(57)【要約】      （修正有）【課題】高いＴＭＲと低い中間層の結合磁界（Ｈint）とを備えたＴＭＲ読み取りヘッドを提供する。【解決手段】磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドに適用されるトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子は、ＭｇＯバリア層と、ホウ素を含有する自由および／または基準強磁性層との間に窒素含有層を有する。自由強磁性層が、ホウ素含有層と、ＭｇＯバリア層およびホウ素含有層の間の３層ナノ層構造とを含む。この３層ナノ層構造は、ＭｇＯ層と接触する薄いＣｏ、ＦｅまたはＣｏＦｅの第１ナノ層と、その第１ナノ層の上の薄いＦｅＮまたはＣｏＦｅＮの第２ナノ層と、ＦｅＮまたはＣｏＦｅＮナノ層の上の、ＦｅＮまたはＣｏＦｅＮナノ層およびホウ素含有層の間の薄いＣｏ、ＦｅまたはＣｏＦｅの第３ナノ層とを含む。基準強磁性層もホウ素含有層を含む場合は、ホウ素含有層およびＭｇＯバリア層の間に、同様の３層ナノ層構造を配置する。【選択図】図４
2016071925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上の第１強磁性層と、
本質的に前記第１強磁性層の上のＭｇＯから構成されるトンネル型バリア層と、
前記トンネル型バリア層の上の第２強磁性層と、
を有し、
前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の少なくともいずれかが、ホウ素含有層と、前記トンネル型バリア層と前記ホウ素含有層との間の窒素含有層とを含む多重層である、
トンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項２】
少なくとも１つの前記強磁性層が、前記トンネル型バリア層と接触する第１ナノ層であって、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏおよびＦｅの合金から選択される前記第１ナノ層と、
前記第１ナノ層と接触する第２ナノ層であって、ＦｅＮ合金およびＣｏＦｅＮ合金から選択される前記第２ナノ層と
を含む、請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項３】
前記第１ナノ層および前記第２ナノ層が、２Å以上でかつ８Å以下の合成厚さを有する、
請求項２に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項４】
前記ＦｅＮ合金が、Ｆｅ（１００−ｘ）Ｎｘ、但しｘは１〜５０原子百分率、の形の組成を有し、
前記ＣｏＦｅＮ合金が、（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））（１００−ｙ）Ｎｙ、但しｘは２０〜８０原子百分率、およびｙは１〜５０原子百分率、の形の組成を有する、
請求項２に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項５】
前記第２ナノ層と接触する第３ナノ層であって、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＣｏおよびＦｅからなる合金から選択される前記第３ナノ層をさらに含む、
請求項２に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項６】
前記ホウ素含有層がＣｏ、ＦｅおよびＢを含む合金である、
請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項７】
前記ホウ素含有層がＴａをさらに含む合金である、
請求項６に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項８】
前記第１強磁性層が、外部磁界の存在下において実質的に自由に回転し得る面内磁化方向を有する自由強磁性層であり、
前記第２強磁性層が、外部磁界の存在下において実質的に回転し得ない面内磁化方向を有する基準層である、
請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項９】
前記第１強磁性層が、外部磁界の存在下において実質的に回転し得ない面内磁化方向を有する基準層であり、
前記第２強磁性層が、外部磁界の存在下において実質的に自由に回転し得る面内磁化方向を有する自由強磁性層である、
請求項１に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１０】
前記基準層が、
面内磁化方向を有する第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層と、
前記トンネル型バリア層に隣接し、かつ、前記第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層の磁化方向にほぼ逆平行の面内磁化方向を有する第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層と、
前記第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層および前記第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層の間のかつ前記第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層および前記第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層と接触するＡＰ結合（ＡＰＣ）層と
を含む逆平行（ＡＰ）ピン止め構造の一部分であり、
前記基準層は、前記第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層である、
請求項９に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１１】
前記ＡＰ１層の磁化方向をピン止めするための、前記ＡＰ１層に交換結合される反強磁性層をさらに含む、
請求項１０に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１２】
磁気透過性材料の第１シールド層と、
前記第１シールド層の上の基準強磁性層であって、外部磁界の存在下において実質的に回転し得ない面内磁化方向を有する前記基準強磁性層と、
本質的に前記基準強磁性層の上のＭｇＯから構成され、かつ、前記基準強磁性層と接触する電気絶縁性のトンネル型バリア層と、
前記トンネル型バリア層の上の自由強磁性層であり、外部磁界が存在しない場合に、前記基準強磁性層の磁化方向にほぼ直交する方位に向けられる面内磁化方向を有する前記自由強磁性層であって、前記トンネル型バリア層と接触する第１ナノ層であって、Ｃｏ、Ｆｅ、ならびにＣｏおよびＦｅからなる合金から選択される前記第１ナノ層と、前記第１ナノ層と接触する第２ナノ層であって、ＦｅＮ合金およびＣｏＦｅＮ合金から選択される前記第２ナノ層と、前記第２ナノ層の上のホウ素含有強磁性層とを含む前記自由強磁性層と、
前記自由強磁性層の上のキャッピング層と、
前記キャッピング層の上の磁気透過性材料の第２シールド層と、
を含むトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッド。
【請求項１３】
前記ＦｅＮ合金が、Ｆｅ（１００−ｘ）Ｎｘ、但しｘは１〜５０原子百分率、の形の組成を有し、
前記ＣｏＦｅＮ合金が、（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））（１００−ｙ）Ｎｙ、但しｘは２０〜８０原子百分率、およびｙは１〜５０原子百分率、の形の組成を有する、
請求項１２に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッド。
【請求項１４】
前記第２ナノ層と接触する第３ナノ層であって、Ｃｏ、Ｆｅ、ならびにＣｏおよびＦｅからなる合金から選択される前記第３ナノ層をさらに含み、
前記ホウ素含有強磁性層が前記第３ナノ層と接触する、
請求項１２に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッド。
【請求項１５】
前記第１ナノ層、前記第２ナノ層および前記第３ナノ層の合成厚さが３Å以上でかつ１２Å以下である、
請求項１４に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッド。
【請求項１６】
前記基準強磁性層が、
ホウ素含有強磁性層と、
前記トンネル型バリア層と接触する第１ナノ層であって、Ｃｏ、Ｆｅ、ならびにＣｏおよびＦｅからなる合金から選択される前記第１ナノ層と、
前記ホウ素含有強磁性層および前記第１ナノ層の間の第２ナノ層であって、ＦｅＮ合金およびＣｏＦｅＮ合金から選択される前記第２ナノ層と
を含む、
請求項１２に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッド。
【請求項１７】
前記第１シールド層および前記トンネル型バリア層の間に逆平行（ＡＰ）ピン止め構造をさらに含み、
前記逆平行（ＡＰ）ピン止め構造は、
前記第１シールド層の上に配置される第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層であって面内磁化方向を有する前記第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層と、
前記第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層の磁化方向にほぼ逆平行の面内磁化方向を有する第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層と、
前記第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層および前記第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層の間のかつ前記第１ＡＰピン止め（ＡＰ１）強磁性層および前記第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層と接触するＡＰ結合（ＡＰＣ）層とを含み、
前記基準強磁性層は前記第２ＡＰピン止め（ＡＰ２）強磁性層である、
請求項１２に記載のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してトンネル型磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）素子に関し、より具体的には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）トンネル型バリア層およびホウ素含有強磁性層を含むＴＭＲ読み取りヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気トンネル型接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子とも呼称されるトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子は、薄い絶縁性のトンネル型バリア層によって分離される２つの強磁性層から構成される。このバリア層は、通常、２つの強磁性層の間に電荷キャリアの量子力学的トンネル効果が生起するように十分に薄い金属酸化物から作製される。トンネル型のバリア材料として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および酸化チタン（ＴｉＯ２）のような種々の金属酸化物が提案されてきたが、最も有望な材料は結晶性の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。量子力学的トンネル効果のプロセスは電子スピン依存性があるが、これは、接合を横断してセンス電流を印加する際に測定される電気抵抗が、強磁性層およびバリア層のスピン依存の電子特性によって左右され、かつ、２つの強磁性層の磁化の相対的方位の関数であることを意味している。強磁性層の一つが基準層と呼称されるが、この基準層の磁化は固定またはピン止めされ、自由層と呼称されるもう一方の強磁性層の磁化は、外部磁界に応答して自由に回転できる。それらの磁化の相対的方位は、外部磁界と共に変化し、その結果として電気抵抗が変化する。TMR素子は、不揮発性の磁気ランダムアクセスメモリ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）のアレイにおける記憶セルとして、および、磁気記録ディスクドライブにおけるＴＭＲ読み取りヘッドとして有用である。
【０００３】
図１は従来型のTMR読み取りヘッド１０の断面図である。ＴＭＲ読み取りヘッド１０は、底部の「固定された」または「ピン止めされた」基準強磁性（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＦＭ）層１８と、絶縁性のトンネル型バリア層２０と、頂部の「自由」ＦＭ層３２とを含む。ＴＭＲ読み取りヘッド１０は、それぞれ底部および頂部の非磁性電極またはリード１２、１４を有し、底部の非磁性電極１２は適切な基板上に形成される。ＦＭ層１８は基準層と呼称されるが、それは、その磁化が、ＴＭＲ素子用として対象になる所要の範囲内の印加磁界、すなわち、磁気記録ディスクの中の磁気層の記録領域からの磁界が存在する中で、回転できないようにされるからである。基準ＦＭ層１８の磁化は、高い飽和保磁力の膜から形成することによって、あるいは、反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＡＦ）の「ピン止め」層に交換結合することによって、固定またはピン止めすることが可能である。基準ＦＭ層１８は、特許文献１に記述されるように、逆平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ：ＡＰ）のピン止め構造または磁束閉鎖構造であって、２つの強磁性層が、逆平行結合（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＡＰＣ）のスペーサ層によって分離され、従って逆平行結合されて磁束閉鎖を形成する構造の一部分とすることができる。自由ＦＭ層３２の磁化は、対象となる範囲内の印加磁界の存在の下で自由に回転できる。印加磁界が存在しない場合は、ＦＭ層１８および３２の磁化は、ＴＭＲ読み取りヘッド１０内において、一般的に垂直に揃えられる。ＦＭ層１８、３２の磁化の相対的な方位はＴＭＲ素子の電気抵抗を決定する。
【０００４】
ＭｇＯトンネル型バリアを有するＴＭＲ素子、具体的にＦｅ／ＭｇＯ／Ｆｅ、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅおよびＣｏ／ＭｇＯ／Ｃｏトンネル接合を有するＴＭＲ素子は、特定の対称性の電子のコヒーレントトンネル効果のために非常に大きな磁気抵抗を呈することが知られている。しかし、ＭｇＯトンネル接合は、（００１）エピタキシーと完全な結晶性とを有することが要求される。ＭｇＯバリア層は、通常、スパッタ堆積法と、結晶構造を形成する後続のアニールによって形成される。ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅトンネル接合の場合は、ＭｇＯバリア層の結晶性が劣るため、磁気抵抗が低いことが知られている。しかし、基準および自由強磁性層のいずれかまたは両者においてホウ素（Ｂ）を用いると、例えば多重層構造における薄いアモルファスのＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＴａ層として使用すると、アニール後に高いトンネル型磁気抵抗（ΔＲ／ＲまたはＴＭＲ）が観察されることが分かった。アモルファスのＣｏＦｅＢ層は、（００１）方向にＭｇＯの高品質の結晶化、従って高いＴＭＲを促進することが知られている。
【０００５】
さらに高いＴＭＲを有する改良型ＴＭＲ素子は、抵抗−面積の積（ＲＡ）の低減を必要とするであろう。これは、ＭｇＯバリア層をさらに薄くする必要があることを意味している。しかし、ＭｇＯの厚さが低減するとＴＭＲも減少する。これは、部分的には、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の拡散に起因すると考えられている。ＭｇＯの厚さの低減は、さらに、中間層の結合磁界（Ｈｉｎｔ）、すなわち基準層と自由層の間の磁気結合磁界の強さにおける好ましくない増大をも生じさせる。Ｈｉｎｔが大きくなると、ＴＭＲ読み取りヘッドの性能が低下する。ＭｇＯバリア層の厚さを低下する時に、Ｈｉｎｔの低い値を維持することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，４６５，１８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
薄いＭｇＯバリア層を有するＴＭＲ素子、すなわちＲＡが低減されたＴＭＲ素子であるが、高いＴＭＲと低いＨｉｎｔとを備えたＴＭＲ素子が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、薄いＭｇＯバリア層と、そのＭｇＯバリア層および自由および／または基準ホウ素含有強磁性層の間の窒素含有層とを備えたＴＭＲ素子に関する。一実施形態においては、自由強磁性層が、ホウ素含有層と、ＭｇＯバリア層とホウ素含有層との間の３層ナノ層構造とを含む。この３層ナノ層構造は、ＭｇＯ層と接触する薄いＣｏ、ＦｅまたはＣｏＦｅの第１ナノ層と、前記第１ナノ層の上の薄いＦｅＮまたはＣｏＦｅＮの第２ナノ層と、前記ＦｅＮまたはＣｏＦｅＮナノ層の上の、ＦｅＮまたはＣｏＦｅＮナノ層およびホウ素含有層の間の薄いＣｏ、ＦｅまたはＣｏＦｅの第３ナノ層とを含む。基準強磁性層もホウ素含有層を含む場合は、そのホウ素含有層およびＭｇＯバリア層の間に、同様の３層ナノ層構造を配置することができる。本発明の実施形態によるＴＭＲ素子は、窒素含有層なしのＴＭＲ素子より、薄いＭｇＯバリア層に対して、大きいＴＭＲ値と、低い値の中間層結合磁界（Ｈｉｎｔ）とを呈する。
【０００９】
本発明の特質および利点を完全に理解するためには、添付の図面と共に、以下の詳細説明を参照するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来型のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッドの構造を表す断面図である。
【図２】先行技術のＴＭＲ読み取りヘッドの詳細構造を表す断面図である。
【図３】先行技術のＴＭＲ読み取りヘッドにおいて基準層および自由層にホウ素が存在する場合の典型的な基準層／ＭｇＯ／自由層構造を表現する模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、基準層および自由層にホウ素が存在し、かつ、ＭｇＯバリア層とホウ素含有層との間に窒素含有層を含む、基準層／ＭｇＯ／自由層の構造を表現する模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るテスト用素子と対照用素子（control device）とに関する抵抗−面積の積（ＲＡ）の関数としてのＴＭＲのグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係るテスト用素子と対照用素子（control device）とに関するＲＡの関数としての中間層結合磁界（Ｈｉｎｔ）のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図２は、磁気記録ディスクドライブに用いられるような先行技術のＴＭＲ読み取りヘッド１００の構造を示す高度に模式化された断面図である。この断面図は、一般的にＴＭＲ読み取りヘッド１００の空気ベアリング表面（ａｉｒ−ｂｅａｒｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅ：ＡＢＳ）と呼称されるものの図である。ＴＭＲ読み取りヘッド１００は、通常、電気メッキされたＮｉＦｅ合金膜から作製される２つの強磁性シールド層Ｓ１、Ｓ２の間に形成されるセンサー積層体を含む。下部のシールドＳ１は、通常、化学−機械研摩（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって平滑化されており、センサー積層体を成長させるための平滑な表面を提供する。センサー積層体は、横方向（ページの紙面から離れる方向）に向けられるピン止めされた磁化１２１を有する強磁性基準層１２０と、記録ディスクからの横方向の外部磁界に応答して層１１０の平面内において回転し得る磁化１１１を有する強磁性自由層１１０と、強磁性基準層１２０および強磁性自由層１１０の間の、通常酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である電気絶縁性のトンネル型バリア層１３０とを含む。
【００１２】
基準層１２０は、通常、その磁化の方向１２１が、反強磁性層に交換結合されることによってピン止めまたは固定される従来型の「簡単な（ｓｉｍｐｌｅ）」または単一のピン止め層とすることができる。しかし、図２の例においては、基準層１２０は、特許文献１に記述されるように、「層状化（ｌａｍｉｎａｔｅｄ）」ピン止め層とも呼称される周知の逆平行（ＡＰ）ピン止め構造または磁束閉鎖構造の一部分である。ＡＰピン止め構造は、基準層１２０と自由層１１０との静磁気結合を最小化する。ＡＰピン止め構造は、基準強磁性（ＡＰ２）層１２０と、Ｒｕ、Ｉｒ、ＲｈまたはＣｒまたはそれらの合金のようなＡＰ結合（ＡＰ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＡＰＣ）層１２３を横断して反強磁性結合される下部のピン止め強磁性（ＡＰ１）層１２２とを含む。ＡＰＣ層１２３を横断して逆平行結合しているため、基準（ＡＰ２）およびピン止め（ＡＰ１）強磁性層１２０、１２２は、互いに逆平行に向くそのそれぞれの磁化１２１、１２７を有する。その結果、ＡＰ２およびＡＰ１強磁性層１２０、１２２の正味の磁化は非常に小さくなり、強磁性自由層１１０における磁束閉鎖構造によって誘起される消磁磁界はほぼ最小化され、従って、ＴＭＲ読み取りヘッドの最適作動が可能になる。
【００１３】
シード層１２５および反強磁性（ＡＦ）ピン止め層１２４が下部シールド層Ｓ１とＡＰピン止め構造との間に配置される。シード層１２５は、ＡＦピン止め層１２４が強力な結晶組織を有する微細構造を成長させるのを促進し、従って強力な反強磁性を発達させる。シード層１２５は、単一層または異なる材料からなる多重層とすることができる。すなわち、ＡＦピン止め層１２４は強磁性ピン止め層１２２に強く交換結合し、それによって、強磁性ピン止め層１２２の磁化１２７を、ＡＢＳに垂直かつＡＢＳから離れる方向に堅固にピン止めする。その場合、引き続いて、ＡＰＣ層１２３を横切る逆平行の結合が、強磁性基準層１２０の磁化１２１を、ＡＢＳに垂直かつＡＢＳに向う方向であり、さらに磁化１２７に逆平行である方向に、堅固にピン止めする。その結果、強磁性ＡＰ２およびＡＰ１層１２０、１２２の正味の磁化は堅固にピン止めされ、従って、ＴＭＲ読み取りヘッドの最適動作（operation）が確保される。ＡＦ層によってピン止めする代わりに、ＡＰ１層１２２をそれ自体として硬質の磁気層にすることができるか、あるいは、その磁化１２７を、Ｃｏ１００−ｘＰｔｘまたはＣｏ１００−ｘ−ｙＰｔｘＣｒｙ（但しｘは約８〜３０原子百分率）のような硬質の磁気層によってピン止めすることができる。ＡＰピン止め構造は「自己ピン止め（ｓｅｌｆ−ｐｉｎｎｅｄ）」とすることも可能である。「自己ピン止め」センサーにおいては、ＡＰ１およびＡＰ２層の磁化方向１２７、１２１は、通常、磁気ひずみと製作されたセンサー内部に存在する残留応力とによって、一般的にディスク表面に垂直にセットされる。
【００１４】
強磁性自由層１１０と上部シールド層Ｓ２との間には、時にキャッピングまたはキャップ層と呼称される層１１２が配置される。層１１２は、強磁性自由層１１０が良好な強磁性特性を維持するように、強磁性自由層１１０が処理の間に化学的および機械的な損傷を被るのを防止する。
【００１５】
対象となる範囲内の外部磁界、すなわち記録ディスク上に書き込まれたデータからの磁界が存在する中、強磁性層１２０、１２２の正味の磁化が堅固にピン止めされたままであるのに対し、強磁性自由層１１０の磁化１１１は磁界に応答して回転する。従って、センス電流ＩＳが、センサー積層体を垂直に貫通して上部シールド層Ｓ２から下部シールド層Ｓ１に流れる際、強磁性自由層の磁化１１１の回転は、強磁性基準層１２０の磁化と強磁性自由層１１０の磁化との間の角度の変化をもたらす。これは、電気抵抗の変化として検出可能である。センス電流は、２つのシールドＳ１およびＳ２の間において、層の積層体を垂直に貫通して導かれるので、このＴＭＲ読み取りヘッド１００は平面垂直通電型（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−ｐｌａｎｅ：ＣＰＰ）読み取りヘッドである。
【００１６】
図２は、さらに、オプションとして設けられるシールドＳ１、Ｓ２間のそれぞれ別個の電気リード１２６、１１３と、センサー積層体とを示している。リード１２６、１１３はＴａ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｒｈまたはこれらの多重層から形成することができる。この電気リードはオプションであり、シールド間の間隔の調整に用いることができる。リード１２６および１１３が存在しない場合は、底部および頂部シールドＳ１およびＳ２が電気リードとして用いられる。強磁性基準層および自由層１２０および１１０は、通常、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢまたはＮｉＦｅ層から形成するか、あるいは、これらの膜を含む多重層から形成することができ、一方、強磁性ピン止め層１２２は、通常ＣｏＦｅ合金から形成される。シード層１２５は、通常、Ｔａ／ＮｉＦｅＣｒ／ＮｉＦｅ、Ｔａ／ＮｉＦｅ、Ｔａ／ＲｕまたはＴａ／Ｃｕの膜を含む多重層から形成される。ＡＦＭピン止め層１２４は、通常、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎまたはＲｈＭｎの膜から作製される。キャップ層１１２は、通常、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｔａまたはこれらの多重層から作製される。
【００１７】
図２に示すＴＭＲ読み取りヘッド１００は、ＡＰピン止め構造が自由層１１０の下部にあるので「底部ピン止め（ｂｏｔｔｏｍ−ｐｉｎｎｅｄ）」読み取りヘッドであるが、自由層１１０をＡＰピン止め構造の下部に配置することが可能である。このような構成においては、ＡＰピン止め構造の層は、ＡＰ２層１２０がバリア層１３０の頂部にあってそれに接触するように逆転される。
【００１８】
ＭｇＯトンネル接合は、（００１）エピタキシーと完全な結晶性とを有することが要求される。ＭｇＯバリア層は、通常、スパッタ堆積法と、結晶構造を形成する後続するアニールとによって形成される。薄いアモルファスのＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＴａ層を、基準層および自由層のいずれかまたは両者に使用すると、高いトンネル型磁気抵抗（ΔＲ／ＲまたはＴＭＲ）が得られることが分かった。堆積されたままの状態のアモルファスＣｏＦｅＢ層は、ＭｇＯの（００１）の方向における高品質の結晶化、すなわち、アニール後の高いＴＭＲを増進させることが知られている。従って、図３は、ホウ素が基準層および自由層に存在する場合の典型的な基準層／ＭｇＯ／自由層構造を表す模式図である。基準および自由強磁性層のそれぞれは、ＭｇＯバリア層に隣接する薄い（例えば約１〜４Å厚さの）ＣｏＦｅ「ナノ層（ｎａｎｏｌａｙｅｒ）」、ＣｏＦｅ層、および、ナノ層とＣｏＦｅ層との間のＣｏＦｅＢ層（いくつかの例においてはＣｏＨｆ、ＣｏＦｅＢＴａまたは他のアモルファスの挿入層）として表現されている。ＣｏＦｅＢ層は、（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））（１００−ｙ）Ｂｙの典型的組成を有する。ここで、添字は原子の百分率を表し、ｘは約６０〜１００、ｙは約１０〜２０である。基準層および自由層のそれぞれの全厚さは通常約２０〜８０Åである。基準層および自由層において使用する他の材料、例えばＣｏまたはＦｅのナノ層、ＮｉＦｅ合金およびＨｅｕｓｌｅｒ合金は周知である。
【００１９】
さらに高いＴＭＲを有する改良型ＴＭＲ素子は、抵抗−面積の積（ＲＡ）の低減を必要とする。これは、ＭｇＯバリア層をさらに薄くする必要があることを意味している。しかし、ＭｇＯの厚さが低減するとＴＭＲも減少する。これは、部分的には、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の拡散に起因すると考えられている。ＭｇＯの厚さの低減は、また、中間層の結合磁界（Ｈｉｎｔ）、すなわち基準層と自由層との間の磁気結合磁界の強さにおける好ましくない増大をも生じさせる。
【００２０】
本発明の実施形態は、薄いＭｇＯバリア層と、当該ＭｇＯバリア層と自由および／または基準ホウ素含有層との間の窒素含有層であって、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の拡散を低減することが示された窒素含有層とを含むＴＭＲ素子に関する。図４は、本発明の一実施形態による、基準層および自由層にホウ素が存在する場合の基準層／ＭｇＯ／自由層構造を表現する模式図である。ＭｇＯバリア層は、通常約６〜１０Åの範囲の厚さを有する。基準層および自由層のそれぞれは、ＣｏＦｅＢ（またはＣｏＦｅＢＴａ）層の形のホウ素と、ＭｇＯバリア層と前記のホウ素含有層との間の薄い（例えば約１〜４Å厚さの）窒素含有ナノ層とを含んでいる。この好ましい実施形態においては、この窒素含有ナノ層は、３層ナノ層構造の一部分であるＣｏＦｅＮナノ層であり、この３層ナノ層構造は、ＭｇＯ層と接触する薄い（例えば約１〜４Å厚さの）ＣｏＦｅナノ層と、ＣｏＦｅＮナノ層およびＣｏＦｅＢ（またはＣｏＦｅＢＴａ）層との間の別の薄い（例えば約１〜４Å厚さの）ＣｏＦｅナノ層とを含んでいる。ＣｏＦｅナノ層は、ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ）の組成を有することが望ましい。ここで、ｘは約２０〜８０原子百分率である。別の実施形態においては、ＣｏＦｅナノ層をＣｏまたはＦｅのナノ層に、ＣｏＦｅＮナノ層をＦｅＮナノ層に置き換えることができる。この３層ナノ層構造の合成厚さは、３Å以上かつ１２Å以下である。図４は、基準層および自由層の両者がホウ素を含有するとして表現されているが、本発明の実施形態によるＴＭＲ素子は、自由層のみまたは基準層のみをホウ素含有層として有することができる。この場合は、その層のみが、ＭｇＯバリア層およびホウ素含有層の間に配置される窒素含有層を有するであろう。図４は、さらに、基準層が自由層の下部にあるので、このＴＭＲ素子を「底部ピン止め（ｂｏｔｔｏｍ−ｐｉｎｎｅｄ）」素子として表現しているが、図２に関して述べた方式で、基準層を自由層の上部に配置することも可能である。
【００２１】
前述の図４に示したトンネル接合を備えたＴＭＲ読み取りヘッドは、従来型の方法で、スパッタ堆積法または他の既知の薄膜成膜技法によって層をセンサー積層体に堆積させることにより作製される。ＣｏＦｅＮ（またはＦｅＮ）ナノ層は、窒素ガス存在下での、ＣｏＦｅ（またはＦｅ）標的原料からの反応性スパッタリング、あるいは、別個のＣｏおよびＦｅ標的材料からの同時スパッタリングによって堆積させることができる。反応性スパッタリングガス中の窒素濃度は好ましくは５％〜５０％であるべきである。この濃度によって、（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））（１００−ｙ）Ｎｙ（またはＦｅ（１００−ｙ）Ｎｙ）、但しｘは約２０〜８０原子百分率、およびｙは約１〜５０原子百分率の形の推定組成が得られる。堆積されたままの膜を構造分析した結果、反応性窒素流量の増大と共に出現する、秩序化の程度が低い相を含む窒素ドープ相が示される。続いて、この構造を、磁界を印加してアニールし、基準強磁性層の磁化の方向を固定する。このアニールは通常約２５０〜２９０℃で約４〜２４時間行う。このアニールは所要の結晶化度を有するＭｇＯバリア層をも形成するが、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の顕著な拡散は生じない。さらに、このアニールの間に、ＣｏＦｅＮ層中の窒素の幾分かは、この層から、バリア層を含む他の周囲の層の中に拡散する可能性がある。膜を堆積してアニールした後、積層体をリソグラフィーによってパターン化し、かつエッチングして、読み取りヘッド用としての所要の寸法を画定する。
【実施例】
【００２２】
本発明の一実施形態によるＴＭＲ試験素子をウエハレベルで作製し、ＴＭＲ（ΔＲ／Ｒ）およびＨｉｎｔについて対照用のＴＭＲ素子と比較した。試験用および対照用の両素子について、ＭｇＯバリア層をＣｏナノ層の上に形成した。自由層の一次部分は１５Å厚さの（Ｃｏ９６Ｆｅ４）Ｂ２０とした。対照用素子の場合は、ＭｇＯ層および一次自由層部分の間の構造を、窒素を含まない５ÅのＣｏ４０Ｆｅ６０の２層のナノ層構造とした。試験素子の場合は、ＭｇＯ層および一次自由層部分の間の構造を、２ÅのＣｏ５０Ｆｅ５０／２ÅのＣｏＦｅＮ／２ÅのＣｏ５０Ｆｅ５０の３層ナノ層構造とした。試験用および対照用素子は、異なるＲＡ値を有するように作製した。
【００２３】
図５はＴＭＲの測定値を示す。ＲＡが約０．４５Ω・μｍ２から約０．２７Ω・μｍ２に低減するにつれて、対照用素子のＴＭＲは、試験用素子のＴＭＲより急速に低下し、低いＲＡ値においては、試験用素子の方が高いＴＭＲを呈する。これは、ＭｇＯ層の中へのホウ素の移動の減少、および／または、アニール中におけるＭｇＯ内のホウ素原子の窒素原子との置換によるものと考えられる。
【００２４】
図６はＨｉｎｔの測定値を示す。すべてのＲＡ値に対して、試験用素子は対照用素子より大幅に低いＨｉｎｔの絶対値を示した。さらに、試験用素子の飽和保磁力および磁気ひずみのような磁気特性は、対照用素子と大幅に異なるものではなかった。これによって、読み取りヘッドにおける十分な安定性が確保される。
【００２５】
以上、本発明を、好ましい実施形態を参照して具体的に示し、記述したが、当業者は、形態および詳細における種々の変更を、本発明の本質および範囲から逸脱することなくなし得ることを理解するであろう。従って、開示された本発明は、単に例示的なものと見做されるべきであり、添付の請求項に規定される範囲においてのみ限定される。
【図１】
2016071925.tif 000003
【図２】
2016071925.tif 000004
【図３】
2016071925.tif 000005
【図４】
2016071925.tif 000006
【図５】
2016071925.tif 000007
【図６】
2016071925.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月17日(2015.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してトンネル型磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）素子に関し、より具体的には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）トンネル型バリア層およびホウ素含有強磁性層を含むＴＭＲ読み取りヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気トンネル型接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子とも呼称されるトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子は、薄い絶縁性のトンネル型バリア層によって分離される２つの強磁性層から構成される。このバリア層は、通常、２つの強磁性層の間に電荷キャリアの量子力学的トンネル効果が生起するように十分に薄い金属酸化物から作製される。トンネル型のバリア材料として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および酸化チタン（ＴｉＯ２）のような種々の金属酸化物が提案されてきたが、最も有望な材料は結晶性の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。量子力学的トンネル効果のプロセスは電子スピン依存性があるが、これは、接合を横断してセンス電流を印加する際に測定される電気抵抗が、強磁性層およびバリア層のスピン依存の電子特性によって左右され、かつ、２つの強磁性層の磁化の相対的方位の関数であることを意味している。強磁性層の一つが基準層と呼称されるが、この基準層の磁化は固定またはピン止めされ、自由層と呼称されるもう一方の強磁性層の磁化は、外部磁界に応答して自由に回転できる。それらの磁化の相対的方位は、外部磁界と共に変化し、その結果として電気抵抗が変化する。TMR素子は、不揮発性の磁気ランダムアクセスメモリ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）のアレイにおける記憶セルとして、および、磁気記録ディスクドライブにおけるＴＭＲ読み取りヘッドとして有用である。
【０００３】
図１は従来型のTMR読み取りヘッド１０の断面図である。ＴＭＲ読み取りヘッド１０は、底部の「固定された」または「ピン止めされた」基準強磁性（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＦＭ）層１８と、絶縁性のトンネル型バリア層２０と、頂部の「自由」ＦＭ層３２とを含む。ＴＭＲ読み取りヘッド１０は、それぞれ底部および頂部の非磁性電極またはリード１２、１４を有し、底部の非磁性電極１２は適切な基板上に形成される。ＦＭ層１８は基準層と呼称されるが、それは、その磁化が、ＴＭＲ素子用として対象になる所要の範囲内の印加磁界、すなわち、磁気記録ディスクの中の磁気層の記録領域からの磁界が存在する中で、回転できないようにされるからである。基準ＦＭ層１８の磁化は、高い飽和保磁力の膜から形成することによって、あるいは、反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＡＦ）の「ピン止め」層に交換結合することによって、固定またはピン止めすることが可能である。基準ＦＭ層１８は、特許文献１に記述されるように、逆平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ：ＡＰ）のピン止め構造または磁束閉鎖構造であって、２つの強磁性層が、逆平行結合（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＡＰＣ）のスペーサ層によって分離され、従って逆平行結合されて磁束閉鎖を形成する構造の一部分とすることができる。自由ＦＭ層３２の磁化は、対象となる範囲内の印加磁界の存在の下で自由に回転できる。印加磁界が存在しない場合は、ＦＭ層１８および３２の磁化は、ＴＭＲ読み取りヘッド１０内において、一般的に垂直に揃えられる。ＦＭ層１８、３２の磁化の相対的な方位はＴＭＲ素子の電気抵抗を決定する。
【０００４】
ＭｇＯトンネル型バリアを有するＴＭＲ素子、具体的にＦｅ／ＭｇＯ／Ｆｅ、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅおよびＣｏ／ＭｇＯ／Ｃｏトンネル接合を有するＴＭＲ素子は、特定の対称性の電子のコヒーレントトンネル効果のために非常に大きな磁気抵抗を呈することが知られている。しかし、ＭｇＯトンネル接合は、（００１）エピタキシーと完全な結晶性とを有することが要求される。ＭｇＯバリア層は、通常、スパッタ堆積法と、結晶構造を形成する後続のアニールによって形成される。ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅトンネル接合の場合は、ＭｇＯバリア層の結晶性が劣るため、磁気抵抗が低いことが知られている。しかし、基準および自由強磁性層のいずれかまたは両者においてホウ素（Ｂ）を用いると、例えば多重層構造における薄いアモルファスのＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＴａ層として使用すると、アニール後に高いトンネル型磁気抵抗（ΔＲ／ＲまたはＴＭＲ）が観察されることが分かった。アモルファスのＣｏＦｅＢ層は、（００１）方向にＭｇＯの高品質の結晶化、従って高いＴＭＲを促進することが知られている。
【０００５】
さらに高いＴＭＲを有する改良型ＴＭＲ素子は、抵抗−面積の積（ＲＡ）の低減を必要とするであろう。これは、ＭｇＯバリア層をさらに薄くする必要があることを意味している。しかし、ＭｇＯの厚さが低減するとＴＭＲも減少する。これは、部分的には、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の拡散に起因すると考えられている。ＭｇＯの厚さの低減は、さらに、中間層の結合磁界（Ｈｉｎｔ）、すなわち基準層と自由層の間の磁気結合磁界の強さにおける好ましくない増大をも生じさせる。Ｈｉｎｔが大きくなると、ＴＭＲ読み取りヘッドの性能が低下する。ＭｇＯバリア層の厚さを低下する時に、Ｈｉｎｔの低い値を維持することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，４６５，１８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
薄いＭｇＯバリア層を有するＴＭＲ素子、すなわちＲＡが低減されたＴＭＲ素子であるが、高いＴＭＲと低いＨｉｎｔとを備えたＴＭＲ素子が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、薄いＭｇＯバリア層と、そのＭｇＯバリア層および自由および／または基準ホウ素含有強磁性層の間の窒素含有層とを備えたＴＭＲ素子に関する。一実施形態においては、自由強磁性層が、ホウ素含有層と、ＭｇＯバリア層とホウ素含有層との間の３層ナノ層構造とを含む。この３層ナノ層構造は、ＭｇＯ層と接触する薄いＣｏ、ＦｅまたはＣｏＦｅの第１ナノ層と、前記第１ナノ層の上の薄いＦｅＮまたはＣｏＦｅＮの第２ナノ層と、前記ＦｅＮまたはＣｏＦｅＮナノ層の上の、ＦｅＮまたはＣｏＦｅＮナノ層およびホウ素含有層の間の薄いＣｏ、ＦｅまたはＣｏＦｅの第３ナノ層とを含む。基準強磁性層もホウ素含有層を含む場合は、そのホウ素含有層およびＭｇＯバリア層の間に、同様の３層ナノ層構造を配置することができる。本発明の実施形態によるＴＭＲ素子は、窒素含有層なしのＴＭＲ素子より、薄いＭｇＯバリア層に対して、大きいＴＭＲ値と、低い値の中間層結合磁界（Ｈｉｎｔ）とを呈する。
【０００９】
本発明の特質および利点を完全に理解するためには、添付の図面と共に、以下の詳細説明を参照するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来型のトンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）読み取りヘッドの構造を表す断面図である。
【図２】先行技術のＴＭＲ読み取りヘッドの詳細構造を表す断面図である。
【図３】先行技術のＴＭＲ読み取りヘッドにおいて基準層および自由層にホウ素が存在する場合の典型的な基準層／ＭｇＯ／自由層構造を表現する模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、基準層および自由層にホウ素が存在し、かつ、ＭｇＯバリア層とホウ素含有層との間に窒素含有層を含む、基準層／ＭｇＯ／自由層の構造を表現する模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るテスト用素子と対照用素子（control device）とに関する抵抗−面積の積（ＲＡ）の関数としてのＴＭＲのグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係るテスト用素子と対照用素子（control device）とに関するＲＡの関数としての中間層結合磁界（Ｈｉｎｔ）のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図２は、磁気記録ディスクドライブに用いられるような先行技術のＴＭＲ読み取りヘッド１００の構造を示す高度に模式化された断面図である。この断面図は、一般的にＴＭＲ読み取りヘッド１００の空気ベアリング表面（ａｉｒ−ｂｅａｒｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅ：ＡＢＳ）と呼称されるものの図である。ＴＭＲ読み取りヘッド１００は、通常、電気メッキされたＮｉＦｅ合金膜から作製される２つの強磁性シールド層Ｓ１、Ｓ２の間に形成されるセンサー積層体を含む。下部のシールドＳ１は、通常、化学−機械研摩（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって平滑化されており、センサー積層体を成長させるための平滑な表面を提供する。センサー積層体は、横方向（ページの紙面から離れる方向）に向けられるピン止めされた磁化１２１を有する強磁性基準層１２０と、記録ディスクからの横方向の外部磁界に応答して層１１０の平面内において回転し得る磁化１１１を有する強磁性自由層１１０と、強磁性基準層１２０および強磁性自由層１１０の間の、通常酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である電気絶縁性のトンネル型バリア層１３０とを含む。
【００１２】
基準層１２０は、通常、その磁化の方向１２１が、反強磁性層に交換結合されることによってピン止めまたは固定される従来型の「簡単な（ｓｉｍｐｌｅ）」または単一のピン止め層とすることができる。しかし、図２の例においては、基準層１２０は、特許文献１に記述されるように、「層状化（ｌａｍｉｎａｔｅｄ）」ピン止め層とも呼称される周知の逆平行（ＡＰ）ピン止め構造または磁束閉鎖構造の一部分である。ＡＰピン止め構造は、基準層１２０と自由層１１０との静磁気結合を最小化する。ＡＰピン止め構造は、基準強磁性（ＡＰ２）層１２０と、Ｒｕ、Ｉｒ、ＲｈまたはＣｒまたはそれらの合金のようなＡＰ結合（ＡＰ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＡＰＣ）層１２３を横断して反強磁性結合される下部のピン止め強磁性（ＡＰ１）層１２２とを含む。ＡＰＣ層１２３を横断して逆平行結合しているため、基準（ＡＰ２）およびピン止め（ＡＰ１）強磁性層１２０、１２２は、互いに逆平行に向くそのそれぞれの磁化１２１、１２７を有する。その結果、ＡＰ２およびＡＰ１強磁性層１２０、１２２の正味の磁化は非常に小さくなり、強磁性自由層１１０における磁束閉鎖構造によって誘起される消磁磁界はほぼ最小化され、従って、ＴＭＲ読み取りヘッドの最適作動が可能になる。
【００１３】
シード層１２５および反強磁性（ＡＦ）ピン止め層１２４が下部シールド層Ｓ１とＡＰピン止め構造との間に配置される。シード層１２５は、ＡＦピン止め層１２４が強力な結晶組織を有する微細構造を成長させるのを促進し、従って強力な反強磁性を発達させる。シード層１２５は、単一層または異なる材料からなる多重層とすることができる。すなわち、ＡＦピン止め層１２４は強磁性ピン止め層１２２に強く交換結合し、それによって、強磁性ピン止め層１２２の磁化１２７を、ＡＢＳに垂直かつＡＢＳから離れる方向に堅固にピン止めする。その場合、引き続いて、ＡＰＣ層１２３を横切る逆平行の結合が、強磁性基準層１２０の磁化１２１を、ＡＢＳに垂直かつＡＢＳに向う方向であり、さらに磁化１２７に逆平行である方向に、堅固にピン止めする。その結果、強磁性ＡＰ２およびＡＰ１層１２０、１２２の正味の磁化は堅固にピン止めされ、従って、ＴＭＲ読み取りヘッドの最適動作（operation）が確保される。ＡＦ層によってピン止めする代わりに、ＡＰ１層１２２をそれ自体として硬質の磁気層にすることができるか、あるいは、その磁化１２７を、Ｃｏ１００−ｘＰｔｘまたはＣｏ１００−ｘ−ｙＰｔｘＣｒｙ（但しｘは約８〜３０原子百分率）のような硬質の磁気層によってピン止めすることができる。ＡＰピン止め構造は「自己ピン止め（ｓｅｌｆ−ｐｉｎｎｅｄ）」とすることも可能である。「自己ピン止め」センサーにおいては、ＡＰ１およびＡＰ２層の磁化方向１２７、１２１は、通常、磁気ひずみと製作されたセンサー内部に存在する残留応力とによって、一般的にディスク表面に垂直にセットされる。
【００１４】
強磁性自由層１１０と上部シールド層Ｓ２との間には、時にキャッピングまたはキャップ層と呼称される層１１２が配置される。層１１２は、強磁性自由層１１０が良好な強磁性特性を維持するように、強磁性自由層１１０が処理の間に化学的および機械的な損傷を被るのを防止する。
【００１５】
対象となる範囲内の外部磁界、すなわち記録ディスク上に書き込まれたデータからの磁界が存在する中、強磁性層１２０、１２２の正味の磁化が堅固にピン止めされたままであるのに対し、強磁性自由層１１０の磁化１１１は磁界に応答して回転する。従って、センス電流ＩＳが、センサー積層体を垂直に貫通して上部シールド層Ｓ２から下部シールド層Ｓ１に流れる際、強磁性自由層の磁化１１１の回転は、強磁性基準層１２０の磁化と強磁性自由層１１０の磁化との間の角度の変化をもたらす。これは、電気抵抗の変化として検出可能である。センス電流は、２つのシールドＳ１およびＳ２の間において、層の積層体を垂直に貫通して導かれるので、このＴＭＲ読み取りヘッド１００は平面垂直通電型（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−ｐｌａｎｅ：ＣＰＰ）読み取りヘッドである。
【００１６】
図２は、さらに、オプションとして設けられるシールドＳ１、Ｓ２間のそれぞれ別個の電気リード１２６、１１３と、センサー積層体とを示している。リード１２６、１１３はＴａ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｒｈまたはこれらの多重層から形成することができる。この電気リードはオプションであり、シールド間の間隔の調整に用いることができる。リード１２６および１１３が存在しない場合は、底部および頂部シールドＳ１およびＳ２が電気リードとして用いられる。強磁性基準層および自由層１２０および１１０は、通常、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢまたはＮｉＦｅ層から形成するか、あるいは、これらの膜を含む多重層から形成することができ、一方、強磁性ピン止め層１２２は、通常ＣｏＦｅ合金から形成される。シード層１２５は、通常、Ｔａ／ＮｉＦｅＣｒ／ＮｉＦｅ、Ｔａ／ＮｉＦｅ、Ｔａ／ＲｕまたはＴａ／Ｃｕの膜を含む多重層から形成される。ＡＦＭピン止め層１２４は、通常、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎまたはＲｈＭｎの膜から作製される。キャップ層１１２は、通常、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｔａまたはこれらの多重層から作製される。
【００１７】
図２に示すＴＭＲ読み取りヘッド１００は、ＡＰピン止め構造が自由層１１０の下部にあるので「底部ピン止め（ｂｏｔｔｏｍ−ｐｉｎｎｅｄ）」読み取りヘッドであるが、自由層１１０をＡＰピン止め構造の下部に配置することが可能である。このような構成においては、ＡＰピン止め構造の層は、ＡＰ２層１２０がバリア層１３０の頂部にあってそれに接触するように逆転される。
【００１８】
ＭｇＯトンネル接合は、（００１）エピタキシーと完全な結晶性とを有することが要求される。ＭｇＯバリア層は、通常、スパッタ堆積法と、結晶構造を形成する後続するアニールとによって形成される。薄いアモルファスのＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢＴａ層を、基準層および自由層のいずれかまたは両者に使用すると、高いトンネル型磁気抵抗（ΔＲ／ＲまたはＴＭＲ）が得られることが分かった。堆積されたままの状態のアモルファスＣｏＦｅＢ層は、ＭｇＯの（００１）の方向における高品質の結晶化、すなわち、アニール後の高いＴＭＲを増進させることが知られている。従って、図３は、ホウ素が基準層および自由層に存在する場合の典型的な基準層／ＭｇＯ／自由層構造を表す模式図である。基準および自由強磁性層のそれぞれは、ＭｇＯバリア層に隣接する薄い（例えば約１〜４Å厚さの）ＣｏＦｅ「ナノ層（ｎａｎｏｌａｙｅｒ）」、ＣｏＦｅ層、および、ナノ層とＣｏＦｅ層との間のＣｏＦｅＢ層（いくつかの例においてはＣｏＨｆ、ＣｏＦｅＢＴａまたは他のアモルファスの挿入層）として表現されている。ＣｏＦｅＢ層は、（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））（１００−ｙ）Ｂｙの典型的組成を有する。ここで、添字は原子の百分率を表し、ｘは約６０〜１００、ｙは約１０〜２０である。基準層および自由層のそれぞれの全厚さは通常約２０〜８０Åである。基準層および自由層において使用する他の材料、例えばＣｏまたはＦｅのナノ層、ＮｉＦｅ合金およびＨｅｕｓｌｅｒ合金は周知である。
【００１９】
さらに高いＴＭＲを有する改良型ＴＭＲ素子は、抵抗−面積の積（ＲＡ）の低減を必要とする。これは、ＭｇＯバリア層をさらに薄くする必要があることを意味している。しかし、ＭｇＯの厚さが低減するとＴＭＲも減少する。これは、部分的には、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の拡散に起因すると考えられている。ＭｇＯの厚さの低減は、また、中間層の結合磁界（Ｈｉｎｔ）、すなわち基準層と自由層との間の磁気結合磁界の強さにおける好ましくない増大をも生じさせる。
【００２０】
本発明の実施形態は、薄いＭｇＯバリア層と、当該ＭｇＯバリア層と自由および／または基準ホウ素含有層との間の窒素含有層であって、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の拡散を低減することが示された窒素含有層とを含むＴＭＲ素子に関する。図４は、本発明の一実施形態による、基準層および自由層にホウ素が存在する場合の基準層／ＭｇＯ／自由層構造を表現する模式図である。ＭｇＯバリア層は、通常約６〜１０Åの範囲の厚さを有する。基準層および自由層のそれぞれは、ＣｏＦｅＢ（またはＣｏＦｅＢＴａ）層の形のホウ素と、ＭｇＯバリア層と前記のホウ素含有層との間の薄い（例えば約１〜４Å厚さの）窒素含有ナノ層とを含んでいる。この好ましい実施形態においては、この窒素含有ナノ層は、３層ナノ層構造の一部分であるＣｏＦｅＮナノ層であり、この３層ナノ層構造は、ＭｇＯ層と接触する薄い（例えば約１〜４Å厚さの）ＣｏＦｅナノ層と、ＣｏＦｅＮナノ層およびＣｏＦｅＢ（またはＣｏＦｅＢＴａ）層との間の別の薄い（例えば約１〜４Å厚さの）ＣｏＦｅナノ層とを含んでいる。ＣｏＦｅナノ層は、ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ）の組成を有することが望ましい。ここで、ｘは約２０〜８０原子百分率である。別の実施形態においては、ＣｏＦｅナノ層をＣｏまたはＦｅのナノ層に、ＣｏＦｅＮナノ層をＦｅＮナノ層に置き換えることができる。この３層ナノ層構造の合成厚さは、３Å以上かつ１２Å以下である。図４は、基準層および自由層の両者がホウ素を含有するとして表現されているが、本発明の実施形態によるＴＭＲ素子は、自由層のみまたは基準層のみをホウ素含有層として有することができる。この場合は、その層のみが、ＭｇＯバリア層およびホウ素含有層の間に配置される窒素含有層を有するであろう。図４は、さらに、基準層が自由層の下部にあるので、このＴＭＲ素子を「底部ピン止め（ｂｏｔｔｏｍ−ｐｉｎｎｅｄ）」素子として表現しているが、図２に関して述べた方式で、基準層を自由層の上部に配置することも可能である。
【００２１】
前述の図４に示したトンネル接合を備えたＴＭＲ読み取りヘッドは、従来型の方法で、スパッタ堆積法または他の既知の薄膜成膜技法によって層をセンサー積層体に堆積させることにより作製される。ＣｏＦｅＮ（またはＦｅＮ）ナノ層は、窒素ガス存在下での、ＣｏＦｅ（またはＦｅ）標的原料からの反応性スパッタリング、あるいは、別個のＣｏおよびＦｅ標的材料からの同時スパッタリングによって堆積させることができる。反応性スパッタリングガス中の窒素濃度は好ましくは５％〜５０％であるべきである。この濃度によって、（ＣｏｘＦｅ（１００−ｘ））（１００−ｙ）Ｎｙ（またはＦｅ（１００−ｙ）Ｎｙ）、但しｘは約２０〜８０原子百分率、およびｙは約１〜５０原子百分率の形の推定組成が得られる。堆積されたままの膜を構造分析した結果、反応性窒素流量の増大と共に出現する、秩序化の程度が低い相を含む窒素ドープ相が示される。続いて、この構造を、磁界を印加してアニールし、基準強磁性層の磁化の方向を固定する。このアニールは通常約２５０〜２９０℃で約４〜２４時間行う。このアニールは所要の結晶化度を有するＭｇＯバリア層をも形成するが、ＭｇＯバリア層の中へのホウ素の顕著な拡散は生じない。さらに、このアニールの間に、ＣｏＦｅＮ層中の窒素の幾分かは、この層から、バリア層を含む他の周囲の層の中に拡散する可能性がある。膜を堆積してアニールした後、積層体をリソグラフィーによってパターン化し、かつエッチングして、読み取りヘッド用としての所要の寸法を画定する。
【実施例】
【００２２】
本発明の一実施形態によるＴＭＲ試験素子をウエハレベルで作製し、ＴＭＲ（ΔＲ／Ｒ）およびＨｉｎｔについて対照用のＴＭＲ素子と比較した。試験用および対照用の両素子について、ＭｇＯバリア層をＣｏナノ層の上に形成した。自由層の一次部分は１５Å厚さの（Ｃｏ９６Ｆｅ４）８０Ｂ２０とした。対照用素子の場合は、ＭｇＯ層および一次自由層部分の間の構造を、窒素を含まない５ÅのＣｏ４０Ｆｅ６０の２層のナノ層構造とした。試験素子の場合は、ＭｇＯ層および一次自由層部分の間の構造を、２ÅのＣｏ５０Ｆｅ５０／２ÅのＣｏＦｅＮ／２ÅのＣｏ５０Ｆｅ５０の３層のナノ層構造とした。試験用および対照用素子は、異なるＲＡ値を有するように作製した。
【００２３】
図５はＴＭＲの測定値を示す。ＲＡが約０．４５Ω・μｍ２から約０．２７Ω・μｍ２に低減するにつれて、対照用素子のＴＭＲは、試験用素子のＴＭＲより急速に低下し、低いＲＡ値においては、試験用素子の方が高いＴＭＲを呈する。これは、ＭｇＯ層の中へのホウ素の移動の減少、および／または、アニール中におけるＭｇＯ内のホウ素原子の窒素原子との置換によるものと考えられる。
【００２４】
図６はＨｉｎｔの測定値を示す。すべてのＲＡ値に対して、試験用素子は対照用素子より大幅に低いＨｉｎｔの絶対値を示した。さらに、試験用素子の飽和保磁力および磁気ひずみのような磁気特性は、対照用素子と大幅に異なるものではなかった。これによって、読み取りヘッドにおける十分な安定性が確保される。
【００２５】
以上、本発明を、好ましい実施形態を参照して具体的に示し、記述したが、当業者は、形態および詳細における種々の変更を、本発明の本質および範囲から逸脱することなくなし得ることを理解するであろう。従って、開示された本発明は、単に例示的なものと見做されるべきであり、添付の請求項に規定される範囲においてのみ限定される。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ＴＭＲ読み取りヘッド
１８  基準強磁性層
２０  バリア層
３２  自由強磁性層
１００  ＴＭＲ読み取りヘッド
１１０  強磁性自由層
１１１  磁化
１１２  キャップ層
１１３  リード
１２０  強磁性基準層
１２１  磁化
１２２  強磁性ピン止め層
１２３  逆平行結合（ＡＰＣ）層
１２４  反強磁性ピン止め層
１２５  シード層
１２６  リード
１２７  磁化
１３０  バリア層
Ｓ１  底部シールド
Ｓ２  頂部シールド
【外国語明細書】
2016071925000001.pdf