(57)【要約】【課題】抵抗変化率が高く高感度な、高密度記録に適したＣＰＰ磁気抵抗効果素子及びその製造方法、並びにＣＰＰ磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置を提供する。【解決手段】ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ）磁気抵抗効果素子において、固定磁化層２８と自由磁化層３３との間に、下側非磁性中間層２９及び上側非磁性中間層３２を介して、磁性中間層３０及び酸化絶縁層３１を設けた構造とする。酸化絶縁層３１の電流狭窄効果と磁性中間層３０／下側非磁性中間層２９との磁性／非磁性界面ＢＤ１での界面散乱効果により抵抗変化率を向上させることができる。【選択図】        図３
2004207366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由磁化層と、固定磁化層と、前記自由磁化層と固定磁化層との間に形成された複数の導電性の非磁性中間層とを有し、
前記複数の非磁性中間層のうちいずれか２つの非磁性中間層間に、絶縁層及び磁性原子を含む磁性層を有することを特徴とするＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記絶縁層と前記磁性層とが互いに接していることを特徴とする請求項１記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記絶縁層は、磁性層を形成する材料の酸化物よりなることを特徴とする請求項２記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁性層は複数の層からなり、前記絶縁層は磁性層に挟まれていることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記自由磁化層および固定磁化層のうち少なくともいずれかは積層フェリ構造を有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁性層は強磁性層であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁性原子はＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置。
【請求項９】
自由磁化層と、固定磁化層と、前記自由磁化層及び固定磁化層に挟まれた複数の導電性の非磁性中間層と、前記複数の非磁性中間層に挟まれた、絶縁層及び磁性原子を含む磁性層とを有するＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記磁性層を酸化処理して前記絶縁層を形成する絶縁層形成工程を備えることを特徴とするＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
前記絶縁層形成工程は、前記磁性層の一部を酸化処理することを特徴とする請求項９記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサ、例えば磁気記憶装置において情報を再生するための磁気抵抗効果素子に関し、特にいわゆるスピンバルブ膜を用いて、スピンバルブ膜の積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ）構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネット、デジタルＴＶ放送等の急速な普及に伴い、大容量の記憶装置にニーズが急速に高まっている。大容量の記憶装置、例えばハードディスク装置においては記録密度の向上が著しく、特に１９９０年台半ばより年率６０〜１００％の伸びを記録している。この間のキーとなる技術的進歩としては、磁気ディスクの高保磁力化および低媒体ノイズ化、磁気ヘッドには再生用磁気ヘッドとしてスピンバルブＧＭＲヘッドの開発が挙げられる。
【０００３】
これまでのスピンバルブＧＭＲヘッドは、ＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）構造、すなわちスピンバルブ膜の膜面内方向にセンス電流を流し、スピンバルブ膜を構成する固定磁化層と自由磁化層の相対的な磁化の角度に対応して、電子が散乱され、スピンバルブ膜の抵抗値が変化する。現在のところ抵抗変化率が０．５％、記録密度が約５０Ｇｂｉｔ／ｉｎ2が達成されている。
【０００４】
次世代の１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2台の記録密度達成のため、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果型）ヘッド、ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ）−ＧＭＲヘッドの検討が進められている。ＴＭＲヘッドは抵抗変化率が大きいものの、抵抗値ＲＡが数Ωμｍ2で大きいという欠点がある。一方、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、抵抗値ＲＡが１Ωμｍ2以下で適度な抵抗値ＲＡを有し、素子寸法が小さくなるにつれて、抵抗変化率が増加し、素子出力が増加する特長を有しており、高密度記録装置において高感度な再生ヘッドとして期待されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１５７７１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドにおいて、次世代の１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ2台の記録密度を達成するには、抵抗変化率が低く、磁気抵抗効果素子の感度が不十分であるという問題がある。
【０００７】
例えば、感度を向上するために素子寸法を微小化するというアプローチがある。しかし、フォトリソグラフィー技術を用いても、素子寸法は１００ｎｍ×１００ｎｍ程度が限界であり、これ以上の著しい微細化は望めないため、磁気抵抗効果素子の感度向上を図ることができない。
【０００８】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、抵抗変化率が高く高感度な、高密度記録に適したＣＰＰ磁気抵抗効果素子及びその製造方法、並びにＣＰＰ磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、自由磁化層と、固定磁化層と、前記自由磁化層と固定磁化層との間に形成された複数の導電性の非磁性中間層とを有し、前記複数の非磁性中間層のうちいずれか２つの非磁性中間層間に、絶縁層及び磁性原子を含む磁性層を有するＣＰＰ磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１０】
本発明によれば、自由磁化層と固定磁化層との間に、複数の導電性の非磁性中間層が形成され、その導電性の非磁性中間層に挟まれて絶縁層及び磁性原子を含む磁性層が形成されている。絶縁層において、センス電流としてＣＰＰ磁気抵抗効果素子を流れる電子が、例えば絶縁層の膜質等の極めて微細な不均一性により電子が流れ易い部分に局所的に集中し、電子が流れる経路が狭窄される。狭窄された電子が自由磁化層または固定磁化層に到達するので、これらの層の磁化との相互作用を生じる確率が向上し、その結果、抵抗変化率が向上する。また、磁性層と非磁性中間層と間に磁性／非磁性界面での界面散乱が生じていると考えられ、抵抗変化率が更に増加する。特に、電子の狭窄効果及び界面散乱効果の相乗的効果が生じていると考えられ、抵抗変化率が一層向上し、磁界検出感度を向上することができる。
【００１１】
前記絶縁層と前記磁性層とが互いに接していてもよく、さらにその絶縁層が磁性層を形成する材料の酸化物よりなっていてもよい。磁性層の表面を酸化処理等することにより、磁性層を形成する材料を酸化させ容易に絶縁層を形成することができる。特に、絶縁層と磁性層とが近接して形成されるので、上記電流狭窄効果と界面散乱効果とが相乗的に高まっていると考えられ、抵抗変化率を一層向上することができる。
【００１２】
前記磁性層は複数の層からなり、前記絶縁層は磁性層に挟まれていてもよい。少ない層数で磁性／非磁性界面をより多く形成することができ、少ない層数で更に抵抗変化率を向上することができる。
【００１３】
前記自由磁化層および固定磁化層のうち少なくともいずれかは積層フェリ構造を有してもよい。
【００１４】
前記磁性層は強磁性層であってもよく、前記磁性原子はＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうち少なくとも１つを含んでいてもよい。磁性／非磁性界面での界面散乱の効果をより大きくすることができ、更に抵抗変化率を向上することができる。
【００１５】
本発明の他の観点によれば、上記いずれかのＣＰＰ磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置が提供される。
【００１６】
本発明によれば、抵抗変化率が高く、高感度なＣＰＰ磁気抵抗効果素子を備えているので、高密度記録が可能となる。
【００１７】
本発明のその他の観点によれば、自由磁化層と、固定磁化層と、前記自由磁化層及び固定磁化層に挟まれた複数の導電性の非磁性中間層と、前記複数の非磁性中間層に挟まれた、絶縁層及び磁性原子を含む磁性層とを有するＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記磁性層を酸化処理して前記絶縁層を形成する絶縁層形成工程を備えるＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。
【００１８】
本発明によれば、磁性層を酸化処理することにより容易に絶縁層を形成することができ、絶縁層による電流狭窄効果と、磁性層と非磁性中間層との界面散乱効果により、抵抗変化率を向上することができる。特に、絶縁層と磁性層とが近接して形成されるので、上記電流狭窄効果と界面散乱効果が近接して生じるため、相乗的に効果が高まっていると考えられ、更に抵抗変化率を向上することができる。
【００１９】
本願発明者は、自由磁化層と固定磁化層との間に、導電性の非磁性中間層を介して、絶縁層及び磁性原子を含む磁性層を挟むことにより、ＣＰＰ磁気抵抗効果素子において従来にない高い抵抗変化率が得られることを見出した。
【００２０】
図１は、本発明のＧＭＲ膜を流れる電子の経路を概略的に示す想像図である。センス電流（電子）はＧＭＲ膜の積層方向に流れる。ここでは自由磁化層１０１から固定磁化層１０２へと電子が流れるとして説明する。まず、自由磁化層１０１を通過した電子は、自由磁化層１０１の磁化との相互作用により、自由磁化層１０１の磁化の向きの情報を得て、下方の上側非磁性中間層１０３であるＣｕ層を流れ、絶縁層１０４に達する。絶縁層１０４では、電子が通り易い部分１０４−１（例えば微視的に酸素原子が欠損して導電性が比較的良好な部分）に集中され、電子の空間密度が高まる部分が形成される。さらに、磁性層１０５及び下側非磁性層１０６の界面ＢＤにおいて、界面散乱が生じる。そして、電子の空間密度が高い状態で固定磁化層１０２に達し、固定磁化層の磁化の方向に応じて電子が散乱され、ＧＭＲ膜１００を通過する電子量が規定される。本発明では、自由磁化層と固定磁化層との間において、電流狭窄効果が生じ、更に磁性／非磁性界面での界面散乱が生じるため、これらの相乗効果により抵抗変化率が高まっていると考えられる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図２は、複合型磁気ヘッドの書き込み及び読み出し行う素子の媒体対向面の構造を示す図である。図２中、媒体の回転方向は矢印Ｘで示す方向である。
【００２３】
図２を参照するに、複合型磁気ヘッド１０は、媒体の回転方向の下流側に位置する書き込みを行う誘導型書き込み素子１１と、上流側に位置するＣＰＰ型構造を有する磁気抵抗効果素子１２により構成されている。複合型磁気ヘッド１０は、誘導型書き込み素子が上部磁極１３と下部磁極１４との間より漏洩する磁場により対向する磁気記録媒体（図示せず）に情報が記録される。また、磁気抵抗効果素子１２が磁気記録媒体に記録された情報に基づいて漏洩する磁場を、抵抗変化として検知する。
【００２４】
誘導型書き込み素子１１及び磁気抵抗効果素子１２は、ヘッドスライダの基体となるＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ（アルチック）よりなる平坦なセラミック基板１５上に積層されて形成され、アルミナ等の絶縁体により覆われている。
【００２５】
誘導型書き込み素子１１は、媒体対向面に磁気記録媒体のトラック幅に相当する幅を有する上部磁極１３と、書き込みギャップ層を挟んで対向する下部磁極１４と、上部磁極と下部磁極とを接続するヨーク（図示されず）と、ヨークを巻回するコイル（図示されず）などによりなる。上部磁極１３、下部磁極１４及びヨークは、軟磁性材料より構成され、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大なる材料、例えば、Ｎｉ80Ｆｅ20、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ合金などが好適である。
【００２６】
磁気抵抗効果素子１２は、セラミック基板１５表面に形成されたアルミナ膜１７上に、下部電極１６、下部副電極１８、ＧＭＲ膜２０、上部電極２１、磁区制御膜２２などが形成された構成となっている。抵抗変化を検知するセンス電流は、下部電極１６または上部電極２１より流され、下部電極１６に接続された下部副電極１８またはＧＭＲ膜２０に接続されている上部電極２１の端子部２１−１によりＧＭＲ膜２０の中央付近にセンス電流が集中され、ＧＭＲ膜２０の積層方向にセンス電流が流される。センス電流がＧＭＲ膜２０の中央付近に集中されているので抵抗変化率を向上することができる。ＧＭＲ膜２０の両側には、磁区制御膜２２が配置される。ＧＭＲ膜２０を構成する軟磁性層である固定磁化層、自由磁化層（図３に示す）の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。なお、下部電極１６、下部副電極１８、及び上部電極２１はセンス電流の流路としての機能に加え磁気シールドとしての機能も兼ねるため、軟磁性合金、例えばＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＣｏＦｅ等により構成される。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態に係るＧＭＲ膜を示す図である。図３を参照するに、本実施の形態に係るＧＭＲ膜２０は、シングルスピンバルブ構造を有し、下地層２５、反強磁性層２６、固定磁化層２８、下側非磁性中間層２９、磁性中間層３０、酸化絶縁層３１、上側非磁性中間層３２、自由磁化層３３、保護層３４が順次積層された構造となっている。
【００２８】
下地層２５は、図２に示す下部副電極１８上にスパッタ法等により形成され、例えば厚さ５ｎｍのＴａ層及び厚さ２ｎｍのＮｉＦｅ層により構成される。下地層２５は、この表面に形成される反強磁性層２６の結晶成長を促進し規則合金化し易くする。
【００２９】
反強磁性層２６は、下地層２５の表面にスパッタ法等により形成され、例えば厚さ１３ｎｍのＰｄＰｔＭｎ層により構成される。具体的には、反強磁性層２６は厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍのＲｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕよりなる群のうち少なくとも１種の元素とＭｎとを含む反強磁性材料により構成される。このうちＭｎの含有量は４５原子％〜９５原子％であることが好ましい。この反強磁性膜２６は、所定の磁場中で加熱処理を行うことにより規則合金化され反強磁性が出現する。反強磁性層２６は、この上に形成される固定磁化層２８との界面において一軸異方性により固定磁化層２８の磁化を固定する。
【００３０】
固定磁化層２８は、積層フェリ構造を有し、下側強磁性層３５／非磁性層３６／上側強磁性層３８を順次積層した構成となっている。具体的には、これらの下側及び上側強磁性層３５、３８の磁性材料の組成を同様とし、厚さ１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素を含む軟磁性強磁性材料、例えば、Ｎｉ80Ｆｅ20、Ｃｏ75Ｆｅ25などの材料を用いることができる。または、これらの積層体により構成されてもよい。非磁性層３６は、例えば厚さ０．４ｎｍ〜２ｎｍから選択され、下側及び上側強磁性膜３５、３８が反強磁性的に結合する膜厚が選択される。非磁性層３６は、例えばＲｕ、Ｃｒ、Ｒｕ合金、Ｃｒ合金により構成される。このような構成により、下側強磁性膜３５は、下側に設けられている反強磁性層２６の一軸異方性により磁化の方向が固定され、下側強磁性膜３５が上側強磁性膜３８と反強磁性的に結合するので、上側強磁性膜３８の磁化が、下側強磁性膜３５の磁化と反平行に固定される。この固定磁化層２８は、例えばＣｏ75Ｆｅ25（２０ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ75Ｆｅ25（１２ｎｍ）とすることができる。
【００３１】
下側及び上側非磁性中間層２９、３２は、下記磁性中間層３０及び酸化絶縁層３１を挟み一対のＣｕ層により構成されている。具体的には、スパッタ法により形成されたそれぞれ厚さ２ｎｍのＣｕ層により構成されている。
【００３２】
磁性中間層３０は、前記非磁性中間層２９上にスパッタ法等により形成され、厚さ１ｎｍのＣｏＦｅＢにより構成されている。下側非磁性中間層２９と磁性／非磁性界面ＢＤ１を形成し、抵抗変化率が向上されると考えられ、磁性中間層３０の表面に形成された酸化絶縁層３１が電流狭窄の機能を有するため、さらに抵抗変化率を向上することができる（詳細は後述する。）。
【００３３】
酸化絶縁層３１は、前記磁性中間層３０の表面を後述する酸化処理により酸化した厚さ約１ｎｍの絶縁性物質により構成されている。上述したように、酸化絶縁層３１は電流狭窄の機能を有するためにさらに抵抗変化率を向上することができる。
【００３４】
自由磁化層３３は、酸化絶縁層３１の表面にスパッタ法等により形成され、厚さ２０ｎｍのＣｏＦｅＢ層等により構成されている。具体的には、例えば、厚さが１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びこれらの元素を含む軟磁性強磁性材料、例えば、Ｎｉ80Ｆｅ20、Ｃｏ75Ｆｅ25、Ｃｏ78Ｆｅ20Ｂ2など、または、これらの膜の積層体により構成される。自由磁化層３３の磁化は、膜の面内にあり、磁気記録媒体より漏洩する磁場の方向に応じて磁化の向きが変わる。その結果、自由磁化層３３の磁化と固定磁化層２８の磁化とのなす角に対応してＧＭＲ膜２０の抵抗値が変化する。
【００３５】
保護層３４は、自由磁化層の表面にスパッタ法等により形成され、厚さ４ｎｍのＣｕ層と厚さ５ｎｍのＲｕ層が順次積層された構成となっている。具体的には、保護層３４は、Ｃｕ層が厚さ１ｎｍ〜５ｎｍである。Ｃｕ層はＧＭＲ膜２０の熱処理時に自由磁化層３３の酸化を防止すると共に、前記自由磁化層３３と磁性／非磁性界面を形成して抵抗変化率を向上させる作用も有する。また、Ｒｕ層は、厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍであり、非磁性金属、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｗ等であっても良い。反強磁性層の熱処理の際にＧＭＲ膜２０が酸化されることを防止できる。以上によりＧＭＲ膜２０が構成される。
【００３６】
以下、磁性中間層３０及び酸化絶縁層３１について詳しく説明する。磁性中間層３０には、軟磁性材料、硬質磁性材料、フェリ磁性材料及び反強磁性材料の何れでも用いることができ、磁性中間層３０には４ｄ磁性元素、希土類磁性元素が含まれている材料が用いられる。特にＦｅ、Ｃｏを含む強磁性材料が更に好ましく、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＦｅＳｉＡｌ等の軟磁性材料が特に好ましい。ＣｏＦｅの場合は、Ｃｏ1-xＦｅxと表す一般式においてＸ＝１０〜５０原子％の範囲の材料が特に好ましい。
【００３７】
また、磁性中間層３０の厚さは０．１ｎｍ〜２０ｎｍが好ましい。ただし、厚さが０．１ｎｍ以下であっても接する酸化絶縁層３１があれば、図８において示す抵抗変化率の評価結果より抵抗変化率の増加が認められ、その増加量は０．７％程度である。厚さが２０ｎｍ以上になると、ＧＭＲ膜２０全体の厚さが過度に大となり、下部電極１６と上部電極２１とにより規定される読み取りギャップ長が大きくなってしまう。
【００３８】
酸化絶縁層３１は、磁性中間層３０の表面をラジカル酸化法、プラズマ酸化法、自然酸化法等を用いて形成される。例えば、プラズマ酸化法は、処理室内に酸素を導入しプラズマを励起することにより酸素がイオンあるいは原子状態（ラジカル）になり、酸素イオン及び原子状酸素Ｏ*が磁性中間層表面から侵入・反応して磁性中間層の酸化膜に変換する。酸素イオンは、加速されて磁性中間層３０表面に衝突するので、より反応性に富み、酸化処理時間を短縮することができる点で好ましい。ただし、過度の加速エネルギーを酸素イオンに与えると磁性中間層３０に損傷を与え、磁性中間層３０表面の表面性や結晶性の劣化を招き、さらにはピンホールなどを形成してしまうおそれもある。
【００３９】
他方、ラジカル窒化法は、原子状酸素Ｏ*のみにより、かつ加速されずに磁性中間層３０と反応するので、原子状窒素Ｏ*が磁性中間層３０に接触する際に損傷を与えることがない。したがって結晶性を損なうことなく酸化絶縁層３１に変換できる点で好ましい。ただし、酸化速度が大であるので、処理時間の制御性に劣る。
【００４０】
自然酸化法が、処理時間の制御性、形成される酸化絶縁層の均一性の点でより好ましい。例えば、磁性中間層３０をスパッタ法により形成後、高真空の状態で成膜チャンバーから酸化処理チャンバーに搬送し、酸素ガスを導入して圧力１Ｐａ〜１００ｋＰａに設定して、処理時間５０秒〜１０００秒で処理を行う。この酸化処理により、磁性中間層３０の表面が酸化され、非磁性の酸化絶縁層３１が形成される。酸化絶縁層３１はＧＭＲ膜２０を流れる電子を狭窄する効果がある。すなわち、酸化絶縁層３１には局所的に電子の流れ易い部分と流れ難い部分とがあり、電子は流れやすい部分に集中する。電子の流れが集中すると、例えば自由磁化層３３から流れてきた電子が酸化絶縁層３１により局所的に狭窄され固定磁化層２８に達しても、広がらずに局所的に空間電子密度が高い状態にあると考えられる。このような状態では固定磁化層２８の磁化（スピン）と相互作用を及ぼし合う確率が増加すると考えられ、その結果ＭＲ率は増加すると考えられる。
【００４１】
さらに、本実施の形態によれば、酸化絶縁層３１の近傍に磁性中間層３０と下側非磁性中間層２９との磁性／非磁性界面ＢＤ１が形成されることにより、電子の界面散乱効果がより効果的に生じると考えられ、抵抗変化率を更に向上することができる。
【００４２】
次に本実施の形態に係るＣＣＰ磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
【００４３】
図４〜図６の（Ａ）〜（Ｇ）は、本実施の形態に係るＣＣＰ磁気抵抗効果素子の製造工程を示す図である。ＣＣＰ磁気抵抗効果素子は半導体集積装置の前工程とほぼ同様の手法により製造される。
【００４４】
図４（Ａ）の工程では、アルチックのセラミック基板１５上にスパッタ法等によりアルミナ膜１７、スパッタ法やメッキ法などによりＮｉ75Ｆｅ25よりなる下部電極１６を順次形成する。
【００４５】
図４（Ａ）の工程ではさらに、下部電極１６上にレジスト３９によりパターニングして、下部副電極１８のパターンを形成する。次いでメッキ法等によりＮｉ75Ｆｅ25よりなる下部副電極１８を形成する。
【００４６】
次に図４（Ｂ）の工程では、レジストを除去して、図４（Ａ）の構造体を覆うようにアルミナ膜４０を例えばＣＶＤ法により堆積させる。次いでＣＭＰ（化学的機械研磨）法により下部電極１８が露出するまで研磨し、平坦面を得る。
【００４７】
次に図４（Ｃ）の工程では、図４（Ｂ）の構造体全体を覆うように、ＧＭＲ膜２０の下地層２５から磁性中間層３０までを形成する。具体的には、ベースプレッシャーが１×１０-8Ｐａより高真空にすることが可能な超高真空の成膜チャンバー内で、上述した材料よりなる下地層２５から磁性中間層３０までをスパッタ法により形成する。次いで外気に解放せずに基板を酸化処理チャンバーに搬送する。磁性中間層３０の表面にパーティクルや有機物の付着を防止し、抵抗値の素子間あるいはロット間のばらつきを抑制するとともに、磁気抵抗効果素子１２の長期動作信頼性を確保することができる。
【００４８】
図４（Ｃ）の工程ではさらに、自然酸化法により磁性中間層３０の酸化処理を行う。具体的には、基板を室温に保持し、酸化処理チャンバーに酸素ガスを導入し、圧力を１Ｐａ〜１００ｋＰａに設定する。処理時間５０秒〜１０００秒間、磁性中間層３０を酸素ガスに曝し、図５（Ｄ）に示すように、磁性中間層３０の表面に、磁性中間層３０が酸化された酸化絶縁層３１が形成される。
【００４９】
次に図５（Ｅ）の工程では、酸化処理チャンバーの酸素ガスを排気後、外気に解放せずに再び成膜チャンバーに搬送する。成膜チャンバー内でスパッタ法によりＣｕよりなる非磁性中間層３２から保護層３４までを形成する。
【００５０】
図５（Ｅ）の工程ではさらに、反強磁性層２６を規則合金化し反強磁性を出現させるための熱処理を行う。具体的には、所定の方向に磁場を１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）印可して３００℃程度で１８０分加熱処理する。
【００５１】
次に図６（Ｆ）の工程では、図５（Ｅ）までに形成されたＧＭＲ膜２０をエッチングして、所望の幅（読み取りトラック幅に相当する）に研削する。具体的には、レジストをパターニングして、ドライエッチングによりアルミナ膜４０に達するまで研削する。
【００５２】
図６（Ｆ）の工程ではさらに、ＧＭＲ膜２０の両側に磁区制御膜２２が形成される。具体的には、レジストをパターニングして磁区制御膜２２が形成される部分に開口を設けスパッタ法等により成膜する。この際、磁区制御膜２２がＧＭＲ膜２０に接するように形成してもよく、また、磁区制御膜２２とＧＭＲ膜２０との界面にアルミナ膜などの絶縁層を設けてもよい。
【００５３】
図６（Ｆ）の工程ではさらに、レジスト４１をパターニングして、ＧＭＲ膜２０の直上部分に、上部電極２１の端子部２１−１となる部分のみレジスト４１を残す。次いで構造体全体を覆う絶縁膜４２を形成する。具体的には、スパッタ法、ＣＶＤ法などによりシリコン酸化膜またはアルミナ膜を形成する。次いで、ＣＭＰ法により絶縁膜の表面を平坦化する。
【００５４】
次に図６（Ｇ）の工程では、レジスト４１を除去後、スパッタ法などによりＮｉ75Ｆｅ25よりなる上部電極２１を形成する。以上よりＣＣＰ磁気抵抗効果素子が形成される。なお、誘導型書き込み素子１１は図６（Ｇ）の構造体の上に公知の方法により形成される。
【００５５】
次に本実施の形態に係るＧＭＲ膜２０の評価に先立って、自然酸化法により酸化形成される酸化絶縁層の厚さの評価を行った。
【００５６】
酸化絶縁層を評価する試料は、上述した高真空チャンバー内で、ガラス基板上に、厚さ１０ｎｍのＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層を形成し、次いで酸化処理チャンバー内で自然酸化法により、基板温度を２０℃に設定して、酸素雰囲気の圧力及び酸素雰囲気に曝す時間を変えてＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層の表面を酸化させた。次いで高真空チャンバー内で酸化防止用のＴａからなる保護層を形成した。なお、この際、同時に酸化処理を行わない試料を作製した。試料はＶＳＭ（振動試料型磁力計）により最大磁場６３２ｋＡ／ｍ（８ｋＯｅ）を印可して飽和磁化の測定を行った。
【００５７】
図７は、規格化飽和磁化及び酸化絶縁層の厚さと、酸素ガスの圧力と酸素ガスに曝露した時間との積との関係を示す図である。図７中、横軸は酸素ガスの圧力と曝露した時間の積（圧力時間積と呼ぶ。）である。圧力時間積は、Ｃｏ88Ｆｅ10Ｂ2層表面に衝突する酸素分子の単位面積当たりの衝突回数に相当し、一般にこの衝突回数が多い程、酸化絶縁層の厚さは増加すると考えられる。縦軸は、酸化処理をしない試料の飽和磁化を用いて規格化した規格化飽和磁化（＝酸化処理をした試料の飽和磁化／酸化処理をしない試料の飽和磁化）であり、酸化膜厚は規格化飽和磁化の減少割合、すなわち酸化膜厚＝酸化処理前のＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層の膜厚×（１−規格化飽和磁化）により求めたものである。
【００５８】
図７を参照するに、圧力時間積が増加すると、規格化飽和磁化が減少し、すなわち酸化膜厚が増加する。約０．７ｋＰａ・秒で飽和磁化が初期値より１０％減少したところで飽和を示し、それ以上圧力時間積を増加させても一定となった。すなわち、酸化絶縁層がＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層の全膜厚１０ｎｍの１０％、つまり１．０ｎｍだけ形成されていることとなる。また、圧力を変えて酸化処理しても図７に示す関係と同様となった。すなわち、基板温度を２０℃とした場合、酸化処理されて形成される酸化絶縁層は１．０ｎｍである。なお、基板温度を高くすると酸化絶縁層の厚さは増加し、また、磁性中間層の組成をＦｅ元素比を増加させると酸化絶縁層の厚さは増加すると考えられる。
【００５９】
次に、本実施の形態のＧＭＲ膜の抵抗変化率を評価するために、ウェハ上に、それぞれ厚さ１０ｎｍ、４０ｎｍのＴａ層／Ａｕ層（下部電極）、それぞれ厚さ５ｎｍ、２ｎｍのＴａ層／ＮｉＦｅ層（下地層）、厚さ１３ｎｍのＰｄＰｔＭｎ層（反強磁性層）、厚さ３ｎｍのＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層／厚さ０．８ｎｍのＲｕ層／厚さ４ｎｍのＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層（固定磁化層）、厚さ２ｎｍのＣｕ層（下側非磁性中間層）、Ｃｏ88Ｆｅ10Ｂ2層（磁性中間層）、ＣｏＦｅＢＯx層（酸化絶縁層）、厚さ２ｎｍのＣｕ層（上側非磁性中間層）、厚さ３ｎｍのＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層（自由磁化層）、厚さ４ｎｍのＣｕ層／厚さ５ｎｍのＲｕ層（保護層）、それぞれ厚さ３００ｎｍ、１０ｎｍのＡｕ層／Ｔａ層（上部電極）、が順次積層された構成とし、磁性中間層の厚さを０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲で異ならせたＧＭＲ膜を形成し、その磁性中間層の表面を自然酸化法による酸化処理で、圧力３．５Ｐａの酸素雰囲気中に１００秒間曝露して酸化絶縁層を形成した。
【００６０】
抵抗変化率の測定は以下の方法を用いた。抵抗値Ｒを、固定磁化層の正味の磁化と自由磁化層の磁化とが平行の状態でＧＭＲ膜の下部電極と上部電極間の電圧が５０ｍＶになる電流値を印加し、下部電極と上部電極間の電圧を検知して、外部磁界の大きさを−３９．５ｋＡ／ｍ（−５００Ｏｅ）〜３９．５ｋＡ／ｍ（５００Ｏｅ）に設定し、また、抵抗変化率は、抵抗値Ｒの最小値をＲmin、最大値をＲmaxとして、抵抗変化率（％）＝（Ｒmax−Ｒmin）／（Ｒmax−Ｒmin）×１００とし、ＲＡ値をＲminとＧＭＲ膜の面積Ａとの積とした。面積Ａは０．１〜１μｍ2とした。
【００６１】
図８は、本実施の形態のＧＭＲ膜の抵抗変化率と磁性中間層の膜厚（酸化処理前）との関係を示す図である。図８を参照するに、抵抗変化率は０．６μｍ以上では抵抗変化率が膜厚に対して増加し、１．５μｍ付近でほぼ飽和することが分かる。
【００６２】
上述した自然酸化法による酸化絶縁層の膜厚の評価より、磁性中間層のＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層の厚さが１．０ｎｍ以下は総て酸化され、Ｃｏ88Ｆｅ10Ｂ2の酸化物に変換されている。また、磁性中間層のＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層の厚さが１．０ｎｍ以上では、Ｃｏ88Ｆｅ10Ｂ2層とＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2の酸化物層の積層膜となっていることが分かる。
【００６３】
したがって、膜厚が０．６μｍ〜１．０μｍでの抵抗変化率の増加は、酸化絶縁層によるセンス電流の局所的集中による効果、すなわち電流狭窄効果によるものと考えられる。一方、磁性中間層のＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層の厚さが１ｎｍ以上では約２．９５％まで増加している。この抵抗変化率の顕著な増加は、１ｎｍ以下の抵抗変化率が最大１．３５％であること比較して極めて大幅に増加している。これは、磁性中間層と下側のＣｕ層との界面、すなわち磁性／非磁性界面での散乱効果によるものと考えられる。
【００６４】
本実施の形態によれば、固定磁化層と自由磁化層との間に酸化絶縁層及び磁性中間層を設けているので、センス電流の電流狭窄効果及び磁性／非磁性界面の散乱効果により抵抗変化率が顕著に増加する。したがって高感度なＣＰＰ磁気抵抗効果素子を実現することができる。
【００６５】
次に第１の実施の形態の変形例について説明する。本変形例は、酸化絶縁層上に更に１層の磁性中間層を形成した以外は第１実施の形態と同様である。
【００６６】
図９は、本変形例のＧＭＲ膜の構造を示す図である。図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６７】
図９を参照するに、本変形例のＧＭＲ膜５０は、シングルスピンバルブ構造を有し、下地層２５、反強磁性層２６、固定磁化層２８、下側非磁性中間層２９、第１磁性中間層５１、酸化絶縁層５２、第２磁性中間層５３、上側非磁性中間層３２、自由磁化層３３、保護層３４が順次積層された構造となっている。
【００６８】
第１磁性中間層５１及び酸化絶縁層５２は、第１の実施の形態の磁性中間層３０及び酸化絶縁層３１と同様の材料および方法により形成されている。
【００６９】
第２磁性中間層５３は、酸化絶縁層５２上にスパッタ法等により形成され、厚さ１ｎｍ〜３０ｎｍの第１磁性中間層と同様の材料により形成されている。第２磁性中間層５３を設けることにより、第１の磁性／非磁性界面ＢＤ１に加え、第２磁性中間層５３とその上に形成されている上側非磁性中間層３２により第２の磁性／非磁性界面ＢＤ２が形成され、第２の界面の散乱効果により、さらに抵抗変化率を向上することができる。
【００７０】
次に本変形例のＧＭＲ膜５０の抵抗変化率を評価するために、第１磁性中間層、酸化絶縁層及び第２磁性中間層５３以外は上述した第１の実施の形態のＧＭＲ膜１０の検証に用いたＧＭＲ膜と同様のＧＭＲ膜を用いた。そして、第１磁性中間層は、厚さ１．２ｎｍのＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層を形成し、第１の実施の形態と同様の条件で酸化処理により酸化絶縁層５２を形成し、さらに第２磁性中間層５３としてのＣｏ88Ｆｅ10Ｂ2層を０．３ｎｍ〜１．０ｎｍの範囲で厚さの異なるものを形成した。
【００７１】
図１０は、本変形例の一実施例の抵抗変化率と第２磁性中間層の膜厚との関係を示す図である。図１０を参照するに、第２磁性中間層を設けない場合（膜厚が０ｎｍ）に比べ、第２磁性中間層を設けた場合の方が抵抗変化率が増加していることが分かる。さらに第２磁性中間層の膜厚が０．３ｎｍから増加するとともに抵抗変化率が次第に増加していることが分かる。
【００７２】
ここで、膜厚が０．３ｎｍから１．０ｎｍの抵抗変化率から膜厚０．０ｎｍに外挿すると、抵抗変化率は約３．２％となり、第２磁性中間層を設けない場合の２．５％より０．７％高い。したがって、第２磁性中間層を設けたことにより、第２の磁性／非磁性の界面が形成され、第２の界面の散乱効果により抵抗変化率が増加したと考えられる。
【００７３】
したがって、本変形例によれば、第２磁性中間層を設けることにより抵抗変化率を更に向上させることができる。
【００７４】
なお、膜厚が０．３ｎｍから１．０ｎｍの抵抗変化率の増加は第２磁性中間層でのバルク散乱による効果と考えられる。すなわち第２磁性中間層の膜厚を増加させることにより更に抵抗変化率を向上させることができる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
本発明による第２の実施の形態は、磁性中間層が酸化された酸化絶縁層の替わりに、絶縁性材料からなる層を設けた以外は第１実施の形態と同様である。
【００７６】
図１１は、本実施の形態のＧＭＲ膜の構造を示す図である。図１１中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７７】
図１１を参照するに、本実施の形態のＧＭＲ膜６０は、シングルスピンバルブ構造を有し、下地層２５、反強磁性層２６、固定磁化層２８、下側非磁性中間層２９、絶縁中間層６１、磁性中間層６２、上側非磁性中間層３２、自由磁化層３３、保護層３４が順次積層された構造となっている。
【００７８】
絶縁中間層６１は、下側非磁性中間層２９上にスパッタ法等により形成され、厚さ０．８ｎｍの絶縁性の材料により構成されている。具体的には、絶縁中間層６１は、例えば、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＦｅＳｉＡｌ等の軟磁性材料の酸化物あるいは窒化物などを用いることができる。これらの材料を酸素或いは窒素雰囲気中で反応させて成膜しても良い。絶縁中間層６１の厚さは、０．３μｍ〜２．０ｎｍの範囲に設定される。０．３μｍより薄いと電流狭窄の効果が現れず、２．０ｎｍより厚いとＧＭＲ膜の抵抗値が過度に高くなり好ましくない。
【００７９】
磁性中間層６２は、絶縁中間層６１上にスパッタ法等により形成される。磁性中間層６２の材料は、第１の実施の形態での磁性中間層３０と同様の材料を用いることができ、厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲から選択される。
【００８０】
本実施の形態によれば、絶縁中間層６１において電子が狭窄されて抵抗変化率が向上すると共に、磁性中間層６２と上側非磁性中間層３２との界面において磁性／非磁性界面ＢＤ１が形成され、界面の散乱効果により抵抗変化率を向上させることができる。
【００８１】
なお、本実施の形態では、絶縁中間層６１上に磁性中間層６２を積層した例について説明したが、磁性中間層６２上に絶縁中間層６１を形成してもよい。また、いずれの実施の形態においても、磁性中間層６２と絶縁中間層６１との間に非磁性導電層を設けてもよく、磁性中間層６２をそれぞれ材料が異なる膜を積層して構成してもよい。
【００８２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置を示す図１２及び図１３と共に説明する。図１２は、磁気記憶装置の要部を示す断面図である。図１３は、図１２に示す磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
【００８３】
図１２及び図１３参照するに、磁気記憶装置１２０は大略ハウジング１２３からなる。ハウジング１２３内には、モータ１２４、ハブ１２５、複数の磁気記録媒体１２６、複数の複合型磁気ヘッド１２７、複数のサスペンション１２８、複数のアーム１２９及びアクチュエータユニット１２１が設けられている。磁気記録媒体１２６は、モータ１２４より回転されるハブ１２５に取り付けられている。複合型磁気ヘッド１２７は、誘導型書き込み素子１２７Ａと磁気抵抗効果素子１２７Ｂ（微少なため図示されず）とより構成される。各複合型磁気ヘッド１２７は対応するアーム１２９の先端にサスペンション１２８を介して取り付けられている。アーム１２９はアクチュエータユニット１２１により駆動される。この磁気記憶装置の基本構成自体は周知であり、その詳細な説明は本明細書では省略する。
【００８４】
磁気記憶装置１２０の本実施の形態は、磁気抵抗効果素子１２７Ｂに特徴がある。磁気抵抗効果素子１２７Ｂは第１の実施の形態、その変形例、第２の実施の形態のＧＭＲ膜が用いられている。上述したように、かかるＧＭＲ膜は抵抗変化率が高く、すなわち磁場の検出感度が高い。したがって、読み取り能力が高く、情報の１ビットに対応する１磁気反転の磁気反転領域から漏洩する磁場が微小となっても、読み取り可能であり、高密度記録に好適である。
【００８５】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００８６】
例えば、上記実施の形態では積層フェリ構造を固定磁化層に設ける例について説明したが、自由磁化層に積層フェリ構造を設けてもよく、さらに固定磁化層及び自由磁化層の両方に設けてもよい。また、２つの固定磁化層を設けてダブルスピン構造としてもよい。
【００８７】
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１）  自由磁化層と、固定磁化層と、前記自由磁化層と固定磁化層との間に形成された複数の導電性の非磁性中間層とを有し、
前記複数の非磁性中間層のうちいずれか２つの非磁性中間層間に、絶縁層及び磁性原子を含む磁性層を有することを特徴とするＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記２）  前記絶縁層と前記磁性層とが互いに接していることを特徴とする付記１記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記３）  前記絶縁層は、磁性層を形成する材料の酸化物よりなることを特徴とする付記２記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記４）  前記絶縁層及び磁性層の膜厚の総和が少なくとも１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする付記３記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記５）  前記磁性層は複数の層からなり、前記絶縁層は磁性層に挟まれていることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記６）  前記自由磁化層および固定磁化層のうち少なくともいずれかは積層フェリ構造を有することを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記７）  前記磁性層は強磁性層であることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記８）  前記磁性原子はＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記９）  前記磁性層はＣｏＦｅ合金であることを特徴とする付記７記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子。
（付記１０）  付記１〜９のうち、いずれか一項記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置。
（付記１１）  自由磁化層と、固定磁化層と、前記自由磁化層及び固定磁化層に挟まれた複数の導電性の非磁性中間層と前記複数の非磁性中間層に挟まれた、絶縁層及び磁性原子を含む磁性層とを有するＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記磁性層を酸化処理して前記絶縁層を形成する絶縁層形成工程を備えることを特徴とするＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法。
（付記１２）  前記絶縁層形成工程は、前記磁性層の一部を酸化処理することを特徴とする付記１０記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法。
（付記１３）  前記絶縁層形成工程は、前記磁性層を酸素ガスに曝して、磁性層表面を酸化させることを特徴とする付記１１または１２記載のＣＰＰ磁気抵抗効果素子の製造方法。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、抵抗変化率が高く高感度な高密度記録に適したＣＰＰ磁気抵抗効果素子及びその製造方法、並びにＣＰＰ磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧＭＲ膜を流れる電子の経路を概略的に示す想像図である。
【図２】複合型磁気ヘッドの媒体対向面の構造を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るＧＭＲ膜の構成を示す図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は第１の実施の形態に係るＣＣＰ磁気抵抗効果素子の製造工程（その１）を示す図である。
【図５】（Ｄ）及び（Ｅ）は第１の実施の形態に係るＣＣＰ磁気抵抗効果素子の製造工程（その２）を示す図である。
【図６】（Ｆ）及び（Ｇ）は第１の実施の形態に係るＣＣＰ磁気抵抗効果素子の製造工程（その３）を示す図である。
【図７】飽和磁化及び酸化絶縁層の厚さと圧力時間積との関係を示す図である。
【図８】第１の実施の形態のＧＭＲ膜の抵抗変化率と磁性中間層の膜厚（酸化処理前）との関係を示す図である。
【図９】第１の実施の形態の変形例に係るＧＭＲ膜の構成を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態の変形例に係るＧＭＲ膜の一実施例の抵抗変化率と第２磁性中間層の膜厚との関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るＧＭＲ膜の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す断面図である
【図１３】図１２に示す磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
【符号の説明】
１０      複合型磁気ヘッド
１１      誘導型書き込み素子
１２      磁気抵抗効果素子
２０、５０、６０、１００      ＧＭＲ膜
２６      反強磁性層
２８      固定磁化層
２９      下側非磁性中間層
３０、６２      磁性中間層
３１、５２      酸化絶縁層
３２      上側非磁性中間層
３３      自由磁化層
３４      保護層
５１      第１磁性中間層
５２
５３      第２磁性中間層
６１      絶縁中間層
１２０      磁気記憶装置
ＢＤ、ＢＤ１、ＢＤ２      磁性／非磁性界面
【図１】
2004207366.tif 000003
【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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