JP2008071868A - 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】 特に、絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した構造において、低いＲＡを維持したまま、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来、また、フリー磁性層の保磁力を従来と同様に低い状態に保ち、さらには、層間結合磁界Ｈｉｎを従来より小さくできるトンネル型磁気検出素子及びその製造方法に係る。
【解決手段】 絶縁障壁層５はＴｉ−Ｏで形成される。前記絶縁障壁層５の上に形成されるフリー磁性層８は、下からＣｏＦｅ合金で形成されたエンハンス層６、Ｐｔ層１０及びＮｉＦｅ合金で形成された軟磁性層７の積層構造で形成される。これにより、低いＲＡを維持したまま、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来、また、フリー磁性層８の保磁力を従来と同様に低い状態に保ち、さらには、層間結合磁界Ｈｉｎを従来より小さくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばハードディスク装置に搭載されたり、あるいはＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）として用いられるトンネル型磁気検出素子に係り、特に、絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した構造において、低いＲＡを維持したまま、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来、また、フリー磁性層の保磁力を従来と同様に低い状態に保ち、さらには、層間結合磁界Ｈｉｎを従来より小さくできる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。

ところで、前記絶縁障壁層の材質を変えると、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に代表される特性が変わってしまうため、前記絶縁障壁層の材質ごとに研究を行うことが必要であった。

トンネル型磁気検出素子として重要な特性は、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）、ＲＡ（素子抵抗Ｒ×面積Ａ）、フリー磁性層の保磁力Ｈｃ、フリー磁性層と固定磁性層間に作用する層間結合磁界（Ｈｉｎ）等であり、これら特性の最適化を目指して絶縁障壁層や、前記絶縁障壁層の上下に形成される固定磁性層及びフリー磁性層の材質、膜構成の改良が進められている。
特開２０００−２１５４１４号公報 特開２００２−２０４０１０号公報

従来から前記絶縁障壁層として使用される材質に酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏ）がよく知られている。Ａｌ−Ｏを絶縁障壁層として使用した場合、前記絶縁障壁層の膜厚を厚く形成することでトンネル効果が適切に発揮されて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上を図ることが出来るが同時に、ＲＡが増大するといった問題が発生した。

ＲＡの増大は、高速データ転送を適切に行えなくなり、高記録密度化に適切に対応できない等の問題をもたらすために前記ＲＡは出来る限り小さくしなければならなかった。

ＲＡを小さくするには、例えば前記絶縁障壁層の膜厚を薄くすればよいが、Ａｌ−Ｏで絶縁障壁層を形成した場合、絶縁障壁層の膜厚を薄くすると、急激に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下することがわかった。

一方、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）を絶縁障壁層として使用した場合、薄い膜厚で形成してもＡｌ−Ｏに比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低下を抑制でき、よって低いＲＡ領域で、絶縁障壁層をＡｌ−Ｏで形成した場合より高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができることがわかった。

しかしながら、前記絶縁障壁層としてＴｉ−Ｏを使用するとＲＡを適切に改善できるものの、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の大きさ自体はまだ不十分であった。

前記絶縁障壁層にＴｉ−Ｏを使用したトンネル型磁気検出素子において抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させるためには、例えばフリー磁性層の絶縁障壁層との界面側にスピン分極率の高いＣｏＦｅ合金からなるエンハンス層を設ければよい。このとき、ＣｏＦｅ合金のＣｏ組成比を５０ａｔ％以上（Ｆｅ組成比を５０ａｔ％以下）などとするとさらに高いスピン分極率を得ることができ、より効果的に高い前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能となる。

しかし高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る一方で、今度はフリー磁性層の保磁力Ｈｃや、層間結合磁界Ｈｉｎが大きくなるといった問題があった。前記層間結合磁界Ｈｉｎの増大は、磁気ヘッドとして動作させる際に波形の非対称性（アシンメトリー）の増大を招くため、前記層間結合磁界Ｈｉｎを低減することは重要であった。

このように従来ではまだ、絶縁障壁層としてＴｉ−Ｏを使用した場合に、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）、低いフリー磁性層の保磁力Ｈｃ及び低い層間結合磁界Ｈｉｎを全て満足する構成は得られていなかった。

特許文献１及び特許文献２に記載された発明にはトンネル型磁気検出素子について記載されているものの、絶縁障壁層としてＴｉ−Ｏを使用していない。上記したように絶縁障壁層に使用される材質によって抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）等の特性が左右されるため、特許文献１及び特許文献２に記載された発明には、絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した際の上記した課題認識は無く、当然に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）、保磁力Ｈｃ及び層間結合磁界Ｈｉｎの各特性を改善するための構成は開示されていない。

特許文献１に記載された発明には、トンネル型磁気検出素子の絶縁障壁層の材質が開示されていない。またフリー磁性層をＮｉＦｅ／界面制御層／ＣｏＦｅで形成することが開示されているが、界面制御層としてＣｕを用いた実験しか行っていない（特許文献１の本願明細書の［００５３］欄以降を参照されたい）。

また特許文献２に記載された発明では、Ａｌ_２Ｏ_３／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅと積層した膜構成で実験を行っているが（特許文献２の例えば［０２５８］欄を参照されたい）、絶縁障壁層としてＴｉ−Ｏを使用した実験はない。

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、絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子に係り、低いＲＡを維持したまま、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来、また、フリー磁性層の保磁力を従来と同様に低い状態に保ち、さらには、層間結合磁界Ｈｉｎを従来より小さく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。

本発明におけるトンネル型磁気検出素子は、下から第１磁性層、絶縁障壁層、第２磁性層の順で積層され、前記第１磁性層及び第２磁性層のうち一方が、磁化方向が固定される固定磁性層で、他方が外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層であり、
前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｏで形成され、
前記フリー磁性層は、少なくともＮｉを有する軟磁性層と、前記軟磁性層と前記絶縁障壁層間に形成され、前記軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とを有して構成され、
前記軟磁性層と前記エンハンス層間にＰｔ層が介在していることを特徴とするものである。

本発明では、絶縁障壁層がＴｉ−Ｏで形成されたトンネル型磁気検出素子において、低いＲＡを維持しつつ、従来に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能になる。また、フリー磁性層の保磁力を従来と同様に低くでき、さらには、フリー磁性層と固定磁性層間に作用する層間結合磁界（Ｈｉｎ）を従来に比べて小さくできる。

また本発明では、前記Ｐｔ層の膜厚は２Å以上で１０Å以下で形成されることが好ましい。これにより後述する実験では、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を従来（Ｐｔ層がない形態）に比べて適切に向上させることができ、また従来と同様に低い保磁力を維持しつつ、従来に比べて層間結合磁界Ｈｉｎを小さくできることがわかっている。

また本発明では、前記エンハンス層はＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}で形成され、Ｃｏ組成比ｘは５ａｔ％以上で５０ａｔ％よりも小さい範囲内であることが好ましい。これにより、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高くしつつ、フリー磁性層の保磁力Ｈｃの増大を抑制できる。

また本発明では、前記エンハンス層の少なくとも一部は、体心立方構造で形成されることが、フリー磁性層の保磁力Ｈｃの増大を適切に抑制でき好適である。

また本発明では、前記軟磁性層は、Ｎｉ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}で形成され、Ｎｉ組成比Ｙは８１．５ａｔ％以上で１００ａｔ％以下であることが好ましい。これによりフリー磁性層の軟磁気特性を向上できる。

また本発明では、前記Ｐｔ層と前記エンハンス層との界面、及び前記Ｐｔ層と前記軟磁性層との界面では構成元素の相互拡散が生じ、Ｐｔ濃度が前記Ｐｔ層内から前記エンハンス層、及び前記軟磁性層の内部方向に向けて徐々に減少する濃度勾配が形成される形態であってもよい。

また本発明では、前記第１磁性層が前記固定磁性層であり、前記第２磁性層がフリー磁性層であることが好ましい。

また本発明は、下から第１磁性層、絶縁障壁層、第２磁性層の順で積層し、前記第１磁性層及び第２磁性層のうち一方が、磁化方向が固定される固定磁性層で、他方が外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層であり、前記フリー磁性層を、少なくともＮｉを有する軟磁性層と、前記軟磁性層と前記絶縁障壁層間に形成された、前記軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とを有して構成するトンネル型磁気検出素子の製造方法において、
（ａ） 前記第１磁性層を形成する工程、
（ｂ） 前記第１磁性層上にＴｉ−Ｏから成る前記絶縁障壁層を形成する工程、
（ｃ） 前記絶縁障壁層上に、前記第２磁性層を形成する工程、
を有し、
さらに以下の（ｄ）工程を有することを特徴とするものである。
（ｄ） 前記軟磁性層と前記エンハンス層間にＰｔ層を介在させる工程。

本発明では、これにより、低いＲＡを維持しつつ、従来に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができ、また、フリー磁性層の保磁力を従来と同様に低くでき、さらには、フリー磁性層と固定磁性層間に作用する層間結合磁界（Ｈｉｎ）を従来に比べて小さくできるトンネル型磁気検出素子を簡単且つ適切に製造することが出来る。

本発明では、前記Ｐｔ層を２Å以上で１０Å以下の範囲内で形成することが好ましい。抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を従来に比べて適切に向上させることができ、また従来と同様に低い保磁力を維持しつつ、従来に比べて層間結合磁界Ｈｉｎを小さくできる。

また本発明では、前記エンハンス層をＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}で形成し、このときＣｏ組成比Ｘを５ａｔ％以上で５０ａｔ％よりも小さい範囲内で形成することが好ましい。これにより、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高くしつつ、フリー磁性層の保磁力Ｈｃの増大を抑制できる。

また本発明では、前記軟磁性層を、Ｎｉ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}で形成し、このときＮｉ組成比Ｙを８１．５ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内で形成することが好ましい。

さらに本発明では、前記第１磁性層を固定磁性層で、前記第２磁性層をフリー磁性層で形成し、前記（ｃ）工程時、前記（ｄ）工程でのＰｔ層を前記絶縁障壁層上に形成されたエンハンス層上に形成し、さらに前記Ｐｔ層上に前記軟磁性層を形成することが好ましい。
本発明では、前記（ｃ）工程の後、アニール処理を行うことが好ましい。

本発明では、絶縁障壁層がＴｉ−Ｏで形成されたトンネル型磁気検出素子において、低いＲＡを維持しつつ、従来に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能になる。また、フリー磁性層の保磁力を従来と同様に低くでき、さらには、フリー磁性層と固定磁性層間に作用する層間結合磁界（Ｈｉｎ）を従来に比べて小さくできる。

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上には本実施形態の「第１磁性層」に相当する固定磁性層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上には絶縁障壁層５が形成されている。前記絶縁障壁層５は、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）で形成される。前記絶縁障壁層５はＴｉ−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を１〜１０Å程度の膜厚で形成した後、酸化させてＴｉ−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、最もトンネル電流が流れ易いはずの第２固定磁性層４ｃとフリー磁性層８との磁化が平行な状態でもトンネル電流が流れにくく出力が小さくなり好ましくない。

前記絶縁障壁層５上には、本実施形態の「第２磁性層」に相当するフリー磁性層８が形成されている。前記フリー磁性層８は、ＮｉＦｅ合金等の磁性材料で形成される軟磁性層７と、前記軟磁性層７と前記絶縁障壁層５との間に形成されたＣｏＦｅ合金等からなるエンハンス層６、及び前記軟磁性層７と前記エンハンス層６との間に設けられたＰｔ層１０とで構成される。前記軟磁性層７は、ＮｉＦｅ、ＮｉあるいはＮｉＦｅＣｏ等で形成されるが、特に軟磁気特性に優れた（低い保磁力及び磁歪等）Ｎｉ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}で形成され、Ｎｉ組成比Ｙは８１．５ａｔ％以上で１００ａｔ％以下であることが好ましく、９０ａｔ％以下であることがより好ましい。

また前記エンハンス層６は、前記軟磁性層７よりもスピン分極率の大きい磁性材料で形成される。本実施形態では、前記エンハンス層６は、Ｃｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}で形成され、Ｃｏ組成比Ｘは５ａｔ％以上で５０ａｔ％よりも小さいことが好ましい。より好ましくはＣｏ組成比Ｘは３０ａｔ％以下である。

スピン分極率の大きいＣｏＦｅ合金で前記エンハンス層６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。Ｃｏ含有量が大きくなるとフリー磁性層８の保磁力Ｈｃやフリー磁性層８と固定磁性層４間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎの増大を招くので、本実施形態では、前記Ｃｏ含有量は上記のように、５ａｔ％以上で５０ａｔ％よりも小さい範囲に設定されることが好ましい。

また、エンハンス層６は、形成される膜厚があまり厚いと、軟磁性層７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７より薄い膜厚で形成される。前記軟磁性層７は例えば３０〜７０Å程度で形成され、前記エンハンス層６は１０Å程度で形成される。なお、前記エンハンス層６の膜厚は６〜２０Åが好ましい。

前記軟磁性層７と前記エンハンス層６との間に介在するＰｔ層１０については後で詳述する。

前記フリー磁性層８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８上にはＴａ等の非磁性材料で形成された保護層９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８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８の磁化は外部磁界により変動する。

前記フリー磁性層８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８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８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８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の特徴的部分について以下に説明する。
図１に示すように本実施形態では、前記軟磁性層７と前記エンハンス層６との間にＰｔ層１０が介在している。前記Ｐｔ層１０を前記軟磁性層７と前記エンハンス層６との間に設けることで、絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏ（酸化チタン）で形成した本実施形態のトンネル型磁気検出素子において、低いＲＡを維持しつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を従来より高くでき、さらにフリー磁性層８の保磁力Ｈｃ及び層間結合磁界Ｈｉｎを小さくできることが後述する実験で証明されている。具体的数値の一例を示すと、ＲＡを２〜５Ωμｍ^２程度、好ましくは２〜３Ωμｍ^２程度の範囲内に設定でき、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を２４〜２７％程度、フリー磁性層８の保磁力Ｈｃを３〜５Ｏｅ（１Ｏｅは約７９Ａ／ｍ）程度、層間結合磁界Ｈｉｎを１２〜１６Ｏｅ程度に設定できる。

前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできる理由は定かでないが、考えられる一つの原因としては、軟磁性層７を構成するＮｉＦｅ合金のＮｉ原子が、前記絶縁障壁層５やエンハンス層６にまで拡散するのを前記Ｐｔ層１０で抑制している、すなわちＰｔ層１０による拡散防止効果が影響しているのではないかと思われる。しかし、後述する実験で示すように、Ｐｔと同じ白金族元素であるＲｕを、前記軟磁性層７とエンハンス層６との間に介在させた構成（このフリー磁性層の構成は特許文献２の［０２５８］欄等に記載の構成と同じである）であると抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下することがわかっており、単に拡散防止効果だけなく、絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏとし且つ前記軟磁性層７とエンハンス層６との間にＰｔ層１０を介在させることで、他の作用も加味されて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が上昇していると考えられる。

また本実施形態での前記フリー磁性層８の保磁力Ｈｃが、前記Ｐｔ層１０を設けない形態、すなわち前記フリー磁性層８を軟磁性層７とエンハンス層６との２層構造とした形態とほぼ同じ大きさであることからすると、ＣｏＦｅ合金で形成された前記エンハンス層６と前記Ｐｔ層１０とが拡散して保磁力Ｈｃが高いことで知られるＣｏＰｔ合金等がほとんど形成されていないのではないかと推測される。ＣｏＰｔ合金は稠密六方構造（ｈｃｐ）であるが、本実施形態では、エンハンス層６を含めて全体的にｈｃｐになっておらず、ＣｏＦｅ合金で形成された前記エンハンス層６の少なくとも一部は体心立方構造（ｂｃｃ）を保ち、そのため、保磁力Ｈｃの増大が抑制されていると思われる。

本実施形態では、前記エンハンス層６をＣｏＦｅ合金以外の磁性材料、例えばＣｏ等で形成してもよいが、前記エンハンス層６をＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}で形成したとき、Ｃｏ組成比Ｘを５ａｔ％〜５０ａｔ％（ただし５０ａｔ％を含まない）に設定する。Ｃｏ組成比を大きくすることでスピン分極率が大きくなり、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上を期待できるが、その一方でフリー磁性層８の保磁力Ｈｃの増大を招く。本実施形態ではスピン分極率が高いエンハンス層６を設けて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上を図ることに変わりないが、このとき、できる限りフリー磁性層８の保磁力Ｈｃの増大を抑制できる組成比でエンハンス層６を形成し、いまだ不十分な抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を、Ｐｔ層１０をエンハンス層６と軟磁性層７間に介在させることで向上させているのである。

本実施形態では、従来に比べてフリー磁性層８と固定磁性層４間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎを小さくできるから、アシンメトリー（asymmetry 再生波形の非対称性）を小さくでき、従来に比べて再生特性の安定性を向上させることが出来る。

なお、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏで形成すると、前記絶縁障壁層５を体心立方構造（ｂｃｃ）、体心正方構造、ルチル型構造、あるいは非晶質構造のうち少なくともいずれか１つで形成できる。そして、Ｔｉ−Ｏで形成された前記絶縁障壁層５の上に、前記エンハンス層６を、５ａｔ％以上で５０ａｔ％よりも小さいＣｏを有するＣｏＦｅ合金で形成すると、前記エンハンス層６を適切に、体心立方構造（ｂｃｃ）で形成できる。

前記Ｐｔ層１０の膜厚は２Å以上で１０Å以下であることが好ましい。前記Ｐｔ層１０の膜厚があまり厚くなると抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下するので好ましくない。特に前記Ｐｔ層１０を４〜６Åの範囲内とすると安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。

また前記軟磁性層７とエンハンス層６はＰｔ層１０を介して強磁性的結合し共に同じ方向に磁化されていると考えられる。

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℃程度の温度で行われる。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。

前記アニール処理により、図２のように、前記Ｐｔ層１０と前記軟磁性層７との界面、及び前記Ｐｔ層１０とエンハンス層６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、Ｐｔ濃度が、Ｐｔ層１０の内部、例えば膜厚中心から前記軟磁性層７の内部方向、及び前記エンハンス層６の内部方向にかけて徐々に小さくなる濃度勾配が形成されると考えられる。

このような濃度勾配の形成も結晶構造等に影響を与えて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上等に寄与しているかもしれない。

ただし上記したように、前記Ｐｔ層１０とエンハンス層６との間での拡散により、前記エンハンス層６全てがｈｃｐに変態することはなく、前記エンハンス層６の少なくとも一部は体心立方構造（ｂｃｃ）を保っていると考えられる。

本実施形態では、下から反強磁性層３、固定磁性層（第１磁性層）４、絶縁障壁層５、及びフリー磁性層（第２磁性層）８の順に積層されているが、下からフリー磁性層（第１磁性層）８、絶縁障壁層５、固定磁性層（第２磁性層）４及び反強磁性層３の順に積層される構成を除外するものではない。

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３ないし図６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３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。各層を例えば、スパッタ法で成膜する。

次に前記第２固定磁性層４ｃの表面に対してプラズマ処理を施す。前記プラズマ処理を行うことで、前記固定磁性層４とフリー磁性層８との間に作用する層間結合磁界（Ｈｉｎ）を効果的に小さくできる。

次に、前記第２固定磁性層４ｃ上に、Ｔｉ層１５をスパッタ法で成膜する。Ｔｉ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、前記Ｔｉ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Ｔｉ層１５は酸化されて、絶縁障壁層５が形成される。

次に、図４に示すように、前記絶縁障壁層５上に、ＣｏＦｅ合金から成るエンハンス層６、Ｐｔ層１０、及びＮｉＦｅ合金から成る軟磁性層７から成るフリー磁性層８をスパッタ法で成膜する。さらに、前記フリー磁性層８上に、例えばＴａからなる保護層９をスパッタ法で成膜する。以上により下地層１から保護層９までが積層された積層体Ｔ１を形成する。

次に、図５に示すように、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。

次に、図６に示すように、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。

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。

前記アニール処理により、Ｐｔ層１０のＰｔは、前記エンハンス層６及び軟磁性層７へ元素拡散を起こし、Ｐｔ濃度が前記Ｐｔ層１０の膜厚中心から前記エンハンス層６の内部、及び軟磁性層７の内部に向けて徐々に減少する濃度勾配が形成されると考えられる。

なお、絶縁障壁層５をＴｉ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。

上記したトンネル型磁気検出素子の製造方法ではＰｔ層１０を、エンハンス層６と軟磁性層７との間に介在させている。これにより、低いＲＡを維持しつつ、従来に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高くでき、さらにフリー磁性層８の保磁力Ｈｃを従来と同様に小さい値に維持できるとともに、従来よりフリー磁性層８と固定磁性層４との間に作用する層間結合磁界Ｈｉｎを小さくすることが可能なトンネル型磁気検出素子を簡単且つ適切に製造できる。

本実施形態では、前記Ｐｔ層１０を２Å以上で１０Å以下の薄い膜厚で形成する。Ｐｔ層１０を１０Åよりも厚くすると抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低下が大きくなり、逆にＰｔ層１０を設けない従来構成よりも抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下しやすくなりＰｔ層１０を設けたことの効果が薄れてしまう。また前記Ｐｔ層１０を２Å以上にすると大きな抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上効果が見られたことから、前記Ｐｔ層１０を２Å〜１０Åの範囲内に設定することが好ましい。

本実施形態では、絶縁障壁層５及びフリー磁性層８を下からＴｉ−Ｏ／ＣｏＦｅ／Ｐｔ／ＮｉＦｅの順に積層する。抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上効果は、軟磁性層７を構成するＮｉ元素が、熱処理等を施した場合でも、エンハンス層６（ＣｏＦｅ）や絶縁障壁層５にまで拡散するのが抑制されたことや、その他の要因、特に絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏとし且つ前記軟磁性層７とエンハンス層６との間に介Ｐｔ層１０を在させることで、他の特別な作用も加味されて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が上昇していると考えられる。

本実施形態では前記エンハンス層６を構成するＣｏＦｅのＣｏ組成比を５〜５０ａｔ％（ただし５０ａｔ％は含まない）に設定する。これにより抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上と低保磁力Ｈｃを適切に保つことが出来る。

本発明では、前記軟磁性層７を、Ｎｉ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}で形成し、このときＮｉ組成比Ｙを８１．５ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内で形成する。これによりフリー磁性層８の軟磁気特性を向上できる（低い保磁力Ｈｃや磁歪λ等を得ることができる）。

本実施形態では、前記エンハンス層６を体心立方構造（ｂｃｃ）で形成する。上記したように積層体Ｔ１に対して所定条件での熱処理を施すことで各層の界面で構成元素の相互拡散が生じているものと思われる。ただしこのとき前記エンハンス層６の少なくとも一部は体心立方構造（ｂｃｃ）を保っており、フリー磁性層８の保磁力Ｈｃの増大を抑制していると考えられる。

本実施形態では、前記トンネル型磁気検出素子は、ハードディスク装置に使用される以外に、ＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）等として用いることが出来る。

図１に示すトンネル型磁気検出素子を形成した。実験では基本膜構成（積層体Ｔ１）を、下から順に、下地層１；Ｔａ（３０）／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）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層８［エンハンス層６；Ｃｏ_{１０ａｔ％}Ｆｅ_{９０ａｔ％}（１０）／Ｐｔ（ｘ）／軟磁性層７；Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（５０）］／保護層［Ｒｕ（２０）／Ｔａ（１８０）］とした。なお括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。

各試料において、各第２固定磁性層４ｃの表面をプラズマ処理した。
また各試料において、前記プラズマ処理後、前記第２固定磁性層４ｃ上にＴｉを１〜１０Å形成し、Ｔｉを酸化してＴｉ−Ｏから成る絶縁障壁層５を形成した。

また、上記基本膜構成に対して、２４０〜３００℃の範囲で、４時間の熱処理を施した。

実験では、エンハンス層６と軟磁性層７との間に介在させたＰｔ層１０の膜厚を、０Å、２Å、４Å、６Å、８Å及び１０Åとした各試料における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）、フリー磁性層８の保磁力Ｈｃ及び前記フリー磁性層８と固定磁性層４との間で作用する層間結合磁界Ｈｉｎの大きさを夫々測定し、Ｐｔ層１０の膜厚と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係、Ｐｔ層１０の膜厚とフリー磁性層８の保磁力Ｈｃの関係、及びＰｔ層１０の膜厚と層間結合磁界Ｈｉｎとの関係を求めた。その実験結果が、図７ないし図９である。なお各試料において、ＲＡ（素子抵抗Ｒ×素子面積Ａ）は２〜３Ωμｍ^２の範囲内であった。

図７に示すように、エンハンス層６と軟磁性層７との間にＰｔ層１０を介在させるとともに、前記Ｐｔ層１０の膜厚を２〜１０Åの範囲内にすると、前記Ｐｔ層１０を介在させない従来例に比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくできることがわかった。特に、前記Ｐｔ層１０の膜厚を４〜６Åの範囲内に設定すると、高く安定した抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来ることがわかった。

次に図８に示すように、エンハンス層６と軟磁性層７との間に介在させるＰｔ層１０の膜厚を２〜１０Åの範囲にすると、前記Ｐｔ層１０を介在させない従来例と同様に低いフリー磁性層８の保磁力Ｈｃを保てることがわかった。

次に図９に示すように、エンハンス層６と軟磁性層７との間に介在させるＰｔ層１０の膜厚を２〜１０Åの範囲内にすると、前記Ｐｔ層１０を介在させない従来例に比べて層間結合磁界Ｈｉｎを小さくできることがわかった。

次に、上記した基本膜構成のＰｔ層をＲｕ層に置換した比較例を形成した。プラズマ処理や熱処理条件は上記の実験と同じにした。エンハンス層６と軟磁性層７との間にＰｔ層を介在させた実施例と、比較例におけるＰｔ層及びＲｕ層の膜厚と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係について調べた実験結果が図１０である。

図１０に示すようにＲｕ層を介在させた比較例では、Ｒｕ層を介在させない、すなわちフリー磁性層８を軟磁性層７とエンハンス層６の２層構造で形成した従来例よりも抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下することがわかった。一方、Ｐｔ層を介在させた実施例では、前記従来例よりも抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が上昇することがわかった。

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、 本実施形態のフリー磁性層の構造を示す部分拡大断面図と、Ｐｔの組成変調を示すグラフ、 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）、 図５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）、 軟磁性層（ＮｉＦｅ）とエンハンス層（ＣｏＦｅ）との間に介在するＰｔ層の膜厚と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、 軟磁性層（ＮｉＦｅ）とエンハンス層（ＣｏＦｅ）との間に介在するＰｔ層の膜厚とフリー磁性層の保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフ、 軟磁性層（ＮｉＦｅ）とエンハンス層（ＣｏＦｅ）との間に介在するＰｔ層の膜厚と層間結合磁界Ｈｉｎとの関係を示すグラフ、 軟磁性層（ＮｉＦｅ）とエンハンス層（ＣｏＦｅ）との間への挿入層をＰｔ層あるいはＲｕ層とした場合の前記挿入層と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、

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
６ エンハンス層
７ 軟磁性層
８ フリー磁性層
９ 保護層
１０ Ｐｔ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 (13)

1. 下から第１磁性層、絶縁障壁層、第２磁性層の順で積層され、前記第１磁性層及び第２磁性層のうち一方が、磁化方向が固定される固定磁性層で、他方が外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層であり、
   前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｏで形成され、
   前記フリー磁性層は、少なくともＮｉを有する軟磁性層と、前記軟磁性層と前記絶縁障壁層間に形成され、前記軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とを有して構成され、
   前記軟磁性層と前記エンハンス層間にＰｔ層が介在していることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
2. 前記Ｐｔ層の膜厚は２Å以上で１０Å以下で形成される請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
3. 前記エンハンス層はＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}で形成され、Ｃｏ組成比ｘは５ａｔ％以上で５０ａｔ％よりも小さい範囲内である請求項１又は２に記載のトンネル型磁気検出素子。
4. 前記エンハンス層の少なくとも一部は、体心立方構造で形成される請求項１ないし３のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
5. 前記軟磁性層は、Ｎｉ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}で形成され、Ｎｉ組成比Ｙは８１．５ａｔ％以上で１００ａｔ％以下である請求項１ないし４のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
6. 前記Ｐｔ層と前記エンハンス層との界面、及び前記Ｐｔ層と前記軟磁性層との界面では構成元素の相互拡散が生じ、Ｐｔ濃度が前記Ｐｔ層内から前記エンハンス層、及び前記軟磁性層の内部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. 前記第１磁性層が前記固定磁性層であり、前記第２磁性層がフリー磁性層である請求項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. 下から第１磁性層、絶縁障壁層、第２磁性層の順で積層し、前記第１磁性層及び第２磁性層のうち一方が、磁化方向が固定される固定磁性層で、他方が外部磁界により磁化方向が変動するフリー磁性層であり、前記フリー磁性層を、少なくともＮｉを有する軟磁性層と、前記軟磁性層と前記絶縁障壁層間に形成された、前記軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とを有して構成するトンネル型磁気検出素子の製造方法において、
   （ａ） 前記第１磁性層を形成する工程、
   （ｂ） 前記第１磁性層上にＴｉ−Ｏから成る前記絶縁障壁層を形成する工程、
   （ｃ） 前記絶縁障壁層上に、前記第２磁性層を形成する工程、
   を有し、
   さらに以下の（ｄ）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。
   （ｄ） 前記軟磁性層と前記エンハンス層間にＰｔ層を介在させる工程。
9. 前記Ｐｔ層を２Å以上で１０Å以下の範囲内で形成する請求項８記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
10. 前記エンハンス層をＣｏ_ＸＦｅ_{１００−Ｘ}で形成し、このときＣｏ組成比Ｘを５ａｔ％以上で５０ａｔ％よりも小さい範囲内で形成する請求項８又は９に記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
11. 前記軟磁性層を、Ｎｉ_ＹＦｅ_{１００−Ｙ}で形成し、このときＮｉ組成比Ｙを８１．５ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内で形成する請求項８ないし１０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。
12. 前記第１磁性層を固定磁性層で、前記第２磁性層をフリー磁性層で形成し、前記（ｃ）工程時、前記（ｄ）工程でのＰｔ層を前記絶縁障壁層上に形成されたエンハンス層上に形成し、さらに前記Ｐｔ層上に前記軟磁性層を形成する請求項８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。
13. 前記（ｃ）工程の後、アニール処理を行う請求項８ないし１２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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