JP5041829B2 - トンネル型磁気検出素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えばハードディスク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、ＲＡを小さく抑えつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能なトンネル型磁気検出素子に関する。

トンネル型磁気検出素子（ＴＭＲ素子）は、トンネル効果を利用して抵抗変化するものであり、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。

この原理を利用して、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。
特開２００５―２８６３４０号公報 特開２００５−２６０２２６号公報

従来においては、ＲＡ（素子抵抗Ｒ×素子面積Ａ）が小さく、且つ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が高いトンネル型磁気検出素子を得ることができなかった。一般的にＲＡを減少させると抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）も低下した。

また絶縁障壁層をＭｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）で形成したトンネル型磁気検出素子では、前記絶縁障壁層と、前記絶縁障壁層との界面で接する固定磁性層及びフリー磁性層の部分とを、膜面と平行な面に、代表的に｛１００｝面として表される等価な結晶面が優先配向した体心立方構造（ｂｃｃ構造）で形成することが抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に向上させる観点から好ましいとされている。

しかしながら、従来では、絶縁障壁層をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子において、小さいＲＡの範囲内で高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を適切に得ることができなかった。

上特許文献１及び特許文献２に記載された発明には、いずれにも、上記に挙げた課題認識がされておらず、当然に、それを解決する手段は記載されていない。

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、ＲＡ小さく抑えつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能なトンネル型磁気検出素子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、
下から下部磁性層、絶縁障壁層、上部磁性層の順で積層され、前記下部磁性層が磁化方向が固定される固定磁性層で、前記上部磁性層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Ｍｇ−Ｏで形成され、
前記固定磁性層は、下から第１磁性層、非磁性中間層及び第２磁性層の順に積層された積層フェリ構造であり、
前記第１磁性層は、少なくとも一層の非磁性金属層が強磁性層間に介在する積層構造で形成され、前記非磁性金属層が間欠的に形成されて各強磁性層間は磁気的に結合されており、全ての前記強磁性層は同一方向に磁化されており、
前記強磁性層はＣｏ−Ｆｅで、非磁性金属層はＴａであり、前記第１磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｔａ／Ｃｏ−Ｆｅの積層構造で形成されており、
前記フリー磁性層は、エンハンス層と、前記エンハンス上に形成された軟磁性層との積層構造で、前記エンハンス層は前記軟磁性層よりもスピン分極率の大きいＣｏ−Ｆｅで形成されており、
前記第２磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂからなり、
前記第２磁性層、前記絶縁障壁層及び前記エンハンス層は、膜面と平行な面に代表的に｛１００｝面として代表される等価な体心立方構造（ｂｃｃ構造）の結晶面が優先配向しており、
ＲＡが、２．５〜３．７５（Ω・μｍ ² ）であることを特徴とするものである。

本発明では上記構成により、ＲＡを小さく抑えつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能となる。

本発明では、前記非磁性金属層は１Å以上で５Å以下の平均膜厚で形成されることが好ましい。これにより、より適切に、各強磁性層間を磁気的に結合して、全ての前記強磁性層を同一方向に磁化でき、より効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることが可能である。

本発明のトンネル型磁気検出素子は、従来に比べて、ＲＡを小さく抑えつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を大きくすることが可能となる。

図１は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面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、例えば、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、磁気記録媒体からの洩れ磁界（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、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Ｎｉ−Ｆｅ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種以上の元素の非磁性元素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、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ、Ｃｒ、あるいはＲｕによって形成される。前記シード層２は単層構造でなく材質の異なる積層構造で形成されてもよい。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。

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は例えばＩｒ−Ｍｎで形成される。
前記反強磁性層３上には固定磁性層（下部磁性層）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（第１磁性層）４ａ、非磁性中間層４ｂ、第２固定磁性層（第２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。前記固定磁性層４を積層フェリ構造で形成することにより前記固定磁性層４の磁化を安定した状態にできる。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１２〜４０Å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２固定磁性層４ｃは、例えば、（Ｃｏ_{１００−α}Ｆｅ_α）_βＢ_{１００−β}からなり、原子比率αは、２５〜１００、組成比βは７０〜９０ａｔ％で形成される。

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、Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）で形成されている。Ｍｇ−Ｏは、Ｍｇ組成比が４０〜６０ａｔ％の範囲内であることが好ましく、最も好ましくはＭｇ_{５０ａｔ％}Ｏ_{５０ａｔ％}である。

なお前記絶縁障壁層５と前記第２固定磁性層４ｃ間に、非常に薄い膜厚（例えば１〜６Å）のＭｇ層が設けられてもよい。

前記絶縁障壁層５上には、フリー磁性層（上部磁性層）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との間に設けられる例えばＣｏ−Ｆｅ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い。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。前記エンハンス層６ａをスピン分極率の大きいＣｏ−Ｆｅで形成することで、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることができる。

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Ｔａ等で形成された保護層７が形成されている。
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ている。前記絶縁層２２，２４は、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の磁化は固定されている（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、抵抗値は最大になる。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。

この原理を利用して、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、磁気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。

本実施形態における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２は、図１に示すトンネル型磁気抵抗効果素子の固定磁性層４の部分を拡大した拡大断面図である。

図２に示すように、前記第１固定磁性層４ａは、下から下側強磁性層４ａ１、非磁性金属層４ａ２及び上側強磁性層４ａ３の順に積層形成されている。前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚は薄く形成され、前記下側強磁性層４ａ１と前記上側強磁性層４ａ３とが磁気的に結合し、前記下側強磁性層４ａ１と前記上側強磁性層４ａ２は同じ方向に磁化固定されている。例えば前記下側強磁性層４ａ１及び上側強磁性層４ａ３は共に図示Ｙ方向に磁化固定されている。このとき前記第２固定磁性層４ｃは図示Ｙ方向とは逆方向に磁化固定されている。

前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚は１Å以上で５Å以下であることが好ましい。前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚が１Åより薄いと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できない。また前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚が５Åよりも厚いと、前記下側強磁性層４ａ１と前記上側強磁性層４ａ３間の磁気的な結合が切断されやすくなり、ノイズの発生や抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の低下等、再生特性が低下する。よって本実施形態では、前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚は１Å以上５Å以下であることが好適である。また前記非磁性金属層１４の平均膜厚は２Å以上で４Å以下の範囲内がより好ましい。

上記のように前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚は非常に薄い。よって、前記非磁性金属層４ａ２は、図２のように、一定膜厚で形成されず、前記下側強磁性層４ａ１上に間欠的に形成されてもよい。また前記非磁性金属層４ａ２が間欠的に形成されることで、前記下側強磁性層４ａ１と上側強磁性層４ａ３との磁気的結合力（強磁性結合）をより強めることができる。また前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚とは、前記非磁性金属層４ａ２を、前記下側強磁性層４ａ１上の全域に一律の膜厚に均したときの膜厚を意味するから、前記非磁性金属層４ａ２が、前記下側強磁性層４ａ１上に間欠的に形成される場合、前記非磁性金属層４ａ２が、前記下側強磁性層４ａ１上に形成されていない箇所（ピンホール部分）も含めて「平均膜厚」は規定される。

前記非磁性金属層４ａ２は、Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち少なくともいずれか１種で形成されることが好適である。前記非磁性金属層４ａ２はＴａで形成されることがより好ましい。

本実施形態では、前記絶縁障壁層５はＭｇ−Ｏで形成され、前記第１固定磁性層４ａは、例えば、Ｔａで形成された非磁性金属層４ａ２が、２つの強磁性層４ａ１，４ａ３の間に介在する構造となっている。これにより、従来に比べて、ＲＡを小さく抑えつつ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に増大させることができる。ＲＡは、１．０（Ω・μｍ^２）〜５．０（Ω・μｍ^２）の範囲内であることが好適である。

前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が増大したのは、アニール処理後に、第２固定磁性層４ｃ、絶縁障壁層５及びエンハンス層６ａが、従来に比べて、膜面と平行な面（図示Ｘ−Ｙ平面）に、代表的に｛１００｝面として表される等価な体心立方構造（ｂｃｃ構造）の結晶面が優先配向したことが理由として考えられる。また、アニール処理時に反強磁性層３を構成するＭｎの前記非磁性金属層４ａ２よりも上方への拡散が適切に抑制されていることも理由として考えられる。さらに、前記非磁性金属層４ａ２よりも上方に形成される各層間の平坦性、特に、第２固定磁性層４ｃと絶縁障壁層５との界面での平坦性が向上したことも理由として考えられる。

なお本実施形態では、固定磁性層４を積層フェリ構造とし、反強磁性層３と接する第１固定磁性層４ａ内に非磁性金属層４ａ２を挿入しているが、積層フェリ構造とすることで前記固定磁性層４の磁化固定力を強くでき、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を適切に向上させることが可能になる。また積層フェリ構造において、第２固定磁性層４ｃを従来構造と同じにしているが、前記第２固定磁性層４ｃは絶縁障壁層５に接する層であり抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に直接寄与する層であるため、前記第２固定磁性層４ｃの材質や構造を変更せずに、第１固定磁性層４ａ側を改良して、絶縁障壁層５近辺の結晶構造の改良等を施すことで、より効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の向上を図ることが可能となる。

前記下側強磁性層４ａ１及び上側強磁性層４ａ３は、夫々、同じ強磁性材料で形成されてもよいが、異なる強磁性材料で形成されてもよい。例えば前記下側強磁性層４ａ１及び上側強磁性層４ａ３は、共に、Ｃｏ−Ｆｅで形成されることが好適である。すなわち、第１固定磁性層４ａは、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｔａ／Ｃｏ−Ｆｅの積層構造であることが好適である。このとき、第２固定磁性層４ｃは、Ｃｏ−Ｆｅ−ＢあるいはＣｏ−Ｆｅで形成されることが好適である。本実施形態では、これにより効果的に、ＲＡを小さく抑えつつ、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができる。

また前記下側強磁性層４ａ１及び上側強磁性層４ａ３は、あまり薄い膜厚であると再生特性を劣化させるため好ましくなく、具体的には、前記下側強磁性層４ａ１及び上側強磁性層４ａ３の平均膜厚は共に８〜１６Å程度の範囲内であり、前記第１固定磁性層４ａ内に占める磁性層の総合膜厚は１６〜３２Å程度の範囲であることが好適である。

図１に示す実施形態では、下から反強磁性層３、固定磁性層４、絶縁障壁層５及びフリー磁性層６の順で積層されているが、下からフリー磁性層６、絶縁障壁層５、固定磁性層４及び反強磁性層３の順で積層されていてもよい。このとき前記フリー磁性層６は、図１の固定磁性層４と同様に積層フェリ構造で形成される。前記フリー磁性層６は下から第１フリー磁性層、非磁性中間層及び第２フリー磁性層の順に積層される。そして前記第１フリー磁性層は、図２の非磁性金属層が２つの強磁性層間に介在する積層構造で形成される。前記フリー磁性層を構成する前記強磁性層はＮｉ−Ｆｅで形成されることが好ましい。また第２フリー磁性層には前記絶縁障壁層との界面にＣｏ−Ｆｅから成るエンハンス層が形成されていてもよい。

あるいは、下から、下側反強磁性層、下側固定磁性層、下側絶縁障壁層、フリー磁性層、上側絶縁障壁層、上側固定磁性層、及び上側反強磁性層が順に積層されてなるデュアル型のトンネル型磁気検出素子であってもよい。

デュアル型のトンネル型磁気検出素子の場合、前記下側固定磁性層が本実施形態の積層フェリ構造で形成され、図２に示す非磁性金属層が、前記下側固定磁性層を構成する第１固定磁性層の膜厚内に挿入された構造となっている。また前記上側固定磁性層も前記下側固定磁性層と同様に非磁性金属層が介在する構成であることが好適である。

前記非磁性金属層４ａ２は、夫々、挿入される各磁性層内で一層だけ設けられてもよいし、二層以上設けられてもよい。

ただし、図１，図２に示すように、下から反強磁性層３、固定磁性層４、絶縁障壁層５及びフリー磁性層６の順に積層された構成に本実施形態を適用することが後述する実験結果にも示すように、従来に比べてＲＡを小さく抑えつつ高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができて好適である。

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７は、製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子の部分断面図である。図３、図５〜図７は、いずれも図１に示すトンネル型磁気抵抗効果素子と同じ位置での断面を示している。図４は、図３における製造工程中のトンネル型磁気検出素子のうち、主として、固定磁性層の第１固定磁性層の積層構造を示す部分拡大断面図、である。

図３に示す工程では、下部シールド層２１上に、下から順に、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。

本実施形態では、図４に示すように、前記第１固定磁性層４ａを形成するとき、下側強磁性層４ａ１を例えばＣｏ−Ｆｅで、十数Å程度の膜厚でスパッタ成膜して、次に、前記下側強磁性層４ａ１上に例えばＴａから成る非磁性金属層４ａ２を、１Å以上で５Å以下の平均膜厚でスパッタ成膜する。続いて、前記非磁性金属層４ａ２上に、上側強磁性層４ａ３を、例えばＣｏ−Ｆｅ合金で、十数Å程度の膜厚でスパッタ成膜する。

図３に示すように、第２固定磁性層４ｃ上にＭｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）から成る絶縁障壁層５を形成する。例えば、所定の組成比で形成されたＭｇ−Ｏから成るターゲットを用意して、Ｍｇ−Ｏからなる絶縁障壁層５を前記第２固定磁性層４ｃ上にスパッタ成膜する。

次に、図５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、及び保護層７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６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７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、前記積層体Ｔ１の形成後に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。本実施形態では、前記第１固定磁性層４ａ中に例えばＴａから成る非磁性金属層４ａ２を挿入したことで、反強磁性層３を構成するＭｎが前記非磁性金属層４ａ２より上方へ拡散するのを適切に抑制できると考えられる。

本実施形態では、絶縁障壁層５をＭｇ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子において、前記第１固定磁性層４ａ中に例えばＴａから成る非磁性金属層４ａ２を挿入するといった簡単な製造方法により、従来に比べてＲＡを小さく抑えつつ、大きな抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能となる。

本実施形態のトンネル型磁気検出素子は、ハードディスク装置に内蔵される磁気ヘッドとしての用途以外に、ＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）や磁気センサとして用いることも出来る。

図２のように第１固定磁性層の膜厚内に非磁性金属層を挿入したトンネル型磁気検出素子を形成した。

積層体Ｔ１を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｒｕ（４０）／反強磁性層３；Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}（８０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；｛Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０｝_{８０ａｔ％}Ｂ_{２０ａｔ％}（２６）］／絶縁障壁層５；Ｍｇ−Ｏ（１０．５）／フリー磁性層６[Ｆｅ_５０at%Ｃｏ_５０at%（１０）／Ｎｉ_{８７ａｔ％}Ｆｅ_{１３ａｔ％}（５０）]／Ｒｕ（２０）／保護層７；Ｔａ（１８０）の順に積層した。
絶縁障壁層５を、Ｍｇ−Ｏのターゲットを用いてスパッタ成膜した。

実験では、下からＣｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（１２）／Ｔａ（ｘ）／Ｃｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（１２）の順に積層された第１固定磁性層４ａ、または、下からＣｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（１０）／Ｔａ（ｙ）／Ｃｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（１０）の順に積層された第１固定磁性層４ａを備え、且つ、Ｔａの平均膜厚（ｘ）（ｙ）が異なる複数のトンネル型磁気検出素子を製造した。

なお上記の積層体における各層の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
前記積層体を形成した後、２７０℃で３時間４０分間、アニール処理を行った。

上記の積層体Ｔ１を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｒｕ（４０）／反強磁性層３；Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}（８０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；｛Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０｝_{８０ａｔ％}Ｂ_{２０ａｔ％}（２６）］／絶縁障壁層５；Ｍｇ−Ｏ／フリー磁性層６[Ｆｅ_５０at%Ｃｏ_５０at%（１０）／Ｎｉ_{８７ａｔ％}Ｆｅ_{１３ａｔ％}（５０）]／Ｒｕ（２０）／保護層７；Ｔａ（１８０）の順に積層した。
絶縁障壁層５を、Ｍｇ−Ｏのターゲットを用いてスパッタ成膜した。

実験では、下からＣｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（１２）／Ｔａ（３）／Ｃｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（１２）の順に積層された第１固定磁性層４ａを備え、且つ、Ｍｇ−Ｏの平均膜厚を１０．０Å，１０．５Å，１１．０Åと変化させた複数のトンネル型磁気検出素子を製造した。

なお上記の積層体における各層の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
前記積層体を形成した後、２７０℃で３時間４０分間、アニール処理を行った。

［比較例］
上記の積層体Ｔ１を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｒｕ（４０）／反強磁性層３；Ｉｒ_{２６ａｔ％}Ｍｎ_{７４ａｔ％}（８０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（９．１）／第２固定磁性層４ｃ；｛Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０｝_{８０ａｔ％}Ｂ_{２０ａｔ％}（２６）］／絶縁障壁層５；Ｍｇ−Ｏ／フリー磁性層６[Ｆｅ_５０at%Ｃｏ_５０at%（１０）／Ｎｉ_{８７ａｔ％}Ｆｅ_{１３ａｔ％}（５０）]／Ｒｕ（２０）／保護層７；Ｔａ（１８０）の順に積層した。
絶縁障壁層５を、Ｍｇ−Ｏのターゲットを用いてスパッタ成膜した。

実験では、第１固定磁性層４ａを、Ｃｏ_{７０ａｔ％}Ｆｅ_{３０ａｔ％}（２０）の単層構造とし、且つＭｇ−Ｏの平均膜厚を１０．０Å，１０．５Å，１１．０Åと変化させた複数のトンネル型磁気検出素子を製造した。

なお上記の積層体における各層の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
前記積層体を形成した後、２７０℃で３時間４０分間、アニール処理を行った。

上記した実施例１、２及び比較例の各トンネル型磁気抵抗効果素子に対して、ＲＡ及び抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を測定した。その実験結果を図８に示す。グラフ中における数値はＴａの平均膜厚（Å）を示している。

図８に示すように、実施例におけるトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は、比較例のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に比べてＲＡの小さい範囲内で高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来るとわかった。

ＲＡは、１．０〜５．０（Ω・μｍ^２）の範囲内であることが好適である。このＲＡの範囲内での実施例及び比較例の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を対比すると、確実に、実施例のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を比較例のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に比べて高くできることがわかった。
またＴａの平均膜厚を変化させてもＲＡはあまり変動しないことがわかった。

図９は、実施例１のトンネル型磁気検出素子における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の実験結果に基づき、横軸をＴａの平均膜厚とし、縦軸を抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）としたグラフである。また図９には比較例を一点載せてあるが、これは、実施例１と同じ絶縁障壁層の膜厚で形成したトンネル型磁気検出素子の実験結果である。

図９に示すように、Ｔａの平均膜厚を厚くしていくと、徐々に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が高くなることがわかった。図９の実験結果により、非磁性金属層４ａ２の平均膜厚の好ましい範囲を１Å以上で５Å以下に設定した。前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚を５Åより厚くすると、下側強磁性層４ａ１と上側強磁性層４ａ３間に作用する強磁性的な結合が弱まり、逆に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下する等の問題が生じる。なお前記非磁性金属層４ａ２の平均膜厚のより好ましい範囲を２Å以上で４Å以下に設定した。

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面から切断した断面図、 本実施形態における固定磁性層の構造を示す図１の部分拡大断面図、 製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子の部分断面図、 図３の製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子のうち、主として、固定磁性層の第１固定磁性層の積層構造を示す部分拡大断面図、 図３の次に行われる一工程図（部分断面図）、 図５の次に行われる一工程図（部分断面図）、 図６の次に行われる一工程図（部分断面図）、 実施例１、実施例２及び比較例の各トンネル型磁気抵抗効果素子のＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、 Ｔａ（非磁性金属層）の平均膜厚と抵抗変化率（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
４ａ１ 下側強磁性層
４ａ２ 非磁性金属層
４ａ３ 上側強磁性層
４ｂ 非磁性中間層
４ｃ 第２固定磁性層
５ 絶縁障壁層
６ フリー磁性層
７ 保護層
２２、２４ 絶縁層
２３ ハードバイアス層

Claims (2)

1. 下から下部磁性層、絶縁障壁層、上部磁性層の順で積層され、前記下部磁性層が磁化方向が固定される固定磁性層で、前記上部磁性層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Ｍｇ−Ｏで形成され、
   前記固定磁性層は、下から第１磁性層、非磁性中間層及び第２磁性層の順に積層された積層フェリ構造であり、
   前記第１磁性層は、少なくとも一層の非磁性金属層が強磁性層間に介在する積層構造で形成され、前記非磁性金属層が間欠的に形成されて各強磁性層間は磁気的に結合されており、全ての前記強磁性層は同一方向に磁化されており、
   前記強磁性層はＣｏ−Ｆｅで、非磁性金属層はＴａであり、前記第１磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｔａ／Ｃｏ−Ｆｅの積層構造で形成されており、
   前記フリー磁性層は、エンハンス層と、前記エンハンス上に形成された軟磁性層との積層構造で、前記エンハンス層は前記軟磁性層よりもスピン分極率の大きいＣｏ−Ｆｅで形成されており、
   前記第２磁性層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂからなり、
   前記第２磁性層、前記絶縁障壁層及び前記エンハンス層は、膜面と平行な面に代表的に｛１００｝面として代表される等価な体心立方構造（ｂｃｃ構造）の結晶面が優先配向しており、
   ＲＡが、２．５〜３．７５（Ω・μｍ ² ）であることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
2. 前記非磁性金属層は１Å以上で５Å以下の平均膜厚で形成される請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。

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