(57)【要約】【課題】  ＩｒとＭｎとを含む反強磁性のピニング層の表面の平坦度を高めることができる磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】  基板の主表面上に、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層(2)が配置されている。その上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層(3)が配置されている。その上に、ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層(4ｃ)が配置されている。その上に、非磁性材料からなる非磁性層(7)が配置されている。その上に、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層(8)が配置されている。【選択図】  図１
2008235528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記ピニング層は、その（２００）結晶面が前記基板の主表面と平行になるように結晶配向している請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記下地層の厚さが２ｎｍ以上である請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記非磁性層が、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記非磁性層がＭｇＯで形成されている請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体。
【請求項７】
ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法。
【請求項８】
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を含む磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及び磁性積層構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の読取素子や、磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いられる強磁性体膜の磁化方向を固定するために、反強磁性層と強磁性層とを積層した交換結合膜が用いられている。
【０００３】
図１２に、ＨＤＤの読取素子、及び磁気記録媒体の部分斜視図を示す。磁気記録媒体１０３の表面をｘｙ面とし、法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘ軸方向がトレーリング方向、ｙ軸方向がトラック幅方向に対応するとする。一対の磁気シールド層１００、１０１が、ｘ軸方向に間隙を隔てて配置され、両者の間に、磁気抵抗効果素子１０２が配置されている。磁気抵抗効果素子１０２は、ｚ軸方向に微小な間隙を隔てて磁気記録媒体１０３に対向している。磁気抵抗効果素子１０２には、例えばトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）やスピンバルブ膜が用いられる。
【０００４】
ＴＭＲ素子は、例えば下地層、反強磁性ピニング層、強磁性レファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、及びキャップ層がｘ軸方向に積層された構造を有する。磁気記録媒体１０３から発生する磁場を、磁気抵抗効果素子１０２のフリー層で感知し、磁場の変化が電気信号として読み出される。
【０００５】
一対の磁気シールド層１００、１０１は、読み取り対象のビットに隣接するビットからの磁場を吸収する役割を果たす。このため、ビット長Ｌｂは、磁気抵抗効果素子１０２の合計の厚さ（読取ギャップ長）Ｌｒｇに依存する。読取ギャップＬｒｇが長くなると、ビット長Ｌｂも長くなってしまう。ビット長Ｌｂを短くするために、読取ギャップ長Ｌｒｇを短くすることが望まれる。
【０００６】
２００３年までは、ＨＤＤ用の読取素子の下地層に、Ｔａ／ＮｉＦｅ積層、Ｔａ／Ｒｕ積層、ＮｉＣｒ層、ＮｉＦｅＣｒ層が用いられ、反強磁性ピニング層に、ＰｔＭｎ層やＰｄＰｔＭｎ層が用いられていた。ところが、反強磁性ピニング層は、強磁性レファレンス層と交換結合するために、１５ｎｍ以上の厚さを必要とした。ピニング層が厚くなると、読取ギャップ長Ｌｒｇが長くなるため、ビット長Ｌｂを短くして記録密度の向上を図ることが困難である。
【０００７】
ピニング層にＩｒＭｎを用いると、その厚さを４ｎｍ程度まで薄くしても、ピニング層がピンド層に交換結合する。このため、ピニング層にＩｒＭｎを用いた磁気抵抗効果素子は、記録密度の向上に適している（例えば、下記の特許文献１）。
【０００８】
トンネルバリア層にＭｇＯを用いたＴＭＲ素子において、その特性を最大限発揮させるために、ＭｇＯを（２００）配向させることが好ましい。トンネルバリア層の下地となるレファレンス層に、アモルファスのＣｏＦｅＢを用いることにより、ＭｇＯを（２００）配向させることができる（下記の非特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２４４２５４号公報
【非特許文献１】David D. Djayaprawira et al.,"230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunneljunctions", Appl. Phys. Lett., 86, 092502 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＴＭＲ素子のピニング層にＩｒＭｎを用いると、その表面の平坦度が低下する（面粗度が高くなる）。ＴＭＲ素子の面積抵抗ＲＡを低くするためにトンネルバリア層を薄くすると、レファレンス層の表面の凹凸に起因して、レファレンス層と磁化フリー層との間の静磁気的な相互作用が大きくなる。これにより、磁化フリー層の磁化方向が、レファレンス層の磁化の影響を受けてしまう。また、ＭｇＯからなるトンネルバリア層が薄い場合には、レファレンス層の表面の凹凸に起因して、トンネルバリア層にピンホールが発生し、特性が劣化する場合もある。
【００１１】
ＭｇＯからなるトンネルバリア層の下地のレファレンス層を、アモルファスＣｏＦｅＢで形成した場合、ＭｇＯ膜をある程度の厚さ成長させれば、良好な（２００）配向性を示すＭｇＯが得られる。ところが、ＭｇＯ膜が薄い場合には、十分な（２００）配向性を示す膜を得ることが困難である。ＭｇＯ膜の配向性が低下すると、ＭＲ比が低下してしまう。
【００１２】
本発明の目的は、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性のピニング層の表面の平坦度を高めることができる磁気抵抗効果素子、磁性積層構造体、及びその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、ＭｇＯからなるトンネルバリア層が薄くても、高いＭＲ比を実現することができる磁気抵抗効果素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一観点によると、
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１４】
本発明の他の観点によると、
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体が提供される。
【００１５】
本発明のさらに他の観点によると、
ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法が提供される。
【００１６】
本発明のさらに他の観点によると、
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
下地層をＮｉＦｅＮで形成すると、下地層をＮｉＦｅやＲｕで形成した場合に比べて、その上のＩｒとＭｎを含むピニング層の表面の平坦度が向上する。これにより、レファレンス層からの影響によるフリー層内の層間結合磁場が小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に、第１の実施例による磁気抵抗効果素子の断面図を示す。支持基板１の上に、下地層２、ピニング層３、ピンド層４ａ、非磁性中間層４ｂ、レファレンス層４ｃ、トンネルバリア層（非磁性層）７、フリー層８、及びキャップ層９がこの順番に積層されている。支持基板１は、例えばＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ基板の上にＮｉＦｅ層とＴａ層とがこの順番に積層された構造を有する。
【００１９】
下地層２は、ＮｉＦｅＮで形成されており、その厚さは例えば３ｎｍである。ＮｉＦｅＮ膜は、ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとしてＡｒとＮ２とを用いた反応性スパッタリングにより形成することができる。なお、ＮｉとＦｅに第三元素を添加したターゲットを用いてもよい。使用可能な第三元素として、例えばＣｏ、Ｃｒ、Ｃｕ等が挙げられる。また、コスパッタリングにより成膜してもよい。ピニング層３はＩｒＭｎで形成されており、その厚さは、例えば７ｎｍである。
【００２０】
ピンド層４ａはＣｏＦｅ等の強磁性材料で形成されており、その厚さは、例えば１．７ｎｍである。非磁性中間層４ｂはＲｕ等の非磁性金属で形成されており、その厚さは、例えば０．６８ｎｍである。レファレンス層４ｃはＣｏＦｅＢで形成されており、その厚さは、例えば２．５ｎｍである。ピンド層４ａがピニング層３と交換結合することにより、ピンド層４ａの磁化方向が固定される。ピンド層４ａとレファレンス層４ｃとは、非磁性中間層４ｂを介して、ピンド層４ａの磁化方向とレファレンス層４ｃの磁化方向とが反平行になるように、交換結合している。すなわち、レファレンス層４ｃは、ピンド層４ａを介してピニング層３と間接的に交換結合する。ピンド層４ａからレファレンス層４ｃまでの３層構造は、シンセティックフェリピン層４を構成する。
【００２１】
なお、シンセティックフェリピン層４に代えて、単層の強磁性レファレンス層を用いてもよい。この場合には、レファレンス層が、直接、ピニング層３と交換結合する。
【００２２】
トンネルバリア層７はＭｇＯ等の絶縁材料で形成されており、その厚さは、厚さ方向にトンネル電流が流れる程度、例えば１．０〜１．５ｎｍとされている。フリー層８はＣｏＦｅＢ等の強磁性材料で形成されており、その厚さは、例えば３ｎｍである。キャップ層９は非磁性金属で形成される。例えば、厚さ５ｎｍのＴｉ層と、厚さ１０ｎｍのＴａ層との２項構造を有する。ピニング層３からキャップ層９までの各層は、例えばスパッタリングにより形成される。
【００２３】
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、ピニング層３の表面の平坦度の改善効果について説明する。シリコン基板の表面をエッチングして平坦化し、その上に厚さ３ｎｍのＴａ層、ＮｉＦｅＮからなる厚さ４ｎｍの下地層、厚さ７ｎｍのＩｒＭｎ層、及び厚さ１ｎｍのＲｕ層を順番にスパッタリングにより形成した試料を作製した。下地層の成膜には、スパッタガスとしてＡｒとＮ２との混合ガスを用い、Ｎ２の分圧比を変えて複数の試料を作製した。比較のために、下地層にＲｕを用いた試料、及びＮｉＦｅを用いた試料を作製した。ＮｉＦｅからなる下地層は、スパッタガス中の窒素ガスの分圧比を０にすることにより形成される。
【００２４】
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ各試料の最上のＲｕ層の表面の高低差、及び高さの標準偏差を示す。高低差は、原子間力顕微鏡を用いて測定した。図２Ａ及び図２Ｂの横軸は、下地層成膜時の窒素ガス分圧比を単位「％」で表し、図２Ａの縦軸は、高低差を単位「ｎｍ」で表し、図２Ｂの縦軸は、高さの標準偏差を単位「ｎｍ」で表す。なお、下地層にＲｕを用いた試料の高低差及び高さの標準偏差を破線で示している。
【００２５】
下地層にＮｉＦｅＮを用いると、ＲｕやＮｉＦｅを用いる場合に比べて、表面の平坦度が向上することがわかる。下地層の成膜時の窒素ガス分圧比を３０〜７５％のときに平坦度が向上することが実証されたが、窒素ガスの分圧比を０％よりも高くし、かつ３０％未満にしても、ＮｉＦｅを用いた試料の平坦度より高い平坦度が得られる。
【００２６】
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、ＭＲ比の改善効果について説明する。図１に示した支持基板１として、シリコン基板の表面をエッチングして平坦化し、その上に厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ２０ｎｍのＣｕＮ層、厚さ３ｎｍのＴａ層、厚さ２０ｎｍのＣｕＮ層、厚さ３ｎｍのＴａ層を形成したものを準備した。その上に、ＮｉＦｅＮからなる厚さ３ｎｍの下地層２、ＩｒＭｎからなる厚さ７ｎｍのピニング層３、ＣｏＦｅからなる厚さ１．７ｎｍのピンド層４ａ、Ｒｕからなる厚さ０．６８ｎｍの非磁性中間層４ｂ、ＣｏＦｅＢからなる厚さ２．５ｎｍのレファレンス層４ｃ、ＭｇＯからなる厚さ１．０〜１．５ｎｍのトンネルバリア層７、及びＣｏＦｅＢからなる厚さ３ｎｍのフリー層８を形成した。キャップ層９を、厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ１０ｎｍのＣｕ層、及び厚さ１０ｎｍのＲｕ層からなる３層構造とした。トンネルバリア層４ｂの膜厚を変えることによって、複数の面積抵抗ＲＡを持つ試料を作製した。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料、及びＮｉＦｅを用いた試料を作製した。
【００２７】
図３Ａは、ＭＲ比と面積抵抗ＲＡとの関係を示す。横軸は面積抵抗ＲＡを単位「Ω・μｍ２」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の正方形、菱形、及び円記号が、それぞれ下地層２にＮｉＦｅＮ、ＮｉＦｅ、及びＲｕを用いた試料に対応する。下地層２にＮｉＦｅＮを用いると、ＮｉＦｅやＲｕを用いた場合に比べて、大きなＭＲ比が得られることがわかる。
【００２８】
図３Ｂは、下地層２を成膜する時のスパッタガス中の窒素ガスの分圧比と、ＭＲ比との関係を示す。横軸は窒素ガスの分圧比を単位「％」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面積抵抗ＲＡが１０Ω・μｍ２になるようにトンネルバリア層７の厚さを調節した複数の試料を作製した。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料のＭＲ比を破線で示している。窒素ガスの分圧比が０％の試料は、下地層２にＮｉＦｅを用いたものである。
【００２９】
下地層２にＮｉＦｅＮを用いた試料は、ＮｉＦｅを用いた試料やＲｕを用いた試料に比べて、高いＭＲ比を示している。窒素ガスの分圧比が２５％〜６０％の範囲内で、高いＭＲ比を示すことが実証された。
【００３０】
下地層２にＮｉＦｅＮを用いることによるＭＲ比の向上は、下地層上の各層の表面の平坦度の向上に起因していると考えられる。
【００３１】
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、下地層２の厚さの好適な範囲について説明する。下地層２にＮｉＦｅＮを用い、下地層２の厚さが２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、及び５ｎｍの試料を作製した。積層構造は、図３に示した評価に用いた試料と同一である。下地層２の厚さを１ｎｍとした場合には、ＩｒＭｎからなるピニング層３とＣｏＦｅからなるピンド層４ａとの間に交換結合が発現せず、ピンド層４ａの磁化方向を固定することができなかった。なお、トンネルバリア層７の厚さを１．０〜１．５ｎｍの範囲内で変化させて種々の面積抵抗ＲＡをもつ試料を作製した。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料を作製した。
【００３２】
図４Ａに、面積抵抗ＲＡとＭＲ比との関係を示す。横軸は面積抵抗ＲＡを単位「Ω・μｍ２」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図中の各折れ線に付した数値は、下地層２の厚さである。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料のＭＲ比を破線で示す。下地層２の膜厚を２〜３ｎｍとした場合、面積抵抗ＲＡが５〜１５Ω・μｍ２の試料のＭＲ比が、Ｒｕの下地層を用いた試料のＭＲ比よりも高くなった。また、下地層２の膜厚を４〜５ｎｍとした場合には、面積抵抗ＲＡが７．５〜１５Ω・μｍ２の試料のＭＲ比が、Ｒｕの下地層を用いた試料のＭＲ比よりも高くなった。
【００３３】
図４Ｂに、面積抵抗ＲＡを１０Ω・μｍ２に設定したときのＭＲ比と、下地層２の厚さとの関係を示す。横軸は下地層２の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。比較のために、下地層２に厚さ２ｎｍのＲｕ層を用いた試料のＭＲ比を破線で示す。特に、下地層２の厚さを２〜３ｎｍとした試料のＭＲ比が相対的に高いことがわかる。
【００３４】
図５に、図１に示した積層構造を持つ試料に印加する外部磁場を変化させたときの、外部磁場に対するＭＲ比（電気抵抗をＲ、最小電気抵抗をＲｍｉｎとしたとき、（Ｒ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ）を正規化して示す。なお、試料の面積抵抗ＲＡは２Ω・μｍ２である。比較のために、下地層２にＲｕを用いた試料のヒステリシスループを破線で示す。横軸は外部磁場を単位「Ｏｅ」で表し、縦軸は、最大値を１とした正規化ＭＲ比を表す。磁場０の位置から、ヒステリシスループが正規化ＭＲ比０．５の線と交差する２点の中点までの磁場のシフト量が、レファレンス層４ｃがフリー層８に与える層間結合磁場Ｈｉｎに相当する。
【００３５】
下地層２にＮｉＦｅＮを用いた試料の層間結合磁場Ｈｉｎ１が、下地層２にＲｕを用いた試料の層間結合磁場Ｈｉｎ２よりも小さいことがわかる。下地層２にＮｉＦｅＮを用いることによって層間結合磁場が小さくなるのは、レファレンス層４ｃの表面の平坦度が向上したためと考えられる。
【００３６】
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、トンネルバリア層７の下地となるレファレンス層４ｃをＣｏＦｅＢで形成した。レファレンス層４ｃにボロン（Ｂ）を含有させたのは、レファレンス層４ｃをアモルファス相にして、その上のＭｇＯからなるトンネルバリア層７の結晶性を高めるためである。第２の実施例では、シンセティックフェリピン層４に代えて、単層のレファレンス層４ｃが用いられ、このレファレンス層４ｃがＣｏＦｅで形成される。
【００３７】
図６Ａに、第２の実施例による磁気抵抗効果膜の断面図を示す。支持基板１の上に、下地層２、ピニング層３、レファレンス層４ｃ、トンネルバリア層７、フリー層８、及びキャップ層９がこの順番に積層されている。支持基板１は、表面をエッチングして平坦化されたシリコン基板の上に厚さ３ｎｍのＴａ層が形成された構造を有する。レファレンス層４ｃは、ＣｏＦｅで形成されており、その厚さは２．０ｎｍである。キャップ層９は、厚さ５ｎｍのＴａ層、厚さ１０ｎｍのＣｕ層、及び厚さ１０ｎｍのＲｕ層がこの順番に積層された３層で構成される。下地層２、ピニング層３、トンネルバリア層７、及びフリー層８は、図１に示した磁気抵抗効果膜の対応する層と同一の構造である。
【００３８】
比較のために、レファレンス層４ｃを、厚さ１．７ｎｍのＣｏＦｅ層と、厚さ２．０ｎｍのＣｏＦｅＢ層とがこの順番に積層された２層構造とした試料も作製した。ＣｏＦｅは結晶質であり、ＣｏＦｅＢ層はアモルファスである。
【００３９】
図６Ｂに、面積抵抗ＲＡとＭＲ比との関係を示す。横軸は面積抵抗ＲＡを単位「Ω・μｍ２」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。面積抵抗ＲＡが約１０Ω・μｍ２以上の場合、すなわちトンネルバリア層７が相対的に厚い場合には、トンネルバリア層７の下地にアモルファスのＣｏＦｅＢ層を用いた試料の方が高いＭＲ比を示す。これに対し、面積抵抗ＲＡが約１０Ω・μｍ２以下の場合、すなわちトンネルバリア層７が相対的に薄い場合には、トンネルバリア層７の下地に結晶質のＣｏＦｅ層を用いた試料の方が高いＭＲ比を示す。以下、この実験結果について考察する。
【００４０】
（２００）配向した下地層２の良好な結晶性が、ピニング層３及びその上のＣｏＦｅ層まで引き継がれる。ところが、ＭｇＯからなるトンネルバリア層７の下地にＣｏＦｅＢ層を挿入する場合には、ＣｏＦｅＢ層がアモルファスになるため、下地層２の結晶性がＭｇＯからなるトンネルバリア層７まで引き継がれない。このため、トンネルバリア層７の成長初期段階に形成された下層部分の結晶性が悪くなる。ところが、膜厚が厚くなるに従って、結晶性が高まり、良好な（２００）配向が得られると考えられる。
【００４１】
これに対し、レファレンス層４ｃがＣｏＦｅで形成されている場合には、（２００）配向した下地層２の良好な結晶性が引き継がれて、ピニング層３も良好な（２００）配向を示す。この配向性が、レファレンス層４ｃを経由して、トンネルバリア層７まで引き継がれる。このため、成長初期段階から、（２００）配向した結晶性の高いＭｇＯ膜が得られる。ところが、膜厚が厚くなるに従って、ＣｏＦｅとＭｇＯとの格子不整合による歪が発生し、結晶性が低下してしまうと考えられる。
【００４２】
この評価結果からわかるように、面積抵抗ＲＡが１０Ω・μｍ２以下になるようにトンネルバリア層を薄くする場合には、下地層２とトンネルバリア層７との間にアモルファス層を介在させることなく、下地層２の結晶性をトンネルバリア層７まで引き継ぐことが好ましい。
【００４３】
図６Ａでは、ピニング層３とトンネルバリア層７との間に単層のレファレンス層４ｃを配置したが、単層のレファレンス層４ｃに代えて、図１に示したようにシンセティックフェリピン層を採用してもよい。この場合、ピンド層４ａ及びレファレンス層４ｃをＣｏＦｅで形成すれば、下地層２の結晶性をトンネル絶縁層７まで引き継ぐことができる。
【００４４】
図６Ａでは、ピニング層３及びレファレンス層４ｃを、フリー層８よりも基板側に配置した、いわゆるボトム型ＴＭＲ素子を示しが、上下関係を逆転させたトップ型ＴＭＲ素子においても、同様の効果が期待できる。
【００４５】
図７に、トップ型ＴＭＲ素子の断面図を示す。支持基板１の上に下地層２が形成され、その上に、フリー層８、トンネルバリア層７、レファレンス層４ｃ、ピニング層３、及びキャップ層９がこの順番に積層されている。フリー層８は、結晶性のＣｏＦｅで形成されている。これにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層２の結晶性が、フリー層８を経由して、ＭｇＯからなるトンネルバリア層７まで引き継がれる。このため、トンネルバリア層７を薄くしても、高い結晶性を持ち、（２００）配向したＭｇＯ膜が得られる。
【００４６】
上記第１及び第２の実施例によるＴＭＲ素子のトンネルバリア層を、Ｃｕ等の非磁性金属層に置き換えて、ＣＩＰ（Current in Plane）型スピンバルブ膜やＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）型スピンバルブ膜を作製することもできる。この場合にも、ピニング層３の表面の平坦度を高めるという効果が得られる。
【００４７】
また、上記第１及び第２の実施例では、ピニング層３にＩｒＭｎを用いたが、ＩｒとＭｎとを主成分とする他の反強磁性材料を用いても同様の効果が得られるであろう。
【００４８】
図８Ａに、第３の実施例による磁気ヘッドの浮上面（媒体に対向する面）の正面図を示す。浮上面をｘｙ面とし、トレーリング方向をｘ軸、トラック幅方向をｙ軸、浮上面に垂直な方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図８Ｂに、磁気ヘッドのｚｘ面に平行な断面図を示す。
【００４９】
基板３０の上に、再生素子部２０及び記録素子部４０がこの順番に積層されている。再生素子部２０は、下部磁気シールド層２２、磁気抵抗効果膜２１、上部磁気シールド層２３を含む。記録素子部４０は、主磁極４１、主磁極補助層４２、補助磁極４３、接続部４５を含む。主磁極４１、主磁極補助層４２、補助磁極４３、及び接続部４５が、磁気記録時に発生する磁束の磁路の一部を構成する。この磁路と鎖交するように、記録用コイル４４が配置されている。記録素子部４０は、公知の方法で作製することができる。
【００５０】
次に、図９Ａ〜図９Ｃを参照して、再生素子部２０の作製方法について説明する。
【００５１】
図９Ａに示すように、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ等の非磁性基板の上にＡｌ２Ｏ３膜を形成して支持基板３０を準備する。支持基板３０の上に、下部磁気シールド層２２をスパッタリングにより形成する。下部磁気シールド層２２はＮｉＦｅ等の高透磁率材料で形成され、その厚さは例えば２〜３μｍである。下部磁気シールド層２２の上に、Ｔａからなる補助下地層２４をスパッタリングにより形成する。
【００５２】
補助下地層２４の上に、下地層２からフリー層８までの各層を形成する。この積層構造は、例えば第１または第２の実施例による磁気抵抗効果膜の構造と同一である。補助下地層２４と下地層２２との合計の厚さは例えば５ｎｍである。なお、シンセティックフェリピン層４を、厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅピンド層４ａ、Ｒｕ８０Ｒｈ２０からなる厚さ０．５ｎｍの非磁性中間層４ｂ、及びＣｏＦｅＢからなる厚さ２．５ｎｍのレファレンス層４ｃの３層で構成してもよい。この場合、非磁性中間層４ｂのＲｈ含有量を５〜４０原子％とすることが好ましく、２０〜３０原子％とすることがより好ましい。また、非磁性中間層４ｂの厚さは、０．３〜０．７ｎｍとすることが好ましく、０．４〜０．７ｎｍとすることがより好ましい。なお、非磁性中間層４ｂをＲｕで形成してもよい。
【００５３】
フリー層８の上に、キャップ層９を形成する。キャップ層９として、例えば厚さ３ｎｍ以上のＴａ層を用いる。なお、Ｔａ層に代えてＲｕ層やＴｉ層を用いてもよいし、Ｔａ層とＲｕ層との積層構造としてもよい。
【００５４】
図９Ｂに示すように、キャップ層９の一部の領域を、通常のフォトリソグラフィによりレジストパターン４９で覆う。このレジストパターン４９をマスクとして、キャップ層９から補助下地層２４までの各層を、イオンミリングによりパターニングする。レジストパターン４９で覆われていなかった領域に、下部磁気シールド層２２が露出する。
【００５５】
図９Ｃに示した構造に至るまでの工程について説明する。図９Ｂに示したレジストパターン４９を残した状態で、全面に、例えばＡｌ２Ｏ３からなる厚さ３〜１０ｎｍの絶縁膜２５を、スパッタリングにより堆積させる。絶縁膜２５の上に、例えばＣｏＣｒＰｔ等からなる磁区制御膜２６を、スパッタリングにより堆積させる。磁区制御膜２６を堆積させた後、レジストパターン４９（図９Ｂ）を、その上に堆積している絶縁膜２５及び磁区制御膜２６と共に除去する。補助下地層２４からキャップ層９までの積層構造体の両側（ｙ軸方向の正側と負側）に、磁区制御膜２６が残る。
【００５６】
磁区制御膜２６の表面を、化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化する。その後、キャップ層９及び磁区制御膜２６の上に、例えばＮｉＦｅ等からなる厚さ２〜３μｍの上部磁気シールド層２３を、スパッタリングにより堆積させる。ここまでの工程で、図８Ａ及び図８Ｂに示した再生素子部２０が完成する。
【００５７】
フリー層８の磁化方向がｙ軸方向にバイアスされるように、磁区制御膜２６が、磁場中で熱処理されている。また、ピンド層４ａ及びレファレンス層４ｃの磁化方向は、ピニング層３との交換結合により、ｚ軸方向に固定される。
【００５８】
磁気記録媒体に記録された情報に基づく磁場に応じて、フリー層８の磁化方向が変化する。その結果、補助下地層２４からキャップ層９までの積層構造を持つＴＭＲ素子の電気抵抗が変化する。この抵抗の変化を電気的に検出することにより、磁気記録媒体に記録された情報を読み取ることができる。
【００５９】
図１０に、上記第３の実施例による磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置の概略図を示す。ロータリアクチュエータ５４で支持されたサスペンションアーム５３の先端に、ジンバルと呼ばれる支持具でスライダ５２が取り付けられている。スライダ５２の端部に磁気ヘッド５１が取り付けられている。磁気ヘッド５１には、上記第３の実施例による磁気ヘッドが用いられる。
【００６０】
磁気ヘッド５１は、磁気ディスク５０の表面から微小な高さだけ浮上している。磁気ディスク５０の表面に、同心円状の多数のトラック５５が画定されている。ロータリアクチュエータ５４を駆動してサスペンションアーム５３を旋回させることにより、磁気ヘッド５１を、磁気ディスク５０上の半径方向に関して異なる位置に移動させることができる。
【００６１】
磁気ヘッドに、上記第１または第２の実施例によるＴＭＲ素子、またはスピンバルブ膜を用いることにより、ピニング層の表面の平坦度の低下に起因する素子特性の劣化を防止することができる。
【００６２】
図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、第４の実施例にについて説明する。第３の実施例では、ＴＭＲ素子を磁気ヘッドに適用したが、第４の実施例では、ＭＲＡＭに適用する。
【００６３】
図１１Ａに、第４の実施例によるＭＲＡＭの断面図を示す。シリコン基板８０の上に、読出用ワード線８２、ＭＯＳトランジスタ８３、書込用ワード線８８、ビット線８９、及びＴＭＲ素子９０が配置されている。読出用ワード線８２と書込用ワード線８８とは、１対１に対応し、第１の方向（図１１Ａにおいて紙面に垂直な方向）に延在する。ビット線８９は、第１の方向と交差する第２の方向（図１１Ａにおいて横方向）に延在する。
【００６４】
ＭＯＳトランジスタ８３は、読出用ワード線８２とビット線８９との交差箇所に配置されている。読出用ワード線８２が、ＭＯＳトランジスタ８３のゲート電極を兼ねる。すなわち、読出用ワード線８２に与えられる電圧によって、ＭＯＳトランジスタ８３の導通状態が制御される。
【００６５】
ＴＭＲ素子９０は、書込用ワード線８８とビット線８９との交差箇所に配置されている。ＴＭＲ素子９０は、図１に示した第１の実施例または図６Ａに示した第２の実施例によるＴＭＲ素子と同じ積層構造を有する。書込用ワード線８８及びビット線８９を流れる電流による磁場の影響を受けて、ＴＭＲ素子９０のフリー層の磁化方向が変化する。ＴＭＲ素子９０の下地層（図１の下地層２）が、配線８７、多層配線層を貫通する複数のプラグ８４及び孤立配線８５を介して、ＭＯＳトランジスタ８３の一方の不純物拡散領域８１に接続されている。ＴＭＲ素子９０のキャップ層（図１のキャップ層９）が、ビット線８９に接続されている。すなわち、配線８７及びビット線８９が、ＴＭＲ素子９０に、その厚さ方向のセンス電流を流す電極となる。
【００６６】
ＭＯＳトランジスタ８３のもう一方の不純物拡散領域８１が、プラグ８４を介して接地配線８６に接続されている。
【００６７】
図１１Ｂに、第４の実施例によるＭＲＡＭの等価回路図を示す。複数の読出用ワード線８２が第１の方向（図１１Ｂにおいて縦方向）に延在する。読出用ワード線８２に対応して、第１の方向に延在する書込用ワード線８８が配置されている。複数のビット線８９が、第１の方向と交差する第２の方向（図１１Ｂにおいて横方向）に延在する。
【００６８】
ビット線８９と書込用ワード線８８との交差箇所に、ＴＭＲ素子９０が配置されている。読出用ワード線８２とビット線８９との交差箇所にＭＯＳトランジスタ８３が配置されている。ＴＭＲ素子９０の一方の端子が、対応するビット線８９に接続されており、他方の端子が対応するＭＯＳトランジスタ８３の一方の端子に接続されている。ＭＯＳトランジスタ８３の他方の端子は接地されている。ＭＯＳトランジスタ８３のゲート電極は、対応する読出用ワード線８２に接続されている。
【００６９】
ＴＭＲ素子９０を、上記第１または第２の実施例によるＴＭＲ素子と同じ積層構造にすることにより、そのピニング層の表面の平坦度の低下に起因する素子特性の劣化を防止することができる。
【００７０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７１】
上述の実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
【００７２】
（付記１）
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と、直接または他の強磁性材料層を介して交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるレファレンス層と、
前記レファレンス層の上に配置された非磁性材料からなる非磁性層と、
前記非磁性層の上に配置され、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料からなるフリー層と
を有する磁気抵抗効果素子。
【００７３】
（付記２）
前記ピニング層は、その（２００）結晶面が前記基板の主表面と平行になるように結晶配向している付記１に記載の磁気抵抗効果素子。
【００７４】
（付記３）
前記下地層の厚さが２ｎｍ以上である付記１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【００７５】
（付記４）
前記下地層の厚さが４ｎｍ以下である付記１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【００７６】
（付記５）
前記非磁性層が、絶縁材料で形成され、その厚さ方向にトンネル電流が流れる厚さを有する付記１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【００７７】
（付記６）
前記非磁性層がＭｇＯで形成されている付記５に記載の磁気抵抗効果素子。
【００７８】
（付記７）
前記下地層の結晶配向性が、前記ピニング層及び前記レファレンス層を介して、前記非磁性層まで引き継がれている付記６に記載の磁気抵抗効果素子。
【００７９】
（付記８）
さらに、
前記ピニング層とレファレンス層との間に配置された強磁性材料からなるピンド層と、
前記ピンド層と前記レファレンス層との間に配置された非磁性材料からなる中間層とを含み、
前記ピンド層は、前記ピニング層と交換結合することにより、その磁化方向が固定され、
前記ピンド層と前記レファレンス層とは、前記中間層を介して、両者の磁化方向が相互に反平行になるように交換相互作用を及ぼし合う付記１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【００８０】
（付記９）
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料で形成されているピニング層と、
前記ピニング層の上に配置されており、該ピニング層と交換結合することにより磁化方向が固定される強磁性材料からなるピンド層と
を有する磁性積層構造体。
【００８１】
（付記１０）
前記下地層を形成するＮｉＦｅＮは、その（２００）面が前記基板の主表面と平行になるように配向している付記９に記載の磁性積層構造体。
【００８２】
（付記１１）
ＮｉＦｅターゲットを用い、スパッタガスとして窒素を含むガスを用いた反応性スパッタリングにより、ＮｉＦｅＮからなる下地層を、基板上に形成する工程と、
前記下地層の上に、ＩｒとＭｎとを含む反強磁性材料からなるピニング層を形成する工程と
を有する磁性積層構造体の製造方法。
【００８３】
（付記１２）
前記スパッタガスが、ＡｒとＮ２とを含む付記１１に記載の磁性積層構造体の製造方法。
【００８４】
（付記１３）
前記スパッタガス中のＮ２ガスの分圧比が３０％以上である付記１２に記載の磁性積層構造体の製造方法。
【００８５】
（付記１４）
基板の主表面上に配置されており、ＮｉＦｅＮで形成されている下地層と、
前記下地層の上に配置されており、外部磁場の影響によって磁化方向が変化する強磁性材料で形成されているフリー層と、
前記フリー層の上に配置されており、ＭｇＯで形成されているトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置されており、磁化方向が固定された強磁性材料で形成されているレファレンス層と
を有する磁気抵抗効果素子。
【００８６】
（付記１５）
前記フリー層がＣｏＦｅで形成されており、Ｂを含有しない付記１４に記載の磁気抵抗効果素子。
【００８７】
（付記１６）
前記下地層の結晶性が、前記フリー層を経由して前記トンネルバリア層まで引き継がれている付記１４または１５に記載の磁気抵抗効果素子。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】第１の実施例による磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図２】（２Ａ）は、ＩｒＭｎ層の表面の高低差と、その下地層成膜時の窒素ガス分圧比との関係を示すグラフであり、（２Ｂ）は、ＩｒＭｎ層の表面の高さの標準偏差と、その下地層成膜時の窒素ガス分圧比との関係を示すグラフである。
【図３】（３Ａ）は、ＩｒＭｎからなるピニング層の下地にＮｉＦｅＮ、ＮｉＦｅ、及びＲｕを用いたＴＭＲ素子のＭＲ比と面積抵抗ＲＡとの関係を示すグラフであり、（３Ｂ）は、ＭＲ比と、下地層成膜時の窒素ガス分圧比との関係を示すグラフである。
【図４】（４Ａ）は、ＩｒＭｎからなるピニング層の下地にＮｉＦｅＮ膜を用いたときのＮｉＦｅＮ膜の厚さを異ならせた複数の試料のＭＲ比と面積抵抗ＲＡとの関係を示すグラフであり、（４Ｂ）は、面積抵抗ＲＡが１０Ω・μｍ２の試料のＭＲ比と、下地層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図５】ＩｒＭｎからなるピニング層の下地にＮｉＦｅＮ層を用いた試料と、Ｒｕを用いた試料とに印加する外部磁場を変化させたときの正規化ＭＲ比のヒステリシスループを示すグラフである。
【図６】（６Ａ）は、ピンド構造にＣｏＦｅを用いた第２の実施例によるＴＭＲ素子の断面図であり、（６Ｂ）は、第２の実施例によるＴＭＲ素子と、ピンド構造にＣｏＦｅを用いたＴＭＲ素子との、ＭＲ比と面積抵抗ＲＡとの関係を示すグラフである。
【図７】トップ型ＴＭＲ素子の断面図である。
【図８】（８Ａ）は、第３の実施例による磁気ヘッドの浮上面の正面図であり、（８Ｂ）は、その断面図である。
【図９−１】（９Ａ）及び（９Ｂ）は、第３の実施例による磁気ヘッドの再生素子部の製造方法を説明するための製造途中における素子の断面図である。
【図９−２】（９Ｃ）は、第３の実施例による磁気ヘッドの再生素子部の断面図である。
【図１０】第３の実施例による磁気ヘッドを用いたハードディスクドライブの概略図である。
【図１１】（１１Ａ）は、第４の実施例によるＭＲＡＭの断面図であり、（１１Ｂ）は、ＭＲＡＭの等価回路図である。
【図１２】磁気ヘッド及び磁気記録媒体の斜視図である。
【符号の説明】
【００８９】
１  支持基板
２  下地層
３  ピニング層
４  ピンド構造
４ａ  ピンド層
４ｂ  非磁性中間層
４ｃ  レファレンス層
７  トンネルバリア層
８  フリー層
９  キャップ層
２０  再生素子部
２１  ＴＭＲ素子
２２  下部磁気シールド層
２３  上部磁気シールド層
２４  補助下地層
３０  基板
４０  記録素子部
４１  主磁極
４２  主磁極補助層
４３  補助磁極
４４  記録用コイル
４５  接続部
４９  レジストパターン
５０  磁気ディスク
５１  磁気ヘッド
５２  スライダ
５３  サスペンションアーム
５４  ロータリアクチュエータ
５５  トラック
８０  基板
８１  不純物拡散領域
８２  読出用ワード線
８３  ＭＯＳトランジスタ
８４  プラグ
８５  孤立配線
８６  接地配線
８７  配線
８８  書込用ワード線
８９  ビット線
９０  ＴＭＲ素子
【図１】
2008235528.tif 000003
【図２】
2008235528.tif 000004
【図３】
2008235528.tif 000005
【図５】
2008235528.tif 000006
【図６】
2008235528.tif 000007
【図７】
2008235528.tif 000008
【図８】
2008235528.tif 000009
【図９−１】
2008235528.tif 000010
【図９−２】
2008235528.tif 000011
【図１０】
2008235528.tif 000012
【図１１】
2008235528.tif 000013
【図１２】
2008235528.tif 000014
【図４】
2008235528.tif 000015