JP3455055B2 - 磁気素子とそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気記憶装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体マトリック
ス中に超常磁性を示さない強磁性微粒子を分散させたグ
ラニュラー磁性膜を有する磁気素子、およびそれを用い
た磁気ヘッドと磁気記憶装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果は、ある種の磁性体に磁界
を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁
界センサや磁気ヘッド等に利用されている。例えば、強
磁性体を用いた磁気抵抗効果素子は温度安定性に優れ、
かつ使用範囲が広いという特徴を有している。

【０００３】従来より、磁性体を用いた磁気抵抗効果素
子にはパーマロイ合金等の薄膜が広く使用されてきた。
これをハードディスク等の再生へッドに使用することで
高密度磁気記録が達成されている。しかし、パーマロイ
薄膜の磁気抵抗変化率は 2〜3%程度と小さいため、さら
なる高密度記録を達成しようとすると十分な感度が得ら
れないという問題があった。

【０００４】一方、近年、磁気抵抗効果を示す新しい材
料として、磁性層と非磁性金属層とを数オングストロー
ムから数十オングストロームのオーダーの周期で交互に
積層した構造を有し、非磁性層を介して相対する磁性層
の磁気モーメントを反平行状態で磁気的に結合させた人
工格子膜が、巨大な磁気抵抗効果を示すとして注目され
ている。例えばＦｅ／Ｃｒの人工格子膜（Phys. Rev. L
ett.61, 2472(1988)）や、Ｃｏ／Ｃｕの人工格子膜（J.
Mag. Mag. Mater.94, L1(1991)， Phys. Rev.Lett.66,
2152(1991) ）等が見出されている。

【０００５】このような人工格子膜は、数 10%という従
来のパーマロイ合金薄膜よりも格段に大きな磁気抵抗変
化率を示す。このような巨大磁気抵抗効果は磁性層のス
ピンの向きに依存した電子の散乱に起因している。しか
しながら、このような人工格子は、大きな磁気抵抗効果
を得るためには積層数を多くする必要があるという問題
や、飽和磁界（抵抗値が飽和する磁界）が数テスラ(T)
以上と大きく、このままでは磁気ヘッド等への応用には
不向きであるという問題を有している。

【０００６】飽和磁界を小さくする目的で、強磁性層／
非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜を有
し、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固
定し、他方の強磁性層を外部磁界により磁化反転させる
ことにより、 2つの強磁性層の磁化方向の相対角度を変
化させる、いわゆるスピンバルブ膜が開発されている。
しかし、スピンバルブ膜は磁気抵抗変化率が 3〜4%程度
とあまり大きくなく、また積層膜の抵抗そのものが数10
μΩcmと小さいため、外部磁界を検出するためには比較
的大きな電流を流す必要があるという問題を有してい
る。

【０００７】また、多層膜に対して電流を膜面に垂直方
向に流す、いわゆる垂直磁気抵抗効果を利用すると、非
常に大きな磁気抵抗効果が得られることが知られている
（Phys. Rev. Lett.66, 3060(1991)）。しかし、この場
合には電流パスが小さく、また各層が金属であるために
抵抗が小さいことから、サブミクロン以下に微細加工し
ないと室温での磁気抵抗効果を測定できないという問題
がある。

【０００８】さらに、以上述べたような人工格子膜とは
異なり、非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子を分
散させた、いわゆるグラニュラー磁性膜もスピンに依存
した伝導に基く巨大磁気抵抗効果を示すことが見出され
ている(Phys. Rev. Lett.68,3745(1992)）。このような
グラニュラー磁性膜は、磁界を加えない状態では磁性超
微粒子の性質により各磁性超微粒子のスピンが互いに不
規則な方向を向いているために抵抗が高く、磁界を加え
て各スピンを磁界の方向に揃えると抵抗が低下し、その
結果スピン依存散乱に基く磁気抵抗効果が発現する。グ
ラニュラー磁性膜は人工格子膜等に比べて作製が容易で
あることから次世代の磁気抵抗効果素子として基体され
ているものの、この場合の磁性超微粒子は超常磁性を示
すため、飽和磁界が本質的に非常に大きいという問題を
有している。

【０００９】一方、スピン依存散乱とはメカニズムを異
にする、強磁性トンネル効果に基く巨大磁気抵抗効果が
見出されている。これは強磁性層／絶縁層／強磁性層の
3層積層膜からなり、一方の強磁性層の保磁力が他方の
強磁性層の保磁力よりも小さい構造において、両強磁性
層間に電圧を印加してトンネル電流を発生させるもので
ある。このとき、保磁力の小さい強磁性層のスピンのみ
を反転させると、 2つの強磁性層のスピンが互いに平行
なときと反平行なときでトンネル電流が大きく異なるた
めに、巨大磁気抵抗効果が得られる。

【００１０】このような強磁性トンネル接合素子は構造
が簡単であり、しかも室温で 20%程度の大きな磁気抵抗
変化率が得られるという特徴がある。しかしながら、ト
ンネル効果を発現させるためには絶縁層の厚さを数nm以
下と薄くする必要があり、そのような薄い絶縁層を均質
に、しかも安定して作製することが困難であるため、磁
気抵抗変化率のバラツキが大きくなってしまうという問
題がある。また、絶縁層の抵抗が高すぎると、これを記
憶素子等に用いた場合に、一般に素子の高速動作が得ら
れず、また雑音が増大してＳ／Ｎ比の大きい素子が得ら
れない等の問題が予測されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、マト
リックス中に磁性超微粒子を分散させたグラニュラー磁
性膜は、人工格子膜に比べて作製が容易であり、磁気抵
抗変化率も室温で 10%程度の大きな値が得られる。さら
に、超微粒子は粒径が数十オングストローム程度以下と
小さく単磁区であるため、磁気抵抗曲線のヒステリシス
が小さく、従って磁気抵抗効果素子として用いた場合に
バルクハウゼンノイズが小さいことが期待される。しか
し、この場合の超微粒子は超常磁性を示すため、飽和磁
界が本質的に非常に大きく、実用上の課題となってい
る。

【００１２】一方、強磁性トンネル接合素子は、室温で
20%程度の大きな磁気抵抗変化率が得られ、また飽和磁
界が小さいというような特徴を有する反面、絶縁層の膜
厚に起因して安定した特性をもつ素子の作製が困難であ
ると共に、抵抗が高すぎるために記憶素子等に用いた場
合に雑音が大きく、スイッチング速度が遅い等の問題が
ある。

【００１３】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、磁気抵抗変化率が大きく、飽和磁界
が小さく、素子抵抗を適当な値に調整することができ、
しかもバラツキが小さい安定した特性が得られる磁気素
子、およびそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気記憶装置
を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気素子は、誘
電体マトリックスと、この誘電体マトリックス中に分散
した強磁性微粒子とを有し、かつ超常磁性を示さず室温
で保磁力を持つと共に、スピンの方向が実質的に一方向
に揃っているグラニュラー磁性膜と、前記グラニュラー
磁性膜と近接配置された強磁性膜とを具備し、前記グラ
ニュラー磁性膜と前記強磁性膜との間にトンネル電流を
流すと共に、前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜の
うち、保磁力が小さい磁性膜のスピンの方向を変化させ
ることにより、前記トンネル電流に対して磁気抵抗効果
が発現することを特徴としている。

【００１５】

【００１６】

【００１７】本発明の磁気素子におけるグラニュラー磁
性膜と強磁性膜との具体的な近接配置構造としては、前
記グラニュラー磁性膜と強磁性膜とを積層配置した構
造、前記グラニュラー磁性膜と強磁性膜とを基板面に沿
って配列した構造等が挙げられる。なお、グラニュラー
磁性膜と強磁性膜とは、基本的には接触配置するものと
するが、それらの間にトンネル電流が流れる程度の厚さ
の絶縁膜を介在させることも可能である。

【００１８】本発明の磁気ヘッドは、上記した本発明の
磁気素子を具備することを特徴としている。本発明の磁
気記憶装置は、上記した本発明の磁気素子を具備するこ
とを特徴としている。

【００１９】以下に、本発明の磁気素子が低磁界で巨大
磁気抵抗効果を発現する原理について説明する。図１お
よび図２は本発明の磁気素子の基本構造の概念図であ
り、強磁性膜Ｆとグラニュラー磁性膜Ｇとからなる強磁
性トンネル接合を構成している。図中矢印は磁化方向を
示している。ここで、本発明の磁気素子におけるグラニ
ュラー磁性膜Ｇは、誘電体マトリックス中に分散させた
強磁性微粒子を有するものであり、超常磁性を示さず有
限の保磁力を持つ強磁性体である。理想的にはそのスピ
ンは図１および図２に示すように、一方向に揃って向い
ていることが望ましい。スピンの方向は図１に示す状態
および図２に示す状態のいずれであってもよい。

【００２０】このような構造において、強磁性膜Ｆとグ
ラニュラー磁性膜Ｇとの間に例えば電極を介して電圧を
印加すると、強磁性膜Ｆの伝導電子はグラニュラー層中
の磁性微粒子間をトンネル効果によって伝導し、トンネ
ル電流が流れる。このとき、スピンの向きは一般に保存
される。このような状態で外部から磁界を印加すること
を考える。初期状態は、図１（ａ）および図２（ａ）に
示すように、両磁性膜Ｆ、Ｇのスピンが同じ方向を向い
ているものとする。このとき、強磁性膜Ｆおよびグラニ
ュラー磁性膜Ｇのスピンが保存されたままトンネル伝導
するので、図３（ａ）に示すように、各状態密度の大き
いスピンバンドの電子（図３では↓で示すスピン電子）
の方が大きく伝導に寄与し、電子はトンネルしやすい。
すなわち抵抗は小さい。

【００２１】次に、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示す
ように、両磁性膜Ｆ、Ｇのうち保磁力が相対的に小さい
方の磁性膜のスピン（図１および図２では強磁性膜Ｆの
スピン、以下同じとする）のみが反転する程度の小さな
外部磁界を印加する。このとき、図３（ｂ）に示すよう
に、各磁性膜Ｆ、Ｇのいずれのスピンバンドも状態密度
が小さいスピンバンドを経るので、電子は図３（ａ）に
比べてトンネルしがたくなり、従って抵抗は大きくな
る。

【００２２】このようにして、外部磁界により保磁力の
小さい磁性膜のスピンのみを反転させることによって、
巨大磁気抵抗を得ることができる。このとき、例えば強
磁性膜Ｆに保磁力の小さい軟磁性体を選定すれば、飽和
磁界は小さくなるため、本発明の磁気素子による磁気抵
抗効果素子は高感度化することができる。

【００２３】本発明の磁気素子におけるグラニュラー磁
性膜は、超常磁性ではなく、強磁性体であるため、従来
のグラニュラーＧＭＲ材料のような飽和磁界が大きいと
いう問題はない。また、本発明によるグラニュラー磁性
材料は誘電体マトリックス中に強磁性微粒子を分散させ
ているため、絶縁層を有する強磁性トンネル接合に比べ
て電気抵抗が小さい。さらに、グラニュラー磁性膜の電
流パス方向（膜厚方向あるいは膜面内方向）の長さ、あ
るいは磁性微粒子の体積充填率、大きさ、分散状態等を
制御することによって、電気抵抗を適当な値に制御でき
る。従って、応用用途に応じて、本発明の磁気素子は電
気抵抗を調整することができる。

【００２４】本発明の磁気素子は、磁気抵抗効果型磁気
ヘッド、磁気記憶装置、磁界センサ等に適用することが
できる。この場合、特に磁気記憶装置では膜面内に磁気
異方性が付与されていることが望ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について、図面を参照して説明する。

【００２６】図４は本発明の磁気素子の一実施形態の構
造を模式的に示す図である。図４に示す磁気素子１は、
基板２上に形成したグラニュラー磁性膜３と、このグラ
ニュラー磁性膜３上に積層形成された強磁性膜４とを有
している。これらグラニュラー磁性膜３と強磁性膜４と
の積層膜５において、積層順は特に限定されるものでは
ない。また、積層膜５の構成は、例えば図５に示すよう
に、 2層の強磁性膜４ａ、４ｂでグラニュラー磁性膜３
を挟持した構造、すなわち第１および第２の強磁性膜４
ａ、４ｂがグラニュラー磁性膜３を挟んで対向配置され
た構造であってもよい。これら積層膜５は強磁性トンネ
ル接合を構成するものである。

【００２７】このように、積層型の磁気素子１は少なく
とも 1層のグラニュラー磁性膜３と少なくとも 1層の強
磁性膜４とを積層した積層膜５を有していればよく、例
えばグラニュラー磁性膜３と強磁性膜４とをさらに多層
積層した積層膜を適用することも可能である。なお、グ
ラニュラー磁性膜３と強磁性膜４との間には、トンネル
電流が流れる程度の厚さの絶縁膜を介在させてもよく、
この絶縁膜により電気抵抗を制御することもできる。

【００２８】グラニュラー磁性膜３は、誘電体マトリッ
クス６中に磁性微粒子７を分散させた構造を有してい
る。このグラニュラー磁性膜３は超常磁性を示さず、有
限の保磁力を持つ強磁性体である。また、グラニュラー
磁性膜３中の磁性微粒子７は、それら微粒子間でトンネ
ル電流が流れるように分散されている必要があり、粒子
間隔は 3nm以下とすることが好ましい。

【００２９】磁性微粒子７には種々の強磁性材料を使用
することができるが、誘電体マトリックス６中に磁性微
粒子７を分散させたグラニュラー磁性材料では、バルク
に比べて一般に保磁力がかなり小さくなるので、それを
防ぐためには磁性微粒子７として特に磁気異方性の大き
いＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−
希土類合金等を用いることが好ましい。

【００３０】また、保磁力があまり大きくないグラニュ
ラー磁性材料を使用する場合には、例えば図６に示すよ
うに、グラニュラー磁性膜３の両端部に一対の硬磁性膜
８を隣接配置し、この硬磁性膜８からグラニュラー磁性
膜３にバイアス磁界を印加することによりスピンを固定
してもよい。なお図６において、９は絶縁層である。ま
た、図６における膜４、４は少なくとも一方が強磁性膜
であればよく、このように一方のみを強磁性膜とした場
合、他方はＣｒ等の非磁性金属からなる電極とすること
ができる。バイアス磁界印加膜としては硬磁性膜８に限
らず、例えば図７に示すように、グラニュラー磁性膜３
と積層形成したＦｅＭｎやＩｒＭｎ等からなる反強磁性
膜１０を使用することも可能である。

【００３１】例えば、ＲＸＭｎＯ_3-y （Ｒは希土類金
属、ＸはＣａ、ＢａおよびＳｒから選ばれる少なくとも
1種の元素、 yは 0に近い値）粒子を分散させたグラニ
ュラー磁性材料は、保持力は小さいものの、100%のスピ
ン分極率を有している。よって、ＲＸＭｎＯ_3-y 磁性材
料を磁性微粒子７として用いると、トンネル電流のスピ
ン依存性が非常に大きくなるため、非常に大きな磁気抵
抗効果を得ることができる。このようなグラニュラー磁
性材料を使用する場合に、上記したようなバイアス構造
は有効である。さらに、強磁性膜４のスピンのみを反転
させる場合、グラニュラー磁性膜３のスピンを強く固定
する上で、硬磁性膜８や反強磁性膜１０等からなるバイ
アス磁界印加膜は有効である。

【００３２】グラニュラー磁性膜３における磁性微粒子
７の粒径は、超常磁性が発現せず、強磁性が維持される
大きさ、例えば数nm以上とする必要がある。ただし、あ
まり磁性微粒子７が大きいと粒子間隔が増大するため、
磁性微粒子７の粒径は 5〜10nm程度とすることが好まし
い。また、誘電体マトリックス６としては、Ａｌ
₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ΜｇＦ₂ 、Ｂ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ
Ｎ、ＣａＦ₂ 等の種々の誘電体材料を使用することがで
き、このような誘電体膜中に上記したような磁性微粒子
７を分散させることでグラニュラー磁性膜３が得られ
る。なお、上記した酸化膜、窒化膜、フッ化膜等では、
それぞれの元素の欠損が一般的に存在するが、そのよう
な誘電体膜であっても何等問題はない。

【００３３】一方、強磁性膜４としてはその目的からグ
ラニュラー磁性膜との間で保磁力に大小関係を有してい
ればよく、例えばパーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合
金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む
合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金
のハーフメタル、ＣｒＯ₂ 、マグネタイト等の酸化物系
のハーフメタル、アモルファス合金等の種々の軟磁性材
料から、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−
希士類合金等の硬磁性材料まで、種々の強磁性材料を使
用することができる。ハーフメタルは一方のスピンバン
ドにエネルギーギャップが存在するので、一方向のスピ
ンを持つ電子しか伝導に寄与しない。従って、このよう
な材料を強磁性膜４として使用することで、より大きな
磁気抵抗効果を得ることができる。

【００３４】また、図５に示したように、 2層以上の強
磁性膜４ａ、４ｂを使用する場合には、これらは必ずし
も同じ材料で構成する必要はなく、それぞれがグラニュ
ラー磁性膜３と保磁力の違いを有していればよい。 2層
の強磁性膜４ａ、４ｂの保磁力が異なる場合には、例え
ば多値メモリとして使用することができる。

【００３５】強磁性膜４は単層構造に限らず、例えば図
８に示すように、非磁性層１１を介して配置した 2つの
強磁性層１２、１３を有し、これら強磁性層１２、１３
の磁化を互いに反平行となるように結合させた積層膜
で、強磁性膜４を構成することができる。このような反
平行に結合させた積層膜によれば、強磁性膜４から磁束
が外部に漏れることを防ぐことができ、好ましい形態と
いうことができる。このような反平行に結合した強磁性
層１２、１３を得るためには、強磁性層と非磁性層とを
交互に積層し、交換結合や静磁結合を利用すればよい。
強磁性層の積層数は 2層に限らず、それぞれ非磁性層を
介してさらに多層化してもよい。

【００３６】また、強磁性層と半導体層とを交互に積層
した積層膜を、強磁性膜４として用いることもできる。
この場合には、熱や光照射によりスピンを反転させるこ
とができるため、磁界が不要になるという特徴がある。
このような積層膜に用いる半導体としては、Ｂ２０構造
のＦｅＳｉ合金等が挙げられる。なお、これら強磁性層
と非磁性層とを交互に積層した積層膜や強磁性層と半導
体層とを交互に積層した積層膜は、図９に示すように、
グラニュラー磁性膜３を介して配置した 2つの強磁性膜
４のうちの一方に適用してもよい。

【００３７】上述したグラニュラー磁性膜３および強磁
性膜４は、それぞれ膜面内に一軸磁気異方性を有するこ
とが望ましい。これによって、急峻な磁化反転を起こす
ことができると共に、磁化状態を安定して保持すること
ができる。これらは特に磁気記憶装置に適用する場合に
有効である。また、グラニュラー磁性膜３および強磁性
膜４の膜厚は、 0.5〜 100nmの範囲とすることが好まし
い。このうち、グラニュラー磁性膜３の膜厚はできるだ
け薄い方が好ましいが、作製上均一な膜厚を維持するこ
とができ、またトンネル電流に対して悪影響を及ぼさな
い膜厚であればよく、例えば50nm以下であればよい。

【００３８】このような各層からなる磁気素子１は典型
的には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ΜＢＥ）
法、各種スパッタ法、蒸着法等の通常の薄膜形成方法を
適用して作製することができる。なお、本発明の磁気素
子では、積層膜５に磁性材料または非磁性材料からなる
下地層、または非磁性材料からなるオーバーコー卜層等
を設けてもよい。

【００３９】上述した磁気素子１においては、グラニュ
ラー磁性膜３と強磁性膜４のうち保磁力が小さい磁性
膜、例えば強磁性膜４のスピンの方向を外部磁界等によ
り変化させることによって、前述したように磁気抵抗効
果を発現させることができる。すなわち、グラニュラー
磁性膜３と強磁性膜４のスピンが同じ方向を向いている
状態において、積層膜５の抵抗は最小となり、この状態
から保磁力が小さい一方の磁性膜、例えば強磁性膜４の
みのスピン方向を外部磁界等により反転させることによ
って、積層膜５の抵抗は最大となる。この際、他方の磁
性膜例えばグラニュラー磁性膜３のスピンは、強磁性膜
４のスピンを反転させる外部磁界等に対して、実質的に
固定されているようにする。

【００４０】このようなグラニュラー磁性膜３と強磁性
膜４との積層膜５における一方の磁性膜のスピンの反転
によって、磁気抵抗変化率が例えば 20%以上というよう
な巨大磁気抵抗効果が得られる。外部磁界等によりスピ
ン反転させる磁性膜は、グラニュラー磁性膜３と強磁性
膜４のうち保磁力が小さい方の磁性膜であればよく、特
に上記したように強磁性膜４に限定されるものではな
い。ただし、保磁力の調節等が容易な強磁性膜４のスピ
ン方向を外部磁界等により反転させることが好ましい。

【００４１】上記したような巨大磁気抵抗効果を示す積
層膜５に対して積層方向にセンス電流し、グラニュラー
磁性膜３と強磁性膜４との間にトンネル電流を流す。 2
層の強磁性膜を用いた場合には、第１の強磁性膜４ａ、
グラニュラー磁性膜３および第２の強磁性膜４ｂの間に
トンネル電流を流す。このようなトンネル電流を含むセ
ンス電流の電圧を測定することによって、信号磁界等の
外部磁界を検出することができる。この外部磁界の検出
機能は、従来の磁気抵抗効果素子と同様に、磁気抵抗効
果型の磁気ヘッドや磁界センサ等に利用することができ
る。また、グラニュラー磁性膜３と強磁性膜４のうち保
磁力が小さい磁性膜を記録層とし、他方をスピン固定層
とし、同様なセンス電流で記録層の磁化方向を判定する
ことによって、記録層に書き込まれたデータを読み取る
ことができる。これは磁気記憶装置として利用すること
ができる。

【００４２】このような磁気素子１においては、グラニ
ュラー磁性膜３は超常磁性ではなく強磁性体であるた
め、従来のグラニュラーＧＭＲ材料のような飽和磁界が
大きいという問題を解消することができる。加えて、例
えば強磁性膜４に保磁力の小さい軟磁性体を選定すれ
ば、さらに飽和磁界を小さくすることができるため、磁
気抵抗効果を利用した磁気素子の高感度化を図ることが
できる。

【００４３】また、グラニュラー磁性膜３は誘電体マト
リックス６中に磁性微粒子７を分散させているため、絶
縁層を有する従来の強磁性トンネル接合に比べて電気抵
抗をが小さい。さらに、グラニュラー磁性膜３の電流パ
ス方向（膜厚方向）の長さ、あるいは磁性微粒子７の体
積充填率、大きさ、分散状態等を制御することによっ
て、電気抵抗を適当な値に制御することができる。これ
らによって、例えば記憶素子等に用いた場合、素子の高
速動作やＳ／Ｎ比の増大等を図ることができる。そし
て、磁気抵抗効果を発現させる強磁性トンネル接合（積
層膜５）は、グラニュラー磁性膜３をトンネル障壁と
し、この積層膜５のトンネル電流は有限の保磁力を有す
るグラニュラー磁性膜３中の強磁性微粒子７に基くもの
であるため、従来の強磁性トンネル接合における絶縁層
ほどグラニュラー磁性膜３を薄くする必要はない。すな
わち、グラニュラー磁性膜３の膜厚は、作製上均質な状
態が得られる程度とすることができるため、バラツキが
小さい安定した特性を再現性よく得ることができる。

【００４４】上述した積層型の磁気素子１の具体的な素
子構造としては、例えば図１０に示すように、基板２上
に形成された下側の強磁性膜４ａ上に、この下側の強磁
性膜４ａの一部を覆うように、それと直交させたグラニ
ュラー磁性膜３および上側の強磁性膜４ｂを順に積層形
成した構造が挙げられる。この際、基板２上には下側の
強磁性膜４ａに代えて、Ｃｒ等の非磁性金属からなる電
極を形成しておいてもよい。また、上側の強磁性膜４ｂ
上には必要に応じて、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の良導体から
なる電極を形成する。このような構造の磁気素子１にお
いては、グラニュラー磁性膜３と強磁性膜４とが重なり
合う部分（例えば直交部分）に強磁性トンネル接合が形
成され、その部分に膜厚方向にセンス電流を流すことに
よって、グラニュラー磁性膜３を含む強磁性トンネル接
合の磁気抵抗効果を利用することができる。

【００４５】また、積層型の磁気素子においては、グラ
ニュラー磁性膜３と強磁性膜４との積層領域は 1つに限
られるものではなく、例えば図１１に示すように、グラ
ニュラー磁性膜３上に互いに分離された 2つの以上の強
磁性膜４-1、４-2を並列配置するようにしてもよい。図
１１に示す構造では、グラニュラー磁性膜３と強磁性膜
４との積層部分が 2つ形成されている。このような構造
においては、グラニュラー磁性膜３の下側に、それより
低抵抗の下地層１４を設けることが好ましい。この下地
層１４は、強磁性金属膜であっても、また非磁性金属膜
であってもよく、これらによりグラニュラー磁性膜３の
膜面内に沿って流れるトンネル電流を抑制することがで
きる。

【００４６】上記したような構造の磁気素子において
は、グラニュラー磁性膜３と強磁性膜４との積層部分を
複数利用することができるため、抵抗変化率の増大を図
ることが可能となる。またこの場合、電流は下地金属層
１４を流れるが、この部分の抵抗は小さく、素子面積を
微細化すればグラニュラー磁性膜３を横切る抵抗に比べ
て無視できるため、グラニュラー磁性膜３を横切る電流
パスが 2倍になる分だけ電気抵抗が増大する等、各種特
性を調整することができる。

【００４７】次に、本発明の磁気素子の他の実施形態に
ついて説明する。図１２は基板面に沿って電流を流すプ
レーナ型構造を適用した本発明の磁気素子の基本構造の
一例を模式的に示す図である。図１２に示すプレーナ型
磁気素子１５において、基板２上にはグラニュラー磁性
膜３とそれを挟持する 2つの強磁性膜４、４とが基板面
に沿って配列されている。すなわち、グラニュラー磁性
膜３を挟んで対向配置された 2つの強磁性膜４、４（第
１および第２の強磁性膜）が基板面に沿って配列されて
いる。この基板面と平行な方向に接続されたグラニュラ
ー磁性膜３と強磁性膜４との接合部（平行配列型接合
部）が強磁性トンネル接合を構成している。なお、一方
の強磁性膜４に代えて、電極として利用される非磁性金
属膜を配置してもよい。

【００４８】また、図１３はプレーナ型構造のうち特に
エッジ接合型の磁気素子の構造を模式的に示す図であ
る。図１３に示すエッジ接合型磁気素子１６において、
基板２上にはまず強磁性膜４と絶縁層１７とが順に積層
されており、この積層膜の端面は基板面に対して所定の
角度で傾斜された傾斜端面とされている。グラニュラー
磁性膜３と上側の強磁性膜４は、下側の強磁性膜４と絶
縁層１７との積層膜の傾斜端面を少なくとも覆うように
順に積層形成されている。このエッジ接合型磁気素子１
６では、傾斜部において基板面と平行な方向に接続され
たグラニュラー磁性膜３と強磁性膜４との接合部が強磁
性トンネル接合を構成している。なお、上下 2層の強磁
性膜４、４のうち、一方の強磁性膜４に代えて非磁性金
属膜を配置してもよい。

【００４９】上記したプレーナ型の磁気素子（プレーナ
型磁気素子１５およびエッジ接合型磁気素子１６）にお
ける各層の具体的な構成や付加的な構成等は、前述した
積層型の磁気素子１と同様であり、例えばバイアス磁界
印加膜も必要に応じて配置することができる。そして、
プレーナ型の磁気素子１５、１６は、グラニュラー磁性
膜３と強磁性膜４との間のトンネル電流を含むセンス電
流を、基板面に沿って流す以外は前述した積層型の磁気
素子１と同様に、グラニュラー磁性膜３と強磁性膜４の
うち保磁力が小さい磁性膜、例えば強磁性膜４のスピン
の方向を外部磁界等により変化させることによって、巨
大磁気抵抗効果を発現させることができる。

【００５０】このようなプレーナ型の磁気素子１５、１
６によれば、前述した積層型の磁気素子１と同様な効果
を得ることができる。さらに、プレーナ型は微細加工技
術を用いて容易に作製できるため、安定した特性が得ら
れやすいと共に、素子の高密度化を容易に達成すること
が可能である。

【００５１】上述した各実施形態の磁気素子１、１５、
１６は、それぞれ磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁気記憶
装置、磁界センサ等に適用することができる。

【００５２】各実施形態の磁気素子１、１５、１６を用
いた磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、従来の磁気抵抗効果
ヘッドと同様に構成することができる。すなわち、グラ
ニュラー磁性膜３と強磁性膜４のうち保磁力が小さい磁
性膜を感磁層として利用し、この感磁層の磁化方向を例
えば信号磁界に応じて変化させる。その際の積層接合
部、平行配列型接合部またはエッジ接合部の抵抗を測定
することによって、信号磁界等を検出することができ
る。これは磁気記録装置等の再生ヘッドとして有効であ
る。また、磁界センサ等としても使用可能である。

【００５３】次に、各実施形態の磁気素子１、１５、１
６を磁気メモリ等の磁気記憶装置に適用する場合につい
て説明する。

【００５４】この場合、グラニュラー磁性膜３と強磁性
膜４のうち保磁力が小さい磁性膜を記録層、他方をスピ
ン固定層とする。例えば、強磁性膜４を記録層とした場
合、再生は記録層である強磁性膜４とグラニュラー磁性
膜３間の誘起電圧を測定することにより実施される。す
なわち、記録層のスピンを反転させ、グラニュラー磁性
膜３のスピンと平行あるいは反平行に対応して“１”、
“０”を指定する。再生は記録層４とグラニュラー磁性
膜３間の電圧を測定すれば、磁気抵抗効果のために
“１”または“０”によって再生電圧が異なるので、そ
れを識別できることになる。強磁性膜４への“１”また
は“０”の記録は、例えば強磁性膜４の上方にワード線
を設け、それにパルス電流を流し、その向きをスイッチ
することによって行うことができる。この動作におい
て、グラニュラー磁性膜３のスピンは、そのより大きな
保磁力のために向きを変えない。

【００５５】上記したような磁気記憶装置は、積層型の
磁気素子１、プレーナ型の磁気素子１５、１６のいずれ
を用いても同様に構成することができる。なお、グラニ
ュラー磁性膜３を記録層に用い、強磁性膜４をスピン固
定層としてもよい。

【００５６】本発明の磁気記憶装置は不揮発性の固体メ
モリであり、ΗＤＤのような可動部がないために信頼性
が高く、またより高速に動作させることができる。しか
も、電気抵抗を広い範囲で制御でき、さらに非破壊によ
って記録情報を読み出すことができる。さらには出力が
大きいという特徴がある。

【００５７】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について説明する。

【００５８】実施例１ 図１０に示すような構造のグラニュラー磁性膜をトンネ
ル障壁とする強磁性トンネル接合膜を、高周波スパッタ
法を用いて作製した。まず、ガラス基板２上に図１０の
強磁性膜４ａに代えて、下部電極となる長さ10mm、幅
0.5mmの短冊状Ｃｒ膜を作製し、その上にＣｒ膜の一部
を覆うようにグラニュラー磁性膜３を作製し、さらにそ
の上にＣｒ膜と直交するように、Ｃｒ膜と同形状の強磁
性膜４ｂを作製した。次に、上部電極としてＡｕ膜を作
製し、下部電極との間に電圧を印加して磁気抵抗効果を
測定した。

【００５９】グラニュラー磁性膜３としては、Ｃｏ₈₀Ｐ
ｔ₂₀合金とＳｉＯ₂ をターゲットとし、Ａｒガス圧 0.3
Pa、基板バイアス400Wの条件下で、Ｃｏ₈₀Ｐｔ₂₀とＳｉ
Ｏ₂を同時スパッタして、ＳｉＯ₂ 中にＣｏ₈₀Ｐｔ₂₀合
金粒子を分散させた膜（膜厚10nm）を作製した。この状
態において電子顕微鏡を用いて構造観察を行った結果、
Ｃｏ₈₀Ｐｔ₂₀合金粒子がＳｉＯ_x マトリックス中に約 5
0%分散しており、成膜中のバイアス印加によってＣｏ₈₀
Ｐｔ₂₀合金粒子が成長し、粒径は約 8nm、粒間距離は約
1.5nmであった。また、試料振動型磁力計を用いて磁化
測定を行った結果、保磁力は2kＯe と大きく明瞭なヒス
テリシスが得られ、超常磁性的挙動は観測されなかっ
た。

【００６０】上記したグラニュラー磁性膜３上に強磁性
膜４ｂとして、厚さ20nmのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜を成膜し
た。得られた直交積層膜の磁化曲線を図１４に示す。Ｓ
ｉＯ_x マトリックス中にＣｏ₈₀Ｐｔ₂₀合金粒子を分散さ
せたグラニュラー磁性膜３の大きな保磁力と、Ｃｏ₉₀Ｆ
ｅ₁₀合金膜からなる強磁性膜４ｂの20Ｏe という小さな
保磁力を反映して、明瞭な 2段ヒステリシスが観測され
た。

【００６１】磁気抵抗効果の測定においては、初めにマ
イナスの方向に大きな磁場を印加してＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金
膜とグラニュラー磁性膜のスピンをマイナスの方向に揃
え、その後磁場を減じてプラス方向に印加した。得られ
た磁気抵抗変化率の磁場依存性を図１５に示す。磁化曲
線に対応して約20Ｏe という小さな正の磁場で急峻に抵
抗が増大しており、この小さな磁場はＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金
膜の磁化反転が磁気抵抗効果に寄与していることを示し
ている。より大きな正の磁場を印加するとグラニュラー
磁性膜のスピンも反転して抵抗は減少した。最大の抵抗
率は 2.8Ω、磁気抵抗変化率は 14%であった。

【００６２】このように、本発明の磁気素子は非常に高
感度であり、しかも抵抗が絶縁膜を障壁とする従来の強
磁性トンネル接合素子よりも小さいことが明らかであ
る。

【００６３】比較例１ グラニュラー磁性膜を作製する際に、基板バイアスを印
加しなかったことを除いて、実施例１と同じ材料を用い
た同形状の積層膜を作製した。この場合の磁化曲線は図
１６に示すように、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜の磁化曲線と超
常磁性の磁化曲線が重畳した形を示し、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合
金膜の磁化反転に伴う明確な磁気抵抗効果は2%程度であ
った。これは、グラニュラー磁性膜が超常磁性であるた
め、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜とのスピンの反平行状態が実現
できなかったためである。

【００６４】実施例２ 図１３に示したエッジ接合型の強磁性トンネル接合膜を
高周波スパッタ法を用いて作製した。まず、図１３の下
側の強磁性膜４に代えて、ガラス基板２上に実施例１と
同様の条件で、長さ10mm、幅 0.5mm、厚さ20nmのＣｒ膜
を作製し、その上にＡｌＮ絶縁層１７を成膜した。次い
で、収束イオンビームを用いて、Ｃｒ膜とＡｌＮ絶縁層
１７との積層膜の端面に斜めからイオンビームを照射
し、この積層膜の端面を斜めに加工した。この後、上記
した傾斜端面を覆うように、ＳｉＯ_x マトリックス中に
Ｃｏ₈₀Ｐｔ₂₀合金粒子を分散させた厚さ10nmのグラニュ
ラー磁性膜３を形成し、さらにその上に厚さ20nmのＣｏ
₉₀Ｆｅ₁₀合金膜を強磁性膜４として形成した。

【００６５】上記したエッジ接合型の強磁性トンネル接
合膜において、Ｃｒ膜とＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜との間にセ
ンス電流を流し、その電圧を測定して磁気抵抗効果を評
価した。その結果、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜の磁化反転に伴
う磁気抵抗効果が観測された。磁気抵抗変化率は 22%、
磁化反転磁場は20Ｏe であった。

【００６６】実施例３ 図７に構造を示した積層膜を高周波スパッタ法を用いて
作製した。まず、ガラス基板２上に強磁性膜４として、
Ｆｅをターゲットとし、Ａｒガス圧 0.3Pa、基板バイア
ス400Wの条件下で厚さ20nmのＦｅ膜を成膜した。その上
にグラニュラー磁性膜３として、（Ｌａ₇₀Ｓｒ₃₀ΜｎＯ
₃ ）₈₀（Ｂｉ₂ Ｏ₃ ）₂₀をターゲットとして上記条件下
でスパッタし、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 中に強磁性の（Ｌａ_0.7 Ｓｒ
_0.3 ）ＭｎＯ₃ 粒子を分散させた膜（膜厚10nm）を作製
した。次に、このグラニュラー磁性膜３上に膜厚20nmの
ＦｅＭｎ反強磁性膜１０を成膜した。

【００６７】次に、ＦｅＭｎ反強磁性膜１０上にＡｕ電
極をスパッタし、これとＦｅ膜間に電圧を印加して磁気
抵抗効果を測定した。磁気抵抗変化率は 33%、磁化反転
磁場は50Ｏe であった。このように、スピン偏極度100%
の（Ｌａ_0.7 Ｓｒ_0.3 ）ＭｎＯ₃ 粒子をグラニュラー磁
性材料に用いることによって、磁気抵抗変化率が増大
し、より高い感度が得られた。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気素子
によれば、素子構造が簡単であり、安定して良好な特性
が得られ、電気抵抗を広い範囲で制御することができ、
かつ小さな磁場で大きい磁気抵抗変化率を容易に得るこ
とができる。従って、本発明の磁気素子を用いた磁気ヘ
ッドや磁界センサ等は、出力電圧の増大を図ることがで
きると共に、高感度化することが可能となる。また、本
発明の磁気素子を用いた磁気記憶装置によれば、高速で
出力の大きい不揮発性の固体磁気メモリを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の磁気素子の基本構造の概念図であ
る。

【図２】 本発明の磁気素子の基本構造の他の概念図で
ある。

【図３】 本発明の磁気素子が磁気抵抗効果を発現する
ことを説明するための模式図である。

【図４】 本発明における積層型磁気素子の一実施形態
の構造を模式的に示す断面図である。

【図５】 本発明における積層型磁気素子の他の実施形
態の構造を模式的に示す断面図である。

【図６】 積層型磁気素子にバイアス磁界を印加する場
合の一構造例を模式的に示す断面図である。

【図７】 積層型磁気素子にバイアス磁界を印加する場
合の他の構造例を模式的に示す断面図である。

【図８】 本発明の磁気素子における強磁性膜の変形例
を模式的に示す断面図である。

【図９】 図８に示す磁気素子の変形例を模式的に示す
断面図である。

【図１０】 本発明における積層型磁気素子の具体的な
素子構造の一例を示す図である。

【図１１】 本発明における積層型磁気素子のさらに他
の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【図１２】 本発明におけるプレーナ型磁気素子の一実
施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【図１３】 本発明におけるプレーナ型磁気素子の他の
実施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【図１４】 本発明の実施例１による磁気素子の磁化曲
線の測定結果を示す図である。

【図１５】 本発明の実施例１による磁気素子の磁気抵
抗効果の測定結果を示す図である。

【図１６】 比較例１による磁気素子の磁化曲線の測定
結果を示す図である。

【符号の説明】

１………積層型磁気素子 ３、Ｇ……グラニュラー磁性膜 ４、Ｆ……強磁性膜 ５………積層膜 ６………誘電体マトリックス ７………磁性微粒子 １５……プレーナ型磁気素子 １６……エッジ接合型磁気素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荻原 英夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 市原 勝太郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平８−264858（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−250330（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−316548（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−307013（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−97534（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−246623（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 10/32 G11B 5/39 H01F 10/16 H01L 43/08

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体マトリックスと、この誘電体マト
   リックス中に分散した強磁性微粒子とを有し、かつ超常
   磁性を示さず室温で保磁力を持つと共に、スピンの方向
   が実質的に一方向に揃っているグラニュラー磁性膜と、 前記グラニュラー磁性膜と近接配置された強磁性膜とを
   具備し、 前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜との間にトンネ
   ル電流を流すと共に、前記グラニュラー磁性膜と前記強
   磁性膜のうち、保磁力が小さい磁性膜のスピンの方向を
   変化させることにより、前記トンネル電流に対して磁気
   抵抗効果が発現することを特徴とする磁気素子。
2. 【請求項２】 誘電体マトリックスと、この誘電体マト
   リックス中に分散した強磁性微粒子とを有し、かつ超常
   磁性を示さず室温で保磁力を持つと共に、スピンの方向
   が実質的に一方向に揃っているグラニュラー磁性膜と、 前記グラニュラー磁性膜と近接配置された強磁性膜であ
   って、非磁性層を介して積層配置されていると共に、互
   いに反平行に結合している2層の強磁性層を有する強磁
   性膜とを具備し、 前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜との間にトンネ
   ル電流を流すと共に、前記グラニュラー磁性膜と前記強
   磁性膜のうち、保磁力が小さい磁性膜のスピンの方向を
   変化させることにより、前記トンネル電流に対して磁気
   抵抗効果が発現することを特徴とする磁気素子。
3. 【請求項３】 誘電体マトリックスと、この誘電体マト
   リックス中に分散した強磁性微粒子とを有し、かつ超常
   磁性を示さず室温で保磁力を持つと共に、スピンの方向
   が実質的に一方向に揃っているグラニュラー磁性膜と、 前記グラニュラー磁性膜と近接配置された強磁性膜と、 前記グラニュラー磁性膜にバイアス磁界を印加するバイ
   アス磁界印加膜とを具備し、 前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜との間にトンネ
   ル電流を流すと共に、前記グラニュラー磁性膜と前記強
   磁性膜のうち、保磁力が小さい磁性膜のスピンの方向を
   変化させることにより、前記トンネル電流に対して磁気
   抵抗効果が発現することを特徴とする磁気素子。
4. 【請求項４】 誘電体マトリックスと、この誘電体マト
   リックス中に分散した強磁性微粒子とを有し、かつ超常
   磁性を示さず室温で保磁力を持つと共に、隣接する前記
   強磁性微粒子の間隔が3nm以下であり、スピンの方向が
   実質的に一方向に揃っているグラニュラー磁性膜と、 前記グラニュラー磁性膜と近接配置された強磁性膜とを
   具備し、 前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜との間にトンネ
   ル電流を流すと共に、前記グラニュラー磁性膜と前記強
   磁性膜のうち、保磁力が小さい磁性膜のスピンの方向を
   変化させることにより、前記トンネル電流に対して磁気
   抵抗効果が発現することを特徴とする磁気素子。
5. 【請求項５】 誘電体マトリックスと、この誘電体マト
   リックス中に分散した、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合
   金および遷移金属−希土類合金から選ばれる少なくとも
   1種からなる強磁性微粒子とを有し、かつ超常磁性を示
   さず室温で保磁力を持つと共に、スピンの方向が実質的
   に一方向に揃っているグラニュラー磁性膜と、 前記グラニュラー磁性膜と近接配置された強磁性膜とを
   具備し、 前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜との間にトンネ
   ル電流を流すと共に、前記グラニュラー磁性膜と前記強
   磁性膜のうち、保磁力が小さい磁性膜のスピンの方向を
   変化させることにより、前記トンネル電流に対して磁気
   抵抗効果が発現することを特徴とする磁気素子。
6. 【請求項６】 誘電体マトリックスと、この誘電体マト
   リックス中に分散した、粒径が5〜10nmの範囲である強
   磁性微粒子とを有し、かつ超常磁性を示さず室温で保磁
   力を持つと共に、スピンの方向が実質的に一方向に揃っ
   ているグラニュラー磁性膜と、 前記グラニュラー磁性膜と近接配置された強磁性膜とを
   具備し、 前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜との間にトンネ
   ル電流を流すと共に、前記グラニュラー磁性膜と前記強
   磁性膜のうち、保磁力が小さい磁性膜のスピンの方向を
   変化させることにより、前記トンネル電流に対して磁気
   抵抗効果が発現することを特徴とする磁気素子。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれか１項
   記載の磁気素子において、 前記強磁性膜は、前記グラニュラー磁性膜を挟んで対向
   する第１および第２の強磁性膜を有し、前記グラニュラ
   ー磁性膜と前記第１および第２の強磁性膜との間にトン
   ネル電流を流すことが可能であることを特徴とする磁気
   素子。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項７のいずれか１項
   記載の磁気素子において、 前記グラニュラー磁性膜と前記強磁性膜のうち、前記強
   磁性膜のスピンの方向を外部磁界で変化させることによ
   り、前記磁気抵抗効果が発現することを特徴とする磁気
   素子。
9. 【請求項９】 請求項１ないし請求項８のいずれか１項
   記載の磁気素子を具備することを特徴とする磁気ヘッ
   ド。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし請求項８のいずれか１
    項記載の磁気素子を具備することを特徴とする磁気記憶
    装置。