JP3657571B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置 - 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、磁気ヘッド並びに磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子及びその製造方法、これを用いた磁気ヘッド並びに磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気記録媒体に記録された情報の読み出しは、コイルを有する再生用の磁気ヘッドを記録媒体に対して相対的に移動させ、そのときに発生する電磁誘導効果によりコイルに誘起される電圧を検出する方法によって行われてきた。その後、磁気抵抗効果素子（MagnetoResistance effect device：以下、「ＭＲ素子」とも称する）が開発され、磁場センサとして用いられる他、ハードディスクドライブ等の磁気記録再生装置に搭載される磁気ヘッド（ＭＲヘッド）として用いられつつある。
【０００３】
近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度が小さくなってきている。このため、小さい相対速度であっても、大きな出力が取り出せる高感度のＭＲヘッドが必要とされつつある。
【０００４】
このような要求に対して、鉄（Ｆｅ）／クロム（Ｃｒ）や鉄（Ｆｅ）／銅（Ｃｕ）のように、強磁性金属膜と非磁性金属膜とをある条件で交互に積層して、近接する強磁性金属膜間を反強磁性結合させた多層膜、いわゆる「人工格子膜」が巨大な磁気抵抗効果を示すことが報告されている（Phys. Rev. Lett. 61 2474 (1988), Phys. Rev. Lett. 64 2304 (1990)等参照）。しかし、人工格子膜は、磁化が飽和するために必要とされる磁場が高いため、ＭＲヘッド用の磁気検出部としては適さない。
【０００５】
これに対して、強磁性層／非磁性層／強磁性層というサンドイッチ構造の多層膜で、強磁性層が反強磁性結合しない場合でも、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告されている。すなわち、非磁性層を挟んだ２層の強磁性層の一方に交換バイアス磁場を印加して磁化を固定（「磁化固着層」あるいは「ピン層」などと称される）しておき、他方の強磁性層を外部磁場（信号磁場等）により磁化反転させる（「磁化自由層」あるいは「フリー層」などと称される）。このようにして、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。このようなタイプの多層膜は、「スピンバルブ（spin-valve）」と呼ばれている（Phys. Rev., B45, 806 (1992), J. Appl. Phys., 69, 4774 (1981)等参照）。
【０００６】
スピンバルブは、低い磁場強度で磁化を飽和させることができるため、ＭＲヘッドに適しており、既に実用化されているが、その磁気抵抗変化率は、現状では最大でも約２０％までであり、更に高い磁気抵抗変化率を示すＭＲ素子が必要となってきた。
【０００７】
ところで、これまでのＭＲ素子は、センス電流を素子膜面内に対して平行な方向に通電して利用されている（Current−in−plane：ＣＩＰ）。これに対して、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に通電する（Current-perpendicular-to-plane：ＣＰＰ）と、ＣＩＰの１０倍程度の磁気抵抗変化率が得られるとの報告があり（J. Phys. Condens. Matter., 11, 5717 (1999)等）、磁気抵抗変化率１００％も不可能ではない。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スピンバルブ構造は、スピン依存する層の総膜厚が非常に薄く、界面の数も少ないことから、垂直通電した場合の抵抗自体が小さく、出力絶対値も小さくなってしまうという問題があった。すなわち、従来、ＣＩＰに用いている積層構造のスピンバルブに垂直通電すると、ピン層およびフリー層の厚さが５ｎｍ相当の場合、１μｍ２あたりの出力絶対値ＡΔＲ（通電面積×抵抗変化量）は、約０．５ｍΩμｍ２と小さい。このため、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子においては、スピンバルブ膜の膜材料や膜構成を工夫して、抵抗変化量を大きくすることが重要となる。
【０００８】
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、スピンバルブ構造のピン層、フリー層およびスペーサ層の材料物性を根本的に見直すことにより、大きな抵抗変化量を可能とした垂直通電型の磁気抵抗効果素子、およびこのような磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、磁気再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の関連技術にかかる磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むＭ１と、鉄（Ｆｅ）と、コバルト（Ｃｏ）と、ニッケル（Ｎｉ）と、により組成式：
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）１００−ｄＭ１ｄ （但し、０≦ａ＜１００原子％、０≦ｂ＜１００原子％、０≦ｃ＜１００原子％、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．５原子％≦ｄ＜５０原子％）
で表される合金からなり、
前記非磁性中間層は、クロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）の少なくともいずれかを含有し、前記磁化固着層及び前記磁化自由層のうちの前記合金からなるものと接していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の関連技術にかかる第２の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記磁化固着層と前記磁化自由層のうち少なくともいずれかは、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ１と、鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）と、により組成式：
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）１００−ｄＭ１ｄ （但し、０≦ａ＜１００原子％、０≦ｂ＜１００原子％、０≦ｃ＜１００原子％、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．５原子％≦ｄ＜５０原子％）
で表される合金からなり、
前記非磁性中間層は、クロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）の少なくといずれかを含有した層と、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくもいずれかを主成分とする層と、の積層体からなり、前記磁化固着層及び前記磁化自由層のうちの前記合金からなるものと接していることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記非磁性中間層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ２と、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ３と、の合金からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【００１１】
ここで、中間層に、ピン層やフリー層に用いる磁性元素を添加することにより、中間層のバンド構造をピン層やフリー層のバンド構造に近づけて、余計な電子散乱を抑制することができる。すなわち、中間層の状態密度を磁性層の状態密度に近づけることにより、アップスピン電子の余計な散乱を抑制することができる。
【００１２】
ここで、前記合金を組成式
Ｍ２１００−ｅＭ３ｅ
により表した時の組成ｅは、０＜ｅ≦３０原子％の範囲内にあるものとすることができる。
【００１３】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記非磁性中間層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）よりなる群から選択された少なくともいずれかからなる第１の層の中に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）よりなる群から選択された少なくともいずれかからなる導電体の層が挿入され、
前記導電体の層の層厚は、０．０３ナノメータ以上０．５ナノメータ以下であることを特徴とする。
【００１４】
ここでも、中間層に、ピン層やフリー層に用いる磁性元素からなる層を挿入することにより、中間層のバンド構造をピン層やフリー層のバンド構造に近づけて、余計な電子散乱を抑制することができる。
【００１５】
すなわち、中間層の状態密度を磁性層の状態密度に近づけることにより、アップスピン電子の余計な散乱を抑制することができる。
【００１６】
また、前記第１及び第２の強磁性体膜のうち少なくともいずれかは、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ１と、鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）と、により組成式：
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）１００−ｄＭ１ｄ （但し、０≦ａ＜１００原子％、０≦ｂ＜１００原子％、０≦ｃ＜１００原子％、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．５原子％≦ｄ＜５０原子％）
で表される合金からなるものとすることができる。
【００１７】
一方、本発明の磁気ヘッドは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の磁気再生装置は、この磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする。
【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。
【００１９】
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【００２０】
すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、ピン層（磁化固着層）Ｐと、フリー層（磁化自由層）Ｆと、これらの間に設けられたスペーサ層（非磁性中間層）とを有する。ここで、ピン層Ｐは、その磁化が実質的に一方向に固着された強磁性体膜を含む層である。また、フリー層Ｆは、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性体膜を含む層である。また、スペーサ層Ｓは、ピン層Ｐとフリー層Ｆとの間の磁気的な結合を遮断する層である。
【００２１】
本発明においては、ピン層Ｐあるいはフリー層Ｆの少なくともいずれかにおいて、スピン依存バルク散乱パラメータβが負となる材料を用い、且つ、スペーサ層Ｓにおいて、スピン依存界面散乱パラメータγが負となる材料を用いる。
【００２２】
すなわち、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量を決定しているのは、強磁性体膜内でのスピン依存バルク散乱パラメータβと、強磁性層と非磁性層の界面でのスピン依存界面散乱パラメータγである。本願明細書において、「スピン依存バルク散乱パラメータβ」とは、強磁性体内を流れるアップスピン電子とダウンスピン電子の抵抗の比を表したものであり、アップスピン電子によるバルク中での電気抵抗ρ↑［μΩ・ｃｍ］とダウンスピン電子による電気抵抗ρ↓［μΩ・ｃｍ］とを用いて、次式により表される。
ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）
この式をβについて表すと次式の如くである。
β＝（ρ↓−ρ↑）／（ρ↓＋ρ↑）
一方、本願明細書において、「スピン依存界面散乱パラメータγ」とは、ピン層Ｐとスペーサ層Ｓとの界面、あるいはフリー層Ｆとスペーサ層Ｓとの界面におけるアップスピン電子とアップスピン電子の単位面積あたりの抵抗ＡＲ↑［ｍΩ・μｍ２］とダウンスピン電子の単位面積あたりの抵抗ＡＲ↓［ｍΩ・μｍ２］とを用いて次式により表される。
ＡＲ↓／ＡＲ↑＝（１＋γ）／（１−γ）
この式をγについて表すと次式の如くである。
γ＝（ＡＲ↓−ＡＲ↑）／（ＡＲ↓＋ＡＲ↑）
これらの式から分かるように、βやγの絶対値が大きいほど、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量は大きくなる。
【００２３】
ところで、従来のスピンバルブ構造の場合、強磁性体材料として通常用いられている単体の鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等においては、スピン依存バルク散乱パラメータβは正である。
【００２４】
これに対して、例えば、鉄（Ｆｅ）にクロム（Ｃｒ）などを添加していくと、βが減少して遂には負となるという現象がある。すなわち、ダウンスピン電子による抵抗の方が、アップスピン電子による抵抗よりも小さくなる。この現象については、例えば、J. Durand and F. Gautier : J. Phys. Chem. Solids., 31, 2773 (1970)、 J. W. F. Dorleijn and A. R. Miedema : J. Phys. F : Met. Phys., 5, 487 (1975)、 A. Fert and I. A. Campbell : J. Phys. F : Met. Phys., 6, 849 (1976)、I. Mertig : Rep. Prog. Phys. 62, 237 (1999) などの文献において、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）に、特定の元素を添加することによってアップスピン電子の抵抗を上げることができると報告されている。
このように、アップスピン電子の抵抗よりもダウンスピン電子の抵抗が小さい状態においては、いわゆる「負の磁気抵抗効果（negative magnetoresistance effect）」が生ずる。そして、この場合においても、バルク散乱パラメータβの絶対値が大きければ、大きな磁気抵抗変化率が得られる。
【００２５】
そして、本発明のまずひとつ目の特徴は、ピン層Ｐあるいはフリー層Ｆの強磁性体として、このようにβが負となる強磁性体を用いることにある。その材料としては、具体的には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のいずれか、あるいはこれらいずれかを含有する強磁性体合金であって、添加元素として、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）の少なくともいずれかを添加した強磁性体を挙げることができる。
【００２６】
しかし、このようにβが負となる強磁性体層に対して、スピン依存界面散乱パラメータγが正となるような界面を組み合わせると、互いのＡΔＲへの効果を相殺してしまうことになる。以下、図２を参照しつつ、この理由を説明する。
【００２７】
図２は、βとγの組み合わせが電子に与える効果を説明する概念図である。
【００２８】
まず、同図（ａ）に表した具体例においては、バルク散乱パラメータβと界面散乱パラメータγとがいずれも正の場合を表す。この時に、アップスピン電子（ｅ↑）は、ピン層Ｐ、フリー層Ｆにおいて抵抗ρが小さく、且つ、これらとスペーサ層Ｓとの界面においても、散乱が小さい。つまり、アップスピン電子は、バルク（強磁性体）内での抵抗が低く、且つ、界面においても散乱されにくい。その結果として、磁気抵抗変化量ΔＲが大きくなり、出力絶対値ＡΔＲも大きい。
【００２９】
一方、この場合のダウンスピン電子（ｅ↓）は、バルク抵抗も界面における散乱も大きい。つまり、スピンバルブ構造を通り抜けることが容易でない。
【００３０】
これに対して、図２（ｂ）に表した具体例の場合、バルク散乱パラメータβが負であり、界面散乱パラメータγは正である。このケースの場合、バルク（強磁性体）内での抵抗ρについて見ると、アップスピン電子（ｅ↑）の抵抗ρの方がダウンスピン電子（ｅ↓）の抵抗ρよりも高くなる。従って、ダウンスピン電子を利用したほうが高い磁気抵抗変化率が得られるはずである。しかし、界面散乱パラメータγが正であるため、ダウンスピン電子は、界面において散乱される確率が高い。電子が散乱されるとスピン情報を喪失するため、ダウンスピン電子としての伝導に損失が生ずる。
【００３１】
つまり、図２（ｂ）に表したように、バルク散乱パラメータβが負であっても、界面散乱パラメータγが正であっては、ダウンスピン電子は界面で散乱されてしまうため、磁気抵抗変化率に対する寄与が相殺されてしまう。
【００３２】
これに対して、本発明によれば、図２（ｃ）に表したように、バルク散乱パラメータβと界面散乱パラメータγとが、いずれも負となるようにスピンバルブ構造を形成する。
【００３３】
このようにすれば、バルク（強磁性体）内を低い抵抗で伝導したダウンスピン電子が、界面においても散乱によるスピン情報の損失が少ない状態で、磁気抵抗変化に寄与する。その結果として、ダウンスピン電子を用いた「負の磁気抵抗効果」において、高い磁気抵抗変化率が得られる。
【００３４】
本発明においては、界面散乱パラメータγを負とするため、スペーサ層（非磁性中中間）Ｓの材料として、クロム（Ｃｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）のいずれか、またはこれらの合金を用いることができる。
【００３５】
または、スペーサ層Ｓは、クロム（Ｃｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）のいずれかまたはこれらの合金からなる層と、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）のいずれかあるいはこれらを含有する合金からなる層との積層体としても良い。
【００３６】
または、スペーサ層Ｓの材料としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかと、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかと、の合金を用いることができる。
【００３７】
または、スペーサ層Ｓとして、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかからなる層中に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかを主成分とした厚さ０．０３ナノメータ乃至０．５ナノメータの薄膜層が挿入された構造とすることができる。
【００３８】
以上説明したように、本発明において、負のβを有する磁性体材料と、負のγが得られるスペーサ層とを組み合わせすることにより、負の磁気抵抗効果を利用しつつ大きな磁気抵抗変化率が可能となり、垂直通電型のスピンバルブ素子として実用化することの意義は大きい。
【００３９】
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詳細に説明する。
【００４０】
まず、後に詳述する本発明の第１乃至第１０実施例において、具体的に試作した磁気抵抗効果素子の全体構成について説明する。すなわち、これらの実施例においては、以下に説明する２種の素子を実際に作製して、その特性を評価した。
【００４１】
図３は、第１の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【００４２】
すなわち、下部電極１２の上に、磁気抵抗効果膜１４を形成し、その両端には、フリー層の磁区制御のためにバイアス磁界を印加するハード膜１６、１６を設け、さらに、磁気抵抗効果膜１４の上には、パッシベーション膜１８のコンタクトを介して上部電極２０を接続した。
【００４３】
この素子の作製プロセスは、以下のとおりである。
【００４４】
まず、シリコン（Ｓｉ）基板（図示せず）の上に、約５００ｎｍ（ナノメータ）のＡｌＯxを成膜し、その上にレジストを塗布し、ＰＥＰ（Photo Engraving Process）により下部電極１２となる部分のレジストを除去する。
【００４５】
次に、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)により、レジストのない部分のＡｌＯxを除去し、膜厚５ｎｍのタンタル（Ｔａ）／膜厚４００ｎｍの銅（Ｃｕ）／膜厚２０ｎｍのタンタル（Ｔａ）という積層膜を成膜して下部電極１２を成膜する。
【００４６】
次に、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を行って平滑化することにより、下部電極１２をＡｌＯxから露出させる。下部電極１２の上に、約３μｍ×３μｍ〜５μｍ×５μｍのサイズの磁気抵抗効果膜１４を形成する。そして、磁気抵抗効果膜１４の側面に、約３０ｎｍのコバルト白金（ＣｏＰｔ）からなるハード膜１６を形成する。
【００４７】
その後、全面にパシベーション膜として膜厚が約２００ｎｍのＳｉＯxを成膜する。レジストを塗布した後、磁気抵抗効果膜１４の中央部のコンタクトホール形成領域からレジストを除去する。そして、ＲＩＥとミリングにより、約０．３μｍφ〜３μｍφのコンタクトホールを形成する。レジストを除去した後、膜厚５ｎｍのタンタル（Ｔａ）／膜厚４００ｎｍの銅（Ｃｕ）／膜厚５ｎｍのタンタル（Ｔａ）からなる上部電極２０と約２００ｎｍの金（Ａｕ）電極パッド（図示せず）を形成する。
【００４８】
以上のプロセスにより、第１の磁気抵抗効果素子を製作した。
【００４９】
図４は、本発明の実施例の第２の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。同図については、図３と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
第２の磁気抵抗効果素子の製造プロセスの要部は、以下に説明する通りである。
【００５１】
すなわち、図１に表した第１の磁気抵抗効果素子の場合と同様に、シリコン（Ｓｉ）基板の上にＡｌＯxを成膜し、ＡｌＯxの一部を除去し、下部電極１２を成膜した後、ＣＭＰを行って平滑化することにより、下部電極１２をＡｌＯxから露出させる。そして、下部電極１２の上に磁気抵抗効果膜１４を形成し、幅約２μｍから５μｍのストライプ状に加工する。その後に、全面にパシベーション膜１８として、約２００ｎｍのＳｉＯxを成膜する。レジストを塗布した後、磁気抵抗効果膜１４の上において、磁気抵抗効果膜１４の長手方向に直交して約１．５μｍから５μｍの範囲のレジストを除去し、素子サイズを規定する。レジストを除去した後、磁気抵抗効果膜１４の全体にセンス電流が一様に流れるように、磁気抵抗効果膜１４の直上に約１００ｎｍの金（Ａｕ）膜を成膜する。その後、図１の素子と同じく上部電極２０とパッドを形成する。
【００５２】
これらの素子について、４端子法を用いて電気抵抗特性を測定した結果、出力については２つの素子で差違のないことを確認した。
【００５３】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例について説明する。
【００５４】
図５は、本実施例及び各比較例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す概念図である。その基本膜構成は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
ここで、各層のカッコ内に膜厚と材料を適宜表した。すなわち、本実施例および比較例においては、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍとし、また非磁性中間層Ｓの膜厚を３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦの膜厚を１ｎｍにそろえた。
【００５５】
図６は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。なお、ＡΔＲは、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの磁化が反平行のときの抵抗ＡＲＡＰと、平行のときの抵抗ＡＲＰの差、ＡＲＡＰ−ＡＲＰである。
【００５６】
図６から、バルク散乱パラメータβが正の鉄（Ｆｅ）に、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）等を添加してβを負にした場合には、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦを銅（Ｃｕ）（試料１−３、５、７、９、及び１１）とした場合よりも、クロム（Ｃｒ）に変えて界面散乱パラメータγも負にした方（試料１−４、６、８、１０及び１２）が、より大きな出力絶対値｜ＡΔＲ｜を得ることができることが判る。
【００５７】
なお、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦをルテニウム（Ｒｕ）にした場合も、クロム（Ｃｒ）と同様に、銅（Ｃｕ）よりも大きな｜ＡΔＲ｜を得ることができた。またここで、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎの添加量を５ａｔ％（原子パーセント）としたが、０．５ａｔ％〜５０ａｔ％での範囲で、Ｃｒと組み合わせることの効果が確認できた。但し、その添加量の範囲は、望ましくは、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％であった。
【００５８】
また、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する添加元素を、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）のいずれかとした場合も、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦを、銅（Ｃｕ）からクロム（Ｃｒ）やルテニウム（Ｒｕ）にした場合に大きな｜ＡΔＲ｜を得ることができた。
【００５９】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
【００６０】
本実施例においても、図５に表した積層構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。その基本的な積層構造は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
ここでも、各層のカッコ内に膜厚と材料を適宜表した。すなわち、本実施例においては、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍに、また非磁性中間層Ｓを３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦを１ｎｍにそろえた。
【００６１】
図７は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００６２】
図７から、バルク散乱パラメータβが正のコバルト（Ｃｏ）にクロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ルテニウム（Ｒｕ）等を添加してβを負にした場合には、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦを銅（Ｃｕ）（試料２−４、７及び１０）からクロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）に変えて界面散乱パラメータγも負にした（試料２−５、６、８、９、１１及び１２）方が、より大きな出力絶対値｜ＡΔＲ｜を得ることができることがと判る。
【００６３】
なお、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する添加元素を、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）あいるはイリジウム（Ｉｒ）とした場合にも、非磁性中間層とスピンフィルタ層をクロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）にした方が銅（Ｃｕ）にした場合よりも｜ＡΔＲ｜が大きかった。
【００６４】
また、ここでは、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する、上記元素の添加量を５ａｔ％としたが、０．５ａｔ％〜５０ａｔ％での範囲で、Ｃｒと組み合わせることの効果が確認できた。但し、望ましくは０．５ａｔ％〜３０ａｔ％で効果が大きい。
【００６５】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
【００６６】
本実施例においても、図５に表した積層構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。その基本的な積層構造は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
ここでも、各層のカッコ内に膜厚と材料を適宜表した。すなわち、本実施例においては、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍに、また非磁性中間層Ｓを３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦを１ｎｍにそろえた。
【００６７】
図８は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００６８】
図８から、バルク散乱パラメータβが正のニッケル（Ｎｉ）にバナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等を添加してβを負にした場合には、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦを銅（Ｃｕ）（試料３−３、５、７、９及び１１）からクロム（Ｃｒ）に変えて界面散乱パラメータγも負にした（試料２−４、６、８、１０及び１２）方が、より大きな出力絶対値｜ＡΔＲ｜を得ることができることがと判る。
【００６９】
なお、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する添加元素を、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）あるいは白金（Ｐｔ）とした場合にも、非磁性中間層とスピンフィルタ層をクロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）にした方が銅（Ｃｕ）にした場合よりも｜ＡΔＲ｜が大きかった。
【００７０】
また、ここでは、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する、上記元素の添加量を５ａｔ％としたが、０．５ａｔ％〜５０ａｔ％での範囲で、Ｃｒと組み合わせることの効果が確認できた。但し、望ましくは０．５ａｔ％〜３０ａｔ％で効果が大きい。
【００７１】
（第４の実施例）
第１の実施例から第３の実施例までは、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆの材料として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）を母体として元素を添加した。これに対して、第４の実施例においては、鉄・コバルト・ニッケル（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ）系合金に元素を添加した場合と、さらに磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの材料が異なる場合について、調べた。
【００７２】
本実施例においても、図３と同様の積層構造の磁気抵抗効果素子を製作した。
【００７３】
その基本膜構成は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図９は、本実施例及び比較例としての各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００７４】
図９から、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの材料が異なる場合でも、非磁性中間層Ｓをルテニウム（Ｒｕ）やクロム（Ｃｒ）とすることの効果が見られる。
【００７５】
（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実施例の試料４−２、４−６、４−８において、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦの材料を変えた磁気抵抗効果素子を製作した。
【００７６】
図１０は、本実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００７７】
図１０から、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦの材料を同一のものにそろえなくても、磁気抵抗変化を上げるという効果が得られることが分かる。また、磁化自由層Ｆの材料との界面でγの絶対値が特に大きくなるような材料とすると効果的である。
【００７８】
このように、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦの材料を異なるものとした構成は、他の実施例にも適用することができる。
【００７９】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、前述した第４実施例の試料４−７から４−９において、その非磁性中間層Ｓを図１１に表したような積層体とした。
【００８０】
すなわち、その基本的な積層構造は、以下の如くである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍＣｏ９０Ｆｅ１０）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍＮｉ６６Ｆｅ１８Ｃｏ１６）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１２は、本実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００８１】
磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆとの磁気結合を遮断するために、非磁性中間層Ｓを厚くすると、スピン拡散長が長い方のスピン有する電子も散乱されてしまう恐れがある。そこで、試料６−１のように、スピン拡散長の非常に長い銅（Ｃｕ）などの層を非磁性中間層Ｓの中間に設けることで、その散乱を抑制した。なお、試料６−２のように中間の銅（Ｃｕ）を少々厚くしても、ＡΔＲは変わらなかった。
【００８２】
また、非磁性中間層Ｓに挿入する層の材料として、銅（Ｃｕ）の代わりに、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合も同様の効果が得られた。
【００８３】
また、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの材料が異なる場合には、それぞれの材料に対して、界面散乱パラメータγの絶対値が大きくなるように、非磁性中間層Ｓの構成を決定すべきである。すなわち、試料６−４は、磁化固着層Ｐの側にルテニウム（Ｒｕ）、磁化自由層Ｆの側にクロム（Ｃｒ）を設けるることにより、両方ともルテニウム（Ｒｕ）あるいはクロム（Ｃｒ）にそろえた試料６−１および６−３によりも大きな｜ＡΔＲ｜を得ることができた。
【００８４】
なお、非磁性中間層Ｓを積層体にする構造は、他の実施例にも同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００８５】
（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、磁化固着層Ｐをいわゆる「シンセティック構造」とした磁気抵抗効果素子について説明する。
【００８６】
図１３は、本実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。同図についても、図１乃至図１２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８７】
本実施例の素子は、磁化固着層として、第１の磁化固着層Ｐ１と、反平行結合層ＡＣと第２の磁化固着層Ｐ２とが積層した、「シンセティック構造」を有する。シンセティック構造においては、一般に、２層の磁化固着層Ｐ１、Ｐ２の磁化の反平行結合に結合磁場の大きなルテニウム（Ｒｕ）層を用いる。このことから、スピン依存散乱パラメータ（β、γ）が負の場合、磁化固着層Ｐの内部にもスピン依存散乱する界面を設けたことと等価となり、図５などに例示した単層の磁化固着層Ｐを有する構造と比べて、磁気抵抗変化量の絶対値をさらに増加させることが可能となる。
【００８８】
本実施例においては、図５と図１３に表した磁気抵抗効果素子をそれぞれ作成し、磁気抵抗変化量を比較した。
【００８９】
基本的な積層構造は、それぞれ以下の通りである。
図５の構造：
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１３の構造：
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ１（４ｎｍ）／反平行結合層ＡＣ（１ｎｍＲｕ）／磁化固着層Ｐ２（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
すなわち、磁化固着層Ｐ１、Ｐ２と磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍに、また非磁性中間層Ｓを３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦを１ｎｍにそろえた。
【００９０】
図１４は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。なお、磁化固着層Ｐ１の材料は、常にＣｏ９０Ｆｅ１０とした。
【００９１】
どの材料を用いた場合でも、、図５の膜構造から図１３の膜構造にすることで、ＡΔＲが小さくなる傾向が見られた。磁化固着層Ｐ２と磁化自由層Ｆでのスピン依存バルク散乱パラメータβ、界面でのスピン依存パラメータγがともに負である試料７−７と７−８とを比べると、図５の構造から図１３の構造にすることで、｜ＡΔＲ｜が大きくなることがわかる。
【００９２】
このような、シンセティック構造にすることによる磁気抵抗変化量の増減は、他の各実施例においても同様に適用して同様の効果が得られる。
【００９３】
（第８の実施例）
以上述べた効果は、図１５に例示したように磁化固着層Ｐが上置き型（トップ型）でも同様に得られる。
【００９４】
図１５は、本実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。同図についても、図１乃至図１２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９５】
この構造の場合、磁化自由層Ｆの下に位置する隣接下地層ＡＢを適宜選択することで、大きな磁気抵抗変化量を得ることができる。その基本的な積層構造を以下の通りとし、隣接下地層ＡＢの材料を変化させて、素子のＡΔＲを測定した。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／隣接下地層ＡＢ（２ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１６は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００９６】
図１６を見ると、第５実施例に関して前述した試料５−１乃至９の結果と同様の結果が得られていることが分かる。つまり、いわゆるトップ型の素子構造の場合であっても、本発明を同様に適用して同様の効果が得られることが確認できた。
【００９７】
（第９の実施例）
次に、本発明の第９の実施例として、非磁性中間層Ｓを合金化した磁気抵抗効果素子を製作した。
【００９８】
本実施例においては、以下のような基本的な膜構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ(Ｃｏ９０Ｆｅ１０) ９５Ｃｒ５）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ(Ｎｉ６６Ｆｅ１８Ｃｏ１６) ９０Ｖ１０）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１７は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００９９】
図１７から分かるように、純粋な銅（Ｃｕ）よりもコバルト（Ｃｏ）を微量に添加した材料を非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦに用いると、磁気抵抗変化量が増加する。
【０１００】
この傾向は、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦの材料として、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかと、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかと、の合金を用いた場合にも同様に得ることができる。
【０１０１】
この場合、添加元素の濃度としては、３０ａｔ％以上となるとスピンが拡散されてしまうので、３０ａｔ％以下とすることが望ましく、更には５ａｔ％以下が望ましい。
【０１０２】
（第１０の実施例）
次に、本発明の第１０の実施例として、非磁性中間層Ｓを積層構造とした磁気抵抗効果素子を製作した。
【０１０３】
本実施例においては、以下のような基本的な膜構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ(Ｃｏ９０Ｆｅ１０) ９５Ｃｒ５）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ(Ｎｉ６６Ｆｅ１８Ｃｏ１６) ９０Ｖ１０）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１８は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【０１０４】
図１８に表したように、銅（Ｃｕ）単層よりも極薄いコバルト（Ｃｏ）層を挿入した積層構造を非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦに用いると、磁気抵抗変化量が増加することがわかった。
【０１０５】
この効果は、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦが、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかからなる層中に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかを主成分とした薄膜層が挿入された構造とした場合にも、同様に得られた。
【０１０６】
挿入する薄膜層の膜厚は、スピンが拡散されないように０．５ｎｍ以下が望ましいが、更に０．１ｎｍ以下が望ましい。また、挿入の効果を発現させるために、０．０３ｎｍは必要である。
【０１０７】
（第１１の実施例）
次に、本発明の第１１の実施例として、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の具体例を挙げて説明する。
【０１０８】
図１９及び図２０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成を模式的に表す概念図である。すなわち、これらの図は、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を表し、図１９は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面Ｐに対して略平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。また、図２０は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【０１０９】
図１９及び図２０に例示した磁気抵抗効果素子は、ハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有している素子であり、磁気抵抗効果膜１４の上下には、下部電極１２と上部電極２０とがそれぞれ設けられ、また、図１９において、磁気抵抗効果膜１４の両側の側面には、バイアス磁界印加膜１６と絶縁膜１８とが積層して設けられている。さらに、図２０に例示したように、磁気抵抗効果膜４の媒体対向面には、保護層３０が設けられている。
【０１１０】
磁気抵抗効果膜４は、図１乃至図１８に関して前述したように、本発明の実施の形態にかかる構造を有する。すなわち、散乱パラメータβ及びγがいずれも負となるような材料系を組み合わせることにより、負の磁気抵抗効果を大きく得ることができる積層構造を有する。
【０１１１】
磁気抵抗効果膜４に対するセンス電流は、その上下に配置された電極１２、２０によって矢印Ａで示したように、膜面に対して略垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１６、１６により、磁気抵抗効果膜１４にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１４のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
【０１１２】
本発明によれば、磁気抵抗効果膜１４として、負の磁気抵抗効果が大きく発現する構造を採用することにより、ＭＲ変化率が向上する。その結果として、磁気抵抗効果素子の感度を顕著に改善することが可能となり、例えば、磁気ヘッドに応用した場合に、高感度の磁気再生が可能となる。
【０１１３】
（第１２の実施例）
次に、本発明の第１２の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図１乃至図２０に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【０１１４】
図２１は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【０１１５】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１１６】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【０１１７】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１１８】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１１９】
図２２は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図２０に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１２０】
本発明によれば、図１乃至図２０に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
【０１２１】
（第１３の実施例）
次に、本発明の第１３の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、図１乃至図２０に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子を用いて、例えば、メモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。
【０１２２】
図２３は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【０１２３】
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。
【０１２４】
ビット情報を書き込むときは、特定の書込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１２５】
図２４は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子３２１とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子３２１以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。
【０１２６】
書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１２７】
図２５は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。また、図２６は、図２５のＡ−Ａ’線断面図である。
【０１２８】
すなわち、これらの図に表した構造は、図２３に例示した磁気メモリに含まれるひとつのメモリセルに対応する。つまり、ランダムアクセスメモリとして動作する磁気メモリの１ビット部分のメモリセルである。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０１２９】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子３２１と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子３２１は、図１〜図２０に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子であり、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果などを有し、且つ負の磁気抵抗効果が大きく発現する素子である。
【０１３０】
ＧＭＲ効果を有する場合は、ビット情報読み出しの際には磁気抵抗効果素子３２１にセンス電流を流してその抵抗変化を検出すればよい。
【０１３１】
また、特に、磁性層／非磁性トンネル層／磁性層／非磁性トンネル層／磁性層という構造をもつ強磁性２重トンネル接合などを含むものであると、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果による抵抗変化により磁気抵抗効果が得られる。
【０１３２】
これらの構造において、いずれかの磁性層は、磁化固着層として作用し、他のいずれかの磁性層が磁気記録層として作用するものとすることができる。
【０１３３】
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子３２１と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。゜
また、磁気抵抗効果素子３２１の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２と略直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【０１３４】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子３２１に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０１３５】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子３２１の抵抗値または抵抗値の変化を測定することにより行われる。
【０１３６】
本具体例の磁気メモリは、図１〜図２０に関して前述したような磁気抵抗効果素子を用いることにより、大きな負の磁気抵抗効果が得られるため、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みが確保され、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１３７】
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、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜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。
【０１３８】
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０１３９】
また、本発明は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０１４１】
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、磁気記憶再生装置及び磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【０１４２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、負のスピン依存バルク散乱パラメータβを有する磁性体材料と、負のスピン依存界面散乱パラメータγが得られるスペーサ層とを組み合わせすることにより、負の磁気抵抗効果を利用しつつ大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。
【０１４３】
その結果として、高感度の磁気検出を安定して得られ、高い記録密度でも高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置や、高集積な磁気メモリなどを提供することが可能となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図２】βとγの組み合わせが電子に与える効果を説明する概念図である。
【図３】本発明の実施例の第１の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図４】本発明の実施例の第２の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図５】本発明の第１実施例及び各比較例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す概念図である。
【図６】本発明の第１実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図７】本発明の第２実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図８】本発明の第３実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図９】本発明の第４実施例及び比較例としての各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１０】本発明の第５実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１１】本発明の第６の実施例として製作した積層体を表す模式図である。
【図１２】本発明の第６実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１３】本発明の第７実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。
【図１４】本発明の第７実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１５】本発明の第８実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。
【図１６】本発明の第８実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１７】本発明の第９実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１８】本発明の第１０実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１９】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成を模式的に表す概念図である。
【図２０】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成を模式的に表す概念図である。
【図２１】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図２２】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図２３】本発明の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【図２４】本発明の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。
【図２５】本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。
【図２６】図２４のＡ−Ａ’線断面図である。
【符号の説明】
１２ 下部電極
１４ 磁気抵抗効果膜
１６ ハード膜
１８ パッシベーション膜
２０ 上部電極
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
１６５ 図中
２００ 媒体ディスク
２００ 記録用媒体ディスク
２００ｎｍ 約
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
３２２ ビット線
３２２ 配線
３２３ ワード線
３２３ 配線
３２４ 下部電極
３２６ ビア
３２８ 配線
３３０ スイッチングトランジスタ
３３０ トランジスタ
３３２ ゲート
３３２ ワード線
３３４ ビット線
３３４ ワード線
３３４ 配線
３５０ 列デコーダ
３５１ 行デコーダ
３５２ センスアンプ
３６０ デコーダ
ＡＢ 隣接下地層
ＡＣ 反平行結合層
ＡＦ 反強磁性層
ＢＦ 下地層
ＣＡ 保護層
Ｄ ダイオード
Ｆ フリー層（磁化自由層）
Ｐ ピン層（磁化固着層）
Ｓ スペーサ層（非磁性中間層）
ＳＦ スピンフィルタ層
【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、磁気ヘッド並びに磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子及びその製造方法、これを用いた磁気ヘッド並びに磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気記録媒体に記録された情報の読み出しは、コイルを有する再生用の磁気ヘッドを記録媒体に対して相対的に移動させ、そのときに発生する電磁誘導効果によりコイルに誘起される電圧を検出する方法によって行われてきた。その後、磁気抵抗効果素子（MagnetoResistance effect device：以下、「ＭＲ素子」とも称する）が開発され、磁場センサとして用いられる他、ハードディスクドライブ等の磁気記録再生装置に搭載される磁気ヘッド（ＭＲヘッド）として用いられつつある。
【０００３】
近年、磁気記録媒体の小型化・大容量化が進められ、情報読み出し時の再生用磁気ヘッドと磁気記録媒体との相対速度が小さくなってきている。このため、小さい相対速度であっても、大きな出力が取り出せる高感度のＭＲヘッドが必要とされつつある。
【０００４】
このような要求に対して、鉄（Ｆｅ）／クロム（Ｃｒ）や鉄（Ｆｅ）／銅（Ｃｕ）のように、強磁性金属膜と非磁性金属膜とをある条件で交互に積層して、近接する強磁性金属膜間を反強磁性結合させた多層膜、いわゆる「人工格子膜」が巨大な磁気抵抗効果を示すことが報告されている（Phys. Rev. Lett. 61 2474 (1988), Phys. Rev. Lett. 64 2304 (1990)等参照）。しかし、人工格子膜は、磁化が飽和するために必要とされる磁場が高いため、ＭＲヘッド用の磁気検出部としては適さない。
【０００５】
これに対して、強磁性層／非磁性層／強磁性層というサンドイッチ構造の多層膜で、強磁性層が反強磁性結合しない場合でも、大きな磁気抵抗効果を実現した例が報告されている。すなわち、非磁性層を挟んだ２層の強磁性層の一方に交換バイアス磁場を印加して磁化を固定（「磁化固着層」あるいは「ピン層」などと称される）しておき、他方の強磁性層を外部磁場（信号磁場等）により磁化反転させる（「磁化自由層」あるいは「フリー層」などと称される）。このようにして、非磁性層を挟んで配置された２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。このようなタイプの多層膜は、「スピンバルブ（spin-valve）」と呼ばれている（Phys. Rev., B45, 806 (1992), J. Appl. Phys., 69, 4774 (1981)等参照）。
【０００６】
スピンバルブは、低い磁場強度で磁化を飽和させることができるため、ＭＲヘッドに適しており、既に実用化されているが、その磁気抵抗変化率は、現状では最大でも約２０％までであり、更に高い磁気抵抗変化率を示すＭＲ素子が必要となってきた。
【０００７】
ところで、これまでのＭＲ素子は、センス電流を素子膜面内に対して平行な方向に通電して利用されている（Current−in−plane：ＣＩＰ）。これに対して、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に通電する（Current-perpendicular-to-plane：ＣＰＰ）と、ＣＩＰの１０倍程度の磁気抵抗変化率が得られるとの報告があり（J. Phys. Condens. Matter., 11, 5717 (1999)等）、磁気抵抗変化率１００％も不可能ではない。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スピンバルブ構造は、スピン依存する層の総膜厚が非常に薄く、界面の数も少ないことから、垂直通電した場合の抵抗自体が小さく、出力絶対値も小さくなってしまうという問題があった。すなわち、従来、ＣＩＰに用いている積層構造のスピンバルブに垂直通電すると、ピン層およびフリー層の厚さが５ｎｍ相当の場合、１μｍ２あたりの出力絶対値ＡΔＲ（通電面積×抵抗変化量）は、約０．５ｍΩμｍ２と小さい。このため、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子においては、スピンバルブ膜の膜材料や膜構成を工夫して、抵抗変化量を大きくすることが重要となる。
【０００８】
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、スピンバルブ構造のピン層、フリー層およびスペーサ層の材料物性を根本的に見直すことにより、大きな抵抗変化量を可能とした垂直通電型の磁気抵抗効果素子、およびこのような磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド、磁気再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の関連技術にかかる磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記磁化固着層と前記磁化自由層の少なくともいずれかは、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むＭ１と、鉄（Ｆｅ）と、コバルト（Ｃｏ）と、ニッケル（Ｎｉ）と、により組成式：
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）１００−ｄＭ１ｄ （但し、０≦ａ＜１００原子％、０≦ｂ＜１００原子％、０≦ｃ＜１００原子％、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．５原子％≦ｄ＜５０原子％）
で表される合金からなり、
前記非磁性中間層は、クロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）の少なくともいずれかを含有し、前記磁化固着層及び前記磁化自由層のうちの前記合金からなるものと接していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の関連技術にかかる第２の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記磁化固着層と前記磁化自由層のうち少なくともいずれかは、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ１と、鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）と、により組成式：
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）１００−ｄＭ１ｄ （但し、０≦ａ＜１００原子％、０≦ｂ＜１００原子％、０≦ｃ＜１００原子％、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．５原子％≦ｄ＜５０原子％）
で表される合金からなり、
前記非磁性中間層は、クロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）の少なくといずれかを含有した層と、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくもいずれかを主成分とする層と、の積層体からなり、前記磁化固着層及び前記磁化自由層のうちの前記合金からなるものと接していることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記非磁性中間層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ２と、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ３と、の合金からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【００１１】
ここで、中間層に、ピン層やフリー層に用いる磁性元素を添加することにより、中間層のバンド構造をピン層やフリー層のバンド構造に近づけて、余計な電子散乱を抑制することができる。すなわち、中間層の状態密度を磁性層の状態密度に近づけることにより、アップスピン電子の余計な散乱を抑制することができる。
【００１２】
ここで、前記合金を組成式
Ｍ２１００−ｅＭ３ｅ
により表した時の組成ｅは、０＜ｅ≦３０原子％の範囲内にあるものとすることができる。
【００１３】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記非磁性中間層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）よりなる群から選択された少なくともいずれかからなる第１の層の中に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）よりなる群から選択された少なくともいずれかからなる導電体の層が挿入され、
前記導電体の層の層厚は、０．０３ナノメータ以上０．５ナノメータ以下であることを特徴とする。
【００１４】
ここでも、中間層に、ピン層やフリー層に用いる磁性元素からなる層を挿入することにより、中間層のバンド構造をピン層やフリー層のバンド構造に近づけて、余計な電子散乱を抑制することができる。
【００１５】
すなわち、中間層の状態密度を磁性層の状態密度に近づけることにより、アップスピン電子の余計な散乱を抑制することができる。
【００１６】
また、前記第１及び第２の強磁性体膜のうち少なくともいずれかは、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ１と、鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）と、により組成式：
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）１００−ｄＭ１ｄ （但し、０≦ａ＜１００原子％、０≦ｂ＜１００原子％、０≦ｃ＜１００原子％、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．５原子％≦ｄ＜５０原子％）
で表される合金からなるものとすることができる。
【００１７】
一方、本発明の磁気ヘッドは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の磁気再生装置は、この磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする。
【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。
【００１９】
図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【００２０】
すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、ピン層（磁化固着層）Ｐと、フリー層（磁化自由層）Ｆと、これらの間に設けられたスペーサ層（非磁性中間層）とを有する。ここで、ピン層Ｐは、その磁化が実質的に一方向に固着された強磁性体膜を含む層である。また、フリー層Ｆは、その磁化が外部磁界に応じて変化しうる強磁性体膜を含む層である。また、スペーサ層Ｓは、ピン層Ｐとフリー層Ｆとの間の磁気的な結合を遮断する層である。
【００２１】
本発明においては、ピン層Ｐあるいはフリー層Ｆの少なくともいずれかにおいて、スピン依存バルク散乱パラメータβが負となる材料を用い、且つ、スペーサ層Ｓにおいて、スピン依存界面散乱パラメータγが負となる材料を用いる。
【００２２】
すなわち、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量を決定しているのは、強磁性体膜内でのスピン依存バルク散乱パラメータβと、強磁性層と非磁性層の界面でのスピン依存界面散乱パラメータγである。本願明細書において、「スピン依存バルク散乱パラメータβ」とは、強磁性体内を流れるアップスピン電子とダウンスピン電子の抵抗の比を表したものであり、アップスピン電子によるバルク中での電気抵抗ρ↑［μΩ・ｃｍ］とダウンスピン電子による電気抵抗ρ↓［μΩ・ｃｍ］とを用いて、次式により表される。
ρ↓／ρ↑＝（１＋β）／（１−β）
この式をβについて表すと次式の如くである。
β＝（ρ↓−ρ↑）／（ρ↓＋ρ↑）
一方、本願明細書において、「スピン依存界面散乱パラメータγ」とは、ピン層Ｐとスペーサ層Ｓとの界面、あるいはフリー層Ｆとスペーサ層Ｓとの界面におけるアップスピン電子とアップスピン電子の単位面積あたりの抵抗ＡＲ↑［ｍΩ・μｍ２］とダウンスピン電子の単位面積あたりの抵抗ＡＲ↓［ｍΩ・μｍ２］とを用いて次式により表される。
ＡＲ↓／ＡＲ↑＝（１＋γ）／（１−γ）
この式をγについて表すと次式の如くである。
γ＝（ＡＲ↓−ＡＲ↑）／（ＡＲ↓＋ＡＲ↑）
これらの式から分かるように、βやγの絶対値が大きいほど、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化量は大きくなる。
【００２３】
ところで、従来のスピンバルブ構造の場合、強磁性体材料として通常用いられている単体の鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等においては、スピン依存バルク散乱パラメータβは正である。
【００２４】
これに対して、例えば、鉄（Ｆｅ）にクロム（Ｃｒ）などを添加していくと、βが減少して遂には負となるという現象がある。すなわち、ダウンスピン電子による抵抗の方が、アップスピン電子による抵抗よりも小さくなる。この現象については、例えば、J. Durand and F. Gautier : J. Phys. Chem. Solids., 31, 2773 (1970)、 J. W. F. Dorleijn and A. R. Miedema : J. Phys. F : Met. Phys., 5, 487 (1975)、 A. Fert and I. A. Campbell : J. Phys. F : Met. Phys., 6, 849 (1976)、I. Mertig : Rep. Prog. Phys. 62, 237 (1999) などの文献において、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）に、特定の元素を添加することによってアップスピン電子の抵抗を上げることができると報告されている。
このように、アップスピン電子の抵抗よりもダウンスピン電子の抵抗が小さい状態においては、いわゆる「負の磁気抵抗効果（negative magnetoresistance effect）」が生ずる。そして、この場合においても、バルク散乱パラメータβの絶対値が大きければ、大きな磁気抵抗変化率が得られる。
【００２５】
そして、本発明のまずひとつ目の特徴は、ピン層Ｐあるいはフリー層Ｆの強磁性体として、このようにβが負となる強磁性体を用いることにある。その材料としては、具体的には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のいずれか、あるいはこれらいずれかを含有する強磁性体合金であって、添加元素として、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）の少なくともいずれかを添加した強磁性体を挙げることができる。
【００２６】
しかし、このようにβが負となる強磁性体層に対して、スピン依存界面散乱パラメータγが正となるような界面を組み合わせると、互いのＡΔＲへの効果を相殺してしまうことになる。以下、図２を参照しつつ、この理由を説明する。
【００２７】
図２は、βとγの組み合わせが電子に与える効果を説明する概念図である。
【００２８】
まず、同図（ａ）に表した具体例においては、バルク散乱パラメータβと界面散乱パラメータγとがいずれも正の場合を表す。この時に、アップスピン電子（ｅ↑）は、ピン層Ｐ、フリー層Ｆにおいて抵抗ρが小さく、且つ、これらとスペーサ層Ｓとの界面においても、散乱が小さい。つまり、アップスピン電子は、バルク（強磁性体）内での抵抗が低く、且つ、界面においても散乱されにくい。その結果として、磁気抵抗変化量ΔＲが大きくなり、出力絶対値ＡΔＲも大きい。
【００２９】
一方、この場合のダウンスピン電子（ｅ↓）は、バルク抵抗も界面における散乱も大きい。つまり、スピンバルブ構造を通り抜けることが容易でない。
【００３０】
これに対して、図２（ｂ）に表した具体例の場合、バルク散乱パラメータβが負であり、界面散乱パラメータγは正である。このケースの場合、バルク（強磁性体）内での抵抗ρについて見ると、アップスピン電子（ｅ↑）の抵抗ρの方がダウンスピン電子（ｅ↓）の抵抗ρよりも高くなる。従って、ダウンスピン電子を利用したほうが高い磁気抵抗変化率が得られるはずである。しかし、界面散乱パラメータγが正であるため、ダウンスピン電子は、界面において散乱される確率が高い。電子が散乱されるとスピン情報を喪失するため、ダウンスピン電子としての伝導に損失が生ずる。
【００３１】
つまり、図２（ｂ）に表したように、バルク散乱パラメータβが負であっても、界面散乱パラメータγが正であっては、ダウンスピン電子は界面で散乱されてしまうため、磁気抵抗変化率に対する寄与が相殺されてしまう。
【００３２】
これに対して、本発明によれば、図２（ｃ）に表したように、バルク散乱パラメータβと界面散乱パラメータγとが、いずれも負となるようにスピンバルブ構造を形成する。
【００３３】
このようにすれば、バルク（強磁性体）内を低い抵抗で伝導したダウンスピン電子が、界面においても散乱によるスピン情報の損失が少ない状態で、磁気抵抗変化に寄与する。その結果として、ダウンスピン電子を用いた「負の磁気抵抗効果」において、高い磁気抵抗変化率が得られる。
【００３４】
本発明においては、界面散乱パラメータγを負とするため、スペーサ層（非磁性中中間）Ｓの材料として、クロム（Ｃｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）のいずれか、またはこれらの合金を用いることができる。
【００３５】
または、スペーサ層Ｓは、クロム（Ｃｒ）及びルテニウム（Ｒｕ）のいずれかまたはこれらの合金からなる層と、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）のいずれかあるいはこれらを含有する合金からなる層との積層体としても良い。
【００３６】
または、スペーサ層Ｓの材料としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかと、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかと、の合金を用いることができる。
【００３７】
または、スペーサ層Ｓとして、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかからなる層中に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかを主成分とした厚さ０．０３ナノメータ乃至０．５ナノメータの薄膜層が挿入された構造とすることができる。
【００３８】
以上説明したように、本発明において、負のβを有する磁性体材料と、負のγが得られるスペーサ層とを組み合わせすることにより、負の磁気抵抗効果を利用しつつ大きな磁気抵抗変化率が可能となり、垂直通電型のスピンバルブ素子として実用化することの意義は大きい。
【００３９】
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詳細に説明する。
【００４０】
まず、後に詳述する本発明の第１乃至第１０実施例において、具体的に試作した磁気抵抗効果素子の全体構成について説明する。すなわち、これらの実施例においては、以下に説明する２種の素子を実際に作製して、その特性を評価した。
【００４１】
図３は、第１の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【００４２】
すなわち、下部電極１２の上に、磁気抵抗効果膜１４を形成し、その両端には、フリー層の磁区制御のためにバイアス磁界を印加するハード膜１６、１６を設け、さらに、磁気抵抗効果膜１４の上には、パッシベーション膜１８のコンタクトを介して上部電極２０を接続した。
【００４３】
この素子の作製プロセスは、以下のとおりである。
【００４４】
まず、シリコン（Ｓｉ）基板（図示せず）の上に、約５００ｎｍ（ナノメータ）のＡｌＯxを成膜し、その上にレジストを塗布し、ＰＥＰ（Photo Engraving Process）により下部電極１２となる部分のレジストを除去する。
【００４５】
次に、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)により、レジストのない部分のＡｌＯxを除去し、膜厚５ｎｍのタンタル（Ｔａ）／膜厚４００ｎｍの銅（Ｃｕ）／膜厚２０ｎｍのタンタル（Ｔａ）という積層膜を成膜して下部電極１２を成膜する。
【００４６】
次に、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を行って平滑化することにより、下部電極１２をＡｌＯxから露出させる。下部電極１２の上に、約３μｍ×３μｍ〜５μｍ×５μｍのサイズの磁気抵抗効果膜１４を形成する。そして、磁気抵抗効果膜１４の側面に、約３０ｎｍのコバルト白金（ＣｏＰｔ）からなるハード膜１６を形成する。
【００４７】
その後、全面にパシベーション膜として膜厚が約２００ｎｍのＳｉＯxを成膜する。レジストを塗布した後、磁気抵抗効果膜１４の中央部のコンタクトホール形成領域からレジストを除去する。そして、ＲＩＥとミリングにより、約０．３μｍφ〜３μｍφのコンタクトホールを形成する。レジストを除去した後、膜厚５ｎｍのタンタル（Ｔａ）／膜厚４００ｎｍの銅（Ｃｕ）／膜厚５ｎｍのタンタル（Ｔａ）からなる上部電極２０と約２００ｎｍの金（Ａｕ）電極パッド（図示せず）を形成する。
【００４８】
以上のプロセスにより、第１の磁気抵抗効果素子を製作した。
【００４９】
図４は、本発明の実施例の第２の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。同図については、図３と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５０】
第２の磁気抵抗効果素子の製造プロセスの要部は、以下に説明する通りである。
【００５１】
すなわち、図１に表した第１の磁気抵抗効果素子の場合と同様に、シリコン（Ｓｉ）基板の上にＡｌＯxを成膜し、ＡｌＯxの一部を除去し、下部電極１２を成膜した後、ＣＭＰを行って平滑化することにより、下部電極１２をＡｌＯxから露出させる。そして、下部電極１２の上に磁気抵抗効果膜１４を形成し、幅約２μｍから５μｍのストライプ状に加工する。その後に、全面にパシベーション膜１８として、約２００ｎｍのＳｉＯxを成膜する。レジストを塗布した後、磁気抵抗効果膜１４の上において、磁気抵抗効果膜１４の長手方向に直交して約１．５μｍから５μｍの範囲のレジストを除去し、素子サイズを規定する。レジストを除去した後、磁気抵抗効果膜１４の全体にセンス電流が一様に流れるように、磁気抵抗効果膜１４の直上に約１００ｎｍの金（Ａｕ）膜を成膜する。その後、図１の素子と同じく上部電極２０とパッドを形成する。
【００５２】
これらの素子について、４端子法を用いて電気抵抗特性を測定した結果、出力については２つの素子で差違のないことを確認した。
【００５３】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例について説明する。
【００５４】
図５は、本実施例及び各比較例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す概念図である。その基本膜構成は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
ここで、各層のカッコ内に膜厚と材料を適宜表した。すなわち、本実施例および比較例においては、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍとし、また非磁性中間層Ｓの膜厚を３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦの膜厚を１ｎｍにそろえた。
【００５５】
図６は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。なお、ＡΔＲは、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの磁化が反平行のときの抵抗ＡＲＡＰと、平行のときの抵抗ＡＲＰの差、ＡＲＡＰ−ＡＲＰである。
【００５６】
図６から、バルク散乱パラメータβが正の鉄（Ｆｅ）に、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）等を添加してβを負にした場合には、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦを銅（Ｃｕ）（試料１−３、５、７、９、及び１１）とした場合よりも、クロム（Ｃｒ）に変えて界面散乱パラメータγも負にした方（試料１−４、６、８、１０及び１２）が、より大きな出力絶対値｜ＡΔＲ｜を得ることができることが判る。
【００５７】
なお、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦをルテニウム（Ｒｕ）にした場合も、クロム（Ｃｒ）と同様に、銅（Ｃｕ）よりも大きな｜ＡΔＲ｜を得ることができた。またここで、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎの添加量を５ａｔ％（原子パーセント）としたが、０．５ａｔ％〜５０ａｔ％での範囲で、Ｃｒと組み合わせることの効果が確認できた。但し、その添加量の範囲は、望ましくは、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％であった。
【００５８】
また、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する添加元素を、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）のいずれかとした場合も、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦを、銅（Ｃｕ）からクロム（Ｃｒ）やルテニウム（Ｒｕ）にした場合に大きな｜ＡΔＲ｜を得ることができた。
【００５９】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
【００６０】
本実施例においても、図５に表した積層構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。その基本的な積層構造は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
ここでも、各層のカッコ内に膜厚と材料を適宜表した。すなわち、本実施例においては、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍに、また非磁性中間層Ｓを３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦを１ｎｍにそろえた。
【００６１】
図７は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００６２】
図７から、バルク散乱パラメータβが正のコバルト（Ｃｏ）にクロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ルテニウム（Ｒｕ）等を添加してβを負にした場合には、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦを銅（Ｃｕ）（試料２−４、７及び１０）からクロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）に変えて界面散乱パラメータγも負にした（試料２−５、６、８、９、１１及び１２）方が、より大きな出力絶対値｜ＡΔＲ｜を得ることができることがと判る。
【００６３】
なお、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する添加元素を、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）あいるはイリジウム（Ｉｒ）とした場合にも、非磁性中間層とスピンフィルタ層をクロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）にした方が銅（Ｃｕ）にした場合よりも｜ＡΔＲ｜が大きかった。
【００６４】
また、ここでは、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する、上記元素の添加量を５ａｔ％としたが、０．５ａｔ％〜５０ａｔ％での範囲で、Ｃｒと組み合わせることの効果が確認できた。但し、望ましくは０．５ａｔ％〜３０ａｔ％で効果が大きい。
【００６５】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
【００６６】
本実施例においても、図５に表した積層構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。その基本的な積層構造は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
ここでも、各層のカッコ内に膜厚と材料を適宜表した。すなわち、本実施例においては、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍに、また非磁性中間層Ｓを３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦを１ｎｍにそろえた。
【００６７】
図８は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００６８】
図８から、バルク散乱パラメータβが正のニッケル（Ｎｉ）にバナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等を添加してβを負にした場合には、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦを銅（Ｃｕ）（試料３−３、５、７、９及び１１）からクロム（Ｃｒ）に変えて界面散乱パラメータγも負にした（試料２−４、６、８、１０及び１２）方が、より大きな出力絶対値｜ＡΔＲ｜を得ることができることがと判る。
【００６９】
なお、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する添加元素を、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）あるいは白金（Ｐｔ）とした場合にも、非磁性中間層とスピンフィルタ層をクロム（Ｃｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）にした方が銅（Ｃｕ）にした場合よりも｜ＡΔＲ｜が大きかった。
【００７０】
また、ここでは、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆに対する、上記元素の添加量を５ａｔ％としたが、０．５ａｔ％〜５０ａｔ％での範囲で、Ｃｒと組み合わせることの効果が確認できた。但し、望ましくは０．５ａｔ％〜３０ａｔ％で効果が大きい。
【００７１】
（第４の実施例）
第１の実施例から第３の実施例までは、磁化固着層Ｐ及び磁化自由層Ｆの材料として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）を母体として元素を添加した。これに対して、第４の実施例においては、鉄・コバルト・ニッケル（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ）系合金に元素を添加した場合と、さらに磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの材料が異なる場合について、調べた。
【００７２】
本実施例においても、図３と同様の積層構造の磁気抵抗効果素子を製作した。
【００７３】
その基本膜構成は、以下の通りである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図９は、本実施例及び比較例としての各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００７４】
図９から、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの材料が異なる場合でも、非磁性中間層Ｓをルテニウム（Ｒｕ）やクロム（Ｃｒ）とすることの効果が見られる。
【００７５】
（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実施例の試料４−２、４−６、４−８において、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦの材料を変えた磁気抵抗効果素子を製作した。
【００７６】
図１０は、本実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００７７】
図１０から、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦの材料を同一のものにそろえなくても、磁気抵抗変化を上げるという効果が得られることが分かる。また、磁化自由層Ｆの材料との界面でγの絶対値が特に大きくなるような材料とすると効果的である。
【００７８】
このように、非磁性中間層Ｓとスピンフィルタ層ＳＦの材料を異なるものとした構成は、他の実施例にも適用することができる。
【００７９】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、前述した第４実施例の試料４−７から４−９において、その非磁性中間層Ｓを図１１に表したような積層体とした。
【００８０】
すなわち、その基本的な積層構造は、以下の如くである。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍＣｏ９０Ｆｅ１０）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍＮｉ６６Ｆｅ１８Ｃｏ１６）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１２は、本実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００８１】
磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆとの磁気結合を遮断するために、非磁性中間層Ｓを厚くすると、スピン拡散長が長い方のスピン有する電子も散乱されてしまう恐れがある。そこで、試料６−１のように、スピン拡散長の非常に長い銅（Ｃｕ）などの層を非磁性中間層Ｓの中間に設けることで、その散乱を抑制した。なお、試料６−２のように中間の銅（Ｃｕ）を少々厚くしても、ＡΔＲは変わらなかった。
【００８２】
また、非磁性中間層Ｓに挿入する層の材料として、銅（Ｃｕ）の代わりに、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合も同様の効果が得られた。
【００８３】
また、磁化固着層Ｐと磁化自由層Ｆの材料が異なる場合には、それぞれの材料に対して、界面散乱パラメータγの絶対値が大きくなるように、非磁性中間層Ｓの構成を決定すべきである。すなわち、試料６−４は、磁化固着層Ｐの側にルテニウム（Ｒｕ）、磁化自由層Ｆの側にクロム（Ｃｒ）を設けるることにより、両方ともルテニウム（Ｒｕ）あるいはクロム（Ｃｒ）にそろえた試料６−１および６−３によりも大きな｜ＡΔＲ｜を得ることができた。
【００８４】
なお、非磁性中間層Ｓを積層体にする構造は、他の実施例にも同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【００８５】
（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、磁化固着層Ｐをいわゆる「シンセティック構造」とした磁気抵抗効果素子について説明する。
【００８６】
図１３は、本実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。同図についても、図１乃至図１２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８７】
本実施例の素子は、磁化固着層として、第１の磁化固着層Ｐ１と、反平行結合層ＡＣと第２の磁化固着層Ｐ２とが積層した、「シンセティック構造」を有する。シンセティック構造においては、一般に、２層の磁化固着層Ｐ１、Ｐ２の磁化の反平行結合に結合磁場の大きなルテニウム（Ｒｕ）層を用いる。このことから、スピン依存散乱パラメータ（β、γ）が負の場合、磁化固着層Ｐの内部にもスピン依存散乱する界面を設けたことと等価となり、図５などに例示した単層の磁化固着層Ｐを有する構造と比べて、磁気抵抗変化量の絶対値をさらに増加させることが可能となる。
【００８８】
本実施例においては、図５と図１３に表した磁気抵抗効果素子をそれぞれ作成し、磁気抵抗変化量を比較した。
【００８９】
基本的な積層構造は、それぞれ以下の通りである。
図５の構造：
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１３の構造：
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ１（４ｎｍ）／反平行結合層ＡＣ（１ｎｍＲｕ）／磁化固着層Ｐ２（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
すなわち、磁化固着層Ｐ１、Ｐ２と磁化自由層Ｆの膜厚をそれぞれ４ｎｍに、また非磁性中間層Ｓを３ｎｍ、スピンフィルタ層ＳＦを１ｎｍにそろえた。
【００９０】
図１４は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。なお、磁化固着層Ｐ１の材料は、常にＣｏ９０Ｆｅ１０とした。
【００９１】
どの材料を用いた場合でも、、図５の膜構造から図１３の膜構造にすることで、ＡΔＲが小さくなる傾向が見られた。磁化固着層Ｐ２と磁化自由層Ｆでのスピン依存バルク散乱パラメータβ、界面でのスピン依存パラメータγがともに負である試料７−７と７−８とを比べると、図５の構造から図１３の構造にすることで、｜ＡΔＲ｜が大きくなることがわかる。
【００９２】
このような、シンセティック構造にすることによる磁気抵抗変化量の増減は、他の各実施例においても同様に適用して同様の効果が得られる。
【００９３】
（第８の実施例）
以上述べた効果は、図１５に例示したように磁化固着層Ｐが上置き型（トップ型）でも同様に得られる。
【００９４】
図１５は、本実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。同図についても、図１乃至図１２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９５】
この構造の場合、磁化自由層Ｆの下に位置する隣接下地層ＡＢを適宜選択することで、大きな磁気抵抗変化量を得ることができる。その基本的な積層構造を以下の通りとし、隣接下地層ＡＢの材料を変化させて、素子のＡΔＲを測定した。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／隣接下地層ＡＢ（２ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１６は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００９６】
図１６を見ると、第５実施例に関して前述した試料５−１乃至９の結果と同様の結果が得られていることが分かる。つまり、いわゆるトップ型の素子構造の場合であっても、本発明を同様に適用して同様の効果が得られることが確認できた。
【００９７】
（第９の実施例）
次に、本発明の第９の実施例として、非磁性中間層Ｓを合金化した磁気抵抗効果素子を製作した。
【００９８】
本実施例においては、以下のような基本的な膜構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ(Ｃｏ９０Ｆｅ１０) ９５Ｃｒ５）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ(Ｎｉ６６Ｆｅ１８Ｃｏ１６) ９０Ｖ１０）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１７は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【００９９】
図１７から分かるように、純粋な銅（Ｃｕ）よりもコバルト（Ｃｏ）を微量に添加した材料を非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦに用いると、磁気抵抗変化量が増加する。
【０１００】
この傾向は、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦの材料として、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかと、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかと、の合金を用いた場合にも同様に得ることができる。
【０１０１】
この場合、添加元素の濃度としては、３０ａｔ％以上となるとスピンが拡散されてしまうので、３０ａｔ％以下とすることが望ましく、更には５ａｔ％以下が望ましい。
【０１０２】
（第１０の実施例）
次に、本発明の第１０の実施例として、非磁性中間層Ｓを積層構造とした磁気抵抗効果素子を製作した。
【０１０３】
本実施例においては、以下のような基本的な膜構造を有する磁気抵抗効果膜を作成した。
下部電極１２／下地層ＢＦ（５ｎｍＴａ）／下地層ＢＦ（５ｎｍＮｉＦｅＣｒ）／反強磁性層ＡＦ（１５ｎｍＰｔＭｎ）／磁化固着層Ｐ（４ｎｍ(Ｃｏ９０Ｆｅ１０) ９５Ｃｒ５）／非磁性中間層Ｓ（３ｎｍ）／磁化自由層Ｆ（４ｎｍ(Ｎｉ６６Ｆｅ１８Ｃｏ１６) ９０Ｖ１０）／スピンフィルタ層ＳＦ（１ｎｍ）／保護層ＣＡ（１０ｎｍＴａ）／上部電極２０
図１８は、本実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【０１０４】
図１８に表したように、銅（Ｃｕ）単層よりも極薄いコバルト（Ｃｏ）層を挿入した積層構造を非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦに用いると、磁気抵抗変化量が増加することがわかった。
【０１０５】
この効果は、非磁性中間層Ｓやスピンフィルタ層ＳＦが、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）の少なくともいずれかからなる層中に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかを主成分とした薄膜層が挿入された構造とした場合にも、同様に得られた。
【０１０６】
挿入する薄膜層の膜厚は、スピンが拡散されないように０．５ｎｍ以下が望ましいが、更に０．１ｎｍ以下が望ましい。また、挿入の効果を発現させるために、０．０３ｎｍは必要である。
【０１０７】
（第１１の実施例）
次に、本発明の第１１の実施例として、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の具体例を挙げて説明する。
【０１０８】
図１９及び図２０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成を模式的に表す概念図である。すなわち、これらの図は、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を表し、図１９は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面Ｐに対して略平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。また、図２０は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【０１０９】
図１９及び図２０に例示した磁気抵抗効果素子は、ハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有している素子であり、磁気抵抗効果膜１４の上下には、下部電極１２と上部電極２０とがそれぞれ設けられ、また、図１９において、磁気抵抗効果膜１４の両側の側面には、バイアス磁界印加膜１６と絶縁膜１８とが積層して設けられている。さらに、図２０に例示したように、磁気抵抗効果膜４の媒体対向面には、保護層３０が設けられている。
【０１１０】
磁気抵抗効果膜４は、図１乃至図１８に関して前述したように、本発明の実施の形態にかかる構造を有する。すなわち、散乱パラメータβ及びγがいずれも負となるような材料系を組み合わせることにより、負の磁気抵抗効果を大きく得ることができる積層構造を有する。
【０１１１】
磁気抵抗効果膜４に対するセンス電流は、その上下に配置された電極１２、２０によって矢印Ａで示したように、膜面に対して略垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１６、１６により、磁気抵抗効果膜１４にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜１４のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
【０１１２】
本発明によれば、磁気抵抗効果膜１４として、負の磁気抵抗効果が大きく発現する構造を採用することにより、ＭＲ変化率が向上する。その結果として、磁気抵抗効果素子の感度を顕著に改善することが可能となり、例えば、磁気ヘッドに応用した場合に、高感度の磁気再生が可能となる。
【０１１３】
（第１２の実施例）
次に、本発明の第１２の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図１乃至図２０に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【０１１４】
図２１は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【０１１５】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１１６】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【０１１７】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１１８】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１１９】
図２２は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図２０に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１２０】
本発明によれば、図１乃至図２０に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
【０１２１】
（第１３の実施例）
次に、本発明の第１３の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、図１乃至図２０に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子を用いて、例えば、メモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。
【０１２２】
図２３は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【０１２３】
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。
【０１２４】
ビット情報を書き込むときは、特定の書込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１２５】
図２４は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子３２１とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子３２１以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。
【０１２６】
書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１２７】
図２５は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。また、図２６は、図２５のＡ−Ａ’線断面図である。
【０１２８】
すなわち、これらの図に表した構造は、図２３に例示した磁気メモリに含まれるひとつのメモリセルに対応する。つまり、ランダムアクセスメモリとして動作する磁気メモリの１ビット部分のメモリセルである。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０１２９】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子３２１と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子３２１は、図１〜図２０に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子であり、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果などを有し、且つ負の磁気抵抗効果が大きく発現する素子である。
【０１３０】
ＧＭＲ効果を有する場合は、ビット情報読み出しの際には磁気抵抗効果素子３２１にセンス電流を流してその抵抗変化を検出すればよい。
【０１３１】
また、特に、磁性層／非磁性トンネル層／磁性層／非磁性トンネル層／磁性層という構造をもつ強磁性２重トンネル接合などを含むものであると、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果による抵抗変化により磁気抵抗効果が得られる。
【０１３２】
これらの構造において、いずれかの磁性層は、磁化固着層として作用し、他のいずれかの磁性層が磁気記録層として作用するものとすることができる。
【０１３３】
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子３２１と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。゜
また、磁気抵抗効果素子３２１の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２と略直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【０１３４】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子３２１に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０１３５】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子３２１の抵抗値または抵抗値の変化を測定することにより行われる。
【０１３６】
本具体例の磁気メモリは、図１〜図２０に関して前述したような磁気抵抗効果素子を用いることにより、大きな負の磁気抵抗効果が得られるため、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みが確保され、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１３７】
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、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜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。
【０１３８】
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０１３９】
また、本発明は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０１４１】
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、磁気記憶再生装置及び磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【０１４２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、負のスピン依存バルク散乱パラメータβを有する磁性体材料と、負のスピン依存界面散乱パラメータγが得られるスペーサ層とを組み合わせすることにより、負の磁気抵抗効果を利用しつつ大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。
【０１４３】
その結果として、高感度の磁気検出を安定して得られ、高い記録密度でも高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置や、高集積な磁気メモリなどを提供することが可能となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図２】βとγの組み合わせが電子に与える効果を説明する概念図である。
【図３】本発明の実施例の第１の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図４】本発明の実施例の第２の磁気抵抗効果素子の要部断面構造を表す模式図である。
【図５】本発明の第１実施例及び各比較例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す概念図である。
【図６】本発明の第１実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図７】本発明の第２実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図８】本発明の第３実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図９】本発明の第４実施例及び比較例としての各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１０】本発明の第５実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１１】本発明の第６の実施例として製作した積層体を表す模式図である。
【図１２】本発明の第６実施例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１３】本発明の第７実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。
【図１４】本発明の第７実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１５】本発明の第８実施例の磁気抵抗効果素子の積層構造を表す模式図である。
【図１６】本発明の第８実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１７】本発明の第９実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１８】本発明の第１０実施例及び比較例の各サンプルにおける、これら各層の材料と、得られた単位面積あたりの磁気抵抗変化量ＡΔＲ［ｍΩμｍ２］を表す一覧表である。
【図１９】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成を模式的に表す概念図である。
【図２０】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成を模式的に表す概念図である。
【図２１】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図２２】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図２３】本発明の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【図２４】本発明の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。
【図２５】本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。
【図２６】図２４のＡ−Ａ’線断面図である。
【符号の説明】
１２ 下部電極
１４ 磁気抵抗効果膜
１６ ハード膜
１８ パッシベーション膜
２０ 上部電極
１５０ 磁気記録再生装置
１５２ スピンドル
１５３ ヘッドスライダ
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ スピンドル
１６０ 磁気ヘッドアッセンブリ
１６４ リード線
１６５ 図中
２００ 媒体ディスク
２００ 記録用媒体ディスク
２００ｎｍ 約
３１１ 記憶素子部分
３１２ アドレス選択用トランジスタ部分
３１２ 選択用トランジスタ部分
３２１ 磁気抵抗効果素子
３２２ ビット線
３２２ 配線
３２３ ワード線
３２３ 配線
３２４ 下部電極
３２６ ビア
３２８ 配線
３３０ スイッチングトランジスタ
３３０ トランジスタ
３３２ ゲート
３３２ ワード線
３３４ ビット線
３３４ ワード線
３３４ 配線
３５０ 列デコーダ
３５１ 行デコーダ
３５２ センスアンプ
３６０ デコーダ
ＡＢ 隣接下地層
ＡＣ 反平行結合層
ＡＦ 反強磁性層
ＢＦ 下地層
ＣＡ 保護層
Ｄ ダイオード
Ｆ フリー層（磁化自由層）
Ｐ ピン層（磁化固着層）
Ｓ スペーサ層（非磁性中間層）
ＳＦ スピンフィルタ層
Claims (6)
- 磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記非磁性中間層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ２と、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ３と、の合金からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記合金を組成式
Ｍ２１００−ｅＭ３ｅ
により表した時の組成ｅは、０＜ｅ≦３０原子％の範囲内に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。 - 磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の強磁性体膜を含む磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の強磁性体膜を含む磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、を有する磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記非磁性中間層は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、テクネチウム（Ｔｃ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）よりなる群から選択された少なくともいずれかからなる第１の層の中に、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）よりなる群から選択された少なくともいずれかからなる導電体の層が挿入され、
前記導電体の層の層厚は、０．０３ナノメータ以上０．５ナノメータ以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第１及び第２の強磁性体膜のうち少なくともいずれかは、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、砒素（Ａｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素Ｍ１と、鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）と、により組成式：
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）１００−ｄＭ１ｄ （但し、０≦ａ＜１００原子％、０≦ｂ＜１００原子％、０≦ｃ＜１００原子％、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、０．５原子％≦ｄ＜５０原子％）
で表される合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。 - 請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項５記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気再生装置。
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