(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された磁場を検出するための磁気トンネル接合素子を製造する方法であって、
第１の強磁性層を形成する工程と、
前記第１の強磁性層の上に第１の金属膜または第１の非金属膜を形成したのち、前記第１の金属膜または第１の非金属膜の酸化処理を行うことにより第１のバリア層を形成する工程と、
前記第１のバリア層の上に第２の金属膜または第２の非金属膜を形成する工程と、
前記第２の金属膜または第２の非金属膜の上に第２の強磁性層を形成したのち、加熱により前記第１のバリア層に存在する酸素を前記第２の金属膜または第２の非金属膜へ拡散させることで第２のバリア層を形成し、前記第１および第２のバリア層を有するトンネルバリア層を得る工程と
を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２の金属膜または第２の非金属膜の上に少なくとも１層の他のバリア層を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１のバリア層を、前記第２のバリア層の厚み以上の厚みを有するように形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１のバリア層を、前記第２のバリア層および前記他のバリア層のいずれよりも厚いか、または同等の厚みとする
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１および第２の強磁性層のうちのいずれか一方は外部磁界により磁化方向が自由に変化する強磁性フリー層であり、他方は磁化方向が固定された強磁性ピンド層である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１のバリア層の厚みを、０．６ｎｍ以下とする
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１および第２のバリア層のうち少なくとも一方を、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびガリウム（Ｇａ）からなる群のうち少なくとも１種を用いて形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１および第２のバリア層のうち少なくとも一方を、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびガリウム（Ｇａ）からなる群のうち少なくとも１種を含むように形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項９】
前記第２のバリア層の厚みを、０．４ｎｍ以下とする
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１０】
前記他のバリア層の最上層の厚みを、０．４ｎｍ以下とする
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１１】
前記トンネルバリア層の厚みを、１．５ｎｍ以下とする
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１２】
３００℃未満の温度での５時間以内の加熱により前記第２のバリア層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１３】
コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群のうち少なくとも１種を含むように前記第１および第２の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１および第２の強磁性層のいずれか一方を強磁性ピンド層とし、この強磁性ピンド層に隣接するように反強磁性層を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１および第２の強磁性層のいずれか一方を形成するにあたり、第１の磁性層と、非磁性金属層と、第２の磁性層とを順に形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子製造方法。
【請求項１６】
コバルト（Ｃｏ）、コバルト（Ｃｏ）合金およびニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金を含む材料を用いて前記第１および第２の磁性層のうちのいずれか一方を形成し、
ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金もしくは、ニッケル鉄合金にクロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群のうち少なくとも１種を添加してなる合金を用いて前記第１および第２の磁性層のうちの他方を形成する
ことを特徴とする請求項１５に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１７】
さらに、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＦｅＣｒ）合金からなる群のうち少なくとも１種を有するシード層を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１８】
さらに、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）およびニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金からなる群のうち少なくとも１種を含む第１および第２の電気リード層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１９】
前記トンネルバリア層を、バイアス電圧が０から５００ｍＶの範囲の場合に、条件式（１）を満たすように形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
｜（Ｒ＋−Ｒ−）／（Ｒ＋＋Ｒ−）｜ ＜０．０３  ……（１）
但し、
Ｒ＋は正のバイアス電圧に対するトンネルバリア層の接合抵抗値
Ｒ−は負のバイアス電圧に対するトンネルバリア層の接合抵抗値
である。
【請求項２０】
磁気トンネル接合素子を用いて磁気記録媒体に磁気的に記録されたデータを検出する磁気トンネル接合型ヘッドを製造する方法であって、
第１の強磁性層を形成する工程と、
前記第１の強磁性層の上に第１の金属膜または第１の非金属膜を形成したのち、前記第１の金属膜または第１の非金属膜の酸化処理を行うことにより第１のバリア層を形成する工程と、
前記第１のバリア層の上に第２の金属膜または第２の非金属膜を形成する工程と、
前記第２の金属膜または第２の非金属膜の上に第２の強磁性層を形成したのち、加熱により前記第１のバリア層に存在する酸素を前記第２の金属膜または第２の非金属膜へ拡散させることで第２のバリア層を形成し、前記第１および第２のバリア層を有するトンネルバリア層を得る工程と
を含むことを特徴とする磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記録媒体に磁気的に記録されたデータを検出する磁気トンネル接合（magnetic tunnel junction：ＭＴＪ）素子の製造方法ならびに、その磁気トンネル接合素子を備える磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法に関し、特に、均一性、対称性に優れるトンネルバリア層を有する磁気トンネル接合素子の製造方法ならびに、その磁気トンネル接合素子を備える磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、異方性磁気抵抗（Anisotropic Magneto-Resistance, 以下、ＡＭＲ）効果あるいはスピンバルブ（Spin-Valve, 以下、ＳＶ）効果に基づいた磁気抵抗（Magneto-Resistive,以下、ＭＲ）素子は、磁気記録媒体を再生するための再生変換器（トランスデューサ）として広く用いられている。このようなＭＲ素子は、磁性材料よりなる再生ヘッド部で生じる抵抗変化を利用して、記録媒体に記録された信号の変化によって生じる漏洩磁界を検出するものである。ＡＭＲ効果を利用したＭＲ素子（すなわち、ＡＭＲ素子）の磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒは低く、一般に１〜３％程度である。これに対し、同じ磁場を印加した場合のＳＶ素子のΔＲ／Ｒは一般に２〜７％に及ぶ。このような高感度ＳＶ素子を用いた再生ヘッドは非常に高い記録密度へ対応することができ、その記録密度は、１平方インチあたり数ギガ・ビット以上（数Ｇｂｉｔｓ／ｉｎ2 以上，１Ｇｂｉｔｓ／ｉｎ2 ≒６．４５Ｇｂｉｔｓ／ｃｍ2 ）になる。従って、ＳＶ型再生ヘッドは次第にＡＭＲ再生ヘッドに取って代わるようになった。
【０００３】
基本的なＳＶ素子は、米国特許第５，１５９，５１３号に記載されているように、２つの強磁性層が非磁性層によって隔てられている構造を有している。さらに、このＳＶ素子では、２つの強磁性層のうちの１つに隣接するように、例えば、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）合金で形成された交換結合層（ピン止め層）が形成されている。交換結合層とこれに隣接する強磁性層との間には交換結合が生じ、その強磁性層の磁化方向が特定の一方向へ強くピン止め、すなわち固定されている。この磁化方向が固定された強磁性層は強磁性ピンド層と呼ばれる。他方の強磁性層、つまり強磁性フリー層の磁化方向は、小さな外部磁場に応じて自由に回転する。このようなＳＶ素子では、２つの強磁性層の磁化方向が、平行から反平行状態に変化するにつれて電気抵抗が増加するようになっており、これにより、比較的高い抵抗変化率（ＭＲ比）が得られる。
【０００４】
上記のＡＭＲ素子やＳＶ素子とは異なるタイプのＭＲ素子として、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistance, ＴＭＲ）を利用する素子がある。これはJulliereによる「強磁性薄膜間におけるトンネル効果」（"Tunneling Between Ferromagnetic Films",Physics Letters,54A225,1975 ）に記載されている。このようなＴＭＲを利用するＭＲ素子は、磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction, ＭＴＪ）素子、あるいは磁気抵抗トンネル接合（Magneto-Resistive Tunnel Junction,ＭＲＴＪ）素子として知られている。ＳＶ素子と同様、ＭＴＪ素子は、２つの強磁性層（電極層）によって薄い絶縁層を挟み込んだ構造を有している。２つの強磁性層のうち、一方の強磁性層は特定方向に固定された磁気モーメントを有する強磁性ピンド層であり、もう一方の強磁性層は外部磁場に応じて自由に回転する磁気モーメントを有する強磁性フリー層（センス層とも呼ばれる）である。ＳＶ素子と異なり、ＭＴＪ素子の動作は、ＣＰＰ（current perpendicular to the plane）型と呼ばれる。つまり、ＭＴＪ素子を流れるセンス電流は、積層膜の厚み方向つまり、成膜面に対して垂直方向に流れるのである。このセンス電流は、ＭＴＪ素子の２つの強磁性層にバイアス電圧を印加することにより生じる。このセンス電流は、電子がトンネルバリア層をトンネル効果により通過することで得られる。このため、トンネルバリア層は電子のトンネル効果が得られるよう十分に薄くなっている。
【０００５】
電子が絶縁層を通過するプロセスはスピン分極状態に強く依存する。すなわち、ＭＴＪ素子を流れるセンス電流は、２つの強磁性層（強磁性ピンド層および強磁性フリー層）のスピン分極状態と、磁気モーメント（磁化方向）の相対的な方向とに左右される。２つの強磁性層は、外部磁場に対して異なる反応を示すので、外部磁場に応じてこれら２つの強磁性層における相対的な磁化方向を変えることができる。
【０００６】
センス電流が第１の強磁性層を通過すると、電子はスピン分極化される。２つの強磁性層の磁化方向が互いに反平行な場合は、トンネルバリア層を介した電子トンネル効果が得られる確率は低下し、その結果、センス電流は流れにくくなり、大きな接合抵抗Ｒapが得られる。一方、２つの強磁性層の磁化方向が互いに平行な場合、電子トンネル効果が得られる確率は高くなり、センス電流が流れやすくなるので、これにより、小さな接合抵抗Ｒp が得られる。両方の強磁性層の磁化方向が互いに直交な状態、すなわち、平行状態と反平行状態との中間の状態では、接合抵抗Ｒm はＲapとＲp の中間の大きさとなり、Ｒap＞Ｒm ＞Ｒp という関係が得られる。これらの記号を使用して磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）を定義すると、ΔＲ／Ｒ＝（Ｒap−Ｒp ）／Ｒp と表すことができる。
【０００７】
磁気記録媒体における磁化遷移のように、２つの強磁性層の相対的な磁化方向の配置、すなわち角度は、外部磁場に影響されて変化する。この相対的な磁化方向の角度変化は、ＭＴＪ素子の電気抵抗にも影響するため、出力電圧が変化する。したがって、電気抵抗の変化、すなわち、相対的な磁化方向の角度変化に基づく出力電圧の変化を検出することにより、外部磁場の変化を検出することが可能となる。このようにして、ＭＴＪ素子は、磁気記録媒体に記録された情報の再生を行うことができるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
１９９５年以前に報告されたＭＴＪ素子は、ＴＭＲ効果の低いものしかなく、室温下におけるＴＭＲ比は約１〜２％程度であった。しかし、１９９５年に、室温下で初めて１０％以上の高ＴＭＲ比を示すＭＴＪ素子が発見されてから、ＭＴＪ素子を超高密度記録媒体の再生に適用できるという期待が高まった。これに関しては、Moodera らによる「室温下で大きな磁気抵抗をもつ強磁性薄膜トンネル接合」（"Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film tunnel Junctions",Physics.Review.Letters,74,327,1995）によって報告された。
【０００９】
しかしながら、室温下で十分な高ＴＭＲ比を示す、実用に適したＭＴＪ素子を作ることはこれまで困難であった。再生ヘッドへの適用を阻む主な要因は、従来のＭＴＪ素子では接合抵抗値が大きく、信号対雑音（Signal to Noise ，Ｓ／Ｎ）比が低下するという点である。面記録密度を高めるためには、ＭＴＪ素子における接合面積の縮小は避けられず、必然的に、大きな接合抵抗値という要因は重大な問題となる。一方で、柘植と三塚による「Magnetic Tunnel Junctions With In Situ Naturally−Oxidized Tunnel Barrier （自然酸化法によるトンネルバリアを有する磁気トンネル接合）」（Appl．Phys．Lett．７１, ３２９６（１９９７））では、抵抗接合値が低いとＴＭＲ比は小さくなってしまう現象が報告されている。
【００１０】
ＭＴＪ素子で生じる問題として、ショットノイズ（電子がトンネルバリア層を通過する際に生じるノイズ）というものがあり、これはＳ／Ｎ比の低下につながる。ショットノイズは、接合抵抗値Ｒと、センス電流Ｉの平方根とに比例する。詳しくは、下記の（１）式に示す。ここで、ショットノイズをＶrms 、周波数帯域をΔｆとする。なお、（１）式中、ｅは電気素量であり約１．６×１０-19 Ｃ（クーロン）である。
【００１１】
Ｖrms ＝（２・ｅ・Ｉ・Δｆ）0.5 ・Ｒ  ・・・  （１）
【００１２】
十分に高いＳ／Ｎ比を得るには、接合抵抗値Ｒを低減する必要がある。この接合抵抗Ｒは、（２）式に示したように、トンネルバリア層の厚みｄと、トンネルバリア層の障壁高さ（エネルギーギャップ）Φの平方根に対して指数関数的に変化することがわかっている。
【００１３】
Ｒ∝ｅｘｐ（ｄ・Φ1/2 ）  ・・・  （２）
【００１４】
（２）式の示すように、厚みｄを薄くすることによって、接合抵抗値Ｒを低減することは可能である。しかしながら、トンネルバリア層の厚みが減少すると、新たな問題が生じたり、その影響が増える可能性がある。例えば、トンネルバリア層の厚みが薄すぎる場合、ピンホールが発生してしまう。このピンホールは、トンネルバリア層にリーク電流を発生させ、接合抵抗値およびＳ／Ｎ比を減少させるという問題を引き起こす。
【００１５】
さらに、従来のＭＴＪ素子には、トンネルバリア層の厚みｄが不均一であるという問題も存在する。酸化後のトンネルバリア層の上面である酸化物表面では、底面よりも酸素が多く分布している。このため、バイアス電圧を印加すると電気特性（例えば出力電圧）が非対称性（アシンメトリ）を示す。このような非対称性は、トンネルバリア層の、厚みｄと直交する方向の障壁高さ（エネルギーギャップ）Φを変化させることになる。
【００１６】
ＭＴＪ素子に関連した問題として、静電気放電（Electro Static Discharge, ＥＳＤ）が挙げられる。ＭＴＪ素子には放電破壊電圧があって、それは通常約１５０ボルト（Ｖ）である。ＭＴＪ素子が非対称を示すの電気特性を持っている場合、一方のバイアス方向の放電破壊電圧は他方のバイアス方向よりも低くなる。従って、ＥＳＤにより、ＭＴＪ素子の放電破壊電圧が非対称性がない場合よりも低くなるため、ＭＴＪ素子の破壊につながる。
【００１７】
ＭＴＪ素子に関連する他の問題として、絶縁破壊の時間依存性（Time Dependence of Dielectric Breakdown,ＴＤＤＢ）が挙げられる。好ましくないことに、時間の経過とともに、トンネルバリア層（すなわち誘電体）の抵抗は減少してしまう。この場合、トンネルバリア層がより均質であればあるほど、すなわち、トンネルバリア層の電気特性の対称性がより優れていればいるほど、トンネルバリア層は経時的により安定することになる。
【００１８】
さらに、ＭＴＪ素子に関連する別の問題として、ＭＴＪ素子の大量生産時に十分な良品率が確保されるかどうかという問題がある。通常、１つのウェーハー上に多数のＭＴＪ素子が形成される。トンネルバリア層の幅、厚みあるいは障壁高さがウェーハーを横切る方向に一定していないと、生産されたＭＴＪ素子の多くは出力電圧や接合抵抗のような性能特性が不十分となり、品質管理基準を満たさない。したがって、ＭＴＪ素子の良品率、つまり、全生産量に対する製品の比率を向上させるためには、トンネルバリア層が均質であり、その電気特性が対称性を有することが必要である。
【００１９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、低い接合抵抗値を示すとともに、高いトンネル磁気抵抗変化率を示し、室温下において高密度記録媒体の再生に適用可能な磁気トンネル接合素子の製造方法、およびそのような磁気トンネル接合素子を備えた磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００２０】
本発明の第２の目的は、対称性に優れる電気特性を有するトンネルバリア層を備えた磁気トンネル接合素子の製造方法および磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法を提供することである。
【００２１】
本発明の第３の目的は、ＥＳＤおよびＴＤＤＢに優れている磁気トンネル接合素子の製造方法および磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法を提供することである。
【００２２】
さらに本発明の第４の目的は、大量生産時において高い良品率を維持することができる均質なトンネルバリア層を有する磁気トンネル接合素子の製造方法および磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００３７】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法は、印加された磁場を検出するための磁気トンネル接合素子を製造する方法であって、第１の強磁性層を形成する工程と、第１の強磁性層の上に第１の金属膜または第１の非金属膜を形成したのち、第１の金属膜または第１の非金属膜の酸化処理を行うことにより第１のバリア層を形成する工程と、第１のバリア層の上に第２の金属膜または第２の非金属膜を形成する工程と、第２の金属膜または第２の非金属膜の上に第２の強磁性層を形成したのち、加熱により第１のバリア層に存在する酸素を第２の金属膜または第２の非金属膜へ拡散させることで第２のバリア層を形成し、第１および第２のバリア層を有するトンネルバリア層を得る工程とを含むようにしたものである。
【００３８】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１のバリア層の上に第２の金属膜または第２の非金属膜と、第２の強磁性層とを順に形成したのち、加熱により第１のバリア層に存在する酸素を第２の金属膜または第２の非金属膜へ拡散させることで第２のバリア層を形成するようにしたので、厚み方向により均一な絶縁性を有するトンネルバリア部分を形成することができる。
【００４０】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第２の金属膜または第２の非金属膜の上に少なくとも１層の他のバリア層を形成する工程を含むようにしてもよい。
【００４１】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１のバリア層を、第２のバリア層の厚み以上の厚みを有するように形成することが望ましい。
【００４２】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１のバリア層を、第２のバリア層および他のバリア層のいずれよりも厚いか、または同等の厚みとすることが望ましい。
【００４３】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１および第２の強磁性層のうちのいずれか一方は外部磁界により磁化方向が自由に変化する強磁性フリー層であり、他方は磁化方向が固定された強磁性ピンド層であってもよい。
【００４４】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１のバリア層の厚みを、０．６ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００４５】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１および第２のバリア層のうち少なくとも一方を、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびガリウム（Ｇａ）からなる群のうち少なくとも１種を用いて形成することが望ましい。
【００４６】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１および第２のバリア層のうち少なくとも一方を、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびガリウム（Ｇａ）からなる群のうち少なくとも１種を含むように形成することが望ましい。
【００４７】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第２のバリア層の厚みを、０．４ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００４８】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、他のバリア層の最上層の厚みを、０．４ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００４９】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、トンネルバリア層の厚みを、１．５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００５１】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、３００℃未満の温度での５時間以内の加熱により第２のバリア層を形成することが望ましい。
【００５２】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群のうち少なくとも１種を含むように第１および第２の強磁性層を形成することが望ましい。
【００５３】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１および第２の強磁性層のいずれか一方を強磁性ピンド層とし、この強磁性ピンド層に隣接するように反強磁性層を形成する工程を含むことが望ましい。
【００５４】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、第１および第２の強磁性層のいずれか一方を形成するにあたり、第１の磁性層と、非磁性金属層と、第２の磁性層とを順に形成することが望ましい。
【００５５】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、コバルト（Ｃｏ）、コバルト（Ｃｏ）合金およびニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金を含む材料を用いて第１および第２の磁性層のうちのいずれか一方を形成し、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金もしくは、ニッケル鉄合金にクロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群のうち少なくとも１種を添加してなる合金を用いて第１および第２の磁性層のうちの他方を形成することが望ましい。
【００５６】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＦｅＣｒ）合金からなる群のうち少なくとも１種を有するシード層を形成する工程を含んでいることが望ましい。
【００５７】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）およびニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金からなる群のうち少なくとも１種を含む第１および第２の電気リード層を形成する工程を含んでいることが望ましい。
【００５８】
本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法では、トンネルバリア層を、バイアス電圧が０から５００ｍＶの範囲の場合に、条件式（１）を満たすように形成することが望ましい。
｜ａｂｓ（Ｒ＋−Ｒ−）／（Ｒ＋＋Ｒ−）｜ ＜０．０３  ……（１）
但し、Ｒ＋は正のバイアス電圧に対するトンネルバリア層の接合抵抗値であり、Ｒ−は負のバイアス電圧に対するトンネルバリア層の接合抵抗値である。
【００６６】
本発明の磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法は、磁気トンネル接合素子を用いて磁気記録媒体に磁気的に記録されたデータを検出する磁気トンネル接合型ヘッドを製造する方法であって、第１の強磁性層を形成する工程と、第１の強磁性層の上に第１の金属膜または第１の非金属膜を形成したのち、第１の金属膜または第１の非金属膜の酸化処理を行うことにより第１のバリア層を形成する工程と、第１のバリア層の上に第２の金属膜または第２の非金属膜を形成する工程と、第２の金属膜または第２の非金属膜の上に第２の強磁性層を形成したのち、加熱により第１のバリア層に存在する酸素を第２の金属膜または第２の非金属膜へ拡散させることで第２のバリア層を形成し、第１および第２のバリア層を有するトンネルバリア層を得る工程とを含むようにしたものである。
【００６８】
本発明の磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法では、第１のバリア層の上に第２の金属膜または第２の非金属膜と、第２の強磁性層とを順に形成したのち、加熱により第１のバリア層に存在する酸素を第２の金属膜または第２の非金属膜へ拡散させることで第２のバリア層を形成するようにしたので、厚み方向により均一な絶縁性を有するトンネルバリア部分を形成することができる。
【００６９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００７０】
［第１の実施の形態］
＜ＭＴＪ素子およびＭＴＪヘッドの構成＞
まず、図１および図２を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子およびこのＭＴＪ素子を含む磁気トンネル接合型（ＭＴＪ）ヘッドの構成について、併せて説明する。
【００７１】
図１は、本実施の形態に係るＭＴＪ素子７０を含むＭＴＪヘッド１の平面図である。図２は、図１のＭＴＪ素子７０を含むＭＴＪヘッド１の部分断面図である。
【００７２】
ＭＴＪヘッド１は、基板９の上に、下部電気リード層１０、ＭＴＪ素子７０および絶縁層５０、ならびに上部電気リード層６０が順に積層された構造を有している。ここで、ＭＴＪ素子７０は絶縁層５０に埋設され、ＴＭＲ素子７０の下部表面は下部電気リード層１０に接し、一方、上部表面は上部電気リード層６０に接している。下部電気リード層１０および上部電気リード層６０は、ＭＴＪ素子７０に対して、積層面に垂直な方向にセンス電流を流す電流経路としての機能を果たす。絶縁層５０は、下部電気リード層１０と上部電気リード層６０とを電気的に絶縁するためのものである。
【００７３】
本実施の形態によるＭＴＪ素子７０は、トンネル磁気抵抗効果を発揮し、図示しない磁気記録媒体に書き込みされた情報を読み取るためのものであり、図２に示したような積層構造を有する。下部電気リード層１０に接して、下部電極積層体２０が形成され、その上に、トンネルバリア層３０、上部電極積層体４０とが順に積層されている。トンネルバリア層３０を挟んで隣り合う下部電極積層体２０および上部電極積層体４０は、共に強磁性層を含んでいる。図２に示したように、下部電気リード１０の上部表面上に形成された下部電極積層体２０は、シード層２２と、シード層２２上に形成される強磁性フリー層２４とを含んでいる。シード層２２は非磁性層であり、強磁性フリー層２４の磁気特性と結晶性とを向上させるものである。
【００７４】
上部電極積層体４０は、強磁性ピンド層４２、反強磁性層（交換結合層とも呼ばれる）４４および保護層４６が順に形成された構造を有している。強磁性ピンド層４２は、固定層とも呼ばれる。これは、ＭＴＪ素子に対してある方向の外部磁場が印加されても、強磁性ピンド層４２における磁気モーメントの回転は反強磁性層４４によって妨げられ、磁化方向が固定されているからである。一方、強磁性フリー層２４の磁気モーメントは固定されず、したがって、所定の範囲で磁場が印加された状態でも、磁気モーメントは自由に回転できる。ここで、強磁性ピンド層４２の磁化方向４３は外部磁場に対して平行に合わせるのが好ましい。強磁性フリー層２４の磁化方向２３は、外部磁場のない状態で、強磁性ピンド層４２の磁化方向４３に対して垂直に位置するのが好ましい。
【００７５】
センス電流は、上部電気リード層６０から下部電気リード層１０へ向かって流れる。したがって、保護層４６、反強磁性層４４、強磁性ピンド層４２、トンネルバリア層３０、強磁性フリー層２４、シード層２２および下部電気リード層１０の順に、積層面に対して垂直に通過する。トンネルバリア層３０を流れるトンネル電流の量は、トンネルバリア層３０に隔てられて隣接している２つの強磁性層の磁化方向、すなわち、強磁性フリー層２４の磁化方向２３と強磁性ピンド層４２の磁化方向４３との相対的な方向に依存する。このように、ＭＴＪ素子には、トップ電気リード６０から下部電気リード層１０へと電流経路が形成されている。
【００７６】
磁気記録媒体からの磁場によって、磁化方向２３は、磁化方向４３に平行あるいは反平行になるように回転する。これによって、２つの強磁性層、すなわち、強磁性フリー層２４および強磁性ピンド層４２の磁気モーメントの相対的配向が変わり、さらにトンネル電流の量も変わる。よって、ＭＴＪ素子７０の接合抵抗値が変化し、この抵抗変化は、例えば、磁気ディスク駆動装置（図示せず）によって出力電圧変化として検出され、再生データに変換される。
【００７７】
図３は、図２に示した第１の実施の形態におけるＭＴＪ素子の変形例を示すＭＴＪヘッド１′の断面図である。このＭＴＪ素子はトンネルバリア層３０′より下に強磁性ピンド層４２′を備えたものである。図１に示した第１の実施の形態の構成部分と、実質的に同一である構成要素には、同一符号に「′」をつけて表示した。図２に示した第１の実施の形態の構成要素に加え、テンプレート層２５がシード層２２′と反強磁性層（ピン止め層）４４′との間に形成されているのが特徴である。強磁性フリー層２４′は本発明の「第２の強磁性層」の一具体例であり、強磁性ピンド層４２′は本発明の「第１の強磁性層」の一具体例である。
【００７８】
＜ＭＴＪヘッドの製造方法＞
次に、上記した磁気トンネル接合型（ＭＴＪ）ヘッドの製造方法について説明する。なお、本実施の形態に係る磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の製造方法についても併せて説明する。
【００７９】
図１、図２および図４を参照して、ＭＴＪヘッド１およびＭＴＪ素子７０の製造方法を説明する。図４は、ＭＴＪ７０の各層を拡大して示した断面図である。
【００８０】
まず、基体９の上に、スパッタリング等により、アルミナ等からなる絶縁層（図示せず）を形成したのち、この絶縁層の上に、複数の導電性非磁性材料を積層した構造、例えば、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、タンタルを順に積層した構造からなる下部電気リード層１０を形成する。次に、下部電気リード層１０上の一部にＴＭＲ素子７０を形成すると共に、そのＴＭＲ素子７０の周囲領域を埋め込むようにして、下部電気リード層１０上にアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の絶縁層５０を形成する。こののち、ＴＭＲ素子７０および絶縁層５０を覆うように、スパッタリング等により、例えば、タンタル、銅、タンタルを順に積層した構造からなる上部電気リード層６０を形成する。
【００８１】
以上により、トンネル磁気抵抗効果を利用するＴＭＲ素子７０と、ＴＭＲ素子７０に対して、積層面に垂直な方向にセンス電流を流すための電流経路（下部電気リード層１０および上部電気リード層６０）とを備えた磁気記録媒体再生用のＭＴＪヘッドの形成が完了する。
【００８２】
ここで、ＴＭＲ素子７０は、例えば、次のようにして形成される。図２に示したように、下部電極リード層１０上に、スパッタリング等によりシード層２２を形成する。シード層２２は、タンタル、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）合金およびニッケルクロム鉄（ＮｉＣｒＦｅ）合金からなる群より選択される材料によって形成されるのが好ましい。シード層２２上に、例えば、スパッタリング等により、強磁性層からなる強磁性フリー層２４を形成する。この場合、強磁性フリー層２４は、例えばコバルト（Ｃｏ）、コバルト合金およびニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金等のスピン分極性の高い材料を含む第１の強磁性膜と、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金や、ＮｉＦｅＸ合金（Ｘ＝クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ））等の低磁化、低保磁力である材料を含む第２の強磁性膜とを有する構造であることが望ましい。このようにして、下部電極リード層１０上に、下部電極積層体２０を形成する。
【００８３】
続いて、下部電極積層体２０の上に、金属層等をスパッタリング等で形成し、これを例えば、自然酸化法（いわゆる、ｉｎ  ｓｉｔｕ法）によって金属層を酸化処理することにより、トンネルバリア層３０を形成する。トンネルバリア層３０の製造方法については、後に詳述する。
【００８４】
トンネルバリア層３０を形成した後、ＣｏＦｅ合金等の磁性層、ルテニウム（Ｒｕ）等の非磁性層およびＣｏＦｅ合金等の磁性層を順に積層し、強磁性ピンド層４２を形成する。なお、強磁性ピンド層４２は、２つの強磁性層が、ルテニウムの他、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅およびクロム等からなる群より選択される非磁性金属層を挟んで反強磁性結合している構造を備えたものであることが望ましい。次いで、やはり、スパッタリング等により、白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金等からなる反強磁性層４４を形成する。強磁性ピンド層４２と反強磁性層４４との界面において交換結合が生じ、強磁性ピンド層４２における磁化の向きが固定される。最後に、反強磁性層４４上に、タンタルからなる保護層４６を形成する。こうして、ＴＭＲ素子７０の形成が完了する。なお、強磁性フリー層２４は、本発明の「第１の強磁性層」の一具体例であり、強磁性ピンド層４２は本発明の「第２の強磁性層」の一具体例である。
【００８５】
第１の実施の形態における変形例であるＭＴＪ素子７０′の製造方法について、図３および図５を参照して以下に説明する。図５は、ＭＴＪ７０′の各層を拡大して示した断面図である。ここでは、ＭＴＪ素子７０′の構成要素のうち、ＭＴＪ素子７０と同一の名称を有するものについては、具体的製法、名称について適宜省略する。なお、ＭＴＪ素子７０′以外の構成要素についてのＭＴＪヘッド１′製造方法は、ＭＴＪヘッド１の製造方法と実質的に同様なので省略する。
【００８６】
ＭＴＪ素子７０′は、例えば、次のようにして形成される。図３に示したように、下部電極リード層１０上に、スパッタリング等によりシード層２２′を形成する。シード層２２′上に、例えばスパッタリング等によりタンタル、クロム、チタン、ＮｉＣｒ合金あるいはＮｉＣｒＦｅ合金等からなるテンプレート層２５を形成する。さらに、反強磁性層４４′および強磁性ピンド層４２′を順に形成することで、シード層２２′、テンプレート層２５、反強磁性層４４′および強磁性ピンド層４２′が順に積層された下部電極積層体２０′が形成される。続いて、下部電極積層体２０′の上に、トンネルバリア層３０′を形成する。トンネルバリア層３０′を形成した後、強磁性フリー層２４′および保護層４６′を形成することで上部電極積層体４０′を形成する。こうして、ＭＴＪ素子７０′完成する。
【００８７】
＜トンネルバリア層の酸化法と評価＞
ＭＴＪ素子７０のＴＭＲ比を向上させ、かつ、Ｓ／Ｎ比をも改善するためには、シード層２２を使用し、下部電極積層体２０の表面粗さを低減する方法が特に好ましい。また、トンネルバリア層３０は、アルミニウム膜あるいは他の材料で形成された膜を低温下で積層し、プラズマによって酸化処理することによって形成できる。このようなＭＴＪ素子７０の接合抵抗値は、その断面積が２００ｘ３００μｍ2 の場合、数百Ωから数１０キロΩの範囲になる。
【００８８】
ＭＴＪ素子７０のＳ／Ｎ比を改善するためには、トンネルバリア層３０の厚みを減らして、接合抵抗値を下げる方法も考えられる。このとき、トンネルバリア層３０は、アルミニウム膜を酸化処理することによって形成される。あるいは、アルミニウム膜の代わりに、クロム、モリブデン、タンタル、ニオブ、銅、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン、バナジウム（Ｖ）、ルテニウム、レニウム、ジルコニウムおよびガリウム（Ｇａ）からなる群のうち少なくとも１つを含む金属層や非金属層を酸化処理したものをトンネルバリア層３０に適用することも可能である。
【００８９】
図６は、従来の単一酸化法によって形成された単層のトンネルバリア層１３０を含むＭＴＪ素子１７０の部分断面図である。強磁性フリー層１２４の上にバリア１３０が積層され、さらに強磁性ピンド層１４２が積層されている。図６に示すように、単一酸化法によって得られたトンネルバリア層１３０は、しばしば、その厚みが積層面の場所によって大きく異なり、かなり不均一である。さらに、厚み方向における酸素の分布度が大きく異なる。このように不均一なトンネルバリア層１３０を有するＭＴＪ素子１７０では、センス電流とバイアス電圧との関係等の電気特性における非対称性（アシンメトリ）が顕著になる。
【００９０】
これに対し、本発明の第１の実施の形態では、図７に示したように、複数の金属層あるいは非金属層を連続的に積層し、酸化することで、ＭＴＪ素子７０のトンネルバリア層３０を形成する。この方法によって、トンネルバリア層３０の平坦度、すなわち、厚みの均一性が向上し、単一酸化法によるトンネルバリア層１３０よりも厚みの均一性の高いトンネルバリア層３０を形成することができる。平坦度が改善されると、ピンホールの原因となる局部的に薄い厚み箇所が減ると共に、有効なトンネルバリア層の厚みが増えることになる。したがってＴＭＲ比および接合抵抗値が増加する。すなわち、ピンホール発生の危険性が減ったので、トンネルバリア層３０の厚みの平均値を下げることができ、よって、従来のＴＭＲ比を維持したまま、接合抵抗値を低減できる（Ｓ／Ｎ比を向上させることができる）。
【００９１】
以下、本発明の第１の実施の形態に係るトンネルバリア層３０を含むＭＴＪ７０の形成方法について、図７を参照して詳細に説明する。
【００９２】
第１の実施の形態である複合の酸化法を「酸化法Ｉ」と称することにする。図７は、酸化法Ｉによって形成されたトンネルバリア層３０を含むＭＴＪ素子７０の略図である。トンネルバリア層３０は、強磁性フリー層２４の上に第１のバリア層３２を形成したのち酸化処理し、さらに第２のバリア層３４を酸化処理後の第１のバリア層３２の上に積層したのち酸化処理することによって得られる。酸化法Ｉは２段階酸化法とも呼ぶことができるように、この酸化法Ｉでは、例えば、アルミニウム層を強磁性フリー層２４の上に形成したのち酸化処理し、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）からなる第１のバリア層３２を形成する。その後、例えば、やはりアルミニウム層を酸化処理後の第１のバリア層３２の上に形成し、これも酸化することにより、第２のバリア層３４を形成する。この場合、２つの酸化層、すなわち、第１および第２のバリア層３２，３４は、は１つの均質なＡｌＯｘ層、すなわちトンネルバリア層３０を形成する。その後、強磁性ピンド層４２がＡｌＯｘ層からなるトンネルバリア層３０の上に形成される。当然、第１および第２のバリア層３２，３４は、上記のアルミニウム層の代わりに他の金属や非金属層を酸化処理することによって形成されてもよい。例えば、トンネルバリア層３０は、クロム、モリブデン、タンタル、ニオブ、銅、白金、パラジウム、ボロン、炭素、タングステン、シリコン、チタン、バナジウム、ルテニウム、レニウム、ジルコニウムおよびガリウムからなる群のうち少なくとも１種を含んでもよい。但し、トンネルバリア層３０は、アルミニウム、タンタル、ニッケル、チタン、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン、ジルコニウムおよびガリウムのうち少なくとも１種を含むことがより好ましい。
【００９３】
２段階酸化法である酸化法Ｉは、さらに、次の２つのパターンに分けることができる。すなわち、第１のバリア層３２の厚みｔ１が、第２のバリア層３４の厚みｔ２以下であるパターン（酸化法Ｉ−１と呼ぶ）と、第１のバリア層３２の厚みｔ１が、第２のバリア層３４の厚みｔ２よりも厚いパターン（酸化法Ｉ−２と呼ぶ）との２つである。
【００９４】
酸化法Ｉ−２（ｔ１＞ｔ２）の一例として、全体の厚みｔ０が０．５ｎｍである多層のトンネルバリア層３０を形成する場合について説明する。最初に、０．３ｎｍの厚みのアルミニウム膜（ｔ１＝０．３ｎｍの酸化処理前の第１のバリア層３２）を例えば、スパッタリングによりチャンバ内で第１の強磁性フリー層２４上に積層する。チャンバ内をポンプで排気し、その後、アルミニウム膜（酸化処理前の第１のバリア層３２）を、純粋な酸素あるいは酸素プラズマに晒すことで第１のＡｌＯｘ膜（第１のバリア層３２）を形成する。続いて、厚みが０．２ｎｍの第２のアルミニウム膜（ｔ２＝０．２ｎｍの酸化処理前の第２のバリア層３４）を第１のＡｌＯｘ膜の上に積層する。チャンバ内を再びポンプで排気し、「ＡｌＯｘ／アルミニウム」膜を純粋な酸素あるいは酸素プラズマに晒して酸化処理する。こうすることで、「ＡｌＯｘ／ＡｌＯｘ」膜で構成される平坦度の高いトンネルバリア層３０が得られる。
【００９５】
後に詳述するが、酸化法Ｉによって形成されたＭＴＪ素子７０は、ＴＭＲ比を維持し、単一酸化法に比べ相対的に低い接合抵抗値を示す。酸化法Ｉの場合、厚みｔ１は、０．６ｎｍ以下、厚みｔ２は、厚みｔ１未満であることが望ましい。
【００９６】
なお、本実施の形態においては、トンネルバリア層３０は強磁性フリー層２４の上に積層され、強磁性ピンド層４２はトンネルバリア層３０の上に積層されることが好ましい。さらに、トンネルバリア層３０の厚みは１．５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００９７】
次に、酸化処理前の第１のバリア層３２および第２のバリア層３４の合計の厚み（総厚みｔ０＝ｔ１＋ｔ２）が所定の値となるように、酸化法Ｉ−１によってトンネルバリア層３０Ａを備えたＭＴＪ素子７０Ａを作製すると共に、酸化法Ｉ−２によってトンネルバリア層３０Ｂを備えたＭＴＪ素子７０Ｂを作製し、両者の特性比較をおこなった。なお、比較例として、従来の単一酸化法によるＭＴＪ１７０についても同様の評価を行った。
【００９８】
図８は、酸化法Ｉ−１によって形成されたＭＴＪ素子７０Ａおよび酸化法Ｉ−２によって形成されたＭＴＪ素子７０Ｂにおける接合抵抗値Ｒと、総厚みｔ０との関係を示す説明図である。ここでは、酸化処理前の第１のバリア層３２Ａ，３２Ｂおよび第２のバリア層３４Ａ，３４Ｂとして、どちらもアルミニウム膜を用いた。比較例として、従来の単一酸化法によるトンネルバリア層１３０を備えたＭＴＪ素子１７０についての結果も併せて示した。図８においては、縦軸が接合抵抗Ｒ（Ω）を示し、横軸がトンネルバリア層３０Ａを形成する酸化処理前の第１のバリア層３２の厚みｔ１と、酸化処理前の第２のバリア層３４の厚みｔ２との合計であるアルミニウムの総厚みｔ０（ｎｍ）を示す。なお、トンネルバリア層１３０では、単層のアルミニウム膜を用い、その厚みをｔ０として横軸に示す。
【００９９】
図８において、従来の単一酸化法によって形成されたトンネルバリア層１３０をもつＭＴＪ素子１７０の接合抵抗Ｒの特性を「▲」で示した曲線で示す。同様に酸化法Ｉ−１によるものを「■」で示し、酸化法Ｉ−２によるものを「●」で示した。
【０１００】
図８によれば、当然のことではあるが、厚みｔ０が減少すると接合抵抗値Ｒも減少する。例えば、単一酸化法によって０．７ｎｍのアルミニウムの単層を酸化処理した場合は、抵抗値は４４．５Ωであるが、０．５ｎｍのアルミニウム単層を酸化処理した場合、抵抗値は、わずかに１．４Ωである。この傾向はいずれの酸化法においても、確認される。但し、同一の厚みｔ０における接合抵抗値Ｒを比較すると、酸化法によって異なっている。いずれの厚みｔ０においても、単一酸化法が一番低い接合抵抗値Ｒを示し、続いて酸化法Ｉ−２、酸化法Ｉ−１の順に高い接合抵抗値Ｒを示すようになっている。
【０１０１】
図９は、図８で用いたＭＴＪ素子７０Ａ，７０Ｂについて、ＴＭＲ比の変化を調査した結果を示す。縦軸にＴＭＲ比（％）を示し、横軸には、図８同様、トンネルバリア層３０Ａ，３０Ｂ形成する酸化処理前の第１のバリア層３２Ａ，３４Ｂの厚みｔ１と、酸化処理前の第２のバリア層３４Ａ，３４Ｂの厚みｔ２との合計であるアルミニウム膜の総厚みｔ０（ｎｍ）を示す。従来の単一酸化法によるＭＴＪ素子１７０の調査結果についても併せて図示した。なお、トンネルバリア層１３０では、単層のアルミニウム膜を用い、その厚みをｔ０として横軸に示す。
【０１０２】
図９に示したように、「▲」で示した単一酸化法の場合、厚みｔ０が０．７ｎｍから０．５ｎｍまで減少すると、これに応じてＴＭＲ比は２７％から５．４％まで減少する。これは、一度の酸化処理によって単層のトンネルバリア層１３０を形成するプロセス、すなわち単一酸化法では、酸化処理が施されるアルミニウム層の厚みが薄い場合、高いＴＭＲ比を維持することが困難であることを意味する。ＴＭＲ比が低下すると、当然、ＭＴＪ素子あるいはＭＴＪヘッドの出力電圧が低下し、これによりＳ／Ｎ比も劣化する。なお、図８および図９に用いたＭＴＪ素子は、「タンタル（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ合金（５ｎｍ）／ＣｏＦｅ合金（２ｎｍ）／ＡｌＯｘ（２層もしくは単層で、０．５〜０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅ合金（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ合金（３０ｎｍ）／タンタル」といった積層構造を有する。ここで、括弧内は各層の厚みを示す。
【０１０３】
図８および図９に示されているように、単一酸化法によって形成したＭＴＪ素子１７０は、総厚みｔ０＝０．５ｎｍの場合、５．４％のＴＭＲ比および１．３Ωの接合抵抗値Ｒを示す。一方、「●」で示した酸化法Ｉ−２によるＭＴＪ素子７０Ｂは、総厚みｔ０＝０．５ｎｍにおいて１４．７％のＴＭＲ比および９．４Ωの接合抵抗値Ｒを示す。この場合、トンネルバリア層３０Ｂは、第１のバリア層３２Ｂとして厚みｔ１＝０．３ｎｍのアルミニウム膜を積層したのち酸化処理し、続いてこの上に第２のバリア層３４Ｂとして厚みｔ２＝０．２ｎｍのアルミニウム膜を積層したのち酸化処理することによって形成された。したがって、酸化法Ｉ−２によってＭＴＪ素子７０Ｂを形成する場合、特にアルミニウム薄層を形成する場合、ＴＭＲ比および接合抵抗値Ｒは両方とも増加する。この結果は、最初の酸化中に、つまり厚みｔ１＝０．３ｎｍの第１のバリア層３２Ｂの酸化処理中に、この膜の下にある強磁性フリー層２４の界面（第１のバリア層３２と接する面）がわずかに酸化されるものの、従来の単一酸化法によってピンホールが生じた現象のような重大な問題とはならないことを示唆する。
【０１０４】
表１は、上記図８および図９の結果を表にまとめたものである。
【０１０５】
◎
【表１】
0004001738.tif 000002
【０１０６】
表１において、左端の列の項目は酸化工程の種類を示す。２列目の項目は、単一酸化法の場合には、トンネルバリア層となる酸化処理前の単層のアルミニウム膜の厚みを示し、酸化法Ｉの場合は「第１のバリア層の厚みｔ１＋第２のバリア層の厚みｔ２（どちらもアルミニウム膜）」を示す。３列目の項目は平均のＲ×Ａ（Ωμｍ2 ）を示し、４列目の項目はデータを一次関数で表される直線でフィッティングした場合の係数である。この係数ａが１．０に近いほど、質の高いトンネルバリア層が形成されていることを示す。５列目および６列目の項目は接合面積が１×１μｍ2 の場合におけるＴＭＲ比（％）と接合抵抗値Ｒ（Ω）を示す。
【０１０７】
続いて、ＭＴＪ素子に磁場Ｈを印加した際のＴＭＲ比および接合抵抗値Ｒの応答特性について調査した。図１０は、従来の単一酸化法により形成したトンネルバリア層１３０を備えたＭＴＪ１７０の結果を示し、一方、図１１は、第１の実施の形態における酸化法Ｉ−２により形成したトンネルバリア層３０Ｂを備えたＭＴＪ７０Ｂについての結果を示す。いずれのトンネルバリア層１３０，３０Ｂにおいても、総厚みｔ０は０．５ｎｍ、接合面積は１×１μｍ2 である。図１０，１１において、縦軸はＴＭＲ比（％）を示し、横軸は磁場Ｈ（Ｏｅ）を示す。
【０１０８】
トンネルバリア層１３０は、厚み０．５ｎｍのアルミニウム膜を単独で酸化処理することにより形成した。図１０に示したように、磁場Ｈに対して大きな変化が見られず、最大値はＴＭＲ比が約５％、接合抵抗値Ｒが約１．４０（Ω）にとどまっている。一方、トンネルバリア層３０Ｂは、第１のバリア層３２Ｂとして厚みｔ１＝０．３ｎｍのアルミニウム膜を積層したのち酸化処理する工程と、続いて第２のバリア層３４Ｂとして厚みｔ２＝０．２ｎｍのアルミニウム膜を積層したのち酸化処理する工程とによって形成した。図１１に示したように、図１０の単一酸化法よりも大きな応答性の変化が見られ、最大値はＴＭＲ比が約１５％、接合抵抗値Ｒが約１０．７（Ω）となった。
【０１０９】
図１２〜１４は、総厚みｔ０＝０．６ｎｍとした場合における各酸化法の比較を行った、ＴＭＲ比および接合抵抗値Ｒの磁場Ｈに対する応答曲線である。図１０および１１と同様、トンネルバリア層の接合面積は統一して１×１μｍ2 とした。縦軸がＴＭＲ比（％）および接合抵抗値Ｒ（Ω）を示し、横軸が磁場Ｈ（Ｏｅ）を示す。図１２は、従来の単一酸化法によって形成された総厚みｔ０＝０．６ｎｍのアルミニウム膜のトンネルバリア層１３０を備えたＭＴＪ素子１７０の応答特性を示す。図１３は、最初に厚みｔ１＝０．４ｎｍのアルミニウム膜（第１のバリア層３２Ｂ）を酸化処理し、次に厚みｔ２＝０．２ｎｍのアルミニウム膜（第２のバリア層３４Ｂ）を酸化することによって形成された（すなわち、酸化法Ｉ−２による）トンネルバリア層３０Ｂを備えたＭＴＪ素子７０Ｂの応答特性を示す。さらに図１４は、最初に厚みｔ１＝０．３ｎｍのアルミニウム膜（第１のバリア層３２Ａ）を酸化処理し、次に厚みｔ２＝０．３ｎｍのアルミニウム膜（第２のバリア３４Ａ）を酸化することによって形成された（すなわち、酸化法Ｉ−１による）トンネルバリア層３０Ａを備えたＭＴＪ素子７０Ａの応答特性を示す。図１２〜１４に示した通り、酸化法によってＭＴＪ素子の応答特性は異なる。
【０１１０】
さらに、図１５〜１７は、総厚みｔ０＝０．７ｎｍの場合における各酸化法の比較を行った、ＴＭＲ比および接合抵抗値Ｒの磁場Ｈに対する応答曲線である。各トンネルバリア層の接合面積は１×１μｍ2 であり、縦軸がＴＭＲ比（％）および接合抵抗値Ｒ（Ω）を示し、横軸が磁場Ｈ（Ｏｅ）を示す。図１５は、単一酸化法によるＭＴＪ素子１７０の応答特性を示す。図１６は、酸化処理前の第１のバリア層３２Ｂとして厚みｔ１＝０．４ｎｍのアルミニウム膜を用い、酸化処理前の第２のバリア層３４Ｂとして厚みｔ２＝０．３ｎｍのアルミニウム膜を用いた（すなわち、酸化法Ｉ−２による）トンネルバリア層３０Ｂを含むＭＴＪ７０Ｂにおける応答特性を示す。さらに、図１７は、酸化処理前の第１のバリア層３２Ａとして厚みｔ１＝０．３ｎｍのアルミニウム膜を用い、酸化処理前の第２のバリア層３４Ａとして厚みｔ２＝０．４ｎｍのアルミニウム膜を用いた（すなわち、酸化法Ｉ−１による）トンネルバリア層３０Ａを含むＭＴＪ７０Ａにおける応答特性を示す。図１５〜１７に示したように、ｔ０＝０．７ｎｍとした場合においても、磁場Ｈに対する応答特性について酸化法による差違が認められる。
【０１１１】
上記したとおり、単一酸化法、酸化法Ｉ−１および酸化法Ｉ−２による差違は、磁場Ｈに対するＴＭＲ比および接合抵抗値Ｒの応答特性に現れた。例えば、図１６および図１７を参照すると、酸化処理前の第１のバリア層３２の厚みｔ１が酸化処理前の第２のバリア層３４の厚みｔ２以下の厚みを有する場合、すなわち酸化法Ｉ−１（ｔ１≦ｔ２）の場合、ＭＴＪ素子７０は酸化法Ｉ−２（ｔ１＞ｔ２）の場合よりも大きな接合抵抗Ｒを示している。このことは、ＡｌＯｘ膜（第１のバリア層３２）上に形成されたアルミニウム膜（酸化処理前の第２のバリア層３４）は、強磁性層上に直接形成される場合よりも結晶の成長がよく、広範囲に及ぶ微細孔のない膜を得ることができ、その結果、ピンホールが非常に少ない第２のＡｌＯｘ膜（第２のバリア層３４）が形成されることを意味する。
【０１１２】
図１８は、従来の単一酸化法によるＡｌＯｘからなるトンネルバリア層１３０を備えたＭＴＪ素子１７０および第１の実施の形態の酸化法Ｉによる２層構造のＡｌＯｘからなるトンネルバリア層３０を備えたＭＴＪ素子７０において、センス電流とバイアス電圧との関係を調査した結果を示す説明図である。縦軸はセンス電流（Ａ）を示し、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示す。この調査では、上部電気リード６０から下部電気リード１０へ印加する方向を正バイアスとし、説明図においては「■」もしくは「●」によって表示した。一方、下部電気リード１０から上部電気リード６０へ印加する方向を負バイアスとし、説明図においては「□」もしくは「○」によって表示した。図１８によれば、「■」および「□」で表示した単一酸化法によるＭＴＪ素子１７０よりも、「●」および「○」で表示した酸化法ＩによるＭＴＪ素子７０の方が、優れた応答特性が得られることがわかる。すなわち、酸化処理を複数回に分けておこなうことにより形成されたトンネルバリア層では、バイアス方向によらず、より対称なセンス電流−バイアス電圧曲線が得られるのである。
【０１１３】
図１９は、従来の単一酸化法によって形成されたトンネルバリア層１３０の障壁高さのプロファイルを示す略図である。図１９に示したように、単一酸化法による障壁高さのプロファイルは非対称であり、上面と底面とでは障壁高さが大きく異なる。すなわち、上面の障壁高さΦ２の方が、底面の障壁高さΦ１よりも著しく大きい。ＭＴＪ素子１７０内部において、トンネルバリア層１３０の上面は強磁性ピンド層１４２と接し、底面は強磁性フリー層１２４に接している。障壁高さのプロファイルが非対称になる原因は、自然酸化のようなソフトな酸化方法に特に関係している。トンネルバリア層１３０の上面は、酸素雰囲気に晒されると酸素ガスとより直接的に接触することになるので、トンネルバリア層上面近傍に分布する酸素原子が多くなる。これに対し底面近傍に分布する酸素原子は少なく、十分に酸化されない。このような原因により、図１９に示したように、障壁高さプロファイルの非対称性が生じる。
【０１１４】
一方、図２０は、本実施の形態の酸化法Ｉによって形成されたトンネルバリア層３０の障壁高さのプロファイルを示す略図である。図２０に示したように、酸化法Ｉによる障壁高さのプロファイルは、図１８の単一酸化法によるプロファイルよりも対称性がよく、上面の障壁高さΦ２と底面の障壁高さΦ１との差が小さい。すなわち、第１の酸化アルミニウム膜（第１のバリア層３２）を形成した後に第２の酸化アルミニウム膜（第２のバリア層３４）を追加形成する方法によれば、酸化処理前の、例えば、アルミニウム膜の厚みが薄い分、加熱によるアニール処理が進行する間に酸素原子が内部拡散することができ、底面近傍まで酸化処理が進み、よって、障壁高さプロファイルの対称性が改善されるのである。
【０１１５】
＜第１の実施の形態における効果＞
以上のように、本実施の形態によれば、２段階の酸化プロセスを適用してトンネルバリア層を形成するようにしたので、一度に酸化処理する従来の方法に比べて、厚み方向により均一な絶縁性を有するトンネルバリア層３０を形成することができる。よって、ピンホール発生の危険性が低減され、より薄いトンネルバリア層３０を備えたＭＴＪ素子７０を提供することができる。
【０１１６】
さらに、本実施の形態によれば、一度に酸化処理する従来の方法に比べて、厚み方向により均一な絶縁性を有するトンネルバリア層３０を形成ことができるため、トンネルバリア層３０の底面における障壁高さΦ２と、上面における障壁高さΦ１との差を小さくすることができる。すなわち、より優れた障壁高さの厚み方向対称性が得られ、このため、バイアス方向に影響されず、ほぼ同一のセンス電流−バイアス電圧曲線となるＭＴＪ素子７０を得ることが可能になる。
【０１１７】
［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。
【０１１８】
上記のように、第１の実施の形態は、トンネルバリア層の形成プロセスを２段階に分け、金属膜もしくは非金属膜の成膜と酸化処理という手順を２回繰り返し行うようにしたものである。これに対し本実施の形態は、トンネルバリア層の形成プロセスを２段階に分ける点では同じであるが、金属膜もしくは非金属膜である第２のバリア層を酸素雰囲気中で酸化処理するのではなく、第２のバリア層上に強磁性層を成膜したのち、内部に存在する酸素原子を拡散させることによって第２のバリア層を酸化処理するようにしたものである。
【０１１９】
以下、図２１〜２８を参照して、本実施の形態の磁気トンネル接合素子およびその製造方法ならびに磁気トンネル接合型ヘッドおよびその製造方法を説明する。ここでは、上記実施の形態と異なる特徴部分についてのみ説明することとし、その他、同一の部分については適宜説明を省略する。同様に、図２１〜２８においても、上記第１の実施の形態（図２〜２０）の構成要素と実質的に同一の部分については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１２０】
＜ＭＴＪ素子の構成＞
図２１および図２２は、本実施の形態に係る酸化法ＩＩによって形成されたＭＴＪ部７０Ｃ，７０Ｃ′の概略断面図である。図２１は、トンネルバリア層３１の上に強磁性ピンド層４２を備えたＭＴＪ素子７０Ｃを示し、図２２は、トンネルバリア層３１′の下に強磁性ピンド層４２′を備えたＭＴＪ部７０Ｃ′を示したものである。図２１および図２２では、図４および図５と同一の構成要素には同一符号を付する。図２１に示したように、ＭＴＪ素子７０Ｃでは、シード層２２、強磁性フリー層２４、トンネルバリア層３１、強磁性ピンド層４２、反強磁性層４４および保護層４６が、この順に積層された構造となっている。トンネルバリア層３１は、さらに２つの層に分けられ、強磁性フリー層２４に接するように第１のバリア層３５が形成され、その上に、第２のバリア層３６が形成されている。一方、ＭＴＪ素子７０Ｃの変形例であるＭＴＪ素子７０Ｃ′は図２２に示したように、シード層２２′、テンプレート層２５、反強磁性層４４′強磁性ピンド層４２′トンネルバリア層３１′、強磁性フリー層２４′および保護層４６′がこの順に積層された構造を有している。やはり、トンネルバリア層３１′は２つの層から形成されており。強磁性ピンド層４２′に接するように第１のバリア層３７が形成され、その上に第２のバリア層３８が形成されている。なお、これらＭＴＪ素子７０Ｃ，７０Ｃ′を備えたＭＴＪヘッドは、第１の実施の形態と実質的に同等のものであるので、説明を省略する。
【０１２１】
＜ＭＴＪ素子の製造方法＞
続いて、本実施の形態に係る酸化法ＩＩによるＭＴＪ素子７０Ｃ，７０Ｃ′の製造方法について、図２１および図２２を参照して、以下に説明する。酸化法ＩＩでは、酸化法Ｉと同様、金属膜もしくは非金属膜を積層したのち、酸化処理することによって第１のバリア層３５，３７を得る。トンネルバリア層３１が強磁性フリー層２４の上に固定される構造（図２１）がより好ましい。次に、金属膜あるいは非金属膜である第２のバリア層３６，３８を酸化処理後の第１のバリア層３５，３７の上に積層する。第２のバリア層３６，３８の厚みは、０．４ｎｍ以下、特に、０．１〜０．４ｎｍの範囲であることが好ましい。第１のバリア層３５，３７と第２のバリア層３６，３８は、アルミニウム、タンタル、ニッケル、チタン、ハフニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウムおよびガリウムのうち少なくとも１つを含んでいることが好ましい。
【０１２２】
次に、上部電極積層体４０，４０′が第２のバリア層３６，３８の上に積層される。この上部電極積層体４０，４０′は、好ましくは３００℃未満の温度でアニール処理され、酸素の内部拡散により、第１のバリア層３５，３７の上の第２のバリア層３６，３８が酸化される。この場合、第２のバリア層３６，３８は、酸素雰囲気下で加熱されないため、大部分は酸化されないままである。他の方法として、保護層４６，４６′の積層前に他のバリア層を積層して酸化する方法も考えられる。この場合、酸化処理前の第１のバリア層３５，３７は、それらの上に積層される他のバリア層の厚み以上の厚みを有している。
【０１２３】
＜トンネルバリア層の評価＞
図２３は、従来の単一酸化法によるＭＴＪ素子１７０および酸化法ＩＩによるＭＴＪ素子７０Ｃについて、ＴＭＲ比を比較した結果を示す説明図である。縦軸がＴＭＲ比を示し、上の横軸は追加された酸化処理前の第２のバリア層３６の厚みｔ４を示し、さらに下の横軸は酸化処理前の第１のバリア層３５の厚みｔ３と第２のバリア層３６の厚みｔ４との合計を表す総厚みｔ１０を示したものである。なお、第１および第２のバリア層３５，３６にはアルミニウム膜を用いた。図２３に示したように、従来の単一酸化法の場合、０．７ｎｍから１ｎｍへ総厚みｔ１０が増加すると、ＴＭＲ比率は直線的な減少を示す。一方、酸化法ＩＩの場合、総厚みｔ１０が０．８ｎｍから０．９ｎｍに変化する際に、ＴＭＲ比が大きく減少する。
【０１２４】
図２４は、図２３で評価したＭＴＪ素子１７０，７０Ｃについて、接合抵抗値と接合面積との積（以下、Ｒ×Ａ）の変化を比較した結果を示したものである。縦軸がＲ×Ａ（Ωμｍ2 ）を示し、上の横軸が追加された酸化処理前の第２のバリア層３６の厚みｔ４を示し、さらに下の横軸が酸化処理前の第１のバリア層３５の厚みｔ３と第２のバリア層３６の厚みｔ４との合計を表す総厚みｔ１０を示したものである。図２４に示したように、酸化法ＩＩによる場合、単一酸化法よりも小さなＲ×Ａを示す。単一酸化法によると、総厚みｔ１０が０．９ｎｍから１．０ｎｍに増えると、接合抵抗値が大きく増加する。酸化法ＩＩでは、少なくとも総厚みｔ１０が０．７〜１．０ｎｍの範囲では、単一酸化法よりも小さなＲ×Ａが得られる。したがって、総厚みｔ１０が同じ場合、非常に薄い第２のバリア層３６を挿入して形成されたＭＴＪ素子７０Ｃは、単一酸化法によるＭＴＪ素子１７０と同程度のＴＭＲ比を示し、かつ、それよりも小さいＲ×Ａを示す。
【０１２５】
図２４に示したように、Ｒ×Ａの増加は、第２のバリア層３６が酸化されていることを意味する。しかし、この内部拡散による酸化法ＩＩは従来の単一酸化法に比べて非常に緩やか酸化であるが、酸素含有量が制限されているので、酸化法ＩＩで形成されるトンネルバリア層３１のＲ×Ａは単一酸化法よりも小さくなる。内部拡散による酸化法ＩＩにおける上記特徴は、トンネルバリア層３１と強磁性層との境界面に、例えば、アルミニウム等の金属原子が残ることにも関係し、第１のバリア層３５上に挿入された第２のバリア層３６のＴＭＲ比の大幅な減少につながる。
【０１２６】
図２５は、２５０℃で５時間アニール処理した後、酸化法ＩＩによって形成されたトンネルバリア層３１を備えるＭＴＪ素子７０Ｃにおけるセンス電流−バイアス電圧曲線を示す説明図である。縦軸はセンス電流（ｍＡ）を示し、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示す。ここでは、厚みｔ３を０．７ｎｍに固定し、厚みｔ４を０．０ｎｍから０．４ｎｍまで０．１ｎｍずつ変化させた。図２５に示したように、厚みｔ４を厚くすることで、トンネルバリア層３１の対称性が改善されていることがわかる。つまり、第２のアルミニウム膜（酸化処理前の第２のバリア層３６）の厚みｔ４が０から増えるに伴い、バイアス方向による差が小さくなっている。ここで厚みｔ４が０というのは第２のバリア層３６が存在しないという意味である。アニール処理は、３００℃以上、５時間以下で行われることが好ましい。
【０１２７】
図２６は、従来の単一酸化法によって形成されたトンネルバリア層１３０の障壁高さのプロファイルを示す略図である。一方、図２７は、本実施の形態による酸化法ＩＩによって形成されるトンネルバリア層３１の障壁高さのプロファイルを示す略図である。図２６に示したように、単一酸化法のプロファイルは非対称であり、上面の障壁高さΦ２の方が、底面の障壁高さΦ１とよりも著しく大きくなっている。一方、図２７に示したように、酸化法ＩＩのプロファイルは単一酸化法のプロファイルよりも、上面の障壁高さΦ２と底面の障壁高さΦ１との差が小さい。この結果は、第１の実施の形態同様、トンネルバリア層３１中における酸素の内部拡散の効果によるものであり、センス電流−バイアス電圧曲線の対称性改善と一致するものである。
【０１２８】
図２８は、単一酸化法、酸化法Ｉおよび酸化法ＩＩによって形成されたトンネルバリア層について、バイアス電圧に対する抵抗差｜（Ｒ＋−Ｒ− ）/ （Ｒ＋＋Ｒ− ）｜ の変化を示す説明図である。ここで、Ｒ＋はバイアス電圧に対するトンネルバリア層の接合抵抗値を示し、Ｒ−は正反対の方向のバイアス電圧に対するトンネルバリア層の接合抵抗値を示すものである。縦軸は抵抗差（％）を示し、横軸はバイアス電圧（Ｖ）を示す。「■」の表示は従来の単一酸化法によるトンネルバリア層１３０の結果を示す。「◇，○，□，●」の表示は酸化法ＩＩによって異なる厚みの第２のアルミニウム膜（酸化処理前の第２のバリア層３６）を追加したトンネルバリア層３１の結果を示す。「△」は酸化法Ｉによって形成されたトンネルバリア層３０についての結果である。図２８に示したように、酸化法ＩおよびＩＩの場合、単一酸化法に比べバイアス電圧に対する抵抗差が著しく低くなっている。このことは、酸化法ＩおよびＩＩによって形成されたＭＴＪ素子７０，７０Ｃにおけるトンネルバリア層３０，３１の障壁高さのプロファイル対称性が改善されたことを示す。この場合、トンネルバリア層は、０〜５００ｍＶのバイアス電圧範囲で、正負のバイアス電圧の抵抗差｜（Ｒ＋−Ｒ− ）/ （Ｒ＋＋Ｒ− ）｜が３％未満であるように形成されることが好ましい。
【０１２９】
＜第２の実施の形態における効果＞
以上のように、本実施の形態によれば、トンネルバリア層の形成プロセスを２段階に分け、第１のバリア層３５，３７に含まれる酸素を拡散させることにより第２のバリア層３６，３８の酸化処理を行うようにしたので、第１の実施の形態に比べ、トンネルバリア層の底面における障壁高さΦ２と、上面における障壁高さΦ１との差をより小さくすることができる。すなわち、障壁高さの厚み方向対称性がさらに向上し、バイアス方向に影響されない、ほぼ同一のセンス電流−バイアス電圧曲線となるＭＴＪ素子を得ることが可能になる。
【０１３０】
本発明の様々な形態を補足的な開示をするために、以下の文献を参考文献として挙げる。
【０１３１】
その文献とは、２０００年７月２０日に出願されたオリヴィエ・ルドンらによる米国特許出願「Magnetic Tunnel Junction Read Head Using Hybrid, Low Magnetization Flux Guide （ハイブリッド低磁化フラックスガイドを用いた磁気トンネル接合再生ヘッド」（２０００年３月２７日に申請された米国仮出願第６０/ １９２, ３２０号に対応する）の明細書およびその図面である。この発明は、最大のスピン分極を備えた材料を選択することによってＴＭＲ比を最大にする再生ヘッドの設計を目的とするものである。この再生ヘッドではハイブリッド低磁化材料を使用してフラックスガイドの効率を最大限に高めて大きな信号出力を達成することができる。
【０１３２】
以上、上記の各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、種々変形可能である。例えば、本実施の形態では、トンネルバリア層をアルミニウムを含む膜を酸化処理することによって形成したが、これに限定されるものではない。また、本実施の形態では、トンネルバリア層を２段階に分けて形成したが、さらに細分化し、第３のバリア膜やそれ以上のバリア膜を追加して多段階の酸化処理を施し、より均質なトンネルバリア層を生成することもできる。この場合、追加されるバリア膜は徐々に薄くなるようにすることが望ましい。
【０１３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子、または請求項３１に記載の磁気トンネル接合型ヘッドによれば、トンネルバリア層が、第１のバリア層に含まれる酸素の拡散により酸化した第２のバリア層を有するようにしたので、厚み方向により均一な絶縁性を有するものとなる。よって、電気特性の対称性を改善でき、ＥＳＤおよびＴＤＤＢ特性を向上させると共に、室温下においても低い接合抵抗を維持しつつＴＭＲ比を向上させることができる。したがって、ハードディスクドライブやその他の装置において高密度磁気記録媒体のバイナリ・データ再生に適用可能であり、さらにはその他の磁場検出デバイスはもちろん、その他の同種のデバイスおよび環境に対しても適用可能である。さらに、不良率を低減することができ、効率的な大量生産が可能となる。
【０１３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法、または請求項２０に記載の磁気トンネル接合型ヘッドの製造方法によれば、酸化処理された第１のバリア層の上に第２の金属膜または第２の非金属膜と、第２の強磁性層とを順に形成したのち、加熱により第１のバリア層に存在する酸素を第２の金属膜または第２の非金属膜へ拡散させることで第２のバリア層を形成するようにしたので、厚み方向により均一な絶縁性を有するトンネルバリア層を有する磁気トンネル接合素子、またはそれを備えた磁気トンネル接合型ヘッドを得ることができる。よって、対称性に優れた電気特性を有し、ＥＳＤとＴＤＤＢに対しても高い性能特性を有すると共に、室温下においても低い接合抵抗、かつ高いＴＭＲ比を示す再生ヘッドが得られる。この磁気トンネル接合型ヘッドは、ハードディスクドライブやその他の高密度磁気記録媒体のバイナリ・データ再生に適用可能である。さらに、不良率を低減することができ、効率的な大量生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＭＴＪヘッドの平面図である。
【図２】図１のＭＴＪヘッドの部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るＭＴＪヘッドの変形例における断面図を示す。
【図４】図２に示す本発明の第１の実施の形態に係るＭＴＪヘッドにおけるＭＴＪ素子の断面図である。
【図５】図３に示す本発明の第２の実施の形態に係るＭＴＪヘッドにおけるＭＴＪ素子の断面図である。
【図６】従来の単一酸化法によって形成されたトンネルバリア層の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉによって形成されたトンネルバリア層の断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るＭＴＪ素子における接合抵抗値のトンネルバリア層の厚み依存性を示す特性図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比のトンネルバリア層の厚み依存性を示す特性図である。
【図１０】従来の単一酸化法によって厚み０．５ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉ−２によって厚み０．５ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１２】従来の単一酸化法によって厚み０．６ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉ−２によって厚み０．６ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉ−１によって厚み０．６ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１５】従来の単一酸化法によって厚み０．７ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉ−２によって厚み０．７ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉ−１によって厚み０．７ｎｍのトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるＴＭＲ比および接合抵抗値の磁場に対する応答曲線である。
【図１８】従来の単一酸化法および本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉによって形成されたトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子におけるバイアス電圧−センス電流特性を示す特性図である。
【図１９】従来の単一酸化法によって形成されたトンネルバリア層の障壁高さのプロファイルを示す概略図である。
【図２０】本発明の第１の実施の形態に係る酸化法Ｉによって形成されたトンネルバリア層の障壁高さのプロファイルを示す概略図である。
【図２１】本発明の第２の実施の形態に係る酸化法ＩＩによって形成されたトンネルバリア層の上に強磁性ピンド層を備えたＭＴＪ素子の断面図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係る酸化法ＩＩによって形成されたトンネルバリア層の下に強磁性ピンド層を備えたＭＴＪ素子の断面図である。
【図２３】本発明の第２の実施の形態に係る酸化法ＩＩによって形成したトンネルバリア層を含むＭＴＪ素子におけるアルミニウム層の厚みに対するＴＭＲ比を示す特性図である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態に係る酸化法ＩＩによって形成したトンネルバリア層を含むＭＴＪ素子におけるアルミニウム層の厚みに対する接合抵抗値を示す特性図である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態に係る酸化法ＩＩによるＭＴＪ素子のバイアス電圧−センス電流特性を示す特性図である。
【図２６】従来の単一酸化法によって形成されたトンネルバリア層の障壁高さのプロファイルを示す概略図である。
【図２７】本発明の第２の実施の形態に係る酸化法ＩＩによって形成されたトンネルバリア層の障壁高さのプロファイルを示す概略図である。
【図２８】従来の酸化法ならびに本発明の第１および第２の実施の形態に係る酸化法Ｉ，ＩＩによって形成されたトンネルバリア層を含むＭＴＪ素子において、バイアス電圧に対する抵抗差を示す特性図である。
【符号の説明】
１…ＭＴＪヘッド、９…基板、１０…下部電気リード、２０…下部電極積層体、２２…シード層、２３…磁化方向、２４…強磁性フリー層、３０，３１…トンネルバリア層、３２，３５，３７…第１のバリア層、３４，３６，３８…第２のバリア層、４０…上部電極積層体、４２…強磁性ピンド層、４４…反強磁性層、４６…保護層、５０…絶縁体、６０…上部電気リード、７０…ＭＴＪ素子
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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