JP2005286201A

JP2005286201A - 磁気抵抗効果素子

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Publication number: JP2005286201A
Application number: JP2004099976A
Authority: JP
Inventors: Shiho Nakamura; 村志保中; Shigeru Haneda; 茂羽根田; Hiroshi Morise; 瀬博史森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: US7710690B2; US20050219768A1; JP4202958B2

Abstract

【課題】高出力が得られるとともにセンス電流を流してもフリー層の磁化を安定させることを可能にする。
【解決手段】磁化の向きが可変のフリー層と、磁化の向きが固着されたピン層と、前記フリー層と前記ピン層の間に設けられた中間層と、を備え、外部磁場がなくかつ電流が流れないときに前記フリー層の磁化は前記ピン層の固着された磁化方向に対して反平行を向き、前記フリー層の磁化容易軸は前記ピン層の固着された磁化方向と平行であり、センス電流が前記フリー層から前記ピン層へ流されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関する。

強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる多層膜において面内に電流を流した場合に、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）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素子や、電流を多層膜の膜面に垂直方向へ流すＣＰＰ(Current Perpendicular to Plane)型磁気抵抗効果素子が研究され、これらは磁気記録の再生素子として有望視されている。特にＣＰＰ型磁気抵抗効果素子は低い抵抗と大きなＭＲ比が利点となり２００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度媒体の再生素子の候補となっている。

ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気再生素子では、フリー層の磁区制御のためにフリー層の隣にハードマグネットを設け、媒体磁場がかからない場合にフリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対して略垂直に向くように設計している（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子においては、膜面に対して垂直に電流を流している。このため、再生出力を大きくするために、膜面内に電流を流すＣＩＰ(Current In-Plane)型磁気抵抗効果素子の場合と同じレベルの電流を流すと、自己電流磁界効果によりフリー層にボルテックス磁区が発生し、磁区制御が困難になるという問題点があった。

より高再生出力を得るためには、高い電流密度を有するセンス電流印加時にも安定した磁区制御が欠かせない。
特開２００１−３１２８０３号公報

上述したように、従来のＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を用いて大きな再生出力信号を得ようとすると、フリー層の磁化が不安定になる問題があった。また、素子作製のための微細加工プロセスは、より超高密度化するほど困難になりコスト増大になる問題点があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、高出力が得られるとともにセンス電流を流してもフリー層の磁化が安定な磁気抵抗効果素子を得ることを目的とする。

本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが可変のフリー層と、磁化の向きが固着されたピン層と、前記フリー層と前記ピン層の間に設けられた中間層と、を備え、外部磁場がなくかつ電流が流れないときに前記フリー層の磁化は前記ピン層の固着された磁化方向に対して反平行を向き、前記フリー層の磁化容易軸は前記ピン層の固着された磁化方向と平行であり、センス電流が前記フリー層から前記ピン層へ流されることを特徴とする。

なお、前記ピン層は、非磁性層を介して第１および第２磁性層が積層されて反平行結合した構造を有しており、前記第１および第２磁性層のうち前記中間層に近い磁性層は前記中間層から遠い磁性層よりも体積が大きく、かつ外部磁場がなくかつ電流が流れないときの前記フリー層の磁化と反平行の磁化を有していてもよい。

なお、前記フリー層は前記ピン層と静磁結合していることにより前記フリー層の磁化が前記ピン層の固着された磁化方向に対して反平行となるように構成してもよい。

なお、前記フリー層は前記ピン層と層間交換結合をしており、前記中間層はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金から構成されてかつ前記フリー層と前記ピン層の層間交換結合エネルギーが負の値となる膜厚を有しているように構成してもよい。

また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが可変のフリー層と、磁化の向きが固着されたピン層と、前記フリー層と前記ピン層の間に設けられた中間層と、を備え、外部磁場がなくかつ電流が流れないときに前記フリー層の磁化は前記ピン層の固着された磁化方向に対して平行を向き、前記フリー層の磁化容易軸は前記ピン層の固着された磁化方向と平行であり、センス電流が前記ピン層から前記フリー層へ流されることを特徴とする。

なお、前記ピン層は、非磁性層を介して第１および第２磁性層が積層されて反平行結合した構造を有しており、前記第１および第２磁性層のうち前記中間層に近い磁性層は前記中間層から遠い磁性層よりも体積が小さく、かつ外部磁場がなくかつ電流が流れないときの前記フリー層の磁化と平行である磁化を有していてもよい。

なお、前記フリー層は前記ピン層と層間交換結合をしており、前記中間層はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金から構成されてかつ前記フリー層と前記ピン層の層間交換結合エネルギーが正の値となる膜厚を有していてもよい。

なお、磁化の向きが前記フリー層の磁化容易軸方向となる磁化を有するハードバイアスが前記フリー層の側面に設けられていてもよい。

なお、磁気再生素子として用いられ、前記フリー層の磁化容易軸が媒体面に対し略垂直に配置されていることが好ましい。

なお、前記フリー層の長辺の長さは２００ｎｍ未満であることが好ましい。

本発明によれば、高出力が得られるとともにセンス電流を流してもフリー層の磁化を安定させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

まず、本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯を、図１６乃至図１８を参照して説明する。

ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）からなるフリー層と、ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）からなるピン層と、上記フリー層とピン層との間に設けられた膜厚６ｎｍのＣｕからなる中間層と、フリー層の中間層とは反対側の面に設けられた第１電極と、ピン層の中間層とは反対側の面に設けられた第２電極と、を備えた磁気抵抗効果素子を作成した。なお、括弧内の数字は膜厚を示している。この磁気抵抗効果素子は、サイズが１００ｎｍ×１１５ｎｍであって、フリー層の磁化容易軸がピン層の磁化固着方向と平行で、フリー層に反平行バイアスが存在しない。この磁気抵抗効果素子に電流を流さないで、フリー層の磁化容易軸に平行に外部磁場を印加した時のＭＲ曲線を図１６に示す。図１６から分かるように、良好なヒステリシスを示しており、フリー層の磁化の向きが所定の磁場で反転している。なお、このときのＭＲ比は０．９％であった。

上述の磁気抵抗効果素子に、一定の外部磁場を印加しながら、上記磁気抵抗効果素子に流す電流を変えたときの上記磁気抵抗効果素子の第１および第２電極間に発生する電圧から微分抵抗を求める実験を行った。この実験結果を図１７に示す。ここで電流極性は、電流がフリー層からピン層に流れるときをプラス、すなわち電子がピン層からフリー層に流れるときをプラスとして定義している。なお、本実験では、一定の外部磁場は、−９０Ｏｅ、−６０Ｏｅ、−３０Ｏｅ、０Ｏｅ、３０Ｏｅ、６０Ｏｅ、９０Ｏｅのいずれかである。これらの値全てに対して、実験を行った。すなわち、図１７に示す実験結果は、一定の外部磁場をパラメータとして、電流を変えた場合の微分抵抗を求めた特性曲線である。なお、図１７においては、縦軸の微分抵抗値は、全ての特性曲線に対して共通のものではなく、各特性曲線毎に異なっている。

図１７の特性曲線からわかるように、ゼロ磁場におけるスキャンは良好なヒステリシスを示し、微分抵抗の変化幅は図１６に示す磁場を変化させた場合のそれと同じである。磁場を印加するとヒステリシスの幅はつぶれる。そして、−６０Ｏｅの外部磁場、すなわちフリー層の磁化の方向がピン層に対して反平行となる外部磁場が印加されているときに電流値が＋２．６ｍＡ付近で微分抵抗が急下降する現象（ディップとも云う）が現れる（図１７のＡ参照）。この現象は、フリー層の磁化方向を外部磁場によりピン層の磁化方向と反平行にかつ電流により平行にしようとした場合、すなわち外部磁場と、電流によるスピントランスファトルクが競合する場合に現れることを、本発明者達は発見した。

また、外部磁場が＋９０Ｏｅであるときに電流値が−４ｍＡ付近で微分抵抗が急上昇する現象が現れる。この現象は、フリー層の磁化方向を外部磁場により平行にかつ電流により反平行にしようとした場合、すなわち外部磁場と、電流によるスピントルクが競合する場合に現れることを本発明者達は見いだした。

また、上記磁気抵抗効果素子に一定の電流を流しているときに、外部磁場を変化させたときの、微分抵抗を求める実験を行った。この実験結果を図１８に示す。すなわち、図１８は、一定の電流をパラメータとしたときの磁気抵抗効果素子のＭＲ曲線を示す。なお、本実験においては、一定の電流値は−２．６２５ｍＡ、０ｍＡ、＋１ｍＡ、＋２ｍＡ、＋２．６２５ｍＡ、＋３ｍＡ、＋４ｍＡのいずれかである。これらの値全てに対して実験を行った。

図１８からわかるように、電流を０から増やすにつれ、ヒステリシスはつぶれ、＋２．６ｍＡ付近で微分抵抗が急低下する現象が現れた。さらに電流を＋４ｍＡに増やすと、ヒステリシスは回復した。ここで微分抵抗が急下降したときの抵抗変化率は２．２％で、これは図１６に示す場合のＭＲ比０．９％の２．４倍である。また、磁気抵抗効果素子のサイズまたは材質等を変えて実験を行ったが、１０％を超えるＭＲ比が得られるものもあった。

このように、本発明者達は、スピントルクと磁場の競合状態で大きなＭＲ比が得られることを見出した。しかし、上述の抵抗の急激な変化は外部磁場の値がゼロから外れた値で出現しており、このまま再生素子へ適応することはできない。そこで、本発明達は、外部磁場が０でかつ磁気抵抗効果素子に電流を流さないときに、ピン層の磁化方向に対してフリー層の磁化方向が反平行あるいは平行となるバイアスをフリー層に印加するようにすれば、高い再生出力を得ることができると考えた。

以下の実施形態は、磁気抵抗効果素子を構成するフリー層に、ピン層の磁化方向に対してフリー層の磁化方向が反平行あるいは平行となるバイアスを印加した構成となっている。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子１は磁気再生素子として用いられ、磁化の向きが可変の磁性層からなる磁化自由層（フリー層）４と、磁化の向きが固着された磁性層からなる磁化固着層（ピン層）８と、フリー層４とピン層８との間に設けられた中間層６と、フリー層４の中間層６とは反対側に設けられた第１電極２と、ピン層８の中間層６とは反対側に設けられた第２電極１０とを備えている。

ピン層８の磁化の向きは、垂直磁化の媒体４０に対して直交する方向である。図１においては、ピン層８の磁化は下側（媒体４０側）から上側に向かう向きとなっている。なお、ピン層８の磁化は上側から下側に向かう向きであってもよい。

一方、フリー層４の磁化容易軸はピン層８の磁化固着方向と平行であり、フリー層４の磁化の向きは、外部磁場および電極２、１０間に電流が流れない状態で、ピン層８の磁化固着方向に対して反平行となっている。すなわち、フリー層４には、ピン層８の磁化固着方向に対して反平行となるバイアスが印加されていることになる。この反平行バイアスは、図２の矢印で示すように、ピン層８からの磁場をフリー層４に印加することにより行われる。なお、本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、図１の点線で示す矢印のように、電流は第１電極から第２電極に流す。なお、図２以降の断面図において、膜の基板に対する上下関係は規定していない。

本実施形態において、フリー層４およびピン層８がＣｏＦｅから構成され、中間層６がＣｕから構成された磁気抵抗効果素子１のゼロバイアス電圧（電流ゼロ）におけるＭＲカーブを図３に示す。図３はフリー層が膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅ、中間層は膜厚６ｎｍのＣｕ、ピン層は膜厚５ｎｍのＣｏＦｅからなる磁気抵抗効果素子の例である。図３において、左側の角形ヒステリシスがフリー層４の挙動を示すヒステリシスである。フリー層４のヒステリシスは低抵抗側（平行側）にシフトしており、外部磁場がないところで磁化の反平行配置が安定化されていることがわかる。また、この磁気抵抗効果素子に電流＋２．７ｍＡ流して測定した結果を図４に示す。微分抵抗の急激な下降はゼロ磁場近傍に現れ、反平行バイアスを印加したことによって磁場特性が向上したことがわかる。図５は図４を拡大した図である。図４および図５からわかるように、ゼロ磁場近傍で抵抗の大きな変化が起こっており、本実施形態による磁気抵抗効果素子は、再生ヘッドに適した特性となっていることが分かる。なお、本実施形態による磁気抵抗効果素子のＭＲ変化率は１１．７％であった。

フリー層４の磁化容易軸方向に平行な外部磁界を、フリー層４からピン層８へ流したセンス電流（電子電流ではピン層８からフリー層４）で検出する。

フリー層４あるいはピン層８の磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、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、「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、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３などのハーフメタル磁性体酸化物、窒化物のいずれか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。また、ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金／ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉからなる２層構造、あるいはＣｏあるいはＣｏＦｅ合金／ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ／ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金の３層構造であってもよい。これらの多層構造からなる磁性層の場合、外側のＣｏあるいはＣｏＦｅ合金の厚さは０．２ｎｍから１ｎｍの範囲であることが好ましい。さらに、フリー層として、層間交換結合したパーマロイなどの磁性層／Ｃｕ，Ｒｕなどの非磁性層（厚さ０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下）／パーマロイあるいは、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／Ｃｏなどの３層膜も感度を上げるために効果的である。フリー層の全膜厚は、磁場応答性から１０ｎｍ以下が好ましい。これより厚いと、電流によるスピントランスファトルク効果が有効にフリー層へ働くことが難しい。

ピン層８の磁化は、このピン層８に接するようにピン層８と電極１０との間に反強磁性層（図示せず）を設けることで交換バイアスにより固着する。あるいは、Ｒｕ、Ｃｕ、などの非磁性層／強磁性層／反強磁性層を積層して交換バイアスをかけることで固着する。反強磁性材料としては、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＩｒＭｎなどが好ましい。

中間層は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性金属元素のいずれかあるいは、この群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属が好ましい。中間層の厚さは６０ｎｍ以下が望ましい。さらには１２ｎｍ以下が、有効なスピントランスファトルク効果を得るのに好ましい。

従来のＣＰＰ型磁気抵抗効果素子では、外部磁場がゼロ時のフリー層の磁化方向をピン層の磁化方向に対して直交する方向に向けている。これに対して、本実施形態による磁気抵抗効果素子は、センス電流がゼロかつ外部電流ゼロの時点でフリー層４の磁化方向がピン層８の磁化固着方向に対して反平行である。フリー層４のピン層８との反平行磁化配置は、図２に示すような静磁結合を用いる、あるいは層間交換結合を用いることで実現できる。

なお、フリー層８の長辺（一般に磁化容易軸方向と同じ方向）のサイズは、２００ｎｍ未満であることが好ましい。これ以上では電流磁界効果が顕著となり、目的とする効果が得られない。

なお、図２では、フリー層４からピン層８までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

以上説明したように、本実施形態によれば、フリー層に反平行バイアスを印加しているため、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図６に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子は、フリー層４と、ピン層８と、フリー層４とピン層８との間に設けられた中間層６と、ピン層８の中間層６と反対側に設けられた反強磁性層９とを備えている。ピン層８は、磁性層８ａ、８ｃと、これらの磁性層間に設けられた非磁性層８ｂとを備えている。なお、以下の実施形態においては、第１実施形態で示した電極は図示せず、省略してある。

磁性層８ａは中間層６側に設けられ、磁性層８ｃは反強磁性層９側に設けられる。磁性層８ａと磁性層８ｃは非磁性層８ｂを介して反平行層間交換結合するように構成されている。そして磁性層８ａの体積ｖ１が磁性層８ｃの体積ｖ２よりも大きくなるように構成されている。また、反強磁性層９は、交換結合により磁性層８ｃの磁化を固着する。なお、外部磁場がなくかつ電流が流れないときのフリー層４の磁化の向きは磁性層８ａの向きと反平行となっている。

本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、フリー層４側の磁性層８ａの体積ｖ１が磁性層８ｃの体積ｖ２よりも大きくなるように構成されているので、フリー層４は、ピン層８の磁性層８ａとの静磁結合により、ピン層８から反平行バイアスを受ける。

なお、図６では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

この実施形態も、フリー層に反平行バイアスを印加しているため、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図７に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子は、フリー層４と、中間層６と、ピン層８と、反強磁性層９と、ハードバイアス２０とを備えている。反強磁性層９は、交換結合によりピン層８の磁化を固着する。ハードバイアス２０はフリー層４の側部（本実施形態においては、磁化容易軸方向の端部）に設けられ、フリー層４に反平行バイアスを付与する構成となっている。すなわち、本実施形態による磁気抵抗効果素子が、図１に示す第１実施形態の場合と同様に、磁気再生素子として用いた場合には、媒体とは反対側にハードバイアス２０が設けられることになる。ハードバイアス２０の磁化方向はフリー層４の磁化と同じ向きが好ましい。

この実施形態においては、ハードバイアス２０によってフリー層４に反平行バイアスを印加しているため、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

なお、図７では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（変形例）
第３実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図８に示す。この変形例による磁気抵抗効果素子は、第３実施形態において、ハードバイアス２０を、フリー層４の磁化容易軸方向の端部に設ける代わりに、フリー層４の磁化容易軸方向と直交する方向の端部に設けた構成となっている。この変形例においては、ハードバイアス２０の磁化方向はフリー層４の磁化と反対の向きが好ましい。

なお、図８では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

この変形例も第３実施形態と同様の効果を得ることができることは云うまでもない。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図９に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子は、第３実施形態による磁気抵抗効果素子において、ピン層８を、磁性層８ａ、非磁性層８ｂ、磁性層８ｃからなる３層構造のピン層８に置き換えた構成となっている。磁性層８ａ、８ｃは非磁性層８ｂを介して反平行層間交換結合している。なお、ハードバイアス２０は第３実施形態と同様に、フリー層４の磁化容易軸方向の端部に設けられ、フリー層４に反平行バイアスを付与する。なお、磁性層８ａ、８ｃの体積は図６に示す第２実施形態の場合のような規定はない。すなわち、どちらが大きくても小さくてもよい。

この実施形態も、第３実施形態と同様に、ハードバイアス２０によってフリー層４に反平行バイアスを印加しているため、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

なお、図９では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（変形例）
次に、第４実施形態の変形例の構成を図１０に示す。この変形例による磁気抵抗効果素子は、第４実施形態において、ハードバイアス２０を、フリー層４の磁化容易軸方向の端部に設ける代わりに、フリー層４の磁化容易軸方向と直交する方向の端部に設けた構成となっている。この変形例においては、ハードバイアス２０の磁化方向はフリー層４の磁化と反対の向きが好ましい。

この変形例も第４実施形態と同様の効果を得ることができることは云うまでもない。

以上の実施形態においては、フリー層に反平行バイアスが印加されていたが、以下の第５乃至第７実施形態においては平行バイアスがフリー層に印加されている場合を説明する。

なお、図１０では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直であり、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１１に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子は、フリー層４と、ピン層８と、フリー層４とピン層８との間に設けられた中間層６と、ピン層８の中間層６と反対側に設けられた反強磁性層９とを備えている。ピン層８は、磁性層８ａ、８ｃと、これらの磁性層間に設けられた非磁性層８ｂとを備えている。

磁性層８ａは中間層６側に設けられ、磁性層８ｃは反強磁性層９側に設けられる。磁性層８ａと磁性層８ｃは非磁性層８ｂを介して反平行層間交換結合するように構成されている。そして磁性層８ａの体積ｖ１が磁性層８ｃの体積ｖ２よりも小さくなるように構成されている。また、反強磁性層９は、交換結合により磁性層８ｃの磁化を固着する。

本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、フリー層４側の磁性層８ａの体積ｖ１が磁性層８ｃの体積ｖ２よりも小さくなるように構成されているので、フリー層４は、ピン層８の磁性層８ａとの静磁結合により、ピン層８から反平行バイアスを受ける。なお、本実施形態においては、外部磁場がなくかつ電流が流れないときのフリー層４の磁化の向きは磁性層８ａの向きと平行となっている。

この実施形態は、フリー層に平行バイアスを印加しているため、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、第１乃至第４実施形態の反平行バイアスが印加されている場合と異なり、電流はピン層８からフリー層４に向かって流れる。すなわち、電子はフリー層４からピン層８に向かって流れる。

この実施形態においては、フリー層に平行バイアスを印加しているため、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

なお、図１１では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直であり、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１２に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子は、フリー層４と、中間層６と、ピン層８と、反強磁性層９と、ハードバイアス２０とを備えている。反強磁性層９は、交換結合によりピン層８の磁化を固着する。ハードバイアス２０はフリー層４の側部（本実施形態においては、磁化容易軸方向の端部）に設けられ、フリー層４に平行バイアスを付与する構成となっている。すなわち、本実施形態による磁気抵抗効果素子が、図１に示す第１実施形態の場合と同様に、磁気再生素子として用いた場合には、媒体とは反対側にハードバイアス２０が設けられることになる。ハードバイアス２０の磁化方向はフリー層４の磁化と同じ向きが好ましい。

なお、図１２では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直であり、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（変形例）
第６実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図１３に示す。この変形例による磁気抵抗効果素子は、第６実施形態において、ハードバイアス２０を、フリー層４の磁化容易軸方向の端部に設ける代わりに、フリー層４の磁化容易軸方向と直交する方向の端部に設けた構成となっている。この変形例においては、ハードバイアス２０の磁化方向はフリー層４の磁化と同じ向きが好ましい。

この変形例も第６実施形態と同様の効果を得ることができることは云うまでもない。

なお、図１３では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１４に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子は、第６実施形態による磁気抵抗効果素子において、ピン層８を、磁性層８ａ、非磁性層８ｂ、磁性層８ｃからなる３層構造のピン層８に置き換えた構成となっている。磁性層８ａ、８ｃは非磁性層８ｂを介して反平行層間交換結合している。なお、ハードバイアス２０は第６実施形態と同様に、フリー層４の磁化容易軸方向の端部に設けられ、フリー層４に平行バイアスを付与する。なお、磁性層８ａ、８ｃの体積は図１１に示す第第５実施形態の場合のような規定はない。すなわち、どちらが大きくても小さくてもよい。

この実施形態も、第３実施形態と同様に、ハードバイアス２０によってフリー層４に平行バイアスを印加しているため、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

なお、図１４では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（変形例）
次に、第７実施形態の変形例の構成を図１５に示す。この変形例による磁気抵抗効果素子は、第７実施形態において、ハードバイアス２０を、フリー層４の磁化容易軸方向の端部に設ける代わりに、フリー層４の磁化容易軸方向と直交する方向の端部に設けた構成となっている。この変形例においては、ハードバイアス２０の磁化方向はフリー層４の磁化と同じ向きが好ましい。

この変形例も第７実施形態と同様の効果を得ることができることは云うまでもない。

なお、図１５では、フリー層４から反強磁性層９までの多層膜の側面は垂直で、多層膜は垂直の柱状であるが、多層膜は台形状あるいは、多層膜を構成している基板に近い下部にある層の面積が上部層の面積よりも大きくても目的とする効果が得られる。

（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態による磁気抵抗効果素子を、図１９（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態による磁気抵抗効果素子は図１９（ｂ）に示すように、フリー層４と、ピン層８と、フリー層４とピン層８との間に設けられたＣｕからなる中間層６とを備えている。そして、フリー層４への反平行バイアスまたは平行バイアスを、２つの磁性層４、８間の層間交換結合エネルギーＪが上記２つの磁性層４、８間に設けられたＣｕからなる中間層６の膜厚によって変化することを用いて印加するものである。Ｃｕからなる中間層６の膜厚ｔｃに対する磁性層４、８間の層間交換結合エネルギーＪを図１９（ａ）に示す。図１９（ａ）において、層間交換結合エネルギーＪが正の値であるところでは、２つの磁性層の磁化の向きは平行であり、層間交換結合エネルギーＪが負の値であるところでは、２つの磁性層の磁化の向きは反平行であることを示す。すなわち、Ｃｕからなる中間層６の膜厚ｔｃがａ１またはａ３の近傍の値である場合は、層間交換結合エネルギーＪが負の値であり、フリー層４とピン層８の磁化は反平行となり、Ｃｕからなる中間層６の膜厚ｔｃがａ２の近傍の値である場合は、層間交換結合エネルギーＪが負の値であり、フリー層４とピン層８の磁化は平行となる。図１９においては、ａ１の値は、０．８ｎｍ〜１．０ｎｍであり、ａ２の値は１．４ｎｍ〜１．７ｎｍであり、ａ３の値は２．０ｎｍ〜２．３ｎｍの範囲である。

したがって、Ｃｕからなる中間層６の膜厚ｔｃを０．８ｎｍ〜１．０ｎｍまたは２．０ｎｍ〜２．３ｎｍの範囲の値とすれば、フリー層４にはピン層８から反平行バイアスを受ける。また、Ｃｕからなる中間層６の膜厚ｔｃを１．４ｎｍ〜１．７ｎｍの範囲の値とすれば、フリー層４にはピン層８から平行バイアスを受ける。

このように、Ｃｕからなる中間層６の膜厚ｔｃを適宜選択することにより、フリー層４に反平行バイアスまたは平行バイアスを印加することが可能となる。

本実施形態の磁気抵抗効果素子は、Ｃｕからなる中間層６の膜厚ｔｃを適宜選択することにより、フリー層４に反平行バイアスまたは平行バイアスを印加した構成となっている。Ｃｕ以外のＡｕ、Ａｇ、あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金を中間層にした場合にも、同様にして層間交換結合の中間層厚依存を調べ、各々の組成に適した膜厚を選択すればよい。

本実施形態においては、フリー層４に反平行バイアスまたは平行バイアスを印加することが可能となり、大きなセンス電流を流すことなく大きなＭＲ比（高出力）を得ることができる。このため、センス電流を大きくする必要がないため、センス電流を流してもフリー層の磁化は安定な状態となっている。

以上詳術したように、本発明の各実施形態によれば、素子化が容易でかつ高再生信号が得られる磁気抵抗効果素子を得ることができる。これにより、超高密度磁気記録用の再生ヘッドを提供することができ産業上のメリットは多大である。

本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。第１実施形態による磁気抵抗効果素子のフリー層に反平行バイアスを印加する原理を説明する断面図。第１実施形態の磁気抵抗効果素子のゼロバイアス時のＭＲ曲線を示す図。第１実施形態の磁気抵抗効果素子の所定の電流を流したときのＭＲ曲線を示す図。図４に示すＭＲ曲線の拡大図。本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。第３実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。第４実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。本発明の第５実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。本発明の第６実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。第５実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。本発明の第６実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。第６実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。電流を印加しない場合の磁気抵抗効果素子のＭＲ曲線を示す図。外部磁場をパラメータとして電流を変えたときの磁気抵抗効果素子の微分抵抗の特性を示す図。電流をパラメータとして外部磁場を変えたときの磁気抵抗効果素子の微分抵抗の特性を示す図。本発明の第８実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を説明する図。

符号の説明

１磁気抵抗効果素子
２第１電極
４磁化自由層（フリー層）
６中間層
８磁化固着層（ピン層）
８ａ磁性層
８ｂ非磁性層
８ｃ磁性層
９反強磁性層
１０第２電極
２０ハードバイアス

Claims

磁化の向きが可変のフリー層と、
磁化の向きが固着されたピン層と、
前記フリー層と前記ピン層の間に設けられた中間層と、
を備え、
外部磁場がなくかつ電流が流れないときに前記フリー層の磁化は前記ピン層の固着された磁化方向に対して反平行を向き、前記フリー層の磁化容易軸は前記ピン層の固着された磁化方向と平行であり、センス電流が前記フリー層から前記ピン層へ流されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記ピン層は、非磁性層を介して第１および第２磁性層が積層されて反平行結合した構造を有しており、前記第１および第２磁性層のうち前記中間層に近い磁性層は前記中間層から遠い磁性層よりも体積が大きく、かつ外部磁場がなくかつ電流が流れないときの前記フリー層の磁化と反平行の磁化を有していることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
前記フリー層は前記ピン層と静磁結合していることにより前記フリー層の磁化が前記ピン層の固着された磁化方向に対して反平行となることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
前記フリー層は前記ピン層と層間交換結合をしており、前記中間層はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金から構成されてかつ前記フリー層と前記ピン層の層間交換結合エネルギーが負の値となる膜厚を有していることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
磁化の向きが可変のフリー層と、
磁化の向きが固着されたピン層と、
前記フリー層と前記ピン層の間に設けられた中間層と、
を備え、
外部磁場がなくかつ電流が流れないときに前記フリー層の磁化は前記ピン層の固着された磁化方向に対して平行を向き、前記フリー層の磁化容易軸は前記ピン層の固着された磁化方向と平行であり、センス電流が前記ピン層から前記フリー層へ流されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記ピン層は、非磁性層を介して第１および第２磁性層が積層されて反平行結合した構造を有しており、前記第１および第２磁性層のうち前記中間層に近い磁性層は前記中間層から遠い磁性層より体積が小さく、かつ外部磁場がなくかつ電流が流れないときの前記フリー層の磁化と平行である磁化を有していることを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
前記フリー層は前記ピン層と層間交換結合をしており、前記中間層はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金から構成されてかつ前記フリー層と前記ピン層の層間交換結合エネルギーが正の値となる膜厚を有していることを特徴とする請求項５または６記載の磁気抵抗効果素子。
磁化の向きが前記フリー層の磁化容易軸方向となる磁化を有するハードバイアスが前記フリー層の側面に設けられたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
磁気再生素子として用いられ、前記フリー層の磁化容易軸が媒体面に対し略垂直に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
前記フリー層の長辺の長さは２００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。