(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して
変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、
前記磁化固着層または磁化自由層の上に設けられたキャップ層と、前記磁化固着層と前記
中間層との界面又は前記中間層と前記磁化自由層との界面に設けられた機能層とを含む磁
気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを有
する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記機能層を形成するにあたり、Ｆｅ含有量が５原子％以上である金属層を成膜する工
程と、前記金属層を窒素雰囲気中に暴露する工程とを１モジュールとし、このモジュール
を２回以上繰り返すことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記機能層の膜厚をＴナノメートル、前記モジュールの繰り返し回数をＮとしたとき、
Ｎ≧（Ｔ／０．５）×ｘ
（ここで、ｘは１〜２の定数、Ｔ≧１）
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
１回に成膜する前記金属層の膜厚が１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載
の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記中間層はＡｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択される元素を含有する金属層で
あることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記中間層は酸素または窒素を含有する絶縁層および前記絶縁層を貫通する電流パスを
含み、前記電流パスはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択され
る元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果膜の膜面の垂直方向にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの磁気記録装置が、パソコン、携帯型音楽・ビデオプレーヤー、ビデオムービー、カーナビゲーションなどの用途に用いられている。ＨＤＤは、用途の拡大に伴い、ますます記録容量の増大が望まれている。ＨＤＤの容積を上げずに記録容量を上げるために、単位面積あたりの記録密度のさらなる向上が必要とされている。
【０００３】
記録密度の向上に伴い、磁気記録媒体に記録された１ビットの面積は小さくなる。その結果、記録媒体からでてくる磁界信号は極めて微弱になり、従来の再生ヘッドでは“０”か“１”を識別することが困難になる。したがって、記録密度の向上に伴い磁界感度の高い再生ヘッドが必要となる。
【０００４】
磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能は、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive Effect：ＧＭＲ）やトンネリングＭＲ効果（Tunneling Magnetoresistive Effect: TMR）を用いることで飛躍的に向上している。特に、スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）の磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などへの適用は、磁気デバイス分野に大きな技術的進歩をもたらした。
【０００５】
「スピンバルブ膜」は、２つの強磁性層の間に非磁性のスペーサ層を挟んだ構造を有する積層膜であり、スピン依存散乱ユニットとも呼ばれる。この２つの強磁性層の一方（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化は反強磁性層などで固着され、他方（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化は外部磁界に応じて回転可能である。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することで、巨大な磁気抵抗変化が得られる。
【０００６】
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子には、ＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子、およびＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance）素子がある。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子ではスピンバルブ膜の膜面に平行にセンス電流を通電し、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子ではスピンバルブ膜の膜面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電する。高記録密度のヘッドは、センス電流を膜面に対して垂直に通電する方式に移行しつつある。
【０００７】
従来、ピン層と、フリー層と、スペーサ層と、前記ピン層、前記フリー層中、前記ピン層と前記スペーサ層との界面、または前記フリー層と前記スペーサ層との界面に形成された、酸化物、窒化物または酸窒化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する一対の電極を備えた磁気抵抗効果素子が知られている（特許文献１）。上記の薄膜層はアップスピン電子またはダウンスピン電子のうちいずれか一方を優先的に透過させるので、より大きな磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率：magnetoresistive ratio）を生み出すことに寄与する。このような薄膜層はスピンフィルター層（ＳＦ層）と呼ばれる。ＳＦ層は膜厚が薄くても、アップスピン電子とダウンスピン電子の透過に差を生じさせることができるので、ヘッドの狭ギャップ化にも有利である。
【特許文献１】特開２００４−６５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のスピンフィルター層ではアップスピン電子とダウンスピン電子の透過の差が不十分であり、より大きなＭＲ変化率を実現できる余地があることがわかってきた。
【０００９】
本発明の目的は、より大きなＭＲ変化率を実現できる磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁化方向が実質的に一方向に固
着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化
固着層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、前記磁化固着層または磁化自由層
の上に設けられたキャップ層と、前記磁化固着層と前記中間層との界面又は前記中間層と
前記磁化自由層との界面に設けられた機能層とを含む磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効
果膜の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法
において、前記機能層を形成するにあたり、Ｆｅ含有量が５原子％以上である金属層を成
膜する工程と、前記金属層を窒素雰囲気中に暴露する工程とを１モジュールとし、このモ
ジュールを２回以上繰り返すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、より大きなＭＲ変化率を実現できる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは、センス電流を膜面に対して垂直に通電する方式の磁気抵抗効果素子において、磁化固着層中、磁化自由層中、磁化固着層と中間層との界面、中間層と磁化自由層との界面、および磁化固着層または磁化自由層とキャップ層との界面のいずれかに、Ｆｅを５％以上含有する金属材料と窒素とを含有する機能層（スピンフィルター層、ＳＦ層）を設けた場合に大きなＭＲ変化率を実現できることを見出した。
【００１４】
また、本発明者らは、機能層（ＳＦ層）の形成方法を改良することによって、上記のように大きなＭＲ変化率を実現する磁気抵抗効果素子を製造できることを見出した。
【００１５】
従来の方法では、下地層上に金属層を成膜した後、窒化処理を施して金属層を窒化物または酸窒化物に変換することによってＳＦ層を形成している。この方法では、金属層の構成原子に大きな変換エネルギーが加わることはないため、金属層が全膜厚にわたって窒化物または酸窒化物に変換されないと考えられる。
【００１６】
実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法では、機能層（ＳＦ層）を形成するに当たり、Ｆｅ含有量が５原子％以上である金属層を成膜する工程と、前記金属層を窒素雰囲気に暴露する工程とを１モジュールとし、このモジュールを２回以上繰り返す。この場合、薄い金属層に窒化処理を施すことになり、金属層の一原子あたりにより大きな変換エネルギーを加えることができるので、金属層を全膜厚にわたって窒化物に変換することができ、ＳＦ層としての機能を向上することができる。磁気抵抗効果素子の製造方法については、後に図４を参照してより詳細に説明する。
【００１７】
以下、図面を参照しながら、実施形態に係る磁気抵抗効果素子を説明する。なお、本明細書において、全ての図面は模式的に描かれており、各構成要素の大きさ（膜厚など）および構成要素同士の比率などは実際のものと異なる。
【００１８】
図１（ａ）および（ｂ）、図２（ａ）および（ｂ）、図３（ａ）および（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子はいずれも、図示しない基板上に、下電極１１、磁気抵抗効果膜ＳＶ、および上電極２０を積層した構造を有する。
【００１９】
図１（ａ）および（ｂ）は、フリー層中にＳＦ層２１を設けた磁気抵抗効果素子の一例を表す斜視図である。
【００２０】
図１（ａ）の磁気抵抗効果膜ＳＶは、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５、スペーサ層１６、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９を積層した構造を有する。ピン層１４は下部ピン層１４１、磁気結合層１４２および上部ピン層１４３を積層した構造を有する。スペーサ層１６は絶縁層１６１および絶縁層１６１を貫通する電流パス１６２を含む、いわゆる電流狭窄（ＣＣＰ：Current-Confined Path）構造を有する。なお、ＣＣＰ構造の場合、下部金属層１５、スペーサ層１６および上部金属層１７を含めて広義のスペーサ層として取り扱うことがある。フリー層１８は下部フリー層１８１、ＳＦ層２１および上部フリー層１８２を積層した構造を有する。
【００２１】
図１（ｂ）の磁気抵抗効果膜ＳＶは、スペーサ層１６が金属層からなり、下部金属層１５および上部金属層１７が省略されている以外は図１（ａ）と同様の構造を有する。
【００２２】
図２（ａ）および（ｂ）は、上部ピン層中にＳＦ層２２を設けた磁気抵抗効果素子の一例を表す斜視図である。図２（ａ）はスペーサ層１６がＣＣＰ構造を有する。図２（ｂ）はスペーサ層１６が金属層からなる。
【００２３】
図３（ａ）の磁気抵抗効果膜ＳＶは、上部ピン層が第１の上部ピン層１４４、ＳＦ層２２および第２の上部ピン層１４５を積層した構造を有し、フリー層１８が１層の磁性層からなる以外は図２（ａ）と同様の構造を有する。
【００２４】
図３（ｂ）の磁気抵抗効果膜ＳＶは、スペーサ層１６が金属層からなり、下部金属層１５および上部金属層１７が省略されている以外は図３（ａ）と同様の構造を有する。
【００２５】
図３（ａ）および（ｂ）は、上部ピン層中にＳＦ層２２を設け、かつフリー層１８中にＳＦ層２１を設けた磁気抵抗効果素子の一例を表す斜視図である。図３（ａ）はスペーサ層１６がＣＣＰ構造を有する。図３（ｂ）はスペーサ層１６が金属層からなる。その他の構造は、図１（ａ）および（ｂ）、図２（ａ）および（ｂ）を参照して説明した通りである。
【００２６】
以下、磁気抵抗効果素子の構成要素を説明する。
【００２７】
下電極１１および上電極２０は、スピンバルブ膜ＳＶの垂直方向に通電するための一対の電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧を印加することで、スピンバルブ膜の膜面垂直方向にセンス電流が流れる。センス電流を通電して磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することにより、磁気の検知が可能になる。下電極１１には、電流を磁気抵抗効果素子に通電するために、電気抵抗が比較的小さい金属、たとえばＮｉＦｅ、Ｃｕなどが用いられる。
【００２８】
下地層１２は、バッファ層およびシード層などとしての機能を有する。バッファ層は下電極１１表面の荒れを緩和するための層である。シード層は、その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するための層である。
【００２９】
バッファ層としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒまたはこれらの合金を用いることができる。バッファ層の膜厚は２〜１０ｎｍ程度が好ましく、３〜５ｎｍ程度がより好ましい。バッファ層の厚さが薄すぎるとバッファ効果が失われる。一方、バッファ層の厚さが厚すぎるとＭＲ変化率に寄与しない直列抵抗を増大させる。なお、バッファ層上に成膜されるシード層がバッファ効果を有する場合には、バッファ層を必ずしも設ける必要はない。好ましい例として、膜厚約３ｎｍのＴａが挙げられる。
【００３０】
シード層には、その上に成膜される層の結晶配向を制御できる材料が用いられる。シード層としては、ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方構造）、ｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密構造）、またはｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方構造）を有する金属層などが好ましい。たとえば、シード層として、ｈｃｐ構造を有するＲｕまたはｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅを用いることにより、その上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。また、ピニング層１３（たとえばＩｒＭｎ）の結晶配向を良好にすることができる。上記の材料以外にも、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗまたはこれらの合金を用いることもできる。結晶配向を向上させる機能を十分発揮するために、シード層の膜厚は１〜５ｎｍが好ましく、１．５〜３ｎｍがより好ましい。シード層の厚さが薄すぎると結晶配向制御などの効果が失われる。一方、シード層の厚さが厚すぎると、直列抵抗の増大を招き、さらにスピンバルブ膜の界面の凹凸の原因となることがある。好ましい例として、膜厚約２ｎｍのＲｕを挙げることができる。
【００３１】
スピンバルブ膜やピニング層１３の結晶配向性は、Ｘ線回折により測定できる。スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、ｂｃｃ（１１０）ピーク、またはピニング層１３（ＩｒＭｎ）のｆｃｃ（１１１）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５〜６度として、良好な配向性を得ることができる。なお、この配向の分散角は断面ＴＥＭを用いた回折スポットからも判別することができる。
【００３２】
シード層として、Ｒｕの代わりに、ＮｉＦｅベースの合金、たとえばＮｉxＦｅ100-x（ｘ＝９０〜５０％、好ましくは７５〜８５％）、またはＮｉＦｅに第３元素Ｘを添加して非磁性にした（ＮｉxＦｅ100-x）100-yＸy（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）を用いることもできる。ＮｉＦｅベースのシード層は、良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり、上記と同様に測定したロッキングカーブの半値幅を３〜５度にすることができる。
【００３３】
シード層は結晶配向を向上させる機能だけでなく、その上に形成される層の結晶粒径を制御する機能も有する。シード層の上に形成される層中の結晶粒の粒径は、断面ＴＥＭなどによって決定することができる。ピン層１４がスペーサ層１６よりも下層に位置するボトム型スピンバルブ膜の場合には、シード層の上に形成されるピニング層１３（反強磁性層）やピン層１４（磁化固着層）の結晶粒径を決定する。
【００３４】
高密度記録に対応した再生ヘッドでは、素子サイズがたとえば１００ｎｍ以下になる。素子サイズに対して結晶粒径の比が大きく、素子面積あたりの結晶粒の数が少なくなると、特性のばらつきの原因となりうるため、結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。特に電流パスを形成しているＣＣＰ−ＣＰＰ素子では結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。一方、結晶粒径が小さくなりすぎても、良好な結晶配向を維持することが一般的には困難になる。このため、スピンバルブ膜の結晶粒径は５〜４０ｎｍの範囲が好ましく、５〜２０ｎｍの範囲がより好ましい。このような結晶粒径の範囲であれば、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、特性のばらつきを招くことなく高いＭＲ変化率を実現できる。
【００３５】
この範囲の結晶粒径を得るためにも、シード層として膜厚約２ｎｍのＲｕを用いることが好ましい。また、シード層として（ＮｉxＦｅ100-x）100-yＸy（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）を用いる場合には、第３元素Ｘの組成ｙを０〜３０％程度にすることが好ましい（ｙが０％の場合も含む）。
【００３６】
一方、ＭＲＡＭ用途などでは素子サイズが１００ｎｍ以上の場合があり、結晶粒径が４０ｎｍ程度と大きくてもそれほど問題とならない場合もある。即ち、シード層を用いることで、結晶粒径が粗大化しても差し支えない場合もある。結晶粒径を４０ｎｍよりも粗大化させるには、シード層の材料として、たとえばＮｉＦｅＣｒベースでＣｒ量を３５〜４５％程度と多量に含みｆｃｃとｂｃｃの境界相を示す合金や、ｂｃｃ構造を有する合金を用いることが好ましい。
【００３７】
ピニング層１３は、その上に成膜されるピン層１４となる強磁性層に一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して磁化を固着する機能を有する。ピニング層１３の材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。このうち、高記録密度対応のヘッド用途では、ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは、ＰｔＭｎよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ、高密度記録の為に必要な狭ギャップ化に適している。
【００３８】
十分な強さの一方向異方性を付与するためには、ピニング層１３の膜厚を適切に設定する。ピニング層１３の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、膜厚は８〜２０ｎｍ程度が好ましく、１０〜１５ｎｍがより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎの場合には、ＰｔＭｎなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与可能であり、３〜１２ｎｍが好ましく、４〜１０ｎｍがより好ましい。好ましい一例として、膜厚約７ｎｍのＩｒＭｎが挙げられる。
【００３９】
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりにハード磁性層を用いてもよい。ハード磁性層としては、たとえばＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０〜８５％）、（ＣｏxＰｔ100-x）100-yＣｒy（ｘ＝５０〜８５％、ｙ＝０〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０〜６０％）が挙げられる。ハード磁性層（特にＣｏＰｔ）は比抵抗が比較的小さいため、直列抵抗および面積抵抗ＲＡの増大を抑制できる。
【００４０】
ピン層１４の好ましい例として、下部ピン層１４１（たとえばＣｏ90Ｆｅ10［３．５ｎｍ］）、磁気結合層１４２（たとえばＲｕ）、および上部ピン層１４３（たとえばＦｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］）からなるシンセティックピン層が挙げられる。ピニング層１３（たとえばＩｒＭｎ）とその直上の下部ピン層１４１は一方向異方性（unidirectional anisotropy）をもつように交換磁気結合している。磁気結合層１４２の上下の下部ピン層１４１および上部ピン層１４３は、磁化の向きが互いに反平行になるように強く磁気結合している。
【００４１】
下部ピン層１４１の材料として、たとえばＣｏxＦｅ100-x合金（ｘ＝０〜１００％）、ＮｉxＦｅ100-x合金（ｘ＝０〜１００％）、またはこれらに非磁性元素を添加したものを用いることができる。下部ピン層１４１の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの単元素やこれらの合金を用いてもよい。
【００４２】
下部ピン層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ、Ｂｓ・ｔ積）は、上部ピン層１４３の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり、上部ピン層１４３の磁気膜厚と下部ピン層１４１の磁気膜厚とが対応することが好ましい。一例として、上部ピン層１４３が（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］である場合、薄膜でのＦｅＣｏの飽和磁化が約２．２Ｔであるため、磁気膜厚は２．２Ｔ×３ｎｍ＝６．６Ｔｎｍとなる。Ｃｏ90Ｆｅ10の飽和磁化が約１．８Ｔなので、上記と等しい磁気膜厚を与える下部ピン層１４１の膜厚ｔは６．６Ｔｎｍ／１．８Ｔ＝３．６６ｎｍとなる。したがって、膜厚約３．６ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10を用いることが望ましい。また、ピニング層１３としてＩｒＭｎを用いる場合には、下部ピン層１４１の組成はＣｏ90Ｆｅ10よりも少しＦｅ組成を増やすことが好ましい。具体的には、Ｃｏ75Ｆｅ25などが好ましい例である。
【００４３】
下部ピン層１４１に用いられる磁性層の膜厚は１．５〜４ｎｍ程度が好ましい。これは、ピニング層１３（たとえばＩｒＭｎ）による一方向異方性磁界強度および磁気結合層１４２（たとえばＲｕ）を介した下部ピン層１４１と上部ピン層１４３との反強磁性結合磁界強度の観点に基づく。下部ピン層１４１が薄すぎるとＭＲ変化率が小さくなる。一方、下部ピン層１４１が厚すぎるとデバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。好ましい例として、膜厚約３．６ｎｍのＣｏ75Ｆｅ25が挙げられる。
【００４４】
磁気結合層１４２（たとえばＲｕ）は、上下の磁性層（下部ピン層１４１および上部ピン層１４３）に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する機能を有する。磁気結合層１４２としてのＲｕ層の膜厚は０．８〜１ｎｍであることが好ましい。なお、上下の磁性層に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、Ｒｕ以外の材料を用いてもよい。ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）結合の２ｎｄピークに対応する膜厚０．８〜１ｎｍの代わりに、ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する膜厚０．３〜０．６ｎｍを用いることもできる。例として、より高信頼性の結合を安定して特性が得られる、膜厚約０．９ｎｍのＲｕが挙げられる。
【００４５】
上部ピン層１４３の一例として、（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］のような磁性層を用いることができる。上部ピン層１４３は、スピン依存散乱ユニットの一部をなす。上部ピン層１４３はＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層であり、大きなＭＲ変化率を得るためには、その構成材料および膜厚の両方が重要である。特に、スペーサ層１６との界面に位置する磁性材料は、スピン依存界面散乱に寄与する点で重要である。
【００４６】
上部ピン層１４３としては、たとえばｂｃｃ構造をもつ磁性材料を用いることが好ましい。上部ピン層１４３としてｂｃｃ構造をもつ磁性材料を用いた場合、スピン依存界面散乱効果が大きいため、大きなＭＲ変化率を実現することができる。ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ系合金として、ＦｅxＣｏ100-x（ｘ＝３０〜１００％）や、ＦｅxＣｏ100-xに添加元素を加えたものが挙げられる。特に、諸特性を満たすＦｅ40Ｃｏ60〜Ｆｅ60Ｃｏ40、なかでもＦｅ50Ｃｏ50が好ましい材料である。
【００４７】
上部ピン層１４３に、高ＭＲ変化率を実現しやすいｂｃｃ構造をもつ磁性層を用いた場合、この磁性層の全膜厚は１．５ｎｍ以上であることが好ましい。これはｂｃｃ構造を安定に保つためである。スピンバルブ膜に用いられる金属材料は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造であることが多いため、上部ピン層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。このため、上部ピン層１４３の膜厚が薄すぎると、ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり、高いＭＲ変化率が得られなくなる。上部ピン層１４３の例として挙げた、（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］は、全膜厚が３ｎｍのＦｅＣｏと、１ｎｍのＦｅＣｏごとに積層された０．２５ｎｍのＣｕとを有し、トータル膜厚３．５ｎｍである。一方、上部ピン層１４３の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。これは、大きなピン固着磁界を得るためである。大きなピン固着磁界と、ｂｃｃ構造の安定性の両立のために、ｂｃｃ構造をもつ上部ピン層１４３の膜厚は２．０〜４ｎｍ程度であることが好ましい。
【００４８】
上部ピン層１４３として、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに、従来の磁気抵抗効果素子で広く用いられているｆｃｃ構造を有するＣｏ90Ｆｅ10合金や、ｈｃｐ構造をもつコバルト合金を用いることもできる。上部ピン層１４３として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの単体金属、またはこれらのいずれか一つの元素を含む合金材料も用いることができる。上部ピン層１４３の磁性材料として、大きなＭＲ変化率を得るのに有利なものから並べると、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金材料、５０％以上のコバルト組成をもつコバルト合金、５０％以上のＮｉ組成をもつニッケル合金の順になる。
【００４９】
上部ピン層１４３の例として挙げた、（Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］）×２／Ｆｅ50Ｃｏ50［１ｎｍ］は、磁性層（ＦｅＣｏ層）と非磁性層（極薄Ｃｕ層）とを交互に積層したものである。このような構造を有する上部ピン層１４３では、極薄Ｃｕ層によって、スピン依存バルク散乱効果と呼ばれるスピン依存散乱効果を向上させることができる。
【００５０】
「スピン依存バルク散乱効果」は、「スピン依存界面散乱効果」と対をなす用語である。スピン依存バルク散乱効果とは、磁性層内部でＭＲ効果を発現する現象である。スピン依存界面散乱効果とは、スペーサ層と磁性層の界面でＭＲ効果を発現する現象である。
【００５１】
図２（ａ）および（ｂ）に示したように、上部ピン層にＳＦ層２２を挿入すると、ＭＲ変化率を上昇させる効果がある。図２（ａ）のようにスペーサ層がＣＣＰ構造である場合と、図２（ｂ）のようにスペーサ層が金属層である場合のどちらにおいてもＭＲ変化率上昇の効果が期待できる。ＳＦ層２２の材料や作製方法などについては、フリー層中にＳＦ層２１を設ける場合に関連して後に詳述するので、ここでは省略する。
【００５２】
以下、磁性層と非磁性層の積層構造をもつ上部ピン層を用いることによるバルク散乱効果の向上について説明する。
【００５３】
図１（ａ）のようなＣＣＰ構造をもつＣＰＰ−ＧＭＲ素子の場合には、スペーサ層の近傍で電流が狭窄されるため、界面近傍での抵抗の寄与が非常に大きい。つまり、スペーサ層１６と磁性層（ピン層１４およびフリー層１８）との界面での抵抗が、磁気抵抗効果素子全体の抵抗に占める割合が大きい。このことは、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子ではスピン依存界面散乱効果の寄与が非常に大きく、重要であることを示している。つまり、スペーサ層１６の界面に位置する磁性材料の選択が、従来のＣＰＰ素子の場合と比較して重要な意味をもつ。ピン層１４３にｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いている理由は、前述したとおりスピン依存界面散乱効果が大きいためである。
【００５４】
しかし、より高ＭＲ変化率を得るためには、バルク散乱効果の大きい材料を用いることも重要である。バルク散乱効果を得るために、極薄Ｃｕ層の膜厚は０．１〜１ｎｍが好ましく、０．２〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が薄すぎると、バルク散乱効果を向上させる効果が弱くなる。Ｃｕ層の膜厚が厚すぎると、バルク散乱効果が減少することがあるうえに、非磁性のＣｕ層を介した上下磁性層の磁気結合が弱くなり、ピン層１４の特性が不十分となる。これらの理由から、好ましい例として挙げた上部ピン層では膜厚０．２５ｎｍのＣｕを用いている。
【００５５】
上部ピン層１４３における磁性層間の非磁性層の材料として、Ｃｕの代わりにＨｆ、Ｚｒ、Ｔｉなどを用いてもよい。これらの極薄の非磁性層を挿入した場合、ＦｅＣｏなど磁性層の一層あたりの膜厚は０．５〜２ｎｍが好ましく、１〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
【００５６】
上部ピン層１４３として、ＦｅＣｏ層とＣｕ層との交互積層構造に代えて、ＦｅＣｏとＣｕを合金化した層を用いてもよい。このようなＦｅＣｏＣｕ合金として、たとえば（ＦｅxＣｏ100-x）100-yＣｕy（ｘ＝３０〜１００％、ｙ＝３〜１５％程度）が挙げられるが、これ以外の組成範囲を用いてもよい。ＦｅＣｏに添加する元素として、Ｃｕの代わりにＨｆ、Ｚｒ、Ｔｉなど他の元素を用いてもよい。
【００５７】
上部ピン層１４３には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉやこれらの合金からなる単層膜を用いてもよい。たとえば、最も単純な構造の上部ピン層１４３として、従来から広く用いられている２〜４ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10単層を用いてもよい。この材料に他の元素を添加してもよい。
【００５８】
スペーサ層１６には、絶縁層１６１および絶縁層１６１を貫通する電流パス１６２を有するＣＣＰ構造のものと、金属層（オールメタル）からなるものが用いられる。
【００５９】
下部金属層１５、スペーサ層１６および上部金属層１７を含むＣＣＰ構造のスペーサ層（広義）について説明する。
【００６０】
下部金属層１５は電流パス１６２材料の供給源として用いられた後の残存層であり、最終形態として必ずしも残存していないこともある。
【００６１】
ＣＣＰ構造のスペーサ層において、絶縁層１６１は酸化物、窒化物、酸窒化物などから形成される。絶縁層１６１としては、Ａｌ2Ｏ3のようなアモルファス構造を有するもの、およびＭｇＯのような結晶構造を有するもののいずれでも用いることができる。スペーサ層としての機能を発揮するために、絶縁層１６１の厚さは１〜３．５ｎｍの範囲が好ましく、１．５〜３ｎｍの範囲がより好ましい。
【００６２】
絶縁層１６１に用いられる典型的な材料としては、Ａｌ2Ｏ3およびこれに添加元素を加えたものが挙げられる。例として、膜厚約２ｎｍのＡｌ2Ｏ3を用いることができる。添加元素としては、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃ、Ｖなどがある。これらの添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜変えることができる。
【００６３】
絶縁層１６１には、Ａｌ2Ｏ3のようなＡｌ酸化物の代わりに、Ｔｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｖ酸化物なども用いることができる。これらの酸化物に対しても上述した添加元素を用いることができる。添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜に変えることができる。
【００６４】
絶縁層１６１として、酸化物の代わりに、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃをベースとする窒化物または酸窒化物を用いてもよい。
【００６５】
電流パス１６２は、スペーサ層１６の膜面垂直に電流を流す狭窄されたパス（経路）を形成するものであり、たとえばＣｕなどの金属からなる。スペーサ層１６にＣＣＰ構造を用いた場合、電流狭窄効果によりＭＲ変化率を増大できる。電流パス１６２の材料には、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、およびこれらの元素を少なくとも一つは含む合金を用いることができる。Ｃｕを含む合金の例として、たとえばＣｕＮｉ、ＣｕＣｏ、ＣｕＦｅなどが挙げられる。ＭＲ変化率を高くし、ピン層１４とフリー層１８の層間結合磁界（interlayer coupling field、Ｈin）を小さくするためには、５０％以上のＣｕを含む組成を有する合金を用いることが好ましい。
【００６６】
電流パス１６２を形成する材料は、金属層（オールメタル）からなるスペーサ層に用いることもできる。特に、オールメタルのスペーサ層は、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択される元素で形成することが好ましい。オールメタルスペーサ層の膜厚は、１．５〜３ｎｍ程度が好ましい。
【００６７】
電流パス１６２は絶縁層１６１と比べて著しく酸素、窒素の含有量が少ない（酸素や窒素の含有量の比率が２倍以上である）領域であり、一般的には結晶相である。結晶相は非結晶相よりも抵抗が小さいため、電流パス１６２として好ましい。
【００６８】
上部金属層１７は広義のスペーサ層の一部を構成する。上部金属層１７は、その上に成膜されるフリー層１８がスペーサ層１６の酸化物に接して酸化されないように保護するバリア層としての機能、およびフリー層１８の結晶性を良好にする機能を有する。たとえば、絶縁層１６１の材料がアモルファス（たとえばＡｌ2Ｏ3）の場合には、その上に成膜される金属層の結晶性が悪くなる。そこで、上部金属層１７として、ｆｃｃ結晶性を良好にする層（たとえばＣｕ層、１ｎｍ以下程度の膜厚でよい）を配置することにより、フリー層１８の結晶性を著しく改善することができる。
【００６９】
なお、スペーサ層１６の材料やフリー層１８の材料によっては、必ずしも上部金属層１７を設ける必要はない。アニール条件の最適化や、スペーサ層１６の絶縁材料の選択、フリー層１８の材料の選択などによって、結晶性の低下を回避することができれば、スペーサ層１６上の金属層１７を不要にできる。
【００７０】
ただし、製造上のマージンを考慮すると、ＣＣＰ構造を採用する場合には、スペーサ層１６上に上部金属層１７を形成することが好ましい。上部金属層１７の好ましい例として、膜厚約０．５ｎｍのＣｕが挙げられる。
【００７１】
上部金属層１７の材料として、Ｃｕ以外にＡｕ、Ａｇ、Ｒｕなどを用いることもできる。上部金属層１７の材料は、スペーサ層１６の電流パス１６２の材料と同一であることが好ましい。上部金属層１７の材料が電流パス１６２の材料と異なる場合には界面抵抗の増大を招くが、両者が同一の材料であれば界面抵抗の増大は生じない。
【００７２】
上部金属層１７の膜厚は０〜１ｎｍが好ましく、０．１〜０．５ｎｍがより好ましい。上部金属層１７が厚すぎると、スペーサ層１６で狭窄された電流が上部金属層１７で広がって電流狭窄効果が不十分になり、ＭＲ変化率の低下を招く。
【００７３】
フリー層１８は、外部磁界によって磁化方向が変化する強磁性体を含む層である。たとえば、図１（ａ）および（ｂ）の磁気抵抗効果素子では、フリー層１８の一部として金属材料の窒化物からなり、スピンフィルター効果を有するＳＦ層２１を設けることにより、膜厚を増大させることなく、より大きなＭＲ変化率を実現することができる。窒化物からなるＳＦ層に変換される金属材料としては、Ｆｅと、Ｃｏ、ＮｉおよびＢからなる群より選択される元素とを含有し、Ｆｅ含有量が５原子％以上であるものが用いられる。
【００７４】
なお、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、上部ピン層中にＳＦ層２２を設けてもよいし、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、フリー層１８中にＳＦ層２２を設けるとともに上部ピン層中にＳＦ層２２を設けてもよい。フリー層中またはピン層中に複数のＳＦ層を設けてもよい。また、ピン層１４とスペーサ層１６との界面、スペーサ層１６とフリー層１８との界面、フリー層１８とキャップ層１９との界面にＳＦ層を設けてもよい。
【００７５】
キャップ層１９はスピンバルブ膜を保護する機能を有する。キャップ層１９は複数の金属層、たとえばＣｕ層とＲｕ層の２層構造（Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］）にすることができる。キャップ層１９として、フリー層１８側にＲｕを配置したＲｕ／Ｃｕ層を用いることもできる。この場合、Ｒｕの膜厚は０．５〜２ｎｍ程度が好ましい。この構造のキャップ層１９は、特にフリー層１８がＮｉＦｅからなる場合に望ましい。ＲｕはＮｉと非固溶な関係にあるので、フリー層１８とキャップ層１９の間に形成される界面ミキシング層の磁歪を低減できる。
【００７６】
キャップ層１９がＣｕ／ＲｕおよびＲｕ／Ｃｕのいずれでも、Ｃｕ層の膜厚は０．５〜１０ｎｍ程度が好ましく、Ｒｕ層の膜厚は０．５〜５ｎｍ程度が好ましい。Ｒｕは比抵抗値が高いため、厚いＲｕ層を用いることは好ましくない。
【００７７】
キャップ層１９としてＣｕ層やＲｕ層の代わりに他の金属層を設けてもよい。スピンバルブ膜を保護可能な材料であれば、キャップ層１９に他の材料を用いてもよい。ただし、キャップ層の選択によってＭＲ変化率や長期信頼性が変わる場合があるので、注意が必要である。これらの観点からも、ＣｕやＲｕはキャップ層の材料として好ましい。
【００７８】
上電極２０には、電気的に低抵抗な材料、たとえばＣｕ、Ａｕ、ＮｉＦｅなどが用いられる。
【００７９】
次に、実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、図１（ｂ）の磁気抵抗効果素子を製造するにあたり、下部フリー層１８１上にＳＦ層２１を形成するための製造工程を示す断面図である。
【００８０】
図４（ａ）に示すように、下部フリー層１８１上に、ＳＦ層２１に変換される第１の金属層２１１を成膜する。第１の金属層２１１は、Ｆｅ含有量が５原子％以上である金属材料からなる。
【００８１】
図４（ｂ）に示すように、第１の金属層２１１に変換処理を施し、窒素を含む変換層２１１’を形成する。この変換層２１１’はＳＦ層２１の一部となる。この変換処理においては、単に金属層２１１の表面を窒素雰囲気に暴露するのみでは所望の変換層に変換することはできない。窒素雰囲気中でイオンビームによって金属層の原子に運動エネルギーを与えつつ、変換処理を行うことが必要である。このような処理では、金属層の原子へエネルギーアシストが作用する。第１の金属層２１１を薄く堆積して変換処理を行うことにより、深さ方向に均一な変換処理を施すことができる。
【００８２】
図４（ｃ）に示すように、変換層２１１’の上にＳＦ層２１に変換される第２の金属層２１２を再び成膜する。第２の金属層２１２も、Ｆｅ含有量が５原子％以上である金属材料からなる。
【００８３】
図４（ｄ）に示すように、図４（ｂ）と同様に、第２の金属層２１２に再び変換処理を施し、窒素を含む変換層２１２’を形成する。このとき、第２の金属層２１２のみで変換が進行するだけでなく、直下の変換層２１１’、さらには下部フリー層１８１においても変換が進行することがある。金属材料に応じて窒化物の生成エネルギーが異なるため、変換が進行する深さは、金属材料の組成および結晶構造などに大きく依存する。
【００８４】
以下、最終的に完成されるＳＦ層２１の膜厚に応じて分割回数を変え、金属層の成膜および変換処理を１モジュールと、このモジュールを必要な回数だけ繰り返して行い、ＳＦ層２１を形成する。
【００８５】
その後、図４（ｅ）に示すように、上部フリー層１８２を成膜する。こうして下部フリー層１８１、ＳＦ層２１および上部フリー層１８２を含むフリー層１８を形成する。なお、上述したように、下部フリー層１８１まで変換処理の影響が及んだ場合には、ＳＦ層２１と下部フリー層１８１との間に明確な区分がなくなることがある。このような場合には、スペーサ層１６とフリー層１８（この場合には上部フリー層１８２のみ）との界面にＳＦ層２１が形成されているのと等価である。
【００８６】
窒化物からなるＳＦ層を形成する場合、ＳＦ層の完成膜厚をＴナノメートルとしたとき、金属層の成膜と変換処理を１モジュールとするモジュールの繰り返し回数Ｎは以下の式によって記述される。
【００８７】
Ｎ≧（Ｔ／０．５）×ｘ      （１）
（ここで、ｘは１〜２の定数、Ｔ≧１）。
【００８８】
窒化物からなるＳＦ層の完成膜厚に応じて分割して成膜する金属層の分割数を変化させるにあたり、上記（１）式に当てはめて繰返し回数Ｎを規定し、一連の製造工程を実施する。窒化物は生成エネルギーが大きいため、ＳＦ層に変換される金属層を１ｎｍ超の厚さに成膜して窒化処理を行うと、表面に薄い窒化層が形成されるだけで、ＳＦ層として所期の効果を発揮することができず、ＭＲ変化率を向上させる効果が小さい。したがって、１回に成膜する金属層の膜厚を１ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００８９】
特に、図２（ａ）および（ｂ）に示したように、上部ピン層１４３中にＳＦ層２２を設ける場合、ピン層のピンニング特性（Ｈua）を低下させないようにすることが好ましい。この場合、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏおよびこれらの合金から選択される強磁性金属層に変換処理を施してＳＦ層を形成すると、Ｈuaが低下しにくい点で好ましい。また、ＳＦ層２２を挟む２層の強磁性層を強磁性結合させることが望ましい。
【００９０】
また、フリー層中にＳＦ層を設ける場合、強磁性金属層に変換処理を施してＳＦ層を形成すると、強磁性体中の磁気モーメント同士の交換結合が働き、フリー層全体が強磁性結合して、磁化の一斉回転が起こるようになる。このため、フリー層として必要条件の１つである低保磁力（Ｈｃ）を制御性よく実現できる。
【００９１】
窒化物からなるＳＦ層２１の完成膜厚は０．２ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましく、０．３〜５ｎｍ程度がより好ましい。なお、窒化物でも絶縁層として知られている材料は、膜厚を大きくすると面積抵抗が増大するため、低抵抗ヘッド用の磁気抵抗効果素子を作製する上で１０ｎｍに近い厚さをもつＳＦ層２１は実用的ではない。
【００９２】
より均一なＳＦ層を形成するために、原子の移動エネルギーをアシストする目的で、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン、クリプトンなどのガスをイオン化またはプラズマ化し、このようなイオン化雰囲気またはプラズマ雰囲気中に窒素ガスなどを供給して生じたイオンやプラズマを金属層表面に照射して変換処理を行ってもよい。
【００９３】
ＳＦ層形成の際に、上記のようなイオンアシストによる窒化ではなく、単に窒素ガス雰囲気に金属層を暴露させ、いわゆる自然窒化することも考えられるが、均一なＳＦ層を形成するには（１）式に従って分割した薄い膜厚の金属層を成膜することが好ましい。
【００９４】
ＳＦ層を含む磁気抵抗効果素子の面積抵抗ＲＡは０．５Ω・μｍ2以下、具体的には０．０５Ω・μｍ2〜０．３Ω・μｍ2が好ましい。
【００９５】
以下、ＳＦ層を形成する際のビーム条件について説明する。窒化処理によりＳＦ層を形成する際に上述したように希ガスをイオン化またはプラズマ化する場合、加速電圧Ｖを＋３０〜１３０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０〜２００ｍＡに設定することが好ましい。これらの条件は、イオンビームエッチングを行う場合の条件と比較すると著しく弱い条件である。イオンビームの代わりにＲＦプラズマなどのプラズマを用いても同様にＳＦ層を形成することができる。イオンビームの入射角度は、膜面に対して垂直に入射する場合を０度、膜面に平行に入射する場合を９０度と定義して、０〜８０度の範囲で適宜変更する。この工程による処理時間は１５秒〜１８０秒が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長すぎると、ＣＰＰ素子の生産性が劣るため好ましくない。これらの観点から、処理時間は３０秒〜１８０秒が最も好ましい。
【００９６】
イオンまたはプラズマを用いた窒化処理の場合、窒素暴露量は１０００〜１０００００００Ｌ（１Ｌ＝１×１０-6Ｔｏｒｒ×ｓｅｃ）が好ましい。
【００９７】
上記のような適正な条件を図４の各工程で用いることにより、良好な特性を与えるＳＦ層を実現することができる。
【００９８】
図４（ａ）および（ｃ）において、分割して積層される第１および第２の金属層２１１、２１２は同一の材料でもよいし異なる材料でもよい。一般的には、同一の材料を用いることが多いが、必ずしも一致している必要はない。
【００９９】
図５に実施形態に係る磁気抵抗効果素子を製造するために用いられる装置の概略的な構成を示す。図５に示すように、搬送チャンバー（ＴＣ）５０を中心として、ロードロックチャンバー５１、プレクリーニングチャンバー５２、第１の金属成膜チャンバー（ＭＣ１）５３、第２の金属成膜チャンバー（ＭＣ２）５４、変換処理チャンバー６０がそれぞれ真空バルブを介して設けられている。この装置では、真空バルブを介して接続された各チャンバーの間で、真空中において基板を搬送することができるので、基板の表面は清浄に保たれる。
【０１００】
金属成膜チャンバー５３、５４は多元（５〜１０元）のターゲットを有する。成膜方式は、ＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタなどのスパッタ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、およびＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などが挙げられる。変換処理には、イオンビーム機構、ＲＦプラズマ機構、または加熱機構を有するチャンバーを利用でき、かつ金属成膜チャンバーとは分けることが必要である。
【０１０１】
真空チャンバーの典型的な真空度は、１０-9Ｔｏｒｒ台であり、１０-8Ｔｏｒｒの前半の値でも許容できる。より具体的には、金属成膜チャンバーの到達真空度は１×１０-8Ｔｏｒｒ以下にすることが好ましく、５×１０-10Ｔｏｒｒ〜５×１０-9Ｔｏｒｒ程度が一般的である。搬送チャンバー５０の到達真空度は１０-9Ｔｏｒｒオーダーである。変換処理チャンバー６０の到達真空度は８×１０-8Ｔｏｒｒ以下である。
【０１０２】
ＳＦ層に変換される金属層の成膜は金属成膜チャンバー５３、５４のいずれかで行われる。変換処理は変換処理チャンバー６０において行われる。金属層の成膜後に、基板は搬送チャンバー５０を介して変換処理チャンバー６０に搬送され変換処理が行われる。その後、金属成膜チャンバー５３、５４のいずれかに搬送されて第２の金属層が成膜された後、基板は再び搬送チャンバー５０を介して酸化処理チャンバー６０に搬送され、変換処理が行われる。
【０１０３】
図６に、図５の変換処理チャンバー６０の一例の構成を示す。この変換処理チャンバー６０はイオンビームを用いるものである。図に示すように、変換処理チャンバー６０は真空ポンプ６１によって真空引きされ、変換処理チャンバー６０にはマスフローコントローラー（ＭＦＣ）６３により流量制御された反応ガスが供給管６２から導入される。変換処理チャンバー６０内にはイオンソース７０が設けられている。イオンソースの形式は、ＩＣＰ（Inductive coupled plasma）型、Capacitive coupled plasma型、ＥＣＲ（Electron-cyclotron resonance）型、カウフマン型などが挙げられる。イオンソース７０に対向するように基板ホルダー８０が配置され、その上に基板１が設置される。
【０１０４】
イオンソース７０からのイオン放出口には、イオン加速度を調整する３枚のグリッド７１、７２、７３が設けられている。イオンソース７０の外側にはイオンを中和するニュートラライザ７４が設けられている。基板ホルダー８０は傾斜可能に支持されている。基板１へのイオンの入射角度は広い範囲で変えることができるが、典型的な入射角度の値は１５°〜６０°である。
【０１０５】
この変換処理チャンバー６０において、Ａｒなどのイオンビームを基板１に照射することにより、イオンを用いた変換処理に対するエネルギーアシストを行うことができ、供給管６２から反応ガスを供給しながらＡｒなどのイオンビームを基板１に照射することにより金属層を変換してＳＦ層を形成する。
【０１０６】
変換処理チャンバーとしてＲＦプラズマチャンバーなどを用いてもよい。いずれにしても、変換処理においてエネルギーを与えるために、イオンまたはプラズマを発生することができるチャンバーにおいて変換処理を行う。
【０１０７】
また、エネルギーを与えるための手段として、加熱処理を行ってもよい。この場合、たとえば１００℃〜３００℃の温度で数十秒から数分程度の加熱処理が挙げられる。
【０１０８】
次に、図１（ａ）および（ｂ）に示した磁気抵抗効果素子の製造方法を全体的に説明する。
【０１０９】
（１）下地層１２の形成
基板（図示せず）上に、微細加工プロセスによって予め下電極１１を形成しておく。下電極１１上に、下地層１２としてたとえばＴａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］を成膜する。Ｔａは下電極の荒れを緩和するためのバッファ層である。Ｒｕはその上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するシード層である。
【０１１０】
（２）ピニング層１３の形成
下地層１２上にピニング層１３を成膜する。ピニング層１３の材料としては、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。
【０１１１】
（３）ピン層１４の形成
ピニング層１３上にピン層１４を形成する。ピン層１４には、たとえば下部ピン層１４１（Ｃｏ90Ｆｅ10）、磁気結合層１４２（Ｒｕ）、および上部ピン層１４３（Ｃｏ90Ｆｅ10）からなるシンセティックピン層を用いることができる。
【０１１２】
（４）スペーサ層の形成
次に、スペーサ層を形成する。スペーサ層は、図１（ａ）のようなＣＣＰ構造を有するものでもよいし、図１（ｂ）のような金属層でもよい。
【０１１３】
ＣＣＰ構造のスペーサ層は、たとえば特開２００６−５４２５７号公報に開示されている方法で形成することができる。金属層からなるスペーサ層は、金属成膜チャンバーにおいてＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｎなどを成膜することによって形成することができる。
【０１１４】
（５）フリー層の形成
次に、図４を参照して説明した方法に従って、ＳＦ層２１を含むフリー層１８を形成する。
【０１１５】
（６）キャップ層１９および上電極２０の形成
フリー層１８の上に、キャップ層１９としてたとえばＣｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］を積層する。キャップ層１９の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極２０を形成する。
【実施例】
【０１１６】
（実施例１）
本実施例においては、図１（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子を作製した。実施例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す。
【０１１７】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．８５ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層（オールメタル）１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２１：図４の方法で作製した（Ｆｅ80Ｃｏ20［０．４ｎｍ］の窒化層）×５層
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９
上電極２０。
【０１１８】
ここで、スペーサ層１６まで積層した後に、ＳＦ層を含むフリー層を形成する方法について説明する。本実施例のようにＳＦ層を含むフリー層を形成する場合、まず通常のフリー層の半分の膜厚の磁性層を積層し、その上にＳＦ層２１を形成する。本実施例では下部フリー層１８１として２ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10を成膜した。
【０１１９】
次に、図４（ａ）の工程で、ＳＦ層に変換される第１の金属層２１１として厚さ０．４ｎｍのＦｅ80Ｃｏ20を成膜した。図４（ｂ）の工程で、以下のようにして変換処理を行った。まず、Ａｒイオンビームを金属層表面に照射した状態で、窒素ガスを変換処理チャンバーにフローした。Ａｒイオンビームの加速条件は６０Ｖとした。こうして、１層目の極薄の窒化層２１１’を形成した。窒素ガスのフローをストップして、基板を金属成膜チャンバーへ移した。図４（ｃ）の工程で、ＳＦ層に変換される第２の金属層２１２として厚さ０．４ｎｍのＦｅ80Ｃｏ20を再び成膜した。図４（ｄ）の工程で、第２の金属層２１２の変換処理を行った。この変換処理の条件は、図４（ｂ）における窒化条件と同じにした。こうして２層目の極薄の窒化層２１２’を形成した。このような金属層の成膜および窒化処理を合計で５回繰り返すことによって、最終的に膜厚２ｎｍのＦｅ80Ｃｏ20の窒化層からなるＳＦ層２１を形成した。
【０１２０】
ＳＦ層２１の形成を完了した後、基板を金属成膜チャンバーへ移し、上部フリー層、キャップ層の成膜を行った。製造されるＣＰＰ素子は、すべての層を成膜した後に行う熱処理によって最終的な層構成になるので、成膜途中の段階においては最終的な層構成になっていないこともある。実際にキャップ層まで成膜した後に行う熱処理もエネルギーアシスト効果を示す。この熱処理は２８０℃で４時間行った。
【０１２１】
（実施例２）
ＳＦ層２１として、図４の方法で作製した（Ｃｏ64Ｆｅ16Ｂ20［０．４ｎｍ］の窒化層）×５層を用いた以外は実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２２】
（実施例３）
ＳＦ層２１として、図４の方法で作製した（Ｆｅ50Ｃｏ50［０．４ｎｍ］の窒化層）×５層を用いた以外は実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２３】
（実施例４）
ＳＦ層２１として、図４の方法で作製した（Ｎｉ95Ｆｅ5［０．４ｎｍ］の窒化層）×５層を用いた以外は実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２４】
（比較例１）
比較例１として、フリー層１８が膜厚４ｎｍのＣｏ90Ｆｅ10からなりＳＦ層を含まない磁気抵抗効果素子を作製した。比較例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す。
【０１２５】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．８５ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層（オールメタル）１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
キャップ層１９
上電極２０。
【０１２６】
（比較例２）
比較例２では、ＳＦ層２１として、１ｎｍのＦｅ80Ｃｏ20の酸化層を用いた以外は、実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２７】
上記のようにして作製した実施例１〜４および比較例１、２の磁気抵抗効果素子の特性を評価した。各素子に対し、電流をピン層１４からフリー層１８の方向へ流し（電子をフリー層１８からピン層１４の方向へ流し）、面積抵抗およびＭＲ変化率を測定した。ここで、電流をフリー層１８からピン層１４の方向へ流す（電子をピン層１４からフリー層１８の方向へ流す）場合、スピントランスファートルク効果によるノイズが大きくなる。このため、スピントランスファーノイズを低減するためには、上記のように電流をピン層１４からフリー層１８の方向へ流すことが好ましい。
【０１２８】
図７に、実施例１〜４および比較例１、２の磁気抵抗効果素子の面積抵抗（ＲＡ）とＭＲ変化率を示す。比較例１の素子では、ＲＡ＝約０．０８Ωμｍ2、ＭＲ変化率＝約０．８％であった。実施例１の素子では、ＲＡ＝０．１Ωμｍ2、ＭＲ変化率＝１．１％であった。また、実施例２〜４の素子でも、比較例１の素子と比較して、面積抵抗（ＲＡ）およびＭＲ変化率が改善されていた。つまり、窒化物が形成しづらい磁性元素を母材料とする場合でも、形成方法を工夫することによって、すべての実施例においてＭＲ変化率の増大を認めることができた。また、そのうち最大のＭＲ変化率の増大を示したものは、最もＦｅ含有量の大きいＦｅ80Ｃｏ20を母材とするものであった。すなわち、Ｆｅ含有量が高い金属材料と窒素とを含有する層ほど、ＭＲ変化率の増大効果が大きいことがわかった。組成として、Ｆｅ含有量が５原子％以上である金属材料と窒素とを含有する層が有効であることがわかる。
【０１２９】
また、比較例２の素子では、ＲＡ＝０．１４Ωμｍ2、ＭＲ変化率＝０．８％であり、面積抵抗ＲＡの増大のみが生じ、ＭＲ変化率の増大は認められなかった。つまり、窒素雰囲気への暴露ではなく、酸素雰囲気に暴露したサンプルではＲＡの増大のみが見られ、ＭＲ変化率の増大は生じなかった。Ｆｅ含有量が大きい材料であっても、窒化物ではなく酸化物の場合には、面積抵抗ＲＡの増大のみが見られ、ＭＲ変化率の増大は得ることが困難である。面積抵抗の増大が生じることは磁気ヘッドの応用として好ましくない。面積抵抗ＲＡは低いことが望ましいため、酸化物よりも窒化物の方が好ましいことがわかった。
【０１３０】
以上のＭＲ変化率の結果を窒素または酸素に暴露する前の金属母材のＦｅ組成に対してプロットして図８に示す。図８からわかるように、窒素雰囲気に暴露したサンプルにおいては、窒素雰囲気に暴露する前の金属母材のＦｅ含有量が５原子％以上であれば、ＭＲ変化率の増大を認めることができた。一方、Ｆｅ含有量が５原子％以上であっても、酸素雰囲気に暴露したサンプルの場合にはＭＲ変化率の増大は全く認めることができなかった。つまり、Ｆｅ含有量が５原子％以上で、かつ窒素暴露したサンプルは面積抵抗ＲＡの増大を招くことなく、ＭＲ変化率の増大を生じさせることができることがわかった。
【０１３１】
なお、実施例１の素子について断面透過型電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）像を観測したところ、スペーサ層１６の結晶配向面と、下部フリー層１８１の結晶配向面とが両者の界面を境界として互いに異なっていることがわかった。また、下部フリー層に相当する部分と、（Ｆｅ80Ｃｏ20［０．４ｎｍ］の窒化層）×５からなるＳＦ層に相当する部分は同じ結晶配向面を有することがわかった。さらに、これらの部分の結晶配向面と、その上の上部フリー層に相当する部分の結晶配向面は異なっていた。
【０１３２】
断面ＴＥＭ像を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して結晶配向面の逆格子スポットを得た。スペーサ層１６の逆格子スポットと、ＳＦ層２１（および下部フリー層１８１）の逆格子スポットとを、［００１］方位のスポットを中心として重ねた。スペーサ層１６とＳＦ層２１とで、中心のスポットから逆格子スポットまでの間隔がほぼ等しく、等価と考えられる結晶配向面どうしが約６０度傾いていることがわかった。
【０１３３】
これに対して、実施例２〜４および比較例１では、実施例１のように２つの層の結晶配向面の間に傾きが生じているような界面の存在は認められなかった。
【０１３４】
以上の結果は以下のように説明できる。金属層の積層と窒化処理を５回繰り返してＳＦ層を形成する場合、１層あたりの金属層の膜厚が十分薄い（この場合、０．４ｎｍ）。薄い金属層に対してイオンまたはプラズマを用いた窒化処理を行うと、金属層の構成原子に十分なエネルギーが供給される。このため、金属層が膜厚全体にわたって確実に窒化膜に変換され、良好なスピンフィルター機能を示すようになる。さらに、Ｆｅ含有量が多い金属層を用いて窒化処理した場合には、ＳＦ層（および下部フリー層）と下地のスペーサ層との間で結晶配向面に傾きが生じ、さらなる効果が付加され、さらに良好なスピンフィルター機能を示すようになる。このため、図７に示したように、実施例１は実施例２〜４と比較して、さらに面積抵抗（ＲＡ）およびＭＲ変化率が高くなったと考えられる。
【０１３５】
（実施例５）
以下の材料を用い、図２（ｂ）に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１３６】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
反強磁性結合層１４２：Ｒｕ［０．８５ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２１：実施例１〜４のいずれかの窒化層
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
スペーサ層（オールメタル）１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
上電極２０。
【０１３７】
（実施例６）
以下の材料を用い、図２（ａ）に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１３８】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
反強磁性結合層１４２：Ｒｕ［０．８５ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２１：実施例１〜４のいずれかの窒化層
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２
フリー層１８：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
上電極２０。
【０１３９】
（実施例７）
以下の材料を用い、図１（ａ）に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１４０】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．８５ｎｍ］／Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２１：実施例１〜４のいずれかの窒化層
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
上電極２０。
【０１４１】
（実施例８）
以下の材料を用い、図３（ｂ）に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１４２】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
反強磁性結合層１４２：Ｒｕ［０．８５ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２２：実施例１〜４のいずれかの窒化層
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
スペーサ層（オールメタル）１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２１：実施例１〜４のいずれかの窒化層
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
上電極２０。
【０１４３】
（実施例９）
以下の材料を用い、図３（ａ）に示した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１４４】
下電極１１
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ22Ｍｎ78［７ｎｍ］
下部ピン層１４１：Ｃｏ90Ｆｅ10［４ｎｍ］
反強磁性結合層１４２：Ｒｕ［０．８５ｎｍ］
第１の上部ピン層１４４：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２２：実施例１〜４のいずれかの窒化層
第２の上部ピン層１４５：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
スペーサ層（ＣＣＰ−ＮＯＬ）１６：Ａｌ2Ｏ3絶縁層１６１およびＣｕ電流パス１６２
下部フリー層１８１：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
ＳＦ層２１：実施例１〜４のいずれかの窒化層
上部フリー層１８２：Ｃｏ90Ｆｅ10［２ｎｍ］
キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
上電極２０。
【０１４５】
これらの実施例５〜９の磁気抵抗効果素子でも、実施例１〜４の磁気抵抗効果素子と同様の効果を得ることができる。
【０１４６】
（磁気抵抗効果素子の応用）
以下、実施形態に係る磁気抵抗効果素子の応用について説明する。
【０１４７】
ＣＰＰ素子の素子抵抗ＲＡは、高密度対応の観点から、０．５ｍΩ・μｍ2以下が好ましく、０．３Ω・μｍ2以下がより好ましい。素子抵抗ＲＡを算出する場合には、ＣＰＰ素子の抵抗Ｒにスピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａを掛け合わせる。ここで、素子抵抗Ｒは直接測定できる。一方、スピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａは素子構造に依存する値であるため、その決定には注意を要する。
【０１４８】
たとえば、スピンバルブ膜の全体を実効的にセンシングする領域としてパターニングしている場合には、スピンバルブ膜全体の面積が実効面積Ａとなる。この場合、素子抵抗を適度に設定する観点から、スピンバルブ膜の面積を少なくとも０．０４μｍ2以下にし、３００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では０．０２μｍ2以下にする。
【０１４９】
しかし、スピンバルブ膜に接してスピンバルブ膜より面積の小さい下電極１１または上電極２０を形成した場合には、下電極１１または上電極２０の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。下電極１１または上電極２０の面積が異なる場合には、小さい方の電極の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。この場合、素子抵抗を適度に設定する観点から、小さい方の電極の面積を少なくとも０．０４μｍ2以下にする。
【０１５０】
スピンバルブ膜の面積が一番小さいところは上電極２０と接触している部分なので、その幅をトラック幅Ｔｗと考える。また、ハイト方向に関しては、やはり上電極２０と接触している部分が一番小さいので、その幅をハイト長Ｄと考える。スピンバルブ膜の実効面積Ａは、Ａ＝Ｔｗ×Ｄとなる。
【０１５１】
実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、電極間の抵抗Ｒを１００Ω以下にすることができる。この抵抗Ｒは、たとえばヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）の先端に装着した再生ヘッド部の２つの電極パッド間で測定される抵抗値である。
【０１５２】
実施形態に係る磁気抵抗効果素子において、ピン層１４またはフリー層１８がｆｃｃ構造である場合には、ｆｃｃ（１１１）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４またはフリー層１８がｂｃｃ構造をもつ場合には、ｂｃｃ（１１０）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４またはフリー層１８がｈｃｐ構造をもつ場合には、ｈｃｐ（００１）配向またはｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【０１５３】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の結晶配向性は、分散角で５．０度以内が好ましく、３．５度以内がより好ましく、３．０度以内がさらに好ましい。これは、Ｘ線回折のθ−２θ測定により得られるピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として求められる。また、素子断面からのナノディフラクションスポットでのスポットの分散角度として検知することができる。
【０１５４】
反強磁性膜の材料にも依存するが、一般的に反強磁性膜とピン層１４／スペーサ層１６／フリー層１８とでは格子間隔が異なるため、それぞれの層において配向の分散角を別々に算出することが可能である。たとえば、白金マンガン（ＰｔＭｎ）とピン層１４／スペーサ層１６／フリー層１８とでは、格子間隔が異なることが多い。白金マンガン（ＰｔＭｎ）は比較的厚い膜であるため、結晶配向のばらつきを測定するのには適した材料である。ピン層１４／スペーサ層１６／フリー層１８については、ピン層１４とフリー層１８とで結晶構造がｂｃｃ構造とｆｃｃ構造というように異なる場合もある。この場合、ピン層１４とフリー層１８とはそれぞれ別の分散角をもつことになる。
【０１５５】
（磁気ヘッド）
図９は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図９は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図１０は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面ＡＢＳに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【０１５６】
図９に例示した磁気ヘッドは、いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。磁気抵抗効果膜ＳＶの上下には、下電極１１と上電極２０とがそれぞれ設けられている。図において、磁気抵抗効果膜の両側面には、バイアス磁界印加膜４１と絶縁膜４２とが積層して設けられている。図１０に示すように、磁気抵抗効果膜の媒体対向面には保護層４３が設けられている。
【０１５７】
磁気抵抗効果膜に対するセンス電流は、その上下に配置された下電極１１、上電極２０によって矢印Ａで示したように、膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜４１、４１により、磁気抵抗効果膜にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜のフリー層１８の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。磁気抵抗効果膜のＳ／Ｎ比が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
【０１５８】
（ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリ）
図１０に示した磁気ヘッドは、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで、磁気記録装置に搭載することができる。図１１は、このような磁気記録装置の概略構成を例示する要部斜視図である。本実施形態の磁気記録装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本実施形態の磁気記録装置１５０は、複数の磁気ディスク２００を備えてもよい。
【０１５９】
磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１６０】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」でもよい。
【０１６１】
サスペンション１５４はアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、ボビン部に巻かれた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１６２】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１６３】
図１２は、アクチュエータアーム１５５から先のヘッドジンバルアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、アセンブリ１６０は、アクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５はアセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１６４】
本実施形態によれば、上述の磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備することにより、高い記録密度で磁気ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
【０１６５】
（磁気メモリ）
実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、たとえばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ：magnetic random access memory）などの磁気メモリを実現できる。
【０１６６】
図１３は、実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果膜中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
【０１６７】
図１４は、実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果膜ＳＶとダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果膜ＳＶ以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１６８】
図１５は、本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。これらの図に示した構造は、図１３または図１４に示した磁気メモリに含まれる１ビット分のメモリセルに対応する。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０１６９】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果膜ＳＶと、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。
【０１７０】
一方、アドレス選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６および埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果膜ＳＶと配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
【０１７１】
また、磁気抵抗効果膜ＳＶの下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２とほぼ直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【０１７２】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果膜ＳＶに書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果膜の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０１７３】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果膜ＳＶと、下電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果膜ＳＶの抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
【０１７４】
実施形態に係る磁気メモリは、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１７５】
（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。たとえば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０１７６】
また、本発明の実施形態は、長手磁気記録方式のみならず、垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても適用できる。さらに、本発明の磁気記録装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでもよい。
【０１７７】
その他、本発明の実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記録装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。たとえば、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は高記録密度に対応した全てのＨＤＤに用いることができ、民生用途で使用されるパソコン、携帯型音楽・ビデオプレーヤー、カーナビゲーション、ビデオムービーなどの記録装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７８】
【図１】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図２】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図４】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する断面図。
【図５】実施形態に係る磁気抵抗効果素子を製造するために用いられる装置の構成図。
【図６】図５の変換処理チャンバーの一例を示す構成図。
【図７】実施例１〜４および比較例１の磁気抵抗効果素子の面積抵抗（ＲＡ）とＭＲ変化率を示す図。
【図８】窒素または酸素に暴露する前の金属母材のＦｅ組成とＭＲ変化率との関係を示す図。
【図９】実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１０】実施形態に係る磁気ヘッドの断面図。
【図１１】実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【図１２】実施形態に係る磁気ヘッドジンバルアセンブリの斜視図。
【図１３】実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図。
【図１４】実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図。
【図１５】実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図。
【図１６】図１５のＡ−Ａ’線に沿う断面図。
【符号の説明】
【０１７９】
１…基板、ＳＶ…磁気抵抗効果膜、１１…下電極、１２…下地層、１３…ピニング層、１４…ピン層、１４１…下部ピン層、１４２…磁気結合層、１４３…上部ピン層、１５…下部金属層、１６…スペーサ層、１６１…絶縁層、１６２…電流パス、１７…上部金属層、１８…フリー層、１９…キャップ層、２０…上電極、２１…ＳＦ層、２２…ＳＦ層４１…バイアス磁界印加膜、４２…絶縁膜、４３…保護層、５０…搬送チャンバー、５１…ロードロックチャンバー、５２…プレクリーニングチャンバー、５３…第１の金属成膜チャンバー、５４…第２の金属成膜チャンバー、６０…変換処理チャンバー、６１…真空ポンプ、６２…供給管、７０…イオンソース、７１、７２、７３…グリッド、７４…ニュートラライザ、７５…プラズマ励起源、８０…基板ホルダー、１５０…磁気記録再生装置、１５２…スピンドル、１５３…ヘッドスライダ、１５４…サスペンション、１５５…アクチュエータアーム、１５６…ボイスコイルモータ、１５７…スピンドル、１６０…磁気ヘッドアッセンブリ、１６４…リード線、２００…磁気記録磁気ディスク、３１１…記憶素子部分、３１２…選択用トランジスタ部分、３２２…ビット線、３２２…配線、３２３…ワード線、３２３…配線、３２４…下部電極、３２６…ビア、３２８…配線、３３０…スイッチングトランジスタ、３３２…ゲート、３３２…ワード線、３３４…ビット線、３３４…ワード線、３５０…列デコーダ、３５１…行デコーダ、３５２…センスアンプ、３６０…デコーダ。
【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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