JP2008034784A - トンネル型磁気検出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、従来に比べて、ＲＡ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。
【解決手段】 トンネル型磁気検出素子を構成する積層体Ｔ１は、下から、固定磁性層４、絶縁障壁層５、及びフリー磁性層６の順に形成された部分を有する。前記絶縁障壁層５は、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏ（酸化チタン・マグネシウム）で形成され、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇは、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下含まれる。このように、前記絶縁障壁層５のＭｇ濃度を高く設定しない。これにより、従来に比べて、ＲＡ（素子抵抗Ｒ×素子面積Ａ）を低く且つ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高い値に設定できる。また従来に比べてＶＣＲの絶対値を低減でき、耐熱性を向上できる。
【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、ＲＡを低く且つ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高い値に設定でき、さらには、ＶＣＲ（Voltage Coefficient of Resistivity）の絶対値の低減、及び耐熱性の向上を図ることが出来るトンネル型磁気検出素子及びその製造方法に関する。

トンネル型磁気抵抗効果型素子は、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。

下記の特許文献１に示すトンネル型磁気検出素子では、前記絶縁障壁層を２層構造で形成している。前記絶縁障壁層の構成元素が特許文献１の請求項８等に記載されている。

下記の特許文献２に示すトンネル型磁気検出素子では、前記絶縁障壁層をＭｇＯあるいはＭｇ−ＺｎＯで形成している。
特開２００２―２３２０４０号公報 米国公開公報 US 2006/0098354 A1

トンネル型磁気検出素子における課題の一つに、低いＲＡ（素子抵抗Ｒ×素子面積Ａ）の範囲で、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られるようにすることが挙げられる。前記ＲＡが高くなると高速データ転送を適切に行えなくなる等の問題が生じる。

よって、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られても、ＲＡも大きい値となってしまっては高性能な再生ヘッドが得られず、前記ＲＡ及び前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の双方を満足させることが求められた。さらに、作動安定性を向上させる観点から、ＶＣＲ（Voltage Coefficient of Resistivity）の絶対値を小さくし、さらに耐熱性を向上させることが必要であった。
しかし上記のような課題はいずれの特許文献にも記載されていない。

特許文献１には、絶縁障壁層の構成元素が多数記載されているが、実際に実験等で使用しているのはＡｌＯｘのみであり、他の構成元素で形成された絶縁障壁層を用いると、どのような特性となるか定かでない。また特許文献１は、請求項８等に記載されている構成元素を２種以上用いた場合に、各構成元素の濃度をどの程度にすればよいのか具体的記載がない。

特許文献２では、絶縁障壁層としてＭｇＯを使用するが、前記絶縁障壁層にＭｇＯを使用すると、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を比較的大きくできるものの、同時にＲＡも大きくなる（具体的には７Ωμｍ^２以上）ことがわかっている。またＭｇＯは潮解性があるといった問題もある。

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、ＲＡ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−Ｍｇ−Ｏからなり、
Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇは、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下含まれることを特徴とするものである。

これにより、従来に比べて、ＲＡを低く且つ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高い値に設定できる。具体的にはＲＡを２〜７Ωμｍ^２、好ましくは、２〜５Ωμｍ^２、より好ましくは２〜４Ωμｍ^２、最も好ましくは２〜３Ωμｍ^２に設定でき、また、このとき、前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を２０％以上、好ましくは２５％以上に設定できる。

Ｍｇ濃度を上記よりも大きくすると、前記絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した場合よりも抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が小さくなりやすく好ましくない。Ｍｇ濃度を上記範囲に設定することで、後述する実験で示すように、前記絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した場合に比べて、同じＲＡの範囲内で、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得られることがわかっている。また、従来に比べてＶＣＲの絶対値を小さくでき、印加電圧の変化に対する素子抵抗の変動を抑制でき、また、耐熱性を向上させることができ、よって作動安定性を向上させることが出来る。

本発明では、Ｍｇは、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下含まれることが好ましい。また
本発明では、Ｍｇは、４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下含まれることがより好ましい。

また本発明では、前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層の内部、上面、あるいは下面のうち少なくともいずれか１箇所に、Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層が形成された構造を提示できる。

このとき、前記Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層は、少なくとも、前記Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層の上面あるいは下面、又は上面及び下面の双方に形成されていることが、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）をより適切に向上させることができ好ましい。Ｍｇ−Ｏは、Ｔｉ−Ｏより抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を上げる能力が高く、前記Ｍｇ−Ｏを第１磁性層、あるいは第２磁性層、又は、前記第１磁性層及び前記第２磁性層との界面に配置することで、前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を適切に向上させることが出来る。

本発明では、前記Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層は形成面上に間欠的に形成されていることが好ましい。すなわち前記Ｍｇ−Ｏ層は、完全に前記形成面上を覆うことが無いほど薄い膜厚で形成されている。

本発明では、前記絶縁障壁層には、膜厚方向にＭｇの組成変調領域が形成されていてもよい。トンネル型磁気検出素子の製造で行われるアニール処理等の影響にてＭｇは組成変調しやすい。このとき、Ｍｇ濃度は、前記絶縁障壁層の上面あるいは下面、又は上面及び下面の双方において他の領域よりも高くなっていることが好ましい。これにより、前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を適切に向上させることが出来る。

また本発明では、前記絶縁障壁層は、ＴｉＭｇ合金を酸化して形成されたものであってもよい。

本発明における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） 第１磁性層上に、Ｔｉ（チタン）層とＭｇ（マグネシウム）層との積層構造を形成し、この際、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層と前記Ｍｇ層との膜厚を調整する工程、
（ｂ） 前記Ｔｉ層及び前記Ｍｇ層を酸化処理して、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏからなる絶縁障壁層を形成する工程、
（ｃ） 前記絶縁障壁層上に第２磁性層を形成する工程。

上記により、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下含まれるＴｉ−Ｍｇ−Ｏからなる絶縁障壁層を形成できる。そしてこれにより、従来に比べて、ＲＡ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を適切且つ容易に製造できる。また、本発明では、これにより、従来に比べてＶＣＲの絶対値を小さくでき、印加電圧の変化に対する素子抵抗の変動を抑制でき、また耐熱性を向上でき、よって作動安定性を向上させることが可能なトンネル型磁気検出素子を適切且つ容易に製造できる。

本発明では、前記（ａ）工程において、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、ＭｇがＭｇが４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層と前記Ｍｇ層との膜厚を調整することが好ましい。このとき、本発明では、前記（ａ）工程において、前記積層構造の平均膜厚を４Å〜７Åの範囲内とし、このうちＭｇ層の平均膜厚（前記Ｍｇ層が複数層設けられている場合は、全てのＭｇ層を合計した平均膜厚）を０．３Å〜２．０Åの範囲内に設定することが好ましい。これにより、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇを４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下に設定できる。

また本発明では、前記（ａ）工程において、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層と前記Ｍｇ層との膜厚を調整することがより好ましい。このとき、前記（ａ）工程において、前記積層構造の平均膜厚を４Å〜７Åの範囲内とし、このうちＭｇ層の平均膜厚（前記Ｍｇ層が複数層設けられている場合は、全てのＭｇ層を合計した平均膜厚）を０．３Å〜１．５Åの範囲内に設定することが、より好ましい。

また本発明では、前記Ｍｇ層を、少なくとも、前記第１磁性層と前記Ｔｉ層との間、あるいは、前記第２磁性層と前記Ｔｉ層の間、又は、前記Ｔｉ層と第１磁性層との間及び前記Ｔｉ層と前記第２磁性層との間に形成することが、適切に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることができ好ましい。

また本発明では、前記（ａ）工程において、前記積層構造の形成に代えて、前記第１磁性層上に、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下のＭｇを含むＴｉＭｇ合金層を形成し、前記（ｂ）工程において、ＴｉＭｇ層を酸化処理してもよい。このとき、前記（ａ）工程において、前記第１磁性層上に、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下のＭｇを含むＴｉＭｇ合金層を形成することが好ましい。あるいは、前記第１磁性層上に、４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下のＭｇを含むＴｉＭｇ合金層を形成することがより好ましい。

本発明のトンネル型磁気検出素子は、従来に比べて、ＲＡを低く且つ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高い値に設定できる。また、従来に比べて適切にＶＣＲの絶対値を小さくでき、耐熱性を向上でき、よって作動安定性を向上できる。

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上に前記積層体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α（ただしα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α−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αと元素α′（ただし元素α′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（第１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、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏ（酸化チタン・マグネシウム）で形成されている。

前記絶縁障壁層５上には、フリー磁性層（第２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。ＣｏＦｅ合金等のスピン分極率の大きい磁性材料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。

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。

図１の実施形態における特徴的部分は、前記絶縁障壁層５が、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏ（酸化チタン・マグネシウム）で形成され、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇは、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下含まれる点にある。

これにより、従来に比べて、ＲＡ（素子抵抗Ｒ×素子面積Ａ）を低く且つ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高い値に設定できる。また従来に比べて、ＶＣＲ（Voltage Coefficient of Resistivity）の絶対値を小さくできる。また耐熱性を向上できる。

本形態では、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｍｇ−Ｏ（酸化チタン・マグネシウム）で形成するが、このときＭｇ濃度を高く設定しない。Ｍｇ濃度を高くすると、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏ（酸化チタン）で形成した場合と同じＲＡの範囲内で比較したときに抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低くなってしまうことがわかっている。よって本形態では、上記のようにＴｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇ濃度を、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下に設定している。

Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）やＴｉ−Ｏ（酸化チタン）は、従来から前記絶縁障壁層５として研究されてきた材質である。Ｍｇ−Ｏは、Ｔｉ−Ｏに比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高くできる能力に優れるが、同時にＲＡも大きくなるといった欠点があった。またＭｇ−Ｏは、潮解性もあった。一方、Ｔｉ−Ｏは、低いＲＡの範囲で、比較的大きい抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る材質であった。

そこで本形態では、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏで形成した場合よりも、同じＲＡの範囲で、より高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得るべく、前記絶縁障壁層５の材質を改良したものである。

前記ＲＡは、高速データ転送の適正化等に極めて重要な値であり、低い値に設定する必要がある。具体的には、ＲＡを２〜７Ωμｍ^２、好ましくは２〜５Ωμｍ^２、より好ましくは、２〜４Ωμｍ^２、最も好ましくは、２〜３Ωμｍ^２の範囲内に設定する。

上記したＭｇ濃度を有するＴｉ−Ｍｇ−Ｏで絶縁障壁層５を形成すれば、低いＲＡを得ることが出来るとともに、低ＲＡの範囲内にてＴｉ−Ｏよりも高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能である。具体的には前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を２０（％）以上、より好ましくは２５（％）以上に設定できる。また前記絶縁障壁層５の潮解性もない。

また前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｍｇ−Ｏにすることで、絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏで形成していた従来に比べて、前記絶縁障壁層５の障壁高さ（ポテンシャル高さ）や障壁幅（ポテンシャル幅）に変化が生じ、これにより、ＶＣＲの絶対値を小さくできると考えられる。

前記ＶＣＲは、素子抵抗の電圧変化依存性を示しており、電圧値Ｖ１のときの素子抵抗をＲ１、電圧値Ｖ２のときの素子抵抗をＲ２としたとき、ＶＣＲ＝［｛（Ｒ２−Ｒ１）／（Ｖ２−Ｖ１）｝／Ｒ１］（ただしＶ２＞Ｖ１）（単位はｐｐｍ／ｍＶ）で計算される。式中の（Ｒ２−Ｒ１）／（Ｖ２−Ｖ１）は、印加電圧の変化に対する素子抵抗の傾き（単位はΩ／ｍＶ）を示しており、前記傾きを、最小電圧値Ｖ１のときの素子抵抗Ｒ１で割ったのがＶＣＲである。

前記ＶＣＲの絶対値が小さいほど、素子抵抗の電圧変化依存性は小さく、すなわち電圧変化しても素子抵抗は変化しにくくなる。作動安定性を向上させるには、前記ＶＣＲの絶対値を小さくすることが必要であり、本実施形態では、従来の前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏで形成したトンネル型磁気検出素子に比べて、前記ＶＣＲの絶対値を小さくできるのである。

また本実施形態では、従来に比べて耐熱性を向上できる。耐熱性は、後述する実験で示すように、加熱前後における最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化率で評価できる。前記最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化率は、［（加熱後の最小抵抗値Ｒｍｉｎ２−加熱前の最小抵抗値Ｒｍｉｎ１）／加熱前の最小抵抗値Ｒｍｉｎ１］×１００（％）で測定できる。

前記最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化率が小さいほど、耐熱性が優れていることを示している。後述するように、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｍｇ−Ｏにし、Ｍｇ濃度を高くすることで、絶縁障壁層５をＴｉ−Ｏで形成していた従来に比べて、最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化率を小さくでき耐熱性を向上できることがわかっている。

このように、Ｍｇ濃度を高くすると、最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化率を小さくできる理由は、Ｍｇが化学的に安定な化合物（ＭｇＯ）を生成しやすいため、Ｍｇ濃度を高くするにつれ、酸素との結合が安定する方向（酸化・還元が生じにくい方向）に作用するからと推測される。

本形態では、Ｍｇ濃度を、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下に設定することが好ましい。また、Ｍｇ濃度を、４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下に設定することがより好ましい。前記Ｍｇ濃度を２０ａｔ％以下、あるいは、１５ａｔ％以下に設定することで、より効果的に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能である。

また後述する実験によれば、前記絶縁障壁層５をＴｉ層とＭｇ層との積層構造で形成し、前記Ｔｉ層とＭｇ層とを酸化処理して形成した場合には、Ｍｇを１０ａｔ％以下にすることで、非常に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を保てることがわかった。一方、前記絶縁障壁層５をＴｉＭｇ合金層を酸化処理して形成した場合には、Ｍｇを２５ａｔ％まで大きくしても非常に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を保てることがわかった。

また、Ｍｇ濃度は４．５ａｔ％以上であることがさらに好ましい。これにより、より効果的に２０（％）以上の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能である。

次に、前記絶縁障壁層５の構造について説明する。
前記絶縁障壁層５は、例えば図２に示すように積層構造で形成されている。図２では、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層５ａとＭｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層５ｂとが積層された構造である。

図２に示すように、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａのほうが、Ｍｇ−Ｏ層５ｂよりも厚い膜厚で形成されている。

図２における形態でも図１と同様に、前記絶縁障壁層５には、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下含まれる。すなわちＭｇ濃度が、４ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲内となるように前記Ｔｉ−Ｏ層５ａ、及び前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂの膜厚は設定されている。
Ｍｇは、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下含まれることが好ましい。

前記絶縁障壁層５の平均膜厚は１０〜２０Å程度であることが好ましい。これにより素子抵抗の急激な上昇やピンホールの発生等を適切に抑制できる。前記絶縁障壁層５の全膜厚に対し、前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂの膜厚比を５〜２５％とすると、前記絶縁障壁層５に含まれるＭｇ濃度を４ａｔ％〜２０ａｔ％の範囲内に設定できる。具体的には、前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂの平均膜厚は０．５Å〜５．０Å程度の範囲内で形成される。

このように前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂの平均膜厚は非常に薄い。図２では、前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの上面（形成面）の全面に形成されているが、実際には、図３に示すように前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの上面（形成面）５ａ１に間欠的に形成されている。

図２，図３では、前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの上面５ａ１に形成されているが、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの下面５ａ２（このときＭｇ−Ｏ層の形成面は、第２固定磁性層４ｃの上面である）に形成されてもよい。あるいは、前記上面５ａ１及び下面５ａ２の双方に形成されてもよい。

また、前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの内部に形成されてもよい。すなわち、前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの上面５ａ１，内部、及び下面５ａ２のうち少なくともいずれか１箇所に形成されている。

ただし、前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂは、前記Ｔｉ−Ｏ層５ａの上面５ａ１，あるいは下面５ａ２、又は、上面５ａ１及び下面５ａ２の双方に形成されることが抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を適切に向上させることが出来るので好ましい。Ｍｇ−Ｏ層５ｂは、Ｔｉ−Ｏ層５ａに比べて抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させる能力に優れる。抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に最も寄与する場所は、固定磁性層４及びフリー磁性層６との界面付近であるから、前記絶縁障壁層５と前記固定磁性層４間、あるいは、前記絶縁障壁層５とフリー磁性層６間、又は前記絶縁障壁層５と前記固定磁性層４及びフリー磁性層６間に極薄の前記Ｍｇ−Ｏ層５ｂを介在させることで抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に向上させることが可能である。

あるいは図４に示すように、前記絶縁障壁層５には膜厚方向（図示Ｚ方向）にＭｇの組成変調領域が形成されていてもよい。すなわち図４の形態は、図２や図３に示すように、Ｔｉ−Ｏ層５ａとＭｇ−Ｏ層５ｂとの界面がはっきりと見えず、Ｔｉ，Ｍｇが互いに拡散することで、一つの層としての前記絶縁障壁層５内部にＭｇの組成変調領域が形成された構造である。実際、アニール処理等によってＭｇとＴｉは拡散し組成変調領域が形成されやすい。

図４に示す右のグラフは、横軸がＭｇ濃度、縦軸が絶縁障壁層との膜厚位置関係を示している。前記グラフ上に図示された曲線がＭｇ濃度の変化を示している。図４に示すようにＭｇ濃度は、前記絶縁障壁層５の上面５ｃ及び下面５ｄ付近で最も高く、膜厚中央に向かうにしたがって徐々に減少している。

図４に示すようなＭｇの組成変調領域が見られると、前記絶縁障壁層５の上面５ｃや下面５ｄ付近でＭｇ−Ｏが高濃度となっているため、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に向上させることが可能である。

なおＭｇの組成変調曲線は、図４に示すグラフの形態に限定されるものでない。例えば絶縁障壁層５の膜厚中央付近で最もＭｇ濃度が高くなる組成変調を起こしても良い。また、Ｍｇは絶縁障壁層５の全体に拡散せず、図４のように、上面５ｃ及び下面５ｄ付近で拡散し、膜厚中心はＴｉ−Ｏだけで形成されている形態が好ましい。

あるいは、前記絶縁障壁層５は、ＴｉＭｇ合金層を酸化処理して形成されたものであってもよい。かかる場合、前記絶縁障壁層５内部には図４に示すようなＭｇの組成変調領域は見当たらず、ＴｉとＭｇとが膜内にほぼ均一に交じり合っているものと考えられる。

前記絶縁障壁層５は、非晶質構造、結晶質構造あるいはその混相で形成されてもよい。前記結晶質構造は、ルチル型構造、体心立方構造、あるいは体心正方構造であることが望ましい。前記絶縁障壁層５上に形成されるエンハンス層６ａは、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に向上させるべく、例えば、Ｃｏ_{１００−ｙ}Ｆｅ_ｙ（ただしＦｅの組成比ｙは、３０ａｔ％以上で１００ａｔ％以下の範囲内）の体心立方構造で形成されるが、前記絶縁障壁層５の結晶質構造がルチル型構造、体心立方構造、あるいは体心正方構造であると、前記絶縁障壁層５と前記エンハンス層６ａとの格子整合性を向上でき、効果的に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上できる。

本形態のように、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成し、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下含まれていると、前記絶縁障壁層５を構成する結晶質構造は、ルチル型構造、体心立方構造、あるいは体心正方構造が安定になりやすいものと考えられる。

一方、前記第２固定磁性層４ｃは、前記エンハンス層６ａよりＦｅ濃度が低いことが望ましい。それは前記絶縁障壁層５に対する酸化処理の際に、前記第２固定磁性層４ｃのＦｅの酸化を抑制でき、また前記第２固定磁性層４ｃの前記絶縁障壁層５との界面付近の酸素が、Ｆｅ組成比の大きい前記エンハンス層６ａ側に引き寄せられ（第２固定磁性層４ｃで還元現象が生じている）、前記第２固定磁性層４ｃのスピン分極率を適切に向上させることが出来るからである。

前記第２固定磁性層４ｃは、Ｃｏ_{１００−ｘ}Ｆｅ_ｘ（ただし、Ｆｅの組成比ｘは、０ａｔ％以上で２０ａｔ％以下の範囲内）の面心立方構造で形成されることが好ましい。

図１に示す形態では、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。

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。

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５ないし図８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５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。

前記第２固定磁性層４ｃ上に、Ｔｉ（チタン）層１５をスパッタ法等で成膜する。さらに前記Ｔｉ層１５上にＭｇ（マグネシウム）層１６をスパッタ法等で成膜する。

本形態では、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比とをあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層１５の膜厚、及び前記Ｍｇ層１６の膜厚を調整する。また、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比とをあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層１５の膜厚、及び前記Ｍｇ層１６の膜厚を調整することがより好ましい。なお、この膜厚調整は、Ｔｉ層１５及びＭｇ層１６が後の工程で全酸化されることを前提にしている。また、膜厚から濃度を計算するために使用したＴｉの密度は４．５（ｇ／ｃｍ^３）、Ｍｇの密度は、１．７３８（ｇ／ｃｍ^３）である。

例えば前記Ｔｉ層１５とＭｇ層１６とを合わせた積層構造の平均膜厚を４〜７Åの範囲内としたときに、このうちＭｇ層１６の平均膜厚（前記Ｍｇ層が複数層設けられている場合は、全てのＭｇ層を合計した平均膜厚）を０．３Å〜２．０Åの範囲内に設定する。このようにＭｇ層１６の平均膜厚は非常に薄い。このとき、前記Ｍｇ層１６は、前記Ｔｉ層１５上の全面に形成されず、間欠的に（島状に）形成される。これにより、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比とをあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下となるように調整できる。

また、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層１５と前記Ｍｇ層１６との膜厚を調整することがより好ましく、例えば、前記Ｔｉ層１５とＭｇ層１６とを合わせた積層構造の平均膜厚を４Å〜７Åの範囲内としたときに、このうちＭｇ層１６（前記Ｍｇ層が複数層設けられている場合は、全てのＭｇ層を合計した平均膜厚）を０．３Å〜１．５Åの範囲内に設定する。またはＭｇ膜厚を１．０Å以下にすることが好ましい。

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及びＭｇ層１６は全酸化され、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層５ａとＭｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層５ｂから成る絶縁障壁層５が形成される。このとき前記絶縁障壁層５に含まれるＭｇ濃度は、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比とをあわせて１００ａｔ％としたとき、４〜２５ａｔ％、あるいは好ましくは４〜２０ａｔ％、またはより好ましくは４〜１５ａｔ％含まれている。

次に、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７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８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。

アニール温度を２４０℃〜３１０℃程度、アニール時間を数時間とした前記アニール処理を行うことで、前記絶縁障壁層５を構成するＴｉとＭｇとが元素拡散を起こして、Ｍｇの組成変調領域が形成されやすい。図５ないし図８に示す工程で形成されたトンネル型磁気検出素子では、絶縁障壁層５の上面５ｃから膜厚中心に向けて徐々にＭｇ濃度が低下する組成変調領域が形成されやすい。

上記したトンネル型磁気検出素子の製造方法では、図５工程で、Ｔｉ層１５上にＭｇ層１６を形成しているが、例えばＭｇ層１６／Ｔｉ層１５、Ｍｇ層１６／Ｔｉ層１５／Ｍｇ層１６、Ｔｉ層１５／Ｍｇ層１６／Ｔｉ層１５等、特に積層構成を制限するものではない。ＴｉとＭｇとの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときにＭｇの組成比が４〜２５ａｔ％の範囲内となっていれば、積層枚数や積層順を制限しない。

ただし、Ｔｉ層１５の上面あるいは下面にＭｇ層１６を設けることが好ましい。これにより絶縁障壁層５の膜厚中心に比して絶縁障壁層５の上面５ｃあるいは下面５ｄに濃度の高いＭｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層が形成され、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を適切に向上させることが可能である。

また、図５の工程時に、ＴｉＭｇ合金層を前記第２固定磁性層４ｃ上に形成し、ＴｉＭｇ合金層を酸化処理してもよい。これによりＴｉ−Ｍｇ−Ｏからなる絶縁障壁層５を形成できる。このときも、予め、ＴｉＭｇ合金層のＭｇ濃度を４〜２５ａｔ％、好ましくは、４〜２０ａｔ％、より好ましくは４〜１５ａｔ％に調整しておく。

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提示できる。ラジカル時間は例えば１００秒から４００秒の範囲である。

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の順で積層されたシングル型のトンネル型磁気検出素子、及びデュアル型のトンネル型磁気検出素子は、いずれも図５ないし図８で説明した製造方法に準じて製造される。

図１に示す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；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６[Ｆｅ_９０at%Ｃｏ_１０at%（１０）／Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（４０）]／Ｒｕ（２０）／保護層７；Ｔａ（１８０）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。

前記積層体Ｔ１を形成した後、２７０℃で３時間４０分間、アニール処理を行った。
前記固定磁性層４上に、ＭｇとＴｉとの積層構造を形成し、その後、ＭｇとＴｉを全酸化させてＴｉ−Ｍｇ−Ｏから成る絶縁障壁層５を形成した。また、前記固定磁性層４上にＴｉだけを形成し、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）から成る絶縁障壁層５も形成した。図９に示す括弧書きは酸化前におけるＴｉ層及びＭｇ層の平均膜厚を示し単位はÅである。またＭｇ濃度は、ＭｇとＴｉの組成比をあわせて１００ａｔ％とし、ＴｉとＭｇとが全拡散したと仮定したときのＭｇ濃度を示している。なお全ての試料において、ラジカル酸化時間を一定（数百秒）とした。

図９に示すように、試料３及び６は、いずれも試料７に比べて、同じＲＡの範囲内で、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下していることがわかった。したがって、Ｍｇ濃度が２０ａｔ％より大きいと、試料７より抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が低下することがわかった。

一方、Ｍｇ濃度が２０ａｔ％以下である残り４つの試料１，２，４，５は、いずれも、試料７に比べて、同じＲＡの範囲で高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られることがわかった。試料１，４のＭｇ濃度はほぼ同じであるが、試料１のほうが、試料４よりも高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得られることがわかった。また試料２，５のＭｇ濃度はほぼ同じであるが、試料２のほうが試料５よりも高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得やすいことがわかった。

試料１，２は、いずれもＴｉ層の上下に極薄のＭｇ層を形成したものであるから、試料１，２では、前記Ｍｇ層を酸化して成るＭｇ−Ｏ層が、Ｔｉ−Ｏ層と第２固定磁性層との界面、及びＴｉ−Ｏ層とフリー磁性層との界面に存在する。このように、第２固定磁性層及びフリー磁性層の界面にＭｇ−Ｏ層を設けることで（実際には元素拡散により膜厚中心に比べて界面付近のＭｇが高濃度となる組成変調領域が形成されていると考えられる）、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上できることがわかった。

図９の実験では、試料１〜６は、いずれもＴｉ層及びＭｇ層が３層の積層構造であったが、次では、２層にして実験を行った。

積層体Ｔ１の基本膜構成及びアニール条件は上記に挙げたとおりである。前記第２固定磁性層上に、図１０に示すＭｇとＴｉとの積層構造を形成し、その後、ＭｇとＴｉを全酸化させてＴｉ−Ｍｇ−Ｏから成る絶縁障壁層５を形成した。また、前記第２固定磁性層上にＴｉだけを形成し、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）から成る絶縁障壁層５も形成した。図１０に示す括弧書きは酸化前におけるＴｉ層及びＭｇ層の平均膜厚を示し単位はÅである。またＭｇ濃度は、ＭｇとＴｉの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときのＭｇ濃度を示している。図１０に示すように、試料８，１０において、Ｍｇの膜厚を０．５Å及び１Åとして、試料９，１１１において、Ｍｇの膜厚を０．３，０．５Å及び１Åとして実験した（図１０のグラフ中の各記号に示された数値はＭｇ膜厚を示している）。なお試料８〜１１において、ラジカル酸化時間を一定（数百秒）とした。また試料１２ではラジカル時間を変化させて実験を行った。

図１０に示すように、ＴｉとＭｇとの２層構造を酸化して成る絶縁障壁層５を有する試料８〜１１は、いずれも、試料１２に比べて、同じＲＡの範囲で高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られることがわかった。このように、Ｔｉ−Ｏ層の上面あるいは下面のうち少なくとも一方に極薄のＭｇ−Ｏ層を設ければ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高くできることがわかった。

次に、以下の表１に示すように様々な絶縁障壁層の積層構造に対するＲＡ及び抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を測定した。なお積層体Ｔ１の基本膜構成及びアニール条件は上記と同じである。表１に示すように、絶縁障壁層は、Ｔｉ層とＭｇ層との積層構造を全酸化したもの、あるいはＴｉ層の単層を酸化したものである。表１に示す絶縁障壁層の左側に第２固定磁性層が、右側にフリー磁性層が存在している。すなわちＴｉ層及びＭｇ層は表１の左側から右側にかけて下から順に積層されている。例えば実施例５の試料では、下からＴｉ（４．６）／Ｍｇ（１．０）の順に積層されている。表１に示す各Ｔｉ及びＭｇの値は膜厚を示し単位はÅである。なおラジカル酸化時間は、数百秒で一定としたが、同じＭｇ濃度を有する試料については、数十秒程度の範囲で時間を変えて実験を行った。

表１には各試料におけるＭｇ濃度（ａｔ％）が表記されている。Ｍｇ濃度は、ＴｉとＭｇとの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときの濃度である。

表１に示すように、実施例１〜２８は、比較例１，２，３に比べていずれも高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を示すことがわかった。表１に示すように実施例の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は少なくとも１５％以上、多くの試料で２０％を超え、さらに２５％を超える試料もあった。

ＲＡについては低いほうが好適である。実施例ではＲＡを２〜７（Ωμｍ^２）、好ましくは２〜５（Ωμｍ^２）、より好ましくは２〜４（Ωμｍ^２）程度に出来ることがわかった。特にＲＡを２〜４（Ωμｍ^２）、あるいは最も好ましくは２〜３（Ωμｍ^２）にできれば、絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した比較例とほぼ同じＲＡの範囲内にて、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能となり、より好適である。

次に、上記で使用した基本膜構成を使用して、絶縁障壁層に含まれるＭｇ組成比と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を調べた。特に、ＴｉＭｇ合金層を酸化処理して形成した絶縁障壁層でも実験した。なお図１１の実験は、ＲＡが比較的高い領域で実験している。

図１１に示すように、Ｔｉ層とＭｇ層とを積層形成しＴｉ層とＭｇ層を酸化処理して成る絶縁障壁層を用いるより、ＴｉＭｇ合金層を酸化処理して成る絶縁障壁層を用いたほうが、Ｍｇ濃度が高くても、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得られることがわかった。

次に、前記積層体Ｔ１を、下から、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６[Ｆｅ_９０at%Ｃｏ_１０at%（１０）／Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（５０）]／Ｒｕ（１０）／保護層７；Ｔａ（２８０）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。

前記積層体Ｔ１を形成した後、２７０℃で４時間、アニール処理を行った。
前記絶縁障壁層の構造は、以下の表２に記載されている。表２に示すように、絶縁障壁層は、Ｔｉ層とＭｇ層との積層構造を全酸化したもの、あるいはＴｉ層の単層を酸化したものである。表２に示す絶縁障壁層の左側に第２固定磁性層が、右側にフリー磁性層が存在している。すなわちＴｉ層及びＭｇ層は表２の左側から右側にかけて下から順に積層されている。表２に示す各Ｔｉ及びＭｇの値は膜厚を示し単位はÅである。

そして表２に示す各試料に対してＶＣＲを測定した。なおＶＣＲは、｛（Ｒ２−Ｒ１）／（Ｖ２−Ｖ１）｝／Ｒ１］（ただしＶ２＞Ｖ１）（単位はｐｐｍ／ｍＶ）で計算されるが、印加電圧Ｖ１，Ｖ２は各試料において統一した値とした。

図１２は、表２の実験結果を基に、各試料におけるＭｇ濃度（ａｔ％）とＶＣＲとの関係を示すグラフである。Ｍｇ濃度は、ＴｉとＭｇとの組成比をあわせて１００ａｔ％とし、ＴｉとＭｇとが全拡散したと仮定したときの濃度を示している。

表２及び図１２に示すように、Ｍｇ濃度が高くなるほど、徐々にＶＣＲの絶対値が小さくなることがわかった。そして、絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した比較例４に対し、実施例２９〜３９のいずれの試料も、ＶＣＲの絶対値を小さい値にでき、前記ＶＣＲの改善を図ることが出来ることがわかった。

次に、前記積層体Ｔ１を、下から、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６[Ｆｅ_９０at%Ｃｏ_１０at%（１０）／Ｎｉ_{８６ａｔ％}Ｆｅ_{１４ａｔ％}（５０）]／Ｒｕ（１０）／保護層７；Ｔａ（２８０）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。

前記積層体Ｔ１を形成した後、２７０℃で４時間、アニール処理を行った。
前記絶縁障壁層の構造及び膜厚は、図１３の横軸に記載されている。図１３に示すように、最も右側に図示された試料の絶縁障壁層はＴｉ単層を酸化した従来例であり、残りの試料には、Ｔｉ／Ｍｇ積層体を全酸化した絶縁障壁層、あるいはＴｉＭｇ合金を全酸化した絶縁障壁層の２種類用意されている。

実験では、各試料のＲＨカーブから加熱前の最小抵抗値Ｒｍｉｎ１を測定し、次に、各試料を２２０℃で７分間加熱して各試料のＲＨカーブから加熱後の最小抵抗値Ｒｍｉｎ２を測定した。

そして、最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化量（％）を、［（加熱後の最小抵抗値Ｒｍｉｎ２−加熱前の最小抵抗値Ｒｍｉｎ１）／加熱前の最小抵抗値Ｒｍｉｎ１］×１００（％）として計算した。

図１４は、図１３の各試料の絶縁障壁層におけるＭｇ濃度と、最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化量（％）との関係を示している。Ｍｇ濃度は、ＴｉとＭｇとの組成比をあわせて１００ａｔ％とし、ＴｉとＭｇとが全拡散したと仮定したときの濃度を示している。

図１３、図１４に示すように、絶縁障壁層をＴｉ−Ｏで形成した従来例に比べて、絶縁障壁層をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成したほうが、最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化量（％）を小さくでき耐熱性を向上できることがわかった。

図１４に示すようにＭｇ濃度が高くなりにつれて、徐々に最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化量（％）が小さくなっていくことがわかった。これはＭｇ添加によって酸素との結合が安定する方向（酸化、還元が生じにくくなる方向）に作用するためと推測される。

図９，図１０、図１１、図１２、図１３、図１４及び表１、表２の実験結果から、絶縁障壁層をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成し、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇ濃度を、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下、好ましくは、Ｍｇ濃度を、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下、より好ましくは、Ｍｇ濃度を、４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下、さらに好ましくはＭｇ濃度を、４ａｔ％以上で１０ａｔ％以下にすることで、Ｔｉ−Ｏで絶縁障壁層を形成したときとほぼ同じ低ＲＡの範囲で、前記Ｔｉ−Ｏの絶縁障壁層よりも高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が得られ、且つＶＣＲの絶対値を小さい値にでき、耐熱性を向上できることがわかった。

また、Ｍｇ濃度を４．５ａｔ％以上、さらには８．０ａｔ％以上にすることが、より安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る点で、さらに好ましい。

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、 本実施形態の絶縁障壁層の構造を示す部分拡大断面図、 本実施形態の絶縁障壁層の構造を示す部分拡大断面図と、Ｍｇ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）、 図６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７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）、 試料１〜７のＴｉとＭｇとの積層構造、あるいはＴｉの単層を酸化させて成る絶縁障壁層を有するトンネル型磁気検出素子のＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、 試料８〜１２のＴｉとＭｇとの積層構造、あるいはＴｉの単層を酸化させて成る絶縁障壁層を有するトンネル型磁気検出素子のＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、 絶縁障壁層のＭｇ濃度と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、 比較例４及び実施例２９〜３９の各試料の絶縁障壁層に含まれるＭｇ濃度（ＴｉとＭｇとの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときの濃度。単位はａｔ％）とＶＣＲとの関係を示すグラフ、 Ｍｇ／Ｔｉとの積層構造、ＭｇＴｉ合金、Ｔｉ単層を夫々、酸化させて成る絶縁障壁層を有するトンネル型磁気検出素子の最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化率（％）を示す棒グラフ、 図１３の各試料のＭｇ濃度（ＴｉとＭｇとの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときの濃度。単位はａｔ％）と、最小抵抗値Ｒｍｉｎの変化率（％）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
５ａ Ｔｉ−Ｏ層
５ｂ Ｍｇ−Ｏ層
６ フリー磁性層
７ 保護層
１５ Ｔｉ層
１６ Ｍｇ層
２２、２４ 絶縁層
２３ ハードバイアス層

Claims (18)

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−Ｍｇ−Ｏからなり、
   Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇは、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下含まれることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
2. Ｍｇは、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下含まれる請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
3. Ｍｇは、４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下含まれる請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
4. 前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層の内部、上面、あるいは下面のうち少なくともいずれか１箇所に、Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層が形成された構造である請求項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Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層は、少なくとも、前記Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）層の上面あるいは下面、又は上面及び下面の双方に形成されている請求項４記載のトンネル型磁気検出素子。
6. 前記Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）層は形成面上に間欠的に形成されている請求項４又は５に記載のトンネル型磁気検出素子。
7. 前記絶縁障壁層には、膜厚方向にＭｇの組成変調領域が形成されている請求項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。
8. Ｍｇ濃度は、前記絶縁障壁層の上面あるいは下面、又は上面及び下面の双方において他の領域よりも高くなっている請求項７記載のトンネル型磁気検出素子。
9. 前記絶縁障壁層は、ＴｉＭｇ合金を酸化して形成されたものである請求項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。
10. 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） 第１磁性層上に、Ｔｉ（チタン）層とＭｇ（マグネシウム）層との積層構造を形成し、この際、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層と前記Ｍｇ層との膜厚を調整する工程、
    （ｂ） 前記Ｔｉ層及び前記Ｍｇ層を酸化処理して、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏからなる絶縁障壁層を形成する工程、
    （ｃ） 前記絶縁障壁層上に第２磁性層を形成する工程。
11. 前記（ａ）工程において、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、ＭｇがＭｇが４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層と前記Ｍｇ層との膜厚を調整する請求項１０記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
12. 前記（ａ）工程において、前記積層構造の平均膜厚を４Å〜７Åの範囲内とし、このうちＭｇ層の平均膜厚（前記Ｍｇ層が複数層設けられている場合は、全てのＭｇ層を合計した平均膜厚）を０．３Å〜２．０Åの範囲内に設定する請求項１１記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
13. 前記（ａ）工程において、Ｔｉの組成比とＭｇの組成比をあわせて１００ａｔ％としたときに、Ｍｇが４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下となるように、前記Ｔｉ層と前記Ｍｇ層との膜厚を調整する請求項１０記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
14. 前記（ａ）工程において、前記積層構造の平均膜厚を４Å〜７Åの範囲内とし、このうちＭｇ層の平均膜厚（前記Ｍｇ層が複数層設けられている場合は、全てのＭｇ層を合計した平均膜厚）を０．３Å〜１．５Åの範囲内に設定する請求項１３記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
15. 前記Ｍｇ層を、少なくとも、前記第１磁性層と前記Ｔｉ層との間、あるいは、前記第２磁性層と前記Ｔｉ層の間、又は、前記Ｔｉ層と第１磁性層との間及び前記Ｔｉ層と前記第２磁性層との間に形成する請求項１０ないし１４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。
16. 前記（ａ）工程において、前記積層構造の形成に代えて、前記第１磁性層上に、４ａｔ％以上で２５ａｔ％以下のＭｇを含むＴｉＭｇ合金層を形成し、前記（ｂ）工程において、ＴｉＭｇ層を酸化処理する請求項１０記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
17. 前記（ａ）工程において、前記第１磁性層上に、４ａｔ％以上で２０ａｔ％以下のＭｇを含むＴｉＭｇ合金層を形成する請求項１６記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。
18. 前記（ａ）工程において、前記第１磁性層上に、４ａｔ％以上で１５ａｔ％以下のＭｇを含むＴｉＭｇ合金層を形成する請求項１６記載のトンネル型磁気検出素子の製造方法。

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