(57)【要約】【課題】高いMR比と低RAとを実現するTMR素子を得る。  【解決手段】基板１００上に、下地層１０３、反強磁性層１０４、磁化固定層１０７、トンネルバリア層１０８、磁化自由層１０９がこの順に積層され、基板１００と下地層１０３との間に、ＺｒとＡｌを含む層（シード層）１０１を設けた。基板上に、反強磁性層、磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層がこの順に積層され、反強磁性層の基板側に接する、ＺｒとＡｌを含む層を設けた。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも、下地層、反強磁性層、磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層がこの順に積層されたトンネル磁気抵抗素子において、
前記基板と前記下地層との間に、ＺｒとＡｌを含む層を設けたことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記基板と前記下地層との間に電極層が設けられ、前記ＺｒとＡｌを含む層は、前記基板と前記電極層との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記ＺｒとＡｌを含む層はＺｒの含有量が６０ａｔ％以上、９０ａｔ％以下である請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項４】
基板上に少なくとも、反強磁性層、磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層がこの順に積層されたトンネル磁気抵抗素子において、
前記反強磁性層の前記基板側で、前記反強磁性層に接する、ＺｒとＡｌを含む層を設けたことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記ＺｒとＡｌを含む層はＺｒの含有量が１０ａｔ％以上、４０ａｔ％以下である請求項４に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【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（TMR）素子に係わり、特に磁気ディスク駆動装置の磁気ヘッド及び磁気ランダムアクセスメモリに用いることができるトンネル磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル磁気抵抗素子（以下、TMR素子という）はＴＭＲヘッドやMRAM（Magnetic Random Access Memory）への応用が実用化段階になってきている。TMR素子は反強磁性層、磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層の基本構造を有する。TMR素子ではトンネルバリア層を介してトンネル電流を流し、磁化固定層の磁気モーメントと磁化自由層の磁気モーメントの向きが平行又は反平行によって電気抵抗が大きく変化する。
【０００３】
本願発明に関連する技術として、特許文献１に２つの金属強磁性層の間に非磁性層を挟んだ巨大磁気抵抗効果を利用した素子において、反強磁性層の下にＺｒを含む下地層を設けることの記載がある。
【特許文献１】特開２００１−１８９５０３号公報（段落番号（００３４））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、TMR素子において、TMR素子の製造方法や強磁性材料を選択することで、５０％程度のMR比を得ることができるようになった。
【０００５】
しかしながら、TMRヘッドでは高感度化、MRAMでは高密度化のために、より高いMR比であることが望ましい。また、いずれの応用分野でも高MR比を維持しながら、素子の接合抵抗RAを低減することがより望ましい。
【０００６】
本発明の目的は、絶縁層や磁性層の材料を変えることなく、高いMR比と低RAとを実現するTMR素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、基板上に少なくとも、下地層、反強磁性層、磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層がこの順に積層されたトンネル磁気抵抗素子において、
前記基板と前記下地層との間に、ＺｒとＡｌを含む層を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また本発明のトンネル磁気抵抗素子は、基板上に少なくとも、反強磁性層、磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層がこの順に積層されたトンネル磁気抵抗素子において、
前記反強磁性層の前記基板側で、前記反強磁性層に接する、ＺｒとＡｌを含む層を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高いMR比と低RAとを有するトンネル磁気抵抗素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
［実施形態１］
図１は本発明に係わる第１実施形態のトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【００１２】
本実施形態のトンネル磁気抵抗素子（以下、TMR素子という）は図１に示すような層構成を有する。即ち、基板100上に、シード層101／下部電極層102／下地層103／反強磁性層104／磁化固定層105／スペーサ層106／磁化固定層107／トンネルバリア層108／磁化自由層109／キャップ層110／酸化防止層111の順に積層される。
【００１３】
基板100は熱酸化膜付きＳｉ基板であり、シード層101は厚さ３ｎｍでＡｌＺｒからなり、下部電極層102は厚さ２０ｎｍでＣｕＮからなり、下地層103は厚さ３ｎｍでＴａからなり、反強磁性層104は厚さ１５ｎｍでＰｔＭｎからなる。また、磁化固定層105は厚さ１．５ｎｍでＣｏ70Ｆｅ30からなり、スペーサ層106は厚さ０．８５ｎｍでＲｕからなり、磁化固定層107は厚さ１．５ｎｍでＣｏ70Ｆｅ30からなる。ここでは、磁化固定層105／スペーサ層106／磁化固定層107の３層を設けているが、磁化固定層を１層設けてもよい。また、トンネルバリア層（絶縁層）108は厚さ約１．２ｎｍでＡｌＯXからなり、磁化自由層109は厚さ３．５ｎｍでＣｏＦｅＢからなり、キャップ層110は厚さ１０ｎｍでＴａからなり、酸化防止層111は厚さ７ｎｍでＲｕからなる。
【００１４】
各層は多層膜DCマグネトロンスパッタ装置を用いて成膜した。成膜時の温度は室温である。
【００１５】
AlとZrの最適な組成を明らかにするため、成膜チャンバーにおいて、AlとZrターゲットを2つのスパッタカソードに設置した。これらのターゲットは基板に向かって設置されるため、両ターゲットを同時にスパッタされるとAlとZr原子が均一に混合し、AlZr層（シード層）が形成される。それぞれのターゲットに独立に電力を投入可能と、その電力のパワーも任意に調整できるようにした。そして、AlZr層の組成を自由に可変させ、Ｚｒ含有量と、ＭＲ比，ＲＡとの関係を求めた。
【００１６】
AlZr層以外のその他の膜は合金ターゲットを用いて成膜した。Al-Oxトンネルバリア層は、金属Al膜を成膜した後に、酸素プラズマ雰囲気に曝し、酸化させることによって作製した。TMR素子の成膜後、８  ｋＯｅの磁場中にて、２７０  ℃の熱処理を５時間行った。トンネルバリア層としては酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いてもよい。
【００１７】
図２（Ａ）はAlZr層のＺｒ含有量とＭＲ比との関係を示す特性図、図２（Ｂ）はAlZr層のＺｒ含有量とＲＡとの関係を示す特性図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において、縦軸上の黒丸はＴａ層（厚さ3nm）をシード層として用いた場合のデータを示す。
【００１８】
上記の図２（Ａ）、（Ｂ）からZr含有量が６０ａｔ％（原子パーセント）以上、９０ａｔ％以下の範囲で、ＭＲ比が高く、ＲＡが低いことが分かった。この範囲でＭＲ比が高く、ＲＡが低いのは、Ｚｒの比率を増やすことで、シード層101となるAlZr層がアモルファス状態となり表面の平坦度が増し、それに伴い上層も平坦化されたものと考えられる。特に下部電極層102は２０ｎｍと厚いため、下部電極層が平坦化されることで、反強磁性層上のトンネルバリア層（絶縁層）の平坦化にも寄与するものと考えられる。また、本発明者らは、下地層と下部電極層との間にシード層を設けてZr含有量を変えて、ＭＲ比、ＲＡを求めた。その結果、基板と下部電極層との間にシード層を設けたと同様に６０ａｔ％以上、９０ａｔ％以下の範囲で、ＭＲ比が高く、ＲＡが低い傾向を示すことが分かった。
【００１９】
［実施形態２］
図３は本発明に係わる第２実施形態のトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【００２０】
本実施形態のトンネル磁気抵抗素子は図３に示すような層構成を有する。即ち、基板100上に、下地層112／下部電極層102／下地層103／シード層113／反強磁性層104／磁化固定層105／スペーサ層106／磁化固定層107／トンネルバリア層108／磁化自由層109／キャップ層110／酸化防止層111の順に積層される。
【００２１】
本実施形態と図１の第１の実施形態の構成との違いは、図１のシード層101の代わりに、厚さ３ｎｍのＴａからなる下地層112を設け、図１の下地層103と反強磁性層104との間に厚さ３ｎｍでＡｌＺｒからなるシード層113を設けたことである。シード層113は反強磁性層104の基板側で、反強磁性層１０４に接するように設けられる。その他の各層は第１の実施形態と同じである。
【００２２】
AlとZrの最適な組成を明らかにするため、成膜チャンバーにおいて、AlとZrターゲットを2つのスパッタカソードに設置した。これらのターゲットは基板に向かって設置されるため、両ターゲットを同時にスパッタされるとAlとZr原子が均一に混合し、AlZr層が形成される。それぞれのターゲットに独立に電力を投入可能と、その電力のパワーも任意に調整できるようにした。そして、AlZr層の組成を自由に可変させ、Ｚｒ含有量と、ＭＲ比，ＲＡとの関係を求めた。
【００２３】
図４（Ａ）はAlZr層のＺｒ含有量とＭＲ比との関係を示す特性図、図４（Ｂ）はＲＡとの関係を示すデータである。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、縦軸上の黒丸はＴａ層（厚さ3nm）をシード層として用いた場合のデータを示す。
【００２４】
上記の図４（Ａ）、（Ｂ）からZr含有量が１０ａｔ％以上、４０ａｔ％以下の範囲で、ＭＲ比が高く、ＲＡが低いことが分かった。この範囲でＭＲ比が高く、ＲＡが低いのは、Ｚｒ含有量を第１の実施形態より低くすることで、その表面の結晶性が向上し（微結晶となる）、上層の反強磁性層のＰｔＭｎの結晶配向をそろえることができるためと考えられる。また平坦性も結晶状態に比べて改善されるため、反強磁性層上のトンネルバリア層（絶縁層）の平坦化にも寄与し、ＭＲ比を上げ、ＲＡを下げることに寄与しているものと考えられる。
【００２５】
しかし、Ｚｒの含有量を増大し過ぎると、シード層がアモルファス状態となり、上層のＰｔＭｎの配向をばらばらにし、素子特性を悪化させるものと考えらえる。そのため、Ｚｒの含有量が４０ａｔ％を超えるにしたがって、ＭＲ比が下がり、ＲＡが上がる傾向を示す。
【００２６】
以上説明した第１及び第２の実施形態から明らかなように、本発明において、基板と反強磁性層との間にシード層を設ければ、ＭＲ比の増大と、ＲＡの低下の効果を得ることができる。反強磁性層とシード層とが接しない場合には、Zr含有量が６０ａｔ％〜９０ａｔ％の範囲が好ましく、反強磁性層とシード層と接する場合にはZr含有量が１０ａｔ％〜４０ａｔ％の間が好ましい。
【００２７】
なお、第１及び第２の実施形態の構成において、下部電極層102はなくてもよい。その場合、図３の構成において、下地層112は不要となる。また、第２の実施形態において、下地層103はなくともよい。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、磁気ディスク駆動装置の磁気ヘッド及び磁気ランダムアクセスメモリに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係わる第１実施形態のトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】（Ａ）はAlZr層のＺｒ含有量とＭＲ比との関係を示す特性図、（Ｂ）はAlZr層のＺｒ含有量とＲＡとの関係を示す特性図である。
【図３】本発明に係わる第２実施形態のトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【図４】（Ａ）はAlZr層のＺｒ含有量とＭＲ比との関係を示す特性図、（Ｂ）はＲＡとの関係を示すデータである。
【符号の説明】
【００３０】
１００  基板
１０１  シード層
１０２  下部電極層
１０３  下地層
１０４  反強磁性層
１０５  磁化固定層
１０６  スペーサ層
１０７  磁化固定層
１０８  トンネルバリア層
１０９  磁化自由層
１１０  キャップ層
１１１  酸化防止層
１１２  下地層
１１３  シード層
【図１】
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【図２】
2008277693.tif 000004
【図３】
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【図４】
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