【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ディスク装置、磁気エンコーダ装置等の磁気ヘッドに装着され、磁気記録媒体に記録された情報の読み出しに用いられる、
磁気抵抗効果を利用した素子に関する。 さらに詳しくは、強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大量の情報を高速で記録し読み出しできる磁気記録装置に、ハードディスクなどがある。 パーソナルコンピュータなどに使用されるハードディスクにおける記録密度は、短期間で急速に増大しつつあり、今後もその傾向は続くと予想されている。 このハードディスクの磁気媒体に記録された情報を読み出すヘッドの素子として、磁気抵抗効果素子が多く使用されるようになっている。

【０００３】磁気抵抗効果とは、導電性の磁性体に磁場を印加すると電気抵抗が変化する効果であり、この効果を持つ素子を利用して磁場変化を検出し、磁気媒体に記録された情報を読みとる。 この磁気抵抗効果（ＭＲ ―
magnetoresistance）素子は、磁気記録媒体の移動速度の影響を受けず、薄膜による小型化が可能であり、磁気媒体に面密度をきわめて高くして記録された情報を、容易に識別して読み出すことができる利点がある。 このような素子としては、従来、強磁性体の電流の方向と磁化軸とのなす角度による抵抗変化を検出する、磁気異方性型の素子が利用されてきた。 これに対し、非磁性導電体層が二つの強磁性体層に挟まれその一方の強磁性体層の外側に反強磁性体層が接した積層膜構造を持つ、大きな磁気抵抗効果を示すスピンバルブ素子が開発され、これを用いた磁気ヘッドの実用化が進められている。

【０００４】このスピンバルブ素子は、磁気抵抗変化比（ＭＲ比）を大幅に向上させることができる。 しかし、
磁気記録密度の増大傾向に対し、より一層大きいＭＲ比をもつ素子が要望され、それに応えるものとして、強磁性トンネル効果を利用した磁気抵抗効果素子がある。 この効果および素子については、日本応用磁気学会誌vol.
20(1996),No.5, p.896-904 の解説「スピントンネル磁気抵抗効果」に詳述されているが、ごく簡単に説明すれば次のとおりである。

【０００５】絶縁体で隔てられた二つの導電体の間には、通常、電流は流れない。 ところが絶縁体が極めて薄くなると、電圧印加により電流が流れるようになる。 電流は電子という粒子の移動によるとすれば、古典力学ではこれは到底あり得ない現象である。 しかし、電子の運動が波動であるとする量子力学によれば、有限の幅の絶縁体という障壁を、電子がある確率で通過できることになる。 これをトンネル効果といい、それによって流れる電流をトンネル電流という。 そして、薄い絶縁体層に隔てられた二つの導電性強磁性体の間にトンネル電流が検出されるとき、絶縁体層の両側の強磁性体の磁化方向が、相互に同じである場合と異なる場合とでトンネル効果に差があり、これが電気抵抗値変化として検出されることが明らかになった。 当初、この現象とその大きなＭ
Ｒ比は極低温域で見出されたが、強磁性体と絶縁体との組み合わせの選択によって、常温でも十分な大きさの効果が得られることがわかってきた。 さらに強磁性トンネル効果によるＭＲ比は、数十％に達することが理論的に予測されるようになり、磁気抵抗効果素子としての可能性が注目されるようになってきている。

【０００６】強磁性トンネル効果接合による磁気抵抗効果素子（トンネリング素子）は、ＭＲ素子やスピンバルブ素子が導電体膜の面に平行に流れる電流の抵抗変化を信号として取り出すのに対し、層間すなわち膜面に垂直な方向の電流の抵抗変化を検出する。 そして、絶縁体のトンネル効果なので電気抵抗が大きいという特徴がある。 スピンバルブ素子は、二つの導電性強磁性体の間に非磁性の導電体を挟んだ積層体であるのに対し、この非磁性の導電体層がごく薄い絶縁体層に変わったものがトンネリング素子の積層体の基本構造である。 絶縁体層を挟んだ二つの強磁性体の保磁力に差を付けておけば、外部の磁場により、保磁力の小さい方がその磁場の方向に磁化され、保磁力の大きい方は元の方向のままなので、
両強磁性体の間の磁化方向、すなわち電子のスピンの向きの差異によって、トンネル効果が影響を受け、電気抵抗の変化を信号として取り出せる。 この外部磁場によって２つの強磁性体層間に磁化方向の差を現出させる方法として、一方の強磁性体に絶縁体層と接する面とは反対の面に反強磁性体層を接合し、その磁化の方向を固定する場合もある。

【０００７】例えば、特開平4-103014号公報では、これまでＮｉＯが非磁性絶縁体層として用いられ、ＭＲ比が
1.0％程度であったのに対し、厚さ10nmのＡｌ ₂ Ｏ ₃ （アルミナ）を絶縁体層に用い、一方の強磁性体層に反強磁性体層を接合し、1.6％以上のＭＲ比を示すトンネリング素子の発明を開示している。 また、特開平5-63254号公報、あるいは特開平6-244477号公報に開示された発明では、磁界の及ぼす抵抗値変化の挙動が、従来の強磁性体の磁気異方性に基づく場合と、強磁性トンネル効果に基づく場合とで異なることに着目し、これら二つを組み合わせて、弱磁界での感度が高く、ゼロ磁界に対して非対称の磁気抵抗曲線をバイアス磁界無しで得られる素子を提供しようとしている。 さらに、通常磁気抵抗効果膜の強磁性体には金属が使用されるが、これを導電性のフェリ磁性体とし絶縁体にＡｌ ₂ Ｏ ₃を用いた発明も、特開平9-198622号公報に提示されている。

【０００８】トンネリング素子は、高いＭＲ比の得られる可能性のあることから、より一層の性能の向上と、安定した性能の確保、あるいは歩留まりよく製造できることが強く要望されている。 しかしながら現状では、これらの問題に対し、実用化に十分なレベルにまで対処できているとは言い難い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、強磁性トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子において、安定して高い磁気抵抗効果を実現させ得る、トンネリング素子を製造する方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】トンネリング素子を実用化するに際しての最大の問題は、製造した素子の特性にばらつきが大きく、安定して高性能のものが得難いことにある。 トンネル効果を得るための絶縁体層は、多くはＡｌ ₂ Ｏ ₃ （アルミナ）の膜を用いており、その望ましい厚さは2nm前後にあって極めて薄い。 この絶縁体膜の形成は、通常、金属Ａｌ（アルミニウム）を成膜した後酸化させ、アルミナの膜とする方法が採用されている。 例えば、前述の特開平5-63254号公報、あるいは特開平6-2
44477号公報の発明の実施例では、厚さ15nmのＡｌ膜を真空蒸着させた後、空気中に30時間放置して、目的とする数10オングストローム（数nm）のアルミナの絶縁層をその表面に形成させる。 常温ないしはその近傍でゆっくり酸化させることにより、このようなごく薄いアルミナ層の膜厚を制御している。 また同じく前述の特開平9-19
8622号公報の発明では、約1nmの厚さのＡｌを蒸着させ加熱することにより、酸化物であるフェリ磁性体から遊離してくる酸素によって酸化させ、Ａｌ ₂ Ｏ ₃の膜を形成させている。

【００１１】本発明者らは、トンネリング素子の特性ばらつきの原因が、この膜の品質の不安定性にあると考え、膜の製造条件の影響について種々検討をおこなった。 膜の厚さは上記のように極めて薄いため、均一で健全な層とするのは容易でなく、膜厚の変動、ピンホール等のわずかな欠陥による短絡、膜形成の素地の凹凸などによる不均一性などにより、トンネル効果の障壁としてのポテンシャルが安定しない、と推定される。 そこでＡ
ｌを蒸着し、温度、酸素濃度、時間等の酸化条件を変えたり、酸素プラズマを用いＡｌを酸化させながら成膜したりして絶縁体層を形成させ、素子を作製してその性能を調査した。 しかしながら、個々の製品毎の接合部の抵抗値のばらつきや、ＭＲ比のばらつきが大きく、安定して特定品質の素子を得るのは困難であった。 ことに好ましいトンネル効果の得られる範囲内において、絶縁体層の厚さと接合部の抵抗値との関係が明瞭でなく、厚さが変化しても接合部の抵抗値がそれに応じて変化せず、抵抗値の制御ができないと言う問題があった。

【００１２】ところが、種々の絶縁膜の製造方法を検討する中で、絶縁膜の原料となるターゲットを絶縁体層と同じアルミナとし、目的とする厚さに成膜して素子を作製したところ、絶縁体層の厚さに応じて接合部の抵抗値が変化し、抵抗変化率もばらつきの小さい安定したものになることがわかったのである。

【００１３】このようにアルミナを原料とすれば、Ａｌ
を用いて膜形成後酸化させたり、酸化させつつ成膜する場合に比較して、性能が安定する理由は必ずしも明らかではない。 考えられることは、Ａｌは高温で極めて活性であり、通常の蒸着では高真空であっても、わずかに酸化されることである。 したがってＡｌの膜形成後酸化させる場合、わずかではあるがすでに酸化物が存在する膜を、後から低温で酸化することになり、膜が不均質になる可能性がある。 また、Ａｌ膜を形成後酸化させると、
酸化による体積膨張によって、歪みや応力、さらには欠陥も導入されることも考えられる。 酸化させつつ成膜する場合も、素材の金属のＡｌとＡｌ ₂ Ｏ ₃とでは、その沸点や蒸発する温度が著しく異なっており、成膜過程での反応は、形成される絶縁膜の不均質性を増加させるのではないかと思われる。

【００１４】強磁性トンネル結合の絶縁体層を、アルミナを原料に用いて所要厚さに成膜することにより、その性能を安定させ得ることがわかったので、さらにその最適厚さを調査したところ、膜厚を薄くすれば、ＭＲ比が
20％を超えるものも現れることが見出された。 しかしながら、この高ＭＲ比は制御して出現させることができず、安定したＭＲ比の素子を製造するには、ある程度以上の厚さにしておく必要があると考えられた。 また厚くなるとトンネル電流が減少してしまう。 以上のような検討結果から完成させた本発明の要旨は次のとおりである。

【００１５】第一の強磁性体層、絶縁体層、および第二の強磁性体層からなる絶縁体層接合部のトンネル効果を利用する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、絶縁体層をアルミナのスパッタにより成膜し、その厚さを1〜2
nmとすることを特徴とする強磁性トンネル接合磁気抵抗効果素子の製造法。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を具体例にて説明する。

【００１７】図１にその形状を模式的に示すように、ガラス基板１上にメタルマスクを用い、第一の強磁性体のＣｏ ₉₀ Ｆｅ ₁₀ （添字は原子濃度％を示す）の層２、絶縁体層３、第二の強磁性体のＮｉ ₈₀ Ｆｅ ₂₀の層４の順に形成させて、十字型のトンネリング素子を作製した。 強磁性体層２，４は、いずれも巾を0.3mm、厚さを20nmとした。 絶縁体層３は、(1)アルミナ（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）をターゲットとして成膜した場合と、(2)金属Ａｌ（アルミニウム）を原料としてＡｌ膜を形成後、大気中にて24時間放置し自然酸化させた場合との２種とし、いずれも厚さを
1.1〜2.0nmの範囲で変えた。 接合部分の面積は0.09mm
² (＝0.3mm×0.3mm)である。

【００１８】各層の成膜条件は次のとおりである。

【００１９】第一強磁性体層（ＣｏＦｅ） 成膜装置：ＤＣマグネトロンスパッタ装置 スパッタガス：アルゴン（ガス圧 1.5×10 ^-3 Torr） スパッタ電力：200Ｗ 印加磁場：40 エルステッド 絶縁体層(1)（アルミナ直接成膜） 成膜装置：イオンビームスパッタ装置 スパッタガス：アルゴン（ガス圧 1×10 ^-4 Torr） ビーム加速電圧300Ｖ ビーム電流：30mＡ 絶縁体層(2)（Ａｌ金属成膜） 成膜装置：電子ビーム蒸着装置 ビーム電圧：5kＶ ビーム電流：45mＡ 第二強磁性体層（ＮｉＦｅ） 成膜装置：イオンビームスパッタ装置 スパッタガス：アルゴン（ガス圧 1×10 ^-4 Torr） ビーム加速電圧300Ｖ ビーム電流：30mＡ 印加磁場：100 エルステッド なお、メタルマスクの交換は各層の成膜後、真空チャンバーを大気解放しておこなった。 また、成膜時の磁場の印加は、いずれの強磁性体層の場合も、その長さ方向に対し直角方向とした。 作製した接合素子は、図１に示したように、直流４端子法でＭＲ曲線を測定した。 このとき端子間の電圧は約0.5mＶとなるよう、電流を調整した。

【００２０】図２にアルミナをターゲットとし、そのままアルミナの絶縁体層とした場合の素子の絶縁体層の厚さと、接合部の抵抗値の測定結果との関係を示す。 この場合アルミナの膜厚の増加とともに接合部の抵抗が増加していることがわかる。 ここで、接合部の抵抗値とは、
接合素子に磁場を印可し、２つの強磁性体の磁化が平行になって磁場方向を向いたときの測定値とした。

【００２１】図３に、絶縁体層の厚さに対する、素子の磁気抵抗変化率の測定結果を示す。 磁気抵抗変化率は、
ＭＲ曲線にて、最大の抵抗値と上記接合部抵抗値との差を、接合部抵抗値で除したものである。 絶縁体層の厚さが薄い方が、磁気抵抗変化率は大きくなる傾向があり、
1.4nmを下回るようになると極めて高い値を示すものもあるが、ばらつきが大きくなってくる。 これに対し1.4n
m以上では、厚さを定めればほぼ一定の安定した値を示していることがわかる。

【００２２】図４および図５は、金属Ａｌを成膜後、酸化させて絶縁体層とした素子にて測定した、Ａｌの膜厚と接合部の抵抗値および磁気抵抗変化率の結果である。
Ａｌの膜厚は、酸化させることにより膨張するので、図に示す値よりも約8％増加したアルミナの厚さとなる。
図２と図４の比較から明らかなように、アルミナから直接絶縁体層を成膜すると、膜厚に応じて接合部の抵抗値が変化するのに対し、Ａｌを酸化させた場合、Ａｌの厚さと接合部の抵抗値との間にはっきりした関係が認められず、Ａｌの膜厚制御によっては接合部の抵抗値の管理ができない。 また、磁気抵抗変化率は、Ａｌの膜厚が薄くなると大きくなる傾向は認められるが、同じＡｌ膜厚に対し、その変動が大きい。

【００２３】このように、絶縁体層はアルミナをターゲットに用いて、スパッタして成膜することにより、特性の安定した素子の得られることがわかる。 このアルミナの絶縁体層の厚さは、1nmを下回る厚さになると、ばらつきがさらに大きくなるばかりでなく、わずかな欠陥による短絡など絶縁が維持されなくなるおそれもあるので、1nm以上の厚さであることが好ましい。 また、2nmを超えて厚くなると、絶縁抵抗値が大きくなりすぎ、素子としての使用が困難となるので、2nmまでの厚さにとどめるのがよい。 すなわち、アルミナの絶縁体層の厚さは、1〜2nmとする。 なお望ましいのは1.4〜2nmとすることである。

【００２４】素子を製造する際の、強磁性体の成膜方法ないしはそれに使用する成膜装置は特には限定しない。
絶縁体層は、非電導性のアルミナを原料として成膜しなければならないが、これが可能な成膜方法であれば、その方法や装置はどんなものでもよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明を適用すれば、従来、特性不良が多発するため、安定量産が困難であったトンネリング素子に関し、良製品を歩留まりよく安定して製造することができるようになる。 これにより、高いＭＲ比の期待できる磁気抵抗効果素子の実用化を大きく推進させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果素子の構造およびその特性の測定方法を模式的に説明する図である。

【図２】アルミナを直接成膜した絶縁体層を持つ素子の、層の膜厚と接合部の抵抗値の測定値との関係を示す図である。

【図３】アルミナを直接成膜した絶縁体層を持つ素子の、層の膜厚と磁気抵抗変化率の測定値との関係を示す図である。

【図４】Ａｌを成膜後酸化させた絶縁体層を持つ素子の、Ａｌ膜の膜厚と接合部の抵抗値の測定値との関係を示す図である。

【図５】Ａｌを成膜後酸化させた絶縁体層を持つ素子の、Ａｌ膜の膜厚と磁気抵抗変化率の測定値との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ 第一強磁性体層（Ｃ
ｏＦｅ） ３ 絶縁体層 ４ 第二強磁性体層（Ｎ
ｉＦｅ） ５ 電圧計 ６ 電流計 ７ 電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森口 晃治 兵庫県尼崎市扶桑町１番８号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 (72)発明者 田ノ上 修二 兵庫県尼崎市扶桑町１番８号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 Ｆターム(参考） 5D034 BA03 BA15 DA07 5E049 AA01 AA04 AA07 AC00 AC05 BA12 BA16 GC01