JP2004289100A - Ｃｐｐ型巨大磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気部品並びに磁気装置 - Google Patents

Ｃｐｐ型巨大磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気部品並びに磁気装置 Download PDF

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Abstract

【課題】膜面垂直方向のスピン依存電流により巨大磁気抵抗効果を発現できるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子及び磁気部品並びに磁気装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０は、反強磁性層９と、強磁性固定層１１と、非磁性導電層１２と、強磁性自由層１３とが積層構造を有し、強磁性自由層１３は第１磁性層１４と第２磁性層１６とが磁性結合体１５を介して磁気的に反平行に結合し、第１磁性層１４の磁化１７と第２磁性層１６の磁化１８の大きさが異なるように形成されている。強磁性固定層１１と強磁性自由層１３の磁化の向きに基づき、上向きスピン電子５及び下向きスピン電子６はスピン依存散乱し、伝導パス１，２，３，４を経て、ＣＰＰ−ＧＭＲが増大する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は膜面垂直方向のスピン依存電流により巨大磁気抵抗効果を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、「ＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子」という）及び磁気部品並びに磁気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子が開発されている。ＧＭＲは界面でのスピン依存散乱を起因としており、外部磁場によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行又は反平行に制御することにより、その抵抗が互いに異なる。
【０００３】
ＧＭＲ素子はすでに磁気センサーやハードデイスク装置の再生ヘッドなどに実用化されている。この場合、電流は膜面内に流しており、このときのＧＭＲはＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ Ｐｌａｎｅ）−ＧＭＲと呼ばれている。このＣＩＰ−ＧＭＲ素子は通常、一方の強磁性体に反強磁性体を近接させ、その強磁性体のスピンを固定するスピンバルブ型と呼ばれる素子が使用されている。
一方、膜面に垂直に電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ）−ＧＭＲと呼ばれるＧＭＲ素子も知られている。
【０００４】
さらに一般に、ＣＰＰ−ＧＭＲの方がＣＩＰ−ＧＭＲよりも大きいことも知られている。このようなＣＰＰ−ＧＭＲには、センス電流によって自由磁性層に発生する渦巻き状磁区の発生を抑制したＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子及び再生ヘッド等の提案がある（例えば、特許文献１を参照）。
また、スピンバルブ構造を適用し高密度記録化に伴いヘッド特性を向上させる提案がある（例えば、特許文献２を参照）。
なお、反平行な磁化の大きさが同じである三層構造については本発明者らの提案がある（特許文献３）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３５９４１５号公報（フロントページ、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１２４７２１号公報（フロントページ、第１図）
【特許文献３】
特開平９−２５１６２１号公報（フロントページ、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は電流パスが小さいため抵抗が小さく、素子サイズをかなり小さくしないと実用性がなく、まだ実用にいたっていない。
ＣＰＰ−ＧＭＲ素子においても、図１０に示すような強磁性固定層８２に反強磁性層８１を近接したスピンバルブ型が検討されているが、強磁性自由層８４／非磁性導電層８３／強磁性固定層８２からなるＧＭＲ膜に比べて反強磁性層８１の抵抗が大きいため、通常、スピンバルブ素子としての抵抗変化率が１％未満と小さく、また抵抗変化ΔＲも小さく、これがＣＰＰ−ＧＭＲ素子の実用性を阻んでいる大きな要因である。
【０００７】
上記したように、従来のスピンバルブ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は抵抗変化ΔＲ及び磁気抵抗変化率が小さく、これが実用上の課題となっている。
本発明者らは、非磁性金属層を介して二つの強磁性層が互いに反平行に結合し、かつ、この磁化の大きさが異なる三層構造（ＳｙＡＦ）を自由層及び／又は固定層として用いると、スピンバルブ型においてもＣＰＰ−ＧＭＲのΔＲが大きくかつ磁気抵抗変化率も８％以上と大きくなることを見出し、本発明に至った。
【０００８】
そこで、本発明は、膜面垂直方向のスピン依存電流により巨大磁気抵抗効果を発現できるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子及び磁気部品並びに磁気装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の構成によるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子のうち請求項１記載の発明は、強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子において、強磁性自由層が磁性結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第１磁性層と第２磁性層とを有するとともに、第１磁性層と第２磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、上記構成に加え、強磁性自由層内の磁性結合体が、強磁性固定層のスピン依存電流に基づいて、このスピン依存電子を散乱する界面を形成することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、強磁性自由層を多層に重ねてＣＰＰ−ＧＭＲを大きくしたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、強磁性自由層の第１磁性層及び第２磁性層のアスペクト比が２以下であることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、上記構成に加え、磁性結合体が非磁性金属層及び非磁性半導体層のいずれかであることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、磁性結合体がルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのいずれか、或いはこれらを組み合わせた合金及び積層結合体のいずれかであることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、磁性結合体の膜厚が１．５ｎｍ以下であることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、非磁性導電層が大きなスピン依存散乱を生じる銅であることを特徴とする。
請求項９記載の発明は、強磁性固定層に近接した反強磁性層を有するスピンバルブ型固定層であることを特徴とする。
【００１０】
このような構成のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子では、強磁性固定層と強磁性自由層の磁化の向きに基づいて強磁性自由層の磁性結合体の界面でスピン依存散乱しＣＰＰ−ＧＭＲが増大して発現する。したがって、本発明のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子ではＣＰＰ−ＧＭＲを極めて大きくできる。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明の第二の構成によるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子のうち請求項１０記載の発明は、強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子において、上記強磁性固定層が磁性結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第１磁性層と第２磁性層とを有することを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明は、強磁性自由層が、磁性結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第１磁性層と第２磁性層とを有するとともに、第１磁性層と第２磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、磁性結合体が非磁性金属層からなり、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなることを特徴とする。
【００１２】
このような構成のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子では、強磁性固定層と強磁性自由層の磁化の向きに基づいて強磁性自由層及び／又は強磁性固定層の磁性結合体の界面でスピン依存散乱しＣＰＰ−ＧＭＲが増大して発現する。したがって、本発明のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子ではＣＰＰ−ＧＭＲを極めて大きくできる。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明の第三の構成によるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子のうち請求項１３記載の発明は、強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子において、強磁性固定層と非磁性導電層との間、及び／又は強磁性自由層の表面にルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなる層を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
このような構成のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子では、強磁性固定層と強磁性自由層の磁化の向きに基づいて、非磁性金属層と強磁性固定層及び非磁性導電層との界面、または、非磁性金属層と強磁性自由層との界面、或いは、これらの界面の両方にて生起するスピン依存散乱によりＣＰＰ−ＧＭＲが増大して発現する。したがって、本発明のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子ではＣＰＰ−ＧＭＲを極めて大きくできる。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明の第四の構成によるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を用いた請求項１４記載の磁気部品は、上記請求項１〜１３に記載の発明のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とするものである。
また、本発明の磁気ヘッドのうち請求項１５記載の発明は、記録媒体の漏れ磁界を検出して記録情報を読み出す磁気ヘッドにおいて、上記請求項１〜１３記載の発明のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の強磁性自由層が記録媒体の漏れ磁界により磁化反転し、センサ電子のスピン依存散乱に基づいてＣＰＰ−ＧＭＲが発現し、記録媒体の磁界の向きを電気抵抗の変化として検出することを特徴とする。
請求項１６記載の発明は、上記構成に加え、強磁性自由層の第２磁性層端面を記録媒体に対向させて前記記録媒体の漏れ磁界を検出することを特徴とする。
請求項１７記載の発明は、強磁性自由層の積層構造が現れる断層面を記録媒体に対向させて漏れ磁界を検出することを特徴とする。
請求項１８記載の発明は、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子に供給するセンサ電子の電極を記録媒体の漏れ磁界に対する磁気シールドと兼用したことを特徴とするものである。
【００１６】
このような構成の磁気部品では、磁気部品に用いるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子のスピン依存散乱に基づいてＣＰＰ−ＧＭＲが増大して発現し、磁気部品の電気抵抗が変化する。したがって、本発明の磁気部品では磁場の向きを電気抵抗の大きな変化として検出することができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、本発明の第五の構成によるＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を用いた磁気装置の請求項１９記載の発明は、請求項１〜１３の何れかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とするものである。
また、本発明の磁気記録装置において、請求項２０記載の発明は、上記請求項１〜１３の発明のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子をワード線とビット線の交差する位置に配設して不揮発メモリとした構成である。
請求項２１記載の発明は、上記構成に加え、ワード線からのスピン注入により強磁性自由層の磁化が反転可能であることを特徴とする。
【００１８】
このような構成の磁気装置では、スピン依存電流を流すことにより、書き込み又は読み出しが可能になる。したがって、本発明の磁気装置ではスピン依存電流を流すだけで不揮発の磁気記憶ができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６に基づいて本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は第１の実施形態のスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の概念図であり、（ａ）は強磁性自由層の第１磁性層の磁化と固定層の磁化とが反平行の場合、（ｂ）は平行の場合を示す概念図である。
図１に示すように、第１の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０は、反強磁性層９と、強磁性固定層１１と、非磁性導電層１２と、強磁性自由層１３とが積層構造を有し、強磁性自由層１３は第１磁性層１４と第２磁性層１６とが磁性結合体１５を介して磁気的に反平行に結合し、第１磁性層１４の磁化Ｍ１ と第２磁性層１６の磁化Ｍ２ の大きさが異なるように形成されている。これらの積層構造の各層の膜厚はナノメータサイズで形成されている。
【００２０】
ここで、ナノメータサイズとは電子がその運動量とスピンを保存したまま伝導可能な大きさを意味する。
なお、金属の場合、電子の平均自由行程は１μｍ以下であり、この程度のサイズの素子ではスピンは緩和することなく他方に流れ込むことができる。
【００２１】
本実施形態では、固定層として強磁性固定層１１に反強磁性層９を近接させたスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子としているが、反強磁性層９を設けることなく強磁性固定層１１を固定層として保磁力の大きい膜を用いてもよい。非磁性導電層１２には金属層である銅（Ｃｕ）を用いるのが効果的である。Ｃｕの場合、他のスピン依存散乱可能な金属に比べて極めて大きなスピン依存散乱を得ることができる。
【００２２】
強磁性自由層１３は磁性結合体１５を介して、磁化の大きさの異なる二つの強磁性層、第１磁性層１４及び第２磁性層１６の磁化が互いに反平行に磁気結合している三層構造（ＳｙＡＦ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ、以下、本発明に係る三層構造を「ＳｙＡＦ」とよぶ）を自由層に用いたものである。この三層構造をなす強磁性自由層１３はこの三層構造の単位を一層として、単層だけでなく多層に重ねてもよい。これによってＣＰＰ−ＧＭＲはより大きくなる。
【００２３】
本実施形態に係るＳｙＡＦの場合には、アスペクト比ｋ≦２、特にｋ＝１でも単磁区構造であり、このＳｙＡＦの磁化反転磁場は素子サイズに依存せず、著しく小さい。したがって、スピン注入により磁化反転可能である。
強磁性自由層１３の磁化は、第１磁性層１４の磁化Ｍ１ と第２磁性層１６の磁化Ｍ２ との差ΔＭとして与えられ、Ｍ１ ＞Ｍ２ とすると、ΔＭ＝Ｍ１ −Ｍ２ である。第１磁性層１４及び第２磁性層１６が同一の材料ならば、磁化の大きさに差異を設けるには、その膜厚が異なるように形成すればよい。第１磁性層１４の磁化１７と第２磁性層１６の磁化１８は、例えば外部から印加された磁化反転磁場により反平行状態を維持したまま反転可能になっている。
【００２４】
磁性結合体１５は反強磁性結合の機能を有する。例えば磁性結合体１５としては非磁性体の非磁性金属や非磁性半導体が利用可能である。具体的には、磁性結合体１５として、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）のうちの一種又は二種以上を用いることができる。二種以上を用いるときは積層した結合体としてもよいし、合金としてもよい。さらにＦｅＳｉ合金や半導体のＳｉが利用可能である。
また、磁性結合体１５の膜厚は１．５ｎｍより薄い方が望ましい。１．５ｎｍより薄層に形成すると反平行交換結合が強いので有効である。
【００２５】
自由層としてＳｙＡＦ膜を用いる有効性を、磁性結合体としてルテニウムを用いた場合について説明する。
膜面垂直方向に電流を流した場合、電極の抵抗は小さいとして無視できるものとすると、その抵抗Ｒは、
Ａ＝各磁性層の比抵抗×膜厚の和、
Ｂ＝各界面抵抗の和及び
Ｃ＝反強磁性層の比抵抗×膜厚の和とすると、
Ｒ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃで与えられる。この場合のＣＰＰ−ＧＭＲは、
ＣＰＰ−ＧＭＲ＝｛（Ａ＋Ｂ）ＡＦ−（Ａ＋Ｂ）Ｆ ｝／｛（Ａ＋Ｂ）Ｆ ＋Ｃ｝
と表すことができる。ここで下つき添え字「Ｆ」及び「ＡＦ」はそれぞれ自由層と固定層の磁化が互いに平行及び反平行を意味する。これからＧＭＲを発現する（Ａ＋Ｂ）に比べＣの抵抗が大きすぎるとＣＰＰ−ＧＭＲは小さくなることがわかる。
【００２６】
自由層としてＳｙＡＦを用いると、ＳｙＡＦが三層構造であるためその抵抗が単層膜よりも大きくなるが、その程度は反強磁性体ほどではない。そのため、その効果のみではＳｙＡＦを自由層に用いてもＣＰＰ−ＧＭＲが極端に大きくなることは期待されない。ところが、本発明者らはＳｙＡＦを自由層に用いたＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した結果、ＣＰＰ−ＧＭＲが８％以上と、従来よりも１ケタ以上大きくなることを見出した。
【００２７】
この作用効果についてはまだ明らかではないが、定性的には次のように考えられる。
図１（ａ）を参照して、スピン保存した電子が図中左から右に膜面垂直方向に伝導すると、固定層の磁化と同じ向きの上向きスピン（↑）電子５は、第１磁性層１４の磁化１７と向きが逆なので、ＧＭＲの原理によって非磁性導電層１２と第１磁性層１４との界面で強く散乱する。
一方、下向きスピン（↓）電子６は、第１磁性層１４の磁化１７と同じ向きなので、非磁性導電層１２と第１磁性層１４との界面で散乱しないで、第１磁性層１４とルテニウム１５との界面で強く散乱する。散乱した電子は非磁性導電層１２と強磁性固定層１１との界面で散乱する。その結果、電子の伝導パスは図１（ａ）に示す屈曲した直線１，２のようになる。
【００２８】
一方、図１（ａ）の状態のＳｙＡＦ１３に例えば外部磁場を印加し、ＳｙＡＦ１３の磁化が反平行状態を維持したまま反転すると、図１（ｂ）を参照して、固定層の上向きスピン（↑）電子５は、そのスピンの向きが第１磁性層１４の磁化１９と同じ向きなので、非磁性導電層１２と第１磁性層１４との界面で散乱せず、第１磁性層１４とルテニウム１５との界面によって強く散乱する。
これはＣｏ／Ｒｕ積層膜の場合、多数スピン、今の場合、上向きスピン（↑）をもつ電子の方がルテニウム界面でより強く散乱されることが知られていることによる（非特許文献１）。
【００２９】
【非特許文献１】
Ｋ．Ｅｉｄ，Ｒ．Ｆｒｏｎｋ，Ｍ．Ａｌｈａｊ，Ｗ．Ｐ．Ｐｒａｔｔ，Ｊｒ．ａｎｄ Ｊ．Ｂａｓｓ，「Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ Ｒｕ ａｎｄ Ｃｏ／Ｒｕ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ」Ｊ．Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．９１，８１０２（２００２）
【００３０】
ルテニウム１５界面で散乱した上向きスピン（↑）電子５は強磁性固定層１１と非磁性導電層１２との界面では散乱しないで、反強磁性層９と強磁性固定層１１との界面によって散乱する。この間、上向きスピン（↑）電子５の平均自由行程は長いので、電子はスピンを保存したまま何回か往復することが可能である。一方、下向きスピン（↓）電子６は図１（ａ）と同様にして、非磁性導電層１２と第１磁性層１４との界面で散乱する。これらの電子の伝導パスを図示したのが図１（ｂ）で示す屈曲した直線３，４である。
【００３１】
図１（ａ）と（ｂ）の伝導パスの比較から、図１（ｂ）の抵抗の方が小さいことがわかる。このようにしてＣＰＰ−ＧＭＲが発現する。すなわち、Ｒｕの存在によってＣＰＰ−ＧＭＲは増大する。したがって、本実施形態では自由層の磁化反転によりＣＰＰ−ＧＭＲが８％以上と従来よりも一桁以上大きくできる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２は、本発明に係る第２の実施形態のスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。図２に示すように、第２の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子２０は、反強磁性層９と、強磁性固定層１１Ａと、非磁性導電層１２と、強磁性自由層１３Ａとが積層構造を有している。
第２の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子２０は、強磁性固定層１１Ａを、ＳｙＡＦ構造としている。ここで、強磁性固定層１１Ａは、第１磁性層１４Ａと第２磁性層１６Ａとが磁性結合体１５Ａを介して磁気的に反平行に結合し、第１磁性層１４Ａの磁化１７’と第２磁性層１６Ａの磁化１８’の大きさが異なるように形成されている。これらの積層構造の各層の膜厚はナノメータサイズで形成されている。
ＳｙＡＦ構造中の磁性結合体１５Ａは、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種又は二種以上を用いることができる。二種以上を用いるときは積層した結合体としてもよいし合金としてもよい。さらにＦｅＳｉ合金や半導体のＳｉが利用可能である。
また、磁性結合体１５Ａの膜厚は１．５ｎｍより薄い方が望ましい。１．５ｎｍより薄層に形成すると反平行交換結合が強いので有効である。
【００３３】
第２の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子２０においても、第１の実施の形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０と同様にＣＰＰ−ＧＭＲが大きくなる。
この三層構造をなす強磁性固定層１１Ａは、この三層構造の単位を一層として、単層だけでなく多層に重ねてもよい。これによってＣＰＰ−ＧＭＲはより大きくなる。
このように、強磁性固定層１１ＡをＳｙＡＦ構造とすることによりＣＰＰ−ＧＭＲが大きくなるのは、第１の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０と同様に、この作用効果についてはまだ明らかではない。しかしながら、上記の第１の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０で説明したように、定性的にはＳｙＡＦ構造中の磁性結合体１５Ａであるルテニウムなどの非磁性金属層の界面におけるスピン依存散乱に起因するものと考えられる。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施形態の変形例について説明する。
図３は、本発明のスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の第２の実施形態の変形例を示す断面図である。図３に示すように、このＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子２５は、反強磁性層９と、ＳｙＡＦ構造の強磁性固定層１１Ａと、非磁性導電層１２と、ＳｙＡＦ構造の強磁性自由層１３とが積層構造を有している。
ＳｙＡＦ構造の強磁性自由層１３は、第１磁性層１４と第２磁性層１６とが磁性結合体１５を介して磁気的に反平行に結合し、第１磁性層１４の磁化１７と第２磁性層１６の磁化１８の大きさが異なるように形成されている。
また、ＳｙＡＦ構造の強磁性固定層１１Ａは、第１磁性層１４Ａと第２磁性層１６Ａとが磁性結合体１５Ａを介して磁気的に反平行に結合し、第１磁性層１４Ａの磁化１７’と第２磁性層１６Ａの磁化１８’の大きさが異なるように形成されている。
これらの積層構造の各層の膜厚はナノメータサイズで形成されている。ここで、ＳｙＡＦ構造中の磁性結合体１５、１５Ａは、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種又は二種以上を用いることができる。二種以上を用いるときは積層した結合体としてもよいし、合金としてもよい。さらにＦｅＳｉ合金や半導体のＳｉが利用可能である。また、磁性結合体１５、１５Ａの膜厚は１．５ｎｍより薄い方が望ましい。１．５ｎｍより薄層に形成すると反平行交換結合が強いので有効である。
【００３５】
このＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子２５においても、第１の実施の形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０及び第２の実施の形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子２０と同様に、ＣＰＰ−ＧＭＲが大きくなる。
この三層構造をなす強磁性固定層１１Ａ及び強磁性自由層１３は、この三層構造の単位を一層として、単層だけでなく多層に重ねてもよい。これによってＣＰＰ−ＧＭＲはより大きくなる。
このように、強磁性自由層１３及び強磁性固定層１１ＡをＳｙＡＦ構造とすることによりＣＰＰ−ＧＭＲが大きくなるのは、第１の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０と同様に、この作用効果についてはまだ明らかではない。しかしながら、上記第１の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０で説明したように、定性的には強磁性自由層１３及び強磁性固定層１１ＡのＳｙＡＦ構造中の磁性結合体１５，１５Ａであるルテニウムなどの非磁性金属層の界面におけるスピン依存散乱に起因するものと考えられる。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係るスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。図４に示すように、第３の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子３０は、強磁性固定層１１と、非磁性導電層１２と、強磁性自由層１３Ａとが積層構造をなし、図４（ａ）に示すように、強磁性固定層１１と非磁性導電層１２の間に非磁性金属層２１が設けられた構造、図４（ｂ）に示すように、強磁性自由層１３Ａの表面に非磁性金属層２１が設けられた構造、図４（ｃ）に示すように、強磁性固定層１１と非磁性導電層１２の間及び強磁性自由層１３Ａの表面に非磁性金属層２１が設けられた構造である。
ここで、非磁性金属層２１は、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなる層である。これらの積層構造の各層の膜厚はナノメータサイズで形成されている。また、非磁性金属層２１の膜厚は１．５ｎｍより薄い方が望ましい。
また、強磁性固定層１１上には、反強磁性層をさらに設けてスピンバブル構造を有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子としてもよい。
【００３７】
第３の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子３０においても、第１の実施の形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０及び第２の実施の形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子２０，２５と同様にＣＰＰ−ＧＭＲが大きくなる。
このように、ＣＰＰ構造において非磁性金属層２１を、強磁性固定層１１及び非磁性導電層１２の間、及び／又は強磁性自由層１３Ａの表面に設けたことによりＣＰＰ−ＧＭＲが大きくなるのは、第１の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０と同様に、この作用効果についてはまだ明らかではない。しかしながら、上記の第１の実施形態のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０で説明したように、定性的には、非磁性金属層２１と強磁性固定層１１及び非磁性導電層１２との界面、または、非磁性金属層２１と強磁性自由層１３Ａとの界面、或いは、これらの界面の両方にて生起するスピン依存散乱に起因するものと考えられる。
【００３８】
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態はＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を磁気ヘッドに適用したものである。
図５は第２の実施形態の磁気ヘッドを示す概念概略図である。図５を参照すると、磁気ヘッド４０は、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０の両端面を覆う絶縁層４１，４１と、反強磁性層９からスピン依存するセンサ電子４２を供給するとともに、磁気シールドを兼ねる第１電極４４と、ＳｙＡＦの第２磁性層１６の端面４５に設けた磁気シールドを兼ねる第２電極４６とを有し、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子のＳｙＡＦ側であって第２磁性層１６の端面４５が磁気ディスクなどの記録媒体４３に対向させる面として配設されている。
このとき、ＳｙＡＦの磁化方向と平行に検出すべき磁界が作用するように磁気ヘッドが配設されるのが望ましいが、ＳｙＡＦが磁化反転可能な程度の角度で配設されていてもよい。
【００３９】
絶縁層４１，４１はセンサ電子の通電経路を規制して膜面内垂直方向に通電可能にするものであればよい。
磁気ヘッド４０の第１電極４４及び第２電極４６の幅は、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の幅と同じか、それ以上であり、少なくとも磁気ヘッドの幅Ｌは記録媒体のトラック幅Ｗと同程度か、それ以下であればよい。なお、図５中の４７は記録媒体の移動方向を示す。
【００４０】
このような構成の磁気ヘッド４０では、記録媒体の漏れ磁界によりＳｙＡＦの磁化が反転し、センサ電子のスピン依存散乱に基づいてＣＰＰ−ＧＭＲが発現し、磁気ヘッドの電気抵抗が変化する。したがって、本実施形態の磁気ヘッドは、記録媒体の磁場の向きを電気抵抗の変化として検出することができる。さらに磁気シールドが磁気ヘッドの幅程度であるから、より高密度の記録媒体であっても効果的に磁気をシールドすることができる。
【００４１】
次に、磁気ヘッドの他の実施形態を説明する。図６は他の実施形態に係る磁気ヘッドの概念概略図である。
図６に示す磁気ヘッド５０は、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０，２０，２５の積層構造が現れる断層面４８を記録媒体４３の対向面としたものであり、反強磁性層９端面の全面又は一部に形成した第１電極４４と、ＳｙＡＦの第２磁性層１６の端面の全面又は一部に形成した第２電極４６とを有している。この磁気ヘッド５０においても、第２の実施形態で示した絶縁層を介して磁気シールド層を設けてもよい。この磁気シールド層を電極と兼用してもよいが、第１電極４４と第２電極４６とを絶縁しておく。この磁気シールド層はＳｙＡＦへの磁気シールドになる形態で足りる。このような構成の磁気ヘッドでは、ＳｙＡＦの幅Ｌ程度のトラック幅Ｗを持つ記録媒体の磁界を検出することが可能となり、より高密度な記録媒体であっても再生できる。
【００４２】
なお、第４の実施形態及び他の実施形態を磁気ヘッドとして説明したが、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を磁界センサー、角度センサー、角変位センサーなどの所謂、磁気部品として利用することが可能である。
【００４３】
次に、第５の実施形態について説明する。
図７はＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を応用した情報記憶可能な磁気記憶装置を示す概念図である。図７において、磁気記憶装置６０は、ワード線６４とビット線６６とが交差する位置にＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０，２０，２５を配設した構成である。本発明に係るＳｙＡＦ１３は磁化反転磁場が著しく小さいので、数ミリアンペア程度、例えば５ｍＡの小さな電流を流してスピン注入すると、ＳｙＡＦ１３の磁化が反転するようになっている。
【００４４】
このような構成の磁気記憶装置では、書き込みは、ワード線とビット線の組み合わせからＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を選択し、ワード線から例えば５ｍＡの電流を流してスピン注入すると、ＳｙＡＦの磁化が反転する。読み出しは、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を選択して、ワード線から書き込み時の電流より小さな例えば１ｍＡの電流を流し、スピン依存電子の散乱によるＣＰＰ−ＧＭＲを利用して、このＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の抵抗が大きいか小さいかを判定して行う。
したがって、本実施形態の磁気記憶装置では、固定層と自由層の磁化が平行か反平行かで“１”、“０”の情報を規定でき、自由層の磁化は電源を切っても保持されるから不揮発メモリのＭＲＡＭにできる。
【００４５】
なお、第５の実施形態及び他の実施形態を磁気記憶装置として説明したが、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を磁気ヘッドに応用した各種磁気装置であるデジタルＶＴＲ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などの各種磁気記録装置に使用することが可能である。
【００４６】
以下、本発明の実施例を説明する。
図８は第１実施例と４端子法を示す概略図である。
この第１実施例は図１に相当するＣＰＰ−ＧＭＲ構造としたものである。図８を参照して、第１実施例は、熱酸化シリコン基板５１上に下地電極５２及び下部高導電層５３を積層し、さらにこの下部高導電層５３上に反強磁性層／強磁性固定層／非磁性導電層／ＳｙＡＦの積層構造を有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子１０と、上部電極５４と、上部高導電層５５とを積層したＣＰＰ−ＧＭＲ構造体５８を有している。第１実施例では、このＣＰＰ−ＧＭＲ構造体５８を絶縁するための絶縁層５６，５６と、信号電圧を検出する電圧計５７と、第１電極５９と、センス電子を供給する電源６１と、第２電極６２とを備えている。
具体的には次の通りである。
【００４７】
先ず、超高真空スパッタ装置を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＴａ（１０ｎｍ）／Ｃｕ（２．５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｃｕ（２．５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）膜を順次積層して作製した。
ここで括弧内は膜厚を意味しており、下部Ｔａ（１０ｎｍ）は下地電極、ＩｒＭｎは反強磁性体、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）はＳｙＡＦ、上部Ｔａ（５ｎｍ）は上部電極である。
Ｒｕは、これを介した両磁性層の磁化を反強磁性結合させることが知られている。ＩｒＭｎに接したＣｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）はそのスピンが固定される。すなわち固定層である。
【００４８】
次にこの膜を電子ビームリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて微細加工し、図８に示すような断面構造をもつＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した。素子サイズは１×０．５μｍ２ である。この素子に対して、図８のように上部高導電層と第２電極間に１ｍＡの電流を流し、４端子法を用いて磁場中で抵抗を室温で測定した。
その結果を磁場の関数として図９に示す。これから、抵抗変化ΔＲ＝０．０２３Ω、ＣＰＰ−ＧＭＲは８．２４％である。このＧＭＲはＳｙＡＦ自由層を用いない従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の約１０倍の大きさである。
【００４９】
第２実施例は、第１実施例と同様にして、熱酸化Ｓｉ基板上に、Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（５０ｎｍ）膜を作製した。
次にこの膜を電子ビームリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて微細加工し、図８に示すような断面構造をもつＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した。素子サイズは０．５×０．５μｍ２ である。
この素子に対して、図８のように上部高導電層と第２電極間に１ｍＡの電流を流し、４ 端子法を用いて磁場中で抵抗を測定した。その結果、抵抗変化ΔＲ＝０．５Ω、ＣＰＰ−ＧＭＲは６．６％を得た。このＣＰＰ−ＧＭＲはＳｙＡＦ自由層を用いない従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の１０倍以上の大きさである。
【００５０】
次に比較例を示す。
比較例は、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）の代わりに、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（８ｎｍ）を用いたこと以外は、第１実施例と同様にして従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製した。
また、第１実施例と同様にしてＣＰＰ−ＧＭＲを測定した。その結果、得られたＣＰＰ−ＧＭＲは０．５％であった。これは第１実施例の１／１０以下の値である。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子はＣＰＰ−ＧＭＲを極めて大きくできるという効果を有する。
また本発明の磁気部品は記録媒体などの磁場の向きを電気抵抗の大きな変化として検出することができるという効果を有する。
さらに、本発明の磁気装置は、スピン依存電流を流すことにより、書き込み又は読み出しができるとともに、不揮発の磁気記憶ができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態のスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の概念図であり、（ａ）はＳｙＡＦの第１磁性層の磁化と固定層の磁化とが反平行の場合、（ｂ）は平行の場合を示す概念図である。
【図２】本発明に係る第２実施形態のスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態の変形例であるスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明に係る第３実施形態のスピンバルブ型のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図５】第４の実施形態の磁気ヘッドを示す概念概略図である。
【図６】他の実施形態に係る磁気ヘッドの概念概略図である。
【図７】第５の実施形態に係る磁気記憶装置を示す概念図である。
【図８】第１実施例と４端子法を示す概略図である。
【図９】第１実施例で得られたＣＰＰ−ＧＭＲ曲線図である。
【図１０】従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の概略図である。
【符号の説明】
１，２，３，４ 伝導パス
５ 上向きスピン電子
６ 下向きスピン電子
７，１７，１７’，１８，１８’，１９ 磁化
９ 反強磁性層
１０，２０，２５ ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子
１１ 強磁性固定層
１１Ａ 強磁性固定層（ＳｙＡＦ）
１２ 非磁性導電層
１３ 強磁性自由層（ＳｙＡＦ）
１３Ａ 強磁性自由層
１４，１４Ａ 第１磁性層
１５，１５Ａ 磁性結合体（ルテニウム）
１６，１６Ａ 第２磁性層
２１ 非磁性金属層
４０，５０ 磁気ヘッド
４１ 絶縁層
４２ センサ電子
４３ 記録媒体
４４，５９ 第１電極
４５ 端面
４６，６２ 第２電極
４７ 記録媒体移動方向
４８ 断層面
５１ 熱酸化シリコン基板
５２ 下地電極
５３ 下部高導電層
５４ 上部電極
５５ 上部高導電層
５６ 絶縁層
５７ 電圧計
５８ ＣＰＰ−ＧＭＲ構造体
６０ 磁気記憶装置
６１ 電源
６４ ワード線
６６ ビット線
８１ 反強磁性層
８２ 強磁性固定層
８３ 非磁性導電層
８４ 強磁性自由層

Claims (21)

  1. 強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子において、
    上記強磁性自由層が、磁性結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第１磁性層と第２磁性層とを有するとともに、第１磁性層と第２磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とする、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  2. 前記強磁性自由層内の磁性結合体が、前記強磁性固定層のスピン依存電流に基づいて、このスピン依存電子を散乱する界面を形成することを特徴とする、請求項１記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  3. 前記強磁性自由層を多層に重ねてＣＰＰ−ＧＭＲを大きくしたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  4. 前記強磁性自由層の第１磁性層及び第２磁性層のアスペクト比が２以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  5. 前記構成に加え、前記磁性結合体が非磁性金属層及び非磁性半導体層のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  6. 前記構成に加え、前記磁性結合体がルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのいずれか、或いはこれらを組み合わせた合金及び積層結合体のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  7. 前記構成に加え、前記磁性結合体の膜厚が１．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  8. 前記構成に加え、前記非磁性導電層が大きなスピン依存散乱を生じる銅であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  9. 前記構成に加え、前記強磁性固定層に近接した反強磁性層を有するスピンバルブ型固定層であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  10. 強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子において、
    上記強磁性固定層が、磁性結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第１磁性層と第２磁性層とを有することを特徴とする、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  11. 前記強磁性自由層が、磁性結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第１磁性層と第２磁性層とを有するとともに、第１磁性層と第２磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とする、請求項１０に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  12. 前記磁性結合体が非磁性金属層からなり、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  13. 強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有するＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子において、
    上記強磁性固定層と上記非磁性導電層との間、及び／又は前記強磁性自由層の表面にルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなる層を設けたことを特徴とする、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子。
  14. 請求項１〜１３の何れかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とする、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を用いた磁気部品。
  15. 記録媒体の漏れ磁界を検出して記録情報を読み出す磁気ヘッドにおいて、
    前記請求項１〜１３のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子の強磁性自由層が上記記録媒体の漏れ磁界により磁化反転し、センサ電子のスピン依存散乱に基づいてＣＰＰ−ＧＭＲが発現し、上記記録媒体の磁界の向きを電気抵抗の変化として検出することを特徴とする磁気ヘッド。
  16. 前記構成に加え、前記強磁性自由層の第２磁性層端面を前記記録媒体に対向させて前記記録媒体の漏れ磁界を検出することを特徴とする、請求項１５に記載の磁気ヘッド。
  17. 前記構成に加え、前記強磁性自由層の積層構造が現れる断層面を前記記録媒体に対向させて漏れ磁界を検出することを特徴とする、請求項１６に記載の磁気ヘッド。
  18. 前記構成に加え、前記ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子に供給するセンサ電子の電極を前記記録媒体の漏れ磁界に対する磁気シールドと兼用したことを特徴とする、請求項１５〜１６のいずれかに記載の磁気ヘッド。
  19. 請求項１〜１３の何れかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とする、ＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を用いた磁気装置。
  20. 前記請求項１〜１３のいずれかに記載のＣＰＰ型巨大磁気抵抗素子を、ワード線とビット線の交差する位置に配設して不揮発メモリとしたことを特徴とする、磁気記憶装置。
  21. 前記ワード線からのスピン注入により強磁性自由層の磁化が反転可能であることを特徴とする、請求項２０に記載の磁気記憶装置。
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