JP3583091B2

JP3583091B2 - 磁気抵抗素子とその製造方法

Info

Publication number: JP3583091B2
Application number: JP2001268655A
Authority: JP
Inventors: 雅祥平本; 博榊間; 秀明足立; 望松川; 賢二飯島; 三男里見
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: JP2002190631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光磁気ディスク、ハードディスク、デジタルデータストリーマ（ＤＤＳ）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、回転速度検出用の磁気センサー、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）等に使用される磁気抵抗素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＰＰ（ＣｕｒｒｅｎｔＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｔｈｅＰｌａｎｅ）−ＧＭＲ素子は、導電体である中間層を挟んだ強磁性層間のスピン依存散乱を利用した磁気抵抗素子であり、ＴＭＲ素子は、絶縁体であるごく薄い中間層を挟んだ強磁性層間のスピントンネル伝導を利用した磁気抵抗素子である。いずれの素子でも、電流は多層体の膜面に対して垂直方向に流される。これらの素子では、磁化相対角の変化の再現性を高めるために、強磁性層の一方が、例えばＦｅＭｎやＩｒＭｎのような反強磁性層と積層した固定磁性層とされることがある。また、反強磁性層に、例えばＣｏ／Ｒｕ／Ｃｏのような反強磁性結合を含む積層フェリ構造を積層すると、固定磁性層の固定磁界をさらに高めることができる。
【０００３】
強磁性材料としては、バンド計算によりスピン分極率が１００％と予想されているハーフメタル材料が注目されている。特にＴＭＲ素子では、強磁性体中のスピン分極率が高いほど、高い磁気抵抗変化率が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ハーフメタル材料を用いた素子からは、室温で高い磁気抵抗変化率が未だ得られていない。特に、酸化物であるハーフメタル材料を酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法により形成する場合には、酸素量が化学量論比からずれやすく、良質な磁性薄膜を得ることが困難である。ハーフメタル材料を用いた磁気抵抗素子からは、さらに高い磁気抵抗変化率が得られる可能性がある。
【００１２】
本発明によれば、中間層と、この中間層を挟持する一対の磁性層とを含み、この磁性層の少なくとも一方が、(100)、(110)または(111)面配向した酸化物フェライトを含み、上記面内に外部磁場を導入することにより電気抵抗の変化を検知することを特徴とする磁気抵抗素子が提供される。外部磁場は、(100)、(110)または(111)面内の磁化容易軸方向に導入することが好ましいが、各面は、面内において無配向であってもよい。
【００１３】
酸化物フェライトには、ＭｎＺｎフェライト、ＮｉＺｎフェライト、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）等が含まれる。酸化物フェライトが、配向成長している場合には、（１００）、（１１０）または（１１１）面での磁気抵抗変化率が比較的高い。また、特にエピタキシャル成長している場合には、磁化容易軸方向に外部磁場を導入することにより、外部磁場に対する磁気抵抗変化の磁化応答性が高くなる。
【００１４】
本発明の別の側面からは、上記素子の製造に適した方法が提供される。この方法は、中間層と、この中間層を挟持する一対の磁性層とを含み、この磁性層の少なくとも一方が酸化物フェライトを含む磁気抵抗素子の製造方法であって、上記酸化物フェライトを、酸化物ターゲットを用いるスパッタリング法により、上記酸化物フェライトを形成すべき面を含む基体にバイアス電圧を印加しながら形成することにより、上記酸化物ターゲットから上記記酸化物フェライトへと供給される酸素の量を調整することを特徴とする。
【００１５】
酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法では、微妙な組成ずれが生じやすく、このずれが素子の特性を劣化させる。上記方法によれば、組成の制御が容易となるため、素子の再現性を高めることができる。上記方法は、その他の化合物磁性薄膜にも適用できる。即ち、本発明のさらに別の側面によれば、化合物磁性薄膜を、化合物ターゲットを用いるスパッタリング法により、上記化合物磁性薄膜を形成すべき面を含む基体にバイアス電圧を印加しながら形成することにより、上記化合物ターゲットから上記化合物磁性薄膜へと供給される酸素および窒素から選ばれる少なくとも一方の量を調整することを特徴とする化合物磁性薄膜の形成方法が提供される。この方法によれば、所望の化学量論比を有する化合物磁性薄膜を再現性よく得ることができる。
【００１６】
なお、本発明の素子は、上記に記載した複数の側面を同時に備えていてもよい。本発明の素子は、より多くの層を含んでいてもよく、例えば、２以上の非磁性層とこれを挟持する磁性層が配置されていても構わない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１９】
磁界シフト量とは、磁界（Ｈ）と磁化（Ｍ）との関係を示す磁化−磁界曲線（Ｍ−Ｈ曲線）において、磁化が０（Ｍ＝０）となる２つの磁界をＨ1、Ｈ2としたときに、以下の式により定まるｓである（図１参照）。
ｓ＝（Ｈ1＋Ｈ2）／２
【００２５】
本発明により提供される磁気抵抗素子の好ましい形態を、以下に例示する。例えば、基板または下地層上に、(110)面にエピタキシャル成長したマグネタイトの場合、この面内における<100>軸方向を０度とし、(110)面内において、30度以上150度以下の範囲内に外部磁場を導入して、磁気抵抗の変化を検知するとよい。このように外部磁場を導入すると、磁気抵抗変化の磁化応答性が高くなる。この形態は、結晶磁気異方性エネルギーのうち、少なくともＫ1が負、好ましくはＫ2も負の値を有する酸化物フェライトに適している。Ｋ1が正、好ましくはＫ2も正の値を有する酸化物フェライトの場合には、<100>軸方向を０度とし、(110)面内において、170度以上190度以下の範囲内に外部磁場を導入するとよい。
【００２６】
一方、（１００）面にエピタキシャル成長したマグネタイトの場合、この面内における＜１００＞軸方向を０度とし、（１００）面内において、４０度以上５０度以下または１３０度以上１４０度以下の範囲内に外部磁場を導入するとよい。この形態は、結晶磁気異方性エネルギーのうち、Ｋ_１が負、好ましくはＫ_２も負の値を有する酸化物フェライトに適している。Ｋ_１が正、好ましくはＫ_２も正の値を有する酸化物フェライトの場合は、＜１００＞軸方向を０度とし、（１００）面内において、８５度以上９５度以下または１７５度以上１８５度以下の範囲内に外部磁場を導入するとよい。
【００２７】
（１１１）面にエピタキシャル成長したマグネタイトの場合は、この面内において、任意の範囲の角度内に外部磁場を導入して磁気抵抗の変化を検知すれば、高い磁化応答性が得られる。＜１１０＞軸方向を０度とし、（１１１）面内において、３０度、９０度または１５０度を含む範囲、好ましくは実質的に左記いずれかの角度から外部磁場を導入するとさらによい。この好ましい形態は、少なくともＫ_２が負の値を有する酸化物フェライトについて共通する。少なくともＫ_２が正である場合には、＜１１０＞軸方向を０度とし、（１１１）面内において、０度、６０度または１２０度を含む範囲、好ましくは実質的に左記いずれかの角度から外部磁場を導入するとさらによい。
【００２８】
（１００）面、（１１０）面または（１１１）面に配向し、かつ面内においては無配向となるように成長したマグネタイトでは、各面内において、任意の範囲の角度内に外部磁場を導入すればよい。特に、Ｆｅ_３Ｏ_４の面方向の平均結晶幅を１０ｎｍ以下とすれば、見かけ上の結晶磁気異方性エネルギーが小さくなるために、磁気的にソフトなＦｅ_３Ｏ_４、またはＦｅ_３Ｏ_４を主成分とする強磁性体とすることができる。これは、Ｆｅ_３Ｏ_４に限らず、酸化物フェライト全体に共通する。
【００２９】
なお、酸化物フェライトと接する中間層に、ｄ電子を含む元素を含有させると磁気抵抗の変化率が大きくなる傾向が見られる。ｄ電子を含む元素とは、周期律表の原子番号が２１番以降の元素である。
【００３０】
酸化物フェライトのように酸素および／または窒素と遷移金属とを含有する化合物磁性薄膜を、化合物磁性ターゲットを用いたスパッタリング法により形成する場合には、酸素や窒素の組成ずれが生じやすい。しかし、化合物磁性薄膜を形成する基板または下地層にバイアスを印加して薄膜に含まれる酸素および／または窒素の量を制御しながら成膜すると、再現性が高く化合物磁性薄膜を形成できる。この方法は、不活性ガスとともに酸素および／または窒素を含むスパッタリングガスを用いる反応性スパッタリング法と併用してもよい。
【００３１】
バイアスの印加は、例えば、▲１▼基板を電気的にグランドから浮かして、放電電力、ガス圧力等により定まるプラズマ密度条件により印加されるバイアスを制御する、▲２▼基板を電気的にグランドから浮かして、外部の電源により直流（ＤＣ）または高周波（ＲＦ）バイアスを印加することによって行えばよい。ＲＦバイアスの周波数は、通常使用されている範囲であればよく、例えば１０ＭＨｚ以上とすればよい。
【００３２】
この方法は、ＲＦスパッタリング法、例えばＲＦマグネトロンスパッタリング法に適している。これらのスパッタリング法に適用する場合は、ターゲットとする化合物磁性体にＲＦ電圧を印加しながら、基板にＤＣまたはＲＦバイアスを印加して成膜すればよい。ターゲットおよび基板へのＲＦ電圧供給は、膜最表面の磁気劣化層の形成を抑制するために、同期させることが好ましい。
【００３３】
この成膜方法は、酸化物フェライト等の酸化物磁性薄膜の形成に特に適している。一般に、酸化物磁性ターゲットは、比較的電気抵抗が高く、これを用いて無バイアスで成膜すると、酸素が過剰に供給される傾向がある。膜中の酸素を低減するためには負バイアスの印加が有効であり、電気抵抗が高い膜であるためＲＦバイアスの適用が好ましい。ただし、酸化物フェライトを含む上記素子の製造方法が、上記成膜方法に制限されるわけではない。例えば、酸素量を化学量論比以下とした化合物磁性ターゲットを用い、通常のスパッタリング法による組成ずれを利用してもよい。また、上記ターゲットを用い、不足酸素を反応性スパッタリング法により補ってもよい。
【００３４】
なお、化合物磁性薄膜の結晶性を高めるためには、基板温度を２５０℃以上７００℃以下とするとよい。基板の加熱には、バイアスを印加するため、輻射加熱が適している。
【００３５】
以上説明した磁気抵抗素子は、特に多層膜の膜面に垂直に電流を流す垂直電流型素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）に有用であるが、膜面方向に電流を流す素子（ＣＩＰ−ＧＭＲ素子）にも効果がある。
【００３６】
ＴＭＲ素子の中間層としては、酸素、窒素、炭素および硼素から選ばれる少なくとも１種の元素を含む絶縁体または半導体を用いればよい。好ましい材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＴｉＣ、ＨｆＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＣ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴａＮ、ＴａＣ、ＢＮ，Ｂ_４Ｃ、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、Ｃ６０、これらの混合物が挙げられる。
【００３７】
ＧＭＲ素子の中間層としては、遷移金属元素を含む導電体を用いればよい。遷移金属と、酸素、窒素および炭素から選ばれる少なくとも１種とを含む導電性化合物を用いてもよい。また、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子とする場合には、素子面積（電流が通過する中間層の面積）を０．１μｍ^２以下とするとよい。素子面積を制限することにより、素子抵抗が上昇し、同時に耐熱性も向上するからである。中間層としては、特に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、ＲｅおよびＯｓから選ばれる少なくとも１種が好ましい。これらの金属を導電性を失わない程度に酸化、窒化または炭化してもよい。また、遷移金属Ｘと化合物Ｒ（ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｎ、ＴｉＯ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＨｆＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＣ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴａＮ、ＴａＣ、ＢＮおよびＢ_４Ｃから選ばれる少なくとも１種）との混合物を用いてもよい。また、Ｘ／Ｒのように２層以上の多層膜とすると、素子抵抗および耐熱性が向上することがある。
【００３８】
非磁性体層には、非磁性の導電性材料を用いればよい。磁性体層を静磁結合させる非磁性体層の好ましい材料としては、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられる。磁性体層を反強磁性結合させる非磁性体層の好ましい材料としては、例えば、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｏｓ等が挙げられる。
【００３９】
反強磁性結合に好ましい非磁性体層の厚みは、材料により相違するが、概ね０．２〜１．３ｎｍ程度である。この厚みは、例えば非磁性体がＣｒである場合には０．８〜１．３ｎｍが、Ｒｕである場合には０．２〜０．５ｎｍまたは０．６〜１．０ｎｍが、Ｉｒである場合に０．３〜０．５ｎｍが、Ｒｈである場合には０．４〜０．８ｎｍが、それぞれ特に好ましい。
【００４０】
磁性体層の材料および厚みには特に制限はなく、従来から用いられてきた材料や厚みを適用すればよい。なお、静磁結合を用いる場合は、磁性体層の厚みを１．５〜２０ｎｍとするとよい。１．５ｎｍよりも薄くなると静磁結合による静磁エネルギーの低下が小さく、２０ｎｍよりも厚くなると各磁性体層からの漏れ磁界が閉磁されにくくなるからである。
【００４１】
磁性層は、少なくとも中間層との界面から０．５ｎｍ以内の領域では、以下の材料から構成することが好ましい。▲１▼ＣｏＮｂＺｒ、ＣｏＴａＺｒ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＴｉ、ＣｏＺｒ、ＣｏＮｂ、ＣｏＭｏＢＺｒ、ＣｏＶＺｒ、ＣｏＭｏＳｉＺｒ、ＣｏＭｏＺｒ、ＣｏＭｏＶＺｒまたはＣｏＭｎＢ等のＣｏ系アモルファス材料、▲２▼ＦｅＳｉＮｂ、Ｆｅ（Ｓｉ，Ａｌ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ）Ｎ等のＦｅ系微結晶材料、▲３▼Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる強磁性元素を５０ｗｔ％以上含む材料、例えばＦｅＣｏ合金，ＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、またはＦｅＣｒ、ＦｅＳｉＡｌ、ＦｅＳｉ、ＦｅＡｌ、ＦｅＣｏＳｉ、ＦｅＣｏＡｌ、ＦｅＣｏＳｉＡｌ、ＦｅＣｏＴｉ、Ｆｅ（Ｎｉ）Ｃｏ）Ｐｔ、Ｆｅ（Ｎｉ）（Ｃｏ）Ｐｄ、Ｆｅ（Ｎｉ）（Ｃｏ）Ｒｈ、Ｆｅ（Ｎｉ）（Ｃｏ）Ｉｒ、Ｆｅ（Ｎｉ）（Ｃｏ）Ｒｕ等の強磁性、もしくは希薄磁性合金、▲４▼ＦｅＮ、ＦｅＴｉＮ、ＦｅＡｌＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＴａＮ、ＦｅＣｏＮ、ＦｅＣｏＴｉＮ、ＦｅＣｏＡｌＮ、ＦｅＣｏＳｉＮ、ＦｅＣｏＴａＮ等の窒化物、▲５▼Ｆｅ_３Ｏ_４、▲６▼ＸＭｎＳｂ（Ｘは、Ｎｉ、ＣｕおよびＰｔから選ばれる少なくとも１種）、ＬａＳｒＭｎＯ、ＬａＣａＳｒＭｎＯ、ＣｒＯ_２等ハーフメタリック材料、▲７▼ペロブスカイト型酸化物、ＭｎＺｎフェライト、ＮｉＺｎフェライト等のスピネル型酸化物、▲８▼ガーネット型酸化物。これらを５０ｗｔ％以上含む強磁性体またはフェリ磁性体としてもよい。なお、本明細書においてカッコ内の元素または層は、任意の元素または層である。
【００４２】
本発明により提供される各素子の構成を図２に例示する。この素子では、基板１４上に、下部電極兼下地層１３、第１磁性層１７、中間層１６、第２磁性層１５、上部電極１１がこの順に積層されている。磁性層と中間層とからなるメサ型の素子部は、層間絶縁膜１２により囲まれている。第１、第２のいずれの磁性層が自由磁性層（固定磁性層）であってもよく、またはいずれの磁性層が酸化物フェライトを含んでいてもよい。磁性層、中間層は多層膜であってもよく、さらに反強磁性層等その他の層が配置されていてもよい。素子の構成は、図２の例示に制限されない。
【００４３】
磁性層等の各層は、従来から知られている各種の気相成膜法により形成すればよい。気相成膜法としては、イオンビームデポジション（ＩＢＤ）、クラスターイオンビーム、ＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰ、対向ターゲット等の各種スパッタリング法、ＭＢＥ法、イオンプレーティング法等が挙げられる。これらのＰＶＤ法に加え、特に層間絶縁膜の作製にはＣＶＤ法（化学蒸着法）を用いてもよい。
【００４４】
酸化物等の化合物である中間層は、化学ビームエピタキシ法、ガスソースＭＢＥ法、反応性蒸着法、反応性スパッタリング法等を用いれば、直接成膜できる。プラズマの発生を伴う方法（例えば反応性スパッタリング法）により中間層を形成する場合には、露出した磁性層表面の酸化等を抑制するために、磁性層上に、予めバリア層を形成しておくとよい。バリア層としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ等のごく薄い層、例えば１原子〜数原子層程度の層、が適している。プラズマの発生を伴わない反応性蒸着法等により、１原子層程度の酸化物、窒化物、炭化物、硼化物層等を成膜して磁性層を保護してもよい。化合物である中間層は、直接成膜するのではなく、中間層を構成する元素（例えばＡｌ）を磁性層上に成膜し、これを酸素等を含む反応ガスの原子、分子、イオン（プラズマ）、ラジカル等の雰囲気に、適当な分圧、反応温度および時間だけ曝すことで化合物（例えばＡｌ_２Ｏ_３）としてもよい。成膜／酸化等のプロセスを複数回繰り返して所望の厚みの中間層としてもよい。
【００４５】
素子部をメサ型に加工する方法も特に制限されず、通常の微細加工プロセスで用いられるイオンミリング、ＲＩＥ、ＥＢ、ＦＩＢ等の物理的または化学的エッチング法や、フォトリソグラフィー技術を用いればよい。また、下部電極の平坦化のために、ＣＭＰ法、クラスターイオンビームエッチング法を用いて表面処理すると、磁気抵抗変化率の向上に効果がある。
【００４６】
【実施例】
（参考例１）
マグネトロンスパッタリング法によりSi熱酸化基板上に以下のサンプルを作製した。
【００４７】
（サンプル１）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３（１）／ＣｏＦｅ（３）／Ｒｕ（０．８）／ＣｏＦｅ（３）／ＰｔＭｎ（２０）／Ｔａ（３）
（サンプル２）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３（１）／ＣｏＦｅ（７）／Ｔａ（３）
（サンプル３）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３（１）／ＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（１０）／Ｔａ（３）
（サンプル４）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３（１）／ＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（３）／ＣｏＰｔ（４．４）／Ｔａ（３）
（サンプル５）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３（１）／ＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／ＰｔＭｎ（２０）／Ｔａ（３）
（サンプル６）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ｃｕ（２．２）／ＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／ＰｔＭｎ（２０）／Ｔａ（３）
【００４８】
カッコ内の数値は膜厚である（単位：ｎｍ、以下同様）。ここで、Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）は下部電極兼下地層、ＣｏＦｅ（３）／Ｒｕ（０．８）／ＣｏＦｅ（３）／ＰｔＭｎ（２０）は積層フェリ構造を用いた固定磁性層、ＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（３）／ＣｏＰｔ（４．４）、ＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）またはＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（１０）は静磁結合を用いた固定磁性層、Ａｌ_２Ｏ_３またはＣｕは中間層、残りが自由磁性層（ただし、最表面Ｔａ（３）は保護膜）である。なお、ＣｏＰｔ（４．４）の保磁力は５００（Ｏｅ）である。
【００４９】
上記を成膜した後、４００℃、５ｋＯｅ（３９８ｋＡ／ｍ）の磁界中、１．５時間の熱処理を行った。次いで、各多層膜を、ステッパを用いて、中間層において電流が流れる素子面積が０．１〜２０μｍ^２、この層の面の形状比が４：１となるようにメサ型に微細加工した。引き続き、層間絶縁膜および上部電極を形成して垂直電流型の磁気抵抗素子とした。なお、素子の長手方向と熱処理時の磁場印加方向とは同一方向とした。
【００５０】
こうして得た各素子に、素子形状の長手方向に±１０００（Ｏｅ）（７９．６ｋＡ／ｍ）の外部磁場を印加することで測定した磁気抵抗変化率（ＭＲ値）を示す。
【００５１】

【００５２】
積層フェリ構造を含むサンプル１、形状異方性による保磁力差を利用したサンプル２と比較して、素子面積が１０μｍ^２以下では、サンプル３〜６のＭＲ値が高くなった。サンプル２と比較して、サンプル３〜６のＭＲ値が高いのは、静磁結合により自由磁性層への漏れ磁界の影響が低減したためと考えられる。サンプル４および５では、反強磁性体または高保磁力磁性体を用いているために、ＭＲ値の素子面積依存性が小さくなっている。Ｃｕを中間層に用いたサンプル６は、反強磁性体を含んでいるが、素子面積が小さくなるにつれて面積当たりの電流が実質的に増えるために、素子面積依存性が高くなる。
【００５３】
次に、下記の膜構成において、非磁性体層であるＴａの膜厚Ｘを変化させたときのＭＲ値を調べた。表２に結果を示す。熱処理条件を含め、上記と同様の条件で作製し、素子形状比も４：１とした。素子面積は０．１μｍ^２とした。
【００５４】
（サンプル７）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５０）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３（１）／ＣｏＦｅ（３）／Ｔａ（Ｘ）／ＣｏＦｅ（３）／ＰｔＭｎ（２０）／Ｔａ（３）
【００５５】
【表２】

【００５６】
非磁性体層の膜厚が静磁結合が支配的となる範囲（好ましくは２．６〜１０ｎｍ程度）であるときに、高いＭＲ値が得られた。同様の実験の結果、磁性体層の好ましい厚みは、１．５〜２０ｎｍの範囲であった。また、同様の実験を、上記に例示した各種強磁性体、各種非磁性体、各種高保磁力材料（反強磁性体）についても、同様の傾向が測定される。
【００５７】
（参考例２)
Si熱酸化基板上に以下の膜構成を有する素子を作製した。
【００５８】
Ｔａ（３）／Ｃｕ（５００）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ｒｕ（０．７）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３／ＣｏＦｅ（３）／ＮｉＦｅ（４）／Ｔａ（３）
【００５９】
Ａｌ_２Ｏ_３層の形成のために成膜したＡｌの膜厚を変えて、それぞれについてＭＨカーブを測定し、磁界シフト量を求めた。結果を図３に示す。Ａｌの膜厚が薄くなるにつれて、磁界シフト量は大きくなった。この理由の詳細は明らかではないが、Ａｌ_２Ｏ_３層が薄くなるにつれて、自由磁性層と固定磁性層との間のオレンジピールカップリングにより、両磁性層の間に正の磁気結合が生じたと考えられる。
【００６０】
次に、Ａｌ膜厚を０．７ｎｍとして、以下の膜構成を有する素子を作製した。
【００６１】
（サンプル１１）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５００）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（３）／Ｒｕ（０．７）／ＣｏＦｅ（５）／Ａｌ_２Ｏ_３／ＣｏＦｅ（３）／ＮｉＦｅ（４）／Ｔａ（３）
（サンプル１２）Ｔａ（３）／Ｃｕ（５００）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（５）／Ｒｕ（０．７）／ＣｏＦｅ（３）／Ａｌ_２Ｏ_３／ＣｏＦｅ（３）／ＮｉＦｅ（４）／Ｔａ（３）
【００６２】
両素子についてＭＨカーブを測定したところ、磁界シフト量は、サンプル１１では抑制され、サンプル１２ではむしろ増大する傾向が見られた。さらにサンプル１１について、多層膜をメサ型に加工してＭＲ値を測定したところ、ＲＡ（規格化接合抵抗）１５Ωμｍ^２で３０％のＭＲ値を得た。磁界シフト量は、ほぼ０（Ｏｅ）に抑制されていた。
【００６３】
このように、特に中間層の膜厚が薄い場合には、中間層側の磁性体層の飽和磁化と膜厚との積がより大きいと磁界シフトを抑制できる。さらに詳細な実験の結果、上記Ｍｄｅ／Ｍｄｏが０．５を越え１未満であるときに、磁界シフトが少ない磁気抵抗素子が得られることが確認できた。
【００６４】
（実施例１）
Fe₃O₄ターゲットを用いた、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、Si熱酸化基板上に室温でFe酸化物を成膜した。成膜時には、０、５または10ＷでＲＦバイアスを印加した。こうして成膜したFe酸化物膜のＸ線回折の結果を図４に示す。ＲＦバイアスが０ＷではFe₂O₃が、５ＷではFe₃O₄が、10ＷではFeOがそれぞれ成膜されており、バイアスを増すにつれて酸素量は減少した。Fe₃O₄は、基板面に平行に(111)面が観察され、(111)面配向していることが確認された。また、ＭＨカーブの測定等から、膜面内では無配向であることも確認された。基板温度を変化させてFe₃O₄を形成したところ、基板温度が250℃〜700℃の範囲内で、高い結晶性を有するFe₃O₄を容易に作製できることが確認された。
【００６５】
Ｓｉ熱酸化基板上に、基板温度を３００℃とし、膜厚３００ｎｍのＰｔ膜を成膜し、バイアス５Ｗの条件で、膜厚５０ｎｍのＦｅ_３Ｏ_４膜を成膜した。次いで、基板温度を室温に戻した後、Ａｌ_２Ｏ_３膜を形成し、さらに膜厚２０ｎｍのＣｏＦｅ膜を積層した。この多層膜のＭＲ値を測定したところ３％程度であった。この値は、印加磁界の方向によらず一定であった。
【００６６】
ＭｇＯ基板（１００）、（１１０）または（１１１）面上に、上記と同様にして多層膜を形成した。各多層膜のＭＨカーブと微細加工した後のＭＲカーブを図５〜７に示す。図５では（１００）面内の＜１００＞または＜０１０＞軸方向に、図６では（１１０）面内の＜１１０＞または＜００１＞軸方向に、図７では（１１１）面内の任意の方位から、それぞれ外部磁場を印加したときの結果が示されている。
【００６７】
最も高いＭＲは、（１１０）面の＜１１０＞軸方向に外部磁場を印加したときに得られた。この結果は、それぞれの膜面内での異方性エネルギー分布図（図８）からわかるように、磁化容易軸方向とみなせる方向に外部磁界を印加すると最も高いＭＲが得られることを示唆している。Ｆｅ_３Ｏ_４のように、高いスピン分極率を持ちながら、比較的結晶磁気異方性が大きい材料をデバイスとして用いる場合には、磁化困難軸方向を用いると、実用的な磁場範囲では磁気飽和しない。このため、高いＭＲを得ることが困難となる。
【００６８】
さらに、酸化物フェライトと接する部分にｄ電子を含む元素（例えばＴａ）を含有する中間層を用いて上記と同様の実験を行ったところ、さらにＭＲが向上した。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化物フェライトへの外部磁界の印加方向を特定することにより、高いＭＲを有する磁気抵抗素子を提供できる。また、基板にバイアスを印加して酸素等の含有量を調整することにより、特性に優れた化合物磁性薄膜、例えば酸化物フェライト、を再現性よく成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁界シフト量ｓを説明するための図面である
【図２】本発明の磁気抵抗素子の一例を示す断面図である。
【図３】中間層とするためのＡｌ厚みと磁界シフト量との関係の例を示す図面である。
【図４】基板へのバイアスによって得られるＦｅ酸化物の結晶構造が相違することを例示するためのＸ線回折図であり、図４（ａ）はバイアス０Ｗ、図４（ｂ）は同５Ｗ、図４（ｃ）は同１０Ｗを印加したときの回折図である。
【図５】ＭｇＯ（１００）面上に形成したＦｅ_３Ｏ_４に特定の方向から外部磁界を印加したときのＭＨカーブとＭＲカーブの一例であり、図５（ａ）は〈１００〉軸方向から、図５（ｂ）は〈０１０〉方向から、それぞれ外部磁界を印加したときの例である。
【図６】ＭｇＯ（１１０）面上に形成したＦｅ_３Ｏ_４に特定の方向から外部磁界を印加したときのＭＨカーブとＭＲカーブの一例である。図６（ａ）は〈１１０〉軸方向から、図６（ｂ）は〈００１〉方向から、それぞれ外部磁界を印加したときの例である。
【図７】図７（ａ）（ｂ）とも、ＭｇＯ（１１１）面上に形成したＦｅ_３Ｏ_４に任意の方向から外部磁界を印加したときのＭＨカーブとＭＲカーブの一例である。
【図８】Ｆｅ_３Ｏ_４の各面内での異方性エネルギー分布を示す図であり、図８（ａ）は（１００）面、図８（ｂ）は（１１０）面、図８（ｃ）は（１１１）面についての分布図である。
【符号の説明】
１１上部電極
１２層間絶縁膜
１３下部電極兼下地層
１４基板
１５第２磁性層
１６中間層
１７第１磁性層

Claims

中間層と、
前記中間層を挟持する一対の磁性層とを含み、
前記磁性層の少なくとも一方が、(100)、(110)または(111)面配向した酸化物フェライトを含み、
前記面内に外部磁場を導入することにより電気抵抗の変化を検知することを特徴とする磁気抵抗素子。
(100)、(110)または(111)面内の磁化容易軸方向に外部磁場を導入する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
酸化物フェライトが(110)面に配向し、前記面内における<100>軸方向を０度として、前記(110)面内において、30度以上150度以下の範囲に外部磁場を導入する請求項２に記載の磁気抵抗素子。
酸化物フェライトが(100)面に配向し、前記面内における<100>軸方向を０度として、前記(100)面内において、40度以上50度以下または130度以上140度以下の範囲に外部磁場を導入する請求項２に記載の磁気抵抗素子。
酸化物フェライトが(111)面に配向した請求項２に記載の磁気抵抗素子。
(100)、(110)または(111)面が面内において無配向である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
酸化物フェライトがマグネタイトである請求項１に記載の磁気抵抗素子。
中間層が、酸素、窒素、炭素および硼素から選ばれる少なくとも１種の元素を含む絶縁体または半導体である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
中間層が、遷移金属元素を含む導電体である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
素子面積が0.1μｍ２以下である請求項９に記載の磁気抵抗素子。
中間層と、
前記中間層を挟持する一対の磁性層とを含み、
前記磁性層の少なくとも一方が酸化物フェライトを含む磁気抵抗素子の製造方法であって、
前記酸化物フェライトを、酸化物ターゲットを用いるスパッタリング法により、前記酸化物フェライトを形成すべき面を含む基体にバイアス電圧を印加しながら形成することにより、前記酸化物ターゲットから前記酸化物フェライトへと供給される酸素の量を調整することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
高周波バイアス電圧を印加する請求項１１に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
基体の温度を250℃以上700℃以下とする請求項１１に記載の磁気抵抗素子の製造方法。