JP2018098305A - 高感度面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜、高感度面直通電巨大磁気抵抗素子、及びその用途 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術より一層高いＭＲ比を有し、高い感度を有する、面直通電巨大磁気抵抗素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ）を実現できる面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を提供する。【解決手段】基体と、該基体上に設けられ、ｎ層の磁気フリー層と、ｎ−１層の非磁性層とを交互に積層してなる積層部と、を有する面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜であって、ｎが奇数であり、少なくとも１つの該非磁性層が、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有する、上記面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。【選択図】 図３

Description

本発明は、基体上に強磁性層と非磁性層とが交互に積層された構造を持つ磁気抵抗素子用積層膜に関し、より具体的には、特定の構造（層数、層厚さ）を有することにより優れた感度（高いＭＲ比）、を示す面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜に関する。

面直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子は強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層膜をサブμｍ以下のサイズにピラー化させた構造を持つ。ピラーに対して電流を流した際、２つの強磁性層の磁化の相対角度によって電気抵抗が変化するため、磁場を電気的に検出することができる。しかしながら、ＣｏＦｅなど一般的な強磁性体を利用した場合においては磁気抵抗（ＭＲ）比が３％程度であり（例えば、非特許文献１参照。）、センサーとしての感度が低いことが課題であった。ところが近年、高いスピン偏極率を有するＣｏ基ホイスラー合金（Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２（Ｆｅ_０．４Ｍｎ_０．６）Ｓｉ、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_０．５Ｇｅ_０．５）など）を強磁性層とし、格子整合性の良いＡｇ非磁性層を用いた（００１）配向ホイスラー／Ａｇ／ホイスラーエピタキシャルＣＰＰ−ＧＭＲ素子で、３０−６０％ものＭＲ比と、抵抗変化面積ΔＲＡ＝１０Ωμｍ^２が実現されている（例えば、非特許文献２から４参照。）。
電流センサーや地磁気センサー等に磁気抵抗素子を用いる場合、外部磁場に対してセンサー素子の直線的な応答が重要となる。さらに、高い感度のセンサーを実現するために、外部磁場に対してセンサー素子からの大きな電気的応答、つまり大きなＭＲ比が求められる。トンネル磁気抵抗素子を用いて、上下の強磁性層の磁気モーメントが直行する様に積層膜を作成し、フリー層に対して垂直な外部磁場を与えることで直線的な応答と高いＭＲ比（１１０％）が可能となることが報告されているが（例えば、非特許文献５参照）、その検知可能磁場範囲は±１０ｍＴ程度と狭く、耐熱性も２５０℃程度までと低い。また、非特許文献６によれば、トンネル磁気抵抗素子を用いて、上下の強磁性層の磁気モーメントが直行する様に積層膜を作成し、フリー層厚を減少させることで直線応答性の改善を図っているが、直線応答性の改善に伴って、ＭＲ比が減少してしまうという欠点がある。
それに対して、ホイッスラー合金（Ｃｏ_２Ｆｅ（Ａｌ_０．５Ｓｉ_０．５））とＡｇを用いた面直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子において、Ａｇ層の厚さを変えることで、上下の強磁性層の相関交換結合の強さが変わることが報告されており（例えば、非特許文献７参照）、反強磁性結合をとるようなＡｇ膜厚を用いた場合に、検知可能磁場範囲を±４０ｍＴ程度と広くすることができ、４５０℃と良好な素子の耐熱性も実現できている。
しかし、より高い感度の磁気センサー等が要求されており、更なる高感度化（ＭＲ比の向上）が求められていた。

Ｙｕａｓａ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９２，２６４６（２００２） Ｙ．Ｓａｋｕｒａｂａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１０１，２５２４０８（２０１２） Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１０３，０４２４０５（２０１３） Ｄｕ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１０７，１１２４０５（２０１５） Ｄ．Ｃ．Ｌｅｉｔａｏ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１１５，１７Ｅ５２６（２０１４） Ｔ．Ｎａｋａｎｏ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．７，４００１３０４（２０１６）． Ｔ．Ｍ．Ｎａｋａｔａｎｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９９，１８２５０５（２０１１）

本発明は、上記の背景技術に鑑み、従来技術より一層高いＭＲ比を有し、高い感度を有する、面直通電巨大磁気抵抗素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ）を実現できる面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を提供すること、及びその関連技術を開発することを課題としている。

本発明者らは、鋭意検討の結果、特定の構造、より具体的には磁気フリー層の層数が奇数であり、かつ特定の非磁性層の層厚さを有する面直通電巨大磁気抵抗素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ）用積層膜を用いることで、高いＭＲ比を実現でき、上記課題を解決しうることを見い出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、
［１］
基体と、
該基体上に設けられ、ｎ層の磁気フリー層と、ｎ−１層の非磁性層とを交互に積層してなる積層部と、
を有する面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜であって、
ｎが奇数であり、
少なくとも１つの該非磁性層が、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有する、上記面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜、である。

以下、［２］から［１２］は、それぞれ本発明の好ましい実施形態の一つである。
［２］
前記非磁性層の全てが、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有する、［１に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［３］
反強磁性層間交換結合が形成されている１つの非磁性層、及びその両面に接する磁気フリー層のペアについて面内方向に測定した残留磁化／飽和磁化の比が０．８以下である、［１］又は［２］に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［４］
前記非磁性層を介して反強磁性層間交換結合を形成する前記磁気フリー層のペアが、同一又は略同一の総磁気モーメントを有する、［１］から［３］のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［５］
前記磁気フリー層が、Ｃｏ基ホイスラー合金系ハーフメタル材料を含む、［１］から［４］のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［６］
前記Ｃｏ基ホイスラー合金系ハーフメタル材料が、Ｃｏ_２ＹＺ（ここで、Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である。）で表される組成を有する、［５］に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［７］
前記非磁性層が、スピン拡散長が３０ｎｍ以上である材料系で構成される、［１］から［６］のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［８］
前記非磁性層が、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、及びＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含有する、［１］から［７］のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［９］
バッファー／電極層及びキャップ層を更に有する、［１］から［８］のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
［１０］
［１］から［９］のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を備える、面直通電巨大磁気抵抗素子。
［１１］
［１０］に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子を備える、地磁気センサー、電流センサー、又は磁気ヘッド。

本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜によれば、従来技術では実現し得なかった高いＭＲ比得られるので、高い感度を有する、面直通電巨大磁気抵抗素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ）を実現できる。本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜は、その積層部の層数を増加させることで、比較的容易に外部磁場と抵抗値との直線性を向上することができるので、高い感度と直線性とを両立した面直通電巨大磁気抵抗素子を実現することができる。

実施例１の層構成を示す模式図である。 実施例１の素子構成を示す模式図である。 （ａ）は、実施例１の素子の磁気抵抗効果の評価結果を示すグラフであり、（ｂ）は、比較例１の素子の磁気抵抗効果の評価結果を示すグラフである。 （ａ）は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による断面元素分析による平滑性評価における、素子厚み方向の測定領域の一例を示す模式図であり、（ｂ）は、元素分析結果と算術平均粗さＲａとの関係を模式的に示す、仮想事例のグラフである。

基体と、
該基体上に設けられ、ｎ層の磁気フリー層と、ｎ−１層の非磁性層とを交互に積層してなる積層部と、
を有する面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜であって、
ｎが奇数であり、
少なくとも１つの該非磁性層が、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有する、上記面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜、である。

基体
本発明においては、基体上に、複数の磁気フリー層と複数の非磁性層とを交互に積層してなる積層部が設けられる。
基体は、その上に通常強磁性材料からなる磁気フリー層、及び非磁性材料からなる非磁性を積層することができるものであれば特に制限は無いが、例えば単結晶ＭｇＯ基体を好ましく用いることができる。あるいは、好ましくはホイスラー合金を含む磁気フリー層が
多結晶となるような、Ｓｉや金属、合金等を基体として使ってもよい。コストの観点からは、表面酸化Ｓｉ基体が安価なため基体として好ましいが、半導体製造用のシリコン基体を用いてもよく、またガラス基体や金属基体を用いてもよい。これらのいずれの材料を基体に用いても、本発明の構成を具備し、かつ適切な設計を行うことで、優れた外部磁場と抵抗値との直線性を示す一方で高い感度を有する、面直通電巨大磁気抵抗素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ）用積層膜を得ることができる。
基体の厚さには特に限定は無く、本発明の目的に反しない限りにおいて当業者が適宜設定すればよいが、機械的強度、磁気抵抗素子製造プロセスにおける取り扱いの容易さ等の観点から、０．１〜１ｍｍであることが好ましく、０．２〜０．５ｍｍであることが特に好ましい。

積層部
本発明において基体上に設けられる積層部は、ｎ層の磁気フリー層とｎ−１層の非磁性層とを交互に積層したものである。
ここで、ｎは奇数であり、また非磁性層は、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に挟まれるものであるので、フリー層は複数存在するものである。従って、磁気フリー層は、少なくとも３層設けられるものである。この結果、２つの磁気フリー層の間に挟まれる非磁性層は、少なくとも２層設けられる。
磁気フリー層の層数は５層以上であることがより好ましい。磁気フリー層の層数が多いほど、本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を用いた面直通電巨大磁気抵抗素子は、外部磁場と抵抗値との直線性に優れる傾向があるためである。

本発明において基体上に設けられる積層部は、磁気フリー層の層数が奇数である。磁気フリー層の層数が奇数であることにより、高い磁気抵抗（ＭＲ）比を得ることができる。磁気フリー層の層数が奇数であることにより高い磁気抵抗（ＭＲ）比が得られるメカニズムは必ずしも明らかではないが、磁気フリー層の層数が奇数の場合には、隣接する磁気フリー層同士の磁化の方向が相互に完全に反転している状態が熱的に安定であり、外部磁場がゼロのときにこの熱的に安定な状態となって高い電気抵抗を示すことと、何らかの関連があるものと推測される。

本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を構成する積層部においては、非磁性層を介して隣接する２つの磁気フリー層によって構成される磁気フリー層のペアのうち少なくとも１つのペアの間に、反強磁性層間交換結合が形成される。反強磁性層間交換結合が形成されているか否かは、１つの非磁性層及びその両面に接する磁気フリー層のペアについて面内方向に測定した残留磁化／飽和磁化の比で判断することができる。すなわち、磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成されることで、当該磁気フリー層のペア及びその間の非磁性層の面内方向の飽和磁界は増大し、これに伴い残留磁化／飽和磁化の比は反強磁性層間交換結合が形成されていない場合と比較して減少するので、これを測定することで、当該磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成されているか否かを判断することができる。
磁気フリー層のペアの間に、反強磁性層交換結合が形成されるか否かは、磁気フリー層及び非磁性層の材料が特定されている場合、非磁性層の厚さに依存するので、磁気フリー層のペアの間に反強磁性層交換結合が形成されるということは、非磁性層が、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有することを意味する。非磁性層の厚さは、磁気フリー層のペアの間の強磁性交換結合の強度が最小となり、かつ、それらの間の反強磁性層間交換結合の強度が最大となるような厚さであることが好ましい。
強磁性交換結合の強度が小さいことは、ノイズ低減の観点からも好ましい。

非磁性層を介して隣接する２つの磁気フリー層によって構成される磁気フリー層のペア間に反強磁性層間交換結合が形成されることで、高い感度を有する、面直通電巨大磁気抵抗素子を実現することができる。また、外部磁場と抵抗値との直線性を向上させることも、比較的容易になる。
本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を構成する積層部においては、非磁性層を介して隣接する２つの磁気フリー層によって構成される磁気フリー層のペアのうち少なくとも１つのペアの間に反強磁性層間交換結合が形成されるが、積層部に存在する全ての磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成されることが好ましく、言い換えれば、積層部に存在する非磁性層の全てが、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有することが好ましい。この様な構成を採用した実施形態においては、磁気抵抗（ＭＲ）比は、更に優れたものとなる。

非磁性層を介して反強磁性層間交換結合を形成する前記磁気フリー層のペアは、同一又は略同一の総磁気モーメントを有することが好ましい。磁気フリー層のペアは、同一又は略同一の総磁気モーメントを有することで、ペア全体としての磁気モーメントが相殺され、当該ペアを構成する磁気フリー層以外の磁気フリー層に与える影響が低減されるため、外部磁場と抵抗値との直線性の向上に寄与しうるので好ましい。

磁気フリー層
本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜の積層部を構成する磁気フリー層は、強磁性材料を含む層である点で、いわゆる固定層と共通するが、その磁化の方向が固定されていない点で、いわゆる固定層と区別される。
すなわち、いわゆる固定層は、隣接又は近接するする別の強磁性層（ピニング層ともいう）でその磁化の方向が固定されているのに対して、磁気フリー層は、その磁化の方向が固定されておらず、磁化の方向が外部磁場によって応答可能な構成となっている。

磁気フリー層は、他の磁気フリー層と反強磁性層間交換結合を形成しうるものであればよく、通常は強磁性材料からなる、又は強磁性材料を含んでなるものであり、例えば鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），硼素（Ｂ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ），ハフニウム（Ｈｆ），銅（Ｃｕ），ジルコニウム（Ｚｒ），タンタル（Ｔａ），チタン（Ｔｉ）およびそれらの合金のうちの１種または２種以上によって構成することができる。
巨大磁気抵抗素子の感度の点などから、磁気フリー層は、Ｃｏ基ホイスラー合金系ハーフメタル材料を含むものであることが好ましい。

ホイスラー合金としては、組成式例えば
Ｃｏ_２ＸＹ（Ｘ＝Ｍｎ，Ｆｅ、Ｙ＝Ｓｉ,Ｇｅ,Ａｌ,Ｇａ,Ｓｎ,Ａｓ,Ｔｉ,Ｖ,Ｃｒ）、
Ｃｏ_２ＣｒＺ（Ｚ＝Ｓｉ,Ｇｅ,Ａｌ,Ｇａ,Ｓｎ,Ａｓ,Ｔｉ,Ｖ,）、
Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５、
Ｃｏ_２ＦｅＣｒ_０．５Ａｌ_０．５
である合金が知られている。
ホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＭｎＧｅを例に取ると、三つの元素がランダムに配置するＡ２構造、ｂｃｃ（体心立方格子）の四隅にＣｏが配置され、中心にＭｎとＧｅがランダムに配置するＢ２構造とＣｏが四隅にあってＭｎとＧｅが交互に配置するＬ２１構造の３つの状態を持つ。この規則化度がＡ２構造からＢ２構造へ、Ｂ２構造からＬ２１構造へと進むにつれてハーフメタルの性質を示す分極率が増加する
本実施形態において特に好ましいＣｏ基ホイスラー合金系ハーフメタル材料としては、Ｃｏ_２ＹＺ（ここで、Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である。）で表される組成を有するものを挙げることができる。
層間交換結合は、磁気フリー層と非磁性層との間に形成される量子井戸状態に起因することが報告されており、電子状態が類似する材料であれば同様の効果が得られることが合理的に推定される。上記の材料は、実験的に本発明の効果が確認されているＣｏ基ホイスラー合金系ハーフメタル材料と電子状態が類似しており、同様の効果が得られるであろうことが当業者により合理的に理解される。

磁気フリー層の厚さには特に限定が無く、磁気フリー層及び非磁性層の材料、層数に応じて、本発明の目的との関係において適切な厚さを選択すればよいが、０．５〜５０ｎｍであることが好ましく、１〜２０ｎｍであることが特に好ましい。
一例として磁気フリー層がＣＦＡＳ（Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５の組成のホイスラー合金）、非磁性層がＡｇである４から６層構成の積層部を有する場合には、磁気フリー層の厚さは、１〜５０ｎｍであることが好ましく、１〜２０ｎｍであることが特に好ましい。膜厚が０．５ｎｍ以上、より好ましくは１ｎｍ以上であることで、成膜の制御が容易になり、５０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下であることで、その後の微細加工が容易になる。

非磁性層
本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜の積層部を構成する非磁性層は、非磁性層を介して隣接する２つの磁気フリー層間の反強磁性層間交換結合を維持することができる材料で構成されていればよく、それ以外の制限は無いが、面直方向の電気抵抗を測定することを考慮すれば、非磁性金属元素で構成されることが好ましい。
また、積層部の製造の容易さや、格子不整合による歪等の影響を抑制する観点からは、非磁性層は磁気フリー層と良好な格子整合性を有する材料で構成することが好ましい。
更に、磁気抵抗素子の感度や直線性の観点からは、磁気フリー層の磁化の方向の変化によるスピン散乱の変化をより明確に検出できることが好ましく、従って非磁性層は、スピン緩和が小さな材料、例えばスピン拡散長が３０ｎｍ以上の材料で構成されることが好ましい。スピン拡散長が１００ｎｍ以上の材料で構成されることが、より好ましい。

上記観点から、非磁性層は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、及び亜鉛（Ｚｎ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含有することが特に好ましい。
また、金（Ａｕ），ルテニウム（Ｒｕ）およびマグネシウム（Ｍｇ）のうちの少なくとも１種を含有していてもよい。

非磁性層を介して隣接する２つの磁気フリー層の間には、非磁性層を介して反強磁性（ＡＦＭ）結合磁場が発生している。非磁性層は、磁気フリー層のペア間の強磁性結合の強度が最小となり、かつ、それらの相互間に反強磁性結合が生じるような厚さを有していることが好ましい。この様な好適な非磁性層の厚さは、磁気フリー層及び非磁性層の構成元素、組成、結晶系等によっても変化し得るが、通常、０．１から１０ｎｍの範囲内である。

磁気フリー層の間の層間結合は、非磁性層の膜厚に対して周期的に強磁性・反強磁性を繰り返すので、実験的に最適な非磁性層の膜厚を設定することも可能であり、また好ましい。反強磁性層間交換結合が形成される場合、面内方向の飽和磁界が増大するので、例えば非磁性層の膜厚を変化させて該非磁性層及びその両面に接する磁気フリー層のペアについて面内方向の残留磁化／飽和磁化の比を測定することで、実験的に最適な非磁性層の膜厚を決定することが可能である。磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される場合、当該磁気フリー層のペア及びその間の非磁性層の面内方向の飽和磁界は増大するので、これに伴い残留磁化／飽和磁化の比が、反強磁性層間交換結合が形成されていない場合と比較して減少する。面内方向の残留磁化／飽和磁化の比自体の数値としては、例えば０．８以下となっていれば、反強磁性層間交換結合が形成される膜厚となっていると判断することができる。面内方向の残留磁化／飽和磁化の比は、０．５以下であればより好ましく、０．２以下であれば更に好ましい。
例えば、磁気フリー層がＣＦＡＳ（Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５の組成のホイスラー合金）、非磁性層がＡｇである場合は、Ａｇ層の膜厚に対して周期的に強磁性・反強磁性を繰り返す現象は、Ａｇ層の膜厚が例えば５ｎｍを超えると見られなくなる。一方、Ａｇ層の膜厚が例えば０．５ｎｍ未満の場合には、膜の不連続性などにより強磁性的結合が現れるおそれがある。従って、この材料系の場合には、例えば膜厚０．５から５ｎｍの範囲で、実験的又はシミュレーションなどにより最適なＡｇ層の膜厚を設定することが好ましい。

それ以外の層
本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜及びそれを用いた面直通電巨大磁気抵抗素子は、本発明の目的に反しない限りにおいて、上述の基体、磁気フリー層、及び非磁性層以外の層を有していてもよい。

例えば、バッファー／電極層（下地層）、キャップ層等を、必要に応じて設けることが好ましい。
ここでいうバッファー／電極層（下地層）は、磁気抵抗（ＭＲ）センサー素子の下地となる層ではなく、センサーの構成の中にある層であり、上記基体と積層部との間に設けられるものである。
バッファー／電極層は、基体と積層部との間の格子整合をとる機能、及び／又は磁気抵抗測定用の電極となる機能を有するものであり、前者の機能を有するときには単にバッファー層と称することもあり、後者の機能を有するときには単に電極層と称することもあり、両機能を総称してバッファー層／電極層と称することもある。また、慣用的に下地層と称することもある。
バッファー層／電極層は、１層で両機能を有するものであってもよく、バッファー層の機能を有する層と、電極層の機能を有する層との積層体であっても良く、好ましい例としてＣｒ／Ａｇの積層体を挙げることができる。
電極層としての機能を有する場合のバッファー／電極層は、磁気抵抗測定用の電極となるものであり、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ等から選ばれる少なくとも一種類の金属や、これらの金属元素の合金を好ましく用いることができるが、これらには限定されない。
なお、バッファー／電極層を、複数の金属・合金層から構成される２層構造や、３層以上の多層構造としてもよい。
バッファー／電極層の厚さには特に限定は無く、本発明の目的に反しない限りにおいて当業者が適宜設定すればよいが、導電性確保や、磁性フリー層及び非磁性層への影響を限定する等の観点から、５〜１０００ｎｍであることが好ましく、２０〜５００ｎｍであることが特に好ましい。

バッファー層を電極層の下側（基体側）に設けてもよい。このときバッファー層は配向層とも称することができ、フリー磁性層に所望の配向、例えば（００１）方向への配向、を与える作用を持つもので、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ合金の少なくとも一種類を含むものを用いることが好ましいが、これらには限定されない。
バッファー層（配向層）の厚さには特に限定は無く、本発明の目的に反しない限りにおいて当業者が適宜設定すればよいが、フリー磁性層を適切に配向させる等の観点から、０．１〜１００ｎｍであることが好ましく、０．１〜２０ｎｍであることが特に好ましい。
なお、実施例等には（００１）方向に配向した磁気抵抗素子の結果を示したが、本願請求項１に規定する要件を満たす磁気フリー層及び非磁性層であれば素子の成長結晶方位に依存せず（１１０）、（２１１）方位などでも同様の効果が得られる。

キャップ層は表面の保護のための金属又は合金を含んでなる層である。キャップ層も、センサーの構成の中にある層であり、強磁性層のふた、とも称することができる。
キャップ層は、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ 等から選ばれる少なくとも一種類の金属を含んでいてもよく、またこれら金属元素の合金を用いてもよい。
キャップ層の厚さには特に限定は無く、本発明の目的に反しない限りにおいて当業者が適宜設定すればよいが、表面を十分に保護する等の観点から、１〜１００ｎｍであることが好ましく、３〜２０ｎｍあることが特に好ましい。
キャップ層は、１種類の材料を用いてもよいし、２種類以上の材料を積層させたものでもよい。

磁気フリー層間に十分な強さの反強磁性層間交換結合を確実にかつ安定的に実現する観点からは、バッファー／電極層表面、磁気フリー層と非磁性層との界面、及びキャップ層表面の少なくとも一つは平滑度が高いものであることが好ましい。
磁気フリー層（強磁性層）間の反強磁性層間交換結合の強度及び安定性の観点からは、重要なのは磁気フリー層/非磁性層の界面の平滑性であるが、それを実現するためにはバッファー／電極層表面の平滑性が重要であり、多くの場合バッファー／電極層表面が高い平滑性を有することが必要となる。なお、バッファー／電極層表面、及び磁気フリー層/非磁性層の界面の平滑性が良い場合には、殆どの場合にキャップ層表面の平滑性も向上するので、キャップ層表面の平滑性を評価することで、磁気フリー層/非磁性層の界面の平滑性を、間接的に評価することができる。
より具体的には、バッファー／電極層表面、磁気フリー層と非磁性層との界面、及びキャップ層表面の少なくとも一つの平滑度Ｒａは、０．７５ｎｍ以下であることが好ましく、０．5ｎｍ以下であることがより好ましく、０．２５ｎｍ以下であることが特に好ましい。これら表面、界面の全ての平滑度Ｒａが上記条件を満たしていることが、とりわけ好ましい。
バッファー／電極層表面、磁気フリー層と非磁性層との界面、及びキャップ層表面の少なくとも一つの平滑度Ｒａには特に下限は存在しないが、通常のプロセスで得られる平滑度としては、Ｒａが０．１ｎｍ以上であることが現実的である。
本願においては、界面平滑性の指標として、５０ｎｍ×５０ｎｍ以上のエリアについて測定した算術平均粗さＲａを用いる。界面平滑性を測定する方法には特に限定は無く、当該技術分野において用いられている評価方法を適宜使用することができるが、例えば、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による断面観察、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による平滑性評価等により測定することができる。

すなわち、製造工程においては、表面平滑性及び界面平滑性を、積層膜上部のＡＦＭ等による平滑性評価によって求めることができる。このとき、５０ｎｍ×５０ｎｍ以上のエリアにて、Ｒａを測定・計測する。エリアが狭すぎる場合、Ｒａが極端に小さくなってしまうことがあるからである。また、完成した素子においては、原子分解能を持つＴＥＭによる断面観察により、平滑性を測定することが出来る。
ＴＥＭによる断面観察による、積層部等の界面の算術平均粗さＲａの測定法の一例について、以下に説明する。
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ（ Ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＴＥＭ）と、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）による元素分析とを併用し、観察試料を調整することで、試料断面の原子レベルの成分分析が可能となる。これを利用して界面付近の成分分析を行い、上層の元素成分と、下層の元素成分とが混在している混合領域の素子厚み方向の厚さを測定し、これから界面平滑性（算術平均粗さ）Ｒａを推定することができる。界面の凹凸があることで、素子厚み方向の同じ位置に、上層の元素成分と下層の元素成分の両者が混在することになるので、Ｒａが大きいほど混在領域の素子厚み方向の厚さが大きくなるためである。
より具体的には、上記方法を用い、素子の断面の観察・元素マッピングを行うと、図４に模式的に示すような、断面解析が可能となる。 図４（ａ）に示す素子は、上層が成分ａ、下層が成分ｂからなる２層構造であり、その界面付近の素子厚み方向に、実線ａｂで示す測定領域について、観察・元素マッピングを行うと、図４（ｂ）に模式的に示すような、素子厚み方向の成分分布が得られる。図４（ｂ）中、横軸は素子厚み方向の位置（任意目盛）であり、基板からの距離を示す。縦軸は、成分比（％）であり、実線が成分ａ、点線が成分ｂの割合を表す。横軸（素子厚み方向）で基板に近い左側は下層であり、成分ｂが大半を占める。横軸（素子厚み方向）で基板から隔たった右側は上層であり、成分ａが大半を占める。図中、成分比でａ（上層）成分２０〜８０％の部分は、ｂ（下層）成分も２０〜８０％となり、これを混在領域と定義する。上述の様に、混在領域は界面の凹凸を示すものとして評価でき、混在領域の素子厚み方向の厚さは界面平滑性Ｒａの２倍となるので、上記測定で得られた混在領域の素子厚み方向の厚さを２で除することで、界面平滑性Ｒａを特定することができる。
この測定法は、間接的に界面平滑性Ｒａを評価するものであり、若干の誤差を含むものではあるが、ＡＦＭ等による平滑性評価と２０％程度以内の精度で一致するものである。
上記方法による、実際の素子の断面観察・元素マッピング結果の例は、Ｊｕｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，１０８，１０２４０８（２０１６）のＦＩＧ．４等に記載されている。
上記評価方法に用いるＴＥＭは、原子レベルの分解能をもつものであることが好ましく、例えばＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙ社製 Ｔｉｔａｎ Ｇ２等を好適に使用することができる。
上述のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ（Ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＴＥＭ）像は、細く絞った電子線を試料に走査させながら当て、透過電子のうち高角に散乱したものを環状の検出器で検出することにより得られものである。
試料は一般に数〜数十ナノメートルのＴＥＭ試料厚さ（試料の厚み方向は、磁気フリー層／非磁性層等の界面の面内方向に相当）に調整される。本発明の積層部を構成する磁気フリー層／非磁性層として典型的なホイスラー合金／Ａｇのケースでは、一般にＴＥＭ試料厚さを３０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で調整する。このとき、解析エリアを本願における界面／表面平滑性測定の際に必要な５０ｎｍ×５０ｎｍ以上のエリアとするため、幅７０ｎｍ以上の界面にて、界面平滑性を評価する

本発明は、強磁性を示す層として、３層以上の奇数の磁気フリー層を有するものであり、３層以上の奇数の磁気フリー層によって所期の効果を実現するものであるので、固定層を必要としない。しかしながら、本発明の目的に反しない限りにおいて、固定層を有していてもよいし、その様な面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜もまた本発明の範囲内である。
固定層は磁気フリー層と同様に強磁性を示すものであり、磁気フリー層について上記で説明したものと同様の組成、厚さ等を有することができる。

固定層を設ける場合には、その磁化の方向を固定（外部磁場により磁化の方向が変化しない様に）するために、該固定層に隣接して又は近接してピニング層を設ける。
ピニング層としては、当該技術分野において公知の材料を適宜使用することができるが、例えば固定層にホイスラー合金を使用する場合には、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ等を使用することができる。

製造方法
本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜、及びこれを備える面直通電巨大磁気抵抗素子の製造方法には特に制限は無く、金属薄膜、金属化合物薄膜を精密に積層できる方法を当業者が適宜選択すればよいが、スパッタ法により製造することが好ましい。

本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜の一部又は全部の成膜後に、適宜アニールを行うことが可能である。アニールのタイミングには特に制限は無く、アニール温度、各層の耐熱性等に応じて適切なタイミングでアニールを行うことが好ましい。本実施形態においては通常、基体上に、バッファー／電極層、積層部（交互に磁性フリー層及び非磁性層）、並びにキャップ層を成膜していくので、少なくとも積層部の成膜を行った後にアニールを行うことが好ましい。更にキャップ層を成膜した後にアニールを行ってもよいし、アニール温度が高温、例えば６００℃以上の場合には、積層部まで成膜した後にアニールを行い、その後にキャップ層を成膜してもよい。
アニールの温度には特に制限は無いが、例えば３００℃以上、好ましくは３５０℃以上、より好ましくは、４００℃以上の温度で行うことで、結晶性を向上させることができる。

用途
本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を用いた磁気抵抗素子は、高い感度を実現することができ、また外部磁場と抵抗値との直線性を向上させることが比較的容易なので、高感度が求められるＨＤＤ用リードヘッド、高感度電流センサー等や、外部磁場と抵抗値との直線性が求められる、地磁気センサー、電流センサー等において、特に好適に使用することができる。

以上、特定の実施の形態を例に本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。

以下、実施例／比較例を参照しながら、本発明を具体的に説明する。なお、本発明はいかなる意味においても、以下の実施例によって限定されるものではない。

（実施例１）
磁気フリー層５層、非磁性層４層（Ａｇ、厚さ：２ｎｍ）を有する積層膜
実施例１としてＣｏ_２Ｆｅ（Ａｌ_０．５Ｓｉ_０．５））（以下、「ＣＦＡＳ」とも言う。）とＡｇを用いた面直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）用積層膜を作製した。磁気フリー層の層数ｎは奇数である５層とした。Ａｇ層（非磁性層）の膜厚は、反強磁性層間交換結合を示す厚さである２ｎｍとし、その層数（ｎ−１）は、４層とした。
図１に、作製した面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜の層構成（ＣＦＡＳ：５層）を示す。ＭｇＯ基板／Ｃｒ（１０ｎｍ）／Ａｇ（１００ｎｍ）／ＣＦＡＳ（３ｎｍ）／（Ａｇ（２ｎｍ）／ＣＦＡＳ（３ｎｍ））_ｎ−２／Ａｇ（２ｎｍ）／ＣＦＡＳ（３ｎｍ）／Ａｇ（５ｎｍ）／Ｒｕ（８ｎｍ）と（００１）配向した単結晶ＣＰＰ−ＧＭＲ用積層膜を作製した。
磁気フリー層の層数は５層（ｎ＝５）とした。
積層膜の熱処理は上部Ｒｕ層を積層後に４００℃で３０分間行った。さらに、フォトリソグラフィーを用いて、２００×１００ｎｍサイズのピラーを作成した。図２にピラーの断面構造を示す。
磁気抵抗の測定は、フォトリソグラフィーにより得られた長方形の短軸方向に加える磁場を変化させながら、直流４端子法によって電気抵抗を測定することにより行った。磁気抵抗の測定結果を図３に示す。図３中、直線的な応答を示す部分を直線に近似し、下記（式）に従って当該部分の近似直線からのずれである非直線性（Ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）を計算したところ、０．４％ＦＳという良好な直線性を示した。

（式）

Ｒ（ｍｅａｓ）： 抵抗Ｒの測定値
Ｒ（ｆｉｔ）： 抵抗Ｒの近似値
（Ｒ（ｍｅａｓ）−Ｒ（ｆｉｔ））ｍａｘ：
直線近似範囲におけるＲ（ｍｅａｓ）−Ｒ（ｆｉｔ）の最大値
Ｒ（ｍａｘ）： 直線近似範囲における抵抗Ｒの測定値の最大値
Ｒ（ｍｉｎ）： 直線近似範囲における抵抗Ｒの測定値の最少値

また、磁気抵抗（ＭＲ）比を、素子の外部磁場に対する抵抗値の変化から、以下の式に従って計算したところ、ＭＲ比は６０％と、極めて高い値を示した。

（比較例１）
磁気フリー層６層、非磁性層５層（Ａｇ、厚さ：２ｎｍ）を有する積層膜
磁気フリー層の層数ｎを偶数である層とし、Ａｇ層（非磁性層）の層数（ｎ−１）を５層とした他は、実施例１と同様にしてＣＦＡＳとＡｇを用いた面直電流巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）用積層膜を作製した。
図３（ｂ）にピラーの外部磁場に対する抵抗値の変化を示す。非直線性は０．５％ＦＳであり良好な直線性を示したが、ＭＲ比は３９％であり、実施例１と比較して顕著に低い値であった。

本発明の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜は、従来技術では実現し得なかった高い感度を有するうえ、比較的容易に外部磁場と抵抗値との直線性を向上することができるので、高い感度と直線性とを両立した面直通電巨大磁気抵抗素子を実現することができるなど、実用上高い価値を有するものであり、電気電子機器、情報通信、輸送機器における航法などの産業の各分野において高い利用可能性を有する。

Claims (11)

1. 基体と、
   該基体上に設けられ、ｎ層の磁気フリー層と、ｎ−１層の非磁性層とを交互に積層してなる積層部と、
   を有する面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜であって、
   ｎが奇数であり、
   少なくとも１つの該非磁性層が、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有する、上記面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
2. 前記非磁性層の全てが、その両面に接する磁気フリー層のペアの間に反強磁性層間交換結合が形成される厚さを有する、請求項１に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
3. 反強磁性層間交換結合が形成されている１つの非磁性層、及びその両面に接する磁気フリー層のペアについて面内方向に測定した残留磁化／飽和磁化の比が０．８以下である、請求項１又は２に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
4. 前記非磁性層を介して反強磁性層間交換結合を形成する前記磁気フリー層のペアが、同一又は略同一の総磁気モーメントを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
5. 前記磁気フリー層が、Ｃｏ基ホイスラー合金系ハーフメタル材料を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
6. 前記Ｃｏ基ホイスラー合金系ハーフメタル材料が、Ｃｏ_２ＹＺ（ここで、Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、及びＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である。）で表される組成を有する、請求項５に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
7. 前記非磁性層が、スピン拡散長が３０ｎｍ以上である材料系で構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
8. 前記非磁性層が、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、及びＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
9. バッファー／電極層及びキャップ層を更に有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜を備える、面直通電巨大磁気抵抗素子。
11. 請求項１０に記載の面直通電巨大磁気抵抗素子を備える、地磁気センサー、電流センサー、又は磁気ヘッド。