JP2005191101A - 磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 実現的なコストで製造することができる単純な素子構造を有すると共により高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子、及びそうした磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】 第１の強磁性層１１である自由層１と、第２の強磁性層２１である固定層２と、自由層１と固定層２との間に設けられた１又は２以上のナノ接合部３とを有し、そのナノ接合部３が、酸素、窒素、硫黄及び塩素の群から選ばれる１又は２以上の非金属を含むことにより、上記課題を解決した。このとき、ナノ接合部３を構成する材料が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＮｉから選ばれる強磁性金属、又は、ＮｉＦｅＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ及びＭｎＳｂから選ばれる半金属であることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関し、更に詳しくは、ＢＭＲ（Ballistic Magneto Resistance）効果を有する磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関するものである。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲという。Giant Magnetoresistance effect）は、強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造の面内に電流を流した場合に発現する大きな磁気抵抗変化を示す現象である。このＧＭＲを持つ磁気抵抗効果素子については、さらに大きな磁気抵抗変化率（ＭＲ比という。）の発現を求めて活発に研究がなされてきた。現在まで、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、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。

磁気記録技術の分野においては、記録密度の向上により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、大きな磁気抵抗変化率を示す素子の開発が要請されている。

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」が報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。その磁気微小接点は、針状に加工した２つの強磁性体又は三角形状に加工した２つの強磁性体を角付き合わせて作製されている。さらにごく最近、２本の細いＮｉワイヤをＴ字に配置し、電着法を用いて接触部に微小コラムを成長させた磁気微小接点が開示されている（例えば、非特許文献２を参照）。こうした素子が発現する極めて高いＭＲ比は、磁化の向きが反並行である２つの強磁性層間に形成された磁気微小接点に存在する磁区のスピントランスポートに起因するものと考えられている。こうした特性を有する磁気微小接点を利用した磁気抵抗効果素子は、その磁気微小接点で電子が不純物などの散乱を受けずに（ballistic に）通過していると考えられることから、Ballistic Magneto Resistance素子（ＢＭＲ素子）と呼ばれている。

さらに、最近、こうした磁気微小接点を有する磁気抵抗効果素子についても報告されている。例えば、下記特許文献１には、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層とからなり、絶縁層の所定位置に第１の強磁性層と第２の強磁性層とが接続される最大幅が２０ｎｍ以下の開口を有する孔が設けられた磁気抵抗効果素子が報告されている。また、下記特許文献２には、狭窄部を介して相互に連結された２つの磁性層を有し、その狭窄部の幅が１００ｎｍ程度の磁気抵抗効果素子が報告されている。

また、下記非特許文献３には、こうしたＢＭＲ素子の磁気抵抗効果についての理論的な考察が記載されている。この非特許文献３には、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が次式で与えられることが提案されている。式中、Ｆ（Ｐ，ｔ）はナノ接合部内に形成される磁壁による電子の反射確率を示しており、０〜１の範囲内の値をとる。また、Ｐはナノ接合部を構成する材料が持つ電子のスピン分極率を示しており、０〜１の範囲内の値をとる。また、ｔは磁壁の厚さを示している。提案された下記の式１からも分かるように、ナノ接合部を構成する材料が持つ電子のスピン分極率を高めることにより高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を得ることができる。

N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923(1999) N.Garcia et al., Appl.Phys.Lett., vol.80, p1785(2002) G.Tatara et al., Physical Review Letters, vol.83(10), p2030(1999) 特開２００３−２０４０９５号公報 特表平１１−５１０９１１号公報

上述したようなＢＭＲ素子の磁気ヘッドへの実用化を考慮した場合には、特性面においてはより高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を有することが要求されると共に、実現的なコストで製造できることが要求される。

しかしながら、現在まで報告されているＢＭＲ素子は特性面を重視して開発されているので、複雑な素子構造を伴っているものが多く、実現的なコストで製造できるか否かについては疑問である。さらに、上記の非特許文献３に記載の考察より、高い磁気抵抗変化率を得るためには、ナノ接合部を構成する材料が持つ電子のスピン分極率を１に近づけることが有効であろうと考えられるが、実現的なコストで製造可能な単純な素子構造を伴うＢＭＲ素子に対する具体的な手段については、現在まで提案されていない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その第１の目的は、実現的なコストで製造することができる単純な素子構造を有すると共により高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、そうした磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを提供することにある。

上記第１の目的を達成する本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層である自由層と、第２の強磁性層である固定層と、前記自由層と前記固定層との間に設けられた１又は２以上のナノ接合部とを有し、当該ナノ接合部が、酸素、窒素、硫黄及び塩素の群から選ばれる１又は２以上の非金属を含むことを特徴とする。

この発明によれば、自由層と固定層との間に設けられたナノ接合部が、酸素、窒素、硫黄及び塩素の群から選ばれる１又は２以上の非金属を含むので、ナノ接合部における電子のスピン分極率が１に近づき、その結果、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を実現することができる。また、そうしたナノ接合部が第１の強磁性層である自由層と第２の強磁性層である固定層との間に設けられているので、本発明の磁気抵抗効果素子は実用性に優れた単純な構造であり、実現的なコストで製造することが可能である。

本発明の磁気抵抗効果素子は、上記磁気抵抗効果素子において、(i)前記ナノ接合部を構成する材料が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＮｉから選ばれる強磁性金属、又は、ＮｉＦｅＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ及びＭｎＳｂから選ばれる半金属であることが好ましく、また、(ii)前記第１の強磁性層及び前記第２の強磁性層が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＮｉから選ばれる強磁性金属で形成されていることが好ましい。

これらの発明によれば、ナノ接合部の構成材料、第１の強磁性層の構成材料及び第２の強磁性層の構成材料が上記の中から選択されて構成されるので、実現的なコストで製造することができると共により高い磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子を提供することができる。

本発明の磁気抵抗効果素子は、上記磁気抵抗効果素子において、前記非金属が、前記ナノ接合部と前記自由層との界面及び／又は前記ナノ接合部と前記固定層との界面に存在していることに特徴を有する。

この発明においては、例えばナノ接合部に拡散させる非金属を含む非金属化合物をナノ接合部と自由層及び／又は固定層との界面に設けたシンプルな構造を形成した後に拡散処理等を施すことにより、ナノ接合部には拡散等により非金属が含まれ且つ、ナノ接合部と自由層との界面及び／又はナノ接合部と固定層との界面にも非金属が存在した態様となる。本発明は、こうした構成とすることにより、高いＭＲ比を有すると共に実現的なコストの磁気抵抗効果素子を提供できる。

本発明の磁気抵抗効果素子は、上記磁気抵抗効果素子において、前記非金属、又は前記非金属を含む非金属化合物が、前記ナノ接合部を構成する結晶粒の粒界部に存在していることに特徴を有する。

この発明によれば、非金属をナノ接合部を構成する結晶粒の粒界部に存在させることにより、そのナノ接合部における電子のスピン分極率を１に近づけることができ、その結果、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を実現することができる。

上記第２の目的を達成するための本発明の磁気ヘッドは、上述した本発明の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする。

この発明によれば、上述した本発明の磁気抵抗効果素子が、実現的なコストで製造することができる単純な素子構造を有すると共により高い磁気抵抗変化率を有するので、高い磁気抵抗変化率を有する磁気ヘッドを実現的なコストで製造することが可能である。

以上説明したように、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、ナノ接合部における電子のスピン分極率が１に近づくので、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を実現することができる。また、本発明の磁気抵抗効果素子は実用性に優れた単純な構造であるので、実現的なコストで製造することが可能である。

また、本発明の磁気ヘッドによれば、安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子を用いるので、安定性に優れた高性能な磁気ヘッドを提供できる。

以下、本発明の磁気抵抗効果素子及びその磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドについて、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明の範囲は制限されない。

（磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す積層方向の断面図であり、図２は、本発明の磁気抵抗効果素子の他の一例を示す積層方向の断面図である。

図１に示す本発明の磁気抵抗効果素子１０は、第１の強磁性層１１である自由層１と、第２の強磁性層２１である固定層２と、自由層１と固定層２との間に設けられた１又は２以上のナノ接合部３とを有している。すなわち、この磁気抵抗効果素子１０は、１又は２以上のナノ接合部３を挟むように自由層と１と固定層２とが配置されている。さらに、この磁気抵抗効果素子１０は、固定層２上であってナノ接合部３側の反対側に、反強磁性層５を有している。

また、図２に示す本発明の磁気抵抗効果素子２０は、自由層１が２つの強磁性層１１，１２を含んでおり、かつ、固定層２が２つの強磁性層２１，２２を含んでいる点において、上述の図１に示した磁気抵抗効果素子と異なっている。さらに、この磁気抵抗効果素子２０においては、固定層２を構成する２つの強磁性層２１，２２の間に非磁性層２３が設けられている。

（ナノ接合部）
ナノ接合部３は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＮｉから選ばれる強磁性金属、又は、ＮｉＦｅＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ及びＭｎＳｂから選ばれる半金属で主に形成されている。これらの材料は、スピン分極率がいずれも０．５以上の強磁性材料であり、それぞれの材料のスピン分極率は以下の通りである。

Ｆｅ（スピン分極率：０．５）、Ｎｉ（スピン分極率：０．８）、Ｃｏ（スピン分極率：０．８）、ＮｉＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＣｏＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＣｏＦｅＮｉ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＮｉＦｅＳｂ（スピン分極率：０．７〜０．８）、ＮｉＭｎＳｂ（スピン分極率：０．７〜０．８）、ＰｔＭｎＳｂ（スピン分極率：０．７〜０．８）、ＭｎＳｂ（スピン分極率：０．７〜０．８）

本発明の磁気抵抗効果素子は、上記材料で主に構成されたナノ接合部３が、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）及び塩素（Ｃｌ）の群から選ばれる１又は２以上の非金属を含んでいることに特徴がある。本発明の磁気抵抗効果素子は、ナノ接合部３がこうした非金属を含むので、非金属を含有しないものに比べて、ナノ接合部３を主に構成する強磁性金属又は強磁性半金属の電子のスピン分極率を１に近づけることができる。例えば、スピン分極率が０．６〜０．８のＮｉＦｅ中に酸素を最大１０原子％含有させることにより、そのスピン分極率は約０．９となり、１に近づけることができる。スピン分極率が１に近づいた構成材料からなるナノ接合部３は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高めるように作用する。なお、非金属を含有させることによりナノ接合部３の構成材料のスピン分極率が１に近づくのは、非金属のスピンキャリヤのエネルギーバンドがフェルミレベルの近傍にバンドギャップを持っているからである。こうしたことは、Tataraらが提案した上述の式１からも理解されるように、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高めることができる。

含有させる非金属の種類は、ナノ接合部３の構成材料の種類によって上記の中から適宜選択されるが、ナノ接合部３の構成材料のスピン分極率を１に近づけて高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を示すものが適宜選択されることが望ましい。元素自身の持つスピン分極率の観点から、特に酸素を含有させることが好ましい。また、ナノ接合部３中の非金属の含有量についても、ナノ接合部３の構成材料のスピン分極率を１に近づけて高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を示す量が適宜選択されるが、通常、１原子％〜３０原子％の範囲内となる。

ナノ接合部３の構成材料中に含まれる非金属は、ナノ接合部３内での電子の散乱を増すように作用するので、比抵抗の増加にも寄与することができる。この比抵抗の増加についても、酸素が好ましく選択される。

次に、ナノ接合部３の寸法（スケール）について説明する。

図３は、図１及び図２に示す磁気抵抗効果素子１０，２０を構成するナノ接合部３の拡大図である。本発明において、ナノ接合部３の幅方向（積層方向に直交する方向）の長さｄ１は、フェルミ長以下の長さになっている。このナノ接合部３は、図１及び図２に示す磁気抵抗効果素子１０，２０の面内方向（積層方向に直交する面を構成する２次元方向）に現れる形状として、円形、楕円形、角形（三角形、四角形、等々）又はそれらに近似する形状で形成される。そのため、上記の幅方向の長さｄ１とは、言い換えれば、図１に示す磁気抵抗効果素子１０における「ナノ接合部３の面内方向の最大長さｄ１」と規定できる。従って、本発明においては、その最大長さｄ１がフェルミ長以下の長さになっている。

ナノ接合部３の幅方向の長さｄ１であるフェルミ長は、材料固有の値であり、ナノ接合部３を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は６０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるので、「フェルミ長以下」とは、「１００ｎｍ以下」、乃至「６０ｎｍ以下」と規定することができる。フェルミ長の具体例としては、例えばＮｉは約６０ｎｍであり、Ｃｏは約１００ｎｍである。

ナノ接合部３の幅方向の長さｄ１は、平均自由工程以下であることが更に好ましい。平均自由工程も材料固有の値であり、ナノ接合部３を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は５ｎｍ〜１５ｎｍ程度であるので、「平均自由工程以下」とは、「１５ｎｍ以下」、乃至「５ｎｍ以下」と規定することができる。平均自由工程の具体例としては、例えばＮｉＦｅは約５ｎｍであり、Ｃｏは約１２ｎｍである。

一方、ナノ接合部３を挟むように形成されている自由層１と固定層２との間隔（すなわち、図３に示すように、ナノ接合部３の積層方向（高さ方向）の長さｄ２のことである。）も、上記の幅方向の長さｄ１と同様に、フェルミ長以下であることが好ましく、平均自由工程以下であることが更に好ましい。

ナノ接合部３の幅方向の長さｄ１及び積層方向の長さｄ２がフェルミ長を超えた寸法である場合は、磁化が反並行の場合にナノ接合部３の磁壁は非常に厚くなり、そのナノ接合部３を通過する電子はスピン情報を保つことが難しくなる。その結果として、磁化の方向の変化に起因した磁気抵抗効果が得られ難くなることがある。本発明においては、その寸法がフェルミ長以下、特にスピン情報をよく保つことができる点で効果のある平均自由工程以下であることが望ましい。

ナノ接合部３の幅方向の長さｄ１及び積層方向の長さｄ２がフェルミ長以下になると、そのナノ接合部３が極薄磁壁の発生部となり、そのナノ接合部３を挟む態様で設けられている自由層１と固定層２との間の相対的な磁化の配置関係を変化させることができる。これにより自由層１と固定層２との間の電気抵抗が変化する。本発明の磁気抵抗効果素子の場合、基本的に、磁場印加方向を変えても電気抵抗が磁場により減少する磁場領域が存在することから、ここで発生する磁気抵抗効果は、ナノ接合部３の部分で形成された磁壁により発生する磁気抵抗効果であるといえる。ここで、ナノ接合部３の磁壁は、磁化方向を異にする２つの部分（ナノ接合部３を挟むように配置される自由層１側の強磁性層１１と固定層２側の強磁性層２１）の遷移領域として作用する。そして、磁化方向及び印加磁場の大きさに応じて大きな磁気抵抗効果が発生する。

以上説明したように、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）及び塩素（Ｃｌ）の群から選ばれる１又は２以上の非金属を含むナノ接合部３を備えた本発明の磁気抵抗効果素子は、ナノ接合部における電子のスピン分極率を１に近づけることができるので、大きな磁気抵抗変化率を示す。なお、磁気抵抗変化率とは、ＭＲ比（△Ｒ／Ｒ）のことであり、磁界強度が充分強いときの電気抵抗Ｒと、印加磁場を変化させたときの電気抵抗変化ΔＲとの比で定義されている。

ナノ接合部３の周囲、すなわち自由層１と固定層２との間に設けられた１又は２以上のナノ接合部３以外の部位は、非磁性層４で形成されている。その非磁性層４は、例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素などの酸化物や、窒化ケイ素などの窒化物等の絶縁材料で形成される。その非磁性層の積層方向の長さは、上述したナノ接合部３の積層方向の長さｄ２と同じ長さで形成される。

次に、１又は２以上のナノ接合部３を挟むように配置される強磁性層１１，２１について説明する。

１又は２以上のナノ接合部３を挟むように配置される強磁性層１１，２１とは、自由層１のナノ接合部側に配置される強磁性層（第１の強磁性層１１という。）と、固定層２のナノ接合部側に配置される強磁性層（第２の強磁性層１２という。）のことである。本発明においては、これらの強磁性層１１，２１がスピン分極率０．５以上の強磁性材料で形成されている。そうした強磁性材料としては、各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、上記のナノ接合部３を構成する強磁性材料、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＮｉから選ばれる強磁性金属が好ましく用いられる。なお、ナノ接合部３を形成する材料と、そのナノ接合部３に隣接する強磁性層１１，２１を形成する材料とが同じ場合には、単一材料で成膜とエッチングを行うことや、グラニュラー構造の成膜技術を用いることができるので、作製が比較的容易になる。

本発明の磁気抵抗効果素子１０，２０は、そうしたナノ接合部３が第１の強磁性層１１と第２の強磁性層２１との間に設けられているので、実用性に優れた単純な構造であり、実現的なコストで製造することが可能である。

次に、ナノ接合部３に非金属を含有させる方法について説明する。

酸素、窒素、硫黄及び塩素の群から選ばれる１又は２以上の非金属は、ナノ接合部３の成膜時に含有させることができる。例えば、ナノ接合部の構成材料である上記の強磁性材料を成膜する際に酸素や窒素等を含有させてスパッタリングを行うことにより、ナノ接合部３の成膜と同時に非金属を含有させることができる。

また、非金属は、ナノ接合部３を成膜した後に含有させることもできる。例えば、ナノ接合部３を成膜した後に、酸素雰囲気や窒素雰囲気等の非金属雰囲気中でアニール（熱処理）することにより、ナノ接合部３内に非金属を熱拡散させることができる。

図４は、ナノ接合部に非金属を含有させる方法の一例を示す説明図である。図４において、ナノ接合部３と自由層１との界面、及び、ナノ接合部３と固定層２との界面には、酸素、窒素、硫黄及び塩素の群から選ばれる１又は２以上の非金属を有した非金属化合物を含む層６，６が形成されている。この層６，６は、非金属化合物からなるものであってもよいし、自由層１や固定層２を構成する強磁性層（１１，２１）の成膜時に非金属を多く含有させた層であってもよい。本発明の磁気抵抗効果素子においては、図４に示す態様に形成した後にアニールすることによって、その層６，６に含まれる非金属を熱拡散等の手段によりナノ接合部３内に含有させることができる。拡散等の手段を施した後においては、ナノ接合部３と自由層１及び／又は固定層２との界面には、ナノ接合部３に拡散させる非金属が存在している。

このように、ナノ接合部３と自由層１及び／又は固定層２との界面に非金属化合物を含む層６，６を設けたシンプルな構造を形成した後に拡散処理等を施すことにより、ナノ接合部３には拡散等により非金属が含まれ且つ、ナノ接合部３と自由層１との界面及び／又はナノ接合部３と固定層２との界面にも非金属が存在した態様となる。本発明は、こうした構成とすることにより、高いＭＲ比を有すると共に実現的なコストの磁気抵抗効果素子を提供できる。

図５は、非金属３２がナノ接合部３ａの構成材料３１中に局在化せずに含有されている態様の一例を示す模式図であり、図６は、非金属がそのままの原子状態で、又は非金属を含む非金属化合物の状態で、ナノ接合部３ｂを構成する結晶粒３３の粒界部３４に存在している態様の一例を示す模式図である。非金属がナノ接合部内にいずれの態様で含有されるかについては、ナノ接合部の構成材料と非金属の種類により異なる。

こうして得られた磁気抵抗効果素子においては、酸素、窒素、硫黄及び塩素の群から選ばれる１又は２以上の非金属が、ナノ接合部３と自由層１との界面及び／又はナノ接合部３と固定層２との界面に形成された層６，６から拡散することによりナノ接合部３に含まれるので、ナノ接合部３における電子のスピン分極率が１に近づき、その結果、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を実現することができる。また、ナノ接合部３に拡散させる非金属を含む非金属化合物がナノ接合部３と自由層１及び／又は固定層２との界面に設けられたシンプルな構造形態とすることができ、さらにその後に拡散させて非金属がナノ接合部３に含まれる磁気抵抗効果素子とすることができるので、高いＭＲ比を有した磁気抵抗効果素子を、実現的なコストで製造することができる単純な素子構造及び工程により得ることができる。

また、ナノ接合部３を電子ビーム露光等のナノリソグラフィを用いて作製したり、非金属を結晶粒として又は局在化した状態で発現することができる通常のスパッタリングや蒸着等を用いて作製することも可能である。

（自由層）
自由層（フリー層とも呼ばれる。）１は、記録媒体の磁化転移領域から発生する磁界に感応して磁化が回転又は反転する作用を有する層であり、その容易軸の方向を媒体と平行に規制しておくことが好ましい。この自由層１は、図２に示したように、２つの強磁性層１１，１２で形成されることが望ましく、それぞれの層は、通常０．５〜５ｎｍ程度の厚さで形成される。それらの強磁性層１１，１２同士は、強磁性結合状態又は反強磁性結合状態で設けられている。

なお、２つの強磁性層１１，１２が強磁性結合を呈する場合は、ナノ接合部３から離れた位置に配置される強磁性層１２を分極率の高い材料で形成し、ナノ接合部３に隣接して設けられた強磁性層１１を磁歪の小さい軟磁性材料で形成することができる。こうした組合せで形成することにより、高感度と広い線形動作を確保することができるという効果がある。一方、２つの強磁性層１１，１２が反強磁性結合を呈する場合は、２つの強磁性層１１，１２の間に非磁性層（図示しない）が設けられる。こうした構造により、２つの強磁性層１１，１２は、非磁性層を介して反並行に結合する。そのため、自由層１に含まれる２つの強磁性層１１，１２の磁化が安定するので、層の側端面から磁界が漏洩せず、素子全体の安定性を向上させることができる。このときの非磁性層は、２つの強磁性層１１，１２の交換結合の度合いを調整する層であり、例えば、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びそれらの合金からなる群から選択される材料で形成されている。また、反強磁性結合を呈する場合の強磁性層１１，１２としては、ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ等を挙げることができる。

（固定層）
固定層（ピン層ともいう。）２は、図２に示したように、２つの強磁性層２１，２２で形成されることが望ましい。こうした固定層２において、それらの強磁性層２１，２２同士は、非磁性層２３を介して形成される。

固定層２を好ましく構成する２つの強磁性層２１，２２としては、前記したスピン分極率が０．５以上の各種の強磁性材料を用いることが可能である。この場合において、２つの強磁性層２１，２２は、同一の材料で形成しても異なる材料で形成してもよい。それぞれの層２１，２２は、通常２〜１０ｎｍ程度の厚さで形成される。

強磁性層２１，２２同士の間に挟まれる非磁性層２３は、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びそれらの合金からなる群から選択される材料で形成され、通常０．５〜３ｎｍ程度の厚さで形成される。こうした非磁性層２３により仕切られる２つの強磁性層２１，２２は、磁化の容易軸が反並行に結合している。こうした非磁性層２３の作用により、２つの強磁性層２１，２２の磁化が安定する。その結果、層の側端面から磁界が漏洩しないので、素子全体の安定性を向上させることができる。

次に、反強磁性層５について説明する。

本発明においては、固定層２上であって、ナノ接合部３が設けられている側のは反対側に、反強磁性層５を設けることが好ましい。反強磁性層５の形成材料としては、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＰｄＭｎ及びＦｅＭｎの群から選択されるいずれか１の材料が好ましく、通常２〜１０ｎｍ程度の厚さで形成される。こうした反強磁性層５を設けたことにより、強い交換結合が誘起され、固定層２として作用する強磁性層の磁化の容易軸を固定することができる。その結果、固定層２の磁化が強く固定されるので、素子全体の安定性を向上させることができる。

以上、磁気抵抗効果素子について図１及び図２に基づいて説明したが、本発明の磁気抵抗効果素子は、ボトムタイプ、トップタイプ又はデュアルタイプの積層構造のいずれの形態をとっていてもよい。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、自由層１をなす強磁性層１１，１２と、固定層２をなす強磁性層２１，２２とが上下反対に構成されていてもよい。このように構成することにより、得られた磁気抵抗効果素子の感度が向上し、磁区制御が容易となる。

また、本発明の磁気抵抗効果素子においては、自由層をなす強磁性層及び固定層をなす強磁性層は、それら自身が電極として作用し、あるいはそれらに接続された電極が別途設けられる。これら電極間に電流を通電した場合に得られる自由層及び固定層の間の電気抵抗は、それらの相対的な磁化配置により変化する。さらに、本発明の磁気抵抗効果素子において、ナノ接合部３を挟む２つの強磁性層１１，２１は、磁区制御が容易なように層状の平面を有するので、磁化分布状態を揃えることができる。ただし、２つの強磁性層１１，２１は、必ずしも厳密に平坦な層である必要はなく、多少の凹凸面又は湾曲面を有していてもよい。またさらに、本発明においては、１又は２以上のナノ接合部３、すなわち単一の又は複数のナノ接合部３が形成されているような態様としてもよい。なお、本発明の磁気抵抗効果素子においては、自由層をなす強磁性層の磁化の向きと固定層をなす強磁性層の磁化の向きとのなす角度が９０°又は１８０°に構成されていることが好ましい。これにより、感度が向上し、線形動作が容易となる。

以上説明したように、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、ナノ接合部における電子のスピン分極率が１に近づくので、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を実現することができる。また、本発明の磁気抵抗効果素子は実用性に優れた単純な構造であるので、実現的なコストで製造することが可能である。

（磁気ヘッド）
本発明の磁気ヘッドは、上述した磁気抵抗効果素子を用いることで高い磁気抵抗変化率を発生することができるため、大きな再生感度をもっている。

図７は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気再生素子として用いる磁気ヘッドの一例を示す模式図である。図７に示す磁気ヘッド５０は、磁気抵抗効果素子１０の膜面を記録媒体５６に対して垂直に配置している。ここで、ナノ接合部３は、磁気抵抗効果素子１０の中心から記録媒体５６に近づく方向に配置されている。記録媒体５６からの信号磁界は、記録媒体５６からの距離が短くなるほど大きくなるため、そうした位置にナノ接合部３を配置するように構成された磁気ヘッド５０は、磁化を感受する自由層１の磁界検出効率が大きくなるという効果がある。

図７では、本発明の磁気抵抗効果素子１０のうち、自由層１、固定層２及びその間に設けられるナノ接合部３を主な構成として便宜的に表している。この図７において、符号５１と符号５２は、磁気抵抗効果素子１０に設けられた電極を示し、符号５３と符号５４はシールド部材を表し、符号５５はセンス電流を表している。また、図７においては、記録媒体として水平磁化膜を例示したが、垂直磁化膜であってもよい。

図８は、図７に表した磁気ヘッド５０の構造を記録媒体５６の側から表した断面構造の一例を示す模式図である。図８に示すように、磁気ヘッド５０は、自由層１と、固定層２と、両層に挟まれたナノ接合部３とを少なくとも有する磁気抵抗効果素子１０が設けられている。ここで、固定層２に隣接するように反強磁性層５が設けられ、磁気抵抗効果素子１０の両側には電極５１，５２が設けられている。また、図８を正面視した場合の左右には、一対の永久磁石層５７，５７を設けてもよい。

例えば、図８は、記録媒体の側から表した磁気抵抗効果素子１０の構造であり、図８の下方のシールド部材５３から上方のシールド部材５４に向かって、電極５１、自由層１、ナノ接合部３と非磁性層４、固定層２、反強磁性層５、及び電極５２、の順で配置されている。一対の永久磁石層５７，５７としては、ＣｏＰｔが配置されている。なお、符号５８は、絶縁層である。

この図８に示す磁気抵抗効果素子１０において、その幅は、２０〜１００ｎｍの範囲であり、各層の膜厚は、使用する記録密度や要求感度に応じて、０．５〜２０ｎｍの範囲で最適化され、又、個数が１又は２以上のナノ接合部３は、２〜２０ｎｍの寸法で形成される。

本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の他の一例を示す断面図である。 図１のナノ接合部の拡大断面図である。 ナノ接合部に非金属を含有させる手段の一例を示す断面図である。 ナノ接合部における非金属の含有態様の一例を示す模式図である。 ナノ接合部における非金属の含有態様の他の一例を示す模式図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を磁気再生素子として用いる磁気ヘッドの一例を示す模式図である。 本発明の磁気ヘッドの他の一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 自由層
２ 固定層
３，３ａ，３ｂ ナノ接合部
４ 非磁性層
５ 反強磁性層
６ 非金属化合物を含む層
１０，２０ 磁気抵抗効果素子
１１ 自由層を構成する強磁性層
２１ 固定層を構成する強磁性層
３１ ナノ接合部の構成材料
３２ ナノ接合部に含まれる非金属
３３ ナノ接合部の結晶粒
３４ ナノ接合部の結晶粒界部に存在する非金属
５０ 磁気ヘッド
５１，５２ 電極
５３，５４ シールド部材
５５ センス電流
５６ 記録媒体
５７ 永久磁石層
５８ 絶縁層

Claims (6)

1. 第１の強磁性層である自由層と、第２の強磁性層である固定層と、前記自由層と前記固定層との間に設けられた１又は２以上のナノ接合部とを有し、当該ナノ接合部が、酸素、窒素、硫黄及び塩素の群から選ばれる１又は２以上の非金属を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記ナノ接合部を構成する材料が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＮｉから選ばれる強磁性金属、又は、ＮｉＦｅＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ及びＭｎＳｂから選ばれる半金属であ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。
3. 前記第１の強磁性層及び前記第２の強磁性層が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＮｉから選ばれる強磁性金属で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記非金属が、前記ナノ接合部と前記自由層との界面及び／又は前記ナノ接合部と前記固定層との界面に存在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記非金属、又は前記非金属を含む非金属化合物が、前記ナノ接合部を構成する結晶粒の粒界部に存在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする磁気ヘッド。

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