(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＭＲセンサにおけるトンネルバリア層を形成する方法であって、
強磁性層の上に第１のマグネシウム層を均質に形成するステップと、
前記第１のマグネシウム層を自然酸化させて、その上に酸化マグネシウム層（ＭｇＯ）を均質に形成するステップと、
前記酸化マグネシウム層の上に第２のマグネシウム層を形成するステップと
を含み、これにより、第１のマグネシウム層／酸化マグネシウム層／第２のマグネシウム層からなる３層構造を形成することを特徴とするトンネルバリア層の形成方法。
【請求項２】
前記強磁性層は第１の強磁性層であり、
第２のマグネシウム層の上に第２の強磁性層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項３】
前記第１および第２のマグネシウム層ならびに前記第１および第２の強磁性層を、スパッタリングシステムの１または複数のチャンバ内において直流スパッタリングにより形成する
ことを特徴とする請求項２に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項４】
前記第１のマグネシウム層を自然酸化させて酸化マグネシウム層を形成するステップを、スパッタリングシステムの前記１または複数のチャンバとは異なる酸化用チャンバ内で行う
ことを特徴とする請求項３に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項５】
前記第１のマグネシウム層を自然酸化させて酸化マグネシウム層を形成するステップを、１３．３ｍＰａから１３３ｍＰａの酸素圧下の酸化用チャンバ内で１５秒から３００秒間行う
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項６】
前記第１のマグネシウム層の、自然酸化する前の膜厚を０．４ｎｍから１．４ｎｍとし、前記第２のマグネシウム層の膜厚を０．２ｎｍから０．８ｎｍとする
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項７】
シード層、反強磁性層、ピンド層、前記トンネルバリア層、フリー層およびキャップ層を順に含む積層構造を有するように前記ＴＭＲセンサを磁気再生ヘッドの下部シールド層の上に形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項８】
前記強磁性層が、ＡＰ２／Ｒｕ／ＡＰ１からなる積層構造を有するシンセティック反平行（ＳｙＡＰ）ピンド層であり（但し、ＡＰ２層はコバルト鉄（ＣｏＦｅ）からなり、ＡＰ１層は膜厚が１ｎｍから８ｎｍのコバルト鉄ボロン（Ｃｏ1-X-Y ＦｅX ＢY ；Ｘ＝５〜９５原子％，Ｙ＝５〜３０原子％）層である）、
前記第１のマグネシウム層を前記シンセティック反平行ピンド層の上に形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項９】
前記フリー層を、コバルト鉄／ニッケル鉄（Ｃｏ1-W ＦｅW ／Ｎｉ1-Z ＦｅZ ；Ｗ＝１０〜９０原子％、Ｚ＝５〜７０原子％）からなる積層膜、または、それぞれコバルト、鉄、ニッケルおよびボロンのうちの少なくとも２つを含む合金からなる層を複数積層した多層膜として形成する
ことを特徴とする請求項７に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項１０】
前記シード層を、タンタル（Ｔａ）／ルテニウム（Ｒｕ），タンタル，タンタル／ニッケルクロム（Ｔａ／ＮｉＣｒ），タンタル／銅（Ｃｕ），またはタンタル／クロムからなるように形成し、
前記反強磁性層を、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ），白金マンガン（ＭｎＰｔ），ニッケルマンガン（ＮｉＭｎ），オスミウムマンガン（ＯｓＭｎ），ルテニウムマンガン（ＲｕＭｎ），ロジウムマンガン（ＲｈＭｎ），パラジウムマンガン（ＰｄＭｎ），ルテニウムロジウムマンガン（ＲｕＲｈＭｎ），または白金マンガンパラジウム（ＭｎＰｔＰｄ）のうちのいずれかからなるように形成する
ことを特徴とする請求項７に記載のトンネルバリア層の形成方法。
【請求項１１】
磁気デバイスにおけるＴＭＲセンサを製造する方法であって、
強磁性層の上に第１のマグネシウム層を均質に形成するステップと、
前記第１のマグネシウム層の上に酸化マグネシウム層を形成するために、前記第１のマグネシウム層を酸化させるステップと、
前記酸化マグネシウム層の上に第２のマグネシウム層を形成するステップと
を含み、これにより、第１のマグネシウム層／酸化マグネシウム層／第２のマグネシウム層からなる３層構造のトンネルバリア層を形成する
ことを特徴とするＴＭＲセンサの製造方法。
【請求項１２】
１３．３ｍＰａから１３３ｍＰａの酸素圧下で１５秒から３００秒の間、前記第１のマグネシウム層を部分的に自然酸化させることにより、前記酸化マグネシウム層を形成する
ことを特徴とする請求項１１に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
【請求項１３】
前記強磁性層、ならびに前記第１および第２のマグネシウム層を、直流スパッタリングにより形成する
ことを特徴とする請求項１１に記載のＴＭＲセンサの製造方法。
【請求項１４】
磁気デバイスにおけるＴＭＲセンサであって、
強磁性層と、
前記強磁性層の上に順に下部マグネシウム層、中間の酸化マグネシウム層および上部マグネシウム層を積層して形成された下部マグネシウム層／酸化マグネシウム層／上部マグネシウム層からなる３層構造のトンネルバリア層と
を備えたことを特徴とするＴＭＲセンサ。
【請求項１５】
前記強磁性層が、ＡＰ２／Ｒｕ／ＡＰ１なる積層構造を有するシンセティック反平行ピンド層であり（但し、ＡＰ２層はコバルト鉄（ＣｏＦｅ）からなり、ＡＰ１層はコバルト鉄ボロン（Ｃｏ1-X-Y ＦｅX ＢY ；Ｘ＝５〜９５原子％，Ｙ＝５〜３０原子％）を含む膜厚が１ｎｍから８ｎｍの層である。）、
前記上部マグネシウム層の上にフリー層が設けられている
ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサ。
【請求項１６】
前記強磁性層が、ＡＰ２／Ｒｕ／ＡＰ１なる積層構造を有するシンセティック反平行ピンド層である（但し、ＡＰ２層はコバルト鉄（ＣｏＦｅ）からなり、ＡＰ１層はコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）層と、膜厚が０．５ｎｍから２ｎｍのコバルト鉄（Ｃｏ1-V ＦｅV ；Ｖ＝１０〜９０原子％）層とからなる）
ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサ。
【請求項１７】
前記フリー層を、コバルト鉄／ニッケル鉄（Ｃｏ1-W ＦｅW ／Ｎｉ1-Z ＦｅZ ；Ｗ＝１０〜９０原子％、Ｚ＝５〜７０原子％）からなる積層膜、または、それぞれコバルト、鉄、ニッケルおよびボロンのうちの少なくとも２つを含む合金からなる層が複数積層された多層膜である
ことを特徴とする請求項１５に記載のＴＭＲセンサ。
【請求項１８】
前記上部マグネシウム層は０．２ｎｍから０．８ｎｍの膜厚を有する
ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサ。
【請求項１９】
前記酸化マグネシウム層の膜厚が、３４％以上のＭＲ比と、２Ω・μｍ2 以上のＲＡ値（面積抵抗値）とを発現するように調整されている
ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサ。
【請求項２０】
前記磁気デバイスは、ＭＲＡＭまたは磁気再生ヘッドであり、
タンタル／ルテニウムからなるシード層と、イリジウムマンガンからなる反強磁性層と、コバルト鉄／ルテニウム／コバルト鉄ボロンからなる強磁性ピンド層と、前記トンネルバリア層と、コバルト鉄／ニッケル鉄からなるフリー層と、キャップ層とを基板上に順に積層してなるボトム型スピンバルブとして構成されている
ことを特徴とする請求項１４に記載のＴＭＲセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気再生ヘッドや磁気メモリ等の磁気デバイスに用いられるトンネル磁気抵抗効果（tunneling magnetoresistive ; TMR）センサおよびその製造方法、ならびにそのようなＴＭＲセンサが有するトンネルバリア層の形成方法に係わり、特に、低いＲＡ値（面積抵抗値＝面積と抵抗値との積）を保持しつつ高いＭＲ比（magnetoresistive ratio）と均質なトンネルバリア層とを実現可能にしたトンネルバリア層の形成方法、ならびにＴＭＲセンサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲセンサは、磁気再生ヘッドやＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）等の磁気デバイスに用いられる。図４は、従来のＴＭＲセンサの要部層構造を表すものである。このＴＭＲセンサ６は、薄い非磁性誘電体層と、この非磁性誘電体層によって分離された２つの強磁性層とを備えた層構造を有する。磁気再生ヘッドに適用される場合、ＴＭＲセンサ６は、下部シールド層５と上部シールド層１４との間に設けられる。ＴＭＲセンサ６を構成する最下層は、１または複数のシード層からなるシード層７である。この層は、その上に成膜される層の平滑性と結晶成長の緻密性とを促進させる。シード層７の上には、反強磁性（ＡＦＭ）のピンニング層８が形成され、さらに、このピンニング層８の上には、第１の強磁性層としてのピンド層９が形成されている。ピンド層９の上には、酸化アルミニウム等の誘電体材料からなる薄いトンネルバリア層１０が形成されている。このトンネルバリア層１０は、例えば、最初にアルミニウム層を成膜してからこれを酸化することで形成される。トンネルバリア層１０は、膜厚および酸化状態を十分均一にしなければならない。酸化アルミニウム膜の膜厚や酸化状態がわずかに変化しただけで抵抗値が大きく変動してしまい、素子特性を悪化させるからである。トンネルバリア層１０の上には、第２の強磁性層としてのフリー層１１が設けられている。フリー層１１の膜厚は、一般に５ｎｍ未満である。ＴＭＲセンサ６の最上層には、キャップ層１２が設けられている。ＭＲＡＭに適用する場合には、ＴＭＲセンサ６は下部導電層と上部導電層との間に配置される。
【０００３】
図４に示した磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造は、ボトム型スピンバルブ構造と呼ばれる。一方、トップ型スピンバルブ構造の場合には、シード層の上にフリー層が設けられ、その上に順にトンネルバリア層、ピンド層、反強磁性およびキャップ層が設けられる。
【０００４】
ピンド層９は、ｙ方向に磁化された隣接ＡＦＭ層（ピンニング層８）との間で交換結合することでｙ方向に固定された磁気モーメントを有する。フリー層１１は、ピンド層９の磁気モーメントの方向と平行または反平行を向く磁気モーメントを有する。トンネルバリア層１０は非常に薄いことから、伝導電子の量子力学的トンネル効果によって、そこを積層面と直交する方向に電流が流れる経路ができるようになっている。フリー層１１の磁気モーメントは、外部磁界に応じて切り換わるようになっている。トンネル電流（すなわち、トンネル接合抵抗）を決定づけるのは、フリー層とピンド層の磁気モーメントの相対角度である。センス電流１５が上部シールド層１４から下部シールド層５に（ＭＲＡＭの場合は、上部導電層から下部導電層に）向かってＴＭＲ積層面と直交する方向（ＣＰＰ方向）に流れたとき、フリー層とピンド層の磁気モーメントが平行の場合には（“１”記憶状態）、より低い抵抗値が検出され、フリー層とピンド層の磁気モーメントが反平行の場合には（“０”記憶状態）、より高い抵抗値が検出される。
【０００５】
現在のところ、ＴＭＲセンサは、次世代の磁気ヘッドにおいて、ＧＭＲ（gaiant magnetoresistive ）センサに取って代わる候補として最も有望である。先進のＴＭＲセンサは、磁気ヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ）において、０．１μｍ×０．１μｍ程度の断面積を有する。ＴＭＲセンサの利点は、高いＭＲ比と、高い記録密度に有利なＣＰＰ構造とにある。高性能のＴＭＲセンサに求められる特性としては、低いＲＡ値、高いＭＲ比、低い磁歪（λ）の軟磁性フリー層、強いピンド層、トンネルバリア層を通しての層間結合が弱いこと、等がある。ＭＲ比はｄＲ／Ｒで表される。ここで、ＲはＴＭＲセンサの抵抗値の最小値であり、ｄＲはフリー層の磁化状態の変化に応じて観測される抵抗変化量である。ｄＲ／Ｒが大きければ、読み出し速度（再生速度）が向上する。高い記録密度と高い周波数に対応するためには、ＲＡ値を１〜３［Ω・μｍ2 ］程度に低減しなければならないが、その結果、ＭＲ比が著しく低下してしまう。妥当な信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を確保するためには、従来のような酸化アルミニウムからなるトンネルバリア層によって得られるＭＲ比を超えるＭＲ比を持った新規なＭＴＪ構造が必要である。
【０００６】
以上の点に関連して先行技術を調査したところ、以下のような非特許文献１〜４および特許文献１〜８が見つかった。
【０００７】
【非特許文献１】Nature Materials 3, 868-871 (2004)
【非特許文献２】Nature Materials 3, 862-867 (2004)
【非特許文献３】Physics Letters 86, 092502 (2005)
【非特許文献４】Applied Physics Letters 87, 072503 (2005)
【特許文献１】米国特許６, ８４１, ３９５
【特許文献２】米国特許６, ８２８, ２６０
【特許文献３】米国特許６, ７５６, １２８
【特許文献４】米国特許６, ７３７, ６９１
【特許文献５】米国特許６, ３４７, ０４９
【特許文献６】米国特許６, ８８７, ７１７
【特許文献７】米国特許６, ８２６, ０２２
【特許文献８】米国特許６, ８１９, ５３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Yuasa らによる非特許文献１の「Giant room-temperature magnetoresistance in single crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions」には、極めて高いＭＲ比が報告されている。この報告では、コヒーレントなトンネル効果によって極めて高いＭＲ比が得られたとされている。Parkinらによる非特許文献２の「Giant tunneling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers」には、エピタキシャルなＦｅ(001)/ＭｇＯ(001)/Ｆｅ(001) と、多結晶構造のＦｅＣｏ(001)/ＭｇＯ(001)/( Ｆｅ70Ｃｏ30)80 Ｂ20を用いたトンネル接合構造によって、室温で約２００％というＭＲ比が達成され得ることが示されている。Djayaprawiraらによる非特許文献３の「230% room temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions」には、柔軟性と均質性とを利点とする２３０％というＭＲ比が報告されている。しかしながら、上記した技術では、トンネル接合のＲＡ値が２４０〜１００００［Ω・μｍ2 ］であり、磁気再生ヘッドに適用するには大きすぎる。Tsunekawa らによる非特許文献４の「Giant tunneling magnetoresistance effect in low resistance CoFeB/MgO(001)/CoFeB magnetic tunnel junctions for read head applications」には、下部ＣｏＦｅＢ層と高周波スパッタ形成したＭｇＯ層との間に、直流スパッタ形成した金属Ｍｇ層を挿入することでＲＡ値を低減できることが示されている。Ｍｇ層は、ＭｇＯ(001) 層が薄い場合には、その結晶方向を改善できることが開示されている。ＣｏＦｅＢ／Ｍｇ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢという構造のトンネル接合により、ＲＡ値が２．４［Ω・μｍ2 ］の場合のＭＲ比が１３８％に達することが示されている。金属Ｍｇ層を挿入するアイデアは、Linnによる特許文献１において最初に提案された。このアイデアは、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ（反応性スパッタリング）／ＮｉＦｅ構造のうちの下部電極( ＣｏＦｅ) の酸化を防ぐ目的で提案された。
【０００９】
ＭｇＯ層を有するトンネル接合構造において、高いＭＲ比と低いＲＡ値とが示されたものの、それを再生ヘッドのＴＭＲセンサに適用するためには、未だ多くの解決すべき課題がある。例えば、磁気再生ヘッドの場合、アニール温度は３００°Ｃ未満でなければならず、また、高周波スパッタ形成したＭｇＯトンネルバリア層の場合は、従来のトンネルバリア層（アルミニウム成膜後にこれを自然酸化させて作製したＡｌＯX 層）のプロセスと比べて、ＲＡ値の平均値やばらつきの制御が困難である。また、フリー層がＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ層の場合、低い磁歪と良好な軟磁性を確保するためには、このフリー層をＣｏＦｅＢ層の上に形成するのが望ましい。しかしながら、このＣｏＦｅ／ＮｉＦｅフリー層をＭｇＯトンネルバリア層と組み合わせて使用すると、ＭＲ比が従来のＡｌＯX トンネルバリア層と同じ程度にまで低下してしまう。したがって、望ましい特性（高いＭＲ比、低いＲＡ値および小さい磁歪）を損なわずにＭｇＯトンネルバリア層が取り入れられたＴＭＲセンサが必要である。
【００１０】
上記特許文献１には、ＴＭＲセンサのトンネルバリア層を３段階で形成する技術が開示されている。この技術は、強磁性層上にＭｇ層と酸素ドープＭｇ層とを順に形成したのち、酸化処理を施すというものである。特許文献２には、透過性の上層を通してＭｇＯトンネルバリア層に紫外線を照射することにより、トンネルバリア層中の未反応酸素を活性化させてＭｇと反応させ、均質な酸化トンネルバリア層を形成しようとする技術が開示されている。特許文献３には、ＴｉＯX ＮY 層およびＭｇＯ層からなるトンネルバリア層が開示されている。特許文献４には、Ｍｇ層等のトンネルバリア層を１ｎｍ未満の膜厚に形成することが開示されている。そこには、複合トンネルバリア層は開示されていない。特許文献５には、ＭｇＯ／Ａｌ2 Ｏ3/ＭｇＯ層およびＡｌ2 Ｏ3 ／ＭｇＯ／Ａｌ2 Ｏ3 層からなり、低いＲＡ値をもつトンネルバリア層が開示されている。特許文献６〜８には、自然酸化プロセスによって単一層からなるトンネルバリア層を形成する技術が開示されている。
【００１１】
このように、上記の非特許文献および特許文献には、望ましい特性（高いＭＲ比、低いＲＡ値および小さい磁歪）を同時に満たすＴＭＲセンサについては有効な提案がなされていない。
【００１２】
本発明は係る課題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、高周波スパッタリングや反応性スパッタリングによって形成したＭｇＯトンネルバリア層に比べて良好な膜厚均一性と酸化状態均一性とを有するトンネルバリア層の形成方法、ならびにそのようなトンネルバリア層を備えたＴＭＲセンサおよびその製造方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の第２の目的は、先進の再生ヘッド用途に求められる低ＲＡ値および低磁歪を達成しつつ、ＡｌＯX トンネルバリア層をもつ従来のＴＭＲセンサで実現されるＭＲ比よりも高いＭＲ比が実現可能なトンネルバリア層の形成方法、ならびにそのようなトンネルバリア層を備えたＴＭＲセンサおよびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の第３の目的は、現行プロセスに大きな変更を加えることなく上記の目的を達成することを可能とするトンネルバリア層の形成方法、ならびにそのようなトンネルバリア層を備えたＴＭＲセンサおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るＴＭＲセンサのトンネルバリア層の形成方法は、強磁性層の上に第１のマグネシウム層を均質に形成するステップと、第１のマグネシウム層を自然酸化させて、その上に酸化マグネシウム層を均質に形成するステップと、酸化マグネシウム層の上に第２のマグネシウム層を形成するステップとを含み、これにより、マグネシウム層／酸化マグネシウム層／マグネシウム層からなる３層構造を形成するものである。
【００１６】
本発明に係るトンネルバリア層の形成方法では、強磁性層を第１の強磁性層とし、第２のマグネシウム層の上に第２の強磁性層を形成するのが一般的である。ここで、ボトム型スピンバルブ構造に適用する場合には、第１の強磁性層はピンド層であり、第２の強磁性層はフリー層である。一方、トップ型スピンバルブ構造に適用する場合には、第１の強磁性層はフリー層であり、第２の強磁性層はピンド層である。第１および第２のマグネシウム層ならびに第１および第２の強磁性層は、スパッタリングシステムの１または複数のスパッタリング用チャンバ内において直流スパッタリングにより形成することが可能である。第１のマグネシウム層を自然酸化させて酸化マグネシウム層を形成する処理は、上記のスパッタリングシステムのスパッタリング用チャンバとは異なる酸化用チャンバ内で行うことが好ましい。第１のマグネシウム層を自然酸化させて酸化マグネシウム層を形成する処理は、１３．３ｍＰａから１３３ｍＰａの酸素圧下の酸化用チャンバ内で１５秒から３００秒間行うことが好ましい。第１のマグネシウム層の膜厚は、０．４ｎｍから１．４ｎｍとし、第２のマグネシウム層の膜厚は、０．２ｎｍから０．８ｎｍとすることが好ましい。
【００１７】
本発明に係るトンネルバリア層の形成方法は、シード層、反強磁性層、ピンド層、トンネルバリア層、フリー層およびキャップ層を順に積層してなるＴＭＲセンサを磁気再生ヘッドの下部シールド層の上に形成する場合に適用可能である。この場合、ピンド層を、ＡＰ２／Ｒｕ／ＡＰ１からなる積層構造を有するシンセティック反平行（ＳｙＡＰ）ピンド層として形成すると共に、第１のマグネシウム層をシンセティック反平行ピンド層の上に形成することが可能である。ここで、ＡＰ２層はコバルト鉄（ＣｏＦｅ）層とし、ＡＰ１層は膜厚が１ｎｍから８ｎｍのコバルト鉄ボロン（Ｃｏ1-X-Y ＦｅX ＢY ；Ｘ＝５〜９５原子％，Ｙ＝５〜３０原子％）からなる層とするのが好ましい。フリー層は、コバルト鉄／ニッケル鉄（Ｃｏ1-W ＦｅW ／Ｎｉ1-Z ＦｅZ ；Ｗ＝１０〜９０原子％、Ｚ＝５〜７０原子％）からなる積層膜、または、それぞれコバルト、鉄、ニッケルおよびボロンのうちの少なくとも２つを含む合金からなる層を複数積層した多層膜として形成することが好ましい。フリー層をＣｏＦｅ／ＮｉＦｅで構成した場合には、低磁歪が得られる。シード層は、タンタル（Ｔａ）／ルテニウム（Ｒｕ），タンタル，タンタル／ニッケルクロム（Ｔａ／ＮｉＣｒ），タンタル／銅（Ｃｕ），またはタンタル／クロムで形成し、反強磁性層は、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ），白金マンガン（ＭｎＰｔ），ニッケルマンガン（ＮｉＭｎ），オスミウムマンガン（ＯｓＭｎ），ルテニウムマンガン（ＲｕＭｎ），ロジウムマンガン（ＲｈＭｎ），パラジウムマンガン（ＰｄＭｎ），ルテニウムロジウムマンガン（ＲｕＲｈＭｎ），または白金マンガンパラジウム（ＭｎＰｔＰｄ）のうちのいずれかからなるように形成することが好ましい。
【００１８】
本発明に係るＴＭＲセンサの製造方法は、強磁性層の上に第１のマグネシウム層を均質に形成するステップと、第１のマグネシウム層の上に酸化マグネシウム層を形成するために第１のマグネシウム層を酸化するステップと、酸化マグネシウム層の上に第２のマグネシウム層を形成するステップとを含み、これにより、マグネシウム層／酸化マグネシウム層／マグネシウム層からなる３層構造のトンネルバリア層を形成するようにしたものである。酸化マグネシウム層は、１３．３ｍＰａから１３３ｍＰａの酸素圧下で１５秒から３００秒にわたって第１のマグネシウム層を部分的に自然酸化させることにより形成されることが好ましい。強磁性層、ならびに第１および第２のマグネシウム層は、直流スパッタリングにより形成可能である。
【００１９】
本発明に係るＴＭＲセンサは、強磁性層と、強磁性層の上に順に下部マグネシウム層、中間の酸化マグネシウム層および上部マグネシウム層を積層して形成された下部マグネシウム層／酸化マグネシウム層／上部マグネシウム層からなる３層構造のトンネルバリア層とを備えたものである。ここで、上記の強磁性層を、ＡＰ２／Ｒｕ／ＡＰ１なる積層構造を有するシンセティック反平行ピンド層として構成し、上部マグネシウム層の上にフリー層を設けるように構成することが可能である。この場合、ＡＰ２層は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）層とし、ＡＰ１層は、コバルト鉄ボロン（Ｃｏ1-X-Y ＦｅX ＢY ；Ｘ＝５〜９５原子％，Ｙ＝５〜３０原子％）を含む膜厚が１ｎｍから８ｎｍの層とすることが好ましい。あるいは、ＡＰ１層は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）層と、膜厚が０．５ｎｍから２ｎｍのコバルト鉄（Ｃｏ1-V ＦｅV ；Ｖ＝１０〜９０原子％）層とからなるようにしてもよい。フリー層は、コバルト鉄／ニッケル鉄（Ｃｏ1-W ＦｅW ／Ｎｉ1-Z ＦｅZ ；Ｗ＝１０〜９０原子％、Ｚ＝５〜７０原子％）からなる積層膜、または、コバルト、鉄、ニッケルおよびボロンのうちの少なくとも２つを含む合金多層膜とすることが好ましい。下部マグネシウム層の膜厚は０．４ｎｍから１．４ｎｍとし、上部マグネシウム層の膜厚は０．２ｎｍから０．８ｎｍとすることが好ましい。酸化マグネシウム層の膜厚は、３４％以上のＭＲ比と、２Ω・μｍ2 以上のＲＡ値（面積抵抗値）とを発現するように調整可能である。
【００２０】
本発明に係るＴＭＲセンサは、ＭＲＡＭまたは磁気再生ヘッドに適用可能であり、タンタル／ルテニウムからなるシード層と、イリジウムマンガンからなる反強磁性層と、コバルト鉄／ルテニウム／コバルト鉄ボロンからなる強磁性ピンド層と、トンネルバリア層と、コバルト鉄／ニッケル鉄からなるフリー層と、キャップ層とを基板上に順に積層してなるボトム型スピンバルブとして構成可能である。本発明に係るＴＭＲセンサはまた、シード層と、フリー層と、トンネルバリア層と、強磁性ピンド層と、反強磁性層と、キャップ層とを基板上に順に積層してなるトップ型スピンバルブ構造としても構成可能である。
【００２１】
本発明に係るトンネルバリア層の形成方法、ならびにＴＭＲセンサおよびその製造方法では、ＭｇＯ層が自然酸化処理により形成されるので、スパッタリングによって形成した場合と比べて、より均一な膜厚とより均質な酸化状態とが得られる。また、ＭｇＯ層の上に上部Ｍｇ層を追加して下部Ｍｇ層／ＭｇＯ層／上部Ｍｇ層という３層積層構造にしたことによって、ＡｌＯX からなるトンネルバリア層を備えた従来のＴＭＲセンサと比べて、低いＲＡ値においてより高いＭＲ比が得られる。トンネルバリア層の上部Ｍｇ層は、隣接するフリー層の酸化を防止する点で極めて有効である。従前のプロセスに対して上部Ｍｇ層を追加しただけなので、新たなスパッタリングターゲットやスパッタリングチャンバーを必要とせず、現行製造プロセスを大きく変更せずに済む。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のトンネルバリア層の形成方法、ならびにＴＭＲセンサおよびその製造方法によれば、トンネルバリア層を下部Ｍｇ層／ＭｇＯ層／上部Ｍｇ層という３層積層構造にし、上部Ｍｇ層を設けるようにしたので、その上側の層（フリー層またはピンド層）の酸化を防止することができる。その結果、トンネルバリア層のトンネル抵抗値をより厳密に制御することができ、より高い性能（低いＲＡ値でありながら高いＭＲ比）のＴＭＲセンサが実現可能である。特に、下部Ｍｇ層の一部を自然酸化させてＭｇＯ層を形成するようにした場合には、スパッタ成膜の場合に比べて、より均一な膜厚とより均質な酸化状態とが得られ、より安定した素子特性が実現可能である。しかも、現行プロセスに大きな変更を加えることなく上記の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
本発明の実施の形態では、マグネシウム層（Ｍｇ）／酸化マグネシウム層（ＭｇＯ）／マグネシウム層（Ｍｇ）という積層膜からなるトンネルバリア層を有する高性能のＴＭＲセンサと、下部マグネシウム層を自然酸化させて酸化マグネシウム層を形成するようにしたＴＭＲセンサの製造方法について説明する。ここでは、典型例として、磁気再生ヘッドへの適用例を説明するが、本発明は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子をベースとする、例えばＭＲＡＭ等の他の磁気デバイスにも広く適用可能である。ＴＭＲセンサのタイプとしては、当業者にとっては周知なボトム型スピンバルブ、トップ型スピンバルブおよび多層型スピンバルブがあるが、これらのいずれにも本発明は適用可能である。以下に示す図面は、あくまでも一例を示すものであり、本発明の範囲がこれに限定されることを意図するものではない。例えば、図面は必ずしも原寸で描かれているとは限られず、また、各要素のサイズは実際のデバイスのものとは異なっている場合もある。
【００２５】
図１は本発明の一実施の形態に係るトンネルバリア層の形成方法を用いて作製されたＴＭＲセンサの一適用例である磁気再生ヘッドの要部断面構造を表すものである。この図では、磁気再生ヘッド４０をエアベアリング面（ＡＢＳ）の方向から見た状態を示している。
【００２６】
磁気再生ヘッド４０は、基体２１と、この基体２１の上に形成されたＴＭＲ積層体３１とを備えている。基体２１は、例えば下部導電リード層または下部シールドとして機能するものである。基体２１は、従来の方法を用いて、図示しない所定の基板上に、例えば２μｍ程度の膜厚に形成されたニッケル鉄等からなる層である。なお、上記した所定の基板（図示せず）とは、多くの場合、例えばＡｌＴｉＣ（アルミニウム・チタン・炭素）からなるウェハ上に形成された第１のギャップ層が該当する。
【００２７】
ＴＭＲ積層体３１は、シード層２２、反強磁性層２３およびピンド層２４を順に積層してなるＴＭＲ積層体下側部分を含んでおり、そのためボトム型スピンバルブと呼ばれる。ＴＭＲ積層体３１はさらに、ピンド層２４の上に順に積層されたトンネルバリア層２８、フリー層２９およびキャップ層３０を含んでおり、これらがＴＭＲ積層体上側部分を構成している。
【００２８】
シード層２２は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を有し、例えばタンタル（Ｔａ）／ルテニウム（Ｒｕ）複合構造を有するのが好ましい。但し、これに代えて、タンタル（Ｔａ）単層構造、あるいはタンタル／ニッケルクロム（Ｔａ／ＮｉＣｒ），タンタル／銅（Ｃｕ），またはタンタル／クロム等の複合構造にすることも可能である。このシード層２２は、その上に積層される層の粒径構造がより平滑かつ均一になるように作用する。
【００２９】
シード層２２の上に形成される反強磁性層２３は、ピンド層２４の磁化方向を固定するためのものであり、４ｎｍ〜３０ｎｍ程度の膜厚を有し、例えばイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）からなるのが好ましい。但し、白金マンガン（ＭｎＰｔ），ニッケルマンガン（ＮｉＭｎ），オスミウムマンガン（ＯｓＭｎ），ルテニウムマンガン（ＲｕＭｎ），ロジウムマンガン（ＲｈＭｎ），パラジウムマンガン（ＰｄＭｎ），ルテニウムロジウムマンガン（ＲｕＲｈＭｎ），または白金マンガンパラジウム（ＭｎＰｔＰｄ）を採用することも可能である。
【００３０】
ピンド層２４は、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層で表されるシンセティック反平行（ＳｙＡＰ）型の複合構造（図示せず）を有する。ＡＰ２層は、反強磁性層２３の上に形成される外側ピンド層であり、例えば、鉄含有量が約１０原子％のコバルト鉄（ＣｏＦｅ）からなり、１ｎｍ〜５ｎｍ程度の膜厚を有する。ＡＰ２層の磁気モーメントは、ＡＰ１層の磁気モーメントとは反平行の方向に固定されている。ＡＰ２層とＡＰ１層の膜厚はわずかに異なっており、これにより、ピンド層２４には、後段ステップでパターニングされるＴＭＲセンサの磁化容易軸（図示せず）の方向に沿って、小さな正味磁気モーメントが生ずるようになっている。ＡＰ２層とＡＰ１層との間の交換結合は、結合層（好ましくは０．３ｎｍ〜０．９ｎｍの膜厚のルテニウム（Ｒｕ）層）の存在によって促進される。但し、結合層には、ロジウム（Ｒｈ）層またはイリジウム（Ｉｒ）も使用可能である。
【００３１】
ＡＰ１層は、Ｒｕ等からなる結合層の上に形成されてトンネルバリア層２８に隣接する内側ピンド層であり、例えば、コバルト鉄ボロン（Ｃｏ1-X-Y ＦｅX ＢY ；Ｘ＝５〜９５原子％，Ｙ＝５〜３０原子％）からなる膜厚１ｎｍから８ｎｍの層とすることが好ましい。なお、結合層は、約０．７５ｎｍ程度の膜厚のＲｕで形成するのが特に好ましい。ＡＰ１層をアモルファス（非結晶質）構造のコバルト鉄ボロン（Ｃｏ1-X-Y ＦｅX ＢY ）で構成した場合には、これを例えばコバルト鉄（ＣｏＦｅ）で構成した場合に比べて、より均質な構造のピンド層２４を得ることができる。このようなアモルファスＣｏＦｅＢ層に代えて、ＡＰ１層を、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）と、膜厚が０．５ｎｍから２ｎｍのコバルト鉄（Ｃｏ1-V ＦｅV ；Ｖ＝１０〜９０原子％）層とからなる総膜厚が１ｎｍ〜８ｎｍの多層膜としてもよい。この場合には、ピンド層２４の均質性は上記好適例（アモルファスＣｏＦｅＢ層）ほど高くないはないが、ＴＭＲ特性（ＭＲ比やＲＡ(resistance-area product) 値等）は上記好適例と同等となる。
【００３２】
なお、上記説明において、内側ピンド層とは、ピンド層２４のうち、トンネルバリア層２８に近い側の部分を意味し、外側ピンド層とは、トンネルバリア層２８から遠い側の部分を意味する。
【００３３】
トンネルバリア層２８は、本発明の特徴の１つをなすもので、下部Ｍｇ層（第１のＭｇ層）２５、ＭｇＯ層２６、上部Ｍｇ層（第２のＭｇ層）２７という３つの層からなる積層膜で構成されている。図１のようにボトム型スピンバルブ構造の場合、下部Ｍｇ層２５はピンド層２４のＡＰ１層（内側ピンド層）の上に形成される。一方、トップ型スピンバルブ構造の場合、ＴＭＲ積層体は、基板側から順に、シード層、フリー層、下部Ｍｇ層／ＭｇＯ層／上部Ｍｇ層からなるトンネルバリア層、ＡＰ１層／結合層／ＡＰ２層からなるピンド層、反強磁性層およびキャップ層を含むが、この場合には、ピンド層のＡＰ１層（内側ピンド層）は、トンネルバリア層の上部Ｍｇ層の上に形成される。なお、トンネルバリア層２８の詳細については後述する。
【００３４】
トンネルバリア層２８の上にはフリー層２９が形成されている。フリー層２９は、例えば、コバルト鉄／ニッケル鉄（Ｃｏ1-W ＦｅW ／Ｎｉ1-Z ＦｅZ ；Ｗ＝１０〜９０原子％、Ｚ＝５〜７０原子％）からなる積層膜とすることが好ましい。あるいは、それぞれコバルト、鉄、ニッケルおよびボロンのうちの少なくとも２つを含む合金からなる層を複数積層した多層膜として形成するようにしてもよい。フリー層２９の膜厚は、例えば、１ｎｍ〜９ｎｍ程度とする。
【００３５】
フリー層２９の上には、キャップ層３０が形成されている。キャップ層３０は、例えば、Ｒｕ／Ｔａ／ＲｕまたはＲｕ／Ｚｒ（ジルコニウム）／Ｒｕという３層構造とするようにしてもよい。なお、図示はしないが、キャップ層３０の上には、上部導電リード層または上部シールド層が形成されるようになっている。
【００３６】
次に、以上のような構成のＴＭＲセンサの製造方法について説明する。
【００３７】
まずＡｌＴｉＣ等からなるウェハ上に形成された第１のギャップ層の上に、下部導電リード層または下部シールドとして機能する基体２１を、２μｍ程度の膜厚にＮｉＦｅ等で形成したのち、この基体２１の上にＴＭＲ積層体３１を形成する。
【００３８】
ＴＭＲ積層体３１の形成工程は、例えば以下の通りである。まず、基体２１の上に、Ｔａ／Ｒｕ複合構造、Ｔａ単層構造、あるいはＴａ／ＮｉＣｒ，Ｔａ／Ｃｕ，またはＴａ／Ｃｒ複合構造を有するシード層２２を、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚で形成する。次に、シード層２２の上に、例えばＩｒＭｎ、ＭｎＰｔ，ＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，またはＭｎＰｔＰｄからなる反強磁性層２３を、４ｎｍ〜３０ｎｍ程度の膜厚で形成する。
【００３９】
次に、反強磁性層２３の上に、ＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層からなるシンセティック反平行型のピンド層２４を形成する。ＡＰ２層は、例えば、鉄含有量が約１０原子％のＣｏＦｅを用いて１ｎｍ〜５ｎｍ程度の膜厚に形成する。結合層は、例えばＲｕ、ＲｈまたはＩｒを用いて０．３ｎｍ〜０．９ｎｍの膜厚に形成する。ＡＰ１層は、例えば、Ｃｏ1-X-Y ＦｅX ＢY （Ｘ＝５〜９５原子％，Ｙ＝５〜３０原子％）、またはアモルファス構造のＣｏ1-X-Y ＦｅX ＢY を用いて、１ｎｍ〜８ｎｍの膜厚に形成する。ＡＰ１層はまた、ＣｏＦｅＢ層と、膜厚が０．５ｎｍから２ｎｍのＣｏ1-V ＦｅV （Ｖ＝１０〜９０原子％）層とを積層して形成するようにしてもよい。
【００４０】
次に、図２に示したフローにしたがって、本実施の形態の主な特徴をなす、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ積層構造を有するトンネルバリア層２８をピンド層２４の（内側ピンド層ＡＰ１の）上に形成する。
【００４１】
このフローではまず、第１のステップとして、スパッタリングシステムの直流（ＤＣ）スパッタリング用チャンバ内で、下部Ｍｇ層２５を下地強磁性層（ピンド層２４）の上に形成する（ステップ５０）。下部Ｍｇ層２５の膜厚は、例えば０．４ｎｍ〜１．４ｎｍ程度とするのが好ましい。スパッタリングシステムとしては、例えばアネルバ社(Anelva)製のＣ−７１００スパッタ成膜システムのように、超高真空ＤＣマグネトロンスパッタリングチャンバと少なくとも１つの酸化用チャンバとを備えた装置を利用することが好ましい。
【００４２】
ボトム型スピンバルブ構造の場合、ステップ５０における下地強磁性層はピンド層２４であり、トップ型スピンバルブ構造の場合（図示せず）には、ステップ５０における下地強磁性層はフリー層２９である。そのようなスパッタ成膜プロセスは、アルゴンスパッタガスと、６．６５×１０-3Ｐａ〜６．６５×１０-4Ｐａ（＝５×１０-8Ｔｏｒｒ〜５×１０-9Ｔｏｒｒ）程度のベース圧力とを適用して行う。各スパッタリングチャンバは、低圧放電カソードとしての複数のターゲットを備える。圧力が低ければ低いほど、成膜される膜は均質になる。
【００４３】
次の第２のステップでは、下部Ｍｇ層２５を自然酸化（ＮＯＸ；natural oxidation ）させて、その上に中間層としてのＭｇＯ層２６を形成する（ステップ５１）。この自然酸化プロセスは、スパッタリングシステムの酸化用チャンバ内で、１３．３ｍＰａ〜１３３ｍＰａ（０．１Ｔｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）の酸素圧下で１５秒から３００秒程度行う。なお、酸化用チャンバは、上記のスパッタリング用チャンバとは別個に設けられたものである。本実施の形態では、自然酸化プロセス中に酸化用チャンバ内の加熱や冷却は行わない。こうして０．５ｎｍ〜１．２ｎｍ程度の膜厚のＭｇＯ層２６を形成する。自然酸化プロセスでの酸素圧力を１３．３ｍＰａ未満にすることは、装置上の制限から容易ではないので、推奨されない。一方、１３３ｍＰａを越える酸素圧力とすると、自然酸化を適度な時間（１０秒以上）行った場合に、低いＲＡ値（５［Ω・μｍ2 ］以下）が得られない。
【００４４】
なお、ＭｇＯ層２６の形成は、他の方法で行うことも可能である。例えば、下部Ｍｇ層２５の上に、高周波スパッタリングまたは反応性スパッタリングによって形成する方法である。但し、スパッタリングでＭｇＯ層を形成した場合には、本実施の形態のように自然酸化プロセスでＭｇＯ層を形成した場合に比べて、必ずしも好ましいものとは言えない。例えば、高周波スパッタリングで成膜した場合には、０．６μｍサイズの円形状デバイスにおけるＲＡ値の均一性“１σ”（σは標準偏差）は１０％を越えるのに対し、ＤＣスパッタリングで形成したＭｇ層に自然酸化処理を行ってＭｇＯ層を形成した場合には、ＲＡ値の均一性“１σ”は３％未満であることがわかった。
【００４５】
次に、第３のステップとして、ＭｇＯ層２６まで形成したＴＭＲ積層体３１を再びスパッタリングシステムのＤＣスパッタ成膜チャンバ内に戻し、ＭｇＯ層２６の上にＤＣスパッタリングプロセスによって上部Ｍｇ層２７を成膜する（図２：ステップ５２）。上部Ｍｇ層２７は、例えば０．２ｎｍ〜０．８ｎｍ程度の膜厚を有し、その次に形成するフリー層２９が酸化されるのを防ぐように機能する。すなわち、自然酸化プロセスの結果、過剰な酸素がＭｇＯ層２６の上に堆積すると考えられることから、もしフリー層２９がＭｇＯ層２６の上に直接形成されたとすると、上記の堆積酸素がフリー層２９を酸化してしまう。同様に、トップ型スピンバルブ構造の場合には、もしピンド層がトンネルバリア層のＭｇＯ層の上に直接形成されたとすると、ＭｇＯ層上の堆積酸素がピンド層を酸化してしまう。これに対し、本実施の形態のようにＭｇＯ層２６の上にさらに上部Ｍｇ層２７を形成して、下部Ｍｇ層２５／ＭｇＯ層２６／上部Ｍｇ層２７という３層構造にすることで、フリー層やピンド層の酸化を防止できるのである。なお、ＴＭＲ積層体３１のＭＲ比やＲＡ値は、下部Ｍｇ層２５および上部Ｍｇ層２７の膜厚や、自然酸化時間および酸素圧を変えることで調整可能である。例えば、自然酸化時間を長くしたり酸素圧を高くした結果、ＭｇＯ層２６が厚目になった場合には、ＲＡ値が増大する。
【００４６】
こうしてトンネルバリア層２８の形成が終了したのち、このトンネルバリア層２８の上に、例えば、Ｃｏ1-W ＦｅW ／Ｎｉ1-Z ＦｅZ （Ｗ＝１０〜９０原子％、Ｚ＝５〜７０原子％）なる複合構造、またはコバルト、鉄、ニッケルおよびボロンのうちの少なくとも２つを含む合金多層膜構造を有するフリー層２９を１ｎｍ〜９ｎｍ程度の膜厚に形成する。次に、フリー層２９の上に、例えば、Ｒｕ／Ｔａ／ＲｕまたはＲｕ／Ｚｒ／Ｒｕという３層構造のキャップ層３０を形成する。
【００４７】
なお、フリー層２９およびキャップ層３０は、シード層２２から下部Ｍｇ層２５までの成膜および上部Ｍｇ層２７の成膜に用いたチャンバと同じ単一のスパッタリング用チャンバ内で直流スパッタリングにより成膜するようにしてもよい。すなわち、下部Ｍｇ層２５、上部Ｍｇ層２７、ピンド層２４およびフリー層２９の成膜を、すべて、単一チャンバ内で行うのである。あるいは、ＴＭＲ積層体３１における各スパッタ層を、１つのスパッタリングシステムの複数のチャンバ内で分担して成膜するようにしてもよい。一方、下部Ｍｇ層２５を自然酸化によるＭｇＯ層成膜プロセスは、スパッタリング用チャンバとは異なる酸化専用チャンバ内で行うことが望ましい。
【００４８】
次に、ＴＭＲ積層体３１を形成したのち、この部分的に形成された磁気再生ヘッド４０を真空オーブン中で加熱アニールしてピンド層２４とフリー層２９の磁化方向を設定する。この場合のアニールは、８０００×（１０3 ／４π）［Ａ／ｍ］（＝８０００［Ｏｅ］）の磁界の下、２５０°Ｃ〜３００°Ｃの温度で、２〜１０時間程度行う。このとき、アニールの温度や時間によっては、未反応の酸素が隣接するＭｇ層中に拡散してしまう結果、本来Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇという３層構造のトンネルバリア層２８となるべきものが、均質なＭｇＯ単一層からなるトンネルバリア層になってしまうことも有り得るので、注意が必要である。
【００４９】
次に、従来と同様の手順で、ＴＭＲ積層体３１のパターニングを行う。例えば、キャップ層３０の上にフォトレジスト層（図示せず）を形成し、これを、所定の開口を有するパターンにパターニングする。こうしてできたフォトレジストパターン層をマスクとして、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）等により、ＴＭＲ積層体３１よりも下側の、フォトレジストパターン開口領域に露出した層を、選択的に除去する。そのエッチングプロセスは、下部導電リード層（あるいは下部シールド）としての基体２１に達したところで終了する。これにより、図３に示したように、上面３１ｂおよび側壁面３１ｃを有するＴＭＲセンサ３１ａが形成される。その後、絶縁層３２をＴＭＲセンサ３１ａの側壁面３１ｃの両側に形成し、フォトレジストパターン層をリフトオフして除去する。
【００５０】
次に、絶縁層３２およびＴＭＲセンサ３１ａの上に、上部シールドでもある上部導電リード層３３を形成する。下部導電リード層（あるいは下部シールド）としての基体２１と同様に、上部導電リード層３３は、例えばＮｉＦｅを用いて約２μｍの膜厚に形成する。なお、磁気再生ヘッド４０は、さらに、上部導電リード層３３の上に非磁性絶縁膜からなる第２のギャップ層（図示せず）を備える。
なお、実際の磁気ヘッドにおいては、再生ヘッドの他に記録ヘッドをも搭載した記録再生ヘッドとして構成する場合が多い。この場合には、上記第２のギャップ層を介して記録ヘッド部分（図示せず）を積層形成し、ウェハ段階での薄膜プロセスを終了する。さらに、この薄膜形成の終了したウェハ構造体から、再生ヘッドおよび記録ヘッドを含むヘッドスライダを切り出し、エアベアリング面を研磨形成することにより、磁気記録再生ヘッドの製造工程の主たる部分が完了する。
【００５１】
このようにして作製された磁気再生ヘッドの一般的動作は次の通りである。
【００５２】
再生時、センス電流は、上部導電リード層３３からＴＭＲ積層体３１を膜面（積層面）に直交するように貫通して下部導電リード層（基体２１）へと流れる。もちろん、電流方向は、上記とは逆方向でもよい。フリー層２９の磁化方向は、磁気記録媒体（図示せず）に記録された磁気信号に応じて、ピンド層２４の磁化方向と平行または反平行を向く。これにより、センス電流がトンネルバリア層２８をトンネル通過する際の電気抵抗値は、磁気記録媒体からの磁気信号（信号磁界）の状態（向き）に応じて互いに異なる状態を表す。この電気抵抗値のレベルを検出することにより、磁気情報が読み出される。
【実施例】
【００５３】
次に、本実施の形態の実施例について説明する。
Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇという３層構造のトンネルバリア層を備えたＴＭＲセンサを実際に作製し、改善された性能を検証する試験を行った。具体的には、上記した実施の形態にしたがって、Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）／ＩｒＭｎ（７）／ＣｏＦｅ（１．９）／Ｒｕ（０．７５）／Ｆｅ56Ｃｏ24Ｂ20（２）／Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ／ＣｏＦｅ（１）／ＮｉＦｅ（４）／Ｒｕ（１）／Ｔａ（６）という積層構造のＴＭＲ積層体３１を作製した。ここで、括弧内の数値は膜厚（ｎｍ）を示す。
【００５４】
Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇはトンネルバリア層２８である。ここでは、０．７ｎｍの膜厚の下部Ｍｇ層を成膜したのち、これを自然酸化して中間ＭｇＯ層を形成し、さらにその上に０．３ｎｍの膜厚の上部Ｍｇ層を成膜してトンネルバリア層２８とした。Ｔａ（２）／Ｒｕ（２）はシード層２２であり、ＩｒＭｎ（７）は反強磁性層２３である。ＣｏＦｅ（１．９）／Ｒｕ（０．７５）／Ｆｅ56Ｃｏ24Ｂ20（２）はシンセティック反平行ピンド層２４である。ここで、ＣｏＦｅ（１．９）は外側ピンド層、Ｒｕ（０．７５）は結合層、Ｆｅ56Ｃｏ24Ｂ20（２）は内側ピンド層である。ＣｏＦｅ（１）／ＮｉＦｅ（４）はフリー層２９であり、Ｒｕ（１）／Ｔａ（６）はキャップ層３０である。
【００５５】
ＴＭＲ積層体３１は、ＮｉＦｅからなる基板２１（下部シールドあるいは下部導電リード）の上に形成し、真空中で８０００×（１０3 ／４π）［Ａ／ｍ］の磁界の下、２８０°Ｃの温度で５時間行った。
【００５６】
このようにして作製したＴＭＲセンサは、３０％を越える高いＭＲ比と、５［Ω・μｍ2 ］未満の小さいＲＡ値と、小さい磁歪とを同時に満たすことができた。すなわち、酸化アルミニウム（ＡｌＯX ）からなるトンネルバリア層を備えた従来のＴＭＲセンサとは異なり、特性面で著しい改善がみられた。具体的には、０．６μｍサイズの円形デバイスの場合に、３４％というＭＲ比と、２．１［Ω・μｍ2 ］というＲＡ値と、２×１０-6という磁歪とが得られた。なお、磁歪の値は、フリー層２９のＣｏＦｅ層およびＮｉＦｅ層の膜厚や組成を変えることにより、調整可能である。
【００５７】
次に、本実施の形態の有利な点について説明する。
【００５８】
本発明者らは、比較例として、上部Ｍｇ層を設けない点を除いて上記実施例と同じ膜構成のＴＭＲセンサを用意した。言い換えると、上記実施例のように二重ＭｇＯ層構成のトンネルバリア層ではなく、単一ＭｇＯ層構成のトンネルバリア層を形成した。この比較例では、ＲＡ値が２［Ω・μｍ2 ］のときのＭＲ比が１０％程度に低下した。したがって、高いＭＲ比と低いＲＡ値との組み合わせは、上記したようなＭｇ／ＭｇＯ／Ｍｇという３層積層構造、すなわち、上部Ｍｇ層を追加したことによって初めて実現可能となることがわかった。さらに、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ構成のトンネルバリア層を用いた場合には、酸化アルミニウム（ＡｌＯX ）からなるトンネルバリア層を備えた従来のＴＭＲセンサと比べても、低いＲＡ値において、より高いＭＲ比が得られることがわかった。上記したように、トンネルバリア層の上部Ｍｇ層は、隣接するフリー層（上記実施例では、ＣｏＦｅ層）の酸化を防止するように機能する点で有効である。フリー層（トップ型スピンバルブ構造の場合はピンド層）として機能する他の組成の強磁性層の場合もまた、トンネルバリア層の上部Ｍｇ層の存在によって酸化を免れるということは、当業者にとって明らかであろう。
【００５９】
Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇ構成のトンネルバリア層を用いた場合には、コスト面で有利となる効果もある。本実施の形態のＴＭＲセンサは、本発明らが以前行っていたプロセスに対して上部Ｍｇ層を追加しただけなので、新たなスパッタリングターゲットやスパッタリングチャンバーを必要としないからである。さらに、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ構成のフリー層によって可能となる低温アニールは、現状のＧＭＲセンサ製造プロセスで行っているものと変わりがない。したがって、現状の製造体系と比べても、センサプロセスフローや関連する付随プロセスに変化がない。
【００６０】
さらに、本実施の形態では、ＭｇＯ層を自然酸化処理により形成しているので、スパッタリングによって形成した場合と比べて、より均一な膜厚とより均質な酸化状態とを得ることができる。その結果、トンネルバリア層のトンネル抵抗値をより厳密に制御することができ、より高い性能が得られる。
【００６１】
以上、好適な実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記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、トンネルバリア積層構造の適用例として磁気再生ヘッドを例示して説明したが、本発明はこれに限定されず、ＭＲＡＭ記憶素子や他の磁気素子、例えば電流センサ、地磁気センサ、加速度センサ等の各種磁気センサにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施の形態における磁気再生ヘッドの要部断面構造を表す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における磁気再生ヘッドの製造方法の要部を表す流れ図である。
【図３】本発明の一実施の形態における磁気再生ヘッドの全体概略構造を表す断面図である。
【図４】従来のＴＭＲセンサの断面構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
２１…基体（下部導電リード層または下部シールド）、２２…シード層、２３…反強磁性層、２４…ピンド層、２５…下部Ｍｇ層（第１のＭｇ層）、２６…（中間）ＭｇＯ層、２７…上部Ｍｇ層（第２のＭｇ層）、２８…トンネルバリア層、２９…フリー層、３０…キャップ層、３３…上部導電リード層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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