JP3321768B2 - トンネル磁気抵抗効果素子 - Google Patents
トンネル磁気抵抗効果素子Info
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Description
【０００１】
【０００２】本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子に関
する。強磁性トンネル磁気抵抗効果素子は、磁気記録媒
体等の磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効
果膜のうち、特に小さな磁場変化を大きな電気抵抗変化
信号として読み取ることができる素子であり、このもの
は主として、ハードディスクドライブ装置に組み込まれ
て使用される。
する。強磁性トンネル磁気抵抗効果素子は、磁気記録媒
体等の磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効
果膜のうち、特に小さな磁場変化を大きな電気抵抗変化
信号として読み取ることができる素子であり、このもの
は主として、ハードディスクドライブ装置に組み込まれ
て使用される。
【０００３】
【従来の技術】ハードディスク（ＨＤＤ）の高密度化に
伴い、高感度、高出力の磁気ヘッドが要求されてきてい
る。このような要求に対して、強磁性層／トンネルバリ
ア層／強磁性層という多層構造からなる強磁性トンネル
磁気抵抗効果を利用したトンネル磁気抵抗効果素子が注
目されている。
伴い、高感度、高出力の磁気ヘッドが要求されてきてい
る。このような要求に対して、強磁性層／トンネルバリ
ア層／強磁性層という多層構造からなる強磁性トンネル
磁気抵抗効果を利用したトンネル磁気抵抗効果素子が注
目されている。
【０００４】強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、トンネ
ルバリア層を挟む一対の強磁性層間の積層方向に電流を
流す場合に、両方の強磁性層間における互いの磁化の相
対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル電
流が変化する現象をいう。
ルバリア層を挟む一対の強磁性層間の積層方向に電流を
流す場合に、両方の強磁性層間における互いの磁化の相
対角度に依存してトンネルバリア層を流れるトンネル電
流が変化する現象をいう。
【０００５】この場合のトンネルバリア層は、薄い絶縁
膜であって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存
しながら電子が通過できるものである。トンネルバリア
層は、一般には１０Å前後の薄いＡｌ等の金属を酸化さ
せることにより形成される。
膜であって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存
しながら電子が通過できるものである。トンネルバリア
層は、一般には１０Å前後の薄いＡｌ等の金属を酸化さ
せることにより形成される。
【０００６】トンネルバリア層を介して形成される両強
磁性層間における互いの磁化の相対角度が小さければト
ンネル確率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗
は小さくなる。これとは逆に、両強磁性層間における互
いの磁化の相対角度が大きければトンネル確率は低くな
るので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。
磁性層間における互いの磁化の相対角度が小さければト
ンネル確率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗
は小さくなる。これとは逆に、両強磁性層間における互
いの磁化の相対角度が大きければトンネル確率は低くな
るので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。
【０００７】ところで、ＴＭＲ素子のＨＤＤ用ヘッドへ
の応用を考えた場合、素子の低抵抗化（抵抗を下げるこ
と）は必須である。その理由は以下の通り。つまり、Ｔ
ＭＲ素子の抵抗は基本的には、下記式（１）で表され
る。
の応用を考えた場合、素子の低抵抗化（抵抗を下げるこ
と）は必須である。その理由は以下の通り。つまり、Ｔ
ＭＲ素子の抵抗は基本的には、下記式（１）で表され
る。
【０００８】 Ｒσ＝Ｃσ exp(2 κ d) 式（１）
【０００９】κ＝(2 m φ／ｈ2)1/2
【００１０】ここで、dは障壁（バリア層）の厚さ、φ
はフェルミ準位から測った障壁ポテンシャルの高さであ
る。Ｃσは磁性層と絶縁層の電子状態で決まる量であ
り、近似的に二つの磁性層のフェルミ準位の積に比例す
ると考えて良い。
はフェルミ準位から測った障壁ポテンシャルの高さであ
る。Ｃσは磁性層と絶縁層の電子状態で決まる量であ
り、近似的に二つの磁性層のフェルミ準位の積に比例す
ると考えて良い。
【００１１】上記式（１）に従うと、素子の低抵抗化を
図るためには障壁（バリア層）の厚さｄを小さくすれば
良いことが分かる。素子抵抗を小さくすることにより、
大きな電流を流すことが可能となり、その結果、大きな
出力電圧を取り出すことが可能となるからである。ま
た、静電破壊（Electro-Static Discharges）防止の観
点からも、素子が低抵抗であることは望ましい。
図るためには障壁（バリア層）の厚さｄを小さくすれば
良いことが分かる。素子抵抗を小さくすることにより、
大きな電流を流すことが可能となり、その結果、大きな
出力電圧を取り出すことが可能となるからである。ま
た、静電破壊（Electro-Static Discharges）防止の観
点からも、素子が低抵抗であることは望ましい。
【００１２】しかしながら、障壁（バリア層）の厚さｄ
を小さくしようとすればするほど、バリア層表面状態は
極めてよい平滑性が要求されるものと考えられる。膜厚
が薄いにもかかわらず平滑性が乏しい場合には、障壁
（バリア層）の一部にピンホールが発生し易くなり、ピ
ンホール個所から電流リークが生じるおそれがある。電
流リークが生じた場合には、高出力が得られなくなって
しまう。さらにその電流リークの程度が大きい場合には
出力が全く得られなくなる場合もある。
を小さくしようとすればするほど、バリア層表面状態は
極めてよい平滑性が要求されるものと考えられる。膜厚
が薄いにもかかわらず平滑性が乏しい場合には、障壁
（バリア層）の一部にピンホールが発生し易くなり、ピ
ンホール個所から電流リークが生じるおそれがある。電
流リークが生じた場合には、高出力が得られなくなって
しまう。さらにその電流リークの程度が大きい場合には
出力が全く得られなくなる場合もある。
【００１３】障壁（バリア層）の平滑化の手法の一つと
して、障壁（バリア層）を形成する前、下方に存在する
層の平滑化処理を図ることが考えられる。しかしなが
ら、従来公知の平坦化技術である、アルミナ砥粒やコロ
イダルシリカを砥粒として含ませた研磨液を用いての研
磨方法では、数Åオーダまでの平滑性は期待できず、素
子の特性向上には直接結びつかないのが現状である。さ
らに、電極やピン止め層（反強磁性層）の腐食の問題も
あり好ましくない。
して、障壁（バリア層）を形成する前、下方に存在する
層の平滑化処理を図ることが考えられる。しかしなが
ら、従来公知の平坦化技術である、アルミナ砥粒やコロ
イダルシリカを砥粒として含ませた研磨液を用いての研
磨方法では、数Åオーダまでの平滑性は期待できず、素
子の特性向上には直接結びつかないのが現状である。さ
らに、電極やピン止め層（反強磁性層）の腐食の問題も
あり好ましくない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような実
状のものに創案されたものであって、その目的は、トン
ネル磁気抵抗効果素子の良好な特性、特に、ＴＭＲ変化
率が大きく、ヘッド出力の向上が図られるトンネル磁気
抵抗効果素子を提供することにある。
状のものに創案されたものであって、その目的は、トン
ネル磁気抵抗効果素子の良好な特性、特に、ＴＭＲ変化
率が大きく、ヘッド出力の向上が図られるトンネル磁気
抵抗効果素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、下地層の上にトンネル多層膜を有するト
ンネル磁気抵抗効果素子であって、前記トンネル多層膜
は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むよう
にして形成された強磁性フリー層と強磁性ピンド層を有
し、前記下地層は、トンネル多層膜側の下地層の表面に
おける表面粗さの状態を示す３つの指標である、中心線
平均粗さＲａが０．５ｎｍ以下、最大高さＲmaxが５ｎ
ｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが０．５５ｎｍ以下となる
ように構成される。
に、本発明は、下地層の上にトンネル多層膜を有するト
ンネル磁気抵抗効果素子であって、前記トンネル多層膜
は、トンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟むよう
にして形成された強磁性フリー層と強磁性ピンド層を有
し、前記下地層は、トンネル多層膜側の下地層の表面に
おける表面粗さの状態を示す３つの指標である、中心線
平均粗さＲａが０．５ｎｍ以下、最大高さＲmaxが５ｎ
ｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが０．５５ｎｍ以下となる
ように構成される。
【００１６】 また、本発明の好ましい態様として、前
記下地層の表面粗さの状態を示す３つの指標である、中
心線平均粗さＲａが０．００１〜０．５ｎｍ、最大高さ
Ｒmaxが０．０１〜５ｎｍ、標準偏差粗さＲrmsが０．０
０１〜０．５５ｎｍとなるように構成される。
記下地層の表面粗さの状態を示す３つの指標である、中
心線平均粗さＲａが０．００１〜０．５ｎｍ、最大高さ
Ｒmaxが０．０１〜５ｎｍ、標準偏差粗さＲrmsが０．０
０１〜０．５５ｎｍとなるように構成される。
【００１７】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネル多層膜側の下地層の表面は、ガスクラスターイ
オンビーム法によって平滑化処理されてなるように構成
される。
トンネル多層膜側の下地層の表面は、ガスクラスターイ
オンビーム法によって平滑化処理されてなるように構成
される。
【００１８】また、本発明の好ましい態様として、前記
ガスクラスターイオンビーム法に用いるガスが、アルゴ
ン、ネオン、キセノン、クリプトン、ヘリウム、水素や
これらの混合ガスであるように構成される。
ガスクラスターイオンビーム法に用いるガスが、アルゴ
ン、ネオン、キセノン、クリプトン、ヘリウム、水素や
これらの混合ガスであるように構成される。
【００１９】また、本発明の好ましい態様として、前記
ガスクラスターイオンビーム法における平滑化処理は、
加速電圧１０〜２０ｋｅＶにて１０15〜１０17 Doseの
照射量で行なわれるように構成される。
ガスクラスターイオンビーム法における平滑化処理は、
加速電圧１０〜２０ｋｅＶにて１０15〜１０17 Doseの
照射量で行なわれるように構成される。
【００２０】また、本発明の好ましい態様として、前記
下地層が、Ｗ，Ｔａ，Ｒｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，
Ｈｆ，Ｐｔであるように構成される。
下地層が、Ｗ，Ｔａ，Ｒｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，
Ｈｆ，Ｐｔであるように構成される。
【００２１】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネル磁気抵抗効果素子は、下地層の上に、強磁性フ
リー層、トンネルバリア層、強磁性ピンド層、強磁性ピ
ンド層の磁化をピン止めするためのピン止め層を順次備
えてなる形態を有するように構成される。
トンネル磁気抵抗効果素子は、下地層の上に、強磁性フ
リー層、トンネルバリア層、強磁性ピンド層、強磁性ピ
ンド層の磁化をピン止めするためのピン止め層を順次備
えてなる形態を有するように構成される。
【００２２】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネル磁気抵抗効果素子は、下地層の上に、強磁性ピ
ンド層の磁化をピン止めするためのピン止め層、強磁性
ピンド層、トンネルバリア層、強磁性フリー層を順次備
えてなる形態を有するように構成される。
トンネル磁気抵抗効果素子は、下地層の上に、強磁性ピ
ンド層の磁化をピン止めするためのピン止め層、強磁性
ピンド層、トンネルバリア層、強磁性フリー層を順次備
えてなる形態を有するように構成される。
【００２３】また、本発明の好ましい態様として、前記
強磁性フリー層は、その長手方向両端部にそれぞれ配置
されたバイアス付与手段によって、強磁性フリー層の長
手方向にバイアス磁界が印加されるように構成される。
強磁性フリー層は、その長手方向両端部にそれぞれ配置
されたバイアス付与手段によって、強磁性フリー層の長
手方向にバイアス磁界が印加されるように構成される。
【００２４】また、本発明の好ましい態様として、前記
強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
強磁性フリー層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
【００２５】また、本発明の好ましい態様として、前記
強磁性ピンド層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
強磁性ピンド層は、合成フェリ磁石(synthetic ferrima
gnet)であるように構成される。
【００２６】また、本発明の好ましい態様として、前記
トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むように対
向配置された一対の電極と電気的に接合されてなるよう
に構成される。
トンネル多層膜は、当該トンネル多層膜を挟むように対
向配置された一対の電極と電気的に接合されてなるよう
に構成される。
【００２７】また、本発明の好ましい態様として、前記
一対の電極を挟むように対向配置された一対のシールド
層を備えてなるように構成される。
一対の電極を挟むように対向配置された一対のシールド
層を備えてなるように構成される。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明のトンネル磁気抵抗
効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）につい
て詳細に説明する。
効果素子１（以下、単に「ＴＭＲ素子」と称す）につい
て詳細に説明する。
【００２９】図１は、本発明のＴＭＲ素子１の好適な一
例を示す断面図である。この実施の形態において、ＴＭ
Ｒ素子１は、スピントンネル磁気抵抗効果を示すトンネ
ル多層膜３を備えている。すなわち、トンネル多層膜３
は、トンネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０を
挟むようにして形成された強磁性層フリー層２０と強磁
性層ピンド層４０が積層された多層膜構造を有してい
る。
例を示す断面図である。この実施の形態において、ＴＭ
Ｒ素子１は、スピントンネル磁気抵抗効果を示すトンネ
ル多層膜３を備えている。すなわち、トンネル多層膜３
は、トンネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０を
挟むようにして形成された強磁性層フリー層２０と強磁
性層ピンド層４０が積層された多層膜構造を有してい
る。
【００３０】このようなトンネル多層膜３の構造におい
て、さらに前記強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層４
０の外部方向にはそれぞれ、トンネル多層膜３の厚さ方
向（（α）方向）に電流を流すための一対の電極７１お
よび電極７５が直接または間接に積層され、トンネル多
層膜３と一対の電極７１，電極７５は電気的に接続され
る。
て、さらに前記強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層４
０の外部方向にはそれぞれ、トンネル多層膜３の厚さ方
向（（α）方向）に電流を流すための一対の電極７１お
よび電極７５が直接または間接に積層され、トンネル多
層膜３と一対の電極７１，電極７５は電気的に接続され
る。
【００３１】前記強磁性フリー層２０は、磁気情報であ
る外部磁場に応答して自由に磁化の向きが変えられるよ
うないわゆるフリー層として機能する。また、前記強磁
性ピンド層４０は、当該強磁性層４０の磁化の向きが一
定方向に固定された磁化固定層として機能する。強磁性
層４０の磁化を固定する（交換結合する）ためのピン止
め層５０が強磁性層４０に接した状態で形成される。
る外部磁場に応答して自由に磁化の向きが変えられるよ
うないわゆるフリー層として機能する。また、前記強磁
性ピンド層４０は、当該強磁性層４０の磁化の向きが一
定方向に固定された磁化固定層として機能する。強磁性
層４０の磁化を固定する（交換結合する）ためのピン止
め層５０が強磁性層４０に接した状態で形成される。
【００３２】さらに、図１の実施の形態では、図面の下
側に位置する電極７１と強磁性フリー層２０との間に
は、下地層８が介在されている。つまり、図１に示され
る実施の形態では、基板５の上に、電極７１、下地層
８、強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０、強磁
性ピンド層４０、ピン止め層５０、電極７５が順次形成
された形態をとっている。
側に位置する電極７１と強磁性フリー層２０との間に
は、下地層８が介在されている。つまり、図１に示され
る実施の形態では、基板５の上に、電極７１、下地層
８、強磁性フリー層２０、トンネルバリア層３０、強磁
性ピンド層４０、ピン止め層５０、電極７５が順次形成
された形態をとっている。
【００３３】本発明における第１の特徴は、前記下地層
８の表面粗さの設定にある。すなわち、下地層８のトン
ネル多層膜３に近い側の表面８ａにおいて、表面粗さの
状態を示す３つの指標である、（１）中心線平均粗さＲ
ａ、（２）最大高さＲmax、および（３）標準偏差粗さ
Ｒrmsがそれぞれ、下記条件を満たすように設定され
る。すなわち、（１）中心線平均粗さＲａに関して言え
ば、Ｒａ値が０．５ｎｍ以下、特に０．００１〜０．５
ｎｍ、より好ましくは０．００１〜０．３ｎｍ、さらに
好ましくは０．００１〜０．２ｎｍとされる。このＲａ
値の下限値は、できるだけゼロに近づけることが望まし
いが、現在の平滑化の技術レベルや平滑化に要する経済
性を考慮すると下限値は０．００１ｎｍ程度とされる。
中心線平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１で定義さ
れる。より詳細には、表面の粗さ曲線からその中心線の
方向に測定長さＬの部分を抜き取り、この抜き取り部分
の中心線をＸ軸、縦倍率の方向をＹ軸とし、粗さ曲線を
ｙ＝ｆ（ｘ）で表したとき、下記式（１）によって求め
られる値である。
８の表面粗さの設定にある。すなわち、下地層８のトン
ネル多層膜３に近い側の表面８ａにおいて、表面粗さの
状態を示す３つの指標である、（１）中心線平均粗さＲ
ａ、（２）最大高さＲmax、および（３）標準偏差粗さ
Ｒrmsがそれぞれ、下記条件を満たすように設定され
る。すなわち、（１）中心線平均粗さＲａに関して言え
ば、Ｒａ値が０．５ｎｍ以下、特に０．００１〜０．５
ｎｍ、より好ましくは０．００１〜０．３ｎｍ、さらに
好ましくは０．００１〜０．２ｎｍとされる。このＲａ
値の下限値は、できるだけゼロに近づけることが望まし
いが、現在の平滑化の技術レベルや平滑化に要する経済
性を考慮すると下限値は０．００１ｎｍ程度とされる。
中心線平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１で定義さ
れる。より詳細には、表面の粗さ曲線からその中心線の
方向に測定長さＬの部分を抜き取り、この抜き取り部分
の中心線をＸ軸、縦倍率の方向をＹ軸とし、粗さ曲線を
ｙ＝ｆ（ｘ）で表したとき、下記式（１）によって求め
られる値である。
【００３４】
【式１】
【００３５】（２）最大高さＲmaxに関して言えば、Ｒm
ax値が５ｎｍ以下、特に０．０１〜５ｎｍ、より好まし
くは０．０１〜３ｎｍ、さらに好ましくは０．０１〜２
ｎｍとされる。このＲmax値の下限値は、できるだけゼ
ロに近づけることが望ましいが、現在の平滑化の技術レ
ベルや平滑化に要する経済性を考慮すると下限値は０．
０１ｎｍ程度とされる。最大高さＲmaxは、ＪＩＳ Ｂ
０６０１で定義される。より詳細には、断面形状の中
心線に対しての最高値と最低値の差で表される。
ax値が５ｎｍ以下、特に０．０１〜５ｎｍ、より好まし
くは０．０１〜３ｎｍ、さらに好ましくは０．０１〜２
ｎｍとされる。このＲmax値の下限値は、できるだけゼ
ロに近づけることが望ましいが、現在の平滑化の技術レ
ベルや平滑化に要する経済性を考慮すると下限値は０．
０１ｎｍ程度とされる。最大高さＲmaxは、ＪＩＳ Ｂ
０６０１で定義される。より詳細には、断面形状の中
心線に対しての最高値と最低値の差で表される。
【００３６】（３）標準偏差粗さＲrmsに関して言え
ば、Ｒrms値が０．５５ｎｍ以下、特に、０．００１〜
０．５５ｎｍ、より好ましくは０．００１〜０．３５ｎ
ｍ、さらに好ましくは０．００１〜０．２ｎｍとされ
る。このＲrms値の下限値は、できるだけゼロに近づけ
ることが望ましいが、現在の平滑化の技術レベルや平滑
化に要する経済性を考慮すると下限値は０．００１ｎｍ
程度とされる。標準偏差粗さＲrmsは、より詳細には、
全データのＺ値の標準偏差であり、下記式（２）で表さ
れる。Ｚ値は中心線に対しての最高値と最低値の差を表
す。
ば、Ｒrms値が０．５５ｎｍ以下、特に、０．００１〜
０．５５ｎｍ、より好ましくは０．００１〜０．３５ｎ
ｍ、さらに好ましくは０．００１〜０．２ｎｍとされ
る。このＲrms値の下限値は、できるだけゼロに近づけ
ることが望ましいが、現在の平滑化の技術レベルや平滑
化に要する経済性を考慮すると下限値は０．００１ｎｍ
程度とされる。標準偏差粗さＲrmsは、より詳細には、
全データのＺ値の標準偏差であり、下記式（２）で表さ
れる。Ｚ値は中心線に対しての最高値と最低値の差を表
す。
【００３７】
【式２】
【００３８】式（２）中、Ｎはデータのポイント数、Ｚ
ｉは各データポイントのＺ値（Ｚ値は中心線に対しての
最高値と最低値の差）、Ｚaveは、全Ｚ値の平均値を表
す。
ｉは各データポイントのＺ値（Ｚ値は中心線に対しての
最高値と最低値の差）、Ｚaveは、全Ｚ値の平均値を表
す。
【００３９】本発明において、上記の下地層８の表面の
Ｒａ値が０．５ｎｍを超えたり、Ｒmax値が５ｎｍを超
えたり、Ｒrms値が０．５５ｎｍを超えたりすると、ト
ンネルバリア層の接合部におて電気的なリーク電流が生
じ易くなり、その結果、実質的なＴＭＲ変化率が大きく
減少するとともに、ヘッド出力が大きく減少してしま
う。３つのパラメータの中では特にＲmax値が重要であ
る。実際の素子の大きさは非常に小さく、測定長さが十
分に取れないケースもあり、このような場合であっても
Ｒmax値は、直接、特性に影響を及ぼす表面の凹凸の差
を最も適切に表現している値であるからである。
Ｒａ値が０．５ｎｍを超えたり、Ｒmax値が５ｎｍを超
えたり、Ｒrms値が０．５５ｎｍを超えたりすると、ト
ンネルバリア層の接合部におて電気的なリーク電流が生
じ易くなり、その結果、実質的なＴＭＲ変化率が大きく
減少するとともに、ヘッド出力が大きく減少してしま
う。３つのパラメータの中では特にＲmax値が重要であ
る。実際の素子の大きさは非常に小さく、測定長さが十
分に取れないケースもあり、このような場合であっても
Ｒmax値は、直接、特性に影響を及ぼす表面の凹凸の差
を最も適切に表現している値であるからである。
【００４０】このような下地層８の表面８ａは、ガスク
ラスターイオンビーム法によって平滑化処理される。ガ
スクラスターイオンビーム法とは、１〜５ｋｇ程度に加
圧したガスを１０-4〜１０-1Torr程度に減圧したチャン
バに吹き出すことにより断熱膨張によって生じる１０3
〜１０6個のガスクラスターをイオン化し、加速電極に
よって所定の電圧にて加速し、所定のガスクラスターの
数量（（ドース量）１０ 5〜１０8）を処理すべきウエー
ハ上に入射させる方法である。このとき、クラスターと
基板上の凹凸との衝突によって、出っ張っている凸部分
のみ削られるという状況が生じ、結果的に平坦化処理の
効果が得られる。
ラスターイオンビーム法によって平滑化処理される。ガ
スクラスターイオンビーム法とは、１〜５ｋｇ程度に加
圧したガスを１０-4〜１０-1Torr程度に減圧したチャン
バに吹き出すことにより断熱膨張によって生じる１０3
〜１０6個のガスクラスターをイオン化し、加速電極に
よって所定の電圧にて加速し、所定のガスクラスターの
数量（（ドース量）１０ 5〜１０8）を処理すべきウエー
ハ上に入射させる方法である。このとき、クラスターと
基板上の凹凸との衝突によって、出っ張っている凸部分
のみ削られるという状況が生じ、結果的に平坦化処理の
効果が得られる。
【００４１】ガスクラスターイオンビーム法で用いられ
るガスとしては、アルゴン、キセノン、クリプトン、ネ
オン、水素、ヘリウムや、これらの混合ガス等が挙げら
れる。なかでも、経済性という観点からアルゴン、クリ
プトン、キセノンを用いるのがよい。
るガスとしては、アルゴン、キセノン、クリプトン、ネ
オン、水素、ヘリウムや、これらの混合ガス等が挙げら
れる。なかでも、経済性という観点からアルゴン、クリ
プトン、キセノンを用いるのがよい。
【００４２】また、ガスクラスターイオンビーム法にお
ける操作条件として、クラスターを下地層８の表面に衝
突させるための推進力となる加速電圧は、１０〜２０ｋ
ｅＶ、特に、１２〜１８ｋｅＶが好ましい。総照射量(d
ose量)は、１０15〜１０17、特に、１０15〜１０16が好
ましい。
ける操作条件として、クラスターを下地層８の表面に衝
突させるための推進力となる加速電圧は、１０〜２０ｋ
ｅＶ、特に、１２〜１８ｋｅＶが好ましい。総照射量(d
ose量)は、１０15〜１０17、特に、１０15〜１０16が好
ましい。
【００４３】本発明における下地層８は、Ｗ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の材料から薄膜形成され、その厚さ
は、５０〜８００Å程度に設定される。
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の材料から薄膜形成され、その厚さ
は、５０〜８００Å程度に設定される。
【００４４】なお、従来公知の平坦化技術である、アル
ミナ砥粒やコロイダルシリカを砥粒として含ませた研磨
液を用いての研磨方法では、本発明の範囲内の下地層の
表面状態を形成することはできない。
ミナ砥粒やコロイダルシリカを砥粒として含ませた研磨
液を用いての研磨方法では、本発明の範囲内の下地層の
表面状態を形成することはできない。
【００４５】前記強磁性フリー層２０および強磁性ピン
ド層４０を構成する材質は、高いＴＭＲ変化量が得られ
るように高スピン分極材料が好ましく、例えば、Ｆｅ，
Ｃｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，Ｆｅ
ＣｏＮｉ等が用いられる。また、いわゆるフリー層とし
て機能する強磁性フリー層２０の膜厚は、２０〜２００
Å、好ましくは４０〜１００Åとされる。膜厚が厚くな
りすぎると、ヘッド動作時の出力が低下する傾向があ
り、また、膜厚が薄くなりすぎると、磁気特性が不安定
となりヘッド動作時のノイズが増大するという不都合が
生じる。また、いわゆる磁化固定層（強磁性ピンド層）
として機能する強磁性ピンド層４０の膜厚は、１０〜５
０Å、好ましくは２０〜３０Åとされる。膜厚が厚くな
りすぎると、後述するような反強磁性体による磁化のピ
ンニングが弱まり、また、膜厚が薄くなりすぎると、Ｔ
ＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。
ド層４０を構成する材質は、高いＴＭＲ変化量が得られ
るように高スピン分極材料が好ましく、例えば、Ｆｅ，
Ｃｏ，Ｎｉ，ＦｅＣｏ，ＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，Ｆｅ
ＣｏＮｉ等が用いられる。また、いわゆるフリー層とし
て機能する強磁性フリー層２０の膜厚は、２０〜２００
Å、好ましくは４０〜１００Åとされる。膜厚が厚くな
りすぎると、ヘッド動作時の出力が低下する傾向があ
り、また、膜厚が薄くなりすぎると、磁気特性が不安定
となりヘッド動作時のノイズが増大するという不都合が
生じる。また、いわゆる磁化固定層（強磁性ピンド層）
として機能する強磁性ピンド層４０の膜厚は、１０〜５
０Å、好ましくは２０〜３０Åとされる。膜厚が厚くな
りすぎると、後述するような反強磁性体による磁化のピ
ンニングが弱まり、また、膜厚が薄くなりすぎると、Ｔ
ＭＲ変化率が減少する傾向が生じる。
【００４６】このような強磁性フリー層２０および強磁
性ピンド層４０は、単層に限定されることはなく、反強
磁性型磁気結合をしている一対の磁性層と、その間に挟
まれた非磁性金属層の組み合わせからなる積層体も、特
に好ましい態様の一つである。このような積層体として
は、例えば、ＣｏＦｅ（厚さ３０Å）／Ｒｕ（厚さ７
Å）／ＣｏＦｅ（厚さ２０Å）の３層積層体からなる強
磁性層が挙げられる。
性ピンド層４０は、単層に限定されることはなく、反強
磁性型磁気結合をしている一対の磁性層と、その間に挟
まれた非磁性金属層の組み合わせからなる積層体も、特
に好ましい態様の一つである。このような積層体として
は、例えば、ＣｏＦｅ（厚さ３０Å）／Ｒｕ（厚さ７
Å）／ＣｏＦｅ（厚さ２０Å）の３層積層体からなる強
磁性層が挙げられる。
【００４７】さらに強磁性フリー層は、ＮｉＦｅ／Ｃｏ
Ｆｅ等の多層構造をとってもよい。
Ｆｅ等の多層構造をとってもよい。
【００４８】２つの強磁性層２０，４０によって挟まれ
るトンネルバリア層３０は、Ａｌ2Ｏ3，ＮｉＯ，Ｇｄ
Ｏ，ＭｇＯ，Ｔａ2Ｏ5，ＭｏＯ2，ＴｉＯ2，ＷＯ2等か
ら構成される。トンネルバリア層３０の厚さは、素子の
低抵抗化のためできるだけ薄いことが望ましいが、あま
り薄すぎてピンホールが生じるとリーク電流がながれて
しまい好ましくない。一般には、５〜２０Å程度とされ
る。
るトンネルバリア層３０は、Ａｌ2Ｏ3，ＮｉＯ，Ｇｄ
Ｏ，ＭｇＯ，Ｔａ2Ｏ5，ＭｏＯ2，ＴｉＯ2，ＷＯ2等か
ら構成される。トンネルバリア層３０の厚さは、素子の
低抵抗化のためできるだけ薄いことが望ましいが、あま
り薄すぎてピンホールが生じるとリーク電流がながれて
しまい好ましくない。一般には、５〜２０Å程度とされ
る。
【００４９】また、本発明において、前記強磁性ピンド
層４０の磁化をピン止めするピン止め層５０は、そのピ
ン止め機能を果たすものであれば、特に限定されない
が、通常、反強磁性材料が用いられる。厚さは、通常、
６０〜３００Å程度とされる。
層４０の磁化をピン止めするピン止め層５０は、そのピ
ン止め機能を果たすものであれば、特に限定されない
が、通常、反強磁性材料が用いられる。厚さは、通常、
６０〜３００Å程度とされる。
【００５０】電極７１，７５としては、Ｗ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の導電体材料が用いられる。電極７
１，７５の外側両端にはそれぞれパーマロイ等からなる
（磁気）シールド層を設けてもよい。また、図１に示さ
れる実施形態はピン止め層５０がトップに位置するタイ
プを例示しているが、もちろんピン止め層５０がボトム
に位置するタイプであってもよい。このボトムタイプの
積層状態は図示していないが、基板５の上に、電極７
１、下地層８、ピン止め層５０、強磁性ピンド層４０、
トンネルバリア層３０、強磁性フリー層２０、電極７５
を順次有する形態をとることになる。
ｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の導電体材料が用いられる。電極７
１，７５の外側両端にはそれぞれパーマロイ等からなる
（磁気）シールド層を設けてもよい。また、図１に示さ
れる実施形態はピン止め層５０がトップに位置するタイ
プを例示しているが、もちろんピン止め層５０がボトム
に位置するタイプであってもよい。このボトムタイプの
積層状態は図示していないが、基板５の上に、電極７
１、下地層８、ピン止め層５０、強磁性ピンド層４０、
トンネルバリア層３０、強磁性フリー層２０、電極７５
を順次有する形態をとることになる。
【００５１】図２には図１の変形例が示される。図２に
おいて、下地層８の下と、ピン止め層５０の上にはそれ
ぞれギャップ層１０１とギャップ層１０５が形成され、
これらの外方両端には電極−シールド兼用層（common l
ead and shield layer）９１,９５が形成されている。
電極−シールド兼用層（common lead and shield laye
r）９１,９５は、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、センダス
ト、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ等から構成される。ギャッ
プ層１０１，１０５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｍｇ，Ｒｕ，Ｗ，Ｚｎあるいは
これらとの合金から構成される。ギャップ層は、特に、
シールド−シールド間距離の調整およびＴＭＲ多層膜位
置の調整という機能を果たす。
おいて、下地層８の下と、ピン止め層５０の上にはそれ
ぞれギャップ層１０１とギャップ層１０５が形成され、
これらの外方両端には電極−シールド兼用層（common l
ead and shield layer）９１,９５が形成されている。
電極−シールド兼用層（common lead and shield laye
r）９１,９５は、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、センダス
ト、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ等から構成される。ギャッ
プ層１０１，１０５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔａ，Ｒ
ｈ，Ｃｒ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｍｇ，Ｒｕ，Ｗ，Ｚｎあるいは
これらとの合金から構成される。ギャップ層は、特に、
シールド−シールド間距離の調整およびＴＭＲ多層膜位
置の調整という機能を果たす。
【００５２】このような本発明のトンネル磁気抵抗効果
素子をトンネル磁気抵抗効果型ヘッド２（以下、単に
「ＴＭＲヘッド２」と称す）の好適な一例として発展さ
せた実施形態が図３に示される。ＴＭＲヘッド２も本発
明でいうトンネル磁気抵抗効果素子の概念に含まれ、本
発明のクレームの技術的範囲に含まれる。
素子をトンネル磁気抵抗効果型ヘッド２（以下、単に
「ＴＭＲヘッド２」と称す）の好適な一例として発展さ
せた実施形態が図３に示される。ＴＭＲヘッド２も本発
明でいうトンネル磁気抵抗効果素子の概念に含まれ、本
発明のクレームの技術的範囲に含まれる。
【００５３】図３は、本発明のＴＭＲヘッド２の好適な
一例を示す断面図である。この断面図は磁気情報である
外部磁場を発する磁気記録媒体と実質的に対向するよう
に配置される面に相当する。この面は、いわゆるＡＢＳ
（Air Bearing Surface）と呼ばれる。
一例を示す断面図である。この断面図は磁気情報である
外部磁場を発する磁気記録媒体と実質的に対向するよう
に配置される面に相当する。この面は、いわゆるＡＢＳ
（Air Bearing Surface）と呼ばれる。
【００５４】この実施の形態において、ＴＭＲヘッド２
は、スピントンネル磁気抵抗効果を示すトンネル多層膜
３を備えている。すなわち、トンネル多層膜３は、トン
ネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０を挟むよう
にして形成された強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層
４０が積層された多層膜構造を有している。前述したよ
うに強磁性フリー層２０は、基本的に磁気情報である外
部磁場に応答して自由(フリー)に磁化の向きが変えられ
るように作用する。また、強磁性ピンド層４０は、その
磁化方向が、すべて一定方向を向くようにピン止めされ
ている（図３の場合ピン止めされる磁化の方向は紙面の
奥行き方向）。そのため、通常、図３に示されるように
強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン
止め層５０が、前記強磁性ピンド層４０のトンネルバリ
ア層３０と接する側と反対の面に積層される。
は、スピントンネル磁気抵抗効果を示すトンネル多層膜
３を備えている。すなわち、トンネル多層膜３は、トン
ネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０を挟むよう
にして形成された強磁性フリー層２０と強磁性ピンド層
４０が積層された多層膜構造を有している。前述したよ
うに強磁性フリー層２０は、基本的に磁気情報である外
部磁場に応答して自由(フリー)に磁化の向きが変えられ
るように作用する。また、強磁性ピンド層４０は、その
磁化方向が、すべて一定方向を向くようにピン止めされ
ている（図３の場合ピン止めされる磁化の方向は紙面の
奥行き方向）。そのため、通常、図３に示されるように
強磁性ピンド層４０の磁化をピンニングするためのピン
止め層５０が、前記強磁性ピンド層４０のトンネルバリ
ア層３０と接する側と反対の面に積層される。
【００５５】図３に示される実施形態において、前記ト
ンネル多層膜３の積層方向の両側には、トンネル多層膜
３にセンス電流をながすための電極と磁気シールドの両
方の機能を果たす、電極−シールド兼用層（common lea
d and shield layer）９１,９５が、それぞれ、電気的
に接合（electrical contact）されている。前述したよ
うに電極−シールド兼用層（common lead and shield l
ayer）９１,９５を用いることにより、リードギャップ
は大幅に縮小でき、さらに、トンネル多層膜中の不均一
な電流の流れを防止することができる。
ンネル多層膜３の積層方向の両側には、トンネル多層膜
３にセンス電流をながすための電極と磁気シールドの両
方の機能を果たす、電極−シールド兼用層（common lea
d and shield layer）９１,９５が、それぞれ、電気的
に接合（electrical contact）されている。前述したよ
うに電極−シールド兼用層（common lead and shield l
ayer）９１,９５を用いることにより、リードギャップ
は大幅に縮小でき、さらに、トンネル多層膜中の不均一
な電流の流れを防止することができる。
【００５６】このような電極−シールド兼用層（common
lead and shield layer）９１,９５にセンス用の電流
が流され、これらの層９１,９５に電気的に接合されて
いるトンネル多層膜３の積層方向にセンス電流が流れる
ようになっている。
lead and shield layer）９１,９５にセンス用の電流
が流され、これらの層９１,９５に電気的に接合されて
いるトンネル多層膜３の積層方向にセンス電流が流れる
ようになっている。
【００５７】このような電極−シールド兼用層９１,９
５は、直接、トンネル多層膜３と接触するように形成さ
れてもよいし、あるいは図３の実施の形態に示されるよ
うに、非磁性かつ導電性のあるギャップ層１０１,１０
５を、それぞれ介して電極−シールド兼用層９１,９５
とトンネル多層膜３とを電気的に接合するようにしても
よい。
５は、直接、トンネル多層膜３と接触するように形成さ
れてもよいし、あるいは図３の実施の形態に示されるよ
うに、非磁性かつ導電性のあるギャップ層１０１,１０
５を、それぞれ介して電極−シールド兼用層９１,９５
とトンネル多層膜３とを電気的に接合するようにしても
よい。
【００５８】前記ギャップ層１０１,１０５は、前述し
たように、特に、シールド−シールド間距離の調整およ
びＴＭＲ多層膜位置の調整という機能や、トンネル電流
が不均一になるのを防止するという機能を果たす。これ
らは通常、図示のごとく一層から形成されることが好ま
しいが、上記の材質の中から選定された複数の材質の積
層体とすることもできる。このようなギャップ層１０
１，１０５の膜厚は、５０〜７００Å程度とされる。
たように、特に、シールド−シールド間距離の調整およ
びＴＭＲ多層膜位置の調整という機能や、トンネル電流
が不均一になるのを防止するという機能を果たす。これ
らは通常、図示のごとく一層から形成されることが好ま
しいが、上記の材質の中から選定された複数の材質の積
層体とすることもできる。このようなギャップ層１０
１，１０５の膜厚は、５０〜７００Å程度とされる。
【００５９】本発明におけるトンネル多層膜３は、下地
層８を介して形成される。その下地層８の表面８ａの表
面粗さは、上述した範囲内に設定されることは言うまで
もない。さらに、本発明におけるトンネル多層膜３は、
図３に示されるような仕様に基づいて構成されることが
好ましい。すなわち、トンネル多層膜３の一部を構成す
る強磁性フリー層２０は、図３に示されるようにその長
手方向（紙面の左右方向）両端部にそれぞれ積層され接
続配置されたバイアス付与手段６１，６１によって、強
磁性フリー層の長手方向にバイアス磁界（例えば矢印
（α１）方向）が印加されるようになっている。
層８を介して形成される。その下地層８の表面８ａの表
面粗さは、上述した範囲内に設定されることは言うまで
もない。さらに、本発明におけるトンネル多層膜３は、
図３に示されるような仕様に基づいて構成されることが
好ましい。すなわち、トンネル多層膜３の一部を構成す
る強磁性フリー層２０は、図３に示されるようにその長
手方向（紙面の左右方向）両端部にそれぞれ積層され接
続配置されたバイアス付与手段６１，６１によって、強
磁性フリー層の長手方向にバイアス磁界（例えば矢印
（α１）方向）が印加されるようになっている。
【００６０】当該強磁性フリー層２０の長手方向（バイ
アス磁界印加方向と実質的に同じ）の長さＬfは、前記
強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpよりも大きく設
定される。強磁性フリー層２０は、その長さＬfが強磁
性ピンド層４０の長さＬpよりも長い分だけ、その両端
部に、強磁性ピンド層４０の長手方向両端部位置（ライ
ンｈの引き出し線で表示される）よりもさらに延長され
た拡張部位２０ａをそれぞれ備えなるように配置され
る。この拡張部位２０ａは、その長さがＬfeで表示さ
れ、強磁性フリー層２０の一部分を占めている。つま
り、拡張部位２０ａは強磁性ピンド層４０端部からのは
み出し長さ部分と同義である。
アス磁界印加方向と実質的に同じ）の長さＬfは、前記
強磁性ピンド層４０の長手方向長さＬpよりも大きく設
定される。強磁性フリー層２０は、その長さＬfが強磁
性ピンド層４０の長さＬpよりも長い分だけ、その両端
部に、強磁性ピンド層４０の長手方向両端部位置（ライ
ンｈの引き出し線で表示される）よりもさらに延長され
た拡張部位２０ａをそれぞれ備えなるように配置され
る。この拡張部位２０ａは、その長さがＬfeで表示さ
れ、強磁性フリー層２０の一部分を占めている。つま
り、拡張部位２０ａは強磁性ピンド層４０端部からのは
み出し長さ部分と同義である。
【００６１】強磁性フリー層２０の長手方向の長さＬf
は、０．５〜２０μｍ程度とされる。また、強磁性ピン
ド層４０の長手方向長さＬpとの関係で規定される強磁
性ピンド層４０の拡張部位２０ａの長さＬfeは、０．１
〜５μｍ程度とされる。
は、０．５〜２０μｍ程度とされる。また、強磁性ピン
ド層４０の長手方向長さＬpとの関係で規定される強磁
性ピンド層４０の拡張部位２０ａの長さＬfeは、０．１
〜５μｍ程度とされる。
【００６２】このような強磁性フリー層２０の両端の拡
張部位２１に、バイアス付与手段６１，６１が積層状態
で接続される。バイアス付与手段６１，６１が積層され
た部分は、拡張部位２０ａと交換結合され、磁化方向は
矢印（α１）方向に固着される。バイアス付与手段６
１，６１は、それぞれ、図３に示されるように前記強磁
性ピンド層４０の長手方向両端部からそれぞれ一定のス
ペースＤを確保して形成されている。
張部位２１に、バイアス付与手段６１，６１が積層状態
で接続される。バイアス付与手段６１，６１が積層され
た部分は、拡張部位２０ａと交換結合され、磁化方向は
矢印（α１）方向に固着される。バイアス付与手段６
１，６１は、それぞれ、図３に示されるように前記強磁
性ピンド層４０の長手方向両端部からそれぞれ一定のス
ペースＤを確保して形成されている。
【００６３】このような一定のスペースＤは、ヘッドの
設計仕様を決定する際に、ＴＭＲ変化率特性を実質的に
低下させないようにするために所定範囲に定めることが
望ましい。具体的数値は、ヘッド仕様、例えば、用いる
構成部材の材質や、寸法設定等により適宜設定すること
が望ましい。特に、より好ましい態様として実験的に見
出された数値を挙げるならば、前記一定のスペースＤ
は、０．０２μｍ以上、特に、０．０２μｍ以上０．３
μｍ以下の範囲、さらには０．０２μｍ以上０．１５μ
ｍ未満の範囲とすることが好ましい。このＤの値が、
０．０２μｍ未満となると、ＴＭＲ変化率が低下する傾
向にある。この一方で、このＤ値が大きくなり過ぎて、
０．３μｍを超えると、有効トラック幅が広がってしま
い高記録密度化への将来の要求に合致しなくなる傾向が
生じる。有効トラック幅を特に重点的に考慮すると、Ｄ
値は０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１
５μｍを含まない）とすることが好ましい。
設計仕様を決定する際に、ＴＭＲ変化率特性を実質的に
低下させないようにするために所定範囲に定めることが
望ましい。具体的数値は、ヘッド仕様、例えば、用いる
構成部材の材質や、寸法設定等により適宜設定すること
が望ましい。特に、より好ましい態様として実験的に見
出された数値を挙げるならば、前記一定のスペースＤ
は、０．０２μｍ以上、特に、０．０２μｍ以上０．３
μｍ以下の範囲、さらには０．０２μｍ以上０．１５μ
ｍ未満の範囲とすることが好ましい。このＤの値が、
０．０２μｍ未満となると、ＴＭＲ変化率が低下する傾
向にある。この一方で、このＤ値が大きくなり過ぎて、
０．３μｍを超えると、有効トラック幅が広がってしま
い高記録密度化への将来の要求に合致しなくなる傾向が
生じる。有効トラック幅を特に重点的に考慮すると、Ｄ
値は０．０２μｍ以上０．１５μｍ未満の範囲（０．１
５μｍを含まない）とすることが好ましい。
【００６４】図３に例示されたＴＭＲヘッド２全体の構
成、特に上述していない部材を中心にして簡単に説明し
ておくと、本実施の形態においては、ＴＭＲ多層膜の両
端部外方には、図示のごとく例えばアルミナからなる絶
縁層１１１，１１１および絶縁層１１２，１１２が形成
される。これにより、バイアス付与手段６１，６１とト
ンネルバリア層３０の絶縁などが確実に行なわれるよう
になっている。
成、特に上述していない部材を中心にして簡単に説明し
ておくと、本実施の形態においては、ＴＭＲ多層膜の両
端部外方には、図示のごとく例えばアルミナからなる絶
縁層１１１，１１１および絶縁層１１２，１１２が形成
される。これにより、バイアス付与手段６１，６１とト
ンネルバリア層３０の絶縁などが確実に行なわれるよう
になっている。
【００６５】強磁性トンネル磁気抵抗効果について簡単
に説明しておく。強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、ト
ンネルバリア層３０を挟む一対の強磁性層２０，４０間
の積層方向に電流を流す場合に、両方の強磁性層２０，
４０間における互いの磁化の相対角度に依存してトンネ
ルバリア層を流れるトンネル電流が変化する現象をい
う。この場合のトンネルバリア層３０は、薄い絶縁膜で
あって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存しな
がら電子が通過できるものである。両強磁性層２０，４
０間における互いの磁化が平行である場合（あるいは互
いの磁化の相対角度が小さい場合）、電子のトンネル確
率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さく
なる。これとは逆に、両強磁性層２０，４０間における
互いの磁化が反平行である場合（あるいは互いの磁化の
相対角度が大きい場合）、電子のトンネル確率は低くな
るので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。この
ような磁化の相対角度の変化に基づく抵抗変化を利用し
て、例えば外部磁場の検出動作が行われる。
に説明しておく。強磁性トンネル磁気抵抗効果とは、ト
ンネルバリア層３０を挟む一対の強磁性層２０，４０間
の積層方向に電流を流す場合に、両方の強磁性層２０，
４０間における互いの磁化の相対角度に依存してトンネ
ルバリア層を流れるトンネル電流が変化する現象をい
う。この場合のトンネルバリア層３０は、薄い絶縁膜で
あって、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存しな
がら電子が通過できるものである。両強磁性層２０，４
０間における互いの磁化が平行である場合（あるいは互
いの磁化の相対角度が小さい場合）、電子のトンネル確
率は高くなるので、両者間に流れる電流の抵抗は小さく
なる。これとは逆に、両強磁性層２０，４０間における
互いの磁化が反平行である場合（あるいは互いの磁化の
相対角度が大きい場合）、電子のトンネル確率は低くな
るので、両者間に流れる電流の抵抗は大きくなる。この
ような磁化の相対角度の変化に基づく抵抗変化を利用し
て、例えば外部磁場の検出動作が行われる。
【００６６】
【実施例】上述してきたトンネル磁気抵抗効果素子（Ｔ
ＭＲ素子）に関する発明を、以下に示す具体的実施例に
よりさらに詳細に説明する。
ＭＲ素子）に関する発明を、以下に示す具体的実施例に
よりさらに詳細に説明する。
【００６７】（実験例Ｉ）
【００６８】下記に示すようなトンネル磁気抵抗効果素
子サンプルを作製した。すなわち、基板５（Ａｌ２Ｏ３
付きのＡｌＴｉＣ）の上に、厚さ２２μｍのＮｉＦｅ電
極−シールド兼用層（common lead and shield layer）
９１、ギャップ層１０１（Ｒｈ；厚さ５００Å）、下地
層８（Ｔａ；厚さ１００Å）、いわゆるフリー層として
機能する強磁性層２０（ＮｉＦｅ層（厚さ３０Å）とＣ
ｏＦｅ（厚さ３０Å）の積層体）、トンネルバリア層３
０（酸化アルミニウム；厚さ１０Å）、磁化方向が検出
磁界方向に固定されたいわゆるピンニングされた強磁性
層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３０Å）、強磁性層４０の磁化
をピンニングするためのピン止め層５０（ＰｔＭｎ；厚
さ３００Å）、ギャップ層１０５（Ｒｈ；厚さ２００
Å）、厚さ５０μｍのＮｉＦｅ電極−シールド兼用層
（common lead and shield layer）９５を順次、薄膜積
層してサンプルを作製した。完成した素子サイズは１μ
ｍ×１μｍの大きさとした。
子サンプルを作製した。すなわち、基板５（Ａｌ２Ｏ３
付きのＡｌＴｉＣ）の上に、厚さ２２μｍのＮｉＦｅ電
極−シールド兼用層（common lead and shield layer）
９１、ギャップ層１０１（Ｒｈ；厚さ５００Å）、下地
層８（Ｔａ；厚さ１００Å）、いわゆるフリー層として
機能する強磁性層２０（ＮｉＦｅ層（厚さ３０Å）とＣ
ｏＦｅ（厚さ３０Å）の積層体）、トンネルバリア層３
０（酸化アルミニウム；厚さ１０Å）、磁化方向が検出
磁界方向に固定されたいわゆるピンニングされた強磁性
層４０（ＣｏＦｅ；厚さ３０Å）、強磁性層４０の磁化
をピンニングするためのピン止め層５０（ＰｔＭｎ；厚
さ３００Å）、ギャップ層１０５（Ｒｈ；厚さ２００
Å）、厚さ５０μｍのＮｉＦｅ電極−シールド兼用層
（common lead and shield layer）９５を順次、薄膜積
層してサンプルを作製した。完成した素子サイズは１μ
ｍ×１μｍの大きさとした。
【００６９】なお、下地層８の形成に際しては、下地層
８を形成した後にその表面８ａをガスクラスターイオン
ビーム法により平滑化処理した。ガスクラスターイオン
ビーム法の操作条件および表面８ａの表面粗さは下記表
１に示されるように種々変えて、種々のサンプルを作製
した。なお、下地層８の上方に位置するトンネル多層膜
の膜仕様および成膜条件は全てのサンプルで同一とし
た。
８を形成した後にその表面８ａをガスクラスターイオン
ビーム法により平滑化処理した。ガスクラスターイオン
ビーム法の操作条件および表面８ａの表面粗さは下記表
１に示されるように種々変えて、種々のサンプルを作製
した。なお、下地層８の上方に位置するトンネル多層膜
の膜仕様および成膜条件は全てのサンプルで同一とし
た。
【００７０】また、下地層８の表面８ａの表面粗さを測
定するに際しては、積層状態が分かるようにサンプルを
積層方向に切断し、具体的に、高分解能透過電子顕微鏡
（ＴＥＭ）や走査型２次電子顕微鏡（Ｓ−ＴＥＭ）を用
いて測定した。測定範囲は表面粗さ測定用の専用パター
ンを形成し、１０μｍ×１０μｍとした。
定するに際しては、積層状態が分かるようにサンプルを
積層方向に切断し、具体的に、高分解能透過電子顕微鏡
（ＴＥＭ）や走査型２次電子顕微鏡（Ｓ−ＴＥＭ）を用
いて測定した。測定範囲は表面粗さ測定用の専用パター
ンを形成し、１０μｍ×１０μｍとした。
【００７１】なお、実際のＴＭＲ素子の大きさは、
（０．１５μｍ×０．１５μｍ）〜（１μｍ×１μｍ）
程度の大きさのものが一般的である。これらの素子にお
いても、Ｒａ、Ｒmax、およびＲrmsが本発明のクレーム
範囲内にあることが必須である。一般には測定範囲が広
くなると粗さの諸量は大きくなっていく傾向がある。
（０．１５μｍ×０．１５μｍ）〜（１μｍ×１μｍ）
程度の大きさのものが一般的である。これらの素子にお
いても、Ｒａ、Ｒmax、およびＲrmsが本発明のクレーム
範囲内にあることが必須である。一般には測定範囲が広
くなると粗さの諸量は大きくなっていく傾向がある。
【００７２】下記表１に示される種々の実験用ＴＭＲ素
子サンプルを用いて、下記の要領でＴＭＲ変化率（％）
を求めた。
子サンプルを用いて、下記の要領でＴＭＲ変化率（％）
を求めた。
【００７３】ＴＭＲ変化率（％）
【００７４】サンプルに印加される電圧がゼロ磁界で５
０ｍＶ程度となるように定電流を流し、±９００（Ｏ
ｅ）の磁界を印加した時の電圧の最小値から最小抵抗値
Ｒminを求め、また、電圧の最大値から最大抵抗値Ｒmax
を求め、以下の算出式（１）からＴＭＲ変化率（％）を
求めた。
０ｍＶ程度となるように定電流を流し、±９００（Ｏ
ｅ）の磁界を印加した時の電圧の最小値から最小抵抗値
Ｒminを求め、また、電圧の最大値から最大抵抗値Ｒmax
を求め、以下の算出式（１）からＴＭＲ変化率（％）を
求めた。
【００７５】 ＴＭＲ変化率（％）＝（Ｒmax−Ｒmin）／Ｒmin ×１００ …式（１）
【００７６】結果を下記表１に示した。
【００７７】
【表１】
【００７８】表１に示される結果より、ＴＭＲ変化率を
向上させるためには、表面粗さの状態を示す３つのパラ
メータ全てが本発明の範囲を満たさなければならないこ
とがわかる。
向上させるためには、表面粗さの状態を示す３つのパラ
メータ全てが本発明の範囲を満たさなければならないこ
とがわかる。
【００７９】
【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明は、下地層の上にトンネル多層
膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記ト
ンネル多層膜は、トンネルバリア層と、トンネルバリア
層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と強磁性
ピンド層を有し、前記下地層は、トンネル多層膜側の下
地層の表面における表面粗さの状態を示す３つの指標で
ある、中心線平均粗さＲａが０．５ｎｍ以下、最大高さ
Ｒmaxが５ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが０．５５ｎｍ
以下であるように構成されているので、ＴＭＲ変化率が
大きくなり、大きなヘッド出力が得られる。
ある。すなわち、本発明は、下地層の上にトンネル多層
膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記ト
ンネル多層膜は、トンネルバリア層と、トンネルバリア
層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と強磁性
ピンド層を有し、前記下地層は、トンネル多層膜側の下
地層の表面における表面粗さの状態を示す３つの指標で
ある、中心線平均粗さＲａが０．５ｎｍ以下、最大高さ
Ｒmaxが５ｎｍ以下、標準偏差粗さＲrmsが０．５５ｎｍ
以下であるように構成されているので、ＴＭＲ変化率が
大きくなり、大きなヘッド出力が得られる。
【図１】図１は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果
素子の好適な一例を示す断面図である。
素子の好適な一例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果
素子の他の好適な一例を示す断面図である。
素子の他の好適な一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の強磁性トンネル磁気抵抗効果
素子をトンネル磁気抵抗効果型ヘッドに発展させた場合
の一例を示す断面図である。
素子をトンネル磁気抵抗効果型ヘッドに発展させた場合
の一例を示す断面図である。
１…トンネル磁気抵抗効果素子 ３…トンネル多層膜 ５…基板 ８…下地層 ２０…強磁性フリー層 ３０…トンネルバリア層 ４０…強磁性ピンド層 ７１，７５…電極(層)
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−134620（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−175920（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−57261（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−105928（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−120470（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−293483（ＪＰ，Ａ) 特開2000−11333（ＪＰ，Ａ) 特開2001−6130（ＪＰ，Ａ) 特開2000−215415（ＪＰ，Ａ) 特開2001−36164（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/26 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (13)
- 【請求項１】 下地層の上にトンネル多層膜を有するト
ンネル磁気抵抗効果素子であって、 前記トンネル多層膜は、トンネルバリア層と、トンネル
バリア層を挟むようにして形成された強磁性フリー層と
強磁性ピンド層を有し、 前記下地層は、トンネル多層膜側の下地層の表面におけ
る表面粗さの状態を示す３つの指標である、中心線平均
粗さＲａが０．５ｎｍ以下、最大高さＲmaxが５ｎｍ以
下、標準偏差粗さＲrmsが０．５５ｎｍ以下であること
を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項２】 前記下地層の表面粗さの状態を示す３つ
の指標である、中心線平均粗さＲａが０．００１〜０．
５ｎｍ、最大高さＲmaxが０．０１〜５ｎｍ、標準偏差
粗さＲrmsが０．００１〜０．５５ｎｍである請求項１
に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項３】 前記トンネル多層膜側の下地層の表面
は、ガスクラスターイオンビーム法によって平滑化処理
されてなる請求項１または請求項２に記載のトンネル磁
気抵抗効果素子。 - 【請求項４】 前記ガスクラスターイオンビーム法に用
いるガスが、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプト
ン、ヘリウム、水素やこれらの混合ガスである請求項３
に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項５】 前記ガスクラスターイオンビーム法にお
ける平滑化処理は、加速電圧１０〜２０ｋｅＶにて１０
15〜１０17 Doseの照射量で行なわれる請求項４に記載
のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項６】 前記下地層が、Ｗ，Ｔａ，Ｒｈ，Ｔｉ，
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｐｔである請求項１ないし請
求項５のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項７】 前記トンネル磁気抵抗効果素子は、下地
層の上に、強磁性フリー層、トンネルバリア層、強磁性
ピンド層、強磁性ピンド層の磁化をピン止めするための
ピン止め層を順次備えてなる形態を有する請求項１ない
し請求項６のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項８】 前記トンネル磁気抵抗効果素子は、下地
層の上に、強磁性ピンド層の磁化をピン止めするための
ピン止め層、強磁性ピンド層、トンネルバリア層、強磁
性フリー層を順次備えてなる形態を有する請求項１ない
し請求項６のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項９】 前記強磁性フリー層は、その長手方向両
端部にそれぞれ配置されたバイアス付与手段によって、
強磁性フリー層の長手方向にバイアス磁界が印加される
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のトンネル磁
気抵抗効果素子。 - 【請求項１０】 前記強磁性フリー層は、合成フェリ磁
石(synthetic ferrimagnet)である請求項１ないし請求
項９のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項１１】 前記強磁性ピンド層は、合成フェリ磁
石(synthetic ferrimagnet)である請求項１ないし請求
項１０のいずれかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項１２】 前記トンネル多層膜は、当該トンネル
多層膜を挟むように対向配置された一対の電極と電気的
に接合されてなる請求項１ないし請求項１１のいずれか
に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 【請求項１３】 前記一対の電極を挟むように対向配置
された一対のシールド層を備えてなる請求項１２に記載
のトンネル磁気抵抗効果素子。
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