(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化ピンド層を準備し、その上に第１の銅層を形成するステップと、
前記第１の銅層の上にマグネシウム銅合金層を形成するステップと、
前記マグネシウム銅合金層に対して２０Ｗ以下の低電力プラズマの下でエッチング処理を行うステップと、
前記エッチング処理を行った前記マグネシウム銅合金層に対してイオン化されたアルゴン酸素混合ガスへの曝露工程を含むイオンアシスト酸化処理を２７Ｗ以下の低電力プラズマの下で行うことにより、前記マグネシウム銅合金層を酸化マグネシウム領域および銅領域へと偏析分離するステップと、
前記酸化マグネシウム領域および銅領域へと分離された層の上に第２の銅層を形成することにより前記第１の銅層と前記第２の銅層との間に流れる電流が前記銅領域へと狭搾されるようにするステップと、
前記第２の銅層の上に磁化フリー層を形成するステップと
を含む
ことを特徴とするＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項２】
前記マグネシウム銅合金の組成をＭｇ1-x Ｃｕx （Ｘは５原子％ないし６０原子％）とする
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項３】
前記マグネシウム銅合金層を０. ５ｎｍないし１. ５ｎｍの厚さに形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項４】
前記第１および第２の銅層を、それぞれ、０. １ｎｍないし０. ７ｎｍの厚さに形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項５】
磁化ピンド層を準備し、その上に第１の銅層を形成するステップと、
前記第１の銅層の上に、酸化物結晶を形成可能な金属の層を包含するようにアルミニウム銅合金層を形成するステップと、
２０Ｗ以下の低電力での前処理に続いて前記金属の層および前記アルミニウム銅合金層に対して２７Ｗ以下の低電力プラズマの下でイオンアシスト酸化処理を行うことにより、前記アルミニウム銅合金層を酸化アルミニウム領域および銅領域へと分離するステップと、
前記酸化アルミニウム領域および銅領域へと分離された層の上に第２の銅層を形成することにより前記第１の銅層と前記第２の銅層との間に流れる電流が前記銅領域へと狭搾されるようにするステップと、
第２の銅層の上に磁化フリー層を形成するステップと
を含む
ことを特徴とするＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項６】
前記金属の層を、クロム、アルミニウム、および５原子％ないし６０原子％の銅を含むマグネシウム銅合金よりなる群から選択する
ことを特徴とする請求項５に記載のＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項７】
前記金属の層を前記第１の銅層と前記アルミニウム銅合金層との間に配設する
ことを特徴とする請求項５に記載のＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項８】
前記金属の層を前記アルミニウム銅合金層と前記第２の銅層との間に配設する
ことを特徴とする請求項５に記載のＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【請求項９】
前記金属の層を前記アルミニウム銅合金層内に埋設する
ことを特徴とする請求項５に記載のＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気再生ヘッドやメモリ素子等に用いられるＣＰＰ(current perpendicular to plane)型のＧＭＲ(giant magnetoresistance) 素子に係わり、特に電流狭窄路(current confined path；ＣＣＰ) を備えたＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ再生ヘッドは、１８０Ｇｂ／ｉｎ2 あるいはそれ以上の高い記録密度用途において有望な候補と考えられている。記録密度を増大させるには再生ヘッドの大きさを縮小する必要がある。例えば、１８０Ｇｂ／ｉｎ2 の記録密度に対応するには、約０. １μｍ×０. １μｍという大きさが必要である。ＣＰＰ再生ヘッドは、再生ヘッドが記録済媒体からの記録磁界を検出した際に大きな出力電圧Ｖout が得られる場合にの
み実用的に用いることができると考えられる。センサに印加される磁界の下で、一定電圧での抵抗変化の割合をＤＲ／Ｒとし、センサに印加される電圧をＶとすると（ＢＨＶ）、Ｖout=ＤＲ／Ｒ×Ｖとなる。
【０００３】
図８は、ＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ再生ヘッドデバイスの主たる特徴を表すものである。この図では、ＣＰＰスピンバルブ積層体と共に、下部リード層１１１ａおよび上部リード層１１１ｂを併せて図示している。このＣＰＰスピンバルブ積層体は、下層側から順に、反強磁性のピンニング層１１２と、ピンド層１１４と、非磁性のスペーサ層１１５と、フリー層１１６と、キャップ層１１７とを備えている。ピンニング層１１２は、シード層（図示せず）を含んでもよい。ピンド層１１４は、図では単一層として描かれているが、通常はシンセティック反強磁性層として機能する３層構造である。なお、スペーサ層１１５については後述する。
【０００４】
フリー層１１６は、外部磁場に晒されると、その磁化方向が外部磁場の向きに合わせて自由に回転する。外部磁場が取り除かれると、フリー層１１６の磁化方向は、結晶・形状異方性、電流磁場、結合磁場および消磁場により定まる最小エネルギー状態の方向になる。ピンド層１１４の磁化方向とフリー層１１６の磁化方向とが平行になると、フリー層１１６とピンド層１１４との間を移動する電子は散乱を受けない。このため、この状態の抵抗は小さくなる。しかし、ピンド層１１４の磁化方向とフリー層１１６の磁化方向とが反平行のときは、ピンド層とフリー層との間を移動する電子がより多くの散乱を受けるため、抵抗値が増加する。スピンバルブ構造の抵抗変化は通常５％〜１５％である。
【０００５】
上記した議論においては、非磁性のスペーサ層１１５が単一の導電材料からなる単一層で構成されていることを暗黙の了解としていた。ところが、ＣＣＰ−ＣＣＰ型ＧＭＲ素子の設計では、実際のスペーサ層は、図９に示したように、２つの（銅のような）導電層１２１ａ，１２１ｂによって極薄の中間層２５を挟んだ３層構造をしている。中間層２５は通常、０. ５ｎｍ〜１. ５ｎｍの厚さを有し、絶縁層２３の中に有限個の金属領域２４を含んで構成されている。このため、スペーサ層１１５を通る電流は、金属領域２４によって狭窄（制限）される。なお、図８では、銅層１２１ａ，１２１ｂの図示を省略して、簡略化している。
【０００６】
上記のような電流狭窄型ＣＣＰ型ＧＭＲ素子に関連する従来技術を検索したところ、以下のものが見つかった。
【０００７】
Fujiwaraらによる特許文献１には、ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の絶縁層の中に電流狭搾路を形成することが記載されている。Fujiwaraらによる特許文献２には、導電体と絶縁体とにより形成された電流狭搾層構造が開示されている。ここで、導電体はアルミニウム、マグネシウム、クロム、および銅などで構成される。Nagasakaらによる特許文献３には、磁性層を酸化することで電流狭搾効果が得られることが記載されている。そこには、２つの銅層に挟まれたコバルト鉄合金等の磁性中間層を酸化することが開示されている。Funayamaによる特許文献４およびFunayamaらによる特許文献５には、酸化アルミニウムと銅とを含む電流制御領域が開示されている。その電流狭搾領域には、銅の量の１％〜５０％程度のマグネシウムまたはクロムが含まれていてもよいとの記載がある。Yoshikawa らによる特許文献６には、銅／酸化されたアルミニウム銅合金／銅なる構造の中間層が開示されている。ここには、アルミニウム銅合金の酸化がイオンアシスト（ＩＡＯ）酸化によって行われることが記載されている。Nishiyama による特許文献７には、非磁性層が電流狭搾層の役割を果たすことが示されている。この非磁性層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2 ０3 ），酸化シリコン（Ｓｉ０2 ）や酸化タンタル（Ｔａ０2 ）で構成される。Nowak らによる特許文献８には、ＭＲ積層体における電流狭搾路の形成方法が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６, ５６０, ０７７号
【特許文献２】米国特許公開第２００５／０００２１２６号
【特許文献３】米国特許公開第２００５／０１５２０７６号
【特許文献４】米国特許公開第２００５／００９４３１７号
【特許文献５】米国特許公開第２００５／００５２７８７号
【特許文献６】米国特許公開第２００４／０１９０２０４号
【特許文献７】米国特許公開第２００３／００５３２６９号
【特許文献８】米国特許公開第２００５／０１２２６８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造技術は、いくつかの新たな特徴を加えることによって大きく向上してきた。しかし、これらのＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子には、エレクトロマイグレーション (ＥＭ）に関するいくつかの問題点が残っている。しかしながら、上記の各文献には、エレクトロマイグレーションに関する改善案は提示されていない。
【００１０】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、エレクトロマイグレーションに対して高い耐性を有するＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらの目的は、現在使われている電流狭窄構造にマグネシウムを追加することで達成可能である。本発明のひとつの形態では、電流輸送用の銅領域が埋めこまれた酸化アルミニウムを酸化マグネシウム層に完全に置き換える。
本発明の他の形態では、酸化アルミニウムを用いるものの、イオンアシスト酸化処理の前の時点でマグネシウム層を含むような構造とする。
マグネシウムは、それ自体優れた酸素捕獲元素（oxygen getter ）であることから、余分な酸素を酸化アルミニウムＡｌＯx から引き離すように作用する。これにより、銅の酸化が防止され、抵抗変化率の向上に寄与する。また、アルミニウム銅合金層にマグネシウムを挿入すると、アルミニウム銅合金物の成長パターンが崩されるので、マグネシウムがドープされた酸化アルミニウムの最終的な応力状態は、純粋な酸化アルミニウム層と比べて大きく異なり、良好になる。これらすべての要因は、本発明が提供するエレクトロマイグレーションの強度改善に寄与する。
【００１２】
より具体的には、以下の各手段によって本発明の目的が達成される。
【００１３】
本発明の第１の観点におけるＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法は、磁化ピンド層を準備し、その上に第１の銅層を形成するステップと、第１の銅層の上にマグネシウム銅合金層を形成するステップと、マグネシウム銅合金層に対して２０Ｗ以下の低電力プラズマの下でエッチング処理を行うステップと、エッチング処理を行ったマグネシウム銅合金層に対してイオン化されたアルゴン酸素混合ガスへの曝露工程を含むイオンアシスト酸化処理を２７Ｗ以下の低電力プラズマの下で行うことにより、マグネシウム銅合金層を酸化マグネシウム領域および銅領域へと偏析分離するステップと、酸化マグネシウム領域および銅領域へと分離された層の上に第２の銅層を形成することにより第１の銅層と第２の銅層との間に流れる電流が銅領域へと狭搾されるようにするステップとを含むようにしたものである。
【００１４】
上記第１の観点におけるＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法では、第１の銅層上に形成されたマグネシウム銅合金層が、マグネシウム銅合金層に対して２０Ｗ以下の低電力プラズマの下でエッチング処理を行うステップと、エッチング処理を行ったマグネシウム銅合金層に対してイオン化されたアルゴン酸素混合ガスへの曝露工程を含む２７Ｗ以下の低電力プラズマの下でのイオンアシスト酸化処理によって酸化マグネシウム領域および銅領域へと偏析分離され、その結果、絶縁領域（酸化マグネシウム領域）に多数の金属領域（銅領域）を離散的に埋設してなる層（中間層）へと変化する。この中間層の上に第２の銅層を形成することにより、上記中間層を第１および第２の銅層で挟んでなる３層の電流狭窄構造を有するスペーサ層が形成される。第１の銅層と第２の銅層との間に流れる電流は、中間層の銅領域に狭搾され、抵抗変化率が向上する。また、マグネシウムは、酸素と結合し易く、余分な酸素が銅と結合するのを防ぐように作用することから、銅の酸化が防止される。さらに、絶縁領域としての酸化マグネシウムは、アモルファス化し易い酸化アルミニウムよりも結晶化し易く、これと接する銅領域に対する結晶化テンプレートとして機能することから、銅領域の成長が促進される。
【００１５】
上記第１の観点におけるＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法では、マグネシウム銅合金の組成をＭｇ1-x Ｃｕx （Ｘは５原子％ないし６０原子％）とすることが好ま
しい。上記の前処理が低電力プラズマの下でのエッチング工程を含み、イオンアシスト酸化処理がイオン化されたアルゴン酸素混合ガスへの曝露工程を含むことが好ましい。マグネシウム銅合金層は０. ５ｎｍないし１. ５ｎｍの厚さに形成することが好ましく、第１および第２の銅層はそれぞれ０. １ｎｍないし０. ７ｎｍの厚さに形成することが好ましい。
【００２１】
本発明の第２の観点におけるＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法は、磁化ピンド層を準備し、その上に第１の銅層を形成するステップと、第１の銅層の上に、酸化物結晶を形成可能な金属の層を包含するようにアルミニウム銅合金層を形成するステップと、２０Ｗ以下の低電力での前処理に続き、金属の層およびアルミニウム銅合金層に対して２７Ｗ以下の低電力プラズマの下でイオンアシスト酸化処理を行うことにより、アルミニウム銅合金層を酸化アルミニウム領域および銅領域へと分離するステップと、酸化アルミニウム領域および銅領域へと分離された層の上に第２の銅層を形成することにより第１の銅層と第２の銅層との間に流れる電流が銅領域へと狭搾されるようにするステップと、第２の銅層の上に磁化フリー層を形成するステップとを含むようにしたものである。
【００２２】
上記第２の観点におけるＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法では、第１の銅層の上に形成されたアルミニウム銅合金層およびこれに包含された金属の層は、前処理およびイオンアシスト酸化処理により、金属がドープされた酸化アルミニウム領域および銅領域へと偏析分離され、その結果、絶縁領域（酸化アルミニウム領域）に多数の金属領域（銅領域）を離散的に埋設してなる層（中間層）へと変化する。この中間層の上に第２の銅層を形成することにより、上記中間層を第１および第２の銅層で挟んでなる３層の電流狭窄構造を有するスペーサ層が形成される。第１の銅層と第２の銅層との間に流れる電流は、中間層の銅領域に狭搾され、抵抗変化率が向上する。また、アルミニウム銅合金層に金属の層を包含させたことにより、アルミニウム銅合金物の成長パターンが崩され、その金属がドープされた酸化アルミニウムは、その最終的な応力状態が純粋な酸化アルミニウム層のそれと比べて大きく異なってくる。しかも、その金属がドープされた酸化アルミニウムは、そのドープ金属を適切に選択することにより、アモルファス化し易いピュアな酸化アルミニウムよりも結晶化し易くなり、これと接する銅領域に対する結晶化テンプレートとして機能することから、銅領域の成長が促進される。
【００２３】
上記第２の観点におけるＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造の形成方法では、上記金属の層を、クロム、アルミニウム、および５原子％ないし６０原子％の銅を含むマグネシウム銅合金よりなる群から選択することが好ましい。この金属の層は、第１の銅層とアルミニウム銅合金層との間、またはアルミニウム銅合金層と第２の銅層との間に配設することもできるし、あるいはアルミニウム銅合金層内に埋設するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明におけるＣＰＰ型ＧＭＲ素子の電流狭窄構造およびその形成方法によれば、電流狭窄構造の絶縁領域材料を酸化アルミニウムから酸化マグネシウム層に完全に置き換え、あるいは、絶縁領域材料として酸化アルミニウムを用いながらもイオンアシスト酸化処理前の時点でマグネシウム層等の金属層を包含するような構造としたので、電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、抵抗変化率の向上と共に、エレクトロマイグレーション耐性の向上が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３２】
[第１の実施の形態] 
図１は、本実施の形態に係るＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の要部構造を表すものである。この図では、ＣＰＰスピンバルブ積層体と共に、下部リード層１１ａおよび上部リード層１１ｂを併せて図示している。このＣＰＰスピンバルブ積層体１０は、下層側から順に、反強磁性のピンニング層１２と、ピンド層１４と、電流狭窄構造を有する非磁性のスペーサ層１５と、フリー層１６と、キャップ層１７とを備えている。ピンニング層１２は、シード層（図示せず）を含んでもよい。ピンド層１４は、シンセティック反強磁性層として機能する３層構造を有する。
【００３３】
図２は、スペーサ層１５の電流狭窄構造を拡大して表すものである。このスペーサ層１５は、０. １ｎｍ〜０．７ｎｍ程度の厚さをそれぞれ有する２つの銅層２１ａ，２１ｂによって極薄の中間層３５を挟んだ３層構造を有する。中間層３５は、通常０. ５ｎｍ〜１. ５ｎｍの厚さを有し、絶縁領域３３の中に電流狭窄経路としての金属領域３４を有限個含んで構成されている。なお、図１では、銅層２１ａ，２１ｂの図示を省略して、簡略化している。
【００３４】
絶縁領域３３は、マグネシウムを含有する絶縁材料により構成されている。そのような絶縁材料としては、例えば、酸化マグネシウムがあげられる。あるいは、酸化アルミニウム（ＡｌＯx ）にマグネシウム、クロム、アルミニウムおよび銅の少なくとも１つをドープしたものを絶縁材料として用いるようにしてもよい。この場合、酸化アルミニウム領域中の総ドープ濃度を５原子％ないし６０原子％とすることが好ましい。
【００３５】
このような構成のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子は、次のように動作する。フリー層１６は、外部磁場に晒されると、その磁化方向が外部磁場の向きに合わせて自由に回転する。外部磁場が取り除かれると、フリー層１６の磁化方向は、結晶・形状異方性、電流磁場、結合磁場および消磁場により定まる最小エネルギー状態の方向になる。ピンド層１４の磁化方向とフリー層１６の磁化方向とが平行になると、フリー層１６とピンド層１４との間を移動する電子は散乱を受けない。このため、この状態の抵抗は小さくなる。しかし、ピンド層１４の磁化方向とフリー層１６の磁化方向とが反平行のときは、ピンド層とフリー層との間を移動する電子がより多くの散乱を受けるため、抵抗値が増加する。
スペーサ層１５の２つの銅層２１ａ，２５ｃの間には、絶縁領域３３の中に有限個の金属領域３４を含んで構成された中間層３５が設けられているため、スペーサ層１５を通る電流の経路は、金属領域３４にのみ制限される。このため、高い抵抗変化率ｄＲ／Ｒが得られる。
【００３６】
次に、このような構成のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法を説明する。
【００３７】
まず、図１に示したように、下部リード層１１ａを形成したのち、その上に、下層側から順にピンニング層１２およびピンド層１４を形成する。
【００３８】
次に、図２Ａに示したように、ピンド層１４の上に０. １ｎｍ〜０. ７ｎｍ程度の膜厚の銅層２１ａを形成したのち、その上にマグネシウム銅（ＭｇＣｕ）合金層３２を形成する。このマグネシウム銅合金層３２は、Ｍｇ1-x Ｃｕx （Ｘ＝５原子％〜６０原子％）の
構成を有し、その膜厚は０．５ｎｍ〜１. ５ｎｍ程度とする。
【００３９】
次に、前処理（ＰＴ）として低圧プラズマエッチング処理を行う。この前処理（ＰＴ）は、例えば、出力２０Ｗ, アルゴン流量５０ｓｃｃｍという条件下で、３５〜４０秒間程度プラズマに晒すことにより行われる。
【００４０】
この前処理ののち、そこまでのプロセスでできた構造体に対して、イオンアシスト酸化（ＩＡＯ）処理を行う。このＩＡＯ処理は、例えば、流量３５〜５０ｓｃｃｍのアルゴンと流量０．５６〜１ｓｃｃｍの酸素の混合ガスを用いた出力２７Ｗのプラズマに３０秒〜４０秒間晒すことにより行われる。このＩＡＯ工程の結果、元のマグネシウム銅合金層３２は、図２Ｂに示したように、比較的純粋な酸化マグネシウムよりなる絶縁領域３３と比較的純粋な銅よりなる金属領域３４とに偏析分離（segregation ）された中間層３５へと変化する。金属領域３４は、電流がＧＭＲ素子を横切って流れるときに通らなければならない電流狭窄経路となる。
【００４１】
こうしてＩＡＯ工程が完了したのち、中間層３５の上に０. １ｎｍ〜０. ７ｎｍ程度の膜厚の第２の銅層２１ｂを形成する。これにより、２つの銅層２１ａ，２１ｂによって極薄の中間層３５を挟んでなる３層の電流狭窄構造をもつスペーサ層１５の形成が完了する。再生動作時に上部リード層１１ｂと下部リード層１１ａとの間を流れる電流は、電流経路としての金属領域３４へと狭窄される。
【００４２】
次に、図２Ｃに示したように、スペーサ層１５の上にフリー層１６を形成したのち、図１に示したように、フリー層１６の上にキャップ層１７を形成する。そして、その上にさらに上部リード層１１ｂを形成する。これにより、ＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の要部構造が完成する。
【００４３】
次に、本実施の形態のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の特徴について、従来の素子と比較しながら説明する。
【００４４】
従来のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子（図８、図９Ｂ）では、電流狭窄構造を有するスペーサ層１１５は、図９Ａに示したように、ピンド層１１４の上にまず銅層１２１ａを形成したのち、その上にアルミニウム銅（ＡｌＣｕ）合金層２２を形成し、これを前処理およびイオンアシスト酸化プロセスにより酸化することで形成される。この結果、図９Ｂに示したように、アルミニウム銅合金層２２は、酸化アルミニウム（絶縁層２３）の中に有限個の銅領域（金属経路２４）を含んでなる中間層２５となる。金属経路２４は、動作時においてスペーサ層１１５を通る電流を狭窄（制限）する電流狭窄経路となる。
【００４５】
しかしながら、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）は、上記のような形成条件の下でアモルファス（非結晶質）となることが知られている。このことは、酸化アルミニウムが銅結晶の成長に適したテンプレート（template）にはなり得ないことを暗示している。これは、今度は、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）に対する耐性の劣化を招き、ひいては信頼性の問題につながる。
【００４６】
一方、本実施の形態では、マグネシウム銅合金３２に前処理およびイオンアシスト酸化処理を行うと、銅金属の偏析分離（segregation ）現象により、酸化マグネシウム（絶縁領域３３）中に銅の電流狭窄経路（金属領域３４）が形成される（図２Ａ、図２Ｂ）。酸化マグネシウムは、結晶バリアに極めて大きな抵抗変化率をもたらすことが実証されている。特に、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果素子）の場合はそうである。前処理およびイオンアシスト酸化処理やポストアニールによる酸化工程を行うと、酸化マグネシウムは銅結晶の成長に適した結晶化テンプレートとなり得る。このため、銅の金属領域３４が十分に成長し、形成される。すなわち、酸化マグネシウムを用いることで電流狭窄型のＣＰＰ−ＧＭＲ素子のエレクトロマイグレーションに対する耐性が顕著に向上するのである。
【００４７】
[第２の実施の形態] 
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、図３Ａに示したように、ピンド層１４の上に銅層２１ａを形成したのち、その上にアルミニウム銅（ＡｌＣｕ）合金層２２ａを形成する。次に、アルミニウム銅合金層２２ａの上に純粋なマグネシウム層４１を０．１〜１．５ｎｍ（好ましくは０．３ｎｍ程度）の膜厚で形成し、さらにその上に第２のアルミニウム銅合金層２２ｂを形成する。すなわち、マグネシウム層４１をその上下からアルミニウム銅合金層２２ａ，２２ｂで挟む構造とする。アルミニウム銅合金層２２ａ，２２ｂの合計膜厚は、０よりも大きく１．５ｎｍ以下とする。なお、マグネシウム層４１に代えて、クロム、アルミニウム、および、５原子％ないし６０原子％の銅を含むマグネシウム銅合金よりなる群から選択される金属を用いてもよい。
【００４８】
次に、この構造に対して、上記と同様の前処理およびイオンアシスト酸化処理を施す。これにより、アルミニウム銅合金層２２ａ，２２ｂ（図３Ａ）は、図３Ｂに示したように、酸化アルミニウムからなる絶縁領域３３ａと、この絶縁領域３３ａにより囲まれた銅からなる金属領域３４とに偏析分離され、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍ程度の膜厚の中間層３５ａとなる。このとき、マグネシウム４１は絶縁領域３３ａの酸化アルミニウム中にドープされる。このとき、酸化アルミニウム中の総ドープ濃度が５原子％ないし６０原子％になるようにすることが好ましい。次に、図３Ｂに示したように、中間層３５ａの上に第２の銅層２１ｂを形成する。これにより、中間層３５ａを銅層２１ａ，２１ｂで挟んでなるスペーサ層１５ａが形成される。その他のプロセスおよび構造は上記第１の実施の形態の場合と同様であるので、説明を省略する。なお、図３Ｂでは、マグネシウム層４１が酸化アルミニウム中にすべてドープされるものとして描いているが、マグネシウム層４１が厚い場合には、酸化アルミニウム中に完全にはドープしきれずに残るので、この場合には、その残ったマグネシウムが酸化されて酸化マグネシウム層となり、これが絶縁領域３３ａ（酸化アルミニウム層）の中間層として存在するようになることもあり得る。このことは、以下に述べる第３および第４の実施の形態の場合においても同様である。
【００４９】
本実施の形態では、絶縁領域３３ａを構成する酸化アルミニウムにマグネシウムがドープされることから、銅の領域（金属領域３４）を取り囲む酸化アルミニウムの結晶化度（crystallinity ）が十分なレベルになる。すなわち、ドープされた酸化アルミニウムが、銅結晶の成長に適した結晶化テンプレートとなるのである。このため、銅の領域（金属領域３４）が十分に成長形成されるので、電流狭窄型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のエレクトロマイグレーションに対する耐性が向上する。
【００５０】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、図４Ａに示したように、ピンド層１４の上に銅層２１ａを形成し、その上に０より大きく１．５ｎｍ以下の膜厚のアルミニウム銅合金層２２ａを形成したのち、その上に０．１ｎｍ〜１．５ｎｍ程度の膜厚の純粋なマグネシウム層４１を形成する。本実施の形態では、第２のアルミニウム銅合金層２２ｂ（図３Ａ）の形成を行わない。この点が上記第２の実施の形態と異なる。なお、上記第２の実施の形態と同様に、マグネシウム層４１に代えて、クロム、アルミニウム、および、５原子％ないし６０原子％の銅を含むマグネシウム銅合金よりなる群から選択される金属を用いてもよい。
【００５１】
次に、この構造に対して、上記と同様の前処理およびイオンアシスト酸化処理を施す。これにより、アルミニウム銅合金層２２ａ（図４Ａ）は、図４Ｂに示したように、酸化アルミニウムからなる絶縁領域３３ｂと、この絶縁領域３３ｂにより囲まれた銅からなる金属領域３４とに偏析分離され、中間層３５ｂとなる。このとき、マグネシウム４１は絶縁領域３３ｂ中にドープされる。次に、図４Ｂに示したように、中間層３５ｂの上に第２の銅層２１ｂを形成する。これにより、中間層３５ｂを銅層２１ａ，２１ｂで挟んでなるスペーサ層１５ｂが形成される。その他のプロセスおよび構造は上記第２の実施の形態の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
本実施の形態では、上記第２の実施の形態の場合と同様に、絶縁領域３３ｂを構成する酸化アルミニウムにマグネシウムがドープされることから、銅の領域（金属領域３４）を取り囲む酸化アルミニウムが十分に結晶化され、銅結晶の成長に適した結晶化テンプレートとなる。このため、銅の領域（金属領域３４）が十分に成長形成され、エレクトロマイグレーションに対する耐性が向上する。
【００５３】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、図５Ａに示したように、ピンド層１４の上に銅層２１ａを形成したのち、その上に０．１ｎｍ〜１．５ｎｍ程度の膜厚の純粋なマグネシウム層４１を形成する。次に、マグネシウム層４１の上に０より大きく１．５ｎｍ以下の膜厚のアルミニウム銅合金層２２ｂを形成する。本実施の形態では、マグネシウム層４１の下層にアルミニウム銅合金層２２ａ（図３Ａ）を形成しない。この点が上記第２の実施の形態と異なる。なお、上記第２および第３の実施の形態と同様に、マグネシウム層４１に代えて、クロム、アルミニウム、および、５原子％ないし６０原子％の銅を含むマグネシウム銅合金よりなる群から選択される金属を用いてもよい。
【００５４】
次に、この構造に対して、上記と同様の前処理およびイオンアシスト酸化処理を施す。これにより、アルミニウム銅合金層２２ｂ（図５Ａ）は、図５Ｂに示したように、酸化アルミニウムからなる絶縁領域３３ｃと、この絶縁領域３３ｃにより囲まれた銅からなる金属領域３４とに偏析分離され、中間層３５ｃとなる。このとき、マグネシウム４１は絶縁領域３３ｃ中にドープされる。次に、図５Ｂに示したように、中間層３５ｃの上に第２の銅層２１ｂを形成する。これにより、中間層３５ｃを銅層２１ａ，２１ｂで挟んでなるスペーサ層１５ｃが形成される。その他のプロセスおよび構造は上記第２の実施の形態の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００５５】
本実施の形態では、上記第２の実施の形態の場合と同様に、絶縁領域３３ｃを構成する酸化アルミニウムにマグネシウムがドープされることから、銅の領域（金属領域３４）を取り囲む酸化アルミニウムが十分に結晶化され、銅結晶の成長に適した結晶化テンプレートとなる。このため、銅の領域（金属領域３４）が十分に成長形成され、エレクトロマイグレーションに対する耐性が向上する。
【００５６】
上記第２〜第４の実施の形態において、マグネシウムは優れた酸素捕獲機能を有する元素であることから、マグネシウム層４１は酸化アルミニウムから余分な酸素を除去して銅の酸化を防止する。また、アルミニウム銅合金層２２ａ，２２ｂに挿入されたマグネシウムは、アルミニウム銅合金層の成長パターンを崩すように作用することから、前処理およびイオンアシスト酸化処理の後においては、マグネシウムがドープされた酸化アルミニウムの最終的な応力状態は、純粋な酸化アルミニウム層の応力状態と比べて大きく異なる。これらのすべての要因がエレクトロマイグレーション耐性の改善に寄与することが、以下に述べるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の実験によって確認された。
【実施例】
【００５７】
本実施例では、次の表１に示した層構成のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子サンプルを形成した。
【表１】
0005319890.tif 000002
なお、この表１において、例えばＦｅ70Ｃｏ30という表記は、Ｆｅが７０原子％、Ｃｏが３０原子％の組成であることを示す。
【００５８】
このサンプルについて、温度１２０度、電圧１３０ｍＶの下で、エレクトロマイグレーションテスト（抵抗変化率（ｄＲ／Ｒ）および抵抗値Ｒの経時変化テスト）を行ったところ、図６および図７に示したような結果を得た。図６は抵抗変化率の経時変化を表す。ここで、縦軸が抵抗変化率の変化［％］を示し、横軸が経過時間［時間］を表す。図７は抵抗値の経時変化を表す。ここで、縦軸が抵抗値の変化［％］を示し、横軸が経過時間［時間］を表す。この表１から明らかなように、抵抗変化率および抵抗値は、ともに、１５０時間経過後においてもほとんど変化せず、極めて高いエレクトロマイグレーション耐性を有することがわかった。
【００５９】
以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各実施の形態の説明の中や表１で挙げた層構成の各層の膜厚は、そこに示した値に限定されるものではなく、また、層構成やそれらを構成する材料についても、そこに示したものに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の要部構成を表す断面図である。
【図２Ａ】図１のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法における要部工程を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに続く工程を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｂに続く工程を示す断面図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施の形態におけるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法における要部工程を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに続く工程を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の第３の実施の形態におけるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法における要部工程を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに続く工程を示す断面図である。
【図５Ａ】本発明の第４の実施の形態におけるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法における要部工程を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに続く工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例におけるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の抵抗変化率の経時変化を示す図である。
【図７】本発明の実施例におけるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の抵抗値の経時変化を示す図である。
【図８】従来のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の要部構成例を表す断面図である。
【図９Ａ】図８のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法における要部工程を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａに続く工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…ＣＰＰスピンバルブ積層体、１１ａ…下部リード層、１１ｂ…上部リード層、１２…ピンニング層、１４…ピンド層、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…スペーサ層、１６…フリー層、１７…キャップ層、２１ａ…（第１の）銅層、２１ｂ…（第２の）銅層、２２ａ…（第１の）アルミニウム銅合金層、２２ｂ…第２のアルミニウム銅合金層、３２…マグネシウム銅合金層、３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…絶縁領域、３４…金属領域、３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ…中間層、４１…マグネシウム層。
【図１】
0005319890.tif 000003
【図２Ａ】
0005319890.tif 000004
【図２Ｂ】
0005319890.tif 000005
【図２Ｃ】
0005319890.tif 000006
【図３Ａ】
0005319890.tif 000007
【図３Ｂ】
0005319890.tif 000008
【図４Ａ】
0005319890.tif 000009
【図４Ｂ】
0005319890.tif 000010
【図５Ａ】
0005319890.tif 000011
【図５Ｂ】
0005319890.tif 000012
【図６】
0005319890.tif 000013
【図７】
0005319890.tif 000014
【図８】
0005319890.tif 000015
【図９Ａ】
0005319890.tif 000016
【図９Ｂ】
0005319890.tif 000017