JP2871670B1 - 強磁性トンネル接合磁気センサ、その製造方法、磁気ヘッド、および磁気記録／再生装置 - Google Patents
強磁性トンネル接合磁気センサ、その製造方法、磁気ヘッド、および磁気記録／再生装置Info
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Abstract
【要約】
【課題】 磁気抵抗変化率が大きく、耐熱性の高い強磁
性トンネル接合磁気センサを提供する。 【解決手段】 強磁性トンネル接合のトンネル絶縁膜
を、厚さが１．７ｎｍ以下の非磁性金属の表面酸化によ
り形成し、さらに２００〜３００°Ｃで加熱処理を行
い、下側強磁性層表面の酸素を前記非磁性金属により吸
収する。
性トンネル接合磁気センサを提供する。 【解決手段】 強磁性トンネル接合のトンネル絶縁膜
を、厚さが１．７ｎｍ以下の非磁性金属の表面酸化によ
り形成し、さらに２００〜３００°Ｃで加熱処理を行
い、下側強磁性層表面の酸素を前記非磁性金属により吸
収する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に磁気ヘッドに
関し、特にいわゆる強磁性トンネル接合を利用した高感
度磁気ヘッドに関する。磁気ヘッドはビデオレコーダや
テープレコーダ等の映像・音響機器からコンピュータ等
の情報処理装置にいたるまで広範囲に使われている。特
に、情報処理装置においては、画像データや音声データ
の処理に関連して非常に大量の情報信号を記録する必要
が生じており、このため記録密度の高い、大容量の高速
磁気記憶装置が必要となっている。かかる高速の大容量
磁気記憶装置は所望の高い記録密度で書込みおよび読出
しが可能な磁気ヘッドを必要とする。
関し、特にいわゆる強磁性トンネル接合を利用した高感
度磁気ヘッドに関する。磁気ヘッドはビデオレコーダや
テープレコーダ等の映像・音響機器からコンピュータ等
の情報処理装置にいたるまで広範囲に使われている。特
に、情報処理装置においては、画像データや音声データ
の処理に関連して非常に大量の情報信号を記録する必要
が生じており、このため記録密度の高い、大容量の高速
磁気記憶装置が必要となっている。かかる高速の大容量
磁気記憶装置は所望の高い記録密度で書込みおよび読出
しが可能な磁気ヘッドを必要とする。
【０００２】磁気ヘッドで読出しできる情報の記録密
度、すなわち分解能は、主に磁気ヘッドのギャップ幅と
記録媒体からの距離で決まる。磁気コアにコイルを巻回
したインダクション型の磁気ヘッドでは、ギャップ幅が
１μｍの場合に約６５Ｍビット／平方インチの記録密度
が達成されているが、将来的には２０Ｇビット／平方イ
ンチを超える非常に高い記録密度での読み書きが可能な
磁気ヘッドが必要になると予測されており、このために
は非常に微弱な磁気信号を検出できる、高感度磁気セン
サが必要になる。このような非常に微小な磁化スポット
を高速で検出するには、従来の電磁変換器の原理にもと
づくインダクション型の磁気ヘッドでは十分な分解能や
感度、あるいは応答特性を与えることができない。
度、すなわち分解能は、主に磁気ヘッドのギャップ幅と
記録媒体からの距離で決まる。磁気コアにコイルを巻回
したインダクション型の磁気ヘッドでは、ギャップ幅が
１μｍの場合に約６５Ｍビット／平方インチの記録密度
が達成されているが、将来的には２０Ｇビット／平方イ
ンチを超える非常に高い記録密度での読み書きが可能な
磁気ヘッドが必要になると予測されており、このために
は非常に微弱な磁気信号を検出できる、高感度磁気セン
サが必要になる。このような非常に微小な磁化スポット
を高速で検出するには、従来の電磁変換器の原理にもと
づくインダクション型の磁気ヘッドでは十分な分解能や
感度、あるいは応答特性を与えることができない。
【０００３】かかる非常に微小な記録ドットを検出でき
る高感度磁気ヘッドとしては、従来より異方性磁気抵抗
（ＭＲ）効果を使ったＭＲ磁気センサあるいは巨大磁気
抵抗（ＧＭＲ）効果を使ったＧＭＲセンサを備えた磁気
ヘッドが提案されている
る高感度磁気ヘッドとしては、従来より異方性磁気抵抗
（ＭＲ）効果を使ったＭＲ磁気センサあるいは巨大磁気
抵抗（ＧＭＲ）効果を使ったＧＭＲセンサを備えた磁気
ヘッドが提案されている
【０００４】
【従来の技術】図２０は、典型的な従来の超高分解能磁
気記録／再生ヘッド１０の断面図を示す。図２０を参照
するに、磁気ヘッド１０は、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＴｉＣ等のセ
ラミック基板１１上に形成され、前記基板１１上に形成
された下側磁気シールド１２と、前記下側磁気シールド
上に、非磁性絶縁膜１３を介して形成された上側磁気シ
ールド１４と、前記上下の磁気シールド１２，１４によ
り、前記磁気ヘッド１０の前端部に形成された読み取り
ギャップ１５中に配設された磁気センサ１６とを含み、
さらに前記上側磁気シールド１４上には、非磁性絶縁膜
１７を介して磁極１８が形成されている。前記磁気シー
ルド１４と磁極１８との間には、前記磁気ヘッド１０の
前端部において書込みギャップ１９が形成され、また前
記絶縁膜１２中には書込みコイルパターン１７Ｃが形成
されている。
気記録／再生ヘッド１０の断面図を示す。図２０を参照
するに、磁気ヘッド１０は、Ａｌ2 Ｏ3 ・ＴｉＣ等のセ
ラミック基板１１上に形成され、前記基板１１上に形成
された下側磁気シールド１２と、前記下側磁気シールド
上に、非磁性絶縁膜１３を介して形成された上側磁気シ
ールド１４と、前記上下の磁気シールド１２，１４によ
り、前記磁気ヘッド１０の前端部に形成された読み取り
ギャップ１５中に配設された磁気センサ１６とを含み、
さらに前記上側磁気シールド１４上には、非磁性絶縁膜
１７を介して磁極１８が形成されている。前記磁気シー
ルド１４と磁極１８との間には、前記磁気ヘッド１０の
前端部において書込みギャップ１９が形成され、また前
記絶縁膜１２中には書込みコイルパターン１７Ｃが形成
されている。
【０００５】図２０の磁気ヘッド１０において、磁気セ
ンサ１６としては従来よりスピンバルブＧＭＲ磁気セン
サ等、様々な構成のＧＭＲ超高感度磁気センサが提案さ
れている。スピンバルブＧＭＲ磁気センサは、ＦｅＭ
ｎ, ＩｒＭｎ, ＲｈＭｎ、さらにはＰｔＭｎあるいはＰ
ｄＰｔＭｎＮ等より選ばれる反強磁性層に隣接して形成
され磁化方向が前記反強磁性層により固定されたＮｉＦ
ｅあるいはＣｏ等の強磁性体よりなるピンド層と、前記
ピンド層から間に介在するＣｕ等の非磁性層を隔てて形
成され、前記ピンド層と交換結合し、また磁化方向が外
部磁場により変化するＮｉＦｅあるいはＣｏ等の強磁性
体よりなるフリー層とを含み、フリー層の磁化方向がピ
ンド層の磁化方向に対してなす角度に応じて磁気センサ
の抵抗が変化する。
ンサ１６としては従来よりスピンバルブＧＭＲ磁気セン
サ等、様々な構成のＧＭＲ超高感度磁気センサが提案さ
れている。スピンバルブＧＭＲ磁気センサは、ＦｅＭ
ｎ, ＩｒＭｎ, ＲｈＭｎ、さらにはＰｔＭｎあるいはＰ
ｄＰｔＭｎＮ等より選ばれる反強磁性層に隣接して形成
され磁化方向が前記反強磁性層により固定されたＮｉＦ
ｅあるいはＣｏ等の強磁性体よりなるピンド層と、前記
ピンド層から間に介在するＣｕ等の非磁性層を隔てて形
成され、前記ピンド層と交換結合し、また磁化方向が外
部磁場により変化するＮｉＦｅあるいはＣｏ等の強磁性
体よりなるフリー層とを含み、フリー層の磁化方向がピ
ンド層の磁化方向に対してなす角度に応じて磁気センサ
の抵抗が変化する。
【０００６】しかし、このようなＧＭＲ磁気センサは、
特に非磁性層が強磁性層に隣接して形成される構造上の
特徴に関連して、加熱処理に対して脆弱である問題点を
一般に有する。一方、図２０の磁気ヘッド１０を製造す
る場合、以下に説明するように、２５０°Ｃ〜３００°
Ｃにおける熱処理が磁気センサに加えられるのは一般に
不可避である。
特に非磁性層が強磁性層に隣接して形成される構造上の
特徴に関連して、加熱処理に対して脆弱である問題点を
一般に有する。一方、図２０の磁気ヘッド１０を製造す
る場合、以下に説明するように、２５０°Ｃ〜３００°
Ｃにおける熱処理が磁気センサに加えられるのは一般に
不可避である。
【０００７】図２１（Ａ）〜（Ｃ）および図２２（Ｄ）
〜（Ｅ）はかかる図２０の磁気ヘッド１０の典型的な製
造工程を示す。図２１（Ａ）を参照するに、磁気センサ
１６および上側磁気シールド１４を含む磁気構造を形成
した後、最上部の上側磁気シールド１４上に前記書き込
みギャップ１９に対応する薄い絶縁膜を形成し、さらに
前記絶縁膜上にレジストパターン１７Ａを形成する。
〜（Ｅ）はかかる図２０の磁気ヘッド１０の典型的な製
造工程を示す。図２１（Ａ）を参照するに、磁気センサ
１６および上側磁気シールド１４を含む磁気構造を形成
した後、最上部の上側磁気シールド１４上に前記書き込
みギャップ１９に対応する薄い絶縁膜を形成し、さらに
前記絶縁膜上にレジストパターン１７Ａを形成する。
【０００８】次に、図２１（Ｂ）の工程で図２１（Ａ）
の構造を２５０°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱処理し、前
記レジストパターン１７Ａの垂直に屹立する前端面をリ
フローにより鈍らせ、湾曲したスロープ面を形成する。
さらに図２１（Ｃ）の工程で前記熱処理されたレジスト
パターン１７Ａ上にコイルパターン１７Ｃが形成され、
さらに前記コイルパターン１７Ｃを埋めるように別のレ
ジストパターン１７Ｂが形成される。形成されたレジス
トパターン１７Ｂは図２１（Ａ）の状態におけるレジス
トパターン１７Ａと同様に垂直に屹立する前端面を有す
るが、図２１（Ｃ）の構造はさらに図２２（Ｄ）の工程
で２５０°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱処理され、レジス
トパターン１７Ｂの前端面が鈍らされる。すなわち、図
２２（Ｄ）の熱処理およびリフローの結果、前記レジス
トパターン１７Ｂの前端面は湾曲したスロープ形状を形
成する。
の構造を２５０°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱処理し、前
記レジストパターン１７Ａの垂直に屹立する前端面をリ
フローにより鈍らせ、湾曲したスロープ面を形成する。
さらに図２１（Ｃ）の工程で前記熱処理されたレジスト
パターン１７Ａ上にコイルパターン１７Ｃが形成され、
さらに前記コイルパターン１７Ｃを埋めるように別のレ
ジストパターン１７Ｂが形成される。形成されたレジス
トパターン１７Ｂは図２１（Ａ）の状態におけるレジス
トパターン１７Ａと同様に垂直に屹立する前端面を有す
るが、図２１（Ｃ）の構造はさらに図２２（Ｄ）の工程
で２５０°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱処理され、レジス
トパターン１７Ｂの前端面が鈍らされる。すなわち、図
２２（Ｄ）の熱処理およびリフローの結果、前記レジス
トパターン１７Ｂの前端面は湾曲したスロープ形状を形
成する。
【０００９】さらに、図２２（Ｅ）の工程において図２
２（Ｄ）の構造上に磁極１８が形成され、図１の構造の
磁気ヘッド１０が形成される。上記図２１（Ａ）〜２２
（Ｅ）の工程では、レジスト層１７Ａ、１７Ｂのリフロ
ーが磁気センサ１６が形成された後でなされるため、図
２１（Ｂ）の工程と図２２（Ｄ）の工程において、前記
磁気センサ１６は計２回にわたって２５０°Ｃ〜３００
°Ｃの温度での熱処理を受けることになるが、磁気セン
サ１６がＧＭＲ磁気センサの場合、このような熱処理の
結果、ＧＭＲ磁気センサに特徴的な大きな磁気抵抗変化
率の大部分は失われてしまう。また、スピンバルブ磁気
センサでは、ピンド層にＰｔＭｎあるいはＰｄＰｔＭｎ
Ｎ等を使う場合、反強磁性層を結晶化させる必要がある
が、このためにも２５０°Ｃ以上の温度での熱処理が不
可欠である。
２（Ｄ）の構造上に磁極１８が形成され、図１の構造の
磁気ヘッド１０が形成される。上記図２１（Ａ）〜２２
（Ｅ）の工程では、レジスト層１７Ａ、１７Ｂのリフロ
ーが磁気センサ１６が形成された後でなされるため、図
２１（Ｂ）の工程と図２２（Ｄ）の工程において、前記
磁気センサ１６は計２回にわたって２５０°Ｃ〜３００
°Ｃの温度での熱処理を受けることになるが、磁気セン
サ１６がＧＭＲ磁気センサの場合、このような熱処理の
結果、ＧＭＲ磁気センサに特徴的な大きな磁気抵抗変化
率の大部分は失われてしまう。また、スピンバルブ磁気
センサでは、ピンド層にＰｔＭｎあるいはＰｄＰｔＭｎ
Ｎ等を使う場合、反強磁性層を結晶化させる必要がある
が、このためにも２５０°Ｃ以上の温度での熱処理が不
可欠である。
【００１０】一方、磁気ヘッド１０等の超高分解能磁気
ヘッドの磁気センサとして、一対の強磁性層の間にトン
ネル絶縁膜を挟持した構成の強磁性トンネル接合磁気セ
ンサを使用することが提案されている。かかる強磁性ト
ンネル接合磁気センサは微弱な磁場変化に対して非常に
大きな磁気抵抗変化を示すと考えられ、かかる超高分解
能磁気ヘッド１０の超高感度磁気センサとして有望であ
る。
ヘッドの磁気センサとして、一対の強磁性層の間にトン
ネル絶縁膜を挟持した構成の強磁性トンネル接合磁気セ
ンサを使用することが提案されている。かかる強磁性ト
ンネル接合磁気センサは微弱な磁場変化に対して非常に
大きな磁気抵抗変化を示すと考えられ、かかる超高分解
能磁気ヘッド１０の超高感度磁気センサとして有望であ
る。
【００１１】図２３（Ａ），（Ｂ）は、かかる強磁性ト
ンネル接合磁気センサ１６の原理を説明する図である。
図２３（Ａ），（Ｂ）を参照するに、強磁性トンネル接
合磁気センサ１６は、ＮｉＦｅあるいはＣｏ等よりなる
下側強磁性層１６Ａと上側強磁性層１６Ｂとの間に挟持
された厚さが数ｎｍ程度の組成がＡｌＯx で表されるト
ンネル絶縁膜１６Ｃを備え、上向きスピンを有する電子
および下向きスピンを有する電子が、前記トンネル絶縁
膜１６Ｃ中を、前記トンネル絶縁膜１６Ｃの主面に略垂
直な方向に流れるトンネル電流を形成する。
ンネル接合磁気センサ１６の原理を説明する図である。
図２３（Ａ），（Ｂ）を参照するに、強磁性トンネル接
合磁気センサ１６は、ＮｉＦｅあるいはＣｏ等よりなる
下側強磁性層１６Ａと上側強磁性層１６Ｂとの間に挟持
された厚さが数ｎｍ程度の組成がＡｌＯx で表されるト
ンネル絶縁膜１６Ｃを備え、上向きスピンを有する電子
および下向きスピンを有する電子が、前記トンネル絶縁
膜１６Ｃ中を、前記トンネル絶縁膜１６Ｃの主面に略垂
直な方向に流れるトンネル電流を形成する。
【００１２】図２３（Ａ），（Ｂ）中、図４（Ａ）は外
部磁場が実質的に存在しない状態を示し、強磁性層１６
Ａ中の磁化方向と強磁性層１６Ｂ中の磁化方向とが、前
記層１６Ａ，１６Ｂ間に作用する交換相互作用により、
反平行になっている。これに対し、図２３（Ｂ）の状態
では外部磁場Ｈにより、強磁性層１６Ａおよび１６Ｂ中
に磁化方向が平行になっている。
部磁場が実質的に存在しない状態を示し、強磁性層１６
Ａ中の磁化方向と強磁性層１６Ｂ中の磁化方向とが、前
記層１６Ａ，１６Ｂ間に作用する交換相互作用により、
反平行になっている。これに対し、図２３（Ｂ）の状態
では外部磁場Ｈにより、強磁性層１６Ａおよび１６Ｂ中
に磁化方向が平行になっている。
【００１３】このような構成の強磁性トンネル接合磁気
センサでは、前記トンネル電流のトンネル確率が上下の
強磁性層１６Ａ，１６Ｂの磁化状態に依存して変化し、
その結果磁気センサのトンネル抵抗Ｒが、外部磁場Ｈに
より、関係式 Ｒ＝Ｒs ＋（１／２）ΔＲ（１−ｃｏｓθ）
（１） により変化する。ただし、上式中Ｒs は磁性層１６Ａ，
１６Ｂの磁化方向が平行である場合のトンネル抵抗を表
し、θは磁性層１６Ａ中の磁化と磁性層１６Ｂ中の磁化
がなす角度を示す。またΔＲは磁性層１６Ａ，１６Ｂ中
の磁化方向が平行である場合と反平行である場合のトン
ネル抵抗の差を表し、常に正の値を有する。前記ΔＲを
使い、トンネル抵抗変化率がΔＲ／Ｒs で定義される。
センサでは、前記トンネル電流のトンネル確率が上下の
強磁性層１６Ａ，１６Ｂの磁化状態に依存して変化し、
その結果磁気センサのトンネル抵抗Ｒが、外部磁場Ｈに
より、関係式 Ｒ＝Ｒs ＋（１／２）ΔＲ（１−ｃｏｓθ）
（１） により変化する。ただし、上式中Ｒs は磁性層１６Ａ，
１６Ｂの磁化方向が平行である場合のトンネル抵抗を表
し、θは磁性層１６Ａ中の磁化と磁性層１６Ｂ中の磁化
がなす角度を示す。またΔＲは磁性層１６Ａ，１６Ｂ中
の磁化方向が平行である場合と反平行である場合のトン
ネル抵抗の差を表し、常に正の値を有する。前記ΔＲを
使い、トンネル抵抗変化率がΔＲ／Ｒs で定義される。
【００１４】式（１）よりわかるように、トンネル抵抗
Ｒは磁性層１６Ａ，１６Ｂの磁化方向が平行である場合
に最小になり、反平行である場合に最大になる。かかる
磁気抵抗の変化は、前記電子流が上向きスピンを有する
電子（アップスピン電子）と下向きスピンを有する電子
( ダウンスピン電子）とを含むことに起因する。一般に
非磁性体ではアップスピン電子の数とダウンスピン電子
の数は等しく、このため非磁性体は全体としては磁性を
示さない。これに対し、強磁性体内ではアップスピン電
子の数とダウンスピン電子の数とが異なり、従って強磁
性体は全体として上向きあるいは下向きの磁化を示す。
Ｒは磁性層１６Ａ，１６Ｂの磁化方向が平行である場合
に最小になり、反平行である場合に最大になる。かかる
磁気抵抗の変化は、前記電子流が上向きスピンを有する
電子（アップスピン電子）と下向きスピンを有する電子
( ダウンスピン電子）とを含むことに起因する。一般に
非磁性体ではアップスピン電子の数とダウンスピン電子
の数は等しく、このため非磁性体は全体としては磁性を
示さない。これに対し、強磁性体内ではアップスピン電
子の数とダウンスピン電子の数とが異なり、従って強磁
性体は全体として上向きあるいは下向きの磁化を示す。
【００１５】このような強磁性体層１６Ａ，１６Ｂの間
を電子がトンネルする場合、電子のスピン状態はトンネ
ルの前と後で保存されるが、このことはまた、電子が一
方の強磁性体層から他方の強磁性体層にトンネルするに
は、前記他方の強磁性体層中に、前記当該電子のスピン
状態に対応した空きエネルギ準位が存在する必要がある
ことを意味している。このような空きエネルギ準位が存
在しない場合、電子のトンネルは生じない。
を電子がトンネルする場合、電子のスピン状態はトンネ
ルの前と後で保存されるが、このことはまた、電子が一
方の強磁性体層から他方の強磁性体層にトンネルするに
は、前記他方の強磁性体層中に、前記当該電子のスピン
状態に対応した空きエネルギ準位が存在する必要がある
ことを意味している。このような空きエネルギ準位が存
在しない場合、電子のトンネルは生じない。
【００１６】前記トンネル抵抗の変化率ΔＲ／Ｒs （Ｍ
Ｒ比）は電子源強磁性層１６Ｂ中のスピン分極率とトン
ネル先強磁性層１６Ａのエネルギ準位における分極率と
の積として、次式 ΔＲ／Ｒs ＝２Ｐ1 Ｐ2 ／（１−Ｐ1 Ｐ2 ） により表される。ただし、Ｐ1 は強磁性層１６Ｂ中のス
ピン分極率を、またＰ2は強磁性層１６Ａ中の空き準位
のスピン分極率を表す。Ｐ1 およびＰ2 は Ｐ1 ，Ｐ2 ＝２（Ｎup−Ｎdown）／（Ｎup＋Ｎdown） で与えられる。ただしＮupはアップスピン電子数ないし
アップスピン電子に対する準位数を、またＮdownはダウ
ンスピン電子数ないしダウンスピン電子に対する準位数
を表す。
Ｒ比）は電子源強磁性層１６Ｂ中のスピン分極率とトン
ネル先強磁性層１６Ａのエネルギ準位における分極率と
の積として、次式 ΔＲ／Ｒs ＝２Ｐ1 Ｐ2 ／（１−Ｐ1 Ｐ2 ） により表される。ただし、Ｐ1 は強磁性層１６Ｂ中のス
ピン分極率を、またＰ2は強磁性層１６Ａ中の空き準位
のスピン分極率を表す。Ｐ1 およびＰ2 は Ｐ1 ，Ｐ2 ＝２（Ｎup−Ｎdown）／（Ｎup＋Ｎdown） で与えられる。ただしＮupはアップスピン電子数ないし
アップスピン電子に対する準位数を、またＮdownはダウ
ンスピン電子数ないしダウンスピン電子に対する準位数
を表す。
【００１７】一般にスピン分極率Ｐ1 ，Ｐ2 は強磁性材
料の種類に依存するが、材料によっては５０％近い値が
得られる場合もあり、従ってかかる強磁性トンネル接合
を使った磁気センサでは、異方性磁気抵抗効果や巨大磁
気抵抗効果（いわゆるＧＭＲ）を使った磁気センサより
もはるかに大きい、数十％に達する磁気抵抗変化率が期
待される。すなわち、強磁性トンネル接合磁気センサを
使った磁気ヘッドは、非常に高分解能な磁気記録再生に
有効であると期待されている。例えば特開平４−１０３
０１４号公報を参照。
料の種類に依存するが、材料によっては５０％近い値が
得られる場合もあり、従ってかかる強磁性トンネル接合
を使った磁気センサでは、異方性磁気抵抗効果や巨大磁
気抵抗効果（いわゆるＧＭＲ）を使った磁気センサより
もはるかに大きい、数十％に達する磁気抵抗変化率が期
待される。すなわち、強磁性トンネル接合磁気センサを
使った磁気ヘッドは、非常に高分解能な磁気記録再生に
有効であると期待されている。例えば特開平４−１０３
０１４号公報を参照。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、強磁性トンネ
ル接合を使った磁気センサで実現されているＭＲ比は、
現状では予期に反して前記理論値よりもはるかに小さ
く、室温で２０％を超える素子を製作したとの報告は数
例しかない。しかも、これらの成功例においても、ＭＲ
比が経時変化により減少したり、あるいは素子の耐圧が
低く、そのため抵抗値の変化を検出するのが困難である
等の問題が生じている。これは、素子製造工程中におけ
るパーティクル等の混入等により、薄いトンネル絶縁膜
と隣接する磁性層との間の界面に欠陥が生じていること
によるものと考えられる。
ル接合を使った磁気センサで実現されているＭＲ比は、
現状では予期に反して前記理論値よりもはるかに小さ
く、室温で２０％を超える素子を製作したとの報告は数
例しかない。しかも、これらの成功例においても、ＭＲ
比が経時変化により減少したり、あるいは素子の耐圧が
低く、そのため抵抗値の変化を検出するのが困難である
等の問題が生じている。これは、素子製造工程中におけ
るパーティクル等の混入等により、薄いトンネル絶縁膜
と隣接する磁性層との間の界面に欠陥が生じていること
によるものと考えられる。
【００１９】従来より、図２３（Ａ），（Ｂ）の構造に
おいて強磁性トンネル接合を構成する薄い絶縁膜１６Ｃ
は、Ａｌ層を下側磁性層１６Ａ上にスパッタリング等に
より５ｎｍ（５０Å）程度の厚さに堆積し、これを酸化
することにより、ＡｌＯx 層の形で形成されるのが一般
的であるが（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn.Mat
er.139, 1995, L231 ）、このような構成の強磁性トン
ネル接合は、前記絶縁膜１６Ｃを担持する非磁性のＡｌ
層が実質的な厚さを有しているため、得られるＭＲ比が
低いという問題点を有している。
おいて強磁性トンネル接合を構成する薄い絶縁膜１６Ｃ
は、Ａｌ層を下側磁性層１６Ａ上にスパッタリング等に
より５ｎｍ（５０Å）程度の厚さに堆積し、これを酸化
することにより、ＡｌＯx 層の形で形成されるのが一般
的であるが（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn.Mat
er.139, 1995, L231 ）、このような構成の強磁性トン
ネル接合は、前記絶縁膜１６Ｃを担持する非磁性のＡｌ
層が実質的な厚さを有しているため、得られるＭＲ比が
低いという問題点を有している。
【００２０】また、図２１（Ａ）〜２２（Ｅ）の磁気ヘ
ッドの製造工程、特に図２１（Ｂ）あるいは図２２
（Ｄ）の熱処理工程において、前記Ａｌ層がその下の前
記強磁性層１６Ａと反応して強磁性層１６Ａ中に非磁性
の固溶体を形成してしまうおそれがある。すなわち、従
来の強磁性トンネル接合磁気センサは、ＧＭＲ磁気セン
サと同様に熱処理に対して脆弱である問題点を有してい
ると考えられる。
ッドの製造工程、特に図２１（Ｂ）あるいは図２２
（Ｄ）の熱処理工程において、前記Ａｌ層がその下の前
記強磁性層１６Ａと反応して強磁性層１６Ａ中に非磁性
の固溶体を形成してしまうおそれがある。すなわち、従
来の強磁性トンネル接合磁気センサは、ＧＭＲ磁気セン
サと同様に熱処理に対して脆弱である問題点を有してい
ると考えられる。
【００２１】図２４は、厚さが３ｎｍのＣｏ膜上にＡｌ
膜を１０ｎｍの厚さに堆積した構造における磁化Ｍ
s を、熱処理温度を様々に変化させて測定した結果を示
す。図２４よりわかるように、熱処理温度が高くなるに
つれて磁化Ｍs は減少しており、Ａｌ膜中の非磁性Ａｌ
原子がＣｏ膜中に固溶していることを示している。そこ
で、図２３（Ａ），（Ｂ）の強磁性トンネル接合磁気セ
ンサ１６において、非磁性原子がトンネル絶縁膜１６Ｃ
からその下の強磁性層１６Ａに実質的な量だけ固溶した
場合、上側強磁性層１６Ａ中の電子は下側強磁性層１６
Ｂに、磁性層１６Ｂの磁化方向に関係なくトンネルする
ことが可能になり、ＭＲ比は実質的に低下してしまう。
膜を１０ｎｍの厚さに堆積した構造における磁化Ｍ
s を、熱処理温度を様々に変化させて測定した結果を示
す。図２４よりわかるように、熱処理温度が高くなるに
つれて磁化Ｍs は減少しており、Ａｌ膜中の非磁性Ａｌ
原子がＣｏ膜中に固溶していることを示している。そこ
で、図２３（Ａ），（Ｂ）の強磁性トンネル接合磁気セ
ンサ１６において、非磁性原子がトンネル絶縁膜１６Ｃ
からその下の強磁性層１６Ａに実質的な量だけ固溶した
場合、上側強磁性層１６Ａ中の電子は下側強磁性層１６
Ｂに、磁性層１６Ｂの磁化方向に関係なくトンネルする
ことが可能になり、ＭＲ比は実質的に低下してしまう。
【００２２】かかる強磁性トンネル接合磁気センサの耐
熱性を向上させるために、例えば特開平４−１０３０１
３号公報にはトンネル絶縁膜としてＩＩＩｂ−Ｖｂ族化
合物を使うことを開示しているが、上記提案による強磁
性トンネル接合磁気センサのＭＲ比は４．２Ｋで５％程
度にしかならない。そこで、本発明は上記の課題を解決
した新規で有用な磁気センサおよびその製造方法を提供
することを概括的課題とする。
熱性を向上させるために、例えば特開平４−１０３０１
３号公報にはトンネル絶縁膜としてＩＩＩｂ−Ｖｂ族化
合物を使うことを開示しているが、上記提案による強磁
性トンネル接合磁気センサのＭＲ比は４．２Ｋで５％程
度にしかならない。そこで、本発明は上記の課題を解決
した新規で有用な磁気センサおよびその製造方法を提供
することを概括的課題とする。
【００２３】本発明のより具体的な課題は、耐熱性に優
れ、安定した高いＭＲ比を有する強磁性トンネル接合磁
気センサおよびその製造方法を提供することにある。
れ、安定した高いＭＲ比を有する強磁性トンネル接合磁
気センサおよびその製造方法を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題
を、請求項１に記載したように、第１の強磁性層と、前
記第１の強磁性層上に形成され、トンネル酸化膜を含む
絶縁障壁層と、前記絶縁障壁層上に形成された第２の強
磁性層とを備えた強磁性トンネル接合磁気センサにおい
て、前記絶縁障壁層は金属層を含み、前記トンネル酸化
膜は前記金属層表面上に、前記金属層を構成する金属元
素の酸化物により形成されており、さらに、前記絶縁障
壁層と前記第１の強磁性層との間に、トンネル電流を通
過させる厚さの拡散防止層を含むことを特徴とする強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項２に記
載したように、前記金属元素はＡｌ，Ｈｆ，Ｚｒおよび
Ｎｂより選ばれることを特徴とする請求項１記載の強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項３に記
載したように、前記トンネル酸化膜は、前記金属層の自
然酸化膜であることを特徴とする請求項１または２記載
の強磁性トンネル接合磁気センサにより、または請求項
４に記載したように、前記トンネル酸化膜は、前記金属
層のプラズマ酸化膜であることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の強磁性トンネル接合磁気センサにより、ま
たは請求項５に記載したように、前記金属層は酸素を、
前記第１の強磁性層と接する境界面近傍において、前記
金属層内部よりも酸素濃度が増大するようなプロファイ
ルで含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれ
か一項記載の強磁性トンネル接合磁気センサにより、ま
たは請求項６に記載したように、前記金属層を構成する
金属元素の酸素に対する結合エネルギは、前記第１およ
び第２の強磁性層を構成する金属元素の酸素に対する結
合エネルギよりも実質的に大きいことを特徴とする請求
項１〜５のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接
合磁気センサにより、または請求項７に記載したよう
に、前記拡散防止層は、前記第１の強磁性層表面に形成
された酸化膜よりなることを特徴とする請求項１記載の
強磁性トンネル接合磁気センサにより、または請求項８
に記載したように、前記絶縁障壁層は、複数の金属層
と、対応する複数のトンネル酸化膜を含み、互いに隣接
する前記金属層は、異なった金属元素よりなることを特
徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項９に記
載したように、前記第１および第２の強磁性層の少なく
とも一方は、複数の磁性膜の積層を含み、前記積層中、
隣接する磁性膜は組成が異なることを特徴とする請求項
１〜８のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合
磁気センサにより、または請求項１０に記載したよう
に、前記第１および第２の強磁性層の一方に隣接して、
反強磁性層を含むことを特徴とする請求項１〜９のう
ち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合磁気センサ
により、または請求項１１に記載したように、前記反強
磁性層は、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｍｎ，ＩｒおよびＲｈのうち、
少なくとも二つの元素を含むことを特徴とする請求項１
０記載の強磁性トンネル接合磁気センサにより、または
請求項１２に記載したように、前記反強磁性層を構成す
る反強磁性材料は、ＣｕＡｕ−Ｉ型の規則格子相を形成
することを特徴とする請求項１０または１１記載の強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項１３に
記載したように、請求項１〜１２のいずれか一項記載の
磁気センサを含む強磁性トンネル接合磁 気ヘッドによ
り、または請求項１４に記載したように、磁気記録媒体
と、前記磁気記録媒体を走査する磁気ヘッドとを備えた
磁気記録／再生装置において、前記磁気ヘッドは請求項
１〜１２のいずれか一項記載の強磁性トンネル接合磁気
センサを含むことを特徴とする磁気記録／再生装置によ
り、または請求項１５に記載したように、第１の強磁性
層と、前記第１の強磁性層上に形成され、トンネル酸化
膜を含む絶縁障壁層と、前記絶縁障壁層上に形成された
第２の強磁性層とを備えた強磁性トンネル接合磁気セン
サの製造方法において、前記第１の強磁性層を形成する
工程と；前記第１の強磁性層上に拡散防止層を形成する
工程と；前記拡散防止層上に金属層を堆積する工程と；
前記金属層の表面を酸化して、前記金属層上に前記トン
ネル酸化膜を形成する工程と；前記酸化した金属層の表
面に前記第２の強磁性層を形成する工程とを含むことを
特徴とする強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法に
より、または請求項１６に記載したように、前記金属層
の表面を酸化する工程は、前記金属層が前記トンネル酸
化膜の下に残るように実行され、前記金属層の表面を酸
化する工程の後、さらに前記金属層を２００°Ｃ〜３０
０°Ｃの間の温度範囲において熱処理する工程を含むこ
とを特徴とする請求項１５記載の強磁性トンネル接合磁
気センサの製造方法により、または請求項１７に記載し
たように、前記熱処理は約３００°Ｃの温度において実
行されることを特徴とする請求項１６記載の強磁性トン
ネル接合磁気センサの製造方法により、または請求項１
８に記載したように、前記熱処理は、真空中において実
行されることを特徴とする請求項１６または１７記載の
強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法により、また
は 請求項１９に記載したように、前記トンネル酸化膜を
形成する工程は、前記金属層の表面を自然酸化する工程
を含むことを特徴とする請求項１５〜１８のうち、いず
れか一項記載の強磁性トンネル接合磁気センサの製造方
法により、または請求項２０に記載したように、前記ト
ンネル酸化膜を形成する工程は、前記金属層の表面をプ
ラズマ酸化する工程を含むことを特徴とする請求項１５
〜１８のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合
磁気センサの製造方法により、または請求項２１に記載
したように、前記拡散防止層を形成する工程は、前記金
属層を形成する工程に先立ち、前記第１の強磁性層の表
面に酸化膜を、前記酸化膜を通る電子のトンネリングが
可能な程度の厚さに形成することを特徴とする請求項１
５〜２０のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接
合磁気センサの製造方法により、または請求項２２に記
載したように、前記酸化膜はプラズマ酸化により形成さ
れることを特徴とする請求項２１記載の強磁性トンネル
接合磁気センサの製造方法により、解決する。
を、請求項１に記載したように、第１の強磁性層と、前
記第１の強磁性層上に形成され、トンネル酸化膜を含む
絶縁障壁層と、前記絶縁障壁層上に形成された第２の強
磁性層とを備えた強磁性トンネル接合磁気センサにおい
て、前記絶縁障壁層は金属層を含み、前記トンネル酸化
膜は前記金属層表面上に、前記金属層を構成する金属元
素の酸化物により形成されており、さらに、前記絶縁障
壁層と前記第１の強磁性層との間に、トンネル電流を通
過させる厚さの拡散防止層を含むことを特徴とする強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項２に記
載したように、前記金属元素はＡｌ，Ｈｆ，Ｚｒおよび
Ｎｂより選ばれることを特徴とする請求項１記載の強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項３に記
載したように、前記トンネル酸化膜は、前記金属層の自
然酸化膜であることを特徴とする請求項１または２記載
の強磁性トンネル接合磁気センサにより、または請求項
４に記載したように、前記トンネル酸化膜は、前記金属
層のプラズマ酸化膜であることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の強磁性トンネル接合磁気センサにより、ま
たは請求項５に記載したように、前記金属層は酸素を、
前記第１の強磁性層と接する境界面近傍において、前記
金属層内部よりも酸素濃度が増大するようなプロファイ
ルで含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれ
か一項記載の強磁性トンネル接合磁気センサにより、ま
たは請求項６に記載したように、前記金属層を構成する
金属元素の酸素に対する結合エネルギは、前記第１およ
び第２の強磁性層を構成する金属元素の酸素に対する結
合エネルギよりも実質的に大きいことを特徴とする請求
項１〜５のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接
合磁気センサにより、または請求項７に記載したよう
に、前記拡散防止層は、前記第１の強磁性層表面に形成
された酸化膜よりなることを特徴とする請求項１記載の
強磁性トンネル接合磁気センサにより、または請求項８
に記載したように、前記絶縁障壁層は、複数の金属層
と、対応する複数のトンネル酸化膜を含み、互いに隣接
する前記金属層は、異なった金属元素よりなることを特
徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項９に記
載したように、前記第１および第２の強磁性層の少なく
とも一方は、複数の磁性膜の積層を含み、前記積層中、
隣接する磁性膜は組成が異なることを特徴とする請求項
１〜８のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合
磁気センサにより、または請求項１０に記載したよう
に、前記第１および第２の強磁性層の一方に隣接して、
反強磁性層を含むことを特徴とする請求項１〜９のう
ち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合磁気センサ
により、または請求項１１に記載したように、前記反強
磁性層は、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｍｎ，ＩｒおよびＲｈのうち、
少なくとも二つの元素を含むことを特徴とする請求項１
０記載の強磁性トンネル接合磁気センサにより、または
請求項１２に記載したように、前記反強磁性層を構成す
る反強磁性材料は、ＣｕＡｕ−Ｉ型の規則格子相を形成
することを特徴とする請求項１０または１１記載の強磁
性トンネル接合磁気センサにより、または請求項１３に
記載したように、請求項１〜１２のいずれか一項記載の
磁気センサを含む強磁性トンネル接合磁 気ヘッドによ
り、または請求項１４に記載したように、磁気記録媒体
と、前記磁気記録媒体を走査する磁気ヘッドとを備えた
磁気記録／再生装置において、前記磁気ヘッドは請求項
１〜１２のいずれか一項記載の強磁性トンネル接合磁気
センサを含むことを特徴とする磁気記録／再生装置によ
り、または請求項１５に記載したように、第１の強磁性
層と、前記第１の強磁性層上に形成され、トンネル酸化
膜を含む絶縁障壁層と、前記絶縁障壁層上に形成された
第２の強磁性層とを備えた強磁性トンネル接合磁気セン
サの製造方法において、前記第１の強磁性層を形成する
工程と；前記第１の強磁性層上に拡散防止層を形成する
工程と；前記拡散防止層上に金属層を堆積する工程と；
前記金属層の表面を酸化して、前記金属層上に前記トン
ネル酸化膜を形成する工程と；前記酸化した金属層の表
面に前記第２の強磁性層を形成する工程とを含むことを
特徴とする強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法に
より、または請求項１６に記載したように、前記金属層
の表面を酸化する工程は、前記金属層が前記トンネル酸
化膜の下に残るように実行され、前記金属層の表面を酸
化する工程の後、さらに前記金属層を２００°Ｃ〜３０
０°Ｃの間の温度範囲において熱処理する工程を含むこ
とを特徴とする請求項１５記載の強磁性トンネル接合磁
気センサの製造方法により、または請求項１７に記載し
たように、前記熱処理は約３００°Ｃの温度において実
行されることを特徴とする請求項１６記載の強磁性トン
ネル接合磁気センサの製造方法により、または請求項１
８に記載したように、前記熱処理は、真空中において実
行されることを特徴とする請求項１６または１７記載の
強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法により、また
は 請求項１９に記載したように、前記トンネル酸化膜を
形成する工程は、前記金属層の表面を自然酸化する工程
を含むことを特徴とする請求項１５〜１８のうち、いず
れか一項記載の強磁性トンネル接合磁気センサの製造方
法により、または請求項２０に記載したように、前記ト
ンネル酸化膜を形成する工程は、前記金属層の表面をプ
ラズマ酸化する工程を含むことを特徴とする請求項１５
〜１８のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合
磁気センサの製造方法により、または請求項２１に記載
したように、前記拡散防止層を形成する工程は、前記金
属層を形成する工程に先立ち、前記第１の強磁性層の表
面に酸化膜を、前記酸化膜を通る電子のトンネリングが
可能な程度の厚さに形成することを特徴とする請求項１
５〜２０のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接
合磁気センサの製造方法により、または請求項２２に記
載したように、前記酸化膜はプラズマ酸化により形成さ
れることを特徴とする請求項２１記載の強磁性トンネル
接合磁気センサの製造方法により、解決する。
【００２５】特に、本発明では、かかる強磁性トンネル
接合に対して約２００°Ｃ〜約３００°Ｃ、より好まし
くは約３００°Ｃの温度で熱処理を行うことにより、ト
ンネル接合を安定化することが可能になる。これは、前
記トンネル酸化膜を担持する金属層を、酸素に対する結
合エネルギが前記第１の強磁性層の酸素に対する結合エ
ネルギよりも大きいような金属元素により形成した場
合、熱処理の結果、前記第１の強磁性層表面の酸素が前
記金属層にＡｌＯx 等の形で吸収されることにより、接
合の特性が向上することによるものと考えられる。
接合に対して約２００°Ｃ〜約３００°Ｃ、より好まし
くは約３００°Ｃの温度で熱処理を行うことにより、ト
ンネル接合を安定化することが可能になる。これは、前
記トンネル酸化膜を担持する金属層を、酸素に対する結
合エネルギが前記第１の強磁性層の酸素に対する結合エ
ネルギよりも大きいような金属元素により形成した場
合、熱処理の結果、前記第１の強磁性層表面の酸素が前
記金属層にＡｌＯx 等の形で吸収されることにより、接
合の特性が向上することによるものと考えられる。
【００２６】図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明において磁
気ヘッドあるいは磁気センサにつかわれる強磁性トンネ
ル接合２０を示すそれぞれ平面図および断面図である。
最初に図１（Ｂ）の断面図を参照するに、強磁性トンネ
ル接合２０はＳｉＯ2膜２０Ｂで覆われたＳｉ基板２０
Ａ上に形成されており、図２３（Ａ），（Ｂ）に示した
下側強磁性層１６Ａに対応し、下側強磁性層２１Ａを構
成する厚さが１７．１ｎｍのＮｉＦｅ層２１Ａ1 とその
上の厚さが３．３ｎｍのＣｏ層２１Ａ2と、図２３
（Ａ），（Ｂ）に示した絶縁障壁層１６Ｃに対応する絶
縁障壁層２１Ｃと、図２３（Ａ），（Ｂ）に示した上側
強磁性層１６Ｂに対応し、上側強磁性層２１Ｂを構成す
る厚さが３．３ｎｍのＣｏ層２１Ｂ1 とその上の厚さが
１７．１ｎｍのＮｉＦｅ層２１Ｂ2 とを含み、さらに前
記ＮｉＦｅ層２１Ｂ2 上に反強磁性を有するＦｅＭｎ層
２２が、上側強磁性層２１Ｂの磁化方向をピニングする
ために形成されている。さらに、前記ＦｅＭｎ層２２上
には別のＮｉＦｅ層２３が８．６ｎｍの厚さに形成され
ている。
気ヘッドあるいは磁気センサにつかわれる強磁性トンネ
ル接合２０を示すそれぞれ平面図および断面図である。
最初に図１（Ｂ）の断面図を参照するに、強磁性トンネ
ル接合２０はＳｉＯ2膜２０Ｂで覆われたＳｉ基板２０
Ａ上に形成されており、図２３（Ａ），（Ｂ）に示した
下側強磁性層１６Ａに対応し、下側強磁性層２１Ａを構
成する厚さが１７．１ｎｍのＮｉＦｅ層２１Ａ1 とその
上の厚さが３．３ｎｍのＣｏ層２１Ａ2と、図２３
（Ａ），（Ｂ）に示した絶縁障壁層１６Ｃに対応する絶
縁障壁層２１Ｃと、図２３（Ａ），（Ｂ）に示した上側
強磁性層１６Ｂに対応し、上側強磁性層２１Ｂを構成す
る厚さが３．３ｎｍのＣｏ層２１Ｂ1 とその上の厚さが
１７．１ｎｍのＮｉＦｅ層２１Ｂ2 とを含み、さらに前
記ＮｉＦｅ層２１Ｂ2 上に反強磁性を有するＦｅＭｎ層
２２が、上側強磁性層２１Ｂの磁化方向をピニングする
ために形成されている。さらに、前記ＦｅＭｎ層２２上
には別のＮｉＦｅ層２３が８．６ｎｍの厚さに形成され
ている。
【００２７】図１（Ａ）の平面図を参照するに、前記下
側強磁性層２１Ａと前記上側強磁性層２１Ｂとは図１
（Ａ）の平面図上で交差する導体ストリップを形成して
おり、交点に対応して前記絶縁障壁層２０Ｃが形成され
ている。また、ＦｅＭｎ層２２およびその上のＮｉＦｅ
層２３は上側磁性層２１Ｂと同一形状にパターニングさ
れている。前記下側強磁性層２１Ａと上側強磁性層２１
Ｂとの間には電流源により駆動電流が流され、間に生じ
る電位差を検出することにより絶縁障壁層２１Ｃのトン
ネル抵抗が測定される。前記上側強磁性層２１Ｂの磁化
方向は反強磁性層２２により固定されているのに対し、
下側強磁性層２１Ａの磁化方向は外部磁場により変化す
るため、絶縁障壁層２１Ｃのトンネル抵抗は外部磁場に
より変化する。
側強磁性層２１Ａと前記上側強磁性層２１Ｂとは図１
（Ａ）の平面図上で交差する導体ストリップを形成して
おり、交点に対応して前記絶縁障壁層２０Ｃが形成され
ている。また、ＦｅＭｎ層２２およびその上のＮｉＦｅ
層２３は上側磁性層２１Ｂと同一形状にパターニングさ
れている。前記下側強磁性層２１Ａと上側強磁性層２１
Ｂとの間には電流源により駆動電流が流され、間に生じ
る電位差を検出することにより絶縁障壁層２１Ｃのトン
ネル抵抗が測定される。前記上側強磁性層２１Ｂの磁化
方向は反強磁性層２２により固定されているのに対し、
下側強磁性層２１Ａの磁化方向は外部磁場により変化す
るため、絶縁障壁層２１Ｃのトンネル抵抗は外部磁場に
より変化する。
【００２８】図２は、図１（Ａ），（Ｂ）の強磁性トン
ネル接合構成において前記絶縁障壁層２０Ｃを前記強磁
性層２０Ａ上に形成したＡｌ膜により形成し、その表面
に自然酸化によりトンネル酸化膜を形成した場合の磁気
抵抗変化率を、前記Ａｌ膜の厚さを様々に変化させなが
ら求めた実験結果を示す。図２を参照するに、自然酸化
させたＡｌ膜２１Ｃは表面にＡｌ2 Ｏ3 自然酸化膜をト
ンネル酸化膜として担持し、このため組成が一般にＡｌ
Ｏx と表されるが、膜２１Ｃの厚さが０．５ｎｍから
１．７ｎｍの間では、おおよそ１０〜１５％の非常に大
きい磁気抵抗変化率が得られていることがわかる。前記
Ａｌ2 Ｏ3 自然酸化膜は、典型的には前記Ａｌ膜２１Ｃ
の表面を１００時間以上自然酸化することで形成され
る。Ａｌ膜２１Ｃの自然酸化が１００時間未満だと、Ａ
ｌ2 Ｏ3トンネル酸化膜の形成が不安定になり、接合に
短絡が生じやすい。
ネル接合構成において前記絶縁障壁層２０Ｃを前記強磁
性層２０Ａ上に形成したＡｌ膜により形成し、その表面
に自然酸化によりトンネル酸化膜を形成した場合の磁気
抵抗変化率を、前記Ａｌ膜の厚さを様々に変化させなが
ら求めた実験結果を示す。図２を参照するに、自然酸化
させたＡｌ膜２１Ｃは表面にＡｌ2 Ｏ3 自然酸化膜をト
ンネル酸化膜として担持し、このため組成が一般にＡｌ
Ｏx と表されるが、膜２１Ｃの厚さが０．５ｎｍから
１．７ｎｍの間では、おおよそ１０〜１５％の非常に大
きい磁気抵抗変化率が得られていることがわかる。前記
Ａｌ2 Ｏ3 自然酸化膜は、典型的には前記Ａｌ膜２１Ｃ
の表面を１００時間以上自然酸化することで形成され
る。Ａｌ膜２１Ｃの自然酸化が１００時間未満だと、Ａ
ｌ2 Ｏ3トンネル酸化膜の形成が不安定になり、接合に
短絡が生じやすい。
【００２９】一方、Ａｌ膜２１Ｃの厚さが前記１．７ｎ
ｍを超えて２．１ｎｍに達すると、磁気抵抗変化率は急
激に５％あるいはそれ以下にまで低下してしまう。これ
は、非磁性金属であるＡｌ膜の厚さが過大になり、通過
する電子のトンネリングが電子のスピン状態如何によら
ず高い確率で生じるようになるためと考えられる。一
方、前記Ａｌ膜２１Ｃの厚さがＡｌ2 Ｏ3 膜の厚さに換
算して１分子層になる０．５ｎｍ（５Å）以下になると
トンネル酸化膜の形成が不安定になり、先に述べたよう
に接合が短絡しやすい問題が生じる。このことから、図
１（Ａ），（Ｂ）の強磁性トンネル接合２０は、絶縁障
壁層２１Ｃの厚さを約０．５ｎｍ以上で約１．７ｎｍ以
下に設定するのが好ましいことが結論される。
ｍを超えて２．１ｎｍに達すると、磁気抵抗変化率は急
激に５％あるいはそれ以下にまで低下してしまう。これ
は、非磁性金属であるＡｌ膜の厚さが過大になり、通過
する電子のトンネリングが電子のスピン状態如何によら
ず高い確率で生じるようになるためと考えられる。一
方、前記Ａｌ膜２１Ｃの厚さがＡｌ2 Ｏ3 膜の厚さに換
算して１分子層になる０．５ｎｍ（５Å）以下になると
トンネル酸化膜の形成が不安定になり、先に述べたよう
に接合が短絡しやすい問題が生じる。このことから、図
１（Ａ），（Ｂ）の強磁性トンネル接合２０は、絶縁障
壁層２１Ｃの厚さを約０．５ｎｍ以上で約１．７ｎｍ以
下に設定するのが好ましいことが結論される。
【００３０】図２の実験結果は、一方で強磁性トンネル
接合２０の磁気抵抗変化率が大きくばらついていること
を示している。これに対して、本出願の基礎になる研究
において、本発明の発明者は強磁性トンネル接合２０を
真空雰囲気中、様々な温度で加熱処理し、磁気抵抗変化
率を測定した。図３は、かかる加熱処理した強磁性トン
ネル接合の磁気抵抗変化率を示す。熱処理は、各温度に
おいて、１×１０-5Ｔｏｒｒの真空中、１時間行った。
接合２０の磁気抵抗変化率が大きくばらついていること
を示している。これに対して、本出願の基礎になる研究
において、本発明の発明者は強磁性トンネル接合２０を
真空雰囲気中、様々な温度で加熱処理し、磁気抵抗変化
率を測定した。図３は、かかる加熱処理した強磁性トン
ネル接合の磁気抵抗変化率を示す。熱処理は、各温度に
おいて、１×１０-5Ｔｏｒｒの真空中、１時間行った。
【００３１】図３を参照するに、熱処理温度が室温から
２００°Ｃの範囲の場合、大部分の試料において５〜１
０％の磁気抵抗変化率が得られたが、熱処理温度を２０
０°Ｃ〜３００°Ｃに設定した場合、一部の試料の磁気
抵抗変化率は１５〜２０％まで増大したのに対し、一部
の試料の磁気抵抗変化率は０％近くまで減少する結果が
得られた。さらに、熱処理温度を３００°Ｃ以上まで上
昇させると、すべての試料において磁気抵抗変化率が減
少するのがわかる。
２００°Ｃの範囲の場合、大部分の試料において５〜１
０％の磁気抵抗変化率が得られたが、熱処理温度を２０
０°Ｃ〜３００°Ｃに設定した場合、一部の試料の磁気
抵抗変化率は１５〜２０％まで増大したのに対し、一部
の試料の磁気抵抗変化率は０％近くまで減少する結果が
得られた。さらに、熱処理温度を３００°Ｃ以上まで上
昇させると、すべての試料において磁気抵抗変化率が減
少するのがわかる。
【００３２】さらに、図３の実験において２００°Ｃ〜
３００°Ｃの温度範囲での熱処理により磁気抵抗変化率
が増大した試料について、電流値を５ｍＡとした通電試
験を行ったところ、１０日間経過しても短絡や磁気抵抗
変化率の減少等の不良の発生率が２％程度にしか過ぎな
いことが確認された。一方、熱処理前の試料について同
様な通電試験を行ったところ、不良の発生率は３２％程
度に達していることがわかった。このことから、前記２
００°Ｃ〜３００°Ｃの温度における熱処理で磁気抵抗
変化率が低下した試料は、接合形成直後にすでに潜在的
欠陥を含んでいたものと考えられる。このことは、かか
る２００°Ｃ〜３００°Ｃでの熱処理を行うことによ
り、良品の強磁性トンネル接合磁気センサの磁気抵抗変
化率を最大化し、同時に不良品を選別することができる
ことを意味している。
３００°Ｃの温度範囲での熱処理により磁気抵抗変化率
が増大した試料について、電流値を５ｍＡとした通電試
験を行ったところ、１０日間経過しても短絡や磁気抵抗
変化率の減少等の不良の発生率が２％程度にしか過ぎな
いことが確認された。一方、熱処理前の試料について同
様な通電試験を行ったところ、不良の発生率は３２％程
度に達していることがわかった。このことから、前記２
００°Ｃ〜３００°Ｃの温度における熱処理で磁気抵抗
変化率が低下した試料は、接合形成直後にすでに潜在的
欠陥を含んでいたものと考えられる。このことは、かか
る２００°Ｃ〜３００°Ｃでの熱処理を行うことによ
り、良品の強磁性トンネル接合磁気センサの磁気抵抗変
化率を最大化し、同時に不良品を選別することができる
ことを意味している。
【００３３】図４（Ａ）は、加熱処理を行わない強磁性
トンネル接合２０に対して外部磁場Ｈを印加した場合の
磁気抵抗変化率および磁気抵抗Ｒの変化を示す。図４
（Ａ）を参照するに、図中に二つの曲線が示されている
のは、磁気抵抗Ｒの変化が、外部磁場Ｈを−１００Ｏｅ
から＋１００Ｏｅまで変化させた場合と＋１００Ｏｅか
らー１００Ｏｅまで変化させた場合とで異なる理由によ
る。図４（Ａ）よりわかるように、加熱処理を行わない
強磁性トンネル接合２０では、図３の結果に対応して１
０〜１１％程度の磁気抵抗変化率が達成されている。
トンネル接合２０に対して外部磁場Ｈを印加した場合の
磁気抵抗変化率および磁気抵抗Ｒの変化を示す。図４
（Ａ）を参照するに、図中に二つの曲線が示されている
のは、磁気抵抗Ｒの変化が、外部磁場Ｈを−１００Ｏｅ
から＋１００Ｏｅまで変化させた場合と＋１００Ｏｅか
らー１００Ｏｅまで変化させた場合とで異なる理由によ
る。図４（Ａ）よりわかるように、加熱処理を行わない
強磁性トンネル接合２０では、図３の結果に対応して１
０〜１１％程度の磁気抵抗変化率が達成されている。
【００３４】これに対し、図４（Ｂ）は強磁性トンネル
接合２０に３００°Ｃの加熱処理を行った場合の磁気抵
抗変化率および磁気抵抗Ｒの変化を示す。図４（Ａ）と
同様に、図４（Ｂ）においても外部磁場を−１００Ｏｅ
から＋１００Ｏｅまで変化させた場合の曲線と外部磁場
を＋１００Ｏｅから−１００Ｏｅまで変化させた場合の
曲線とが示されている。
接合２０に３００°Ｃの加熱処理を行った場合の磁気抵
抗変化率および磁気抵抗Ｒの変化を示す。図４（Ａ）と
同様に、図４（Ｂ）においても外部磁場を−１００Ｏｅ
から＋１００Ｏｅまで変化させた場合の曲線と外部磁場
を＋１００Ｏｅから−１００Ｏｅまで変化させた場合の
曲線とが示されている。
【００３５】図４（Ｂ）の結果では、３００°Ｃにおけ
る加熱処理の結果、磁気抵抗変化率が図４（Ａ）の１０
〜１１％に対して２３〜２４％と、約２倍にまで増大し
ていることがわかる。図３あるいは図４（Ａ），（Ｂ）
に見られる強磁性トンネル接合の加熱処理による磁気抵
抗変化率の向上は、従来予期されていたものとは逆にな
っているが、おそらく図５（Ａ），（Ｂ）に示すメカニ
ズムによるものと考えられる。
る加熱処理の結果、磁気抵抗変化率が図４（Ａ）の１０
〜１１％に対して２３〜２４％と、約２倍にまで増大し
ていることがわかる。図３あるいは図４（Ａ），（Ｂ）
に見られる強磁性トンネル接合の加熱処理による磁気抵
抗変化率の向上は、従来予期されていたものとは逆にな
っているが、おそらく図５（Ａ），（Ｂ）に示すメカニ
ズムによるものと考えられる。
【００３６】図５（Ａ）を参照するに、一般に下側強磁
性層２１Ａの一部をなすＣｏ層２１Ａ2 の表面には、ス
パッタリングの工程、特に磁性層２１Ａのパターニング
に関連してごく薄い非磁性のＣｏ自然酸化膜が形成され
るのが不可避であると考えられるが、この上に金属Ａｌ
層２１Ｃを形成し、その表面を自然酸化してＡｌＯx層
とした場合、Ａｌと酸素の結合エネルギはＣｏと酸素の
結合エネルギよりも大きいため、強磁性トンネル接合２
０を２００°Ｃ〜３００°Ｃの温度で加熱処理した場
合、Ｃｏ層２１Ａ2 中のＣｏ自然酸化膜から酸素がＡｌ
層２１Ｃに移動し、結果的に図５（Ｂ）に示すようにＣ
ｏ層２１Ａ2 中の酸素濃度が減少すると考えられる。ま
た、前記Ａｌ層２１Ｃ上にはＣｏ層２１Ｂ1 が形成され
るが、同様な酸素結合エネルギの差異により、酸素がＡ
ｌＯx 層２１ＣからＣｏ層２１Ｂ1に移動してその磁気
特性を劣化させる問題は生じない。かかる酸素の移動が
生じるには、図５（Ａ）の加熱処理前の段階で、前記Ｃ
ｏ層２１Ａ2 に金属Ａｌが接触する必要があり、このた
め前記ＡｌＯx 層２１Ｃの下部には金属Ａｌが残留して
いることが必要である。一方、図５（Ｂ）の加熱処理後
の段階では、ＡｌＯx層２１Ｃの下部において、Ｃｏ層
２１Ａ2 から移動した酸素により酸素濃度が増大する傾
向が見られると考えられる。
性層２１Ａの一部をなすＣｏ層２１Ａ2 の表面には、ス
パッタリングの工程、特に磁性層２１Ａのパターニング
に関連してごく薄い非磁性のＣｏ自然酸化膜が形成され
るのが不可避であると考えられるが、この上に金属Ａｌ
層２１Ｃを形成し、その表面を自然酸化してＡｌＯx層
とした場合、Ａｌと酸素の結合エネルギはＣｏと酸素の
結合エネルギよりも大きいため、強磁性トンネル接合２
０を２００°Ｃ〜３００°Ｃの温度で加熱処理した場
合、Ｃｏ層２１Ａ2 中のＣｏ自然酸化膜から酸素がＡｌ
層２１Ｃに移動し、結果的に図５（Ｂ）に示すようにＣ
ｏ層２１Ａ2 中の酸素濃度が減少すると考えられる。ま
た、前記Ａｌ層２１Ｃ上にはＣｏ層２１Ｂ1 が形成され
るが、同様な酸素結合エネルギの差異により、酸素がＡ
ｌＯx 層２１ＣからＣｏ層２１Ｂ1に移動してその磁気
特性を劣化させる問題は生じない。かかる酸素の移動が
生じるには、図５（Ａ）の加熱処理前の段階で、前記Ｃ
ｏ層２１Ａ2 に金属Ａｌが接触する必要があり、このた
め前記ＡｌＯx 層２１Ｃの下部には金属Ａｌが残留して
いることが必要である。一方、図５（Ｂ）の加熱処理後
の段階では、ＡｌＯx層２１Ｃの下部において、Ｃｏ層
２１Ａ2 から移動した酸素により酸素濃度が増大する傾
向が見られると考えられる。
【００３７】この場合にも、前記ＡｌＯx 層２１Ｃ全体
の厚さを薄く、例えば先に説明したように１．７ｎｍ以
下に設定しておくことにより、ＡｌＯx 層２１Ｃ全体が
酸化され、ＡｌＯx 層２１Ｃ中に非磁性Ａｌ層が残留す
ることによる強磁性トンネル接合磁気センサの特性の劣
化が回避される。一方、図６に示すように、加熱処理前
の段階においてＡｌＯx 層２１Ｃ全体が酸化していた場
合には、加熱処理の結果ＡｌＯx 層２１Ｃから酸素がＣ
ｏ層２１Ａ2 中に侵入してしまい、Ｃｏ層２１Ａ2 の磁
気特性が劣化してしまう。
の厚さを薄く、例えば先に説明したように１．７ｎｍ以
下に設定しておくことにより、ＡｌＯx 層２１Ｃ全体が
酸化され、ＡｌＯx 層２１Ｃ中に非磁性Ａｌ層が残留す
ることによる強磁性トンネル接合磁気センサの特性の劣
化が回避される。一方、図６に示すように、加熱処理前
の段階においてＡｌＯx 層２１Ｃ全体が酸化していた場
合には、加熱処理の結果ＡｌＯx 層２１Ｃから酸素がＣ
ｏ層２１Ａ2 中に侵入してしまい、Ｃｏ層２１Ａ2 の磁
気特性が劣化してしまう。
【００３８】また、加熱処理の温度が高すぎると、Ａｌ
Ｏx 層２１Ｃから隣接するＣｏ層２１Ａ2 あるいは２１
Ｂ1 にＡｌが拡散してしまい、固溶体形成により磁気特
性が劣化する。
Ｏx 層２１Ｃから隣接するＣｏ層２１Ａ2 あるいは２１
Ｂ1 にＡｌが拡散してしまい、固溶体形成により磁気特
性が劣化する。
【００３９】
［第１実施例］図７は、本発明の第１実施例による強磁
性トンネル接合磁気センサ３０の構成を示す。図７を参
照するに、強磁性トンネル接合磁気センサ３０は先に説
明した強磁性トンネル接合磁気センサ２０と実質的に同
一の構成を有し、厚さが約３ｎｍのＳｉＯ2 膜３１Ａで
覆われたＳｉ基板３１と、前記Ｓｉ基板３１上に形成さ
れ、磁気センサ３０の下側強磁性層３０Ａの一部を構成
する厚さが１７．１ｎｍのＮｉＦｅ層３２Ａとその上の
厚さが３．３ｎｍの、同じく下側強磁性層３０Ａの一部
を構成するＣｏ層３２Ｂと、前記Ｃｏ層３２Ｂ上に形成
された絶縁障壁層３０Ｃと、前記絶縁障壁層３０Ｃ上に
形成され、上側強磁性層３０Ｂの一部を構成する厚さが
３．３ｎｍのＣｏ層３３Ａとその上の厚さが１７．１ｎ
ｍの、同じく上側強磁性層３０Ｂの一部を構成するＮｉ
Ｆｅ層３３Ｂとを含み、さらに前記ＮｉＦｅ層３３Ｂ上
には反強磁性を有するＦｅＭｎ層３４が、上側強磁性層
３０Ｂの磁化方向をピニングするために形成されてい
る。さらに、前記ＦｅＭｎ層３４上には別のＮｉＦｅ層
３５が８．６ｎｍの厚さに形成されている。
性トンネル接合磁気センサ３０の構成を示す。図７を参
照するに、強磁性トンネル接合磁気センサ３０は先に説
明した強磁性トンネル接合磁気センサ２０と実質的に同
一の構成を有し、厚さが約３ｎｍのＳｉＯ2 膜３１Ａで
覆われたＳｉ基板３１と、前記Ｓｉ基板３１上に形成さ
れ、磁気センサ３０の下側強磁性層３０Ａの一部を構成
する厚さが１７．１ｎｍのＮｉＦｅ層３２Ａとその上の
厚さが３．３ｎｍの、同じく下側強磁性層３０Ａの一部
を構成するＣｏ層３２Ｂと、前記Ｃｏ層３２Ｂ上に形成
された絶縁障壁層３０Ｃと、前記絶縁障壁層３０Ｃ上に
形成され、上側強磁性層３０Ｂの一部を構成する厚さが
３．３ｎｍのＣｏ層３３Ａとその上の厚さが１７．１ｎ
ｍの、同じく上側強磁性層３０Ｂの一部を構成するＮｉ
Ｆｅ層３３Ｂとを含み、さらに前記ＮｉＦｅ層３３Ｂ上
には反強磁性を有するＦｅＭｎ層３４が、上側強磁性層
３０Ｂの磁化方向をピニングするために形成されてい
る。さらに、前記ＦｅＭｎ層３４上には別のＮｉＦｅ層
３５が８．６ｎｍの厚さに形成されている。
【００４０】ＮｉＦｅ強磁性層３２ＡおよびＣｏ強磁性
層３２Ｂは前記ＳｉＯ2 膜３１Ａ上にスパッタリングに
より形成され、また前記絶縁障壁層３０Ｃは、前記Ｃｏ
強磁性層３２Ｂ上に金属Ａｌをスパッタリングにより堆
積し、形成された金属Ａｌ層の表面を１００時間あるい
はそれ以上自然酸化することにより形成される。さら
に、前記絶縁障壁層３０Ｃ上にＣｏ強磁性層３３Ａおよ
びＮｉＦｅ強磁性層３３Ｂを順次スパッタリングにより
形成し、その上にＦｅＭｎ反強磁性層３４およびＮｉＦ
ｅ強磁性層３５を順次スパッタリングにより形成する。
スパッタリングの際、適当なマスクを使うことにより、
磁気センサ３０を、例えば図１（Ａ）に示したような、
任意の平面形状を有するように形成することができる。
層３２Ｂは前記ＳｉＯ2 膜３１Ａ上にスパッタリングに
より形成され、また前記絶縁障壁層３０Ｃは、前記Ｃｏ
強磁性層３２Ｂ上に金属Ａｌをスパッタリングにより堆
積し、形成された金属Ａｌ層の表面を１００時間あるい
はそれ以上自然酸化することにより形成される。さら
に、前記絶縁障壁層３０Ｃ上にＣｏ強磁性層３３Ａおよ
びＮｉＦｅ強磁性層３３Ｂを順次スパッタリングにより
形成し、その上にＦｅＭｎ反強磁性層３４およびＮｉＦ
ｅ強磁性層３５を順次スパッタリングにより形成する。
スパッタリングの際、適当なマスクを使うことにより、
磁気センサ３０を、例えば図１（Ａ）に示したような、
任意の平面形状を有するように形成することができる。
【００４１】上側強磁性層３０Ｂおよび下側強磁性層３
０Ａの、絶縁障壁層３０Ｃに接する部分にＣｏ層３３Ａ
あるいは３２Ｂを使うのは、Ｃｏ層中における電子のス
ピン分極率がＮｉＦｅ層中におけるよりも高いためであ
る。また、前記下側強磁性層３０Ａを形成する場合、磁
性層３２Ａおよび３２Ｂのスパッタリングは、図７中紙
面に垂直方向に作用する外部磁場中において実行され
る。一方、前記上側磁性層３０Ｂを形成する場合、磁性
層３３Ａおよび３３Ｂのスパッタリングは、図７中、右
から左あるいは左から右に作用する外部磁場を印加した
状態で実行される。
０Ａの、絶縁障壁層３０Ｃに接する部分にＣｏ層３３Ａ
あるいは３２Ｂを使うのは、Ｃｏ層中における電子のス
ピン分極率がＮｉＦｅ層中におけるよりも高いためであ
る。また、前記下側強磁性層３０Ａを形成する場合、磁
性層３２Ａおよび３２Ｂのスパッタリングは、図７中紙
面に垂直方向に作用する外部磁場中において実行され
る。一方、前記上側磁性層３０Ｂを形成する場合、磁性
層３３Ａおよび３３Ｂのスパッタリングは、図７中、右
から左あるいは左から右に作用する外部磁場を印加した
状態で実行される。
【００４２】図７の構造の強磁性トンネル結合磁気セン
サ３０は、先に図４（Ａ）で説明したように、そのまま
でも１０％を超える磁気抵抗変化率を示すが、さらに真
空雰囲気中において２００°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱
処理することにより、先に図４（Ｂ）で説明したよう
に、２０％を超える磁気抵抗変化率を安定して示すよう
になる。
サ３０は、先に図４（Ａ）で説明したように、そのまま
でも１０％を超える磁気抵抗変化率を示すが、さらに真
空雰囲気中において２００°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱
処理することにより、先に図４（Ｂ）で説明したよう
に、２０％を超える磁気抵抗変化率を安定して示すよう
になる。
【００４３】さらに、かかる２００°Ｃ〜３００°Ｃの
温度で熱処理を行う場合には、前記反強磁性層３４とし
て、ＦｅＭｎのかわりにＰｄＰｔＭｎ合金を使うことも
可能である。ＰｄＰｔＭｎ合金は２００°Ｃ程度の加熱
処理では、強磁性層３３Ａおよび３３Ｂの磁化方向をピ
ニングするに十分な交換結合磁界を発生することはでき
ないが、３００°Ｃの加熱処理を行うと、合金内にＣｕ
Ａｕ−Ｉ型の規則格子構造が形成され、これに伴い２２
０Ｏｅに達する交換結合磁界が形成される。前記規則格
子の形成は、Ｘ線回折により確認されている。ＰｄＰｔ
Ｍｎ合金は非常に大きな交換結合磁界を発生できるた
め、従来よりスピンバルブＧＭＲ磁気センサ等において
有望なピニング層の材料として認識されていたが、この
材料を加熱処理して所望の交換結合磁界を発生させるた
めには３００°Ｃ程度の高い温度が必要であり、従来の
磁気センサでは使用することができなかった。これに対
し、本発明の強磁性トンネル接合磁気センサでは耐熱性
が３００°Ｃ以上に達しているため、この有望な材料を
問題なく使うことが可能になる。
温度で熱処理を行う場合には、前記反強磁性層３４とし
て、ＦｅＭｎのかわりにＰｄＰｔＭｎ合金を使うことも
可能である。ＰｄＰｔＭｎ合金は２００°Ｃ程度の加熱
処理では、強磁性層３３Ａおよび３３Ｂの磁化方向をピ
ニングするに十分な交換結合磁界を発生することはでき
ないが、３００°Ｃの加熱処理を行うと、合金内にＣｕ
Ａｕ−Ｉ型の規則格子構造が形成され、これに伴い２２
０Ｏｅに達する交換結合磁界が形成される。前記規則格
子の形成は、Ｘ線回折により確認されている。ＰｄＰｔ
Ｍｎ合金は非常に大きな交換結合磁界を発生できるた
め、従来よりスピンバルブＧＭＲ磁気センサ等において
有望なピニング層の材料として認識されていたが、この
材料を加熱処理して所望の交換結合磁界を発生させるた
めには３００°Ｃ程度の高い温度が必要であり、従来の
磁気センサでは使用することができなかった。これに対
し、本発明の強磁性トンネル接合磁気センサでは耐熱性
が３００°Ｃ以上に達しているため、この有望な材料を
問題なく使うことが可能になる。
【００４４】図８は、かかるトンネル接合磁気センサ３
０の磁場検出特性を示す。図８を参照するに、磁気セン
サ３０は±６０Ｏｅの外部磁場強度変化に対応して２ｍ
Ｖに達する大きさの出力電圧を出力することができるこ
とがわかる。ところで、図７の構造において、前記絶縁
障壁層３０Ｃ中におけるトンネル酸化膜は自然酸化膜に
限定されるものではなく、酸素プラズマ中におけるプラ
ズマ酸化法によって形成してもよい。
０の磁場検出特性を示す。図８を参照するに、磁気セン
サ３０は±６０Ｏｅの外部磁場強度変化に対応して２ｍ
Ｖに達する大きさの出力電圧を出力することができるこ
とがわかる。ところで、図７の構造において、前記絶縁
障壁層３０Ｃ中におけるトンネル酸化膜は自然酸化膜に
限定されるものではなく、酸素プラズマ中におけるプラ
ズマ酸化法によって形成してもよい。
【００４５】図９は、前記絶縁障壁層３０Ｃ中におい
て、Ａｌ膜表面にＡｌ2 Ｏ3 トンネル酸化膜を酸素プラ
ズマ酸化により形成した場合の、絶縁障壁層３０Ｃのト
ンネル抵抗率を示す。図９よりわかるように、プラズマ
酸化時間を６０秒間以内に設定しておけば、実質的なト
ンネル電流が通過可能なトンネル酸化膜が絶縁障壁層４
０Ｃ中に形成される。これに対し、プラズマ酸化時間を
さらに延長すると、トンネル酸化膜の厚さが増大し、ト
ンネル抵抗が増大してしまう。
て、Ａｌ膜表面にＡｌ2 Ｏ3 トンネル酸化膜を酸素プラ
ズマ酸化により形成した場合の、絶縁障壁層３０Ｃのト
ンネル抵抗率を示す。図９よりわかるように、プラズマ
酸化時間を６０秒間以内に設定しておけば、実質的なト
ンネル電流が通過可能なトンネル酸化膜が絶縁障壁層４
０Ｃ中に形成される。これに対し、プラズマ酸化時間を
さらに延長すると、トンネル酸化膜の厚さが増大し、ト
ンネル抵抗が増大してしまう。
【００４６】図１０は、前記Ａｌ2 Ｏ3 トンネル酸化膜
をプラズマ酸化により形成した場合のプラズマ酸化時間
と得られる磁気抵抗変化率との関係を示す。図１０を参
照するに、強磁性トンネル接合磁気センサ３０の磁気抵
抗変化率は、加熱処理を行わない場合にはプラズマ酸化
時間が４０秒間程度でおおよそ１０〜１５％、プラズマ
酸化時間が１２０秒間程度でおおよそ１〜７％であるの
に対し、３００°Ｃで加熱処理を行った場合、４０秒間
のプラズマ酸化で２０〜２５％まで増大することがわか
る。一方、前記３００°Ｃで加熱処理を行った場合、プ
ラズマ酸化時間を４０秒以上とすると磁気抵抗変化率は
急激に低下し、６０秒以上プラズマ酸化を行った場合に
は磁気抵抗変化率は５％以下にまで低下することがわか
る。
をプラズマ酸化により形成した場合のプラズマ酸化時間
と得られる磁気抵抗変化率との関係を示す。図１０を参
照するに、強磁性トンネル接合磁気センサ３０の磁気抵
抗変化率は、加熱処理を行わない場合にはプラズマ酸化
時間が４０秒間程度でおおよそ１０〜１５％、プラズマ
酸化時間が１２０秒間程度でおおよそ１〜７％であるの
に対し、３００°Ｃで加熱処理を行った場合、４０秒間
のプラズマ酸化で２０〜２５％まで増大することがわか
る。一方、前記３００°Ｃで加熱処理を行った場合、プ
ラズマ酸化時間を４０秒以上とすると磁気抵抗変化率は
急激に低下し、６０秒以上プラズマ酸化を行った場合に
は磁気抵抗変化率は５％以下にまで低下することがわか
る。
【００４７】これは、Ａｌ膜のプラズマ酸化を４０秒間
を超えて長時間行った場合、絶縁障壁層３０Ｃを構成す
るＡｌ膜の全体が酸化されてしまい、そのため先に図６
で説明したように３００°Ｃでの熱処理の結果、絶縁障
壁層３０Ｃからその下のＣｏ強磁性層３２Ｂに酸素原子
が拡散することを示していると考えられる。一方、プラ
ズマ酸化を４０秒間以内にした場合、前記絶縁障壁層３
０Ｃの下部には金属Ａｌが残存し、図５（Ａ），（Ｂ）
で説明したメカニズムによる酸素の、強磁性層３２Ｂ表
面から絶縁障壁層３０Ｃへの移動が生じているものと考
えられる。 ［第２実施例］先に図５（Ａ），（Ｂ）で説明したよう
に、下側強磁性層の表面に薄いＣｏ酸化膜が形成されて
いても、絶縁障壁層の下部に金属Ａｌが残留している場
合、加熱処理を行うとＣｏ酸化膜による磁気特性の劣
化、より具体的にはトンネリングする電子のスピン分極
率の劣化が補償され、磁気センサの特性が向上する。
を超えて長時間行った場合、絶縁障壁層３０Ｃを構成す
るＡｌ膜の全体が酸化されてしまい、そのため先に図６
で説明したように３００°Ｃでの熱処理の結果、絶縁障
壁層３０Ｃからその下のＣｏ強磁性層３２Ｂに酸素原子
が拡散することを示していると考えられる。一方、プラ
ズマ酸化を４０秒間以内にした場合、前記絶縁障壁層３
０Ｃの下部には金属Ａｌが残存し、図５（Ａ），（Ｂ）
で説明したメカニズムによる酸素の、強磁性層３２Ｂ表
面から絶縁障壁層３０Ｃへの移動が生じているものと考
えられる。 ［第２実施例］先に図５（Ａ），（Ｂ）で説明したよう
に、下側強磁性層の表面に薄いＣｏ酸化膜が形成されて
いても、絶縁障壁層の下部に金属Ａｌが残留している場
合、加熱処理を行うとＣｏ酸化膜による磁気特性の劣
化、より具体的にはトンネリングする電子のスピン分極
率の劣化が補償され、磁気センサの特性が向上する。
【００４８】一方、このことはまた、適切な条件であれ
ば、前記下側強磁性層と絶縁障壁層との間に薄い酸化膜
を介在させてもよいことを意味している。このような薄
い酸化膜は絶縁障壁層中のＡｌと下側強磁性層中のＣｏ
とが相互拡散をするのを抑止する拡散防止層として作用
する。かかる拡散防止層を挿入することにより、強磁性
トンネル接合磁気センサの特性を劣化させることなく、
磁気センサを安定に、高い歩留まりで製造できるように
なると考えられる。
ば、前記下側強磁性層と絶縁障壁層との間に薄い酸化膜
を介在させてもよいことを意味している。このような薄
い酸化膜は絶縁障壁層中のＡｌと下側強磁性層中のＣｏ
とが相互拡散をするのを抑止する拡散防止層として作用
する。かかる拡散防止層を挿入することにより、強磁性
トンネル接合磁気センサの特性を劣化させることなく、
磁気センサを安定に、高い歩留まりで製造できるように
なると考えられる。
【００４９】図１１は本発明の第２実施例による強磁性
トンネル接合磁気センサ４０の構成を示す。図１１を参
照するに、強磁性トンネル接合磁気センサ４０は、Ｓｉ
Ｏ2 膜（図示せず）で覆われたＳｉ基板４１と、前記Ｓ
ｉ基板４１上に形成され、磁気センサ４０の下側強磁性
層４０Ａの一部を構成する厚さが１７．１ｎｍのＮｉＦ
ｅ層４２Ａとその上の厚さが３．３ｎｍの、同じく下側
強磁性層４０Ａの一部を構成するＣｏ層４２Ｂと、前記
Ｃｏ層４２Ｂ上に形成されたＣｏ酸化膜４２Ｃとを含
み、前記Ｃｏ酸化膜４２Ｃ上にはさらに強磁性トンネル
接合磁気センサ４０の絶縁障壁層４０Ｃと、前記絶縁障
壁層４０Ｃ上に形成され、強磁性トンネル接合磁気セン
サ４０の上側強磁性層４０Ｂの一部を構成する厚さが
３．３ｎｍのＣｏ層４３Ａとその上の厚さが１７．１ｎ
ｍの、同じく上側強磁性層４０Ｂの一部を構成するＮｉ
Ｆｅ層４３Ｂとを含み、さらに前記ＮｉＦｅ層４３Ｂ上
には反強磁性を有するＦｅＭｎ層４４が、上側強磁性層
４０Ｂの磁化方向をピニングするために形成されてい
る。さらに、前記ＦｅＭｎ層４４上には別のＮｉＦｅ層
４５が８．６ｎｍの厚さに形成されている。
トンネル接合磁気センサ４０の構成を示す。図１１を参
照するに、強磁性トンネル接合磁気センサ４０は、Ｓｉ
Ｏ2 膜（図示せず）で覆われたＳｉ基板４１と、前記Ｓ
ｉ基板４１上に形成され、磁気センサ４０の下側強磁性
層４０Ａの一部を構成する厚さが１７．１ｎｍのＮｉＦ
ｅ層４２Ａとその上の厚さが３．３ｎｍの、同じく下側
強磁性層４０Ａの一部を構成するＣｏ層４２Ｂと、前記
Ｃｏ層４２Ｂ上に形成されたＣｏ酸化膜４２Ｃとを含
み、前記Ｃｏ酸化膜４２Ｃ上にはさらに強磁性トンネル
接合磁気センサ４０の絶縁障壁層４０Ｃと、前記絶縁障
壁層４０Ｃ上に形成され、強磁性トンネル接合磁気セン
サ４０の上側強磁性層４０Ｂの一部を構成する厚さが
３．３ｎｍのＣｏ層４３Ａとその上の厚さが１７．１ｎ
ｍの、同じく上側強磁性層４０Ｂの一部を構成するＮｉ
Ｆｅ層４３Ｂとを含み、さらに前記ＮｉＦｅ層４３Ｂ上
には反強磁性を有するＦｅＭｎ層４４が、上側強磁性層
４０Ｂの磁化方向をピニングするために形成されてい
る。さらに、前記ＦｅＭｎ層４４上には別のＮｉＦｅ層
４５が８．６ｎｍの厚さに形成されている。
【００５０】本実施例においても先の実施例と同様に、
磁性層４２Ａおよび４２Ｂ、あるいは磁性層４３Ａ，４
３Ｂ、さらに４４〜４５はスパッタリングにより形成さ
れる。一方、絶縁障壁層４０Ｃは、Ａｌ膜をスパッタリ
ングにより１．３ｎｍの厚さに形成し、さらにその表面
を自然酸化あるいは酸素プラズマ酸化することにより実
行される。また、前記Ｃｏ酸化膜４２Ｃも、Ｃｏ層４２
Ｂの表面を自然酸化、熱酸化あるいはプラズマ酸化する
ことにより形成される。例えばＣｏ酸化膜４２Ｃを自然
酸化により形成する場合、Ｃｏ層４２Ｂの表面を酸素雰
囲気に約１時間暴露する。このようにして形成されるＣ
ｏ酸化膜４２Ｃは必ずしもストイキオメトリックな組成
ＣｏＯを有するものには限定されず、一般にＣｏＯx で
表される組成のものも含む。
磁性層４２Ａおよび４２Ｂ、あるいは磁性層４３Ａ，４
３Ｂ、さらに４４〜４５はスパッタリングにより形成さ
れる。一方、絶縁障壁層４０Ｃは、Ａｌ膜をスパッタリ
ングにより１．３ｎｍの厚さに形成し、さらにその表面
を自然酸化あるいは酸素プラズマ酸化することにより実
行される。また、前記Ｃｏ酸化膜４２Ｃも、Ｃｏ層４２
Ｂの表面を自然酸化、熱酸化あるいはプラズマ酸化する
ことにより形成される。例えばＣｏ酸化膜４２Ｃを自然
酸化により形成する場合、Ｃｏ層４２Ｂの表面を酸素雰
囲気に約１時間暴露する。このようにして形成されるＣ
ｏ酸化膜４２Ｃは必ずしもストイキオメトリックな組成
ＣｏＯを有するものには限定されず、一般にＣｏＯx で
表される組成のものも含む。
【００５１】先の実施例と同様、上側強磁性層４０Ｂお
よび下側強磁性層４０Ａの、絶縁障壁層４０Ｃに接する
部分にＣｏ層４３Ａあるいは４２Ｂを使うのは、Ｃｏ層
中における電子のスピン分極率がＮｉＦｅ層中における
よりも高いためである。また、前記下側強磁性層４０Ａ
を形成する場合、磁性層４２Ａおよび４２Ｂのスパッタ
リングは、図１１中紙面に垂直方向に作用する外部磁場
中において実行される。一方、前記上側磁性層４０Ｂを
形成する場合、磁性層４３Ａおよび４３Ｂのスパッタリ
ングは、図１１中、右から左あるいは左から右に作用す
る外部磁場を印加した状態で実行される。
よび下側強磁性層４０Ａの、絶縁障壁層４０Ｃに接する
部分にＣｏ層４３Ａあるいは４２Ｂを使うのは、Ｃｏ層
中における電子のスピン分極率がＮｉＦｅ層中における
よりも高いためである。また、前記下側強磁性層４０Ａ
を形成する場合、磁性層４２Ａおよび４２Ｂのスパッタ
リングは、図１１中紙面に垂直方向に作用する外部磁場
中において実行される。一方、前記上側磁性層４０Ｂを
形成する場合、磁性層４３Ａおよび４３Ｂのスパッタリ
ングは、図１１中、右から左あるいは左から右に作用す
る外部磁場を印加した状態で実行される。
【００５２】Ｃｏ酸化膜４２Ｃを形成することにより、
Ｃｏ層４２Ｂとその上の絶縁障壁層４０Ｃ中の金属Ａｌ
膜との間の、Ａｌ原子およびＣｏ原子の相互拡散反応、
およびこれに伴う固溶体形成反応が効果的に抑止され、
特に磁気センサ４０の製造工程が加熱処理を含む場合
に、磁気センサ４０を安定に、高い歩留まりで製造する
ことが可能になる。
Ｃｏ層４２Ｂとその上の絶縁障壁層４０Ｃ中の金属Ａｌ
膜との間の、Ａｌ原子およびＣｏ原子の相互拡散反応、
およびこれに伴う固溶体形成反応が効果的に抑止され、
特に磁気センサ４０の製造工程が加熱処理を含む場合
に、磁気センサ４０を安定に、高い歩留まりで製造する
ことが可能になる。
【００５３】図１２は、表面を自然酸化したＣｏ層上に
Ａｌ層を形成した構造を、５０°Ｃ〜３５０°Ｃの範囲
の温度で加熱処理した場合のＣｏ層の磁化Ｍｓの変化を
示す。図１２を参照するに、この温度範囲の熱処理で
は、Ｃｏ層の磁化Ｍｓは実質的に変化しておらず、図２
４のＣｏ層とＡｌ層とが直接に接している場合に生じて
いたような、Ｃｏ原子とＡｌ原子の相互拡散は、Ｃｏ層
上に自然酸化膜を形成するだけで、簡単に回避すること
ができることを示している。
Ａｌ層を形成した構造を、５０°Ｃ〜３５０°Ｃの範囲
の温度で加熱処理した場合のＣｏ層の磁化Ｍｓの変化を
示す。図１２を参照するに、この温度範囲の熱処理で
は、Ｃｏ層の磁化Ｍｓは実質的に変化しておらず、図２
４のＣｏ層とＡｌ層とが直接に接している場合に生じて
いたような、Ｃｏ原子とＡｌ原子の相互拡散は、Ｃｏ層
上に自然酸化膜を形成するだけで、簡単に回避すること
ができることを示している。
【００５４】図１１の構造の強磁性トンネル接合磁気セ
ンサ４０では強磁性層４２Ｂと強磁性層４３Ａとの間に
ＣｏＯ酸化膜４２Ｃが余計に追加されているため、電子
のスピン分極率が低下し、その結果磁気センサの磁気抵
抗変化率が低下してしまうことが懸念される。しかし、
かかるスピン分極率の低下は、前記絶縁障壁層４０Ｃを
構成するＡｌ層の厚さを１．７ｎｍ以下、例えば１．３
ｎｍ程度まで減少させることにより最小化することが可
能である。
ンサ４０では強磁性層４２Ｂと強磁性層４３Ａとの間に
ＣｏＯ酸化膜４２Ｃが余計に追加されているため、電子
のスピン分極率が低下し、その結果磁気センサの磁気抵
抗変化率が低下してしまうことが懸念される。しかし、
かかるスピン分極率の低下は、前記絶縁障壁層４０Ｃを
構成するＡｌ層の厚さを１．７ｎｍ以下、例えば１．３
ｎｍ程度まで減少させることにより最小化することが可
能である。
【００５５】さらに、先に図５（Ａ），（Ｂ）あるいは
図１０で説明した熱処理に伴う酸素原子のＡｌ層への移
動に伴い、図１１の構造において前記ＣｏＯ酸化膜４２
は厚さが減少し、また場合によっては消滅する可能性が
ある。この場合には、図１０で説明した加熱に伴う抵抗
変化率の減少でなく増大が、図１１の強磁性トンネル接
合磁気センサ４０においても生じる。実際、先に説明し
た図３の関係は、スパッタの際のマスク交換に伴い、図
１（Ｂ）のＣｏ層２１Ａ2 が大気に暴露され、表面に図
１１の膜４２Ｃに対応するＣｏＯ自然酸化膜が形成され
た構造についてのものである。
図１０で説明した熱処理に伴う酸素原子のＡｌ層への移
動に伴い、図１１の構造において前記ＣｏＯ酸化膜４２
は厚さが減少し、また場合によっては消滅する可能性が
ある。この場合には、図１０で説明した加熱に伴う抵抗
変化率の減少でなく増大が、図１１の強磁性トンネル接
合磁気センサ４０においても生じる。実際、先に説明し
た図３の関係は、スパッタの際のマスク交換に伴い、図
１（Ｂ）のＣｏ層２１Ａ2 が大気に暴露され、表面に図
１１の膜４２Ｃに対応するＣｏＯ自然酸化膜が形成され
た構造についてのものである。
【００５６】このように、図１１の強磁性トンネル接合
磁気センサ４０は、Ｃｏ層４２Ｂ上にＣｏＯ膜４２Ｃを
形成し、さらに２００°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱処理
を行うことにより、絶縁障壁層４０Ｃ中のＡｌとＣｏ層
４２Ｂ中のＣｏとの相互拡散を抑止でき、しかも磁気抵
抗変化率を最大にすることが可能である。 ［第３実施例］ 図１３は、本発明の第３実施例による強磁性トンネル接
合磁気センサ５０の構成を示す。ただし、図１３中先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。
磁気センサ４０は、Ｃｏ層４２Ｂ上にＣｏＯ膜４２Ｃを
形成し、さらに２００°Ｃ〜３００°Ｃの温度で熱処理
を行うことにより、絶縁障壁層４０Ｃ中のＡｌとＣｏ層
４２Ｂ中のＣｏとの相互拡散を抑止でき、しかも磁気抵
抗変化率を最大にすることが可能である。 ［第３実施例］ 図１３は、本発明の第３実施例による強磁性トンネル接
合磁気センサ５０の構成を示す。ただし、図１３中先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。
【００５７】図１３を参照するに、本実施例では、図１
１の絶縁障壁層４０Ｃを多数の絶縁障壁層４０Ｃa 〜４
０Ｃc に置き換える。絶縁障壁層４０Ｃa 〜４０Ｃc の
各々はＡｌ膜を堆積し酸化することにより形成されたＡ
ｌＯx 膜よりなり、各々の厚さを０．４ｎｍ以下に設定
する。本実施例では、前記複数の絶縁障壁層４０Ｃa 〜
４０Ｃc を形成することにより、絶縁障壁層４０Ｃの内
部まで、確実にＡｌＯx を形成することができ、絶縁障
壁層４０Ｃの内部に未反応の金属Ａｌ層が残留すること
による電子のスピン分極の劣化の問題を最小化すること
ができる。
１の絶縁障壁層４０Ｃを多数の絶縁障壁層４０Ｃa 〜４
０Ｃc に置き換える。絶縁障壁層４０Ｃa 〜４０Ｃc の
各々はＡｌ膜を堆積し酸化することにより形成されたＡ
ｌＯx 膜よりなり、各々の厚さを０．４ｎｍ以下に設定
する。本実施例では、前記複数の絶縁障壁層４０Ｃa 〜
４０Ｃc を形成することにより、絶縁障壁層４０Ｃの内
部まで、確実にＡｌＯx を形成することができ、絶縁障
壁層４０Ｃの内部に未反応の金属Ａｌ層が残留すること
による電子のスピン分極の劣化の問題を最小化すること
ができる。
【００５８】また、前記複数の絶縁障壁層４０Ｃa 〜４
０Ｃc は同一の組成を有する必要はなく、例えば層４０
Ｃa および４０Ｃc をＡｌＯx により形成し、層４０Ｃ
b をＮｂＯx で形成するようにしてもよい。また、前記
複数の絶縁障壁層４０Ｃa 〜４０Ｃc の数は３層に限定
されるものではなく、２層あるいは４層以上であっても
よい。 ［第４実施例］ところで、図１１の強磁性トンネル接合
磁気センサ４０では、先にも説明したように２００°Ｃ
〜３００°Ｃの温度で加熱処理を行うのが好ましいが、
このような加熱処理を行った場合、一般に図１４（Ａ）
に示す絶縁障壁膜４０Ｃを挟む一対の強磁性層４２，４
３に粒成長が生じ、図１４（Ｂ）に示すように粗粒化し
た構造に変化する。このように粗粒化した構造では、強
磁性層４２中の粗大化した結晶粒と強磁性層４３中の粗
大化した結晶粒とが接触してしまい、トンネル接合が短
絡してしまう問題が生じる。実際、これが図３に示す加
熱処理を行った場合に生じる素子不良の原因の一つと考
えられる。
０Ｃc は同一の組成を有する必要はなく、例えば層４０
Ｃa および４０Ｃc をＡｌＯx により形成し、層４０Ｃ
b をＮｂＯx で形成するようにしてもよい。また、前記
複数の絶縁障壁層４０Ｃa 〜４０Ｃc の数は３層に限定
されるものではなく、２層あるいは４層以上であっても
よい。 ［第４実施例］ところで、図１１の強磁性トンネル接合
磁気センサ４０では、先にも説明したように２００°Ｃ
〜３００°Ｃの温度で加熱処理を行うのが好ましいが、
このような加熱処理を行った場合、一般に図１４（Ａ）
に示す絶縁障壁膜４０Ｃを挟む一対の強磁性層４２，４
３に粒成長が生じ、図１４（Ｂ）に示すように粗粒化し
た構造に変化する。このように粗粒化した構造では、強
磁性層４２中の粗大化した結晶粒と強磁性層４３中の粗
大化した結晶粒とが接触してしまい、トンネル接合が短
絡してしまう問題が生じる。実際、これが図３に示す加
熱処理を行った場合に生じる素子不良の原因の一つと考
えられる。
【００５９】これに対し、図１５は、上記の問題点を解
決した、本発明の第４実施例による強磁性トンネル接合
磁気センサ６０の構成を示す。ただし、図１５中、先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。図１５を参照するに、本実施例では図１１の構造の
強磁性層４２Ａおよび４３Ｂを、ＮｉＦｅ層の代わり
に、厚さが約２ｎｍのＮｉＦｅ層と厚さが同じく約２ｎ
ｍのＦｅ層とを交互に、図示の例では５回積層した層構
造４２Ａ’あるいは４３Ｂ’に置き換える。
決した、本発明の第４実施例による強磁性トンネル接合
磁気センサ６０の構成を示す。ただし、図１５中、先に
説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略す
る。図１５を参照するに、本実施例では図１１の構造の
強磁性層４２Ａおよび４３Ｂを、ＮｉＦｅ層の代わり
に、厚さが約２ｎｍのＮｉＦｅ層と厚さが同じく約２ｎ
ｍのＦｅ層とを交互に、図示の例では５回積層した層構
造４２Ａ’あるいは４３Ｂ’に置き換える。
【００６０】このような層構造では、図１６（Ａ），
（Ｂ）に示すように熱処理の前後で粒成長が抑制され、
図１４（Ｂ）に示すような粗大化した結晶粒によるトン
ネル接合の短絡の問題が回避される。ただし、図１６
（Ａ），（Ｂ）中、図１６（Ａ）は加熱処理前の状態
を、また図１６（Ｂ）が加熱処理後の状態を示す。かか
る層構造の結果、図１５の強磁性トンネル接合磁気セン
サ６０では、図３に示す２００〜３００°Ｃでの加熱処
理の際の歩留まりが大きく向上する。 ［第５実施例］図１７は、本発明の第５実施例による強
磁性トンネル接合磁気センサ７０の構成を示す。ただ
し、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符
号を付し、説明を省略する。
（Ｂ）に示すように熱処理の前後で粒成長が抑制され、
図１４（Ｂ）に示すような粗大化した結晶粒によるトン
ネル接合の短絡の問題が回避される。ただし、図１６
（Ａ），（Ｂ）中、図１６（Ａ）は加熱処理前の状態
を、また図１６（Ｂ）が加熱処理後の状態を示す。かか
る層構造の結果、図１５の強磁性トンネル接合磁気セン
サ６０では、図３に示す２００〜３００°Ｃでの加熱処
理の際の歩留まりが大きく向上する。 ［第５実施例］図１７は、本発明の第５実施例による強
磁性トンネル接合磁気センサ７０の構成を示す。ただ
し、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符
号を付し、説明を省略する。
【００６１】図１７を参照するに、強磁性トンネル接合
磁気センサ７０は図１５の強磁性トンネル接合磁気セン
サ６０と類似した構成を有するが、ＮｉＦｅ／Ｎｉ積層
構造を有する強磁性層４３Ｂ’のかわりに、厚さが約
１．５ｎｍのＣｏ層と厚さが約１．０ｎｍのＣｕ層とを
交互に積層したＣｏ／Ｃｕ積層構造を有する強磁性層４
３Ｂ”を使う。
磁気センサ７０は図１５の強磁性トンネル接合磁気セン
サ６０と類似した構成を有するが、ＮｉＦｅ／Ｎｉ積層
構造を有する強磁性層４３Ｂ’のかわりに、厚さが約
１．５ｎｍのＣｏ層と厚さが約１．０ｎｍのＣｕ層とを
交互に積層したＣｏ／Ｃｕ積層構造を有する強磁性層４
３Ｂ”を使う。
【００６２】強磁性層４３Ｂ”では、強磁性のＣｏ層と
非磁性のＣｕ層との間に反強磁性的な交換相互作用が生
じる。前記強磁性層４３Ｂ”は反強磁性ＦｅＭｎ層４４
に接して形成されているため、層４３Ｂ”中の磁化方向
は前記反強磁性ＦｅＭｎ層４４により固定され、一方層
４３Ｂ”はＣｏ強磁性層４３Ａの磁化方向を固定する。
また、前記層４３Ｂ”をＣｏ層とＣｕ層の積層構造にす
ることにより、図１６（Ａ），（Ｂ）で説明した強磁性
層中における粒成長が抑止され、熱処理を行ってもトン
ネル接合の短絡が生じることがない。 ［第６実施例］図１８（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第６
実施例による強磁性トンネル接合磁気センサ８０のそれ
ぞれ平面図および正面図を示す。
非磁性のＣｕ層との間に反強磁性的な交換相互作用が生
じる。前記強磁性層４３Ｂ”は反強磁性ＦｅＭｎ層４４
に接して形成されているため、層４３Ｂ”中の磁化方向
は前記反強磁性ＦｅＭｎ層４４により固定され、一方層
４３Ｂ”はＣｏ強磁性層４３Ａの磁化方向を固定する。
また、前記層４３Ｂ”をＣｏ層とＣｕ層の積層構造にす
ることにより、図１６（Ａ），（Ｂ）で説明した強磁性
層中における粒成長が抑止され、熱処理を行ってもトン
ネル接合の短絡が生じることがない。 ［第６実施例］図１８（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第６
実施例による強磁性トンネル接合磁気センサ８０のそれ
ぞれ平面図および正面図を示す。
【００６３】図１８（Ａ），（Ｂ）を参照するに、強磁
性トンネル接合磁気センサ８０はＡｌ2 Ｏ3 ・ＴｉＣ基
板８１上に形成され、図２０の磁気ヘッド１０の磁気シ
ールド層１２に対応するＮｉＦｅあるいはＦｅＮ等より
なる下側磁気シールド層８２と、前記下側磁気シールド
層８２上に形成され、図２０の磁気ヘッド１０の非磁性
膜１３に対応するＡｌ2 Ｏ3 ギャップ層８３と、前記Ａ
ｌ2 Ｏ3 ギャップ層８３上に形成された、幅ＷＬが例え
ば０．８μｍの下側強磁性層８４を含む。前記下側強磁
性層８４は図７の強磁性層３０Ａあるいは図１１の強磁
性層４０Ａに対応し、前記下側強磁性層８４の両側に
は、反強磁性ＣｏＣｒＰｔ層８５Ａ，８５Ｂが、電気的
に接して形成されている。前記反強磁性層８５Ａ，８５
Ｂは着磁されており、前記下側強磁性層８４の磁区構造
を単磁区化する。
性トンネル接合磁気センサ８０はＡｌ2 Ｏ3 ・ＴｉＣ基
板８１上に形成され、図２０の磁気ヘッド１０の磁気シ
ールド層１２に対応するＮｉＦｅあるいはＦｅＮ等より
なる下側磁気シールド層８２と、前記下側磁気シールド
層８２上に形成され、図２０の磁気ヘッド１０の非磁性
膜１３に対応するＡｌ2 Ｏ3 ギャップ層８３と、前記Ａ
ｌ2 Ｏ3 ギャップ層８３上に形成された、幅ＷＬが例え
ば０．８μｍの下側強磁性層８４を含む。前記下側強磁
性層８４は図７の強磁性層３０Ａあるいは図１１の強磁
性層４０Ａに対応し、前記下側強磁性層８４の両側に
は、反強磁性ＣｏＣｒＰｔ層８５Ａ，８５Ｂが、電気的
に接して形成されている。前記反強磁性層８５Ａ，８５
Ｂは着磁されており、前記下側強磁性層８４の磁区構造
を単磁区化する。
【００６４】さらに、前記反強磁性層８５Ａ，８５Ｂ上
にはさらにＴａ，Ｔｉ，ＣｕあるいはＷ等よりなる電極
パターン８６Ａ，８６Ｂがそれぞれ形成され、さらに前
記電極パターン８６Ａ，８６Ｂおよび前記下側強磁性層
８４を覆うように、先の実施例の絶縁障壁層３０Ｃある
いは４０Ｃに対応する絶縁障壁層８７が形成される。さ
らに、前記絶縁障壁層８７上には、先の実施例の上側強
磁性層３０Ｂあるいは４０Ｂに対応した上側強磁性層８
８が、典型的には０．５μｍの幅ＷＨで形成され、さら
に前記上側強磁性層８８上にはＴａ，Ｔｉ，Ｃｕあるい
はＷよりなる上側電極８９が形成される。
にはさらにＴａ，Ｔｉ，ＣｕあるいはＷ等よりなる電極
パターン８６Ａ，８６Ｂがそれぞれ形成され、さらに前
記電極パターン８６Ａ，８６Ｂおよび前記下側強磁性層
８４を覆うように、先の実施例の絶縁障壁層３０Ｃある
いは４０Ｃに対応する絶縁障壁層８７が形成される。さ
らに、前記絶縁障壁層８７上には、先の実施例の上側強
磁性層３０Ｂあるいは４０Ｂに対応した上側強磁性層８
８が、典型的には０．５μｍの幅ＷＨで形成され、さら
に前記上側強磁性層８８上にはＴａ，Ｔｉ，Ｃｕあるい
はＷよりなる上側電極８９が形成される。
【００６５】さらに、前記上側強磁性層８８および電極
８９を覆うように、前記絶縁障壁層８７上にＡｌ2 Ｏ3
層９０を堆積し、その上に図２０の上側磁気シールドに
対応するＮｉＦｅよりなる磁気シールド９１を形成す
る。図１８（Ａ）に示すように、磁気センサ８０は磁気
ヘッド中に組み込まれて磁気ディスク等の磁気記録媒体
１００を走査し、磁化スポットの形で記録されている信
号をピックアップする。かかる再生動作の際には、前記
電極８６Ａと上側電極８９との間に一定の電流を流し、
両電極間に生じる電圧を検出する。あるいは前記別の下
側電極８６Ｂと上側電極８９との間の電圧を検出しても
よい。
８９を覆うように、前記絶縁障壁層８７上にＡｌ2 Ｏ3
層９０を堆積し、その上に図２０の上側磁気シールドに
対応するＮｉＦｅよりなる磁気シールド９１を形成す
る。図１８（Ａ）に示すように、磁気センサ８０は磁気
ヘッド中に組み込まれて磁気ディスク等の磁気記録媒体
１００を走査し、磁化スポットの形で記録されている信
号をピックアップする。かかる再生動作の際には、前記
電極８６Ａと上側電極８９との間に一定の電流を流し、
両電極間に生じる電圧を検出する。あるいは前記別の下
側電極８６Ｂと上側電極８９との間の電圧を検出しても
よい。
【００６６】磁気センサ８０では、図１８（Ｂ）中線Ａ
−Ａ’に沿った断面が、先に説明した第１〜第５実施例
のいずれに対応するものであってもよい。 ［第７実施例］図１９（Ａ）は本発明の第７実施例によ
る磁気装置の内部構成を示す平面図であり、図中破線の
左側は上部カバーを取り除いた状態を、また右側は多段
構成の磁気ディスク組立体１１０の一部を構成する磁気
ディスク１１１およびこれに協働するアーム組立体１１
２の構成を示す。
−Ａ’に沿った断面が、先に説明した第１〜第５実施例
のいずれに対応するものであってもよい。 ［第７実施例］図１９（Ａ）は本発明の第７実施例によ
る磁気装置の内部構成を示す平面図であり、図中破線の
左側は上部カバーを取り除いた状態を、また右側は多段
構成の磁気ディスク組立体１１０の一部を構成する磁気
ディスク１１１およびこれに協働するアーム組立体１１
２の構成を示す。
【００６７】図１９（Ａ）を参照するに、各々の磁気デ
ィスク１１１は、図示していないモータにより駆動され
るハブ１１１ａ上に固定されており、アーム組立体１１
２は枢回軸１１２ａ上に枢支されたアーム１１２ｂおよ
びアーム１１２ｂの自由端上に設けられた磁気ヘッド１
１２ｃを含む。さらに、アーム１１２ｂ上の前記磁気ヘ
ッド１１２ｃを担持する自由端と反対側の自由端にはボ
イスコイルモータ１１３の一部を形成するコイル１１２
ｄが、アーム１１２ｂの走査面に平行に巻回されてい
る。また、コイル１１２ｄの上下にはボイスコイルモー
タ１１３の他の部分を構成する磁石１１３ａ，１１３ｂ
が形成され、コイル１１２ｄを励起することによりアー
ム１１２を枢回軸１１２ａの回りで自在に枢回させるこ
とが可能である。ボイスコイルモータ１１３は、アーム
１１２ｂに担持された磁気ヘッド１１２ｃが磁気ディス
ク１１１上のシリンダないしトラック１１１ｂに追従す
るようにサーボ制御される。
ィスク１１１は、図示していないモータにより駆動され
るハブ１１１ａ上に固定されており、アーム組立体１１
２は枢回軸１１２ａ上に枢支されたアーム１１２ｂおよ
びアーム１１２ｂの自由端上に設けられた磁気ヘッド１
１２ｃを含む。さらに、アーム１１２ｂ上の前記磁気ヘ
ッド１１２ｃを担持する自由端と反対側の自由端にはボ
イスコイルモータ１１３の一部を形成するコイル１１２
ｄが、アーム１１２ｂの走査面に平行に巻回されてい
る。また、コイル１１２ｄの上下にはボイスコイルモー
タ１１３の他の部分を構成する磁石１１３ａ，１１３ｂ
が形成され、コイル１１２ｄを励起することによりアー
ム１１２を枢回軸１１２ａの回りで自在に枢回させるこ
とが可能である。ボイスコイルモータ１１３は、アーム
１１２ｂに担持された磁気ヘッド１１２ｃが磁気ディス
ク１１１上のシリンダないしトラック１１１ｂに追従す
るようにサーボ制御される。
【００６８】図１９（Ｂ）は図１９（Ａ）の磁気ディス
ク装置の内部構造を示す斜視図である。図１９（Ｂ）を
参照するに、磁気ディスク組立体１００は回転ハブ１１
１ａに共通に保持された複数の磁気ディスク１１１1 ，
１１１2 ・・・を含み、これに対応してアーム組立体１
１２も複数のアームの集合より構成されていることがわ
かる。各々のアーム１１２ｂは枢回軸１１２ａの回りで
枢回自在に保持された共通の回動部材１１２ｅ上に保持
されており、部材１１２ｅの回動に伴って一斉に枢回す
る。勿論、部材１１２ｅの回動はボイスコイルモータ１
１３の励起に対応して生じる。また、磁気ディスク装置
全体は気密封止された筐体１００Ａ中に収められてい
る。
ク装置の内部構造を示す斜視図である。図１９（Ｂ）を
参照するに、磁気ディスク組立体１００は回転ハブ１１
１ａに共通に保持された複数の磁気ディスク１１１1 ，
１１１2 ・・・を含み、これに対応してアーム組立体１
１２も複数のアームの集合より構成されていることがわ
かる。各々のアーム１１２ｂは枢回軸１１２ａの回りで
枢回自在に保持された共通の回動部材１１２ｅ上に保持
されており、部材１１２ｅの回動に伴って一斉に枢回す
る。勿論、部材１１２ｅの回動はボイスコイルモータ１
１３の励起に対応して生じる。また、磁気ディスク装置
全体は気密封止された筐体１００Ａ中に収められてい
る。
【００６９】本発明では前記磁気ヘッド１１２ｃ中の読
み取りヘッドとして、先に説明した第１〜第６実施例の
いずれかの強磁性トンネル接合磁気センサを使うことに
より、非常に高密度の磁気記録再生が可能になる。以上
の各実施例において、前記絶縁障壁層を形成する金属は
Ａｌに限定されるものではなく、例えばＮｂ，Ｈｆある
いはＺｒを使うことも可能である。
み取りヘッドとして、先に説明した第１〜第６実施例の
いずれかの強磁性トンネル接合磁気センサを使うことに
より、非常に高密度の磁気記録再生が可能になる。以上
の各実施例において、前記絶縁障壁層を形成する金属は
Ａｌに限定されるものではなく、例えばＮｂ，Ｈｆある
いはＺｒを使うことも可能である。
【００７０】以上、本発明を好ましい実施例について説
明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内
において様々な変形・変更が可能である。
明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内
において様々な変形・変更が可能である。
【００７１】
【発明の効果】請求項１〜２３記載の本発明の特徴によ
れば、強磁性トンネル接合を使った磁気センサあるいは
磁気ヘッドにおいて、トンネル絶縁膜を非磁性金属層の
酸化により形成し、その際前記非磁性金属層の厚さを約
１．７ｎｍ以下に減少させることにより、前記トンネル
接合を通過する電子流におけるスピン分極率の劣化が抑
制され、高い磁気抵抗変化率が得られる。特に、前記非
磁性金属層として、その下の強磁性層の酸素に対する結
合エネルギよりも大きい結合エネルギを酸素に対して有
するような金属元素を選択することにより、強磁性トン
ネル接合を２００°Ｃ〜３００°Ｃの範囲の温度で熱処
理した場合、前記非磁性金属層が前記下側の強磁性層か
ら酸素を吸収するため、スピン分極率の劣化がさらに改
善され、得られる磁気抵抗変化率がさらに増大する。ま
た、本発明による強磁性トンネル接合磁気センサは耐熱
性を有し、このためレジスト層のリフロー工程を含む磁
気ヘッドの製造工程においても特性が劣化することがな
い。さらに、耐熱性が優れているため、本発明の強磁性
トンネル接合磁気センサあるいは磁気ヘッドでは、トン
ネル絶縁膜上の上側強磁性層の磁化方向を固定するの
に、高温熱処理を必要とする反強磁性体を使っても問題
が生じない。
れば、強磁性トンネル接合を使った磁気センサあるいは
磁気ヘッドにおいて、トンネル絶縁膜を非磁性金属層の
酸化により形成し、その際前記非磁性金属層の厚さを約
１．７ｎｍ以下に減少させることにより、前記トンネル
接合を通過する電子流におけるスピン分極率の劣化が抑
制され、高い磁気抵抗変化率が得られる。特に、前記非
磁性金属層として、その下の強磁性層の酸素に対する結
合エネルギよりも大きい結合エネルギを酸素に対して有
するような金属元素を選択することにより、強磁性トン
ネル接合を２００°Ｃ〜３００°Ｃの範囲の温度で熱処
理した場合、前記非磁性金属層が前記下側の強磁性層か
ら酸素を吸収するため、スピン分極率の劣化がさらに改
善され、得られる磁気抵抗変化率がさらに増大する。ま
た、本発明による強磁性トンネル接合磁気センサは耐熱
性を有し、このためレジスト層のリフロー工程を含む磁
気ヘッドの製造工程においても特性が劣化することがな
い。さらに、耐熱性が優れているため、本発明の強磁性
トンネル接合磁気センサあるいは磁気ヘッドでは、トン
ネル絶縁膜上の上側強磁性層の磁化方向を固定するの
に、高温熱処理を必要とする反強磁性体を使っても問題
が生じない。
【図１】（Ａ），（Ｂ）は本発明の強磁性トンネル接合
磁気センサの原理を説明する図（その１）である。
磁気センサの原理を説明する図（その１）である。
【図２】本発明の強磁性トンネル接合磁気センサの原理
を説明する図（その２）である。
を説明する図（その２）である。
【図３】本発明の強磁性トンネル接合磁気センサの原理
を説明する図（その３）である。
を説明する図（その３）である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は本発明の強磁性トンネル接合
磁気センサの原理を説明する図（その４）である。
磁気センサの原理を説明する図（その４）である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は本発明の強磁性トンネル接合
磁気センサの原理を説明する図（その５）である。
磁気センサの原理を説明する図（その５）である。
【図６】本発明の強磁性トンネル接合磁気センサの原理
を説明する図（その６）である。
を説明する図（その６）である。
【図７】本発明の第１実施例による強磁性トンネル接合
磁気センサの構成を示す図である。
磁気センサの構成を示す図である。
【図８】図７の強磁性トンネル接合磁気センサの動作特
性を示す図である。
性を示す図である。
【図９】図７の強磁性トンネル接合磁気センサにおい
て、トンネル酸化膜をプラズマ酸化により形成した場合
のトンネル抵抗率を示す図である。
て、トンネル酸化膜をプラズマ酸化により形成した場合
のトンネル抵抗率を示す図である。
【図１０】図９のトンネル酸化膜を含む強磁性トンネル
接合において加熱処理を行った場合の抵抗変化率を示す
図である。
接合において加熱処理を行った場合の抵抗変化率を示す
図である。
【図１１】本発明の第２実施例による強磁性トンネル接
合磁気センサの構成を示す図である。
合磁気センサの構成を示す図である。
【図１２】図１１の強磁性トンネル接合磁気センサにお
ける拡散障壁層の効果を示す図である。
ける拡散障壁層の効果を示す図である。
【図１３】本発明の第３実施例による強磁性トンネル接
合磁気センサの構成を示す図である。
合磁気センサの構成を示す図である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は、強磁性トンネル接合磁気
センサにおいて加熱処理を行った場合の粒成長、および
それに伴う問題点を説明する図である。
センサにおいて加熱処理を行った場合の粒成長、および
それに伴う問題点を説明する図である。
【図１５】本発明の第４実施例による強磁性トンネル接
合磁気センサの構成を示す図である。
合磁気センサの構成を示す図である。
【図１６】（Ａ），（Ｂ）は、図１５の強磁性トンネル
接合磁気センサにおいて得られる、粒成長の抑制効果を
説明する図である。
接合磁気センサにおいて得られる、粒成長の抑制効果を
説明する図である。
【図１７】本発明の第５実施例による強磁性トンネル接
合磁気センサの構成を示す図である。
合磁気センサの構成を示す図である。
【図１８】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第５実施例によ
る強磁性トンネル接合磁気センサの構成を示す図であ
る。
る強磁性トンネル接合磁気センサの構成を示す図であ
る。
【図１９】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の強磁性トンネル
接合磁気センサを使った磁気ヘッドを有する磁気記録／
再生装置の構成を示す。
接合磁気センサを使った磁気ヘッドを有する磁気記録／
再生装置の構成を示す。
【図２０】従来の磁気ヘッドの構造を示す図である。
【図２１】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２０の磁気ヘッドの製
造工程を説明する図（その１）である。
造工程を説明する図（その１）である。
【図２２】（Ｄ）〜（Ｅ）は、図２０の磁気ヘッドの製
造工程を説明する図（その２）である。
造工程を説明する図（その２）である。
【図２３】（Ａ），（Ｂ）は従来の強磁性トンネル接合
の原理を説明する図である。
の原理を説明する図である。
【図２４】従来の強磁性トンネル接合磁気センサにおい
て生じていた、金属元素の相互拡散の問題を説明する図
である。
て生じていた、金属元素の相互拡散の問題を説明する図
である。
１０，１０３ 磁気ヘッド １１，８１ 基板 １２，８２ 下側磁気シールド １３，８３，９０ 絶縁層 １４，９１ 上側磁気シールド １５ 読み取りギャップ １６ 磁気センサ １６Ａ，２１Ａ，３０Ａ，４０Ａ，８４ 下側強磁性層 １６Ｂ，２１Ｂ．３０Ｂ，４０Ｂ，８８ 上側強磁性層 １６Ｃ，２１Ｃ，３０Ｃ，４０Ｃ，４０Ｃa ，４０
Ｃb ，４０Ｃc ，８７ 絶縁障壁層 １７，１７Ａ，１７Ｂ レジスト層 １７Ｃ コイルパターン １８ 磁極 １９ 書き込みギャップ、絶縁膜 ２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 強磁性ト
ンネル接合磁気センサ ２０Ａ，３１，４１ 基板 ２０Ｂ，３１Ａ 酸化膜 ２１Ａ1 ，３２Ａ，４２Ａ ＮｉＦｅ層 ２１Ａ2 ，３２Ｂ，４２Ｂ Ｃｏ層 ２１Ｂ1 ，３３Ａ，４３Ａ Ｃｏ層 ２１Ｂ2 ，３３Ｂ，４３Ｂ ＮｉＦｅ層 ２２，４４ 反強磁性層 ２３，４５ ＮｉＦｅ層 ４２Ａ’，４３Ｂ’ ＮｉＦｅ／Ｆｅ層 ４３Ｂ” Ｃｏ／Ｃｕ層 ８５Ａ，８５Ｂ ＣｏＣｒＰｔ層 ８６Ａ，８６Ｂ 下側電極 ８９ 上側電極 １０１ 磁気ディスク １０２ 駆動軸 １０４ スイングアーム １０５ ボイスコイルモータ
Ｃb ，４０Ｃc ，８７ 絶縁障壁層 １７，１７Ａ，１７Ｂ レジスト層 １７Ｃ コイルパターン １８ 磁極 １９ 書き込みギャップ、絶縁膜 ２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ 強磁性ト
ンネル接合磁気センサ ２０Ａ，３１，４１ 基板 ２０Ｂ，３１Ａ 酸化膜 ２１Ａ1 ，３２Ａ，４２Ａ ＮｉＦｅ層 ２１Ａ2 ，３２Ｂ，４２Ｂ Ｃｏ層 ２１Ｂ1 ，３３Ａ，４３Ａ Ｃｏ層 ２１Ｂ2 ，３３Ｂ，４３Ｂ ＮｉＦｅ層 ２２，４４ 反強磁性層 ２３，４５ ＮｉＦｅ層 ４２Ａ’，４３Ｂ’ ＮｉＦｅ／Ｆｅ層 ４３Ｂ” Ｃｏ／Ｃｕ層 ８５Ａ，８５Ｂ ＣｏＣｒＰｔ層 ８６Ａ，８６Ｂ 下側電極 ８９ 上側電極 １０１ 磁気ディスク １０２ 駆動軸 １０４ スイングアーム １０５ ボイスコイルモータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−106514（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−162207（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−211106（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−138919（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−162327（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−162326（ＪＰ，Ａ) Ｊａｇａｄｅｅｓｈ Ｓ．Ｍｏｏｄｅ ｒａ ａｎｄ Ｌｉｓａ Ｒ．Ｋｉｎｄ ｅｒ，”Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ− ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｆｅｒｒｏｍａｇ ｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ：Ｓｐ ｉｎ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｕｎｎｅ ｌｉｎｇ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｍａｇ ｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｒｉｌａｙｅｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ （ｉｎｖｉｔｅｄ）”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，1996，Ｖｏｌ．79，ｐ．4724−4729 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 43/08 G11B 5/39 H01L 43/12
Claims (22)
- 【請求項１】 第１の強磁性層と、 前記第１の強磁性層上に形成され、トンネル酸化膜を含
む絶縁障壁層と、 前記絶縁障壁層上に形成された第２の強磁性層とを備え
た強磁性トンネル接合磁気センサにおいて、 前記絶縁障壁層は金属層を含み、前記トンネル酸化膜は
前記金属層表面上に、 前記金属層を構成する金属元素の酸化物により形成され
ており、 さらに、前記絶縁障壁層と前記第１の強磁性層との間
に、トンネル電流を通過させる厚さの拡散防止層を含む
ことを特徴とする強磁性トンネル接合磁気センサ。 - 【請求項２】 前記金属元素はＡｌ，Ｈｆ，Ｚｒおよび
Ｎｂより選ばれることを特徴とする請求項１記載の強磁
性トンネル接合磁気センサ。 - 【請求項３】 前記トンネル酸化膜は、前記金属層の自
然酸化膜であることを特徴とする請求項１または２記載
の強磁性トンネル接合磁気センサ。 - 【請求項４】 前記トンネル酸化膜は、前記金属層のプ
ラズマ酸化膜であることを特徴とする請求項１または２
記載の強磁性トンネル接合磁気センサ。 - 【請求項５】 前記金属層は酸素を、前記第１の強磁性
層と接する境界面近傍において、前記金属層内部よりも
酸素濃度が増大するようなプロファイルで含むことを特
徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の強磁
性トンネル接合磁気センサ。 - 【請求項６】 前記金属層を構成する金属元素の酸素に
対する結合エネルギは、前記第１および第２の強磁性層
を構成する金属元素の酸素に対する結合エネルギよりも
実質的に大きいことを特徴とする請求項１〜５のうち、
いずれか一項記載の強磁性トンネル接合磁気センサ。 - 【請求項７】 前記拡散防止層は、前記第１の強磁性層
表面に形成された酸化膜よりなることを特徴とする請求
項１記載の強磁性トンネル接合磁気センサ。 - 【請求項８】 前記絶縁障壁層は、複数の金属層と、対
応する複数のトンネル酸化膜を含み、互いに隣接する前
記金属層は、異なった金属元素よりなることを特徴とす
る請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の強磁性トン
ネル接合磁気 センサ。 - 【請求項９】 前記第１および第２の強磁性層の少なく
とも一方は、複数の磁性膜の積層を含み、前記積層中、
隣接する磁性膜は組成が異なることを特徴とする請求項
１〜８のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合
磁気センサ。 - 【請求項１０】 前記第１および第２の強磁性層の一方
に隣接して、反強磁性層を含むことを特徴とする請求項
１〜９のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネル接合
磁気センサ。 - 【請求項１１】 前記反強磁性層は、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｍ
ｎ，ＩｒおよびＲｈのうち、少なくとも二つの元素を含
むことを特徴とする請求項１０記載の強磁性トンネル接
合磁気センサ。 - 【請求項１２】 前記反強磁性層を構成する反強磁性材
料は、Ｃｕ−Ａｕ−Ｉ型の規則格子相を形成することを
特徴とする請求項１０または１１記載の強磁性トンネル
接合磁気センサ。 - 【請求項１３】 請求項１〜１２のいずれか一項記載の
磁気センサを含む強磁性トンネル接合磁気ヘッド。 - 【請求項１４】 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を
走査する磁気ヘッドとを備えた磁気記録／再生装置にお
いて、 前記磁気ヘッドは請求項１〜１２のいずれか一項記載の
強磁性トンネル接合磁気センサを含むことを特徴とする
磁気記録／再生装置。 - 【請求項１５】 第１の強磁性層と、前記第１の強磁性
層上に形成され、トンネル酸化膜を含む絶縁障壁層と、
前記絶縁障壁層上に形成された第２の強磁性層とを備え
た強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法において、 前記第１の強磁性層を形成する工程と； 前記第１の強磁性層上に拡散防止層を形成する工程と； 前記拡散防止層上に金属層を堆積する工程と； 前記金属層の表面を酸化して、前記金属層上に前記トン
ネル酸化膜を形成する工程と； 前記酸化した金属層の表面に前記第２の強磁性層を形成
する工程とを含むことを特徴とする強磁性トンネル接合
磁気センサの製造方法。 - 【請求項１６】 前記金属層の表面を酸化する工程は、
前記金属層が前記トンネル酸化膜の下に残るように実行
され、前記金属層の表面を酸化する工程の後、さらに前
記金属層を２００°Ｃ〜３００°Ｃの間の温度範囲にお
いて熱処理する工程を含むことを特徴とする請求項１５
記載の強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法。 - 【請求項１７】 前記熱処理は約３００°Ｃの温度にお
いて実行されることを特徴とする請求項１６記載の強磁
性トンネル接合磁気センサの製造方法。 - 【請求項１８】 前記熱処理は、真空中において実行さ
れることを特徴とする請求項１６または１７記載の強磁
性トンネル接合磁気センサの製造方法。 - 【請求項１９】 前記トンネル酸化膜を形成する工程
は、前記金属層の表面を自然酸化する工程を含むことを
特徴とする請求項１５〜１８のうち、いずれか一項記載
の強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法。 - 【請求項２０】 前記トンネル酸化膜を形成する工程
は、前記金属層の表面をプラズマ酸化する工程を含むこ
とを特徴とする請求項１５〜１８のうち、いずれか一項
記載の強磁性トンネル接合磁気センサの製造方法。 - 【請求項２１】 前記拡散防止層を形成する工程は、前
記金属層を形成する工程に先立ち、前記第１の強磁性層
の表面に酸化膜を、前記酸化膜を通る電子のトンネリン
グが可能な程度の厚さに形成することを特徴とする請求
項１５〜２０のうち、いずれか一項記載の強磁性トンネ
ル接合磁気センサの製造方法。 - 【請求項２２】 前記酸化膜はプラズマ酸化により形成
されることを特徴とする請求項２１記載の強磁性トンネ
ル接合磁気センサの製造方法。
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