JP2003101101A

JP2003101101A - 磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素子

Info

Publication number: JP2003101101A
Application number: JP2001295146A
Authority: JP
Inventors: Shiho Okuno; 志保奥野; Shigeru Haneda; 茂羽根田; Tatsuya Kishi; 達也岸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2003-04-04
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP3655229B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな磁気抵抗変化を有し、素子化可能でか
つ制御性が良好、さらに作製容易な磁気抵抗効果素子を
提供するとともに、これを用いた高感度の磁気検出素子
素子を提供することにある。またさらに、この磁気抵抗
効果素子を用いた記録再生素子を提供することも目的と
する。【解決手段】基板（Ｓ）の主面上に設けられた磁性
体エレメント（１）を備え、前記磁性体エレメントは、
前記基板の主面に対して略平行な方向に流れる電流を狭
窄するくびれ部（Ｃ）と、前記くびれ部を介して接続さ
れた第１及び第２の導電領域（１Ａ、１Ｂ）と、を有
し、前記くびれ部を介して流れる電流に対して略平行な
方向に磁場を印加した時に電気抵抗が減少することを特
徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果素子
及びその製造方法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素
子に関し、より詳細には、高い磁気抵抗変化率を示す磁
気微小接点を有する磁気抵抗効果素子及びその製造方
法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる
積層構造において面内に電流を流した場合に、巨大磁気
抵抗効果（Giant Magnetoresistance effect）が発現す
ることが見出されて以来、さらに大きな磁気抵抗変化率
を持つ系が探索されてきた。これまでに、強磁性トンネ
ル接合や電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ
（Current Perpendicular to Plane）型ＭＲ素子が開発
され、これらは磁気センサーや磁気記録の再生素子とし
て有望視されている。

【０００３】磁気記録技術の分野においては、記録密度
の向上により必然的に記録ビットの縮小化が進められ、
その結果として十分な信号強度を得ることが難しくなり
つつある。このため、より感度の高い磁気抵抗効果を示
す材料が求められており、上述の如く大きな磁気抵抗変
化率を示す系の必要性はますます高くなっている。

【０００４】最近、１００％以上の磁気抵抗効果を示す
ものとして、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わ
せた「磁気微小接点」、あるいは２つのマグネタイトを
接触させた磁気微小接点が、それぞれ、文献 N. Garci
a, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Lett
ers, vol.82, p2923 (1999) およびJ. J. Versluijs,
M. A. Bari and J. M. D. Coey, Physical Review Let
ters, vol.87, p26601-1 (2001 ) に開示された。これ
らは、大きな磁気抵抗変化率を示しているものの、その
磁気微小接点の作製方法は、いずれも２つの針状あるい
は三角形状に加工した強磁性体を角付き合わせるという
ものである。

【発明が解決しようとする課題】しかし、磁気微小接点
が磁気抵抗効果を示すためには、微小接点部分が極めて
狭いことが条件であり、作製時の接点部の精密な制御は
極めて困難であった。磁気ヘッドや固体磁気メモリなど
への応用を考慮すると、制御性よく作製でき、量産可能
な微小接点の構造およびその作製方法の開発が必要であ
る。また、磁気抵抗変化は、微小接合を挟んだ両側の磁
性電極における磁化方向の差異を検出するため、磁性電
極の磁区制御がポイントである。

【０００５】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものであり、その目的は、大きな磁気抵抗変化を
示し、素子化可能でかつ制御性が良好、さらに作製容易
な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、これを用いた
高感度の磁気検出素子を提供することにある。またさら
に、この磁気抵抗効果素子を用いた記録再生素子を提供
することも目的とする。

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の磁気抵抗効果素子は、基板の主面上に設け
られた磁性体エレメントを備え、前記磁性体エレメント
は、前記基板の主面に対して略平行な方向に流れる電流
を狭窄するくびれ部と、前記くびれ部を介して接続され
た第１及び第２の導電領域と、を有し、前記くびれ部を
介して流れる電流に対して略平行な方向に磁場を印加し
た時に電気抵抗が減少することを特徴とする。

【０００６】上記構成によれば、大きな磁気抵抗変化を
示し、素子化可能でかつ制御性が良好、さらに作製容易
な磁気抵抗効果素子を提供することができる。

【０００７】ここで、前記くびれ部の幅の最大値は、２
０ｎｍ以下であるものとすれば、顕著な磁気抵抗効果を
得ることができる。

【０００８】また、前記磁性体エレメントは、前記くび
れ部を形成するための高抵抗のくびれ形成領域をさらに
有し、前記くびれ形成領域は、前記くびれ部とは組成及
び結晶構造の少なくともいずれかが異なるものとすれ
ば、くびれ部を確実且つ容易に形成可能とすることがで
きる。

【０００９】また、前記くびれ部を介して前記基板の主
面に対して略平行な方向に電流を流した時に、前記磁性
体エレメントの抵抗は５Ω以上５０ｋΩ以下であり、２
０％以上の磁気抵抗変化率を示すものであることが望ま
しい。

【００１０】また、前記磁性体エレメントは、前記くび
れ部を介して接続された第１及び第２の導電領域を有
し、前記第１及び第２の導電領域の少なくともいずれか
の磁化が一方向に固着されたものとすれば、外部磁気変
化を確実且つ容易に検出できる。

【００１１】一方、本発明の磁気検出素子は、上記のい
ずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録
媒体から放出される磁束の経路上に前記第１及び第２の
導電領域の少なくともいずれかを配置し、前記第１及び
第２の導電領域の磁化方向の差異を前記くびれ部を挟ん
だ磁気抵抗変化として検出可能としたことを特徴とす
る。

【００１２】ここで、前記第１及び第２の導電領域のう
ちで、前記磁気記録媒体から相対的に遠くに設けられた
導電領域の磁化が一方向に固着されてなるものとすれ
ば、外部磁気を確実に検出できる。

【００１３】一方、本発明の磁気記録再生素子は、上記
のいずれかの磁気抵抗効果素子を備え、前記第１及び第
２の導電領域のいずれか一方の磁化は一方向に固着さ
れ、前記第１及び第２の導電領域のいずれか他方の磁化
を記録すべき情報に応じた方向に固定することにより情
報を記憶可能とし、前記くびれ部を挟んだ前記第１及び
第２の導電領域の磁化方向の差異を磁気抵抗変化として
検出することにより、記憶させた前記情報の読み出しを
可能としたことを特徴とする。

【００１４】一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方
法は、磁性体エレメントの上面あるいは側面に、針状あ
るいは細線状の反応用電極を接近させ、この反応用電極
と磁性体エレメントとの間に電圧を印加して前記磁性体
エレメントの一部の組成あるいは結晶構造を変化させる
ことにより、前記磁性体エレメントの一部に電流を狭窄
するくびれ形成領域を設ける磁気抵抗効果素子の製造方
法であって、前記くびれ形成領域を挟んで前記磁性体エ
レメントを流れる電流をモニタしつつこの値が所望の値
に到達するまで前記変化を進めることを特徴とする。

【００１５】上記構成によれば、確実且つ容易に高い磁
気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子を製造することがで
きる。

【００１６】ここで、前記磁性体エレメントの一部の変
化は、酸化、窒化、フッ化あるいは結晶と非晶質との間
の変化のいずれかであるものとすることができる。

【００１７】なお本願明細書において、「磁気抵抗変化
率」とは、磁場の印加による磁気抵抗効果素子の電気抵
抗変化を磁場を印加した状態での電気抵抗で割った値と
定義する。

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。

【００１８】図１は、本発明の実施の形態にかかる磁気
抵抗効果素子の要部構造を例示する平面図である。

【００１９】本発明の磁気抵抗効果素子は、基板Ｓの上
に直接的あるいは間接的に形成された導電性の磁性体エ
レメント１を有する。この磁性体エレメント１は、くび
れ部Ｃを有する。そして、電流Ｉが基板Ｓの面に対して
平行に磁性体エレメント１を流れる際に、くびれ部Ｃの
電気抵抗が、磁場印加により減少する点に特徴がある。
図１は、基板Ｓを上から見たもの、膜状のエレメント１
の中央部にくびれＣが形成されている。本発明におけ
る、このくびれ部Ｃの幅の最大値は、２０ｎｍ以下とす
ることが望ましい。

【００２０】なお、本願において、くびれ部Ｃの「幅」
とは、くびれ部Ｃの断面形状が四角形あるいは多角形の
場合には対角線のうちで最も長いもの、断面形状が円形
の場合はその直径、扁平円などの非等方的な形状の場合
にはその両端間距離の最も長いものをいうものとする。

【００２１】くびれ部Ｃのサイズを微細化すると、磁場
の印加により電気抵抗が減少する。このような電気抵抗
の減少が発現するサイズは、くびれ部Ｃの断面形状にも
よるが、本発明者の検討の結果によれば、くびれ部Ｃの
最大幅を概ね２０ｎｍ以下とすると、電気抵抗の減少が
顕著となることが判明した。このときに、磁気抵抗変化
率が２０％以上となる大きな磁気抵抗効果が発生する。
ただし、くびれ部Ｃの断面形状が、極端に扁平な場合な
どは、その最大幅が２０ｎｍを超えても、磁場の印加に
よる電気抵抗の減少が生ずる場合がある。このような素
子は、本発明の範囲に包含される。

【００２２】図２は、本発明の磁気抵抗効果素子におけ
る印加磁場と電気抵抗との関係を例示するグラフ図であ
る。すなわち、同図（ａ）は、くびれ部Ｃの最大幅を２
０ｎｍ以下とし、磁性体エレメント１を流れる電流Ｉに
対して垂直方向に磁場を印加した場合に得られる電気抵
抗の変化を表すグラフ図である。また、図２（ｂ）は同
様に、本発明の磁気抵抗効果素子において、電流Ｉに対
して平行な方向に磁場を印加した場合に得られる電気抵
抗の変化を表すグラフ図である。

【００２３】これらのグラフ図からわかるように、本発
明の磁気抵抗効果素子の場合には、磁場の印加方向に依
らずに、電気抵抗は大きな減少を示す。

【００２４】これに対して、くびれ部Ｃのサイズが大き
くなると、通常の異方性磁気抵抗効果（Anisotropic Ma
gnetoresistance Effect）による磁気抵抗効果を示す。
この場合には、電気抵抗の変化は、印加する磁場の方向
に応じて変化する。

【００２５】図３は、通常の異方性磁気抵抗効果による
磁気抵抗変化を説明する概念図である。異方性磁気抵抗
効果においては、電流Ｉに対して磁場を垂直に印加した
場合には、図３（ａ）に表したように、磁場の印加によ
り、わずかに電気抵抗が減少する。

【００２６】しかし、電流Ｉに対して平行な方向に磁場
を印加した場合には、磁場に対して磁化がなかなか飽和
せず、図３（ｂ）に表したように、磁場勾配は小さいが
磁場の印加により電気抵抗は増加する。但し、図３
（ａ）及び（ｂ）からも分かるように、通常の異方性磁
気抵抗効果を示す場合には、磁気抵抗変化率は大きくて
も高々数％どまりである。

【００２７】これに対して、本発明の磁気抵抗効果素子
の場合には、図２（ａ）及び（ｂ）に例示したように、
磁場の印加方向に依らず電気抵抗は減少し、しかもその
磁気抵抗変化率は極めて大きいという特徴を有する。な
お、本発明の磁気抵抗効果素子の場合、磁場印加により
電気抵抗は減少するが、ヒステリシスが存在する場合に
は、図２（ａ）及び（ｂ）に例示したように抵抗最大が
ゼロ磁場からわずかにシフトする場合もある。この場合
には、この抵抗の最大を越えると、さらなる磁場増加に
より素子の磁化が全て平行に揃うまで、電気抵抗は減少
する。

【００２８】本発明の磁気抵抗効果素子において、この
ような大きな磁気抵抗効果が生ずるのは、磁化方向を異
にする２つの部分の遷移領域である磁壁が、微細なくび
れ部Ｃに生ずるためであると考えられる。すなわち、く
びれ部Ｃの前後の磁性体エレメント１の部分における磁
化配置の差異により、このような大きな磁気抵抗効果が
おこると考えられる。

【００２９】本発明における磁性体エレメント１の材料
としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル
（Ｎｉ）などの単体、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト
（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロ
ム（Ｃｒ）の少なくともいずれかの元素を含む合金、ま
たは、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、ある
いは、ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴ
ａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、Ｃ
ｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やＣ
ｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３などの
ハーフメタル磁性体を用いることができる。すなわち、
これらの材料のうちから用途に応じた磁気特性を有する
ものを適宜選択して用いればよい。

【００３０】このような微細なくびれ部Ｃの形成方法と
しては、いくつの方法を挙げることができる。

【００３１】まず第１の方法として、磁性体エレメント
１の一部分を取り除くことによりくびれ部Ｃを形成でき
る。具体的には、リソグラフィや収束イオンビーム加工
などの微細加工技術を用いることにより、磁性体エレメ
ント１の一部を除去して微細なくびれ部Ｃを形成するこ
とができる。

【００３２】くびれ部Ｃを形成する第２の方法として
は、磁性体エレメント１の一部を高抵抗化することによ
り、「くびれ形成領域」を設ける方法を挙げることがで
きる。

【００３３】図４（ａ）及び（ｂ）は、このようなくび
れ形成領域を有する磁気抵抗効果素子を模式的に表す平
面図及び正面図である。すなわち、磁性体エレメント１
の両側に、くびれ形成領域１Ｆが設けられ、これらの間
にくびれ部Ｃが形成されている。

【００３４】例えば、磁性体エレメント１の一部分につ
いて、磁性体エレメント１を構成する元素を含みながら
その組成あるいは結晶構造を変化させることにより高抵
抗化させた「くびれ形成領域」を設ければ、それらの間
において、電気伝導的に、くびれ部Ｃを形成することが
できる。

【００３５】くびれ部Ｃを形成する「くびれ形成領域」
１Ｆでは、磁性体エレメント１を構成する元素を含む
が、その組成は磁性体エレメント１にない元素も含むこ
とにより、あるいは結晶構造が変わることにより電気抵
抗が高くなっている。組成を変化させる場合には、くび
れ形成領域１Ｆにおいて、酸化物、窒化物あるいフッ化
物などを形成することに電気抵抗を高くすることができ
る。

【００３６】また、結晶構造変化を利用する場合には、
例えば、くびれ形成領域１Ｆにおいて、構造をアモルフ
ァス（非晶質）化すると、より高い抵抗が実現できる。
ただし、必ずしもアモルファス化する必要はなく、単に
結晶構造を変える、あるいは原子配列を規則化または不
規則化させるだけでもよい。

【００３７】図５は、本発明の磁気抵抗効果素子の第２
の具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）は
その平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）及び
（ｄ）はそのＹ−Ｙ線断面図である。

【００３８】本具体例の場合、くびれ形成領域１Ｆは、
薄膜状の磁性体エレメント１の中央付近において、その
上面に形成されている。そして、このくびれ形成領域１
Ｆにより上方を狭窄されるようにして、くびれ部Ｃが形
成されている。

【００３９】この具体例は、特に、磁性体エレメント１
の幅Ｗが狭い場合に有効である。

【００４０】図６は、本発明の磁気抵抗効果素子の第３
の具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）は
その平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）及び
（ｄ）はそのＹ−Ｙ線断面図である。

【００４１】本具体例の場合、くびれ形成領域１Ｆは、
薄膜状の磁性体エレメント１の中央付近において、その
上面及びその側面に連続的に形成されている。そして、
これらのくびれ形成領域１Ｆに３方を取り囲まれるよう
にして、くびれ部Ｃが形成されている。

【００４２】図５及び図６に例示した具体例において
も、くびれ形成領域１Ｆは、磁性体エレメント１に他の
元素を導入したり、窒化、酸化あるいはフッ化させた
り、あるいは、結晶構造を変化させるなどの方法により
形成することができる。

【００４３】図４と図５の構成を比較すると、図４の磁
気抵抗効果素子においては、磁性体エレメント１の側面
にくびれ形成領域１Ｆが形成され、一方、図５において
は上面にくびれ形成領域１Ｆが形成されている点が異な
る。ただし、実際にはこれらの中間的な構造が形成され
ることも多いと考えられる。すなわち、図６のように磁
性体エレメント１の側面にくびれ形成領域１Ｆを形成す
るに際して、その上面にもある程度のくびれ形成領域１
Ｆが形成される場合も多いと考えられる。

【００４４】いずれにしても、本発明において２０％以
上の大きな磁気抵抗変化率を得るためには、図１乃至図
６に関して前述した構造において、くびれ部Ｃの前後の
両電極間の抵抗を５０ｋΩ〜５Ωの範囲内とすることが
望ましい。

【００４５】そして、大きな磁気抵抗変化を実現するた
めには、磁気異方性を磁性体エレメント１に導入するこ
とが効果的である。この場合の磁気異方性としては、磁
性体エレメント１を細長く形成することにより導入され
る「形状磁気異方性」、あるいは結晶方位が揃すことに
より発生する「結晶磁気異方性」、あるいは磁場中での
熱処理で導入される磁気異方性などを用いることができ
る。

【００４６】また、磁性体エレメント１が基板Ｓの上に
直接的あるいは間接的に形成された薄膜状のエレメント
である場合には、磁場中でスパッタ蒸着などの薄膜形成
を行うことによっても磁気異方性を導入することができ
る。

【００４７】さらに、反強磁性層や非磁性層と強磁性層
とを積層させることで発生させた異方性バイアスを磁気
異方性として用いることもできる。

【００４８】くびれ部Ｃを挟んだ磁性体エレメント１の
２つの領域１Ａと１Ｂにおいて、それらの磁気異方性の
向きはお互いに平行あるいは反平行の時が最も大きな磁
気抵抗効果を発生する。しかし、領域１Ａと１Ｂの磁気
異方性の方向が直角の関係を持つ場合も、用途によって
はこの方が好ましい場合があり、デバイスへ適応するこ
とが可能である。また、このような異方性バイアスを含
む磁気異方性は、くびれ部Ｃを挟んだ領域１Ａあるいは
１Ｂのいずれか一方のみ導入してもよい。

【００４９】本発明の磁気抵抗効果素子は、前述のよう
な微細加工技術を用いた方法の他に、次のような作製方
法で作製することができる。

【００５０】まず、磁性体エレメント１を形成する。磁
性体エレメント１の形状は細線状でもよく、あるいは長
方形、多角形、楕円形などの平面形状を有する薄膜など
でもよい。

【００５１】この磁性体エレメント１には、くびれ部Ｃ
を設けようとする箇所を挟んだ２つの磁性金属部分に電
極を設け、形成される予定のくびれ部Ｃを通過して電流
の抵抗変化をモニタできるようにしておく。

【００５２】この磁性体エレメント１に、針状あるいは
細線状の「反応用電極」を接近させる。

【００５３】図７は、針状の反応用電極２０を接近させ
た状態を表す概念図である。

【００５４】また、図８及び図９は、細線状の反応用電
極２２を接近させた状態を表す概念図である。ここで、
図８は基板Ｓの側面から眺めた図であり、図９は基板Ｓ
の主面上から眺めた図である。

【００５５】次に、加工用電圧源２６を用いて、この反
応用電極２０、２２と磁性体エレメント１との間に、パ
ルス状あるいは一定の反応用バイアス電圧を印加する。
すると、反応用電極２０、２２により発生させられた電
場により、反応用電極の近くの磁性体エレメント１は状
態が変化させられる。

【００５６】より具体的にいえば、雰囲気として大気中
においてこのプロセスを行った場合、大気中の水が電場
により分解し、その中の酸素によって磁性体エレメント
１の一部を酸化することにより、酸化物のくびれ領域形
成部１Ｆを形成することができる。また、窒素あるいは
他のガス中でこれを行うことで、窒化物あるいは他の化
合物からなるくびれ領域形成部１Ｆを形成することがで
きる。

【００５７】さらにまた、瞬間に高いエネルギーを与え
ることにより、反応用電極２０、２２の近くの磁性体エ
レメント１は瞬時に温度が上がり、そのあと急冷され、
その結果、アモルファス状のくびれ形成領域１Ｆを形成
することも可能である。

【００５８】このようなプロセスにより、反応用電極２
０、２２の近傍の磁性体エレメント１を高抵抗化させ、
その結果としてその部分をくびれ形成領域１Ｆとして、
電気伝導的にくびれ部Ｃを形成することができる。

【００５９】またここで、磁性体エレメント１の両端に
モニタ用電源３０を接続し、くびれ部Ｃの両端の抵抗値
を電圧計または電流計３２でモニタしながら、所定の値
に到達するまで反応を続けることにより、制御性の極め
て優れたくびれ部Ｃを形成することができる。

【００６０】一方、反応用電極２０、２２は、図８及び
図９に例示した如く磁性体エレメント１とは独立して設
けてもよいし、さらに、図１０に平面構成を例示した如
く、磁性体エレメント１と同一の基板Ｓ上に予め設けて
おいてもよい。

【００６１】図１０に表した具体例においては、反応用
電極２０、２２の形状は長方形であるが、かならずしも
この形状に限定されず、反応用電極２０、２２の先端部
に電界集中が起こればよい。図１０に表したように、基
板Ｓの上で、磁性体エレメント１の横方向から加工用電
極２０、２２を作用させた場合、図１１に平面構成とし
て表したような形状のくびれ形成領域１Ｆが形成され
る。

【００６２】また、くびれ部Ｃの形成を磁性細線を用い
て行なう場合、図１２（ａ）および（ｂ）に表したよう
に、ひとつの反応用電極２２を用いて複数の磁性体エレ
メント１に対して同時に、くびれ部形成領域１Ｆを形成
することも可能となる。すなわち、基板Ｓの上に複数の
細線状の磁性体エレメント１を形成しておき、上方から
細線状の反応用電極２２を接触させることにより、これ
ら複数の磁性体エレメント１に対して同時にくびれ形成
領域１Ｆを形成することができる。

【００６３】以上説明したいずれの方法においても、針
状あるいは細線状の反応用電極２０、２２の材料として
は、耐酸化性や耐熱性などに優れたものが望ましい。こ
のような材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、レニウ
ム（Ｒｅ）、あるいはこれらの合金などを挙げることが
できる。

【００６４】反応用電極と強磁性体エレメントとの間に
印加する電圧は、雰囲気が大気の場合には、１ボルトか
ら１００ボルトの範囲の電圧を用いることかできる。く
びれ部Ｃの作製時には、磁性体エレメント１の両端の抵
抗をモニタし、結果としてくびれ部Ｃを介した抵抗が５
０ｋΩから５Ωの範囲内の所定の値になるまで、反応用
電極と磁性体エレメントとの間の電流と時間とを調整す
ればよい。

【００６５】本発明の磁気抵抗効果素子は、デバイス化
が容易な構造であるため、各種の用とにおいて用いるこ
とができる。

【００６６】図１３は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁
気記録再生システムにおける磁気検出素子として適応し
た具体例を表す模式図である。同図には、いわゆるパタ
ーンド（patterned）媒体の再生のための再生ヘッドを
例示したが、従来型の連続的な磁気記録媒体の再生に用
いることももちろん可能である。

【００６７】磁気記録再生システムにおいて磁気検出素
子として用いる場合、磁性体エレメント１のくびれ部Ｃ
の前後片側（領域１Ａ）あるいは両側（領域１Ａと１
Ｂ）を、磁気記録媒体２００の表面から放出される磁束
を捕らえるための磁極として用いる。

【００６８】図１３に例示したものは、例えば、図４に
例示した磁気抵抗効果素子をひとつ搭載した磁気再生ヘ
ッドを有する。この場合、磁気抵抗効果素子のくびれ部
Ｃを通過する電流Ｉの方向が、磁気記録媒体２００の表
面から放出される磁束の方向と略平行とする。このよう
にすれば、磁束を捕らえた磁極（領域１Ａ）の磁化方向
を、くびれ部Ｃに電流を流すことにより、磁気抵抗効果
を利用して検出することができる。

【００６９】この場合の検出は、磁束の向きにより変化
した領域１Ａあるいは領域１Ｂの磁化方向を、領域１Ａ
と領域１Ｂの互いの磁化方向の相対的角度として検出す
る。この場合、領域１Ｂ、あるいは領域１Ａと１Ｂと
に、磁区制御を施すとよい。磁区制御の方法としては、
次の２つの方法がある。

【００７０】まずひとつめの方法は、領域１Ｂの磁化を
上向きあるいは下向きに固定するように領域１Ｂに接し
て反強磁性膜を形成する。または、非磁性層／強磁性層
／反強磁性層からなる積層膜を形成する。この場合に
は、領域１Ａの磁束による磁化方向変化（上向きあるい
は下向き）を検出する。

【００７１】ふたつめの方法は、領域１Ａに対して、右
斜め上向き（図１３において）の磁気異方性を設け、ま
た、領域１Ｂには左斜め上向きの磁気異方性を設ける方
法である。

【００７２】なお、領域１Ａのさらに磁気記録媒体２０
０の側には、マンガン亜鉛（ＭｎＺｎ）フェライトに代
表されるフェライトなどの絶縁性軟磁性体をつけると、
磁気検出素子が磁気記録媒体２００に接触した場合にも
ノイズの発生を押さえることができる。

【００７３】一方、本発明の磁気抵抗効果素子におい
て、くびれ部Ｃの片側の領域１Ａあるいは１Ｂの磁化を
固着させ、もう一方の領域１Ｂあるいは１Ａの磁化方向
を記録情報とすることができる。この場合、この記録情
報を担う磁化方向は、くびれ部Ｃを利用した磁気抵抗効
果により読み込むことができる。つまり、磁気記録再生
素子として利用できる。この場合、記録情報としての磁
化は、別途に設けられた導線からの電流磁界効果によ
り、あるいはその磁気抵抗効果素子に流す電流により発
生する電流磁界効果により書き込みが可能である。

【００７４】図１４は、電流駆動により、さらに効果的
に記録再生できる固体メモリ用記録再生素子に本発明を
適応した例を示す。本発明による１Ａと１Ｂを含むエレ
メントにさらにもう一つのくびれと領域１Ｃが接続され
ている。ここで、２つのくびれ部Ｃで区切られた磁性体
エレメント１の３つの領域のうちで、外側の２つの領域
（領域１Ａおよび１Ｃ）は、互いに磁化配置が反平行と
なるように磁化固着されている。そして、中間の領域１
Ｂの磁化の向きを記録情報とすると、この記録情報すな
わち領域１Ｂの磁化の向きをくびれ部Ｃを利用した１Ａ
間での磁気抵抗効果により読み取ることが可能となる。

【００７５】記録部である領域１Ｂの磁化方向を、ここ
に流す電流の向き（領域１Ａから流すか、あるいは領域
１Ｃから流すか）、および大きさで変化させることによ
って所定の情報を記録させることができる。

【００７６】記録情報の読み込みは、本発明の１Ａと１
Ｂの磁化配置の違いによる磁気抵抗を読み込むことによ
り行う。領域１Ａと領域１Ｂの間で磁化が平行ならば抵
抗は小さく、反平行なら抵抗は大きい。このときの電流
Ｉは、記録電流よりも弱い電流にして抵抗値を測定する
ことより、領域１Ｂの磁化方向を変化させずに記録させ
た状態を認識することができる。

【００７７】領域１Ａおよび１Ｃの磁化方向を反平行に
制御して固着するためには、領域１Ａおよび１Ｃに接す
るように、反強磁性層を積層すればよい。あるいは、非
磁性層と強磁性層、あるいは非磁性層と強磁性層と反強
磁性層との積層膜を積層させればよい。

【００７８】図１５は、非磁性層と強磁性層と反強磁性
層との積層膜を積層させた構造を例示する断面図であ
る。

【００７９】すなわち、同図（ａ）〜（ｃ）に例示した
構成においては、領域１Ａと１Ｃとに、それぞれ非磁性
層２と強磁性層４と反強磁性層６がこの順に積層されて
いる。そして、領域１Ａと１Ｃの磁化の向きは、図１５
（ａ）〜（ｃ）に例示したように３通りがある。すなわ
ち、同図（ａ）においては、領域１Ａと１Ｃの磁化Ｍ
は、面内で互いに向かい合う方向である。また、図１５
（ｂ）においては、面内で互いに反平行である。さら
に、図１５（ｃ）においては、面に対して垂直で互いに
反平行である。

【００８０】図１５（ａ）〜（ｃ）のどれが好ましいか
は、選択した磁性体エレメント１の磁気特性により異な
る。磁化固着のための磁区制御材料としては、まず、非
磁性層２の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀
（Ａｇ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ル
テニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム
（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ア
ルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）
などを用いることができる。

【００８１】また、強磁性層４としては、鉄（Ｆｅ）、
コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆ
ｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン
（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された
少なくともいずれかの元素を含む合金、酸化物、窒化物
あるいはホイスラー合金であるものとすれば、良好な特
性が容易に得られる。

【００８２】一方、反強磁性層６としては、鉄マンガン
（ＦｅＭｎ）、白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭ
ｎ）、イリジウム・マンガン（ＩｒＭｎ）、パラジウム
・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（Ｐ
ｄＰｔＭｎ）などを用いることができる。

【００８３】

【実施例】以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形
態についてさらに具体的に説明する。

【００８４】（第１の実施例）まず、本発明の第１の実
施例として、ニッケル（Ｎｉ）を用いた磁性体エレメン
トにくびれ部Ｃを形成した磁気抵抗効果素子について説
明する。

【００８５】本実施例は、図８及び図９に例示した方法
により実施した。

【００８６】まず、基板Ｓ上に厚さ１０ｎｍのニッケル
膜１をスパッタリング法にて形成した。そのニッケル膜
１を、フォトリソグラフィ微細加工の手法によりパター
ニングして、２０ｎｍ×５００ｎｍの長方形の磁性体エ
レメント１を形成した。このエレメント１の長手方向の
両端に電極を設けた。

【００８７】次に、このエレメント１の上に、エレメン
ト１と交差するように白金（Ｐｔ）細線からなる反応用
電極２２を設置した。この電極２２は、ピエゾ素子にマ
ウントされており、磁性体エレメント１との間の距離を
精密かつ微小に調節することが可能である。

【００８８】そして、大気中においてニッケルからなる
エレメント１と白金からなる反応用電極２２とを接近さ
せ、エレメント１と反応用電極２２間に３ボルトのバイ
アス電圧を印加した状態で１ｎＡの電流が得られるまで
近づけた。この条件において、エレメント１の部分酸化
を行った。エレメント１と反応用電極２２との間でモニ
タされる電流が１ｎＡを維持するように、必要に応じ
て、エレメント１と反応用電極２２の間の距離は調節し
た。

【００８９】これと並行して、エレメント１の両端に設
けた電極によりエレメント１の抵抗を時間とともに測定
したところ、急激な上昇が確認された。そして、最終的
にエレメント抵抗が３ｋΩになったところで反応用電極
２２を遠ざけて酸化を終了させた。

【００９０】このようにして、ニッケルからなる磁性体
エレメント１の中央部に、酸化物としてのくびれ形成領
域１Ｆを形成することにより、くびれ部Ｃを設けること
ができた。エレメント１の磁気抵抗をエレメント両端に
設けた電極間に電流を流すことにより測定した結果、図
１６に表したような磁気抵抗特性が得られた。

【００９１】すなわち、プラスマイナス７０ガウスの磁
場を印加したところ、１２０％という極めて大きな磁気
抵抗変化率が得られた。

【００９２】（第２の実施例）次に、本発明の第２の実
施例として、パーマロイの細線を用いて形成した磁気抵
抗効果素子について説明する。

【００９３】すなわち、磁性体エレメント１の材料とし
てパーマロイを用い、厚さ１０ｎｍ、線幅２０ｎｍの細
線を形成した。細線の一部には、交換バイアスを付与す
るために、まずコバルト（Ｃｏ）を積層した後、非磁性
層としてルテニウム（Ｒｕ）、強磁性層としてコバルト
（Ｃｏ）、反強磁性層として白金イリジウム・マンガン
（ＰｔＩｒＭｎ）からなる積層膜を積層した。これらは
長手方向が交換バイアス方向になるように磁場中成膜に
より形成した。

【００９４】この交換バイアス層をくびれ部Ｃの片側の
領域になるように位置決めして、反応用電極２０とし
て、白金（Ｐｔ）針を用いてくびれ部形成領域１Ｆを形
成した。くびれ部形成領域１Ｆを形成する箇所は、あら
かじめ二次電子顕微鏡を用いて確認した。白金（Ｐｔ）
針２０を細線の側面に近づけてくびれ部形成領域１Ｆを
形成した。そして、最終的に細線の両端の抵抗が２ｋΩ
となるようにした。

【００９５】このようにして作成した磁気抵抗効果素子
に対して、その交換バイアス方向に対して平行な方向の
磁場を印加して磁気抵抗変化を調べたところ、図１７に
表したような磁気抵抗特性が得られた。すなわち、交換
バイアス方向と同じ方向に磁場を印加した場合には、素
子抵抗はゼロ磁場時と同じく２．１ｋΩであったのに対
し、逆方向に磁場を印加した時には抵抗値は１．２ｋΩ
と大きな変化が得られた。

【００９６】（第３の実施例）次に、本発明の第３の実
施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を複数、並列配
置して磁気検出素子として用いた磁気再生ヘッドを製作
した。

【００９７】図１８は、本実施例の磁気ヘッドを表す模
式図である。すなわち、基板Ｓの上に本発明の磁気抵抗
効果素子を複数、並列に配置してある。それぞれの磁気
抵抗効果素子は、図５に例示したものと同様の構造を有
し、磁性体エレメント１の上面からくびれ形成領域１Ｆ
を設けてある。

【００９８】この磁気ヘッドの製作にあたっては、図１
２に関して前述したように、基板Ｓの上に複数の細線状
の磁性体エレメント１を並列状に形成しておき、これら
磁性体エレメント１のそれぞれの両端に電極１２を形成
しておく。それらの上から細線状の反応用電極２２を直
交するように接触させて、くびれ形成領域１Ｆを形成し
た。このようにすれば、複数の磁性体エレメント１につ
いて同時にくびれ形成領域１Ｆを設けることができる。

【００９９】本実施例の磁気再生ヘッドは、高感度の磁
気抵抗効果素子を並列に配置することにより、例えば、
図１８に例示したような「パターンド磁気記録媒体」２
００に形成されている記録ビットからの磁束Ｍを並列に
読み取ることが可能である。

【０１００】（第４の実施例）次に、本発明の第４の実
施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記
録再生素子を製作した。

【０１０１】本実施例において製作した記録再生素子
は、図１５（ａ）に表したものと同様の構造を有する。
すなわち、基板Ｓの上に、コバルト（Ｃｏ）からなるサ
イズ２０ｎｍ×３００ｎｍの磁性体エレメント１を形成
した。そして、このエレメント１の２箇所に抵抗３ｋΩ
と５０Ωの２つのくびれ部Ｃを形成して磁気抵抗効果素
子とした。

【０１０２】また、くびれ部Ｃの領域１Ａと１Ｂには、
それぞれルテニウム（Ｒｕ）／コバルト（Ｃｏ）／白金
イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）からなる積層膜
を堆積させた。この時、領域１Ａと１Ｃとではルテニウ
ム（Ｒｕ）の厚さを変えることにより、最終的に領域１
Ａと１Ｃの磁化Ｍの方向が、図１５（ａ）に表したよう
に反平行に磁区制御した。

【０１０３】この記録再生素子において、電流を領域１
Ａから領域１Ｃへと流すことで領域１Ｂの磁化方向は右
向きとなり（状態ａ）、これとは逆方向に流すことで領
域１Ｂの磁化は、左向きとなった（状態ｂ）。つまり、
電流を流す方向に応じて領域１Ｂの磁化の方向を変化さ
せることにより、２値情報を記録することができた。こ
こで、記録のための電流値としては１０μＡでは十分で
はなく、５００μＡでは十分であった。

【０１０４】一方、読み出しは電流の向きを問わず、書
き込み以下の電流値を用いることで可能となり、状態ａ
と状態ｂとでは前者の方が素子抵抗が小さいことから、
領域１Ｂがどちらの状態であるか判断することができ
た。

【０１０５】（第５の実施例）次に、本発明の第５の実
施例として、前述した第４実施例の磁気記録再生素子を
アレイ状に並列させた磁気メモリを製作した。

【０１０６】図１９（ａ）は、本実施例の磁気メモリの
平面構成を表す模式図である。但し、同図においては、
製造工程において反応用電極２２を接触させている状態
を表した。

【０１０７】また、図１９（ｂ）は、本実施例の磁気メ
モリの作成途中の状態を表すＸ−Ｘ線断面図である。同
図に表したように、作製時には、もうひとつの基板Ｓ２
上に形成された複数の反応用電極２２を磁性体エレメン
ト１に直交するように接触させて、くびれ形成領域１Ｆ
を同時に形成した。各素子の両側には、それぞれセル用
配線１０１とセル用配線１０２をマトリクス状に接続し
た。これらセル用配線１０１とセル用配線１０２の番地
を選ぶことにより、アレイ状に形成された記録再生素子
のうちの目的の素子（セル）を選択することができる。
このようにして、電流駆動の記録再生機能をもつ不揮発
性の高密度固体メモリが得られた。

【０１０８】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
果膜を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その
他、電極、バイアス印加膜、絶縁構造などの形状や材質
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。

【０１０９】また、磁気抵抗効果素子における磁性体エ
レメント、反強磁性層、強磁性層、非磁性中間層、絶縁
層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよ
く、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。

【０１１０】また、本発明の磁気抵抗効果素子を再生用
磁気ヘッドに適用する際に、これと隣接して書き込み用
の磁気ヘッドを設けることにより、記録再生一体型の磁
気ヘッドが得られる。

【０１１１】その他、本発明の実施の形態として上述し
た磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置を基にして、当業者
が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素
子、磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置も同様に本発明の
範囲に属する。

【０１１２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
極めて高い磁気抵抗効果を有し、素子化が容易でかつ制
御性が良好な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、こ
れを用いた高感度の再生ヘッド用素子を提供することが
できる。

【０１１３】またさらに、この磁気抵抗効果素子を用い
た記録再生機能をもつ磁気記録再生素子を提供すること
もでき産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子
の要部構造を例示する平面図である。

【図２】本発明の磁気抵抗効果素子における印加磁場と
電気抵抗との関係を例示するグラフ図である。

【図３】通常の異方性磁気抵抗効果による磁気抵抗変化
を説明する概念図である。

【図４】くびれ形成領域を有する磁気抵抗効果素子を模
式的に表す平面図及び正面図である。

【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の第２の具体例を表
す模式図である。

【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の第３の具体例を表
す模式図である。

【図７】針状の反応用電極２０を接近させた状態を表す
概念図である。

【図８】細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表
す概念図である。

【図９】細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表
す概念図である。

【図１０】磁性体エレメント１と同一の基板Ｓ上に予め
設けておく場合を例示する模式図である。

【図１１】くびれ形成領域１Ｆが形成された状態を表す
模式図である。

【図１２】ひとつの反応用電極２２を用いて複数の磁性
体エレメント１に対して同時にくびれ部形成領域１Ｆを
形成する状態を表す模式図である。

【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録再生シ
ステムにおける磁気検出素子として適応した具体例を表
す模式図である。

【図１４】電流駆動により、さらに効果的に記録再生で
きる固体メモリ用記録再生素子を表す概念図である。

【図１５】非磁性層と強磁性層と反強磁性層との積層膜
を積層させた構造を例示する断面図である。

【図１６】本発明の第１実施例により得られた磁気抵抗
特性を表すグラフ図である。

【図１７】本発明の第２実施例により得られた磁気抵抗
特性を表すグラフ図である。

【図１８】本発明の第４実施例の磁気ヘッドを表す模式
図である。

【図１９】本発明の第５実施例の磁気メモリの平面構成
を表す模式図である。

【符号の説明】

１磁性体エレメント１Ａ導電領域１Ｂ導電領域１Ｃ導電領域１Ｆくびれ形成領域２非磁性層４強磁性層１２電極２０、２２反応用電極２６加工用電圧源３０モニタ用電源３２電流計１０１セル用配線１０２セル用配線２００磁気記録媒体Ｃくびれ部Ｓ基板

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１０月１２日（２００１．１０．
１２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図１７】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

【図１２】

【図１４】

【図１６】

【図１３】

【図１５】

【図１８】

【図１９】

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 43/12 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ (72)発明者岸達也神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AD55 AD65 5D034 BA03 CA00 DA07 5E049 BA12 5F083 FZ10 LA12 LA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の主面上に設けられた磁性体エレメン
トを備え、前記磁性体エレメントは、前記基板の主面に対して略平
行な方向に流れる電流を狭窄するくびれ部と、前記くび
れ部を介して接続された第１及び第２の導電領域と、を
有し、前記くびれ部を介して流れる電流に対して略平行な方向
に磁場を印加した時に電気抵抗が減少することを特徴と
する磁気抵抗効果素子。
【請求項２】前記くびれ部の幅の最大値は、２０ｎｍ以
下であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果
素子。
【請求項３】前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を
形成するための高抵抗のくびれ形成領域をさらに有し、前記くびれ形成領域は、前記くびれ部とは組成及び結晶
構造の少なくともいずれかが異なる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。
【請求項４】前記くびれ部を介して前記基板の主面に対
して略平行な方向に電流を流した時に、前記磁性体エレ
メントの抵抗は５Ω以上５０ｋΩ以下であり、２０％以
上の磁気抵抗変化率を示すことを特徴とする請求項１〜
３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を
介して接続された第１及び第２の導電領域を有し、前記第１及び第２の導電領域の少なくともいずれかの磁
化が一方向に固着された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。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気
抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体から放出される磁束の経路上に前記第１及
び第２の導電領域の少なくともいずれかを配置し、前記
第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異を前記くびれ
部を挟んだ磁気抵抗変化として検出可能としたことを特
徴とする磁気検出素子。
【請求項７】前記第１及び第２の導電領域のうちで、前
記磁気記録媒体から相対的に遠くに設けられた導電領域
の磁化が一方向に固着されてなることを特徴とする請求
項６記載の磁気検出素子。
【請求項８】請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気
抵抗効果素子を備え、前記第１及び第２の導電領域のいずれか一方の磁化は一
方向に固着され、前記第１及び第２の導電領域のいずれか他方の磁化を記
録すべき情報に応じた方向に固定することにより情報を
記憶可能とし、前記くびれ部を挟んだ前記第１及び第２の導電領域の磁
化方向の差異を磁気抵抗変化として検出することによ
り、記憶させた前記情報の読み出しを可能としたことを
特徴とする磁気記録再生素子。
【請求項９】磁性体エレメントの上面あるいは側面に、
針状あるいは細線状の反応用電極を接近させ、この反応
用電極と磁性体エレメントとの間に電圧を印加して前記
磁性体エレメントの一部の組成あるいは結晶構造を変化
させることにより、前記磁性体エレメントの一部に電流
を狭窄するくびれ形成領域を設ける磁気抵抗効果素子の
製造方法であって、前記くびれ形成領域を挟んで前記磁性体エレメントを流
れる電流をモニタしつつこの値が所望の値に到達するま
で前記変化を進め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１０】前記磁性体エレメントの一部の変化は、
酸化、窒化、フッ化あるいは結晶と非晶質との間の変化
のいずれかであることを特徴とする請求項９記載の磁気
抵抗効果素子の製造方法。