【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高密度磁気ディスク装置における再生用磁気ヘッドや高密度磁気メモリ（ＭＲＡＭ）に適した磁気抵抗効果素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性トンネル接合素子は二つの強磁性層の間に数ｎｍ厚の薄い絶縁体からなるトンネルバリア層を挟んだ構造を持つ。 この素子では強磁性層間に一定の電流を流した状態で強磁性層面内に外部磁界を印加した場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果現象が現れる。 この磁化の向きが平行である場合には抵抗値は最小となり、反平行である場合には抵抗値が最大となる。 従って、両磁性層に磁界感度の差もしくは保磁力差を付与することによって、磁界の強さに応じて磁化の平行及び反平行状態を実現できるため、抵抗値の変化による磁界検出が可能となる。

【０００３】近年、トンネルバリア層にＡｌの表面酸化膜を用いることによって２０％近い磁気抵抗変化率を示す強磁性トンネル接合素子が得られるようになったことから、磁気ヘッドや磁気メモリへの応用の可能性が高まってきた。 こうした大きな磁気抵抗変化率を報告している代表例として、「１９９７年８月、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、８１巻、３７４１〜３７
４６頁（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ， ｖｏｌ． ８１， ３７４１〜３７４６，
１９９７）」がある。 この技術を図面を用いて説明する。 図５に示すように、Ｓｉ基板５４上にＰｔ（２０ｎ
ｍ）の下電極５５、ＮｉＦｅ（４ｎｍ）の下地層５６、
ＦｅＭｎ（１０ｎｍ）の反強磁性層５７、ＮｉＦｅ（８
ｎｍ）の固定磁性層５８を成膜し、続いて１．０〜３．
０ｎｍ厚のＡｌ層を成膜する。 このＡｌ層表面を酸素グロー放電に曝すことによって、Ａｌ ₂ Ｏ ₃からなるトンネルバリア層５９を形成する。 最後に、このトンネルバリア層５９を介しＣｏ（８ｎｍ）のフリー磁性層６０、
Ｐｔ（２０ｎｍ）の上電極６１を成膜して強磁性トンネル接合素子を完成させる。 この方法では、磁気抵抗変化率として最大２１％という大きな値が得られている。

【０００４】強磁性トンネル接合素子を磁気ヘッドや磁気メモリなどのデバイスに適用するためには、トンネルバリア層を挟んだ強磁性層の、一方の強磁性層の磁化方向は外部磁界により容易に反転し（フリー磁性層）、残りの強磁性層の磁化方向は容易には反転しない（固定磁性層）ようにする必要がある。 このため、磁性材料としてはＮｉＦｅ等の軟磁性材料を用い、反強磁性層により固定磁性層の磁化方向を固定する方法が一般的に採られている。 図５に示した従来例では、下部電極のＮｉＦｅ
からなる固定磁性層をＦｅＭｎ反強磁性層により固定している。

【０００５】その他の例として、「特開平５−６３２５
４」、「特開平６−２４４４７７」、「特開平８−７０
１４８」、「特開平８−７０１４９」、「特開平８−３
１６５４８」及び「１９９７年、日本応用磁気学会誌、
２１巻、４９３〜４９６頁」などの報告がある。 ここでは、トンネルバリア層の形成方法として、Ａｌ層を成膜した後、大気中に曝してＡｌ ₂ Ｏ ₃を成長させる方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】高密度磁気ディスク装置における再生用磁気ヘッドや高密度磁気メモリ（ＭＲ
ＡＭ）に強磁性トンネル接合素子を応用する場合、素子寸法は数μｍ以下になる。 これは、高密度に対応するために、記録面積を小さくする必要があるためである。 この場合、磁性層の端部から磁区が発生するため外部磁界の測定時に磁区が移動し、再生ノイズが発生する。

【０００７】本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、磁界測定時のノイズの小さい強磁性トンネル接合素子センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の強磁性トンネル接合素子センサは、順に積層された第一の反強磁性層、
フリー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の反強磁性層を有し、前記フリー磁性層は全面が前記第一の反強磁性層と密着しており、前記第一の反強磁性層の交換結合磁界により前記フリー磁性層の磁気異方性がトラック幅方向に向き、前記第二の反強磁性層の交換結合磁界により固定磁性層の磁気異方性がＭＲ高さ方向に向くことを特徴とする。

【０００９】本発明において、ＭＲ高さ方向とは積層構造の面と平行方向であって測定する外部磁界の方向をいい、トラック幅方向とは、積層構造面と平行方向であって外部磁界と垂直方向を言う。

【００１０】このような強磁性トンネル接合素子センサを製造するには、順に積層された第一の反強磁性層、フリー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の反強磁性層を積層する工程と、磁界をＭＲ高さ方向に印可しながら、第二の反強磁性層のブロッキング温度Ｔ _B2以上の温度で熱処理する工程と、磁界をトラック幅方向に印可し、第一の反強磁性層のブロッキング温度Ｔ _B1以上の温度で熱処理する工程を含む製造方法によって製造することができる。

【００１１】ここでブロッキング温度とは交換結合磁界が発生する上限の温度である。

【００１２】磁界測定時のノイズの発生を抑制するためには、外部磁界によりフリー磁性層の磁化方向を連続的に変化させる必要がある。 このためにはフリー磁性層を単磁区化し、磁気異方性方向を測定対象である外部磁界に対して直交させることが有効である。 これは、磁気抵抗効果センサーのノイズは、外部磁界により磁化方向を変化させるフリー磁性層の磁気異方性方向と相関があるためである。 つまり、異方性方向がＭＲ高さ方向の場合、異方性方向と外部磁界方向は平行であり、磁化方向の動きは不連続な磁区移動モードでありヒステリシスを発生する。 異方性方向がトラック幅方向の場合、異方性方向と外部磁界方向は直交し、磁化方向の動きは連続的な磁化回転モードであり、ヒステリシスを発生しない。

【００１３】そこで本発明では、第一の反強磁性層をフリー磁性層の全面に接触させることで、フリー磁性層に成膜中の磁界により誘起させる誘導磁気異方性より大きな交換結合磁界をフリー磁性層に直接作用させることにより、フリー磁性層を単磁区化し、磁気異方性方向を測定対象である外部磁界に対して直交させることが出来る。 このとき、ＭＲ高さ方向に外部磁界が印可されたとき、フリー磁性層の磁化変化は磁化回転モードであり、
低ノイズで磁界を測定することができる。

【００１４】固定層の異方性方向を回転させず所期の方向に向けたまま、フリー磁性層の異方性方向をそれと直交させるためには、固定層の熱処理温度よりも５０℃以下の温度でフリー磁性層の異方性を回転させる必要がある。 フリー磁性層のブロッキング温度Ｔ _B1を固定層の磁界中熱処理よりも５０℃低くすることで、磁界をトラック幅方向に印可し、反強磁性層のブロッキング温度Ｔ _B1
の直上で熱処理する工程により、固定層の異方性方向を所期の方向に向けたまま、フリー磁性層の異方性方向をそれと直交させることができる。

【００１５】磁気抵抗効果センサーの代表的な応用例である磁気ディスクでは動作温度は１００℃程度になるため、動作安定性を得るためにはＴ _B1 ＞１５０℃である必要がある。

【００１６】また、この反強磁性層の発生する交換結合磁界をＨｅｘ１は、フリー磁性層の誘導磁気異方性よりも十分大きい必要があるため、Ｈｅｘ１＞２０Ｏｅが望ましい。

【００１７】交換結合磁界の大きさは磁界センサの感度を決めるため、その制御が重要になる。 反強磁性層と強磁性層間に薄い非磁性金属からなる界面制御層を積層することで、交換結合磁界は容易に制御できる。 そこで本発明では、順に積層された第一の反強磁性層、界面制御層、フリー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の反強磁性層を有し、前記フリー磁性層が前記界面制御層を介して全面で前記第一の反強磁性層と密着しており、前記第一の反強磁性層の交換結合磁界により前記フリー磁性層の磁気異方性がトラック幅方向に向き、前記第二の反強磁性層の交換結合磁界により固定磁性層の磁気異方性がＭＲ高さ方向に向くことを特徴とする。

【００１８】また、界面制御層の厚さｔを、１ｎｍ≦ｔ
≦１０ｎｍの範囲にすることで、交換結合磁界は磁界センタに適した値をとる。

【００１９】さらに、前記第一の反強磁性層をバイアス強磁性層としても、交換結合磁界をフリー磁性層に作用することができ、同様の効果を有する。 この場合、バイアス強磁性層の保磁力以上の磁界をトラック幅方向に印可する工程により、フリー磁性層に作用する磁気異方性はヒステリシスの少ないトラック幅方向となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施形態を図１に示す。 この強磁性トンネル接合素子センサは、基板１１
上に形成された下電極１２、下地層１３の上に、適当な大きさ形状にパターン化された第１の反強磁性層１４、
フリー磁性層１５を積層し、トンネルバリア層１６、固定磁性層１７、第２の反強磁性層１８が積層された構造である。 第２の反強磁性層の上には上電極１９が設けられている。

【００２１】この強磁性トンネル接合素子センサのトラック幅方向はＸ方向であり、ＭＲ高さ方向はＹ方向である。 外部磁界はＹ方向である。

【００２２】下地層１３には、Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ、
Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎ
ｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，
Ｒｅ，Ｐｔ，Ａｕ、Ｐｂからなる群より選ばれる金属、
これらの金属からなる合金、またはこれらの金属または合金から構成される二層膜を用いることができる。

【００２３】第１、第２の反強磁性層は、Ｆｅ−Ｍｎ
（鉄−マンガン）合金、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）合金、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）合金、Ｉｒ−
Ｍｎ（イリジウム−マンガン）合金、Ｒｕ−Ｍｎ（ルテニウム−マンガン）合金、Ｒｈ−Ｍｎ合金、Ｃｒ−Ａｌ
（クロム−アルミ）合金のいずれかを用いるか、もしくはこれらの金属（合金）の二種類以上からなる合金を用いることができる。 それらは二層膜として用いても良い。

【００２４】フリー磁性層と固定磁性層の材料としては、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選ばれた金属、またはこれらの金属を含む合金を用いることができる。 例えば、ＮｉＦｅ，ＮｉＦｅＣｏ，ＣｏＺｒ系材料，ＦｅＣｏＢ，センダスト，窒化鉄系材料，ＦｅＣｏ
等を用いることができる。 フリー磁性層と固定磁性層の材料は同一であっても異なっていてもよい。

【００２５】フリー磁性層および固定磁性層には、ＭＲ
比を高めるために、非磁性層に隣接する面に１ｎｍ程度の薄いＣｏ膜、ＣｏＦｅ膜を設けても良い。

【００２６】トンネルバリア層は、Ａｌ、Ｍｇおよび、
ランタノイドに属する金属の酸化膜を用いることができる。

【００２７】電極層は、Ａｌ，Ｐｔ等を用いることができる。

【００２８】次に、本発明の第二の実施形態を図２に示す。 この強磁性トンネル接合素子センサは、基板１１上に形成された下電極１２、下地層１３の上に、適当な大きさ形状にパターン化された第１の反強磁性層１４、界面制御層２１，フリー磁性層１５を積層し、トンネルバリア層１６、固定磁性層１７、第２の反強磁性層１８が積層された構造である。 第２の反強磁性層の上には上電極１９が設けられている。

【００２９】界面制御層として、Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，
Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｐｔ，Ａ
ｕ、Ｐｂ、Ｂｉ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅ
ｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ、Ｅｒからなる群より選ばれる金属、これらの金属を含む合金を用いることができる。

【００３０】本発明の第三の実施形態を図３に示す。 この強磁性トンネル接合素子センサは、基板１１上に形成された下電極１２、下地層１３の上に、適当な大きさ形状にパターン化されたバイアス強磁性層３１、フリー磁性層１５を積層し、トンネルバリア層１６、固定磁性層１７、第２の反強磁性層１８が積層された構造である。
第２の反強磁性層の上には上電極１９がもうけられている。

【００３１】バイアス強磁性層は、ＣｏＣｒＰｔ，Ｃｏ
Ｐｔ等の強磁性層を用いることができる。

【００３２】

【実施例】以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。

【００３３】（実施例１）図４（ａ）に示すよう、まず表面を熱酸化したＳｉ基板４１上に５０ｎｍ厚のＡｌ膜からなる下電極４２、５ｎｍ厚のＴａの下地層４３を形成した。

【００３４】次に、第一の反強磁性層４４としてＦｅ−
Ｍｎ（５ｎｍ）、フリー磁性層４５としてＮｉＦｅ（１
０ｎｍ）、２ｎｍ厚のＡｌ膜からなる導電層４６を連続してスパッタ成膜する。 このときの成膜方法として、ｄ
ｃマグネトロンスパッタ法により、スパッタガスはＡｒ
とし、ガス圧０．３Ｐａ、投入パワーは３５Ｗでおこなった。 次に、スパッタ装置内に純酸素を導入し、酸素圧力を２０ｍＴｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒの範囲で１０分間保持して、Ａｌ導電層表面を酸化してトンネルバリア層４７を形成する。 酸素を排気してバックグランド圧力に到達した後、固定磁性層４８としてＣｏＦｅ（１０ｎ
ｍ）および第二の反強磁性層４９としてＮｉＭｎ（３０
ｎｍ）を順次積層した。 このときの成膜方法として、ｄ
ｃマグネトロンスパッタ法により、スパッタガスはＡｒ
とし、ガス圧０．３Ｐａ、投入パワーは３５Ｗでおこなった。

【００３５】次に、通常のフォトリソグラフィ技術とイオンミリング技術を用いて接合構成層の全層を下部配線形状に加工した（図４（ｂ））。 第二の反強磁性層４９
上に接合寸法を規定するためのレジストパターン５０を形成し、第一の反強磁性層４４までイオンミリングする（図４（ｃ））。 このレジストを残したまま３００ｎｍ
厚のＡｌ ₂ Ｏ ₃膜からなる絶縁層５１を電子ビーム蒸着した後、レジストのリフトオフを行う（図４（ｄ））。
次に、上部配線を形成するためのレジストパターン５２
を形成した後（図４（ｅ））、第２の反強磁性層４９と上部配線５３間の電気的な接触を得るために露出した試料表面の逆スパッタクリーニングを行う。 引き続き、２
００ｎｍ厚のＡｌ膜からなる上部配線層を蒸着し、最後にレジストをリフトオフすることによって上部配線５３
を形成し、強磁性トンネル接合素子を完成させる（図４
（ｆ））。

【００３６】次に、固定磁性層の着磁工程として２７０
℃、磁界はＭＲ高さ方向に３ＫＯｅで５時間磁界中熱処理した。 次にフリー磁性層の着磁工程として１５０℃
で、磁界はトラック幅方向に５０Ｏｅで１分磁界中熱処理した。

【００３７】この強磁性トンネル接合素子センサを用いて、外部磁界と抵抗変化の関係（Ｒ−Ｈ曲線）を調べたところヒステリシスのない正常なＭＲ曲線が得られている。

【００３８】なお、フリー磁性層の着磁工程を行わない場合、ヒステリシスが大きなＭＲ曲線になり、磁界センサーとしての応用は出来ない。

【００３９】（比較例１）第１の反強磁性層がない以外は実施例１と同様にして、従来の強磁性トンネル接合素子センサを作製した。 外部磁界と抵抗変化の関係（Ｒ−
Ｈ曲線）を調べたところ、大きなヒステリシスが観察され、磁界センサとしての応用は不可能である。

【００４０】（実施例２）実施例１において、第一の反強磁性層としてＩｒＭｎを１５ｎｍ用い、それ以外は実施例１と同様にした。 ＩｒＭｎの成膜には、合金ターゲットを用いたｒｆスパッタ法を用いた。 スパッタガスはＡｒとし、ガス圧０．３Ｐａ、投入パワー１００Ｗでおこなった。 フリー磁性層の着磁工程として２５０℃で、
磁界はトラック幅方向に５０Ｏｅで１分磁界中熱処理した。 それ以外の工程は実施例１と同様にして強磁性トンネル接合素子センサを作製した。

【００４１】この強磁性トンネル接合素子センサを用いて、外部磁界と抵抗変化の関係（Ｒ−Ｈ曲線）を調べたところ、ヒステリシスのない正常なＭＲ曲線が得られた。

【００４２】（実施例３）実施例１において、第一の反強磁性層としてＲｈＭｎを５ｎｍ用い、それ以外は実施例１と同様にした。 ＲｈＭｎの成膜には、合金ターゲットを用いたｒｆスパッタ法を用いた。 スパッタガスはＡ
ｒとし、ガス圧０．３Ｐａ、投入パワー１００Ｗでおこなった。 フリー磁性層の着磁工程として２００℃で、磁界はトラック幅方向に５０Ｏｅで１分磁界中熱処理した。 それ以外の工程は実施例１と同様にして強磁性トンネル接合素子センサを作製した。

【００４３】この強磁性トンネル接合素子センサを用いて、外部磁界と抵抗変化の関係（Ｒ−Ｈ曲線）を調べたところ、ヒステリシスのない正常なＭＲ曲線が得られた。

【００４４】（実施例４）実施例１において、第一の反強磁性層としてＣｒ−Ａｌを２０ｎｍ用い、それ以外は実施例１と同様にした。 Ｃｒ−Ａｌの成膜には、合金ターゲットを用いたｒｆスパッタ法を用いた。 スパッタガスはＡｒとし、ガス圧０．３Ｐａ、投入パワー１００Ｗ
でおこなった。 フリー磁性層の着磁工程として２２０℃
で、磁界はトラック幅方向に５０Ｏｅで１分磁界中熱処理した。 それ以外の工程は実施例１と同様にして強磁性トンネル接合素子センサを作製した。

【００４５】この強磁性トンネル接合素子センサを用いて、外部磁界と抵抗変化の関係（Ｒ−Ｈ曲線）を調べたところ、ヒステリシスのない正常なＭＲ曲線が得られた。

【００４６】（実施例５）実施例１において、第一の反強磁性層としてＦｅＭｎを１０ｎｍ、フリー磁性層の間に界面制御層としてＣｕを１．５ｎｍを用い、それ以外は実施例１と同様にした。 Ｃｕの成膜には、ｄｃマグネトロンスパッタ法を用いた。 スパッタガスはＡｒとし、
ガス圧０．３Ｐａ、投入パワー７Ｗでおこなった。 フリー磁性層の着磁工程として１５０℃で、磁界はトラック幅方向に５０Ｏｅで１分磁界中熱処理した。 それ以外の工程は実施例１と同様にして強磁性トンネル接合素子センサを作製した。

【００４７】この強磁性トンネル接合素子センサを用いて、外部磁界と抵抗変化の関係（Ｒ−Ｈ曲線）を調べたところ、ヒステリシスのない正常なＭＲ曲線が得られた。

【００４８】界面制御層としてＣｕの代わりにＡｌ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒ
ｕ，Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｐｔ，
Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅ
ｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ、Ｅｒのいずれかを用いた場合も同様の効果が得られた。

【００４９】（実施例６）実施例１において、第一の反強磁性層の代わりにバイアス強磁性層としてＣｏＣｒＰ
ｔを１０ｎｍ、フリー磁性層の間に界面制御層としてＡ
ｇを１．５ｎｍを用い、それ以外は実施例１と同様にした。 Ａｇの成膜には、ｄｃマグネトロンスパッタ法を用いた。 スパッタガスはＡｒとし、ガス圧０．３Ｐａ、投入パワー１０Ｗでおこなった。 フリー磁性層の着磁工程として３０℃で、磁界はトラック幅方向に３ＫＯｅで１
分磁界中処理した。 それ以外の工程は実施例１と同様にして強磁性トンネル接合素子センサを作製した。

【００５０】この強磁性トンネル接合素子センサを用いて、外部磁界と抵抗変化の関係（Ｒ−Ｈ曲線）を調べたところ、ヒステリシスのない正常なＭＲ曲線が得られた。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、磁界測定時のノイズの小さい強磁性トンネル接合素子センサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの第１
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。

【図２】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの第２
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。

【図３】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの第３
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。

【図４】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの製造方法を示す説明図である。

【図５】従来の強磁性トンネル接合素子センサであって、その構成を示す図である。

【符号の説明】

１１ 基板 １２ 下電極 １３ 下地層 １４ 第１の反強磁性層 １５ フリー磁性層 １６ トンネルバリア層 １７ 固定磁性層 ２１ 界面制御層 ３１ バイヤス強磁性層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松寺 久雄 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 石綿 延行 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 上條 敦 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内