JP3532607B2

JP3532607B2 - 磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JP3532607B2
Application number: JP03691294A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎猪俣; 義則高橋; 好昭斉藤; 志保奥野; 圭一郎柚須
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JPH06318749A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非磁性金属マトリッ
クス中に磁性微粒子が分散した磁性層を用いた磁気抵抗
効果素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素
子は、磁界センサや磁気ヘッドとして広く利用されてい
る。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、かつ使用温度範囲が広いという特徴をもつ。従
来より、磁性体を用いた磁気抵抗効果素子には２％程度
の磁気抵抗変化率を示すパーマロイ合金薄膜が広く用い
られているが、磁気抵抗変化率が小さいため十分な感度
が得られないという問題点がある。

【０００３】これに対し、近年、磁性層と非磁性層とが
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された構造を有し、非磁性金属層
を介して上下の磁性層が反平行に磁気的カップリングし
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、（Ｆｅ／Ｃｒ）_n （Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．，Ｖｏｌ．６１，ｐ２４７２（１９８８）），（Ｃ
ｏ／Ｃｕ）_n （Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔ．，Ｖｏ
ｌ．９４，ｐＬ１（１９９１））等の人工格子膜が開発
されている。これらの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。

【０００４】さらに、ごく最近、多層膜ではなく、Ｃｕ
あるいはＡｇのマトリックス中にＣｏ又はＦｅの磁性微
粒子を分散させた膜も大きな磁気抵抗効果を示すことが
見出されている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８，
３７４９（１９９２），Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．，６８，３７４５（１９９２）、Ｐｈｙｓ．Ｒｅ
ｖ．，４６，９２６６（１９９２））。

【０００５】このような磁性微粒子分散膜は人工格子膜
に比べて作製が容易であり、ＭＲ変化率も２０％程度の
大きな値が得られる。さらに、微粒子は小さく単磁区の
ため、ＭＲ曲線にヒステリシスがなく、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の小
さいことが期待される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記磁性微粒
子分散膜は、大きなＭＲ変化率を得るために１０ｋＯｅ
という大きな磁界を加える必要があり、実用上大きな課
題である。本発明はこのような状況に基づいてなされた
ものであり、その目的はヒステリシス及び飽和磁界が小
さく、大きな磁気抵抗変化率を有し、小さな磁界での磁
気抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果素子を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決しようとする手段および作用】本発明は、
上記課題を解決するために、第１に、貴金属マトリック
ス中にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を
含む非晶質の磁性金属微粒子が分散した磁性層を有する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。

【０００８】第２に、貴金属のマトリックス中にＦｅ，
Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を含む結晶質又
は非晶質の磁性金属微粒子が分散した磁性層と、貴金属
を含む非磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁
気抵抗効果素子を提供する。

【０００９】第３に、貴金属のマトリックス中にＦｅ，
Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を含む結晶質又
は非晶質の磁性金属微粒子が分散した第１の磁性層と、
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を含む第
２の磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵
抗効果素子を提供する。

【００１０】第４に、非磁性金属のマトリックスの中
に、一軸磁気異方性を有する直径２００オングストロー
ム以下の磁性微粒子が分散した磁性層を有することを特
徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。

【００１１】第５に、非磁性金属のマトリックス中に、
磁性微粒子が分散した第１の磁性層と、前記第１の磁性
層よりソフトな磁性を有する第２の磁性層との積層膜を
有することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。

【００１２】第６に、非磁性金属のマトリックス中に、
Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも
２種類以上からなる磁性微粒子が分散した磁性層を有す
ることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。

【００１３】以下、この発明について詳細に説明する。
この発明の第１態様に係る磁気抵抗効果素子は、図１に
示すように、貴金属マトリックス１中にＦｅ，Ｃｏ，Ｎ
ｉのうち少なくとも１種の元素を含む非晶質の磁性金属
微粒子２が分散した磁性層３を有する。

【００１４】従来の磁性金属微粒子が貴金属マトリック
ス中に分散した膜において、その飽和磁界が大きい理由
は、分散粒子が超常磁性的挙動を示す程小さく、かつ分
散微粒子中に大きな磁気異方性が誘起されており、それ
らがランダムに分布しているためと考えられる。

【００１５】この磁気異方性の原因は、結晶磁気異方性
や微粒子のもつ磁歪と内部応力との結合による磁気弾性
エネルギー、および微粒子の形状に基づく形状磁気異方
性によるものと考えられる。従って、これらの磁気異方
性を小さくすることにより飽和磁界を小さくすることが
できる。

【００１６】この態様においては、結晶磁気異方性を小
さくするために、磁性金属微粒子が非晶質材料で構成さ
れる。非晶質合金の結晶磁気異方性は本質的に零である
からである。

【００１７】貴金属マトリックス１を構成する元素とし
ては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなど非強磁性の貴金属元素が挙
げられ、これら単体でもこれらの少なくとも１種を含む
合金であってもよい。

【００１８】非晶質の磁性金属微粒子２はＦｅ，Ｃｏ，
Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を含み強磁性を示すも
のである。上述したようにこの磁性金属微粒子は非晶質
であればよいが、磁歪が実質的に零の非晶質合金を用い
れば磁気弾性に基づく磁気異方性も小さくなるのでより
好ましい。磁歪が実質的に零の非晶質磁性体としては、
（Ｎｉ_x Ｆｅ_y Ｃｏ_z ）_a Ｘ_100-a （ただし、ｘ＝０〜
０．１０、ｙ＝０．０４〜０．１０、ｚ＝０．９０〜
０．９４、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ａ＝６５〜９０、およびＸ
はＮｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，およびＰからなる
群から選択される少なくとも１種）で表される組成のも
のが挙げられる。

【００１９】また、磁性金属微粒子２の磁気異方性を小
さくする観点からは、微粒子２が偏平状であることが好
ましく、アスペクト比が５〜５０程度が好ましい。磁気
抵抗変化率を大きくさせるためには、磁性金属微粒子自
体の体積を小さくすることが好ましく、粒子の長径が５
０〜２００オングストロームであることが好ましい。

【００２０】なお、この態様における貴金属マトリック
スと磁性金属微粒子とからなる層は全体として磁性体で
ある。このような磁性層は、典型的には薄膜状であり、
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、超高真空スパッタ法
など超高真空を用いる薄膜形成技術で作製することがで
きるが、ＲＦマグネトロンスパッタ法、イオンビームス
パッタ法、蒸着法など初期真空度が１０^-7Ｔｏｒｒ以下
（すなわち圧力が１０^-7Ｔｏｒｒ以上）の通常の薄膜形
成技術でも作製することができる。また、必ずしも薄膜
である必要はなく、超急冷などによる薄帯であっても良
い。

【００２１】次に、第２態様について説明する。本発明
の第２の態様に係る磁気抵抗素子は、図２に示すよう
に、貴金属のマトリックス１１中にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの
うち少なくとも１種の元素を含む結晶質又は非晶質の磁
性金属微粒子１２が分散した磁性層１３と、貴金属を含
む非磁性層１４との積層膜１５を有する。

【００２２】このような積層膜を形成することにより、
飽和磁界を低減することができる。これは、このような
積層膜では、貴金属マトリックス中に分散した磁性金属
微粒子の形状が平板状になり、形状磁気異方性が低下す
るためである。

【００２３】この場合、磁性金属微粒子１２としては非
晶質のものばかりでなく、結晶質のものも使用すること
ができる。また、第１の態様と同様、磁気抵抗変化率を
増大させるためには、磁性金属微粒子自体の体積を小さ
くすることが好ましく、粒子の長径が５０〜２００オン
グストロームであることが好ましい。さらに、この態様
においても磁性金属微粒子１２は磁歪が実質的に零であ
ることが好ましく、そのような合金として結晶質のパー
マロイ、あるいは前述した（Ｎｉ_x Ｆｅ_y Ｃｏ_z ）_a Ｘ
_100-a 組成の非晶質合金を用いることができる。さらに
また、磁性微粒子１２が一軸磁気異方性を有するもので
あることが好ましい。この場合に一軸磁気異方性を導入
するためには、後述する第４の態様において適用される
方法と同様の方法を用いることができる。このような磁
性微粒子１２の状態は、図３に示すように、その厚さが
磁性層の厚さと略同じで、且つ磁性層１３の膜面方向に
沿って配列されていることが好ましい。

【００２４】この態様において貴金属マトリックス１１
は第１の態様と同様である。また、このような磁性層１
３に積層されるべき貴金属を含む非磁性層１４は、貴金
属マトリックス１１と同様、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなど非強
磁性の貴金属元素又はこれらを含む合金で構成される。
また、非磁性層１４を介して隣接する磁性層１３は互い
に静磁結合していることが好ましい。

【００２５】このような積層膜１５は典型的には薄膜状
であり、上述したような薄膜形成技術を用いて形成する
ことができる。また、超急冷などによる薄帯であっても
良い。また、このような積層膜１５は、貴金属のマトリ
ックス中に磁性金属微粒子が分散した磁性層と貴金属を
含む非磁性層とを交互に成膜して形成してもよいが、Ｃ
ｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも１種で構成された磁性
層と非磁性層１４とを交互に積層した後に熱処理し、貴
金属元素を磁性層に拡散することにより形成することも
できる。

【００２６】なお、積層体を構成する各層の組成および
膜厚は同一である必要はない。また、磁性層の厚さは５
〜２００オングストロームが好ましく、非磁性層の厚さ
は１０〜１００オングストロームが好ましい。また、積
層数は特に限定されるものではないが、５〜５０程度が
好ましい。

【００２７】このような積層体とすることにより、上述
した飽和磁界を低下させる効果が得られるばかりでな
く、磁気抵抗変化率自体を上昇させることも可能とな
る。次に、第３態様について説明する。

【００２８】本発明の第３態様に係る磁気抵抗素子は、
図４に示すように、貴金属のマトリックス２１中に、Ｃ
ｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を含む結晶
質又は非晶質の磁性金属微粒子２２が分散した第１の磁
性層２３と、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも１種の
元素を含む第２の磁性層２４との積層膜２５を有する磁
気抵抗効果素子である。

【００２９】このような積層膜とすることにより、第２
の態様と同様、貴金属マトリックス中に分散した磁性金
属微粒子の形状が平板状になり、形状磁気異方性が低下
し、その結果、飽和磁界を低減することができる。

【００３０】この場合に、第１の磁性層２３の磁性金属
微粒子２２は、上記態様と同様、粒子の長径が５０〜２
００オングストロームであることが好ましい。さらに、
この態様においても磁性金属微粒子は磁歪が零であるこ
とが好ましく、そのような合金として結晶質のパーマロ
イ、あるいは前述した（Ｎｉ_x Ｆｅ_y Ｃｏ_z ）_a Ｘ
_100-a 組成の非晶質合金を用いることができる。

【００３１】この態様において、第１の磁性層２３にお
ける貴金属マトリックス２１は第２の態様と同様であ
る。また、磁性金属微粒子２２が分散した第１の磁性層
２３に積層されるべき第２の磁性層２４はＦｅ，Ｃｏ，
Ｎｉのうち少なくとも１種の元素を含み強磁性を示すも
のである。

【００３２】なお、この態様においても、積層膜２５を
構成する各層の組成および膜厚は同一である必要はな
い。また、第１の磁性層２３の厚さは５〜２００オング
ストロームが好ましく、第２の磁性層２４の厚さは２０
〜３００オングストロームが好ましい。また、積層数は
特に限定されるものではないが、５〜５０程度が好まし
い。

【００３３】この態様の磁気抵抗効果素子は、第２の態
様と同様に製造することができる。次に、第４の態様に
ついて説明する。本発明の第４の態様に係る磁気抵抗効
果素子は、図５に示すように、非磁性金属のマトリック
ス３１の中に、一軸磁気異方性を有する長径が２００オ
ングストローム以下の磁性微粒子３２が分散した磁性層
３３を有する。

【００３４】この態様では非磁性金属マトリックス３１
中の磁性微粒子３１を一軸磁気異方性を有するものとす
ることにより、飽和磁界が小さい磁気抵抗効果素子を実
現している。すなわち、磁性粒子３２に一軸磁気異方性
をもたせることにより、ランダムな磁気異方性に起因す
る大きな飽和磁界は発生せず、飽和磁界を小さくするこ
とができる。この場合に、磁性微粒子３２は長径が２０
０オングストローム以下のものを用いる。

【００３５】この態様において、非磁性金属マトリック
ス３１としては、非強磁性であり磁気抵抗効果を発揮す
ることができるものであればよく、Ｍｏ，Ｎｂ，Ａｌな
どの非磁性元素又はこれらを含む合金であって非強磁性
を示すものであればよいが、特にＣｕ，Ａｕ，Ａｇなど
の貴金属元素、あるいはこれらを含む合金が好ましい。
このマトリックスは、単結晶膜あるいは多結晶膜であ
る。

【００３６】また、磁性微粒子３２としては、Ｆｅ，Ｃ
ｏ，又はＮｉなどの強磁性元素、あるいはこれらの少な
くとも１種を含む合金であって強磁性を示すものが用い
られる。これらの微粒子はマトリックス３１と部分的あ
るいは全体的に格子整合性を保っている。磁性微粒子３
２の大きさは上述したように直径２００オングストロー
ム以下であるが、あまり小さくても所望の効果を得難い
ため５０オングストローム以上であることが好ましい。

【００３７】全体の形状としては、基板上に形成された
薄膜状、溶湯急冷法による薄帯状、あるいは線状が好ま
しい。この態様において磁気抵抗効果素子を構成する上
記磁性微粒子３２は、膜面に平行なある一定の方向に一
軸性の磁気異方性を有する。ある一定の方位に一軸磁気
異方性を導入する方法としては、以下のような方法が用
いられる。

【００３８】２回対称の表面を有する単結晶基板上、例
えばＭｇＯ（１１０）基板上に膜をエピタキシャル成長
させることによって、ヘテロエピタキシャル膜の特徴で
ある歪みに起因した磁歪の逆効果、あるいは、単結晶膜
特有の結晶磁気異方性効果により、磁化容易軸を基板面
に平行なある一定方向に導入することができ、これによ
り一軸磁気異方性が導入される。

【００３９】また、膜あるいは線を形成後に１０Ｏｅ〜
１０ｋＯｅの磁場中で熱処理することによって一軸磁気
異方性を導入することができる。さらにまた、薄膜を膜
面に平行に印加された磁場中で成膜することによっても
一軸磁気異方性を導入することができる。

【００４０】この態様の薄膜において、電気抵抗は磁場
がゼロ付近で最大になり、磁場が微粒子の磁化の向きが
お互いに揃うまでに印加されると最小となる。この時、
磁場の印加方向と平行な方向に磁化容易軸を向けて磁気
抵抗変化を測定すると、磁場に対する抵抗変化は敏感に
なり感度を上げることができる。

【００４１】なお、このような磁性層は典型的には薄膜
状であり、第１及び第２の態様と同様な薄膜形成技術を
用いて形成することができる。また、超急冷などによる
薄帯であっても良い。

【００４２】本発明の第５の態様は、非磁性金属のマト
リックス４１中に、磁性微粒子４２が分散した第１の磁
性層４３と、前記第１の磁性層よりソフトな磁性を有す
る第２の磁性層４４との積層膜４５を有する。

【００４３】この態様は磁性微粒子が分散された磁性
層、いわゆるグラニュラー層に、この層よりソフトな磁
性を有する磁性層を積層することにより、十分な磁気抵
抗変化率を維持しながら飽和磁界を低下できるという本
発明者らの知見に基づいたものである。

【００４４】ここで、第１の磁性層４３中の磁性微粒子
４２は、例えばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの強磁性元素、あ
るいはこれらの少なくとも１種を含む合金であって強磁
性を示すものである。非磁性金属マトリックスとして
は、非強磁性であり磁気抵抗効果を発揮することができ
るものであればよく、例えば、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃ
ｒ，Ａｌ，Ｒｕ等の非磁性元素又はこれらを含む合金が
用いられる。この第１の磁性層４３の厚さは１０〜１０
０オングストロームが好ましい。

【００４５】また、ソフトな磁性を有するとは、磁気モ
ーメントの向きが反転し易いことを示し、例えば強磁性
体の時保磁力（Ｈｃ）の大小で表すことができる。即
ち、Ｈｃが小さいほどソフトな磁性を有するということ
ができる。ここでは、第１の磁性層４３よりソフトな磁
性を有するとは、第１の磁性層４３より小さい飽和磁界
（Ｈｓ）を有することをいう。第２の磁性層４４は、こ
のようなソフトな磁性を有するために、例えばＦｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ等の遷移金属又は遷移金属を含む合金で形成さ
れたソフト磁性を示す物質、具体的にはパーマロイ、ス
ーパーマロイやセンダストといった従来より用いられて
いるソフト磁性材料で形成されることが好ましい。この
ソフト磁性を示す第２の磁性層４４の膜厚は５〜１００
０オングストローム程度が好ましく、さらに好ましくは
１０〜２００オングストロームである。

【００４６】上述した第１の磁性層４３とソフトな磁性
を有する第２の磁性層４４とにより積層膜４５が形成さ
れる。例えば、基板上に第１の磁性層４３を形成した
後、第２の磁性層４４を形成してもよいし、第２の磁性
層４４を形成した後第１の磁性層４３を形成してもよ
い。また、第１の磁性層４３は１つであっても複数であ
っても良く、例えば、図７に示すように、２つの第１の
磁性層４３の間に第２の磁性層４４を介在させても良
い。また、第２の磁性層４４も１層であっても複数の層
であっても良く、例えば図８に示すように、第１の磁性
層４３と第２の磁性層４４とを交互に積層するようにし
ても良い。

【００４７】磁性微粒子４２が分散された第１の磁性層
４３中の磁気モーメントは、このような磁気モーメント
が反転し易いソフト磁性の第２の磁性層４４の相互作用
により反転し易くなると考えられる。すなわち、第１の
磁性層４３自体で得られる高い磁気抵抗変化率を維持し
ながら、小さな磁界でその磁気モーメントを反転するこ
とができるので、その結果、高い感度を得ることができ
ると考えられる。

【００４８】第１の磁性層４３に分散される磁性微粒子
４２は、長径が５０〜２００オングストロームであるこ
とが好ましい。さらに、磁性微粒子４２は磁歪が実質的
に零であることが好ましく、そのような合金として結晶
質のパーマロイ、あるいは前述した（Ｎｉ_x Ｆｅ_y Ｃｏ
_z ）_a Ｘ_100-a 組成の非晶質合金を用いることができ
る。さらにまた、磁性微粒子４２は偏平状であることが
好ましく、アスペクト比が５〜５０程度が好ましい。さ
らにまた、磁性微粒子４３が一軸磁気異方性を有するも
のであることが好ましい。

【００４９】なお、このような積層膜は典型的には薄膜
状であり、上述した薄膜形成技術を用いて形成すること
ができる。本発明の第６の態様に係る磁気抵抗効果素子
は、図９に示すように、非磁性金属のマトリックス５１
中に、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉからなる磁性元素のうち、少
なくとも２種類以上からなる磁性微粒子５２が分散した
磁性層５３を有する。

【００５０】本発明者らが磁気抵抗効果素子について研
究を進めたところ、ＣｕマトリックスにＣｏ微粒子を含
むグラニュラー層のＣｏの一部をＦｅで置換した時、小
さな磁界での磁気抵抗効果が非常に大きくなることを見
出した。そして、このような効果は、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮ
ｉからなる磁性元素のうち、少なくとも２種類以上から
なる磁性粒子を用いる場合に得られることを見出したの
である。この態様はこのような知見に基づいている。

【００５１】この態様において、非磁性金属マトリック
ス５１は、非強磁性であり磁気抵抗効果を発揮すること
ができるものであればよく、例えば、Ｃｕ，Ａｇ，Ａ
ｕ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｒｕ等の非磁性元素又はこれらを含む
合金が用いられる。

【００５２】磁性微粒子５２は、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉか
らなる磁性元素のうち、少なくとも２種類以上からなる
ものであり、具体的にはＦｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合
金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金で構成され
る。

【００５３】また、本発明者らがさらに研究を進めたと
ころ磁歪定数λがゼロに近いＣｏ₉Ｆｅの微粒子がＣｕ
マトリックス中に分散したグラニュラー層は、磁歪定数
λが大きいＣｏの微粒子がＣｕマトリックス中に分散し
たグラニュラー層に比べて飽和磁界が低減することを見
出した。すなわち、上述した磁性微粒子５２を磁歪定数
λが小さいものとすることにより飽和磁化が一層低下す
るのである。このような効果を得るためには磁歪定数λ
が１０^-5以下であることが好ましい。

【００５４】このような非磁性金属マトリックス５１に
磁性微粒子５２が分散した磁性層（グラニュラー層）５
３の厚さは特に限定されるものではないが、単層膜の場
合１０００〜２００００オングストロームの範囲が好ま
しい。

【００５５】また、磁性微粒子５２は、長径が５０〜２
００オングストロームであることが好ましい。さらに、
磁性微粒子は偏平状であることが好ましく、アスペクト
比が５〜５０程度が好ましい。さらにまた、磁性微粒子
が一軸磁気異方性を有するものであることが好ましい。
なお、この態様における磁性層５３も典型的には薄膜状
であり、上述した薄膜形成技術を用いて形成することが
できる。

【００５６】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。（実施例１）イオンビームスパッタ装置を用い、Ａｇタ
ーゲットとＣｏ₈₅Ｚｒ₆ Ｎｂ₉ ターゲットを用いて、膜
厚１０００ＡのＡｇ₇₅Ｃｏ₂₁Ｚｒ_1.5 Ｎｂ_2.5 をガラス
基板上に作製した。

【００５７】この際に用いたイオンビームスパッタ装置
を図１０に示す。チャンバー６１の排気口６２は図示し
ない真空ポンプに接続され、チャンバー６１内の圧力は
圧力ゲージ６３により測定される。チャンバー６１内に
は基板ホルダ６４が設置され、この基板ホルダ６４に基
板６５が保持される。基板ホルダ６４内には、ヒータ６
６が設けられ、基板ホルダ６４付近には冷却水６７が流
されており、基板ホルダ６４及び基板６５の温度が調節
可能となっている。基板ホルダ６４の温度は熱電対６８
により測定される。基板６５の前面にはシャッタ６９が
設けられている。基板６５に対向する位置にはターゲッ
トホルダ７０が回転自在に設けられ、その表面に複数の
ターゲット７１が取り付けられる。ターゲットホルダ７
０は冷却水７２により冷却される。ターゲット７１に対
向する位置には、イオンガン７３が設けられ、イオンガ
ン７３には、Ａｒガス７４が供給される。

【００５８】このような装置により、先ず、チャンバー
６１内に石英基板６５をセットし、チャンバー６１内を
５×１０^-7Ｔｏｒｒまで排気した後、Ａｒガスを１×１
０^-4Ｔｏｒｒになるまで導入し、スパッタＡｒイオンの
加速電圧を６００Ｖ，ビーム電流３０ｍＡの条件にてス
パッタリングを行った。この膜を真空中で３５０℃×１
５分熱処理した。

【００５９】この膜を透過形電子顕微鏡およびＸ線で観
察したところ、Ａｇマトリックス中に非晶質Ｃｏ−Ｚｒ
−Ｎｂ合金の微細な粒子が分散していることが確認され
た。４端子法を用いて磁気抵抗効果を測定した結果、磁
気抵抗変化率は１５％と大きく、かつ飽和磁界は５０Ｏ
ｅと著しく小さく、ヒステリシスも小さかった。これは
Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ非晶質合金の磁歪が非常に小さく、か
つ結晶磁気異方性が本質的に零であるため、ソフト磁性
が得られた結果であると思われる。（実施例２）実施例１と同一の条件でイオンビームスパ
ッタ法を用いて（１００ＡＡｇ₇₅Ｃｏ₂₅／３０ＡＣ
ｕ）₁₀多層膜をガラス基板上に作製した。これを真空中
で３５０℃×１５分熱処理した。この膜を透過形電子顕
微鏡およびＸ線で観察したところ、Ａｇ₇₅Ｃｏ₂₅層はＡ
ｇマトリックス中にＣｏ平板状粒子が分散した構造にな
っていることが観察された。４端子法を用いて磁気抵抗
効果を測定した結果、磁気抵抗変化率は１５％と大きく
かつ、飽和磁界は１５０Ｏｅと単層膜より小さかった。
これは析出したＣｏ粒子が平板状のため反磁界エネルギ
ーが低下し、よりソフト磁性が得られた結果であると思
われる。（実施例３）イオンビームスパッタ法を用いて実施例１
と同一の条件で（１００ＡＡｇ₇₅Ｃｏ₂₅／５０ＡＡ
ｇ）₁₀多層膜をガラス基板上に作製した。これを真空中
で３００℃×１５分熱処理した。４端子法を用いて磁気
抵抗効果を測定した結果、磁気抵抗変化率は１８％と大
きく、かつ飽和磁界は１３０Ｏｅと著しく低減した。（実施例４）イオンビームスパッタ法を用いて実施例１
と同一の条件で（１００ＡＡｇ₇₅Ｃｏ₂₅／５０ＡＦ
ｅ）₁₀多層膜をガラス基板上に作製した。これを真空中
で３００℃×１５分熱処理した。４端子法を用いて磁気
抵抗効果を測定した結果、磁気抵抗変化率は１５％と大
きく、かつ飽和磁界は２４０Ｏｅと著しく低減した。（実施例５）イオンビームスパッタ装置を用い、実施例
１で示した合金とＡｇとの多層膜、すなわち（１００Ａ
Ａｇ₇₅Ｃｏ₂₁Ｚｒ_1.5 Ｎｂ_2.5 ／５０ＡＡｇ）₁₀を
ガラス基板上に作製した。これを真空中で３５０℃×１
５分熱処理した。この膜を透過形電子顕微鏡およびＸ線
で観察したところ、合金層はＡｇマトリックス中に非晶
質Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ合金の平板状粒子が分散しているこ
とが確認された。４端子法を用いて磁気抵抗効果を測定
した結果、磁気抵抗変化率は１４％と実施例１の結果と
ほぼ同じであったが飽和磁界は３０Ｏｅとかなり小さか
った。これはＣｏ−Ｚｒ−Ｎｂ非晶質合金の磁歪が非常
に小さく、かつ結晶磁気異方性が本質的に零であること
と、平板状粒子のため反磁界が低下し、よりソフト磁性
が得られた結果であると思われる。（実施例６）イオンビームスパッタ装置を用い、実施例
１と同一の条件で（２５ＡＣｏ₉ Ｆｅ／４０ＡＡ
ｇ）₁₀多層膜をガラス基板上に作製した。これを真空中
で３２０℃×１５分熱処理した。この膜を透過形電子顕
微鏡およびＸ線で観察したところ、平板状のＣｏ₉ Ｆｅ
合金粒子がＡｇマトリックス中に分散した膜とＡｇとの
多層膜になっていることが認められた。このＡｇマトリ
ックス中にＣｏ₉ Ｆｅ合金粒子が分散した膜は、熱処理
によりＡｇ原子がＣｏ₉ Ｆｅ層内に拡散してできたもの
と思われる。Ｃｏ₉ Ｆｅ合金粒子の大きさは約１５０オ
ングストロームであった。４端子法を用いて磁気抵抗効
果を測定した結果、磁気抵抗変化率は１８％と大きく、
かつ飽和磁界は５０Ｏｅと小さいことが確認された。（実施例７）イオンビームスパッタ装置を用い、実施例
１と同一の条件で（２５ＡＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀／４０Ａ
Ａｇ）₁₀多層膜をガラス基板上に作製した。これを真空
中で３２０℃×１５分熱処理した。この膜を透過形電子
顕微鏡およびＸ線で観察したところ、平板状のＮｉ₈₀Ｆ
ｅ₂₀合金粒子がＡｇマトリックス中に分散した膜とＡｇ
との多層膜になっていることが認められた。このＡｇマ
トリックス中にＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金粒子が分散した膜は、
熱処理によりＡｇ原子がＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀層内に拡散してで
きたものと思われる。Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金粒子の大きさは
約２００オングストロームであった。４端子法を用いて
磁気抵抗効果を測定した結果、磁気抵抗変化率は５％と
大きく、かつ飽和磁界は１０Ｏｅと小さいことが確認
された。（実施例８）図１０に示すイオンビームスパッタ装置を
用いて、表１に示す条件でＣｕ−Ｃｏ合金膜をガラス基
板およびＭｇＯ（１１０）基板上に作製した。

【００６０】先ずチャンバー内を真空度５×１０^-7Ｔｏ
ｒｒまで排気した後、Ａｒガスを分圧が１×１０^-4Ｔｏ
ｒｒになるまで導入した。ターゲットにはＣｏおよびＣ
ｕを用意し、これを同時にスパッタして合金膜を形成し
た。ＣｏおよびＣｕに投入するパワーを変えることによ
ってＣｏの組成比が１０〜２０原子％の範囲になるよう
に制御した。基板温度は室温及び３００℃に設定した。
加熱基板の場合には基板の両側に永久磁石を配置し、磁
石中で成膜を行った。また、室温で成膜した膜の一部は
成膜後、水素雰囲気中で３００℃の熱処理を磁場をかけ
ながら行った。得られた膜をエッチングにより１ｍｍ×
１ｃｍの長方形に加工し、直流４端子法にて磁気抵抗効
果を測定した。１０％磁気抵抗変化率が得られるときの
印加磁場Ｈ_10% の値を表１に併記する。

【００６１】

【表１】

【００６２】磁気異方性の導入されていないガラス上の
無磁場成膜・無磁場熱処理膜ではＨ_10% は６ｋＯｅ以上
と大きいが、単結晶基板上成膜、あるいは磁場中成膜、
あるいは磁場中熱処理によって、容易軸方向に測定した
場合のＨ_10% が小さくなっており、一軸磁気異方性の効
果が出ていることがわかる。特に単結晶基板上に成膜し
た場合には効果が大きかった。（実施例９）図１０に示したイオンビームスパッタ装置
を用いて、グラニュラー層とソフト磁性層との積層膜を
有する磁気抵抗効果素子の試料、及びその比較試料を作
製した。先ず、チャンバー内を４×１０^-7Ｔｏｒｒの真
空度まで排気した後、イオンガスにＡｒガス（純度９
９．９９％）を分圧が１．３×１０^-4Ｔｏｒｒになるま
で導入し、Ａｒをイオン化し、加速電圧が７００Ｖでビ
ーム電流が３０ｍＡのイオンビームとしてターゲットに
照射した。ターゲットは、磁性微粒子を形成する磁性金
属のＣｏ、非磁性マトリックスを形成する非磁性金属の
Ｃｕ、及びソフト磁性層を形成する磁性金属のＦｅの３
種類準備し、２つのイオンガンを用いて同時スパッタを
行った。最初に、Ｃｏ（２０原子％）−Ｃｕを２０００
Ａの厚さで成膜した後、Ｆｅ層（膜厚５０Ａ）を成膜し
た試料を作製した（試料１）。次に、Ｃｏ（２０原子
％）−Ｃｕを２０００ＡのみでＦｅ層を形成しない試料
を比較例として作製した（試料２）。ここで基板として
はＳｉＯ₂ 基板を用い、基板温度は室温とした。これら
を成膜した後、これらを５×１０^-7Ｔｏｒｒの真空中２
４０℃で３０分間アニールした。

【００６３】このようにして作製した磁気抵抗効果素子
試料の外部磁界に対する磁気抵抗効果を、通常の４端子
法によって測定した。図１１及び図１２は、それぞれ試
料１及び試料２の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒｓ）の外部
磁界（Ｈ）に対する影響を示したものである。この図よ
り、ソフト磁性層がない比較例の磁気抵抗変化率（ΔＲ
／Ｒｓ）は７％で飽和磁界（Ｈｓ）が１０ｋＯｅ以上で
あるのに対し、試料番号１の磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ
ｓ）は７％で飽和磁界（Ｈｓ）が約７ｋＯｅとなってお
り、磁気抵抗変化率はほとんど変化せずに飽和磁界が大
幅に小さくなっていることがわかる。このように、ソフ
ト磁性層を設けることにより良好な磁気抵抗効果を示す
ことが確認された。同様に測定した他の試料について
も、同様の結果が得られた。

【００６４】さらに、ソフト磁性層、グラニュラー膜の
膜厚を変えた試料を作製し、その磁気抵抗効果を測定し
たが同様の効果が得られた。（実施例１０）実施例９とほぼ同様の方法でソフト磁性
層として８０重量％Ｎｉ−２０重量％Ｆｅ合金（パーマ
ロイ）を用い、グラニュラー膜としてＣｏ（２５原子
％）−Ａｇを用いた実施例を示す。

【００６５】図１０に示すイオンビームスパッタ装置に
より、Ｃｏ及びＡｇのターゲットを２つのガンを用いて
同時スパッタし、Ｃｏ（２５原子％）−Ａｇ膜を３００
０Ａの厚さで基板上に形成した後、５×１０^-7Ｔｏｒｒ
真空中４２０℃で３０分アニールし、その上に８０重量
％Ｎｉ２０重量％Ｆｅ（パーマロイ）を５０Ａの厚さで
成膜した試料３と、パーマロイ膜は形成しない試料４を
作製した。

【００６６】その時の試料４の磁気抵抗変化率を図１３
に、試料３の磁気抵抗変化率を図１４に示す、これらの
図よりソフト磁性層がない比較例の磁気抵抗変化率は２
３％で飽和磁界は約１３ｋＯｅであるのに対し、試料３
の磁気抵抗変化率は図１４に示すように２３．５％で飽
和磁界は約８ｋＯｅとなっており、磁気抵抗変化率はほ
とんど変化せずに飽和磁界が小さくなっていることがわ
かる。このようにソフト磁性層を設けることにより、良
好な磁気抵抗効果を示すことが確認された。ソフト磁性
層、グラニュラー膜の膜厚を変えた材料を作製し、その
磁気抵抗効果を測定したが同様の効果が得られた。（実施例１１）この実施例では、磁性微粒子としてＦｅ
₁ Ｃｏ₉ を用い、非磁性金属マトリックスとしてＣｕを
用い、図１０のイオンビームスパッタ装置により同時ス
パッタによってグラニュラー膜を作製した。

【００６７】まずチャンバー内を真空度５×１０^-7Ｔｏ
ｒｒまで排気した後、Ａｒを１．３×１０^-4Ｔｏｒｒに
なるまで導入し、７００Ｖ−３０ｍＡの条件にてスパッ
タリングを行った。ターゲットとしてはＦｅ₁ Ｃｏ₉ 合
金、およびＣｕを用意し、石英基板上に同時に積層して
Ｆｅ₁ Ｃｏ₉ （２０原子％）−Ｃｕグラニュラー膜を形
成した。３０００Ａの膜厚まで成膜した後、５０×１０
^-7Ｔｏｒｒの真空中４３０℃で１０分アニールを行っ
た。

【００６８】この試料の磁気抵抗効果を通常の四端子法
によって測定した。その結果である磁気抵抗変化率を図
１５に示す。比較のために微粒子をＣｏとし、非磁性マ
トリックスをＣｕとして上記条件と同じ条件で作成した
Ｃｏ（２０原子％）−Ｃｕグラニュラー膜の磁気抵抗変
化率を図１６に示す。

【００６９】Ｆｅ₁ Ｃｏ₉ 合金を磁性微粒子として用い
た場合、８．０％という大きな上記抵抗変化率が得られ
たとともに飽和磁界も減少し磁気抵抗効果素子に適した
特性を示すことが確認された。（実施例１２）この実施例では、磁性微粒子としてＦｅ
₂ Ｃｏ₈ を用い、非磁性金属マトリックスとしてＣｕを
用いて、図１０のイオンビームスパッタ装置により実施
例９と同様の成膜条件による同時スパッタによって、Ｆ
ｅ₂ Ｃｏ₈ −Ｃｕ（２０原子％）グラニュラー膜を作製
した。

【００７０】この試料の磁気抵抗変化率を図１７に示
す。Ｆｅ₂ Ｃｏ₈ 合金を磁性微粒子として用いた場合、
７．８％という大きな磁気抵抗変化率が得られ、磁気抵
抗効果素子に適した特性を示した。（実施例１３）この実施例では、磁性微粒子としてＦｅ
₁ Ｃｏ₉ を用い、非磁性金属マトリックスとしてＡｇを
用いて、図１０のイオンビームスパッタ装置により実施
例１１と同様の成膜条件による同時スパッタによってＦ
ｅ₁ Ｃｏ₉ （２０原子％）−Ａｇグラニュラー膜を作製
した。

【００７１】なお、成膜条件は上述のように実施例１１
と同様であるが、アニーリング温度は３５０℃と実施例
１１と異なる温度とした。なお、基板としてはＳｉ上に
１０００Ａ程度の酸化被膜を形成したものを用いた。

【００７２】この試料の磁気抵抗変化率を図１８に示し
た。なお、比較として同条件で作製したＣｏ（２０原子
％）−Ａｇグラニュラー膜を作製し、磁気抵抗変化率を
測定したその結果を図１９に示す。

【００７３】その結果、Ｆｅ₁ Ｃｏ₉ 合金を磁性微粒子
として用いた場合、２７％と比較例よりも大きな磁気抵
抗変化率が得られ、飽和磁界も比較例よりも小さい値と
なった。すなわち、Ｆｅ₁ Ｃｏ₉ 合金を磁性微粒子を用
いることにより磁気抵抗効果素子に適した特性を示すこ
とが確認された。（実施例１４）この実施例は、磁性粒子としてＦｅ₂₅Ｃ
ｏ₇₅を用い、非磁性金属マトリックスとしてＡｇを用い
て、図１０のイオンビームスパッタ装置によりアニール
条件も含めて実施例１３と同様の条件で、Ｃｏ₇₅Ｆｅ₂₅
（２０原子％）−Ａｇグラニュラー膜を作製した。な
お、基板としてはＳｉ（１００）単結晶基板を用いた。

【００７４】この試料の磁気抵抗変化率を図２０に示
す。Ｆｅ₂₅Ｃｏ₇₅合金を磁性微粒子として用いることに
より、比較的小さな飽和磁界を示し、かつ２４．５％と
いう大きな磁気抵抗変化率が得られ、磁気抵抗効果素子
に適した特性を示すことが確認された。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、ヒステリシス及び飽和
磁界が小さく、大きな磁気抵抗変化率を有し、小さな磁
界での磁気抵抗変化率が大きい磁気抵抗効果素子が提供
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果素子を
示す断面図。

【図２】本発明の第２の態様に係る磁気抵抗効果素子を
示す断面図。

【図３】本発明の第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の
好ましい例を示す断面図。

【図４】本発明の第３の態様に係る磁気抵抗効果素子を
示す断面図。

【図５】本発明の第４の態様に係る磁気抵抗効果素子を
示す断面図。

【図６】本発明の第５の態様に係る磁気抵抗効果素子を
示す断面図。

【図７】本発明の第５の態様に係る磁気抵抗効果素子の
他の例を示す断面図。

【図８】本発明の第５の態様に係る磁気抵抗効果素子の
他の例を示す断面図。

【図９】本発明の第６の態様に係る磁気抵抗効果素子を
示す断面図。

【図１０】本発明の実施例に用いられたイオンビームス
パッタ装置を示す模式図。

【図１１】実施例９に係る磁気抵抗効果素子試料の磁気
抵抗変化を示す図。

【図１２】実施例９において比較例として用いた磁気抵
抗効果素子試料の磁気抵抗変化を示す図。

【図１３】実施例１０に係る磁気抵抗効果素子試料の磁
気抵抗変化を示す図。

【図１４】実施例１０において比較例として用いた磁気
抵抗効果素子試料の磁気抵抗変化を示す図。

【図１５】実施例１１に係る磁気抵抗効果素子試料の磁
気抵抗変化を示す図。

【図１６】実施例１１において比較例として用いた磁気
抵抗効果素子試料の磁気抵抗変化を示す図。

【図１７】実施例１２に係る磁気抵抗効果素子試料の磁
気抵抗変化を示す図。

【図１８】実施例１３に係る磁気抵抗効果素子試料の磁
気抵抗変化を示す図。

【図１９】実施例１３において比較例として用いた磁気
抵抗効果素子試料の磁気抵抗変化を示す図。

【図２０】実施例１４に係る磁気抵抗効果素子試料の磁
気抵抗変化を示す図。

【符号の説明】

１，１１，２１…貴金属マトリックス、２，１２，２２
…磁性金属微粒子、３，１３，２３，２４，３３，４
３，４４…磁性層、１４…非磁性層、１５，２５，４５
…積層膜、２３…第１の磁性層、２４…第２の磁性層、
３１…非磁性金属マトリックス、３２，４２…磁性微粒
子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥野志保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)発明者柚須圭一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６−101000（ＪＰ，Ａ) 特開平５−29172（ＪＰ，Ａ) 特開平６−140687（ＪＰ，Ａ) 特開平６−326377（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/08 H01L 43/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】貴金属及びＣｕからなる群より選択され
る少なくとも１種の元素を含むマトリックス中に、アス
ペクト比が５〜５０の範囲にあり、長径が２００オング
ストローム以下であり、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉからなる群
より選択される少なくとも１種の元素を含む偏平状の磁
性金属微粒子が分散した磁性層と、貴金属及びＣｕから
なる群より選択される金属を含む少なくとも１つの非磁
性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果
素子。
【請求項２】貴金属及びＣｕからなる群より選択され
る少なくとも１種の元素を含むマトリックス中に、アス
ペクト比が５〜５０の範囲にあり、長径が２００オング
ストローム以下であり、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉからなる群
より選択される少なくとも１種の元素を含む偏平状の磁
性金属微粒子が分散した第１の磁性層と、Ｆｅ，Ｃｏ及
びＮｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素
を含む第２の磁性層との積層膜を有することを特徴とす
る磁気抵抗効果素子。
【請求項３】前記磁性金属微粒子が結晶質又は非晶質
であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気
抵抗効果素子。
【請求項４】前記磁性金属微粒子は磁歪が実質的に零
であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項
に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】前記磁性金属微粒子は長径が５０〜２０
０オングストロームの範囲であることを特徴とする請求
項１ないし３いずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】前記磁性金属微粒子は一軸異方性が誘起
されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか
１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】非磁性金属のマトリックス中に、磁性微
粒子が分散した第１の磁性層と、前記第１の磁性層より
ソフトな磁性を有する第２の磁性層との積層膜を有する
ことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】マトリックス中に、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉ
からなる群より選択される少なくとも２種類以上の磁性
微粒子が分散した磁性層を有することを特徴とする請求
項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。