JP2008060273A - トンネル型磁気検出素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
フリー磁性層の磁歪の増大が低く、かつ抵抗変化率の高いトンネル型磁気検出素子を得る。
【解決手段】
下から、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層の順で積層されるトンネル型磁気検出素子において、前記フリー磁性層上にマグネシウム（Ｍｇ）で形成された第１保護層が形成される。これにより、第１保護層が形成されない従来構造、あるいは第１保護層をＡｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＩｒＭｎで形成した構造に比べて、フリー磁性層の磁歪が低く、かつ高い抵抗変化率を示す。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばハードディスク装置などの磁気再生装置やその他の磁気検出装置に搭載されるトンネル効果を利用した磁気検出素子に係り、特にフリー磁性層の磁歪λを大きく増加させることなく、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を有する、磁気検出感度と安定性の双方に優れたトンネル型磁気検出素子及びその製造方法に係る。

トンネル型磁気検出素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）は、トンネル効果を利用して抵抗変化を生じさせるものであり、固定磁性層の磁化と、フリー磁性層の磁化とが反平行のとき、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に設けられた絶縁障壁層（トンネル障壁層）を介してトンネル電流が流れにくくなって、抵抗値は最大になり、一方、前記固定磁性層の磁化とフリー磁性層の磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり抵抗値は最小になる。

この原理を利用し、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層の磁化が変動することにより、変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの洩れ磁界が検出されるようになっている。

下記特許文献１には、固定磁性層および自由磁性層を多重層としたトンネル型磁気検出素子が記載されている。

下記特許文献２には、フリー磁性層と保護層の間にスピンフィルター層を形成したスピンバルブ型磁気抵抗効果素子が記載されている。

下記特許文献３には、酸化アルミニウムを絶縁障壁層とし、フリー磁性層側から順に内部拡散バリア層、酸素吸着層および上部金属層で構成される保護層を有するトンネル型磁気検出素子が記載されている。
特開平１１−１６１９１９号公報 特開２００５−１９１３１２号公報 特開２００６−５３５６号公報

トンネル型磁気検出素子における課題の一つに、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることにより検出感度を高め、再生ヘッドの特性を向上させることが挙げられる。そして、トンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高める方法の１つとして、フリー磁性層、特に絶縁障壁層との界面にスピン分極率の高い材料を用いることが挙げられる。

トンネル型磁気検出素子の固定磁性層やフリー磁性層に用いられる鉄（Ｆｅ）やニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などの強磁性材料は、磁化されるとわずかな歪み（磁歪λ）を生じる。これら強磁性材料からなるＮｉＦｅ、ＣｏＦｅあるいはＮｉＣｏＦｅ合金のＦｅ含有率を高くするとスピン分極率を高め、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高くすることができるが、Ｆｅ含有率を高くすると、フリー磁性層の磁歪λが正方向へ大きな値を示してしまう。フリー磁性層の磁歪λの絶対値が大きくなると、再生ヘッドのノイズの原因となり、再生ヘッドの安定性が低下するという問題が生じるため、前記磁歪λ（絶対値）はできる限り低く抑え（０に近く）つつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくしたい。

特許文献１に記載のトンネル型磁気検出素子は、フリー磁性層を２層のＮｉＦｅとし、ＮｉＦｅのそれぞれの組成を選択することにより、さらに絶縁障壁層との界面にＣｏもしくはＣｏＦｅを設けることにより、フリー磁性層の磁歪λを低くしている。

特許文献２には、フリー磁性層の材料を選択することで磁気抵抗効果素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高めることができることが記載されているが、実用上は磁歪λを小さくするためにＮｉＦｅＣｏの組成を調整した合金を用いている。

このように、フリー磁性層の材料組成を変えたり低磁歪層を設けることで磁歪λを低くすることができるが、低磁歪となるフリー磁性層の組成では、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができない。

特許文献３には、保護層を、フリー磁性層側から順に内部拡散バリア層（ルテニウム（Ｒｕ））、酸素吸着層（タンタル（Ｔａ））および上部金属層（Ｒｕ）とし、磁歪λの増大を抑えかつ抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高めたトンネル型磁気検出素子が記載されているが、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の値は十分高いものではない。

このように従来の構成では、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）と、フリー磁性層の低い磁歪λ（絶対値）とを同時に得ることはできなかった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、従来に比べて、フリー磁性層の磁歪を低く且つ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高い値に設定できるトンネル型磁気検出素子及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明のトンネル型磁気検出素子は、
下から、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層の順で積層され、
前記フリー磁性層上にマグネシウム（Ｍｇ）で形成された第１保護層が形成されることを特徴とするものである。

本発明のトンネル型磁気検出素子は、前記フリー磁性層上にＭｇで形成された第１保護層を設けることで、フリー磁性層の磁歪λが低く、かつ高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができる。

本発明では、前記第１保護層と前記フリー磁性層との界面では構成元素の相互拡散が生じ、マグネシウム濃度が前記第１保護層の内部から前記フリー磁性層の前記絶縁障壁層との界面方向に向けて徐々に減少する濃度勾配が形成される構造に出来る。

また本発明では、前記第１保護層上にタンタル（Ｔａ）からなる第２保護層が形成されていることが、前記フリー磁性層への酸化保護等を促進でき、好ましい。このとき、前記第１保護層と前記第２保護層との界面では構成元素の相互拡散が生じ、マグネシウム濃度が前記第１保護層の内部から前記第２保護層の上面方向に向けて徐々に減少する濃度勾配が形成される構造に出来る。
また本発明では、前記第１保護層は、前記第２保護層より膜厚が薄いことが好ましい。

本発明では、前記フリー磁性層は、下からＣｏＦｅ合金で形成されたエンハンス層及びＮｉＦｅ合金で形成された軟磁性層の順に積層され、前記エンハンス層は前記絶縁障壁層に接して形成され、前記軟磁性層は前記第１保護層に接して形成されていることが好ましい。これにより抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより効果的に向上できる。従来においてもエンハンス層の挿入により抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上できたが、前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより向上させるには、前記エンハンス層の組成等を適正化する必要があり、かかる場合、磁歪が大きくなるといった問題があった。これに対し本発明では、特にエンハンス層の組成やその他のフリー磁性層の構成を変えることなく、Ｍｇで形成された第１保護層を前記フリー磁性層上に設けることで、低磁歪を維持しつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより効果的に向上させることが出来る。

前記絶縁障壁層は酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏ）あるいは、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）で形成されることが好ましい。

本発明のトンネル型磁気検出素子の製造方法は、以下の工程を有することを特徴とするものである。

（ａ） 固定磁性層を形成し、前記固定磁性層上に金属層あるいは半導体層を形成する工程、
（ｂ） 前記金属層あるいは半導体層を酸化して、絶縁障壁層を形成する工程、
（ｃ） 前記絶縁障壁層上に、フリー磁性層を形成する工程、
（ｄ） 前記フリー磁性層上に、マグネシウム（Ｍｇ）で形成された第１保護層を形成する工程。

これによりフリー磁性層の磁歪増大を抑制しつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きいトンネル型磁気検出素子を適切且つ容易に製造できる。

前記（ｄ）工程は、前記第１保護層を形成した後、前記第１保護層上にタンタル（Ｔａ）から成る第２保護層を形成する工程とすることが好ましい。

また、前記第１保護層の膜厚を、前記第２保護層の膜厚より薄く形成することが好ましい。
また、前記（ｄ）工程の後、アニール処理を行うことが好ましい。

本発明のトンネル型磁気検出素子は、従来に比べて、フリー磁性層の磁歪λを増大させることなく、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできる。

図１は本実施形態のトンネル型磁気検出素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図である。

トンネル型磁気検出素子は、ハードディスク装置に設けられた浮上式スライダのトレーリング側端部などに設けられて、ハードディスクなどの記録磁界を検出するものである。なお、図中においてＸ方向は、トラック幅方向、Ｙ方向は、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向（ハイト方向）、Ｚ方向は、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向及び前記トンネル型磁気検出素子の各層の積層方向、である。

図１の最も下に形成されているのは、例えばＮｉＦｅ合金で形成された下部シールド層２１である。前記下部シールド層２１上に積層体Ｔ１が形成されている。なお前記トンネル型磁気検出素子は、前記積層体Ｔ１と、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に形成された下側絶縁層２２、ハードバイアス層２３、上側絶縁層２４とで構成される。

前記積層体Ｔ１の最下層は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素などの非磁性材料で形成された下地層１である。この下地層１の上に、シード層２が設けられる。前記シード層２は、ＮｉＦｅＣｒまたはＣｒによって形成される。前記シード層２をＮｉＦｅＣｒによって形成すると、前記シード層２は、面心立方（ｆｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{１１１}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。また、前記シード層２をＣｒによって形成すると、前記シード層２は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有し、膜面と平行な方向に{１１０}面として表される等価な結晶面が優先配向しているものになる。なお、前記下地層１は形成されなくともよい。

前記シード層２の上に形成された反強磁性層３は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。

これら白金族元素を用いたＸ−Ｍｎ合金は、耐食性に優れ、またブロッキング温度も高く、さらに交換結合磁界（Ｈｅｘ）を大きくできるなど反強磁性材料として優れた特性を有している。

また前記反強磁性層３は、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されてもよい。

前記反強磁性層３上には固定磁性層４が形成されている。前記固定磁性層４は、下から第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ、第２固定磁性層４ｃの順で積層された積層フェリ構造である。前記反強磁性層３との界面での交換結合磁界及び非磁性中間層４ｂを介した反強磁性的交換結合磁界（ＲＫＫＹ的相互作用）により前記第１固定磁性層４ａと第２固定磁性層４ｃの磁化方向は互いに反平行状態にされる。これは、いわゆる積層フェリ構造と呼ばれ、この構成により前記固定磁性層４の磁化を安定した状態にでき、また前記固定磁性層４と反強磁性層３との界面で発生する交換結合磁界を見かけ上大きくすることができる。なお前記第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃは例えば１２〜２４Å程度で形成され、非磁性中間層４ｂは８Å〜１０Å程度で形成される。

前記第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＮｉなどの強磁性材料で形成されている。また非磁性中間層４ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕなどの非磁性導電材料で形成される。

前記固定磁性層４上に形成された絶縁障壁層５は、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）、あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏ）で形成されることが好ましい。前記絶縁障壁層５はＴｉ−ＯあるいはＡｌ−Ｏからなるターゲットを用いて、スパッタ成膜してもよいが、ＴｉあるいはＡｌを１〜１０Åの膜厚で形成した後、酸化させてＴｉ−ＯあるいはＡｌ−Ｏとしたものであることが好ましい。この場合、酸化されるので膜厚が厚くなるが、絶縁障壁層５の膜厚は１〜２０Å程度が好ましい。絶縁障壁層５の膜厚があまり大きいと、トンネル電流が流れにくくなり、好ましくない。

前記絶縁障壁層５上には、フリー磁性層６が形成されている。前記フリー磁性層６は、ＮｉＦｅ合金等の磁性材料で形成される軟磁性層６ｂと、前記軟磁性層６ｂと前記絶縁障壁層５との間に例えばＣｏＦｅ合金からなるエンハンス層６ａとで構成される。前記軟磁性層６ｂは、軟磁気特性に優れた磁性材料で形成されることが好ましく、前記エンハンス層６ａは、前記軟磁性層６ｂよりもスピン分極率の大きい磁性材料で形成されることが好ましい。軟磁性層６ｂをＮｉＦｅ合金で形成する場合、磁気特性の点から、Ｎｉの含有量は８１．５〜１００（ａｔ％）であることが好ましい。

スピン分極率の大きいＣｏＦｅ合金で前記エンハンス層６ａを形成することで、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることができる。特にＦｅ含有量が高いＣｏＦｅ合金は、スピン分極率が高いため、素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させる効果が高い。ＣｏＦｅ合金のＦｅ含有量には特に制限はないが、１０〜９０ａｔ％の範囲とすることができる。

また、エンハンス層６ａは、形成される膜厚があまり厚いと、軟磁性層６ｂの磁気検出感度に影響を与え、検出感度の低下につながるので、前記軟磁性層６ｂより薄い膜厚で形成される。前記軟磁性層６ｂは例えば３０〜７０Å程度で形成され、前記エンハンス層６ａは１０Å程度で形成される。なお、前記エンハンス層６ａの膜厚は６〜２０Åが好ましい。

なお前記フリー磁性層６は、複数の磁性層が非磁性中間層を介して積層された積層フェリ構造であってもよい。また前記フリー磁性層６のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の幅寸法でトラック幅Ｔｗが決められる。
前記フリー磁性層６上には保護層７が形成されている。

以上のようにして積層体Ｔ1が前記下部シールド層２１上に形成されている。前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端面１１，１１は、下側から上側に向けて徐々に前記トラック幅方向の幅寸法が小さくなるように傾斜面で形成されている。

図１に示すように、前記積層体Ｔ１の両側に広がる下部シールド層２１上から前記積層体Ｔ１の両側端面１１上にかけて下側絶縁層２２が形成され、前記下側絶縁層２２上にハードバイアス層２３が形成され、さらに前記ハードバイアス層２３上に上側絶縁層２４が形成されている。

前記下側絶縁層２２と前記ハードバイアス層２３間にバイアス下地層（図示しない）が形成されていてもよい。前記バイアス下地層は例えばＣｒ、Ｗ、Ｔｉで形成される。

前記絶縁層２２，２４はＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の絶縁材料で形成されたものであり、前記積層体Ｔ１内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向の両側に分流するのを抑制すべく前記ハードバイアス層２３の上下を絶縁するものである。前記ハードバイアス層２３は例えばＣｏ−Ｐｔ（コバルト−白金）合金やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（コバルト−クロム−白金）合金などで形成される。

前記積層体Ｔ１上及び上側絶縁層２４上にはＮｉＦｅ合金等で形成された上部シールド層２６が形成されている。

図１に示す実施形態では、前記下部シールド層２１及び上部シールド層２６が前記積層体Ｔ１に対する電極層として機能し、前記積層体Ｔ１の各層の膜面に対し垂直方向（図示Ｚ方向と平行な方向）に電流が流される。

前記フリー磁性層６は、前記ハードバイアス層２３からのバイアス磁界を受けてトラック幅方向（図示Ｘ方向）と平行な方向に磁化されている。一方、固定磁性層４を構成する第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃはハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に磁化されている。前記固定磁性層４は積層フェリ構造であるため、第１固定磁性層４ａと第２固定磁性層４ｃはそれぞれ反平行に磁化されている。前記固定磁性層４は磁化が固定されている（外部磁界によって磁化変動しない）が、前記フリー磁性層６の磁化は外部磁界により変動する。

前記フリー磁性層６が、外部磁界により磁化変動すると、第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層との磁化が反平行のとき、前記第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層６との間に設けられた絶縁障壁層５を介してトンネル電流が流れにくくなって、抵抗値は最大になり、一方、前記第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層６との磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり抵抗値は最小になる。

この原理を利用し、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層６の磁化が変動することにより、変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの洩れ磁界が検出されるようになっている。

本実施形態のトンネル型磁気検出素子は、前記フリー磁性層６上にマグネシウム（Ｍｇ）で形成された第１保護層７ａと前記第１保護層７ｂ上にＭｇ以外の非磁性材料で形成された第２保護層７ｂとの積層構造から成る保護層７が形成されている。

これにより、従来に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくでき、しかもフリー磁性層の磁歪λを大きく増加させることがない。

前記第１保護層７ａがＭｇ以外の材質で形成される場合、後述の実験結果からわかるように、前記第１保護層７ａがＭｇで形成される本実施形態に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができない。そして本実施形態は、従来構造に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることができる。ここで「従来構造」とは、本実施形態の構成から第１保護層７ａを除いた構造を指す。以下、「従来構造」といえば全てこの意味を指す。

例えば、銅（Ｃｕ）で形成された第１保護層７ａを設けた場合、従来構造に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は大きく低下する。また、アルミニウム（Ａｌ）で形成された記第１保護層７ａを設けた場合も、従来構造に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は大きく低下し、特に前記絶縁障壁層５をＴｉ―Ｏで形成した場合、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を正しく評価できないほどであった。従来構造に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることができたのは第１保護層７ａにＭｇを使用した場合だけであった。

しかも前記第１保護層７ａがＭｇで形成されても、従来構造に比して、フリー磁性層６の磁歪λの増加を小さく抑えることができる。よって本実施形態では、前記フリー磁性層６の磁歪λの増加を抑えつつ、従来構造に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。

本実施形態のトンネル型磁気検出素子は、例えば、図１に示すように、保護層７を第１保護層７ａおよび第２保護層７ｂの２層としているが、前記保護層７は２層に限られず、多層とすることができる。その場合、Ｍｇは前記第１保護層７ａとしてフリー磁性層６上に接して形成される。

前記第２保護層７ｂは従来より保護層として用いられている、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖなどの金属またはこれらの酸化物あるいは窒化物などを用いることができるが、酸化されにくいこと、電気抵抗が低いこと、また機械的な保護の観点から、Ｔａを好適に用いることができる。Ｍｇで形成された第１保護層７ａは酸化されやすく、特に酸化の影響がフリー磁性層６にまで及ぶと特性劣化の問題があるため、前記第１保護層７ａ上にＴａからなる第２保護層７ｂを設けることで、前記フリー磁性層６にまで酸化の影響が及ぶのを抑制でき安定した特性を有するトンネル型磁気検出素子に出来る。

前記第１保護層７ａは、フリー磁性層６の上に例えばＭｇをスパッタすることにより形成される。前記第１保護層７ａの膜厚は、２〜１００Åが好ましく、１０〜３０Åがより好ましい。前記第１保護層７ａの膜厚がこの範囲から外れると、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られず、またフリー磁性層６の磁歪λの増大を効果的に抑制できないと考えられる。

トンネル型磁気検出素子は、後述するように製造工程においてアニール処理（熱処理）が施される。アニール処理は２４０〜３１０℃の温度で行われる。このアニール処理は、固定磁性層４を構成する第１固定磁性層４ａと前記反強磁性層３との間で交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせるための磁場中アニール処理等である。

前記アニール処理の温度が２４０℃より低い温度、あるいは２４０℃〜３１０℃の範囲内であっても、アニール時間が４時間未満であると、前記第１保護層７ａと前記フリー磁性層６との界面及び、前記第１保護層７ａと前記第２保護層７ｂとの界面での構成元素の相互拡散は生じず、あるいは相互拡散が生じても小規模（例えば界面の全域で拡散が生じず、間欠的に生じている等）であり、ほぼ界面の状態を保っていると考えられる。

一方、前記アニール処理の温度が３１０℃より高い温度、あるいはアニール時間が４時間以上であると、前記第１保護層７ａと前記フリー磁性層６との界面及び、前記第１保護層７ａと前記第２保護層７ｂとの界面での構成元素の相互拡散が生じて、前記界面の存在が無くなり、Ｍｇ濃度が、前記第１保護層７ａの内部、例えば膜厚中心から前記フリー磁性層６の絶縁障壁層５との界面方向（すなわち図示下方向）、及び前記第２保護層７ｂの上面方向（すなわち図示上方向）に向けて徐々に小さくなる濃度勾配が形成される。

後述する実験結果（実施例および比較例）では、Ｍｇで形成された第１保護層７ａを設けた本実施形態では、従来構造に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が増加している。このことから、前記第１保護層７ａのＭｇが前記フリー磁性層６に接しているため、フリー磁性層６の例えば結晶構造等に何らかの影響を与えている可能性がある。上記したアニール処理によってＭｇの前記濃度勾配が形成された場合は、特にフリー磁性層６に対するＭｇの影響が強くなると考えられるが、その一方で、保磁力Ｈｃや固定磁性層６との層間結合磁界Ｈｉｎは従来とさほど変わらないし、上記したようにフリー磁性層６の磁歪λの増加も適切に抑制できることがわかっている。よってＭｇはフリー磁性層６の軟磁気特性に悪影響を及ぼしていないことがわかる。

本実施形態では前記フリー磁性層６はエンハンス層６ａと軟磁性層６ｂとの積層構造であることが好ましい。エンハンス層６ｂはＣｏＦｅ合金で形成されスピン分極率が軟磁性層６ａに比べて高く抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させる効果がある。よって従来構造においてもエンハンス層６ｂの挿入により抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上できたが、前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより向上させるには、前記エンハンス層６ｂの組成等を適正化する必要があり、かかる場合、磁歪が大きくなるといった問題があった。これに対し本実施形態では、特にエンハンス層６ａの組成やその他のフリー磁性層６の構成を変えることなく、Ｍｇで形成された第１保護層７ａを前記フリー磁性層６上に設けることで、フリー磁性層６の磁歪λの増大を抑制しつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより効果的に向上させることが出来る。

本実施形態には、前記保護層７をＭｇで形成された第１保護層７ａのみで構成する形態も含むが、実際には、製造過程でＭｇが酸化されて、特に酸化の影響がフリー磁性層６にまで及ぶと特性劣化が問題となるため、前記第１保護層７ａ上にはＴａで形成された第２保護層７ｂを設けることが酸化防止を促進でき好適である。このとき、前記第２保護層７ｂの膜厚は前記第１保護層７ａの膜厚よりも大きく形成されることが好ましい。

本実施形態のトンネル型磁気検出素子の製造方法について説明する。図２ないし図４は、製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子を図１と同じ方向から切断した部分断面図である。

図２に示す工程では、下部シールド層２１上に、下地層１、シード層２、反強磁性層３、第１固定磁性層４ａ、非磁性中間層４ｂ、及び第２固定磁性層４ｃを連続成膜する。

そして、前記第２固定磁性層４ｃ上に、金属層１５をスパッタ法等で成膜する。金属層１５は後の工程で酸化されるので、酸化後の膜厚が絶縁障壁層５の膜厚となるように、金属層１５を形成する。

次に、真空チャンバー内に酸素を流入する。これにより前記金属層１５は酸化されて、絶縁障壁層５が形成される。前記金属層１５に代えて半導体層を形成し、前記半導体層を酸化して絶縁障壁層５を形成してもよい。

次に、図３に示すように、前記絶縁障壁層５上に、エンハンス層６ａ及び軟磁性層６ｂから成るフリー磁性層６を成膜する。さらに、前記フリー磁性層６上に、Ｍｇで第１保護層７ａを形成し、さらに第２保護層７ｂを成膜する。以上により下地層１から保護層７までが積層された積層体Ｔ１を形成する。

次に、前記積層体Ｔ１上に、リフトオフ用レジスト層３０を形成し、前記リフトオフ用レジスト層３０に覆われていない前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端部をエッチング等で除去する（図４を参照）。

次に、前記積層体Ｔ１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側であって前記下部シールド層２１上に、下から下側絶縁層２２、ハードバイアス層２３、及び上側絶縁層２４の順に積層する（図５を参照）。

そして前記リフトオフ用レジスト層３０を除去し、前記積層体Ｔ１及び前記上側絶縁層２４上に上部シールド層２６を形成する。

上記したトンネル型磁気検出素子の製造方法では、その形成過程でアニール処理を含む。代表的なアニール処理は、前記反強磁性層３と第１固定磁性層４ａ間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせるためのアニール処理である。アニール処理は２４０〜３１０℃の温度で行われる。

前記アニール処理の温度が２４０℃より低い温度、あるいは２４０℃〜３１０℃の範囲内であっても、アニール時間が４時間未満であると、前記第１保護層７ａと前記フリー磁性層６との界面及び、前記第１保護層７ａと前記第２保護層７ｂとの界面での構成元素の相互拡散は生じず、あるいは相互拡散が生じても小規模（例えば界面の全域で拡散が生じず、間欠的に生じている等）であり、ほぼ界面の状態を保っていると考えられる。

一方、前記アニール処理の温度が３１０℃より高い温度、あるいはアニール時間が４時間以上であると、前記第１保護層７ａと前記フリー磁性層６との界面及び、前記第１保護層７ａと前記第２保護層７ｂとの界面での構成元素の相互拡散が生じて、前記界面の存在が無くなり、Ｍｇ濃度が、前記第１保護層７ａの内部、例えば膜厚中心から前記フリー磁性層６の絶縁障壁層５との界面方向（すなわち図示下方向）、及び前記第２保護層７ｂの上面方向（すなわち図示上方向）に向けて徐々に小さくなる濃度勾配が形成される。

なお、絶縁障壁層５を金属層１５の酸化によって形成する場合、酸化の方法としては、ラジカル酸化、イオン酸化、プラズマ酸化あるいは自然酸化等を挙げることができる。

上記により、従来のトンネル型磁気検出素子に比べて、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を有し、かつフリー磁性層６の磁歪λの増加を抑制できるトンネル型磁気抵抗効果素子を適切且つ簡単に製造できる。

本実施形態では、前記金属層１５を、Ｔｉあるいは、Ａｌで形成し、酸化処理を行い、Ｔｉ−Ｏ、あるいは、Ａｌ−Ｏから成る絶縁障壁層５を形成することが、より効果的に、フリー磁性層６の磁歪の増加を抑えつつ、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができて好ましい。

図１に示すトンネル型磁気検出素子を形成した。
前記絶縁障壁層５がＡｌ―Ｏであるトンネル型磁気検出素子を以下のように作成した。

下から、下地層１；Ｔａ（８０）／シード層２；ＮｉＦｅＣｒ（５０）／反強磁性層３；ＩｒＭｎ（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｃｏ_７０at%Ｆｅ_３０at%（１４）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ_６０at%Ｆｅ_２０at%Ｂ_２０at%（１８）］／金属層１５；Ａｌ（３．０）の順に積層した。なお括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。次いで、酸化を行い、金属層１５を酸化してＡｌ−Ｏからなる絶縁障壁層５を形成した。形成した絶縁障壁層５上に、フリー磁性層６[エンハンス層６ａ；Ｃｏ_７０at%Ｆｅ_３０at%（１０）／軟磁性層６ｂ；Ｎｉ_{８３．５at%}Ｆｅ_{１６．５at%}（４０）]／保護層７［第１保護層；Ｍｇ（２０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）］の順に積層し、積層体Ｔ1を形成した。

前記積層体Ｔ１を形成した後、２７０℃で３時間３０分、アニール処理を行った。
抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）およびフリー磁性層６の磁歪λを測定した結果を、表１に示す。また、フリー磁性層の保磁力（Ｈｃ）および固定磁性層との層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定結果も合わせて示す。

前記第１保護層７ａの材質を変えた場合の結果を比較例に示す。比較例１は前記第１保護層７ａをＡｌで、比較例２は第１保護層７ａをＴｉで、比較例３は第１保護層７ａをＣｕで、比較例４は第１保護層７ａをＩｒＭｎで、形成した場合である。膜厚は第１保護層７ａをＭｇで形成した実施例１と同じ、２０Åである。また、比較例５は、前記第１保護層７ａを形成しない従来構造であり、前記第２保護層を形成するＴａのみで前記保護層７を膜厚２００Åの厚さに形成した。

前記絶縁障壁層５がＴｉ―Ｏであるトンネル型磁気検出素子について、以下のようにして形成した。

下から、下地層１；Ｔａ（８０）／シード層２；ＮｉＦｅＣｒ（５０）／反強磁性層３；ＩｒＭｎ（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｃｏ_７０at%Ｆｅ_３０at%（１４）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ_９０at%Ｆｅ_１０at%（１８）］／金属層１５；Ｔｉ（５．６）の順に積層した。次いで、酸化を行い、金属層を酸化してＴｉ−Ｏからなる絶縁障壁層５を形成した。形成した絶縁障壁層５上に、フリー磁性層６[エンハンス層６ａ；Ｃｏ_５０at%Ｆｅ_５０at%（１０）／軟磁性層６ｂ；Ｎｉ_８６at%Ｆｅ_１４at%（４０）]／保護層７［第１保護層；Ｍｇ（２０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）］の順に積層し、積層体Ｔ1を形成した。
前記積層体Ｔ１を形成した後、２７０℃で３時間３０分、アニール処理を行った。

同様にして、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）およびフリー磁性層６の磁歪λを測定した結果を、フリー磁性層の保磁力（Ｈｃ）および固定磁性層との層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定結果と合わせて表２に示す。

前記絶縁障壁層をＡｌ―Ｏで形成した場合と同様、前記第１保護層７ａの材質を変えた場合の結果を比較例に示す。比較例６は前記第１保護層７ａをＡｌで、比較例７は第１保護層７ａをＴｉで、比較例８は第１保護層７ａをＣｕで、比較例９は第１保護層７ａをＩｒＭｎで、形成した場合である。膜厚は第１保護層７ａをＭｇで形成した実施例２と同じ、２０Åである。また、比較例１０は、前記第１保護層７ａを形成しない従来構造であり、前記第２保護層を形成するＴａのみで前記保護層７を膜厚２００Åの厚さに形成した。なお、第１保護層７ａがＡｌの場合（比較例６）、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低く、正しく評価できなかった。

表１および表２に基づき、図６では、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を棒グラフにしてまとめ、図７では、フリー磁性層の磁歪λを棒グラフにしてまとめた。

表１，表２及び図６，図７より、第１保護層７ａがＭｇで形成されたトンネル型磁気検出素子は、絶縁障壁層５をＡｌ−Ｏで形成した場合（実施例１）、およびＴｉ―Ｏで形成した場合（実施例２）ともに、第１保護層を形成せず第２保護層のみで保護層を構成した従来構造の比較例５（絶縁障壁層５をＡｌ−Ｏで形成した場合）および比較例１０（絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏで形成した場合）に比べて、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示した。なお、フリー磁性層６の磁歪λは若干の増加だけで抑えることができた。第１保護層７ａを、Ａｌ、Ｔｉ、ＣｕおよびＩｒＭｎで形成した比較例１ないし４（絶縁障壁層５をＡｌ−Ｏで形成した場合）、および比較例６ないし９（絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏで形成した場合）はいずれも、従来構造の比較例５および比較例１０に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低かった。

よって、第１保護層７ａをＭｇで形成することで、フリー磁性層６の磁歪λを低く抑え、かつ高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を有するトンネル型磁気検出素子が得られることがわかった。

さらに、表１及び表２に示すように、第１保護層７ａをＭｇで形成した実施例１および実施例２では、第１保護層７ａを形成せず第２保護層７ｂのみで保護層を構成した従来構造の比較例５および比較例１０に比べて、フリー磁性層の保磁力（Ｈｃ）および固定磁性層との層間結合磁界Ｈｉｎはほとんど変わらない値を示し、Ｍｇで形成された第１保護層７ａを、フリー磁性層６上に設けても、トンネル型磁気検出素子の磁気特性に影響を与えないことがわかった。

本実施形態のトンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図、 本実施形態のトンネル型磁気検出素子の製造方法を示す一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図）、 図２の次に行われる一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図）、 図３の次に行われる一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図）、 図４の次に行われる一工程図（製造工程中の前記トンネル型磁気検出素子を記録媒体との対向面と平行な方向から切断した断面図）、 第１保護層をＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＩｒＭｎで形成した各試料、及び前記第１保護層を形成しなかった試料の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示す棒グラフ、 第１保護層をＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＩｒＭｎで形成した各試料、及び前記第１保護層を形成しなかった試料のフリー磁性層の磁歪λを示す棒グラフ、

符号の説明

３ 反強磁性層
４ 固定磁性層
４ａ 第１固定磁性層
４ｂ 非磁性中間層
４ｃ 第２固定磁性層
５ 絶縁障壁層
６ａ エンハンス層
６ｂ 軟磁性層
６ フリー磁性層
７ａ 第１保護層
７ｂ 第２保護層
７ 保護層
１５ 金属層
２１ 下部シールド層
２２，２４ 絶縁層
２３ ハードバイアス層
２６ 上部シールド層

Claims (12)

1. 下から、磁化方向が一方向に固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層の順で積層され、
   前記フリー磁性層上にマグネシウム（Ｍｇ）で形成された第１保護層が形成されることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
2. 前記第１保護層と前記フリー磁性層との界面では構成元素の相互拡散が生じ、マグネシウム濃度が前記第１保護層の内部から前記フリー磁性層の前記絶縁障壁層との界面方向に向けて徐々に減少する濃度勾配が形成される請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
3. 前記第１保護層上にタンタル（Ｔａ）からなる第２保護層が形成されている請求項１または２に記載のトンネル型磁気検出素子。
4. 前記第１保護層と前記第２保護層との界面では構成元素の相互拡散が生じ、マグネシウム濃度が前記第１保護層の内部から前記第２保護層の上面方向に向けて徐々に減少する濃度勾配が形成される請求項３記載のトンネル型磁気検出素子。
5. 前記第１保護層は、前記第２保護層より膜厚が薄い請求項３記載のトンネル型磁気検出素子。
6. 前記フリー磁性層は、下からＣｏＦｅ合金で形成されたエンハンス層及びＮｉＦｅ合金で形成された軟磁性層の順に積層され、前記エンハンス層は前記絶縁障壁層に接して形成され、前記軟磁性層は前記第１保護層に接して形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
7. 前記絶縁障壁層は酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏ）で形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
8. 前記絶縁障壁層は酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）で形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
9. 以下の工程を有することを特徴とするトンネル型磁気検出素子の製造方法。
   （ａ） 固定磁性層を形成し、前記固定磁性層上に金属層あるいは半導体層を形成する工程、
   （ｂ） 前記金属層あるいは半導体層を酸化して、絶縁障壁層を形成する工程、
   （ｃ） 前記絶縁障壁層上に、フリー磁性層を形成する工程、
   （ｄ） 前記フリー磁性層上に、マグネシウム（Ｍｇ）で形成された第１保護層を形成する工程。
10. 前記（ｄ）工程は、前記第１保護層を形成した後、前記第１保護層上にタンタル（Ｔａ）から成る第２保護層を形成する工程とする請求項９記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
11. 前記第１保護層の膜厚を、前記第２保護層の膜厚より薄く形成する請求項１０記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
12. 前記（ｄ）工程の後、アニール処理を行う請求項９ないし１１のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。

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