(57)【要約】【課題】大きなＭＲ比を示すＴＭＲ素子を提供する。【解決手段】磁化固定層４と磁化自由層６の間にトンネルバリア層５を有し、磁化自由層６上にキャップ層７を設けたＴＭＲ素子１において、トンネルバリア層５をＭｇＯ膜により構成し、磁化自由層６をＣｏＦｅＢ膜により構成すると共に、そのＣｏＦｅＢ膜直上に、それに接するようにＴｉ膜を形成してキャップ層７を構成する。これにより、ＴＭＲ素子１のＭＲ比を大幅に向上させることができる。また、このようなＴＭＲ素子１を磁気ヘッドやＭＲＡＭに用いることにより、その高性能化を図ることが可能になる。【選択図】図１
2008085208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成され、コバルト鉄ボロン膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、
チタン膜を備え、前記磁化自由層上に前記チタン膜が接するように形成されたキャップ層と、
を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層は、酸化マグネシウム膜により構成されていることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記コバルト鉄ボロン膜は、コバルト組成が６０ａｔｏｍ％〜８０ａｔｏｍ％であることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記コバルト鉄ボロン膜は、ボロン組成が５ａｔｏｍ％〜２５ａｔｏｍ％であることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記磁化自由層は、膜厚が０．５ｎｍ〜６ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記キャップ層は、膜厚が０．５ｎｍ〜５ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項７】
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成され、コバルト鉄ボロン膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、
チタン膜を備え、前記磁化自由層上に前記チタン膜が接するように形成されたキャップ層と、
を有するトンネル磁気抵抗素子を読み取り素子に用いたことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項８】
前記トンネルバリア層は、酸化マグネシウム膜により構成されていることを特徴とする請求項７記載の磁気ヘッド。
【請求項９】
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成され、コバルト鉄ボロン膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、
チタン膜を備え、前記磁化自由層上に前記チタン膜が接するように形成されたキャップ層と、
を有するトンネル磁気抵抗素子をメモリ素子に用いたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１０】
前記トンネルバリア層は、酸化マグネシウム膜により構成されていることを特徴とする請求項９記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗素子、磁気ヘッドおよび磁気メモリに関し、特に、トンネル磁気抵抗効果を利用するトンネル磁気抵抗素子、並びにそのようなトンネル磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッドおよび磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto-Resistance）素子は、一対の強磁性層の間に薄い絶縁膜がトンネルバリア層として挟まれた構成を有している。ＴＭＲ素子は、それら強磁性層の磁気モーメントが互いになす角に応じて、一方の強磁性層側からトンネルバリア層を通って他方の強磁性層側へと流れる電流の電気抵抗が変化する現象（ＴＭＲ効果）を利用し、その変化を信号として検出することのできる素子である。このような性質を利用し、現在、ＴＭＲ素子は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）の磁気ヘッドにおける読み取り素子に用いられたり、磁気メモリであるＭＲＡＭ（Magneto-resistive Random Access Memory）のメモリ素子に用いられたりしている。
【０００３】
通常、ＴＭＲ素子は、下地層の上に形成された反強磁性層上に、一方の強磁性層、トンネルバリア層および他方の強磁性層を順に積層し、さらにその上に保護層としてキャップ層を積層して構成される。この場合、反強磁性層上に形成される一方の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層であり、それとトンネルバリア層を挟んで形成される他方の強磁性層は、外部磁界によって磁化の向きが可変の磁化自由層である。両者の磁化の向きが揃っているときには、トンネルバリア層を含むこれらの電気抵抗が低くなって電流が流れやすくなり、両者の磁化が逆向きのときには、その電気抵抗が高くなって電流が流れにくくなる。このような電気抵抗の違いが信号として検出される。
【０００４】
このようなＴＭＲ素子を構成する各層の材料については、従来、様々な研究がなされてきている。一般的に、下地層には、タンタル（Ｔａ）膜とニッケル鉄（ＮｉＦｅ）膜の積層膜等が用いられ、反強磁性層には、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）膜等が用いられている。また、その上の磁化固定層には、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）膜、ルテニウム（Ｒｕ）膜、ＣｏＦｅ膜の積層膜等が用いられ、トンネルバリア層には、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）膜等が用いられ、磁化自由層には、ＣｏＦｅ膜、ＮｉＦｅ膜やそれらの積層膜等が用いられている。また、その磁化自由層上に形成されるキャップ層には、Ｔａ膜の積層膜や、ＮｉＦｅ膜とＲｕ膜の積層膜等が用いられている。
【０００５】
このほか、磁化自由層をＣｏＦｅ膜からコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）膜に変えたり、トンネルバリア層をＡｌＯ膜から酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜に変えたりすることにより、ＴＭＲ素子の磁気抵抗変化率（磁気抵抗（ＭＲ）比）の増大化、すなわちＴＭＲ素子の信号出力の増大化が図られている。
【０００６】
また、従来、ＣｏＦｅＢ膜で構成される磁化自由層と、Ｔａ膜等で構成されるキャップ層との間に、所定の熱処理の際にキャップ層の元素が磁化自由層へ拡散するのを抑制するため、ボロン（Ｂ）等を含有する移動抑制層を設けたＴＭＲ素子や（特許文献１参照。）、磁歪による磁化自由層のスイッチング磁界のばらつきを抑制するため、キャップ層にＴａやチタン（Ｔｉ）等を含む合金膜やインジウムチタン（ＩｎＴｉ）酸化物等の酸化物導電体膜を用いたＴＭＲ素子（特許文献２参照。）等も提案されている。
【特許文献１】特開２００４−６３５９２号公報
【特許文献２】特開２００５−８５８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、ＴＭＲ素子は、従来その構成についての検討がなされ、これまでに一定の特性向上が図られてきている。しかし、現在そして今後のＴＭＲ素子には、それが用いられる磁気ヘッドやＭＲＡＭの高性能化を図るため、その特性、特にそのＭＲ比の更なる増大が強く要望されている。
【０００８】
例えば、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドの読み取り素子に用いる場合、ＭＲ比の増大は、信号強度の増大につながり、ＳＮ比（信号出力とノイズの比）の改善が図れるようになる。また、磁気ヘッドの読み取り素子には、磁化自由層の磁化を所定の向きに制御するため、その近傍に所定の向きに磁化された磁性体（磁区制御膜）が設けられている。ＭＲ比が増大すれば、その磁区制御膜の磁界強度を大きくして、読み取り素子の動作安定性を高めることも可能になる。
【０００９】
また、ＴＭＲ素子をＭＲＡＭのメモリ素子に用いる場合には、そのＭＲ比の増大による信号強度の増大によって、読み出しエラーの発生を抑えたり、消費電力を低減させたりすることが可能になる。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、大きなＭＲ比を示すＴＭＲ素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、そのようなＴＭＲ素子を用いた磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、そのようなＴＭＲ素子を用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では上記課題を解決するために、磁化の向きが固定された磁化固定層と、前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成され、ＣｏＦｅＢ膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、Ｔｉ膜を備え、前記磁化自由層上に前記Ｔｉ膜が接するように形成されたキャップ層と、を有することを特徴とするＴＭＲ素子が提供される。
【００１３】
このようなＴＭＲ素子によれば、磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層の上に、ＣｏＦｅＢ膜により構成された磁化自由層が形成され、Ｔｉ膜を備えるキャップ層が、そのＴｉ膜を接するようにして磁化自由層上に形成される。ＣｏＦｅＢ膜で構成した磁化自由層の直上にＴｉ膜を設けることにより、ＭＲ比の増大化が図られる。
【００１４】
また、本発明では、磁化の向きが固定された磁化固定層と、前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成され、ＣｏＦｅＢ膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、Ｔｉ膜を備え、前記磁化自由層上に前記Ｔｉ膜が接するように形成されたキャップ層と、を有するＴＭＲ素子を読み取り素子に用いたことを特徴とする磁気ヘッドが提供される。
【００１５】
このような磁気ヘッドによれば、磁化自由層となるＣｏＦｅＢ膜の直上にＴｉ膜を設けたＴＭＲ素子を読み取り素子に用いるため、そのＭＲ比の増大化が図られ、磁気ヘッドの高性能化が図られるようになる。
【００１６】
また、本発明では、磁化の向きが固定された磁化固定層と、前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成され、ＣｏＦｅＢ膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、Ｔｉ膜を備え、前記磁化自由層上に前記Ｔｉ膜が接するように形成されたキャップ層と、を有するＴＭＲ素子をメモリ素子に用いたことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【００１７】
このような磁気メモリによれば、磁化自由層となるＣｏＦｅＢ膜の直上にＴｉ膜を設けたＴＭＲ素子をメモリ素子に用いるため、そのＭＲ比の増大化が図られ、磁気メモリの高性能化が図られるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層の上に、ＣｏＦｅＢ膜により構成される磁化自由層を形成し、その磁化自由層上にキャップ層をそのＴｉ膜が接するようにして形成し、ＴＭＲ素子を構成するようにした。これにより、ＴＭＲ素子のＭＲ比を増大化することが可能になる。また、このようなＴＭＲ素子を磁気ヘッドの読み取り素子や磁気メモリのメモリ素子に用いることにより、磁気ヘッドや磁気メモリの高性能化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１はＴＭＲ素子の一例の断面模式図である。
図１に示すＴＭＲ素子１は、下地層２、反強磁性層３、磁化固定層４、トンネルバリア層５、磁化自由層６、およびキャップ層７が、順に積層された構造を有している。
【００２０】
下地層２は、Ｔａ膜とＲｕ膜の積層膜（Ｔａ／Ｒｕ積層膜）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）膜、またはＴａ膜とＮｉＦｅ膜の積層膜（Ｔａ／ＮｉＦｅ積層膜）により構成される。下地層２をＴａ／Ｒｕ積層膜とする場合には、例えば、膜厚約３ｎｍのＴａ膜と膜厚約２ｎｍのＲｕ膜の積層膜が用いられる。下地層２をＮｉＣｒ膜とする場合には、例えば、膜厚約４ｎｍのＮｉＣｒ膜が用いられる。下地層２をＴａ／ＮｉＦｅ積層膜とする場合には、例えば、膜厚約４ｎｍのＴａ膜と膜厚約２ｎｍのＮｉＦｅ膜の積層膜が用いられる。
【００２１】
反強磁性層３は、例えば、ＩｒＭｎ膜により構成される。ＩｒＭｎ膜の膜厚は、例えば約７ｎｍとされる。また、この反強磁性層３には、ＩｒＭｎ膜のほか、白金マンガン（ＰｔＭｎ）膜やパラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）膜等を用いることもできる。
【００２２】
磁化固定層４は、第１の強磁性層４ａ、非磁性層４ｂ、および第２の強磁性層４ｃを積層して構成される（積層フェリ層）。第１の強磁性層４ａは、ＣｏＦｅ膜により構成され、その膜厚は、例えば約１．７ｎｍとされる。非磁性層４ｂは、Ｒｕ膜により構成され、その膜厚は、例えば約０．７ｎｍとされる。第２の強磁性層４ｃは、ＣｏＦｅＢ膜により構成され、その膜厚は、例えば約２ｎｍとされる。なお、この磁化固定層４における第１の強磁性層４ａは、後に適当な熱処理が施されることにより、その下にある反強磁性層３との間の交換結合によって、一方向磁気異方性が付与される。
【００２３】
トンネルバリア層５は、磁化固定層４（ここでは第２の強磁性層４ｃ）の上に形成される。トンネルバリア層５は、ＭｇＯ膜により構成され、その膜厚は、例えば、約１ｎｍとされる。このようにトンネルバリア層５を、ＡｌＯ膜ではなく、ＭｇＯ膜で構成することにより、より低温で結晶性の良いトンネルバリア層５を得ることが可能になり、より大きなＴＭＲ効果が得られるようになる。
【００２４】
磁化自由層６は、トンネルバリア層５の上に形成される。磁化自由層６は、ＣｏＦｅＢ膜により構成され、その膜厚は、例えば、約３ｎｍとされる。このように磁化自由層６を、ＣｏＦｅ膜ではなく、ＣｏＦｅＢ膜で構成することにより、より大きなＭＲ比が得られるようになる。なお、磁化自由層６を構成するＣｏＦｅＢ膜の膜厚や組成の詳細については後述する。
【００２５】
キャップ層７は、磁化自由層６の上に形成される。キャップ層７は、Ｔｉ膜で構成されるか、または最下層にＴｉ膜を設けそのＴｉ膜上に他の金属膜を積層した構成等とされる。例えば、最下層のＴｉ膜上に、Ｔａ膜とＲｕ膜を順に積層したもの（Ｔｉ／Ｔａ／Ｒｕ積層膜）等を用いることができる。キャップ層７をＴｉ／Ｔａ／Ｒｕ積層膜とする場合には、例えば、Ｔｉ膜の膜厚が約２ｎｍ、Ｔａ膜の膜厚が約５ｎｍ、Ｒｕ膜の膜厚が約１０ｎｍとされる。キャップ層７は、Ｔｉ膜が磁化自由層６を構成するＣｏＦｅＢ膜と接するようにして形成される。すなわち、キャップ層７のＴｉ膜は、磁化自由層６のＣｏＦｅＢ膜の直上に設けられるようになる。なお、キャップ層７を構成するＴｉ膜の膜厚の詳細については後述する。
【００２６】
このような構成を有するＴＭＲ素子１の下地層２、反強磁性層３、磁化固定層４、トンネルバリア層５、磁化自由層６、およびキャップ層７を構成する各膜は、いずれもスパッタリング法により成膜することができる。例えば、それらの膜のうち、金属膜や合金膜については、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用い、投入電力２００Ｗ〜１０００Ｗ、アルゴン（Ａｒ）ガス圧０．１Ｐａ〜０．５Ｐａの条件で成膜することができる。また、それらの膜のうち、絶縁膜については、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用い、投入電力２００Ｗ〜１０００Ｗ、Ａｒガス圧０．１Ｐａ〜０．５Ｐａの条件で成膜することができる。
【００２７】
そして、キャップ層７までの各膜を成膜した後、上記のように、第１の強磁性層４ａに反強磁性層３との間の交換結合によって一方向磁気異方性を付与するため、例えば、温度約２７０℃、磁場約２．０Ｔの環境下、約４時間の熱処理が施される。その後、ＴＭＲ素子１の用途等に応じて所定の形状にパターニングされる。
【００２８】
このように、上記ＴＭＲ素子１では、トンネルバリア層５にＭｇＯ膜が用いられ、磁化自由層６にＣｏＦｅＢ膜が用いられる。そして、そのＣｏＦｅＢ膜の直上にＴｉ膜が形成されてキャップ層７が構成される。ここで、ＴＭＲ素子をこのような膜構成とした場合の効果を検討した結果について説明する。
【００２９】
まず、効果の検討に当たっては、次の表１に示すような膜構成を有する試料Ｘ，Ｙ，Ｚを用いた。
【００３０】
【表１】
2008085208.tif 000003
【００３１】
表１の試料Ｘにおいて、Ｔａ膜（膜厚約５ｎｍ）とＲｕ膜（３ｎｍ）の積層膜は、下地層である。ＩｒＭｎ膜（膜厚約７ｎｍ）は、反強磁性層である。ＣｏＦｅ膜（膜厚約１．５ｎｍ）、Ｒｕ膜（膜厚約０．７ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ膜（膜厚約２ｎｍ）の積層膜は、磁化固定層であり、ＣｏＦｅ膜はピンド層（上記の第１の強磁性層に相当。）、Ｒｕ膜は非磁性層、ＣｏＦｅＢ膜はリファレンス層（上記の第２の強磁性層に相当。）として機能する。また、ＭｇＯ膜（膜厚は場合により変更する。）は、トンネルバリア層である。ＣｏＦｅＢ膜（膜厚は場合により約０ｎｍ〜約６ｎｍの範囲（０ｎｍは含まない）で変更する。また、組成は場合に変更する。）は、磁化自由層である。Ｃａｐ膜（Ｃａｐ＝Ｔａ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｍｇ，ＩｒＭｎ，Ａｌ，Ｃｕ；膜厚約０ｎｍ〜約５ｎｍ（場合により変更する。））、Ｔａ膜（膜厚約５ｎｍ）、Ｒｕ膜（膜厚約１０ｎｍ）の積層膜は、キャップ層である。
【００３２】
また、表１の試料Ｙは、磁化自由層にＣｏＦｅ膜（膜厚約３ｎｍ）を用いている点を除き、試料Ｘと同じ膜構成とした。表１の試料Ｚは、トンネルバリア層にＡｌＯ膜（膜厚約１．５ｎｍ）を用いている点を除き、試料Ｘと同じ膜構成とした。
【００３３】
各試料Ｘ，Ｙ，Ｚは、この表１に示したような各膜を、所定の基板（表１には記載せず。）上に成膜して得た。基板には、アルチック（ＡｌＴｉＣ）基板またはシリコン（Ｓｉ）基板上に、銅（Ｃｕ）膜、Ｔａ膜、Ｃｕ膜の積層膜（Ｃｕ／Ｔａ／Ｃｕ積層膜）、またはＴａ／ＮｉＦｅ積層膜を形成したものを用いた。これらの積層膜は、試料Ｘ，Ｙ，Ｚの下部端子として利用される。また、これらの積層膜は、必要に応じ、平滑化のためＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理を施した。
【００３４】
このような所定の基板上への各膜の成膜の後、上記のような交換結合を行うため、温度約２７０℃、磁場約２．０Ｔ、約４時間の熱処理を施した。熱処理後、ＭＲ特性を評価するために１２端子ＣＩＰ（Current In Plane）測定を行った。さらにまた、各試料Ｘ，Ｙ，Ｚに４端子加工を施し、４端子法により５０ｍＶ一定の条件で測定したＲＨ曲線を用い、素子面積抵抗ＲＡ（＝素子抵抗×素子面積）およびＭＲ比を求めた。
【００３５】
なお、４端子加工は、次のような手順で行った。まず、下部端子用の膜を成膜した基板上に、表１に示したような構成で各膜を成膜した。そして、成膜後の全面にレジストを塗布し、下部端子形状を露光機により描画した後、未露光部分を除去して露光部分を残し、レジストマスクを形成した。それをマスクにして、下部端子用の膜より上の各膜をイオンミリング装置でイオンミリングし、下部端子を形成した。レジストマスクの除去後、同様にしてイオンミリングまで行い、ＴＭＲ素子部分を形成した。続けて、そのイオンミリングに用いたレジストマスクを残したまま、下部端子と後述の上部端子とを絶縁するため、酸化シリコン（ＳｉＯ）またはＡｌＯを約３０ｎｍ程度成膜した。ＳｉＯ等の成膜後、レジストマスクを除去してそのレジストマスク上のＳｉＯ等をリフトオフし、次いで、上部端子用の膜の成膜とそのパターニングを行い、上部端子を形成した。このような手順で４端子加工を施した試料Ｘ，Ｙ，Ｚを用いてＲＨ曲線を測定し、試料Ｘ，Ｙ，ＺのＲＡおよびＭＲ比を求めた。
【００３６】
試料Ｘ，Ｙ，Ｚを用いた測定により得られたＭＲ比とＲＡの関係について、以下の図２から図６を参照して説明する。
図２はキャップ層材料をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図、図３はキャップ層材料とＭＲ比の関係を示す図である。なお、図２において、横軸はＲＡ（Ωμｍ2）を表し、縦軸はＭＲ比（％）を表している。また、図３において、横軸はキャップ層材料を表し、縦軸はＲＡが３Ωμｍ2と１０Ωμｍ2のときのＭＲ比（％）を表している。なお、ＲＡは、トンネルバリア層の膜厚を変化させることによって変化させている（以下、同じ。）。
【００３７】
この図２および図３には、表１の試料Ｘを用い、そのキャップ層材料（Ｃａｐ膜）を変えたときのＲＡに対するＭＲ比の変化、およびそのキャップ層材料とＭＲ比の関係を示している。すなわち、図２および図３は、トンネルバリア層をＭｇＯ膜で構成し、磁化自由層を所定の組成および膜厚のＣｏＦｅＢ膜で構成した場合であって、そのＣｏＦｅＢ膜の直上に所定の膜厚で形成するキャップ層材料の、その種類を変化させたときの関係を示している。
【００３８】
図２より、ＭＲ比は、磁化自由層となるＣｏＦｅＢ膜の直上にいずれのキャップ層材料を用いた場合にも、ＲＡの増加に伴って増加する傾向が見られた。また、磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜直上のキャップ層材料としてＴｉ膜を用いた場合は、そこにＴａ膜等の他の材料を用いた場合に比べてより大きなＭＲ比が得られた。ＣｏＦｅＢ膜直上のキャップ層材料にＴｉ膜を用いた場合、現在広く利用されているＴａ膜やＲｕ膜を用いた場合に比べ、ＭＲ比が最大約４０％増加した。
【００３９】
図３は、図２を基に、ＲＡが３Ωμｍ2と１０Ωμｍ2のときのＭＲ比を、磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜直上の各キャップ層材料について比較したものである。なお、ＲＡが３Ωμｍ2程度かそれ以下のＴＭＲ素子は、例えば磁気ヘッドの読み取り素子に適用可能であり、ＲＡが１０Ωμｍ2を超えるＴＭＲ素子は、例えばＭＲＡＭのメモリ素子に適用可能である。図３より、ＲＡが３Ωμｍ2と１０Ωμｍ2のいずれの場合にも、磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜直上のキャップ層材料としてＴｉ膜を用いたときのＭＲ比が最も大きくなった。
【００４０】
このように、ＴＭＲ素子のトンネルバリア層をＭｇＯ膜で構成し、磁化自由層をＣｏＦｅＢ膜で構成して、その磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜直上にはＴｉ膜を形成してキャップ層を構成することにより、そのＣｏＦｅＢ膜直上にＴａ膜等の他の材料を用いた場合に比べ、ＲＡによらず、そのＭＲ比を大幅に向上させることができる。
【００４１】
ここで、ＴＭＲ素子の磁化自由層をＣｏＦｅ膜で構成した場合、およびトンネルバリア層をＡｌＯ膜で構成した場合について、上記図２および図３と同様の測定を行った結果について述べる。
【００４２】
図４は磁化自由層をＣｏＦｅ膜で構成した場合のＲＡとＭＲ比の関係を示す図、図５は磁化自由層をＣｏＦｅ膜で構成した場合のキャップ層材料とＭＲ比の関係を示す図である。なお、図４において、横軸はＲＡ（Ωμｍ2）を表し、縦軸はＭＲ比（％）を表している。また、図５において、横軸はキャップ層材料を表し、縦軸はＲＡが３Ωμｍ2と１０Ωμｍ2のときのＭＲ比（％）を表している。
【００４３】
この図４および図５には、表１の試料Ｙを用いた測定で得られた関係を示している。すなわち、図４および図５は、トンネルバリア層をＭｇＯ膜で構成し、磁化自由層を所定の組成および膜厚のＣｏＦｅ膜で構成して、そのＣｏＦｅ膜の直上に所定の膜厚で形成するキャップ層材料（Ｃａｐ膜）の、その種類を変化させたときの関係を示している。
【００４４】
図４および図５より、磁化自由層をＣｏＦｅ膜で構成した場合には、その直上のキャップ層材料にＴｉ膜を用いると、そこにＣｕ膜を用いたときに比べると大きなＭＲ比が得られた。しかしながら、その他のＴａ膜等を用いたときに比べるとＭＲ比は小さくなる傾向が見られた。
【００４５】
また、図６はトンネルバリア層をＡｌＯ膜で構成した場合のＲＡとＭＲ比の関係を示す図である。なお、図６において、横軸はＲＡ（Ωμｍ2）を表し、縦軸はＭＲ比（％）を表している。
【００４６】
この図６には、表１の試料Ｚを用いた測定で得られた関係を示している。すなわち、図６は、トンネルバリア層をＡｌＯ膜で構成し、磁化自由層を所定の組成および膜厚のＣｏＦｅＢ膜で構成して、そのＣｏＦｅＢ膜の直上に所定の膜厚で形成するキャップ層材料（Ｃａｐ膜）を、Ｔｉ膜またはＴａ膜としたときの関係を示している。
【００４７】
図６より、ＲＡに対するＭＲ比の変化は、磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜直上のキャップ層材料がＴｉ膜とＴａ膜のときでほぼ同等とみなすことができる。なお、図６中、ＲＡが約４．５Ωμｍ2を上回る領域でのＴｉ膜使用時とＴａ膜使用時のＭＲ比の差は、Ｔｉ膜とＴａ膜の最適酸化時間に差があるために生じたものである。
【００４８】
以上、図２から図６に示した結果より、磁化自由層直上のキャップ層材料にＴｉ膜を用いる場合は、その磁化自由層にＣｏＦｅＢ膜を用いるとＭＲ比向上に効果的であるということができる。さらに、磁化自由層直上のキャップ層材料にＴｉ膜を用いる場合、ＭＲ比向上には、その磁化自由層にＣｏＦｅＢ膜を用い、かつ、その下のトンネルバリア層にＭｇＯ膜を用いることが、より効果的であるということができる。
【００４９】
続いて、磁化自由層を構成するＣｏＦｅＢ膜の膜厚、キャップ層材料であるＴｉ膜の膜厚、およびＣｏＦｅＢ膜の組成について検討した結果について、以下の図７から図１４を参照して説明する。
【００５０】
図７は磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜の膜厚をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図、図８は磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜の膜厚とＭＲ比の関係を示す図である。なお、図７において、横軸はＲＡ（Ωμｍ2）を表し、縦軸はＭＲ比（％）を表している。また、図８において、横軸はＣｏＦｅＢ膜の膜厚（ｎｍ）を表し、縦軸はＲＡが２０Ωμｍ2のとき（一部データを除く。）のＭＲ比（％）を表している。
【００５１】
この図７および図８には、表１の試料Ｘを用いた測定で得られた関係を示している。すなわち、図７および図８は、トンネルバリア層をＭｇＯ膜で構成し、磁化自由層を所定の膜厚および組成のＣｏＦｅＢ膜で構成して、そのＣｏＦｅＢ膜の直上に所定の膜厚で形成するキャップ層材料（Ｃａｐ膜）を、Ｔｉ膜またはＴａ膜としたときの関係を示している。ここで、磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜の膜厚は、その直上のキャップ層材料がＴｉ膜とＴａ膜の場合のそれぞれについて、２ｎｍ，４ｎｍ，６ｎｍと変化させた。
【００５２】
図７および図８より、キャップ層材料にＴａ膜を用いた場合、ＭＲ比は、ＣｏＦｅＢ膜の膜厚増加に伴い、減少する傾向が見られた。一方、キャップ層材料にＴｉ膜を用いた場合には、ＣｏＦｅＢ膜の膜厚の変化に対するＴＭＲ素子のＭＲ比の変化は、ほとんど見られなかった。さらに、キャップ層材料にＴｉ膜を用いた場合には、ＣｏＦｅＢ膜の膜厚によらず、キャップ層材料にＴａ膜を用いたときのＭＲ比を上回る傾向が見られた。
【００５３】
磁化自由層であるＣｏＦｅＢ膜は、ＴＭＲ素子の要求特性等に応じ、その膜厚を最適に制御することが必要になる。例えば、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドの読み取り素子に用いる場合、磁化自由層の近傍には、その磁化の向きを制御するための磁区制御膜が設けられるが、その磁区制御膜の残留磁化と磁化自由層の磁化とのバランスをとるために、磁化自由層を最適な膜厚で設計する必要がある。
【００５４】
すなわち、磁気ヘッドの読み取り素子では、磁化自由層の膜厚を最適化しなければならないが、図７および図８に示したように、そのキャップ層材料にＴａ膜を用いた場合には、得られるＭＲ比が比較的小さく、かつ、磁化自由層であるＣｏＦｅＢ膜の膜厚増加に対してＭＲ比が減少する傾向がある。これに対し、そのキャップ層材料にＴｉ膜を用いた場合には、図７および図８に示したように、得られるＭＲ比が高く、かつ、その変化がＣｏＦｅＢ膜の膜厚変化に対して鈍感であるといえ、読み取り素子の要求特性等に応じた、その膜厚の最適設計が容易になる。
【００５５】
ＣｏＦｅＢ膜の膜厚は、実用上、０．５ｎｍ〜６ｎｍ程度、好ましくは０．５ｎｍ〜４ｎｍとする。ＣｏＦｅＢ膜の膜厚が０．５ｎｍを下回る場合には、膜厚の制御が難しくなり、ＣｏＦｅＢがアイランド状になることが起こり得る。さらに、ＣｏＦｅＢ膜の膜厚が０．５ｎｍを下回る場合には、その直上のキャップ層の元素がＣｏＦｅＢ膜に拡散することによってその磁性を劣化あるいは消失させてしまうことも起こり得る。この点から、ＣｏＦｅＢ膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上とすることが好ましい。また、ＣｏＦｅＢ膜の膜厚の上限は、ＴＭＲ素子の要求特性等を考慮して設定されるが、実用上は６ｎｍ以下とされる。
【００５６】
図９はキャップ層材料のＴｉ膜の膜厚をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図、図１０はキャップ層材料のＴｉ膜の膜厚とＭＲ比の関係を示す図である。なお、図９において、横軸はＲＡ（Ωμｍ2）を表し、縦軸はＭＲ比（％）を表している。また、図１０において、横軸はＴｉ膜の膜厚（ｎｍ）を表し、縦軸はＲＡが３Ωμｍ2と２０Ωμｍ2のときのＭＲ比（％）を表している。
【００５７】
この図９および図１０には、表１の試料Ｘを用いた測定で得られた関係を示している。すなわち、図９および図１０は、トンネルバリア層をＭｇＯ膜で構成し、磁化自由層を所定の組成および膜厚のＣｏＦｅＢ膜で構成して、そのＣｏＦｅＢ膜の直上に形成するキャップ層材料（Ｃａｐ膜）である、Ｔｉ膜の膜厚を変化させたときの関係を示している。Ｔｉ膜の膜厚は、０ｎｍ，０．５ｎｍ，１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍと変化させた。
【００５８】
図９および図１０より、ＭＲ比は、ＲＡが３Ωμｍ2と２０Ωμｍ2のいずれの場合においても、Ｔｉ膜の膜厚が１ｎｍ程度までは単調に増加する傾向が見られ、それより厚くなると飽和する傾向が見られた。
【００５９】
したがって、ＲＡによらず、Ｔｉがわずかでも形成されていれば、それが形成されていない場合に比べ、ＭＲ比の向上には効果的であるが、Ｔｉ膜の成膜時の制御性を考慮し、Ｔｉ膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上とする。特にＴｉ膜の膜厚を１ｎｍ以上としたときには、図９および図１０に示したように、その膜厚によらず安定したＭＲ比を得ることが可能になる。なお、Ｔｉ膜の膜厚の上限は、ＴＭＲ素子の要求特性等を考慮して設定されるが、実用上は５ｎｍ以下とされる。
【００６０】
図１１は磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＣｏ組成とＭＲ比の関係を示す図、図１２は磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＣｏ組成と磁歪の関係を示す図である。なお、図１１において、横軸はＣｏxＦｅ80-xＢ20膜のＣｏ組成（ａｔｏｍ％）を表し、縦軸はＲＡが３Ωμｍ2のときのＭＲ比（％）を表している。また、図１２において、横軸はＣｏxＦｅ80-xＢ20膜のＣｏ組成（ａｔｏｍ％）を表し、縦軸は磁歪λ（×１０-6）を表している。
【００６１】
この図１１および図１２には、表１の試料Ｘを用いた測定で得られた関係を示している。すなわち、図１１は、トンネルバリア層をＭｇＯ膜で構成し、磁化自由層をＣｏＦｅＢ膜の組成を変化させて所定の膜厚で構成し、そのＣｏＦｅＢ膜の直上に所定の膜厚で形成するキャップ層材料（Ｃａｐ膜）を、Ｔｉ膜またはＴａ膜としたときの関係を示している。また、図１２には、トンネルバリア層をＭｇＯ膜とし、組成を変化させた所定の膜厚のＣｏＦｅＢ膜の直上に、キャップ層材料として所定の膜厚のＴｉ膜を成膜し、その後の熱処理を２７０℃と３００℃の条件で行ったときの関係を示している。
【００６２】
まず、図１１より、ＭＲ比は、キャップ層材料がＴｉ膜とＴａ膜のいずれの場合においても、Ｃｏ組成の増加に伴い減少する傾向が見られたが、Ｔｉ膜使用時とＴａ膜使用時とでは、調査したＣｏ組成領域で、Ｔｉ膜使用時の方がＴａ膜使用時よりも高いＭＲ比を示した。換言すれば、キャップ層材料にＴｉ膜を用いた場合には、Ｔａ膜を用いた場合に比べ、磁化自由化層のＣｏＦｅＢ膜の組成によらず、高いＭＲ比を得ることが可能になる。
【００６３】
また、図１２より、熱処理温度が２７０℃と３００℃のいずれの場合においても、Ｃｏ組成が７５ａｔｏｍ％、すなわち磁化自由層をＣｏ75Ｆｅ5Ｂ20膜としたときに、ゼロ磁歪となった。
【００６４】
磁歪は、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドの読み取り素子として用いた場合、それを形成する際に発生する応力起因の磁気異方性の発生原因のひとつとされている。この磁気異方性が磁化自由層に誘起されると、外部磁界に対する磁化自由層の応答が悪くなり、読み取り素子のノイズおよび感度を劣化させる原因となる。そのため、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドの読み取り素子として用いる場合には、その磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜に、ゼロ磁歪近傍の組成を適用することが望ましい。
【００６５】
上記のように、図１２より、磁化自由層にＣｏ75Ｆｅ5Ｂ20膜を用いたときにゼロ磁歪となり、この組成の磁化自由層でキャップ層材料をＴａ膜とすると、図１１より、ＲＡが３Ωμｍ2でＭＲ比が４０％を下回ってしまう。これに対し、その組成の磁化自由層でキャップ層材料をＴｉ膜とすると、図１１より、ＲＡが３Ωμｍ2でＭＲ比が５０％を超え、このＴＭＲ素子を問題なく高感度磁気ヘッドの読み取り素子として用いることが可能になる。
【００６６】
このような点から、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドの読み取り素子として用いる場合には、トンネルバリア層にＭｇＯ膜を用い、磁化自由層にＣｏＦｅＢ膜を用いて、その直上のキャップ層材料にＴｉ膜を用いることが有効であるということができる。この場合、磁化自由層に用いるＣｏＦｅＢ膜は、そのＢ組成を上記のように２０ａｔｏｍ％としたときには、その磁歪および得られるＭＲ比を考慮して、Ｃｏ組成を６０ａｔｏｍ％〜８０ａｔｏｍ％程度（Ｆｅ組成０ａｔｏｍ％〜２０ａｔｏｍ％）、好ましくは６０ａｔｏｍ％〜７５ａｔｏｍ％程度（Ｆｅ組成５ａｔｏｍ％〜２０ａｔｏｍ％）、より好ましくは７５ａｔｏｍ％（Ｆｅ組成５ａｔｏｍ％）とする。
【００６７】
なお、ＴＭＲ素子をＭＲＡＭのメモリ素子として用いる場合には、磁化自由層の磁歪はその特性に本質的な影響を及ぼさないため、得られるＭＲ比を考慮して最適な組成のＣｏＦｅＢ膜を用いればよい。
【００６８】
図１３は磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＢ組成をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図、図１４は磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＢ組成とＭＲ比の関係を示す図である。なお、図１３において、横軸はＲＡ（Ωμｍ2）を表し、縦軸はＭＲ比（％）を表している。また、図１４において、横軸はＣｏＦｅＢ膜のＢ組成（ａｔｏｍ％）を表し、縦軸はＲＡが２０Ωμｍ2のときのＭＲ比（％）を表している。ただし、この図１３および図１４には、表１の試料ＸでＣａｐ膜を形成していないもの、すなわちキャップ層をＴａ／Ｒｕ積層膜で構成したものについて測定した結果を示している。
【００６９】
図１３より、ＣｏＦｅＢ膜のＢ組成を５ａｔｏｍ％以上のときに、高いＭＲ比が得られた。また、図１４より、ＲＡが２０Ωμｍ2のときのＭＲ比を比較すると、Ｂ組成が５ａｔｏｍ％より低い場合には、ＭＲ比が１４０％程度であるのに対し、Ｂ組成が５ａｔｏｍ％以上の場合には、ＭＲ比が１６５％でほぼ一定になる。
【００７０】
このことから、ＣｏＦｅＢ膜のＢ組成は、５ａｔｏｍ％以上とすることが好ましい。上記図１１および図１２に示したようなＭＲ比とＣｏ，Ｆｅ組成（すなわち磁歪）等を考慮すると、ＣｏＦｅＢ膜のＢ組成は、５ａｔｏｍ％〜２５ａｔｏｍ％とすることが好ましい。このことは、キャップ層をＴｉ／Ｔａ／Ｒｕ積層膜とした場合にも、同様のことが言える。
【００７１】
以上説明したように、ＴＭＲ素子のトンネルバリア層をＭｇＯ膜で構成し、磁化自由層をＣｏＦｅＢ膜で構成して、その磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜直上にはＴｉ膜を形成してキャップ層を構成することにより、そのＣｏＦｅＢ膜直上にＴａ膜等の他の材料を用いた場合に比べ、そのＭＲ比を大幅に向上させることができる。その場合、ＴＭＲ素子の要求特性等に応じて、ＣｏＦｅＢ膜の膜厚および組成を適切に設定し、Ｔｉ膜の膜厚を適切に設定することにより、ＴＭＲ素子のＭＲ比をより向上させることが可能になり、また、そのような設定により、ＴＭＲ素子のＭＲ比を制御することも可能になる。
【００７２】
以下、上記のようなＴＭＲ素子を、磁気ヘッドおよびＭＲＡＭに適用した場合について、それぞれ説明する。
まず、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドに適用した例について説明する。
【００７３】
図１５は磁気ヘッドの磁気記録媒体対向面側から見た正面概略図、図１６は磁気ヘッドの断面概略図である。
図１５および図１６に示すように、磁気ヘッド１０は、スライダーとなる基板１１上に、磁気記録媒体対向面側、すなわち図１６中点線で示したＡＢＳ（Air Bearing Surface）側に、下部磁気シールド層１２と上部磁気シールド層１３に挟まれた読み取り素子２０、並びに主磁極層１４および補助磁極層１５が配置された構成を有している。図１６に示したように、主磁極層１４は、部分的に主磁極補助層１６上に設けられ、この主磁極補助層１６とその上層にある補助磁極層１５とは、接続層１７によって接続されている。そして、主磁極層１４および主磁極補助層１６と、補助磁極層１５との間を通るように、複数のコイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが設けられている。このような磁気ヘッド１０の読み取り素子２０に、上記のようなＴＭＲ素子が用いられる。
【００７４】
なお、基板１１上の下部磁気シールド層１２、読み取り素子２０、上部磁気シールド層１３、主磁極補助層１６、主磁極層１４、接続層１７、コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ、および補助磁極層１５の層間の主な部分は、ＡｌＯ等の絶縁膜（図示せず。）によって埋められている。
【００７５】
ここで、このような構成を有する磁気ヘッド１０の形成方法を、その読み取り素子２０の部分を中心にして説明する。
図１７から図１９は磁気ヘッドの読み取り素子の形成方法の説明図であって、図１７は成膜工程の要部断面模式図、図１８はイオンミリング工程の要部断面模式図、図１９は埋め込み工程の要部断面模式図である。なお、図１７から図１９は、いずれもＡＢＳ側から見た要部断面模式図である。
【００７６】
まず、図１７に示すように、スライダーとなるＡｌＴｉＣ基板等の非磁性体の基板１１上に、ＡｌＯ膜（図示せず。）を形成し、その上に、ＮｉＦｅ等からなる下部磁気シールド層１２を、２μｍ〜３μｍ程度の膜厚で形成する。下部磁気シールド層１２は、磁気シールド機能を有するほか、読み取り素子２０の下部端子としても機能する。このような下部磁気シールド層１２上に、読み取り素子２０を形成する。読み取り素子２０を構成する各膜は、スパッタリング法を用いて成膜する。
【００７７】
下部磁気シールド層１２上には、まず、下地層２１を膜厚５ｎｍ以上で形成する。この下地層２１は、例えば、Ｔａ／Ｒｕ積層膜、ＮｉＣｒ膜、またはＴａ／ＮｉＦｅ積層膜により構成する。あるいは、下地層２１には、ニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）膜を用いてもよい。
【００７８】
次いで、下地層２１上に反強磁性層２２を、例えば膜厚約５ｎｍで形成する。反強磁性層２２は、例えば、ＩｒＭｎ膜、ＰｔＭｎ膜またはＰｄＰｔＭｎ膜により構成する。
次いで、反強磁性層２２上に、第１の強磁性層２３ａとして膜厚約１．５ｎｍのＣｏＦｅ膜を形成し、その上に、非磁性層２３ｂとして膜厚約０．７ｎｍのＲｕ膜を形成し、さらにその上に、第２の強磁性層２３ｃとして膜厚約２．５ｎｍのＣｏＦｅＢ膜を形成する。これら第１の強磁性層２３ａ、非磁性層２３ｂ、および第２の強磁性層２３ｃにより、磁化固定層２３が構成される。
【００７９】
次いで、磁化固定層２３上に、トンネルバリア層２４として膜厚約１ｎｍのＭｇＯ膜を形成し、その上に、磁化自由層２５として膜厚約３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜を形成する。
次いで、磁化自由層２５上に、キャップ層２６として、Ｔｉ膜を２ｎｍ以上の膜厚で形成し、その上に、膜厚約５ｎｍのＴａ膜、膜厚約１０ｎｍのＲｕ膜を積層して、Ｔｉ／Ｔａ／Ｒｕ積層膜を形成する。
【００８０】
このようにして、下地層２１、反強磁性層２２、磁化固定層２３、トンネルバリア層２４、磁化自由層２５、およびキャップ層２６が順に積層され、図１７に示したようなＴＭＲ膜が形成される。
【００８１】
このようにして形成されたＴＭＲ膜上に、フォトレジスト法により、所定の形状のレジストマスク（図示せず。）を形成し、下部磁気シールド層１２が露出するまでイオンミリングを施し、図１８に示すような形状に加工する。この加工により、読み取り素子２０が形成される。
【００８２】
加工後、図１９に示すように、まず、レジストマスクを残したまま、スパッタリング法により基板１１全面に膜厚３ｎｍ〜１０ｎｍの絶縁膜３１を形成する。その後、スパッタリング法により、絶縁膜３１上に、コバルトクロム白金（ＣｏＣｒＰｔ）を堆積し、読み取り素子２０の両側に、絶縁膜３１を介して、磁区制御膜３２を形成する。次いで、レジストマスクを除去し、キャップ層２６上面の絶縁膜３１および磁区制御膜３２をリフトオフする。磁区制御膜３２表面の平坦化後、読み取り素子２０上および磁区制御膜３２上に、ＮｉＦｅ等からなる上部磁気シールド層１３を、２μｍ〜３μｍ程度の膜厚で形成する。上部磁気シールド層１３は、磁気シールド機能を有するほか、読み取り素子２０の上部端子としても機能する。
【００８３】
これまでの工程により、磁気ヘッド１０における再生ヘッド部の基本構造が完成する。
その後は、上記の図１５および図１６に示したように、まず、スパッタリング法を用いて全面にＡｌＯ膜等を形成した後、選択電解メッキ法を用いて膜厚１μｍ〜３μｍ程度（例えば１μｍ）のＮｉＦｅからなる主磁極補助層１６を形成する。なお、電解メッキ工程の説明の詳細は省略する。
【００８４】
次いで、スパッタリング法を用いて全面にＡｌＯ膜等を形成した後、主磁極補助層１６表面まで平坦化することにより、主磁極補助層１６のＡＢＳ側にできる凹部を埋め込む。これにより、主磁極補助層１６は、ＡＢＳに露出しない構成になる。
【００８５】
次いで、スパッタリング法を用いて、垂直磁化膜と軟磁性膜で構成される主磁極層１４を形成し、それを所定の形状のレジストマスクを用いてイオンミリングする。以後は、ＡｌＯ膜等を形成しながら、コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ、接続層１７、および補助磁極層１５等を順に形成していく。
【００８６】
再生ヘッド部形成後のこれまでの工程により、磁気ヘッド１０における記録ヘッド部の基本構造が完成する。
このようにして形成される磁気ヘッド１０においては、磁気記録媒体に記録された情報に基づく磁界に応じて磁化自由層２５の磁化の方向が変化し、その結果、読み取り素子２０の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化が電気的に検出されることによって、磁気記録媒体に記録された情報が読み取られる。
【００８７】
続いて、ＴＭＲ素子をＭＲＡＭに適用した例について説明する。
図２０はＭＲＡＭの要部断面模式図である。
図２０に示すように、ＭＲＡＭ４０は、読み出し／書き込みの際に用いるビット線４１と書き込みの際に用いるワード線４２が交差する位置に、メモリ素子としてＴＭＲ素子５０が配置され、メモリセルが構成される。通常、ＭＲＡＭ４０は、マトリックス状に配置された複数のビット線４１と複数のワード線４２の各交差位置にそれぞれ、ＴＭＲ素子５０が配置され、多数のメモリセルを備えている。
【００８８】
ＴＭＲ素子５０は、ビット線４１側から、配線層５１、反強磁性層５２、磁化固定層５３、トンネルバリア層５４、磁化自由層５５、およびキャップ層５６が積層された構成を有している。磁化固定層５３は、第１の強磁性層５３ａ、非磁性層５３ｂ、第２の強磁性層５３ｃの積層構造よりなる。このＴＭＲ素子５０において、磁化自由層５５に接するキャップ層材料としてＴｉ膜を設けるようにする。これにより、高いＭＲ比、すなわち高出力のＭＲＡＭ４０が実現可能になる。
【００８９】
このほか、ＭＲＡＭ４０は、読み出しの際にメモリセルを選択するスイッチング用トランジスタ４３を備える。スイッチング用トランジスタ４３は、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor）とされ、半導体基板４４上にゲート絶縁膜４３ａを介してゲート電極４３ｂが形成され、その両側にソース・ドレイン領域４３ｃが形成されている。スイッチング用トランジスタ４３は、一方のソース・ドレイン領域４３ｃに接続されたプラグ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄおよび配線層４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄを介して、ＴＭＲ素子５０の磁化自由層５５側に電気的に接続されている。
【００９０】
なお、半導体基板４４上のスイッチング用トランジスタ４３、プラグ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ、配線層４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ、ワード線４２、ＴＭＲ素子５０、ビット線４１の層間は、ＳｉＯ等の絶縁膜４７によって埋められている。
【００９１】
ＴＭＲ素子５０は、各層をスパッタリング法により成膜し、所定の形状にパターニングすることによって形成することができ、ＭＲＡＭ４０のその他の部分を構成するビット線４１、ワード線４２、スイッチング用トランジスタ４３、プラグ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ、配線層４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ、絶縁膜４７等は、通常の半導体プロセスに従って形成することができる。
【００９２】
ＭＲＡＭ４０では、磁化自由層５５の磁化の向きが、磁化固定層５３の磁化の向きに対して平行（ＴＭＲ素子５０の抵抗小）か反平行（ＴＭＲ素子５０の抵抗大）かで、“１”，“０”の情報が規定される。情報を書き込む場合には、特定のビット線４１とワード線４２に流した電流が作る合成磁場によって特定のＴＭＲ素子５０の磁化自由層５５の磁化の向きを反転させ、その向きによってそのＴＭＲ素子５０に“１”，“０”の情報を書き込む。また、情報を読み出す場合には、ビット線４１およびスイッチング用トランジスタ４３を用いて特定のＴＭＲ素子５０に電流を流し、そのＴＭＲ素子５０の抵抗が大きいか小さいかを判定することによって、そのＴＭＲ素子５０に記録されている情報を読み出す。
【００９３】
なお、上記した磁気ヘッド１０の構成、およびＭＲＡＭ４０の構成は、一例であって、他の構成を有する磁気ヘッドやＭＲＡＭについても、同様に適用可能である。
（付記１）  磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成され、ＣｏＦｅＢ膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、
Ｔｉ膜を備え、前記磁化自由層上に前記Ｔｉ膜が接するように形成されたキャップ層と、
を有することを特徴とするＴＭＲ素子。
【００９４】
（付記２）  前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ膜により構成されていることを特徴とする付記１記載のＴＭＲ素子。
（付記３）  前記ＣｏＦｅＢ膜は、Ｃｏ組成が６０ａｔｏｍ％〜８０ａｔｏｍ％であることを特徴とする付記１記載のＴＭＲ素子。
【００９５】
（付記４）  前記ＣｏＦｅＢ膜は、Ｂ組成が２０ａｔｏｍ％であることを特徴とする付記３記載のＴＭＲ素子。
（付記５）  前記ＣｏＦｅＢ膜は、Ｂ組成が５ａｔｏｍ％〜２５ａｔｏｍ％であることを特徴とする付記１記載のＴＭＲ素子。
【００９６】
（付記６）  前記磁化自由層は、膜厚が０．５ｎｍ〜６ｎｍであることを特徴とする付記１記載のＴＭＲ素子。
（付記７）  前記キャップ層は、膜厚が０．５ｎｍ〜５ｎｍであることを特徴とする付記１記載のＴＭＲ素子。
【００９７】
（付記８）  磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成され、ＣｏＦｅＢ膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、
Ｔｉ膜を備え、前記磁化自由層上に前記Ｔｉ膜が接するように形成されたキャップ層と、
を有するＴＭＲ素子を読み取り素子に用いたことを特徴とする磁気ヘッド。
【００９８】
（付記９）  前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ膜により構成されていることを特徴とする付記８記載の磁気ヘッド。
（付記１０）  前記ＣｏＦｅＢ膜は、Ｃｏ組成が６０ａｔｏｍ％〜８０ａｔｏｍ％であることを特徴とする付記８記載の磁気ヘッド。
【００９９】
（付記１１）  前記ＣｏＦｅＢ膜は、Ｂ組成が５ａｔｏｍ％〜２５ａｔｏｍ％であることを特徴とする付記８記載の磁気ヘッド。
（付記１２）  前記磁化自由層は、膜厚が０．５ｎｍ〜６ｎｍであることを特徴とする付記８記載の磁気ヘッド。
【０１００】
（付記１３）  前記キャップ層は、膜厚が０．５ｎｍ〜５ｎｍであることを特徴とする付記８記載の磁気ヘッド。
（付記１４）  磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成され、ＣｏＦｅＢ膜により構成された、磁化の向きが可変の磁化自由層と、
Ｔｉ膜を備え、前記磁化自由層上に前記Ｔｉ膜が接するように形成されたキャップ層と、
を有するＴＭＲ素子をメモリ素子に用いたことを特徴とする磁気メモリ。
【０１０１】
（付記１５）  前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ膜により構成されていることを特徴とする付記１４記載の磁気メモリ。
（付記１６）  前記ＣｏＦｅＢ膜は、Ｃｏ組成が６０ａｔｏｍ％〜８０ａｔｏｍ％であることを特徴とする付記１４記載の磁気メモリ。
【０１０２】
（付記１７）  前記ＣｏＦｅＢ膜は、Ｂ組成が５ａｔｏｍ％〜２５ａｔｏｍ％であることを特徴とする付記１４記載の磁気メモリ。
（付記１８）  前記磁化自由層は、膜厚が０．５ｎｍ〜６ｎｍであることを特徴とする付記１４記載の磁気メモリ。
【０１０３】
（付記１９）  前記キャップ層は、膜厚が０．５ｎｍ〜５ｎｍであることを特徴とする付記１４記載の磁気メモリ。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】ＴＭＲ素子の一例の断面模式図である。
【図２】キャップ層材料をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図である。
【図３】キャップ層材料とＭＲ比の関係を示す図である。
【図４】磁化自由層をＣｏＦｅ膜で構成した場合のＲＡとＭＲ比の関係を示す図である。
【図５】磁化自由層をＣｏＦｅ膜で構成した場合のキャップ層材料とＭＲ比の関係を示す図である。
【図６】トンネルバリア層をＡｌＯ膜で構成した場合のＲＡとＭＲ比の関係を示す図である。
【図７】磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜の膜厚をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図である。
【図８】磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜の膜厚とＭＲ比の関係を示す図である。
【図９】キャップ層材料のＴｉ膜の膜厚をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図である。
【図１０】キャップ層材料のＴｉ膜の膜厚とＭＲ比の関係を示す図である。
【図１１】磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＣｏ組成とＭＲ比の関係を示す図である。
【図１２】磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＣｏ組成と磁歪の関係を示す図である。
【図１３】磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＢ組成をパラメータとしたときのＲＡとＭＲ比の関係を示す図である。
【図１４】磁化自由層のＣｏＦｅＢ膜のＢ組成とＭＲ比の関係を示す図である。
【図１５】磁気ヘッドの磁気記録媒体対向面側から見た正面概略図である。
【図１６】磁気ヘッドの断面概略図である。
【図１７】成膜工程の要部断面模式図である。
【図１８】イオンミリング工程の要部断面模式図である。
【図１９】埋め込み工程の要部断面模式図である。
【図２０】ＭＲＡＭの要部断面模式図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１，５０  ＴＭＲ素子
２，２１  下地層
３，２２，５２  反強磁性層
４，２３，５３  磁化固定層
４ａ，２３ａ，５３ａ  第１の強磁性層
４ｂ，２３ｂ，５３ｂ  非磁性層
４ｃ，２３ｃ，５３ｃ  第２の強磁性層
５，２４，５４  トンネルバリア層
６，２５，５５  磁化自由層
７，２６，５６  キャップ層
１０  磁気ヘッド
１１  基板
１２  下部磁気シールド層
１３  上部磁気シールド層
１４  主磁極層
１５  補助磁極層
１６  主磁極補助層
１７  接続層
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ  コイル
２０  読み取り素子
３１，４７  絶縁膜
３２  磁区制御膜
４０  ＭＲＡＭ
４１  ビット線
４２  ワード線
４３  スイッチング用トランジスタ
４３ａ  ゲート絶縁膜
４３ｂ  ゲート電極
４３ｃ  ソース・ドレイン領域
４４  半導体基板
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ  プラグ
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ，５１  配線層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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