JP3655229B2 - 磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素子に関し、より詳細には、高い磁気抵抗変化率を示す磁気微小接点を有する磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造において面内に電流を流した場合に、巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistance effect）が発現することが見出されて以来、さらに大きな磁気抵抗変化率を持つ系が探索されてきた。これまでに、強磁性トンネル接合や電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型ＭＲ素子が開発され、これらは磁気センサーや磁気記録の再生素子として有望視されている。
【０００３】
磁気記録技術の分野においては、記録密度の向上により必然的に記録ビットの縮小化が進められ、その結果として十分な信号強度を得ることが難しくなりつつある。このため、より感度の高い磁気抵抗効果を示す材料が求められており、上述の如く大きな磁気抵抗変化率を示す系の必要性はますます高くなっている。
【０００４】
最近、１００％以上の磁気抵抗効果を示すものとして、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」、あるいは２つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点が、それぞれ、文献 N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923 (1999) およびJ. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D. Coey, Physical Review Letters, vol.87, p26601 -1 (2001 ) に開示された。これらは、大きな磁気抵抗変化率を示しているものの、その磁気微小接点の作製方法は、いずれも２つの針状あるいは三角形状に加工した強磁性体を角付き合わせるというものである。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、磁気微小接点が磁気抵抗効果を示すためには、微小接点部分が極めて狭いことが条件であり、作製時の接点部の精密な制御は極めて困難であった。磁気ヘッドや固体磁気メモリなどへの応用を考慮すると、制御性よく作製でき、量産可能な微小接点の構造およびその作製方法の開発が必要である。また、磁気抵抗変化は、微小接合を挟んだ両側の磁性電極における磁化方向の差異を検出するため、磁性電極の磁区制御がポイントである。
【０００５】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、大きな磁気抵抗変化を示し、素子化可能でかつ制御性が良好、さらに作製容易な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、これを用いた高感度の磁気検出素子を提供することにある。またさらに、この磁気抵抗効果素子を用いた記録再生素子を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、基板の主面上に設けられた磁性体エレメントを備え、前記磁性体エレメントは、前記主面の上に設けられた第１の導電領域と、前記主面の前記第１の導電領域が設けられた領域とは異なる領域の上に設けられた第２の導電領域と、前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流を狭窄するくびれ部と、を有し、前記くびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流に対して略平行または略反平行な方向の印加磁場中において前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間の電気抵抗が減少することを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００６】
上記構成によれば、大きな磁気抵抗変化を示し、素子化可能でかつ制御性が良好、さらに作製容易な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０００７】
ここで、前記くびれ部の幅は、２０ｎｍ以下であるものとすれば、顕著な磁気抵抗効果を得ることができる。
【０００８】
また、前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を形成するための高抵抗のくびれ形成領域をさらに有し、前記くびれ形成領域は、前記くびれ部とは組成及び結晶構造の少なくともいずれかが異なるものとすれば、くびれ部を確実且つ容易に形成可能とすることができる。
【０００９】
また、前記くびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間に電流を流した時に、前記磁性体エレメントの抵抗は５Ω以上５０ｋΩ以下であり、２０％以上の磁気抵抗変化率を示すものであることが望ましい。
【００１０】
また、前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を介して接続された第１及び第２の導電領域を有し、前記第１及び第２の導電領域のいずれか一方のみの磁化が一方向に固着されたものとすれば、外部磁気変化を確実且つ容易に検出できる。
【００１１】
一方、本発明の磁気再生ヘッドは、上記のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体から放出される磁束の経路上に前記第１及び第２の導電領域の少なくともいずれかを配置し、前記第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異を前記くびれ部を挟んだ磁気抵抗変化として検出可能としたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記第１及び第２の導電領域のうちで、前記磁気記録媒体から相対的に遠くに設けられた導電領域の磁化が一方向に固着されてなるものとすれば、外部磁気を確実に検出できる。
【００１３】
一方、本発明の磁気記録再生システムは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備え、前記第１及び第２の導電領域のいずれか一方の磁化は一方向に固着され、前記第１及び第２の導電領域のいずれか他方の磁化を記録すべき情報に応じた方向に固定することにより情報を記憶可能とし、前記くびれ部を挟んだ前記第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異を磁気抵抗変化として検出することにより、記憶させた前記情報の読み出しを可能としたことを特徴とする。
【００１４】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁性体エレメントの上面あるいは側面に、針状あるいは細線状の反応用電極を接近させ、この反応用電極と磁性体エレメントとの間に電圧を印加して前記磁性体エレメントの一部の組成あるいは結晶構造を変化させることにより、前記磁性体エレメントの一部に電流を狭窄するくびれ形成領域を設ける磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記くびれ形成領域を挟んで前記磁性体エレメントを流れる電流をモニタしつつこの値が所望の値に到達するまで前記変化を進めることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、確実且つ容易に高い磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子を製造することができる。
【００１６】
ここで、前記磁性体エレメントの一部の変化は、酸化、窒化、フッ化あるいは結晶と非晶質との間の変化のいずれかであるものとすることができる。
【００１７】
なお本願明細書において、「磁気抵抗変化率」とは、磁場の印加による磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化を磁場を印加した状態での電気抵抗で割った値と定義する。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構造を例示する平面図である。
【００１９】
本発明の磁気抵抗効果素子は、基板Ｓの上に直接的あるいは間接的に形成された導電性の磁性体エレメント１を有する。この磁性体エレメント１は、くびれ部Ｃを有する。そして、電流Ｉが基板Ｓの面に対して平行に磁性体エレメント１を流れる際に、くびれ部Ｃの電気抵抗が、磁場印加により減少する点に特徴がある。図１は、基板Ｓを上から見たもの、膜状のエレメント１の中央部にくびれＣが形成されている。本発明における、このくびれ部Ｃの幅の最大値は、２０ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００２０】
なお、本願において、くびれ部Ｃの「幅」とは、くびれ部Ｃの断面形状が四角形あるいは多角形の場合には対角線のうちで最も長いもの、断面形状が円形の場合はその直径、扁平円などの非等方的な形状の場合にはその両端間距離の最も長いものをいうものとする。
【００２１】
くびれ部Ｃのサイズを微細化すると、磁場の印加により電気抵抗が減少する。このような電気抵抗の減少が発現するサイズは、くびれ部Ｃの断面形状にもよるが、本発明者の検討の結果によれば、くびれ部Ｃの最大幅を概ね２０ｎｍ以下とすると、電気抵抗の減少が顕著となることが判明した。このときに、磁気抵抗変化率が２０％以上となる大きな磁気抵抗効果が発生する。ただし、くびれ部Ｃの断面形状が、極端に扁平な場合などは、その最大幅が２０ｎｍを超えても、磁場の印加による電気抵抗の減少が生ずる場合がある。このような素子は、本発明の範囲に包含される。
【００２２】
図２は、本発明の磁気抵抗効果素子における印加磁場と電気抵抗との関係を例示するグラフ図である。すなわち、同図（ａ）は、くびれ部Ｃの最大幅を２０ｎｍ以下とし、磁性体エレメント１を流れる電流Ｉに対して垂直方向に磁場を印加した場合に得られる電気抵抗の変化を表すグラフ図である。また、図２（ｂ）は同様に、本発明の磁気抵抗効果素子において、電流Ｉに対して平行な方向に磁場を印加した場合に得られる電気抵抗の変化を表すグラフ図である。
【００２３】
これらのグラフ図からわかるように、本発明の磁気抵抗効果素子の場合には、磁場の印加方向に依らずに、電気抵抗は大きな減少を示す。
【００２４】
これに対して、くびれ部Ｃのサイズが大きくなると、通常の異方性磁気抵抗効果（Anisotropic Magnetoresistance Effect）による磁気抵抗効果を示す。この場合には、電気抵抗の変化は、印加する磁場の方向に応じて変化する。
【００２５】
図３は、通常の異方性磁気抵抗効果による磁気抵抗変化を説明する概念図である。異方性磁気抵抗効果においては、電流Ｉに対して磁場を垂直に印加した場合には、図３（ａ）に表したように、磁場の印加により、わずかに電気抵抗が減少する。
【００２６】
しかし、電流Ｉに対して平行な方向に磁場を印加した場合には、磁場に対して磁化がなかなか飽和せず、図３（ｂ）に表したように、磁場勾配は小さいが磁場の印加により電気抵抗は増加する。但し、図３（ａ）及び（ｂ）からも分かるように、通常の異方性磁気抵抗効果を示す場合には、磁気抵抗変化率は大きくても高々数％どまりである。
【００２７】
これに対して、本発明の磁気抵抗効果素子の場合には、図２（ａ）及び（ｂ）に例示したように、磁場の印加方向に依らず電気抵抗は減少し、しかもその磁気抵抗変化率は極めて大きいという特徴を有する。
なお、本発明の磁気抵抗効果素子の場合、磁場印加により電気抵抗は減少するが、ヒステリシスが存在する場合には、図２（ａ）及び（ｂ）に例示したように抵抗最大がゼロ磁場からわずかにシフトする場合もある。この場合には、この抵抗の最大を越えると、さらなる磁場増加により素子の磁化が全て平行に揃うまで、電気抵抗は減少する。
【００２８】
本発明の磁気抵抗効果素子において、このような大きな磁気抵抗効果が生ずるのは、磁化方向を異にする２つの部分の遷移領域である磁壁が、微細なくびれ部Ｃに生ずるためであると考えられる。すなわち、くびれ部Ｃの前後の磁性体エレメント１の部分における磁化配置の差異により、このような大きな磁気抵抗効果がおこると考えられる。
【００２９】
本発明における磁性体エレメント１の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの単体、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の少なくともいずれかの元素を含む合金、または、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいは、ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体を用いることができる。すなわち、これらの材料のうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【００３０】
このような微細なくびれ部Ｃの形成方法としては、いくつの方法を挙げることができる。
【００３１】
まず第１の方法として、磁性体エレメント１の一部分を取り除くことによりくびれ部Ｃを形成できる。具体的には、リソグラフィや収束イオンビーム加工などの微細加工技術を用いることにより、磁性体エレメント１の一部を除去して微細なくびれ部Ｃを形成することができる。
【００３２】
くびれ部Ｃを形成する第２の方法としては、磁性体エレメント１の一部を高抵抗化することにより、「くびれ形成領域」を設ける方法を挙げることができる。
【００３３】
図４（ａ）及び（ｂ）は、このようなくびれ形成領域を有する磁気抵抗効果素子を模式的に表す平面図及び正面図である。すなわち、磁性体エレメント１の両側に、くびれ形成領域１Ｆが設けられ、これらの間にくびれ部Ｃが形成されている。
【００３４】
例えば、磁性体エレメント１の一部分について、磁性体エレメント１を構成する元素を含みながらその組成あるいは結晶構造を変化させることにより高抵抗化させた「くびれ形成領域」を設ければ、それらの間において、電気伝導的に、くびれ部Ｃを形成することができる。
【００３５】
くびれ部Ｃを形成する「くびれ形成領域」１Ｆでは、磁性体エレメント１を構成する元素を含むが、その組成は磁性体エレメント１にない元素も含むことにより、あるいは結晶構造が変わることにより電気抵抗が高くなっている。組成を変化させる場合には、くびれ形成領域１Ｆにおいて、酸化物、窒化物あるいフッ化物などを形成することに電気抵抗を高くすることができる。
【００３６】
また、結晶構造変化を利用する場合には、例えば、くびれ形成領域１Ｆにおいて、構造をアモルファス（非晶質）化すると、より高い抵抗が実現できる。ただし、必ずしもアモルファス化する必要はなく、単に結晶構造を変える、あるいは原子配列を規則化または不規則化させるだけでもよい。
【００３７】
図５は、本発明の磁気抵抗効果素子の第２の具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）及び（ｄ）はそのＹ−Ｙ線断面図である。
【００３８】
本具体例の場合、くびれ形成領域１Ｆは、薄膜状の磁性体エレメント１の中央付近において、その上面に形成されている。そして、このくびれ形成領域１Ｆにより上方を狭窄されるようにして、くびれ部Ｃが形成されている。
【００３９】
この具体例は、特に、磁性体エレメント１の幅Ｗが狭い場合に有効である。
【００４０】
図６は、本発明の磁気抵抗効果素子の第３の具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）及び（ｄ）はそのＹ−Ｙ線断面図である。
【００４１】
本具体例の場合、くびれ形成領域１Ｆは、薄膜状の磁性体エレメント１の中央付近において、その上面及びその側面に連続的に形成されている。そして、これらのくびれ形成領域１Ｆに３方を取り囲まれるようにして、くびれ部Ｃが形成されている。
【００４２】
図５及び図６に例示した具体例においても、くびれ形成領域１Ｆは、磁性体エレメント１に他の元素を導入したり、窒化、酸化あるいはフッ化させたり、あるいは、結晶構造を変化させるなどの方法により形成することができる。
【００４３】
図４と図５の構成を比較すると、図４の磁気抵抗効果素子においては、磁性体エレメント１の側面にくびれ形成領域１Ｆが形成され、一方、図５においては上面にくびれ形成領域１Ｆが形成されている点が異なる。ただし、実際にはこれらの中間的な構造が形成されることも多いと考えられる。すなわち、図６のように磁性体エレメント１の側面にくびれ形成領域１Ｆを形成するに際して、その上面にもある程度のくびれ形成領域１Ｆが形成される場合も多いと考えられる。
【００４４】
いずれにしても、本発明において２０％以上の大きな磁気抵抗変化率を得るためには、図１乃至図６に関して前述した構造において、くびれ部Ｃの前後の両電極間の抵抗を５０ｋΩ〜５Ωの範囲内とすることが望ましい。
【００４５】
そして、大きな磁気抵抗変化を実現するためには、磁気異方性を磁性体エレメント１に導入することが効果的である。この場合の磁気異方性としては、磁性体エレメント１を細長く形成することにより導入される「形状磁気異方性」、あるいは結晶方位が揃すことにより発生する「結晶磁気異方性」、あるいは磁場中での熱処理で導入される磁気異方性などを用いることができる。
【００４６】
また、磁性体エレメント１が基板Ｓの上に直接的あるいは間接的に形成された薄膜状のエレメントである場合には、磁場中でスパッタ蒸着などの薄膜形成を行うことによっても磁気異方性を導入することができる。
【００４７】
さらに、反強磁性層や非磁性層と強磁性層とを積層させることで発生させた異方性バイアスを磁気異方性として用いることもできる。
【００４８】
くびれ部Ｃを挟んだ磁性体エレメント１の２つの領域１Ａと１Ｂにおいて、それらの磁気異方性の向きはお互いに平行あるいは反平行の時が最も大きな磁気抵抗効果を発生する。しかし、領域１Ａと１Ｂの磁気異方性の方向が直角の関係を持つ場合も、用途によってはこの方が好ましい場合があり、デバイスへ適応することが可能である。また、このような異方性バイアスを含む磁気異方性は、くびれ部Ｃを挟んだ領域１Ａあるいは１Ｂのいずれか一方のみ導入してもよい。
【００４９】
本発明の磁気抵抗効果素子は、前述のような微細加工技術を用いた方法の他に、次のような作製方法で作製することができる。
【００５０】
まず、磁性体エレメント１を形成する。磁性体エレメント１の形状は細線状でもよく、あるいは長方形、多角形、楕円形などの平面形状を有する薄膜などでもよい。
【００５１】
この磁性体エレメント１には、くびれ部Ｃを設けようとする箇所を挟んだ２つの磁性金属部分に電極を設け、形成される予定のくびれ部Ｃを通過して電流の抵抗変化をモニタできるようにしておく。
【００５２】
この磁性体エレメント１に、針状あるいは細線状の「反応用電極」を接近させる。
【００５３】
図７は、針状の反応用電極２０を接近させた状態を表す概念図である。
【００５４】
また、図８及び図９は、細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表す概念図である。ここで、図８は基板Ｓの側面から眺めた図であり、図９は基板Ｓの主面上から眺めた図である。
【００５５】
次に、加工用電圧源２６を用いて、この反応用電極２０、２２と磁性体エレメント１との間に、パルス状あるいは一定の反応用バイアス電圧を印加する。すると、反応用電極２０、２２により発生させられた電場により、反応用電極の近くの磁性体エレメント１は状態が変化させられる。
【００５６】
より具体的にいえば、雰囲気として大気中においてこのプロセスを行った場合、大気中の水が電場により分解し、その中の酸素によって磁性体エレメント１の一部を酸化することにより、酸化物のくびれ領域形成部１Ｆを形成することができる。また、窒素あるいは他のガス中でこれを行うことで、窒化物あるいは他の化合物からなるくびれ領域形成部１Ｆを形成することができる。
【００５７】
さらにまた、瞬間に高いエネルギーを与えることにより、反応用電極２０、２２の近くの磁性体エレメント１は瞬時に温度が上がり、そのあと急冷され、その結果、アモルファス状のくびれ形成領域１Ｆを形成することも可能である。
【００５８】
このようなプロセスにより、反応用電極２０、２２の近傍の磁性体エレメント１を高抵抗化させ、その結果としてその部分をくびれ形成領域１Ｆとして、電気伝導的にくびれ部Ｃを形成することができる。
【００５９】
またここで、磁性体エレメント１の両端にモニタ用電源３０を接続し、くびれ部Ｃの両端の抵抗値を電圧計または電流計３２でモニタしながら、所定の値に到達するまで反応を続けることにより、制御性の極めて優れたくびれ部Ｃを形成することができる。
【００６０】
一方、反応用電極２０、２２は、図８及び図９に例示した如く磁性体エレメント１とは独立して設けてもよいし、さらに、図１０に平面構成を例示した如く、磁性体エレメント１と同一の基板Ｓ上に予め設けておいてもよい。
【００６１】
図１０に表した具体例においては、反応用電極２０、２２の形状は長方形であるが、かならずしもこの形状に限定されず、反応用電極２０、２２の先端部に電界集中が起こればよい。図１０に表したように、基板Ｓの上で、磁性体エレメント１の横方向から加工用電極２０、２２を作用させた場合、図１１に平面構成として表したような形状のくびれ形成領域１Ｆが形成される。
【００６２】
また、くびれ部Ｃの形成を磁性細線を用いて行なう場合、図１２（ａ）および（ｂ）に表したように、ひとつの反応用電極２２を用いて複数の磁性体エレメント１に対して同時に、くびれ部形成領域１Ｆを形成することも可能となる。すなわち、基板Ｓの上に複数の細線状の磁性体エレメント１を形成しておき、上方から細線状の反応用電極２２を接触させることにより、これら複数の磁性体エレメント１に対して同時にくびれ形成領域１Ｆを形成することができる。
【００６３】
以上説明したいずれの方法においても、針状あるいは細線状の反応用電極２０、２２の材料としては、耐酸化性や耐熱性などに優れたものが望ましい。このような材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、あるいはこれらの合金などを挙げることができる。
【００６４】
反応用電極と強磁性体エレメントとの間に印加する電圧は、雰囲気が大気の場合には、１ボルトから１００ボルトの範囲の電圧を用いることかできる。くびれ部Ｃの作製時には、磁性体エレメント１の両端の抵抗をモニタし、結果としてくびれ部Ｃを介した抵抗が５０ｋΩから５Ωの範囲内の所定の値になるまで、反応用電極と磁性体エレメントとの間の電流と時間とを調整すればよい。
【００６５】
本発明の磁気抵抗効果素子は、デバイス化が容易な構造であるため、各種の用とにおいて用いることができる。
【００６６】
図１３は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録再生システムにおける磁気検出素子として適応した具体例を表す模式図である。同図には、いわゆるパターンド（patterned）媒体の再生のための再生ヘッドを例示したが、従来型の連続的な磁気記録媒体の再生に用いることももちろん可能である。
【００６７】
磁気記録再生システムにおいて磁気検出素子として用いる場合、磁性体エレメント１のくびれ部Ｃの前後片側（領域１Ａ）あるいは両側（領域１Ａと１Ｂ）を、磁気記録媒体２００の表面から放出される磁束を捕らえるための磁極として用いる。
【００６８】
図１３に例示したものは、例えば、図４に例示した磁気抵抗効果素子をひとつ搭載した磁気再生ヘッドを有する。この場合、磁気抵抗効果素子のくびれ部Ｃを通過する電流Ｉの方向が、磁気記録媒体２００の表面から放出される磁束の方向と略平行とする。このようにすれば、磁束を捕らえた磁極（領域１Ａ）の磁化方向を、くびれ部Ｃに電流を流すことにより、磁気抵抗効果を利用して検出することができる。
【００６９】
この場合の検出は、磁束の向きにより変化した領域１Ａあるいは領域１Ｂの磁化方向を、領域１Ａと領域１Ｂの互いの磁化方向の相対的角度として検出する。この場合、領域１Ｂ、あるいは領域１Ａと１Ｂとに、磁区制御を施すとよい。磁区制御の方法としては、次の２つの方法がある。
【００７０】
まずひとつめの方法は、領域１Ｂの磁化を上向きあるいは下向きに固定するように領域１Ｂに接して反強磁性膜を形成する。または、非磁性層／強磁性層／反強磁性層からなる積層膜を形成する。この場合には、領域１Ａの磁束による磁化方向変化（上向きあるいは下向き）を検出する。
【００７１】
ふたつめの方法は、領域１Ａに対して、右斜め上向き（図１３において）の磁気異方性を設け、また、領域１Ｂには左斜め上向きの磁気異方性を設ける方法である。
【００７２】
なお、領域１Ａのさらに磁気記録媒体２００の側には、マンガン亜鉛（ＭｎＺｎ）フェライトに代表されるフェライトなどの絶縁性軟磁性体をつけると、磁気検出素子が磁気記録媒体２００に接触した場合にもノイズの発生を押さえることができる。
【００７３】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子において、くびれ部Ｃの片側の領域１Ａあるいは１Ｂの磁化を固着させ、もう一方の領域１Ｂあるいは１Ａの磁化方向を記録情報とすることができる。この場合、この記録情報を担う磁化方向は、くびれ部Ｃを利用した磁気抵抗効果により読み込むことができる。つまり、磁気記録再生素子として利用できる。この場合、記録情報としての磁化は、別途に設けられた導線からの電流磁界効果により、あるいはその磁気抵抗効果素子に流す電流により発生する電流磁界効果により書き込みが可能である。
【００７４】
図１４は、電流駆動により、さらに効果的に記録再生できる固体メモリ用記録再生素子に本発明を適応した例を示す。本発明による１Ａと１Ｂを含むエレメントにさらにもう一つのくびれと領域１Ｃが接続されている。ここで、２つのくびれ部Ｃで区切られた磁性体エレメント１の３つの領域のうちで、外側の２つの領域（領域１Ａおよび１Ｃ）は、互いに磁化配置が反平行となるように磁化固着されている。そして、中間の領域１Ｂの磁化の向きを記録情報とすると、この記録情報すなわち領域１Ｂの磁化の向きをくびれ部Ｃを利用した１Ａ間での磁気抵抗効果により読み取ることが可能となる。
【００７５】
記録部である領域１Ｂの磁化方向を、ここに流す電流の向き（領域１Ａから流すか、あるいは領域１Ｃから流すか）、および大きさで変化させることによって所定の情報を記録させることができる。
【００７６】
記録情報の読み込みは、本発明の１Ａと１Ｂの磁化配置の違いによる磁気抵抗を読み込むことにより行う。領域１Ａと領域１Ｂの間で磁化が平行ならば抵抗は小さく、反平行なら抵抗は大きい。このときの電流Ｉは、記録電流よりも弱い電流にして抵抗値を測定することより、領域１Ｂの磁化方向を変化させずに記録させた状態を認識することができる。
【００７７】
領域１Ａおよび１Ｃの磁化方向を反平行に制御して固着するためには、領域１Ａおよび１Ｃに接するように、反強磁性層を積層すればよい。あるいは、非磁性層と強磁性層、あるいは非磁性層と強磁性層と反強磁性層との積層膜を積層させればよい。
【００７８】
図１５は、非磁性層と強磁性層と反強磁性層との積層膜を積層させた構造を例示する断面図である。
【００７９】
すなわち、同図（ａ）〜（ｃ）に例示した構成においては、領域１Ａと１Ｃとに、それぞれ非磁性層２と強磁性層４と反強磁性層６がこの順に積層されている。そして、領域１Ａと１Ｃの磁化の向きは、図１５（ａ）〜（ｃ）に例示したように３通りがある。すなわち、同図（ａ）においては、領域１Ａと１Ｃの磁化Ｍは、面内で互いに向かい合う方向である。また、図１５（ｂ）においては、面内で互いに反平行である。さらに、図１５（ｃ）においては、面に対して垂直で互いに反平行である。
【００８０】
図１５（ａ）〜（ｃ）のどれが好ましいかは、選択した磁性体エレメント１の磁気特性により異なる。磁化固着のための磁区制御材料としては、まず、非磁性層２の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）などを用いることができる。
【００８１】
また、強磁性層４としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、酸化物、窒化物あるいはホイスラー合金であるものとすれば、良好な特性が容易に得られる。
【００８２】
一方、反強磁性層６としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）、イリジウム・マンガン（ＩｒＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などを用いることができる。
【００８３】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに具体的に説明する。
【００８４】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、ニッケル（Ｎｉ）を用いた磁性体エレメントにくびれ部Ｃを形成した磁気抵抗効果素子について説明する。
【００８５】
本実施例は、図８及び図９に例示した方法により実施した。
【００８６】
まず、基板Ｓ上に厚さ１０ｎｍのニッケル膜１をスパッタリング法にて形成した。そのニッケル膜１を、フォトリソグラフィ微細加工の手法によりパターニングして、２０ｎｍ×５００ｎｍの長方形の磁性体エレメント１を形成した。このエレメント１の長手方向の両端に電極を設けた。
【００８７】
次に、このエレメント１の上に、エレメント１と交差するように白金（Ｐｔ）細線からなる反応用電極２２を設置した。この電極２２は、ピエゾ素子にマウントされており、磁性体エレメント１との間の距離を精密かつ微小に調節することが可能である。
【００８８】
そして、大気中においてニッケルからなるエレメント１と白金からなる反応用電極２２とを接近させ、エレメント１と反応用電極２２間に３ボルトのバイアス電圧を印加した状態で１ｎＡの電流が得られるまで近づけた。この条件において、エレメント１の部分酸化を行った。エレメント１と反応用電極２２との間でモニタされる電流が１ｎＡを維持するように、必要に応じて、エレメント１と反応用電極２２の間の距離は調節した。
【００８９】
これと並行して、エレメント１の両端に設けた電極によりエレメント１の抵抗を時間とともに測定したところ、急激な上昇が確認された。そして、最終的にエレメント抵抗が３ｋΩになったところで反応用電極２２を遠ざけて酸化を終了させた。
【００９０】
このようにして、ニッケルからなる磁性体エレメント１の中央部に、酸化物としてのくびれ形成領域１Ｆを形成することにより、くびれ部Ｃを設けることができた。エレメント１の磁気抵抗をエレメント両端に設けた電極間に電流を流すことにより測定した結果、図１６に表したような磁気抵抗特性が得られた。
【００９１】
すなわち、プラスマイナス７０ガウスの磁場を印加したところ、１２０％という極めて大きな磁気抵抗変化率が得られた。
【００９２】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、パーマロイの細線を用いて形成した磁気抵抗効果素子について説明する。
【００９３】
すなわち、磁性体エレメント１の材料としてパーマロイを用い、厚さ１０ｎｍ、線幅２０ｎｍの細線を形成した。細線の一部には、交換バイアスを付与するために、まずコバルト（Ｃｏ）を積層した後、非磁性層としてルテニウム（Ｒｕ）、強磁性層としてコバルト（Ｃｏ）、反強磁性層として白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）からなる積層膜を積層した。これらは長手方向が交換バイアス方向になるように磁場中成膜により形成した。
【００９４】
この交換バイアス層をくびれ部Ｃの片側の領域になるように位置決めして、反応用電極２０として、白金（Ｐｔ）針を用いてくびれ部形成領域１Ｆを形成した。くびれ部形成領域１Ｆを形成する箇所は、あらかじめ二次電子顕微鏡を用いて確認した。白金（Ｐｔ）針２０を細線の側面に近づけてくびれ部形成領域１Ｆを形成した。そして、最終的に細線の両端の抵抗が２ｋΩとなるようにした。
【００９５】
このようにして作成した磁気抵抗効果素子に対して、その交換バイアス方向に対して平行な方向の磁場を印加して磁気抵抗変化を調べたところ、図１７に表したような磁気抵抗特性が得られた。すなわち、交換バイアス方向と同じ方向に磁場を印加した場合には、素子抵抗はゼロ磁場時と同じく２．１ｋΩであったのに対し、逆方向に磁場を印加した時には抵抗値は１．２ｋΩと大きな変化が得られた。
【００９６】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を複数、並列配置して磁気検出素子として用いた磁気再生ヘッドを製作した。
【００９７】
図１８は、本実施例の磁気ヘッドを表す模式図である。すなわち、基板Ｓの上に本発明の磁気抵抗効果素子を複数、並列に配置してある。それぞれの磁気抵抗効果素子は、図５に例示したものと同様の構造を有し、磁性体エレメント１の上面からくびれ形成領域１Ｆを設けてある。
【００９８】
この磁気ヘッドの製作にあたっては、図１２に関して前述したように、基板Ｓの上に複数の細線状の磁性体エレメント１を並列状に形成しておき、これら磁性体エレメント１のそれぞれの両端に電極１２を形成しておく。それらの上から細線状の反応用電極２２を直交するように接触させて、くびれ形成領域１Ｆを形成した。このようにすれば、複数の磁性体エレメント１について同時にくびれ形成領域１Ｆを設けることができる。
【００９９】
本実施例の磁気再生ヘッドは、高感度の磁気抵抗効果素子を並列に配置することにより、例えば、図１８に例示したような「パターンド磁気記録媒体」２００に形成されている記録ビットからの磁束Ｍを並列に読み取ることが可能である。
【０１００】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記録再生素子を製作した。
【０１０１】
本実施例において製作した記録再生素子は、図１５（ａ）に表したものと同様の構造を有する。すなわち、基板Ｓの上に、コバルト（Ｃｏ）からなるサイズ２０ｎｍ×３００ｎｍの磁性体エレメント１を形成した。そして、このエレメント１の２箇所に抵抗３ｋΩと５０Ωの２つのくびれ部Ｃを形成して磁気抵抗効果素子とした。
【０１０２】
また、くびれ部Ｃの領域１Ａと１Ｂには、それぞれルテニウム（Ｒｕ）／コバルト（Ｃｏ）／白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）からなる積層膜を堆積させた。この時、領域１Ａと１Ｃとではルテニウム（Ｒｕ）の厚さを変えることにより、最終的に領域１Ａと１Ｃの磁化Ｍの方向が、図１５（ａ）に表したように反平行に磁区制御した。
【０１０３】
この記録再生素子において、電流を領域１Ａから領域１Ｃへと流すことで領域１Ｂの磁化方向は右向きとなり（状態ａ）、これとは逆方向に流すことで領域１Ｂの磁化は、左向きとなった（状態ｂ）。つまり、電流を流す方向に応じて領域１Ｂの磁化の方向を変化させることにより、２値情報を記録することができた。ここで、記録のための電流値としては１０μＡでは十分ではなく、５００μＡでは十分であった。
【０１０４】
一方、読み出しは電流の向きを問わず、書き込み以下の電流値を用いることで可能となり、状態ａと状態ｂとでは前者の方が素子抵抗が小さいことから、領域１Ｂがどちらの状態であるか判断することができた。
【０１０５】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、前述した第４実施例の磁気記録再生素子をアレイ状に並列させた磁気メモリを製作した。
【０１０６】
図１９（ａ）は、本実施例の磁気メモリの平面構成を表す模式図である。但し、同図においては、製造工程において反応用電極２２を接触させている状態を表した。
【０１０７】
また、図１９（ｂ）は、本実施例の磁気メモリの作成途中の状態を表すＸ−Ｘ線断面図である。同図に表したように、作製時には、もうひとつの基板Ｓ２上に形成された複数の反応用電極２２を磁性体エレメント１に直交するように接触させて、くびれ形成領域１Ｆを同時に形成した。各素子の両側には、それぞれセル用配線１０１とセル用配線１０２をマトリクス状に接続した。これらセル用配線１０１とセル用配線１０２の番地を選ぶことにより、アレイ状に形成された記録再生素子のうちの目的の素子（セル）を選択することができる。このようにして、電流駆動の記録再生機能をもつ不揮発性の高密度固体メモリが得られた。
【０１０８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０１０９】
また、磁気抵抗効果素子における磁性体エレメント、反強磁性層、強磁性層、非磁性中間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
【０１１０】
また、本発明の磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、これと隣接して書き込み用の磁気ヘッドを設けることにより、記録再生一体型の磁気ヘッドが得られる。
【０１１１】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
【０１１２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、極めて高い磁気抵抗効果を有し、素子化が容易でかつ制御性が良好な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、これを用いた高感度の再生ヘッド用素子を提供することができる。
【０１１３】
またさらに、この磁気抵抗効果素子を用いた記録再生機能をもつ磁気記録再生素子を提供することもでき産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構造を例示する平面図である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子における印加磁場と電気抵抗との関係を例示するグラフ図である。
【図３】通常の異方性磁気抵抗効果による磁気抵抗変化を説明する概念図である。
【図４】くびれ形成領域を有する磁気抵抗効果素子を模式的に表す平面図及び正面図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の第２の具体例を表す模式図である。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の第３の具体例を表す模式図である。
【図７】針状の反応用電極２０を接近させた状態を表す概念図である。
【図８】細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表す概念図である。
【図９】細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表す概念図である。
【図１０】磁性体エレメント１と同一の基板Ｓ上に予め設けておく場合を例示する模式図である。
【図１１】くびれ形成領域１Ｆが形成された状態を表す模式図である。
【図１２】ひとつの反応用電極２２を用いて複数の磁性体エレメント１に対して同時にくびれ部形成領域１Ｆを形成する状態を表す模式図である。
【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録再生システムにおける磁気検出素子として適応した具体例を表す模式図である。
【図１４】電流駆動により、さらに効果的に記録再生できる固体メモリ用記録再生素子を表す概念図である。
【図１５】非磁性層と強磁性層と反強磁性層との積層膜を積層させた構造を例示する断面図である。
【図１６】本発明の第１実施例により得られた磁気抵抗特性を表すグラフ図である。
【図１７】本発明の第２実施例により得られた磁気抵抗特性を表すグラフ図である。
【図１８】本発明の第４実施例の磁気ヘッドを表す模式図である。
【図１９】本発明の第５実施例の磁気メモリの平面構成を表す模式図である。
【符号の説明】
１ 磁性体エレメント
１Ａ 導電領域
１Ｂ 導電領域
１Ｃ 導電領域
１Ｆ くびれ形成領域
２ 非磁性層
４ 強磁性層
１２ 電極
２０、２２ 反応用電極
２６ 加工用電圧源
３０ モニタ用電源
３２ 電流計
１０１ セル用配線
１０２ セル用配線
２００ 磁気記録媒体
Ｃ くびれ部
Ｓ 基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素子に関し、より詳細には、高い磁気抵抗変化率を示す磁気微小接点を有する磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気検出素子並びに磁気記録再生素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造において面内に電流を流した場合に、巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistance effect）が発現することが見出されて以来、さらに大きな磁気抵抗変化率を持つ系が探索されてきた。これまでに、強磁性トンネル接合や電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型ＭＲ素子が開発され、これらは磁気センサーや磁気記録の再生素子として有望視されている。
【０００３】
磁気記録技術の分野においては、記録密度の向上により必然的に記録ビットの縮小化が進められ、その結果として十分な信号強度を得ることが難しくなりつつある。このため、より感度の高い磁気抵抗効果を示す材料が求められており、上述の如く大きな磁気抵抗変化率を示す系の必要性はますます高くなっている。
【０００４】
最近、１００％以上の磁気抵抗効果を示すものとして、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」、あるいは２つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点が、それぞれ、文献 N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923 (1999) およびJ. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D. Coey, Physical Review Letters, vol.87, p26601 -1 (2001 ) に開示された。これらは、大きな磁気抵抗変化率を示しているものの、その磁気微小接点の作製方法は、いずれも２つの針状あるいは三角形状に加工した強磁性体を角付き合わせるというものである。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、磁気微小接点が磁気抵抗効果を示すためには、微小接点部分が極めて狭いことが条件であり、作製時の接点部の精密な制御は極めて困難であった。磁気ヘッドや固体磁気メモリなどへの応用を考慮すると、制御性よく作製でき、量産可能な微小接点の構造およびその作製方法の開発が必要である。また、磁気抵抗変化は、微小接合を挟んだ両側の磁性電極における磁化方向の差異を検出するため、磁性電極の磁区制御がポイントである。
【０００５】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、大きな磁気抵抗変化を示し、素子化可能でかつ制御性が良好、さらに作製容易な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、これを用いた高感度の磁気検出素子を提供することにある。またさらに、この磁気抵抗効果素子を用いた記録再生素子を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、基板の主面上に設けられた磁性体エレメントを備え、前記磁性体エレメントは、前記主面の上に設けられた第１の導電領域と、前記主面の前記第１の導電領域が設けられた領域とは異なる領域の上に設けられた第２の導電領域と、前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流を狭窄するくびれ部と、を有し、前記くびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流に対して略平行または略反平行な方向の印加磁場中において前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間の電気抵抗が減少することを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００６】
上記構成によれば、大きな磁気抵抗変化を示し、素子化可能でかつ制御性が良好、さらに作製容易な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０００７】
ここで、前記くびれ部の幅は、２０ｎｍ以下であるものとすれば、顕著な磁気抵抗効果を得ることができる。
【０００８】
また、前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を形成するための高抵抗のくびれ形成領域をさらに有し、前記くびれ形成領域は、前記くびれ部とは組成及び結晶構造の少なくともいずれかが異なるものとすれば、くびれ部を確実且つ容易に形成可能とすることができる。
【０００９】
また、前記くびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間に電流を流した時に、前記磁性体エレメントの抵抗は５Ω以上５０ｋΩ以下であり、２０％以上の磁気抵抗変化率を示すものであることが望ましい。
【００１０】
また、前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を介して接続された第１及び第２の導電領域を有し、前記第１及び第２の導電領域のいずれか一方のみの磁化が一方向に固着されたものとすれば、外部磁気変化を確実且つ容易に検出できる。
【００１１】
一方、本発明の磁気再生ヘッドは、上記のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、磁気記録媒体から放出される磁束の経路上に前記第１及び第２の導電領域の少なくともいずれかを配置し、前記第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異を前記くびれ部を挟んだ磁気抵抗変化として検出可能としたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記第１及び第２の導電領域のうちで、前記磁気記録媒体から相対的に遠くに設けられた導電領域の磁化が一方向に固着されてなるものとすれば、外部磁気を確実に検出できる。
【００１３】
一方、本発明の磁気記録再生システムは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備え、前記第１及び第２の導電領域のいずれか一方の磁化は一方向に固着され、前記第１及び第２の導電領域のいずれか他方の磁化を記録すべき情報に応じた方向に固定することにより情報を記憶可能とし、前記くびれ部を挟んだ前記第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異を磁気抵抗変化として検出することにより、記憶させた前記情報の読み出しを可能としたことを特徴とする。
【００１４】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁性体エレメントの上面あるいは側面に、針状あるいは細線状の反応用電極を接近させ、この反応用電極と磁性体エレメントとの間に電圧を印加して前記磁性体エレメントの一部の組成あるいは結晶構造を変化させることにより、前記磁性体エレメントの一部に電流を狭窄するくびれ形成領域を設ける磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記くびれ形成領域を挟んで前記磁性体エレメントを流れる電流をモニタしつつこの値が所望の値に到達するまで前記変化を進めることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、確実且つ容易に高い磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子を製造することができる。
【００１６】
ここで、前記磁性体エレメントの一部の変化は、酸化、窒化、フッ化あるいは結晶と非晶質との間の変化のいずれかであるものとすることができる。
【００１７】
なお本願明細書において、「磁気抵抗変化率」とは、磁場の印加による磁気抵抗効果素子の電気抵抗変化を磁場を印加した状態での電気抵抗で割った値と定義する。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構造を例示する平面図である。
【００１９】
本発明の磁気抵抗効果素子は、基板Ｓの上に直接的あるいは間接的に形成された導電性の磁性体エレメント１を有する。この磁性体エレメント１は、くびれ部Ｃを有する。そして、電流Ｉが基板Ｓの面に対して平行に磁性体エレメント１を流れる際に、くびれ部Ｃの電気抵抗が、磁場印加により減少する点に特徴がある。図１は、基板Ｓを上から見たもの、膜状のエレメント１の中央部にくびれＣが形成されている。本発明における、このくびれ部Ｃの幅の最大値は、２０ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００２０】
なお、本願において、くびれ部Ｃの「幅」とは、くびれ部Ｃの断面形状が四角形あるいは多角形の場合には対角線のうちで最も長いもの、断面形状が円形の場合はその直径、扁平円などの非等方的な形状の場合にはその両端間距離の最も長いものをいうものとする。
【００２１】
くびれ部Ｃのサイズを微細化すると、磁場の印加により電気抵抗が減少する。このような電気抵抗の減少が発現するサイズは、くびれ部Ｃの断面形状にもよるが、本発明者の検討の結果によれば、くびれ部Ｃの最大幅を概ね２０ｎｍ以下とすると、電気抵抗の減少が顕著となることが判明した。このときに、磁気抵抗変化率が２０％以上となる大きな磁気抵抗効果が発生する。ただし、くびれ部Ｃの断面形状が、極端に扁平な場合などは、その最大幅が２０ｎｍを超えても、磁場の印加による電気抵抗の減少が生ずる場合がある。このような素子は、本発明の範囲に包含される。
【００２２】
図２は、本発明の磁気抵抗効果素子における印加磁場と電気抵抗との関係を例示するグラフ図である。すなわち、同図（ａ）は、くびれ部Ｃの最大幅を２０ｎｍ以下とし、磁性体エレメント１を流れる電流Ｉに対して垂直方向に磁場を印加した場合に得られる電気抵抗の変化を表すグラフ図である。また、図２（ｂ）は同様に、本発明の磁気抵抗効果素子において、電流Ｉに対して平行な方向に磁場を印加した場合に得られる電気抵抗の変化を表すグラフ図である。
【００２３】
これらのグラフ図からわかるように、本発明の磁気抵抗効果素子の場合には、磁場の印加方向に依らずに、電気抵抗は大きな減少を示す。
【００２４】
これに対して、くびれ部Ｃのサイズが大きくなると、通常の異方性磁気抵抗効果（Anisotropic Magnetoresistance Effect）による磁気抵抗効果を示す。この場合には、電気抵抗の変化は、印加する磁場の方向に応じて変化する。
【００２５】
図３は、通常の異方性磁気抵抗効果による磁気抵抗変化を説明する概念図である。異方性磁気抵抗効果においては、電流Ｉに対して磁場を垂直に印加した場合には、図３（ａ）に表したように、磁場の印加により、わずかに電気抵抗が減少する。
【００２６】
しかし、電流Ｉに対して平行な方向に磁場を印加した場合には、磁場に対して磁化がなかなか飽和せず、図３（ｂ）に表したように、磁場勾配は小さいが磁場の印加により電気抵抗は増加する。但し、図３（ａ）及び（ｂ）からも分かるように、通常の異方性磁気抵抗効果を示す場合には、磁気抵抗変化率は大きくても高々数％どまりである。
【００２７】
これに対して、本発明の磁気抵抗効果素子の場合には、図２（ａ）及び（ｂ）に例示したように、磁場の印加方向に依らず電気抵抗は減少し、しかもその磁気抵抗変化率は極めて大きいという特徴を有する。
なお、本発明の磁気抵抗効果素子の場合、磁場印加により電気抵抗は減少するが、ヒステリシスが存在する場合には、図２（ａ）及び（ｂ）に例示したように抵抗最大がゼロ磁場からわずかにシフトする場合もある。この場合には、この抵抗の最大を越えると、さらなる磁場増加により素子の磁化が全て平行に揃うまで、電気抵抗は減少する。
【００２８】
本発明の磁気抵抗効果素子において、このような大きな磁気抵抗効果が生ずるのは、磁化方向を異にする２つの部分の遷移領域である磁壁が、微細なくびれ部Ｃに生ずるためであると考えられる。すなわち、くびれ部Ｃの前後の磁性体エレメント１の部分における磁化配置の差異により、このような大きな磁気抵抗効果がおこると考えられる。
【００２９】
本発明における磁性体エレメント１の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの単体、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の少なくともいずれかの元素を含む合金、または、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいは、ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体を用いることができる。すなわち、これらの材料のうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【００３０】
このような微細なくびれ部Ｃの形成方法としては、いくつの方法を挙げることができる。
【００３１】
まず第１の方法として、磁性体エレメント１の一部分を取り除くことによりくびれ部Ｃを形成できる。具体的には、リソグラフィや収束イオンビーム加工などの微細加工技術を用いることにより、磁性体エレメント１の一部を除去して微細なくびれ部Ｃを形成することができる。
【００３２】
くびれ部Ｃを形成する第２の方法としては、磁性体エレメント１の一部を高抵抗化することにより、「くびれ形成領域」を設ける方法を挙げることができる。
【００３３】
図４（ａ）及び（ｂ）は、このようなくびれ形成領域を有する磁気抵抗効果素子を模式的に表す平面図及び正面図である。すなわち、磁性体エレメント１の両側に、くびれ形成領域１Ｆが設けられ、これらの間にくびれ部Ｃが形成されている。
【００３４】
例えば、磁性体エレメント１の一部分について、磁性体エレメント１を構成する元素を含みながらその組成あるいは結晶構造を変化させることにより高抵抗化させた「くびれ形成領域」を設ければ、それらの間において、電気伝導的に、くびれ部Ｃを形成することができる。
【００３５】
くびれ部Ｃを形成する「くびれ形成領域」１Ｆでは、磁性体エレメント１を構成する元素を含むが、その組成は磁性体エレメント１にない元素も含むことにより、あるいは結晶構造が変わることにより電気抵抗が高くなっている。組成を変化させる場合には、くびれ形成領域１Ｆにおいて、酸化物、窒化物あるいフッ化物などを形成することに電気抵抗を高くすることができる。
【００３６】
また、結晶構造変化を利用する場合には、例えば、くびれ形成領域１Ｆにおいて、構造をアモルファス（非晶質）化すると、より高い抵抗が実現できる。ただし、必ずしもアモルファス化する必要はなく、単に結晶構造を変える、あるいは原子配列を規則化または不規則化させるだけでもよい。
【００３７】
図５は、本発明の磁気抵抗効果素子の第２の具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）及び（ｄ）はそのＹ−Ｙ線断面図である。
【００３８】
本具体例の場合、くびれ形成領域１Ｆは、薄膜状の磁性体エレメント１の中央付近において、その上面に形成されている。そして、このくびれ形成領域１Ｆにより上方を狭窄されるようにして、くびれ部Ｃが形成されている。
【００３９】
この具体例は、特に、磁性体エレメント１の幅Ｗが狭い場合に有効である。
【００４０】
図６は、本発明の磁気抵抗効果素子の第３の具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）及び（ｄ）はそのＹ−Ｙ線断面図である。
【００４１】
本具体例の場合、くびれ形成領域１Ｆは、薄膜状の磁性体エレメント１の中央付近において、その上面及びその側面に連続的に形成されている。そして、これらのくびれ形成領域１Ｆに３方を取り囲まれるようにして、くびれ部Ｃが形成されている。
【００４２】
図５及び図６に例示した具体例においても、くびれ形成領域１Ｆは、磁性体エレメント１に他の元素を導入したり、窒化、酸化あるいはフッ化させたり、あるいは、結晶構造を変化させるなどの方法により形成することができる。
【００４３】
図４と図５の構成を比較すると、図４の磁気抵抗効果素子においては、磁性体エレメント１の側面にくびれ形成領域１Ｆが形成され、一方、図５においては上面にくびれ形成領域１Ｆが形成されている点が異なる。ただし、実際にはこれらの中間的な構造が形成されることも多いと考えられる。すなわち、図６のように磁性体エレメント１の側面にくびれ形成領域１Ｆを形成するに際して、その上面にもある程度のくびれ形成領域１Ｆが形成される場合も多いと考えられる。
【００４４】
いずれにしても、本発明において２０％以上の大きな磁気抵抗変化率を得るためには、図１乃至図６に関して前述した構造において、くびれ部Ｃの前後の両電極間の抵抗を５０ｋΩ〜５Ωの範囲内とすることが望ましい。
【００４５】
そして、大きな磁気抵抗変化を実現するためには、磁気異方性を磁性体エレメント１に導入することが効果的である。この場合の磁気異方性としては、磁性体エレメント１を細長く形成することにより導入される「形状磁気異方性」、あるいは結晶方位が揃すことにより発生する「結晶磁気異方性」、あるいは磁場中での熱処理で導入される磁気異方性などを用いることができる。
【００４６】
また、磁性体エレメント１が基板Ｓの上に直接的あるいは間接的に形成された薄膜状のエレメントである場合には、磁場中でスパッタ蒸着などの薄膜形成を行うことによっても磁気異方性を導入することができる。
【００４７】
さらに、反強磁性層や非磁性層と強磁性層とを積層させることで発生させた異方性バイアスを磁気異方性として用いることもできる。
【００４８】
くびれ部Ｃを挟んだ磁性体エレメント１の２つの領域１Ａと１Ｂにおいて、それらの磁気異方性の向きはお互いに平行あるいは反平行の時が最も大きな磁気抵抗効果を発生する。しかし、領域１Ａと１Ｂの磁気異方性の方向が直角の関係を持つ場合も、用途によってはこの方が好ましい場合があり、デバイスへ適応することが可能である。また、このような異方性バイアスを含む磁気異方性は、くびれ部Ｃを挟んだ領域１Ａあるいは１Ｂのいずれか一方のみ導入してもよい。
【００４９】
本発明の磁気抵抗効果素子は、前述のような微細加工技術を用いた方法の他に、次のような作製方法で作製することができる。
【００５０】
まず、磁性体エレメント１を形成する。磁性体エレメント１の形状は細線状でもよく、あるいは長方形、多角形、楕円形などの平面形状を有する薄膜などでもよい。
【００５１】
この磁性体エレメント１には、くびれ部Ｃを設けようとする箇所を挟んだ２つの磁性金属部分に電極を設け、形成される予定のくびれ部Ｃを通過して電流の抵抗変化をモニタできるようにしておく。
【００５２】
この磁性体エレメント１に、針状あるいは細線状の「反応用電極」を接近させる。
【００５３】
図７は、針状の反応用電極２０を接近させた状態を表す概念図である。
【００５４】
また、図８及び図９は、細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表す概念図である。ここで、図８は基板Ｓの側面から眺めた図であり、図９は基板Ｓの主面上から眺めた図である。
【００５５】
次に、加工用電圧源２６を用いて、この反応用電極２０、２２と磁性体エレメント１との間に、パルス状あるいは一定の反応用バイアス電圧を印加する。すると、反応用電極２０、２２により発生させられた電場により、反応用電極の近くの磁性体エレメント１は状態が変化させられる。
【００５６】
より具体的にいえば、雰囲気として大気中においてこのプロセスを行った場合、大気中の水が電場により分解し、その中の酸素によって磁性体エレメント１の一部を酸化することにより、酸化物のくびれ領域形成部１Ｆを形成することができる。また、窒素あるいは他のガス中でこれを行うことで、窒化物あるいは他の化合物からなるくびれ領域形成部１Ｆを形成することができる。
【００５７】
さらにまた、瞬間に高いエネルギーを与えることにより、反応用電極２０、２２の近くの磁性体エレメント１は瞬時に温度が上がり、そのあと急冷され、その結果、アモルファス状のくびれ形成領域１Ｆを形成することも可能である。
【００５８】
このようなプロセスにより、反応用電極２０、２２の近傍の磁性体エレメント１を高抵抗化させ、その結果としてその部分をくびれ形成領域１Ｆとして、電気伝導的にくびれ部Ｃを形成することができる。
【００５９】
またここで、磁性体エレメント１の両端にモニタ用電源３０を接続し、くびれ部Ｃの両端の抵抗値を電圧計または電流計３２でモニタしながら、所定の値に到達するまで反応を続けることにより、制御性の極めて優れたくびれ部Ｃを形成することができる。
【００６０】
一方、反応用電極２０、２２は、図８及び図９に例示した如く磁性体エレメント１とは独立して設けてもよいし、さらに、図１０に平面構成を例示した如く、磁性体エレメント１と同一の基板Ｓ上に予め設けておいてもよい。
【００６１】
図１０に表した具体例においては、反応用電極２０、２２の形状は長方形であるが、かならずしもこの形状に限定されず、反応用電極２０、２２の先端部に電界集中が起こればよい。図１０に表したように、基板Ｓの上で、磁性体エレメント１の横方向から加工用電極２０、２２を作用させた場合、図１１に平面構成として表したような形状のくびれ形成領域１Ｆが形成される。
【００６２】
また、くびれ部Ｃの形成を磁性細線を用いて行なう場合、図１２（ａ）および（ｂ）に表したように、ひとつの反応用電極２２を用いて複数の磁性体エレメント１に対して同時に、くびれ部形成領域１Ｆを形成することも可能となる。すなわち、基板Ｓの上に複数の細線状の磁性体エレメント１を形成しておき、上方から細線状の反応用電極２２を接触させることにより、これら複数の磁性体エレメント１に対して同時にくびれ形成領域１Ｆを形成することができる。
【００６３】
以上説明したいずれの方法においても、針状あるいは細線状の反応用電極２０、２２の材料としては、耐酸化性や耐熱性などに優れたものが望ましい。このような材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、あるいはこれらの合金などを挙げることができる。
【００６４】
反応用電極と強磁性体エレメントとの間に印加する電圧は、雰囲気が大気の場合には、１ボルトから１００ボルトの範囲の電圧を用いることかできる。くびれ部Ｃの作製時には、磁性体エレメント１の両端の抵抗をモニタし、結果としてくびれ部Ｃを介した抵抗が５０ｋΩから５Ωの範囲内の所定の値になるまで、反応用電極と磁性体エレメントとの間の電流と時間とを調整すればよい。
【００６５】
本発明の磁気抵抗効果素子は、デバイス化が容易な構造であるため、各種の用とにおいて用いることができる。
【００６６】
図１３は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録再生システムにおける磁気検出素子として適応した具体例を表す模式図である。同図には、いわゆるパターンド（patterned）媒体の再生のための再生ヘッドを例示したが、従来型の連続的な磁気記録媒体の再生に用いることももちろん可能である。
【００６７】
磁気記録再生システムにおいて磁気検出素子として用いる場合、磁性体エレメント１のくびれ部Ｃの前後片側（領域１Ａ）あるいは両側（領域１Ａと１Ｂ）を、磁気記録媒体２００の表面から放出される磁束を捕らえるための磁極として用いる。
【００６８】
図１３に例示したものは、例えば、図４に例示した磁気抵抗効果素子をひとつ搭載した磁気再生ヘッドを有する。この場合、磁気抵抗効果素子のくびれ部Ｃを通過する電流Ｉの方向が、磁気記録媒体２００の表面から放出される磁束の方向と略平行とする。このようにすれば、磁束を捕らえた磁極（領域１Ａ）の磁化方向を、くびれ部Ｃに電流を流すことにより、磁気抵抗効果を利用して検出することができる。
【００６９】
この場合の検出は、磁束の向きにより変化した領域１Ａあるいは領域１Ｂの磁化方向を、領域１Ａと領域１Ｂの互いの磁化方向の相対的角度として検出する。この場合、領域１Ｂ、あるいは領域１Ａと１Ｂとに、磁区制御を施すとよい。磁区制御の方法としては、次の２つの方法がある。
【００７０】
まずひとつめの方法は、領域１Ｂの磁化を上向きあるいは下向きに固定するように領域１Ｂに接して反強磁性膜を形成する。または、非磁性層／強磁性層／反強磁性層からなる積層膜を形成する。この場合には、領域１Ａの磁束による磁化方向変化（上向きあるいは下向き）を検出する。
【００７１】
ふたつめの方法は、領域１Ａに対して、右斜め上向き（図１３において）の磁気異方性を設け、また、領域１Ｂには左斜め上向きの磁気異方性を設ける方法である。
【００７２】
なお、領域１Ａのさらに磁気記録媒体２００の側には、マンガン亜鉛（ＭｎＺｎ）フェライトに代表されるフェライトなどの絶縁性軟磁性体をつけると、磁気検出素子が磁気記録媒体２００に接触した場合にもノイズの発生を押さえることができる。
【００７３】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子において、くびれ部Ｃの片側の領域１Ａあるいは１Ｂの磁化を固着させ、もう一方の領域１Ｂあるいは１Ａの磁化方向を記録情報とすることができる。この場合、この記録情報を担う磁化方向は、くびれ部Ｃを利用した磁気抵抗効果により読み込むことができる。つまり、磁気記録再生素子として利用できる。この場合、記録情報としての磁化は、別途に設けられた導線からの電流磁界効果により、あるいはその磁気抵抗効果素子に流す電流により発生する電流磁界効果により書き込みが可能である。
【００７４】
図１４は、電流駆動により、さらに効果的に記録再生できる固体メモリ用記録再生素子に本発明を適応した例を示す。本発明による１Ａと１Ｂを含むエレメントにさらにもう一つのくびれと領域１Ｃが接続されている。ここで、２つのくびれ部Ｃで区切られた磁性体エレメント１の３つの領域のうちで、外側の２つの領域（領域１Ａおよび１Ｃ）は、互いに磁化配置が反平行となるように磁化固着されている。そして、中間の領域１Ｂの磁化の向きを記録情報とすると、この記録情報すなわち領域１Ｂの磁化の向きをくびれ部Ｃを利用した１Ａ間での磁気抵抗効果により読み取ることが可能となる。
【００７５】
記録部である領域１Ｂの磁化方向を、ここに流す電流の向き（領域１Ａから流すか、あるいは領域１Ｃから流すか）、および大きさで変化させることによって所定の情報を記録させることができる。
【００７６】
記録情報の読み込みは、本発明の１Ａと１Ｂの磁化配置の違いによる磁気抵抗を読み込むことにより行う。領域１Ａと領域１Ｂの間で磁化が平行ならば抵抗は小さく、反平行なら抵抗は大きい。このときの電流Ｉは、記録電流よりも弱い電流にして抵抗値を測定することより、領域１Ｂの磁化方向を変化させずに記録させた状態を認識することができる。
【００７７】
領域１Ａおよび１Ｃの磁化方向を反平行に制御して固着するためには、領域１Ａおよび１Ｃに接するように、反強磁性層を積層すればよい。あるいは、非磁性層と強磁性層、あるいは非磁性層と強磁性層と反強磁性層との積層膜を積層させればよい。
【００７８】
図１５は、非磁性層と強磁性層と反強磁性層との積層膜を積層させた構造を例示する断面図である。
【００７９】
すなわち、同図（ａ）〜（ｃ）に例示した構成においては、領域１Ａと１Ｃとに、それぞれ非磁性層２と強磁性層４と反強磁性層６がこの順に積層されている。そして、領域１Ａと１Ｃの磁化の向きは、図１５（ａ）〜（ｃ）に例示したように３通りがある。すなわち、同図（ａ）においては、領域１Ａと１Ｃの磁化Ｍは、面内で互いに向かい合う方向である。また、図１５（ｂ）においては、面内で互いに反平行である。さらに、図１５（ｃ）においては、面に対して垂直で互いに反平行である。
【００８０】
図１５（ａ）〜（ｃ）のどれが好ましいかは、選択した磁性体エレメント１の磁気特性により異なる。磁化固着のための磁区制御材料としては、まず、非磁性層２の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）などを用いることができる。
【００８１】
また、強磁性層４としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、酸化物、窒化物あるいはホイスラー合金であるものとすれば、良好な特性が容易に得られる。
【００８２】
一方、反強磁性層６としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）、イリジウム・マンガン（ＩｒＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などを用いることができる。
【００８３】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに具体的に説明する。
【００８４】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、ニッケル（Ｎｉ）を用いた磁性体エレメントにくびれ部Ｃを形成した磁気抵抗効果素子について説明する。
【００８５】
本実施例は、図８及び図９に例示した方法により実施した。
【００８６】
まず、基板Ｓ上に厚さ１０ｎｍのニッケル膜１をスパッタリング法にて形成した。そのニッケル膜１を、フォトリソグラフィ微細加工の手法によりパターニングして、２０ｎｍ×５００ｎｍの長方形の磁性体エレメント１を形成した。このエレメント１の長手方向の両端に電極を設けた。
【００８７】
次に、このエレメント１の上に、エレメント１と交差するように白金（Ｐｔ）細線からなる反応用電極２２を設置した。この電極２２は、ピエゾ素子にマウントされており、磁性体エレメント１との間の距離を精密かつ微小に調節することが可能である。
【００８８】
そして、大気中においてニッケルからなるエレメント１と白金からなる反応用電極２２とを接近させ、エレメント１と反応用電極２２間に３ボルトのバイアス電圧を印加した状態で１ｎＡの電流が得られるまで近づけた。この条件において、エレメント１の部分酸化を行った。エレメント１と反応用電極２２との間でモニタされる電流が１ｎＡを維持するように、必要に応じて、エレメント１と反応用電極２２の間の距離は調節した。
【００８９】
これと並行して、エレメント１の両端に設けた電極によりエレメント１の抵抗を時間とともに測定したところ、急激な上昇が確認された。そして、最終的にエレメント抵抗が３ｋΩになったところで反応用電極２２を遠ざけて酸化を終了させた。
【００９０】
このようにして、ニッケルからなる磁性体エレメント１の中央部に、酸化物としてのくびれ形成領域１Ｆを形成することにより、くびれ部Ｃを設けることができた。エレメント１の磁気抵抗をエレメント両端に設けた電極間に電流を流すことにより測定した結果、図１６に表したような磁気抵抗特性が得られた。
【００９１】
すなわち、プラスマイナス７０ガウスの磁場を印加したところ、１２０％という極めて大きな磁気抵抗変化率が得られた。
【００９２】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、パーマロイの細線を用いて形成した磁気抵抗効果素子について説明する。
【００９３】
すなわち、磁性体エレメント１の材料としてパーマロイを用い、厚さ１０ｎｍ、線幅２０ｎｍの細線を形成した。細線の一部には、交換バイアスを付与するために、まずコバルト（Ｃｏ）を積層した後、非磁性層としてルテニウム（Ｒｕ）、強磁性層としてコバルト（Ｃｏ）、反強磁性層として白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）からなる積層膜を積層した。これらは長手方向が交換バイアス方向になるように磁場中成膜により形成した。
【００９４】
この交換バイアス層をくびれ部Ｃの片側の領域になるように位置決めして、反応用電極２０として、白金（Ｐｔ）針を用いてくびれ部形成領域１Ｆを形成した。くびれ部形成領域１Ｆを形成する箇所は、あらかじめ二次電子顕微鏡を用いて確認した。白金（Ｐｔ）針２０を細線の側面に近づけてくびれ部形成領域１Ｆを形成した。そして、最終的に細線の両端の抵抗が２ｋΩとなるようにした。
【００９５】
このようにして作成した磁気抵抗効果素子に対して、その交換バイアス方向に対して平行な方向の磁場を印加して磁気抵抗変化を調べたところ、図１７に表したような磁気抵抗特性が得られた。すなわち、交換バイアス方向と同じ方向に磁場を印加した場合には、素子抵抗はゼロ磁場時と同じく２．１ｋΩであったのに対し、逆方向に磁場を印加した時には抵抗値は１．２ｋΩと大きな変化が得られた。
【００９６】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を複数、並列配置して磁気検出素子として用いた磁気再生ヘッドを製作した。
【００９７】
図１８は、本実施例の磁気ヘッドを表す模式図である。すなわち、基板Ｓの上に本発明の磁気抵抗効果素子を複数、並列に配置してある。それぞれの磁気抵抗効果素子は、図５に例示したものと同様の構造を有し、磁性体エレメント１の上面からくびれ形成領域１Ｆを設けてある。
【００９８】
この磁気ヘッドの製作にあたっては、図１２に関して前述したように、基板Ｓの上に複数の細線状の磁性体エレメント１を並列状に形成しておき、これら磁性体エレメント１のそれぞれの両端に電極１２を形成しておく。それらの上から細線状の反応用電極２２を直交するように接触させて、くびれ形成領域１Ｆを形成した。このようにすれば、複数の磁性体エレメント１について同時にくびれ形成領域１Ｆを設けることができる。
【００９９】
本実施例の磁気再生ヘッドは、高感度の磁気抵抗効果素子を並列に配置することにより、例えば、図１８に例示したような「パターンド磁気記録媒体」２００に形成されている記録ビットからの磁束Ｍを並列に読み取ることが可能である。
【０１００】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記録再生素子を製作した。
【０１０１】
本実施例において製作した記録再生素子は、図１５（ａ）に表したものと同様の構造を有する。すなわち、基板Ｓの上に、コバルト（Ｃｏ）からなるサイズ２０ｎｍ×３００ｎｍの磁性体エレメント１を形成した。そして、このエレメント１の２箇所に抵抗３ｋΩと５０Ωの２つのくびれ部Ｃを形成して磁気抵抗効果素子とした。
【０１０２】
また、くびれ部Ｃの領域１Ａと１Ｂには、それぞれルテニウム（Ｒｕ）／コバルト（Ｃｏ）／白金イリジウム・マンガン（ＰｔＩｒＭｎ）からなる積層膜を堆積させた。この時、領域１Ａと１Ｃとではルテニウム（Ｒｕ）の厚さを変えることにより、最終的に領域１Ａと１Ｃの磁化Ｍの方向が、図１５（ａ）に表したように反平行に磁区制御した。
【０１０３】
この記録再生素子において、電流を領域１Ａから領域１Ｃへと流すことで領域１Ｂの磁化方向は右向きとなり（状態ａ）、これとは逆方向に流すことで領域１Ｂの磁化は、左向きとなった（状態ｂ）。つまり、電流を流す方向に応じて領域１Ｂの磁化の方向を変化させることにより、２値情報を記録することができた。ここで、記録のための電流値としては１０μＡでは十分ではなく、５００μＡでは十分であった。
【０１０４】
一方、読み出しは電流の向きを問わず、書き込み以下の電流値を用いることで可能となり、状態ａと状態ｂとでは前者の方が素子抵抗が小さいことから、領域１Ｂがどちらの状態であるか判断することができた。
【０１０５】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、前述した第４実施例の磁気記録再生素子をアレイ状に並列させた磁気メモリを製作した。
【０１０６】
図１９（ａ）は、本実施例の磁気メモリの平面構成を表す模式図である。但し、同図においては、製造工程において反応用電極２２を接触させている状態を表した。
【０１０７】
また、図１９（ｂ）は、本実施例の磁気メモリの作成途中の状態を表すＸ−Ｘ線断面図である。同図に表したように、作製時には、もうひとつの基板Ｓ２上に形成された複数の反応用電極２２を磁性体エレメント１に直交するように接触させて、くびれ形成領域１Ｆを同時に形成した。各素子の両側には、それぞれセル用配線１０１とセル用配線１０２をマトリクス状に接続した。これらセル用配線１０１とセル用配線１０２の番地を選ぶことにより、アレイ状に形成された記録再生素子のうちの目的の素子（セル）を選択することができる。このようにして、電流駆動の記録再生機能をもつ不揮発性の高密度固体メモリが得られた。
【０１０８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０１０９】
また、磁気抵抗効果素子における磁性体エレメント、反強磁性層、強磁性層、非磁性中間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
【０１１０】
また、本発明の磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、これと隣接して書き込み用の磁気ヘッドを設けることにより、記録再生一体型の磁気ヘッドが得られる。
【０１１１】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
【０１１２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、極めて高い磁気抵抗効果を有し、素子化が容易でかつ制御性が良好な磁気抵抗効果素子を提供するとともに、これを用いた高感度の再生ヘッド用素子を提供することができる。
【０１１３】
またさらに、この磁気抵抗効果素子を用いた記録再生機能をもつ磁気記録再生素子を提供することもでき産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構造を例示する平面図である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子における印加磁場と電気抵抗との関係を例示するグラフ図である。
【図３】通常の異方性磁気抵抗効果による磁気抵抗変化を説明する概念図である。
【図４】くびれ形成領域を有する磁気抵抗効果素子を模式的に表す平面図及び正面図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の第２の具体例を表す模式図である。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の第３の具体例を表す模式図である。
【図７】針状の反応用電極２０を接近させた状態を表す概念図である。
【図８】細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表す概念図である。
【図９】細線状の反応用電極２２を接近させた状態を表す概念図である。
【図１０】磁性体エレメント１と同一の基板Ｓ上に予め設けておく場合を例示する模式図である。
【図１１】くびれ形成領域１Ｆが形成された状態を表す模式図である。
【図１２】ひとつの反応用電極２２を用いて複数の磁性体エレメント１に対して同時にくびれ部形成領域１Ｆを形成する状態を表す模式図である。
【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録再生システムにおける磁気検出素子として適応した具体例を表す模式図である。
【図１４】電流駆動により、さらに効果的に記録再生できる固体メモリ用記録再生素子を表す概念図である。
【図１５】非磁性層と強磁性層と反強磁性層との積層膜を積層させた構造を例示する断面図である。
【図１６】本発明の第１実施例により得られた磁気抵抗特性を表すグラフ図である。
【図１７】本発明の第２実施例により得られた磁気抵抗特性を表すグラフ図である。
【図１８】本発明の第４実施例の磁気ヘッドを表す模式図である。
【図１９】本発明の第５実施例の磁気メモリの平面構成を表す模式図である。
【符号の説明】
１ 磁性体エレメント
１Ａ 導電領域
１Ｂ 導電領域
１Ｃ 導電領域
１Ｆ くびれ形成領域
２ 非磁性層
４ 強磁性層
１２ 電極
２０、２２ 反応用電極
２６ 加工用電圧源
３０ モニタ用電源
３２ 電流計
１０１ セル用配線
１０２ セル用配線
２００ 磁気記録媒体
Ｃ くびれ部
Ｓ 基板
Claims (16)
- 基板の主面上に設けられた磁性体エレメントを備え、
前記磁性体エレメントは、前記主面の上に設けられた第１の導電領域と、前記主面の前記第１の導電領域が設けられた領域とは異なる領域の上に設けられた第２の導電領域と、前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流を狭窄するくびれ部と、を有し、
前記くびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流に対して略平行または略反平行な方向の印加磁場中において前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間の電気抵抗が減少することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記くびれ部の幅は、２０ｎｍ以下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。
- 前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を形成するための高抵抗のくびれ形成領域をさらに有し、
前記くびれ形成領域は、前記くびれ部とは組成及び結晶構造の少なくともいずれかが異な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。 - 前記くびれ形成領域は、酸化物、窒化物、フッ化物あるいは非晶質からなることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記くびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間に電流を流した時に、前記磁性体エレメントの抵抗は５Ω以上５０ｋΩ以下であり、２０％以上の磁気抵抗変化率を示すことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁性体エレメントは、前記くびれ部を介して接続された第１及び第２の導電領域を有し、
前記第１及び第２の導電領域のいずれか一方のみの磁化が一方向に固着されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。 - 請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、
磁気記録媒体から放出される磁束の経路上に前記第１及び第２の導電領域の少なくともいずれかを配置し、前記第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異を前記くびれ部を挟んだ磁気抵抗変化として検出可能としたことを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 前記第１及び第２の導電領域のうちで、前記磁気記録媒体から相対的に遠くに設けられた導電領域の磁化が一方向に固着されてなることを特徴とする請求項７記載の磁気再生ヘッド。
- 請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備え、
前記第１及び第２の導電領域のいずれか一方の磁化は一方向に固着され、
前記第１及び第２の導電領域のいずれか他方の磁化を記録すべき情報に応じた方向に固定することにより情報を記憶可能とし、
前記くびれ部を挟んだ前記第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異を磁気抵抗変化として検出することにより、記憶させた前記情報の読み出しを可能としたことを特徴とする磁気記録再生システム。 - 磁性体エレメントの上面あるいは側面に、針状あるいは細線状の反応用電極を接近させ、この反応用電極と磁性体エレメントとの間に電圧を印加して前記磁性体エレメントの一部の組成あるいは結晶構造を変化させることにより、前記磁性体エレメントの一部に電流を狭窄するくびれ形成領域を設ける磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記くびれ形成領域を挟んで前記磁性体エレメントを流れる電流をモニタしつつこの値が所望の値に到達するまで前記変化を進めることを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記磁性体エレメントの一部の変化は、酸化、窒化、フッ化あるいは結晶と非晶質との間の変化のいずれかであることを特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 基板の主面の上に設けられた第１の導電領域と、
前記主面の前記第１の導電領域が設けられた領域とは異なる領域の上に設けられた第３の導電領域と、
前記主面の上において前記第１の導電領域と前記第３の導電領域との間に設けられた第２の導電領域と、
前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流を狭窄する第１のくびれ部と、
前記第２の導電領域と前記第３の導電領域との間を流れる電流を狭窄する第２のくびれ部と、
を備え、
前記第１のくびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間を流れる電流に対して略平行または略反平行な方向の印加磁場中において前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間の電気抵抗が減少するか、または前記第２のくびれ部を介して前記第２の導電領域と前記第３の導電領域との間を流れる電流に対して略平行または略反平行な方向の印加磁場中において前記第２の導電領域と前記第３の導電領域との間の電気抵抗が減少し、
前記第１の導電領域の磁化と前記第３の導電領域の磁化とが互いに反平行に固着され、
前記第１の導電領域または前記第３の導電領域から前記第２の導電領域に電流を流して前記第２の導電領域の磁化を変化させることによって情報を記憶可能とし、
前記第１のくびれ部を挟んだ前記第１及び第２の導電領域の磁化方向の差異または前記第２のくびれ部を挟んだ前記第２及び第３の導電領域の磁化方向の差異を磁気抵抗効果として検出することにより、記憶させた前記情報の読み出しを可能としたことを特徴とする磁気記録再生素子。 - 前記第１及び第２のくびれ部の幅は、いずれも２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１２記載の磁気記録再生素子。
- 前記第１及び第２のくびれ部を形成するための高抵抗のくびれ形成領域をさらに備え、
前記くびれ形成領域は、前記第１及び第２のくびれ部とは組成及び結晶構造の少なくともいずれかが異なることを特徴とする請求項１２または１３に記載の磁気記録再生素子。 - 前記くびれ形成領域は、酸化物、窒化物、フッ化物あるいは非晶質からなることを特徴とする請求項１４記載の磁気記録再生素子。
- 前記第１のくびれ部を介して前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間に電流を流した時に、前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間の抵抗は５Ω以上５０ｋΩ以下であり、２０％以上の磁気抵抗変化率を示し、
前記第２のくびれ部を介して前記第２の導電領域と前記第３の導電領域との間に電流を流した時に、前記第２の導電領域と前記第３の導電領域との間の抵抗は５Ω以上５０ｋΩ以下であり、２０％以上の磁気抵抗変化率を示すことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１つに記載の磁気記録再生素子。
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