トンネル磁気抵抗効果素子及びトンネルバリア層の製造方法
【課題】トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】トンネルバリア層２７と、該トンネルバリア層２７を挟む配置に設けられた磁化固定層２６と磁化自由層２８とを備え、前記トンネルバリア層２７が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなる。前記トンネルバリア層２７におけるMg層の厚さは、0.5〜2.0Åである。
【解決手段】トンネルバリア層２７と、該トンネルバリア層２７を挟む配置に設けられた磁化固定層２６と磁化自由層２８とを備え、前記トンネルバリア層２７が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなる。前記トンネルバリア層２７におけるMg層の厚さは、0.5〜2.0Åである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗効果素子及びトンネルバリア層の製造方法に関し、より詳細にはトンネルバリア層の膜厚を薄くすることなくトンネルバリア層の低抵抗化を図ることができ、所要のMR比を得ることができるトンネル磁気抵抗効果素子及びトンネルバリア層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルバリア層に岩塩型MgOを使用した磁気抵抗効果素子は、非常に大きな磁気抵抗変化（MR比）を有することが知られている。このため、高記録密度が求められる磁気記録装置においては、トンネルバリア層にMgOを使用した磁気ヘッドが使用されている。
しかしながら、磁気記録媒体の記録密度が増大すると、これにともなって磁気抵抗効果素子のサイズを小さくしなければならなくなるため、トンネルバリア層の膜厚を変えることなく磁気抵抗効果素子を小さくしていくと、トンネルバリア層の抵抗が大きくなってしまう。トンネルバリア層の抵抗が大きくなると、磁気抵抗効果素子の高速応答特性が劣化するという問題が生じる。
【０００３】
したがって、磁気抵抗効果素子を小さくしても素子の特性が劣化しないようにするには、トンネルバリア層の膜厚を薄くして低抵抗化を図る必要がある。たとえば、500 Gbit/in2程度の記録密度を実現するには、トンネル磁気抵抗効果素子の面積抵抗RA（素子抵抗と素子面積との積）を0.6Ωμm2以下にする必要がある。
【０００４】
【非特許文献１】S.Yuasa et al., Nat.Mater.3(2004)868
【非特許文献２】S.S.P.Parkin et al.,Nat.Mater.3(2004)862
【非特許文献３】D.D.Djayaprawira et al.,Appl.Phys.Lett.86(2005)092502
【特許文献１】特開２００７−３０５７６８号公報
【特許文献２】特開２００７−３０５７７１号公報
【特許文献３】特開２００７−１４２４２４号公報
【特許文献４】特開２００７−３０５６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、トンネルバリア層の膜厚を薄くすると低抵抗にはなるものの、トンネルバリア層にピンホールなどの欠陥が生じやすくなり、ブレイクダウン電圧が低下して素子破壊をひきおこしやすくなるという問題が生じる。
このため、ブレイクダウン電圧の低下を招かない程度の厚さにトンネルバリア層の膜厚を維持することができ、かつ、所要のＭＲ比特性が得られ、あわせて低抵抗化を図ることができるトンネル磁気抵抗効果素子が求められる。
【０００６】
本発明は、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子及びトンネルバリア層の製造方法及び磁気記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一観点によれば、トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００８】
また、実施形態の他の観点によれば、ダイレクトスパッタリング法によりMgO層を成膜する工程と、前記MgO層上にMg層を形成する工程と、前記Mg層上に、ダイレクトスパッタリング法によってMgZnO層を成膜する工程と、前記MgZnO層を成膜した後、大気開放することなく、真空中において、前記MgO層とMg層とMgZnO層とからなる積層膜を加熱処理する工程とを備えるトンネルバリア層の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく、磁気抵抗効果素子に求められる所要のMR比特性を備え、かつトンネル磁気抵抗効果素子の低抵抗化を図ることができる。これにより、素子破壊電圧が低下することを防止し、信頼性の高いトンネル磁気抵抗効果素子として提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（トンネル磁気抵抗効果素子）
図１、２、３は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の膜構成例を示す。図１〜３において、同一の構成層については、同一の番号を付している。
図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子１０は、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、磁化固定層２６、トンネルバリア層２７、磁化自由層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。なお、下部シールド層２１は下部電極を兼ね、上部シールド層３０は上部電極を兼ねる。
【００１１】
下部シールド層２１には軟磁性材料、たとえばNiFeが使用される。反強磁性下地層２２には、たとえばTaとRuを積層して形成する。反強磁性層２３にはIrMnが使用される。反強磁性下地層２２は、反強磁性層２３に使用するIrMnを(111)方向に結晶配向させるために設けている。反強磁性層２３には、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材も使用される。
磁化固定層２６は、強磁性材たとえばCoFeB、もしくはCoFeB／CoFeの積層構造に形成される。磁化固定層２６は反強磁性層２３との交換結合によって磁化方向が固定される。
【００１２】
トンネルバリア層２７は、MgO層と、Mg層と、MｇZnO層をこの順に成膜して三層構造に形成する。
MgO層をダイレクトスパッタリング法によって形成する場合は、MgOをターゲットとし、たとえばArを希釈ガスとしてスパッタリングする。Mg層は、Mgターゲットを用い、たとえばArを希ガス種としてスパッタリングによって形成する。MgZnO層は、MgZnOをターゲットとし、ダイレクトスパッタリング法によって成膜する。希釈ガスにはたとえば、Arを使用する。
【００１３】
MgO層、Mg層、MgZnO層をこの順に成膜した後、超高真空を維持したまま、大気開放することなく、加熱温度を200℃〜400℃の範囲に設定して加熱処理を施す。加熱処理としては、たとえば基板の温度を300℃まで昇温させ、300℃に加熱した状態で5分間保持し、その後室温まで冷却する方法によればよい。この加熱処理により、トンネルバリア層２７の結晶性が改善され、トンネル磁気抵抗効果膜のMR比を向上させることができる。
【００１４】
本実施形態におけるトンネルバリア層２７の構造において特徴的な構成は、MgO層上に形成するMg層の厚さを、Mgの１原子層厚に満たない２Å以下、たとえば膜厚１Åといったきわめて薄い膜厚にすることにある。Mg層を薄く成膜することにより、MgO/Mg/MｇZnOからなるトンネルバリア層２７は絶縁層として作用する。
【００１５】
トンネルバリア層に用いられるMgOは、(001)方向に結晶配向させることによって大きなMR比が得られることが知られている。MgO/Mg/MｇZnOの三層構造からなるトンネルバリア層２７についても、MgO層については岩塩型(001)方向に結晶配向していることが望ましい。MgOはアモルファスの下地層上に成膜することによって岩塩型の(001)方向に結晶配向する。
前述した磁化固定層２６に使用するCoFeBはアモルファスとして成膜されるから、磁化固定層２６、もしくは磁化固定層２６のトンネルバリア層２７に接する層をCoFeBによって形成することにより、トンネルバリア層２７のMgO層を(001)方向に結晶配向させることができる。
【００１６】
図１において、磁化自由層２８は、CoFe、CoFeB、Ta、NiFeの４層構造とした。磁化自由層２８はNiFeの単層構造とすることも可能である。磁化自由層２８を４層構造としているのは、磁化自由層２８の特性を向上させるためである。キャップ層２９は、保護層として作用するものであり、TaとRuの２層構造とした。上部シールド層３０は、下部シールド層２１と同様にNiFeによって形成した。
【００１７】
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１は、下層側から、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６ｂ、トンネルバリア層２７、磁化自由層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１１は、磁化固定層を、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６ｂによって形成した点が、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０と相異する。
【００１８】
磁化固定層は、外部磁界が作用してもできるだけ磁化方向が固定されている必要がある。図２に示す磁化固定層は、反強磁性結合層２５を介して磁化固定層を積層する構造とすることによって磁化固定層の磁化方向をより安定させた構造としている。
第１の磁化固定層２６ａとしては、IrMnからなる反強磁性層２３と強い交換結合作用を有するCoFeを使用し、反強磁性結合層２５にRu、第２の磁化固定層２６ｂとしてCoFeBを使用することができる。
本実施形態においても、トンネルバリア層２７は前述した実施形態と同様に、MgO/Mg/MｇZnOの三層構造に形成する。
【００１９】
図３に示すトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側から、下部シールド層２１、磁化自由層２８、トンネルバリア層２７、第２の磁化固定層２６ｂ、反強磁性結合層２５、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性層２３、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側に磁化自由層２８とトンネルバリア層２７を配置し、トンネルバリア層２７の上層に第２の磁化固定層２６ｂ等からなる磁化固定層を配置している。これら各層の配置は、図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１と逆の配置となっている。磁気抵抗効果素子の層構成としては、本実施形態のように、積層方向を逆にすることも可能である。
【００２０】
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２においても、トンネルバリア層２７は前述した実施形態と同様に、MgO/Mg/MｇZnOの三層構造に形成する。
なお、本実施形態においては磁化自由層２８がトンネルバリア層２７の下地層となるから、磁化自由層２８のトンネルバリア層２７に接する層（下地となる層）はアモルファスとして成膜される層とし、トンネルバリア層２７のMgO層が(001)方向に結晶配向するようにするのがよい。
【００２１】
図１、２、３に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２は、トンネル磁気抵抗効果素子の層構成として典型的な例を示したものである。トンネル磁気抵抗効果素子は、上述した構成以外に種々の層構成とすることが可能である。本発明において特徴とするトンネルバリア層２７についての構成は、層構成が上記例とは異なるトンネル磁気抵抗効果素子についても同様に適用することができる。
また、前述した実施の形態において示したトンネル磁気抵抗効果素子に用いる反強磁性材、強磁性材等は一例を示したもので、トンネル磁気抵抗効果素子を構成する材料は適宜選択可能である。なお、従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２において、トンネルバリア層２７をMgO単層に置き換えたものとみればよい。
【００２２】
（トンネルバリア層）
図４はトンネルバリア層を形成するフロー図を示す。
トンネルバリア層は、MgO層（ステップ４０）、Mg層（ステップ４１）、MgZnO層（ステップ４２）をそれぞれダイレクトスパッタリング法により順次成膜し、次いで、1×10-5Pa以下の真空下において加熱処理を施して（ステップ４３）形成する。
【００２３】
トンネルバリア層の膜厚（全厚）は、トンネルバリア層の抵抗値を考慮して設定する。たとえば、トンネルバリア層の面積抵抗（RA)を0.6Ωμm2程度にする場合は、トンネルバリア層の膜厚は7.5Å程度とする。
前述したように、Mg層は１原子層厚以下（0.5Å〜2.0Å）に形成する。成膜レートが0.1Å/secとなるような条件を設定してスパッタすることによって、制御性良くMg層を形成することができる。
【００２４】
MgZnO層におけるZn濃度は、MgZnOターゲットのZn濃度によって制御することができる。本実施形態においては、Mg45Zn5O50(at.%表記)をターゲットとしてMgZnO層を形成した。
前述したようにトンネルバリア層のMgO層は岩塩型(001)方向に結晶配向することが望ましい。同様に、Mg層及びMgZnO層を成膜した状態において、MgZnO層も岩塩型(001)方向に結晶配向することが望ましい。MgZnO層はZnの濃度が12.5 at.％以下の場合に岩塩型(001)方向に結晶配向する。したがって、トンネルバリア層のMgZnO層のZn濃度は、12.5 at.％以下に設定するのがよい。このとき岩塩型MgZnOが単相で得られ、Zn濃度の増加とともに低抵抗となる。これはZn濃度の増加とともにバンドギャップが小さくなるためである。したがってMgZnO層の場合、トンネルバリア層の厚みだけでなくZn濃度でも抵抗値を制御できる。
【００２５】
ステップ４３における加熱処理は、MgO層、Mg層、MgZnO層を成膜した時点で行う処理であり、熱エネルギーを利用して積層膜の結晶性を改善することを目的とする。加熱温度としては、磁気抵抗効果素子の磁化特性に影響を与えないように400℃以下に設定する。加熱温度を４００℃以上にすると、下部シールド層２１と上部シールド層３０の軟磁性材の結晶化を招き、軟磁気特性が劣化する。また、４００℃以上の高温になると反強磁性層が壊れるおそれがある。したがって、バリア層を加熱する温度は４００℃以下に設定するのがよい。また、熱エネルギーによる作用が結晶性の改善に寄与するように加熱温度は200℃以上に設定するのがよい。したがって、良好なMR比を得るためのバリア層の加熱温度としては、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以上３５０℃以下に設定するのがよい。
【００２６】
図５はMgO/Mg/MgZnOの三層構造からなる積層膜をトンネルバリア層とした磁気抵抗効果素子を作成し、MR比と、面積抵抗RA（素子抵抗と素子面積との積）を測定した結果を示す。
測定に使用したサンプルは、シリコン基板上に、反強磁性下地層としてTa(3nm)/Ru(2nm)、反強磁性層としてIrMn(6nm)、第１の磁化固定層としてCoFe(1.8nm)、反強磁性結合層としてRu(0.9nm)、第2の磁化固定層としてCoFeB(1.8nm)/CoFe(0.5nm)、トンネルバリア層、自由磁化層としてCoFe(0.3nm)/CoFeB(1.5nm)/Ta(0.25nm)/NiFe(3.5nm)、キャップ層としてTa(5nm)/Cu(20nm)/Ru(7nm)をそれぞれスパッタリング法により成膜して形成したものである。
【００２７】
トンネルバリア層の構成は、MgO(0.45nm)/Mg(0.05-0.20nm)/MgZnO(0.2nm)、MgO(0.5nm)/Mg(0.05-0.20nm)/MgZnO(0.2nm)とした。
グラフ中に、MgO 4.5/Mg 0.5-2/MgZnO 2Åとあるのは、MgO(0.45nm)/Mg(0.05-0.20nm)
/MgZnO(0.2nm)についてのサンプルについての測定結果を示す。グラフの各点は、RA値が小さい方から、Mg層の厚さを、0.5nm、1.0nm、1.5nm、2.0nmとしたサンプルに対応する。
同様に、グラフ中に、MgO 5/Mg 0.5-2/MgZnO 2Åとあるのは、MgO(0.5nm)/Mg(0.05-0.20nm)
/MgZnO(0.2nm)についてのサンプルについての測定結果であり、各点は、RA値が小さい方から、Mg層の厚さを、0.5Å、1.0Å、1.5Å、2.0Åとしたサンプルについての測定結果を示す。
【００２８】
図５には、比較のために、上述した磁気抵抗効果素子の構成において、トンネルバリア層をMgO(0.5nm)/Mg(0.0-0.20nm)/ZnO(0.2nm)によって形成したサンプルと、MgO(0.5-0.7nm)によって形成したサンプルについて測定した結果もあわせて示している。
トンネルバリア層をMgO(0.5nm)/Mg(0.0-0.20nm)/ZnO(0.2nm)によって形成したサンプルについての各測定点は、Mg層を設けない場合、Mg層の厚さを0.5Å、1.0Å、1.5Å、2.0Åとした場合に対応する。
【００２９】
トンネルバリア層をMgOによって形成したサンプルと、MgO/Mg/ZnOによって形成したサンプルについてみると、面積抵抗RAが0.5Ωμm2から大きくなるにしたがって、MR比が急激に増大している。
これに対して、MgO/Mg/MgZnOをトンネルバリア層とした実施形態のサンプルの場合は、低RAの領域においてMgOの曲線と交差し、MgOよりも大きなMR比を有している。とくに、MgO(0.5nm)/Mg(0.05nm)/ MgZnO(0.2nm)をトンネルバリア層とした場合の面積抵抗RAは0.5Ωμm2であり、そのときのMR比は70%である。このサンプルの面積抵抗RA値 0.5Ωμm2は、500 Gbit/in2の記録密度の仕様を満たしている。
【００３０】
図６（ａ）、（ｂ）は、トンネルバリア層をMgO/Mg/MgZnOの積層膜によって形成したサンプルについて、MgO層の厚さを4.5Åまたは5.0Åとし、Mg層の厚さを0.5Å、1.0Å、1.5Å、2.0Åと変えたときのRA値（図６（ａ））と、MR比（図６（ｂ））を測定した結果を示す。MgZnO層の膜厚は2Åに固定している。
図６（ａ）、（ｂ）には、比較例として、トンネルバリア層をMgO/Mg/ZnOの積層膜としたサンプル（MgO層の厚さ5Å、ZnO層の厚さ2Å）についての測定結果を合わせて示している。
【００３１】
図６（ａ）に示すRA値に着目すると、MgO/Mg/MgZnOバリアではMgの膜厚が増加するとともにRA値が増大するのに対し、MgO/Mg/ZnOバリアではMgの厚さの変化によりRA値はほとんど変化しない。
この測定結果は、MgO/Mg/MgZnOバリアでは最上層に形成されるMgZnO層においては過剰な酸素が存在し、それが酸化して抵抗が増大したことを示唆している。
【００３２】
図６（ｂ）に示すMR値に着目すると、MgO/Mg/MgZnOバリアではMgの膜厚が増加するとともにMR比が徐々に増大するのに対し、MgO/Mg/ZnOバリアではMgの膜厚が1Å付近でMR比が極大となっている。
【００３３】
図７は、MgO/Mg/MgZnOをトンネルバリア層とした場合に、トンネルバリア層の厚さに対するRA値の変化を測定した結果を示す。図７には、比較のために、トンネルバリア層をMgO単層によって形成した場合、MgO/Mg/ZnOの積層膜によって形成した場合の測定結果をあわせて示す。
図７の測定結果は、トンネルバリア層をMgO単層とした場合、本実施例のMgO/Mg/MgZnOの三層構造とした場合のいずれも、トンネルバリア層の膜厚が増加するとともにRA値が増加することを示す。
ただし、トンネルバリア層をMgO/Mg/MgZnOの三層構造とした場合は、MgO単層とした場合と比較して、同一のRA値をとる膜厚がより厚くなる。すなわち、トンネルバリア層をMgO/Mg/MgZnOの三層構造とすることにより、MgO単層によってトンネルバリア層を形成する場合と比較して、膜厚をより厚く形成して、かつRA値を低く抑えることが可能である。
【００３４】
このように、MgO/Mg/MgZnOの三層構造としたトンネルバリア層を備えた磁気抵抗効果素子によれば、MgO単層によってトンネルバリア層を形成した場合と比較して、トンネルバリア層の厚さを薄厚化することなく低抵抗化を図ることができ、所要のMR比を得ることが可能となる。トンネルバリア層の膜厚を厚くすることにより層間結合磁界Hinを低減させて磁気特性を安定化させることができ、また素子破壊電圧が低下することを抑えることが可能となる。
【００３５】
（Mg層、MgZnO層の機能）
図８にトンネルバリア層を形成する過程のモデル図を示す。
図８（ａ）は、スパッタリングによりMgO層を成膜した状態を示す。MgO層は膜厚が4.5〜5.0Å程度と薄いから、格子欠陥等によりMgOの結晶性が悪いものと予想される。
図８（ｂ）は、MgO層にMgをスパッタリングしている状態を示す。Mgは１原子層厚以下の厚さに成膜することと、Mgは濡れ性が良いことから、MgO層の格子欠陥を埋めるように、Mgは島状に成長し、酸化するものと考えられる。これによって、MgO層の結晶性が改善される。
【００３６】
図８（ｃ）は、Mgをスパッタリングした後、、酸化物であるMgZnO層をスパッタリングする過程を示す。MgZnOをスパッタリングすることにより、Mgの酸化反応が促進されるものと考えられる。
図８（ｄ）は、トンネルバリア層に加熱処理を施している状態である。図８（ｅ）は、加熱後、室温まで冷却した状態である。トンネルバリア層に対して加熱処理を施すことにより、トンネルバリア層全体の結晶性が改善する。これによって高いMR比を発現させることができたものと考えられる。
【００３７】
（磁気抵抗デバイスへの適用例）
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は磁気抵抗デバイスとして、磁気ヘッドのリード素子、不揮発性メモリ等に利用することができる。
図９は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドの構成を、ABS面に対して垂直な面方向の断面図として示したものである。
この磁気ヘッドは、再生ヘッド５０と記録ヘッド６０とを備える。再生ヘッド５０は、下部シールド層５１及び上部シールド層５２と、下部シールド層５１及び上部シールド層５２に挟まれて配置されている磁気抵抗効果膜５３とを備える。下部シールド層５１、上部シールド層５２及び磁気抵抗効果膜５３が上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２に相当する。磁気抵抗効果膜５３には、上述したMgO/Mg/MgZnOの三層構造からなるトンネルバリア層２７が形成されている。
【００３８】
記録ヘッド６０は、主磁極６１、第１リターンヨーク６３及び第２リターンヨーク６２とを備える。主磁極６１のABS面から離間する側の下面に磁極層６４が設けられ、主磁極６１と磁極層６４にコイル６５が巻回されている。
【００３９】
図１０は上述した磁気ヘッドを備える磁気記憶装置７０を示す。
磁気記憶装置７０は、矩形の箱状に形成されたケーシング７１内に、スピンドルモータによって回転駆動される複数の磁気記録媒体７２を備える。磁気記録媒体７２の側方には、媒体面に平行に揺動可能に支持されたアクチュエータアーム７３が配されている。アクチュエータアーム７３の先端には、アクチュエータアーム７３の延長方向にサスペンション７４が取り付けられ、サスペンション７４の先端に、磁気記録媒体７２の媒体面に向けてヘッドスライダ７５が取り付けられている。
【００４０】
ヘッドスライダ７５には、前述したトンネルバリア層を備えたトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドが形成されている。
磁気ヘッドはサスペンション７４に形成された配線、及びアクチュエータアーム７３に付設されたフレキシブルケーブル７６を介して、磁気記録媒体に信号を記録し、磁気記録媒体に記録された信号を再生する制御回路に接続される。
磁気ヘッドにより磁気記録媒体７２に情報を記録し、情報を再生する処理は、アクチュエータ７７により、アクチュエータアーム７３を所定位置に揺動させる操作（シーク動作）とともになされる。
【００４１】
上記トンネル磁気抵抗効果素子を不揮発メモリ用の磁気抵抗デバイスとして使用する場合は、トンネルバリア層を挟んで固定磁化層と自由磁化層を配置した磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction)を備えた構造とすればよい。
自由磁化層の磁化方向はビット線によって制御され、自由磁化層の磁化方向によってトンネル磁気抵抗が異なることを利用して記録信号を検出する。自由磁化層の磁化状態を利用することにより不揮発性となる。この不揮発メモリに前記MgO/Mg/MgZnOの三層構造としたトンネルバリア層を用いることにより、絶縁バリア層が厚膜化でき、層間磁気結合を弱め、トンネル磁気抵抗のばらつきを抑えてメモリの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成を示す説明図である。
【図２】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成の他の例を示す説明図である。
【図３】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成のさらに他の例を示す説明図である。
【図４】トンネルバリア層を形成する工程のフロー図である。
【図５】Mg層の膜厚を変えたときのRA値とMR比の測定結果を示すグラフである。
【図６】トンネルバリア層のMg層の厚さに対するRA値とMR比を示すグラフである。
【図７】トンネルバリア層の厚さに対するRA値を示すグラフである。
【図８】トンネルバリア層を形成する工程におけるモデル図である。
【図９】トンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドの構造を示す断面図である。
【図１０】磁気記憶装置の内部構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０、１１、１２ トンネル磁気抵抗効果素子
２１ 下部シールド層
２３ 反強磁性層
２５ 反強磁性結合層
２６ 磁化固定層
２７ トンネルバリア層
２８ 磁化自由層
３０ 上部シールド層
５０ 再生ヘッド
５３ 磁気抵抗効果膜
６０ 記録ヘッド
７０ 磁気記憶装置
７５ ヘッドスライダ
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗効果素子及びトンネルバリア層の製造方法に関し、より詳細にはトンネルバリア層の膜厚を薄くすることなくトンネルバリア層の低抵抗化を図ることができ、所要のMR比を得ることができるトンネル磁気抵抗効果素子及びトンネルバリア層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルバリア層に岩塩型MgOを使用した磁気抵抗効果素子は、非常に大きな磁気抵抗変化（MR比）を有することが知られている。このため、高記録密度が求められる磁気記録装置においては、トンネルバリア層にMgOを使用した磁気ヘッドが使用されている。
しかしながら、磁気記録媒体の記録密度が増大すると、これにともなって磁気抵抗効果素子のサイズを小さくしなければならなくなるため、トンネルバリア層の膜厚を変えることなく磁気抵抗効果素子を小さくしていくと、トンネルバリア層の抵抗が大きくなってしまう。トンネルバリア層の抵抗が大きくなると、磁気抵抗効果素子の高速応答特性が劣化するという問題が生じる。
【０００３】
したがって、磁気抵抗効果素子を小さくしても素子の特性が劣化しないようにするには、トンネルバリア層の膜厚を薄くして低抵抗化を図る必要がある。たとえば、500 Gbit/in2程度の記録密度を実現するには、トンネル磁気抵抗効果素子の面積抵抗RA（素子抵抗と素子面積との積）を0.6Ωμm2以下にする必要がある。
【０００４】
【非特許文献１】S.Yuasa et al., Nat.Mater.3(2004)868
【非特許文献２】S.S.P.Parkin et al.,Nat.Mater.3(2004)862
【非特許文献３】D.D.Djayaprawira et al.,Appl.Phys.Lett.86(2005)092502
【特許文献１】特開２００７−３０５７６８号公報
【特許文献２】特開２００７−３０５７７１号公報
【特許文献３】特開２００７−１４２４２４号公報
【特許文献４】特開２００７−３０５６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、トンネルバリア層の膜厚を薄くすると低抵抗にはなるものの、トンネルバリア層にピンホールなどの欠陥が生じやすくなり、ブレイクダウン電圧が低下して素子破壊をひきおこしやすくなるという問題が生じる。
このため、ブレイクダウン電圧の低下を招かない程度の厚さにトンネルバリア層の膜厚を維持することができ、かつ、所要のＭＲ比特性が得られ、あわせて低抵抗化を図ることができるトンネル磁気抵抗効果素子が求められる。
【０００６】
本発明は、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子及びトンネルバリア層の製造方法及び磁気記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一観点によれば、トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００８】
また、実施形態の他の観点によれば、ダイレクトスパッタリング法によりMgO層を成膜する工程と、前記MgO層上にMg層を形成する工程と、前記Mg層上に、ダイレクトスパッタリング法によってMgZnO層を成膜する工程と、前記MgZnO層を成膜した後、大気開放することなく、真空中において、前記MgO層とMg層とMgZnO層とからなる積層膜を加熱処理する工程とを備えるトンネルバリア層の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく、磁気抵抗効果素子に求められる所要のMR比特性を備え、かつトンネル磁気抵抗効果素子の低抵抗化を図ることができる。これにより、素子破壊電圧が低下することを防止し、信頼性の高いトンネル磁気抵抗効果素子として提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（トンネル磁気抵抗効果素子）
図１、２、３は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の膜構成例を示す。図１〜３において、同一の構成層については、同一の番号を付している。
図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子１０は、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、磁化固定層２６、トンネルバリア層２７、磁化自由層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。なお、下部シールド層２１は下部電極を兼ね、上部シールド層３０は上部電極を兼ねる。
【００１１】
下部シールド層２１には軟磁性材料、たとえばNiFeが使用される。反強磁性下地層２２には、たとえばTaとRuを積層して形成する。反強磁性層２３にはIrMnが使用される。反強磁性下地層２２は、反強磁性層２３に使用するIrMnを(111)方向に結晶配向させるために設けている。反強磁性層２３には、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材も使用される。
磁化固定層２６は、強磁性材たとえばCoFeB、もしくはCoFeB／CoFeの積層構造に形成される。磁化固定層２６は反強磁性層２３との交換結合によって磁化方向が固定される。
【００１２】
トンネルバリア層２７は、MgO層と、Mg層と、MｇZnO層をこの順に成膜して三層構造に形成する。
MgO層をダイレクトスパッタリング法によって形成する場合は、MgOをターゲットとし、たとえばArを希釈ガスとしてスパッタリングする。Mg層は、Mgターゲットを用い、たとえばArを希ガス種としてスパッタリングによって形成する。MgZnO層は、MgZnOをターゲットとし、ダイレクトスパッタリング法によって成膜する。希釈ガスにはたとえば、Arを使用する。
【００１３】
MgO層、Mg層、MgZnO層をこの順に成膜した後、超高真空を維持したまま、大気開放することなく、加熱温度を200℃〜400℃の範囲に設定して加熱処理を施す。加熱処理としては、たとえば基板の温度を300℃まで昇温させ、300℃に加熱した状態で5分間保持し、その後室温まで冷却する方法によればよい。この加熱処理により、トンネルバリア層２７の結晶性が改善され、トンネル磁気抵抗効果膜のMR比を向上させることができる。
【００１４】
本実施形態におけるトンネルバリア層２７の構造において特徴的な構成は、MgO層上に形成するMg層の厚さを、Mgの１原子層厚に満たない２Å以下、たとえば膜厚１Åといったきわめて薄い膜厚にすることにある。Mg層を薄く成膜することにより、MgO/Mg/MｇZnOからなるトンネルバリア層２７は絶縁層として作用する。
【００１５】
トンネルバリア層に用いられるMgOは、(001)方向に結晶配向させることによって大きなMR比が得られることが知られている。MgO/Mg/MｇZnOの三層構造からなるトンネルバリア層２７についても、MgO層については岩塩型(001)方向に結晶配向していることが望ましい。MgOはアモルファスの下地層上に成膜することによって岩塩型の(001)方向に結晶配向する。
前述した磁化固定層２６に使用するCoFeBはアモルファスとして成膜されるから、磁化固定層２６、もしくは磁化固定層２６のトンネルバリア層２７に接する層をCoFeBによって形成することにより、トンネルバリア層２７のMgO層を(001)方向に結晶配向させることができる。
【００１６】
図１において、磁化自由層２８は、CoFe、CoFeB、Ta、NiFeの４層構造とした。磁化自由層２８はNiFeの単層構造とすることも可能である。磁化自由層２８を４層構造としているのは、磁化自由層２８の特性を向上させるためである。キャップ層２９は、保護層として作用するものであり、TaとRuの２層構造とした。上部シールド層３０は、下部シールド層２１と同様にNiFeによって形成した。
【００１７】
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１は、下層側から、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６ｂ、トンネルバリア層２７、磁化自由層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１１は、磁化固定層を、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６ｂによって形成した点が、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０と相異する。
【００１８】
磁化固定層は、外部磁界が作用してもできるだけ磁化方向が固定されている必要がある。図２に示す磁化固定層は、反強磁性結合層２５を介して磁化固定層を積層する構造とすることによって磁化固定層の磁化方向をより安定させた構造としている。
第１の磁化固定層２６ａとしては、IrMnからなる反強磁性層２３と強い交換結合作用を有するCoFeを使用し、反強磁性結合層２５にRu、第２の磁化固定層２６ｂとしてCoFeBを使用することができる。
本実施形態においても、トンネルバリア層２７は前述した実施形態と同様に、MgO/Mg/MｇZnOの三層構造に形成する。
【００１９】
図３に示すトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側から、下部シールド層２１、磁化自由層２８、トンネルバリア層２７、第２の磁化固定層２６ｂ、反強磁性結合層２５、第１の磁化固定層２６ａ、反強磁性層２３、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側に磁化自由層２８とトンネルバリア層２７を配置し、トンネルバリア層２７の上層に第２の磁化固定層２６ｂ等からなる磁化固定層を配置している。これら各層の配置は、図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１と逆の配置となっている。磁気抵抗効果素子の層構成としては、本実施形態のように、積層方向を逆にすることも可能である。
【００２０】
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２においても、トンネルバリア層２７は前述した実施形態と同様に、MgO/Mg/MｇZnOの三層構造に形成する。
なお、本実施形態においては磁化自由層２８がトンネルバリア層２７の下地層となるから、磁化自由層２８のトンネルバリア層２７に接する層（下地となる層）はアモルファスとして成膜される層とし、トンネルバリア層２７のMgO層が(001)方向に結晶配向するようにするのがよい。
【００２１】
図１、２、３に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２は、トンネル磁気抵抗効果素子の層構成として典型的な例を示したものである。トンネル磁気抵抗効果素子は、上述した構成以外に種々の層構成とすることが可能である。本発明において特徴とするトンネルバリア層２７についての構成は、層構成が上記例とは異なるトンネル磁気抵抗効果素子についても同様に適用することができる。
また、前述した実施の形態において示したトンネル磁気抵抗効果素子に用いる反強磁性材、強磁性材等は一例を示したもので、トンネル磁気抵抗効果素子を構成する材料は適宜選択可能である。なお、従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２において、トンネルバリア層２７をMgO単層に置き換えたものとみればよい。
【００２２】
（トンネルバリア層）
図４はトンネルバリア層を形成するフロー図を示す。
トンネルバリア層は、MgO層（ステップ４０）、Mg層（ステップ４１）、MgZnO層（ステップ４２）をそれぞれダイレクトスパッタリング法により順次成膜し、次いで、1×10-5Pa以下の真空下において加熱処理を施して（ステップ４３）形成する。
【００２３】
トンネルバリア層の膜厚（全厚）は、トンネルバリア層の抵抗値を考慮して設定する。たとえば、トンネルバリア層の面積抵抗（RA)を0.6Ωμm2程度にする場合は、トンネルバリア層の膜厚は7.5Å程度とする。
前述したように、Mg層は１原子層厚以下（0.5Å〜2.0Å）に形成する。成膜レートが0.1Å/secとなるような条件を設定してスパッタすることによって、制御性良くMg層を形成することができる。
【００２４】
MgZnO層におけるZn濃度は、MgZnOターゲットのZn濃度によって制御することができる。本実施形態においては、Mg45Zn5O50(at.%表記)をターゲットとしてMgZnO層を形成した。
前述したようにトンネルバリア層のMgO層は岩塩型(001)方向に結晶配向することが望ましい。同様に、Mg層及びMgZnO層を成膜した状態において、MgZnO層も岩塩型(001)方向に結晶配向することが望ましい。MgZnO層はZnの濃度が12.5 at.％以下の場合に岩塩型(001)方向に結晶配向する。したがって、トンネルバリア層のMgZnO層のZn濃度は、12.5 at.％以下に設定するのがよい。このとき岩塩型MgZnOが単相で得られ、Zn濃度の増加とともに低抵抗となる。これはZn濃度の増加とともにバンドギャップが小さくなるためである。したがってMgZnO層の場合、トンネルバリア層の厚みだけでなくZn濃度でも抵抗値を制御できる。
【００２５】
ステップ４３における加熱処理は、MgO層、Mg層、MgZnO層を成膜した時点で行う処理であり、熱エネルギーを利用して積層膜の結晶性を改善することを目的とする。加熱温度としては、磁気抵抗効果素子の磁化特性に影響を与えないように400℃以下に設定する。加熱温度を４００℃以上にすると、下部シールド層２１と上部シールド層３０の軟磁性材の結晶化を招き、軟磁気特性が劣化する。また、４００℃以上の高温になると反強磁性層が壊れるおそれがある。したがって、バリア層を加熱する温度は４００℃以下に設定するのがよい。また、熱エネルギーによる作用が結晶性の改善に寄与するように加熱温度は200℃以上に設定するのがよい。したがって、良好なMR比を得るためのバリア層の加熱温度としては、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以上３５０℃以下に設定するのがよい。
【００２６】
図５はMgO/Mg/MgZnOの三層構造からなる積層膜をトンネルバリア層とした磁気抵抗効果素子を作成し、MR比と、面積抵抗RA（素子抵抗と素子面積との積）を測定した結果を示す。
測定に使用したサンプルは、シリコン基板上に、反強磁性下地層としてTa(3nm)/Ru(2nm)、反強磁性層としてIrMn(6nm)、第１の磁化固定層としてCoFe(1.8nm)、反強磁性結合層としてRu(0.9nm)、第2の磁化固定層としてCoFeB(1.8nm)/CoFe(0.5nm)、トンネルバリア層、自由磁化層としてCoFe(0.3nm)/CoFeB(1.5nm)/Ta(0.25nm)/NiFe(3.5nm)、キャップ層としてTa(5nm)/Cu(20nm)/Ru(7nm)をそれぞれスパッタリング法により成膜して形成したものである。
【００２７】
トンネルバリア層の構成は、MgO(0.45nm)/Mg(0.05-0.20nm)/MgZnO(0.2nm)、MgO(0.5nm)/Mg(0.05-0.20nm)/MgZnO(0.2nm)とした。
グラフ中に、MgO 4.5/Mg 0.5-2/MgZnO 2Åとあるのは、MgO(0.45nm)/Mg(0.05-0.20nm)
/MgZnO(0.2nm)についてのサンプルについての測定結果を示す。グラフの各点は、RA値が小さい方から、Mg層の厚さを、0.5nm、1.0nm、1.5nm、2.0nmとしたサンプルに対応する。
同様に、グラフ中に、MgO 5/Mg 0.5-2/MgZnO 2Åとあるのは、MgO(0.5nm)/Mg(0.05-0.20nm)
/MgZnO(0.2nm)についてのサンプルについての測定結果であり、各点は、RA値が小さい方から、Mg層の厚さを、0.5Å、1.0Å、1.5Å、2.0Åとしたサンプルについての測定結果を示す。
【００２８】
図５には、比較のために、上述した磁気抵抗効果素子の構成において、トンネルバリア層をMgO(0.5nm)/Mg(0.0-0.20nm)/ZnO(0.2nm)によって形成したサンプルと、MgO(0.5-0.7nm)によって形成したサンプルについて測定した結果もあわせて示している。
トンネルバリア層をMgO(0.5nm)/Mg(0.0-0.20nm)/ZnO(0.2nm)によって形成したサンプルについての各測定点は、Mg層を設けない場合、Mg層の厚さを0.5Å、1.0Å、1.5Å、2.0Åとした場合に対応する。
【００２９】
トンネルバリア層をMgOによって形成したサンプルと、MgO/Mg/ZnOによって形成したサンプルについてみると、面積抵抗RAが0.5Ωμm2から大きくなるにしたがって、MR比が急激に増大している。
これに対して、MgO/Mg/MgZnOをトンネルバリア層とした実施形態のサンプルの場合は、低RAの領域においてMgOの曲線と交差し、MgOよりも大きなMR比を有している。とくに、MgO(0.5nm)/Mg(0.05nm)/ MgZnO(0.2nm)をトンネルバリア層とした場合の面積抵抗RAは0.5Ωμm2であり、そのときのMR比は70%である。このサンプルの面積抵抗RA値 0.5Ωμm2は、500 Gbit/in2の記録密度の仕様を満たしている。
【００３０】
図６（ａ）、（ｂ）は、トンネルバリア層をMgO/Mg/MgZnOの積層膜によって形成したサンプルについて、MgO層の厚さを4.5Åまたは5.0Åとし、Mg層の厚さを0.5Å、1.0Å、1.5Å、2.0Åと変えたときのRA値（図６（ａ））と、MR比（図６（ｂ））を測定した結果を示す。MgZnO層の膜厚は2Åに固定している。
図６（ａ）、（ｂ）には、比較例として、トンネルバリア層をMgO/Mg/ZnOの積層膜としたサンプル（MgO層の厚さ5Å、ZnO層の厚さ2Å）についての測定結果を合わせて示している。
【００３１】
図６（ａ）に示すRA値に着目すると、MgO/Mg/MgZnOバリアではMgの膜厚が増加するとともにRA値が増大するのに対し、MgO/Mg/ZnOバリアではMgの厚さの変化によりRA値はほとんど変化しない。
この測定結果は、MgO/Mg/MgZnOバリアでは最上層に形成されるMgZnO層においては過剰な酸素が存在し、それが酸化して抵抗が増大したことを示唆している。
【００３２】
図６（ｂ）に示すMR値に着目すると、MgO/Mg/MgZnOバリアではMgの膜厚が増加するとともにMR比が徐々に増大するのに対し、MgO/Mg/ZnOバリアではMgの膜厚が1Å付近でMR比が極大となっている。
【００３３】
図７は、MgO/Mg/MgZnOをトンネルバリア層とした場合に、トンネルバリア層の厚さに対するRA値の変化を測定した結果を示す。図７には、比較のために、トンネルバリア層をMgO単層によって形成した場合、MgO/Mg/ZnOの積層膜によって形成した場合の測定結果をあわせて示す。
図７の測定結果は、トンネルバリア層をMgO単層とした場合、本実施例のMgO/Mg/MgZnOの三層構造とした場合のいずれも、トンネルバリア層の膜厚が増加するとともにRA値が増加することを示す。
ただし、トンネルバリア層をMgO/Mg/MgZnOの三層構造とした場合は、MgO単層とした場合と比較して、同一のRA値をとる膜厚がより厚くなる。すなわち、トンネルバリア層をMgO/Mg/MgZnOの三層構造とすることにより、MgO単層によってトンネルバリア層を形成する場合と比較して、膜厚をより厚く形成して、かつRA値を低く抑えることが可能である。
【００３４】
このように、MgO/Mg/MgZnOの三層構造としたトンネルバリア層を備えた磁気抵抗効果素子によれば、MgO単層によってトンネルバリア層を形成した場合と比較して、トンネルバリア層の厚さを薄厚化することなく低抵抗化を図ることができ、所要のMR比を得ることが可能となる。トンネルバリア層の膜厚を厚くすることにより層間結合磁界Hinを低減させて磁気特性を安定化させることができ、また素子破壊電圧が低下することを抑えることが可能となる。
【００３５】
（Mg層、MgZnO層の機能）
図８にトンネルバリア層を形成する過程のモデル図を示す。
図８（ａ）は、スパッタリングによりMgO層を成膜した状態を示す。MgO層は膜厚が4.5〜5.0Å程度と薄いから、格子欠陥等によりMgOの結晶性が悪いものと予想される。
図８（ｂ）は、MgO層にMgをスパッタリングしている状態を示す。Mgは１原子層厚以下の厚さに成膜することと、Mgは濡れ性が良いことから、MgO層の格子欠陥を埋めるように、Mgは島状に成長し、酸化するものと考えられる。これによって、MgO層の結晶性が改善される。
【００３６】
図８（ｃ）は、Mgをスパッタリングした後、、酸化物であるMgZnO層をスパッタリングする過程を示す。MgZnOをスパッタリングすることにより、Mgの酸化反応が促進されるものと考えられる。
図８（ｄ）は、トンネルバリア層に加熱処理を施している状態である。図８（ｅ）は、加熱後、室温まで冷却した状態である。トンネルバリア層に対して加熱処理を施すことにより、トンネルバリア層全体の結晶性が改善する。これによって高いMR比を発現させることができたものと考えられる。
【００３７】
（磁気抵抗デバイスへの適用例）
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は磁気抵抗デバイスとして、磁気ヘッドのリード素子、不揮発性メモリ等に利用することができる。
図９は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドの構成を、ABS面に対して垂直な面方向の断面図として示したものである。
この磁気ヘッドは、再生ヘッド５０と記録ヘッド６０とを備える。再生ヘッド５０は、下部シールド層５１及び上部シールド層５２と、下部シールド層５１及び上部シールド層５２に挟まれて配置されている磁気抵抗効果膜５３とを備える。下部シールド層５１、上部シールド層５２及び磁気抵抗効果膜５３が上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２に相当する。磁気抵抗効果膜５３には、上述したMgO/Mg/MgZnOの三層構造からなるトンネルバリア層２７が形成されている。
【００３８】
記録ヘッド６０は、主磁極６１、第１リターンヨーク６３及び第２リターンヨーク６２とを備える。主磁極６１のABS面から離間する側の下面に磁極層６４が設けられ、主磁極６１と磁極層６４にコイル６５が巻回されている。
【００３９】
図１０は上述した磁気ヘッドを備える磁気記憶装置７０を示す。
磁気記憶装置７０は、矩形の箱状に形成されたケーシング７１内に、スピンドルモータによって回転駆動される複数の磁気記録媒体７２を備える。磁気記録媒体７２の側方には、媒体面に平行に揺動可能に支持されたアクチュエータアーム７３が配されている。アクチュエータアーム７３の先端には、アクチュエータアーム７３の延長方向にサスペンション７４が取り付けられ、サスペンション７４の先端に、磁気記録媒体７２の媒体面に向けてヘッドスライダ７５が取り付けられている。
【００４０】
ヘッドスライダ７５には、前述したトンネルバリア層を備えたトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドが形成されている。
磁気ヘッドはサスペンション７４に形成された配線、及びアクチュエータアーム７３に付設されたフレキシブルケーブル７６を介して、磁気記録媒体に信号を記録し、磁気記録媒体に記録された信号を再生する制御回路に接続される。
磁気ヘッドにより磁気記録媒体７２に情報を記録し、情報を再生する処理は、アクチュエータ７７により、アクチュエータアーム７３を所定位置に揺動させる操作（シーク動作）とともになされる。
【００４１】
上記トンネル磁気抵抗効果素子を不揮発メモリ用の磁気抵抗デバイスとして使用する場合は、トンネルバリア層を挟んで固定磁化層と自由磁化層を配置した磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction)を備えた構造とすればよい。
自由磁化層の磁化方向はビット線によって制御され、自由磁化層の磁化方向によってトンネル磁気抵抗が異なることを利用して記録信号を検出する。自由磁化層の磁化状態を利用することにより不揮発性となる。この不揮発メモリに前記MgO/Mg/MgZnOの三層構造としたトンネルバリア層を用いることにより、絶縁バリア層が厚膜化でき、層間磁気結合を弱め、トンネル磁気抵抗のばらつきを抑えてメモリの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成を示す説明図である。
【図２】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成の他の例を示す説明図である。
【図３】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成のさらに他の例を示す説明図である。
【図４】トンネルバリア層を形成する工程のフロー図である。
【図５】Mg層の膜厚を変えたときのRA値とMR比の測定結果を示すグラフである。
【図６】トンネルバリア層のMg層の厚さに対するRA値とMR比を示すグラフである。
【図７】トンネルバリア層の厚さに対するRA値を示すグラフである。
【図８】トンネルバリア層を形成する工程におけるモデル図である。
【図９】トンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドの構造を示す断面図である。
【図１０】磁気記憶装置の内部構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０、１１、１２ トンネル磁気抵抗効果素子
２１ 下部シールド層
２３ 反強磁性層
２５ 反強磁性結合層
２６ 磁化固定層
２７ トンネルバリア層
２８ 磁化自由層
３０ 上部シールド層
５０ 再生ヘッド
５３ 磁気抵抗効果膜
６０ 記録ヘッド
７０ 磁気記憶装置
７５ ヘッドスライダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、
前記トンネルバリア層が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層におけるMg層の厚さが、0.5〜2.0Åであることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記トンネルバリア層におけるMgO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項１または２記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記トンネルバリア層におけるMgZnO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
ダイレクトスパッタリング法によりMgO層を成膜する工程と、
前記MgO層上にMg層を形成する工程と、
前記Mg層上に、ダイレクトスパッタリング法によってMgZnO層を成膜する工程と、
前記MgZnO層を成膜した後、大気開放することなく、真空中において、前記MgO層とMg層とMgZnO層とからなる積層膜を加熱処理する工程と
を備えることを特徴とするトンネルバリア層の製造方法。
【請求項６】
前記Mg層を形成する工程においては、Mg層を0.5〜2.0Åの厚さに形成することを特徴とする請求項５記載のトンネルバリア層の製造方法。
【請求項７】
前記加熱処理工程においては、前記積層膜を200〜400℃の範囲の加熱温度まで昇温させて加熱した後、室温まで冷却することを特徴とする請求項５または６記載のトンネルバリア層の製造方法。
【請求項８】
前記MgO層を成膜する工程において、アモルファス状態の下地層を使用し、岩塩型(001)方向に結晶配向させてMgO層を成膜することを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項記載のトンネルバリア層の製造方法。
【請求項９】
再生ヘッドと記録ヘッドとを備える磁気ヘッドが形成されたヘッドスライダと、
該ヘッドスライダを媒体上で支持するサスペンションと、
該サスペンションを支持するアクチュエータアームと、
前記磁気ヘッドに電気的に接続され、前記磁気記録媒体に情報を記録・再生する制御回路とを備え、
前記磁気ヘッドの再生ヘッドは、
トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項１０】
前記トンネルバリア層におけるMg層の厚さが、0.5〜２Å未満であることを特徴とする請求項９記載の磁気記憶装置。
【請求項１】
トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、
前記トンネルバリア層が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層におけるMg層の厚さが、0.5〜2.0Åであることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記トンネルバリア層におけるMgO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項１または２記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記トンネルバリア層におけるMgZnO層が、岩塩型(001)方向に結晶配向していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
ダイレクトスパッタリング法によりMgO層を成膜する工程と、
前記MgO層上にMg層を形成する工程と、
前記Mg層上に、ダイレクトスパッタリング法によってMgZnO層を成膜する工程と、
前記MgZnO層を成膜した後、大気開放することなく、真空中において、前記MgO層とMg層とMgZnO層とからなる積層膜を加熱処理する工程と
を備えることを特徴とするトンネルバリア層の製造方法。
【請求項６】
前記Mg層を形成する工程においては、Mg層を0.5〜2.0Åの厚さに形成することを特徴とする請求項５記載のトンネルバリア層の製造方法。
【請求項７】
前記加熱処理工程においては、前記積層膜を200〜400℃の範囲の加熱温度まで昇温させて加熱した後、室温まで冷却することを特徴とする請求項５または６記載のトンネルバリア層の製造方法。
【請求項８】
前記MgO層を成膜する工程において、アモルファス状態の下地層を使用し、岩塩型(001)方向に結晶配向させてMgO層を成膜することを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項記載のトンネルバリア層の製造方法。
【請求項９】
再生ヘッドと記録ヘッドとを備える磁気ヘッドが形成されたヘッドスライダと、
該ヘッドスライダを媒体上で支持するサスペンションと、
該サスペンションを支持するアクチュエータアームと、
前記磁気ヘッドに電気的に接続され、前記磁気記録媒体に情報を記録・再生する制御回路とを備え、
前記磁気ヘッドの再生ヘッドは、
トンネルバリア層と、該トンネルバリア層を挟む配置に設けられた磁化固定層と磁化自由層とを備え、前記トンネルバリア層が、MgO/Mg/MgZnOの三層構造からなるトンネル磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項１０】
前記トンネルバリア層におけるMg層の厚さが、0.5〜２Å未満であることを特徴とする請求項９記載の磁気記憶装置。
【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２０１０−９７９７７（Ｐ２０１０−９７９７７Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６４９８７（Ｐ２００８−２６４９８７）
【出願日】平成２０年１０月１４日（２００８．１０．１４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１４日（２００８．１０．１４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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