JP2616561B2 - 磁気抵抗効果素子薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子 - Google Patents

磁気抵抗効果素子薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁気センサーや薄膜磁気
ヘッド等に用いられる磁気抵抗効果素子及びそれに用い
る磁気抵抗効果素子薄膜の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】印加磁場により抵抗が変化する磁気抵抗
効果を利用した磁気抵抗効果素子は、磁場検出用センサ
ーや磁気ヘッド等に用いられている。従来、磁気抵抗効
果素子としては、パーマロイを中心とした磁性合金薄膜
が用いられている。この磁気抵抗効果素子は、電流方向
と磁化方向の相対角度に依存して生じる抵抗の差を利用
したものであるが、磁気抵抗変化量が、３〜４％程度と
小さく、高感度化のためには、磁気抵抗変化量の大きな
材料が望まれている。これに対して、近年、新しい磁気
抵抗効果素子として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）等
の強磁性体とクロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）等の非磁性体
を数ナノメーターの周期で交互に積層した人工格子膜が
注目されている。この人工格子膜の示す磁気抵抗効果
は、磁場の印加にともなって非磁性層を介して隣合う強
磁性層の磁化が、反強磁性配列から強磁性配列に変化す
ることによって生じ、室温において１０％を越える磁気
抵抗変化を示し、従来の磁気抵抗効果と区別するために
巨大磁気抵抗効果と呼ばれている。巨大磁気抵抗効果を
示す人工格子膜としては、（Ｆｅ／Ｃｒ）、（パーマロ
イ／Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ）、（Ｃｏ／Ｃｕ）等が知られて
いる。これらの人工格子膜は、従来から知られているパ
ーマロイ薄膜に比べると磁気抵抗変化率が大きいので、
磁気センサーや磁気ヘッドに用いることで、大幅な特性
改善が期待されているが、これまでに報告されている人
工格子膜では、磁気抵抗の飽和する飽和磁場Ｈs がパー
マロイの数エルステッド（Ｏｅ）に対し、数ｋＯｅ〜１
０ｋＯｅ程度と大きく、磁場感度の必要とされる磁気セ
ンサーや磁気ヘッド等に人工格子膜を適用することは困
難であった。人工格子膜の大きな磁気抵抗変化率を保ち
つつ、その飽和磁場を小さくするための手段として、膜
面内に一軸磁気異方性を導入することが提案されてい
る。例えば、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜の成膜時に、永久磁
石により膜面内に１００Ｏｅ程度の磁場を印加し、膜面
内に一軸磁気異方性を導入する方法（特開平４−２１２
４０２号公報）や、（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格
子膜に生ずる微細構造による形状磁気異方性により膜面
内に一軸磁気異方性を導入する方法（ジャーナル アプ
ライド フィジクス（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）第７
３巻 ３９２２頁 １９９３年）が知られている。後者
の形状磁気異方性を利用した一軸磁気異方性の導入は、
前者の方法に比べ、磁気抵抗の飽和する磁場を小さくで
きるため、より有効である。しかしながら、その飽和磁
場の大きさは、室温において５００Ｏｅと依然大きな値
である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、微細
構造を有する（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜
は、大きな磁気抵抗変化率を有するものの、飽和磁場が
大きいという欠点を有しており、磁気センサーや磁気ヘ
ッド等のように小さな磁場を検出する用途に用いる場合
には十分な感度が得られないという問題点があった。
【０００４】本発明の目的は、飽和磁場が小さく、小さ
な磁場においても大きな磁気抵抗変化の得られる磁気抵
抗効果素子薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子を提
供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、図１に示すよ
うに、単結晶基板、体心方位晶金属もしくはその合金の
（１１０）方位のエピタキシャルバッファー層、（１１
０）方位のエピタキシャルＦｅ／Ｃｒ人工格子膜より構
成された磁気抵抗効果素子であって、Ｆｅ／Ｃｒ人工格
子膜の（１１０）面内において、〈１００〉方向に稜を
持ち、側面が｛１００｝面により構成された屋根型のフ
ァセット列が、〈１１０〉方向に連なって並んだ構造を
有することを特徴とした磁気抵抗効果素子である。（１
１０）方位のエピタキシャルバッファー層は二層以上よ
り構成されていてもよい。さらに、屋根型のファセット
の大きさとしては、最表面に現れた〈１１０〉方向のフ
ァセット幅が、５〜３０nmの範囲にあり、ファセット幅
のばらつきが、±５０％以内でなければならない。以上
のような構造を実現するために、例えば、単結晶基板と
してはサファイヤ（１１−２０）基板をはじめとした
（１１０）方位のエピタキシャルバッファー層が成長可
能な単結晶基板が用いられ、体心立方晶金属の（１１
０）方位のエピタキシャルバッファー層としては、体心
立方晶金属のバナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリ
ブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン
（Ｗ）等を用い、合金の（１１０）方位のエピタキシャ
ルバッファー層としては、前記体心立方晶金属より選ば
れた２種類以上の金属か、又はこれら金属とＦｅもしく
はＣｒとよりなる合金等が選択できる。
【０００６】エピタキシャルバッファー層として、前記
のエピタキシャルバッファー層上にＣｒ膜を形成した二
層構造とすると、バッファー層とＦｅ／Ｃｒ人工格子と
の間の格子ミスマッチが低減できるために好適である。
【０００７】なお磁気抵抗変化率ならびに磁気抵抗の飽
和磁場は、以下の実施例において示すように、Ｆｅ／Ｃ
ｒ人工格子膜のＣｒ膜厚に対して、振動的に変化する。
磁気抵抗変化率のピーク位置のＣｒ膜厚と飽和磁場のピ
ーク位置のＣｒ膜厚とは一致するので、用途によって、
磁気抵抗変化率と飽和磁場とがバランスするようにＣｒ
膜厚を決めることが望ましい。
【０００８】
【作用】ジャーナル アプライド フィジクス（Ｊ．Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）第７３巻３９２２頁（１９９３
年）に述べられている（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工
格子は、Ｇｅ（１１０）単結晶基板上に、分子線エピタ
キシャル成長法により作製され、〈１００〉方向に稜を
持ち、側面が｛１００｝面により構成された屋根型のフ
ァセット列が、〈１１０〉方向に連なって並んだ微細構
造を有するが、屋根型ファセットの大きさは、その〈１
１０〉方向のファセットの幅が１０〜５０nmでばらつき
が大きい。〈１００〉方向と屋根型ファセットの稜方向
が平行であるから、屋根型ファセットの形状磁気異方性
により、〈１００〉方向が磁化容易軸、〈１１０〉方向
が磁化困難軸になり、このために〈１００〉方向に磁場
を印加したときの磁気抵抗の飽和磁場が小さくなる。し
かしながら、屋根型ファセットの幅のばらつきが大きい
ために、この屋根型ファセットの（形状磁気異方性に基
づく）磁気異方性エネルギーに分布が生じ、磁気抵抗の
飽和磁場が、５００Ｏｅ程度までにしか低下しないもの
と思われる。屋根型ファセット幅のばらつきの原因は、
Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜の成長初期の核成長が均一に起こ
らないためであると考えられる。これはおそらく、Ｆｅ
あるいはＣｒと基板材料であるＧｅとが不均一な合金化
反応を起こしていることに起因するものと思われる。
【０００９】これに対して本発明の磁気抵抗効果素子
は、基板とＦｅ／Ｃｒ人工格子との間に金属のエピタキ
シャルバッファー層を、しかも（１１０）方位のＦｅ／
Ｃｒ人工格子を成長させるのに適した体心立方晶（１１
０）方位のエピタキシャルバッファー層を設けたため
に、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子の成長初期段階における核成長
が均一になり、出現する屋根型ファセット幅のばらつき
を±５０％以内に制御できるようになった。なお屋根型
のファセット幅は、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子の成長温度と成
長速度で制御することができる。
【００１０】この様な単結晶のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜の
成長にあたっては、超高真空下におけるいわゆる分子線
エピタキシー法によるエピタキシャル成長が不可避であ
る。エピタキシャル成長には、少なくとも基板あるいは
下地バッファー層とこの上に成長させる材料との間に、
類似の結晶対称性と格子ミスマッチの小さいことが要求
される。一方、ＧｅやＳｉのように、Ｆｅ、Ｃｒ等の遷
移金属と化学反応性の高い物質の基板は、規則正しい屋
根型ファセット構造を形成するのが困難であったり、作
製条件の余裕度が制限されるなどの問題を持っている。
したがって、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜の成長にあたって
は、結晶対称性や格子ミスマッチ、成長物質との化学反
応性等を考慮して選定する必要がある。特開平４−２０
０７４８号公報において、エピタキシャルＦｅ／Ｃｒ人
工格子膜の形成に適した基板ならびにバッファー層とし
て、サファイヤ基板及び体心立方晶金属Ｍ（Ｍ＝Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ）、または該体心立方晶金属
Ｍより選ばれた２種類以上の金属からなる体心立方晶の
合金、または、ＦｅあるいはＣｒと該体心立方晶金属Ｍ
からなる体心立方晶の合金のエピタキシャルバッファー
層の組み合わせが知られている。ここで、エピタキシャ
ルバッファー層を二層構造とし、下層を体心立方晶金属
Ｍ（Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ）、または該
体心立方晶金属Ｍより選ばれた２種類以上の金属からな
る体心立方晶の合金、または、ＦｅあるいはＣｒと該体
心立方晶金属Ｍからなる体心立方晶の合金、上層をＣｒ
とすることによって、（バッファー層とＦｅ／Ｃｒ人工
格子との間の格子ミスマッチが低減できるため）Ｃｒバ
ッファー上層がない場合よりも高品質のエピタキシャル
Ｆｅ／Ｃｒ人工格子が成長可能であることが知られてい
る。
【００１１】（１１０）方位のエピタキシャルバッファ
ー層上に、（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格子を成長
させる場合、基板温度を３００℃以下、成長速度を２nm
／秒以下にすると、表面における〈１１０〉方向の原子
の移動が抑制される結果、〈１００〉方向に稜を持ち、
側面が｛１００｝面により構成された屋根型のファセッ
トが〈１１０〉方向に並んだ微細構造ができる。ただ
し、表面における原子の移動距離に異方性が生ずる原因
は今のところ良くわかっていない。本発明の磁気抵抗効
果素子は、高品質で平坦な表面を有する（１１０）方位
のエピタキシャルバッファー層上に（１１０）方位のＦ
ｅ／Ｃｒ人工格子膜を成長させるため、その成長初期に
おいて均一な核生成が可能で、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜の
成長にともなって形成される屋根型のファセットは、そ
の〈１１０〉方向の幅が均一に揃ったものになる。屋根
型ファセットの平均的な幅は、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子の成
長温度と成長速度で決まる。例えば、成長速度が０．０
１nm／秒の場合、基板温度が３００℃から１００℃に低
下するにしたがって、屋根型のファセット幅は５０nmか
ら１０nmに小さくなる。このとき屋根型ファセット幅の
ばらつきは、いずれの成長温度においても、±５０％以
内である。屋根型ファセットにより、稜方向、すなわち
〈１００〉方向が磁化容易軸になり、ファセットの整列
方向、すなわち〈１１０〉方向が磁化困難軸となるため
に、磁気抵抗の飽和磁場は、〈１００〉方向に磁場を印
加したとき小さくなる。〈１００〉方向の飽和磁場の大
きさは、屋根型ファセットの幅に依存し、屋根型ファセ
ット幅が５〜３０nmで、そのばらつきが±５０％以内の
場合に磁気抵抗の飽和磁場が５００Ｏｅ以下になる。
【００１２】
【実施例】以下本発明について実施例を用いて説明す
る。
【００１３】図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の模式
図である。図１（ａ）では、単結晶基板１上に、体心立
方晶金属あるいは合金の（１１０）方位のエピタキシャ
ルバッファー層２が形成され、この上に、Ｆｅ層３とＣ
ｒ層４が交互にエピタキシャル成長した（１１０）方位
のエピタキシャルＦｅ／Ｃｒ人工格子膜より構成され、
Ｆｅ／Ｃｒ人工格子が、（１１０）面内において、〈１
００〉方向に稜を持ち、側面が｛１００｝面により構成
された屋根型のファセット列が、〈１１０〉方向に連な
って並んだ構造を有する磁気抵抗効果素子薄膜である。
ここで、屋根型のファセットの大きさとしては、最表面
に現れた〈１１０〉方向のファセット幅が、５〜３０ナ
ノメーター（nm）の範囲内にあり、ファセット幅のばら
つきが、±５０％以内である。図１（ｂ）では、（１１
０）方位のエピタキシャルバッファー層は二層により構
成され、上層が（１１０）方位のＣｒバッファー層であ
ることを除けば、図１（ａ）と構成は同じである。
【００１４】本発明の実施にあたっては図２に示した超
高真空蒸着装置を用いて行った。図２の蒸着装置の真空
チャンバー内には鉄とクロムを充填した２つの電子ビー
ム蒸着源６ａ、６ｂ、及びバッファー層用の金属あるい
は合金を充填した電子ビーム蒸着源６ｃ、単結晶基板を
マウントした基板ホルダ７、基板加熱用ヒータ８、３つ
の電子ビーム蒸着源の蒸着速度をモニターするための水
晶振動子膜厚計９ａ、９ｂ、９ｃ、３つの蒸着源から出
た分子線束の開閉を行うためのシャッタ１０ａ、１０
ｂ、１０ｃ、真空ゲージ１１、単結晶基板上に成長した
バッファー層及びＦｅ層とＣｒ層の表面構造評価を行う
ための反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）用の電子銃１
２、及び蛍光スクリーン１３を備え、ゲートバルブ１４
をとおしてクライオポンプ１５により真空排気される。
超高真空を得るためにチャンバーの外周にはヒータがと
りつけられ、ベーキングができるようになっている。到
達真空度は１×１０-10 トール、蒸着時の真空度は、１
０-9トール台であった。
【００１５】磁気抵抗は、リソグラフィーにより作製し
たパターンを用い、室温で、５ｋＯｅまでの磁場中で直
流４端子法により測定した。端子の取り出しはアルミニ
ウムワイヤを超音波ボンディングにより行った。
【００１６】（実施例１）（１１０）方位の体心立方晶
Ｆｅ／Ｃｒ人工格子を成長させるためには、その対称性
から判断して、（上述したように）少なくとも体心立方
晶のエピタキシャルバッファー層とこれを成長させるこ
とのできる基板材料の選択が必要である。体心立方晶の
金属で、取扱いが容易な単体の金属としては、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗしかない。そこでこれ
らの単体金属あるいはこれら金属の合金で（１１０）方
位のエピタキシャル膜の成長できる基板材料について調
べたところ表１に示したような結果が得られた。エピタ
キシャル膜の成長面についてはＲＨＥＥＤ及びＸ線回折
により評価した。なお用いた金属母材の純度は、９９．
９〜９９．９９９％、蒸着速度は、０．０１〜０．０３
nm／秒、基板温度は、３５０〜１１００℃の範囲で調べ
た（表１には、（１１０）方位のエピタキシャル膜が得
られた場合、その時の成長温度を記した）。表１のエピ
タキシャル膜判定の欄で、○印は、（１１０）方位のエ
ピタキシャル金属膜が得られたこと、また×印は、多結
晶膜あるいは配向膜となったことを表している。またバ
ッファー層の膜厚は、１〜２００nmまで変えて調べたが
結果は同じであった。表１からわかるように、特開平４
−２００７４８号公報に記載されているサファイヤ（１
１−２０）基板上の金属Ｍ（Ｍ＝Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔ
ａ、Ｗ）以外に、ＭｇＯ（１１０）、ＳｒＴｉＯ3 （１
１０）、ＬｉＮｂＯ3 （１１−２０）、ＬｉＴａＯ
3 （１１−２０）、水晶（１１−２０）基板上のＶ、Ｃ
ｒ、Ｆｅやバルク単結晶のＶ（１１０）、Ｎｂ（１１
０）、Ｍｏ（１１０）、Ｔａ（１１０）、Ｗ（１１０）
上の金属ＭやＦｅ、Ｃｒあるいはこれら金属の合金との
組み合わせにおいて、体心立方晶の（１１０）方位のエ
ピタキシャルバッファー層を得ることができる。
【００１７】
【表１】
【００１８】表１において（１１０）方位のエピタキシ
ャル金属膜の得られた基板材料では、以下に述べる結果
に顕著な差はみられなかったので、以下の実施例におい
ては、図１（ａ）の、単結晶基板１として、サファイヤ
（１１−２０）、体心立方晶金属あるいは合金の（１１
０）方位のエピタキシャルバッファー層２として、体心
立方晶金属Ｍ（Ｍ＝Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ）、また
は該体心立方晶金属Ｍより選ばれた２種類以上の金属か
らなる体心立方晶の合金、または、ＦｅあるいはＣｒと
該体心立方晶金属Ｍとよりなる体心立方晶の合金、につ
いて具体的に説明する。
【００１９】一方、図１（ｂ）に関しては、単結晶基板
１として、サファイヤ（１１−２０）、二層エピタキシ
ャルバッファー層のうち、下層のバッファー層として、
体心立方晶金属Ｍ（Ｍ＝Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ）、
または該体心立方晶金属より選ばれた２種類以上からな
る合金、または、ＦｅあるいはＣｒと該体心立方晶金属
Ｍからなる合金で、上層がＣｒエピタキシャルバッファ
ー層５とした場合の実施例について具体的に説明する。
【００２０】（実施例２）（１１０）方位のエピタキシ
ャルバッファー層とこの上に成長させたエピタキシャル
Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜の成長面の関係について述べる。
実験の結果、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた２種類の金属から
なる体心立方晶の合金、または、ＦｅあるいはＣｒと
Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗよりなる体心立方晶の合金の
エピタキシャルバッファー層としての効果に特に大きな
違いがみられなかったことから以下の実施例では主に、
Ｎｂ（１１０）バッファー層上のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜
を例に説明する。
【００２１】膜厚１０nmのＮｂ（１１０）バッファー膜
を基板温度９００℃、成長速度０．０１nm／秒でサファ
イヤ（１１−２０）単結晶基板上に成長させ、このＮｂ
（１１０）バッファー層上のＦｅ／Ｃｒ人工格子のエピ
タキシャル関係について、ＲＨＥＥＤ及びＸ線回折によ
り評価した。なお用いたＮｂ、Ｆｅ、Ｃｒの母材の純度
はそれぞれ、９９．９９％、９９．９９９％、９９．９
％であった。表１に示したように、サファイヤ（１１−
２０）基板上にはＮｂ（１１０）膜がエピタキシャル成
長し、 サファイヤ（１１−２０）面‖Ｎｂ（１１０）面 サファイヤ［０００１］軸‖Ｎｂ［−１１１］軸 で与えられるエピタキシャル関係を持っている。このＮ
ｂ（１１０）バッファー層上に、成長速度を０．０２nm
／秒、基板温度を室温から３５０℃の範囲で変えて、３
nmのＦｅと３nmのＣｒを２０回積層させた人工格子（以
下［Ｆｅ（３nm）／Ｃｒ（３nm）］20と記す）を成長さ
せた。得られたＦｅ／Ｃｒ人工格子のＲＨＥＥＤパター
ンは、基本的には基板温度には依存せず、図３（ａ）、
（ｂ）のようになった。ここで（ａ）は、電子線を［１
００］方向より入射した場合のＲＨＥＥＤパターンの模
式図、（ｂ）は、電子線を［１１０］方向より入射した
ときのＲＨＥＥＤパターンの模式図である。図３のＲＨ
ＥＥＤパターンから、まずＦｅ／Ｃｒ人工格子はＮｂ
（１１０）バッファー層上にエピタキシャル成長し、 Ｎｂ（１１０）面‖Ｆｅ／Ｃｒ人工格子（１１０）面 Ｎｂ［−１１１］軸‖Ｆｅ／Ｃｒ人工格子［−１１１］
軸 で与えられるエピタキシャル関係を持っていること、そ
して、図１で示すように、〈１００〉方向に稜を持ち、
側面が｛１００｝面により構成された屋根型のファセッ
ト列が〈１１０〉方向に並んだ微細構造ができているこ
とがわかる。Ｎｂ（１１０）バッファー層に対するエピ
タキシャル関係ならびに屋根型ファセット微細構造は、
人工格子の成長順序に無関係で、Ｆｅから成長を始めよ
うがＣｒから成長を始めようが結果に違いは認められな
かった。
【００２２】 （実施例３）サファイヤ（１１−２０）
基板上のＮｂ（１１０）バッファー（膜厚１nm）上に、
ならびに比較例として、バッファー層無しのＧｅ（１１
０）基板上に、成長温度２００℃、成長速度０．０２nm
／秒で成長させた［Ｆｅ（３nm）／Ｃｒ（１nm）］30人
工格子について、〈１００〉軸ならびに〈１１０〉軸に
垂直な面でサンプル断面の薄片をイオン研磨法により作
製し、透過電子顕微鏡により観察した。本発明のサファ
イヤ（１１−２０）基板上のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜につ
いて、〈１００〉軸及び〈１１０〉軸に垂直な断面の透
過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像の模式図を、それぞれ図４の
（ａ）、（ｂ）に、また比較例のＧｅ（１１０）基板上
のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜について、〈１００〉軸及び
〈１１０〉軸に垂直な断面ＴＥＭ像の模式図を、それぞ
れ図４の（ｃ）、（ｄ）に示す。いずれの人工格子にお
いても〈１００〉軸に垂直な断面のＴＥＭ像では、のこ
ぎり状の表面形状が観察されるのに対し、〈１１０〉軸
に垂直な断面のＴＥＭ像では、平坦な表面形状が観察さ
れることから、図１に示したような、〈１００〉方向に
稜を持ち、側面が｛１００｝面により構成された屋根型
のファセット列が〈１１０〉方向に連なって並んだ微細
構造ができていることが確認できる。しかし、図４の
（ａ）と（ｃ）を比べると明らかなように、屋根型ファ
セットの幅は、前者においては良く揃っているのに対
し、後者においては不揃いである。そこで両者につい
て、〈１００〉軸に垂直な断面の試料片を多数作り、Ｔ
ＥＭより、ひとつひとつの屋根型のファセットの幅を測
定し、ヒストグラムにしたのが図５である。図５から明
らかなように、本発明のサファイヤ（１１−２０）基板
上のＦｅ／Ｃｒ人工格子の屋根型ファセット幅は、良く
揃っており、そのばらつきは、±５０％以内に収まって
いる（図５（ａ））のに対し、比較例のＧｅ（１１０）
基板上のＦｅ／Ｃｒ人工格子の屋根型ファセット幅のば
らつきは非常に大きい（図５（ｂ））ことがわかる。
【００２３】（実施例４）（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ
人工格子に形成される屋根型ファセットの〈１１０〉方
向のファセット幅と人工格子の成長温度との関係を調べ
た。１０nmのＮｂ（１１０）エピタキシャルバッファー
層上に、成長速度を０．０２nm／秒で、成長温度を変え
て、［Ｆｅ（４nm）／Ｃｒ（２nm）］30人工格子を成長
させ、走査型電子顕微鏡により〈１１０〉方向の屋根型
ファセットの幅を測定した。〈１１０〉方向の屋根型フ
ァセットの幅はＦｅ／Ｃｒ人工格子の成長温度に依存
し、図６に示したように、成長温度の上昇にともなって
増大する。成長温度が３００℃以上では、（図６に挿入
図として示したように）屋根型よりはむしろ台形型の形
状をとるようになり、ファセット幅は急激に増大する。
なお、〈１１０〉方向の屋根型ファセット幅のばらつき
は、いずれの場合も±５０％以内に収まっている。
【００２４】（実施例５）（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ
人工格子の成長に際し、成長速度の屋根型ファセット成
長に及ぼす影響について述べる。Ｎｂ（１１０）バッフ
ァー層上に、［Ｆｅ（３．２nm）／Ｃｒ（０．９nm）］
20人工格子を成長させた。このとき、成長温度を２００
℃で一定とし、成長速度を０．００５nm／秒〜５．０nm
／秒の範囲内で変化させ、屋根型ファセット成長の有無
（ファセット成長が認められれば、そのファセット幅）
を調べた。その結果を表２に示す。表２より、成長温度
が２００℃の場合、成長速度が２．０nm／秒以下であれ
ば、屋根型のファセット成長が認められ、成長速度が小
さくなるにしたがって屋根型ファセット幅の大きさが大
きくなることがわかる。表２で、ファセット幅が〜０nm
ということは屋根型ファセットが成長しなかったことを
示す。
【００２５】
【表２】
【００２６】（実施例６）１０nmのＮｂ（１１０）バッ
ファー層上に成長温度２００℃、成長速度０．０１nm／
秒で成長させた［Ｆｅ（３nm）／Ｃｒ（１nm）］30人工
格子の面内の磁気異方性を振動型磁力計を用いて測定し
た。測定は室温で、最大５キロエルステッドの磁場を、
〈１００〉及び〈１１０〉方向に印加した。図７に、磁
場を〈１００〉及び〈１１０〉方向に印加した場合の磁
化曲線を示すが、屋根型のファセット構造に基づく形状
磁気異方性のために、〈１００〉軸が磁化容易軸、〈１
１０〉軸が磁化困難軸になっていることがわかる。
【００２７】（実施例７）さらに、実施例６のサンプル
について、〈１００〉方向に電流が流れるように抵抗測
定用の試料をフォトリソグラフィーにより作製し、室温
で、直流四端子法により磁気抵抗の測定を行った。なお
測定にあたっては、磁場を〈１００〉方向に平行（電流
方向に平行）あるいは、〈１１０〉方向に平行（電流方
向に垂直）の配置で測定した。それぞれの磁気抵抗曲線
を図８に示す。図７の磁気異方性の差を反映して、〈１
００〉方向に磁場を印加した場合の、磁気抵抗が飽和す
る磁場の値は１００Ｏｅで、〈１１０〉方向の飽和磁場
３．４ｋＯｅに比べ小さくなっている。この場合、磁気
抵抗変化率は、いずれの方向に磁場を印加した場合とも
１４％の値が得られている。ここで、磁気抵抗変化率
（％）は、磁場０のときの抵抗値Ｒ0 から磁気抵抗が飽
和したときの抵抗値Ｒs を差引いた値とＲs との比 （Ｒ0 −Ｒs ）×１００／Ｒs である。このように、本発明による磁気抵抗効果素子
は、〈１００〉方向に平行な稜を持つ屋根型ファセット
列が、〈１１０〉方向に連なって並んだ微細構造を有す
るために、磁場が〈１００〉方向に印加されるような配
置におかれたとき、小さな飽和磁場で、１０％を越える
磁気抵抗変化率が得られるものである。
【００２８】（実施例８）実施例３で示した、サファイ
ヤ（１１−２０）基板上、ならびにＧｅ（１１０）基板
上の２種類の［Ｆｅ（３nm）／Ｃｒ（１nm）］30人工格
子について、実施例７に準じて、磁気抵抗を測定した。
〈１００〉方向に磁場を印加したときの両者の磁気抵抗
曲線を図９に示す。（図９において、サファイヤ（１１
−２０）基板上のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜の方が、Ｇｅ
（１１０）基板上のそれよりも磁気抵抗変化率が小さい
のは、前者のサンプルでは、バッファー層による電流の
バイパスがあるからである。）実施例３に示したよう
に、両者の人工格子に形成される屋根型ファセットの
〈１１０〉方向の屋根型ファセット幅の最確値はほとん
ど等しいのにもかかわらず、ファセット幅のばらつき
は、本発明のサファイヤ（１１−２０）基板上に成長さ
せたＦｅ／Ｃｒ人工格子では、±５０％以内に収まって
いるのに対し、比較例のＧｅ（１１０）基板上のそれで
は、非常に大きい。この違いを反映して、〈１００〉方
向に磁場を印加した場合の磁気抵抗の飽和磁場の値が前
者の方が後者より小さい。すなわち、〈１００〉方向の
飽和磁場の値を小さくするためには、〈１１０〉方向の
屋根型ファセット幅のばらつきが、±５０％以内でなけ
ればならないことがわかる。
【００２９】（実施例９）実施例４で示した、（Ｆｅ／
Ｃｒの成長温度の違いによる）屋根型ファセット幅の異
なる試料について、〈１００〉方向に磁場を印加した場
合の磁気抵抗の飽和磁場を測定した。その結果を表３に
示す。表３からわかるように、平均のファセット幅が、
５〜３０nmの場合に磁気抵抗の飽和磁場が、５００Ｏｅ
以下になる。
【００３０】
【表３】
【００３１】（実施例１０）実施例４で示した、（成長
速度の違いによる）屋根型ファセット幅の異なる試料に
ついて、〈１００〉方向に磁場を印加した場合の磁気抵
抗の飽和磁場を測定した。その結果を表４に示す。表４
からわかるように、平均のファセット幅が、５〜３０nm
の場合に磁気抵抗の飽和磁場が、５００Ｏｅ以下にな
る。
【００３２】
【表４】
【００３３】以下、サファイヤ単結晶基板上のＶ、Ｎ
ｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのいずれか、あるいは少なくともこ
の中から選ばれた２種類以上の金属からなる体心立方晶
の合金、または、ＦｅあるいはＣｒとＶ、Ｎｂ、Ｍｏ、
Ｔａ、Ｗよりなる体心立方晶の合金のエピタキシャルバ
ッファー層上に成長させたエピタキシャルＦｅ／Ｃｒ人
工格子膜について、室温で磁気抵抗変化率と飽和磁場を
測定した実施例について具体的に説明する。
【００３４】（実施例１１）エピタキシャルバッファー
層の金属あるいは合金の種類を変え、Ｆｅ／Ｃｒ人工格
子のＣｒ膜厚に対する、磁気抵抗変化率及び飽和磁場の
依存性を調べた。実験の結果、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、
Ｗのいずれか、あるいは少なくともこの中から選ばれた
２種類の金属からなる体心立方晶の合金、または、Ｆｅ
あるいはＣｒとＶ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗよりなる体心
立方晶の合金のエピタキシャルバッファー層としての効
果に特に大きな違いがみられなかったことから以下で
は、Ｖ20Ｎｂ80バッファー層上のエピタキシャルＦｅ／
Ｃｒ人工格子膜の実施例について説明する。（１１０）
方位のエピタキシャルバッファー層の膜厚は５nmとし、
成長温度８５０℃〜９００℃、成長速度０．０２nm／秒
の条件で成長させた。Ｆｅ／Ｃｒ人工格子は、Ｆｅの膜
厚を３nmとし、Ｃｒ膜厚を０．５nm〜４nmまで変えて、
基板温度２００℃、成長速度０．０２nm／秒で成長させ
た。磁気抵抗測定のパターンは、〈１００〉方向と電流
方向が平行となるようにフォトリソグラフィーにより作
製し、磁場はこれと垂直、すなわち、〈１１０〉方向に
印加した。その結果を図１０にまとめた。なお比較のた
め、Ｇｅ（１１０）基板上に同一成長条件で成長させた
（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格子の結果についても
示した。（Ｇｅ（１１０）基板上の比較例においては、
Ｖ20Ｎｂ80バッファー層を設けず、基板上に直接Ｆｅ／
Ｃｒ人工格子を成長させた。）本発明による磁気抵抗効
果素子は、従来のＧｅ（１１０）基板上に作製されたＦ
ｅ／Ｃｒ人工格子膜に比べ、磁気抵抗の飽和する磁場を
小さくすることができる。
【００３５】（実施例１２）サファイヤ（１１−２０）
基板上のエピタキシャルバッファー層を２層構造とした
実施例について述べる。下層のエピタキシャルバッファ
ー層として、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた２種類以上の金属
からなる体心立方晶の合金、または、ＦｅあるいはＣｒ
とＶ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗよりなる体心立方晶の合金
について検討したが、その効果に顕著な違いがみられな
かったことから、以下では、Ｖ50Ｍｏ50バッファー層上
に成長させた試料について説明する。エピタキシャルバ
ッファー層の上層はＣｒとし、以上の二層構造エピタキ
シャルバッファー層上に成長させたエピタキシャルＦｅ
／Ｃｒ人工格子膜について、室温で磁気抵抗を測定した
実施例について述べる。ここで下層ならびに上層バッフ
ァー層の膜厚は、いずれも５nmとした。エピタキシャル
バッファー下層の成長温度、成長速度は、それぞれ９５
０℃、０．０１nm／秒、Ｃｒバッファー上層の成長温
度、成長速度はそれぞれ、４００℃、０．０２nm／秒と
した。Ｆｅ／Ｃｒ人工格子は、Ｆｅの膜厚を３nmとし、
Ｃｒ膜厚を０．５nm〜４nmまで変えて、基板温度１５０
℃、成長速度０．０１nm／秒で成長させた。磁気抵抗測
定は、実施例１１に準じて行った。なお比較のため、エ
ピタキシャルＣｒバッファー上層のない、１０nmのＶ50
Ｍｏ50バッファー層上に、同一成長条件で成長させた
（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格子の結果についても
示した。得られた結果を図１１に示す。図１１に示すよ
うにバッファー層を二層とし、下層を体心立方晶のＶ50
Ｍｏ50合金、上層をＣｒとしたエピタキシャルＦｅ／Ｃ
ｒ人工格子は、バッファー層が単層のＦｅ／Ｃｒ人工格
子（図１０）と比べると、両者で磁気抵抗変化率に違い
は認められないものの、バッファー層を二層構造にする
ことによって、飽和磁場を小さくすることができる。
【００３６】
【発明の効果】本発明の磁気抵抗効果素子は、高品質で
平坦な表面を有する（１１０）方位のエピタキシャルバ
ッファー層上に（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜
を成長させるため、その成長初期において均一な核生成
が可能となり、形状の制御された屋根型のファセット形
成が行える。屋根型のファセット構造に由来する形状磁
気異方性により、ファセットの稜方向に磁場を印加する
ことによって、磁気抵抗変化率を大きく保ったまま磁気
抵抗の飽和磁場を小さくできる。このため、本磁気抵抗
効果素子は、磁気センサーや薄膜磁気ヘッドとして用い
ることができるものである。また、基板に科学的・物理
的に極めて安定で、機械的強度も高いサファイヤ等の酸
化物基板を用いるために信頼性の高い磁気センサーや薄
膜磁気ヘッドを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の構造を示す模式図
である。
【図２】本発明の実施例で用いた蒸着装置の概略図であ
る。
【図３】（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格子のＲＨＥ
ＥＤパターンの模式図である。
【図４】透過型電子顕微鏡による断面観察像の模式図で
ある。
【図５】屋根型ファセット幅の分布を示す図である。
【図６】屋根型ファセット幅の成長温度依存性を示す図
である。
【図７】磁化曲線の測定結果を示す図である。
【図８】磁気抵抗曲線の測定結果を示す図である。
【図９】磁気抵抗曲線の測定結果を示す図である。
【図１０】磁気抵抗変化率と飽和磁場のＣｒ膜厚依存性
を示す図である。
【図１１】磁気抵抗変化率と飽和磁場のＣｒ膜厚依存性
を示す図である。
【符号の説明】
１ 単結晶基板 ２ 体心立方晶（１１０）方位のエピタキシャルバッフ
ァー層 ３ エピタキシャルＦｅ（１１０）層 ４ エピタキシャルＣｒ（１１０）層 ５ エピタキシャルＣｒ（１１０）バッファー層 ６ａ、６ｂ、６ｃ 電子ビーム蒸着源 ７ 基板ホルダ ８ 基板加熱ヒータ ９ａ、９ｂ、９ｃ 膜厚計 １０ａ、１０ｂ、１０ｃ シャッタ １１ 真空ゲージ １２ 反射高速電子線回折用電子銃 １３ 蛍光スクリーン １４ ゲートバルブ １５ クライオポンプ

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に形成された、体心立方晶金属もし
    くはその合金の（１１０）面がエピタキシャル成長した
    （１１０）方位のエピタキシャルバッファー層上に、Ｆ
    ｅ（１１０）面とＣｒ（１１０）面が交互にエピタキシ
    ャル成長した（１１０）方位のＦｅ／Ｃｒ人工格子膜を
    有し、かつ該人工格子膜が〈１００〉方向に稜を持ち、
    側面が｛１００｝面により構成された屋根型のファセッ
    ト列が、〈１１０〉方向に連なって並んだ構造を有し、
    最表面における該屋根型ファセットの〈１１０〉方向の
    幅が、５〜３０nmであることを特徴とする磁気抵抗効果
    素子薄膜。
  2. 【請求項２】屋根型ファセット幅のばらつきが、±５０
    ％以内であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗
    効果素子薄膜。
  3. 【請求項３】エピタキシャルバッファー層が二層より成
    り、下層が体心立方金属もしくはその合金の（１１０）
    面がエピタキシャル成長した（１１０）方位のエピタキ
    シャル膜で、上層が（１１０）方位のエピタキシャルＣ
    ｒ膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載の
    磁気抵抗効果素子薄膜。
  4. 【請求項４】磁場を、屋根型ファセットの稜方向と平行
    に印加する手段を有することを特徴とする請求項１ない
    し３記載の磁気抵抗効果素子薄膜を用いた磁気抵抗効果
    素子。
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