JP2012190914A

JP2012190914A - 磁気抵抗効果素子および磁気デバイス

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Publication number: JP2012190914A
Application number: JP2011051678A
Authority: JP
Inventors: Mikihiko Okane; 幹彦大兼; Jo Sato; 丈佐藤; Hiroshi Naganuma; 博永沼; Yasuo Ando; 康夫安藤
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】室温で５０％以上の高いＭＲ比を示し、数テラビット／インチ^２の記録密度を実現可能な磁気抵抗効果素子および磁気デバイスを提供する。
【解決手段】Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成り、層厚が２〜２０ｎｍである第１のハーフメタル強磁性体層１３および第２のハーフメタル強磁性体層１５と、それらの間に挟まれたＡｇから成る非磁性金属体層１４とを有している。第１のハーフメタル強磁性体層１３の下に、Ｃｒ／Ａｇ層から成る下地層１２を有し、第２のハーフメタル強磁性体層１５の上に、Ａｇ／Ｒｕ層から成る酸化防止層１６を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気デバイスに関する。

従来、ハードディスク等の磁気ヘッドには、強磁性体／絶縁体／強磁性体の構成からなるトンネル磁気抵抗素子が用いられている。しかし、トンネル磁気抵抗素子では、記録密度の向上が進むことで再生ヘッドの微小化が進むと、トンネル障壁層起因の抵抗が増大し、ノイズが増大するという深刻な問題があった。

一方、強磁性体／非磁性金属体／強磁性体からなる、面直通電型の巨大磁気抵抗効果（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子は、抵抗の小さな非磁性金属体を用いていることから、ノイズの問題を解決することはできるが、磁気抵抗（ＭＲ）比および信号出力が小さいという問題があった（例えば、非特許文献１参照）。

ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、ＭＲ比を向上させるためには、強磁性体にハーフメタルのような高スピン分極率材料を用いること、および、そのハーフメタル材料と相性の良い非磁性金属体を用いることが必要である。

このことから、従来、ハーフメタルであると期待されている、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧａＧｅなどのホイスラー合金と、Ｃｒ、Ａｇ、ＮｉＡｌなどの非磁性金属体とを組み合わせたＣＰＰ−ＧＭＲ素子の開発が行なわれている（例えば、非特許文献２または３参照）。

H. Yuasa, M. Yoshikawa,Y. Kamiguchi, K. Koi, H. Iwasaki, M. Takagishi and M. Sahashi, "Outputenhancement of spin-valve giant magnetoresistance incurrent-perpendicular-to-plane geometry ", J. Appl. Phys., 2002, 92, p.2646 Y. Sakuraba, K. Izumi, T.Iwase, S. Bosu, K. Saito, K. Takanashi, Y. Miura, K. Futatsukawa, K. Abe and M.Shirai, "Mechanism of large magnetoresistance in Co2MnSi/Ag/Co2MnSidevices with current perpendicular to the plane", Phys. Rev. B, 2010, 82,p.094444 T. M. Nakatani, T.Furubayashi, S. Kasai, H. Sukegawa, Y. K. Takahashi, S. Mitani and K. Hono, "Bulkand interfacial scattering in current-perpendicular-to-plane giantmagnetoresistance with Co2FeAl0.5Si0.5 Heusleralloy layers and Ag spacer", Appl. Phys. Lett., 2010, 96, p.212501

しかしながら、非特許文献２および３に記載のような従来のＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、５０％を超えるような大きなＭＲ比は観測されておらず、数テラビット／インチ^２の記録密度を実現することはできないという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、室温で５０％以上の高いＭＲ比を示し、数テラビット／インチ^２の記録密度を実現可能な磁気抵抗効果素子および磁気デバイスを提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、５０％を超えるような大きなＭＲ比が得られない原因が、適切なホイスラー合金組成が探索されていないことや、作製条件が適切でないことにあると考え、鋭意検討を行った。その結果、高スピン分極率を備えるホイスラー合金材料を用い、室温で高いＭＲ比を呈する磁気抵抗素子を作製することに成功し、本発明に至った。

すなわち、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、面直通電型（ＣＰＰ；Current-Perpendicular-to-the-Plane）の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magneto Resistive effect）素子であって、第１のハーフメタル強磁性体層と、第２のハーフメタル強磁性体層と、前記第１のハーフメタル強磁性体層と前記第２のハーフメタル強磁性体層との間に挟まれた非磁性金属体層とを有し、前記第１のハーフメタル強磁性体層および前記第２のハーフメタル強磁性体層のうち少なくとも一方が、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成ることを、特徴とする。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１のハーフメタル強磁性体層および第２のハーフメタル強磁性体層のうち少なくとも一方が、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成ることにより、室温で５０％以上の高いＭＲ比を得ることができる。このため、ハードディスク等の磁気ヘッドとして使用した場合、数テラビット／インチ^２の記録密度を実現することができる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記非磁性金属体層はＡｇから成ることが好ましい。また、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１のハーフメタル強磁性体層および前記第２のハーフメタル強磁性体層が、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成ることが好ましい。この場合、非磁性金属体層のＡｇが、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金と相性が良いため、より高いＭＲ比を得ることができる。特に、第１のハーフメタル強磁性体層および第２のハーフメタル強磁性体層が、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金から成る場合には、室温で最大７０％以上の高いＭＲ比を得ることができる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金から成る層は、層厚が２〜２０ｎｍであることが好ましい。この場合にも、より高いＭＲ比を得ることができる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記第１のハーフメタル強磁性体層および前記第２のハーフメタル強磁性体層のうち少なくとも一方は、アニーリング処理が行われていてもよい。この場合、アニーリング処理により、ハーフメタル強磁性体層の結晶性を向上させることができ、ＭＲ比を高めることができる。良好な特性を得るために、アニーリング処理は、４００℃〜５００℃の処理であることが好ましい。これは、アニーリング処理の温度が低すぎると結晶性が悪くなり、温度が高すぎるとハーフメタル強磁性体層間で拡散が生じることにより、ＭＲ比が低下してしまうためである。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１のハーフメタル強磁性体層の非磁性金属体層とは反対側に下地層を有していてもよい。この場合、下地層の上に形成される第１のハーフメタル強磁性体層／非磁性金属体層／第２のハーフメタル強磁性体層を良質にすることができ、ＭＲ比を高めることができる。また、下地層を磁気抵抗効果素子の電極として使用することもできる。下地層は、第１のハーフメタル強磁性体層／非磁性金属体層／第２のハーフメタル強磁性体層を良質にすることができるものであれば、いかなるものから成っていても良く、例えば、Ｃｒ／Ａｇ層から成っていてもよい。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第２のハーフメタル強磁性体層の非磁性金属体層とは反対側に酸化防止層を有していてもよい。この場合、酸化防止層により、第１のハーフメタル強磁性体層／非磁性金属体層／第２のハーフメタル強磁性体層の酸化を防止することができる。酸化防止層は、酸化しにくい材料、または酸化しても電気抵抗が大きくならない材料であれば、いかなるものから成っていてもよく、例えば、Ａｇ／Ｒｕ層から成っていてもよい。

本発明に係る磁気デバイスは、本発明に係る磁気抵抗効果素子を有することを、特徴とする。
本発明に係る磁気デバイスは、室温で５０％以上の高いＭＲ比を示す本発明に係る磁気抵抗効果素子を有するため、高感度かつ高性能である。本発明に係る磁気デバイスは、例えば、磁気抵抗ヘッド、高感度磁気センサー、高周波発振素子などから成る。特に、ハードディスク等の磁気ヘッドから成る場合、数テラビット／インチ^２の記録密度を実現することができる。

本発明によれば、室温で５０％以上の高いＭＲ比を示し、数テラビット／インチ^２の記録密度を実現可能な磁気抵抗効果素子および磁気デバイスを提供することができる。

本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す模式断面図である。本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示すによる断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像である。本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の（ａ）第２のハーフメタル強磁性体層の層厚が３ｎｍ、（ｂ）第２のハーフメタル強磁性体層の層厚が１０ｎｍのときの磁気抵抗（ＭＲ）曲線を示すグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示している。
図１に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、面直通電型の巨大磁気抵抗効果（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子であって、基板１１と下地層１２と第１のハーフメタル強磁性体層１３と非磁性金属体層１４と第２のハーフメタル強磁性体層１５と酸化防止層１６とを有している。

基板１１は、ＭｇＯ基板から成っている。下地層１２は、基板１１上に形成され、基板１１の側にＣｒ層１２ａ、その上にＡｇ層１２ｂを有するＣｒ／Ａｇ層から成っている。第１のハーフメタル強磁性体層（ＣＦＭＳ）１３は、下地層１２の上に形成され、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成っている。非磁性金属体層１４は、第１のハーフメタル強磁性体層１３の上に形成され、Ａｇから成っている。

第２のハーフメタル強磁性体層（ＣＦＭＳ）１５は、第１のハーフメタル強磁性体層１３との間に非磁性金属体層１４を挟むよう、非磁性金属体層１４の上に形成され、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成っている。酸化防止層１６は、第２のハーフメタル強磁性体層１５の上に形成され、第２のハーフメタル強磁性体層１５側にＡｇ層１６ａ、その上にＲｕ層１６ｂを有するＡｇ／Ｒｕ層から成っている。

磁気抵抗効果素子１０は、超高真空スパッタ装置を用いて各層を成膜することにより形成されている。第１のハーフメタル強磁性体層１３は、成膜後に５００℃でアニーリング処理を行っている。第２のハーフメタル強磁性体層１５は、成膜後に４５０℃でアニーリング処理を行っている。磁気抵抗効果素子１０は、電子線リソグラフィーおよびＡｒエッチングにより、磁気抵抗特性を評価可能な形状に微細加工されている。

なお、図１に示す具体的な一例では、下地層１２は、Ｃｒ層１２ａの層厚が２０ｎｍ、Ａｇ層１２ｂの層厚が５０ｎｍである。第１のハーフメタル強磁性体層１３は層厚が２０ｎｍ、非磁性金属体層１４は層厚が５ｎｍ、第２のハーフメタル強磁性体層１５は層厚が２〜２０ｎｍである。酸化防止層１６は、Ａｇ層１６ａの層厚が３ｎｍ、Ｒｕ層１６ｂの層厚が３ｎｍである。従って、図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、
ＭｇＯ基板／Ｃｒ（２０）／Ａｇ（５０）／Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉ（２０）
／Ａｇ（５）／Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉ（２〜２０）／Ａｇ（３）／Ｒｕ（３）
と表すことができる（カッコ内の数字は膜厚で、単位はｎｍ）。

図２に、第２のハーフメタル強磁性体層１５の層厚を１０ｎｍとして形成された磁気抵抗効果素子１０の、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉ（２０）／Ａｇ（５）／Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉ（５）の部分の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像を示す。図２に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、非常に平滑な界面を有していることが確認された。また、図２に示される３層が明確な格子像を呈しており、（００１）配向してエピタキシャル成長していることが確認された。さらに、第１のハーフメタル強磁性体層１３および第２のハーフメタル強磁性体層１５ともに、Ｌ２_１規則度を有していることも確認された。

図３に、第２のハーフメタル強磁性体層１５の層厚が３ｎｍの磁気抵抗効果素子１０、および、第２のハーフメタル強磁性体層１５の層厚が１０ｎｍの磁気抵抗効果素子１０の、磁気抵抗（ＭＲ）曲線を示す。図３に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、第２のハーフメタル強磁性体層１５の層厚が１０ｎｍの試料で、室温において約７０％と非常に大きいＭＲ比を有し、高感度であることが確認された。このＭＲ比の値は、現在までに得られている磁気抵抗効果素子の中で最大である。また、第２のハーフメタル強磁性体層１５の層厚が３ｎｍの試料においても、ＭＲ比は約５０％と大きくなっていることが確認された。

図３に示す結果から、磁気抵抗効果素子１０は、ＭＲ比が大きい状態で薄膜化が可能であるといえる。磁気抵抗効果素子の膜厚を薄くすることは、大容量のハードディスク用再生ヘッドを実現する上で重要であり、磁気抵抗効果素子１０は、数テラビット／インチ^２の記録密度を有する大容量のハードディスク用再生ヘッドの実現に寄与することができる。また、一方のハーフメタル強磁性体層を薄膜化した磁気抵抗効果素子１０は、高周波発振素子等の磁気デバイスにも応用可能であり、スピンエレクトロニクス分野の発展に大きく貢献する可能性もある。

磁気抵抗効果素子１０は、Ｃｒ／Ａｇ層から成る下地層１２により、その上の第１のハーフメタル強磁性体層１３／非磁性金属体層１４／第２のハーフメタル強磁性体層１５を良質に形成することができ、ＭＲ比を高めることができる。また、下地層１２を磁気抵抗効果素子１０の電極として使用することもできる。アニーリング処理により、第１のハーフメタル強磁性体層１３および第２のハーフメタル強磁性体層１５の結晶性を向上させることができ、ＭＲ比を高めることができる。Ａｇ／Ｒｕ層から成る酸化防止層１６により、第１のハーフメタル強磁性体層１３／非磁性金属体層１４／第２のハーフメタル強磁性体層１５の酸化を防止することができる。

１０磁気抵抗効果素子
１１基板
１２下地層
１２ａＣｒ層
１２ｂＡｇ層
１３第１のハーフメタル強磁性体層
１４非磁性金属体層
１５第２のハーフメタル強磁性体層
１６酸化防止層
１６ａＡｇ層
１６ｂＲｕ層

Claims

面直通電型（ＣＰＰ；Current-Perpendicular-to-the-Plane）の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magneto Resistive effect）素子であって、
第１のハーフメタル強磁性体層と、
第２のハーフメタル強磁性体層と、
前記第１のハーフメタル強磁性体層と前記第２のハーフメタル強磁性体層との間に挟まれた非磁性金属体層とを有し、
前記第１のハーフメタル強磁性体層および前記第２のハーフメタル強磁性体層のうち少なくとも一方が、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成ることを、
特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記非磁性金属体層はＡｇから成ることを、特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
前記第１のハーフメタル強磁性体層および前記第２のハーフメタル強磁性体層が、Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金（ｘ＝０．０〜１．０）から成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Ｃｏ_２Ｆｅ_ｘＭｎ_１−ｘＳｉホイスラー合金から成る層は、層厚が２〜２０ｎｍであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記第１のハーフメタル強磁性体層および前記第２のハーフメタル強磁性体層のうち少なくとも一方は、アニーリング処理が行われていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
請求項１乃至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、特徴とする磁気デバイス。