JP2009059950A - 磁気抵抗効果膜、磁気ヘッド、磁気ディスク装置、磁気メモリ装置、及び磁気抵抗効果膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反強磁性層のラフネスの影響を低減し、層間結合磁界Ｈｉｎの小さく、特性のバラツキの少ない磁気抵抗効果膜、磁気ヘッド、磁気ディスク装置、磁気メモリ装置、及び磁気抵抗効果膜の製造方法を提供すること。
【解決手段】基板１９の上方に、下地層１１、反強磁性層１２、固定強磁性層１３、非磁性中間層１４、リファレンス層１５、バリア層１６、フリー強磁性層１７が形成された磁気抵抗効果膜１０において、固定強磁性層１３を基板１９側から順に第１強磁性層１３ａ、酸化物層１３ｂ、及び第２強磁性層１３ｃを形成した積層構造とする。この酸化物層１３ｂは、第１強磁性層１３ａ表面の凹凸を埋め、その結果酸化物層１３ｂの表面はほぼ平坦となる。これによりその上方に形成されたバリア層１６のラフネスが改善され、層間結合磁界Ｈｉｎが小さく特性のバラツキが少ない磁気抵抗効果膜１０が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加された磁界により抵抗値が変化する磁気抵抗効果膜と、磁気抵抗効果膜を用いた磁気ヘッド、磁気ディスク装置、磁気メモリ装置、及び磁気抵抗効果膜の製造方法に関する。

磁気ディスク装置や磁気メモリ装置に使用される素子として、従来、図８に示すように、基板１０９側から順に下地層１０１、反強磁性層１０２、固定強磁性層１０３、非磁性中間層１０４、リファレンス層１０５、バリア層１０６、フリー強磁性層１０７、及びキャップ層１０８を形成した磁気抵抗効果膜１００が知られている。この磁気抵抗効果膜１００を磁気ディスク装置の読み取り素子として使用する場合、図９に示すように、磁気抵抗効果膜１００の上下両面に電極１３２、１３４が形成される。このような読み取り素子において、磁気抵抗効果膜１００の厚さは読み取り素子のリードギャップ長Ｌｇとなり、これによって磁気記録媒体１２０上の記録ビット長の最小値Ｌ_bitが決定され、記録密度の上限値が決まる。したがって、磁気ディスク装置の更なる高記録密度化を図るためには、磁気抵抗効果膜１００を薄くする必要がある。

磁気抵抗効果膜１００の反強磁性層１０２に注目すると、２００３年頃までは、反強磁性層１０２をＰｔＭｎまたはＰｄＰｔＭｎで構成するものが主流であった。ところが、これらの材料で構成された反強磁性層１０２は、その上に形成される固定強磁性層１０３の磁化の向きを固定するのに１５ｎｍ以上の厚さを必要とした。このため、磁気抵抗効果膜１００が厚くなり、その結果リードギャップ長Ｌｇが大きくなって、磁気ディスク装置のより一層の高記録密度化が困難であるという問題がある。そこで、耐熱性、耐食性、及びラフネスに若干の問題を有するが、膜厚４ｎｍ程度で固定強磁性層１０３の磁化方向を固定できるＩｒＭｎ層を反強磁性層１０２に用いた磁気抵抗効果膜１００が使用されるようになった（例えば特許文献１）。
特開２００５−９２９１７号公報

当初、ＩｒＭｎ層を用いた反強磁性層１０２のラフネスは、バリア層１０６等の膜厚が大きかったこともあり、それほど問題視されていなかった。しかし、更なる高記録密度化（リードギャップ長の縮小）及び高速転送（低抵抗化）への対応が要求されことに伴い、バリア層１０６等の膜厚が薄くなると、磁気抵抗効果を担うリファレンス層１０５とフリー強磁性層１０７との間の静磁気的相互作用が大きくなり、バリア層１０６のラフネスに起因してＳＮ比（信号とノイズとの比）が低下したり、読み出しエラーが発生することが判明した。また、このバリア層１０６のラフネスはバリア層１０６の膜厚及び特性のバラツキを生じ磁気抵抗効果膜の信頼性にも影響を与える。

本発明の目的は、反強磁性層のラフネスの影響を低減し、信頼性の高い磁気抵抗効果膜、磁気ヘッド、磁気ディスク装置、磁気メモリ装置、及び磁気抵抗効果膜の製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、基板と、前記基板の上方に形成された反強磁性層と、前記反強磁性層の上に形成された固定強磁性層と、前記固定強磁性層上に形成された非磁性結合層と、前記非磁性結合層上に形成された強磁性体からなるリファレンス層と、前記リファレンス層上に形成された非磁性体からなるバリア層と、前記バリア層上に形成された強磁性体からなるフリー強磁性層とを有し、前記固定強磁性層は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層の表面上に形成された酸化物層と、前記酸化物層上に形成された第２強磁性層とにより構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。

本願発明者等は、バリア層のラフネスを低減し、層間結合磁場Ｈｉｎの小さな磁気抵抗効果膜を得るべく、種々実験検討を行った。その結果、固定強磁性層に酸化物層を形成することにより、上記の目的を達成できるとの知見を得た。本発明は、このような実験に基づいてなされたものである。

上記観点による磁気抵抗効果膜を磁気ヘッドの読み取り素子に適用すると、磁気抵抗効果膜のラフネスが低減され、バリア層が平坦化されるため、読み取り信号波形の非対称性が小さく、特性のバラツキが小さな信頼性の高い磁気ヘッドが得られる。また、上記観点による磁気抵抗効果膜は磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）にも適用することができる。これにより、磁気メモリ装置の磁気抵抗効果膜の特性のバラツキが少なく信頼性の高い磁気メモリ装置が得られる。

本発明の実施形態の説明に先立って、基礎的事項について説明する。

図８に示すような磁気抵抗効果膜１００において、反強磁性層１０２としてＩｒＭｎを堆積させると、ＩｒＭｎの粒成長により表面の平坦性が低いＩｒＭｎ層が形成され、反強磁性層１０２のラフネスが大きくなる。この反強磁性層１０２の上に、固定強磁性層１０３、非磁性中間層１０４、リファレンス層１０５、バリア層１０６、及びフリー強磁性層１０７を形成すると、これらの層の界面のラフネスも大きくなる。そして、バリア層１０６の界面のラフネスによって、リファレンス層１０５及びフリー強磁性層１０７の間で静磁気的な相互作用が大きくなる。

図１０は、磁気抵抗効果膜の外部磁場に対する抵抗値変化を示す図であり、図１０（ａ）は、リファレンス層とフリー強磁性層との間にバリア層１０６のラフネスに起因する磁気的相互作用がない場合の変化を示し、図１０（ｂ）リファレンス層とフリー強磁性層との間にバリア層１０６のラフネスに起因する磁気的相互作用がある場合の変化を示す。

図１０（ａ）に示すように、バリア層１０６の表面にラフネスが無い場合には、外部磁場によるフリー強磁性層１０７の磁化反転はゼロ磁場付近で発生する。そして、磁気抵抗効果膜１００の電気抵抗変化は、図１０（ａ）に示すようにゼロ磁場付近で発生する。これに対し、バリア層１０６の表面にラフネスがあると、リファレンス層１０５とフリー強磁性層１０７との間にラフネスに起因する磁気的な相互作用が発生し、外部磁場によるフリー強磁性層１０７の磁化反転はゼロ磁場からシフトする。そのため、磁気抵抗効果膜１００の電気抵抗変化も、図１０（ｂ）に示すように、ゼロ磁場からシフトした磁場で発生する。この磁化反転磁場のゼロ磁場からのシフト量は層間結合磁場Ｈｉｎ（Inter layer coupling field）と呼ばれ、バリア層１０６のラフネスの指標として用いられる。

次に、図１１〜図１３を参照しつつ、磁気ヘッドの読み取り素子としての磁気抵抗効果膜のバリア層にラフネスがある場合の問題点を説明する。

図１１（ａ）は、磁気ヘッドの読み取り素子としての磁気抵抗効果膜のバリア層にラフネスがない場合のフリー強磁性層の磁化の向きを示す模式図、図１１（ｂ）はバリア層にラフネスがある場合のフリー強磁性層の磁化の向きを示す模式図である。

磁気ディスク装置等に用いられる磁気ヘッドでは、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、フリー強磁性層１０７の両側方に磁区制御層１１０が設けられ、リファレンス層１０５の磁化方向と垂直な方向に磁化された磁区制御層１１０によって、フリー強磁性層１０７にバイアス磁場が印加されている。リファレンス層１０５とフリー強磁性層１０７との間にバリア層１０６のラフネスによる磁気的相互作用がない場合は、図１１（ａ）に示すように、フリー強磁性層１０７の磁化の向きはバイアス磁場方向（磁区制御層１１０の磁化方向）に揃えられている。これに対し、リファレンス層１０５とフリー強磁性層１０７との間にバリア層１０６のラフネスによる磁気的相互作用がある場合は、リファレンス層１０５の影響により図１１（ｂ）に示すように、フリー強磁性層１０７の磁化の向きがリファレンス層１０５の磁化の方向にずれてしまう。

図１２（ａ）は、バリア層にラフネスがない場合の外部磁場に対する磁気ヘッド（読み取り素子）の出力電圧を示すグラフであり、図１２（ｂ）はこの場合の読み取り信号波形を示すグラフである。図１３（ａ）は、磁気抵抗効果膜のバリア層にラフネスがある場合の外部磁場に対する磁気ヘッド（読み取り素子）の出力電圧を示すグラフであり、図１３（ｂ）はこの場合の読み取り信号波形を示すグラフである。

リファレンス層１０５とフリー強磁性層１０７との間でバリア層１０６のラフネスによる磁気的相互作用が無い場合は、フリー強磁性層１０７に実効的に働く磁界は、記録媒体１２０からの磁界と磁区制御層１１０からの磁界との和であり、図１２（ａ）に示すようにゼロ磁場を中心として変動する。したがって、読み取り信号波形は、図１２（ｂ）に示すように上下対称となる。これに対し、リファレンス層１０５とフリー強磁性層１０７との間にバリア層１０６のラフネスによる磁気的相互作用がある場合は、フリー強磁性層１０７に実効的に働く磁界は、磁区制御層１１０及び記録媒体１２０からの磁界に加えてリファレンス層１０５からの磁界が加わるため、図１３（ａ）に示すように、ゼロ磁場から層間結合磁場Ｈｉｎだけシフトした位置を中心として変動する。このため、読み取り信号波形は、図１３（ｂ）に示すように非対称性を生じる。このように読み取り信号波形に非対称性があると、ＳＮ比（信号とノイズの比）が大きくなり、極端な場合は読み取りエラーが発生する。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる磁気抵抗効果膜を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係わる磁気抵抗効果膜１０は、基板１９の上に、下地層１１、反強磁性層１２、固定強磁性層１３、非磁性結合層１４、リファレンス層１５、バリア層１６、フリー強磁性層１７、及びキャップ層１８を下から順に積層した積層構造を有する。

基板１９は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ等のセラミック基板や、Ｓｉ単結晶基板で構成される。また、基板１９と下地層１１との間に絶縁膜（図示せず）又は導電膜（図示せず）を形成しても良い。下地層１１は、例えば、厚さ２ｎｍのＴａ膜と、その上に形成された厚さ３ｎｍのＲｕ膜との積層膜で構成される。

反強磁性層１２は、例えば、厚さ４ｎｍ以上のＩｒＭｎ層で構成される。反強磁性層１２は、その上の固定強磁性層１３の磁化の方向を交換相互作用によって固定するために設けられている。

固定強磁性層１３は、基板１９側から順に、第１強磁性層１３ａ、酸化物層１３ｂ、及び第２強磁性層１３ｃを積層して形成された積層膜で構成される。第１強磁性層１３ａは、例えば、厚さ０．７〜１．５ｎｍ程度のＣｏＦｅ層で構成される。酸化物層１３ｂは、例えば、第１強磁性層１３ａを自然酸化して形成された自然酸化膜によって構成される。この酸化物層１３ｂは第１強磁性層１３ａの表面の凹凸を埋め、その結果酸化物層１３ｂの表面はほぼ平坦となっている。尚、酸化物層１３ｂは、第１強磁性層１３ａの表面を高周波グロー放電等により発生させた酸素プラズマで酸化させたものであってもよい。酸化物層１３ｂは、例えば厚さ０．５ｎｍ〜１ｎｍ程度に形成される。酸化物層１３ｂを１ｎｍより厚く形成すると、磁気抵抗効果膜１０の素子抵抗が高くなってしまう。第２強磁性層１３ｃは、例えば、厚さ０．５〜１ｎｍ程度のＣｏＦｅ層で構成される。固定強磁性層１３を構成する第１及び第２強磁性層１３ａ、１３ｃは、反強磁性層１２との反強磁性結合で磁化の向きが所定方向に固定されている。

非磁性結合層１４は、例えば、厚さ０．４〜０．９ｎｍ程度のＲｕ層又はＲｕＲｈ層で構成される。リファレンス層１５は、例えば、厚さ２ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ層で構成される。このリファレンス層１５は非磁性結合層１４を介して固定強磁性層１３と反強磁性結合し、その磁化の向きは固定強磁性層１３の磁化と反平行な向きに固定されている。これによりリファレンス層１５の磁化の向きは外部磁場の変化やスピン偏極電流が流入しても変化しない。

バリア層１６は、磁気抵抗効果膜１０が例えばＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子の場合には、トンネル絶縁膜として厚さ１ｎｍ程度の結晶性ＭｇＯ層で構成される。尚、本実施形態のバリア層１６は上記構成に限られず、例えば、バリア層１６をＣｕ層等の導電材料層で構成して磁気抵抗効果膜１０をＧＭＲ素子とすることもできる。

フリー強磁性層１７は、例えば、厚さ３．０ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ層で構成される。このフリー強磁性層１７は、外部磁場の変化やスピン偏極電流の注入等によって磁化の方向を面内方向で変化させることができる。キャップ層１８は、例えば、厚さ３ｎｍ程度のＴａ層と、その上に形成された厚さ２ｎｍ程度のＲｕ層の積層膜として構成される。

以上のように構成された磁気抵抗効果膜１０は、リファレンス層１５とフリー強磁性層１７との磁化方向の差によって、バリア層１６を垂直方向又は面内方向に通過する電流の受ける抵抗が変化する。

本実施形態の磁気抵抗効果膜１０は、上述したように第１強磁性層１３ａの上に酸化物層１３ｂを備える。この酸化物層１３ｂは、第１強磁性層１３ａの表面の凹凸を埋め、その結果酸化物層１３ｂの表面は平坦になっている。このため、酸化物層１３ａの上方に形成される各層のラフネスが軽減され、バリア層１６のラフネスも従来の磁気抵抗効果膜と比べて小さくなっている。これにより、バリア層１６のラフネスによるリファレンス層１５とフリー強磁性層１７との磁気的相互作用が減少し、層間結合磁場Ｈｉｎの小さな磁気抵抗効果膜１０が得られる。また、バリア層１６のラフネスが低減されるため、バリア層１６の膜厚のバラツキが少なくなり、磁気抵抗効果膜１０の素子抵抗やＭＲ比といった特性のバラツキが抑制される。

尚、第２強磁性層１３ｃを形成せずに、酸化物層１３ｂの上に直接非磁性結合層１４を形成することも考えられる。しかし、酸化物層１３ｂの上に第２強磁性層１３ｃを形成しない場合は固定強磁性層１３（強磁性層）とリファレンス層１４との間隔が大きくなり、リファレンス層１４との反強磁性的結合が弱くなって、磁気抵抗効果膜１０の安定性が低下する。このため、固定強磁性層１３は、第１強磁性層１３ａ、酸化物層１３ｂ、及び第２強磁性層１３ｃにより構成することが必要である。

本実施形態に係わる磁気抵抗効果膜１０は、以下のようにして製造できる。尚、酸化物層１３ｂ以外の各層の形成は、例えば、基板温度を室温として高真空雰囲気下のスパッタ法で成膜することができる。

先ず、基板１９の上に下地層１１として、例えば厚さ３ｎｍのＴａ層と厚さ２ｎｍのＲｕ層を順に形成する。次に、反強磁性層１２として、例えば厚さ５ｎｍのＩｒＭｎ層を形成する。

次に、固定強磁性層１３を形成する。すなわち、反強磁性層１２の上に、例えば厚さ０．７〜１．５ｎｍにＣｏＦｅを堆積して第１強磁性層１３ａを形成する。次に、第１強磁性層１３ａの表面を、自然酸化して酸化物層１３ｂを形成する。自然酸化は、第１強磁性層１３ａが形成された基板１９を収容したチャンバを真空引きしながら、酸素ガス又は酸素を含む混合ガスを一定流量（例えば１ｓｃｃｍ）で所定時間導入して行うことができる。例えば、第１強磁性層１３ａ付近の酸素分圧を０．２ｍＰａ〜１ｍＰａとして２０秒程度酸素と接触させることで酸化物層１３ｂを形成できる。この場合、基板温度は室温で自然酸化を行うことができるが、適宜、基板温度を室温以上に加熱又は室温以下に冷却して自然酸化を行っても良い。尚、第１強磁性層１３ａの表面を酸素プラズマと接触させるプラズマ酸化法で酸化物層１３ｂを形成してもよい。その後、酸化物層１３ｂの上に第２強磁性層１３ｃとして、例えば厚さ０．５〜１．０ｎｍのＣｏＦｅ層を形成する。

次に、第２強磁性層１３ｃの上に、非磁性結合層１４として、例えば厚さ０．４〜０．９ｎｍのＲｕ層又はＲｕＲｈ層を形成する。続いて、リファレンス層１５として、例えば厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＢ層を形成し、その上にバリア層１６として、例えば厚さ１ｎｍ程度の結晶性ＭｇＯ層を形成する。尚、磁気抵抗効果膜１０をＧＭＲ膜とする場合には、バリア層１６として、例えばＣｕ層等の導電層を形成しても良い。更に、フリー強磁性層１７として、例えば厚さ３ｎｍのＣｏＦｅＢ層を形成し、最後にキャップ層１８として、厚さ３ｎｍのＴａ層と厚さ２ｎｍのＲｕ層を順に形成する。その後固定強磁性層１３の磁化方向を固定するためのピンアニールを行って磁気抵抗効果膜１０が完成する。

（実験例）
次に、磁気抵抗効果膜１０の酸化物層１３ｂの酸化処理条件及びバリア層（トンネル絶縁）の厚さを変えた試料と、酸化物層１３ｂを形成しない試料とを作製し、これらの試料についてＨｉｎの特性評価を行った結果について説明する。

図２は、実験例に係わる磁気抵抗効果膜の作製に用いた磁気抵抗効果膜を示す断面図である。この図において、図１と同一物には同一符号を付している。

実験例に係わる磁気抵抗効果膜２０は、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ基板の上に形成した。磁気抵抗効果膜２０は、バリア層１６（ＭｇＯ）の膜厚依存性を調べるために、図２に示すようにバリア層１６（ＭｇＯ）をウエッジ形に堆積した。この磁気抵抗効果膜２０を分離してバリア層１６の厚さが異なる種々の試料を作製した。実験例の磁気抵抗効果膜２０の構成は、下から順にＴａ層（３ｎｍ）／Ｒｕ層（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（７ｎｍ）／ＣｏＦｅ層（１ｎｍ）／自然酸化膜／ＣｏＦｅ層（０．７ｎｍ）／Ｒｕ層（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ層（２ｎｍ）／ＭｇＯ層（１．３ｗ）／ＣｏＦｅＢ層（３ｎｍ）／Ｔａ層（５ｎｍ）である。また、ＭｇＯ層の１．３ｗは基板中央付近の膜厚が１．３ｎｍであることを示す。

本実験例では、酸素ガスをチャンバ内に流量１ｓｃｃｍで２０秒間を導入して酸素分圧１ｍＰａのもとで自然酸化させて酸化物層１３ｂを形成した試料１と、酸素ガスを流量０．１ｓｃｃｍで２０秒間を導入して酸素分圧０．２ｍＰａのもとで自然酸化させて酸化物層１３ｂを形成した試料２とを作製した。

一方、試料３の磁気抵抗効果膜として、酸化物層１３ｂが形成されていない点を除き試料１、２と同様の磁気抵抗効果膜を作製した。試料３は自然酸化を行わない点を除き、試料１、２と同様の製法で作製した。

図３は、試料１〜３に係わる磁気抵抗効果膜の層間結合磁場Ｈｉｎの測定結果を示すグラフである。図３において、縦軸はＨｉｎ（Ａ／ｍ）の相対値を表し、横軸は磁気抵抗効果膜の抵抗面積積ＲＡ（Ωμｍ²）を表す。ここで、抵抗面積積ＲＡは素子抵抗と素子面積の積であり、例えば０．１μｍ角の試料で素子抵抗が３００Ωの場合にはＲＡは３（Ωμｍ²）となる。ＲＡは一般に、ＭｇＯ膜（トンネルバリア層）が厚い試料ほど大きな値を示す。

図３に示すように、酸素分圧１ｍＰａのもとで２０秒程度自然酸化させた酸化物層１３ｂを有する試料１は、酸化物層を形成しない試料３の磁気抵抗効果膜と比べて層間結合磁場Ｈｉｎが低くなり、同一の抵抗面積積ＲＡを有する試料で比較すると、試料１の磁気抵抗効果膜は層間結合磁場Ｈｉｎが１５％程度低下した。試料１の第１強磁性層１３ａは結晶質のＣｏＦｅ層であり、このＣｏＦｅ層は島状成長する。このような島状成長で形成された第１強磁性層１３ａを酸化処理することで第１強磁性層１３ａの粒間や凹部を埋めるように酸素が入り、平坦な表面を有する酸化物膜１３ｂが形成されるものと考えられる。そして、この平坦な酸化物層１３ｂにより、反強磁性層１２のラフネスの影響が軽減され、酸化物層１３ａの上方に形成されたバリア層１６の界面のラフネスが低減し、バリア層１６を介したフリー強磁性層１７とリファレンス層１５との強磁性的な層間結合が低減し、磁気抵抗効果膜１０のＨｉｎが低下するものと考えられる。

一方、酸素分圧０．２ｍＰａのもとで２０秒程度自然酸化させた試料２の磁気抵抗効果膜では、同一の抵抗面積積ＲＡを有する試料で比較すると、試料３の磁気抵抗効果膜よりも層間結合磁場Ｈｉｎが高くなり、フリー強磁性層１７とリファレンス層１５との磁気的相互作用が大きくなった。この場合、酸化物層１３ｂの形成において酸化処理が十分でなく、酸化物層１３ｂによるラフネスの改善効果が得られず、バリア層１６の界面のラフネス低減効果が得られなかったものと考えられる。このため、バリア層１６の界面のラフネスを改善するためには、十分な厚さ（０．５〜１ｎｍ程度）の酸化物層１３ｂを形成することが必要であると考えられる。

（第２実施形態）
以下、図４〜６を参照しつつ第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態で説明した磁気抵抗効果膜１０を備えた磁気ヘッド及び磁気ディスク装置に関するものである。

（磁気ヘッド）
図４は、本発明の第２実施形態に係わる磁気ヘッドの要部の構成を示す断面図である。

本実施形態に係わる磁気ヘッド３０は、図４に示すように、スライダーとなる基板３１の上に形成された下側磁気シールド層（電極）３２と、下側磁気シールド層３２の上に形成され、磁気記録媒体からの漏洩磁場を読み取る読み取り素子（磁気抵抗効果膜）３３と、読み取り素子３３の上に形成された上側磁気シールド層（電極）３４と、この上側磁気シールド層３４の上方に形成され、磁気記録媒体に情報を書き込む書き込み素子（インダクティブヘッド）３５とにより構成される。図４で磁気ヘッド３０の左端部分が磁気記録媒体の記録面と対向する。尚、読み取り素子３３は、第１実施形態の磁気抵抗効果膜１０と同一構成であり、トンネル磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ素子）、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果膜、又はＣＩＰ型巨大磁気抵抗効果膜等の磁気抵抗効果膜で構成することができる。

図５（ａ）、（ｂ）は、磁気ヘッドの製造方法を工程順に示す断面図である。以下、図５を参照しつつ、読み取り素子の製造方法を説明する。尚、図５（ａ）、（ｂ）は、磁気ヘッド３０を磁気記録媒体側（図４の左側）から見たときの構造を示している。

先ず、図５（ａ）に示す構造を形成する。Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ（アルチック）基板等の非磁性体からなる基板３１の上にＡｌ₂Ｏ₃層（図示せず）を形成し、その上に例えばＮｉＦｅ等の軟磁性材料による下側磁気シールド層３２を２〜３μｍの厚さに形成する。そして、この下側磁気シールド層３２の上に、磁気抵抗効果膜を形成する。この磁気抵抗効果膜は第１実施形態の磁気抵抗効果膜１０と同じ構成であり、同様の方法で作製される。

この磁気抵抗効果膜をフォトレジスト法及びイオンミーリングにより所定の形状に整形して読み取り素子３３を形成し、図５（ａ）に示す構造が完成する。

次に、図５（ｂ）に示す構造を形成する。図５（ａ）に示す読み取り素子３３の上に、レジストパターン（図示せず）を残したまま、スパッタ法により、基板３１の上面全面に厚さ３〜１０ｎｍの絶縁膜４０を形成する。続いて、スパッタ法により絶縁膜４０の上にＣｏＣｒＰｔを堆積させて、読み取り素子３３の側方に磁区制御層４１を形成する。その後、レジストパターンを除去する。次に、磁区制御層４１及び読み取り素子３３が形成された基板３１の上面を平坦化した後、磁区制御層４１及び読み取り素子３３の上に例えばＮｉＦｅ等の軟磁性材料による上側シールド層３４を２〜３μｍの厚さに形成する。このようにして、図５（ｂ）に示す構造が完成する。次いで、公知の方法により、上側磁気シールド層３４の上に書き込み素子３５、すなわち主磁極、コイル及び補助磁極等を形成する（図４参照）。このようにして本実施形態に係わる磁気ヘッド３０の製造が完了する。

磁気ヘッド３０において、磁気記録媒体の記録ビットからの漏洩磁場によりフリー強磁性層１７（図１参照）の磁化の方向が変化し、その結果読み取り素子３３の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電気的に検出することにより、磁気記録媒体に記録された情報を読み取ることが出来る。

本実施形態によれば、上述のように読み取り素子３３の固定強磁性層１３に、第１及び第２強磁性層１３ａ、１３ｃに挟まれた酸化物層１３ｂが形成されている。これにより、層間結合磁場Ｈｉｎが小さくなり、読み取り信号の歪が減少して読み取りエラーの発生しにくい磁気ヘッド３０が得られる。また、従来よりも、バリア層１６の厚さのバラツキが減少し、読み取り素子３３の特性のバラツキが抑えられ信頼性の高い磁気ヘッド３０が得られる。

（磁気ディスク装置）
図６は、磁気ディスク装置を示す平面図である。

図６に示すように磁気ディスク装置５０は、その筐体５４内に、磁気記録媒体５１と、先端に磁気ヘッド３０（図４参照）を備えたヘッドスライダ（基板）３１と、ヘッドスライダ３１を保持するアーム５３とを収納している。磁気記録媒体５１は図示しないスピンドルモータにより回転され、磁気ヘッド３０はアーム５３を駆動する図示しないヘッド位置決め機構により記録媒体５１上の所定トラックに移動することができる。

本実施形態の磁気ディスク装置５０は、上述のように層間結合磁場Ｈｉｎが小さく特性のバラツキの小さな磁気ヘッド３０を備える。このため、読み取りエラーが発生し難く信頼性の高い磁気ディスク装置５０が得られる。

（第３実施形態）
以下、図７を参照しつつ第３実施形態に係わる磁気メモリ装置６０について説明する。ここで、図７は、本発明の第３実施形態に係る磁気メモリ装置の要部を示す断面図である。尚、上記各図において既に説明した構成と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施形態に係わる磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）６０は、図７に示すようなメモリセル６１を例えば、マトリクス状に配置して構成される。メモリセル６１は、磁気抵抗効果膜１０及びＦＥＴ６２によって構成される。

ＦＥＴ６２は、半導体基板６３の表面に互いに隔てて形成された拡散領域６５ａ及び拡散領域６５ｂを備える。拡散領域６５ａは、プラグ７４及び配線７５を介して磁気抵抗効果膜１０の下地層１１と電気的に接続され、拡散領域６５ｂはプラグ７４を介してプレート線（図示せず）と電気的に接続されている。ＦＥＴ６２のゲート電極は、磁気メモリ装置６１の読み出し用ワード線６９を構成する。

磁気抵抗効果膜１０は、その下地層１１がＦＥＴ６２の不純物拡散領域（ソース側）６５と電気的に接続され、そのキャップ層１８がビット線７０と電気的に接続されている。磁気抵抗効果膜１０の下には、書き込み用ワード線７１が設けられている。磁気抵抗効果膜１０、プレート線（図示せず）、読み出し用ワード線６９、プラグ７４、及び配線７５は上記で説明した電気的接続以外は層間絶縁膜７３によって互いに電気的に絶縁されている。

磁気メモリ装置６０は、磁気抵抗効果膜１０のフリー強磁性層１７（図１参照）の磁化の向きが、リファレンス層１５（図１参照）の磁化の向きと平行か反並行か否かによって情報を保持し、このフリー強磁性層１７の磁化の向きは、磁気抵抗効果膜１０の抵抗値を検出することで行われる。また、情報の書き込みは、ビット線７０と書き込みワード線７１に電流を流して、フリー強磁性層１７に所定の書き込み磁場を印加することで行われる。尚、本実施形態の磁気メモリ装置６０において、情報の書き込みをフリー強磁性層１７にスピン偏極電流を注入して行うように構成しても良い。

本実施形態の磁気メモリ装置６０は、上述のように、層間結合磁場Ｈｉｎが小さく、素子抵抗やＭＲ比といった特性のバラツキが少ない磁気抵抗効果膜１０を備える。これにより信頼性の高い磁気メモリ装置６０が得られる。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１） 基板と、前記基板の上方に形成された反強磁性層と、前記反強磁性層の上に形成された固定強磁性層と、前記固定強磁性層上に形成された非磁性結合層と、前記非磁性結合層上に形成された強磁性体からなるリファレンス層と、前記リファレンス層上に形成された非磁性体からなるバリア層と、前記バリア層上に形成された強磁性体からなるフリー強磁性層とを有し、前記固定強磁性層は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層の表面上に形成された酸化物層と、前記酸化物層上に形成された第２強磁性層とにより構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

（付記２） 前記酸化物層は、前記第１強磁性層の表面を酸化して形成されたものであることを特徴とする付記１に記載の磁気抵抗効果素子。

（付記３） 前記酸化物層の厚さが０．５〜１ｎｍであることを特徴とする付記１に記載の磁気抵抗効果膜。

（付記４） 前記バリア層が導電層であることを特徴とするとする付記１に記載の磁気抵抗効果膜。

（付記５） 前記バリア層がトンネル絶縁層であることを特徴とする付記１に記載の磁気抵抗効果膜。

（付記６） 記録素子及び磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体に対しデータの記録及び再生を行う磁気ヘッドにおいて、前記磁気抵抗効果素子が、基板の上方に形成された反強磁性層と、前記反強磁性層上に第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層が順に積層された固定強磁性層と、前記固定強磁性層上に形成された非磁性結合層と、前記非磁性結合層上に形成された強磁性体からなるリファレンス層と、前記リファレンス層上に形成された非磁性体からなるバリア層と、前記バリア層上に形成された強磁性体からなるフリー強磁性層とにより構成されていることを特徴とする磁気ヘッド。

（付記７） 円盤状の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体に対しデータの記録及び再生を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の表面に沿って移動させる磁気ヘッド移動手段とを有する磁気ディスク装置において、前記磁気ヘッドは、基板の上方に形成された反強磁性層と、前記反強磁性層上に第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層が順に積層されてなる固定強磁性層と、前記固定強磁性層上に形成された非磁性結合層と、前記非磁性結合層上に形成された強磁性体からなるリファレンス層と、前記リファレンス層上に形成された非磁性体からなるバリア層と、前記バリア層上に形成された強磁性体からなるフリー強磁性層とにより構成されていることを特徴とする磁気ディスク装置。

（付記８） 磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に磁界又はスピン偏極電流を印加して前記磁気抵抗効果素子のフリー強磁性層の磁化を所定の方向に向ける書き込み手段と、前記磁気抵抗効果素子に検出電流を供給して抵抗値を検出する読み出し手段と、を備えた磁気メモリ装置であって、前記磁気抵抗効果素子は、基板の上方に形成された反強磁性層と、前記反強磁性層上に第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層が順に形成された固定強磁性層と、前記固定強磁性層上に形成された非磁性結合層と、前記非磁性結合層上に形成された強磁性体からなるリファレンス層と、前記リファレンス層上に形成された非磁性体からなるバリア層と、前記バリア層上に形成された強磁性体からなるフリー強磁性層とにより構成されていることを特徴とする磁気メモリ装置。

（付記９） 基板の上方に反強磁性層を形成する工程と、前記反強磁性層の上に第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層を順に積層して、これらの第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層からなる固定強磁性層を形成する工程と、前記固定強磁性層の上に非磁性結合層を形成する工程と、前記非磁性結合層の上に強磁性体からなるリファレンス層を形成する工程と、前記リファレンス層の上に非磁性体からなるバリア層を形成する工程と、前記バリア層の上にフリー強磁性層を形成する工程と、を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。

（付記１０） 前記酸化層は、前記第１強磁性層の表面を自然酸化させて形成することを特徴とする付記９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。

図１は、本発明の第１実施形態に係わる磁気抵抗効果膜を示す断面図である。 図２は、実験例に係わる磁気抵抗効果膜の作製に用いた磁気抵抗効果膜を示す断面図である。 図３は、試料１〜３に係わる磁気抵抗効果膜の層間結合磁場Ｈｉｎの測定結果を示すグラフである。 図４は、本発明の第２実施形態に係わる磁気ヘッドの要部の構成を示す断面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、磁気ヘッドの製造方法を工程順に示す断面図である。 図６は、磁気ディスク装置を示す平面図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る磁気メモリ装置の要部を示す断面図である。 図８は、従来の磁気抵抗効果膜を示す断面図である。 図９は、磁気ヘッドの読み取り素子の要部を示す模式図である。 図１０は、磁気抵抗効果膜の外部磁場に対する抵抗値変化を示す図であり、図１０（ａ）は、リファレンス層とフリー強磁性層との間にバリア層１０６のラフネスに起因する磁気的相互作用がない場合の変化を示し、図１０（ｂ）リファレンス層とフリー強磁性層との間にバリア層１０６のラフネスに起因する磁気的相互作用がある場合の変化を示す。 図１１は、磁気ヘッドの読み取り素子としての磁気抵抗効果膜のバリア層に（ａ）ラフネスがない場合と（ｂ）ラフネスがある場合の、それぞれのフリー強磁性層の磁化の向きを示す模式図である。 図１２（ａ）は、バリア層にラフネスがない場合の外部磁場に対する磁気ヘッド（読み取り素子）の出力電圧を示すグラフであり、図１２（ｂ）はこの場合の読み取り信号波形を示すグラフである。図１３（ａ）は、磁気抵抗効果膜のバリア層にラフネスがある場合の外部磁場に対する磁気ヘッド（読み取り素子）の出力電圧を示すグラフであり、図１３（ｂ）はこの場合の読み取り信号波形を示すグラフである。 図１３（ａ）は、磁気抵抗効果膜のバリア層にラフネスがある場合の外部磁場に対する磁気ヘッド（読み取り素子）の出力電圧を示すグラフであり、図１３（ｂ）はこの場合の読み取り信号波形を示すグラフである。

符号の説明

１０、２０、１００…磁気抵抗効果膜、１１、１０１…下地層、１２、１０２…反強磁性層、１３、１０３…固定強磁性層、１３ａ…第１強磁性層、１３ｂ…酸化物層、１３ｃ…第２強磁性層、１４、１０４…非磁性結合層、１５、１０５…リファレンス層、１６、１０６…バリア層、１７、１０７…フリー強磁性層、１８、１０８…キャップ層、１９、３１、１０９…基板、３０…磁気ヘッド、３２、１３２…下側磁気シールド層（電極）、３３…読み取り素子（磁気抵抗効果膜）、３４、１３４…上側磁気シールド層（電極）、３５…書き込み素子、４０、１１１…絶縁膜、４１、１１０…磁区制御層、５０…磁気ディスク装置、５１、１２０…磁気記録媒体、５３…アーム、５４…筐体、６０…磁気メモリ装置、６１…メモリセル、６２…ＦＥＴ、６３…半導体基板、６４…ｐウエル、６５…不純物拡散領域、６６…ゲート絶縁膜、６９…読み出し用ワード線、７０…ビット線、７１…書き込み用ワード線、７３…層間絶縁膜、７４…プラグ、７５…配線。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の上方に形成された反強磁性層と、
   前記反強磁性層の上に形成された固定強磁性層と、
   前記固定強磁性層上に形成された非磁性結合層と、
   前記非磁性結合層上に形成された強磁性体からなるリファレンス層と、
   前記リファレンス層上に形成された非磁性体からなるバリア層と、
   前記バリア層上に形成された強磁性体からなるフリー強磁性層とを有し、
   前記固定強磁性層は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層の表面上に形成された酸化物層と、前記酸化物層上に形成された第２強磁性層とにより構成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記反強磁性層は、ＩｒＭｎからなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 円盤状の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体に対しデータの記録及び再生を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の表面に沿って移動させる磁気ヘッド移動手段とを有する磁気ディスク装置において、
   前記磁気ヘッドは、
   基板の上方に形成された反強磁性層と、
   前記反強磁性層上に第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層が順に積層された固定強磁性層と、
   前記固定強磁性層上に形成された非磁性結合層と、
   前記非磁性結合層上に形成された強磁性体からなるリファレンス層と、
   前記リファレンス層上に形成された非磁性体からなるバリア層と、
   前記バリア層上に形成された強磁性体からなるフリー強磁性層とにより構成されていることを特徴とする磁気ディスク装置。
4. 基板の上方に反強磁性層を形成する工程と、
   前記反強磁性層の上に第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層を順に積層して、これらの第１強磁性層、酸化物層及び第２強磁性層からなる固定強磁性層を形成する工程と、
   前記固定強磁性層の上に非磁性結合層を形成する工程と、
   前記非磁性結合層の上に強磁性体からなるリファレンス層を形成する工程と、
   前記リファレンス層の上に非磁性体からなるバリア層を形成する工程と、
   前記バリア層の上にフリー強磁性層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
5. 前記酸化層は、前記第１強磁性層の表面を自然酸化させて形成することを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。

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