JP3325868B2 - トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法およびメモリ素子の製造方法 - Google Patents

トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法およびメモリ素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル磁気抵抗
効果を利用するトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法、
トンネル磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドの製
造方法およびトンネル磁気抵抗効果素子を用いたメモリ
素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ハードディスク装置の記録密度の
向上に伴って、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められて
いる。薄膜磁気ヘッドとしては、書き込み用の誘導型電
磁変換素子を有する記録ヘッドと読み出し用の磁気抵抗
（Magnetoresistive）効果素子を有する再生ヘッドとを
積層した構造の複合型薄膜磁気ヘッドが広く用いられて
いる。
【０００３】再生ヘッドとしては、高感度、高出力のも
のが要求されている。近年、この要求に対し、トンネル
磁気抵抗（Tunnel-type Magnetoresistive）効果を利用
して磁界を検出するトンネル磁気抵抗効果素子（以下、
ＴＭＲ素子とも言う。）が注目されている。
【０００４】ＴＭＲ素子は、下部磁性層、トンネルバリ
ア層および上部磁性層が積層された構造を有している。
下部磁性層および上部磁性層は、それぞれ強磁性体を含
んでいる。なお、一般に、基板に近い方の磁性層を下部
磁性層と言い、基板に遠い方の磁性層を上部磁性層と言
う。従って、上部磁性層、下部磁性層における「上
部」、「下部」は、必ずしも、実際のＴＭＲ素子の配置
上における上下と一致するものではない。
【０００５】トンネルバリア層は、薄い非磁性絶縁膜よ
りなり、トンネル効果によりスピンを保存しながら電子
が通過できる、すなわちトンネル電流が流れることので
きる層である。トンネル磁気抵抗効果とは、トンネルバ
リア層を挟む一対の磁性層間に電流を流す場合に、両磁
性層の磁化の相対角度に依存して、トンネルバリア層を
流れるトンネル電流が変化する現象を言う。両磁性層の
磁化の相対角度が小さければ、トンネル確率は高くなる
ので、両者間に流れる電流に対する抵抗が小さくなる。
逆に、両磁性層の磁化の相対角度が大きければ、トンネ
ル確率は低くなるので、両者間に流れる電流に対する抵
抗が大きくなる。
【０００６】従来のＴＭＲ素子は、基板上に、下部磁性
層、トンネルバリア層および上部磁性層を順に積層する
ことによって形成されていた。トンネルバリア層は、例
えば、下部磁性層の上に、アルミニウム（Ａｌ）に代表
されるような非磁性体の層を形成し、この層を、自然酸
化法もしくはプラズマ酸化法等によって酸化させること
によって形成されていた。
【０００７】ところで、ＴＭＲ素子のハードディスク装
置用のヘッドへの応用を考えた場合、特性面だけでなく
量産性の観点からもＴＭＲ素子の低抵抗化は必須とな
る。ＴＭＲ素子の低抵抗化のためには、薄いトンネルバ
リア層を形成すればよいことが解っている。
【０００８】ここで、図１６を参照して、トンネルバリ
ア層の厚さとＴＭＲ素子の抵抗および抵抗変化率との関
係を調べるために行った実験の結果について説明する。
この実験では、以下のような構造の素子を用いた。すな
わち、この素子は、基板上に、厚さ５ｎｍのＴａ層、厚
さ５０ｎｍのＣｕ層および厚さ５ｎｍのＴａ層の３層構
造よりなる下部電極層の上に、厚さ３ｎｍのＮｉＦｅ層
および厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層の２層構造よりなるフリ
ー層、トンネルバリア層、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層およ
び厚さ１７ｎｍのＰｔＭｎ層の２層構造よりなるピンド
層、厚さ５０ｎｍのＣｕ層および厚さ５ｎｍのＴａ層の
２層構造よりなる上部電極層を順に積層した構造になっ
ている。なお、トンネルバリア層は、所定の厚さのＡｌ
層をスパッタリングによって成膜した後、２００Torr
（２６６６４．４Ｐａ）の酸素雰囲気中で１時間、Ａｌ
層の酸化処理を行うことによって形成した。また、ＴＭ
Ｒ素子を構成するフリー層、トンネルバリア層およびピ
ンド層の接合面積（以下、ＴＭＲ素子のサイズと言
う。）は、１μｍ×１μｍとした。
【０００９】また、Ａｌ層の成膜の直前において、Ａｌ
層の下地となるＣｏＦｅ層の表面の平坦性を表す中心線
平均粗さＲａは０．２３ｎｍであり、ＣｏＦｅ層の表面
は比較的平坦であると言える。また、Ａｌ層の成膜は室
温にて行われたが、スパッタリング中に受けるエネルギ
により、Ａｌ層の成膜時の基板の温度は４０〜５０°Ｃ
程度となっていると推測される。
【００１０】図１６は、上記の条件の下で行った実験に
よって得られたトンネルバリア層の厚さとＴＭＲ素子の
抵抗および抵抗変化率の最大値（図では単に抵抗変化率
と記す。）の関係を示したものである。なお、抵抗変化
率は、外部磁界を変化させたときのＴＭＲ素子の抵抗の
変化量を抵抗の最小値で割った値を百分率で表したもの
である。
【００１１】図１６から、トンネルバリア層（Ａｌ層）
の厚さが０．７ｎｍとなるまでは、トンネルバリア層を
薄くするほど、ＴＭＲ素子の抵抗が低下すると共に抵抗
変化率の最大値が増加し、ＴＭＲ素子の特性が向上する
ことが分かる。しかし、トンネルバリア層の厚さが０．
６ｎｍ以下となると、抵抗変化率の最大値が極端に小さ
くなり、ＴＭＲ素子の特性が著しく劣化する。これは、
トンネルバリア層となるＡｌ層が薄くなりすぎると、Ａ
ｌ層が連続構造を取り損ね、トンネルバリア層をトンネ
ル電流以外のリーク電流が流れるようになるためであ
る。以下、連続構造を取ることのできるＡｌ層の最小の
膜厚を臨界膜厚と言う。図１６に示した実験結果では、
臨界膜厚は０．７ｎｍである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところで、４０ギガビ
ット／（インチ）2以上の記録密度に対応するために
は、ＴＭＲ素子のサイズを、０．４μｍ×０．４μｍ程
度か、それ以下にまで縮小する必要が生じることが予想
される。図１６に示した実験結果では、トンネルバリア
層の厚さが０．７ｎｍのとき、１μｍ×１μｍのサイズ
のＴＭＲ素子の抵抗は４５.２Ωである。従って、臨界
膜厚が０．７ｎｍ程度の場合には、ＴＭＲ素子のサイズ
を０．４μｍ×０．４μｍ程度か、それ以下にまで縮小
すると、ＴＭＲ素子の抵抗は１００Ω以上になってしま
う。これは、ＴＭＲ素子の低抵抗化という観点からは甚
だ不十分である。
【００１３】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、特性を劣化させることなく、トンネ
ルバリア層の厚さを小さくできるようにしたトンネル磁
気抵抗効果素子の製造方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法
およびメモリ素子の製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明のトンネル磁気抵
抗効果素子の製造方法は、トンネルバリア層と、トンネ
ルバリア層を挟むように配置された第１および第２の磁
性層とを備えたトンネル磁気抵抗効果素子を製造する方
法であって、基板に対して第１の磁性層を形成する工程
と、第１の磁性層の上にトンネルバリア層を形成する工
程と、トンネルバリア層の上に第２の磁性層を形成する
工程とを含み、トンネルバリア層を形成する工程は、基
板を冷却しながら、もしくは基板が冷却された状態で、
第１の磁性層の上にトンネルバリア層の形成のために用
いられる材料よりなる層を形成する工程を含むものであ
る。
【００１５】本発明の薄膜磁気ヘッドの製造方法は、ト
ンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むように配置
された第１および第２の磁性層とを備えたトンネル磁気
抵抗効果素子を含む薄膜磁気ヘッドを製造する方法であ
って、上記各工程を含むものである。
【００１６】本発明のメモリ素子の製造方法は、トンネ
ルバリア層と、トンネルバリア層を挟むように配置され
た第１および第２の磁性層とを備えたトンネル磁気抵抗
効果素子を含むメモリ素子を製造する方法であって、上
記各工程を含むものである。
【００１７】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法またはメモリ素子の製
造方法では、基板を冷却しながら、もしくは基板が冷却
された状態で、第１の磁性層の上にトンネルバリア層の
形成のために用いられる材料よりなる層を形成すること
により、形成される層が連続構造を取りやすくなり、ト
ンネルバリア層の厚さをより小さくすることが可能にな
る。
【００１８】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法またはメモリ素子の製
造方法において、トンネルバリア層を形成する工程は、
基板を冷却しながら、もしくは基板が冷却された状態
で、第１の磁性層の上にトンネルバリア層の形成のため
に用いられる材料としての非磁性金属材料よりなる層を
形成する工程と、非磁性金属材料よりなる層を酸化させ
てトンネルバリア層とする工程とを含んでいてもよい。
【００１９】また、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子
の製造方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法またはメモリ素
子の製造方法では、第１の磁性層を形成する工程、トン
ネルバリア層を形成する工程および第２の磁性層を形成
する工程のうち、トンネルバリア層を形成する工程にお
いてのみ基板が冷却されるようにしてもよい。
【００２０】また、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子
の製造方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法またはメモリ素
子の製造方法において、第１の磁性層を形成する工程
は、トンネルバリア層の下地となる面の平坦化処理を含
んでいてもよい。
【００２１】また、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子
の製造方法、薄膜磁気ヘッドの製造方法またはメモリ素
子の製造方法において、第１の磁性層の上にトンネルバ
リア層の形成のために用いられる材料よりなる層を形成
する工程は、他の層を形成する工程に比べて成膜速度を
小さくしてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。 ［第１の実施の形態］始めに、図１および図２を参照し
て、本発明の第１の実施の形態に係るトンネル磁気抵抗
効果素子の製造方法および薄膜磁気ヘッドの製造方法が
適用されるトンネル磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘ
ッドの構成の一例について説明する。図１は、本例にお
ける薄膜磁気ヘッドの構成を示す断面図である。図２
は、図１に示した薄膜磁気ヘッドの平面図である。な
お、図１は、記録媒体に対向する媒体対向面に平行な断
面を示している。また、図２は、媒体対向面を形成する
前の状態を示している。本例における薄膜磁気ヘッドで
は、図２に示した状態から、図２における下側より一点
鎖線で示す（Ａ）または（Ｂ）の位置まで研磨されて、
媒体対向面が形成される。
【００２３】本例における薄膜磁気ヘッドは、記録媒体
に磁気的に記録された情報を再生する再生ヘッドとして
機能する。この薄膜磁気ヘッドは、基板１０の上に形成
された下部電極兼下部シールド層（以下、下部シールド
層と言う。）１と、この下部シールド層１の上に形成さ
れた下部ギャップ層２と、この下部ギャップ層２の上に
形成された、本例におけるトンネル磁気抵抗効果素子
（以下、ＴＭＲ素子と言う。）３と、このＴＭＲ素子３
の上に形成された上部電極兼上部シールド層（以下、上
部シールド層と言う。）５とを備えている。下部ギャッ
プ層２は、非磁性且つ導電性の材料により形成される。
下部ギャップ層２は、下部シールド層１側への磁気のリ
ークの防止、下部シールド層１と上部シールド層５との
間の距離の調整、ＴＭＲ素子３の位置の調整、トンネル
電流が不均一になることの防止といった機能を有する。
【００２４】ＴＭＲ素子３は、下部ギャップ層２の上に
形成された第１の磁性層としてのフリー層１１と、この
フリー層１１の上に形成されたトンネルバリア層１２
と、このトンネルバリア層１２の上に形成された第２の
磁性層としてのピンド（pinned）層１３とを有してい
る。本例では、トンネルバリア層１２とピンド層１３
は、フリー層１１よりも狭い範囲に配置されている。フ
リー層１１は、強磁性体を含み、その磁化の方向は外部
磁界に応じて変化するようになっている。トンネルバリ
ア層１２は、薄い非磁性絶縁膜よりなり、トンネル効果
によりスピンを保存しながら電子が通過できる、すなわ
ちトンネル電流が流れることのできる層である。ピンド
層１３は、強磁性体を含み、その磁化の方向は外部磁界
にかかわらず一定となるようにピン止めされている。
【００２５】本例における薄膜磁気ヘッドは、更に、下
部ギャップ層２の上においてＴＭＲ素子３の両側に配置
された一対のハードマグネット層６と、下部シールド層
１、下部ギャップ層２、ハードマグネット層６およびフ
リー層１１を覆うように形成された絶縁層７とを備えて
いる。ハードマグネット層６は、ＴＭＲ素子３に対して
図１における水平方向にバイアス磁界を印加するための
ものである。
【００２６】ＴＭＲ素子３におけるピンド層１３および
トンネルバリア層１２は、エッチングによって形成され
た側壁部１４を有している。ＴＭＲ素子３は、更に、エ
ッチングされて側壁部１４に再付着した物質が酸化もし
くは窒化されてなる再付着層１５を備えている。
【００２７】下部シールド層１および上部シールド層５
は、それぞれ例えばＮｉＦｅ（パーマロイ）、センダス
ト、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＮｉを含む１以上の層から
なる。また、下部シールド層１および上部シールド層５
の厚さは、それぞれ例えば０．５〜４μｍ、好ましくは
１〜３μｍとする。
【００２８】下部ギャップ層２は、例えばＣｕ、Ａｌ、
Ａｕ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔ
ｉ、ＷまたはＺｎを含む１以上の層からなる。下部ギャ
ップ層２の厚さは、例えば５〜７０ｎｍ、好ましくは１
０〜５０ｎｍ、より好ましくは１０〜３０ｎｍとする。
【００２９】フリー層１１は、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂまたはＣｏＦｅ
Ｎｉを含む１以上の層からなる。フリー層１１の厚さ
は、例えば２〜５０ｎｍ、好ましくは４〜３０ｎｍとす
る。
【００３０】トンネルバリア層１２は、例えばＡｌ
2Ｏ3、ＮｉＯ、ＧｄＯ、ＭｇＯ、Ｔａ2Ｏ5、ＭｏＯ2、
ＴｉＯ2またはＷＯ2からなる。トンネルバリア層１２の
厚さは、例えば０．５〜２ｎｍとする。
【００３１】ピンド層１３は、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂまたはＣｏＦｅ
Ｎｉを含む１以上の層からなる。ピンド層１３の厚さ
は、例えば１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍとす
る。また、ピンド層１３は、磁化をピン止めするためピ
ン止め層を含んでいてもよい。このピン止め層は、Ｐｔ
Ｍｎ等の反強磁性材料よりなり、厚さは例えば６〜３０
ｎｍとする。
【００３２】ハードマグネット層６はＣｏＰｔ等の高保
磁力材料よりなる。絶縁層７はＡｌ 2Ｏ3等の絶縁材料よ
りなる。
【００３３】再付着層１５は、ピンド層１３およびトン
ネルバリア層１２のエッチングによって生成され、側壁
部１４に再付着した物質が酸化もしくは窒化されてなる
ものである。従って、再付着層１５は、主に、ピンド層
１３を構成する材料が酸化もしくは窒化されたものから
なる。
【００３４】次に、図３ないし図８を参照して、図１に
示した薄膜磁気ヘッドの製造方法について説明する。こ
の製造方法では、まず、図３に示したように、基板１０
の上に、例えばめっき法によって、下部シールド層１を
形成する。次に、下部シールド層１の上に、例えばスパ
ッタリングによって、下部ギャップ層２、フリー層１
１、トンネルバリア層１２およびピンド層１３を順に形
成する。
【００３５】次に、図４に示したように、例えばイオン
ミリングによって、フリー層１１、トンネルバリア層１
２およびピンド層１３を選択的にエッチングして、これ
らを所定の形状にパターンニングする。なお、フリー層
１１、トンネルバリア層１２およびピンド層１３は、リ
フトオフ法によって、所定の形状になるように形成して
もよい。
【００３６】次に、図５に示したように、例えばイオン
ミリングによって、トンネルバリア層１２およびピンド
層１３を選択的にエッチングし、フリー層１１における
端部近傍の部分を露出させる。次に、例えばスパッタリ
ングによって、露出したフリー層１１の上から下部ギャ
ップ層２の上にかけて一対のハードマグネット層６を形
成する。
【００３７】次に、図６に示したように、ピンド層１３
の上に、上面の面積がピンド層１３の上面よりも小さな
レジストマスク２０を形成する。次に、このレジストマ
スク２０を用いて、例えばイオンミリングによって、ピ
ンド層１３およびトンネルバリア層１２を選択的にエッ
チングする。このエッチングにより、フリー層１１、ト
ンネルバリア層１２およびピンド層１３よりなるＴＭＲ
素子３が所定の形状に形成されると共に、ピンド層１３
およびトンネルバリア層１２に側壁部１４が形成され
る。また、エッチングによって生成された物質が側壁部
１４に再付着して、再付着層１５ａが形成される。この
再付着層１５ａは、主にピンド層１３を構成する材料、
例えばＣｏやＣｏＦｅ等からなり、導電性を有してい
る。
【００３８】次に、図７に示したように、再付着層１５
ａの抵抗値を増加させる処理として、再付着層１５ａの
酸化処理もしくは窒化処理を行う。この処理により、再
付着層１５ａは、高抵抗の再付着層１５となる。
【００３９】次に、図８に示したように、例えばスパッ
タリングによって、下部シールド層１、下部ギャップ層
２、ハードマグネット層６、フリー層１１および側壁部
１４を覆うように絶縁層７を形成する。次に、レジスト
マスク２０を取り除く。
【００４０】最後に、図１に示したように、例えばめっ
き法によって、ピンド層１３および絶縁層７の上に上部
シールド層５を形成して薄膜磁気ヘッドが完成する。
【００４１】次に、図９を参照して、本発明の第１の実
施の形態に係るＴＭＲ素子および薄膜磁気ヘッドの構成
の他の例について説明する。図９は、本例における薄膜
磁気ヘッドの構成を示す断面図である。
【００４２】本例における薄膜磁気ヘッドは、基板１０
の上に形成された下部シールド層１と、この下部シール
ド層１の上に形成された下部ギャップ層２と、この下部
ギャップ層２の上に形成された、本例におけるＴＭＲ素
子３と、このＴＭＲ素子３の上に形成された上部ギャッ
プ層４と、この上部ギャップ層４の上に形成された上部
シールド層５とを備えている。上部ギャップ層４は、非
磁性且つ導電性の材料により形成される。下部ギャップ
層４は、上部シールド層５側への磁気のリークの防止、
下部シールド層１と上部シールド層５との間の距離の調
整、ＴＭＲ素子３の位置の調整、トンネル電流が不均一
になることの防止といった機能を有する。
【００４３】ＴＭＲ素子３は、下部ギャップ層２の上に
形成された、第１の磁性層としてのフリー層１１と、こ
のフリー層１１の上に形成されたトンネルバリア層１２
と、このトンネルバリア層１２の上に形成された第２の
磁性層としてのピンド層１３とを有している。本例で
は、フリー層１１、トンネルバリア層１２およびピンド
層１３の平面的な形状はほぼ等しくなっている。
【００４４】本例における薄膜磁気ヘッドは、更に、下
部ギャップ層２の上においてＴＭＲ素子３の両側に配置
された一対のハードマグネット層６と、下部シールド層
１、下部ギャップ層２およびハードマグネット層６を覆
うように形成された絶縁層７とを備えている。
【００４５】ＴＭＲ素子３におけるピンド層１３、トン
ネルバリア層１２およびフリー層１１は、エッチングに
よって形成された側壁部１４を有している。ＴＭＲ素子
３は、更に、エッチングされて側壁部１４に再付着した
物質が酸化されてなる再付着層１５と、側壁部１４およ
び再付着層１５を覆うように形成された絶縁層１６とを
備えている。
【００４６】上部ギャップ層４は、例えばＣｕ、Ａｌ、
Ａｕ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔ
ｉ、ＷまたはＺｎを含む１以上の層からなる。上部ギャ
ップ層４の厚さは、例えば５〜７０ｎｍ、好ましくは１
０〜５０ｎｍ、より好ましくは１０〜３０ｎｍとする。
絶縁層１６はＡｌ2Ｏ3等の絶縁材料よりなる。
【００４７】図９に示した薄膜磁気ヘッドにおけるその
他の構成は、図１に示した薄膜磁気ヘッドと同様であ
る。
【００４８】次に、図１０ないし図１４を参照して、図
９に示した薄膜磁気ヘッドの製造方法について説明す
る。この製造方法では、まず、図１０に示したように、
基板１０の上に、例えばめっき法によって、下部シール
ド層１を形成する。次に、下部シールド層１の上に、例
えばスパッタリングによって、下部ギャップ層２、フリ
ー層１１、トンネルバリア層１２およびピンド層１３を
順に形成する。なお、フリー層１１、トンネルバリア層
１２およびピンド層１３は、リフトオフ法によって、所
定の形状になるように形成してもよい。
【００４９】次に、図１１に示したように、ピンド層１
３の上に、所定の形状のレジストマスク２１を形成す
る。次に、このレジストマスク２１を用いて、例えばイ
オンミリングによって、ピンド層１３、トンネルバリア
層１２およびフリー層１１を選択的にエッチングする。
このとき、下部ギャップ層２も多少エッチングされる。
このエッチングにより、フリー層１１、トンネルバリア
層１２およびピンド層１３よりなるＴＭＲ素子３が所定
の形状に形成されると共に、ピンド層１３、トンネルバ
リア層１２およびフリー層１１に側壁部１４が形成され
る。また、エッチングによって生成された物質が側壁部
１４に再付着して、再付着層１５ａが形成される。この
再付着層１５ａは、主に下部ギャップ層２を構成する材
料、例えばＴａ、Ａｌ、Ｒｈ等からなり、導電性を有し
ている。
【００５０】次に、図１２に示したように、再付着層１
５ａの抵抗値を増加させる処理として、再付着層１５ａ
の酸化処理もしくは窒化処理を行う。この処理により、
再付着層１５ａは、高抵抗の再付着層１５となる。
【００５１】次に、図１３に示したように、例えばスパ
ッタリングによって、側壁部１４および再付着層１５を
覆うように、薄い絶縁層１６を形成する。
【００５２】次に、図１４に示したように、例えばスパ
ッタリングによって、下部ギャップ層２の上にハードマ
グネット層６を形成する。次に、例えばスパッタリング
によって、下部シールド層１、下部ギャップ層２および
ハードマグネット層６を覆うように絶縁層７を形成す
る。次に、レジストマスク２１を取り除く。
【００５３】次に、図９に示したように、例えばスパッ
タリングによって、ピンド層１３および絶縁層７の上に
上部ギャップ層４を形成する。最後に、例えばめっき法
によって、上部ギャップ層４の上に上部シールド層５を
形成して薄膜磁気ヘッドが完成する。なお、図９に示し
た構造では、フリー層１１とピンド層１３の配置が逆で
もよい。
【００５４】以下、本実施の形態に係るＴＭＲ素子の製
造方法および薄膜磁気ヘッドの製造方法の特徴部分につ
いて説明する。本実施の形態において、フリー層１１の
上にトンネルバリア層１２を形成する工程は、基板１０
を冷却しながら、もしくは基板１０が冷却された状態
で、フリー層１１の上に、トンネルバリア層１２の形成
のために用いられる材料としての非磁性金属材料よりな
る層を、例えばスパッタリングによって形成する工程
と、非磁性金属材料よりなる層を酸化させてトンネルバ
リア層１２とする工程とを含む。上記非磁性金属材料
は、例えばアルミニウム（Ａｌ）である。
【００５５】また、本実施の形態では、第１の磁性層
（例えばフリー層１１）を形成する工程、トンネルバリ
ア層１２を形成する工程および第２の磁性層（例えばピ
ンド層１３）を形成する工程のうち、トンネルバリア層
１２を形成する工程においてのみ基板１０が冷却される
のが好ましい。
【００５６】また、本実施の形態において、第１の磁性
層を形成する工程は、トンネルバリア層１２の下地とな
る面の平坦化処理を含むことが好ましい。
【００５７】また、本実施の形態において、第１の磁性
層の上にトンネルバリア層１２の形成のために用いられ
る材料よりなる層を形成する工程は、他の層を形成する
工程に比べて成膜速度を小さくするのが好ましい。
【００５８】ここで、図１５を参照して、基板１０を冷
却しながら、もしくは基板１０が冷却された状態で、第
１の磁性層（例えばフリー層１１）の上にトンネルバリ
ア層１２の形成のために用いられる材料よりなる層を形
成する方法の一例について説明する。なお、以下の説明
では、基板１０と、この基板１０に対して形成された各
層とを含めて、基板１０Ａと言う。図１５に示した例で
は、スパッタリング装置の真空槽内において、基板１０
Ａは、第１の磁性層が、トンネルバリア層１２の形成の
ために用いられる非磁性金属材料よりなるターゲット５
１に対向するように配置される。また、図１５に示した
例では、真空槽内において、基板１０Ａの裏面、すなわ
ち基板１０において各層が形成されていない面に接触す
るように、熱交換板５２が設けられている。熱交換板５
２には、冷却用の流体の通路が形成されている。熱交換
板５２は、この通路を流れる冷却用の流体によって、熱
交換板５２に接触する基板１０Ａを所定の温度に保つよ
うになっている。このような構成により、熱交換板５２
によって基板１０Ａを冷却しながら、もしくは基板１０
が冷却された状態で、スパッタリングによって、第１の
磁性層の上に非磁性金属材料よりなる層を形成すること
ができる。
【００５９】次に、第１の磁性層の上に非磁性金属材料
としてのＡｌよりなる層を形成する際の基板１０の温度
と、連続構造を取ることのできるＡｌ層の最小の膜厚で
ある臨界膜厚との関係を調べるために行った２つの実験
の結果について説明する。
【００６０】始めに、図１６ないし図１８を参照して、
第１の実験について説明する。第１の実験は、以下のよ
うな条件で行った。この実験で用いた素子は、厚さ５ｎ
ｍのＴａ層、厚さ５０ｎｍのＣｕ層および厚さ５ｎｍの
Ｔａ層の３層構造よりなる下部電極層の上に、厚さ３ｎ
ｍのＮｉＦｅ層および厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層の２層構
造よりなるフリー層、トンネルバリア層、厚さ３ｎｍの
ＣｏＦｅ層および厚さ１７ｎｍのＰｔＭｎ層の２層構造
よりなるピンド層、厚さ５０ｎｍのＣｕ層および厚さ５
ｎｍのＴａ層の２層構造よりなる上部電極層を順に積層
した構造になっている。トンネルバリア層は、所定の厚
さのＡｌ層を形成した後、２００Torr（２６６６４．４
Ｐａ）の酸素雰囲気中で１時間、Ａｌ層の自然酸化処理
を行うことによって形成した。Ａｌ層の成膜速度は、
０．０３ｎｍ／ｓとした。また、フリー層、トンネルバ
リア層およびピンド層よりなるＴＭＲ素子のサイズは、
１μｍ×１μｍとした。また、Ａｌ層の成膜の直前にお
いて、Ａｌ層の下地となるＣｏＦｅ層の表面の平坦性を
表す中心線平均粗さＲａは０．２３ｎｍとした。
【００６１】図１６は、上記の条件の下で、基板１０の
温度を制御せずに、２４°Ｃ程度の真空槽内においてＡ
ｌ層を成膜した場合におけるトンネルバリア層の厚さと
ＴＭＲ素子の抵抗および抵抗変化率の最大値（図では単
に抵抗変化率と記す。）の関係を調べた実験結果を示し
たものである。なお、基板１０の温度を制御しない場合
には、スパッタリング中に受けるエネルギにより、Ａｌ
層の成膜時の基板１０の温度は４０〜５０°Ｃ程度とな
っていると推測される。
【００６２】図１６に示した実験結果では、トンネルバ
リア層（Ａｌ層）の厚さが０．６ｎｍ以下となると、抵
抗変化率の最大値が極端に小さくなり、ＴＭＲ素子の特
性が著しく劣化している。図１６に示した実験結果で
は、臨界膜厚は０．７ｎｍである。
【００６３】図１７は、前述の条件の下で、熱交換板５
２に２４°Ｃ程度の冷却水を通すことによって基板１０
の温度を２４°Ｃに保ってＡｌ層を成膜した場合におけ
るトンネルバリア層の厚さとＴＭＲ素子の抵抗および抵
抗変化率の最大値の関係を調べた実験結果を示したもの
である。図１７に示した実験結果では、図１６に示した
実験結果と比較して、ＴＭＲ素子の抵抗が低下し、抵抗
変化率が増加しており、ＴＭＲ素子の特性が向上してい
る。ただし、図１７に示した実験結果では、臨界膜厚は
０．６ｎｍとなっている。
【００６４】図１８は、前述の条件の下で、熱交換板５
２に−１９６°Ｃ（７７Ｋ）程度の液体窒素を通すこと
によって基板１０の温度を−１９６°Ｃに保ってＡｌ層
を成膜した場合におけるトンネルバリア層の厚さとＴＭ
Ｒ素子の抵抗および抵抗変化率の最大値の関係を調べた
実験結果を示したものである。図１８に示した実験結果
では、図１６に示した実験結果と比較して、ＴＭＲ素子
の抵抗が低下し、抵抗変化率が増加しており、ＴＭＲ素
子の特性が向上している。また、図１８に示した実験結
果では、臨界膜厚は０．５ｎｍとなっている。
【００６５】次に、図１９ないし図２１を参照して、第
２の実験について説明する。第２の実験では、Ａｌ層の
成膜の直前において、Ａｌ層の下地となるＣｏＦｅ層の
表面の中心線平均粗さＲａを１．６５ｎｍとした。その
他の条件は、第１の実験と同様である。
【００６６】図１９は、上記の条件の下で、基板１０の
温度を制御せずに、２４°Ｃ程度の真空槽内においてＡ
ｌ層を成膜した場合におけるトンネルバリア層の厚さと
ＴＭＲ素子の抵抗および抵抗変化率の最大値の関係を調
べた実験結果を示したものである。なお、基板１０の温
度を制御しない場合には、スパッタリング中に受けるエ
ネルギにより、Ａｌ層の成膜時の基板１０の温度は４０
〜５０°Ｃ程度となっていると推測される。
【００６７】図１９に示した実験結果では、トンネルバ
リア層（Ａｌ層）の厚さが０．８ｎｍ以下となると、抵
抗変化率の最大値が極端に小さくなり、ＴＭＲ素子の特
性が著しく劣化している。図１９に示した実験結果で
は、臨界膜厚は０．９ｎｍである。
【００６８】図２０は、前述の条件の下で、熱交換板５
２に２４°Ｃ程度の冷却水を通すことによって基板１０
の温度を２４°Ｃに保ってＡｌ層を成膜した場合におけ
るトンネルバリア層の厚さとＴＭＲ素子の抵抗および抵
抗変化率の最大値の関係を調べた実験結果を示したもの
である。図２０に示した実験結果では、図１９に示した
実験結果と比較して、ＴＭＲ素子の抵抗が低下し、抵抗
変化率が増加しており、ＴＭＲ素子の特性が向上してい
る。また、図２０に示した実験結果では、臨界膜厚は
０．８ｎｍとなっている。
【００６９】図２１は、前述の条件の下で、熱交換板５
２に−１９６°Ｃ（７７Ｋ）程度の液体窒素を通すこと
によって基板１０の温度を−１９６°Ｃに保ってＡｌ層
を成膜した場合におけるトンネルバリア層の厚さとＴＭ
Ｒ素子の抵抗および抵抗変化率の最大値の関係を調べた
実験結果を示したものである。図２１に示した実験結果
では、図１９に示した実験結果と比較して、抵抗変化率
が増加しており、ＴＭＲ素子の特性が向上している。ま
た、図２１に示した実験結果では、臨界膜厚は０．６ｎ
ｍとなっている。
【００７０】以上の第１および第２の実験の結果より、
フリー層１１の上に、トンネルバリア層１２の形成のた
めに用いられる非磁性金属材料よりなる層を形成する際
に、基板１０を冷却することにより、臨界膜厚を小さく
することができることが分かる。基板１０の冷却温度
は、容易に得ることのできる−１９６°Ｃ以上２４°Ｃ
以下が好ましい。
【００７１】また、第１および第２の実験の結果より、
トンネルバリア層１２の下地となる層の表面の平坦性が
高い方が、臨界膜厚を小さくすることができることが分
かる。そのため、本実施の形態では、トンネルバリア層
１２の下地となる層の表面の平坦化処理を行うことが好
ましい。
【００７２】ここで、トンネルバリア層１２の下地とな
る層の表面の平坦化処理の方法の一例として、ガスクラ
スターイオンビーム法について説明する。ガスクラスタ
ーイオンビーム法とは、１〜５ｋｇ程度に加圧したガス
を１０-4〜１０-1Torr（１３３．３２２×１０-4〜１３
３．３２２×１０-1Ｐａ）程度に減圧したチャンバに吹
き出させることにより、断熱膨張によって生じる１０3
〜１０6個のガスクラスターをイオン化し、これを加速
電極によって所定の電圧にて加速し、所定のガスクラス
ターの数量（（ドース量）１０5〜１０8）を処理すべき
基板上に入射させる方法である。このガスクラスターイ
オンビーム法によれば、クラスターと基板上の凹凸との
衝突によって凸部分のみが削られて、結果的に平坦化処
理が行われる。
【００７３】ガスクラスターイオンビーム法で用いられ
るガスとしては、アルゴン、キセノン、クリプトン、ネ
オン、水素、ヘリウムや、これらの混合ガス等が挙げら
れる。これらのうち、経済性という観点からは、アルゴ
ン、クリプトン、キセノンを用いるのが好ましい。
【００７４】また、ガスクラスターイオンビーム法にお
ける操作条件として、クラスターを、平坦化処理の対象
となる面に衝突させるための推進力となる加速電圧は、
１０〜２０ｋｅＶ、特に１２〜１８ｋｅＶが好ましい。
また、クラスターの総照射量（ドース量）は、１０15〜
１０17、特に１０15〜１０16が好ましい。
【００７５】次に、図２２ないし図２４を参照して、ト
ンネルバリア層１２の形成の条件等とＴＭＲ素子の特性
との関係を調べるために行った実験の結果について説明
する。この実験では、図２２および図２３に示したよう
な構造の試作ヘッドを用いた。図２２は試作ヘッドの要
部を示す平面図、図２３は試作ヘッドの媒体対向面に平
行な断面を示す断面図である。この試作ヘッドは、アル
ティック（Ａｌ2Ｏ3・ＴｉＣ）よりなる基板６０と、こ
の基板６０の上に形成されたＡｌ2Ｏ3よりなる絶縁層６
１と、この絶縁層６１の上に形成された下部シールド層
１と、この下部シールド層１の上に形成された下部ギャ
ップ層２と、この下部ギャップ層２の上に形成された、
ＴＭＲ素子３と、このＴＭＲ素子３の上に形成された上
部シールド層５と、下部ギャップ層２の上においてＴＭ
Ｒ素子３の両側に配置された一対のハードマグネット層
６と、絶縁層６１の上に形成された各層を覆うように形
成された絶縁層６２とを備えている。
【００７６】ＴＭＲ素子３は、下部ギャップ層２の上に
形成されたフリー層１１と、このフリー層１１の上に形
成されたトンネルバリア層１２と、このトンネルバリア
層１２の上に形成されたピンド層１３とを有している。
【００７７】試作ヘッドでは、トンネルバリア層１２と
ピンド層１３は、フリー層１１よりも狭い範囲に配置さ
れている。また、トンネルバリア層１２とピンド層１３
は媒体対向面から離れた位置に配置され、フリー層１１
のみが媒体対向面まで延びるように配置されている。以
下、フリー層１１のうち、トンネルバリア層１２および
ピンド層１３が配置された位置から媒体対向面まで延び
る部分をフロントプローブ１１ａと言う。
【００７８】試作ヘッドにおいて、フリー層１１の幅Ｂ
ＬＷは４μｍ、フリー層１１のうちのフロントプローブ
１１ａを除いた部分における媒体対向面に直交する方向
の長さＢＬＨは１．５μｍである。ＴＭＲ素子３のうち
のフリー層１１、トンネルバリア層１２およびピンド層
１３が重なる部分の幅ＴＷは１μｍ、この部分における
媒体対向面に直交する方向の長さＴＨは１μｍである。
トラック幅、すなわちフロントプローブ１１ａの幅ＦＰ
Ｗは１．２μｍ、フロントプローブ１１ａにおける媒体
対向面に直交する方向の長さＦＰＨは０．１５μｍであ
る。一対のハードマグネット層６の間の距離ＰＭＤは
１．７μｍである。リードギャップ幅、すなわち下部シ
ールド層１と上部シールド層５との間隔Ｇは０．２μｍ
である。下部シールド層１は厚さ２μｍのＮｉＦｅのめ
っき層であり、上部シールド層５は厚さ３．５μｍのＮ
ｉＦｅのめっき層である。
【００７９】また、試作ヘッドにおいて、ＴＭＲ素子３
のフリー層１１は、厚さ３ｎｍのＮｉＦｅ層および厚さ
３ｎｍのＣｏＦｅ層の２層構造であり、ピンド層１３
は、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層および厚さ１７ｎｍのＰｔ
Ｍｎ層の２層構造である。
【００８０】図２４は、上記の試作ヘッドを用い、トン
ネルバリア層１２の形成の条件等とＴＭＲ素子の特性と
の関係を調べた実験の結果を示すものである。図２４に
おいて、「基板温度」の項目のうちの「絶縁層」の項目
は、トンネルバリア層１２の形成のために用いられるＡ
ｌ層の成膜時における基板の温度を示す。「基板温度」
の項目のうちの「絶縁層以外の層」の項目は、トンネル
バリア層１２以外の層の形成時における基板の温度を示
す。「絶縁層の成膜速度」の項目は、スパッタリングに
よるＡｌ層の成膜速度を示す。「下地粗さ」の項目は、
Ａｌ層の下地となる下部ギャップ層２の表面の中心線平
均粗さＲａを示す。「臨界膜厚」の項目は、連続構造を
取ることのできるＡｌ層の最小の膜厚を示す。
【００８１】また、図２４は、ＴＭＲ素子の特性を示す
項目として、「臨界膜厚時のＴＭＲ素子抵抗」、「臨界
膜厚時の抵抗変化率」、「出力」および「ノイズ」の各
項目を含んでいる。ここで、「出力」は、３ギガビット
／（インチ）2用の試作ヘッドにおける±４０Ｏｅ（±
４０×（１０００／４π）Ａ／ｍ）の外部磁界に対する
出力値を示す。なお、試作ヘッドでは、外部磁界がゼロ
のときに印加電圧が１５０ｍＶとなるようにセンス電流
を設定した。また、「ノイズ」は、１１０ＭＨｚの帯域
で評価したノイズを示す。
【００８２】図２４に示した実験の結果から、以下のこ
とが分かる。 （１）Ａｌ層の成膜時における基板の温度が低いほど、
臨界膜厚を小さくすることができる。 （２）Ａｌ層の成膜速度が遅い方が、臨界膜厚を小さく
することができる。なお、図２４に示した実験では、Ａ
ｌ層以外の、スパッタリングによって形成する層の成膜
速度を０．３ｎｍ／ｓとした。従って、トンネルバリア
層１２の形成のために用いられる材料よりなる層である
Ａｌ層を形成する工程における成膜速度を、他の層を形
成する工程に比べて小さくすることで、臨界膜厚を小さ
くすることができる。 （３）Ａｌ層の下地となる層の表面の粗さが小さい方
が、臨界膜厚を小さくすることができる。 （４）Ａｌ層の成膜時とトンネルバリア層１２以外の層
の形成時のうち、Ａｌ層の成膜時においてのみ基板を冷
却する方がヘッドの出力が大きくなる。
【００８３】臨界膜厚が小さいことの第１の利点は、Ｔ
ＭＲ素子抵抗を小さくすることができ、その結果ノイズ
を小さくすることができることである。臨界膜厚が小さ
いことの第２の利点は、トンネル電流確率が増大するた
め、ＴＭＲ素子の抵抗変化率が増大し、その結果、ヘッ
ドの出力を大きくすることができることである。
【００８４】以下、Ａｌ層の成膜時においてのみ基板を
冷却する方がヘッドの出力が大きくなることの理由につ
いて定性的に説明する。ここでは、２種類のＴＭＲ素子
を考える。いずれのＴＭＲ素子においても、下部磁性
層、トンネルバリア層（Ａｌ層）および上部磁性層が、
この順に形成されるものとする。
【００８５】第１のＴＭＲ素子は、下部磁性層が反強磁
性体を含むものである。この第１のＴＭＲ素子では、下
部磁性層は、例えば厚さ３０ｎｍのＰｔＭｎ層および厚
さ３ｎｍのＣｏＦｅ層の２層構造であり、上部磁性層
は、例えば厚さ３ｎｍのＮｉＦｅ層および厚さ２ｎｍの
ＣｏＦｅ層の２層構造である。
【００８６】第２のＴＭＲ素子は、上部磁性層が反強磁
性体を含むものである。この第２のＴＭＲ素子では、下
部磁性層は、例えば厚さ３ｎｍのＮｉＦｅ層および厚さ
２ｎｍのＣｏＦｅ層の２層構造であり、上部磁性層は、
例えば厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層および厚さ３０ｎｍのＰ
ｔＭｎ層の２層構造である。
【００８７】まず、第１のＴＭＲ素子において、下部磁
性層の形成時および上部磁性層の形成時に、基板の温度
が１００°Ｃとなるように基板を加熱した場合を考え
る。この場合、下部磁性層では、結晶粒径が増大し、表
面粗さが増大する。その結果、臨界膜厚が増大する。ま
た、上部磁性層でも、結晶粒径が増大し、表面粗さが増
大するが、特に実害があるわけではない。
【００８８】次に、第１のＴＭＲ素子において、下部磁
性層の形成時および上部磁性層の形成時に、基板の温度
が−１９６°Ｃとなるように基板を冷却した場合を考え
る。この場合、下部磁性層では、結晶粒径が減少し、２
層の交換結合特性が劣化する。その結果、ＴＭＲ素子お
よびヘッドの出力が低下する。一方、上部磁性層では、
軟磁気特性が劣化する。その結果、ＴＭＲ素子およびヘ
ッドの出力が低下する。
【００８９】次に、第２のＴＭＲ素子において、下部磁
性層の形成時および上部磁性層の形成時に、基板の温度
が１００°Ｃとなるように基板を加熱した場合を考え
る。この場合、下部磁性層では、結晶粒径が増大し、表
面粗さが増大する。その結果、臨界膜厚が増大する。ま
た、上部磁性層でも、結晶粒径が増大し、表面粗さが増
大するが、特に実害があるわけではない。
【００９０】次に、第２のＴＭＲ素子において、下部磁
性層の形成時および上部磁性層の形成時に、基板の温度
が−１９６°Ｃとなるように基板を冷却した場合を考え
る。この場合、下部磁性層では、軟磁気特性が劣化す
る。その結果、ＴＭＲ素子およびヘッドの出力が低下す
る。一方、上部磁性層では、結晶粒径が減少し、２層の
交換結合特性が劣化する。その結果、ＴＭＲ素子および
ヘッドの出力が低下する。
【００９１】これらの考察から、第１のＴＭＲ素子と第
２のＴＭＲ素子のいずれにおいても、下部磁性層の形成
時および上部磁性層の形成時に基板を冷却するとＴＭＲ
素子およびヘッドの出力が低下することが分かる。従っ
て、Ａｌ層の成膜時においてのみ基板を冷却する方がＴ
ＭＲ素子およびヘッドの出力が大きくなる。
【００９２】以上説明したように本実施の形態によれ
ば、トンネルバリア層１２を形成する工程において、基
板を冷却しながら、もしくは基板が冷却された状態で、
トンネルバリア層１２の形成のために用いられる材料よ
りなる層を形成するようにしたので、特性を劣化させる
ことなく、トンネルバリア層１２の厚さを小さくするこ
とができる。
【００９３】また、第１の磁性層（下部磁性層）を形成
する工程と、トンネルバリア層１２を形成する工程と、
第２の磁性層（上部磁性層）を形成する工程のうち、ト
ンネルバリア層１２を形成する工程においてのみ基板が
冷却されるようにすることにより、ＴＭＲ素子およびこ
れを用いた薄膜磁気ヘッドの出力を大きくすることがで
きる。
【００９４】また、第１の磁性層を形成する工程が、ト
ンネルバリア層１２の下地となる面の平坦化処理を含む
ようにした場合には、トンネルバリア層１２の厚さをよ
り小さくすることができる。
【００９５】また、第１の磁性層の上にトンネルバリア
層１２の形成のために用いられる材料よりなる層を形成
する工程において、他の層を形成する工程に比べて成膜
速度を小さくした場合には、トンネルバリア層１２の厚
さをより小さくすることができる。
【００９６】以上のことから、本実施の形態によれば、
低抵抗で高出力のＴＭＲ素子および薄膜磁気ヘッドを得
ることが可能となる。
【００９７】また、本実施の形態によれば、エッチング
されて側壁部１４に再付着した物質が酸化もしくは窒化
されてなる再付着層１５の抵抗値が大きいため、トンネ
ル磁気抵抗効果に寄与しない余分な電流の経路が形成さ
れることを防止することができる。
【００９８】［第２の実施の形態］次に、本発明の第２
の実施の形態に係るメモリ素子の製造方法について説明
する。図２５は、本実施の形態が適用されるメモリ素子
の構成の一例を示す断面図である。このメモリ素子は、
不揮発性の磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡ
Ｍと記す。）におけるメモリセルを構成するものであ
る。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配置された複数のビッ
ト線３１と複数のワード線３３とを備えている。ＭＲＡ
Ｍのメモリセルすなわち本実施の形態に係るメモリ素子
は、ビット線３１とワード線３３が交差する位置におい
て、ビット線３１とワード線３３の間に配置されたＴＭ
Ｒ素子３を備えている。
【００９９】本実施の形態におけるＴＭＲ素子３は、第
１の実施の形態と同様に、積層されたフリー層１１、ト
ンネルバリア層１２およびピンド層１３を有している。
また、本実施の形態では、フリー層１１がビット線３１
に接触するようにＴＭＲ素子３が配置され、ピンド層１
３とワード線３３との間には絶縁層３２が設けられてい
る。
【０１００】本実施の形態に係るメモリ素子は、半導体
製造技術を用いて、図示しない基板上に、ビット線３
１、ＴＭＲ素子３、絶縁層３２およびワード線３３を順
に積層することによって製造される。ＴＭＲ素子３のト
ンネルバリア層１２は、第１の実施の形態と同様にして
形成される。
【０１０１】次に、本実施の形態に係るメモリ素子の作
用について説明する。このメモリ素子では、ＴＭＲ素子
３のフリー層１１は情報を記憶する記憶層として作用す
る。情報は、ビット線３１に流れる電流とワード線３３
に流れる電流とによって生成される合成磁界によって、
フリー層１１の磁化（スピン）を反転させることによっ
て行われる。情報の再生は、ＴＭＲ素子３のトンネル磁
気抵抗効果を利用して、フリー層１１の磁化（スピン）
の状態の違いを判別することによって行われる。
【０１０２】本実施の形態によれば、ＴＭＲ素子３にお
いて、特性を劣化させることなく、トンネルバリア層１
２の厚さを小さくすることができるので、低抵抗で高出
力のＴＭＲ素子３を得ることができ、その結果、高性能
のメモリ素子およびＭＲＡＭを得ることができる。
【０１０３】本実施の形態におけるその他の構成、作用
および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【０１０４】本発明は、上記各実施の形態に限定され
ず、種々の変更が可能である。例えば、第１の実施の形
態では、再生ヘッドとして機能する薄膜磁気ヘッドを示
したが、本発明は、ＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドと、
書き込み用の誘導型電磁変換素子を有する記録ヘッドと
を積層した構造の複合型薄膜磁気ヘッドにも適用するこ
とができる。
【０１０５】また、第１の実施の形態において示したＴ
ＭＲ素子および薄膜磁気ヘッドの構造や第２の実施の形
態において示したＴＭＲ素子およびメモリ素子の構造は
一例であり、本発明は、他の構造のＴＭＲ素子、薄膜磁
気ヘッドおよびメモリ素子にも適用することができる。
【０１０６】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし４
のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方
法、請求項５ないし８のいずれかに記載の薄膜磁気ヘッ
ドの製造方法、または請求項９ないし１２のいずれかに
記載のメモリ素子の製造方法によれば、基板を冷却しな
がら、もしくは基板が冷却された状態で、第１の磁性層
の上にトンネルバリア層の形成のために用いられる材料
よりなる層を形成するようにしたので、特性を劣化させ
ることなく、トンネルバリア層の厚さを小さくすること
が可能になるという効果を奏する。
【０１０７】更に、本発明によれば、第１の磁性層を形
成する工程、トンネルバリア層を形成する工程および第
２の磁性層を形成する工程のうち、トンネルバリア層を
形成する工程においてのみ基板が冷却されるようにした
ので、トンネル磁気抵抗効果素子の出力を大きくするこ
とができるという効果を奏する。
【０１０８】また、請求項３記載のトンネル磁気抵抗効
果素子の製造方法、請求項７記載の薄膜磁気ヘッドの製
造方法、または請求項１１記載のメモリ素子の製造方法
によれば、第１の磁性層を形成する工程が、トンネルバ
リア層の下地となる面の平坦化処理を含むようにしたの
で、トンネルバリア層の厚さをより小さくすることがで
きるという効果を奏する。
【０１０９】また、請求項４記載のトンネル磁気抵抗効
果素子の製造方法、請求項８記載の薄膜磁気ヘッドの製
造方法、または請求項１２記載のメモリ素子の製造方法
によれば、第１の磁性層の上にトンネルバリア層の形成
のために用いられる材料よりなる層を形成する工程にお
いて、他の層を形成する工程に比べて成膜速度を小さく
したので、トンネルバリア層の厚さをより小さくするこ
とができるという効果を奏する。
【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薄膜磁気ヘッ
ドの構成の一例を示す断面図である。
【図２】図１に示した薄膜磁気ヘッドの平面図である。
【図３】図１に示した薄膜磁気ヘッドの製造方法におけ
る一工程を説明するための断面図である。
【図４】図３に続く工程を説明するための断面図であ
る。
【図５】図４に続く工程を説明するための断面図であ
る。
【図６】図５に続く工程を説明するための断面図であ
る。
【図７】図６に続く工程を説明するための断面図であ
る。
【図８】図７に続く工程を説明するための断面図であ
る。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る薄膜磁気ヘッ
ドの構成の他の例を示す断面図である。
【図１０】図９に示した薄膜磁気ヘッドの製造方法にお
ける一工程を説明するための断面図である。
【図１１】図１０に続く工程を説明するための断面図で
ある。
【図１２】図１１に続く工程を説明するための断面図で
ある。
【図１３】図１２に続く工程を説明するための断面図で
ある。
【図１４】図１３に続く工程を説明するための断面図で
ある。
【図１５】本発明の第１の実施の形態において基板を冷
却しながら、もしくは基板が冷却された状態で、第１の
磁性層の上にトンネルバリア層の形成のために用いられ
る材料よりなる層を形成する方法の一例を示す説明図で
ある。
【図１６】実験によって得られたトンネルバリア層の厚
さとＴＭＲ素子の特性との関係を示す説明図である。
【図１７】実験によって得られたトンネルバリア層の厚
さとＴＭＲ素子の特性との関係を示す説明図である。
【図１８】実験によって得られたトンネルバリア層の厚
さとＴＭＲ素子の特性との関係を示す説明図である。
【図１９】実験によって得られたトンネルバリア層の厚
さとＴＭＲ素子の特性との関係を示す説明図である。
【図２０】実験によって得られたトンネルバリア層の厚
さとＴＭＲ素子の特性との関係を示す説明図である。
【図２１】実験によって得られたトンネルバリア層の厚
さとＴＭＲ素子の特性との関係を示す説明図である。
【図２２】試作ヘッドの要部を示す平面図である。
【図２３】試作ヘッドの媒体対向面に平行な断面を示す
断面図である。
【図２４】試作ヘッドにおけるトンネルバリア層の形成
の条件等とＴＭＲ素子の特性との関係を調べた実験の結
果を示す説明図である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態が適用されるメモ
リ素子の構成の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…下部シールド層、２…下部ギャップ層、３…ＴＭＲ
素子、５…上部シールド層、６…ハードマグネット層、
７…絶縁層、１１…フリー層、１２…トンネルバリア
層、１３…ピンド層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ 43/12 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ (56)参考文献 特開2000−11333（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−190090（ＪＰ，Ａ) 特開2000−285415（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−91925（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−4227（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−120547（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−293483（ＪＰ，Ａ) Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，1995年４月17日，Ｖｏ ｌ．74，Ｎｏ．16，ｐｐ．3273−3276 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅ ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，1996年４月15日, Ｖｏｌ．79，Ｎｏ．８，ｐｐ．4724− 4729 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/30 H01F 10/32 H01L 43/12 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 トンネルバリア層と、前記トンネルバリ
    ア層を挟むように配置された第１および第２の磁性層と
    を備えたトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法であっ
    て、 基板に対して前記第１の磁性層を形成する工程と、 前記第１の磁性層の上に前記トンネルバリア層を形成す
    る工程と、 前記トンネルバリア層の上に前記第２の磁性層を形成す
    る工程とを含み、 前記トンネルバリア層を形成する工程は、前記基板を冷
    却しながら、もしくは基板が冷却された状態で、前記第
    １の磁性層の上に前記トンネルバリア層の形成のために
    用いられる材料よりなる層を形成する工程を含み、 前記第１の磁性層を形成する工程、前記トンネルバリア
    層を形成する工程および前記第２の磁性層を形成する工
    程のうち、前記トンネルバリア層を形成する工程におい
    てのみ前記基板が冷却される ことを特徴とするトンネル
    磁気抵抗効果素子の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記トンネルバリア層を形成する工程
    は、前記基板を冷却しながら、もしくは基板が冷却され
    た状態で、前記第１の磁性層の上に前記トンネルバリア
    層の形成のために用いられる材料としての非磁性金属材
    料よりなる層を形成する工程と、前記非磁性金属材料よ
    りなる層を酸化させて前記トンネルバリア層とする工程
    とを含むことを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気
    抵抗効果素子の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記第１の磁性層を形成する工程は、前
    記トンネルバリア層の下地となる面の平坦化処理を含む
    ことを特徴とする請求項１または２記載のトンネル磁気
    抵抗効果素子の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記第１の磁性層の上に前記トンネルバ
    リア層の形成のために用いられる材料よりなる層を形成
    する工程は、他の層を形成する工程に比べて成膜速度を
    小さくすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
    かに記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。
  5. 【請求項５】 トンネルバリア層と、前記トンネルバリ
    ア層を挟むように配置された第１および第２の磁性層と
    を備えたトンネル磁気抵抗効果素子を含む薄膜磁気ヘッ
    ドの製造方法であって、基板に対して 前記第１の磁性層を形成する工程と、 前記第１の磁性層の上に前記トンネルバリア層を形成す
    る工程と、 前記トンネルバリア層の上に前記第２の磁性層を形成す
    る工程とを含み、 前記トンネルバリア層を形成する工程は、前記基板を冷
    却しながら、もしくは基板が冷却された状態で、前記第
    １の磁性層の上に前記トンネルバリア層の形成のために
    用いられる材料よりなる層を形成する工程を含み、 前記第１の磁性層を形成する工程、前記トンネルバリア
    層を形成する工程および前記第２の磁性層を形成する工
    程のうち、前記トンネルバリア層を形成する工程におい
    てのみ前記基板が冷却される ことを特徴とする薄膜磁気
    ヘッドの製造方法。
  6. 【請求項６】 前記トンネルバリア層を形成する工程
    は、前記基板を冷却しながら、もしくは基板が冷却され
    た状態で、前記第１の磁性層の上に前記トンネルバリア
    層の形成のために用いられる材料としての非磁性金属材
    料よりなる層を形成する工程と、前記非磁性金属材料よ
    りなる層を酸化させて前記トンネルバリア層とする工程
    とを含むことを特徴とする請求項５記載の薄膜磁気ヘッ
    ドの製造方法。
  7. 【請求項７】 前記第１の磁性層を形成する工程は、前
    記トンネルバリア層の下地となる面の平坦化処理を含む
    ことを特徴とする請求項５または６記載の薄膜磁気ヘッ
    ドの製造方法。
  8. 【請求項８】 前記第１の磁性層の上に前記トンネルバ
    リア層の形成のために用いられる材料よりなる層を形成
    する工程は、他の層を形成する工程に比べて成膜速度を
    小さくすることを特徴とする請求項５ないし７のいずれ
    かに記載の薄膜磁気ヘッドの製造方法。
  9. 【請求項９】 トンネルバリア層と、前記トンネルバリ
    ア層を挟むように配置された第１および第２の磁性層と
    を備えたトンネル磁気抵抗効果素子を含むメモリ素子の
    製造方法であって、基板に対して 前記第１の磁性層を形成する工程と、 前記第１の磁性層の上に前記トンネルバリア層を形成す
    る工程と、 前記トンネルバリア層の上に前記第２の磁性層を形成す
    る工程とを含み、 前記トンネルバリア層を形成する工程は、前記基板を冷
    却しながら、もしくは基板が冷却された状態で、前記第
    １の磁性層の上に前記トンネルバリア層の形成のために
    用いられる材料よりなる層を形成する工程を含み、 前記第１の磁性層を形成する工程、前記トンネルバリア
    層を形成する工程および前記第２の磁性層を形成する工
    程のうち、前記トンネルバリア層を形成する工程におい
    てのみ前記基板が冷却される ことを特徴とするメモリ素
    子の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記トンネルバリア層を形成する工程
    は、前記基板を冷却しながら、もしくは基板が冷却され
    た状態で、前記第１の磁性層の上に前記トンネルバリア
    層の形成のために用いられる材料としての非磁性金属材
    料よりなる層を形成する工程と、前記非磁性金属材料よ
    りなる層を酸化させて前記トンネルバリア層とする工程
    とを含むことを特徴とする請求項９記載のメモリ素子の
    製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記第１の磁性層を形成する工程は、
    前記トンネルバリア層の下地となる面の平坦化処理を含
    むことを特徴とする請求項９または１０記載のメモリ素
    子の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記第１の磁性層の上に前記トンネル
    バリア層の形成のために用いられる材料よりなる層を形
    成する工程は、他の層を形成する工程に比べて成膜速度
    を小さくすることを特徴とする請求項９ないし１１のい
    ずれかに記載のメモリ素子の製造方法。
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