JP2020136306A - 交換結合膜、磁気抵抗効果素子および磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反強磁性層に積層される固定磁性層を角型比が良好な磁化曲線を備えたものとして、強磁場耐性の高い、交換結合膜、磁気抵抗効果素子および磁気検出装置を提供する。【解決手段】反強磁性層１２と固定磁性層１３とが積層された交換結合膜において、固定磁性層１３が、反強磁性層１２側からＣｏ層１３１ａおよびＣｏＦｅ層１３１ｂを備えており、Ｃｏ層１３１ａの厚さを７〜１５Åとすることにより、第１磁性層１３１の磁化曲線の角型比を大きくするとともに、第１磁性層１３１と反強磁性層１２との交換結合磁界を大きくすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、交換結合膜、この交換結合膜を用いた磁気抵抗効果素子および磁気検出装置に関する。

電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野や、柱状トランスなどインフラ関連の分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定可能な電流検出装置が求められている。このような電流検出装置としては、被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気検出装置を用いたものが知られている。磁気検出装置用の磁気抵抗効果素子として、例えば、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）やＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）などが挙げられる。

磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層とが他の層を介して積層された積層構造を備えている。固定磁性層は磁化方向が一方向に固定されており、フリー磁性層は外部磁界に応じて磁化方向が変化可能とされている。固定磁性層の磁化方向を固定する交換結合バイアスを与えるために反強磁性層が積層されたものがある。

特許文献１には、磁化固定層（固定磁性層）の磁化方向を強固に保持することを目的として、反強磁性層と交換結合する磁化固定層を、面心立方格子となる組成と体心立方格子となる組成の二層のＣｏＦｅとした交換結合膜が記載されている。また、特許文献２には、反強磁性層と交換結合する強磁性層（固定磁性層）をＣｏ層とＣｏＦｅ層との二層で構成することが記載されている。

特開２００８−３０６１１２号公報 特開２０１５−０１５０６８号公報

保磁力の高いＦｅＣｏで構成された固定磁性層を反強磁性層に積層すると、固定磁性層の磁化曲線の角型比（Ｍ０／Ｍｓ、Ｍ０：残留磁化、Ｍｓ：飽和磁化）が劣化するという問題がある。角型比の劣化により固定磁性層の磁化分散が大きくなり、十分な残留磁化を発生できなくなる。しかし、特許文献１および特許文献２では、固定磁性層の磁化曲線の角型比を高くするための構成について記載されていない。

本発明は、反強磁性層に積層される固定磁性層を角型比が良好な磁化曲線を備えたものとして、強磁場耐性の高い、交換結合膜、磁気抵抗効果素子および磁気検出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、反強磁性層と固定磁性層とが積層された交換結合膜において、前記固定磁性層が、前記反強磁性層側からＣｏ層およびＣｏＦｅ層を備えており、前記Ｃｏ層の厚さが７〜１５Åであることを特徴とする交換結合膜である。

Ｃｏ層の厚さを上記範囲とすることで、固定磁性層の磁化曲線の角型比を良好なものとしつつ反強磁性層と固定磁性層の間の交換結合エネルギーを大きくすることができる。角型比を良好にする観点から、前記Ｃｏ層の厚さが９〜１１Åであることが好ましい。また、固定磁性層の保磁力を大きくする観点から、前記ＣｏＦｅ層の厚さが前記Ｃｏ層の厚さよりも大きいことが好ましい。

本発明は、他の一態様において、上記の交換結合膜およびフリー磁性層を備えており、前記固定磁性層が前記フリー磁性層よりも基板に近い側に設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
上記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に非磁性中間層が設けられている巨大磁気抵抗効果素子や、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に絶縁障壁層が設けられているトンネル型磁気抵抗効果素子であってもよい。

固定磁性層がフリー磁性層よりも基板に近い側に形成された、いわゆるボトムピン構造とすることにより、基板から離れた位置にフリー磁性層を配置できる。このため、フリー磁性層にバイアス磁場を印加するバイアス膜をフリー磁性層の真横に配置することが容易になる。したがって、強磁場耐性とフリー磁性層の低ヒステリシスとを容易に両立させることができる。

本発明は、他の一態様において、上記の磁気抵抗効果素子が同一基板上に複数形成された磁気検出装置であって、前記複数の磁気抵抗効果素子の前記反強磁性層がＩｒＭｎであり、複数の前記磁気抵抗効果素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれる磁気検出装置である。

本発明は、他の一態様において、上記の磁気抵抗効果素子が同一基板上に複数形成された磁気検出装置の製造方法であって、前記反強磁性層をＩｒＭｎで形成し、磁場中で前記固定磁性層を形成して前記反強磁性層に積層し、複数の前記磁気抵抗効果素子に、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれるように前記磁気抵抗効果素子を形成し、複数の前記磁気抵抗効果素子を無磁場中でアニールする磁気検出装置の製造方法である。

ＩｒＭｎからなる反強磁性層に固定磁性層を磁場中で成膜して積層することにより、固定磁性層の磁化方向を固定することができる。反強磁性層側からＣｏ層およびＣｏＦｅ層の積層構造を備え、Ｃｏ層の厚さを所定の厚さとすることにより、当該積層構造が角型比の良好な磁化曲線を備えたものとなる。このため、無磁場中でのアニールにより、固定磁性層と反強磁性層との交換結合磁界を一方向に発生させることができる。

Ｃｏ層とＣｏＦｅ層との積層構造におけるＣｏ層を所定の厚さにすることにより、角型比が大きい磁化曲線を備えた固定磁性層となるから、磁化方向が揃った状態で、反強磁性層と固定磁性層との界面における交換結合を生じさせることができる。したがって、強磁場耐性の良好な交換結合膜、磁気抵抗効果素子および磁気検出装置を提供することができる。

本発明の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）の積層膜の構成を示す説明図 磁化曲線の角型比（Ｍ０／Ｍｓ）を説明するグラフ 本発明のトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の積層膜の構成を示す説明図 本発明の磁気検出装置の回路ブロック図 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）本発明の磁気検出装置の製造方法における固定磁性層の形成工程を模式的に示した図 反強磁性層（ＩｒＭｎ層）にＣｏ層およびＣｏＦｅ層を積層した交換結合膜の磁気特性を示す（ａ）Ｃｏ層の膜厚と角型比（Ｍ０／Ｍｓ）とのグラフ、（ｂ）Ｃｏ層の膜厚とＪｋとのグラフ 本発明のトンネル型磁気抵抗効果素子の強磁場耐性を示すグラフ Ｃｏ_{１００−Ａ}Ｆｅ_Ａの組成とアニール処理の前における角型比（Ｍ０／Ｍｓ）とを示すグラフ

（磁気抵抗効果素子）
図１は、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子（巨大磁気抵抗効果素子）１０の膜構成を示す説明図である。ＧＭＲ素子１０は、基板２０の表面から、図示しない絶縁層等を介して、下地層（シード層）１１、反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性材料層１４、フリー磁性層１５、および保護層１６の順に積層されて成膜されている。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。本明細書では、反強磁性層１２と固定磁性層１３とからなる積層構造を交換結合膜１７という。

下地層１１は、例えば、Ｒｕ等で形成される。

反強磁性層１２は、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等で形成される。反強磁性層１２をＩｒＭｎとすれば、第１磁性層１３１を磁場中で成膜することにより、成膜後にアニール処理を行う前における状態（ａｓ-ｄｅｐｏ）において、第１磁性層１３１の固定磁化方向を固定することができる。このため、第１磁性層１３１を成膜する際に印加する磁場の方向を変えて複数のＧＭＲ素子１０を形成し、固定磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０を同一基板上に形成することができる。

反強磁性層１２をＰｔＭｎとした場合、第１磁性層１３１の固定磁化方向は、成膜時に印加される磁場ではなく、アニール処理を行う際に印加される磁場によって固定される。このため、第１磁性層１３１を成膜する際に印加する磁場の方向を変えて複数のＧＭＲ素子１０を形成し、固定磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０を同一基板上に形成することができない。

したがって、固定磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０を同一基板上に形成するためには、反強磁性層１２がＩｒＭｎであることが好ましい。

本実施形態のＧＭＲ素子１０の固定磁性層１３は、第１磁性層１３１と第２磁性層１３３とが非磁性中間層１３２を介して積層されたセルフピン止め構造であり、第１磁性層１３１の固定磁化方向と、第２磁性層１３３の固定磁化方向とが反平行となっている。反強磁性層１２は、交換結合作用により、固定磁性層１３の第１磁性層１３１の磁化方向を固定する（ピン止めする）。ＧＭＲ素子１０の感度軸方向は、第２磁性層１３３の固定磁化方向によって規定される。

第２磁性層１３３は、非磁性材料層１４に接して形成されており、磁気抵抗効果（具体的には巨大磁気抵抗効果）に寄与する。第１磁性層１３１と第２磁性層１３３とは、磁化量（飽和磁化Ｍｓ・層厚ｔ）の差が実質的にゼロになるように調整されている。

固定磁性層１３の磁化固定力を高めるには、第１磁性層１３１または第２磁性層１３３の一方の保磁力を高めること、第１磁性層１３１と第２磁性層１３３の磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、さらに非磁性中間層１３２の厚さを調整して第１磁性層１３１と第２磁性層１３３との間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。このようにすることで、固定磁性層１３の磁化がより強固に固定され、固定磁性層１３の磁化状態が外部からの磁界の影響を受けることが抑えられる。

図２は、第１磁性層１３１の磁化曲線の角型比（Ｍ０／Ｍｓ、Ｍ０：残留磁化、Ｍｓ：飽和磁化）を説明するグラフである。磁化曲線の角型比がよい（１に近い）場合、ゼロ磁場における第１磁性層１３１の磁化分散が小さくなる。これにより、無磁場中でアニールして、反強磁性層１２との交換結合磁界（Ｈｅｘ）を一方向に発生させることができるから、抵抗変化率（△ＭＲ）が大きいＧＭＲ素子１０となる。

また、反強磁性層１２と第１磁性層１３１との間で発生する交換結合磁界を十分に大きくすれば、ＧＭＲ素子１０に対して強磁場が印加された際、強磁場印加前に対して磁化状態が変化することを防止できる。したがって、強磁場によるヒステリシスの影響を受けて第１磁性層１３１の磁化が分散して、ＧＭＲ素子１０の抵抗変化率が劣化することを防止できる。

固定磁性層１３の第１磁性層１３１は、反強磁性層１２側から、所定の膜厚のＣｏ層１３１ａとＣｏＦｅ層１３１ｂとが積層された積層構造を備えている。積層構造を構成するＣｏ層１３１ａの厚さが磁化曲線の角型比および交換結合磁界に影響する。角型比および交換結合磁界の両方が大きくなるＣｏ層１３１ａの厚さは７〜１５Åであり、９〜１１Åがより好ましい。また、積層構造を構成するＣｏＦｅ層１３１ｂの膜厚は、ＣｏＦｅ層１３１ｂよりも大きければよく、例えば、１０〜３０Å程度とすればよい。

ＣｏＦｅ層１３１ｂは、反強磁性層１２との交換結合磁界を大きくする観点から、ＣｏＦｅ中のＦｅの割合（ａｔ．％）が２０〜５０％のものが好ましく、２５〜３５％のものがより好ましく、２９〜３１％のものがさらに好ましい。

非磁性材料層１４は、Ｃｕ（銅）などである。

ＧＭＲ素子１０のフリー磁性層１５は、その材料および構造が限定されるものではない。例えば、材料としてＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）、ＮｉＦｅ合金（ニッケル・鉄合金）などを用いて、単層構造、積層構造、積層フェリ構造などとして形成することができる。

保護層１６を構成する材料は限定されない。Ｔａ（タンタル）などが例示される。

ＧＭＲ素子１０は、図１に示すように、固定磁性層１３がフリー磁性層１５と基板２０との間に位置する、いわゆるボトムピン（ボトムスピンバルブ）構造である。同図に示す構造とは異なり、固定磁性層１３がフリー磁性層１５を基準として基板２０の反対側に位置するトップピン構造（トップスピンバルブ）とすれば、固定磁性層１３の第１磁性層１３１の磁化曲線の角型比を大きくすることができる。なぜなら、ＣｏＦｅ層１３１ｂを形成した後に反強磁性層１２を積層すれば、ＣｏＦｅ層１３１ｂの磁気異方性が分散しないからである。

しかし、トップピン構造では、フリー磁性層１５が基板２０の近くに配置されるため、バイアス磁場を加える磁気バイアス膜とフリー磁性層１５との高さを合わせて形成する工程の難易度が高くなる。磁気バイアス膜は、ＧＭＲ素子１０のフリー磁性層１５にバイアス磁場を印加するために、ＧＭＲ素子１０に隣接して配置されるものであり、バイアス磁場を水平に印加するために、フリー磁性層１５に対して水平な高さに磁気バイアス膜を設けるのが望ましい。

そこで、磁気バイアス膜を精度よく配置する観点から、ＧＭＲ素子１０は、図１に示すボトムピン構造が好ましい。ボトムピン構造は、トップピン構造よりも、基板２０から離れてフリー磁性層１５が配置されるため、フリー磁性層１５の真横に磁気バイアス膜を配置しやすい。したがって、フリー磁性層１５に対して水平にバイアス磁場を印加する磁気バイアス膜を設けて、フリー磁性層１５を低ヒステリシス化することが容易である。

図３は本発明のトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の積層膜の構成を示す説明図である。ＴＭＲ素子３０は、非磁性材料層１４に代えて、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、酸化チタン等で形成される絶縁障壁層（トンネルバリア層）３４を備えている点において、図１に示すＧＭＲ素子１０と異なっている。ＧＭＲ素子１０では膜面と平行な方向に電流が流れるのに対して、ＴＭＲ素子３０では膜面と垂直な方向に電流が流れる。

ＴＭＲ素子３０においても、ＧＭＲ素子同様、磁場中で反強磁性層１２に第１磁性層１３１を形成することにより、アニール処理を行う前の（ａｓ-ｄｅｐｏ）状態で、固定磁性層１３の磁化方向を固定することができ、固定された磁化方向がその後のアニール処理によって変わることはない。このため、同一基板上に固定磁性層１３の磁化方向が異なる複数のＴＭＲ素子３０を形成した後、複数のＴＭＲ素子３０についてアニール処理を行い、同一基板上に固定磁性層１３の磁化方向が異なるＴＭＲ素子３０を形成することができる。

（磁気検出装置）
図４は、本実施形態の磁気検出装置５０の回路ブロック図である。磁気検出装置５０は、フルブリッジ回路４０により構成されている。同図には矢印で固定磁性層１３の磁化方向を示す。フルブリッジ回路４０は、固定磁性層１３の第２磁性層の固定磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０の順番を入れ替えた２つの直列回路４２ａおよび直列回路４２ｂが、電源電圧４１と接地電位４４との間に、並列に接続された構成である。

フルブリッジ回路４０を構成する、直列回路４２ａの中点端子４３ａの出力電位と直列回路４２ｂの中点端子４３ｂの出力電位との差動出力が、磁界の検知出力電圧として得られる。

磁気検出装置５０では、ＧＭＲ素子１０のフリー磁性層１５（図１参照）の向きが外部磁界の方向に倣うように変化する。このとき、ＧＭＲ素子１０の抵抗値は、固定磁性層１３の第２磁性層１３３の固定磁化方向とフリー磁性層１５の磁化方向との相対角度に応じて変化する。

外部磁界の方向や強度が変化すると、それに伴いフルブリッジ回路４０の検知出力電圧も変動する。このため、フルブリッジ回路４０から得られる検知出力電圧に基づいて、外部磁界を検出できる。図４では、図の紙面に向かって左右方向の磁場を検出可能に構成された磁気検出装置５０を示したが、図の紙面に向かって上下方向の磁場を可能に構成された磁気検出装置と組み合わせれば、上下方向および左右方向の磁場を同時に検出することができる。

（磁気検出装置の製造方法）
図５（ａ）から図５（ｄ）は、図４の磁気検出装置５０の製造方法を模式的に示す図であり、成膜工程における基板と磁場の印加方向との関係を示している。同図では、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ素子１０を形成する場合について説明する。

図５（ａ）および図５（ｂ）の工程では、基板２０に２つのＧＭＲ素子１０を形成する。図５（ａ）に示すように、ＧＭＲ素子１０における固定磁性層１３の第１磁性層１３１（図１参照）を成膜する工程において、基板２０に１８０°方向の磁場を与えながら第１磁性層１３１を成膜する。その後、図５（ｂ）に示すように第２磁性層１３３を成膜する。第１磁性層１３１と第２磁性層１３３との間に生じるＲＫＫＹ相互作用により、第２磁性層１３３の固定磁化方向が０°方向のＧＭＲ素子１０を形成することができる。なお、成膜時に印加する磁場よりもＲＫＫＹ相互作用が大きい場合には、第２磁性層１３３を成膜する際（図５（ｂ））にも基板２０に１８０°方向の磁場を与えてもよい。

図５（ｃ）および図５（ｄ）の工程では、上記工程において形成されたＧＭＲ素子１０とは、固定磁化方向の異なる２つのＧＭＲ素子１０を形成する。図５（ｃ）に示すように、第１磁性層１３１を成膜する工程において与える磁場を０°方向に変えて第１磁性層１３１を成膜する。その後、図５（ｄ）に示すように第２磁性層１３３を形成する。第１磁性層１３１と第２磁性層１３３との間のＲＫＫＹ相互作用により、第２磁性層１３３の固定磁化方向が１８０°方向のＧＭＲ素子１０を形成することができる。このように、ＧＭＲ素子１０の形成を複数回行うことにより、固定磁性層１３の磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０を同一の基板２０に形成することができる。磁場の印加方向は、基板２０と磁場との相対関係により決まるから、印加する磁場の方向を変化させる際、基板２０または磁場印加手段のいずれを移動させてもよい。なお、成膜時に印加する磁場よりもＲＫＫＹ相互作用が大きい場合には、第２磁性層１３３を成膜する際（図５（ｄ））にも基板２０に０°方向の磁場を与えてもよい。

このように、磁場を印加する方向を変えて固定磁性層１３の形成工程を繰り返すことにより、固定磁性層１３の固定磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０を同一の基板２０に形成することができる。

基板２０上に固定磁性層１３の固定磁化方向が相違する複数のＧＭＲ素子１０の成膜が完了した後に、磁場を印加しないでアニールを行う。これにより、ＧＭＲ素子１０をエージングして安定な磁気検出装置５０とすることができる。

その後、１つの基板２０上に形成された複数のＧＭＲ素子１０を結線することで図４に示すフルブリッジ回路４０を形成し、磁気検出装置５０の製造を完了する。

反強磁性層１２をＩｒＭｎとすれば、磁場中において固定磁性層１３を成膜する際に印加する磁場の方向により、固定磁性層１３の固定磁化方向を固定することができる。このため、固定磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０を同一基板上に形成した後、これらを無磁場中でアニールすることで、固定磁性層１３の第１磁性層１３１と反強磁性層１２との間の交換結合により固定磁性層１３の磁化状態を安定化することができる。

反強磁性層１２をＰｔＭｎとした場合、固定磁性層１３の固定磁化方向は、固定磁性層１３を成膜する際に印加する磁場の方向によっては十分に固定されず、成膜後にアニールする際に印加する磁場の方向によって固定される。このため、固定磁化方向の異なるＧＭＲ素子１０を同一基板上に形成することが困難である。

したがって、固定磁化方向が異なるＧＭＲ素子１０を同一基板上に複数形成するために、反強磁性層１２をＩｒＭｎとすることが好ましい。

１つの基板２０上に、固定磁性層１３の磁化方向が異なる複数のＧＭＲ素子１０を形成するためには、アニール処理の前（ａｓ−ｄｅｐｏ）において、固定磁性層１３の磁化曲線の角型比（Ｍｏ／Ｍｓ）が大きい必要がある。角型比が小さい場合、ゼロ磁場における磁化分散が大きいから、アニール処理によって発生するＩｒＭｎなど反強磁性層１２との交換結合磁界が一方向に発生しない。したがって、交換結合膜１７を用いたＧＭＲ素子１０またはＴＭＲ素子３０の抵抗変化率を大きくすることはできない。

さらに、反強磁性層１２と第１磁性層１３１との間で発生する交換結合磁界は十分に大きくなければならない。交換結合磁界が小さいとＧＭＲ素子１０またはＴＭＲ素子３０に対して強磁場が印加された際、第１磁性層１３１のヒステリシスの影響で磁化が分散してしまう。すなわち、強磁場が印加される前に対して、固定磁性層１３における第１磁性層１３１の磁化状態が変化するため、磁気検出装置５０の抵抗変化率が劣化してしまう。

そこで、本発明の交換結合膜１７は、固定磁性層１３の反強磁性層１２側にＣｏ層１３１ａとＣｏＦｅ層１３１ｂとを積層し、Ｃｏ層１３１ａの膜厚を調整することにより、良好な角型比と大きな交換結合磁界とを両立させている。

以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。

（第１磁性層を構成する層の厚さ、角型比、Ｊｋ）
表１に示す構成（Ｔａが基板側）を備えた交換結合膜において、第１磁性層を構成するＣｏ層の厚さ、およびＣｏ_{７０ａｔ．％}Ｆｅ_{３０ａｔ．％}層（本明細書においては、_ａｔ．％を省略し、適宜、Ｃｏ_{７０ａｔ．％}Ｆｅ_{３０ａｔ．％}と記す）の厚さを変化させたものを作製した。膜の厚さの異なる交換結合膜について、アニール処理の前（ａｓ−ｄｅｐｏ）における角型比（Ｍｏ／Ｍｓ）、および無磁場中のアニール処理の後における一方向異方性定数Ｊｋ（Ｊｋ＝Ｍｓ×ｄ×Ｈｅｘ、Ｍｓ：飽和磁化、ｄ：膜厚、Ｈｅｘ：交換結合磁界）を測定した結果を図６（ａ）、図６（ｂ）および表２に示す。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、Ｃｏ層とＣｏ_７０Ｆｅ_３０層との積層膜（第１磁性層）は、角型比（Ｍｏ／Ｍｓ）および一方向異方性定数Ｊｋが、Ｃｏ層の厚さによって異なることが分かった。良好な角型比（Ｍｏ／Ｍｓ＞０．７）および高い一方向異方性定数Ｊｋ（＞０．３ｅｒｇ／ｃｍ^２）を備えた第１磁性層を形成する観点から、Ｃｏ層の厚さは１０Å程度（９〜１１Å）が好ましいことが分かった。Ｃｏ層が１０Å程度と薄い場合、第１磁性層は良好な角型比を維持したまま、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０層とＩｒＭｎの間の大きなＪｋ成分が生じたことが影響していると考えられる。

（強磁場耐性の評価）
以下の構成を備えたＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）を製造し１．５Ｔの磁場を印加する前後において抵抗変化率（△ＭＲ）を測定した。（）内の数値は各層の膜厚（Å）を示している。

（実施例１）
絶縁層を有する基板上に、基板表面側から、Ｔａ（７０）／シード層：Ｒｕ（４０）／反強磁性層：ＩｒＭｎ（８０）／固定磁性層：［第１磁性層：Ｃｏ（１０）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（２５）／非磁性中間層：Ｒｕ（４．０）／第２磁性層：Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（１４）／（ＣｏＦｅ）_７０Ｂ_３０（１６）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２０）／フリー磁性層：［Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）／Ｎｉ_８６Ｆｅ_１４（９０）］／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（１００）／Ｒｕ（２０）の順に積層してＴＭＲ素子を得た。

（比較例１）
絶縁層を有する基板上に、基板表面側から、Ｔａ（７０）／シード層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層：［第１磁性層：Ｆｅ_６０Ｃｏ_４０（２０）／非磁性中間層：Ｒｕ（４．０）／第２磁性層：Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（２４）］／絶縁障壁層：ＭｇＯ（２０）／フリー磁性層：［Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（１０）／Ｎｉ_８６Ｆｅ_１４（９０）］／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（１００）／Ｒｕ（２０）の順に積層してＴＭＲ素子を得た。

図７は、磁場印加後（１．５Ｔ印加後）の抵抗変化率を磁場印加前（初期）の抵抗変化率を基準として規格化して示すグラフである。同図に示すように、実施例１のＴＭＲ素子は、強磁場を印加した後においても抵抗変化率の劣化が生じず、高磁場耐性が良好であった。これは、第１磁性層の磁化方向が分散しておらず、反強磁性層と第１磁性層との間の交換結合磁界が大きいことによるといえる。このように、本発明の交換結合膜を用いて強磁場耐性に優れたボトムスピンバルブ構造を備えたＴＭＲ素子やＧＭＲ素子を形成できることが分かった。

（ＣｏＦｅ層におけるＦｅのａｔ．％、角型比、結晶構造）
表３に示す構成（Ｔａが基板側）を備えた交換結合膜において、Ｃｏ_{１００−Ａ}Ｆｅ_ＡのＦｅのａｔ．％を変化させたものを製造し、各交換結合膜の角型比（Ｍ０／Ｍｓ）および結晶構造を測定した。結果を表４および図８に示す。

図８に示すように、Ｃｏ（Ａ＝０）は、他のＣｏ_{１００−Ａ}Ｆｅ_Ａ（Ａ＝１０、３０、６０および１００）と比較して、アニール処理の前における角型比（Ｍｏ／Ｍｓ）が良好であった。これは、Ｃｏのみが六方最密充填構造（ｈｃｐ）であって、ＣｏＦｅとは結晶構造が異なることに関係していると推測できる。

本発明は、第１磁性層の角型比を向上させるために、反強磁性層側にＣｏ層とＣｏＦｅ層とを積層した積層構造を採用している。図６（ａ）に示すように、Ｃｏ層による第１磁性層の角型比向上の効果は、Ｃｏ層の膜厚が１０Å程度まで急激に向上し、膜厚が１０Åを超えると大きく変化しない。また、図６（ｂ）に示すように、Ｃｏ層の膜厚が１０Å程度であれば、一方向異方性定数Ｊｋが０．３（ｅｒｇ／ｃｍ^２）よりも大きいから、交換結合により第１磁性層の磁化状態を保持することができる。そこで、本発明の交換結合膜は、第１磁性層におけるＣｏ層の膜厚を７〜１５Åとすることにより、角型比（Ｍｏ／Ｍｓ）と一方向異方性定数Ｊｋとの両方を大きくしている。これらを両立する観点から、Ｃｏ層の膜厚は９〜１１Åがより好ましい。

本発明の交換結合膜は、同一基板上に固定磁性層の磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気検出装置などに用いることができる。

１０ ：ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子）
１１ ：下地層
１２ ：反強磁性層
１３ ：固定磁性層
１３１ ：第１磁性層
１３１ａ ：Ｃｏ層
１３１ｂ ：ＣｏＦｅ層
１３２ ：非磁性中間層
１３３ ：第２磁性層
１４ ：非磁性材料層
１５ ：フリー磁性層
１６ ：保護層
１７ ：交換結合膜
２０ ：基板
３０ ：ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子）
３４ ：絶縁障壁層
４０ ：フルブリッジ回路
４１ ：電源電圧
４２ａ、４２ｂ：直列回路
４３ａ、４３ｂ：中点端子
４４ ：接地電位
５０ ：磁気検出装置

Claims (8)

1. 反強磁性層と固定磁性層とが積層された交換結合膜において、
   前記固定磁性層が、前記反強磁性層側からＣｏ層およびＣｏＦｅ層を備えており、前記Ｃｏ層の厚さが７〜１５Åであることを特徴とする交換結合膜。
2. 前記Ｃｏ層の厚さが９〜１１Åである請求項１に記載の交換結合膜。
3. 前記ＣｏＦｅ層の厚さが前記Ｃｏ層の厚さよりも大きい請求項１に記載の交換結合膜。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の交換結合膜およびフリー磁性層を備えており、
   前記固定磁性層が前記フリー磁性層よりも基板に近い側に設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
5. 請求項４に記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に非磁性中間層が設けられている巨大磁気抵抗効果素子。
6. 請求項４に記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定磁性層と前記フリー磁性層との間に絶縁障壁層が設けられているトンネル型磁気抵抗効果素子。
7. 請求項４に記載の磁気抵抗効果素子が同一基板上に複数形成された磁気検出装置であって、
   複数の前記磁気抵抗効果素子の前記反強磁性層がＩｒＭｎであり、
   複数の前記磁気抵抗効果素子には、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれる磁気検出装置。
8. 請求項４に記載の磁気抵抗効果素子が同一基板上に複数形成された磁気検出装置の製造方法であって、
   前記反強磁性層をＩｒＭｎで形成し、
   磁場中で前記固定磁性層を形成して前記反強磁性層に積層し、
   複数の前記磁気抵抗効果素子に、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれるように前記磁気抵抗効果素子を形成し、
   複数の前記磁気抵抗効果素子を無磁場中でアニールする磁気検出装置の製造方法。