トンネル型磁気検出素子
【課題】 特に、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させ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。
【解決手段】 フリー磁性層６は、絶縁障壁層５上に、下から、エンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６及び第３軟磁性層１９の順に積層されている。前記エンハンス層１２は例えばＣｏ−Ｆｅで、軟磁性層１３，１５，１９は例えばＮｉ−Ｆｅで、非磁性金属層１４，１６は例えばＴａで形成される。これにより従来に比べて安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【解決手段】 フリー磁性層６は、絶縁障壁層５上に、下から、エンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６及び第３軟磁性層１９の順に積層されている。前記エンハンス層１２は例えばＣｏ−Ｆｅで、軟磁性層１３，１５，１９は例えばＮｉ−Ｆｅで、非磁性金属層１４，１６は例えばＴａで形成される。これにより従来に比べて安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能なトンネル型磁気検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、記録媒体からの漏れ磁界が検出されるようになっている。
【特許文献１】特開２００６―２６１６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、フリー磁性層が積層フェリ構造で形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子の構造が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載された発明では、前記フリー磁性層を構成する強磁性層間に充分に大きな交換結合を生じさせるために、前記強磁性層内に１層の第１配向制御バッファを形成している。例えば、特許文献１の［０１３９］欄には、フリー磁性層を下から、Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｔａ（０．４ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）の順に積層した実施例が開示されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された発明には、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる構成は記載されていない。
【０００７】
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、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のトンネル型磁気検出素子は、
下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の順に、あるいは、下から前記フリー磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記固定磁性層の順に積層された積層部分を備える積層体を有し、
前記フリー磁性層は、積層される３層以上の軟磁性層と、各軟磁性層間に介在する２層以上の非磁性金属層と、前記軟磁性層のうち最も前記絶縁障壁層側に設けられた第１軟磁性層と前記絶縁障壁層との間に位置して、各軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とで構成され、
各非磁性金属層は、各軟磁性層間が磁気的に結合されて、全ての前記軟磁性層が同一方向に磁化される膜厚で形成されることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明では、フリー磁性層を構成する各軟磁性層間に非磁性金属層を介在させるが、前記軟磁性層を３層以上設けて、前記非磁性金属層を２層以上設けている。これにより、従来に比べて効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが出来る。後述する実験によれば、本発明のトンネル型磁気検出素子は、前記フリー磁性層内に前記非磁性金属層を設けない従来例や、前記フリー磁性層の軟磁性層内に前記非磁性金属層を１層だけ設けた比較例とほぼ同じＲＡ（素子抵抗値Ｒ×面積Ａ）で、且つ、従来例や比較例よりも大きな抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【００１０】
なお本発明は、特許文献１と異なって、前記フリー磁性層を積層フェリ構造としていない。前記フリー磁性層を積層フェリ構造にすると、例えば前記フリー磁性層のトラック幅方向の両側に位置するハードバイアス層から前記フリー磁性層に流入する一方向のバイアス磁界によって、非磁性中間層を介して対向する２層の磁性層における反平行の磁化が乱れて、バルクハウゼンノイズが発生しやすい。また、前記フリー磁性層の保磁力は出来る限り小さいことが好ましいが、前記フリー磁性層を積層フェリ構造にすると保磁力が大きくなりやすい。
【００１１】
本発明では、各非磁性金属層の平均膜厚は１Å以上で４Å以下であることが好ましい。各軟磁性層を適切に磁気的に結合させることができ、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を維持できると共に、バルクハウゼンノイズを適切に抑制できる等、再生特性の安定性を向上させることが可能である。
【００１２】
また本発明では、各非磁性金属層は、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ましい。本発明では、各非磁性金属層は、Ｔａで形成されることがより好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【００１３】
また本発明では、前記第１軟磁性層の平均膜厚と前記エンハンス層の平均膜厚を足した総合膜厚は２５Å以上８０Å以下であることが好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【００１４】
また本発明では、各軟磁性層の平均膜厚は、１０Å以上３０Å以下であることが好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。また、バルクハウゼンノイズの低減やＳ／Ｎ比の改善も期待することが出来る。
【００１５】
また本発明では、また本発明では、各軟磁性層の平均膜厚を足した総合膜厚は、３５Å以上８０Å以下であることが好ましい。
【００１６】
また本発明では、前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏで形成されることが好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【００１７】
また本発明では、各軟磁性層はＮｉ−Ｆｅ合金で形成され、前記エンハンス層はＣｏ−Ｆｅ合金で形成されることが、効果的に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得る上で好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のトンネル型磁気検出素子は、従来に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、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である。図１では主として、トンネル型磁気検出素子の全体の構造を説明する。図２は、図１の一部を拡大した部分拡大断面図であり、図２では、本実施形態の特徴的部分であるフリー磁性層の構造を説明する。
【００２０】
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漏れ磁界（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漏れ磁界の方向（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。
【００２１】
図１の最も下に形成されているのは、例えばＮｉ−Ｆｅ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上に積層体１０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１０と、前記積層体１０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。
【００２２】
前記積層体１０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、Ｎｉ−Ｆｅ−ＣｒまたはＣｒによって形成される。なお、前記下地層１は形成されなくともよい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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（Ｈｅｘ）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、夫々、例えば１０〜４０Å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。
【００２６】
前記第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃはＣｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ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。
【００２７】
前記固定磁性層４上には絶縁障壁層５が形成される。また、前記絶縁障壁層５上には、フリー磁性層６が形成されている。前記フリー磁性層６の構成は後述する。
【００２８】
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。
【００２９】
前記フリー磁性層６上には保護層７が形成されている。前記保護層７は非磁性金属材料で形成され、単層構造でも積層構造であってもよい。例えば前記保護層７はＴａの単層構造や、Ｒｕ／Ｔａの積層構造で形成される。
【００３０】
前記積層体１０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。
【００３１】
図１に示すように、前記積層体１０の両側に広がる下部シールド層２１上から前記積層体１０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。
【００３２】
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。
【００３３】
前記絶縁層２２，２４はＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２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１０内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記積層体１０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。
【００３４】
前記積層体１０上及び上側絶縁層２４上にはＮｉ−Ｆｅ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。
【００３５】
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１０に対する電極層として機能し、前記積層体１０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。
【００３６】
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。
【００３７】
前記フリー磁性層６が、外部磁界により磁化変動して、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。
【００３８】
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漏れ磁界が検出されるようになっている。
【００３９】
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に示すように、前記フリー磁性層６は、下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６及び第３軟磁性層１９の順に積層されている。
【００４０】
前記エンハンス層１２は、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び第３軟磁性層１９よりもスピン分極率が大きい磁性材料で形成され、前記エンハンス層１２は、Ｃｏ−Ｆｅ合金で形成されることが好適である。前記エンハンス層１２が形成されないと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きく低下することがわかっている。よって前記エンハンス層１２は必須の層である。前記エンハンス層１２を構成するＣｏ−Ｆｅ合金のＦｅ濃度を大きくすることで高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。Ｃｏ−Ｆｅ合金のＦｅ濃度は５０ａｔ％〜１００ａｔ％の範囲内であることが好適である。
【００４１】
前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び第３軟磁性層１９は、前記エンハンス層１２よりも低保磁力、低異方性磁界である等、軟磁気特性に優れた材質である。前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び第３軟磁性層１９は、異なる軟磁性材料で形成されてもよいが、共にＮｉ−Ｆｅ合金で形成されることが好適である。Ｎｉ−Ｆｅ合金のＦｅ濃度は５ａｔ％〜２０ａｔ％の範囲内であることが好適である。
【００４２】
前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は、Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち少なくともいずれか１種の非磁性金属材料で形成される。前記非磁性金属材料が２種以上選ばれた場合、前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は、例えば合金で形成され、あるいは、各非磁性金属材料から成る層の積層構造で形成される。
【００４３】
本実施形態では前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６はＴａで形成されることが好適である。
【００４４】
前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間、及び第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９間が磁気的に結合され、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９が共に同じ方向に磁化されるように、薄い膜厚で形成される。例えば前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９は共に図示Ｘ方向に磁化されている。このとき前記エンハンス層１２も図示Ｘ方向に磁化されている。
【００４５】
前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は、具体的には、１Å以上４Å以下で形成されることが好ましい。前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚が１Åよりも薄いと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できない。また前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚が４Åよりも厚いと、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間、及び前記第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９間の磁気的な結合が切断されやすくなり、バルクハウゼンノイズが発生しやすくなる等、再生特性が不安定化する。よって本実施形態では、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は１Å以上４Å以下であることが好適である。本実施形態では、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は１Å以上で２Å以下であることがより好ましい。
【００４６】
上記のように前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は非常に薄い。よって、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６は、図２のように、一定膜厚で形成されず、前記第１軟磁性層１３上及び前記第２軟磁性層１５上に間欠的に形成されてもよい。また前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６が間欠的に形成されることで、前記第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５との磁気的結合力（強磁性結合）、及び前記第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９との磁気的結合力をより強めることができる。また前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚とは、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６を、前記第１軟磁性層１３上及び前記第２軟磁性層１５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、非磁性金属層１４，１６が、軟磁性層１３，１５上に間欠的に形成される場合、前記非磁性金属層１４，１６が、前記軟磁性層１３，１５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。
【００４７】
本実施形態では、上記のように前記フリー磁性層６を構成する軟磁性層内には２層以上の非磁性金属層１４，１６が膜厚方向（図示Ｚ方向）に間隔を空けて挿入されている。
【００４８】
これにより、前記非磁性金属層１４，１６をフリー磁性層６内に形成しない従来例や、前記非磁性金属層を一層のみ前記フリー磁性層６の軟磁性層内に形成する比較例に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に増大させることができる。またこのとき、ＲＡ（素子抵抗値Ｒ×面積Ａ）は、前記従来例及び前記比較例とほぼ同じに設定でき、ＲＡの変動を小さく抑えることが可能である。本実施形態ではＲＡは２〜３（Ω・μｍ２）であることが好ましい。
【００４９】
前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が増大したのは、前記絶縁障壁層５から軟磁性層１３，１５，１９内やエンハンス層１２内に拡散する酸素原子を前記非磁性金属層１４，１６が優先的に化学結合して、前記軟磁性層１３，１５，１９内部やエンハンス層１２内部の酸素濃度が減少し、この結果、前記軟磁性層１３，１５，１９やエンハンス層１２のバンド構造が適正化されてスピン分極率が向上したことが理由として考えられる。また、非磁性金属層１４，１６を２層以上設けることで、個々の軟磁性層１３，１５，１９の膜厚が薄くなり、結晶成長が抑制されて各軟磁性層１３，１５，１９の結晶粒径が小さくなったこと、絶縁障壁層５との界面に印加される応力や格子歪が変化し、前記界面でのスピン分極率が向上したことも理由として挙げられる。
【００５０】
また、上記したように、非磁性金属層１４，１６を２層以上設けることで、個々の軟磁性層１３，１５，１９の膜厚が薄くなり、各軟磁性層１３，１５，１９の結晶粒径が小さくなったことにより、高記録密度化に伴って、素子サイズを微細化しても、結晶粒間の磁気モーメントのばらつきを抑えることができ、バルクハウゼンノイズの低減や、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能である。
【００５１】
本実施形態では、前記絶縁障壁層５はＴｉ−Ｍｇ−Ｏ（酸化チタン・マグネシウム）で形成されることが好適である。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％以下含まれることが好適である。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来る。前記絶縁障壁層５はＴｉ−Ｍｇ−Ｏ以外に、例えば、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）、Ａｌ−Ｏ（酸化アルミニウム）、Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）であってもよい。
【００５２】
図２に示すように、前記エンハンス層１２の平均膜厚はＴ１、前記第１軟磁性層１３の平均膜厚はＴ２、前記第２軟磁性層１５の平均膜厚はＴ４、第３軟磁性層１９の平均膜厚はＴ５である。そして、前記エンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１と前記第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２を足した総合膜厚はＴ３である。
【００５３】
本実施形態では、前記総合膜厚Ｔ３は２５Å以上で８０Å以下であることが好適である。よって前記第１非磁性金属層１４は前記絶縁障壁層５から２５Å以上離れた位置に形成される。また、前記総合膜厚Ｔ３を８０Åより厚くしても抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できない。前記総合膜厚Ｔ３を２５Å以上８０Å以下に設定することで、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能である。前記総合膜厚Ｔ３は６０Å以下であることがより好ましい。
【００５４】
各軟磁性層１３，１５，１９の平均膜厚Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５は、夫々、１０Å以上３０Å以下であることが好ましい。これにより、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果、バルクハウゼンノイズの低減効果、及び、Ｓ／Ｎ比の改善効果を期待できる。
【００５５】
また、各軟磁性層１３，１５，１９の平均膜厚Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５を足した総合膜厚は３５Å以上で８０Å以下であることが好ましい。これにより、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【００５６】
また、前記エンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１は１０Å以上３０Å以下であることが好ましい。これにより、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【００５７】
図１及び図２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、フリー磁性層６及び保護層７の順で積層されているが、下から、フリー磁性層２０、絶縁障壁層５、固定磁性層４、反強磁性層３及び保護層７の順で積層されていてもよい。
【００５８】
かかる場合、図３に示すように、前記フリー磁性層２０は、下から第３軟磁性層１９、第２非磁性金属層１６、第２軟磁性層１５、第１非磁性金属層１４、第１軟磁性層１３及びエンハンス層１２の順に積層され、前記フリー磁性層２０上に絶縁障壁層５が形成される。前記フリー磁性層２０を構成する各層の膜厚や材質は図２で説明したフリー磁性層６と同じである。
【００５９】
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。
【００６０】
かかる場合、図４に示すように、フリー磁性層２８は、下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６、第１軟磁性層２５、エンハンス層２７の順に積層される。前記フリー磁性層６の下側のエンハンス層１２下には前記下側絶縁障壁層１７が形成され、前記フリー磁性層２８の上側のエンハンス層２７上には前記上側絶縁障壁層１８が形成される。フリー磁性層２８を構成する各層の膜厚や材質は図２で説明したフリー磁性層６と同じである。
【００６１】
図４の場合、上側のエンハンス層２７の平均膜厚と第１軟磁性層２５の平均膜厚とを足した総合膜厚Ｔ６も、下側のエンハンス層１２の平均膜厚と第１軟磁性層１３の平均膜厚とを足した総合膜厚Ｔ３と同様に２５Å以上８０Å以下で規定されることが好ましい。
【００６２】
図２ないし図４に示す実施形態では、いずれもフリー磁性層６，２０，２８の軟磁性層の内部に挿入された非磁性金属層１４，１６は２層であったが、３層以上であってもよい。ただし、非磁性金属層の層数をあまり増しても、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できなくなり、またＲＡ等の他の特性への影響も懸念され、さらに、製造工程が煩雑化することから、前記非磁性金属層の層数は最大で８層程度であることが好ましい。
【００６３】
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の部分断面図であり、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。なお図６ないし図８ではフリー磁性層が単層構造のように図示されているが、実際には前記フリー磁性層を図２に示す構造で形成する。
【００６４】
図５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。
【００６５】
次に、第２固定磁性層４ｃ上に絶縁障壁層５を形成する。例えば、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成する。Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏから成る絶縁障壁層５は、例えばＴｉ層をまず前記第２固定磁性層４ｃ上にスパッタ成膜して、続いて前記Ｔｉ層上にＭｇ層をスパッタ成膜した後、前記Ｔｉ層及びＭｇ層を酸化処理することで得られる。Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏの他に、例えば、Ｔｉ−Ｏ、Ａｌ−ＯやＭｇ−Ｏを絶縁障壁層５として用いることもできる。
【００６６】
次に、図６に示すように、前記絶縁障壁層５上にフリー磁性層６及び保護層７を成膜する。
【００６７】
本実施形態では、図２に示すように、前記フリー磁性層６を下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６及び第３軟磁性層１９の順に積層する。前記エンハンス層１２をＣｏ−Ｆｅ合金で形成して、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９をＮｉ−Ｆｅ合金で形成して、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６をＴａで形成することが好ましい。
【００６８】
また図２で説明したように、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚を１Å以上で４Å以下の非常に薄い膜厚で形成する。これにより、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間、及び前記第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９間を磁気的に結合でき、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９を同一方向に磁化できる。また、各軟磁性層の平均膜厚Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５やエンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１、及び総合膜厚Ｔ３の好ましい範囲については図２で説明したのでそちらを参照されたい。
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１０を形成する。
【００６９】
次に、前記積層体１０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１０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）。
【００７０】
次に、前記積層体１０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）。
【００７１】
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１０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。
【００７２】
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１０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。
【００７３】
図３で説明した下からフリー磁性層２０、絶縁障壁層５及び固定磁性層４の順に積層される構造や、図４で説明したデュアル型の構造は、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。
【００７４】
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が出来る。
【実施例１】
【００７５】
図２のようにフリー磁性層６を構成する第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５間、及び第２軟磁性層１５と第３軟磁性層１９間に、夫々、非磁性金属層１４，１６を挿入した以下の積層体を備えたトンネル型磁気検出素子を形成した。
【００７６】
積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２非磁性金属層１６；Ｔａ（Ｘ）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００７７】
（比較例１）
上記した積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００７８】
すなわち比較例１の構造では、フリー磁性層６内に１層だけ非磁性金属層１４が設けられている。
【００７９】
（従来例）
上記した積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
すなわち従来例の構造では、フリー磁性層６内に非磁性金属層が設けられていない。
【００８０】
実験では、実施例１、比較例１、従来例の各絶縁障壁層５を、下からＴｉ（４．６）／Ｍｇ（０．６）の順に積層した後、Ｔｉ及びＭｇを酸化処理して成るＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成した。括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００８１】
前記積層体を形成した後、各積層体に対して、２７０℃で３時間４０分間、アニール処理を行った。
【００８２】
実験では、実施例１における第２非磁性金属層１６の平均膜厚を１Å，２Åと変化させ、実施例１、比較例１及び従来例の各トンネル型磁気検出素子における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を測定した。その実験結果を図９に示す。なおグラフ中の数字は、実施例１における第２非磁性金属層１６の平均膜厚（Å）を示している。
【００８３】
図９に示すように、実施例１のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（Ｒ／Ｒ）を、比較例１のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）、及び従来例の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に比べて効果的に高くできることがわかった。またこのとき、実施例１のトンネル型磁気検出素子のＲＡを、比較例１のトンネル型磁気検出素子のＲＡ、及び従来例のＲＡとほぼ同じに設定できることがわかった。
【００８４】
また図９に示すように実施例１において、第２非磁性金属層１６の平均膜厚を１Åより２Åにすることで高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができるとわかったが、その上昇幅は、フリー磁性層内に非磁性金属層を１層のみ設けた比較例１に対してフリー磁性層内に非磁性金属層を２層設けた実施例の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の上昇幅よりも小さいことがわかった。すなわち、フリー磁性層内に非磁性金属層を２層以上設けることによる抵抗変化率（Ｒ／Ｒ）の増大効果のほうが、非磁性金属層の平均膜厚を調整することによる抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果よりも大きいことがわかった。
【００８５】
またＲＡは２〜３（Ω・μｍ２）の範囲内であることが好ましく、実施例１のトンネル型磁気検出素子であれば、比較例１や従来例のトンネル型磁気検出素子に比べて効果的に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。ＲＡは、例えば絶縁障壁層５に対する酸化時間を変化させることで調整できるが、第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は酸素元素と化学結合し、これが抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる一因であると推測されることから、ＲＡの値にかかわらず、実施例１、比較例１及び従来例においてＲＡがほぼ同じであるとき、実施例１のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を、比較例１や従来例のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）よりも高くできると推測される。
【実施例２】
【００８６】
図２のようにフリー磁性層６を構成する第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５間、及び第２軟磁性層１５と第３軟磁性層１９間に、夫々、非磁性金属層１４，１６を挿入した以下の積層体を備えたトンネル型磁気検出素子を形成した。
【００８７】
積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（Ｙ）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２非磁性金属層１６；Ｔａ（２）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００８８】
（比較例２）
上記した積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（Ｙ）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２非磁性金属層１６；Ｔａ（２）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
すなわち比較例２の構造では、フリー磁性層６内にエンハンス層が設けられていない。
【００８９】
そして、エンハンス層１２の平均膜厚と第１軟磁性層１３の平均膜厚を足した総合膜厚と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係について調べた。実験では、エンハンス層の平均膜厚を固定し、第１軟磁性層１３の平均膜厚（Ｙ）を変化させた。その実験結果を図１０に示す。
【００９０】
図１０に示すように、エンハンス層を設けた形態において、総合膜厚を２５Å以上で８０Å以下に設定すると、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を安定して得られることがわかった。一方、エンハンス層を設けない形態（比較例２）では、前記第１軟磁性層１３の膜厚（図１０の総合膜厚に相当する）を厚くしても抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は低いままで、第１軟磁性層１３の膜厚変化によって急激に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が上昇することがわかった。
【００９１】
図１０の実験結果から、フリー磁性層６内にエンハンス層１２を設け、さらに、エンハンス層１２の平均膜厚と第１軟磁性層１３の平均膜厚を足した総合膜厚（絶縁障壁層５と第１非磁性金属層１４間の間隔）を２５Å以上で８０Å以下に設定すると、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができ好適であることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】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、
【図２】図１の一部を拡大した第１実施形態のトンネル型磁気検出素子の部分拡大断面図、
【図３】図２とフリー磁性層の構造が異なる第２実施形態のトンネル型磁気検出素子の部分拡大断面図、
【図４】図２とフリー磁性層の構造が異なる第３実施形態のトンネル型磁気検出素子の部分拡大断面図、
【図５】図１と同じ面から切断した製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子の断面図、
【図６】図５の次に行われる一工程図（断面図）、
【図７】図６の次に行われる一工程図（断面図）、
【図８】図７の次に行われる一工程図（断面図）、
【図９】フリー磁性層の軟磁性層内に非磁性金属層を２層設けた実施例１、フリー磁性層の軟磁性層内に非磁性金属層を１層設けた比較例１、及びフリー磁性層内に非磁性金属層を設けなかった従来例におけるＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、
【図１０】フリー磁性層を構成する軟磁性層内に２層の非磁性金属層を挿入するとともにエンハンス層を設けた形態（実施例２）、フリー磁性層を構成する軟磁性層内に２層の非磁性金属層を挿入するがエンハンス層を設けない形態（比較例２）の各トンネル型磁気抵抗効果素子における、第１軟磁性層とエンハンス層との平均膜厚を足した総合膜厚と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、
【符号の説明】
【００９３】
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
６ フリー磁性層
７ 保護層
７ａ 第１保護層
７ｂ 第２保護層
１０ 積層体
１２、２７ エンハンス層
１３、２５ 第１軟磁性層
１４ 第１非磁性金属層
１５ 第２軟磁性層
１６ 第２非磁性金属層
１７ 下側絶縁障壁層
１８ 上側絶縁障壁層
１９ 第３軟磁性層
２２、２４ 絶縁層
２３ ハードバイアス層
【技術分野】
【０００１】
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、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能なトンネル型磁気検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、記録媒体からの漏れ磁界が検出されるようになっている。
【特許文献１】特開２００６―２６１６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、フリー磁性層が積層フェリ構造で形成されたトンネル型磁気抵抗効果素子の構造が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載された発明では、前記フリー磁性層を構成する強磁性層間に充分に大きな交換結合を生じさせるために、前記強磁性層内に１層の第１配向制御バッファを形成している。例えば、特許文献１の［０１３９］欄には、フリー磁性層を下から、Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｔａ（０．４ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）の順に積層した実施例が開示されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された発明には、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる構成は記載されていない。
【０００７】
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、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のトンネル型磁気検出素子は、
下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の順に、あるいは、下から前記フリー磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記固定磁性層の順に積層された積層部分を備える積層体を有し、
前記フリー磁性層は、積層される３層以上の軟磁性層と、各軟磁性層間に介在する２層以上の非磁性金属層と、前記軟磁性層のうち最も前記絶縁障壁層側に設けられた第１軟磁性層と前記絶縁障壁層との間に位置して、各軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とで構成され、
各非磁性金属層は、各軟磁性層間が磁気的に結合されて、全ての前記軟磁性層が同一方向に磁化される膜厚で形成されることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明では、フリー磁性層を構成する各軟磁性層間に非磁性金属層を介在させるが、前記軟磁性層を３層以上設けて、前記非磁性金属層を２層以上設けている。これにより、従来に比べて効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが出来る。後述する実験によれば、本発明のトンネル型磁気検出素子は、前記フリー磁性層内に前記非磁性金属層を設けない従来例や、前記フリー磁性層の軟磁性層内に前記非磁性金属層を１層だけ設けた比較例とほぼ同じＲＡ（素子抵抗値Ｒ×面積Ａ）で、且つ、従来例や比較例よりも大きな抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【００１０】
なお本発明は、特許文献１と異なって、前記フリー磁性層を積層フェリ構造としていない。前記フリー磁性層を積層フェリ構造にすると、例えば前記フリー磁性層のトラック幅方向の両側に位置するハードバイアス層から前記フリー磁性層に流入する一方向のバイアス磁界によって、非磁性中間層を介して対向する２層の磁性層における反平行の磁化が乱れて、バルクハウゼンノイズが発生しやすい。また、前記フリー磁性層の保磁力は出来る限り小さいことが好ましいが、前記フリー磁性層を積層フェリ構造にすると保磁力が大きくなりやすい。
【００１１】
本発明では、各非磁性金属層の平均膜厚は１Å以上で４Å以下であることが好ましい。各軟磁性層を適切に磁気的に結合させることができ、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を維持できると共に、バルクハウゼンノイズを適切に抑制できる等、再生特性の安定性を向上させることが可能である。
【００１２】
また本発明では、各非磁性金属層は、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ましい。本発明では、各非磁性金属層は、Ｔａで形成されることがより好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【００１３】
また本発明では、前記第１軟磁性層の平均膜厚と前記エンハンス層の平均膜厚を足した総合膜厚は２５Å以上８０Å以下であることが好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【００１４】
また本発明では、各軟磁性層の平均膜厚は、１０Å以上３０Å以下であることが好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。また、バルクハウゼンノイズの低減やＳ／Ｎ比の改善も期待することが出来る。
【００１５】
また本発明では、また本発明では、各軟磁性層の平均膜厚を足した総合膜厚は、３５Å以上８０Å以下であることが好ましい。
【００１６】
また本発明では、前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏで形成されることが好ましい。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【００１７】
また本発明では、各軟磁性層はＮｉ−Ｆｅ合金で形成され、前記エンハンス層はＣｏ−Ｆｅ合金で形成されることが、効果的に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得る上で好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のトンネル型磁気検出素子は、従来に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、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である。図１では主として、トンネル型磁気検出素子の全体の構造を説明する。図２は、図１の一部を拡大した部分拡大断面図であり、図２では、本実施形態の特徴的部分であるフリー磁性層の構造を説明する。
【００２０】
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漏れ磁界（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漏れ磁界の方向（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。
【００２１】
図１の最も下に形成されているのは、例えばＮｉ−Ｆｅ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上に積層体１０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１０と、前記積層体１０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。
【００２２】
前記積層体１０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、Ｎｉ−Ｆｅ−ＣｒまたはＣｒによって形成される。なお、前記下地層１は形成されなくともよい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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（Ｈｅｘ）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、夫々、例えば１０〜４０Å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。
【００２６】
前記第１固定磁性層４ａ及び第２固定磁性層４ｃはＣｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ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。
【００２７】
前記固定磁性層４上には絶縁障壁層５が形成される。また、前記絶縁障壁層５上には、フリー磁性層６が形成されている。前記フリー磁性層６の構成は後述する。
【００２８】
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。
【００２９】
前記フリー磁性層６上には保護層７が形成されている。前記保護層７は非磁性金属材料で形成され、単層構造でも積層構造であってもよい。例えば前記保護層７はＴａの単層構造や、Ｒｕ／Ｔａの積層構造で形成される。
【００３０】
前記積層体１０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。
【００３１】
図１に示すように、前記積層体１０の両側に広がる下部シールド層２１上から前記積層体１０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。
【００３２】
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。
【００３３】
前記絶縁層２２，２４はＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２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１０内を各層の界面と垂直方向に流れる電流が、前記積層体１０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。
【００３４】
前記積層体１０上及び上側絶縁層２４上にはＮｉ−Ｆｅ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。
【００３５】
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１０に対する電極層として機能し、前記積層体１０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。
【００３６】
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。
【００３７】
前記フリー磁性層６が、外部磁界により磁化変動して、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。
【００３８】
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漏れ磁界が検出されるようになっている。
【００３９】
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に示すように、前記フリー磁性層６は、下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６及び第３軟磁性層１９の順に積層されている。
【００４０】
前記エンハンス層１２は、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び第３軟磁性層１９よりもスピン分極率が大きい磁性材料で形成され、前記エンハンス層１２は、Ｃｏ−Ｆｅ合金で形成されることが好適である。前記エンハンス層１２が形成されないと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が大きく低下することがわかっている。よって前記エンハンス層１２は必須の層である。前記エンハンス層１２を構成するＣｏ−Ｆｅ合金のＦｅ濃度を大きくすることで高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。Ｃｏ−Ｆｅ合金のＦｅ濃度は５０ａｔ％〜１００ａｔ％の範囲内であることが好適である。
【００４１】
前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び第３軟磁性層１９は、前記エンハンス層１２よりも低保磁力、低異方性磁界である等、軟磁気特性に優れた材質である。前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び第３軟磁性層１９は、異なる軟磁性材料で形成されてもよいが、共にＮｉ−Ｆｅ合金で形成されることが好適である。Ｎｉ−Ｆｅ合金のＦｅ濃度は５ａｔ％〜２０ａｔ％の範囲内であることが好適である。
【００４２】
前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は、Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち少なくともいずれか１種の非磁性金属材料で形成される。前記非磁性金属材料が２種以上選ばれた場合、前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は、例えば合金で形成され、あるいは、各非磁性金属材料から成る層の積層構造で形成される。
【００４３】
本実施形態では前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６はＴａで形成されることが好適である。
【００４４】
前記第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間、及び第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９間が磁気的に結合され、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９が共に同じ方向に磁化されるように、薄い膜厚で形成される。例えば前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９は共に図示Ｘ方向に磁化されている。このとき前記エンハンス層１２も図示Ｘ方向に磁化されている。
【００４５】
前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は、具体的には、１Å以上４Å以下で形成されることが好ましい。前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚が１Åよりも薄いと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できない。また前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚が４Åよりも厚いと、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間、及び前記第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９間の磁気的な結合が切断されやすくなり、バルクハウゼンノイズが発生しやすくなる等、再生特性が不安定化する。よって本実施形態では、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は１Å以上４Å以下であることが好適である。本実施形態では、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は１Å以上で２Å以下であることがより好ましい。
【００４６】
上記のように前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚は非常に薄い。よって、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６は、図２のように、一定膜厚で形成されず、前記第１軟磁性層１３上及び前記第２軟磁性層１５上に間欠的に形成されてもよい。また前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６が間欠的に形成されることで、前記第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５との磁気的結合力（強磁性結合）、及び前記第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９との磁気的結合力をより強めることができる。また前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚とは、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６を、前記第１軟磁性層１３上及び前記第２軟磁性層１５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、非磁性金属層１４，１６が、軟磁性層１３，１５上に間欠的に形成される場合、前記非磁性金属層１４，１６が、前記軟磁性層１３，１５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。
【００４７】
本実施形態では、上記のように前記フリー磁性層６を構成する軟磁性層内には２層以上の非磁性金属層１４，１６が膜厚方向（図示Ｚ方向）に間隔を空けて挿入されている。
【００４８】
これにより、前記非磁性金属層１４，１６をフリー磁性層６内に形成しない従来例や、前記非磁性金属層を一層のみ前記フリー磁性層６の軟磁性層内に形成する比較例に比べて、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を効果的に増大させることができる。またこのとき、ＲＡ（素子抵抗値Ｒ×面積Ａ）は、前記従来例及び前記比較例とほぼ同じに設定でき、ＲＡの変動を小さく抑えることが可能である。本実施形態ではＲＡは２〜３（Ω・μｍ２）であることが好ましい。
【００４９】
前記抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が増大したのは、前記絶縁障壁層５から軟磁性層１３，１５，１９内やエンハンス層１２内に拡散する酸素原子を前記非磁性金属層１４，１６が優先的に化学結合して、前記軟磁性層１３，１５，１９内部やエンハンス層１２内部の酸素濃度が減少し、この結果、前記軟磁性層１３，１５，１９やエンハンス層１２のバンド構造が適正化されてスピン分極率が向上したことが理由として考えられる。また、非磁性金属層１４，１６を２層以上設けることで、個々の軟磁性層１３，１５，１９の膜厚が薄くなり、結晶成長が抑制されて各軟磁性層１３，１５，１９の結晶粒径が小さくなったこと、絶縁障壁層５との界面に印加される応力や格子歪が変化し、前記界面でのスピン分極率が向上したことも理由として挙げられる。
【００５０】
また、上記したように、非磁性金属層１４，１６を２層以上設けることで、個々の軟磁性層１３，１５，１９の膜厚が薄くなり、各軟磁性層１３，１５，１９の結晶粒径が小さくなったことにより、高記録密度化に伴って、素子サイズを微細化しても、結晶粒間の磁気モーメントのばらつきを抑えることができ、バルクハウゼンノイズの低減や、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能である。
【００５１】
本実施形態では、前記絶縁障壁層５はＴｉ−Ｍｇ−Ｏ（酸化チタン・マグネシウム）で形成されることが好適である。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％以下含まれることが好適である。これにより、効果的に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を高く出来る。前記絶縁障壁層５はＴｉ−Ｍｇ−Ｏ以外に、例えば、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）、Ａｌ−Ｏ（酸化アルミニウム）、Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）であってもよい。
【００５２】
図２に示すように、前記エンハンス層１２の平均膜厚はＴ１、前記第１軟磁性層１３の平均膜厚はＴ２、前記第２軟磁性層１５の平均膜厚はＴ４、第３軟磁性層１９の平均膜厚はＴ５である。そして、前記エンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１と前記第１軟磁性層１３の平均膜厚Ｔ２を足した総合膜厚はＴ３である。
【００５３】
本実施形態では、前記総合膜厚Ｔ３は２５Å以上で８０Å以下であることが好適である。よって前記第１非磁性金属層１４は前記絶縁障壁層５から２５Å以上離れた位置に形成される。また、前記総合膜厚Ｔ３を８０Åより厚くしても抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できない。前記総合膜厚Ｔ３を２５Å以上８０Å以下に設定することで、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが可能である。前記総合膜厚Ｔ３は６０Å以下であることがより好ましい。
【００５４】
各軟磁性層１３，１５，１９の平均膜厚Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５は、夫々、１０Å以上３０Å以下であることが好ましい。これにより、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果、バルクハウゼンノイズの低減効果、及び、Ｓ／Ｎ比の改善効果を期待できる。
【００５５】
また、各軟磁性層１３，１５，１９の平均膜厚Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５を足した総合膜厚は３５Å以上で８０Å以下であることが好ましい。これにより、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【００５６】
また、前記エンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１は１０Å以上３０Å以下であることが好ましい。これにより、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。
【００５７】
図１及び図２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、フリー磁性層６及び保護層７の順で積層されているが、下から、フリー磁性層２０、絶縁障壁層５、固定磁性層４、反強磁性層３及び保護層７の順で積層されていてもよい。
【００５８】
かかる場合、図３に示すように、前記フリー磁性層２０は、下から第３軟磁性層１９、第２非磁性金属層１６、第２軟磁性層１５、第１非磁性金属層１４、第１軟磁性層１３及びエンハンス層１２の順に積層され、前記フリー磁性層２０上に絶縁障壁層５が形成される。前記フリー磁性層２０を構成する各層の膜厚や材質は図２で説明したフリー磁性層６と同じである。
【００５９】
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。
【００６０】
かかる場合、図４に示すように、フリー磁性層２８は、下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６、第１軟磁性層２５、エンハンス層２７の順に積層される。前記フリー磁性層６の下側のエンハンス層１２下には前記下側絶縁障壁層１７が形成され、前記フリー磁性層２８の上側のエンハンス層２７上には前記上側絶縁障壁層１８が形成される。フリー磁性層２８を構成する各層の膜厚や材質は図２で説明したフリー磁性層６と同じである。
【００６１】
図４の場合、上側のエンハンス層２７の平均膜厚と第１軟磁性層２５の平均膜厚とを足した総合膜厚Ｔ６も、下側のエンハンス層１２の平均膜厚と第１軟磁性層１３の平均膜厚とを足した総合膜厚Ｔ３と同様に２５Å以上８０Å以下で規定されることが好ましい。
【００６２】
図２ないし図４に示す実施形態では、いずれもフリー磁性層６，２０，２８の軟磁性層の内部に挿入された非磁性金属層１４，１６は２層であったが、３層以上であってもよい。ただし、非磁性金属層の層数をあまり増しても、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果を期待できなくなり、またＲＡ等の他の特性への影響も懸念され、さらに、製造工程が煩雑化することから、前記非磁性金属層の層数は最大で８層程度であることが好ましい。
【００６３】
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の部分断面図であり、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。なお図６ないし図８ではフリー磁性層が単層構造のように図示されているが、実際には前記フリー磁性層を図２に示す構造で形成する。
【００６４】
図５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。
【００６５】
次に、第２固定磁性層４ｃ上に絶縁障壁層５を形成する。例えば、前記絶縁障壁層５をＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成する。Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏから成る絶縁障壁層５は、例えばＴｉ層をまず前記第２固定磁性層４ｃ上にスパッタ成膜して、続いて前記Ｔｉ層上にＭｇ層をスパッタ成膜した後、前記Ｔｉ層及びＭｇ層を酸化処理することで得られる。Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏの他に、例えば、Ｔｉ−Ｏ、Ａｌ−ＯやＭｇ−Ｏを絶縁障壁層５として用いることもできる。
【００６６】
次に、図６に示すように、前記絶縁障壁層５上にフリー磁性層６及び保護層７を成膜する。
【００６７】
本実施形態では、図２に示すように、前記フリー磁性層６を下からエンハンス層１２、第１軟磁性層１３、第１非磁性金属層１４、第２軟磁性層１５、第２非磁性金属層１６及び第３軟磁性層１９の順に積層する。前記エンハンス層１２をＣｏ−Ｆｅ合金で形成して、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９をＮｉ−Ｆｅ合金で形成して、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６をＴａで形成することが好ましい。
【００６８】
また図２で説明したように、前記第１非磁性金属層１４及び前記第２非磁性金属層１６の平均膜厚を１Å以上で４Å以下の非常に薄い膜厚で形成する。これにより、前記第１軟磁性層１３と前記第２軟磁性層１５間、及び前記第２軟磁性層１５と前記第３軟磁性層１９間を磁気的に結合でき、前記第１軟磁性層１３、前記第２軟磁性層１５及び前記第３軟磁性層１９を同一方向に磁化できる。また、各軟磁性層の平均膜厚Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５やエンハンス層１２の平均膜厚Ｔ１、及び総合膜厚Ｔ３の好ましい範囲については図２で説明したのでそちらを参照されたい。
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１０を形成する。
【００６９】
次に、前記積層体１０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１０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）。
【００７０】
次に、前記積層体１０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）。
【００７１】
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１０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。
【００７２】
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１０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。
【００７３】
図３で説明した下からフリー磁性層２０、絶縁障壁層５及び固定磁性層４の順に積層される構造や、図４で説明したデュアル型の構造は、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。
【００７４】
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が出来る。
【実施例１】
【００７５】
図２のようにフリー磁性層６を構成する第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５間、及び第２軟磁性層１５と第３軟磁性層１９間に、夫々、非磁性金属層１４，１６を挿入した以下の積層体を備えたトンネル型磁気検出素子を形成した。
【００７６】
積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２非磁性金属層１６；Ｔａ（Ｘ）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００７７】
（比較例１）
上記した積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００７８】
すなわち比較例１の構造では、フリー磁性層６内に１層だけ非磁性金属層１４が設けられている。
【００７９】
（従来例）
上記した積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
すなわち従来例の構造では、フリー磁性層６内に非磁性金属層が設けられていない。
【００８０】
実験では、実施例１、比較例１、従来例の各絶縁障壁層５を、下からＴｉ（４．６）／Ｍｇ（０．６）の順に積層した後、Ｔｉ及びＭｇを酸化処理して成るＴｉ−Ｍｇ−Ｏで形成した。括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００８１】
前記積層体を形成した後、各積層体に対して、２７０℃で３時間４０分間、アニール処理を行った。
【００８２】
実験では、実施例１における第２非磁性金属層１６の平均膜厚を１Å，２Åと変化させ、実施例１、比較例１及び従来例の各トンネル型磁気検出素子における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を測定した。その実験結果を図９に示す。なおグラフ中の数字は、実施例１における第２非磁性金属層１６の平均膜厚（Å）を示している。
【００８３】
図９に示すように、実施例１のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（Ｒ／Ｒ）を、比較例１のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）、及び従来例の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）に比べて効果的に高くできることがわかった。またこのとき、実施例１のトンネル型磁気検出素子のＲＡを、比較例１のトンネル型磁気検出素子のＲＡ、及び従来例のＲＡとほぼ同じに設定できることがわかった。
【００８４】
また図９に示すように実施例１において、第２非磁性金属層１６の平均膜厚を１Åより２Åにすることで高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができるとわかったが、その上昇幅は、フリー磁性層内に非磁性金属層を１層のみ設けた比較例１に対してフリー磁性層内に非磁性金属層を２層設けた実施例の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の上昇幅よりも小さいことがわかった。すなわち、フリー磁性層内に非磁性金属層を２層以上設けることによる抵抗変化率（Ｒ／Ｒ）の増大効果のほうが、非磁性金属層の平均膜厚を調整することによる抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）の増大効果よりも大きいことがわかった。
【００８５】
またＲＡは２〜３（Ω・μｍ２）の範囲内であることが好ましく、実施例１のトンネル型磁気検出素子であれば、比較例１や従来例のトンネル型磁気検出素子に比べて効果的に高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることが出来る。ＲＡは、例えば絶縁障壁層５に対する酸化時間を変化させることで調整できるが、第１非磁性金属層１４及び第２非磁性金属層１６は酸素元素と化学結合し、これが抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を増大させる一因であると推測されることから、ＲＡの値にかかわらず、実施例１、比較例１及び従来例においてＲＡがほぼ同じであるとき、実施例１のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を、比較例１や従来例のトンネル型磁気検出素子の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）よりも高くできると推測される。
【実施例２】
【００８６】
図２のようにフリー磁性層６を構成する第１軟磁性層１３と第２軟磁性層１５間、及び第２軟磁性層１５と第３軟磁性層１９間に、夫々、非磁性金属層１４，１６を挿入した以下の積層体を備えたトンネル型磁気検出素子を形成した。
【００８７】
積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[エンハンス層１２；Ｆｅ９０at%Ｃｏ１０at%（１０）／第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（Ｙ）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２非磁性金属層１６；Ｔａ（２）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
【００８８】
（比較例２）
上記した積層体を、下から、下地層１；Ｔａ（３０）／シード層２；Ｎｉ４９ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％Ｃｒ３９ａｔ％（５０）／反強磁性層３；Ｉｒ２６ａｔ％Ｍｎ７４ａｔ％（７０）／固定磁性層４［第１固定磁性層４ａ；Ｆｅ３０ａｔ％Ｃｏ７０ａｔ％（１６）／非磁性中間層４ｂ；Ｒｕ（８．５）／第２固定磁性層４ｃ；Ｃｏ９０at%Ｆｅ１０at%（１８）］／絶縁障壁層５／フリー磁性層６[第１軟磁性層１３；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（Ｙ）／第１非磁性金属層１４；Ｔａ（２．５）／第２軟磁性層１５；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２０）／第２非磁性金属層１６；Ｔａ（２）／第３軟磁性層；Ｎｉ８８ａｔ％Ｆｅ１２ａｔ％（２５）］／第１保護層；Ｒｕ（１０）／第２保護層；Ｔａ（１８０）の順に積層した。上記の括弧内の数値は平均膜厚を示し単位はÅである。
すなわち比較例２の構造では、フリー磁性層６内にエンハンス層が設けられていない。
【００８９】
そして、エンハンス層１２の平均膜厚と第１軟磁性層１３の平均膜厚を足した総合膜厚と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係について調べた。実験では、エンハンス層の平均膜厚を固定し、第１軟磁性層１３の平均膜厚（Ｙ）を変化させた。その実験結果を図１０に示す。
【００９０】
図１０に示すように、エンハンス層を設けた形態において、総合膜厚を２５Å以上で８０Å以下に設定すると、高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を安定して得られることがわかった。一方、エンハンス層を設けない形態（比較例２）では、前記第１軟磁性層１３の膜厚（図１０の総合膜厚に相当する）を厚くしても抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は低いままで、第１軟磁性層１３の膜厚変化によって急激に抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が上昇することがわかった。
【００９１】
図１０の実験結果から、フリー磁性層６内にエンハンス層１２を設け、さらに、エンハンス層１２の平均膜厚と第１軟磁性層１３の平均膜厚を足した総合膜厚（絶縁障壁層５と第１非磁性金属層１４間の間隔）を２５Å以上で８０Å以下に設定すると、安定して高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができ好適であることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】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、
【図２】図１の一部を拡大した第１実施形態のトンネル型磁気検出素子の部分拡大断面図、
【図３】図２とフリー磁性層の構造が異なる第２実施形態のトンネル型磁気検出素子の部分拡大断面図、
【図４】図２とフリー磁性層の構造が異なる第３実施形態のトンネル型磁気検出素子の部分拡大断面図、
【図５】図１と同じ面から切断した製造工程中におけるトンネル型磁気検出素子の断面図、
【図６】図５の次に行われる一工程図（断面図）、
【図７】図６の次に行われる一工程図（断面図）、
【図８】図７の次に行われる一工程図（断面図）、
【図９】フリー磁性層の軟磁性層内に非磁性金属層を２層設けた実施例１、フリー磁性層の軟磁性層内に非磁性金属層を１層設けた比較例１、及びフリー磁性層内に非磁性金属層を設けなかった従来例におけるＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、
【図１０】フリー磁性層を構成する軟磁性層内に２層の非磁性金属層を挿入するとともにエンハンス層を設けた形態（実施例２）、フリー磁性層を構成する軟磁性層内に２層の非磁性金属層を挿入するがエンハンス層を設けない形態（比較例２）の各トンネル型磁気抵抗効果素子における、第１軟磁性層とエンハンス層との平均膜厚を足した総合膜厚と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、
【符号の説明】
【００９３】
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
６ フリー磁性層
７ 保護層
７ａ 第１保護層
７ｂ 第２保護層
１０ 積層体
１２、２７ エンハンス層
１３、２５ 第１軟磁性層
１４ 第１非磁性金属層
１５ 第２軟磁性層
１６ 第２非磁性金属層
１７ 下側絶縁障壁層
１８ 上側絶縁障壁層
１９ 第３軟磁性層
２２、２４ 絶縁層
２３ ハードバイアス層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の順に、あるいは、下から前記フリー磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記固定磁性層の順に積層された積層部分を備える積層体を有し、
前記フリー磁性層は、積層される３層以上の軟磁性層と、各軟磁性層間に介在する２層以上の非磁性金属層と、前記軟磁性層のうち最も前記絶縁障壁層側に設けられた第１軟磁性層と前記絶縁障壁層との間に位置して、各軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とで構成され、
各非磁性金属層は、各軟磁性層間が磁気的に結合されて、全ての前記軟磁性層が同一方向に磁化される膜厚で形成されることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
【請求項２】
各非磁性金属層の平均膜厚は１Å以上で４Å以下である請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項３】
各非磁性金属層は、Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち少なくともいずれか１種で形成される請求項１又は２に記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項４】
各非磁性金属層は、Ｔａで形成される請求項３記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項５】
前記第１軟磁性層の平均膜厚と前記エンハンス層の平均膜厚を足した総合膜厚は２５Å以上８０Å以下である請求項１ないし４のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項６】
各軟磁性層の平均膜厚は、１０Å以上３０Å以下である請求項記１ないし５のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項７】
各軟磁性層の平均膜厚を足した総合膜厚は、３５Å以上８０Å以下である請求項１ないし６のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項８】
前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏで形成される請求項１ないし７のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項９】
各軟磁性層はＮｉ−Ｆｅ合金で形成され、前記エンハンス層はＣｏ−Ｆｅ合金で形成される請求項１ないし８のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項１】
下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の順に、あるいは、下から前記フリー磁性層、前記絶縁障壁層、及び、前記固定磁性層の順に積層された積層部分を備える積層体を有し、
前記フリー磁性層は、積層される３層以上の軟磁性層と、各軟磁性層間に介在する２層以上の非磁性金属層と、前記軟磁性層のうち最も前記絶縁障壁層側に設けられた第１軟磁性層と前記絶縁障壁層との間に位置して、各軟磁性層よりもスピン分極率が高いエンハンス層とで構成され、
各非磁性金属層は、各軟磁性層間が磁気的に結合されて、全ての前記軟磁性層が同一方向に磁化される膜厚で形成されることを特徴とするトンネル型磁気検出素子。
【請求項２】
各非磁性金属層の平均膜厚は１Å以上で４Å以下である請求項１記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項３】
各非磁性金属層は、Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗのうち少なくともいずれか１種で形成される請求項１又は２に記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項４】
各非磁性金属層は、Ｔａで形成される請求項３記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項５】
前記第１軟磁性層の平均膜厚と前記エンハンス層の平均膜厚を足した総合膜厚は２５Å以上８０Å以下である請求項１ないし４のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項６】
各軟磁性層の平均膜厚は、１０Å以上３０Å以下である請求項記１ないし５のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項７】
各軟磁性層の平均膜厚を足した総合膜厚は、３５Å以上８０Å以下である請求項１ないし６のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項８】
前記絶縁障壁層は、Ｔｉ−Ｍｇ−Ｏで形成される請求項１ないし７のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【請求項９】
各軟磁性層はＮｉ−Ｆｅ合金で形成され、前記エンハンス層はＣｏ−Ｆｅ合金で形成される請求項１ないし８のいずれかに記載のトンネル型磁気検出素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１９２８２７（Ｐ２００８−１９２８２７Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５６８１（Ｐ２００７−２５６８１）
【出願日】平成１９年２月５日（２００７．２．５）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月５日（２００７．２．５）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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