磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置
【課題】ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置を提供する。
【解決手段】強磁性体を含む第１磁性層と、強磁性体を含む第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられ、絶縁層１６１と、絶縁層を貫通する導電部１６２と、を含む中間層１６と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。本製造方法は、絶縁層と、絶縁層を貫通する導電部１６ｐと、を含む構造体を形成する工程（ステップＳ１１０）と、構造体に、希ガスを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う第１処理工程（ステップＳ１２０）と、第１処理工程が施された構造体に対して、酸素及び窒素の少なくともいずれかのガスへの曝露、イオンビーム照射及びプラズマ照射の少なくともいずれかを行う第２処理工程（ステップＳ１３０）と、を備える。
【解決手段】強磁性体を含む第１磁性層と、強磁性体を含む第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられ、絶縁層１６１と、絶縁層を貫通する導電部１６２と、を含む中間層１６と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。本製造方法は、絶縁層と、絶縁層を貫通する導電部１６ｐと、を含む構造体を形成する工程（ステップＳ１１０）と、構造体に、希ガスを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う第１処理工程（ステップＳ１２０）と、第１処理工程が施された構造体に対して、酸素及び窒素の少なくともいずれかのガスへの曝露、イオンビーム照射及びプラズマ照射の少なくともいずれかを行う第２処理工程（ステップＳ１３０）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive Effect：ＧＭＲ）を応用したスピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）の磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などの磁気デバイスへの応用の拡大が期待されている。
【０００３】
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子として各種の構成が提案されているが、スピンバルブ膜の面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子が、高記録密度ヘッドに対応できる技術として注目されている。
【０００４】
特許文献１には、高いＭＲ変化率を実現するために、磁化固着層と、磁化自由層と、これらの間に設けられた絶縁層とこの絶縁層を貫通する電流パスを含むスペーサとを含む磁気抵抗効果素子の製造方法において、電流パスを形成する第１の金属層と、絶縁層に変換される第２の金属層を形成し、希ガスのイオンビームまたはＲＦプラズマの照射の前処理を行い、酸化ガスまたは窒化ガスを供給して第２の金属層を絶縁層に変換させるとともに電流パスを形成する方法が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２には、第２の金属層が絶縁層に変化された後の絶縁層に、イオン、または、プラズマを照射して各層間の密着性を向上させ、信頼性を向上する技術が開示されている。
【０００６】
ＭＲ変化率のさらなる向上には改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−５４２５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１６７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、強磁性体を含む第１磁性層と、強磁性体を含む第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する導電部とを含む中間層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記絶縁層と、前記絶縁層を貫通する前記導電部と、を含む構造体を形成する構造体形成工程と、前記構造体に、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う第１処理工程と、前記第１処理工程が施された前記構造体に対して、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う第２処理工程と、を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１１】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子を一端に搭載するサスペンションと、前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと、を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリが提供される。
【００１２】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気ヘッドアセンブリと、前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気抵抗効果素子を用いて情報が記録される磁気記録媒体と、を備えたことを特徴とする磁気記録再生装置が提供される。
【００１３】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配置したことを特徴とする磁気記録再生装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】磁気抵抗効果素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図２】磁気抵抗効果素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。
【図３】磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図４】磁気抵抗効果素子の動作を示す模式図である。
【図５】磁気抵抗効果素子の動作を示す模式図的断面図である。
【図６】磁気抵抗効果素子の別の製造方法を示すフローチャート図である。
【図７】磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示すフローチャート図である。
【図８】磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示す工程順模式的断面図である。
【図９】実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を示すグラフ図である。
【図１０】実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を示すグラフ図である。
【図１１】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に用いられる製造装置を示す模式図である。
【図１２】磁気抵抗効果素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１３】磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１４】磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１５】磁気抵抗効果素子を示す模式的断面図である。
【図１６】磁気抵抗効果素子を示す模式的断面図である。
【図１７】磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図１８】磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図１９】磁気記録再生装置を示す模式的斜視図である。
【図２０】磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図２１】磁気記録再生装置を示す模式図である。
【図２２】磁気記録再生装置を示す模式図である。
【図２３】磁気記録再生装置の要部を示す模式的断面図である。
【図２４】図２３のＡ−Ａ’線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。
【００１８】
まず、図３を用いて、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子１０１について説明する。なお、以下は、磁気抵抗効果素子の構成の一例であり、本実施形態に係る製造方法が適用される磁気抵抗効果素子は、種々の変形が可能である。
【００１９】
図３に表したように、磁気抵抗効果素子１０１は、強磁性体を含む第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と、強磁性体を含む第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた中間層１６と、を有する。中間層１６は、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む。
【００２０】
本具体例では、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか一方の磁化方向は実質的に固着されており、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか他方の磁化方向は、第１磁性層及び第２磁性層の前記いずれか他方に印加される外部磁界に対応して変化する。ここでは、第１磁性層が、磁化方向が実質的に固着されているピン層１４であり、第２磁性層が、印加される外部磁界に対応して変化するフリー層１８である。
【００２１】
具体的には、磁気抵抗効果素子１０１は、下電極１１と、上電極２０と、下電極１１と上電極２０との間に設けられた磁気抵抗効果膜１０と、を有している。磁気抵抗効果素子１０１は、例えば、図示しない基板上に設けられる。磁気抵抗効果素子１０１は、磁気抵抗効果膜１０の膜面の垂直方向にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子である。
【００２２】
磁気抵抗効果膜１０においては、例えば、下地層１２、ピニング層（反強磁性層）１３、ピン層１４、下部金属層１５、中間層１６（絶縁層１６１及び導電部１６２）、上部金属層１７、フリー層１８、及び、キャップ層（保護層）１９が、この順に積層される。すなわち、本具体例の磁気抵抗効果素子１０１は、ピン層１４がフリー層１８よりも下側に位置するボトムピン型の磁気抵抗効果素子である。なお、図３においては、見やすさのために、中間層１６は、その上下層（下部金属層１５及び上部金属層１７）から切り離した状態で表されている。
【００２３】
なお、ピン層１４は、下部ピン層１４１、反平行磁気結合層（磁気結合層）１４２及び上部ピン層１４３を有する。
【００２４】
磁気抵抗効果素子１０１は、第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層（本具体例では、下部金属層１５）と、第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層（本具体例では、上部金属層１７）と、をさらに有している。
【００２５】
ここで、第１磁性層と第２磁性層とは互いに入れ換えが可能であり、従って、第１磁性層と第２磁性層に連動して、第１非磁性層と第２非磁性層とは互いに入れ換えが可能である。
【００２６】
磁気抵抗効果素子１０１は、スピンバルブ膜を含む。スピンバルブ膜は、２つの強磁性層（本具体例では、ピン層１４及びフリー層１８）の間に非磁性のスペーサ層１６ｓが挟まれる構成を有する。本具体例では、スペーサ層１６ｓは、下部金属層１５、中間層１６及び上部金属層１７を含む。スピンバルブ膜は、ピン層１４、スペーサ層１６ｓ（下部金属層１５、中間層１６及び上部金属層１７）、及び、フリー層１８を含む。なお、スピンバルブ膜は、スピン依存散乱ユニットと呼ばれることがある。
【００２７】
スピンバルブ膜においては、２つの強磁性層の一方（例えばピン層１４）の磁化が反強磁性層などで固着され、他方（例えばフリー層１８）の磁化が外部磁界に応じて回転可能である。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することで、巨大な磁気抵抗変化が得られる。なお、後述するように、２つの強磁性層の両方が外部磁界に応じて回転可能であっても良い。
【００２８】
そして、磁気抵抗効果素子１０１においては、スペーサ層１６ｓとして、厚み方向に沿って電流を通電する電流パスを含む中間層１６を用いている。すなわち、中間層１６においては、絶縁層１６１を導電部１６２が貫通しており、導電部１６２が、中間層１６の厚み方向に沿って電流を通電する電流パスとなる。この構成により、電流狭窄（ＣＣＰ：Current-confined-path）効果により、磁気抵抗効果素子１０１の素子抵抗及びＭＲ変化率の双方を増大できる。この構成を有する素子は、ＣＣＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＣＰＰ（Current-confined-path）素子と呼ばれることがある。
【００２９】
なお、中間層１６はＮＯＬ（nano-oxide layer）と呼ばれることがある。ただし、「ＮＯＬ」の名称は、便宜的なものであり、中間層１６における絶縁層１６１は、絶縁層１６１の厚み方向に沿って電流を通電する電流パス（導電部１６２）を含む絶縁層であれば良く、絶縁層１６１には、酸化物だけでなく、例えば、窒化物や酸窒化物などを含め任意の絶縁材料を適用することができる。
【００３０】
ピン層１４及びフリー層１８には、各種の磁性体材料を用いることができる。ピン層１４とフリー層１８に関しては後述する。
【００３１】
中間層１６において、絶縁層１６１には、例えば、主として金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物等が用いられる。例えば、絶縁層１６１には、Ａｌ２Ｏ３が用いられる。
【００３２】
導電部１６２は、絶縁層１６１の膜面垂直方向に電流を通過させる導電体として機能する。すなわち、中間層１６は、絶縁層１６１及び導電部１６２による電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有し、電流狭窄効果によりＭＲ変化率が増大される。導電部１６２には、主として金属が用いられる。例えば、導電部１６２には、Ｃｕ等の金属が用いられる。
【００３３】
図１及び図２に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法には、中間層１６を形成する中間層形成工程（ステップＳ１０）を備える。中間層形成工程は、構造体形成工程（ステップＳ１１０）と、第１処理工程（ステップＳ１２０）と、第２処理工程（ステップＳ１３０）と、を有する。
【００３４】
図２（ａ）に表したように、構造体形成工程は、絶縁層１６１と絶縁層１６１を貫通する導電部１６２とを含む構造体１６ｐを形成する工程である。
【００３５】
図２（ｂ）に表したように、第１処理工程は、構造体１６ｐに、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う工程である。例えば、構造体１６ｐにＡｒイオンビーム９５を照射する。
【００３６】
図２（ｃ）に表したように、第２処理工程は、第１処理工程が施された構造体１６ｐに対しての、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビーム及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う工程を行うである。
【００３７】
上記の酸素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むイオンビームの照射を含む。上記の酸素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むプラズマの照射を含む。上記の窒素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むイオンビームの照射を含む。上記の窒素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むプラズマの照射を含む。
第２処理工程においては、例えば、第１処理が施された構造体１６ｐに、酸素ビーム９６を照射する。
【００３８】
すなわち、構造体形成工程により形成される構造体１６ｐは、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む構成を有しているが、構造体１６ｐは、中間層１６になる前の状態であり、構造体１６ｐに対して、第１処理工程及び第２処理工程を実施することで、構造体１６ｐは中間層１６に変化し、これにより、中間層１６の特性が向上し、結果として磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ変化率が向上する。
【００３９】
以下では、第１処理工程を「ＡＩＴ」（After Ion Treatment）ということにする。そして、第２処理工程が、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射及び酸素を含むプラズマの照射のいずれかである場合に関して、特に、「ＡＯ」（Additional Oxidation）ということにする。以下では、第２処理工程がＡＯである場合について説明する。
【００４０】
以下、構造体１６ｐにＡＩＴとＡＯを組み合わせて実施することでＭＲ変化率が向上する機構について説明する。以下では、説明を簡単にするために、絶縁層１６１が酸化物である場合の例として説明する。
【００４１】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の動作を例示する模式図である。
すなわち、同図は、磁気抵抗効果素子１０１の動作を例示する模式的断面図であり、スピンバルブ膜の部分を拡大して模式的に示している。
図４に表したように、ピン層１４とフリー層１８との間に電流ＣＵＲを流した時、中間層１６において、電流ＣＵＲは導電部１６２を流れる。すなわち、電流パスＣＰが導電部１６２に形成される。そして、電流ＣＵＲは、導電部１６２の電流パスＣＰに集中する。
【００４２】
すなわち、電流ＣＵＲが狭窄されて、伝導電子ＥＬＥが導電部１６２の電流パスＣＰ付近に集中する。導電部１６２は、電流密度が上昇する領域ＲＧ１となり、この領域ＲＧ１においては、電流密度が上昇することによりジュール熱が発生し、局所的に高温になる。
【００４３】
一方、絶縁層１６１のうちで電流パスＣＰに近接する部分は、伝導電子ＥＬＥが衝突する可能性が高い領域ＲＧ２となる。伝導電子ＥＬＥは、この領域ＲＧ２の絶縁層１６１にある確率で衝突し、絶縁層１６１にダメージを与える。そのため、絶縁層１６１が酸素などの軽元素を含む絶縁体である場合には、伝導電子ＥＬＥによる熱または衝突の運動エネルギーによって、領域ＲＧ２の絶縁層１６１には、欠陥・欠損が生じ易くなる。
【００４４】
さらに、絶縁層１６１の結晶性は、導電部１６２の金属の結晶性とは異なる。そのため、絶縁層１６１と導電部１６２との界面では、格子不整合や未結合手（ダングリングボンド）が存在し、この界面は、原子拡散や破壊などが極めて起こり易い不安定な状態にあると考えられる。
【００４５】
ＭＲ変化率には、電流パスＣＰとなる導電部１６２の内部、絶縁層１６１のうちの電流パスＣＰ（導電部１６２）の近傍部分、及び、絶縁層１６１と導電部１６２との間の界面の特性が、ＭＲ変化率に大きく関係すると考えられる。
【００４６】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の動作を例示する模式図的断面図である。
すなわち、同図は、伝導電子ＥＬＥが、電流狭窄部分である電流パスＣＰを通過する際に、ＭＲ変化率に影響を与えると考えられる部分を例示している。
【００４７】
図５に表したように、ＭＲ変化率に影響を与える部分は、電流パス内部Ｐ１と、絶縁層１６１のうちの電流パスＣＰ（導電部１６２）の近傍部分Ｐ２と、絶縁層１６１と導電部１６２との間の界面Ｐ３と、であると考えられる。この３つの部分の状態が、ＭＲ変化率に影響を与える。
【００４８】
本実施形態に係る製造方法では、構造体１６ｐにＡＩＴを行う。このＡＩＴにより、電流パス内部Ｐ１の状態を変化させる。具体的には、ＡＩＴにより、電流パス内部Ｐ１である導電部１６２に含まれる不純物の除去が行われる。
【００４９】
例えば、構造体１６ｐの形成時や構造体１６ｐを形成した後に行われる熱処理時に、電流パスＣＰとなる導電部１６２中に酸素が残留する。この酸素は、電流パス内部Ｐ１である導電部１６２に含まれる不純物となる。本実施形態に係る製造方法においては、このような構造体１６ｐに対して、ＡＩＴである希ガスのイオンまたはプラズマ処理を行う。これにより、残留する酸素に希ガスのイオンまたはプラズマを衝突させ、この衝突のエネルギー（ボンバードメント効果）を利用して、導電部１６２に残留する酸素を絶縁層１６１の側へ移動させ、導電部１６２と絶縁層１６１との分離を促進することできる。
【００５０】
すなわち、電流パス内部Ｐ１に含まれる酸素などの不純物を除去し、電流パス内部Ｐ１の純度を向上することで、ＭＲ変化率が向上する。
【００５１】
一方、構造体１６ｐに希ガスのイオンまたはプラズマ処理（ＡＩＴ）を施した場合、例えば、絶縁層１６１に希ガスのイオンまたはプラズマが衝突することで、絶縁層１６１において結合されている酸素が弾き飛ばされ、結果として絶縁層１６１に欠陥や欠損が生成される可能性がある。
【００５２】
このようなＡＩＴを行った場合における絶縁層の薄膜化や、酸素等の欠陥や欠損は、絶縁層１６１のうちの電流パスＣＰの近傍部分Ｐ２、及び、絶縁層１６１と導電部１６２との間の界面Ｐ３の特性を劣化させ、この結果、ＭＲ変化率を低下させてしまう。
すなわち、ＡＩＴを実施することで発生する可能がある悪影響のために、ＡＩＴだけでは、ＭＲ変化率が十分向上しない場合があり得る。
【００５３】
このとき、本実施形態に係る製造方法においては、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施することで、ＡＩＴで発生する可能性がある悪影響を除去し、ＡＩＴのみの実施のときよりも、ＭＲ変化率をさらに向上させる。
【００５４】
すなわち、ＡＩＴが実施された構造体１６ｐに、さらにＡＯを実施することで、絶縁層１６１における酸素欠損状態を補修し、絶縁層１６１に、より密に酸素を含有させることができ、よりＭＲ変化率が高い中間層１６を得ることができる。
【００５５】
ＡＩＴの後にＡＯを行うことにより、ＡＩＴの実施における絶縁層１６１と導電部１６２の分離の促進と同時に発生する可能性がある絶縁層１６１の絶縁破壊や酸素欠損による悪影響を抑制し、ＡＩＴのみの場合に比べて、より大きなＭＲ変化率を得ることができる。
【００５６】
このように、構造体１６ｐの形成の後に、構造体１６ｐに第１処理（ＡＩＴ）と第２処理（例えばＡＯ）と組み合わせて実施することでＭＲ変化率が上昇することを見出し、本発明は、この新たな知見に基づいてなされた。
【００５７】
なお、構造体１６ｐを形成するために、例えば後述するようなイオンビーム照射やプラズマ照射の処理が行われることがあるが、この時の処理条件は、構造体１６ｐよりも下側の層（本具体例ではピン層１４）の変質（例えば酸化）の影響により例えばＭＲ変化率が低下しないような条件に設定される。
【００５８】
例えば、構造体１６ｐの形成においては、構造体１６ｐのうちの絶縁層１６１の絶縁性が高くなるように、絶縁層１６１中の酸素濃度が高い条件が望まれるが、構造体１６ｐの形成工程においては、他の層への悪影響（例えばピン層１４の酸化によるＭＲ変化率の低下）を考慮するため、結果として絶縁層１６１中の酸素濃度を十分高めることができない条件が採用されることがある。
【００５９】
これに対し、本実施形態に係る製造方法においては、構造体１６ｐを形成した後に、構造体１６ｐにイオンビーム照射やプラズマ照射（例えばＡＩＴ）を行うことによって、導電部１６２と絶縁層１６１の分離を促進し、絶縁層１６１中の酸素濃度を高め、そして、ＡＩＴで生じ得る構造体１６ｐの絶縁性の低下をＡＯを行うことで抑制し、結果として従来にない高いＭＲ変化率を実現する。
【００６０】
すなわち、本実施形態に係る製造方法においてＭＲ変化率が向上するのは、構造体１６ｐへの第１処理（ＡＩＴ）の実施により、構造体１６ｐ中の導電部１６２及び絶縁層１６１の分離がより促進されることによりＭＲ変化率が向上し、それと共に、第１処理の際に生じる悪影響（例えば絶縁層１６１の劣化による絶縁性の低下）を改善することで、ＭＲ変化率が向上したものと考えられる。
【００６１】
このように、本実施形態に係る製造方法により、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子を製造できる。
今後の磁気記憶装置の使用用途のさらなる拡大と、さらなる高密度記憶化に伴い、磁気記録媒体からの磁気信号が低減し、現状よりも高いＭＲ変化率の実現が要求されるが、本実施形態に係る製造方法によれば、この要求に応える磁気抵抗効果素子が提供できるようになる。特に、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子は、従来のＴＭＲ素子に比べて抵抗が低いため、より高転送レートが要求されるサーバー・エンタープライズ用途のハイエンドの磁気記憶装置に適用可能であり、このようなハイエンドの用途において特に要求される高ＭＲ変化率が実現できる。
【００６２】
なお、後述するように、構造体１６ｐの形成の際にも酸化処理を行うことがあるが、ＡＩＴの後にＡＩＴと組みとして実施されるＡＯは、構造体１６ｐの形成の際に行われる酸化処理よりも酸化力が小さい処理とされる。
【００６３】
すなわち、強い酸化力のＡＯを実施した場合には、ＡＩＴよりも前に実施される構造体１６ｐの形成工程で絶縁層１６１と導電部１６２とを分離させた電流パスＣＰ中の酸素不純物を再生成してしまう可能性がある。このため、ＡＩＴの後のＡＯは、構造体１６ｐの形成の際行われる酸化処理よりも酸化力が小さい処理とする。
【００６４】
例えば、ＡＯの処理条件としては、構造体１６ｐを形成する際に用いられる酸化処理におけるイオンビームのエネルギーよりも少ない加速電圧が用いられる。また、ＡＯにおいては、イオン化しないＯ２ガスをチャンバ中に導入する自然酸素フローなどが用いられる。
【００６５】
また、過度な不純物生成や、ピン層１４などの磁性層の酸化を抑制するために、ＡＯの処理時間は短いことが好ましい。すなわち、ＡＩＴ後の構造体１６ｐに必要以上の酸素を導入すると、逆にＭＲ変化率が低下する。
【００６６】
例えば、ＡＯにおいて、イオンソースではイオン化させるためのＲＦパワーを供給するが、加速のための印加電圧を用いないで酸素に曝露する条件を用いる。また、ＡＯにおいて、構造体１６ｐの表面へのイオンビームの入射角（ここでは、被処理物の被処理面に対して平行に入射する場合を０度とし、被処理面に垂直に入射する場合を９０度とする）を０度に近い角度（例えば０度よりも大きく１５度以下）などの浅い角度にする。これにより、ＡＯの酸化力を弱めることができる。イオンビームの照射時間は５秒以上６０秒程度以下が好ましい。これにより、ＡＯの酸化力を弱めることができる。
【００６７】
また、ＡＯとして、自然酸素フローを用いることも、ピン層１４の過剰な酸化を抑制するためには、有効である。自然酸素フローを用いる場合の処理時間は、例えば１０秒以上６００秒程度以下が好ましい。なお、６００秒以上でも、ＡＯの効果は期待できるが、生産性の観点から６００秒以下がより好ましい。
【００６８】
上記では、第２処理工程が、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射であるＡＯである場合として説明したが、第２処理工程は、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むのイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射、及び、窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う工程とすることができ、第２処理工程において窒素や酸素窒素混合ガスを用いた場合に、上記と同様の効果が得られる。
【００６９】
なお、ＡＩＴとして、例えば、ＡｒイオンビームやＡｒのＲＦプラズマを構造体１６ｐに照射する場合、構造体１６ｐにＡｒが打ち込まれる。このため、ＡＩＴ後の構造体１６ｐ（中間層１６）は、他の層（例えば図１に例示した種々の層）よりもＡｒを多く含有する可能性が高い。例えば、Ａｒを用いたＡＩＴを実施した中間層１６は、他の層と比べて２倍以上多くのＡｒを含有する場合がある。中間層１６と他の層とにおけるＡｒ含有量の差異は、例えば、断面透過型電子顕微鏡写真と併用した組成分析や、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrum）によって膜表面からミリングを行いながら膜組成を分析するデプスプロファイルや三次元アトムプローブ顕微鏡などによる分析によって知ることができる。
【００７０】
なお、ＡＩＴにおいて、Ａｒに換えて他の元素のガスのイオンやプラズマを用いた場合においても、中間層１６と他の層とにおける、用いた元素の含有量に差異が生じる可能性が高く、この差異は、上記と同様の分析手法によって知ることができる。
【００７１】
ＡＩＴにおいては、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）及びクリプトン（Ｋｒ）よりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマが用いられるが、製造コストの点からＡｒを用いることが望ましい。なお、Ａｒの代わりに、必要に応じて、より質量の大きいＸｅなどを用いると、特有の効果が得られることがある。
【００７２】
ＡＩＴにおいては、希ガス（上記の群）の、例えばイオンビーム照射を行う。
イオンビーム照射においては、イオンガン等を用いて被処理物（構造体１６ｐ、または構造体１６ｐ及び上部金属層１７）にイオンビームが照射される。
【００７３】
イオンビーム照射においては、イオンガン中でガスがイオン化され、電圧（加速電圧）で加速されることで、イオンガンからイオンビームが出射される。このイオン化に、ＩＣＰ（inductive charge coupled）プラズマなどが用いられる。この場合、プラズマ量は、ＲＦパワーなどによって制御され、被処理物への照射イオン量は、ビーム電流量によって制御される。また、イオンビーム照射のエネルギーは、加速電圧値によって制御される。
【００７４】
ＡＩＴにおけるイオンビーム照射の条件は、例えば、加速電圧を＋３０Ｖ（ボルト）〜＋１５０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ〜２００ｍＡ（ミリアンペア）、ＲＦパワーを１０Ｗ（ワット）〜３００Ｗに設定することが好ましい。ＲＦパワーは、ビーム電流Ｉｂを一定に保つために、イオンソースでプラズマを励起する電力である。なお、これらの条件は、例えばイオンビームエッチングを行う場合の条件と比較して、著しく弱い。
【００７５】
なお、上記のイオンビーム照射においては、エッチング量は、例えば０．５ｎｍ以下と極微量であり、素子の形状を形成するためのエッチングとはエッチング量が大きく異なる。ＡＩＴにおけるイオンビーム照射においてはエッチング量が少量であるため、イオンビーム照射によって極微量減少した構造体１６の膜厚（０．５ｎｍ以下）は、適宜に補正することができる。例えば、構造体１６ｐの形成の際に、その厚さを、エッチング量を考慮して、厚めに成膜することで補正できる。また、例えば、ＡＩＴの実施よりも後に行われる成膜によって補うこともできる。
【００７６】
なお、上記よりも強い条件のイオンビームによって、被処理が過度にエッチングされると、特性に悪影響がある場合がある。ＡＩＴでの過度なエッチングは、構造体１６の消失を招くおそれがある。
【００７７】
イオンビーム照射における入射角度を、被処理物の被処理面に対して平行に入射する場合を０度とし、被処理面に垂直に入射する場合を９０度としたとき、ＡＩＴにおけるイオンビーム照射の入射角度は、０度〜９０度の範囲で適宜変更する。
【００７８】
ＡＩＴによるイオンビーム照射の処理時間は、１５秒〜３００秒程度が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長過ぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が低下することがある。これらの観点から、イオンビーム照射の処理時間は３０秒〜１８０秒程度がさらに好ましい。
【００７９】
ＡＩＴにおいては、希ガス（上記の群）を用いたプラズマ処理を行うこともできる。ここで、プラズマ処理を行うことを、「プラズマ照射」という。
【００８０】
プラズマ照射においては、プラズマガン等を用いて被処理物にプラズマを照射させる。例えば、ＲＦパワーによって希ガスがプラズマ化され、そのプラズマが被処理物の被処理面に照射される。プラズマ照射における電流及びエネルギーは、ＲＦパワーの値によって制御される。すなわち、プラズマ照射の強度は、ＲＦパワーの値によって決定される。ここで、プラズマ照射においてはＲＦパワーによって加速電圧及びビーム電流が決定され、イオンビーム照射のように電流とエネルギーとを独立に制御することは困難である。
【００８１】
プラズマ照射におけるエネルギー及び時間等は、イオンビーム照射の場合と同等とすることができ、例えば、加速電圧は＋３０Ｖ〜＋１５０Ｖ、ビーム電流Ｉｂは２０ｍＡ〜２００ｍＡ、ＲＦパワー（ビーム電流を一定に保つためにイオンソースでプラズマを励起するためのＲＦパワー）は１０Ｗ〜３００Ｗに設定することが望ましい。プラズマ照射においてエッチングが実質的に生じないために、ＲＦパワーとして、１０Ｗ〜１００Ｗがより好ましい。ＲＦパワーとして、１０Ｗ〜５０Ｗを用いることが制御性の向上のために、さらに好ましい。
【００８２】
プラズマ照射の処理時間は、１５秒〜３００秒程度が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長過ぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が低下することがある。これらの観点から、プラズマ照射の処理時間は、３０秒〜１８０秒程度がさらに好ましい。
【００８３】
プラズマ照射を用いる場合は、装置のメンテナンス性が優れるため装置の生産性を高くすることができる。一方、イオンビーム照射を用いる場合は、加速電圧、ＲＦパワー及び電流のそれぞれを独立して制御できるため、処理の制御性が高い。これらの特徴を勘案して、適切な方法を採用できる。
【００８４】
一方、第２処理においては酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかが用いられる。このうち、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射に関しては、上記のＡＩＴにおける希ガスのイオンビーム照射及びプラズマ照射における希ガスを、酸素または窒素に置き換えたものとすることができるので説明を省略する。
【００８５】
また、第２処理として、ＡＯの１つである、酸素を含むイオンビーム処理を用いる場合には、酸素の流量を大きくして、時間処理を短くすることが、エッチングを抑制するために好ましい場合が多い。例えば、酸素の流量は５ｓｃｃｍ以上、１０ｓｃｃｍ以下で、処理時間は５秒以上、６０秒以下程度が好ましい。これにより、第２処理によるエッチングを抑制できる。
【００８６】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
図６（ａ）に表したように、本実施形態に係る製造方法の１つの例においては、まず、第１非磁性層（例えば下部金属層１５）を形成する（ステップＳ２１０）。その後、中間層形成工程（Ｓ１０、すなわち、ステップＳ１１０、Ｓ１２０及びＳ１３０）を実施し、その後、第２非磁性層（例えば上部金属層１７、すなわち非磁性層）を形成する。これにより、スペーサ層１６ｓが形成される。
【００８７】
このように、本実施形態に係る製造方法において、中間層形成工程（ステップＳ１０）は、第１磁性層と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層を形成する工程（ステップＳ２１０）と、第２磁性層と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）と、の間に実施されることができる。すなわち、本実施形態に係る製造方法は、第２処理工程の後に構造体１６の上に非磁性層を形成する工程をさらに備える。
【００８８】
すなわち、本具体例では、構造体形成工程（ステップＳ１１０）においては、第１磁性層の上に構造体１６ｐが形成される。そして、本製造方法は、第２処理工程が施された構造体１６ｐの上に、第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）をさらに備える。
【００８９】
また、図６（ｂ）に表したように、本実施形態に係る製造方法の別の例においては、まず、第１非磁性層（例えば下部金属層１５）を形成し（ステップＳ２１０）、構造体形成工程（ステップＳ１１０）を実施し、第２非磁性層（例えば上部金属層１７）を形成する。そして、第１処理工程（ステップＳ１２０）と第２処理工程（ステップＳ１３０）をと行う。これにより、スペーサ層１６ｓが形成される。この方法においては、構造体１６ｐを形成した後に第２非磁性層（例えば上部金属層１７）を形成し、第２非磁性層（例えば上部金属層１７）を介して、構造体１６ｐに第１処理工程と第２処理工程とを施す。
【００９０】
すなわち、本具体例では、構造体形成工程（ステップＳ１１０）においては、第１磁性層の上に構造体１６ｐが形成される。そして、本具体例では、構造体１６ｐの上に第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）をさらに備え、第２非磁性層を形成する工程の後に、第１処理工程（ステップＳ１２０）が実施される。なお、その後、さらに、第２処理工程（ステップＳ１３０）が実施される。すなわち、本実施形態に係る製造方法は、第１処理工程の前に前記構造体の上に非磁性層を形成する工程をさらに備える。
【００９１】
なお、既に説明したように、第１非磁性層と第２非磁性層とは互いに入れ換えが可能である。従って、本実施形態に係る別の製造方法においては、第１磁性層と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層を形成する工程（ステップＳ２１０）、及び、第２磁性層と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）のいずれかが実施される。
【００９２】
以下では、構造体１６ｐを形成する構造体形成工程（ステップＳ１１０）の一例について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を例示するフローチャート図である。
図８は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を例示する工程順模式的断面図である。
すなわち、これらの図は、構造体形成工程の一例を示している。
【００９３】
図７に表したように、構造体形成工程（ステップＳ１１０）は、導電部１６２となる第１金属膜１６ａと、絶縁層１６１に変換される第２金属膜１６ｂと、を成膜する成膜工程（ステップＳ１０１）と、第２金属膜１６ｂを絶縁層１６１に変換して構造体１６ｐを形成する変換工程（ステップＳ１０２）と、を含む。
【００９４】
すなわち、図８（ａ）に表したように、例えば、第１磁性層を含む層１４ｓの上に、導電部１６２となる第１金属膜１６ａと、絶縁層１６１となる第２金属膜１６ｂと、を積層して成膜する。第１金属膜１６ａは、例えばＣｕである。また、第２金属膜１６ｂはＡｌである。第２金属膜１６ｂはＡｌＣｕでも良い。
【００９５】
そして、例えば、図８（ｂ）に表したように、まず、Ａｒイオンビーム９１によるＰＩＴ（Pre Ion Treatment）を行う。
ＰＩＴにより、下側の第１金属膜１６ａの一部が、第２金属膜１６ｂの側に向けて吸い上げられる。そして、第１金属膜１６ａの一部が、第２金属膜１６ｂを貫通して、導電部１６２を形成する。
【００９６】
その後、図８（ｃ）に表したように、酸素イオンビーム９２によるＩＡＯ（Ion Assisted Oxidation）を行う。
酸素ガス（この場合は酸素イオンビーム９２）によるＩＡＯによって、第１金属膜１６ａ及び第２金属膜１６ｂに対して酸化性の処理が施される。
【００９７】
なお、酸素イオンビーム９２を用いた処理には、希ガスイオンを照射しながら、酸素ガスを導入する酸化処理も含まれる。
【００９８】
この時、第１金属膜１６ａ及び第２金属膜１６ｂに用いる材料の選択により、選択的な酸化が行われる。すなわち、導電部１６２となる第１金属膜１６ａには酸化生成エネルギーの高い材料を用い、絶縁層１６１となる第２金属膜１６ｂには酸化生成エネルギーの低い材料を用いる。つまり、導電部１６２は絶縁層１６１に比べて、酸化されにくく還元され易い材料が用いられる。
【００９９】
本具体例では、Ａｌである第２金属膜１６ｂが酸化され、Ａｌ２Ｏ３となり、絶縁層１６１が形成される。そして、Ｃｕである第１金属膜１６ａは比較的酸化され難く、その多くは金属のままであり、酸化されていない（酸化の程度が低い）第１金属膜１６ａが導電部１６２となる。
【０１００】
これにより、構造体１６ｐが形成できる。ただし、発明はこれに限らず、構造体形成工程は、絶縁層１６１と絶縁層１６１を貫通する導電部１６２とを含む構造体１６ｐを形成する工程であれば任意である。例えば、セルフアセンブルに構造体１６ｐを形成できるＡｌ２Ｏ３絶縁体−金属グラニュラー膜を用いても良いし、また、ＡｌＣｕ合金層を堆積し、その後プラズマ酸化のみを用いるという方法も採用できる。
【０１０１】
第１金属膜１６ａは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇよりなる群から選択された少なくとも１つを含むことができる。
また、第２金属膜１６ｂは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｃｒ及びＺｒよりなる群から選択される少なくとも１つを含むことができる。
【０１０２】
これにより、第１金属膜１６ａ及び第２金属膜１６ｂに用いる材料の性質に基づいて、選択的な酸化が行われる。すなわち、導電部１６２となる第１金属膜１６ａには酸化生成エネルギーの高い材料が用いられ、絶縁層１６１となる第２金属膜１６ｂには酸化生成エネルギーの低い材料が用いられる。すなわち、導電部１６２は絶縁層１６１に比べて、酸化されにくく還元され易い材料が用いられる。これにより、構造体１６ｐがより形成し易くなる。
【０１０３】
また、上記のように、変換工程（ステップＳ１０２）は、第２金属膜に、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、及びＫｒからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程（例えば上記のＰＩＴ）、及び、第２金属膜に、Ｏ（酸素）及びＮ（窒素）の少なくともいずれかを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程（例えば上記のＩＡＯ）の少なくともいずれかを含むことができる。
【０１０４】
以下、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の実施例について説明する。
（第１実施例）
第１実施例の磁気抵抗効果素子における磁気抵抗効果膜１０の構成は以下である。
以下において、各層の厚さはナノメートル（ｎｍ）で表され、合金の組成は、原子パーセント（atomic％）で表される。また、例えば、「Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］」の表記は、厚さが５ｎｍのＴａの上に、厚さが２ｎｍのＲｕが設けられている構成を示す。
【０１０５】
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［４．３５ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・中間層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１及びＣｕの導電部１６２（ＡｌＣｕ［１ｎｍ］）
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ６０Ｆｅ４０［２ｎｍ］／Ｎｉ９５Ｆｅ５［３．５ｎｍ］
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
・上電極２０。
【０１０６】
上記において、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を順次形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成した。その後、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴ及びＡＯを実施し、中間層１６を形成した。その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第１実施例の磁気抵抗効果素子１０１ａが形成された。なお、この製造方法は、図６（ａ）に例示した方法を採用している。
【０１０７】
第１実施例においては、ＡＩＴにおいては、Ａｒプラズマが用いられ、ＡＩＴ処理の際のＲＦパワーＰＡＩＴが２０ワット（Ｗ）であり、処理時間は１２０秒である。また、ＡＯにおいては、酸素を含むガスへの曝露（自然酸素フローによる酸素曝露）が用いられ、このときの酸素ガスの流量が１０ｓｃｃｍであり、処理時間は３００秒である。
【０１０８】
また、ＰＩＴには、Ａｒイオンビームが用いられた。また、ＩＡＯには、Ａｒイオンビームを用いた酸素処理を用いた。
【０１０９】
（第１比較例）
第１比較例の磁気抵抗効果素子１０９ａにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、第１比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴ及びＡＯのいずれも行わない。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を順次形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成し、その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第１比較例の磁気抵抗効果素子１０９ａが形成された。
【０１１０】
（第２比較例）
第２比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｂにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、第２比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴのみを行い、ＡＯを実施しない。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、その後、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴを実施し、中間層１６を形成した。その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第２比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｂが形成された。第２比較例におけるＡＩＴの条件は、第１実施例と同じである。
【０１１１】
（第３比較例）
第３比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｃにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、第３比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＯのみを行い、ＡＩＴを実施しない。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成し、その後、構造体１６ｐに対して、ＡＯを実施し、その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第３比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｃが形成された。第３比較例におけるＡＯの条件は、第１実施例と同じである。
【０１１２】
図９は、本発明の実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を例示するグラフ図である。
同図において、横軸は、ＡＩＴにおけるＲＦパワーＰＡＩＴであり、縦軸はＭＲ変化率（ＭＲ）である。また、三角印は、ＡＯを行わない条件であり、丸印は、ＡＯを行う条件である。ＲＦパワーＰＡＩＴが０である条件は、ＡＩＴを実施しないことに相当する。
【０１１３】
図９に表したように、第１比較例の磁気抵抗効果素子１０９ａ（ＡＩＴが実施されず、すなわち、ＲＦパワーＰＡＩＴが０であり、ＡＯも実施されない）においては、ＭＲ比（ＭＲ）は１２．１％であった。なお、この時の素子抵抗ＲＡは、７００ｍΩ・μｍ２であった。
【０１１４】
また、ＡＩＴのみを実施した第２比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｂにおいては、ＭＲ変化率（ＭＲ）は１３．７％であった。第２比較例においては、ＭＲ変化率は第１比較例よりも向上するが、その向上の程度（ＭＲ変化率の差）は、１．６％であり、向上の程度が小さい。なお、磁気抵抗効果素子１０９ｂにおける素子抵抗ＲＡは、４００ｍΩ・μｍ２であった。
【０１１５】
また、ＡＯのみを実施した第３比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｃにおいては、ＭＲ変化率（ＭＲ）は１２．８％であった。第３比較例においても、ＭＲ変化率は第１比較例よりも向上するが、その向上の程度（ＭＲ変化率の差）は、０．７％であり、向上の程度はやはり小さい。なお、磁気抵抗効果素子１０９ｃにおける素子抵抗ＲＡは、７００ｍΩ・μｍ２であった。
【０１１６】
これに対し、ＲＦパワーＰＡＩＴが２０ＷのＡＩＴと、ＡＯと、が実施された第１実施例の磁気抵抗効果素子１０１ａにおいては、ＭＲ比（ＭＲ）は、１６．３％であった。そして、磁気抵抗効果素子１０１ａの素子抵抗ＲＡは５００ｍΩ・μｍ２である。
【０１１７】
第１〜第３比較例と第１実施例とを比較すると、第１実施例においては、第１〜第３比較例のいずれの場合よりもＭＲ変化率が大きく向上している。
【０１１８】
そして、第１比較例に対する第１実施例のＭＲ変化率の向上の程度（ＭＲ変化率の差）は、４．２％である。すなわち、第１実施例においては、第２比較例及び第３比較例よりもＭＲ変化率が大きく向上する。すなわち、ＡＩＴのみを実施する第２比較例におけるＭＲ変化率の向上の程度は１．６％であり、ＡＯのみを実施する第３比較例におけるＭＲ変化率の向上の程度は０．７％であり、これらを合計してもＭＲ変化率の向上の程度は、２．３％にしかならない。
【０１１９】
これに対し、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施した第１実施例においては、ＭＲ変化率の向上の程度が４．３％であり、第２比較例と第３比較例とを合計した時の２．３％の約２倍、ＭＲ変化率が向上されている。
【０１２０】
すなわち、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて適用する本実施形態に係る製造方法により、第２比較例及び第３比較例のようにＡＩＴのみの実施及びＡＯのみの実施で得られる効果から予想し得ないほどの高いＭＲ変化率が得られる。
【０１２１】
このことは、発明者らの今回の実験において初めて見出された現象であり、この新しく得られた知見に基づいて、本実施形態に係る製造方法は生み出された。
【０１２２】
なお、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施した場合において、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである磁気抵抗効果素子１０１ａ４においては、ＭＲ変化率が低下し、約５％となっている。そして、ＡＯを実施せずＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである磁気抵抗効果素子１０９ｂ４においては、ＭＲ変化率は零になっている。このように、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが大き過ぎるとＭＲ変化率は低下する。これは、大き過ぎるＲＦパワーＰＡＩＴのＡＩＴにより、構造体１６ｐの絶縁層１６１の絶縁性が劣化したことが原因と考えられる。なお、このように、ＲＦパワーＰＡＩＴが大き過ぎる場合においても、ＡＩＴの後にＡＯを実施することでＭＲ変化率が高くなることから、強過ぎるＡＩＴによって劣化した絶縁層１６１が、ＡＩＴの後にＡＯを実施することで回復したことが原因と考えられ、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施したときにおける上記の効果が裏付けられる。
【０１２３】
本具体例においては、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは例えば２０Ｗに設定される。このように、本実施形態に係る製造方法において、用いるＡＩＴの条件は、ＡＯ処理との組み合わせで適正に設定され、それにより、最も高いＭＲ変化率が得られる。
【０１２４】
（第２実施例）
第２実施例の磁気抵抗効果素子における磁気抵抗効果膜１０の構成は第１実施例の磁気抵抗効果素子１０１ａと同様である。ただし、第２実施例の場合には、図６（ｂ）に例示した方法が採用される。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５の順次形成の後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成し、その後、上部金属層１７を形成し、その後、上部金属層１７を介して、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴ及びＡＯを実施し、中間層１６を形成し、その後、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第２実施例の磁気抵抗効果素子が形成される。
【０１２５】
このように、構造体１６ｐの形成後、上部金属層１７を介して、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴ及びＡＯを実施し、中間層１６を形成する方法でも、第１実施例と同等の高いＭＲ変化率が得られる。
【０１２６】
第１実施例及び第１〜第３比較例では、構造体１６ｐを形成する際のＩＡＯとして、Ａｒイオンビームを用いた酸素処理を実施したが、ＩＡＯとして、Ｘｅイオンビームを用いた酸素処理を行った結果について、以下説明する。
【０１２７】
（第３実施例）
第３実施例の磁気抵抗効果素子１０１ｃにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、構造体１６ｐを形成する際に用いたＩＡＯとして、Ｘｅイオンビームを用いた酸素処理を用い、ＡＩＴ処理の際のＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである。これ以外は、第１実施例と同じである。
【０１２８】
（第４比較例）
第４比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｄにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第４比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴ及びＡＯのいずれも行わない。
【０１２９】
（第５比較例）
第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第４比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴのみを行い、ＡＯを実施しない。そして、第５比較例におけるＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは、２０Ｗである。
【０１３０】
（第６比較例）
第６比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｆにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第６比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴのみを行い、ＡＯを実施しない。そして、第６比較例におけるＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは、第３実施例と同じ４０Ｗである。
【０１３１】
（第７比較例）
第７比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｇにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第７比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＯのみを行い、ＡＩＴを実施しない。第７比較例におけるＡＯの条件は、第３実施例と同じである。
【０１３２】
なお、この他、第３実施例と同じように、ＡＩＴとＡＯを実施するが、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが２０Ｗである磁気抵抗効果素子１０１ｄも作製された。
【０１３３】
図１０は、本発明の実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、第３実施例の磁気抵抗効果素子１０１ｃと、第４〜第７比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｄ、１０９ｅ、１０９ｆ及び１０９ｇと、磁気抵抗効果素子１０１ｄの特性を例示している。
【０１３４】
同図において、横軸は、ＡＩＴにおけるＲＦパワーＰＡＩＴであり、縦軸はＭＲ変化率（ＭＲ）である。また、逆三角印は、ＡＯを行わない条件であり、四角印は、ＡＯを行う条件である。ＲＦパワーＰＡＩＴが０である条件は、ＡＩＴを実施しないことに相当する。
【０１３５】
図１０に表したように、構造体１６ｐを形成した後にＡＩＴもＡＯも実施しない第４比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｄのＭＲ変化率は、約１２％と低い。
また、ＡＯを実施せず、ＡＩＴを実施し、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが２０Ｗである第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅのＭＲ変化率は、約１６％であり、比較的高い。
また、ＡＯを実施せず、ＡＩＴを実施し、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである第６比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｆのＭＲ変化率は、約９％であり、磁気抵抗効果素子１０９ｅよりも大きく低下し、非常に低い。
また、ＡＩＴを実施せず、ＡＯを実施した第７比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｇのＭＲ変化率は、約７．５％であり、非常に低い。
【０１３６】
これに対し、ＡＩＴとＡＯを組み合わせて実施し、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである第３実施例の磁気抵抗効果素子１０１ｃのＭＲ変化率は、約１７．５％であり第４〜第７比較例のいずれよりも高い。このように、本実施形態に係る製造方法によれば、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子を製造できる。
【０１３７】
なお、ＲＦパワーＰＡＩＴが４０ＷのＡＩＴを実施し、ＡＯを実施しない第６比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｆのＭＲ変化率が著しく低いのに対し、第３実施例においては、同じ条件のＡＩＴを用いながらＡＯを実施することで、高いＭＲ変化率を実現している。このことから、ＡＩＴで劣化した絶縁層１６１の絶縁性の劣化が、ＡＯによって回復し、これによりＭＲ変化率が向上したものと考えられる。
【０１３８】
ＡＯを実施せずに、ＲＦパワーＰＡＩＴが小さい（２０Ｗ）ＡＩＴを行った第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅにおいて比較的高いＭＲ変化率（約１６％）が得られており、このようにＡＩＴのみを行った場合に、ＲＦパワーを制御することによって比較的高いＭＲ変化率が得られるが、第３実施例のように、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施することにより、第５比較例よりも高いさらにＭＲ変化率が得られることは、今回初めて得られた知見である。
【０１３９】
なお、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施した場合において、ＡＩＴパワーＰＡＩＴが２０Ｗである磁気抵抗効果素子１０１ｄにおいても、比較的高いＭＲ変化率（約１６％）が得られており、第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅのＭＲ変化率を下回ることはない。
【０１４０】
このように、本実施形態に係る製造方法において、用いるＡＩＴの条件は、ＡＯ処理との組み合わせで適正に設定され、それにより、最も高いＭＲ変化率が得られる。
【０１４１】
すなわち、ＡＯを実施せずＡＩＴのみを実施する場合においては、ＲＦパワーＰＡＩＴが適切でないと（例えば４０Ｗなどのように大き過ぎると）と、ＭＲ変化率は著しく低下するのに対し、ＡＩＴとＡＯと組み合わせるので、高いＭＲ変化率が得られるＲＦパワーＰＡＩＴの範囲が大きく拡大する。これは、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施することにより、ＡＩＴの適切な処理条件の範囲が拡大することを意味している。このように、本実施形態に係る製造方法によれば、製造マージンが拡大でき、高い性能の磁気抵抗効果素子を安定して生産できる。
【０１４２】
本実施形態に係る製造方法において、ＡＩＴの処理条件（例えばＲＦパワーＰＡＩＴや時間など）は、ＭＲ変化率が最も高くなるように設定される。そして、図９及び図１０に例示したように、そのＡＩＴの適切な条件は、例えば構造体１６ｐを形成する際の条件（例えば、ＩＡＯの際に用いられるガス種など）に従って適切に選択される。
【０１４３】
すなわち、例えば構造体１６ｐの形成において、ＰＩＴとＩＡＯを用い、ＩＡＯとして、Ａｒイオンビームを用いた酸素ガス処理を用いる場合（例えば図９の第１実施例）には、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは例えば２０Ｗ程度に設定される。
また、例えば構造体１６ｐの形成において、ＰＩＴとＩＡＯを用い、ＩＡＯとして、Ｘｅイオンビームを用いた酸素ガス処理を用いる場合（例えば図１０の第３実施例）には、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは例えば４０Ｗ程度に設定される。
【０１４４】
なお、種々の製造条件のばらつきなどを考慮すると、ＡＩＴにおける適切なＲＦパワーのＰＡＩＴ条件は、上記の値のプラスマイナス２０％程度の範囲で変更されても良い。
【０１４５】
以下、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成の例を、図３を参照しながら説明する。
【０１４６】
下電極１１は、スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、スピンバルブ膜内部をその膜垂直方向に沿って電流が流れる。この電流によって、磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することで、磁気の検知が可能となる。下電極１１には、電流を磁気抵抗効果素子に通電するために、電気抵抗が比較的小さい金属層が用いられる。下電極１１には、ＮｉＦｅ、Ｃｕなどが用いられる。
【０１４７】
下地層１２は、例えば、バッファ層１２ａ（図示せず）及びシード層１２ｂ（図示せず）に区分することができる。バッファ層１２ａは、例えば下電極１１表面の荒れを緩和する。シード層１２ｂは、例えば、その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向及び結晶粒径を制御する。
【０１４８】
バッファ層１２ａとしては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒまたはこれらの合金を用いることができる。バッファ層１２ａの膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましく、３ｎｍ〜５ｎｍ程度がより好ましい。バッファ層１２ａの厚さが薄過ぎるとバッファ効果が失われる。一方、バッファ層１２ａの厚さが厚過ぎるとＭＲ変化率に寄与しない直列抵抗を増大させることになる。なお、バッファ層１２ａ上に成膜されるシード層１２ｂがバッファ効果を有する場合には、バッファ層１２ａを必ずしも設ける必要はない。好ましい一例として、厚さ３ｎｍのＴａを用いることができる。
【０１４９】
シード層１２ｂには、その上に成膜される層の結晶配向を制御できる材料が用いられれば良い。シード層１２ｂとして、ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方格子構造）またはｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密格子構造）やｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方格子構造）を有する金属層などが好ましい。例えば、シード層１２ｂとして、ｈｃｐ構造を有するＲｕや、ｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅを用いることにより、その上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。また、ピニング層１３（例えば、ＰｔＭｎ）の結晶配向を規則化したｆｃｔ構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）、あるいはｂｃｃ（body-centered cubic structure：体心立方構造）（１１０）配向とすることができる。
これ以外にも、シード層１２ｂには、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗやこれらの合金層なども用いることができる。
【０１５０】
結晶配向を向上させるシード層１２ｂとしての機能を十分発揮するために、シード層１２ｂの膜厚としては、１ｎｍ〜５ｎｍが好ましく、より好ましくは、１．５ｎｍ〜３ｎｍが好ましい。好ましい一例として、厚さ２ｎｍのＲｕを用いることができる。
【０１５１】
スピンバルブ膜やピニング層１３の結晶配向性は、Ｘ線回折により測定できる。スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、ピニング層１３（ＰｔＭｎ）のｆｃｔ（１１１）ピークまたはｂｃｃ（１１０）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５度〜６度として、良好な配向性を得ることができる。なお、この配向の分散角は断面ＴＥＭを用いた回折スポットからも判別することができる。
【０１５２】
シード層１２ｂとして、Ｒｕの代わりに、ＮｉＦｅベースの合金（例えば、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝９０％〜５０％、好ましくは７５％〜８５％）や、ＮｉＦｅに第３元素Ｘを添加して非磁性にした（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）を用いることもできる。ＮｉＦｅベースのシード層１２ｂでは、良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり、上記と同様に測定したロッキングカーブの半値幅を３度〜５度とすることができる。
【０１５３】
シード層１２ｂには、結晶配向を向上させる機能だけでなく、スピンバルブ膜の結晶粒径を制御する機能もある。具体的には、スピンバルブ膜の結晶粒径を５ｎｍ〜４０ｎｍに制御することができ、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、特性のばらつきを招くことなく高いＭＲ変化率を実現できる。
【０１５４】
ここでの結晶粒径は、シード層１２ｂの上に形成された結晶粒の粒径によって判別することができ、断面ＴＥＭなどによって決定することができる。ピン層１４が中間層１６よりも下層に位置するボトムピン型スピンバルブ膜の場合には、シード層１２ｂの上に形成される、ピニング層１３（反強磁性層）や、ピン層１４（磁化固着層）の結晶粒径によって判別することができる。
【０１５５】
高密度記録に対応した再生ヘッドでは、素子サイズが、例えば、１００ｎｍ以下である。素子サイズに対する結晶粒径の比が大きいことは、素子の特性がばらつく原因となる。スピンバルブ膜の結晶粒径が４０ｎｍよりも大きいことは好ましくない。具体的には、結晶粒径が５ｎｍ〜４０ｎｍの範囲が好ましく、５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲がさらに好ましい範囲である。
【０１５６】
素子面積あたりの結晶粒の数が少なくなると、結晶数が少ないことに起因した特性のばらつきが発生し得るため、結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。特に、絶縁層１６１中に導電部１６２を有するＣＣＰ−ＣＰＰ素子では結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。一方、結晶粒径が小さくなり過ぎても、良好な結晶配向を維持することが一般的には困難になる。これら、結晶粒径の上限、及び下限を考慮した結晶粒径の好ましい範囲が、５ｎｍ〜２０ｎｍである。
【０１５７】
しかしながら、ＭＲＡＭ用途などでは、素子サイズが１００ｎｍ以上の場合があり、結晶粒径が４０ｎｍ程度と大きくてもそれほど問題とならない場合もある。すなわち、シード層１２ｂを用いることで、結晶粒径が粗大化しても差し支えない場合もある。
【０１５８】
上述した５ｎｍ〜２０ｎｍの結晶粒径を得るためには、シード層１２ｂとして、Ｒｕ（厚さ２ｎｍ）や、（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）層の場合には、第３元素Ｘの組成ｙを０％〜３０％程度とすることが好ましい（ｙが０％の場合も含む）。
【０１５９】
一方、結晶粒径を４０ｎｍよりも粗大化させて用いるためには、さらに多量の添加元素を用いることが好ましい。シード層１２ｂの材料が、例えば、ＮｉＦｅＣｒの場合にはＣｒ量を３５％〜４５％程度とし、ｆｃｃとｂｃｃの境界相を示す組成を用いて、ｂｃｃ構造を有するＮｉＦｅＣｒ層を用いることが好ましい。
【０１６０】
前述したように、シード層１２ｂの膜厚は１ｎｍ〜５ｎｍ程度が好ましく、１．５ｎｍ〜３ｎｍがより好ましい。シード層１２ｂの厚さが薄過ぎると結晶配向制御などの効果が失われる。一方、シード層１２ｂの厚さが厚過ぎると、直列抵抗の増大を招き、さらにスピンバルブ膜の界面の凹凸の原因となることがある。
【０１６１】
ピニング層１３は、その上に成膜されるピン層１４となる強磁性層に一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して磁化を固着する機能を有する。ピニング層１３の材料としては、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。このうち、高記録密度対応のヘッドの材料として、ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは、ＰｔＭｎよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ、高密度記録のために必要な狭ギャップ化に適している。
【０１６２】
十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層１３の膜厚を適切に設定する。ピニング層１３の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、膜厚として、８ｎｍ〜２０ｎｍ程度が好ましく、１０ｎｍ〜１５ｎｍがより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎの場合には、ＰｔＭｎなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与可能であり、３ｎｍ〜１２ｎｍが好ましく、４ｎｍ〜１０ｎｍがより好ましい。好ましい一例として、厚さ７ｎｍのＩｒＭｎを用いることができる。
【０１６３】
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層を用いることができる。ハード磁性層として、例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０％〜８５％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０％〜８５％、ｙ＝０％〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０％〜６０％）を用いることができる。ハード磁性層（特に、ＣｏＰｔ）は比抵抗が比較的小さいため、直列抵抗及び面積抵抗の増大を抑制できる。
【０１６４】
また、ピン層１４とフリー層１８に、保持力の大きく異なる材料を配置した場合、ピニング層１３を省略することもできる。これは、ピン層１４自体がＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０％〜８５％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０％〜８５％、ｙ＝０％〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０％〜６０％）等の高保持力材料であり、フリー層１８がＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝７５％〜９５％）、Ｎｉｘ（ＦｅｙＣｏ１００−ｙ）１００−ｘ合金（ｘ＝７５％〜９５％、ｙ＝０％〜１００％）、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝８５％〜９５％）等の低保持力材料とした場合である。
【０１６５】
ピン層１４は、下部ピン層１４１（例えば、厚さ３．５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０）、磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）、及び上部ピン層１４３（例えば、厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０）からなるシンセティックピン層とすることが好ましい一例である。ピニング層１３（例えば、ＩｒＭｎ）とその直上の下部ピン層１４１は一方向異方性（unidirectional anisotropy）をもつように交換磁気結合している。磁気結合層１４２の上下の下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３は、磁化の向きが互いに反平行になるように強く磁気結合している。
【０１６６】
下部ピン層１４１の材料として、例えば、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０％〜１００％）、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０％〜１００％）、またはこれらに非磁性元素を添加したものを用いることができる。また、下部ピン層１４１の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの単元素やこれらの合金を用いても良い。
【０１６７】
下部ピン層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ、すなわち、Ｂｓ・ｔ積）が、上部ピン層１４３の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり、上部ピン層１４３の磁気膜厚と下部ピン層１４１の磁気膜厚とが対応することが好ましい。一例として、上部ピン層１４３が、膜厚１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／膜厚０．２５ｎｍのＣｕ／膜厚１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／膜厚０．２５ｎｍのＣｕ／膜厚１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０の構成の場合、薄膜でのＦｅＣｏの飽和磁化が約２．２Ｔ（テスラ）であるため、磁気膜厚は２．２Ｔ×３ｎｍ＝６．６Ｔｎｍとなる。Ｃｏ９０Ｆｅ１０の飽和磁化が約１．８Ｔなので、上記と等しい磁気膜厚を与える下部ピン層１４１の膜厚ｔは６．６Ｔｎｍ／１．８Ｔ＝３．６６ｎｍとなる。従って、膜厚が約３．６ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０を用いることが望ましい。また、ピニング層１３としてＩｒＭｎを用いる場合には、下部ピン層１４１の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０よりも少しＦｅ組成を増やすことが好ましい。具体的には、例えばＣｏ７５Ｆｅ２５などが望ましい。
【０１６８】
下部ピン層１４１に用いられる磁性層の膜厚は１．５ｎｍ〜４ｎｍ程度が好ましい。これは、ピニング層１３（例えば、ＩｒＭｎ）による一方向異方性磁界強度及び磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）を介した下部ピン層１４１と上部ピン層１４３との反強磁性結合磁界強度の観点に基づく。下部ピン層１４１が薄過ぎるとＭＲ変化率が低下する。一方、下部ピン層１４１が厚過ぎるとデバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。好ましい一例として、膜厚３．６ｎｍのＣｏ７５Ｆｅ２５が挙げられる。
【０１６９】
磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）は、上下の磁性層（下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３）に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する機能を有する。磁気結合層１４２としてのＲｕ層の膜厚は０．８ｎｍ〜１ｎｍであることが好ましい。なお、上下の磁性層に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、Ｒｕ以外の材料を用いても良い。ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel- Kasuya-Yosida）結合の２ｎｄピークに対応する膜厚０．８ｎｍ〜１ｎｍの代わりに、ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する膜厚０．３ｎｍ〜０．６ｎｍを用いることもできる。磁気結合層１４２として、より高信頼性の結合を安定して特性が得られる、０．９ｎｍのＲｕが一例として挙げられる。
【０１７０】
上部ピン層１４３の一例として、厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０のような磁性層を用いることができる。上部ピン層１４３は、スピン依存散乱ユニットの一部をなす。上部ピン層１４３は、ＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層であり、高いＭＲ変化率を得るために、この構成材料、膜厚の双方が重要である。特に、中間層１６との界面に位置する磁性材料は、スピン依存界面散乱に寄与する点で特に重要である。
【０１７１】
上部ピン層１４３としてここで用いた、ｂｃｃ構造をもつＦｅ５０Ｃｏ５０を用いる効果について述べる。上部ピン層１４３として、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料を用いた場合、スピン依存界面散乱効果が大きいため、高いＭＲ変化率を実現することができる。ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ系合金として、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０％〜１００％）や、ＦｅｘＣｏ１００−ｘに添加元素を加えたものが挙げられる。そのなかでも、諸特性を満たしたＦｅ４０Ｃｏ６０〜Ｆｅ６０Ｃｏ４０が使い易い材料の一例である。
【０１７２】
上部ピン層１４３として、高ＭＲ変化率を実現し易いｂｃｃ構造をもつ磁性層が用いられる場合には、この磁性層の全膜厚が１．５ｎｍ以上であることが好ましい。ｂｃｃ構造を安定に保つためである。スピンバルブ膜に用いられる金属材料は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造であることが多いため、上部ピン層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。このため、上部ピン層１４３の膜厚が薄過ぎると、ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり、高いＭＲ変化率が得られなくなる。
【０１７３】
本具体例では、上部ピン層１４３として、極薄Ｃｕ積層を含むＦｅ５０Ｃｏ５０を用いている。ここで、上部ピン層１４３は、全膜厚が３ｎｍのＦｅＣｏと、１ｎｍのＦｅＣｏごとに積層された０．２５ｎｍのＣｕとからなり、合計の膜厚は３．５ｎｍである。
【０１７４】
上部ピン層１４３の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。大きなピン固着磁界を得るためである。大きなピン固着磁界と、ｂｃｃ構造の安定性の両立のため、ｂｃｃ構造をもつ上部ピン層１４３の膜厚は、２．０ｎｍ〜４ｎｍ程度であることが好ましいということになる。
【０１７５】
上部ピン層１４３には、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに、磁気抵抗効果素子で広く用いられているｆｃｃ構造を有するＣｏ９０Ｆｅ１０合金や、ｈｃｐ構造をもつコバルト合金を用いることができる。上部ピン層１４３として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの単体金属、またはこれらのいずれか１つの元素を含む合金材料は全て用いることができる。上部ピン層１４３の磁性材料として、高いＭＲ変化率を得るのに有利なものから並べると、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金材料、５０％以上のコバルト組成をもつコバルト合金、５０％以上のＮｉ組成をもつニッケル合金の順になる。
【０１７６】
例えば、上部ピン層１４３として、磁性層（ＦｅＣｏ層）と非磁性層（極薄Ｃｕ層）とを交互に積層したものを用いることができる。このような構造を有する上部ピン層１４３では、極薄Ｃｕ層によって、スピン依存バルク散乱効果と呼ばれるスピン依存散乱効果を向上させることができる。
【０１７７】
「スピン依存バルク散乱効果」は、スピン依存界面散乱効果と対の言葉として用いられる。スピン依存バルク散乱効果とは、磁性層内部でＭＲ効果を発現する現象である。スピン依存界面散乱効果は、スペーサ層と磁性層の界面でＭＲ効果を発現する現象である。
【０１７８】
以下、磁性層と非磁性層の積層構造によるバルク散乱効果の向上について説明する。
ＣＣＰ−ＣＰＰ素子においては、中間層１６の近傍で電流が狭窄されるため、中間層１６の界面近傍での抵抗の寄与が非常に大きい。つまり、中間層１６と磁性層（ピン層１４、フリー層１８）の界面での抵抗が、磁気抵抗効果素子全体の抵抗に占める割合が大きい。このことは、スピン依存界面散乱効果の寄与がＣＣＰ−ＣＰＰ素子では非常に大きく、重要であることを示している。つまり、中間層１６の界面に位置する磁性材料の選択が従来のＣＰＰ素子の場合と比較して、重要な意味をもつ。これが、上部ピン層１４３として、スピン依存界面散乱効果が大きいｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いた理由である。
【０１７９】
しかしながら、バルク散乱効果の大きい材料を用いることも無視できず、より高ＭＲ変化率を得るためにはやはり重要である。バルク散乱効果を得るための極薄Ｃｕ層の膜厚は、０．１ｎｍ〜１ｎｍが好ましく、０．２ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が薄過ぎると、バルク散乱効果を向上させる効果が弱くなる。Ｃｕ層の膜厚が厚過ぎると、バルク散乱効果が減少することがある上に、非磁性のＣｕ層を介した上下磁性層の磁気結合が弱くなり、ピン層１４の特性が不十分となる。そこで、本具体例では、０．２５ｎｍのＣｕを用いた。
【０１８０】
磁性層間の非磁性層の材料として、Ｃｕの換わりに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌなどを用いても良い。一方、これら極薄の非磁性層を挿入した場合、ＦｅＣｏなど磁性層の一層あたりの膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍが好ましく、１ｎｍ〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
【０１８１】
上部ピン層１４３として、ＦｅＣｏ層とＣｕ層との交互積層構造に換えて、ＦｅＣｏとＣｕを合金化した層を用いても良い。このようなＦｅＣｏＣｕ合金として、例えば、（ＦｅｘＣｏ１００−ｘ）１００−ｙＣｕｙ（ｘ＝３０％〜１００％、ｙ＝３％〜１５％程度）が挙げられるが、これ以外の組成範囲を用いても良い。ここで、ＦｅＣｏに添加する元素として、Ｃｕの代わりに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌなど他の元素を用いても良い。
【０１８２】
上部ピン層１４３には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉや、これらの合金材料からなる単層膜を用いても良い。例えば、最も単純な構造の上部ピン層１４３として、従来から広く用いられている、２ｎｍ〜４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０単層を用いても良い。この材料に他の元素を添加しても良い。
【０１８３】
次に、スペーサ層１６ｓの膜構成について述べる。下部金属層１５は、導電部１６２の材料の供給源として用いられた後の残存層であり、最終形態として必ずしも残存していない場合もある。
【０１８４】
中間層１６は、絶縁層１６１及び導電部１６２を有する。なお、前述のように、中間層１６、下部金属層１５、及び上部金属層１７がスペーサ層１６ｓに含まれる。
【０１８５】
絶縁層１６１には、酸化物や窒化物や酸窒化物等が用いられる。絶縁層１６１は、Ａｌ２Ｏ３のようなアモルファス構造、または、ＭｇＯのような結晶構造を有することができる。スペーサ層としての機能を発揮するために、絶縁層１６１の厚さは、１ｎｍ〜５ｎｍが好ましく、１．５ｎｍ〜４．５ｎｍの範囲がより好ましい。
【０１８６】
絶縁層１６１に用いられる絶縁材料として、Ａｌ２Ｏ３をベース材料としたものや、これに添加元素を加えたものがある。添加元素として、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃ、Ｖなどがある。これらの添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜変えることができる。一例として、約２ｎｍのＡｌ２Ｏ３を絶縁層１６１として用いることができる。
【０１８７】
絶縁層１６１には、Ａｌ２Ｏ３のようなＡｌ酸化物の代わりに、Ｔｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｖ酸化物なども用いることができる。これらの酸化物の場合でも、添加元素として上述の材料を用いることができる。また、添加元素の量を０％〜５０％程度の範囲で適宜に変えることができる。また、絶縁層１６１には、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃをベースとした酸窒化物や、窒化物を用いることができる。すなわち、これらの材料をベースにした任意の絶縁性の材料を絶縁層１６１に用いることができる。
【０１８８】
既に説明したように、導電部１６２は、中間層１６の膜面垂直に電流を流すパス（経路）であり、電流を狭窄する。
導電部１６２を形成する材料は、Ｃｕ以外には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅの金属、または、これらの元素を少なくとも１つを含む合金とすることができる。一例として、導電部１６２は、Ｃｕを含む合金層で形成することができる。導電部１６２には、例えば、ＣｕＮｉ、ＣｕＣｏ、ＣｕＦｅなどの合金層を用いることができる。導電部１６２として、５０％以上のＣｕを有する組成の合金を用いることが、高ＭＲ変化率と、ピン層１４とフリー層１８との層間結合磁界（interlayer coupling field, Ｈｉｎ）の低下と、のためには好ましい。
【０１８９】
導電部１６２は、絶縁層１６１と比べて著しく酸素及び窒素の少なくともいずれかの含有量が少ない領域である。例えば、導電部１６２における酸素及び窒素の少なくともいずれかの含有量は、絶縁層１６１の２倍以上である。導電部１６２は、例えば結晶相とすることができる。結晶相は非結晶相よりも抵抗が小さいため、導電部１６２が結晶相の場合は、導電部１６２は、電流パスとして機能し易い。
【０１９０】
上部金属層１７は、スペーサ層１６ｓに含まれ、スペーサ層１６ｓの上に成膜されるフリー層１８が中間層１６の酸化物に接して酸化されないように保護するバリア層としての機能、及び、フリー層１８の結晶性を良好にする機能を有する。例えば、絶縁層１６１の材料がアモルファス（例えば、Ａｌ２Ｏ３）の場合には、その上に成膜される金属層の結晶性が悪くなるが、絶縁層１６１の上に、上部金属層１７として、ｆｃｃ結晶性を良好にする層（例えば、Ｃｕ層）を配置することで、フリー層１８の結晶性を著しく改善することが可能となる。上部金属層１７の厚さは、１ｎｍ程度以下で良い。
【０１９１】
中間層１６の材料やフリー層１８の材料によっては、必ずしも上部金属層１７を設けなくても良い。アニール条件の最適化や、中間層１６の絶縁層１６１材料の選択、フリー層１８の材料などによって、結晶性の低下を回避し、中間層１６上の上部金属層１７が省略できる。
【０１９２】
製造上のマージンを考慮すると、中間層１６上に上部金属層１７を形成することが好ましい。一例として、上部金属層１７として、厚さ０．５ｎｍのＣｕを用いることができる。
【０１９３】
上部金属層１７には、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕなどを用いることもできる。上部金属層１７の材料は、中間層１６の導電部１６２の材料と同一であることが好ましい。上部金属層１７の材料が導電部１６２の材料と異なる場合には界面抵抗が増大することがあるが、両者が同一の材料であれば界面抵抗の増大を抑制できる。
【０１９４】
上部金属層１７の膜厚は、１ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。上部金属層１７が厚過ぎると、中間層１６で狭窄された電流が上部金属層１７で広がって電流狭窄効果が不十分になり、ＭＲ変化率の低下を招くことがある。
【０１９５】
フリー層１８は、磁化方向が外部磁界によって変化する強磁性体を有する層である。フリー層１８には、例えば、界面にＣｏＦｅを挿入したＮｉＦｅとして、厚さ１ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０／厚さ１３．５ｎｍのＮｉ８３Ｆｅ１７の２層の積層膜を用いることができる。高いＭＲ変化率を得るためには、フリー層１８のうちで、中間層１６との界面側に位置する磁性材料の選択が重要であり、中間層１６との界面側には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。なお、フリー層１８にＮｉＦｅ層を用いない場合には、厚さ４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０単層を用いることができる。また、フリー層１８として、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどの３層の積層膜を用いることができる。
【０１９６】
フリー層１８としてＣｏＦｅ合金を用いる場合、軟磁気特性が安定であることから、例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０が好ましい。Ｃｏ９０Ｆｅ１０の組成の近傍のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ〜４ｎｍとすることが好ましい。その他、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０〜９０）が好ましい。
また、フリー層１８として、１ｎｍ〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ〜０．８ｎｍ程度の極薄Ｃｕ層とを、複数層交互に積層したものを用いても良い。
【０１９７】
中間層１６がＣｕ層から形成される場合には、ピン層１４と同様に、フリー層１８でも、結晶構造がｂｃｃ構造のＦｅＣｏ層を、フリー層１８のうちの中間層１６との界面側の材料として用いると、ＭＲ変化率が向上する。フリー層１８のうちの中間層１６との界面側の材料として、ｆｃｃのＣｏＦｅ合金に換えて、ｂｃｃ構造のＦｅＣｏ合金を用いることもできる。この場合、ｂｃｃ構造が形成され易い、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０〜１００）や、これに添加元素を加えた材料を用いることができる。さらにｂｃｃ構造を安定とするため、膜厚を１ｎｍ以上、さらには１．５ｎｍ以上とすることが好ましい。ただしｂｃｃ構造の層の膜厚を増やすほど保持力と磁歪が高くなるので、フリー層として使い難くなる。これを解決するには、積層するＮｉＦｅ合金の組成や膜厚を調整することが有効である。例えば、フリー層１８として、厚さ２ｎｍのＣｏ６０Ｆｅ４０／厚さ３．５ｎｍのＮｉ９５Ｆｅ５の積層構成を用いることができる。
【０１９８】
キャップ層１９は、スピンバルブ膜を保護する機能を有する。キャップ層１９には、例えば、複数の金属層の積層膜を用いることができ、例えば、Ｃｕ層とＲｕ層の積層膜（厚さ１ｎｍのＣｕ／厚さ１０ｎｍのＲｕ）を用いることができる。また、キャップ層１９として、Ｒｕをフリー層１８側に配置したＲｕ／Ｃｕ層なども用いることができる。この場合、Ｒｕの膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好ましい。この構成のキャップ層１９は、特に、フリー層１８としてＮｉＦｅが用いられる場合に望ましい。ＲｕはＮｉと非固溶な関係を有するので、上記の構成を採用することで、フリー層１８とキャップ層１９の間に形成される界面ミキシング層の磁歪を低減できる。
【０１９９】
キャップ層１９が、Ｃｕ／Ｒｕ、または、Ｒｕ／Ｃｕのいずれの場合も、Ｃｕ層の膜厚は０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましく、Ｒｕ層の膜厚は０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度とすることができる。Ｒｕは比抵抗値が高いため、あまり厚いＲｕ層を用いることは好ましくないため、このような膜厚範囲にしておくことが好ましい。
【０２００】
キャップ層１９として、Ｃｕ層やＲｕ層の代わりに他の金属層を設けても良い。キャップ層１９の構成は特に限定されず、キャップとしてスピンバルブ膜を保護可能なものであれば、他の材料を用いても良い。キャップ層は、ＭＲ変化率や長期信頼性の観点で適切に選択される。ＣｕやＲｕは、これらの観点からも望ましいキャップ層の材料の例である。
【０２０１】
上電極２０は、スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、スピンバルブ膜内部に、スピンバルブ膜に対して垂直方向の電流が流れる。上電極２０には、電気的に低抵抗な材料（例えば、Ｃｕ、Ａｕ、ＮｉＦｅなど）が用いられる。
【０２０２】
図１１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に用いることができる製造装置の構成を例示する模式図である。
図１１に表したように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に用いることができる製造装置５０ａにおいては、搬送チャンバ５０を中心として、第１チャンバ（ロードロックチャンバ）５１、第２チャンバ５２、第３チャンバ５３、第４チャンバ５４、第５チャンバ５５がそれぞれゲートバルブを介して設けられている。この製造装置５０ａは、成膜と各種の処理を行うものであり、ゲートバルブを介して接続された各チャンバの間で、真空中において基板を搬送することができるので、基板の表面は清浄に保たれる。
【０２０３】
第２チャンバ５２は、例えばプレクリーニング用のチャンバである。
第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４は、例えば、金属成膜用のチャンバであり、多元（例えば５元〜１０元）のターゲットを有することができる。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４における成膜方式は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、及び、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などが挙げられる。
第５チャンバ５５では、例えば、酸化物層、窒化物層及び酸窒化物層を形成する。
【０２０４】
第１処理（ＡＩＴ）及び第２処理（例えばＡＯ）には、ＲＦプラズマ機構、イオンビーム機構または加熱機構を有するチャンバを利用できる。具体的には、ＲＦバイアス機構を有する第３チャンバ５３、第４チャンバ５４及び第２チャンバ５２などを用いることができる。ＲＦプラズマ機構は、比較的簡便な機構であり、第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４への設置が容易である。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４において、金属膜の成膜、並びに、ＡＩＴ及びＡＯなどのイオンビーム処理などを実施できる。
【０２０５】
なお、酸化物や窒化物を形成する第５チャンバ５５でＡＩＴ及びＡＯを実施すると、例えば、ＡＩＴやＡＯの際に、チャンバ内壁に吸着した例えば酸素ガス（または窒素ガス）が脱離し、構造体１６ｐ等に混入し、構造体１６ｐ等が劣化することがある。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４のように、成膜時に酸素や窒素を使用しないチャンバは、チャンバ内壁への酸素や窒素の吸着が少なく、真空の質を良好に保ち易い。ただし、チャンバ内に吸着した酸素や窒素を除去すれば、第５チャンバ５５でのＡＩＴ及びＡＯの実施も可能である。
【０２０６】
なお、上記真空チャンバの真空度の値は、例えば、１０−９Ｔｏｒｒ台であり、１０−８Ｔｏｒｒの前半の値が許容できる。
【０２０７】
以下、磁気抵抗効果素子１０１の製造方法の全体の概要の例について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、図示しない基板の上に形成した下電極１１の上に、下地層１２を形成し（ステップＳ３１０)、その上に、ピニング層１３を形成し（ステップＳ３２０）、その上にピン層１４を形成する（ステップＳ３３０）。そして、スペーサ層１６ｓを形成する（ステップＳ３４０）。このスペーサ層１６ｓの形成において、既に説明した中間層形成工程（ステップＳ１０）、第１非磁性層を形成する工程（ステップＳ２１０）及び第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）が実施される。
【０２０８】
さらに、この後、フリー層１８を形成し（ステップＳ３５０）、キャップ層１９を形成し（ステップＳ３６０）、上電極２０を形成し、最後にアニール処理を行う（ステップＳ３７０）。
【０２０９】
例えば、基板を第１チャンバ５１（ロードロックチャンバ）にセットし、その後、各種の金属膜の成膜を第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４で行い、例えば酸化などを第５チャンバ５５で行う。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４における到達真空度は、例えば、１×１０−８Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましく、５×１０−１０Ｔｏｒｒ〜５×１０−９Ｔｏｒｒ程度が一般的である。搬送チャンバ５０における到達真空度は、１×１０−９Ｔｏｒｒ〜１×１０−８Ｔｏｒｒである。第５チャンバ５５における到達真空度は８×１０−８Ｔｏｒｒ以下である。
【０２１０】
例えば、まず、基板上に、下電極１１を微細加工プロセスにより形成する。なお、下電極１１が形成された基板を用いても良い。そして、下電極１１上に、下地層１２として、例えば、Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］を成膜する。
【０２１１】
そして、下地層１２の上にピニング層１３を成膜する。
ピニング層１３には、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ、ＮｉＭｎ及びＦｅＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。また、ピニング層１３には、ＣｏＰｔ及びＣｏＰｄなどのハード磁性材料を用いることもできる。
【０２１２】
さらに、ピニング層１３の上にピン層１４を形成する。
ピン層１４は、例えば、下部ピン層１４１（例えばＣｏ９０Ｆｅ１０）、反平行磁気結合層１４２（例えばＲｕ）、及び、上部ピン層１４３（例えばＣｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］）を含むシンセティックピン層とすることができる。なお、ピニング層１３がＩｒＭｎの場合、Ｆｅ７５Ｃｏ２５を下部ピン層１４１に用いると、ＩｒＭｎによるピニング力が増し、磁気的安定性を向上させることができる。また、上部ピン層１４３として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０に極薄のＣｕを挿入した構成（例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ[０．２５ｎｍ]／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ[０．２５ｎｍ]／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］）等を用いると、スピン依存散乱が増して高いＭＲ変化率を得ることができる。
【０２１３】
次に、中間層１６を有するスペーサ層１６ｓを形成する。中間層１６を形成する際には、第５チャンバ５５を用いる。スペーサ層１６ｓの形成の際に、図６（ａ）及び（ｂ）に例示した工程を用いる。本具体例では、アモルファス構造を有するＡｌ２Ｏ３を含む絶縁層１６１中に、金属結晶構造を有するＣｕを含む導電部１６２を含む中間層１６が形成される。ここでは、図６（ａ）の工程を採用する場合として説明する。
【０２１４】
中間層１６の上に、上部金属層１７として、例えば、Ｃｕ［０．２５ｎｍ］を成膜する。上部金属層１７の膜厚は、０．２ｎｍ〜０．６ｎｍ程度が好ましい。上部金属層１７の膜厚が厚いとフリー層１８の結晶性を向上し易い。ただし、膜厚が厚過ぎると電流狭窄効果が減じてＭＲ変化率が低下する場合がある。そこで、フリー層１８の結晶性向上と、ＭＲ変化率の維持を両立するために、上部金属層１７の膜厚は、０．４ｎｍ程度が望ましい。
【０２１５】
なお、フリー層１８において高い結晶性が必要でない場合や、他のなんらかの手段でフリー層１８の結晶性を上げることができる場合、上部金属層１７は必ずしも必要ではなく、上部金属層１７は省略できる。
【０２１６】
上部金属層１７の上に、フリー層１８として、例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］を形成する。なお、高いＭＲ変化率を得るために、スペーサ層１６ｓとの界面に位置するフリー層１８の磁性材料は適切に選択される。本具体例においては、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。この界面側の部分には、ＣｏＦｅ合金のなかでも特に軟磁気特性が安定なＣｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］を用いることができる。また、他の組成のＣｏＦｅ合金を適用しても良い。
【０２１７】
フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分に、Ｃｏ９０Ｆｅ１０に近い組成のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ〜４ｎｍとすることが好ましい。他の組成のＣｏＦｅ合金（例えば、Ｃｏ５０Ｆｅ５０）を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ〜２ｎｍとすることが好ましい。スピン依存界面散乱効果を上昇させるために、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分に、例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（または、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝４５〜８５））を用いた場合には、フリー層１８としての軟磁性を維持するために、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分の膜厚をピン層１４のような厚い膜厚にすることが困難である。このため、この場合においては、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分の膜厚は、０．５ｎｍ〜１ｎｍが好ましい。フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分として、Ｃｏを含まないＦｅを用いる場合には、軟磁気特性が比較的良好なため、膜厚を０．５ｎｍ〜４ｎｍ程度とすることができる。
【０２１８】
フリー層１８の上記の構成において、ＣｏＦｅ層の上に設けられるＮｉＦｅ層は、軟磁性特性が安定な材料である。ＣｏＦｅ合金の軟磁気特性はそれほど安定ではないが、ＣｏＦｅ合金の上にＮｉＦｅ合金を設けることによって軟磁気特性を安定化することができる。なお、フリー層１８としてＮｉＦｅを用いると、スペーサ層１６ｓとの界面側の部分に、高ＭＲ変化率を実現できる材料が使用可能となり、スピンバルブ膜のトータル特性上好ましい。
【０２１９】
フリー層１８に用いられるＮｉＦｅ合金の組成は、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７８〜８５％程度）が好ましい。すなわち、一般的に用いられるＮｉＦｅの組成であるＮｉ８１Ｆｅ１９よりも、Ｎｉリッチな組成（例えば、Ｎｉ８３Ｆｅ１７）を用いることが好ましい。これにより、はゼロ磁歪が実現できる。絶縁層１６１と導電部１６２とを含む中間層１６を有するスペーサ層１６ｓの上に成膜されたＮｉＦｅにおいては、メタルＣｕのスペーサ層上に成膜されたＮｉＦｅよりも、磁歪がプラス側にシフトする。このプラス側への磁歪のシフトをキャンセルするために、フリー層１８に用いられるＮｉＦｅには、Ｎｉ組成が通常よりも多い、負側のＮｉＦｅ組成が用いられる。
【０２２０】
フリー層１８に用いられるＮｉＦｅ層のトータル膜厚は、２ｎｍ〜５ｎｍ程度（例えば、３．５ｎｍ）が好ましい。
フリー層１８としてＮｉＦｅ層を用いない場合には、フリー層１８には、１ｎｍ〜２ｎｍの厚さのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ〜０．８ｎｍ程度の厚さのＣｕ層と、を、複数層交互に積層した積層膜を用いてもよい。
【０２２１】
そして、フリー層１８の上に、キャップ層１９として例えば、Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］を積層する。そして、キャップ層１９の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極２０を形成する。
このようにして、図１に例示した第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１が製造できる。
【０２２２】
（第２の実施の形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１３に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、ピン層１４がフリー層１８よりも上に配置されるトップピン型のＣＣＰ−ＣＰＰ素子である。
【０２２３】
この場合においても、磁気抵抗効果素子１０２は、強磁性体を含む第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と、強磁性体を含む第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた中間層１６と、を有する。中間層１６は、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む。
【０２２４】
本具体例においても、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか一方の磁化方向は実質的に固着されており、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか他方の磁化方向は、第１磁性層及び第２磁性層の前記いずれか他方に印加される外部磁界に対応して変化する。すなわち、第１磁性層が、磁化方向が実質的に固着されているピン層１４であり、第２磁性層が、印加される外部磁界に対応して変化するフリー層１８である。
【０２２５】
そして、この場合には、第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層が、上部金属層１７となり、第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層が、下部金属層１５となる。
【０２２６】
具体的には、磁気抵抗効果膜１０においては、例えば、下電極１１の上に、下地層１２、フリー層１８、下部金属層１５、中間層１６（絶縁層１６１及び導電部１６２）、上部金属層１７、ピン層１４、ピニング層（反強磁性層）１３、及び、キャップ層１９が、この順に積層され、磁気抵抗効果膜１０の上に、上電極２０が積層される。
【０２２７】
このような構成の磁気抵抗効果素子１０４の製造においても、中間層１６を形成する中間層形成工程（ステップＳ１０）として、上記の構造体形成工程（ステップＳ１１０）、第１処理工程（ステップＳ１２０）、及び、第２処理工程（ステップＳ１３０）を含むことができる。
【０２２８】
トップピン型のスピンバルブ膜の場合においても、ピン層１４の過酸化防止、及び、第１処理（ＡＩＴ）による絶縁層１６１部分へのダメージの回復の効果が、ボトムピン型と同様に得られる。
【０２２９】
ボトムピン型と同様に、トップピン型の磁気抵抗効果素子１０２においても、第１処理及び第２処理として、イオン、プラズマ、酸素曝露、または熱による処理を適宜に採用できる。
【０２３０】
なお、トップピン型の磁気抵抗効果素子１０２においても、中間層１６の下部金属層１５及び上部金属層１７の機能については、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子１０１と同様である。すなわち、中間層１６の下側の下部金属層１５は導電部１６２の供給源となるが、中間層１６の上の上部金属層１７は必ずしも必要ではなく、上部金属層１７は、必要に応じて設けられる。
【０２３１】
（第３の実施の形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１４に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、２つのフリー層（第１フリー層１４ａ及び第２フリー層１８ａ）の間に中間層１６が設けられる。
【０２３２】
すなわち、磁気抵抗効果素子１０３は、強磁性体を含む第１磁性層（本具体例では、第１フリー層１４ａ）と、強磁性体を含む第２磁性層（本具体例では、第２フリー層１８ａ）と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた中間層１６と、を有する。中間層１６は、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む。
【０２３３】
第１磁性層（第１フリー層１４ａ）の磁化方向は、第１磁性層に印加される外部磁界に対応して変化し、第２磁性層（第２フリー層１８ａ）の磁化方向は、第２磁性層に印加される外部磁界に対応して変化する。
【０２３４】
具体的には、図示しない基板の上に設けられた下電極１１の上に、磁気抵抗効果膜１０が設けられ、その上に上電極２０が設けられている。そして、磁気抵抗効果膜１０においては、例えば、下地層１２、第１フリー層１４ａ、下部金属層１５、中間層１６（絶縁層１６１及び導電部１６２）、上部金属層１７、第２フリー層１８ａ、及び、キャップ層（保護層）１９が、この順に積層される。
【０２３５】
このように、磁気抵抗効果素子１０３は、スピンバルブ膜は、２つの強磁性層（第１フリー層１４ａ及び第２フリー層１８ａ）の間に非磁性のスペーサ層１６ｓ（下部金属層１５、中間層１６及び上部金属層１７を含む）が挟まれる構成を有する。
【０２３６】
そして、本具体例の磁気抵抗効果膜１０においては、２つの強磁性層（第１フリー層１４ａ及び第２フリー層１８ａ）の両方が外部磁界に応じて回転可能である。すなわち、磁気抵抗効果素子１０３においては、磁化固着層が設けられていない。
【０２３７】
このような構成を有する磁気抵抗効果素子１０３においても、既に説明したように、構造体形成工程の後に、第１処理（ＡＩＴ）と第２処理（例えばＡＯ）を組み合わせて実施することにより、ＭＲ変化率を向上させることができる。
【０２３８】
この場合も、図６（ａ）及び（ｂ）に関して説明したように、第１処理及び第２処理は、上部金属層１７の形成の後、及び、前のどちらで実施しても良い。
【０２３９】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、第１〜第３の実施形態に関して説明した磁気抵抗効果素子の製造方法によって製造された磁気抵抗効果素子１０１、１０１ａ、１０２及び１０３のいずれかである。以下では、第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が磁気抵抗効果素子１０１である場合として説明する。
【０２４０】
図１５及び図１６は、本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、これらの図は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１を磁気ヘッドに組み込んだ状態を例示している。図１５は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子１０１を切断したときの断面図であり、図１６は、この磁気抵抗効果素子１０１を媒体対向面ＡＢＳに対して垂直な方向に切断したときの断面図である。
【０２４１】
図１５及び図１６に例示した磁気ヘッドは、いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。
【０２４２】
図１５及び図１６に表したように、磁気抵抗効果素子１０１の磁気抵抗効果膜１０の上下には、下電極１１と上電極２０とがそれぞれ設けられている。磁気抵抗効果膜１０の両側面には、バイアス磁界印加膜４１と絶縁膜４２とが積層して設けられている。また、磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面ＡＢＳの側には、保護層４３が設けられている。
【０２４３】
磁気抵抗効果膜１０に対するセンス電流は、その上下に配置された下電極１１、上電極２０によって矢印Ａで示したように、膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜４１により、磁気抵抗効果膜１０にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１０のフリー層１８の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。磁気抵抗効果膜１０のＳ／Ｎ比が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気記録再生が可能となる。
【０２４４】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の素子抵抗ＲＡは、高密度対応の観点から、５００ｍΩ／μｍ２以下が好ましく、３００ｍΩ／μｍ２以下がより好ましい。素子抵抗ＲＡを算出する場合には、磁気抵抗効果素子の抵抗Ｒにスピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａを掛け合わせる。抵抗Ｒは、直接測定できる。一方、スピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａは、素子構造に依存する値であるため、その決定には注意を要する。
【０２４５】
例えば、スピンバルブ膜の全体を実効的にセンシングする領域としてパターニングしている場合には、スピンバルブ膜全体の面積が実効面積Ａとなる。この場合、抵抗Ｒを適度に設定する観点から、スピンバルブ膜の面積を少なくとも０．０４μｍ２以下にし、３００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では０．０２μｍ２以下にする。
【０２４６】
一方、スピンバルブ膜よりも面積の小さい下電極１１または上電極２０を形成した場合には、下電極１１または上電極２０の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。下電極１１または上電極２０の面積が異なる場合には、小さい方の電極の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。この場合、抵抗Ｒを適度に設定する観点から、小さい方の電極の面積を少なくとも０．０４μｍ２以下にする。
【０２４７】
図１５において磁気抵抗効果素子１０１の磁気抵抗効果膜１０の面積が一番小さいところは上電極２０と接触している部分なので、その幅をトラック幅Ｔｗとして考える。また、ハイト方向に関しては、図１６においてやはり上電極２０と接触している部分が一番小さいので、その幅をハイト長Ｄｈとして考える。スピンバルブ膜の実効面積Ａは、Ａ＝Ｔｗ×Ｄｈとして考える。
【０２４８】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１では、電極間の抵抗Ｒを１００Ω以下にすることができる。この抵抗Ｒは、例えばヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ、磁気ヘッドアセンブリ）の先端に装着した再生ヘッド部の２つの電極パッド間で測定される抵抗値である。
【０２４９】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１において、ピン層１４またはフリー層１８がｆｃｃ構造である場合には、ｆｃｃ（１１１）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４またはフリー層１８がｂｃｃ構造をもつ場合には、ｂｃｃ（１１０）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４またはフリー層１８がｈｃｐ構造をもつ場合には、ｈｃｐ（００１）配向またはｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【０２５０】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１の結晶配向性は、配向のばらつき角度で４．０度以内が好ましく、３．５度以内がより好ましく、３．０度以内がさらに好ましい。これは、Ｘ線回折のθ−２θ測定により得られるピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として求められる。また、素子断面からのナノディフラクションスポットでのスポットの分散角度として検知することができる。
【０２５１】
反強磁性膜の材料にも依存するが、一般的に反強磁性膜と、ピン層１４、スペーサ層１６ｓ及びフリー層１８と、では格子間隔が異なるため、それぞれの層においての配向のばらつき角度を別々に算出することが可能である。例えば、白金マンガン（ＰｔＭｎ）と、ピン層１４、スペーサ層１６ｓ及びフリー層１８と、では、格子間隔が異なることが多い。白金マンガン（ＰｔＭｎ）は比較的厚い膜であるため、結晶配向のばらつきを測定するのには適した材料である。ピン層１４、スペーサ層１６ｓ及びフリー層１８については、ピン層１４とフリー層１８とで結晶構造がｂｃｃ構造とｆｃｃ構造というように異なる場合もある。この場合、ピン層１４とフリー層１８とはそれぞれ別の結晶配向の分散角をもつことになる。
【０２５２】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施形態は磁気記録再生装置である。磁気記録再生装置には、本発明の実施形態に係る製造方法によって製造された磁気抵抗効果素子が搭載されている。すなわち、磁気記録再生装置は、本発明の実施形態に係る製造方法によって製造された磁気抵抗効果素子が搭載された磁気ヘッドを用いている。以下、磁気ヘッドに磁気抵抗効果素子１０１が搭載される例として説明する。
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
すなわち同図は、磁気抵抗効果素子が搭載される磁気ヘッドの構成を例示している。
【０２５３】
図１７に表したように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１が搭載される磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０に対向して設けられる。磁気記録媒体８０は、磁気記録層８１と、裏打ち層８２と、を有する。磁気記録層８１は、磁気ヘッド５に対向する。
【０２５４】
磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０に対向する書き込みヘッド部６０と、書き込みヘッド部６０と併設され、磁気記録媒体８０に対向する再生ヘッド部７０とを有する。
ただし、磁気ヘッド５には、再生ヘッド部７０が設けられれば良く、書き込みヘッド部６０は省略可能であり、書き込みヘッド部６０は必要に応じて設けられる。なお、以下では、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置として、磁気ヘッド５が書き込みヘッド部６０を有する場合であり、磁気記録再生装置が、書き込み動作と再生動作の両方を実施する場合として説明するが、磁気ヘッド５に書き込みヘッド部６０に設けられない、すなわち、磁気記録再生装置が再生専用の装置であっても良い。
【０２５５】
再生ヘッド部７０は、第１磁気シールド層７２ａと、第２磁気シールド層７２ｂと、第１磁気シールド層７２ａと第２磁気シールド層７２ｂとの間に設けられた磁気再生素子７１と、を有する。磁気再生素子７１として、本発明の実施形態に係る、例えば磁気抵抗効果素子１０１が用いられる。
【０２５６】
磁気再生素子７１は、磁気記録層８１の磁化の方向を読み取り、磁気記録媒体８０に記録された記録情報を読み取る。
【０２５７】
磁気記録層８１の磁気ヘッド５に対向する面に対して垂直な方向をＺ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。なお、後述するように、磁気記録媒体８０は、例えば円板状とすることができ、磁気記録媒体８０の円周に沿って、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５との相対的な位置が変化される。上記のＸ−Ｙ−Ｚ座標系は、磁気ヘッド５の近傍の短い距離の範囲において定義されることができる。
【０２５８】
例えば、磁気記録媒体８０は、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿って、磁気ヘッド５に対して相対的に移動する。磁気ヘッド５により、磁気記録媒体８０の磁気記録層８１の各位置の磁化が制御され、磁気記録が行われる。磁気記録媒体８０の媒体移動方向は、例えばＹ軸方向とされる。なお、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５との相対的な移動は、磁気ヘッド５の移動によって行われても良く、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とがＺ軸方向に対して垂直な方向に沿って相対的に移動すれば良い。
【０２５９】
磁気ヘッド５は、後述するヘッドスライダ３に搭載され、ヘッドスライダ３の機能により、磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０から離間して保持される。
なお、磁気抵抗効果素子１０１の周囲に図示しない磁気シールドを設け、磁気ヘッド５の検出分解能を規定することができる。
【０２６０】
図１８は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る磁気記録再生装置の一部であるヘッドスライダの構成を例示している。
図１８に表したように、磁気ヘッド５は、ヘッドスライダ３に搭載される。ヘッドスライダ３は、Ａｌ２Ｏ３及びＴｉＣなどを含み、磁気ディスクなどの磁気記録媒体８０の上を、浮上または接触しながら相対的に運動できるように設計され、製作される。
【０２６１】
ヘッドスライダ３は、例えば、空気流入側３Ａと空気流出側３Ｂとを有し、磁気ヘッド５は、空気流出側３Ｂの側面などに配置される。これにより、ヘッドスライダ３に搭載された磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０の上を浮上または接触しながら相対的に運動する。
【０２６２】
以下、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の全体の構成の例について、磁気記録再生装置２５０を例にして説明する。
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
すなわち、図２０（ａ）は、磁気記録再生装置２５０に含まれるヘッドスタックアセンブリ２６０を拡大して示しており、図２０（ｂ）は、ヘッドスタックアセンブリ２６０の一部である磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ）２５８を例示している。
【０２６３】
図１９に表したように、磁気記録再生装置２５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。記録用媒体ディスク２８０は、スピンドルモータ４に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印ＡＡの方向に回転する。なお、磁気記録再生装置２５０は、複数の記録用媒体ディスク２８０を有していても良い。
【０２６４】
記録用媒体ディスク２８０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ３は、薄膜状のサスペンション２５４の先端に取り付けられている。
【０２６５】
記録用媒体ディスク２８０が回転すると、サスペンション２５４による押し付け圧力とヘッドスライダ３の媒体対向面で発生する圧力とがつりあい、ヘッドスライダ３の媒体対向面は、記録用媒体ディスク２８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダ３が記録用媒体ディスク２８０と接触するいわゆる「接触走行型」としても良い。
【０２６６】
サスペンション２５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム２５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム２５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ２５６が設けられている。ボイスコイルモータ２５６は、アクチュエータアーム２５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路と、を含む。
【０２６７】
アクチュエータアーム２５５は、軸受部２５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ２５６により回転摺動が自在にできるようになっている。その結果、磁気ヘッド５を記録用媒体ディスク２８０の任意の位置に移動可能となる。
【０２６８】
図２０（ａ）に表したように、ヘッドスタックアセンブリ２６０は、軸受部２５７と、この軸受部２５７から延出したヘッドジンバルアセンブリ２５８と、軸受部２５７からヘッドジンバルアセンブリ２５８とは反対方向に延出していると共にボイスコイルモータのコイル２６２を支持した支持フレーム２６１を有している。
【０２６９】
また、図２０（ｂ）に表したように、ヘッドジンバルアセンブリ２５８は、軸受部２５７から延出したアクチュエータアーム２５５と、アクチュエータアーム２５５から延出したサスペンション２５４と、を有している。サスペンション２５４の先端には、ヘッドスライダ３が取り付けられている。
【０２７０】
なお、本具体例では、ヘッドジンバルアセンブリ２５８が２つ設けられる例であるが、ヘッドジンバルアセンブリ２５８の数は１つでも良い。
【０２７１】
このように、磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ）２５８は、磁気ヘッド５と、磁気ヘッド５が搭載されたヘッドスライダ３と、ヘッドスライダ３を一端に搭載するサスペンション２５４と、サスペンション２５４の他端に接続されたアクチュエータアーム２５５と、を有する。
【０２７２】
サスペンション２５４は、信号の書き込み及び読み取り用、浮上量調整のためのヒーター用などのリード線（図示しない）を有し、このリード線とヘッドスライダ３に組み込まれた磁気ヘッド５の各電極とが電気的に接続される。
【０２７３】
図１９に表したように、磁気ヘッド５を用いて磁気記録媒体８０への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部２９０が設けられる。信号処理部２９０は、例えば、図１９に例示した磁気記録再生装置２５０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部２９０の入出力線は、ヘッドジンバルアセンブリ２５８の電極パッドに接続され、磁気ヘッドと電気的に結合される。
【０２７４】
このように、本実施形態に係る磁気記録再生装置２５０は、磁気記録媒体８０及び磁気ヘッド５に加え、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とを相対的に移動させる可動部と、磁気ヘッド５を磁気記録媒体８０の所定記録位置に位置合わせする位置制御部と、磁気ヘッド５を用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部２９０と、さらに備えることができる。
【０２７５】
すなわち、上記の磁気記録媒体８０として、記録用媒体ディスク２８０が用いられる。上記の可動部は、ヘッドスライダ３を含むことができる。また、上記の位置制御部は、ヘッドジンバルアセンブリ２５８を含むことができる。
【０２７６】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置として、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリの例について説明する。すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ： magnetic random access memory）などの磁気メモリを実現できる。以下では、磁気抵抗効果素子として第１の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子１０１を用いる場合として説明するが、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１、１０１ａ、１０２及び１０３のいずれかを用いることができる。
【０２７７】
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図は、メモリセルがアレイ状に配置されたメモリセルを有する磁気記録再生装置３０１の回路構成を例示している。
【０２７８】
図２１に表したように、本実施形態に係る磁気記録再生装置３０１においては、アレイ中の１ビット（１つのメモリセル）を選択するために、列デコーダ３５０及び行デコーダ３５１が設けられている。そして、列デコーダ３５０に接続されたビット線３３４と、行デコーダ３５１に接続されたワード線３３２と、により、スイッチングトランジスタ３３０がオンになり、メモリセル（磁気抵抗効果素子１０１）が一意に選択される。そして、磁気抵抗効果素子１０１に流れる電流をセンスアンプ３５２で検出することにより、磁気抵抗効果素子１０１に含まれる磁気抵抗効果膜１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出す。
【０２７９】
一方、各メモリセルに情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２とに書き込み電流を流して発生する磁場を各メモリセルに印加する。
【０２８０】
図２２は、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置の別の構成を例示する模式図である。
図２２に表したように、本実施形態に係る別の磁気記録再生装置３０１ａにおいては、マトリクス状に配線されたビット線３７２とワード線３８４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１、３６２により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１０１とダイオードＤとが直列に接続された構成を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０１以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３７２と書き込みワード線３８３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０２８１】
図２３は、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置の要部を例示する模式的断面図である。
図２４は、図２３のＡ−Ａ’線断面図である。
すなわち、これらの図は、磁気記録再生装置３０１ａに含まれる１ビット分のメモリセルの構成を例示している。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０２８２】
図２３及び図２４に表したように、記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子１０１と、これに接続された一対の配線４２２及び配線４２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０１は、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法により製造される。
【０２８３】
一方、アドレス選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたスイッチングトランジスタ３３０が設けられている。このスイッチングトランジスタ３３０は、ゲート３７０に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子１０１と配線４３４との電流経路の開閉を制御する。
【０２８４】
また、磁気抵抗効果素子１０１の下方には、書き込み用の配線４２３が、配線４２２とほぼ直交する方向に設けられている。これらの配線４２２、４２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
上記の配線４２２がビット線３２２に対応し、配線４２３がワード線３２３に対応する。
【０２８５】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子１０１に書き込むときは、配線４２２、４２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０２８６】
また、ビット情報を読み出すときは、配線４２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０１と、配線４２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
【０２８７】
本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置３０１及び３０１ａは、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０２８８】
ここで、フリー層に挿入されたＣＣＰ構造を実現するための形成プロセスとして、前述のＰＩＴ及びＩＡＯ処理を行うことが好ましい。この場合には電流パスを形成する材料が磁性元素を多く含む（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちいずれかの元素を５０％以上含む）ので、下部金属層１５、上部金属層１７は特に必要にならず、中間層１６を形成する材料をそのまま使用することが可能となる。
【０２８９】
また、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置は、長手磁気記録方式及び垂直磁気記録方式に適用できる。さらに、本発明の磁気記録再生装置は、特定の磁気記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、磁気記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０２９０】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
【０２９１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する、第１磁性層、第２磁性層、中間層、絶縁層、導電部、構造体、第１非磁性層及び第２非磁性層等の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０２９２】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２９３】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２９４】
３…ヘッドスライダ、 ３Ａ…空気流入側、 ３Ｂ…空気流出側、 ４…スピンドルモータ、 ５…磁気ヘッド、 １０…磁気抵抗効果膜、 １１…下電極、 １２…下地層、 １３…ピニング層、 １４…ピン層（第１磁性層）、 １４ａ…第１フリー層（第１磁性層）、 １４ｓ…第１磁性層を含む層、 １６…中間層、 １６ａ…第１金属膜、 １６ｂ…第２金属膜、 １６ｐ…構造体、 １６ｓ…スペーサ層、 １７…上部金属層、 １８…フリー層（第２磁性層）、 １８ａ…第２フリー層（第２磁性層）、 １９…キャップ層、 ２０…上電極、 ４１…バイアス磁界印加膜、 ４２…絶縁膜、 ４３…保護層、 ５０…搬送チャンバ、 ５０ａ…製造装置、 ５１〜５５…第１〜第５チャンバ、 ６０…書き込みヘッド部、 ７０…再生ヘッド部、 ７１…磁気再生素子、 ７２ａ…第１磁気シールド層、 ７２ｂ…第２磁気シールド層、 ８０…磁気記録媒体、 ８１…磁気記録層、 ８２…裏打ち層、 ９１…Ａｒイオンビーム、 ９２…酸素イオンビーム、 ９５…Ａｒイオンビーム、 ９６…酸素イオンビーム、 １０１、１０１ａ、１０１ａ４、１０１ｃ、１０１ｄ、１０２、１０３、１０４、１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｂ４、１０９ｃ、１０９ｄ、１０９ｅ、１０９ｆ、１０９ｇ…磁気抵抗効果素子、 １４１…下部ピン層、 １４２…反平行磁気結合層、 １４３…上部ピン層、 １６１…絶縁層、 １６２…導電部、 ２５０…磁気記録再生装置、 ２５４…サスペンション、 ２５５…アクチュエータアーム、 ２５６…ボイスコイルモータ、 ２５７…軸受部、 ２５８…ヘッドジンバルアセンブリ（磁気ヘッドアセンブリ）、 ２６０…ヘッドスタックアセンブリ、 ２６１…支持フレーム、 ２６２…コイル、 ２８０…記録用媒体ディスク、 ２９０…信号処理部、 ３０１、３０１ａ…磁気記録再生装置、 ３１１…記憶素子部分、 ３１２…アドレス選択用トランジスタ部分、 ３２２、３３４、３７２…ビット線、 ３２３、３３２、３８３、３８４…ワード線、 ３２６…ビア、 ３２８…埋め込み配線、 ３３０…スイッチングトランジスタ、 ３５０…列デコーダ、 ３５１…行デコーダ、 ３５２…センスアンプ、 ３６０、３６１、３６２…デコーダ、 ３７０…ゲート、 ４２２、４２３、４２４、４３４…配線、 Ａ…実効面積、 ＡＡ…矢印、 ＡＢＳ…媒体対向面、 ＣＰ…電流パス、 ＣＵＲ…電流、 Ｄ…ダイオード、 Ｄｈ…ハイト長、 ＥＬＥ…伝導電子、 Ｐ１…電流パス内部、 Ｐ２…近傍部分、 Ｐ３…界面、 ＰＡＩＴ…パワー、 ＲＧ１、ＲＧ２…領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive Effect：ＧＭＲ）を応用したスピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）の磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などの磁気デバイスへの応用の拡大が期待されている。
【０００３】
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子として各種の構成が提案されているが、スピンバルブ膜の面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子が、高記録密度ヘッドに対応できる技術として注目されている。
【０００４】
特許文献１には、高いＭＲ変化率を実現するために、磁化固着層と、磁化自由層と、これらの間に設けられた絶縁層とこの絶縁層を貫通する電流パスを含むスペーサとを含む磁気抵抗効果素子の製造方法において、電流パスを形成する第１の金属層と、絶縁層に変換される第２の金属層を形成し、希ガスのイオンビームまたはＲＦプラズマの照射の前処理を行い、酸化ガスまたは窒化ガスを供給して第２の金属層を絶縁層に変換させるとともに電流パスを形成する方法が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２には、第２の金属層が絶縁層に変化された後の絶縁層に、イオン、または、プラズマを照射して各層間の密着性を向上させ、信頼性を向上する技術が開示されている。
【０００６】
ＭＲ変化率のさらなる向上には改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−５４２５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１６７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、強磁性体を含む第１磁性層と、強磁性体を含む第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する導電部とを含む中間層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記絶縁層と、前記絶縁層を貫通する前記導電部と、を含む構造体を形成する構造体形成工程と、前記構造体に、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う第１処理工程と、前記第１処理工程が施された前記構造体に対して、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う第２処理工程と、を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１１】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子を一端に搭載するサスペンションと、前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと、を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリが提供される。
【００１２】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気ヘッドアセンブリと、前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気抵抗効果素子を用いて情報が記録される磁気記録媒体と、を備えたことを特徴とする磁気記録再生装置が提供される。
【００１３】
本発明の別の一態様によれば、上記の磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配置したことを特徴とする磁気記録再生装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】磁気抵抗効果素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図２】磁気抵抗効果素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。
【図３】磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図４】磁気抵抗効果素子の動作を示す模式図である。
【図５】磁気抵抗効果素子の動作を示す模式図的断面図である。
【図６】磁気抵抗効果素子の別の製造方法を示すフローチャート図である。
【図７】磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示すフローチャート図である。
【図８】磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示す工程順模式的断面図である。
【図９】実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を示すグラフ図である。
【図１０】実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を示すグラフ図である。
【図１１】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に用いられる製造装置を示す模式図である。
【図１２】磁気抵抗効果素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１３】磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１４】磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１５】磁気抵抗効果素子を示す模式的断面図である。
【図１６】磁気抵抗効果素子を示す模式的断面図である。
【図１７】磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図１８】磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図１９】磁気記録再生装置を示す模式的斜視図である。
【図２０】磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図２１】磁気記録再生装置を示す模式図である。
【図２２】磁気記録再生装置を示す模式図である。
【図２３】磁気記録再生装置の要部を示す模式的断面図である。
【図２４】図２３のＡ−Ａ’線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。
【００１８】
まず、図３を用いて、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子１０１について説明する。なお、以下は、磁気抵抗効果素子の構成の一例であり、本実施形態に係る製造方法が適用される磁気抵抗効果素子は、種々の変形が可能である。
【００１９】
図３に表したように、磁気抵抗効果素子１０１は、強磁性体を含む第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と、強磁性体を含む第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた中間層１６と、を有する。中間層１６は、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む。
【００２０】
本具体例では、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか一方の磁化方向は実質的に固着されており、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか他方の磁化方向は、第１磁性層及び第２磁性層の前記いずれか他方に印加される外部磁界に対応して変化する。ここでは、第１磁性層が、磁化方向が実質的に固着されているピン層１４であり、第２磁性層が、印加される外部磁界に対応して変化するフリー層１８である。
【００２１】
具体的には、磁気抵抗効果素子１０１は、下電極１１と、上電極２０と、下電極１１と上電極２０との間に設けられた磁気抵抗効果膜１０と、を有している。磁気抵抗効果素子１０１は、例えば、図示しない基板上に設けられる。磁気抵抗効果素子１０１は、磁気抵抗効果膜１０の膜面の垂直方向にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子である。
【００２２】
磁気抵抗効果膜１０においては、例えば、下地層１２、ピニング層（反強磁性層）１３、ピン層１４、下部金属層１５、中間層１６（絶縁層１６１及び導電部１６２）、上部金属層１７、フリー層１８、及び、キャップ層（保護層）１９が、この順に積層される。すなわち、本具体例の磁気抵抗効果素子１０１は、ピン層１４がフリー層１８よりも下側に位置するボトムピン型の磁気抵抗効果素子である。なお、図３においては、見やすさのために、中間層１６は、その上下層（下部金属層１５及び上部金属層１７）から切り離した状態で表されている。
【００２３】
なお、ピン層１４は、下部ピン層１４１、反平行磁気結合層（磁気結合層）１４２及び上部ピン層１４３を有する。
【００２４】
磁気抵抗効果素子１０１は、第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層（本具体例では、下部金属層１５）と、第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層（本具体例では、上部金属層１７）と、をさらに有している。
【００２５】
ここで、第１磁性層と第２磁性層とは互いに入れ換えが可能であり、従って、第１磁性層と第２磁性層に連動して、第１非磁性層と第２非磁性層とは互いに入れ換えが可能である。
【００２６】
磁気抵抗効果素子１０１は、スピンバルブ膜を含む。スピンバルブ膜は、２つの強磁性層（本具体例では、ピン層１４及びフリー層１８）の間に非磁性のスペーサ層１６ｓが挟まれる構成を有する。本具体例では、スペーサ層１６ｓは、下部金属層１５、中間層１６及び上部金属層１７を含む。スピンバルブ膜は、ピン層１４、スペーサ層１６ｓ（下部金属層１５、中間層１６及び上部金属層１７）、及び、フリー層１８を含む。なお、スピンバルブ膜は、スピン依存散乱ユニットと呼ばれることがある。
【００２７】
スピンバルブ膜においては、２つの強磁性層の一方（例えばピン層１４）の磁化が反強磁性層などで固着され、他方（例えばフリー層１８）の磁化が外部磁界に応じて回転可能である。スピンバルブ膜では、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することで、巨大な磁気抵抗変化が得られる。なお、後述するように、２つの強磁性層の両方が外部磁界に応じて回転可能であっても良い。
【００２８】
そして、磁気抵抗効果素子１０１においては、スペーサ層１６ｓとして、厚み方向に沿って電流を通電する電流パスを含む中間層１６を用いている。すなわち、中間層１６においては、絶縁層１６１を導電部１６２が貫通しており、導電部１６２が、中間層１６の厚み方向に沿って電流を通電する電流パスとなる。この構成により、電流狭窄（ＣＣＰ：Current-confined-path）効果により、磁気抵抗効果素子１０１の素子抵抗及びＭＲ変化率の双方を増大できる。この構成を有する素子は、ＣＣＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＣＰＰ（Current-confined-path）素子と呼ばれることがある。
【００２９】
なお、中間層１６はＮＯＬ（nano-oxide layer）と呼ばれることがある。ただし、「ＮＯＬ」の名称は、便宜的なものであり、中間層１６における絶縁層１６１は、絶縁層１６１の厚み方向に沿って電流を通電する電流パス（導電部１６２）を含む絶縁層であれば良く、絶縁層１６１には、酸化物だけでなく、例えば、窒化物や酸窒化物などを含め任意の絶縁材料を適用することができる。
【００３０】
ピン層１４及びフリー層１８には、各種の磁性体材料を用いることができる。ピン層１４とフリー層１８に関しては後述する。
【００３１】
中間層１６において、絶縁層１６１には、例えば、主として金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物等が用いられる。例えば、絶縁層１６１には、Ａｌ２Ｏ３が用いられる。
【００３２】
導電部１６２は、絶縁層１６１の膜面垂直方向に電流を通過させる導電体として機能する。すなわち、中間層１６は、絶縁層１６１及び導電部１６２による電流狭窄構造（ＣＣＰ構造）を有し、電流狭窄効果によりＭＲ変化率が増大される。導電部１６２には、主として金属が用いられる。例えば、導電部１６２には、Ｃｕ等の金属が用いられる。
【００３３】
図１及び図２に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法には、中間層１６を形成する中間層形成工程（ステップＳ１０）を備える。中間層形成工程は、構造体形成工程（ステップＳ１１０）と、第１処理工程（ステップＳ１２０）と、第２処理工程（ステップＳ１３０）と、を有する。
【００３４】
図２（ａ）に表したように、構造体形成工程は、絶縁層１６１と絶縁層１６１を貫通する導電部１６２とを含む構造体１６ｐを形成する工程である。
【００３５】
図２（ｂ）に表したように、第１処理工程は、構造体１６ｐに、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う工程である。例えば、構造体１６ｐにＡｒイオンビーム９５を照射する。
【００３６】
図２（ｃ）に表したように、第２処理工程は、第１処理工程が施された構造体１６ｐに対しての、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビーム及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う工程を行うである。
【００３７】
上記の酸素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むイオンビームの照射を含む。上記の酸素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むプラズマの照射を含む。上記の窒素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むイオンビームの照射を含む。上記の窒素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むプラズマの照射を含む。
第２処理工程においては、例えば、第１処理が施された構造体１６ｐに、酸素ビーム９６を照射する。
【００３８】
すなわち、構造体形成工程により形成される構造体１６ｐは、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む構成を有しているが、構造体１６ｐは、中間層１６になる前の状態であり、構造体１６ｐに対して、第１処理工程及び第２処理工程を実施することで、構造体１６ｐは中間層１６に変化し、これにより、中間層１６の特性が向上し、結果として磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ変化率が向上する。
【００３９】
以下では、第１処理工程を「ＡＩＴ」（After Ion Treatment）ということにする。そして、第２処理工程が、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射及び酸素を含むプラズマの照射のいずれかである場合に関して、特に、「ＡＯ」（Additional Oxidation）ということにする。以下では、第２処理工程がＡＯである場合について説明する。
【００４０】
以下、構造体１６ｐにＡＩＴとＡＯを組み合わせて実施することでＭＲ変化率が向上する機構について説明する。以下では、説明を簡単にするために、絶縁層１６１が酸化物である場合の例として説明する。
【００４１】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の動作を例示する模式図である。
すなわち、同図は、磁気抵抗効果素子１０１の動作を例示する模式的断面図であり、スピンバルブ膜の部分を拡大して模式的に示している。
図４に表したように、ピン層１４とフリー層１８との間に電流ＣＵＲを流した時、中間層１６において、電流ＣＵＲは導電部１６２を流れる。すなわち、電流パスＣＰが導電部１６２に形成される。そして、電流ＣＵＲは、導電部１６２の電流パスＣＰに集中する。
【００４２】
すなわち、電流ＣＵＲが狭窄されて、伝導電子ＥＬＥが導電部１６２の電流パスＣＰ付近に集中する。導電部１６２は、電流密度が上昇する領域ＲＧ１となり、この領域ＲＧ１においては、電流密度が上昇することによりジュール熱が発生し、局所的に高温になる。
【００４３】
一方、絶縁層１６１のうちで電流パスＣＰに近接する部分は、伝導電子ＥＬＥが衝突する可能性が高い領域ＲＧ２となる。伝導電子ＥＬＥは、この領域ＲＧ２の絶縁層１６１にある確率で衝突し、絶縁層１６１にダメージを与える。そのため、絶縁層１６１が酸素などの軽元素を含む絶縁体である場合には、伝導電子ＥＬＥによる熱または衝突の運動エネルギーによって、領域ＲＧ２の絶縁層１６１には、欠陥・欠損が生じ易くなる。
【００４４】
さらに、絶縁層１６１の結晶性は、導電部１６２の金属の結晶性とは異なる。そのため、絶縁層１６１と導電部１６２との界面では、格子不整合や未結合手（ダングリングボンド）が存在し、この界面は、原子拡散や破壊などが極めて起こり易い不安定な状態にあると考えられる。
【００４５】
ＭＲ変化率には、電流パスＣＰとなる導電部１６２の内部、絶縁層１６１のうちの電流パスＣＰ（導電部１６２）の近傍部分、及び、絶縁層１６１と導電部１６２との間の界面の特性が、ＭＲ変化率に大きく関係すると考えられる。
【００４６】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の動作を例示する模式図的断面図である。
すなわち、同図は、伝導電子ＥＬＥが、電流狭窄部分である電流パスＣＰを通過する際に、ＭＲ変化率に影響を与えると考えられる部分を例示している。
【００４７】
図５に表したように、ＭＲ変化率に影響を与える部分は、電流パス内部Ｐ１と、絶縁層１６１のうちの電流パスＣＰ（導電部１６２）の近傍部分Ｐ２と、絶縁層１６１と導電部１６２との間の界面Ｐ３と、であると考えられる。この３つの部分の状態が、ＭＲ変化率に影響を与える。
【００４８】
本実施形態に係る製造方法では、構造体１６ｐにＡＩＴを行う。このＡＩＴにより、電流パス内部Ｐ１の状態を変化させる。具体的には、ＡＩＴにより、電流パス内部Ｐ１である導電部１６２に含まれる不純物の除去が行われる。
【００４９】
例えば、構造体１６ｐの形成時や構造体１６ｐを形成した後に行われる熱処理時に、電流パスＣＰとなる導電部１６２中に酸素が残留する。この酸素は、電流パス内部Ｐ１である導電部１６２に含まれる不純物となる。本実施形態に係る製造方法においては、このような構造体１６ｐに対して、ＡＩＴである希ガスのイオンまたはプラズマ処理を行う。これにより、残留する酸素に希ガスのイオンまたはプラズマを衝突させ、この衝突のエネルギー（ボンバードメント効果）を利用して、導電部１６２に残留する酸素を絶縁層１６１の側へ移動させ、導電部１６２と絶縁層１６１との分離を促進することできる。
【００５０】
すなわち、電流パス内部Ｐ１に含まれる酸素などの不純物を除去し、電流パス内部Ｐ１の純度を向上することで、ＭＲ変化率が向上する。
【００５１】
一方、構造体１６ｐに希ガスのイオンまたはプラズマ処理（ＡＩＴ）を施した場合、例えば、絶縁層１６１に希ガスのイオンまたはプラズマが衝突することで、絶縁層１６１において結合されている酸素が弾き飛ばされ、結果として絶縁層１６１に欠陥や欠損が生成される可能性がある。
【００５２】
このようなＡＩＴを行った場合における絶縁層の薄膜化や、酸素等の欠陥や欠損は、絶縁層１６１のうちの電流パスＣＰの近傍部分Ｐ２、及び、絶縁層１６１と導電部１６２との間の界面Ｐ３の特性を劣化させ、この結果、ＭＲ変化率を低下させてしまう。
すなわち、ＡＩＴを実施することで発生する可能がある悪影響のために、ＡＩＴだけでは、ＭＲ変化率が十分向上しない場合があり得る。
【００５３】
このとき、本実施形態に係る製造方法においては、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施することで、ＡＩＴで発生する可能性がある悪影響を除去し、ＡＩＴのみの実施のときよりも、ＭＲ変化率をさらに向上させる。
【００５４】
すなわち、ＡＩＴが実施された構造体１６ｐに、さらにＡＯを実施することで、絶縁層１６１における酸素欠損状態を補修し、絶縁層１６１に、より密に酸素を含有させることができ、よりＭＲ変化率が高い中間層１６を得ることができる。
【００５５】
ＡＩＴの後にＡＯを行うことにより、ＡＩＴの実施における絶縁層１６１と導電部１６２の分離の促進と同時に発生する可能性がある絶縁層１６１の絶縁破壊や酸素欠損による悪影響を抑制し、ＡＩＴのみの場合に比べて、より大きなＭＲ変化率を得ることができる。
【００５６】
このように、構造体１６ｐの形成の後に、構造体１６ｐに第１処理（ＡＩＴ）と第２処理（例えばＡＯ）と組み合わせて実施することでＭＲ変化率が上昇することを見出し、本発明は、この新たな知見に基づいてなされた。
【００５７】
なお、構造体１６ｐを形成するために、例えば後述するようなイオンビーム照射やプラズマ照射の処理が行われることがあるが、この時の処理条件は、構造体１６ｐよりも下側の層（本具体例ではピン層１４）の変質（例えば酸化）の影響により例えばＭＲ変化率が低下しないような条件に設定される。
【００５８】
例えば、構造体１６ｐの形成においては、構造体１６ｐのうちの絶縁層１６１の絶縁性が高くなるように、絶縁層１６１中の酸素濃度が高い条件が望まれるが、構造体１６ｐの形成工程においては、他の層への悪影響（例えばピン層１４の酸化によるＭＲ変化率の低下）を考慮するため、結果として絶縁層１６１中の酸素濃度を十分高めることができない条件が採用されることがある。
【００５９】
これに対し、本実施形態に係る製造方法においては、構造体１６ｐを形成した後に、構造体１６ｐにイオンビーム照射やプラズマ照射（例えばＡＩＴ）を行うことによって、導電部１６２と絶縁層１６１の分離を促進し、絶縁層１６１中の酸素濃度を高め、そして、ＡＩＴで生じ得る構造体１６ｐの絶縁性の低下をＡＯを行うことで抑制し、結果として従来にない高いＭＲ変化率を実現する。
【００６０】
すなわち、本実施形態に係る製造方法においてＭＲ変化率が向上するのは、構造体１６ｐへの第１処理（ＡＩＴ）の実施により、構造体１６ｐ中の導電部１６２及び絶縁層１６１の分離がより促進されることによりＭＲ変化率が向上し、それと共に、第１処理の際に生じる悪影響（例えば絶縁層１６１の劣化による絶縁性の低下）を改善することで、ＭＲ変化率が向上したものと考えられる。
【００６１】
このように、本実施形態に係る製造方法により、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子を製造できる。
今後の磁気記憶装置の使用用途のさらなる拡大と、さらなる高密度記憶化に伴い、磁気記録媒体からの磁気信号が低減し、現状よりも高いＭＲ変化率の実現が要求されるが、本実施形態に係る製造方法によれば、この要求に応える磁気抵抗効果素子が提供できるようになる。特に、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子は、従来のＴＭＲ素子に比べて抵抗が低いため、より高転送レートが要求されるサーバー・エンタープライズ用途のハイエンドの磁気記憶装置に適用可能であり、このようなハイエンドの用途において特に要求される高ＭＲ変化率が実現できる。
【００６２】
なお、後述するように、構造体１６ｐの形成の際にも酸化処理を行うことがあるが、ＡＩＴの後にＡＩＴと組みとして実施されるＡＯは、構造体１６ｐの形成の際に行われる酸化処理よりも酸化力が小さい処理とされる。
【００６３】
すなわち、強い酸化力のＡＯを実施した場合には、ＡＩＴよりも前に実施される構造体１６ｐの形成工程で絶縁層１６１と導電部１６２とを分離させた電流パスＣＰ中の酸素不純物を再生成してしまう可能性がある。このため、ＡＩＴの後のＡＯは、構造体１６ｐの形成の際行われる酸化処理よりも酸化力が小さい処理とする。
【００６４】
例えば、ＡＯの処理条件としては、構造体１６ｐを形成する際に用いられる酸化処理におけるイオンビームのエネルギーよりも少ない加速電圧が用いられる。また、ＡＯにおいては、イオン化しないＯ２ガスをチャンバ中に導入する自然酸素フローなどが用いられる。
【００６５】
また、過度な不純物生成や、ピン層１４などの磁性層の酸化を抑制するために、ＡＯの処理時間は短いことが好ましい。すなわち、ＡＩＴ後の構造体１６ｐに必要以上の酸素を導入すると、逆にＭＲ変化率が低下する。
【００６６】
例えば、ＡＯにおいて、イオンソースではイオン化させるためのＲＦパワーを供給するが、加速のための印加電圧を用いないで酸素に曝露する条件を用いる。また、ＡＯにおいて、構造体１６ｐの表面へのイオンビームの入射角（ここでは、被処理物の被処理面に対して平行に入射する場合を０度とし、被処理面に垂直に入射する場合を９０度とする）を０度に近い角度（例えば０度よりも大きく１５度以下）などの浅い角度にする。これにより、ＡＯの酸化力を弱めることができる。イオンビームの照射時間は５秒以上６０秒程度以下が好ましい。これにより、ＡＯの酸化力を弱めることができる。
【００６７】
また、ＡＯとして、自然酸素フローを用いることも、ピン層１４の過剰な酸化を抑制するためには、有効である。自然酸素フローを用いる場合の処理時間は、例えば１０秒以上６００秒程度以下が好ましい。なお、６００秒以上でも、ＡＯの効果は期待できるが、生産性の観点から６００秒以下がより好ましい。
【００６８】
上記では、第２処理工程が、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射であるＡＯである場合として説明したが、第２処理工程は、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むのイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射、及び、窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う工程とすることができ、第２処理工程において窒素や酸素窒素混合ガスを用いた場合に、上記と同様の効果が得られる。
【００６９】
なお、ＡＩＴとして、例えば、ＡｒイオンビームやＡｒのＲＦプラズマを構造体１６ｐに照射する場合、構造体１６ｐにＡｒが打ち込まれる。このため、ＡＩＴ後の構造体１６ｐ（中間層１６）は、他の層（例えば図１に例示した種々の層）よりもＡｒを多く含有する可能性が高い。例えば、Ａｒを用いたＡＩＴを実施した中間層１６は、他の層と比べて２倍以上多くのＡｒを含有する場合がある。中間層１６と他の層とにおけるＡｒ含有量の差異は、例えば、断面透過型電子顕微鏡写真と併用した組成分析や、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrum）によって膜表面からミリングを行いながら膜組成を分析するデプスプロファイルや三次元アトムプローブ顕微鏡などによる分析によって知ることができる。
【００７０】
なお、ＡＩＴにおいて、Ａｒに換えて他の元素のガスのイオンやプラズマを用いた場合においても、中間層１６と他の層とにおける、用いた元素の含有量に差異が生じる可能性が高く、この差異は、上記と同様の分析手法によって知ることができる。
【００７１】
ＡＩＴにおいては、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）及びクリプトン（Ｋｒ）よりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマが用いられるが、製造コストの点からＡｒを用いることが望ましい。なお、Ａｒの代わりに、必要に応じて、より質量の大きいＸｅなどを用いると、特有の効果が得られることがある。
【００７２】
ＡＩＴにおいては、希ガス（上記の群）の、例えばイオンビーム照射を行う。
イオンビーム照射においては、イオンガン等を用いて被処理物（構造体１６ｐ、または構造体１６ｐ及び上部金属層１７）にイオンビームが照射される。
【００７３】
イオンビーム照射においては、イオンガン中でガスがイオン化され、電圧（加速電圧）で加速されることで、イオンガンからイオンビームが出射される。このイオン化に、ＩＣＰ（inductive charge coupled）プラズマなどが用いられる。この場合、プラズマ量は、ＲＦパワーなどによって制御され、被処理物への照射イオン量は、ビーム電流量によって制御される。また、イオンビーム照射のエネルギーは、加速電圧値によって制御される。
【００７４】
ＡＩＴにおけるイオンビーム照射の条件は、例えば、加速電圧を＋３０Ｖ（ボルト）〜＋１５０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ〜２００ｍＡ（ミリアンペア）、ＲＦパワーを１０Ｗ（ワット）〜３００Ｗに設定することが好ましい。ＲＦパワーは、ビーム電流Ｉｂを一定に保つために、イオンソースでプラズマを励起する電力である。なお、これらの条件は、例えばイオンビームエッチングを行う場合の条件と比較して、著しく弱い。
【００７５】
なお、上記のイオンビーム照射においては、エッチング量は、例えば０．５ｎｍ以下と極微量であり、素子の形状を形成するためのエッチングとはエッチング量が大きく異なる。ＡＩＴにおけるイオンビーム照射においてはエッチング量が少量であるため、イオンビーム照射によって極微量減少した構造体１６の膜厚（０．５ｎｍ以下）は、適宜に補正することができる。例えば、構造体１６ｐの形成の際に、その厚さを、エッチング量を考慮して、厚めに成膜することで補正できる。また、例えば、ＡＩＴの実施よりも後に行われる成膜によって補うこともできる。
【００７６】
なお、上記よりも強い条件のイオンビームによって、被処理が過度にエッチングされると、特性に悪影響がある場合がある。ＡＩＴでの過度なエッチングは、構造体１６の消失を招くおそれがある。
【００７７】
イオンビーム照射における入射角度を、被処理物の被処理面に対して平行に入射する場合を０度とし、被処理面に垂直に入射する場合を９０度としたとき、ＡＩＴにおけるイオンビーム照射の入射角度は、０度〜９０度の範囲で適宜変更する。
【００７８】
ＡＩＴによるイオンビーム照射の処理時間は、１５秒〜３００秒程度が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長過ぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が低下することがある。これらの観点から、イオンビーム照射の処理時間は３０秒〜１８０秒程度がさらに好ましい。
【００７９】
ＡＩＴにおいては、希ガス（上記の群）を用いたプラズマ処理を行うこともできる。ここで、プラズマ処理を行うことを、「プラズマ照射」という。
【００８０】
プラズマ照射においては、プラズマガン等を用いて被処理物にプラズマを照射させる。例えば、ＲＦパワーによって希ガスがプラズマ化され、そのプラズマが被処理物の被処理面に照射される。プラズマ照射における電流及びエネルギーは、ＲＦパワーの値によって制御される。すなわち、プラズマ照射の強度は、ＲＦパワーの値によって決定される。ここで、プラズマ照射においてはＲＦパワーによって加速電圧及びビーム電流が決定され、イオンビーム照射のように電流とエネルギーとを独立に制御することは困難である。
【００８１】
プラズマ照射におけるエネルギー及び時間等は、イオンビーム照射の場合と同等とすることができ、例えば、加速電圧は＋３０Ｖ〜＋１５０Ｖ、ビーム電流Ｉｂは２０ｍＡ〜２００ｍＡ、ＲＦパワー（ビーム電流を一定に保つためにイオンソースでプラズマを励起するためのＲＦパワー）は１０Ｗ〜３００Ｗに設定することが望ましい。プラズマ照射においてエッチングが実質的に生じないために、ＲＦパワーとして、１０Ｗ〜１００Ｗがより好ましい。ＲＦパワーとして、１０Ｗ〜５０Ｗを用いることが制御性の向上のために、さらに好ましい。
【００８２】
プラズマ照射の処理時間は、１５秒〜３００秒程度が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長過ぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が低下することがある。これらの観点から、プラズマ照射の処理時間は、３０秒〜１８０秒程度がさらに好ましい。
【００８３】
プラズマ照射を用いる場合は、装置のメンテナンス性が優れるため装置の生産性を高くすることができる。一方、イオンビーム照射を用いる場合は、加速電圧、ＲＦパワー及び電流のそれぞれを独立して制御できるため、処理の制御性が高い。これらの特徴を勘案して、適切な方法を採用できる。
【００８４】
一方、第２処理においては酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかが用いられる。このうち、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射に関しては、上記のＡＩＴにおける希ガスのイオンビーム照射及びプラズマ照射における希ガスを、酸素または窒素に置き換えたものとすることができるので説明を省略する。
【００８５】
また、第２処理として、ＡＯの１つである、酸素を含むイオンビーム処理を用いる場合には、酸素の流量を大きくして、時間処理を短くすることが、エッチングを抑制するために好ましい場合が多い。例えば、酸素の流量は５ｓｃｃｍ以上、１０ｓｃｃｍ以下で、処理時間は５秒以上、６０秒以下程度が好ましい。これにより、第２処理によるエッチングを抑制できる。
【００８６】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
図６（ａ）に表したように、本実施形態に係る製造方法の１つの例においては、まず、第１非磁性層（例えば下部金属層１５）を形成する（ステップＳ２１０）。その後、中間層形成工程（Ｓ１０、すなわち、ステップＳ１１０、Ｓ１２０及びＳ１３０）を実施し、その後、第２非磁性層（例えば上部金属層１７、すなわち非磁性層）を形成する。これにより、スペーサ層１６ｓが形成される。
【００８７】
このように、本実施形態に係る製造方法において、中間層形成工程（ステップＳ１０）は、第１磁性層と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層を形成する工程（ステップＳ２１０）と、第２磁性層と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）と、の間に実施されることができる。すなわち、本実施形態に係る製造方法は、第２処理工程の後に構造体１６の上に非磁性層を形成する工程をさらに備える。
【００８８】
すなわち、本具体例では、構造体形成工程（ステップＳ１１０）においては、第１磁性層の上に構造体１６ｐが形成される。そして、本製造方法は、第２処理工程が施された構造体１６ｐの上に、第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）をさらに備える。
【００８９】
また、図６（ｂ）に表したように、本実施形態に係る製造方法の別の例においては、まず、第１非磁性層（例えば下部金属層１５）を形成し（ステップＳ２１０）、構造体形成工程（ステップＳ１１０）を実施し、第２非磁性層（例えば上部金属層１７）を形成する。そして、第１処理工程（ステップＳ１２０）と第２処理工程（ステップＳ１３０）をと行う。これにより、スペーサ層１６ｓが形成される。この方法においては、構造体１６ｐを形成した後に第２非磁性層（例えば上部金属層１７）を形成し、第２非磁性層（例えば上部金属層１７）を介して、構造体１６ｐに第１処理工程と第２処理工程とを施す。
【００９０】
すなわち、本具体例では、構造体形成工程（ステップＳ１１０）においては、第１磁性層の上に構造体１６ｐが形成される。そして、本具体例では、構造体１６ｐの上に第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）をさらに備え、第２非磁性層を形成する工程の後に、第１処理工程（ステップＳ１２０）が実施される。なお、その後、さらに、第２処理工程（ステップＳ１３０）が実施される。すなわち、本実施形態に係る製造方法は、第１処理工程の前に前記構造体の上に非磁性層を形成する工程をさらに備える。
【００９１】
なお、既に説明したように、第１非磁性層と第２非磁性層とは互いに入れ換えが可能である。従って、本実施形態に係る別の製造方法においては、第１磁性層と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層を形成する工程（ステップＳ２１０）、及び、第２磁性層と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）のいずれかが実施される。
【００９２】
以下では、構造体１６ｐを形成する構造体形成工程（ステップＳ１１０）の一例について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を例示するフローチャート図である。
図８は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を例示する工程順模式的断面図である。
すなわち、これらの図は、構造体形成工程の一例を示している。
【００９３】
図７に表したように、構造体形成工程（ステップＳ１１０）は、導電部１６２となる第１金属膜１６ａと、絶縁層１６１に変換される第２金属膜１６ｂと、を成膜する成膜工程（ステップＳ１０１）と、第２金属膜１６ｂを絶縁層１６１に変換して構造体１６ｐを形成する変換工程（ステップＳ１０２）と、を含む。
【００９４】
すなわち、図８（ａ）に表したように、例えば、第１磁性層を含む層１４ｓの上に、導電部１６２となる第１金属膜１６ａと、絶縁層１６１となる第２金属膜１６ｂと、を積層して成膜する。第１金属膜１６ａは、例えばＣｕである。また、第２金属膜１６ｂはＡｌである。第２金属膜１６ｂはＡｌＣｕでも良い。
【００９５】
そして、例えば、図８（ｂ）に表したように、まず、Ａｒイオンビーム９１によるＰＩＴ（Pre Ion Treatment）を行う。
ＰＩＴにより、下側の第１金属膜１６ａの一部が、第２金属膜１６ｂの側に向けて吸い上げられる。そして、第１金属膜１６ａの一部が、第２金属膜１６ｂを貫通して、導電部１６２を形成する。
【００９６】
その後、図８（ｃ）に表したように、酸素イオンビーム９２によるＩＡＯ（Ion Assisted Oxidation）を行う。
酸素ガス（この場合は酸素イオンビーム９２）によるＩＡＯによって、第１金属膜１６ａ及び第２金属膜１６ｂに対して酸化性の処理が施される。
【００９７】
なお、酸素イオンビーム９２を用いた処理には、希ガスイオンを照射しながら、酸素ガスを導入する酸化処理も含まれる。
【００９８】
この時、第１金属膜１６ａ及び第２金属膜１６ｂに用いる材料の選択により、選択的な酸化が行われる。すなわち、導電部１６２となる第１金属膜１６ａには酸化生成エネルギーの高い材料を用い、絶縁層１６１となる第２金属膜１６ｂには酸化生成エネルギーの低い材料を用いる。つまり、導電部１６２は絶縁層１６１に比べて、酸化されにくく還元され易い材料が用いられる。
【００９９】
本具体例では、Ａｌである第２金属膜１６ｂが酸化され、Ａｌ２Ｏ３となり、絶縁層１６１が形成される。そして、Ｃｕである第１金属膜１６ａは比較的酸化され難く、その多くは金属のままであり、酸化されていない（酸化の程度が低い）第１金属膜１６ａが導電部１６２となる。
【０１００】
これにより、構造体１６ｐが形成できる。ただし、発明はこれに限らず、構造体形成工程は、絶縁層１６１と絶縁層１６１を貫通する導電部１６２とを含む構造体１６ｐを形成する工程であれば任意である。例えば、セルフアセンブルに構造体１６ｐを形成できるＡｌ２Ｏ３絶縁体−金属グラニュラー膜を用いても良いし、また、ＡｌＣｕ合金層を堆積し、その後プラズマ酸化のみを用いるという方法も採用できる。
【０１０１】
第１金属膜１６ａは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇよりなる群から選択された少なくとも１つを含むことができる。
また、第２金属膜１６ｂは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｃｒ及びＺｒよりなる群から選択される少なくとも１つを含むことができる。
【０１０２】
これにより、第１金属膜１６ａ及び第２金属膜１６ｂに用いる材料の性質に基づいて、選択的な酸化が行われる。すなわち、導電部１６２となる第１金属膜１６ａには酸化生成エネルギーの高い材料が用いられ、絶縁層１６１となる第２金属膜１６ｂには酸化生成エネルギーの低い材料が用いられる。すなわち、導電部１６２は絶縁層１６１に比べて、酸化されにくく還元され易い材料が用いられる。これにより、構造体１６ｐがより形成し易くなる。
【０１０３】
また、上記のように、変換工程（ステップＳ１０２）は、第２金属膜に、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、及びＫｒからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程（例えば上記のＰＩＴ）、及び、第２金属膜に、Ｏ（酸素）及びＮ（窒素）の少なくともいずれかを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程（例えば上記のＩＡＯ）の少なくともいずれかを含むことができる。
【０１０４】
以下、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の実施例について説明する。
（第１実施例）
第１実施例の磁気抵抗効果素子における磁気抵抗効果膜１０の構成は以下である。
以下において、各層の厚さはナノメートル（ｎｍ）で表され、合金の組成は、原子パーセント（atomic％）で表される。また、例えば、「Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］」の表記は、厚さが５ｎｍのＴａの上に、厚さが２ｎｍのＲｕが設けられている構成を示す。
【０１０５】
・下電極１１
・下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
・ピン層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５［４．３５ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］／Ｃｕ［０．２５ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１．８ｎｍ］
・下部金属層１５：Ｃｕ［０．６ｎｍ］
・中間層１６：Ａｌ２Ｏ３の絶縁層１６１及びＣｕの導電部１６２（ＡｌＣｕ［１ｎｍ］）
・上部金属層１７：Ｃｕ［０．２５ｎｍ］
・フリー層１８：Ｃｏ６０Ｆｅ４０［２ｎｍ］／Ｎｉ９５Ｆｅ５［３．５ｎｍ］
・キャップ層１９：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
・上電極２０。
【０１０６】
上記において、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を順次形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成した。その後、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴ及びＡＯを実施し、中間層１６を形成した。その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第１実施例の磁気抵抗効果素子１０１ａが形成された。なお、この製造方法は、図６（ａ）に例示した方法を採用している。
【０１０７】
第１実施例においては、ＡＩＴにおいては、Ａｒプラズマが用いられ、ＡＩＴ処理の際のＲＦパワーＰＡＩＴが２０ワット（Ｗ）であり、処理時間は１２０秒である。また、ＡＯにおいては、酸素を含むガスへの曝露（自然酸素フローによる酸素曝露）が用いられ、このときの酸素ガスの流量が１０ｓｃｃｍであり、処理時間は３００秒である。
【０１０８】
また、ＰＩＴには、Ａｒイオンビームが用いられた。また、ＩＡＯには、Ａｒイオンビームを用いた酸素処理を用いた。
【０１０９】
（第１比較例）
第１比較例の磁気抵抗効果素子１０９ａにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、第１比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴ及びＡＯのいずれも行わない。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を順次形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成し、その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第１比較例の磁気抵抗効果素子１０９ａが形成された。
【０１１０】
（第２比較例）
第２比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｂにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、第２比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴのみを行い、ＡＯを実施しない。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、その後、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴを実施し、中間層１６を形成した。その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第２比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｂが形成された。第２比較例におけるＡＩＴの条件は、第１実施例と同じである。
【０１１１】
（第３比較例）
第３比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｃにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、第３比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＯのみを行い、ＡＩＴを実施しない。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５を形成した後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成し、その後、構造体１６ｐに対して、ＡＯを実施し、その後、上部金属層１７、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第３比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｃが形成された。第３比較例におけるＡＯの条件は、第１実施例と同じである。
【０１１２】
図９は、本発明の実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を例示するグラフ図である。
同図において、横軸は、ＡＩＴにおけるＲＦパワーＰＡＩＴであり、縦軸はＭＲ変化率（ＭＲ）である。また、三角印は、ＡＯを行わない条件であり、丸印は、ＡＯを行う条件である。ＲＦパワーＰＡＩＴが０である条件は、ＡＩＴを実施しないことに相当する。
【０１１３】
図９に表したように、第１比較例の磁気抵抗効果素子１０９ａ（ＡＩＴが実施されず、すなわち、ＲＦパワーＰＡＩＴが０であり、ＡＯも実施されない）においては、ＭＲ比（ＭＲ）は１２．１％であった。なお、この時の素子抵抗ＲＡは、７００ｍΩ・μｍ２であった。
【０１１４】
また、ＡＩＴのみを実施した第２比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｂにおいては、ＭＲ変化率（ＭＲ）は１３．７％であった。第２比較例においては、ＭＲ変化率は第１比較例よりも向上するが、その向上の程度（ＭＲ変化率の差）は、１．６％であり、向上の程度が小さい。なお、磁気抵抗効果素子１０９ｂにおける素子抵抗ＲＡは、４００ｍΩ・μｍ２であった。
【０１１５】
また、ＡＯのみを実施した第３比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｃにおいては、ＭＲ変化率（ＭＲ）は１２．８％であった。第３比較例においても、ＭＲ変化率は第１比較例よりも向上するが、その向上の程度（ＭＲ変化率の差）は、０．７％であり、向上の程度はやはり小さい。なお、磁気抵抗効果素子１０９ｃにおける素子抵抗ＲＡは、７００ｍΩ・μｍ２であった。
【０１１６】
これに対し、ＲＦパワーＰＡＩＴが２０ＷのＡＩＴと、ＡＯと、が実施された第１実施例の磁気抵抗効果素子１０１ａにおいては、ＭＲ比（ＭＲ）は、１６．３％であった。そして、磁気抵抗効果素子１０１ａの素子抵抗ＲＡは５００ｍΩ・μｍ２である。
【０１１７】
第１〜第３比較例と第１実施例とを比較すると、第１実施例においては、第１〜第３比較例のいずれの場合よりもＭＲ変化率が大きく向上している。
【０１１８】
そして、第１比較例に対する第１実施例のＭＲ変化率の向上の程度（ＭＲ変化率の差）は、４．２％である。すなわち、第１実施例においては、第２比較例及び第３比較例よりもＭＲ変化率が大きく向上する。すなわち、ＡＩＴのみを実施する第２比較例におけるＭＲ変化率の向上の程度は１．６％であり、ＡＯのみを実施する第３比較例におけるＭＲ変化率の向上の程度は０．７％であり、これらを合計してもＭＲ変化率の向上の程度は、２．３％にしかならない。
【０１１９】
これに対し、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施した第１実施例においては、ＭＲ変化率の向上の程度が４．３％であり、第２比較例と第３比較例とを合計した時の２．３％の約２倍、ＭＲ変化率が向上されている。
【０１２０】
すなわち、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて適用する本実施形態に係る製造方法により、第２比較例及び第３比較例のようにＡＩＴのみの実施及びＡＯのみの実施で得られる効果から予想し得ないほどの高いＭＲ変化率が得られる。
【０１２１】
このことは、発明者らの今回の実験において初めて見出された現象であり、この新しく得られた知見に基づいて、本実施形態に係る製造方法は生み出された。
【０１２２】
なお、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施した場合において、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである磁気抵抗効果素子１０１ａ４においては、ＭＲ変化率が低下し、約５％となっている。そして、ＡＯを実施せずＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである磁気抵抗効果素子１０９ｂ４においては、ＭＲ変化率は零になっている。このように、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが大き過ぎるとＭＲ変化率は低下する。これは、大き過ぎるＲＦパワーＰＡＩＴのＡＩＴにより、構造体１６ｐの絶縁層１６１の絶縁性が劣化したことが原因と考えられる。なお、このように、ＲＦパワーＰＡＩＴが大き過ぎる場合においても、ＡＩＴの後にＡＯを実施することでＭＲ変化率が高くなることから、強過ぎるＡＩＴによって劣化した絶縁層１６１が、ＡＩＴの後にＡＯを実施することで回復したことが原因と考えられ、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施したときにおける上記の効果が裏付けられる。
【０１２３】
本具体例においては、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは例えば２０Ｗに設定される。このように、本実施形態に係る製造方法において、用いるＡＩＴの条件は、ＡＯ処理との組み合わせで適正に設定され、それにより、最も高いＭＲ変化率が得られる。
【０１２４】
（第２実施例）
第２実施例の磁気抵抗効果素子における磁気抵抗効果膜１０の構成は第１実施例の磁気抵抗効果素子１０１ａと同様である。ただし、第２実施例の場合には、図６（ｂ）に例示した方法が採用される。すなわち、下電極１１、下地層１２、ピニング層１３、ピン層１４、下部金属層１５の順次形成の後、構造体１６ｐとして、Ｃｕを成膜した後、Ａｌを成膜し、この後、ＰＩＴとＩＡＯを実施し、構造体１６ｐを形成し、その後、上部金属層１７を形成し、その後、上部金属層１７を介して、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴ及びＡＯを実施し、中間層１６を形成し、その後、フリー層１８、キャップ層１９及び上電極２０を順次形成し、第２実施例の磁気抵抗効果素子が形成される。
【０１２５】
このように、構造体１６ｐの形成後、上部金属層１７を介して、構造体１６ｐに対して、ＡＩＴ及びＡＯを実施し、中間層１６を形成する方法でも、第１実施例と同等の高いＭＲ変化率が得られる。
【０１２６】
第１実施例及び第１〜第３比較例では、構造体１６ｐを形成する際のＩＡＯとして、Ａｒイオンビームを用いた酸素処理を実施したが、ＩＡＯとして、Ｘｅイオンビームを用いた酸素処理を行った結果について、以下説明する。
【０１２７】
（第３実施例）
第３実施例の磁気抵抗効果素子１０１ｃにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第１実施例と同じであるが、構造体１６ｐを形成する際に用いたＩＡＯとして、Ｘｅイオンビームを用いた酸素処理を用い、ＡＩＴ処理の際のＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである。これ以外は、第１実施例と同じである。
【０１２８】
（第４比較例）
第４比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｄにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第４比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴ及びＡＯのいずれも行わない。
【０１２９】
（第５比較例）
第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第４比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴのみを行い、ＡＯを実施しない。そして、第５比較例におけるＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは、２０Ｗである。
【０１３０】
（第６比較例）
第６比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｆにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第６比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＩＴのみを行い、ＡＯを実施しない。そして、第６比較例におけるＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは、第３実施例と同じ４０Ｗである。
【０１３１】
（第７比較例）
第７比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｇにおける磁気抵抗効果膜１０の構成は、第３実施例と同じであるが、第７比較例では、構造体１６ｐを形成した後に、ＡＯのみを行い、ＡＩＴを実施しない。第７比較例におけるＡＯの条件は、第３実施例と同じである。
【０１３２】
なお、この他、第３実施例と同じように、ＡＩＴとＡＯを実施するが、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが２０Ｗである磁気抵抗効果素子１０１ｄも作製された。
【０１３３】
図１０は、本発明の実施例と比較例に係る磁気抵抗効果素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、第３実施例の磁気抵抗効果素子１０１ｃと、第４〜第７比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｄ、１０９ｅ、１０９ｆ及び１０９ｇと、磁気抵抗効果素子１０１ｄの特性を例示している。
【０１３４】
同図において、横軸は、ＡＩＴにおけるＲＦパワーＰＡＩＴであり、縦軸はＭＲ変化率（ＭＲ）である。また、逆三角印は、ＡＯを行わない条件であり、四角印は、ＡＯを行う条件である。ＲＦパワーＰＡＩＴが０である条件は、ＡＩＴを実施しないことに相当する。
【０１３５】
図１０に表したように、構造体１６ｐを形成した後にＡＩＴもＡＯも実施しない第４比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｄのＭＲ変化率は、約１２％と低い。
また、ＡＯを実施せず、ＡＩＴを実施し、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが２０Ｗである第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅのＭＲ変化率は、約１６％であり、比較的高い。
また、ＡＯを実施せず、ＡＩＴを実施し、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである第６比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｆのＭＲ変化率は、約９％であり、磁気抵抗効果素子１０９ｅよりも大きく低下し、非常に低い。
また、ＡＩＴを実施せず、ＡＯを実施した第７比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｇのＭＲ変化率は、約７．５％であり、非常に低い。
【０１３６】
これに対し、ＡＩＴとＡＯを組み合わせて実施し、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴが４０Ｗである第３実施例の磁気抵抗効果素子１０１ｃのＭＲ変化率は、約１７．５％であり第４〜第７比較例のいずれよりも高い。このように、本実施形態に係る製造方法によれば、ＭＲ変化率を向上した磁気抵抗効果素子を製造できる。
【０１３７】
なお、ＲＦパワーＰＡＩＴが４０ＷのＡＩＴを実施し、ＡＯを実施しない第６比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｆのＭＲ変化率が著しく低いのに対し、第３実施例においては、同じ条件のＡＩＴを用いながらＡＯを実施することで、高いＭＲ変化率を実現している。このことから、ＡＩＴで劣化した絶縁層１６１の絶縁性の劣化が、ＡＯによって回復し、これによりＭＲ変化率が向上したものと考えられる。
【０１３８】
ＡＯを実施せずに、ＲＦパワーＰＡＩＴが小さい（２０Ｗ）ＡＩＴを行った第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅにおいて比較的高いＭＲ変化率（約１６％）が得られており、このようにＡＩＴのみを行った場合に、ＲＦパワーを制御することによって比較的高いＭＲ変化率が得られるが、第３実施例のように、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施することにより、第５比較例よりも高いさらにＭＲ変化率が得られることは、今回初めて得られた知見である。
【０１３９】
なお、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施した場合において、ＡＩＴパワーＰＡＩＴが２０Ｗである磁気抵抗効果素子１０１ｄにおいても、比較的高いＭＲ変化率（約１６％）が得られており、第５比較例の磁気抵抗効果素子１０９ｅのＭＲ変化率を下回ることはない。
【０１４０】
このように、本実施形態に係る製造方法において、用いるＡＩＴの条件は、ＡＯ処理との組み合わせで適正に設定され、それにより、最も高いＭＲ変化率が得られる。
【０１４１】
すなわち、ＡＯを実施せずＡＩＴのみを実施する場合においては、ＲＦパワーＰＡＩＴが適切でないと（例えば４０Ｗなどのように大き過ぎると）と、ＭＲ変化率は著しく低下するのに対し、ＡＩＴとＡＯと組み合わせるので、高いＭＲ変化率が得られるＲＦパワーＰＡＩＴの範囲が大きく拡大する。これは、ＡＩＴとＡＯとを組み合わせて実施することにより、ＡＩＴの適切な処理条件の範囲が拡大することを意味している。このように、本実施形態に係る製造方法によれば、製造マージンが拡大でき、高い性能の磁気抵抗効果素子を安定して生産できる。
【０１４２】
本実施形態に係る製造方法において、ＡＩＴの処理条件（例えばＲＦパワーＰＡＩＴや時間など）は、ＭＲ変化率が最も高くなるように設定される。そして、図９及び図１０に例示したように、そのＡＩＴの適切な条件は、例えば構造体１６ｐを形成する際の条件（例えば、ＩＡＯの際に用いられるガス種など）に従って適切に選択される。
【０１４３】
すなわち、例えば構造体１６ｐの形成において、ＰＩＴとＩＡＯを用い、ＩＡＯとして、Ａｒイオンビームを用いた酸素ガス処理を用いる場合（例えば図９の第１実施例）には、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは例えば２０Ｗ程度に設定される。
また、例えば構造体１６ｐの形成において、ＰＩＴとＩＡＯを用い、ＩＡＯとして、Ｘｅイオンビームを用いた酸素ガス処理を用いる場合（例えば図１０の第３実施例）には、ＡＩＴのＲＦパワーＰＡＩＴは例えば４０Ｗ程度に設定される。
【０１４４】
なお、種々の製造条件のばらつきなどを考慮すると、ＡＩＴにおける適切なＲＦパワーのＰＡＩＴ条件は、上記の値のプラスマイナス２０％程度の範囲で変更されても良い。
【０１４５】
以下、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成の例を、図３を参照しながら説明する。
【０１４６】
下電極１１は、スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、スピンバルブ膜内部をその膜垂直方向に沿って電流が流れる。この電流によって、磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することで、磁気の検知が可能となる。下電極１１には、電流を磁気抵抗効果素子に通電するために、電気抵抗が比較的小さい金属層が用いられる。下電極１１には、ＮｉＦｅ、Ｃｕなどが用いられる。
【０１４７】
下地層１２は、例えば、バッファ層１２ａ（図示せず）及びシード層１２ｂ（図示せず）に区分することができる。バッファ層１２ａは、例えば下電極１１表面の荒れを緩和する。シード層１２ｂは、例えば、その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向及び結晶粒径を制御する。
【０１４８】
バッファ層１２ａとしては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒまたはこれらの合金を用いることができる。バッファ層１２ａの膜厚は２ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましく、３ｎｍ〜５ｎｍ程度がより好ましい。バッファ層１２ａの厚さが薄過ぎるとバッファ効果が失われる。一方、バッファ層１２ａの厚さが厚過ぎるとＭＲ変化率に寄与しない直列抵抗を増大させることになる。なお、バッファ層１２ａ上に成膜されるシード層１２ｂがバッファ効果を有する場合には、バッファ層１２ａを必ずしも設ける必要はない。好ましい一例として、厚さ３ｎｍのＴａを用いることができる。
【０１４９】
シード層１２ｂには、その上に成膜される層の結晶配向を制御できる材料が用いられれば良い。シード層１２ｂとして、ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方格子構造）またはｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密格子構造）やｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方格子構造）を有する金属層などが好ましい。例えば、シード層１２ｂとして、ｈｃｐ構造を有するＲｕや、ｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅを用いることにより、その上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。また、ピニング層１３（例えば、ＰｔＭｎ）の結晶配向を規則化したｆｃｔ構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）、あるいはｂｃｃ（body-centered cubic structure：体心立方構造）（１１０）配向とすることができる。
これ以外にも、シード層１２ｂには、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗやこれらの合金層なども用いることができる。
【０１５０】
結晶配向を向上させるシード層１２ｂとしての機能を十分発揮するために、シード層１２ｂの膜厚としては、１ｎｍ〜５ｎｍが好ましく、より好ましくは、１．５ｎｍ〜３ｎｍが好ましい。好ましい一例として、厚さ２ｎｍのＲｕを用いることができる。
【０１５１】
スピンバルブ膜やピニング層１３の結晶配向性は、Ｘ線回折により測定できる。スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、ピニング層１３（ＰｔＭｎ）のｆｃｔ（１１１）ピークまたはｂｃｃ（１１０）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５度〜６度として、良好な配向性を得ることができる。なお、この配向の分散角は断面ＴＥＭを用いた回折スポットからも判別することができる。
【０１５２】
シード層１２ｂとして、Ｒｕの代わりに、ＮｉＦｅベースの合金（例えば、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝９０％〜５０％、好ましくは７５％〜８５％）や、ＮｉＦｅに第３元素Ｘを添加して非磁性にした（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）を用いることもできる。ＮｉＦｅベースのシード層１２ｂでは、良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり、上記と同様に測定したロッキングカーブの半値幅を３度〜５度とすることができる。
【０１５３】
シード層１２ｂには、結晶配向を向上させる機能だけでなく、スピンバルブ膜の結晶粒径を制御する機能もある。具体的には、スピンバルブ膜の結晶粒径を５ｎｍ〜４０ｎｍに制御することができ、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、特性のばらつきを招くことなく高いＭＲ変化率を実現できる。
【０１５４】
ここでの結晶粒径は、シード層１２ｂの上に形成された結晶粒の粒径によって判別することができ、断面ＴＥＭなどによって決定することができる。ピン層１４が中間層１６よりも下層に位置するボトムピン型スピンバルブ膜の場合には、シード層１２ｂの上に形成される、ピニング層１３（反強磁性層）や、ピン層１４（磁化固着層）の結晶粒径によって判別することができる。
【０１５５】
高密度記録に対応した再生ヘッドでは、素子サイズが、例えば、１００ｎｍ以下である。素子サイズに対する結晶粒径の比が大きいことは、素子の特性がばらつく原因となる。スピンバルブ膜の結晶粒径が４０ｎｍよりも大きいことは好ましくない。具体的には、結晶粒径が５ｎｍ〜４０ｎｍの範囲が好ましく、５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲がさらに好ましい範囲である。
【０１５６】
素子面積あたりの結晶粒の数が少なくなると、結晶数が少ないことに起因した特性のばらつきが発生し得るため、結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。特に、絶縁層１６１中に導電部１６２を有するＣＣＰ−ＣＰＰ素子では結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。一方、結晶粒径が小さくなり過ぎても、良好な結晶配向を維持することが一般的には困難になる。これら、結晶粒径の上限、及び下限を考慮した結晶粒径の好ましい範囲が、５ｎｍ〜２０ｎｍである。
【０１５７】
しかしながら、ＭＲＡＭ用途などでは、素子サイズが１００ｎｍ以上の場合があり、結晶粒径が４０ｎｍ程度と大きくてもそれほど問題とならない場合もある。すなわち、シード層１２ｂを用いることで、結晶粒径が粗大化しても差し支えない場合もある。
【０１５８】
上述した５ｎｍ〜２０ｎｍの結晶粒径を得るためには、シード層１２ｂとして、Ｒｕ（厚さ２ｎｍ）や、（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）層の場合には、第３元素Ｘの組成ｙを０％〜３０％程度とすることが好ましい（ｙが０％の場合も含む）。
【０１５９】
一方、結晶粒径を４０ｎｍよりも粗大化させて用いるためには、さらに多量の添加元素を用いることが好ましい。シード層１２ｂの材料が、例えば、ＮｉＦｅＣｒの場合にはＣｒ量を３５％〜４５％程度とし、ｆｃｃとｂｃｃの境界相を示す組成を用いて、ｂｃｃ構造を有するＮｉＦｅＣｒ層を用いることが好ましい。
【０１６０】
前述したように、シード層１２ｂの膜厚は１ｎｍ〜５ｎｍ程度が好ましく、１．５ｎｍ〜３ｎｍがより好ましい。シード層１２ｂの厚さが薄過ぎると結晶配向制御などの効果が失われる。一方、シード層１２ｂの厚さが厚過ぎると、直列抵抗の増大を招き、さらにスピンバルブ膜の界面の凹凸の原因となることがある。
【０１６１】
ピニング層１３は、その上に成膜されるピン層１４となる強磁性層に一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して磁化を固着する機能を有する。ピニング層１３の材料としては、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。このうち、高記録密度対応のヘッドの材料として、ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは、ＰｔＭｎよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ、高密度記録のために必要な狭ギャップ化に適している。
【０１６２】
十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層１３の膜厚を適切に設定する。ピニング層１３の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、膜厚として、８ｎｍ〜２０ｎｍ程度が好ましく、１０ｎｍ〜１５ｎｍがより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎの場合には、ＰｔＭｎなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与可能であり、３ｎｍ〜１２ｎｍが好ましく、４ｎｍ〜１０ｎｍがより好ましい。好ましい一例として、厚さ７ｎｍのＩｒＭｎを用いることができる。
【０１６３】
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層を用いることができる。ハード磁性層として、例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０％〜８５％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０％〜８５％、ｙ＝０％〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０％〜６０％）を用いることができる。ハード磁性層（特に、ＣｏＰｔ）は比抵抗が比較的小さいため、直列抵抗及び面積抵抗の増大を抑制できる。
【０１６４】
また、ピン層１４とフリー層１８に、保持力の大きく異なる材料を配置した場合、ピニング層１３を省略することもできる。これは、ピン層１４自体がＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０％〜８５％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０％〜８５％、ｙ＝０％〜４０％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０％〜６０％）等の高保持力材料であり、フリー層１８がＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝７５％〜９５％）、Ｎｉｘ（ＦｅｙＣｏ１００−ｙ）１００−ｘ合金（ｘ＝７５％〜９５％、ｙ＝０％〜１００％）、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝８５％〜９５％）等の低保持力材料とした場合である。
【０１６５】
ピン層１４は、下部ピン層１４１（例えば、厚さ３．５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０）、磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）、及び上部ピン層１４３（例えば、厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０）からなるシンセティックピン層とすることが好ましい一例である。ピニング層１３（例えば、ＩｒＭｎ）とその直上の下部ピン層１４１は一方向異方性（unidirectional anisotropy）をもつように交換磁気結合している。磁気結合層１４２の上下の下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３は、磁化の向きが互いに反平行になるように強く磁気結合している。
【０１６６】
下部ピン層１４１の材料として、例えば、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０％〜１００％）、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０％〜１００％）、またはこれらに非磁性元素を添加したものを用いることができる。また、下部ピン層１４１の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの単元素やこれらの合金を用いても良い。
【０１６７】
下部ピン層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ、すなわち、Ｂｓ・ｔ積）が、上部ピン層１４３の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり、上部ピン層１４３の磁気膜厚と下部ピン層１４１の磁気膜厚とが対応することが好ましい。一例として、上部ピン層１４３が、膜厚１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／膜厚０．２５ｎｍのＣｕ／膜厚１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／膜厚０．２５ｎｍのＣｕ／膜厚１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０の構成の場合、薄膜でのＦｅＣｏの飽和磁化が約２．２Ｔ（テスラ）であるため、磁気膜厚は２．２Ｔ×３ｎｍ＝６．６Ｔｎｍとなる。Ｃｏ９０Ｆｅ１０の飽和磁化が約１．８Ｔなので、上記と等しい磁気膜厚を与える下部ピン層１４１の膜厚ｔは６．６Ｔｎｍ／１．８Ｔ＝３．６６ｎｍとなる。従って、膜厚が約３．６ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０を用いることが望ましい。また、ピニング層１３としてＩｒＭｎを用いる場合には、下部ピン層１４１の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０よりも少しＦｅ組成を増やすことが好ましい。具体的には、例えばＣｏ７５Ｆｅ２５などが望ましい。
【０１６８】
下部ピン層１４１に用いられる磁性層の膜厚は１．５ｎｍ〜４ｎｍ程度が好ましい。これは、ピニング層１３（例えば、ＩｒＭｎ）による一方向異方性磁界強度及び磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）を介した下部ピン層１４１と上部ピン層１４３との反強磁性結合磁界強度の観点に基づく。下部ピン層１４１が薄過ぎるとＭＲ変化率が低下する。一方、下部ピン層１４１が厚過ぎるとデバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。好ましい一例として、膜厚３．６ｎｍのＣｏ７５Ｆｅ２５が挙げられる。
【０１６９】
磁気結合層１４２（例えば、Ｒｕ）は、上下の磁性層（下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３）に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する機能を有する。磁気結合層１４２としてのＲｕ層の膜厚は０．８ｎｍ〜１ｎｍであることが好ましい。なお、上下の磁性層に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、Ｒｕ以外の材料を用いても良い。ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel- Kasuya-Yosida）結合の２ｎｄピークに対応する膜厚０．８ｎｍ〜１ｎｍの代わりに、ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する膜厚０．３ｎｍ〜０．６ｎｍを用いることもできる。磁気結合層１４２として、より高信頼性の結合を安定して特性が得られる、０．９ｎｍのＲｕが一例として挙げられる。
【０１７０】
上部ピン層１４３の一例として、厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０／厚さ０．２５ｎｍのＣｕ／厚さ１ｎｍのＦｅ５０Ｃｏ５０のような磁性層を用いることができる。上部ピン層１４３は、スピン依存散乱ユニットの一部をなす。上部ピン層１４３は、ＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層であり、高いＭＲ変化率を得るために、この構成材料、膜厚の双方が重要である。特に、中間層１６との界面に位置する磁性材料は、スピン依存界面散乱に寄与する点で特に重要である。
【０１７１】
上部ピン層１４３としてここで用いた、ｂｃｃ構造をもつＦｅ５０Ｃｏ５０を用いる効果について述べる。上部ピン層１４３として、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料を用いた場合、スピン依存界面散乱効果が大きいため、高いＭＲ変化率を実現することができる。ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ系合金として、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０％〜１００％）や、ＦｅｘＣｏ１００−ｘに添加元素を加えたものが挙げられる。そのなかでも、諸特性を満たしたＦｅ４０Ｃｏ６０〜Ｆｅ６０Ｃｏ４０が使い易い材料の一例である。
【０１７２】
上部ピン層１４３として、高ＭＲ変化率を実現し易いｂｃｃ構造をもつ磁性層が用いられる場合には、この磁性層の全膜厚が１．５ｎｍ以上であることが好ましい。ｂｃｃ構造を安定に保つためである。スピンバルブ膜に用いられる金属材料は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造であることが多いため、上部ピン層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。このため、上部ピン層１４３の膜厚が薄過ぎると、ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり、高いＭＲ変化率が得られなくなる。
【０１７３】
本具体例では、上部ピン層１４３として、極薄Ｃｕ積層を含むＦｅ５０Ｃｏ５０を用いている。ここで、上部ピン層１４３は、全膜厚が３ｎｍのＦｅＣｏと、１ｎｍのＦｅＣｏごとに積層された０．２５ｎｍのＣｕとからなり、合計の膜厚は３．５ｎｍである。
【０１７４】
上部ピン層１４３の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。大きなピン固着磁界を得るためである。大きなピン固着磁界と、ｂｃｃ構造の安定性の両立のため、ｂｃｃ構造をもつ上部ピン層１４３の膜厚は、２．０ｎｍ〜４ｎｍ程度であることが好ましいということになる。
【０１７５】
上部ピン層１４３には、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに、磁気抵抗効果素子で広く用いられているｆｃｃ構造を有するＣｏ９０Ｆｅ１０合金や、ｈｃｐ構造をもつコバルト合金を用いることができる。上部ピン層１４３として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの単体金属、またはこれらのいずれか１つの元素を含む合金材料は全て用いることができる。上部ピン層１４３の磁性材料として、高いＭＲ変化率を得るのに有利なものから並べると、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金材料、５０％以上のコバルト組成をもつコバルト合金、５０％以上のＮｉ組成をもつニッケル合金の順になる。
【０１７６】
例えば、上部ピン層１４３として、磁性層（ＦｅＣｏ層）と非磁性層（極薄Ｃｕ層）とを交互に積層したものを用いることができる。このような構造を有する上部ピン層１４３では、極薄Ｃｕ層によって、スピン依存バルク散乱効果と呼ばれるスピン依存散乱効果を向上させることができる。
【０１７７】
「スピン依存バルク散乱効果」は、スピン依存界面散乱効果と対の言葉として用いられる。スピン依存バルク散乱効果とは、磁性層内部でＭＲ効果を発現する現象である。スピン依存界面散乱効果は、スペーサ層と磁性層の界面でＭＲ効果を発現する現象である。
【０１７８】
以下、磁性層と非磁性層の積層構造によるバルク散乱効果の向上について説明する。
ＣＣＰ−ＣＰＰ素子においては、中間層１６の近傍で電流が狭窄されるため、中間層１６の界面近傍での抵抗の寄与が非常に大きい。つまり、中間層１６と磁性層（ピン層１４、フリー層１８）の界面での抵抗が、磁気抵抗効果素子全体の抵抗に占める割合が大きい。このことは、スピン依存界面散乱効果の寄与がＣＣＰ−ＣＰＰ素子では非常に大きく、重要であることを示している。つまり、中間層１６の界面に位置する磁性材料の選択が従来のＣＰＰ素子の場合と比較して、重要な意味をもつ。これが、上部ピン層１４３として、スピン依存界面散乱効果が大きいｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いた理由である。
【０１７９】
しかしながら、バルク散乱効果の大きい材料を用いることも無視できず、より高ＭＲ変化率を得るためにはやはり重要である。バルク散乱効果を得るための極薄Ｃｕ層の膜厚は、０．１ｎｍ〜１ｎｍが好ましく、０．２ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が薄過ぎると、バルク散乱効果を向上させる効果が弱くなる。Ｃｕ層の膜厚が厚過ぎると、バルク散乱効果が減少することがある上に、非磁性のＣｕ層を介した上下磁性層の磁気結合が弱くなり、ピン層１４の特性が不十分となる。そこで、本具体例では、０．２５ｎｍのＣｕを用いた。
【０１８０】
磁性層間の非磁性層の材料として、Ｃｕの換わりに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌなどを用いても良い。一方、これら極薄の非磁性層を挿入した場合、ＦｅＣｏなど磁性層の一層あたりの膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍが好ましく、１ｎｍ〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
【０１８１】
上部ピン層１４３として、ＦｅＣｏ層とＣｕ層との交互積層構造に換えて、ＦｅＣｏとＣｕを合金化した層を用いても良い。このようなＦｅＣｏＣｕ合金として、例えば、（ＦｅｘＣｏ１００−ｘ）１００−ｙＣｕｙ（ｘ＝３０％〜１００％、ｙ＝３％〜１５％程度）が挙げられるが、これ以外の組成範囲を用いても良い。ここで、ＦｅＣｏに添加する元素として、Ｃｕの代わりに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌなど他の元素を用いても良い。
【０１８２】
上部ピン層１４３には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉや、これらの合金材料からなる単層膜を用いても良い。例えば、最も単純な構造の上部ピン層１４３として、従来から広く用いられている、２ｎｍ〜４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０単層を用いても良い。この材料に他の元素を添加しても良い。
【０１８３】
次に、スペーサ層１６ｓの膜構成について述べる。下部金属層１５は、導電部１６２の材料の供給源として用いられた後の残存層であり、最終形態として必ずしも残存していない場合もある。
【０１８４】
中間層１６は、絶縁層１６１及び導電部１６２を有する。なお、前述のように、中間層１６、下部金属層１５、及び上部金属層１７がスペーサ層１６ｓに含まれる。
【０１８５】
絶縁層１６１には、酸化物や窒化物や酸窒化物等が用いられる。絶縁層１６１は、Ａｌ２Ｏ３のようなアモルファス構造、または、ＭｇＯのような結晶構造を有することができる。スペーサ層としての機能を発揮するために、絶縁層１６１の厚さは、１ｎｍ〜５ｎｍが好ましく、１．５ｎｍ〜４．５ｎｍの範囲がより好ましい。
【０１８６】
絶縁層１６１に用いられる絶縁材料として、Ａｌ２Ｏ３をベース材料としたものや、これに添加元素を加えたものがある。添加元素として、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃ、Ｖなどがある。これらの添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜変えることができる。一例として、約２ｎｍのＡｌ２Ｏ３を絶縁層１６１として用いることができる。
【０１８７】
絶縁層１６１には、Ａｌ２Ｏ３のようなＡｌ酸化物の代わりに、Ｔｉ酸化物、Ｈｆ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｔａ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｖ酸化物なども用いることができる。これらの酸化物の場合でも、添加元素として上述の材料を用いることができる。また、添加元素の量を０％〜５０％程度の範囲で適宜に変えることができる。また、絶縁層１６１には、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、Ｃをベースとした酸窒化物や、窒化物を用いることができる。すなわち、これらの材料をベースにした任意の絶縁性の材料を絶縁層１６１に用いることができる。
【０１８８】
既に説明したように、導電部１６２は、中間層１６の膜面垂直に電流を流すパス（経路）であり、電流を狭窄する。
導電部１６２を形成する材料は、Ｃｕ以外には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅの金属、または、これらの元素を少なくとも１つを含む合金とすることができる。一例として、導電部１６２は、Ｃｕを含む合金層で形成することができる。導電部１６２には、例えば、ＣｕＮｉ、ＣｕＣｏ、ＣｕＦｅなどの合金層を用いることができる。導電部１６２として、５０％以上のＣｕを有する組成の合金を用いることが、高ＭＲ変化率と、ピン層１４とフリー層１８との層間結合磁界（interlayer coupling field, Ｈｉｎ）の低下と、のためには好ましい。
【０１８９】
導電部１６２は、絶縁層１６１と比べて著しく酸素及び窒素の少なくともいずれかの含有量が少ない領域である。例えば、導電部１６２における酸素及び窒素の少なくともいずれかの含有量は、絶縁層１６１の２倍以上である。導電部１６２は、例えば結晶相とすることができる。結晶相は非結晶相よりも抵抗が小さいため、導電部１６２が結晶相の場合は、導電部１６２は、電流パスとして機能し易い。
【０１９０】
上部金属層１７は、スペーサ層１６ｓに含まれ、スペーサ層１６ｓの上に成膜されるフリー層１８が中間層１６の酸化物に接して酸化されないように保護するバリア層としての機能、及び、フリー層１８の結晶性を良好にする機能を有する。例えば、絶縁層１６１の材料がアモルファス（例えば、Ａｌ２Ｏ３）の場合には、その上に成膜される金属層の結晶性が悪くなるが、絶縁層１６１の上に、上部金属層１７として、ｆｃｃ結晶性を良好にする層（例えば、Ｃｕ層）を配置することで、フリー層１８の結晶性を著しく改善することが可能となる。上部金属層１７の厚さは、１ｎｍ程度以下で良い。
【０１９１】
中間層１６の材料やフリー層１８の材料によっては、必ずしも上部金属層１７を設けなくても良い。アニール条件の最適化や、中間層１６の絶縁層１６１材料の選択、フリー層１８の材料などによって、結晶性の低下を回避し、中間層１６上の上部金属層１７が省略できる。
【０１９２】
製造上のマージンを考慮すると、中間層１６上に上部金属層１７を形成することが好ましい。一例として、上部金属層１７として、厚さ０．５ｎｍのＣｕを用いることができる。
【０１９３】
上部金属層１７には、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕなどを用いることもできる。上部金属層１７の材料は、中間層１６の導電部１６２の材料と同一であることが好ましい。上部金属層１７の材料が導電部１６２の材料と異なる場合には界面抵抗が増大することがあるが、両者が同一の材料であれば界面抵抗の増大を抑制できる。
【０１９４】
上部金属層１７の膜厚は、１ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。上部金属層１７が厚過ぎると、中間層１６で狭窄された電流が上部金属層１７で広がって電流狭窄効果が不十分になり、ＭＲ変化率の低下を招くことがある。
【０１９５】
フリー層１８は、磁化方向が外部磁界によって変化する強磁性体を有する層である。フリー層１８には、例えば、界面にＣｏＦｅを挿入したＮｉＦｅとして、厚さ１ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０／厚さ１３．５ｎｍのＮｉ８３Ｆｅ１７の２層の積層膜を用いることができる。高いＭＲ変化率を得るためには、フリー層１８のうちで、中間層１６との界面側に位置する磁性材料の選択が重要であり、中間層１６との界面側には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。なお、フリー層１８にＮｉＦｅ層を用いない場合には、厚さ４ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０単層を用いることができる。また、フリー層１８として、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどの３層の積層膜を用いることができる。
【０１９６】
フリー層１８としてＣｏＦｅ合金を用いる場合、軟磁気特性が安定であることから、例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０が好ましい。Ｃｏ９０Ｆｅ１０の組成の近傍のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ〜４ｎｍとすることが好ましい。その他、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０〜９０）が好ましい。
また、フリー層１８として、１ｎｍ〜２ｎｍのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ〜０．８ｎｍ程度の極薄Ｃｕ層とを、複数層交互に積層したものを用いても良い。
【０１９７】
中間層１６がＣｕ層から形成される場合には、ピン層１４と同様に、フリー層１８でも、結晶構造がｂｃｃ構造のＦｅＣｏ層を、フリー層１８のうちの中間層１６との界面側の材料として用いると、ＭＲ変化率が向上する。フリー層１８のうちの中間層１６との界面側の材料として、ｆｃｃのＣｏＦｅ合金に換えて、ｂｃｃ構造のＦｅＣｏ合金を用いることもできる。この場合、ｂｃｃ構造が形成され易い、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０〜１００）や、これに添加元素を加えた材料を用いることができる。さらにｂｃｃ構造を安定とするため、膜厚を１ｎｍ以上、さらには１．５ｎｍ以上とすることが好ましい。ただしｂｃｃ構造の層の膜厚を増やすほど保持力と磁歪が高くなるので、フリー層として使い難くなる。これを解決するには、積層するＮｉＦｅ合金の組成や膜厚を調整することが有効である。例えば、フリー層１８として、厚さ２ｎｍのＣｏ６０Ｆｅ４０／厚さ３．５ｎｍのＮｉ９５Ｆｅ５の積層構成を用いることができる。
【０１９８】
キャップ層１９は、スピンバルブ膜を保護する機能を有する。キャップ層１９には、例えば、複数の金属層の積層膜を用いることができ、例えば、Ｃｕ層とＲｕ層の積層膜（厚さ１ｎｍのＣｕ／厚さ１０ｎｍのＲｕ）を用いることができる。また、キャップ層１９として、Ｒｕをフリー層１８側に配置したＲｕ／Ｃｕ層なども用いることができる。この場合、Ｒｕの膜厚は０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好ましい。この構成のキャップ層１９は、特に、フリー層１８としてＮｉＦｅが用いられる場合に望ましい。ＲｕはＮｉと非固溶な関係を有するので、上記の構成を採用することで、フリー層１８とキャップ層１９の間に形成される界面ミキシング層の磁歪を低減できる。
【０１９９】
キャップ層１９が、Ｃｕ／Ｒｕ、または、Ｒｕ／Ｃｕのいずれの場合も、Ｃｕ層の膜厚は０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度が好ましく、Ｒｕ層の膜厚は０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度とすることができる。Ｒｕは比抵抗値が高いため、あまり厚いＲｕ層を用いることは好ましくないため、このような膜厚範囲にしておくことが好ましい。
【０２００】
キャップ層１９として、Ｃｕ層やＲｕ層の代わりに他の金属層を設けても良い。キャップ層１９の構成は特に限定されず、キャップとしてスピンバルブ膜を保護可能なものであれば、他の材料を用いても良い。キャップ層は、ＭＲ変化率や長期信頼性の観点で適切に選択される。ＣｕやＲｕは、これらの観点からも望ましいキャップ層の材料の例である。
【０２０１】
上電極２０は、スピンバルブ膜の垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、スピンバルブ膜内部に、スピンバルブ膜に対して垂直方向の電流が流れる。上電極２０には、電気的に低抵抗な材料（例えば、Ｃｕ、Ａｕ、ＮｉＦｅなど）が用いられる。
【０２０２】
図１１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に用いることができる製造装置の構成を例示する模式図である。
図１１に表したように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に用いることができる製造装置５０ａにおいては、搬送チャンバ５０を中心として、第１チャンバ（ロードロックチャンバ）５１、第２チャンバ５２、第３チャンバ５３、第４チャンバ５４、第５チャンバ５５がそれぞれゲートバルブを介して設けられている。この製造装置５０ａは、成膜と各種の処理を行うものであり、ゲートバルブを介して接続された各チャンバの間で、真空中において基板を搬送することができるので、基板の表面は清浄に保たれる。
【０２０３】
第２チャンバ５２は、例えばプレクリーニング用のチャンバである。
第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４は、例えば、金属成膜用のチャンバであり、多元（例えば５元〜１０元）のターゲットを有することができる。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４における成膜方式は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、及び、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などが挙げられる。
第５チャンバ５５では、例えば、酸化物層、窒化物層及び酸窒化物層を形成する。
【０２０４】
第１処理（ＡＩＴ）及び第２処理（例えばＡＯ）には、ＲＦプラズマ機構、イオンビーム機構または加熱機構を有するチャンバを利用できる。具体的には、ＲＦバイアス機構を有する第３チャンバ５３、第４チャンバ５４及び第２チャンバ５２などを用いることができる。ＲＦプラズマ機構は、比較的簡便な機構であり、第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４への設置が容易である。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４において、金属膜の成膜、並びに、ＡＩＴ及びＡＯなどのイオンビーム処理などを実施できる。
【０２０５】
なお、酸化物や窒化物を形成する第５チャンバ５５でＡＩＴ及びＡＯを実施すると、例えば、ＡＩＴやＡＯの際に、チャンバ内壁に吸着した例えば酸素ガス（または窒素ガス）が脱離し、構造体１６ｐ等に混入し、構造体１６ｐ等が劣化することがある。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４のように、成膜時に酸素や窒素を使用しないチャンバは、チャンバ内壁への酸素や窒素の吸着が少なく、真空の質を良好に保ち易い。ただし、チャンバ内に吸着した酸素や窒素を除去すれば、第５チャンバ５５でのＡＩＴ及びＡＯの実施も可能である。
【０２０６】
なお、上記真空チャンバの真空度の値は、例えば、１０−９Ｔｏｒｒ台であり、１０−８Ｔｏｒｒの前半の値が許容できる。
【０２０７】
以下、磁気抵抗効果素子１０１の製造方法の全体の概要の例について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、図示しない基板の上に形成した下電極１１の上に、下地層１２を形成し（ステップＳ３１０)、その上に、ピニング層１３を形成し（ステップＳ３２０）、その上にピン層１４を形成する（ステップＳ３３０）。そして、スペーサ層１６ｓを形成する（ステップＳ３４０）。このスペーサ層１６ｓの形成において、既に説明した中間層形成工程（ステップＳ１０）、第１非磁性層を形成する工程（ステップＳ２１０）及び第２非磁性層を形成する工程（ステップＳ２２０）が実施される。
【０２０８】
さらに、この後、フリー層１８を形成し（ステップＳ３５０）、キャップ層１９を形成し（ステップＳ３６０）、上電極２０を形成し、最後にアニール処理を行う（ステップＳ３７０）。
【０２０９】
例えば、基板を第１チャンバ５１（ロードロックチャンバ）にセットし、その後、各種の金属膜の成膜を第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４で行い、例えば酸化などを第５チャンバ５５で行う。第３チャンバ５３及び第４チャンバ５４における到達真空度は、例えば、１×１０−８Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましく、５×１０−１０Ｔｏｒｒ〜５×１０−９Ｔｏｒｒ程度が一般的である。搬送チャンバ５０における到達真空度は、１×１０−９Ｔｏｒｒ〜１×１０−８Ｔｏｒｒである。第５チャンバ５５における到達真空度は８×１０−８Ｔｏｒｒ以下である。
【０２１０】
例えば、まず、基板上に、下電極１１を微細加工プロセスにより形成する。なお、下電極１１が形成された基板を用いても良い。そして、下電極１１上に、下地層１２として、例えば、Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］を成膜する。
【０２１１】
そして、下地層１２の上にピニング層１３を成膜する。
ピニング層１３には、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ、ＮｉＭｎ及びＦｅＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。また、ピニング層１３には、ＣｏＰｔ及びＣｏＰｄなどのハード磁性材料を用いることもできる。
【０２１２】
さらに、ピニング層１３の上にピン層１４を形成する。
ピン層１４は、例えば、下部ピン層１４１（例えばＣｏ９０Ｆｅ１０）、反平行磁気結合層１４２（例えばＲｕ）、及び、上部ピン層１４３（例えばＣｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］）を含むシンセティックピン層とすることができる。なお、ピニング層１３がＩｒＭｎの場合、Ｆｅ７５Ｃｏ２５を下部ピン層１４１に用いると、ＩｒＭｎによるピニング力が増し、磁気的安定性を向上させることができる。また、上部ピン層１４３として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０に極薄のＣｕを挿入した構成（例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ[０．２５ｎｍ]／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｃｕ[０．２５ｎｍ]／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］）等を用いると、スピン依存散乱が増して高いＭＲ変化率を得ることができる。
【０２１３】
次に、中間層１６を有するスペーサ層１６ｓを形成する。中間層１６を形成する際には、第５チャンバ５５を用いる。スペーサ層１６ｓの形成の際に、図６（ａ）及び（ｂ）に例示した工程を用いる。本具体例では、アモルファス構造を有するＡｌ２Ｏ３を含む絶縁層１６１中に、金属結晶構造を有するＣｕを含む導電部１６２を含む中間層１６が形成される。ここでは、図６（ａ）の工程を採用する場合として説明する。
【０２１４】
中間層１６の上に、上部金属層１７として、例えば、Ｃｕ［０．２５ｎｍ］を成膜する。上部金属層１７の膜厚は、０．２ｎｍ〜０．６ｎｍ程度が好ましい。上部金属層１７の膜厚が厚いとフリー層１８の結晶性を向上し易い。ただし、膜厚が厚過ぎると電流狭窄効果が減じてＭＲ変化率が低下する場合がある。そこで、フリー層１８の結晶性向上と、ＭＲ変化率の維持を両立するために、上部金属層１７の膜厚は、０．４ｎｍ程度が望ましい。
【０２１５】
なお、フリー層１８において高い結晶性が必要でない場合や、他のなんらかの手段でフリー層１８の結晶性を上げることができる場合、上部金属層１７は必ずしも必要ではなく、上部金属層１７は省略できる。
【０２１６】
上部金属層１７の上に、フリー層１８として、例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］を形成する。なお、高いＭＲ変化率を得るために、スペーサ層１６ｓとの界面に位置するフリー層１８の磁性材料は適切に選択される。本具体例においては、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分には、ＮｉＦｅ合金よりもＣｏＦｅ合金を設けることが好ましい。この界面側の部分には、ＣｏＦｅ合金のなかでも特に軟磁気特性が安定なＣｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］を用いることができる。また、他の組成のＣｏＦｅ合金を適用しても良い。
【０２１７】
フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分に、Ｃｏ９０Ｆｅ１０に近い組成のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ〜４ｎｍとすることが好ましい。他の組成のＣｏＦｅ合金（例えば、Ｃｏ５０Ｆｅ５０）を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ〜２ｎｍとすることが好ましい。スピン依存界面散乱効果を上昇させるために、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分に、例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（または、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝４５〜８５））を用いた場合には、フリー層１８としての軟磁性を維持するために、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分の膜厚をピン層１４のような厚い膜厚にすることが困難である。このため、この場合においては、フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分の膜厚は、０．５ｎｍ〜１ｎｍが好ましい。フリー層１８のうちのスペーサ層１６ｓとの界面側の部分として、Ｃｏを含まないＦｅを用いる場合には、軟磁気特性が比較的良好なため、膜厚を０．５ｎｍ〜４ｎｍ程度とすることができる。
【０２１８】
フリー層１８の上記の構成において、ＣｏＦｅ層の上に設けられるＮｉＦｅ層は、軟磁性特性が安定な材料である。ＣｏＦｅ合金の軟磁気特性はそれほど安定ではないが、ＣｏＦｅ合金の上にＮｉＦｅ合金を設けることによって軟磁気特性を安定化することができる。なお、フリー層１８としてＮｉＦｅを用いると、スペーサ層１６ｓとの界面側の部分に、高ＭＲ変化率を実現できる材料が使用可能となり、スピンバルブ膜のトータル特性上好ましい。
【０２１９】
フリー層１８に用いられるＮｉＦｅ合金の組成は、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７８〜８５％程度）が好ましい。すなわち、一般的に用いられるＮｉＦｅの組成であるＮｉ８１Ｆｅ１９よりも、Ｎｉリッチな組成（例えば、Ｎｉ８３Ｆｅ１７）を用いることが好ましい。これにより、はゼロ磁歪が実現できる。絶縁層１６１と導電部１６２とを含む中間層１６を有するスペーサ層１６ｓの上に成膜されたＮｉＦｅにおいては、メタルＣｕのスペーサ層上に成膜されたＮｉＦｅよりも、磁歪がプラス側にシフトする。このプラス側への磁歪のシフトをキャンセルするために、フリー層１８に用いられるＮｉＦｅには、Ｎｉ組成が通常よりも多い、負側のＮｉＦｅ組成が用いられる。
【０２２０】
フリー層１８に用いられるＮｉＦｅ層のトータル膜厚は、２ｎｍ〜５ｎｍ程度（例えば、３．５ｎｍ）が好ましい。
フリー層１８としてＮｉＦｅ層を用いない場合には、フリー層１８には、１ｎｍ〜２ｎｍの厚さのＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ〜０．８ｎｍ程度の厚さのＣｕ層と、を、複数層交互に積層した積層膜を用いてもよい。
【０２２１】
そして、フリー層１８の上に、キャップ層１９として例えば、Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］を積層する。そして、キャップ層１９の上にスピンバルブ膜へ垂直通電するための上電極２０を形成する。
このようにして、図１に例示した第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１が製造できる。
【０２２２】
（第２の実施の形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１３に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、ピン層１４がフリー層１８よりも上に配置されるトップピン型のＣＣＰ−ＣＰＰ素子である。
【０２２３】
この場合においても、磁気抵抗効果素子１０２は、強磁性体を含む第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と、強磁性体を含む第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた中間層１６と、を有する。中間層１６は、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む。
【０２２４】
本具体例においても、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか一方の磁化方向は実質的に固着されており、第１磁性層及び第２磁性層のいずれか他方の磁化方向は、第１磁性層及び第２磁性層の前記いずれか他方に印加される外部磁界に対応して変化する。すなわち、第１磁性層が、磁化方向が実質的に固着されているピン層１４であり、第２磁性層が、印加される外部磁界に対応して変化するフリー層１８である。
【０２２５】
そして、この場合には、第１磁性層（本具体例では、ピン層１４）と中間層１６との間に設けられた第１非磁性層が、上部金属層１７となり、第２磁性層（本具体例では、フリー層１８）と中間層１６との間に設けられた第２非磁性層が、下部金属層１５となる。
【０２２６】
具体的には、磁気抵抗効果膜１０においては、例えば、下電極１１の上に、下地層１２、フリー層１８、下部金属層１５、中間層１６（絶縁層１６１及び導電部１６２）、上部金属層１７、ピン層１４、ピニング層（反強磁性層）１３、及び、キャップ層１９が、この順に積層され、磁気抵抗効果膜１０の上に、上電極２０が積層される。
【０２２７】
このような構成の磁気抵抗効果素子１０４の製造においても、中間層１６を形成する中間層形成工程（ステップＳ１０）として、上記の構造体形成工程（ステップＳ１１０）、第１処理工程（ステップＳ１２０）、及び、第２処理工程（ステップＳ１３０）を含むことができる。
【０２２８】
トップピン型のスピンバルブ膜の場合においても、ピン層１４の過酸化防止、及び、第１処理（ＡＩＴ）による絶縁層１６１部分へのダメージの回復の効果が、ボトムピン型と同様に得られる。
【０２２９】
ボトムピン型と同様に、トップピン型の磁気抵抗効果素子１０２においても、第１処理及び第２処理として、イオン、プラズマ、酸素曝露、または熱による処理を適宜に採用できる。
【０２３０】
なお、トップピン型の磁気抵抗効果素子１０２においても、中間層１６の下部金属層１５及び上部金属層１７の機能については、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子１０１と同様である。すなわち、中間層１６の下側の下部金属層１５は導電部１６２の供給源となるが、中間層１６の上の上部金属層１７は必ずしも必要ではなく、上部金属層１７は、必要に応じて設けられる。
【０２３１】
（第３の実施の形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法が適用される磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１４に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、２つのフリー層（第１フリー層１４ａ及び第２フリー層１８ａ）の間に中間層１６が設けられる。
【０２３２】
すなわち、磁気抵抗効果素子１０３は、強磁性体を含む第１磁性層（本具体例では、第１フリー層１４ａ）と、強磁性体を含む第２磁性層（本具体例では、第２フリー層１８ａ）と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた中間層１６と、を有する。中間層１６は、絶縁層１６１と、絶縁層１６１を貫通する導電部１６２と、を含む。
【０２３３】
第１磁性層（第１フリー層１４ａ）の磁化方向は、第１磁性層に印加される外部磁界に対応して変化し、第２磁性層（第２フリー層１８ａ）の磁化方向は、第２磁性層に印加される外部磁界に対応して変化する。
【０２３４】
具体的には、図示しない基板の上に設けられた下電極１１の上に、磁気抵抗効果膜１０が設けられ、その上に上電極２０が設けられている。そして、磁気抵抗効果膜１０においては、例えば、下地層１２、第１フリー層１４ａ、下部金属層１５、中間層１６（絶縁層１６１及び導電部１６２）、上部金属層１７、第２フリー層１８ａ、及び、キャップ層（保護層）１９が、この順に積層される。
【０２３５】
このように、磁気抵抗効果素子１０３は、スピンバルブ膜は、２つの強磁性層（第１フリー層１４ａ及び第２フリー層１８ａ）の間に非磁性のスペーサ層１６ｓ（下部金属層１５、中間層１６及び上部金属層１７を含む）が挟まれる構成を有する。
【０２３６】
そして、本具体例の磁気抵抗効果膜１０においては、２つの強磁性層（第１フリー層１４ａ及び第２フリー層１８ａ）の両方が外部磁界に応じて回転可能である。すなわち、磁気抵抗効果素子１０３においては、磁化固着層が設けられていない。
【０２３７】
このような構成を有する磁気抵抗効果素子１０３においても、既に説明したように、構造体形成工程の後に、第１処理（ＡＩＴ）と第２処理（例えばＡＯ）を組み合わせて実施することにより、ＭＲ変化率を向上させることができる。
【０２３８】
この場合も、図６（ａ）及び（ｂ）に関して説明したように、第１処理及び第２処理は、上部金属層１７の形成の後、及び、前のどちらで実施しても良い。
【０２３９】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、第１〜第３の実施形態に関して説明した磁気抵抗効果素子の製造方法によって製造された磁気抵抗効果素子１０１、１０１ａ、１０２及び１０３のいずれかである。以下では、第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が磁気抵抗効果素子１０１である場合として説明する。
【０２４０】
図１５及び図１６は、本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、これらの図は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１を磁気ヘッドに組み込んだ状態を例示している。図１５は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子１０１を切断したときの断面図であり、図１６は、この磁気抵抗効果素子１０１を媒体対向面ＡＢＳに対して垂直な方向に切断したときの断面図である。
【０２４１】
図１５及び図１６に例示した磁気ヘッドは、いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。
【０２４２】
図１５及び図１６に表したように、磁気抵抗効果素子１０１の磁気抵抗効果膜１０の上下には、下電極１１と上電極２０とがそれぞれ設けられている。磁気抵抗効果膜１０の両側面には、バイアス磁界印加膜４１と絶縁膜４２とが積層して設けられている。また、磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面ＡＢＳの側には、保護層４３が設けられている。
【０２４３】
磁気抵抗効果膜１０に対するセンス電流は、その上下に配置された下電極１１、上電極２０によって矢印Ａで示したように、膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜４１により、磁気抵抗効果膜１０にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１０のフリー層１８の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。磁気抵抗効果膜１０のＳ／Ｎ比が向上しているので、磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気記録再生が可能となる。
【０２４４】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の素子抵抗ＲＡは、高密度対応の観点から、５００ｍΩ／μｍ２以下が好ましく、３００ｍΩ／μｍ２以下がより好ましい。素子抵抗ＲＡを算出する場合には、磁気抵抗効果素子の抵抗Ｒにスピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａを掛け合わせる。抵抗Ｒは、直接測定できる。一方、スピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａは、素子構造に依存する値であるため、その決定には注意を要する。
【０２４５】
例えば、スピンバルブ膜の全体を実効的にセンシングする領域としてパターニングしている場合には、スピンバルブ膜全体の面積が実効面積Ａとなる。この場合、抵抗Ｒを適度に設定する観点から、スピンバルブ膜の面積を少なくとも０．０４μｍ２以下にし、３００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では０．０２μｍ２以下にする。
【０２４６】
一方、スピンバルブ膜よりも面積の小さい下電極１１または上電極２０を形成した場合には、下電極１１または上電極２０の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。下電極１１または上電極２０の面積が異なる場合には、小さい方の電極の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。この場合、抵抗Ｒを適度に設定する観点から、小さい方の電極の面積を少なくとも０．０４μｍ２以下にする。
【０２４７】
図１５において磁気抵抗効果素子１０１の磁気抵抗効果膜１０の面積が一番小さいところは上電極２０と接触している部分なので、その幅をトラック幅Ｔｗとして考える。また、ハイト方向に関しては、図１６においてやはり上電極２０と接触している部分が一番小さいので、その幅をハイト長Ｄｈとして考える。スピンバルブ膜の実効面積Ａは、Ａ＝Ｔｗ×Ｄｈとして考える。
【０２４８】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１では、電極間の抵抗Ｒを１００Ω以下にすることができる。この抵抗Ｒは、例えばヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ、磁気ヘッドアセンブリ）の先端に装着した再生ヘッド部の２つの電極パッド間で測定される抵抗値である。
【０２４９】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１において、ピン層１４またはフリー層１８がｆｃｃ構造である場合には、ｆｃｃ（１１１）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４またはフリー層１８がｂｃｃ構造をもつ場合には、ｂｃｃ（１１０）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４またはフリー層１８がｈｃｐ構造をもつ場合には、ｈｃｐ（００１）配向またはｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【０２５０】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１の結晶配向性は、配向のばらつき角度で４．０度以内が好ましく、３．５度以内がより好ましく、３．０度以内がさらに好ましい。これは、Ｘ線回折のθ−２θ測定により得られるピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として求められる。また、素子断面からのナノディフラクションスポットでのスポットの分散角度として検知することができる。
【０２５１】
反強磁性膜の材料にも依存するが、一般的に反強磁性膜と、ピン層１４、スペーサ層１６ｓ及びフリー層１８と、では格子間隔が異なるため、それぞれの層においての配向のばらつき角度を別々に算出することが可能である。例えば、白金マンガン（ＰｔＭｎ）と、ピン層１４、スペーサ層１６ｓ及びフリー層１８と、では、格子間隔が異なることが多い。白金マンガン（ＰｔＭｎ）は比較的厚い膜であるため、結晶配向のばらつきを測定するのには適した材料である。ピン層１４、スペーサ層１６ｓ及びフリー層１８については、ピン層１４とフリー層１８とで結晶構造がｂｃｃ構造とｆｃｃ構造というように異なる場合もある。この場合、ピン層１４とフリー層１８とはそれぞれ別の結晶配向の分散角をもつことになる。
【０２５２】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施形態は磁気記録再生装置である。磁気記録再生装置には、本発明の実施形態に係る製造方法によって製造された磁気抵抗効果素子が搭載されている。すなわち、磁気記録再生装置は、本発明の実施形態に係る製造方法によって製造された磁気抵抗効果素子が搭載された磁気ヘッドを用いている。以下、磁気ヘッドに磁気抵抗効果素子１０１が搭載される例として説明する。
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
すなわち同図は、磁気抵抗効果素子が搭載される磁気ヘッドの構成を例示している。
【０２５３】
図１７に表したように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１が搭載される磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０に対向して設けられる。磁気記録媒体８０は、磁気記録層８１と、裏打ち層８２と、を有する。磁気記録層８１は、磁気ヘッド５に対向する。
【０２５４】
磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０に対向する書き込みヘッド部６０と、書き込みヘッド部６０と併設され、磁気記録媒体８０に対向する再生ヘッド部７０とを有する。
ただし、磁気ヘッド５には、再生ヘッド部７０が設けられれば良く、書き込みヘッド部６０は省略可能であり、書き込みヘッド部６０は必要に応じて設けられる。なお、以下では、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置として、磁気ヘッド５が書き込みヘッド部６０を有する場合であり、磁気記録再生装置が、書き込み動作と再生動作の両方を実施する場合として説明するが、磁気ヘッド５に書き込みヘッド部６０に設けられない、すなわち、磁気記録再生装置が再生専用の装置であっても良い。
【０２５５】
再生ヘッド部７０は、第１磁気シールド層７２ａと、第２磁気シールド層７２ｂと、第１磁気シールド層７２ａと第２磁気シールド層７２ｂとの間に設けられた磁気再生素子７１と、を有する。磁気再生素子７１として、本発明の実施形態に係る、例えば磁気抵抗効果素子１０１が用いられる。
【０２５６】
磁気再生素子７１は、磁気記録層８１の磁化の方向を読み取り、磁気記録媒体８０に記録された記録情報を読み取る。
【０２５７】
磁気記録層８１の磁気ヘッド５に対向する面に対して垂直な方向をＺ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。なお、後述するように、磁気記録媒体８０は、例えば円板状とすることができ、磁気記録媒体８０の円周に沿って、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５との相対的な位置が変化される。上記のＸ−Ｙ−Ｚ座標系は、磁気ヘッド５の近傍の短い距離の範囲において定義されることができる。
【０２５８】
例えば、磁気記録媒体８０は、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿って、磁気ヘッド５に対して相対的に移動する。磁気ヘッド５により、磁気記録媒体８０の磁気記録層８１の各位置の磁化が制御され、磁気記録が行われる。磁気記録媒体８０の媒体移動方向は、例えばＹ軸方向とされる。なお、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５との相対的な移動は、磁気ヘッド５の移動によって行われても良く、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とがＺ軸方向に対して垂直な方向に沿って相対的に移動すれば良い。
【０２５９】
磁気ヘッド５は、後述するヘッドスライダ３に搭載され、ヘッドスライダ３の機能により、磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０から離間して保持される。
なお、磁気抵抗効果素子１０１の周囲に図示しない磁気シールドを設け、磁気ヘッド５の検出分解能を規定することができる。
【０２６０】
図１８は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る磁気記録再生装置の一部であるヘッドスライダの構成を例示している。
図１８に表したように、磁気ヘッド５は、ヘッドスライダ３に搭載される。ヘッドスライダ３は、Ａｌ２Ｏ３及びＴｉＣなどを含み、磁気ディスクなどの磁気記録媒体８０の上を、浮上または接触しながら相対的に運動できるように設計され、製作される。
【０２６１】
ヘッドスライダ３は、例えば、空気流入側３Ａと空気流出側３Ｂとを有し、磁気ヘッド５は、空気流出側３Ｂの側面などに配置される。これにより、ヘッドスライダ３に搭載された磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０の上を浮上または接触しながら相対的に運動する。
【０２６２】
以下、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の全体の構成の例について、磁気記録再生装置２５０を例にして説明する。
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
すなわち、図２０（ａ）は、磁気記録再生装置２５０に含まれるヘッドスタックアセンブリ２６０を拡大して示しており、図２０（ｂ）は、ヘッドスタックアセンブリ２６０の一部である磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ）２５８を例示している。
【０２６３】
図１９に表したように、磁気記録再生装置２５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。記録用媒体ディスク２８０は、スピンドルモータ４に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印ＡＡの方向に回転する。なお、磁気記録再生装置２５０は、複数の記録用媒体ディスク２８０を有していても良い。
【０２６４】
記録用媒体ディスク２８０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ３は、薄膜状のサスペンション２５４の先端に取り付けられている。
【０２６５】
記録用媒体ディスク２８０が回転すると、サスペンション２５４による押し付け圧力とヘッドスライダ３の媒体対向面で発生する圧力とがつりあい、ヘッドスライダ３の媒体対向面は、記録用媒体ディスク２８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダ３が記録用媒体ディスク２８０と接触するいわゆる「接触走行型」としても良い。
【０２６６】
サスペンション２５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム２５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム２５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ２５６が設けられている。ボイスコイルモータ２５６は、アクチュエータアーム２５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路と、を含む。
【０２６７】
アクチュエータアーム２５５は、軸受部２５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ２５６により回転摺動が自在にできるようになっている。その結果、磁気ヘッド５を記録用媒体ディスク２８０の任意の位置に移動可能となる。
【０２６８】
図２０（ａ）に表したように、ヘッドスタックアセンブリ２６０は、軸受部２５７と、この軸受部２５７から延出したヘッドジンバルアセンブリ２５８と、軸受部２５７からヘッドジンバルアセンブリ２５８とは反対方向に延出していると共にボイスコイルモータのコイル２６２を支持した支持フレーム２６１を有している。
【０２６９】
また、図２０（ｂ）に表したように、ヘッドジンバルアセンブリ２５８は、軸受部２５７から延出したアクチュエータアーム２５５と、アクチュエータアーム２５５から延出したサスペンション２５４と、を有している。サスペンション２５４の先端には、ヘッドスライダ３が取り付けられている。
【０２７０】
なお、本具体例では、ヘッドジンバルアセンブリ２５８が２つ設けられる例であるが、ヘッドジンバルアセンブリ２５８の数は１つでも良い。
【０２７１】
このように、磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ）２５８は、磁気ヘッド５と、磁気ヘッド５が搭載されたヘッドスライダ３と、ヘッドスライダ３を一端に搭載するサスペンション２５４と、サスペンション２５４の他端に接続されたアクチュエータアーム２５５と、を有する。
【０２７２】
サスペンション２５４は、信号の書き込み及び読み取り用、浮上量調整のためのヒーター用などのリード線（図示しない）を有し、このリード線とヘッドスライダ３に組み込まれた磁気ヘッド５の各電極とが電気的に接続される。
【０２７３】
図１９に表したように、磁気ヘッド５を用いて磁気記録媒体８０への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部２９０が設けられる。信号処理部２９０は、例えば、図１９に例示した磁気記録再生装置２５０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部２９０の入出力線は、ヘッドジンバルアセンブリ２５８の電極パッドに接続され、磁気ヘッドと電気的に結合される。
【０２７４】
このように、本実施形態に係る磁気記録再生装置２５０は、磁気記録媒体８０及び磁気ヘッド５に加え、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とを相対的に移動させる可動部と、磁気ヘッド５を磁気記録媒体８０の所定記録位置に位置合わせする位置制御部と、磁気ヘッド５を用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部２９０と、さらに備えることができる。
【０２７５】
すなわち、上記の磁気記録媒体８０として、記録用媒体ディスク２８０が用いられる。上記の可動部は、ヘッドスライダ３を含むことができる。また、上記の位置制御部は、ヘッドジンバルアセンブリ２５８を含むことができる。
【０２７６】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置として、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリの例について説明する。すなわち、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ： magnetic random access memory）などの磁気メモリを実現できる。以下では、磁気抵抗効果素子として第１の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子１０１を用いる場合として説明するが、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１、１０１ａ、１０２及び１０３のいずれかを用いることができる。
【０２７７】
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図は、メモリセルがアレイ状に配置されたメモリセルを有する磁気記録再生装置３０１の回路構成を例示している。
【０２７８】
図２１に表したように、本実施形態に係る磁気記録再生装置３０１においては、アレイ中の１ビット（１つのメモリセル）を選択するために、列デコーダ３５０及び行デコーダ３５１が設けられている。そして、列デコーダ３５０に接続されたビット線３３４と、行デコーダ３５１に接続されたワード線３３２と、により、スイッチングトランジスタ３３０がオンになり、メモリセル（磁気抵抗効果素子１０１）が一意に選択される。そして、磁気抵抗効果素子１０１に流れる電流をセンスアンプ３５２で検出することにより、磁気抵抗効果素子１０１に含まれる磁気抵抗効果膜１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出す。
【０２７９】
一方、各メモリセルに情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２とに書き込み電流を流して発生する磁場を各メモリセルに印加する。
【０２８０】
図２２は、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置の別の構成を例示する模式図である。
図２２に表したように、本実施形態に係る別の磁気記録再生装置３０１ａにおいては、マトリクス状に配線されたビット線３７２とワード線３８４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１、３６２により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１０１とダイオードＤとが直列に接続された構成を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０１以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線３７２と書き込みワード線３８３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０２８１】
図２３は、本発明の第６の実施形態に係る磁気記録再生装置の要部を例示する模式的断面図である。
図２４は、図２３のＡ−Ａ’線断面図である。
すなわち、これらの図は、磁気記録再生装置３０１ａに含まれる１ビット分のメモリセルの構成を例示している。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０２８２】
図２３及び図２４に表したように、記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子１０１と、これに接続された一対の配線４２２及び配線４２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０１は、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法により製造される。
【０２８３】
一方、アドレス選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたスイッチングトランジスタ３３０が設けられている。このスイッチングトランジスタ３３０は、ゲート３７０に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子１０１と配線４３４との電流経路の開閉を制御する。
【０２８４】
また、磁気抵抗効果素子１０１の下方には、書き込み用の配線４２３が、配線４２２とほぼ直交する方向に設けられている。これらの配線４２２、４２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
上記の配線４２２がビット線３２２に対応し、配線４２３がワード線３２３に対応する。
【０２８５】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子１０１に書き込むときは、配線４２２、４２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０２８６】
また、ビット情報を読み出すときは、配線４２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０１と、配線４２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
【０２８７】
本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置３０１及び３０１ａは、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０２８８】
ここで、フリー層に挿入されたＣＣＰ構造を実現するための形成プロセスとして、前述のＰＩＴ及びＩＡＯ処理を行うことが好ましい。この場合には電流パスを形成する材料が磁性元素を多く含む（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちいずれかの元素を５０％以上含む）ので、下部金属層１５、上部金属層１７は特に必要にならず、中間層１６を形成する材料をそのまま使用することが可能となる。
【０２８９】
また、本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置は、長手磁気記録方式及び垂直磁気記録方式に適用できる。さらに、本発明の磁気記録再生装置は、特定の磁気記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、磁気記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０２９０】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
【０２９１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する、第１磁性層、第２磁性層、中間層、絶縁層、導電部、構造体、第１非磁性層及び第２非磁性層等の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０２９２】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２９３】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２９４】
３…ヘッドスライダ、 ３Ａ…空気流入側、 ３Ｂ…空気流出側、 ４…スピンドルモータ、 ５…磁気ヘッド、 １０…磁気抵抗効果膜、 １１…下電極、 １２…下地層、 １３…ピニング層、 １４…ピン層（第１磁性層）、 １４ａ…第１フリー層（第１磁性層）、 １４ｓ…第１磁性層を含む層、 １６…中間層、 １６ａ…第１金属膜、 １６ｂ…第２金属膜、 １６ｐ…構造体、 １６ｓ…スペーサ層、 １７…上部金属層、 １８…フリー層（第２磁性層）、 １８ａ…第２フリー層（第２磁性層）、 １９…キャップ層、 ２０…上電極、 ４１…バイアス磁界印加膜、 ４２…絶縁膜、 ４３…保護層、 ５０…搬送チャンバ、 ５０ａ…製造装置、 ５１〜５５…第１〜第５チャンバ、 ６０…書き込みヘッド部、 ７０…再生ヘッド部、 ７１…磁気再生素子、 ７２ａ…第１磁気シールド層、 ７２ｂ…第２磁気シールド層、 ８０…磁気記録媒体、 ８１…磁気記録層、 ８２…裏打ち層、 ９１…Ａｒイオンビーム、 ９２…酸素イオンビーム、 ９５…Ａｒイオンビーム、 ９６…酸素イオンビーム、 １０１、１０１ａ、１０１ａ４、１０１ｃ、１０１ｄ、１０２、１０３、１０４、１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｂ４、１０９ｃ、１０９ｄ、１０９ｅ、１０９ｆ、１０９ｇ…磁気抵抗効果素子、 １４１…下部ピン層、 １４２…反平行磁気結合層、 １４３…上部ピン層、 １６１…絶縁層、 １６２…導電部、 ２５０…磁気記録再生装置、 ２５４…サスペンション、 ２５５…アクチュエータアーム、 ２５６…ボイスコイルモータ、 ２５７…軸受部、 ２５８…ヘッドジンバルアセンブリ（磁気ヘッドアセンブリ）、 ２６０…ヘッドスタックアセンブリ、 ２６１…支持フレーム、 ２６２…コイル、 ２８０…記録用媒体ディスク、 ２９０…信号処理部、 ３０１、３０１ａ…磁気記録再生装置、 ３１１…記憶素子部分、 ３１２…アドレス選択用トランジスタ部分、 ３２２、３３４、３７２…ビット線、 ３２３、３３２、３８３、３８４…ワード線、 ３２６…ビア、 ３２８…埋め込み配線、 ３３０…スイッチングトランジスタ、 ３５０…列デコーダ、 ３５１…行デコーダ、 ３５２…センスアンプ、 ３６０、３６１、３６２…デコーダ、 ３７０…ゲート、 ４２２、４２３、４２４、４３４…配線、 Ａ…実効面積、 ＡＡ…矢印、 ＡＢＳ…媒体対向面、 ＣＰ…電流パス、 ＣＵＲ…電流、 Ｄ…ダイオード、 Ｄｈ…ハイト長、 ＥＬＥ…伝導電子、 Ｐ１…電流パス内部、 Ｐ２…近傍部分、 Ｐ３…界面、 ＰＡＩＴ…パワー、 ＲＧ１、ＲＧ２…領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体を含む第１磁性層と、強磁性体を含む第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する導電部とを含む中間層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記絶縁層と、前記絶縁層を貫通する前記導電部と、を含む構造体を形成する構造体形成工程と、
前記構造体に、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う第１処理工程と、
前記第１処理工程が施された前記構造体に対して、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う第２処理工程と、
を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記酸素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むイオンビームの照射を含み、前記酸素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むプラズマの照射を含み、前記窒素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むイオンビームの照射を含み、前記窒素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むプラズマの照射を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２処理工程の後に前記構造体の上に非磁性層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１処理工程の前に前記構造体の上に非磁性層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記構造体形成工程は、
前記導電部となる第１金属膜と、前記絶縁層に変換される第２金属膜と、を成膜する成膜工程と、
前記第２金属膜を前記絶縁層に変換して前記構造体を形成する変換工程と、
を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記変換工程は、
前記第２金属膜に、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程、及び、
前記第２金属膜に、酸素及び窒素の少なくともいずれかを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程、
の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項７記載の磁気抵抗効果素子を一端に搭載するサスペンションと、
前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと、
を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリ。
【請求項９】
請求項８記載の磁気ヘッドアセンブリと、
前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気抵抗効果素子を用いて情報が記録される磁気記録媒体と、
を備えたことを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１０】
請求項７記載の磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配置したことを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１】
強磁性体を含む第１磁性層と、強磁性体を含む第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ、絶縁層と前記絶縁層を貫通する導電部とを含む中間層と、を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記絶縁層と、前記絶縁層を貫通する前記導電部と、を含む構造体を形成する構造体形成工程と、
前記構造体に、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかの照射を行う第１処理工程と、
前記第１処理工程が施された前記構造体に対して、酸素を含むガスへの曝露、酸素を含むイオンビームの照射、酸素を含むプラズマの照射、窒素を含むガスへの曝露、窒素を含むイオンビームの照射及び窒素を含むプラズマの照射の少なくともいずれかを行う第２処理工程と、
を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記酸素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むイオンビームの照射を含み、前記酸素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素と、を含むプラズマの照射を含み、前記窒素を含むイオンビームの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むイオンビームの照射を含み、前記窒素を含むプラズマの照射は、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンよりなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含むプラズマの照射を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２処理工程の後に前記構造体の上に非磁性層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１処理工程の前に前記構造体の上に非磁性層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記構造体形成工程は、
前記導電部となる第１金属膜と、前記絶縁層に変換される第２金属膜と、を成膜する成膜工程と、
前記第２金属膜を前記絶縁層に変換して前記構造体を形成する変換工程と、
を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記変換工程は、
前記第２金属膜に、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程、及び、
前記第２金属膜に、酸素及び窒素の少なくともいずれかを含むイオン及びプラズマの少なくともいずれかを照射する工程、
の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項７記載の磁気抵抗効果素子を一端に搭載するサスペンションと、
前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと、
を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリ。
【請求項９】
請求項８記載の磁気ヘッドアセンブリと、
前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気抵抗効果素子を用いて情報が記録される磁気記録媒体と、
を備えたことを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１０】
請求項７記載の磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配置したことを特徴とする磁気記録再生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１１−１７１６８２（Ｐ２０１１−１７１６８２Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３６６５１（Ｐ２０１０−３６６５１）
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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