層、非磁性中間層、第２の固定磁性層、トンネルバリア層、自由磁性層、保護層の順に積層された磁気抵抗効果において、第１の固定磁性層を平滑化することで、非磁性中間層をも平滑化し、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間に安定した反強磁性交換結合を得ることができる。また、トンネルバリア層をも平滑化し、薄層化した場合においても安定した磁気抵抗特性を得ることができる。さらに、結晶性を必要とするトンネルバリア層においても良好な磁気抵抗特性を得ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層、反強磁性層、第１の固定磁性層、非磁性中間層、第２の固定磁性層、トンネルバリア層、自由磁性層、保護層の順に積層され、
前記第１の固定磁性層が平滑化された構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記平滑化が中心線平均粗さRaが0.3nm以下であることを特徴とする、請求項１に記載された磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記反強磁性層がIr-Mn合金であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載された磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記トンネルバリア層がMgOであることを特徴とする、請求項３に記載された磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
下地層、反強磁性層、第１の固定磁性層、非磁性中間層、第２の固定磁性層、トンネルバリア層、自由磁性層、保護層の順に積層し、
前記非磁性中間層の積層前に前記第１の固定磁性層を平滑化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】
前記平滑化後、非磁性中間層の積層前に、再度、第１の固定磁性層を積層することを特徴とする、請求項５に記載された磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
前記平滑化がガスクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより行われたことを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載された磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
前記反強磁性層がIr-Mn合金であることを特徴とする、請求項５から請求項７に記載された磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
前記トンネルバリア層がMgOであることを特徴とする、請求項８に記載された磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明はトンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、トンネル磁気抵抗効果素子の膜構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（HDD）の大容量小型化に伴い、高感度かつ高出力の薄膜磁気ヘッドが要求されている。この要求に対応するため、巨大磁気抵抗効果（GMR）素子の特性改善が進んでおり、一方では、GMRの２倍以上の抵抗変化率が期待できるトンネル磁気抵抗効果（TMR）素子の開発も積極的に行われている。
【０００３】
トンネル磁気抵抗効果素子の膜構造を図１に示す。トンネル磁気抵抗効果素子は下地層１と、反強磁性層２と、反強磁性層２からの交換結合力により固定される第１の固定磁性層３と、非磁性中間層４と、第１の固定磁性層３と反強磁性交換結合する第２の固定磁性層５と、トンネルバリア層６と、自由磁性層７と、保護層８から構成される。
【０００４】
一般的に、反強磁性層を薄くできることから図１に示すような非磁性中間層４を介して第１の固定磁性層３と第２の固定磁性層５が反強磁性交換結合する構造がとられている。また、磁気ヘッドとして磁気抵抗効果素子を用いる場合には、フォトレジストをマスクとしてイオンミリングにより素子形状を形成するため、その素子断面は図２に示すように素子テーパー部９を有する台形状となる。図２は媒体対向面に垂直な方向から見た断面図である。ところで、高密度化に対応するためには磁気ヘッドの狭コア幅化を図る必要がある。したがって、コア幅を規定する自由磁性層の幅が台形の上辺近傍にあるのか、下辺近傍にあるのかで、磁気ヘッドのコア幅は異なってくる。一般には図２に示すように狭コア幅を実現するため自由磁性層が台形の上辺近傍に来るように、反強磁性層２が第１の固定磁性層３の下側に積層される構造をとることが多い。
【０００５】
ここで、トンネル磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層の厚さを小さくし、素子抵抗を下げることにより、大きな電流を流すことが可能となり、大きな出力電圧を得ることができる。また、静電破壊防止の観点からも素子抵抗が低いことが望まれている(特許文献１)。
【０００６】
しかし、トンネルバリア層の膜厚は1nm以下であり、平滑性が確保されていない場合に、そのトンネルバリア層の膜厚を薄くすると、トンネルバリア層の一部にピンホールが発生し、このピンポール部からセンス電流が流れてしまうため、高出力が得られなくなってしまう。したがって、高出力を得るためには、トンネルバリア層を薄層化する必要があり、これを実現するには、まずトンネルバリア層の平滑化が重要となる。
【０００７】
そこで、従来は、トンネルバリア層を成膜する前に第２の固定磁性層を逆スパッタなどにより平滑化し、その上にトンネルバリア層を積層することで、トンネルバリア層自体の平坦性を確保している。すなわち、トンネルバリア層の下地層を平滑化することでトンネルバリア層においても良好な平滑面を得ようとするものである。
【０００８】
ここで、トンネル磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層としてはAl2O3が一般的であるが、より高い磁気抵抗特性を得ることができるバリア層としてMgOが知られている(非特許文献１)。Al2O3は非結晶質であるが、MgOは結晶質であり、良好なトンネル磁気抵抗効果を得るにはその結晶構造が重要となる。MgOを用いて良好なトンネル磁気抵抗効果を得るためには、MgOの下地層となる第２の固定磁性層が非結晶質であることが知られている(非特許文献２)。
【０００９】
一方、高密度化の要求から磁気ヘッドにおける磁気シールド間のギャップについても狭ギャップ化が求められる。磁気シールドの間にはトンネル磁気抵抗効果素子が挟まれるため、狭ギャップ化においてはトンネル磁気抵抗効果素子の中でも膜厚が厚い反強磁性層を薄層化することが重要である。一般的な反強磁性層としては、交換結合力が大きく、高いブロッキング温度を示すPt-Mn合金が用いられているが、反強磁性層として使用できる膜厚は10〜20nmと比較的厚い。一方、Ir-Mn合金であれば、5〜10nm程度の膜厚であっても使用できるため、今後の狭ギャップ化を考えると、反強磁性層としてIr-Mn合金が用いられる可能性が高い。しかし、Ir-Mn合金はPt-Mn合金に比べて、成膜した際の膜表面の粗さが大きいことが知られている。(特許文献２)
【特許文献１】特開2001-36164号公報
【特許文献２】特開2005-333106号公報
【非特許文献１】S.Yuasa et al. , Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions ,Nat.Mater.3(2004)868
【非特許文献２】D.D.Djayaprawira et al.    , 230% room-temperature  magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions ,Appl.Phys.Lett.86(2005)092502
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図６に第２の固定磁性層を逆スパッタした場合のTMR ratio(%)とRA(Ωum2)の関係を示す。実験に用いたトンネル磁気抵抗効果膜の膜構成は、Taを5nm、Ruを2nm、IrMnを10nm、CoFeを2.5nm、Ruを0.8nm、CoFeBを3nm、MgOを1nm、CoFeBを3nm、Taを5nm、Ruを10nmとした。また、逆スパッタは真空チャンバー内においてArガス10-2Paの雰囲気中で行った。このように、トンネルバリア層としてMgOを用いる場合には、従来技術のように、第２の固定磁性層を逆スパッタ等により平滑化するとMgOの配向が阻害され、良好な磁気抵抗特性を得ることができない。しかし、トンネルバリア層の薄層化を図る場合や、反強磁性層特にIr-Mn合金を反強磁性層として用いるため膜の表面荒さが大きい場合には、平滑化は必須の技術となる。
【００１１】
さらに、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間に生じる反強磁性交換結合は、その間に挟まれる非磁性中間層の膜厚依存が大きい。その非磁性中間層の膜厚は1nm以下と薄いため、膜厚にバラツキがある場合には第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間に良好な交換結合を得ることができなくなる。すなわち、Ir-Mn合金を反強磁性層に用いた場合には、非磁性中間層の膜表面の粗さが大きくなり、良好な交換結合を得ることができない。
【００１２】
したがって、本願では薄層化を図るべく、その際に生じる上記問題を解消し、良好な磁気抵抗特性が得られるトンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法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】
【００１３】
そこで、薄層化を図った場合においても良好な磁気抵抗特性が得られる以下の構造及び手段を説明する。
【００１４】
下地層、反強磁性層、第１の固定磁性層、非磁性中間層、第２の固定磁性層、トンネルバリア層、自由磁性層、保護層の順に積層された磁気抵抗効果において、第１の固定磁性層が平滑化された構造であることを特徴とする。第１の固定磁性層が平滑化されることで、その上に積層される非磁性中間層も平滑化され、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の反強磁性交換結合が安定して得られる。また、さらにその上に積層されるトンネルバリア層も平滑化され、ピンホールを生じることなく薄層化することが可能となる。
【００１５】
前記平滑化が中心線平均粗さRaが0.3nm以下であることを特徴とする。中心線平均粗さRaが0.3nm以下であれば、例えばPt-Mn合金を反強磁性層として用いた場合と同等の平滑面が得られたと言え、良好な磁気抵抗特性を得ることができる。
【００１６】
また、前記反強磁性層がIr-Mn合金であることを特徴とする。反強磁性層にIr-Mn合金を用いた場合においては、例えばPt-Mn合金を用いた場合に比べて、成膜後の膜面の平滑性が極めて悪く、その上に非磁性中間層を積層しても第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の反強磁性交換結合が安定して得られないが、第１の固定磁性層を平滑化することで、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の反強磁性交換結合が安定して得られる。さらに、Ir-Mn合金を反強磁性層として用いた場合には、トンネルバリア層を平滑化する効果は大きい。
【００１７】
また、前記トンネルバリア層がMgOであることを特徴とする。トンネルバリア層にMgOを用いた場合には、その結晶構造が磁気抵抗特性に大きく影響するため、平滑化がさらに重要となる。しかし、第２の固定磁性層を平滑化した場合には、MgOの良好な結晶構造が得られないため、第１の固定磁性層を平滑化することでMgOの良好な結晶構造を得ることができる。
【００１８】
また、その磁気抵抗効果素子の製造方法は、下地層、反強磁性層、第１の固定磁性層、非磁性中間層、第２の固定磁性層、トンネルバリア層、自由磁性層、保護層の順に積層し、非磁性中間層の積層前に第１の固定磁性層を平滑化することを特徴とする。この磁気抵抗効果素子の製造方法により、前記の磁気抵抗効果素子が得られる。
【００１９】
また、平滑化後、非磁性中間層の積層前に、再度、第１の固定磁性層を積層することを特徴とする。すなわち、第１の固定磁性層を所要の膜厚より薄くしておき、再度、第１の固定磁性層を成膜して所要の膜厚とするものである。
【００２０】
また、前記第１の固定磁性層を平滑化が、ガスクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより行われたことを特徴とする。平滑化手段としては、同一真空中で行える、ガスクラスターイオンビーム又は逆スパッタを用いることで、膜特性の劣化を防ぐことができる。
【００２１】
また、これらの磁気抵抗効果素子の製造方法において、反強磁性層としてIr-Mn合金を、トンネルバリア層としてMgOを用いることを特徴とする。このような条件下において本願発明の効果が大きいからである。
【発明の効果】
【００２２】
本願発明に係る磁気抵抗効果素子及びその製造方法によれば、第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間において良好な反強磁性交換結合が得られ、さらに、トンネルバリア層の薄層化を図ることができ、高い磁気抵抗が得られる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付した図面に基づき本願発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３に本願発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の第１の実施形態を示す。図３は磁気抵抗効果膜の断面図である。図３（ａ）に示すように、Al2O3-TiCらなる基板１０上にTaからなる下地層１を成膜し、続けてIr-Mn合金からなる反強磁性層２を成膜する。ここで、Ir-Mn合金からなる反強磁性層２は、一般的に用いられているPt-Mn合金からなる反強磁性層に比べて膜の表面粗さが大きい。したがって、図３（ｂ）に示すように、Ir-Mn合金の上に積層される第１の固定磁性層も下地となるIr-Mn合金の影響を受け表面が粗い状態となる。そこで、図３（ｃ）に示すようにガスクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより第１の固定磁性層の表面を平滑化する。次に、図３（ｄ）に示すように、平滑化された第１の固定磁性層３の上にRuからなる非磁性中間層４、Co-Fe合金からなる第２の固定磁性層５、MgOからなるトンネルバリア層６、Co-Fe合金からなる自由磁性層７、Taからなる保護層８を続けてスパッタ法により積層する。なお、ガスクラスターイオンビームの照射又は逆スパッタを十分に行って、良好な磁気抵抗特性を得るために、第１の固定磁性層３は所要の膜厚よりも十分に厚く成膜しておくことが好ましい。
【００２５】
本願発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに用いる場合には、例えば基板のAl2O3-TiCの上にAl2O3からなる絶縁層、NiFeからなるシールド層を積層してから、トンネル磁気抵抗効果素子を積層する。これは第２の実施形態においても同様である。
【００２６】
トンネルバリア層にAl2O3を用いている場合には、Al2O3は非結晶質であるため、その下地となる第２の固定磁性層をガスクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより平滑化した場合であっても、その磁気抵抗特性に影響はなかったが、トンネルバリア層にMgOを用いている場合には、MgOは結晶質であるため、良好な磁気抵抗特性を得るためにはMgOの結晶構造が重要であり、その下地となる第２の固定磁性層をスクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより平滑化した場合には、良好な磁気抵抗特性を得ることができなかった。
【００２７】
しかし、本願発明によれば、スクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより平滑化するのは第１の固定磁性層であるため、第２の固定磁性層の上に連続してトンネルバリア層としてMgOを成膜でき、極めて良好な磁気抵抗特性を得ることができた。
【００２８】
図５に第１の固定磁性層の逆スパッタ時間とTMR ratio(%)及びRA(Ωum2)の関係を示す。実験に用いたトンネル磁気抵抗効果膜の膜構成は、Taを5nm、Ruを2nm、IrMnを10nm、CoFeを2.5nm、Ruを0.8nm、CoFeBを3nm、MgOを1nm、CoFeBを3nm、Taを5nm、Ruを10nmとした。また、逆スパッタは真空チャンバー内においてArガス10-2Paの雰囲気中で行った。なお、逆スパッタ時間0(min)のデータは逆スパッタをおこなっていない磁気抵抗効果素子を表し、良好な磁気抵抗特性は得られていない。
【００２９】
また、特に、反強磁性層としてIr-Mn合金を用いた場合には、反強磁性層、第１の固定磁性層、非磁性中間層を連続成膜すると、反強磁性層の表面における荒れが非磁性中間層にも影響を与えていたが、本願発明によれば、非磁性中間層であるRuも平滑化されているため、良好な第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間の反強磁性交換結合が得られる。
【００３０】
このようにして製造された、下地層、反強磁性層、第１の固定磁性層、非磁性中間層、第２の固定磁性層、トンネルバリア層、自由磁性層、保護層の順に積層され、第１の固定磁性層が平滑化された構造を有する磁気抵抗効果素子は、良好な磁気抵抗特性を示す。
【００３１】
なお、反強磁性層や非磁性中間層を逆スパッタなどにより平滑化することも考えられるが、反強磁性層と第１の固定磁性層との間の良好な交換結合や第１の固定磁性層と第２の固定磁性層の間の良好な反強磁性交換結合が得られない。
【００３２】
（第２の実施形態）
図４に本願発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の第２の実施形態を示す。図４は磁気抵抗効果膜の断面図である。図４（ａ）に示すように、Al2O3-TiCからなる基板１上にTaからなる下地層１を成膜し、続けてIr-Mn合金からなる反強磁性層２を成膜する。図４（ｂ）に示すようにIr-Mn合金からなる反強磁性層２の膜の表面粗さが大きいため、その上に積層する第１の固定磁性層３の表面も荒れた状態となる。そこで、図４（ｃ）に示すように、ガスクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより第１の固定磁性層３の表面を平滑化する。ここまでは、第１の実施形態と同様の方法である。
【００３３】
ここで、ガスクラスターイオンビーム又は逆スパッタにより第１の固定磁性層３の表面を平滑化する際の、ガスクラスターイオンビームの照射時間又は逆スパッタ時間を長くして、第１の固定磁性層３を所要の膜厚よりも薄くしておき、図４（ｄ）に示すように、第１の固定磁性層３を再度スパッタにより成膜して所要の膜厚にし、その後、Ruからなる非磁性中間層４、Co-Fe合金からなる第２の固定磁性層５、MgOからなるトンネルバリア層６、Co-Fe合金からなる自由磁性層７、Taからなる保護層８を続けてスパッタ法により積層することもできる。ガスクラスターイオンビームの照射時間又は逆スパッタ時間を長くすることで、第１の固定磁性層の十分な平滑化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】トンネル磁気抵抗効果素子の膜構造の断面図である。
【図２】磁気抵抗効果素子のテーパー形状を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態における磁気抵抗効果素子及びその製造方法を示す図である。
【図４】第２の実施形態における磁気抵抗効果素子の製造方法を示す図である。
【図５】本願発明における第１の固定磁性層の逆スパッタ時間とTMR ratio(%)及びRA(Ωum2)の関係を示す図である。
【図６】従来技術の第２の固定磁性層を逆スパッタした場合のTMR ratio(%)とRA(Ωum2)の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
1下地層
2反強磁性層
3第１の固定磁性層
4非磁性中間層
5第２の固定磁性層
6トンネルバリア層
7自由磁性層
8保護層
9素子テーパー部
10基板
【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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