磁気抵抗効果素子及びその製造方法
【課題】素子抵抗が低く、ＭＲ比の高いトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を提供すること。
【解決手段】基板１１の上方に下地層１２、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、及びキャップ層１９が順に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子１０）において、トンネルバリア層１７を、ＭｇＯ膜等の結晶性酸化物膜を低酸素分圧（例えば１０-7Ｐａ程度の高真空下）下で形成し、その後結晶性酸化物膜を酸素ガス又は酸素を含むガスと接触させる。このようにして形成された結晶性酸化物膜を備えたＴＭＲ素子１０によれば、従来よりも高いＭＲ比が得られる。
【解決手段】基板１１の上方に下地層１２、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、及びキャップ層１９が順に形成されたトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子１０）において、トンネルバリア層１７を、ＭｇＯ膜等の結晶性酸化物膜を低酸素分圧（例えば１０-7Ｐａ程度の高真空下）下で形成し、その後結晶性酸化物膜を酸素ガス又は酸素を含むガスと接触させる。このようにして形成された結晶性酸化物膜を備えたＴＭＲ素子１０によれば、従来よりも高いＭＲ比が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ディスク装置及び磁気メモリ装置等の磁気デバイスに使用するトンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の磁気ディスク装置の高記録密度化により、記録媒体からの磁気信号も更に微小になりつつある。このため、磁気ディスク装置の磁気ヘッドに用いられる読み取り素子のＳ／Ｎ比の向上が求められている。また、磁気ディスク装置の高記録密度化に伴って、磁気ヘッド用読み取り素子の転送速度の向上も求められている。
【０００３】
磁気抵抗効果素子の一種であるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果：Tunneling Magneto Resistance）素子は、ＭＲ比（磁気抵抗比：Magneto Resistive ratio）がＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子と比較して高く、Ｓ／Ｎ比の点で優れているため、現在生産されている磁気ディスク装置の読み取り素子として主流となりつつある。また、ＴＭＲ素子は磁気ディスク装置の読み取り素子のみならず、磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive random access memory）用の記録素子としても期待されている。
【０００４】
このＴＭＲ素子は、トンネルバリア膜を強磁性体膜の間に挟んだ強磁性トンネル接合（ＴＭＪ：Tunneling Magnetic Junction）を有し、強磁性体膜の磁化の変化により強磁性トンネル接合の抵抗値が変化する。この抵抗値は、トンネルバリア膜を挟んだ強磁性体膜の磁気モーメントが平行の場合には低くなり、反平行の場合には高くなる。この抵抗値の変化率がＭＲ比であり、ＭＲ比の高いＴＭＲ素子からは、強磁性体膜の変化に伴う信号出力がより大きくなる。
【０００５】
ＴＭＲ素子のＭＲ比等の特性は、トンネルバリア膜によって大きく左右されることが知られている。トンネルバリア膜として、ＡｌＯ（酸化アルミニウム）膜、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜、ＴｉＯ（酸化チタン）膜を用いたＴＭＲ素子が知られているが、結晶性のＭｇＯ膜をトンネルバリア膜に用いた場合には高いＭＲ比が得られる（例えば、非特許文献１〜５）ことが報告されている。この結晶性ＭｇＯ膜の成膜方法として、電子線蒸着法（例えば、特許文献３）や、スパッタ法（例えば、特許文献４）等がある。なかでも、スパッタ法による成膜は量産性が高い。
【０００６】
この他、ＡｌＯ膜の成膜については、例えば特許文献１や特許文献２等の技術がある。
【特許文献１】特開２００２−３１４１６６号公報
【特許文献２】特開２００１−８４５３２号公報
【特許文献３】特開２００６−２１０３９１号公報
【特許文献４】特開２００６−８０１１６号公報
【非特許文献１】W.H. Butler et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.054416
【非特許文献２】J. Mathon et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.220403
【非特許文献３】S. Yuasa et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.868
【非特許文献４】S.S. Parkin et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.862
【非特許文献５】D.D. Djayaprawira et al., Applied Physics Letter, Vol. 86 (2004), p.92502
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＴＭＲ素子は、トンネルバリア層として絶縁膜を含むため素子の抵抗が比較的大きい。このため、素子抵抗の大きなＴＭＲ素子を各種デバイスに用いると、素子の抵抗及び配線等の浮遊容量による時定数が大きくなり、素子の転送速度を高めることが困難となってしまう。ＴＭＲ素子の転送速度向上の観点からは、素子抵抗を低くする必要がある。ＴＭＲ素子の抵抗を低くする方法の一つとして、トンネルバリア膜を薄くしてトンネル電流を流れやすくする方法が考えられる。しかしながら、トンネルバリア膜の膜厚を薄くすると、トンネルバリア膜中の結晶欠陥や、トンネルバリア膜の界面の不均一性等の影響を大きく受けてトンネル電流以外の電流流路が生じ、ＴＭＲ素子のＭＲ比が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、素子の抵抗が低く、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、基板の上方に形成された第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層の上に形成された結晶性酸化物からなるトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層の上に形成された第２の強磁性体層と、を備えた磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層は、酸素暴露処理された結晶性酸化物膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１０】
上記観点によれば、トンネルバリア層を構成する結晶性酸化物中の酸素欠陥等の結晶欠陥が少ないため、トンネル電子の散乱が起こりにくくなる。このため、トンネルバリア膜を通過するトンネル電子は、従来よりも第１及び第２の強磁性層の磁化方向の差による影響をより大きく受け、ＭＲ比をさらに向上することができる。また、結晶性酸化物中の結晶欠陥などに基づくトンネル電流以外の電流流路が減少し、トンネル電流の比率が高まる。このため、薄いトンネルバリア層を有するＴＭＲ素子であっても、従来よりも高いＭＲ比が得られる。これにより、素子抵抗が低く、高いＭＲ比を有するＴＭＲ素子が得られる。
【００１１】
尚、上記観点の磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア膜を結晶性ＭｇＯによって形成することにより、高いＭＲ比が得られ好適である。
【００１２】
本発明の別の観点によれば、基板上方に強磁性体からなる第１の強磁性体層を形成する工程と、前記第１の強磁性体層の上に結晶性酸化物からなるトンネルバリア層を形成する工程と、前記トンネルバリア層を酸素暴露処理する工程と、前記トンネルバリア層の上に強磁性体からなる第２の強磁性層を形成する工程と、を有する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。
【００１３】
本観点の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、トンネルバリア層として結晶性酸化物層を形成した後に結晶性酸化物に酸素暴露処理を行っている。このため、結晶性酸化物膜の下地となる、第１の強磁性層を酸化劣化させずに、結晶性酸化物を酸素と接触させることができる。また、結晶性酸化物の酸素暴露処理によってトンネルバリア層中の酸素欠陥（結晶欠陥）が減少するため、本観点による製造方法によれば、トンネルバリア層において酸素欠陥によるトンネル電子の散乱や、酸素欠陥（結晶欠陥）によるトンネル電流以外の電流流路生成の少ない磁気抵抗効果素子が得られる。このため、本観点によればトンネルバリア膜が薄く素子抵抗が低い場合であっても高いＭＲ比が得られるため、情報伝送速度が高く磁気抵抗効果素子を製造することができる。
【００１４】
上記観点の磁気抵抗効果素子の製造方法において、トンネルバリア膜は、ＭｇＯをターゲットとして高真空下でスパッタ法により形成すると好適である。ＭｇＯをターゲットとしてスパッタ法により成膜することにより結晶性の良いＭｇＯ膜を量産性良く形成することができる。また、高真空下で成膜を行うので、下地となる第１の強磁性層が劣化することなく、結晶性ＭｇＯ膜を成膜できる。さらに、結晶性ＭｇＯ膜には酸素暴露処理が行われるので、酸素欠陥（結晶欠陥）の少ない結晶性ＭｇＯ膜が得られ、膜厚が薄くてもＭＲ比が高い磁気抵抗効果素子を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
以下図１及び図２を参照しつつ第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係わる磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子１０）を示す断面図であり、図２は、第１実施形態の実験例及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子のＲＡ（抵抗面積積）及びＭＲ比との関係を示すグラフである。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のＴＭＲ素子１０は積層構造物であり、基板１１の上方に順に、下地層１２、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、及びキャップ層１９を積層した構造を有する。以下これらの構成について更に詳細に説明する。
【００１８】
基板１１は、例えば、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等からなるセラミック基板や、Ｓｉ単結晶基板を用いることができる。また、基板１１と下地層１２の間に絶縁膜や導電膜を形成しても良い。例えば、磁気メモリ装置に使用するＴＭＲ素子１０の場合には、基板１１と下地層１２との間に層間絶縁膜や、Ａｌ又はＣｕ等の導電膜を形成してもよく(後述の図６及び９参照)、磁気ヘッド用のＴＭＲ素子１０であれば、磁気シールド材としてＮｉＦｅ膜等を形成しても良い（後述の図４参照）。
【００１９】
下地層１２は、上方に形成される膜の結晶性を向上するために形成される層であり、例えば５ｎｍ以上のＴａ膜又はＲｕ膜またはこれらの積層膜によって構成される。図１は、下地層１２を積層膜として構成した例を示し、下地層１２を基板側下地層１２ａ及び上側下地層１２ｂで構成している。この場合、基板側下地層１２ａを、例えば厚さ３ｎｍのＴａ膜とし、上側下地層１２ｂを、例えば厚さ２ｎｍのＲｕ膜として構成できる。基板側下地層１２ａ及び上側下地層１２ｂは共にスパッタ法等により形成される。
【００２０】
反強磁性層１３は、下地層１２の上に形成された層であり、ピンド層１４の磁化方向を固定するために形成される。反強磁性層１３は、例えば膜厚５〜３０ｎｍのＴＭ−Ｍｎ系合金（ＴＭ＝Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＩｒのうち少なくとも１種を含む。）、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ等で構成され、スパッタ法等によって形成される。反強磁性層１３は熱処理することによって、規則合金化して反強磁性が出現する。所定方向に磁場を印加しながら熱処理を行うことにより、ピンド層１４と交換相互作用によって交換結合を生じ、ピンド層１４の磁化の向きを固定できる。この熱処理は、例えば、キャップ層ｌ９を形成後、真空雰囲気中で２５０℃〜３５０℃、加熱時間２時間〜４時間、印加磁界１．５Ｔの条件で行うことができる。
【００２１】
ピンド層１４は、反強磁性層１３の上に形成された層であり、厚さ１〜３０ｎｍのＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらの合金（例えば、ＣｏＦｅ合金）等の強磁性体膜から構成される。非磁性結合層１５は、ピンド層１４の上に形成された層であり、厚さ０．４〜０．９ｎｍ程度のＲｕ（若しくはＲｕ系合金）、Ｒｈ（若しくはＲｈ系合金）、又はＩｒ（若しくはＩｒ系合金）等の非磁性材料から構成される。ピンド層１４及び非磁性結合層１５はスパッタ法等によって形成することができる。
【００２２】
リファレンス層１６は、非磁性結合層１５の上に形成された層であり、厚さ１〜３０ｎｍのＣｏＦｅ膜、ＮｉＦｅ膜、又はＣｏＦｅＢ膜等によって構成される。トンネルバリア層１７を結晶性ＭｇＯ膜で構成する場合、リファレンス層１６にＣｏＦｅＢを用いると高いＭＲ比が得られ好適である。リファレンス層１６は、スパッタ法等により形成することができる。以上のように構成されたピンド層１４、非磁性結合層１５、及びリファレンス層１６はシンセティクフェリピン層（交換結合膜）を構成する。すなわち、リファレンス層１６は、非磁性結合層１５を介してピンド層１４と反強磁性的に交換結合しており、リファレンス層１６の磁化の向きは、ピンド層１４の磁化方向と反平行の向きに固定されている。
【００２３】
トンネルバリア層１７は、リファレンス層１６の表面に形成された絶縁膜からなる層であり、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物膜によって構成される。この結晶性酸化物膜は、例えば結晶性ＭｇＯ膜によって構成される。結晶性酸化物膜の厚さは、用途によって各種選択することができるが、磁気ヘッド等の読み取り素子に適した素子特性、特に素子抵抗を低くして高速な情報転送速度を得る観点からはできるだけ薄く形成することが望ましい。例えば、結晶性酸化物膜をＭｇＯ膜とした場合には、厚さは１．２ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下とすることができる。この結晶性ＭｇＯ膜はＭｇＯをターゲットとしてスパッタ法で成膜できる。
【００２４】
結晶性酸化物膜の成膜は、リファレンス層１６の酸化劣化を防止すべく、低酸素分圧下（例えば全圧１０-7Ｐａ程度の真空雰囲気）で行われるため、成膜直後の結晶性酸化物膜には酸素欠陥が含まれる。本実施形態は、酸素欠陥を含む結晶性酸化物膜の形成後に酸素暴露処理を行い、酸素欠陥などの結晶欠陥の少ない結晶性酸化物膜として、トンネルバリア膜１７を構成している。例えば、結晶性ＭｇＯ膜の場合は結晶性ＭｇＯ膜を成膜後、ＭｇＯ膜を室温で酸素分圧が１０3Ｐａ以下の酸素ガスまたは酸素を含むガスと所定時間接触させる。この酸素暴露処理によって、結晶性ＭｇＯ膜中の酸素欠陥等の結晶欠陥が減少できる。また、結晶性ＭｇＯ膜の形成後に酸素暴露処理を行うため、下地側の強磁性体膜（リファレンス層１６）の酸化劣化を起こしにくく、トンネルバリア膜１７とリファレンス層１６との界面付近の劣化を抑制することができる。
【００２５】
フリー強磁性層１８は、トンネルバリア膜１７の上に形成された層であり、膜厚が１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｎｉ及びＦｅの少なくとも１種を含む強磁性材料、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ（パーマロイ）等、又はこれらの材料からなる膜の積層体により構成することができる。フリー強磁性層１８の材料は用途に応じて適宜選択することができる。例えば、ＣｏＦｅＢを用いた場合には高いＭＲ比が得られるため、磁気メモリ等の記録素子に適するＴＭＲ素子１０が得られる。また、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ積層膜やＮｉＦｅ等の保持力が低い強磁性材料を使用することにより、磁気ヘッドなどに適したＴＭＲ素子１０が得られる。また、フリー強磁性層１８は非磁性層を中間層として用いた積層フリー層としてもよく、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ等でも構成できる。フリー強磁性層１８は、スパッタ法などにより形成される。フリー強磁性層１８の磁化は面内方向を向いており、例えば、磁気記録媒体から漏れる磁場や、磁気メモリ装置のワード線を流れる電流によって発生した磁場によって、その磁化の方向が変化する。
【００２６】
キャップ層１９は、フリー強磁性層１８の上に形成された層であり、例えば、厚さ３ｎｍ以上のＴａ膜、Ｒｕ膜、又はこれらの積層膜によって構成される。図１に示す例では、キャップ層１９を基板側キャップ層１９ａ（例えば厚さ５ｎｍのＴａ膜）と、上側キャップ層１９ｂ（例えば厚さ１０ｎｍのＲｕ膜）の積層構造としている。キャップ層１９（基板側キャップ層１９ａ及び上側キャップ層１９ｂ）はスパッタ法などにより形成される。
【００２７】
以下、本実施形態に係わるＴＭＲ素子１０の製造方法について、図１に示すＴＭＲ素子１０を例に説明する。
【００２８】
基板の上方に、基板側下地層１２ａ、上側下地層１２ｂ、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、及びリファレンス層１６を順にスパッタ法によって形成する。尚いずれの工程も、室温で成膜を行うことができる。これらの工程は高真空下（１０-7Ｐａ程度）において行い、基板の移送も高真空下で行うことで強磁性層等を構成する金属膜の酸化劣化を防止できる。リファレンス層１６の形成後、トンネルバリア層１７の形成を行う。トンネルバリア層１７の形成工程では、先ず結晶性酸化物膜を形成する。結晶性酸化物膜としてＭｇＯ膜を形成する場合には、ＭｇＯをターゲットに用いてスパッタ法によってリファレンス層１６の上にＭｇＯ膜を形成する。この工程により結晶性ＭｇＯ膜を形成することができる。この工程において、成膜中の酸素分圧が高いと下地のリファレンス層１６が酸化されて劣化してしまうため、低酸素分圧下（例えば全圧が１０-7Ｐａ程度の真空雰囲気下）で行うことが望ましい。
【００２９】
次に、形成された結晶性酸化物膜の酸素暴露処理を行う。この場合、結晶性酸化物膜が形成された基板を、成膜用のチャンバから酸素暴露処理用のチャンバに移送する。これは、成膜用チャンバで酸素暴露処理を行うと、その次の基板の成膜処理を行う前に減圧やパージ等の酸素分圧を下げる処理を行う必要があるため手順が煩雑となるとともに、チャンバ内に残留した酸素によって強磁性体膜（リファレンス層１６）が酸化劣化するおそれがあるためである。
【００３０】
酸素暴露処理は、酸素暴露処理用のチャンバを真空排気しながら酸素ガスまたは酸素を含むガスを所定時間導入して酸素分圧を１０3Ｐａ以下となるようにして、結晶性ＭｇＯ膜等の結晶性酸化物膜をＯ2と接触させる。尚、酸素暴露処理は、基板温度を室温として行うことができる。結晶性酸化物膜をＯ2と接触させる時間（チャンバ内に酸素ガスを導入する時間；以下、酸素暴露時間と呼ぶ）は、結晶性酸化物膜の膜厚及び酸素分圧に応じて適宜最適化する必要がある。酸素暴露時間が長すぎると素子のＭＲ比が低下するからである。これは、結晶性酸化物膜中の結晶欠陥やピンホール等を介した酸素の拡散により下地のリファレンス層１６が酸化劣化するためである。最適な酸素暴露時間は、一定酸素分圧下において、結晶性酸化物膜の膜厚が薄い場合には短くなり、結晶性酸化物膜の膜厚が厚い場合には長くなる。また、一定膜厚下において、酸素分圧が高い場合に短く、酸素分圧が低い場合に長くなる。酸素暴露処理の制御性の観点から、結晶性酸化物膜にＭｇＯ膜を用いる場合には、酸素分圧を１０3Ｐａ以下として酸素暴露処理を行うことが望ましい。例えば、結晶性酸化物膜が厚さ１ｎｍ程度のＭｇＯ膜の場合には、室温で、酸素分圧１３０Ｐａの場合、最適な酸素暴露時間は１２０秒となる。尚、上述の例では基板温度を室温としたが、本実施形態はこれに限られず、基板を加熱又は冷却して酸素暴露処理を行ってもよく、この場合は最も高いＭＲ比が得られるように酸素分圧及び酸素暴露時間を適宜最適化すればよい。以上の結晶性酸化物膜の成膜及び結晶性酸化物膜の酸素暴露処理によってトンネルバリア膜１７の形成工程が完了する。
【００３１】
その後、基板１１を低酸素分圧下（例えば全圧１０-7Ｐａ程度の真空雰囲気）のチャンバに移送して、フリー強磁性層１８、基板側キャップ層１９ａ、及び上側キャップ層１９をスパッタ法により順次形成する。尚、これら層の形成は室温によって行うことができる。その後、基板１１を真空雰囲気下で、温度２５０℃〜３５０℃、加熱時間２時間〜４時間、印加磁界１．５Ｔ（テスラ）の条件で熱処理することにより、ピンド層１４およびリファレンス層１６の磁化の方向を固定する。このようにして形成された磁気抵抗効果膜を公知のフォトリソグラフ法、エッチング処理により整形し、公知の成膜方法（スパッタ法、ＣＶＤ法等）により基板１１側及びキャップ層１９側に電極を形成することにより、本実施形態のＴＭＲ素子１０が完成する。
【００３２】
（実験例）
本実施形態の一態様である実験例に係わる磁気抵抗効果素子及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子を作製し、そのＭＲ比の測定を行った。実験例に係わる磁気抵抗効果素子は、基板側から順に、厚さ３ｎｍのＴａ膜（基板側下地層１２ａ）、厚さ２ｎｍのＲｕ膜（上側下地層１２ｂ）、厚さ７ｎｍのＩｒＭｎ膜（反強磁性層１３）、厚さ１．８ｎｍのＣｏＦｅ膜（ピンド層１４）、厚さ０．８ｎｍのＲｕ膜（非磁性結合層１５）、厚さ２．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜（リファレンス層１６）、厚さ１．２ｎｍ以下の結晶性ＭｇＯ膜（トンネルバリア層１７）、厚さ３．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜（フリー強磁性層１８）、厚さ５ｎｍのＴａ膜（基板側キャップ層１９ａ）、厚さ１０ｎｍのＲｕ膜（上側キャップ層１９ｂ）からなる。これらの膜は、ＭｇＯ膜を含め、室温において、高真空下（１０-7Ｐａ程度）でスパッタ法により形成した。また、本実験例のトンネルバリア層１７は厚さを１．２ｎｍ以下の範囲で厚さを変化させた膜をＭｇＯ膜からなり、これらのＭｇＯ膜に対して室温の下、膜厚に応じてＭＲ比が最善となるように適宜酸素暴露時間および酸素分圧を変化させながら酸素暴露処理を行った。このうち、膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ膜に対しては、基板温度を室温として酸素分圧１３０Ｐａ、酸素暴露処理時間１２０秒で酸素暴露処理を行った。
【００３３】
一方、比較例の磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア膜以外は実験例と同様の積層膜によって構成され、その製法もトンネルバリア膜１７の形成工程を除いて同様である。比較例のトンネルバリア膜は結晶性ＭｇＯ膜からなり、実験例と同様に真空雰囲気（１０-7Ｐａ）においてＭｇＯをターゲットとしたスパッタ法により成膜した。但し、比較例は結晶性ＭｇＯ膜に対して酸素暴露処理を行わずにトンネルバリア膜形成工程を終了している点で本実験例と相違する。
【００３４】
作製されたＴＭＲ素子について抵抗値及びＭＲ比を測定し、その結果に基づいて各素子の抵抗面積積ＲＡ（Ωμｍ2）を求めた。ここで、抵抗面積積とは、素子面積（μｍ2）と抵抗値（Ω）との積である。例えば試料素子の膜面の大きさが０．１μｍ×０．１μｍであって素子の抵抗値が３００Ωであった場合には、抵抗面積積は３（Ωμｍ2）と求められる。尚、本実験例及び比較例のＴＭＲ素子の抵抗面積積ＲＡは、ＭｇＯ膜の膜厚に依存し、ＲＡ＝１０（Ωμｍ2）を示す試料ではＭｇＯ膜の膜厚は１．２ｎｍ程度であり、ＲＡ＝３（Ωμｍ2）を示す試料のＭｇＯ膜の膜厚は１．０ｎｍ程度であった。
【００３５】
本実験例及び比較例のＴＭＲ素子の抵抗面積積ＲＡとＭＲ比との関係は図２に示すように、同一の抵抗面積積ＲＡを有する試料間で比較した場合には本実験例のＴＭＲ素子の方が高いＭＲ比が得られた。特に、磁気ヘッドに適した１〜３．５Ωμｍ2の低い抵抗面積積ＲＡを有するＴＭＲ素子では、本実験例の素子は２５％〜６０％のＭＲ比が得られ、比較例よりも２割程度高いＭＲ比を示した。これは、本実験例及び比較例のトンネルバリア膜共に低酸素分圧下（高真空下）においてスパッタ法で形成されているため、ＭｇＯ膜中に酸素欠陥が多く含まれるものと考えられる。しかしながら本実験例のトンネルバリア膜の場合には酸素暴露処理によって酸素欠陥（結晶欠陥）が減少し、酸素欠陥に基づくトンネル電子のスピン散乱の減少や、酸素欠陥に基づくトンネル電流以外の電流流路形成が減少するため、酸素欠陥等を多く含む比較例のＴＭＲ素子よりもＭＲ比が向上したものと考えられる。
【００３６】
以上のように、本実施形態に係わる磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層１７として結晶性酸化物膜を形成した後、結晶性酸化物膜を酸素ガスと接触させる処理を行うことにより酸素欠陥（結晶欠陥）が少ない結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜が得られる。また、トンネルバリア膜中の酸素欠陥を減少させる処理を結晶性酸化物形成後に行っているため、下地側の強磁性膜が劣化する恐れがない。さらに、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物膜によれば、酸素欠陥（結晶欠陥）によるトンネル電子のスピン散乱や、酸素欠陥（結晶欠陥）によるトンネル電流以外の電流流路生成が少なくなる。このため、トンネルバリア膜の膜厚が薄く低抵抗（低抵抗面積積ＲＡ）の素子であっても高いＭＲ比が得られる。さらに、本実施形態のＴＭＲ素子１０によれば低い素子抵抗によって情報転送速度を向上することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
以下、図３〜図５を参照しつつ、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド及び磁気ディスク装置に関するものである。ここに、図３は第２実施形態の磁気ヘッド３０の要部を示す断面図であり、図４（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の磁気ヘッド３０の製造途中の様子を示す断面図であり、図５は第２実施形態の磁気ディスク装置５０を示す図である。上記各図において、既に説明した構成と同一の構成については同一符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
（磁気ヘッド）
図３に示すように、磁気ヘッド３０は、基板３１の上方に形成されたＴＭＲ素子１０と、その上方に形成された誘導型記録素子３５とを備える。
【００３９】
基板３１は、磁気ヘッド３０のヘッドスライダとなり、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等のセラミック基板（アルチック基板）からなる。基板３１の上には基板側磁気シールド層３２が形成されている。基板側シールド層３２は、ＴＭＲ素子１０の磁気シールドと下部電極とを兼ね、軟磁性合金として、例えばＮｉＦｅ又はＣｏＦｅ等から構成される。基板側シールド層３２の上にはＴＭＲ素子１０が形成されている。ＴＭＲ素子１０の積層膜の膜面は紙面と垂直な方向に広がり、その法線が図３の紙面上下方向に伸びる線と略同一となるように形成されている。ＴＭＲ素子１０の側方には磁区制御層４１が設けられている。磁区制御層４１は、ＴＭＲ素子１０を構成するリファレンス層１６やフリー強磁性層１８の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。ＴＭＲ素子１０の上には上側磁気シールド層３４が形成されている。上側磁気シールド層３４は、ＴＭＲ素子１０の磁気シールドと上部電極とを兼ね、基板側磁気シールド層３２と同様な、軟磁性合金材料を用いて形成される。
【００４０】
誘導型記録素子３５は、主磁極３６並びに補助磁極（上側磁気シールド層３４を兼ねる）と、磁極間に形成された記録ギャップと、磁極を磁気的に接続するヨークと、ヨークを巻き回す誘導コイル４２とを有する。
【００４１】
次に図４（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ磁気ヘッド３０の製造方法を説明する。尚、図４（ａ）〜（ｃ）は磁気ヘッドを記録媒体側から見たときの構造を示している。
【００４２】
まず、図４（ａ）に示す構造を形成するまでの工程について説明する。基板３１の上にＡｌ2Ｏ3膜を形成し（図示せず）、その上に例えばＮｉＦｅなどの軟磁性合金により磁基板側磁気シールド層３２を２〜３μｍの厚さに形成する。そして、軟磁性磁気シールド層３２の上にＴＭＲ素子１０を構成する下地層１２（基板側下地層１２ａ並びに上側下地層１２ｂ)、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、及びキャップ層１９（基板側キャップ層１９ａ並びに上側キャップ層１９ｂ）を順に形成することにより磁気抵抗効果膜が形成され、図４（ａ）に示す構造物が完成する。尚、磁気抵抗効果膜を構成する各層の膜厚、材質、製法は第１実施形態のＴＭＲ素子１０と同様とすることができる。
【００４３】
次に、形成された磁気抵抗効果膜を所定の形状に加工する。磁気抵抗効果膜の上にフォトレジスト法により所定の形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして基板側磁気シールド層３２が露出するまでイオンミーリングを施して、図４（ｂ）に示す構造物（ＴＭＲ素子１０）が完成する。
【００４４】
次に、図４（ｃ）に示す構造物を形成するまでの工程について説明する。上述のように磁気抵抗効果膜を所定の寸法に加工した後、レジストパターンを残したまま、スパッタリング法により基板３１の上側面全面に厚さ３〜１０ｎｍの絶縁膜４０を形成する。その後、スパッタリング法により、絶縁膜４０の上にＣｏＣｒＰｔを堆積させて、ＴＭＲ素子１０の両側部に磁区制御層４１を形成する。次いで、レジストパターンを除去する。
【００４５】
次に、磁区制御層４１の表面を平坦化した後、ＴＭＲ素子１０及び磁区制御層４１の表面の上に例えばＮｉＦｅなどからなる上側磁気シールド層３４を２〜３μｍの厚さに形成する。このようにして、図４（ｃ）に示す構造物が完成する。
【００４６】
次いで、公知の方法により、上側磁気シールド層３４の上に、誘導型記録素子３５（主磁極、補助磁極、ヨーク、コイル等）を形成する（図３参照）。このようにして、本実施形態に係わる磁気ヘッド３０が完成する。
【００４７】
磁気ヘッド３０において、ＴＭＲ素子１０を流れる検出電流は膜面と垂直（法線）方向に流れ、例えば、検出電流は上側磁気シールド層３４から基板側磁気シールド３２に流れる。ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８は、磁気記録媒体から漏れる磁場によって、図３において紙面と垂直な面内方向に磁化の方向が変化し、この結果、ＴＭＲ素子１０の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電気的に検出することにより磁気記録媒体に記録された情報を読み取ることができる。さらに、本実施形態の磁気ヘッド３０に使用されるＴＭＲ素子１０は、その抵抗面積積ＲＡが小さい場合でも、高いＭＲ比を示すため、抵抗面積積ＲＡの小さい素子を用いた場合でもＳ／Ｎ比が低下することがない。このため、抵抗面積積ＲＡの小さい素子を用いることにより、磁気記録媒体の読み取り速度（転送速度）を向上することができる。
【００４８】
（磁気ディスク装置）
次に、図５を参照しつつ磁気ディスク装置５０について説明する。本実施形態に係わる磁気ディスク装置５０は、上述の磁気ヘッド３０を備えたことを特徴とする。
【００４９】
図５に示すように、磁気ディスク装置５０は、筐体５４内に磁気記録媒体５１と、先端に磁気ヘッド３０を備えたヘッドスライダ（基板）３１と、ヘッドスライダ３１を保持するサスペンションアーム５３とを収納している。磁気記録媒体５１は図示しないスピンドルモータにより回転され、磁気ヘッド３０はサスペンションアーム５３を駆動する図示しないヘッド位置決め機構により記録媒体５１上の所定のトラックに移動することができる。
【００５０】
本実施形態の磁気ディスク装置は、磁気ヘッド３０の読み取り素子（ＴＭＲ素子１０）に、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜を備えている。このため、従来の読み取り素子よりも読み取り信号の出力信号が高くなりＳ／Ｎ比が改善し、より信頼性の高い読み取り動作が可能となる。また、従来のＴＭＲ素子よりもより低い抵抗面積積ＲＡの素子を読み取り素子に使用することができる。これにより、本実施形態の磁気ディスク装置５０は、ＴＭＲ素子の抵抗値をより低くでき、記録媒体からの読み取り信号の転送速度を上げることができるので、より速い情報読み出し速度を達成することができる。
【００５１】
（第３実施形態）
以下、図６〜図８を参照しつつ第３実施形態について説明する。第３実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いた磁気メモリ装置に関する。ここに、図６は第３実施形態に係わるメモリ装置の構成例１を示す図であり、図７は構成例１の磁気メモリ装置の１つのメモリセルの等価回路図である。また、図８は、第３実施形態の構成例２を示す断面図である。尚、上記各図において、既に説明した構成と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。また、図６及び図８において、方向を示すための直交座標軸を示す。このうち、Ｙ１及びＹ２方向は紙面に垂直な方向であり、Ｙ１方向は紙面の奥に、Ｙ２方向は紙面の手前に向かう方向である。以下の説明において、単にＸ方向という場合は、Ｘ１方向及びＸ２方向のいずれでもよく、Ｙ方向、Ｚ方向についても同様とする。
【００５２】
（電流磁界書き込み型磁気メモリ装置）
図６に示すように、磁気メモリ装置６０は、例えばマトリクス状に配置された複数のメモリセル６１により構成される。メモリセル６１は、ＴＭＲ素子１０及びＦＥＴ６２によって構成される。ＦＥＴ６２は、ｐ型又はｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。以下の説明ではｎ型ＭＯＳＦＥＴを例に説明する。ＦＥＴ６２は、半導体基板６３中に形成されたｐウエル（ｐ型不純物が導入された領域）と、半導体基板６３の表面に互いに隔てて設けられた拡散領域６５ａ及び６５ｂを備える。拡散領域６５ａ及び６５ｂは、ｎ型不純物が拡散された領域であり、拡散領域６５ａがソース（Ｓ）側であり、拡散領域６５ｂがドレイン（Ｄ）側である。拡散領域６５ａ及び６５ｂの間の部分の上方には、ゲート絶縁膜６６を介してゲート（Ｇ）が形成されている。ＦＥＴ６２のソース側の拡散領域６５ａは、垂直配線７４及び層内配線７５を介してＴＭＲ素子１０の一方（例えば基板側下地層１２ａ）と電気的に接続されている。また、ドレイン側の拡散領域６５ｂは、垂直配線７４を介してプレート線と電気的に接続されている。ゲート（Ｇ）は読み出し用のワード線６９と接続されている。尚、図６の例ではワード線６９がＦＥＴ６２のゲート（Ｇ）電極を兼ねている。
【００５３】
ビット線７０は、ＴＭＲ素子１０の他方（例えば上側キャップ層１９ｂ）と電気的に接続されている。ＴＭＲ素子１０の下方には、電気的に隔離して書き込み用のワード線７１が配置されている。ＴＭＲ素子１０は、先に図１に示したＴＭＲ素子１０と同様な構成であり、トンネルバリア層には酸素暴露処理が施されている。ＴＭＲ素子１０は、磁化容易軸の方向をＹ方向に沿って設定する。この磁化容易軸の方向は、熱処理によって形成してもよく、形状異方性により形成しても良い。形状異方性によりＸ方向に磁化容易軸を形成する場合には、ＴＭＲ素子１０の膜面に平行な断面形状（Ｘ−Ｙ平面に平行な断面形状）をＹ方向の辺よりもＸ方向の辺が長い矩形とする。
【００５４】
尚、磁気メモリ装置６０は、半導体基板６３の表面やゲート電極Ｇがシリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの層間絶縁膜７３に覆われている。また、ＴＭＲ素子１０、プレート線６８、読み出し用ワード線６９、ビット線７０、書き込み用ワード線７１、垂直配線７４、及び層内配線７５は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜７３によって互いに電気的に絶縁されている。
【００５５】
磁気メモリ装置６０は、ＴＭＲ素子１０に情報を保持する。情報は、リファレンス層１６の磁化方向に対して、フリー強磁性層１８の磁化の方向が平行か、反並行の状態であるかによって保持される。
【００５６】
次に、磁気メモリ装置６０の書き込み及び読み出し動作について説明する。
【００５７】
磁気メモリ装置６０のＴＭＲ素子１０への情報の書き込み動作は、ＴＭＲ素子１０の上下に配置されたビット線７０と書き込み用ワード線７１とにより行われる。ビット線７０は、ＴＭＲ素子１０の上方をＸ方向に伸びており、ビット線７０に電流を流すことによりＴＭＲ素子１０に対してＹ方向の磁界が印加される。また、書き込み用ワード線７１はＴＭＲ素子１０の下方をＹ方向に伸びており、書き込み用ワード線７１に電流を流すことによりＴＭＲ素子１０にＸ方向の磁界が印加される。ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８の磁化は、磁界が印加されていない場合にはＸ方向を向いており、その磁化方向は安定である。
【００５８】
情報をＴＭＲ素子１０に書き込む際はビット線７０と書き込み用ワード線７１とに同時に電流を流す。例えば、ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８の磁化をＸ１方向に向けるときは、ビット線７０にＸ方向に電流を流すとともに、書き込みワード線７１にＹ１方向の電流を流す。ビット線７０に流れる電流によりＴＭＲ素子１０にＹ方向の磁界が印加され、フリー強磁性層１８が磁化困難軸の障壁を越えるための磁界の一部として機能する。また、書き込みワード線７１をＹ１方向に流れる電流は、ＴＭＲ素子１０にＸ１方向の磁界を印加し、フリー強磁性層１８の磁化の方向をＸ１方向に向ける。
【００５９】
このようにして、ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８の磁化の向きに応じて情報（“０”又は“１”）が書き込まれる。例えばＴＭＲ素子１０のリファレンス層１６の磁化の方向がＸ１方向に固定されている場合に、フリー強磁性層１８の磁化の向きがＸ１方向であるときは、トンネルバリア膜１７の抵抗値が低くなり、例えば“１”として検出できる。同様にフリー強磁性層１８の磁化の向きがＸ２方向のときは、トンネルバリア膜１７の抵抗値が高くなり例えば“０”として検出できる。尚、書き込み動作の際にビット線７０及び書き込み用ワード線７１に供給される電流値は、ビット線７０又は書き込み用ワード線７１のいずれか一方にのみ電流が流されてもフリー強磁性層１８の磁化の反転が生じない程度に設定される。これにより、電流を供給したビット線７０と電流を供給した書き込み用ワード線７１の交点に位置するＴＭＲ素子１０にのみ書き込みを行うことができる。また、書き込み動作の際にビット線７０を流れる電流がＴＭＲ素子１０に流れないように、ＦＥＴ６２をオフとして、ＦＥＴ６２のソース（Ｓ）はハイインピーダンスに設定される。
【００６０】
磁気メモリ装置６０の読み出し動作は、ビット線７０をソースＳよりも低い電圧に設定し、読み出し用ワード線６９（ゲート電極Ｇ）にＦＥＴ６２の閾値電圧よりも高い電圧を印加する。これにより、ＦＥＴ６２はオンとなり、電子がビット線７０からＴＭＲ素子１０、ソースＳ及びドレインＤを介してプレート線６８に流れる。プレート線６８に電流計等の電流検出器７８を電気的に接続することで、フリー強磁性層１８とリファレンス層１６との相対的な磁化の向きを反映した磁気抵抗値を検出することができる。これにより、ＭＴＲ素子１０が保持する“１”又は“０”の情報を読み出すことができる。
【００６１】
以上のように構成された第３実施形態の構成例１の磁気メモリ装置１０において、ＴＭＲ素子１０のトンネルバリア層１７は、結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜を形成後に結晶性酸化物膜を酸素暴露処理を行っているため、酸素欠陥の少ない結晶性酸化物膜からなる。そして、この酸素欠陥の少ない結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜からなるトンネルバリア膜１７によれば、抵抗面積積ＲＡが小さな素子でもＭＲ比が大きい。したがって、磁気メモリ装置６０では、情報の読み出しの際に、保持された“０”及び“１”に対する磁気抵抗値の変化がより大きいので、ＴＭＲ素子１０の出力変化もより大きくなり、より正確な読み出しができる。さらに、素子抵抗を低くすることができるので、ＴＭＲ素子１０からの読み出し速度をより早くすることができる。
【００６２】
（偏極スピン電流注入書き込み型磁気メモリ装置）
図８は、第３実施形態の構成例２に係わる磁気メモリ装置８０を示す。尚、図８において図６と同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。磁気メモリ装置８０は、ＴＭＲ素子１０に情報を書き込むための機構及び動作が構成例１の磁気メモリ装置６０と異なる。
【００６３】
磁気メモリ装置８０のメモリセルは、書き込み用ワード線７１が設けられていない点を除いて、図６及び図７に示すメモリセルと同様の構成である。以下、図７及び図８を参照しつつ説明する。
【００６４】
磁気メモリ装置８０は、偏極スピン電流をＴＭＲ素子１０に注入し、その電流の向きによって、フリー強磁性層１８の磁化の向きを制御する。偏極スピン電流は、電子が取りうる２つのスピンの向きのうち、一方の向きの電子からなる電子流である。偏極スピン電流の向きをＴＭＲ素子１０のＺ１方向又はＺ２方向に流すことで、フリー強磁性層１８の磁化にトルクを発生させ、いわゆるスピン注入磁化反転を起こさせる。偏極スピン電流の電流量は、フリー強磁性層１８の膜厚に応じて適宜選択されるが、２０ｍＡ以下である。偏極スピン電流の電流量は、図６の構成例１の書き込み動作でビット線７０及び書き込みワード線７１に流れる電流量よりも少なく、消費電力を低減できる。
【００６５】
尚、偏極スピン電流は、ＴＭＲ素子１０と略同様の構成を有するＣｕ膜を２つの強磁性体層で挟んだ積層体に垂直に電流を流すことで生成することができる。電子のスピンの向きは２つの強磁性体の磁化の向きを平行又は反平行に設定することで制御できる。磁気メモリ装置８０の読み取り動作は、図６の構成例１の磁気メモリ装置６０と同様である。
【００６６】
構成例２の磁気メモリ装置８０は、構成例１の磁気メモリ装置６０の持つ効果に加えて低消費電力化が可能であるという効果も有する。
【００６７】
（その他の実施形態）
以上のように本発明のＴＭＲ素子１０は、トンネルバリア層１７として結晶性酸化物膜（例えばＭｇＯ膜）を２つの強磁性体膜の間に１層形成する構成であったが、本発明はこれ以外にも以下の構成とすることもできる。すなわち、３層の強磁性体膜の間に２層のトンネルバリア層を形成した２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子にも適用することができる。ここに、図９は、本発明の別実施形態に係わる２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子２０の構成を示す断面図である。尚、先に説明した部分と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
ＴＭＲ素子２０は、基板１１上に、基板側下地層１２ａ及び上側下地層１２ｂを有する下地層１２と、反強磁性層１３と、ピンド層１４と、非磁性結合層１５と、リファレンス層１６とトンネルバリア層１７と、フリー強磁性層１８とを順に備え、さらにその上に上部トンネルバリア層２７と、上部リファレンス層２６と、上部非磁性中間層２５と、上部ピンド層２４と、上部反強磁性層２３と、基板側キャップ層１９ａ及び上側キャップ層１９ｂで構成されるキャップ層１９とを順に備えている。本発明の別実施形態において、トンネルバリア層１７及び上部トンネルバリア層２７は同一の材料、膜厚であり、例えばＭｇＯ膜等の結晶性酸化物膜からなる。この結晶性酸化物膜は、低酸素分圧下（例えば１０-7Ｐａ程度の高真空下）で酸化物（例えばＭｇＯ）をターゲットとしたスパッタ法により形成される。さらに、本実施形態のトンネルバリア層１７及び２７は、形成された結晶性酸化物を１０3Ｐａ以下の酸素分圧を有する酸素ガス又は酸素を含むガスと接触する酸素暴露処理を経て作製される。
【００６９】
ＴＭＲ素子２０において、上部リファレンス層２６はリファレンス層１６と、上部非磁性中間層２５は非磁性中間層１５と、上部ピンド層２４はピンド層１４と、上部反強磁性層２３は反強磁性層１３と、それぞれ同一の材料、膜厚、製法によって形成することができる。尚、本実施形態の基板１１、下地層１２、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、キャップ層１９は、図１で既に説明したＴＭＲ素子１０の対応する符号が付された構成部分と同一として構成することができる。
【００７０】
以上のように構成された２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子２０においても、結晶性酸化物膜の形成後に、結晶性酸化物膜に酸素暴露処理を行っているため、従来の２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子よりも高いＭＲ比を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係わる磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の実験例及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子のＲＡとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態に係わる磁気ヘッドの要部の構成を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態に係わる磁気ヘッドの製造途中の様子を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係わる磁気ヘッドを備えた磁気ディスク装置を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係わる磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図である。
【図７】図７は、第３実施形態に係わる磁気メモリ装置の一部分についての等価回路を示す図である。
【図８】図８は、第３実施形態に係わる磁気メモリ装置の変形例を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の別実施形態に係わる磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…ＴＭＲ素子、１１…基板、１２…下地層、１２ａ…基板側下地層、１２ｂ…上側下地層、１３…反強磁性層、１４…ピンド層、１５…非磁性結合層、１６…リファレンス層、１７…トンネルバリア層、１８…フリー強磁性層、１９…キャップ層、１９ａ…基板側キャップ層、１９ｂ…上側キャップ層、２０…２重トンネル接合型ＴＭＲ素子、２７…上部トンネルバリア層、２６…上部リファレンス層、２５…上部非磁性結合層、２４…上部ピンド層、２３…上部反強磁性層、３０…磁気ヘッド、３１…基板（ヘッドスライダ）、３２…基板側磁気シールド層、３４…上側磁気シールド層、３５…誘導型記録素子、４０…絶縁膜、４１…磁区制御層、５０…磁気ディスク装置、５１…磁気記録媒体、５２…磁気ヘッド、５３…サスペンションアーム、５４…筐体、６０…磁気メモリ装置（電流磁界書き込み型）、６１…メモリセル、６２…ＦＥＴ、６３…半導体基板、６４…ｐウエル、６５ａ…ソース側拡散領域、６５ｂ…ドレイン側拡散領域、６６…ゲート絶縁膜、６８…プレート線、６９…読み出し用ワード線、７０…ビット線、７１…書き込み用ワード線、７３…層間絶縁膜、７４…垂直配線、７５…層内配線、７８…電流検出器、８０…磁気メモリ装置（偏極スピン電流注入書き込み型）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ディスク装置及び磁気メモリ装置等の磁気デバイスに使用するトンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の磁気ディスク装置の高記録密度化により、記録媒体からの磁気信号も更に微小になりつつある。このため、磁気ディスク装置の磁気ヘッドに用いられる読み取り素子のＳ／Ｎ比の向上が求められている。また、磁気ディスク装置の高記録密度化に伴って、磁気ヘッド用読み取り素子の転送速度の向上も求められている。
【０００３】
磁気抵抗効果素子の一種であるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果：Tunneling Magneto Resistance）素子は、ＭＲ比（磁気抵抗比：Magneto Resistive ratio）がＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子と比較して高く、Ｓ／Ｎ比の点で優れているため、現在生産されている磁気ディスク装置の読み取り素子として主流となりつつある。また、ＴＭＲ素子は磁気ディスク装置の読み取り素子のみならず、磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive random access memory）用の記録素子としても期待されている。
【０００４】
このＴＭＲ素子は、トンネルバリア膜を強磁性体膜の間に挟んだ強磁性トンネル接合（ＴＭＪ：Tunneling Magnetic Junction）を有し、強磁性体膜の磁化の変化により強磁性トンネル接合の抵抗値が変化する。この抵抗値は、トンネルバリア膜を挟んだ強磁性体膜の磁気モーメントが平行の場合には低くなり、反平行の場合には高くなる。この抵抗値の変化率がＭＲ比であり、ＭＲ比の高いＴＭＲ素子からは、強磁性体膜の変化に伴う信号出力がより大きくなる。
【０００５】
ＴＭＲ素子のＭＲ比等の特性は、トンネルバリア膜によって大きく左右されることが知られている。トンネルバリア膜として、ＡｌＯ（酸化アルミニウム）膜、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜、ＴｉＯ（酸化チタン）膜を用いたＴＭＲ素子が知られているが、結晶性のＭｇＯ膜をトンネルバリア膜に用いた場合には高いＭＲ比が得られる（例えば、非特許文献１〜５）ことが報告されている。この結晶性ＭｇＯ膜の成膜方法として、電子線蒸着法（例えば、特許文献３）や、スパッタ法（例えば、特許文献４）等がある。なかでも、スパッタ法による成膜は量産性が高い。
【０００６】
この他、ＡｌＯ膜の成膜については、例えば特許文献１や特許文献２等の技術がある。
【特許文献１】特開２００２−３１４１６６号公報
【特許文献２】特開２００１−８４５３２号公報
【特許文献３】特開２００６−２１０３９１号公報
【特許文献４】特開２００６−８０１１６号公報
【非特許文献１】W.H. Butler et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.054416
【非特許文献２】J. Mathon et al., Physical Review B, Vol. 63 (2001), p.220403
【非特許文献３】S. Yuasa et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.868
【非特許文献４】S.S. Parkin et al., Nature Materials, Vol. 3 (2004), p.862
【非特許文献５】D.D. Djayaprawira et al., Applied Physics Letter, Vol. 86 (2004), p.92502
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＴＭＲ素子は、トンネルバリア層として絶縁膜を含むため素子の抵抗が比較的大きい。このため、素子抵抗の大きなＴＭＲ素子を各種デバイスに用いると、素子の抵抗及び配線等の浮遊容量による時定数が大きくなり、素子の転送速度を高めることが困難となってしまう。ＴＭＲ素子の転送速度向上の観点からは、素子抵抗を低くする必要がある。ＴＭＲ素子の抵抗を低くする方法の一つとして、トンネルバリア膜を薄くしてトンネル電流を流れやすくする方法が考えられる。しかしながら、トンネルバリア膜の膜厚を薄くすると、トンネルバリア膜中の結晶欠陥や、トンネルバリア膜の界面の不均一性等の影響を大きく受けてトンネル電流以外の電流流路が生じ、ＴＭＲ素子のＭＲ比が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、素子の抵抗が低く、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、基板の上方に形成された第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層の上に形成された結晶性酸化物からなるトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層の上に形成された第２の強磁性体層と、を備えた磁気抵抗効果素子であって、前記トンネルバリア層は、酸素暴露処理された結晶性酸化物膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
【００１０】
上記観点によれば、トンネルバリア層を構成する結晶性酸化物中の酸素欠陥等の結晶欠陥が少ないため、トンネル電子の散乱が起こりにくくなる。このため、トンネルバリア膜を通過するトンネル電子は、従来よりも第１及び第２の強磁性層の磁化方向の差による影響をより大きく受け、ＭＲ比をさらに向上することができる。また、結晶性酸化物中の結晶欠陥などに基づくトンネル電流以外の電流流路が減少し、トンネル電流の比率が高まる。このため、薄いトンネルバリア層を有するＴＭＲ素子であっても、従来よりも高いＭＲ比が得られる。これにより、素子抵抗が低く、高いＭＲ比を有するＴＭＲ素子が得られる。
【００１１】
尚、上記観点の磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア膜を結晶性ＭｇＯによって形成することにより、高いＭＲ比が得られ好適である。
【００１２】
本発明の別の観点によれば、基板上方に強磁性体からなる第１の強磁性体層を形成する工程と、前記第１の強磁性体層の上に結晶性酸化物からなるトンネルバリア層を形成する工程と、前記トンネルバリア層を酸素暴露処理する工程と、前記トンネルバリア層の上に強磁性体からなる第２の強磁性層を形成する工程と、を有する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。
【００１３】
本観点の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、トンネルバリア層として結晶性酸化物層を形成した後に結晶性酸化物に酸素暴露処理を行っている。このため、結晶性酸化物膜の下地となる、第１の強磁性層を酸化劣化させずに、結晶性酸化物を酸素と接触させることができる。また、結晶性酸化物の酸素暴露処理によってトンネルバリア層中の酸素欠陥（結晶欠陥）が減少するため、本観点による製造方法によれば、トンネルバリア層において酸素欠陥によるトンネル電子の散乱や、酸素欠陥（結晶欠陥）によるトンネル電流以外の電流流路生成の少ない磁気抵抗効果素子が得られる。このため、本観点によればトンネルバリア膜が薄く素子抵抗が低い場合であっても高いＭＲ比が得られるため、情報伝送速度が高く磁気抵抗効果素子を製造することができる。
【００１４】
上記観点の磁気抵抗効果素子の製造方法において、トンネルバリア膜は、ＭｇＯをターゲットとして高真空下でスパッタ法により形成すると好適である。ＭｇＯをターゲットとしてスパッタ法により成膜することにより結晶性の良いＭｇＯ膜を量産性良く形成することができる。また、高真空下で成膜を行うので、下地となる第１の強磁性層が劣化することなく、結晶性ＭｇＯ膜を成膜できる。さらに、結晶性ＭｇＯ膜には酸素暴露処理が行われるので、酸素欠陥（結晶欠陥）の少ない結晶性ＭｇＯ膜が得られ、膜厚が薄くてもＭＲ比が高い磁気抵抗効果素子を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
以下図１及び図２を参照しつつ第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係わる磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子１０）を示す断面図であり、図２は、第１実施形態の実験例及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子のＲＡ（抵抗面積積）及びＭＲ比との関係を示すグラフである。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のＴＭＲ素子１０は積層構造物であり、基板１１の上方に順に、下地層１２、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、及びキャップ層１９を積層した構造を有する。以下これらの構成について更に詳細に説明する。
【００１８】
基板１１は、例えば、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等からなるセラミック基板や、Ｓｉ単結晶基板を用いることができる。また、基板１１と下地層１２の間に絶縁膜や導電膜を形成しても良い。例えば、磁気メモリ装置に使用するＴＭＲ素子１０の場合には、基板１１と下地層１２との間に層間絶縁膜や、Ａｌ又はＣｕ等の導電膜を形成してもよく(後述の図６及び９参照)、磁気ヘッド用のＴＭＲ素子１０であれば、磁気シールド材としてＮｉＦｅ膜等を形成しても良い（後述の図４参照）。
【００１９】
下地層１２は、上方に形成される膜の結晶性を向上するために形成される層であり、例えば５ｎｍ以上のＴａ膜又はＲｕ膜またはこれらの積層膜によって構成される。図１は、下地層１２を積層膜として構成した例を示し、下地層１２を基板側下地層１２ａ及び上側下地層１２ｂで構成している。この場合、基板側下地層１２ａを、例えば厚さ３ｎｍのＴａ膜とし、上側下地層１２ｂを、例えば厚さ２ｎｍのＲｕ膜として構成できる。基板側下地層１２ａ及び上側下地層１２ｂは共にスパッタ法等により形成される。
【００２０】
反強磁性層１３は、下地層１２の上に形成された層であり、ピンド層１４の磁化方向を固定するために形成される。反強磁性層１３は、例えば膜厚５〜３０ｎｍのＴＭ−Ｍｎ系合金（ＴＭ＝Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＩｒのうち少なくとも１種を含む。）、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ等で構成され、スパッタ法等によって形成される。反強磁性層１３は熱処理することによって、規則合金化して反強磁性が出現する。所定方向に磁場を印加しながら熱処理を行うことにより、ピンド層１４と交換相互作用によって交換結合を生じ、ピンド層１４の磁化の向きを固定できる。この熱処理は、例えば、キャップ層ｌ９を形成後、真空雰囲気中で２５０℃〜３５０℃、加熱時間２時間〜４時間、印加磁界１．５Ｔの条件で行うことができる。
【００２１】
ピンド層１４は、反強磁性層１３の上に形成された層であり、厚さ１〜３０ｎｍのＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらの合金（例えば、ＣｏＦｅ合金）等の強磁性体膜から構成される。非磁性結合層１５は、ピンド層１４の上に形成された層であり、厚さ０．４〜０．９ｎｍ程度のＲｕ（若しくはＲｕ系合金）、Ｒｈ（若しくはＲｈ系合金）、又はＩｒ（若しくはＩｒ系合金）等の非磁性材料から構成される。ピンド層１４及び非磁性結合層１５はスパッタ法等によって形成することができる。
【００２２】
リファレンス層１６は、非磁性結合層１５の上に形成された層であり、厚さ１〜３０ｎｍのＣｏＦｅ膜、ＮｉＦｅ膜、又はＣｏＦｅＢ膜等によって構成される。トンネルバリア層１７を結晶性ＭｇＯ膜で構成する場合、リファレンス層１６にＣｏＦｅＢを用いると高いＭＲ比が得られ好適である。リファレンス層１６は、スパッタ法等により形成することができる。以上のように構成されたピンド層１４、非磁性結合層１５、及びリファレンス層１６はシンセティクフェリピン層（交換結合膜）を構成する。すなわち、リファレンス層１６は、非磁性結合層１５を介してピンド層１４と反強磁性的に交換結合しており、リファレンス層１６の磁化の向きは、ピンド層１４の磁化方向と反平行の向きに固定されている。
【００２３】
トンネルバリア層１７は、リファレンス層１６の表面に形成された絶縁膜からなる層であり、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物膜によって構成される。この結晶性酸化物膜は、例えば結晶性ＭｇＯ膜によって構成される。結晶性酸化物膜の厚さは、用途によって各種選択することができるが、磁気ヘッド等の読み取り素子に適した素子特性、特に素子抵抗を低くして高速な情報転送速度を得る観点からはできるだけ薄く形成することが望ましい。例えば、結晶性酸化物膜をＭｇＯ膜とした場合には、厚さは１．２ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下とすることができる。この結晶性ＭｇＯ膜はＭｇＯをターゲットとしてスパッタ法で成膜できる。
【００２４】
結晶性酸化物膜の成膜は、リファレンス層１６の酸化劣化を防止すべく、低酸素分圧下（例えば全圧１０-7Ｐａ程度の真空雰囲気）で行われるため、成膜直後の結晶性酸化物膜には酸素欠陥が含まれる。本実施形態は、酸素欠陥を含む結晶性酸化物膜の形成後に酸素暴露処理を行い、酸素欠陥などの結晶欠陥の少ない結晶性酸化物膜として、トンネルバリア膜１７を構成している。例えば、結晶性ＭｇＯ膜の場合は結晶性ＭｇＯ膜を成膜後、ＭｇＯ膜を室温で酸素分圧が１０3Ｐａ以下の酸素ガスまたは酸素を含むガスと所定時間接触させる。この酸素暴露処理によって、結晶性ＭｇＯ膜中の酸素欠陥等の結晶欠陥が減少できる。また、結晶性ＭｇＯ膜の形成後に酸素暴露処理を行うため、下地側の強磁性体膜（リファレンス層１６）の酸化劣化を起こしにくく、トンネルバリア膜１７とリファレンス層１６との界面付近の劣化を抑制することができる。
【００２５】
フリー強磁性層１８は、トンネルバリア膜１７の上に形成された層であり、膜厚が１ｎｍ〜３０ｎｍのＣｏ、Ｎｉ及びＦｅの少なくとも１種を含む強磁性材料、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ（パーマロイ）等、又はこれらの材料からなる膜の積層体により構成することができる。フリー強磁性層１８の材料は用途に応じて適宜選択することができる。例えば、ＣｏＦｅＢを用いた場合には高いＭＲ比が得られるため、磁気メモリ等の記録素子に適するＴＭＲ素子１０が得られる。また、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ積層膜やＮｉＦｅ等の保持力が低い強磁性材料を使用することにより、磁気ヘッドなどに適したＴＭＲ素子１０が得られる。また、フリー強磁性層１８は非磁性層を中間層として用いた積層フリー層としてもよく、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ等でも構成できる。フリー強磁性層１８は、スパッタ法などにより形成される。フリー強磁性層１８の磁化は面内方向を向いており、例えば、磁気記録媒体から漏れる磁場や、磁気メモリ装置のワード線を流れる電流によって発生した磁場によって、その磁化の方向が変化する。
【００２６】
キャップ層１９は、フリー強磁性層１８の上に形成された層であり、例えば、厚さ３ｎｍ以上のＴａ膜、Ｒｕ膜、又はこれらの積層膜によって構成される。図１に示す例では、キャップ層１９を基板側キャップ層１９ａ（例えば厚さ５ｎｍのＴａ膜）と、上側キャップ層１９ｂ（例えば厚さ１０ｎｍのＲｕ膜）の積層構造としている。キャップ層１９（基板側キャップ層１９ａ及び上側キャップ層１９ｂ）はスパッタ法などにより形成される。
【００２７】
以下、本実施形態に係わるＴＭＲ素子１０の製造方法について、図１に示すＴＭＲ素子１０を例に説明する。
【００２８】
基板の上方に、基板側下地層１２ａ、上側下地層１２ｂ、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、及びリファレンス層１６を順にスパッタ法によって形成する。尚いずれの工程も、室温で成膜を行うことができる。これらの工程は高真空下（１０-7Ｐａ程度）において行い、基板の移送も高真空下で行うことで強磁性層等を構成する金属膜の酸化劣化を防止できる。リファレンス層１６の形成後、トンネルバリア層１７の形成を行う。トンネルバリア層１７の形成工程では、先ず結晶性酸化物膜を形成する。結晶性酸化物膜としてＭｇＯ膜を形成する場合には、ＭｇＯをターゲットに用いてスパッタ法によってリファレンス層１６の上にＭｇＯ膜を形成する。この工程により結晶性ＭｇＯ膜を形成することができる。この工程において、成膜中の酸素分圧が高いと下地のリファレンス層１６が酸化されて劣化してしまうため、低酸素分圧下（例えば全圧が１０-7Ｐａ程度の真空雰囲気下）で行うことが望ましい。
【００２９】
次に、形成された結晶性酸化物膜の酸素暴露処理を行う。この場合、結晶性酸化物膜が形成された基板を、成膜用のチャンバから酸素暴露処理用のチャンバに移送する。これは、成膜用チャンバで酸素暴露処理を行うと、その次の基板の成膜処理を行う前に減圧やパージ等の酸素分圧を下げる処理を行う必要があるため手順が煩雑となるとともに、チャンバ内に残留した酸素によって強磁性体膜（リファレンス層１６）が酸化劣化するおそれがあるためである。
【００３０】
酸素暴露処理は、酸素暴露処理用のチャンバを真空排気しながら酸素ガスまたは酸素を含むガスを所定時間導入して酸素分圧を１０3Ｐａ以下となるようにして、結晶性ＭｇＯ膜等の結晶性酸化物膜をＯ2と接触させる。尚、酸素暴露処理は、基板温度を室温として行うことができる。結晶性酸化物膜をＯ2と接触させる時間（チャンバ内に酸素ガスを導入する時間；以下、酸素暴露時間と呼ぶ）は、結晶性酸化物膜の膜厚及び酸素分圧に応じて適宜最適化する必要がある。酸素暴露時間が長すぎると素子のＭＲ比が低下するからである。これは、結晶性酸化物膜中の結晶欠陥やピンホール等を介した酸素の拡散により下地のリファレンス層１６が酸化劣化するためである。最適な酸素暴露時間は、一定酸素分圧下において、結晶性酸化物膜の膜厚が薄い場合には短くなり、結晶性酸化物膜の膜厚が厚い場合には長くなる。また、一定膜厚下において、酸素分圧が高い場合に短く、酸素分圧が低い場合に長くなる。酸素暴露処理の制御性の観点から、結晶性酸化物膜にＭｇＯ膜を用いる場合には、酸素分圧を１０3Ｐａ以下として酸素暴露処理を行うことが望ましい。例えば、結晶性酸化物膜が厚さ１ｎｍ程度のＭｇＯ膜の場合には、室温で、酸素分圧１３０Ｐａの場合、最適な酸素暴露時間は１２０秒となる。尚、上述の例では基板温度を室温としたが、本実施形態はこれに限られず、基板を加熱又は冷却して酸素暴露処理を行ってもよく、この場合は最も高いＭＲ比が得られるように酸素分圧及び酸素暴露時間を適宜最適化すればよい。以上の結晶性酸化物膜の成膜及び結晶性酸化物膜の酸素暴露処理によってトンネルバリア膜１７の形成工程が完了する。
【００３１】
その後、基板１１を低酸素分圧下（例えば全圧１０-7Ｐａ程度の真空雰囲気）のチャンバに移送して、フリー強磁性層１８、基板側キャップ層１９ａ、及び上側キャップ層１９をスパッタ法により順次形成する。尚、これら層の形成は室温によって行うことができる。その後、基板１１を真空雰囲気下で、温度２５０℃〜３５０℃、加熱時間２時間〜４時間、印加磁界１．５Ｔ（テスラ）の条件で熱処理することにより、ピンド層１４およびリファレンス層１６の磁化の方向を固定する。このようにして形成された磁気抵抗効果膜を公知のフォトリソグラフ法、エッチング処理により整形し、公知の成膜方法（スパッタ法、ＣＶＤ法等）により基板１１側及びキャップ層１９側に電極を形成することにより、本実施形態のＴＭＲ素子１０が完成する。
【００３２】
（実験例）
本実施形態の一態様である実験例に係わる磁気抵抗効果素子及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子を作製し、そのＭＲ比の測定を行った。実験例に係わる磁気抵抗効果素子は、基板側から順に、厚さ３ｎｍのＴａ膜（基板側下地層１２ａ）、厚さ２ｎｍのＲｕ膜（上側下地層１２ｂ）、厚さ７ｎｍのＩｒＭｎ膜（反強磁性層１３）、厚さ１．８ｎｍのＣｏＦｅ膜（ピンド層１４）、厚さ０．８ｎｍのＲｕ膜（非磁性結合層１５）、厚さ２．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜（リファレンス層１６）、厚さ１．２ｎｍ以下の結晶性ＭｇＯ膜（トンネルバリア層１７）、厚さ３．０ｎｍのＣｏＦｅＢ膜（フリー強磁性層１８）、厚さ５ｎｍのＴａ膜（基板側キャップ層１９ａ）、厚さ１０ｎｍのＲｕ膜（上側キャップ層１９ｂ）からなる。これらの膜は、ＭｇＯ膜を含め、室温において、高真空下（１０-7Ｐａ程度）でスパッタ法により形成した。また、本実験例のトンネルバリア層１７は厚さを１．２ｎｍ以下の範囲で厚さを変化させた膜をＭｇＯ膜からなり、これらのＭｇＯ膜に対して室温の下、膜厚に応じてＭＲ比が最善となるように適宜酸素暴露時間および酸素分圧を変化させながら酸素暴露処理を行った。このうち、膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ膜に対しては、基板温度を室温として酸素分圧１３０Ｐａ、酸素暴露処理時間１２０秒で酸素暴露処理を行った。
【００３３】
一方、比較例の磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア膜以外は実験例と同様の積層膜によって構成され、その製法もトンネルバリア膜１７の形成工程を除いて同様である。比較例のトンネルバリア膜は結晶性ＭｇＯ膜からなり、実験例と同様に真空雰囲気（１０-7Ｐａ）においてＭｇＯをターゲットとしたスパッタ法により成膜した。但し、比較例は結晶性ＭｇＯ膜に対して酸素暴露処理を行わずにトンネルバリア膜形成工程を終了している点で本実験例と相違する。
【００３４】
作製されたＴＭＲ素子について抵抗値及びＭＲ比を測定し、その結果に基づいて各素子の抵抗面積積ＲＡ（Ωμｍ2）を求めた。ここで、抵抗面積積とは、素子面積（μｍ2）と抵抗値（Ω）との積である。例えば試料素子の膜面の大きさが０．１μｍ×０．１μｍであって素子の抵抗値が３００Ωであった場合には、抵抗面積積は３（Ωμｍ2）と求められる。尚、本実験例及び比較例のＴＭＲ素子の抵抗面積積ＲＡは、ＭｇＯ膜の膜厚に依存し、ＲＡ＝１０（Ωμｍ2）を示す試料ではＭｇＯ膜の膜厚は１．２ｎｍ程度であり、ＲＡ＝３（Ωμｍ2）を示す試料のＭｇＯ膜の膜厚は１．０ｎｍ程度であった。
【００３５】
本実験例及び比較例のＴＭＲ素子の抵抗面積積ＲＡとＭＲ比との関係は図２に示すように、同一の抵抗面積積ＲＡを有する試料間で比較した場合には本実験例のＴＭＲ素子の方が高いＭＲ比が得られた。特に、磁気ヘッドに適した１〜３．５Ωμｍ2の低い抵抗面積積ＲＡを有するＴＭＲ素子では、本実験例の素子は２５％〜６０％のＭＲ比が得られ、比較例よりも２割程度高いＭＲ比を示した。これは、本実験例及び比較例のトンネルバリア膜共に低酸素分圧下（高真空下）においてスパッタ法で形成されているため、ＭｇＯ膜中に酸素欠陥が多く含まれるものと考えられる。しかしながら本実験例のトンネルバリア膜の場合には酸素暴露処理によって酸素欠陥（結晶欠陥）が減少し、酸素欠陥に基づくトンネル電子のスピン散乱の減少や、酸素欠陥に基づくトンネル電流以外の電流流路形成が減少するため、酸素欠陥等を多く含む比較例のＴＭＲ素子よりもＭＲ比が向上したものと考えられる。
【００３６】
以上のように、本実施形態に係わる磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層１７として結晶性酸化物膜を形成した後、結晶性酸化物膜を酸素ガスと接触させる処理を行うことにより酸素欠陥（結晶欠陥）が少ない結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜が得られる。また、トンネルバリア膜中の酸素欠陥を減少させる処理を結晶性酸化物形成後に行っているため、下地側の強磁性膜が劣化する恐れがない。さらに、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物膜によれば、酸素欠陥（結晶欠陥）によるトンネル電子のスピン散乱や、酸素欠陥（結晶欠陥）によるトンネル電流以外の電流流路生成が少なくなる。このため、トンネルバリア膜の膜厚が薄く低抵抗（低抵抗面積積ＲＡ）の素子であっても高いＭＲ比が得られる。さらに、本実施形態のＴＭＲ素子１０によれば低い素子抵抗によって情報転送速度を向上することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
以下、図３〜図５を参照しつつ、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド及び磁気ディスク装置に関するものである。ここに、図３は第２実施形態の磁気ヘッド３０の要部を示す断面図であり、図４（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の磁気ヘッド３０の製造途中の様子を示す断面図であり、図５は第２実施形態の磁気ディスク装置５０を示す図である。上記各図において、既に説明した構成と同一の構成については同一符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
（磁気ヘッド）
図３に示すように、磁気ヘッド３０は、基板３１の上方に形成されたＴＭＲ素子１０と、その上方に形成された誘導型記録素子３５とを備える。
【００３９】
基板３１は、磁気ヘッド３０のヘッドスライダとなり、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等のセラミック基板（アルチック基板）からなる。基板３１の上には基板側磁気シールド層３２が形成されている。基板側シールド層３２は、ＴＭＲ素子１０の磁気シールドと下部電極とを兼ね、軟磁性合金として、例えばＮｉＦｅ又はＣｏＦｅ等から構成される。基板側シールド層３２の上にはＴＭＲ素子１０が形成されている。ＴＭＲ素子１０の積層膜の膜面は紙面と垂直な方向に広がり、その法線が図３の紙面上下方向に伸びる線と略同一となるように形成されている。ＴＭＲ素子１０の側方には磁区制御層４１が設けられている。磁区制御層４１は、ＴＭＲ素子１０を構成するリファレンス層１６やフリー強磁性層１８の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。ＴＭＲ素子１０の上には上側磁気シールド層３４が形成されている。上側磁気シールド層３４は、ＴＭＲ素子１０の磁気シールドと上部電極とを兼ね、基板側磁気シールド層３２と同様な、軟磁性合金材料を用いて形成される。
【００４０】
誘導型記録素子３５は、主磁極３６並びに補助磁極（上側磁気シールド層３４を兼ねる）と、磁極間に形成された記録ギャップと、磁極を磁気的に接続するヨークと、ヨークを巻き回す誘導コイル４２とを有する。
【００４１】
次に図４（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ磁気ヘッド３０の製造方法を説明する。尚、図４（ａ）〜（ｃ）は磁気ヘッドを記録媒体側から見たときの構造を示している。
【００４２】
まず、図４（ａ）に示す構造を形成するまでの工程について説明する。基板３１の上にＡｌ2Ｏ3膜を形成し（図示せず）、その上に例えばＮｉＦｅなどの軟磁性合金により磁基板側磁気シールド層３２を２〜３μｍの厚さに形成する。そして、軟磁性磁気シールド層３２の上にＴＭＲ素子１０を構成する下地層１２（基板側下地層１２ａ並びに上側下地層１２ｂ)、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、及びキャップ層１９（基板側キャップ層１９ａ並びに上側キャップ層１９ｂ）を順に形成することにより磁気抵抗効果膜が形成され、図４（ａ）に示す構造物が完成する。尚、磁気抵抗効果膜を構成する各層の膜厚、材質、製法は第１実施形態のＴＭＲ素子１０と同様とすることができる。
【００４３】
次に、形成された磁気抵抗効果膜を所定の形状に加工する。磁気抵抗効果膜の上にフォトレジスト法により所定の形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして基板側磁気シールド層３２が露出するまでイオンミーリングを施して、図４（ｂ）に示す構造物（ＴＭＲ素子１０）が完成する。
【００４４】
次に、図４（ｃ）に示す構造物を形成するまでの工程について説明する。上述のように磁気抵抗効果膜を所定の寸法に加工した後、レジストパターンを残したまま、スパッタリング法により基板３１の上側面全面に厚さ３〜１０ｎｍの絶縁膜４０を形成する。その後、スパッタリング法により、絶縁膜４０の上にＣｏＣｒＰｔを堆積させて、ＴＭＲ素子１０の両側部に磁区制御層４１を形成する。次いで、レジストパターンを除去する。
【００４５】
次に、磁区制御層４１の表面を平坦化した後、ＴＭＲ素子１０及び磁区制御層４１の表面の上に例えばＮｉＦｅなどからなる上側磁気シールド層３４を２〜３μｍの厚さに形成する。このようにして、図４（ｃ）に示す構造物が完成する。
【００４６】
次いで、公知の方法により、上側磁気シールド層３４の上に、誘導型記録素子３５（主磁極、補助磁極、ヨーク、コイル等）を形成する（図３参照）。このようにして、本実施形態に係わる磁気ヘッド３０が完成する。
【００４７】
磁気ヘッド３０において、ＴＭＲ素子１０を流れる検出電流は膜面と垂直（法線）方向に流れ、例えば、検出電流は上側磁気シールド層３４から基板側磁気シールド３２に流れる。ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８は、磁気記録媒体から漏れる磁場によって、図３において紙面と垂直な面内方向に磁化の方向が変化し、この結果、ＴＭＲ素子１０の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電気的に検出することにより磁気記録媒体に記録された情報を読み取ることができる。さらに、本実施形態の磁気ヘッド３０に使用されるＴＭＲ素子１０は、その抵抗面積積ＲＡが小さい場合でも、高いＭＲ比を示すため、抵抗面積積ＲＡの小さい素子を用いた場合でもＳ／Ｎ比が低下することがない。このため、抵抗面積積ＲＡの小さい素子を用いることにより、磁気記録媒体の読み取り速度（転送速度）を向上することができる。
【００４８】
（磁気ディスク装置）
次に、図５を参照しつつ磁気ディスク装置５０について説明する。本実施形態に係わる磁気ディスク装置５０は、上述の磁気ヘッド３０を備えたことを特徴とする。
【００４９】
図５に示すように、磁気ディスク装置５０は、筐体５４内に磁気記録媒体５１と、先端に磁気ヘッド３０を備えたヘッドスライダ（基板）３１と、ヘッドスライダ３１を保持するサスペンションアーム５３とを収納している。磁気記録媒体５１は図示しないスピンドルモータにより回転され、磁気ヘッド３０はサスペンションアーム５３を駆動する図示しないヘッド位置決め機構により記録媒体５１上の所定のトラックに移動することができる。
【００５０】
本実施形態の磁気ディスク装置は、磁気ヘッド３０の読み取り素子（ＴＭＲ素子１０）に、酸素暴露処理を行った結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜を備えている。このため、従来の読み取り素子よりも読み取り信号の出力信号が高くなりＳ／Ｎ比が改善し、より信頼性の高い読み取り動作が可能となる。また、従来のＴＭＲ素子よりもより低い抵抗面積積ＲＡの素子を読み取り素子に使用することができる。これにより、本実施形態の磁気ディスク装置５０は、ＴＭＲ素子の抵抗値をより低くでき、記録媒体からの読み取り信号の転送速度を上げることができるので、より速い情報読み出し速度を達成することができる。
【００５１】
（第３実施形態）
以下、図６〜図８を参照しつつ第３実施形態について説明する。第３実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いた磁気メモリ装置に関する。ここに、図６は第３実施形態に係わるメモリ装置の構成例１を示す図であり、図７は構成例１の磁気メモリ装置の１つのメモリセルの等価回路図である。また、図８は、第３実施形態の構成例２を示す断面図である。尚、上記各図において、既に説明した構成と同一構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。また、図６及び図８において、方向を示すための直交座標軸を示す。このうち、Ｙ１及びＹ２方向は紙面に垂直な方向であり、Ｙ１方向は紙面の奥に、Ｙ２方向は紙面の手前に向かう方向である。以下の説明において、単にＸ方向という場合は、Ｘ１方向及びＸ２方向のいずれでもよく、Ｙ方向、Ｚ方向についても同様とする。
【００５２】
（電流磁界書き込み型磁気メモリ装置）
図６に示すように、磁気メモリ装置６０は、例えばマトリクス状に配置された複数のメモリセル６１により構成される。メモリセル６１は、ＴＭＲ素子１０及びＦＥＴ６２によって構成される。ＦＥＴ６２は、ｐ型又はｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。以下の説明ではｎ型ＭＯＳＦＥＴを例に説明する。ＦＥＴ６２は、半導体基板６３中に形成されたｐウエル（ｐ型不純物が導入された領域）と、半導体基板６３の表面に互いに隔てて設けられた拡散領域６５ａ及び６５ｂを備える。拡散領域６５ａ及び６５ｂは、ｎ型不純物が拡散された領域であり、拡散領域６５ａがソース（Ｓ）側であり、拡散領域６５ｂがドレイン（Ｄ）側である。拡散領域６５ａ及び６５ｂの間の部分の上方には、ゲート絶縁膜６６を介してゲート（Ｇ）が形成されている。ＦＥＴ６２のソース側の拡散領域６５ａは、垂直配線７４及び層内配線７５を介してＴＭＲ素子１０の一方（例えば基板側下地層１２ａ）と電気的に接続されている。また、ドレイン側の拡散領域６５ｂは、垂直配線７４を介してプレート線と電気的に接続されている。ゲート（Ｇ）は読み出し用のワード線６９と接続されている。尚、図６の例ではワード線６９がＦＥＴ６２のゲート（Ｇ）電極を兼ねている。
【００５３】
ビット線７０は、ＴＭＲ素子１０の他方（例えば上側キャップ層１９ｂ）と電気的に接続されている。ＴＭＲ素子１０の下方には、電気的に隔離して書き込み用のワード線７１が配置されている。ＴＭＲ素子１０は、先に図１に示したＴＭＲ素子１０と同様な構成であり、トンネルバリア層には酸素暴露処理が施されている。ＴＭＲ素子１０は、磁化容易軸の方向をＹ方向に沿って設定する。この磁化容易軸の方向は、熱処理によって形成してもよく、形状異方性により形成しても良い。形状異方性によりＸ方向に磁化容易軸を形成する場合には、ＴＭＲ素子１０の膜面に平行な断面形状（Ｘ−Ｙ平面に平行な断面形状）をＹ方向の辺よりもＸ方向の辺が長い矩形とする。
【００５４】
尚、磁気メモリ装置６０は、半導体基板６３の表面やゲート電極Ｇがシリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの層間絶縁膜７３に覆われている。また、ＴＭＲ素子１０、プレート線６８、読み出し用ワード線６９、ビット線７０、書き込み用ワード線７１、垂直配線７４、及び層内配線７５は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜７３によって互いに電気的に絶縁されている。
【００５５】
磁気メモリ装置６０は、ＴＭＲ素子１０に情報を保持する。情報は、リファレンス層１６の磁化方向に対して、フリー強磁性層１８の磁化の方向が平行か、反並行の状態であるかによって保持される。
【００５６】
次に、磁気メモリ装置６０の書き込み及び読み出し動作について説明する。
【００５７】
磁気メモリ装置６０のＴＭＲ素子１０への情報の書き込み動作は、ＴＭＲ素子１０の上下に配置されたビット線７０と書き込み用ワード線７１とにより行われる。ビット線７０は、ＴＭＲ素子１０の上方をＸ方向に伸びており、ビット線７０に電流を流すことによりＴＭＲ素子１０に対してＹ方向の磁界が印加される。また、書き込み用ワード線７１はＴＭＲ素子１０の下方をＹ方向に伸びており、書き込み用ワード線７１に電流を流すことによりＴＭＲ素子１０にＸ方向の磁界が印加される。ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８の磁化は、磁界が印加されていない場合にはＸ方向を向いており、その磁化方向は安定である。
【００５８】
情報をＴＭＲ素子１０に書き込む際はビット線７０と書き込み用ワード線７１とに同時に電流を流す。例えば、ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８の磁化をＸ１方向に向けるときは、ビット線７０にＸ方向に電流を流すとともに、書き込みワード線７１にＹ１方向の電流を流す。ビット線７０に流れる電流によりＴＭＲ素子１０にＹ方向の磁界が印加され、フリー強磁性層１８が磁化困難軸の障壁を越えるための磁界の一部として機能する。また、書き込みワード線７１をＹ１方向に流れる電流は、ＴＭＲ素子１０にＸ１方向の磁界を印加し、フリー強磁性層１８の磁化の方向をＸ１方向に向ける。
【００５９】
このようにして、ＴＭＲ素子１０のフリー強磁性層１８の磁化の向きに応じて情報（“０”又は“１”）が書き込まれる。例えばＴＭＲ素子１０のリファレンス層１６の磁化の方向がＸ１方向に固定されている場合に、フリー強磁性層１８の磁化の向きがＸ１方向であるときは、トンネルバリア膜１７の抵抗値が低くなり、例えば“１”として検出できる。同様にフリー強磁性層１８の磁化の向きがＸ２方向のときは、トンネルバリア膜１７の抵抗値が高くなり例えば“０”として検出できる。尚、書き込み動作の際にビット線７０及び書き込み用ワード線７１に供給される電流値は、ビット線７０又は書き込み用ワード線７１のいずれか一方にのみ電流が流されてもフリー強磁性層１８の磁化の反転が生じない程度に設定される。これにより、電流を供給したビット線７０と電流を供給した書き込み用ワード線７１の交点に位置するＴＭＲ素子１０にのみ書き込みを行うことができる。また、書き込み動作の際にビット線７０を流れる電流がＴＭＲ素子１０に流れないように、ＦＥＴ６２をオフとして、ＦＥＴ６２のソース（Ｓ）はハイインピーダンスに設定される。
【００６０】
磁気メモリ装置６０の読み出し動作は、ビット線７０をソースＳよりも低い電圧に設定し、読み出し用ワード線６９（ゲート電極Ｇ）にＦＥＴ６２の閾値電圧よりも高い電圧を印加する。これにより、ＦＥＴ６２はオンとなり、電子がビット線７０からＴＭＲ素子１０、ソースＳ及びドレインＤを介してプレート線６８に流れる。プレート線６８に電流計等の電流検出器７８を電気的に接続することで、フリー強磁性層１８とリファレンス層１６との相対的な磁化の向きを反映した磁気抵抗値を検出することができる。これにより、ＭＴＲ素子１０が保持する“１”又は“０”の情報を読み出すことができる。
【００６１】
以上のように構成された第３実施形態の構成例１の磁気メモリ装置１０において、ＴＭＲ素子１０のトンネルバリア層１７は、結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜を形成後に結晶性酸化物膜を酸素暴露処理を行っているため、酸素欠陥の少ない結晶性酸化物膜からなる。そして、この酸素欠陥の少ない結晶性酸化物（例えばＭｇＯ）膜からなるトンネルバリア膜１７によれば、抵抗面積積ＲＡが小さな素子でもＭＲ比が大きい。したがって、磁気メモリ装置６０では、情報の読み出しの際に、保持された“０”及び“１”に対する磁気抵抗値の変化がより大きいので、ＴＭＲ素子１０の出力変化もより大きくなり、より正確な読み出しができる。さらに、素子抵抗を低くすることができるので、ＴＭＲ素子１０からの読み出し速度をより早くすることができる。
【００６２】
（偏極スピン電流注入書き込み型磁気メモリ装置）
図８は、第３実施形態の構成例２に係わる磁気メモリ装置８０を示す。尚、図８において図６と同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。磁気メモリ装置８０は、ＴＭＲ素子１０に情報を書き込むための機構及び動作が構成例１の磁気メモリ装置６０と異なる。
【００６３】
磁気メモリ装置８０のメモリセルは、書き込み用ワード線７１が設けられていない点を除いて、図６及び図７に示すメモリセルと同様の構成である。以下、図７及び図８を参照しつつ説明する。
【００６４】
磁気メモリ装置８０は、偏極スピン電流をＴＭＲ素子１０に注入し、その電流の向きによって、フリー強磁性層１８の磁化の向きを制御する。偏極スピン電流は、電子が取りうる２つのスピンの向きのうち、一方の向きの電子からなる電子流である。偏極スピン電流の向きをＴＭＲ素子１０のＺ１方向又はＺ２方向に流すことで、フリー強磁性層１８の磁化にトルクを発生させ、いわゆるスピン注入磁化反転を起こさせる。偏極スピン電流の電流量は、フリー強磁性層１８の膜厚に応じて適宜選択されるが、２０ｍＡ以下である。偏極スピン電流の電流量は、図６の構成例１の書き込み動作でビット線７０及び書き込みワード線７１に流れる電流量よりも少なく、消費電力を低減できる。
【００６５】
尚、偏極スピン電流は、ＴＭＲ素子１０と略同様の構成を有するＣｕ膜を２つの強磁性体層で挟んだ積層体に垂直に電流を流すことで生成することができる。電子のスピンの向きは２つの強磁性体の磁化の向きを平行又は反平行に設定することで制御できる。磁気メモリ装置８０の読み取り動作は、図６の構成例１の磁気メモリ装置６０と同様である。
【００６６】
構成例２の磁気メモリ装置８０は、構成例１の磁気メモリ装置６０の持つ効果に加えて低消費電力化が可能であるという効果も有する。
【００６７】
（その他の実施形態）
以上のように本発明のＴＭＲ素子１０は、トンネルバリア層１７として結晶性酸化物膜（例えばＭｇＯ膜）を２つの強磁性体膜の間に１層形成する構成であったが、本発明はこれ以外にも以下の構成とすることもできる。すなわち、３層の強磁性体膜の間に２層のトンネルバリア層を形成した２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子にも適用することができる。ここに、図９は、本発明の別実施形態に係わる２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子２０の構成を示す断面図である。尚、先に説明した部分と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
ＴＭＲ素子２０は、基板１１上に、基板側下地層１２ａ及び上側下地層１２ｂを有する下地層１２と、反強磁性層１３と、ピンド層１４と、非磁性結合層１５と、リファレンス層１６とトンネルバリア層１７と、フリー強磁性層１８とを順に備え、さらにその上に上部トンネルバリア層２７と、上部リファレンス層２６と、上部非磁性中間層２５と、上部ピンド層２４と、上部反強磁性層２３と、基板側キャップ層１９ａ及び上側キャップ層１９ｂで構成されるキャップ層１９とを順に備えている。本発明の別実施形態において、トンネルバリア層１７及び上部トンネルバリア層２７は同一の材料、膜厚であり、例えばＭｇＯ膜等の結晶性酸化物膜からなる。この結晶性酸化物膜は、低酸素分圧下（例えば１０-7Ｐａ程度の高真空下）で酸化物（例えばＭｇＯ）をターゲットとしたスパッタ法により形成される。さらに、本実施形態のトンネルバリア層１７及び２７は、形成された結晶性酸化物を１０3Ｐａ以下の酸素分圧を有する酸素ガス又は酸素を含むガスと接触する酸素暴露処理を経て作製される。
【００６９】
ＴＭＲ素子２０において、上部リファレンス層２６はリファレンス層１６と、上部非磁性中間層２５は非磁性中間層１５と、上部ピンド層２４はピンド層１４と、上部反強磁性層２３は反強磁性層１３と、それぞれ同一の材料、膜厚、製法によって形成することができる。尚、本実施形態の基板１１、下地層１２、反強磁性層１３、ピンド層１４、非磁性結合層１５、リファレンス層１６、トンネルバリア層１７、フリー強磁性層１８、キャップ層１９は、図１で既に説明したＴＭＲ素子１０の対応する符号が付された構成部分と同一として構成することができる。
【００７０】
以上のように構成された２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子２０においても、結晶性酸化物膜の形成後に、結晶性酸化物膜に酸素暴露処理を行っているため、従来の２重強磁性トンネル接合を有するＴＭＲ素子よりも高いＭＲ比を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係わる磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の実験例及び比較例に係わる磁気抵抗効果素子のＲＡとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態に係わる磁気ヘッドの要部の構成を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態に係わる磁気ヘッドの製造途中の様子を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係わる磁気ヘッドを備えた磁気ディスク装置を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施形態に係わる磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図である。
【図７】図７は、第３実施形態に係わる磁気メモリ装置の一部分についての等価回路を示す図である。
【図８】図８は、第３実施形態に係わる磁気メモリ装置の変形例を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の別実施形態に係わる磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…ＴＭＲ素子、１１…基板、１２…下地層、１２ａ…基板側下地層、１２ｂ…上側下地層、１３…反強磁性層、１４…ピンド層、１５…非磁性結合層、１６…リファレンス層、１７…トンネルバリア層、１８…フリー強磁性層、１９…キャップ層、１９ａ…基板側キャップ層、１９ｂ…上側キャップ層、２０…２重トンネル接合型ＴＭＲ素子、２７…上部トンネルバリア層、２６…上部リファレンス層、２５…上部非磁性結合層、２４…上部ピンド層、２３…上部反強磁性層、３０…磁気ヘッド、３１…基板（ヘッドスライダ）、３２…基板側磁気シールド層、３４…上側磁気シールド層、３５…誘導型記録素子、４０…絶縁膜、４１…磁区制御層、５０…磁気ディスク装置、５１…磁気記録媒体、５２…磁気ヘッド、５３…サスペンションアーム、５４…筐体、６０…磁気メモリ装置（電流磁界書き込み型）、６１…メモリセル、６２…ＦＥＴ、６３…半導体基板、６４…ｐウエル、６５ａ…ソース側拡散領域、６５ｂ…ドレイン側拡散領域、６６…ゲート絶縁膜、６８…プレート線、６９…読み出し用ワード線、７０…ビット線、７１…書き込み用ワード線、７３…層間絶縁膜、７４…垂直配線、７５…層内配線、７８…電流検出器、８０…磁気メモリ装置（偏極スピン電流注入書き込み型）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に形成された第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層の上に形成された結晶性酸化物からなるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に形成された第２の強磁性体層と、を備えた磁気抵抗効果素子であって、
前記トンネルバリア層は、酸素暴露処理された結晶性酸化物膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層がＭｇＯ膜からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
基板上方に強磁性体からなる第１の強磁性体層を形成する工程と、
前記第１の強磁性体層の上に結晶性酸化物からなるトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層を酸素暴露処理する工程と、
前記トンネルバリア層の上に強磁性体からなる第２の強磁性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記トンネルバリア層は、スパッタ法により形成することを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯをターゲットとして、高真空下においてスパッタ法により形成されることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１】
基板の上方に形成された第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層の上に形成された結晶性酸化物からなるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に形成された第２の強磁性体層と、を備えた磁気抵抗効果素子であって、
前記トンネルバリア層は、酸素暴露処理された結晶性酸化物膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層がＭｇＯ膜からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
基板上方に強磁性体からなる第１の強磁性体層を形成する工程と、
前記第１の強磁性体層の上に結晶性酸化物からなるトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層を酸素暴露処理する工程と、
前記トンネルバリア層の上に強磁性体からなる第２の強磁性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記トンネルバリア層は、スパッタ法により形成することを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯをターゲットとして、高真空下においてスパッタ法により形成されることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−４６９２（Ｐ２００９−４６９２Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６６３１０（Ｐ２００７−１６６３１０）
【出願日】平成１９年６月２５日（２００７．６．２５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２５日（２００７．６．２５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]