JP4167428B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、および磁気記録再生装置 - Google Patents
磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果ヘッド、および磁気記録再生装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は外部磁場を検知するためのセンス電流を素子膜面に垂直方向に流す磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置に関する。
【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で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（以下ＭＲ素子）が開発され、磁場センサに用いられる他、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（以下ＭＲヘッド）として用いられてきた。
【０００３】
近年、磁気記録媒体の小型・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ＭＲヘッドへの期待が高まっている。
【０００４】
このような期待に対して、Ｆｅ／ＣｒやＦｅ／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のに必要な磁場が高いため、ＭＲヘッド用の膜材料には適さない。
【０００５】
これに対し、強磁性層／非磁性層／強磁性層の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。これにより、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と呼ばれている(Phys. Rev., B45, 806 (1992), J. Appl. Phys., 69, 4774 (1981)等参照)。スピンバルブは低磁場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、磁気抵抗変化率は最大でも約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。
【０００６】
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通電して利用されている（Current in plane：ＣＩＰ）。これに対し、センス電流を素子膜面に垂直に通電する（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もあり(J. Phys. Condens. Matter., 11, 5717 (1999)等)、変化率１００％も不可能ではない。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なり、出力絶対値も小さくなってしまう。従来ＣＩＰに用いている膜構成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相当での１μｍ2当たりの出力絶対値ＡΔＲは、約０．５ｍΩμｍ2と小さい。このため、更なる出力増大が必要である。
【０００７】
スピンバルブ構造で大きな出力を得るためには、スピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げ、抵抗変化量を大きくすることが重要となってくる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、スピンバルブ構造の垂直通電磁気抵抗効果素子において、適当な材料をピン層およびフリー層のうち少なくとも１層に配置することにより、抵抗変化量を大きくすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る巨大磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁場に応じ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形成された非磁性中間層と、前記磁化固着層、非磁性中間層および磁化自由層の膜面に対して略垂直にセンス電流を通電するための電極とを具備し、
前記磁化固着層が実質的に下記一般式（３）
（Ｆｅ a Ｃｏ 100-a ） 100-x Ｃｕ x （３）
（ここで、２５原子％≦ａ≦７５原子％、０．５原子％≦ｘ≦１０原子％）
で表される合金から形成されている。
【００３１】
本発明の一態様に係る磁気ヘッドは上記の巨大磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。
【００３２】
本発明の一態様に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記の巨大磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層１４、非磁性中間層１５、磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８を有する。磁気抵抗効果膜は上部電極１１と下部電極１８に挟持され、センス電流は膜面垂直に流れる。
【００３４】
図２のように、磁気抵抗効果膜の積層順序を、図１のものと上下入れ替えたような構成にしてもよい。図１のように反強磁性層を下部に配置した構成はボトム型スピンバルブと呼ばれ、図２のように反強磁性層を上部に配置した構成はトップ型スピンバルブと呼ばれる。
【００３５】
図３のように下部電極１１および上部電極１８の面積は磁気抵抗効果膜より大きくてもよいし、図４のように下部電極１１および上部電極１８の面積は磁気抵抗効果膜より小さくてもよい。また、上部電極１１と下部電極１８の面積が互いに異なっていてもよい。磁気抵抗効果素子は図１〜図４に示したもののほかにも種々の構成のものが考えられる。
【００３６】
以上のような膜構成を有する磁気抵抗効果素子のうち、磁気抵抗効果に関与するのは磁化固着層と磁化自由層、および各強磁性層と非磁性中間層の界面である。出力すなわち磁気抵抗変化量の絶対値を増大させ、実用に耐え得る磁気抵抗効果素子を作製するには、これらの部分の材料選択を最適化することが有効である。
【００３７】
これについて、図５を用いて簡単に説明する。図５は垂直通電の磁気抵抗効果素子の電気抵抗を各部位に分解して示したものである。垂直通電する素子においては、電極、下地層、反強磁性層などの電気抵抗が直列に接続される。下地層に一般的に用いられるＴａでは比抵抗が約１２０μΩｃｍ、反強磁性層に用いられるＩｒＭｎやＰｔＭｎでは比抵抗が約３００μΩｃｍであるのに対し、磁化固着層と磁化自由層によく用いられるＣｏ90Ｆｅ10では約１４μΩｃｍ、Ｎｉ80Ｆｅ20では約１９μΩｃｍと、１桁ほど比抵抗が小さい。更に、電極の抵抗および接触抵抗などの寄生抵抗は、２端子素子とした場合には影響を増す。このため、変化量がベースの抵抗に埋もれてしまわないよう、スピンに依存する部分での磁気抵抗変化量を高くする必要がある。
【００３８】
本発明の磁気抵抗効果素子では、スピン依存抵抗を持つ磁化固着層と磁化自由層の材料を適切に選択することにより、高い出力が得られるようにしている。
【００３９】
本発明に各実施形態に係る具体的な磁気抵抗効果素子として、以下に説明する２種の素子を実際に作製して、その効果を評価した。
【００４０】
図１７に第１の磁気抵抗効果素子を示す。この素子の作製プロセスは以下のとおりである。まずＳｉ基板５１上に約５００ｎｍのＡｌＯx５２を成膜し、その上にレジストを塗布、ＰＥＰにより下部電極となる部分のレジストを除去する。次にＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によりレジストのない部分のＡｌＯxを除去し、５ｎｍＴａ／４００ｎｍＣｕ／２０ｎｍＴａを成膜して下部電極５３を成膜する。次にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を行って平滑化することにより、下部電極５３をＡｌＯx５２から露出させる。下部電極５３上に約３×３μｍ〜５×５μｍのサイズのスピンバルブ膜５４を作製する。スピンバルブ膜５４の側面に約３０ｎｍのＣｏＰｔハード膜５５を作製する。全面にパシベーション膜として約２００ｎｍのＳｉＯx５６を成膜する。レジストを塗布した後、スピンバルブ膜５４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。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、５ｎｍＴａ／４００ｎｍＣｕ／５ｎｍＴａからなる上部電極５７と約２００ｎｍのＡｕパッド（図示せず）を形成する。
【００４１】
図１８に第２の磁気抵抗効果素子を示す。図１７の場合と同様に、Ｓｉ基板５１上にＡｌＯx５２を成膜し、ＡｌＯx５２の一部を除去し、下部電極５３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５３をＡｌＯx５２から露出させる。下部電極５３上にスピンバルブ膜５４を作製し、幅約２μｍから５μｍのストライプ状に加工する。全面にパシベーション膜として約２００ｎｍのＳｉＯx５６を成膜する。レジストを塗布した後、スピンバルブ膜５４上において、スピンバルブ膜５４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、スピンバルブ膜５４全体にセンス電流が一様に流れるように、スピンバルブ膜５４の直上に約１００ｎｍのＡｕ膜５８を成膜する。その後、図１７の素子と同じく上部電極５７とパッドを形成する。
【００４２】
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。また、結晶構造解析はＣｕ−Ｋα線を用いて行い、モフォロジーは断面ＴＥＭ観察にて確認し、組成分布についてはｎ−ＥＤＸで調べた。また、合金中の特定の元素についてＥＸＡＦＳで電子状態を調べた。
【００４３】
［１］磁化固着層と磁化自由層を形成する強磁性層の適正な組成について検討した結果を説明する。
【００４４】
（第１の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅ濃度を変化させたＣｏ100-xＦｅx合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００４５】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ（反強磁性層）／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx（磁化固着層）／７ｎｍＣｕ（非磁性中間層）／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx（磁化自由層）／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００４６】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、Ｆｅ濃度ｘを０、１０ａｔ％、２０ａｔ％、２７ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％、５０ａｔ％、６０ａｔ％、７０ａｔ％、８０ａｔ％、９０ａｔ％、１００ａｔ％と変化させた。
【００４７】
図６に抵抗変化量のＦｅ濃度依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００４８】
図６より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な組成は、Ｆｅ濃度２５ａｔ％から７５ａｔ％、より望ましくは４０ａｔ％から６０ａｔ％の組成域であることがわかった。
【００４９】
（第２の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅ濃度を変化させたＮｉ100-xＦｅx合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００５０】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００５１】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、Ｆｅ濃度を０、１０ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％、５０ａｔ％、６０ａｔ％、７０ａｔ％、８０ａｔ％、９０ａｔ％、１００ａｔ％と変化させた。
【００５２】
図７に抵抗変化量のＦｅ濃度依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００５３】
図７より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な組成は、Ｆｅ濃度２５ａｔ％から７５ａｔ％、より望ましくは４０ａｔ％から６０ａｔ％の組成域であることがわかった。
【００５４】
（第３の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＣｏ濃度を変化させたＮｉ100-xＣｏx合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００５５】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ100-xＣｏx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ100-xＣｏx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００５６】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、Ｃｏ濃度を０、１０ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％、５０ａｔ％、６０ａｔ％、７０ａｔ％、８０ａｔ％、９０ａｔ％、１００ａｔ％と変化させた。
【００５７】
図８に抵抗変化量のＣｏ濃度依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００５８】
図８より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な組成は、Ｃｏ濃度２５ａｔ％から７５ａｔ％、より望ましくは４０ａｔ％から６０ａｔ％の組成域であることがわかった。
【００５９】
（第４の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅ、ＣｏおよびＮｉの３元合金を用い、上記と同様に組成を変化させて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００６０】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅxＣｏyＮｉz／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＦｅxＣｏyＮｉz／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００６１】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、３元合金の組成を図９のａ〜ｊで示す１０通りに変化させた。図９には第１〜第３の実施形態で検討した合金組成も示している。表１に磁化固着層と磁化自由層に用いた３元合金の組成と、規格化した抵抗変化量、すなわちＡΔＲ（３元合金）／ＡΔＲ（純Ｃｏ）の値との関係を示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
また、図１０に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち２種の組成を揃えて０％から５０％まで変化させ、残り１種の組成を１００％から０％まで変化させたときの磁気抵抗変化量を示す。図１０（ａ）は図９での純Ｃｏ−ｇ−ｆ−ａ−ｅ−Ｎｉ50Ｆｅ50のラインに沿う合金組成での磁気抵抗変化量、図１０（ｂ）は純Ｆｅ−ｄ−ｃ−ａ−ｂ−Ｎｉ50Ｃｏ50のラインに沿う合金組成での磁気抵抗変化量、図１０（ｃ）は純Ｎｉ−ｊ−ｉ−ａ−ｈ−Ｆｅ50Ｃｏ50のラインに沿う合金組成での磁気抵抗変化量である。
【００６４】
これらの図から、等原子組成付近で最高の磁気抵抗変化量を示すことがわかる。等原子組成から離れるにつれて磁気抵抗変化量は減少するが、特に図１０（ｃ）でＮｉを増やすとその減少割合が大きい。これらの結果から、ＦｅaＣｏbＮｉc３元合金で特に大きな磁気抵抗変化量を得るためには、ａ≦７５原子％、ｂ≦７５原子％、ｂ≦６３原子％を満たす組成が有効であることがわかる。また、ＦｅaＣｏbＮｉc３元合金は、ａ≧２５原子％、ｂ≧２５原子％、ｃ≧２５原子％を満たす組成であることが望ましい。
【００６５】
［２］磁化固着層と磁化自由層を形成する強磁性層を、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉならびにこれらの合金に添加元素を加えた材料で作製した実施形態について説明する。
【００６６】
（第５の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＣｏ50Ｆｅ50にＣｕを添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００６７】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）100-yＣｕy／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）100-yＣｕy／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００６８】
磁化自由層と磁化固着層は７ｎｍに固定し、Ｃｕ添加量ｙを０ａｔ％、０．５ａｔ％、２ａｔ％、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００６９】
図１１に抵抗変化量のＣｕ添加量依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００７０】
図１１より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的なＣｕ添加量は２０ａｔ％以下、より望ましくは５ａｔ％以下であることがわかった。
【００７１】
同様に、磁化固着層と磁化自由層に用いるＣｏ50Ｆｅ50への添加元素および添加量を変化させた場合、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量で規格化した抵抗変化量は、Ｃｒ１ａｔ％で２倍、Ｖ１ａｔ％で２倍、Ｚｎ５ａｔ％で３倍、Ｇａ２ａｔ％で３倍、Ｓｃ２ａｔ％で３倍、Ｔｉ２ａｔ％で３倍、Ｍｎ２ａｔ％で２倍、Ｈｆ２ａｔ％で３倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、添加量が０．１ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。また、Ｎｉについては５ａｔ％以下の添加によって、ＡΔＲが５．５倍になることが確認されている。
【００７２】
同様に、添加元素としてＴａ、Ｎｂ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００７３】
上述した添加元素による磁気抵抗変化量の増大効果は、Ｃｏ50Ｆｅ50合金に限らず、Ｃｏ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｃｏ２元合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ３元合金のいずれの組成域においても、同様に認められた。
【００７４】
（第６の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅに添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００７５】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅ100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＦｅ100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００７６】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００７７】
添加元素としてＣｕを用いた場合、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な添加量は０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは２０ａｔ％以下であることがわかった。
【００７８】
種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、Ｚｎ３ａｔ％で１．５倍に、Ｇａ２ａｔ％で１．５倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。またＮｉについては、０．１ａｔ％〜５ａｔ％の添加によってＡΔＲが１．３倍になることが確認されている。
【００７９】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、約３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００８０】
上述した添加元素による抵抗変化量の増大効果は、純Ｆｅに限らず、Ｆｅ基合金すなわちＦｅが５０ａｔ％以上を占める合金においても同様に認められた。
【００８１】
（第７の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＣｏに添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００８２】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００８３】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００８４】
種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、Ｓｃ５ａｔ％で１．３倍に、Ｔｉ２ａｔ％で１．８倍、Ｍｎ２ａｔ％で１．４倍、Ｃｕ２ａｔ％で１．６倍、Ｈｆ２ａｔ％で２倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。
【００８５】
またＦｅおよびＮｉについては、５ａｔ％以下の添加によってＡΔＲがそれぞれ１．５倍および１．３倍になることが確認されている。
【００８６】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００８７】
上述した添加元素による磁気抵抗変化量の増大効果は、純Ｃｏに限らず、Ｃｏ基合金すなわちＣｏが５０ａｔ％以上を占める合金においても同様に認められた。
【００８８】
（第８の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＮｉに添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００８９】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００９０】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００９１】
種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、Ｔｉ５ａｔ％で１．３倍、Ｍｎ２ａｔ％で１．５倍、Ｍｎ２ａｔ％で１．２倍、Ｚｎ２ａｔ％で１．２倍、Ｇａ２ａｔ％で１．５倍、Ｚｒ２ａｔ％で１．４倍、Ｈｆ２ａｔ％で１．５倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、添加量が０．１ａｔ％〜３０ａｔ％以下、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。
【００９２】
またＦｅおよびＣｏについては、５ａｔ％以下の添加によって、ＡΔＲがそれぞれ１．２倍および１．１倍になることが確認されている。
【００９３】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００９４】
（第９の実施形態）
上述した添加元素による磁気抵抗変化量の増大効果は、純Ｎｉに限らず、Ｎｉ基合金すなわちＮｉが５０ａｔ％以上を占める合金においても同様に認められた。
【００９５】
磁化固着層と磁化自由層に、Ｎｉ80Ｆｅ20またはＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18に添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００９６】
（ｉ）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００９７】
（ii）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００９８】
磁化自由層と磁化固着層の膜厚を７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００９９】
（ｉ）の膜構成を有する素子の場合、種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、添加元素なしで２．５倍、Ｚｎ５ａｔ％で３倍、Ｔｉ２ａｔ％で２．８倍、Ｍｎ２ａｔ％で２．９倍、Ｃｕ２ａｔ％で４倍、Ｈｆ２ａｔ％で４倍、Ｇａ２ａｔ％で４倍、Ｇｅ２ａｔ％で３倍、Ｚｒ２ａｔ％で４倍となった。
【０１００】
（ii）の膜構成を有する素子の場合、種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、添加元素なしで３．５倍、Ｚｎ５ａｔ％で４倍に、Ｔｉ２ａｔ％で４倍、Ｍｎ２ａｔ％で４倍、Ｃｕ２ａｔ％で４倍、Ｈｆ２ａｔ％で４．５倍、Ｇａ２ａｔ％で４．５倍、Ｇｅ２ａｔ％で３．９倍、Ｚｒ２ａｔ％で４倍となった。
【０１０１】
明らかにこれらの添加元素は抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。
【０１０２】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【０１０３】
なお、第５〜第９の実施形態において、添加元素の添加方法としては、母金属中に微量に添加元素を成膜した後に拡散させてもよいが、ターゲットに予め添加しておいた方が制御性もよく、結晶性などの膜質も向上する。また、添加元素の存在形態としては、母金属に固溶していると合金のバンド構造が変化するので効果が大きいが、添加元素が母相から析出していても母相と析出相の隣接する部分で状態が変化するので効果はある。さらに、添加元素を濃度変調させれば、効果的である。
【０１０４】
［３］磁化固着層と磁化自由層の結晶構造に基づく抵抗変化量の増大効果について検討した結果を説明する。
【０１０５】
（第１０の実施形態）
磁気抵抗変化量増大は、磁化固着層と磁化自由層が体心立方晶（ｂｃｃ構造）をとる場合にも得られる。
【０１０６】
ｂｃｃ構造をとることによる磁気抵抗変化量の増大効果は、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ系合金以外の磁性体を磁化固着層および磁化自由層に適用した場合においても確認できた。
【０１０７】
［４］以上の［１］、［２］、［３］で述べた実施形態の変形例について説明する。
【０１０８】
（第１１の実施形態）
図２に示すように、反強磁性体を上部に配置したトップ型スピンバルブでも、磁化固着層と磁化自由層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。
【０１０９】
（第１２の実施形態）
図１２に積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子を示す。図１２に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層２１と反平行結合層２２と磁化固着層２１の三層構造の磁化固着層１４、非磁性中間層１５、磁化自由層２４と反平行結合層２５と磁化自由層２６の三層構造の磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８を有する。このような積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子でも、磁化固着層と磁化自由層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。
【０１１０】
また、磁化固着層および磁化自由層のうちいずれか一方のみが積層フェリ構造をとっていてもよい。以下においては、磁化固着層のみが積層フェリ構造となっている場合を考える。この磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層２１、反平行結合層２２、磁化固着層２３、非磁性中間層１５、磁化自由層２４、保護層１７、上部電極１８を有する。具体的には以下のような磁気抵抗効果膜を作製した。
【０１１１】
試料Ａ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１２】
試料Ｂ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１３】
試料Ｃ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１４】
試料Ｄ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１５】
試料Ｂは試料Ａと比較して、ＡΔＲが約１．４倍に増加した。以下に、原因について簡単に考察する。磁気抵抗効果素子を構成する積層膜のうち、磁気抵抗変化に寄与する能動部分は、磁化自由層２４、非磁性中間層１５、非磁性中間層と接する磁化固着層２３である。非磁性中間層と接していない方の磁化固着層２１は、磁化自由層が反転する際の磁気抵抗変化量に直接寄与せず、能動部分にとっての下地として機能する。ここで、磁気抵抗効果膜のほとんどの部分は、結晶構造として面心立方晶（１１１）配向をとる。ここに体心立方晶の層を入れると全体としての結晶性が劣化するので、体心立方晶の部分は必要最低限に抑えたい。試料Ａでは下地としての磁化固着層２１を体心立方晶の（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1としており、磁気抵抗効果膜の結晶性が悪かったのに対し、試料Ｂでは磁化固着層２１を面心立方晶のＮｉ80Ｆｅ20と置き換えたので、膜質が向上し、ＡΔＲが増大したと考えられる。
【０１１６】
また、試料Ｃと試料Ｄでは、磁化自由層の保磁力に着目し、磁化自由層の材料を変えて比較した。磁化自由層には、磁気記録媒体からの信号磁場に対する感度を高くするために、保持力Ｈｃが小さいことが要求される。ここで、面心立方晶Ｃｏ90Ｆｅ10の保持力は小さく、体心立方晶Ｃｏ50Ｆｅ50の保持力は大きいことが知られている。実際、磁化自由層にＣｏ50Ｆｅ50を用いた試料Ｃは、Ｈｃ１６Ｏｅと大きかった。そこで、試料Ｄにおいて磁気抵抗変化量が減少することは甘受し、磁化自由層にＣｏ90Ｆｅ10を用いると、Ｈｃは７Ｏｅまで低減できた。
【０１１７】
（第１３の実施形態）
図１３にデュアル構造の磁気抵抗効果素子を示す。図１３に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層１４、非磁性中間層１５、磁化自由層１６、第２の非磁性中間層１５’、第２の磁化固着層１４’、第２の反強磁性層１３’、保護層１７、上部電極１８を有する。
【０１１８】
以下のように、図１に示す標準的な磁気抵抗効果素子と、図１３に示すデュアル構造の磁気抵抗効果素子を作製して比較した。
【０１１９】
標準：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１２０】
デュアル：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１５ｎｍＰｔＭｎ／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１２１】
このような積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子でも、磁化固着層と磁化自由層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。また、積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子は、標準的な磁気抵抗効果素子の約３倍の磁気抵抗変化量を示した。
【０１２２】
（第１４の実施形態）
図１４に磁化固着層と磁化自由層を、強磁性層と非磁性層（挿入層）の積層構造とした磁気抵抗効果膜を示す。図１４に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、強磁性層３１および非磁性層３２の積層体からなる磁化固着層１４、非磁性中間層１５、強磁性層３１および非磁性層３２の積層体からなる磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８で構成されている。この素子の磁化固着層と磁化自由層においては、強磁性層３１が非磁性層３２を介して強磁性結合している。
【０１２３】
具体的には、以下のような積層構造の磁気抵抗効果素子を作製した。下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１２４】
ここで、［１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ］×７は、１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50のことを指す。
【０１２５】
図１９にＣｕ層の厚さを変化させたときの出力を示す。図１９より、Ｃｕ層の厚さが０．０３ｎｍ〜１ｎｍで効果が大きいことがわかる。
【０１２６】
ＥＸＡＦＳによる解析結果によると、Ｃｕ層の厚さが上記の範囲である場合、Ｃｕは周囲のＣｏ50Ｆｅ50の影響を多大に受け、結晶構造として面心立方晶ではなく体心立方晶をとっていることがわかった。このような状態の磁気抵抗効果膜は、第５の実施形態におけるＣｕ一様添加よりも、高ＡΔＲを達成できる。これは、Ｃｕ濃度の周期的な変調が、Ｃｏ50Ｆｅ50合金自体のバンド構造に影響し、マジョリティスピンとマイノリティスピンの伝導の差が拡大しているためと考えられる。ただし、ｎ−ＥＤＸによる解析では、測定精度上、組成が一様であるように見えた。
【０１２７】
また、Ｃｕ層の厚さを１ｎｍにした場合、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／１０ｎｍＴａ／上部電極という図１に示す磁気抵抗効果素子と比較して約１．４倍〜３倍の磁気抵抗変化量を示した。
【０１２８】
なお、上記の効果はＣｏ50Ｆｅ50に限らず、Ｃｏ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｃｏ２元合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ３元合金のいずれの組成域においても、同様に認められた。また、非磁性層にＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、ＡΔＲ増大効果が得られた。
【０１２９】
たとえば、磁化固着層と磁化自由層に、（ｉ）７ｎｍのＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16を用いた試料と、（ii）［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／０．２ｎｍＺｒ］×７を用いた試料を作製した。
【０１３０】
具体的には、前者の膜構成は、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／１０ｎｍＴａ／上部電極とした。
【０１３１】
後者の膜構成は、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／０．２ｎｍＺｒ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／０．２ｎｍＺｒ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極とした。
【０１３２】
これらの素子の磁気抵抗変化量を、各々純Ｃｏで形成された磁化自由層および磁化固着層を有する磁気抵抗効果素子と比較すると、前者で約３．５倍、後者で６倍であった。
【０１３３】
また、積層の周期を変えて、磁気抵抗変化量を比較した。作製した磁気抵抗効果膜の膜構成は、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［ｔｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×ｎ／７ｎｍＣｕ／［ｔｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×ｎ／１０ｎｍＴａ／上部電極とした。そして、ｔ×ｎ＝７ｎｍに固定し、ｎを３、５、７、１０と変化させた。
【０１３４】
図２２に、積層回数と磁気抵抗変化量との関係を示す。これより、積層回数が少ない方が、磁気抵抗変化量が大きいことがわかった。なお、この傾向は強磁性体がＦｅ50Ｃｏ50に限らず、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを母体とする他の２元または３元の合金組成においても確認できた。挿入層に関しても、Ｃｕに限らず、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａでも効果が確認できた。
【０１３５】
さらに、以下のような積層構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
（ｉ）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１３６】
（ii）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＭ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＭ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１３７】
ここで、たとえば［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ］×７は、１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20のことを指す。
【０１３８】
（ｉ）の膜構成を有する素子の場合、規格化抵抗変化量は、挿入層なしで２．５倍、Ｚｎ挿入層で３．２倍に、Ｔｉ挿入層で３倍、Ｍｎ挿入層で３．２倍、Ｃｕ挿入層で４．２倍、Ｈｆ挿入層で４．５倍、Ｇａ挿入層で４．５、Ｇｅ挿入層で３．２倍、Ｚｒ挿入層で４．２倍となった。
【０１３９】
（ii）の膜構成を有する素子の場合、規格化抵抗変化量は、挿入層なしで３．５倍、Ｚｎ挿入層で４．１倍に、Ｔｉ挿入層で４．２倍、Ｍｎ挿入層で４．２倍、Ｃｕ挿入層で４．２倍、Ｈｆ挿入層で５倍、Ｇａ挿入層で５倍、Ｇｅ挿入層で４倍、Ｚｒ挿入層で５倍となった。
【０１４０】
明らかにこれらの挿入層が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの元素からなる挿入層でも、厚さ０．０３ｎｍ〜１ｎｍ、より好ましくは０．５ｎｍ以下で効果がある。
【０１４１】
同様に、挿入層の元素ＭとしてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、厚さ０．０３ｎｍ〜１ｎｍで磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【０１４２】
（第１５の実施形態）
図１５に他の磁気抵抗効果素子を示す。図１５に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、第１の強磁性層３３および第２の強磁性層３４の積層体からなる磁化固着層１４、非磁性中間層１５、第１の強磁性層３３および第２の強磁性層３４の積層体からなる磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８で構成されている。
【０１４３】
このような積層構造の磁気抵抗効果素子でも、磁化固着層と磁化自由層の強磁性層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。
【０１４４】
（第１６の実施形態）
また、磁化自由層と磁化固着層の組成は必ずしも同一である必要はない。以下のように、図１に示す標準的な磁気抵抗効果素子に対し、磁化自由層と磁化固着層の組成を変化させた磁気抵抗効果素子を作製して比較した。
【０１４５】
（Ａ）標準：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１４６】
（Ｂ）磁化固着層のみ変化：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１４７】
（Ｃ）磁化自由層と磁化固着層の両方変化：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１４８】
磁気抵抗変化量は、（Ｂ）が（Ａ）の１．８倍、（Ｃ）が（Ａ）の２．２倍となる。（Ｂ）は磁気抵抗変化量の点では（Ｃ）に劣るが、軟磁気特性が向上するので磁気ヘッドのバルクハウゼンノイズが抑制され、実用上は価値が高い。このような観点から、磁化固着層と磁化自由層の膜構成を個別に最適化することが有効である。
【０１４９】
また、次のような膜構成の磁気抵抗効果素子を作製した。
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／磁化固着層／７ｎｍＣｕ／磁化自由層／１０ｎｍＴａ／上部電極。これらの素子において、磁化自由層と磁化固着層を以下のように変化させた。
【０１５０】
（Ｄ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７
（Ｅ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｆ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×６
（Ｇ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｈ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×６
（Ｉ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７
（Ｊ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｋ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×６
（Ｌ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｍ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×６。
【０１５１】
規格化磁気抵抗変化量は、（Ｄ）で８倍、（Ｅ）で６倍、（Ｆ）で７倍、（Ｇ）で７倍、（Ｈ）で７．６倍、（Ｉ）で６倍、（Ｊ）で５．５倍、（Ｋ）で５．８倍、（Ｌ）で５倍、（Ｍ）で５．５倍であった。
【０１５２】
上記の結果から、磁化固着層と磁化自由層の構成が異なっていても、積層構造によって磁気抵抗変化量を増加させることができることがわかる。なお、上記の素子では、挿入層として０．１ｎｍのＣｕまたはＺｒを用いているが、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｏ、ＮおよびＦからなる群より選択された元素で形成された挿入層を用いても効果がある。また、挿入層の厚さも、０．０３ｎｍ〜１ｎｍ、好ましくは０．５ｎｍ以下で効果がある。また、上記の素子では磁性層の厚さを１ｎｍとしているが、磁性層の厚さを０．５ｎｍから３．５ｎｍまで変化させても効果があった。３．５ｎｍというのは、７ｎｍの磁性層に挿入層を１層挿入した構造を示す。
【０１５３】
さらに、次のような膜構成の磁気抵抗効果素子を作製した。
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／磁化固着層／７ｎｍＣｕ／磁化自由層／１０ｎｍＴａ／上部電極。これらの素子において、磁化自由層と磁化固着層の組成を以下のように変化させた。
【０１５４】
（Ｎ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2
（Ｏ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｐ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／６ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｑ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＣｕ］×７
（Ｒ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＣｕ］×６
（Ｓ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3
（Ｔ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｕ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／６ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｖ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）97Ｚｒ3
（Ｗ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／６ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）97Ｚｒ3。
【０１５５】
規格化磁気抵抗変化量は、（Ｎ）で７倍、（Ｏ）で６倍、（Ｐ）で６．５倍、（Ｑ）で５．５倍、（Ｒ）で６．３倍、（Ｓ）で６．５倍、（Ｔ）で５．８倍、（Ｕ）で６倍、（Ｖ）で５倍、（Ｗ）で５．５倍であった。
【０１５６】
上記の結果から、磁化固着層と磁化自由層の構成が異なっていても、組成または積層構造によって磁気抵抗変化量を増加させることができることがわかる。なお、上記の素子では添加元素としてＣｕまたはＺｒを用いているが、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｏ、ＮおよびＦからなる群より選択された添加元素を用いても効果がある。また、添加元素の濃度も、０．１原子％〜２０原子％、好ましくは１０原子％以下で効果がある。
【０１５７】
次に、本発明に係る磁気ヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ、およびこの磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置について説明する。
【０１５８】
図１６（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム２０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム２０１の一端にはサスペンション２０２が固定されている。サスペンション２０２の先端にはＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載したヘッドスライダ２０３が取り付けられている。また、サスペンション２０２には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線２０４が配線され、このリード線２０４の一端はヘッドスライダ２０３に組み込まれたＣＰＰ−ＭＲヘッドの各電極に接続され、リード線２０４の他端は電極パッド２０５に接続されている。
【０１５９】
図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク２１１はスピンドル２１２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回転する。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３に固定され、サスペンション２０２およびその先端のヘッドスライダ２０３を支持している。磁気ディスク２１１が回転すると、ヘッドスライダ２０３の媒体対向面は磁気ディスク２１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。アクチュエータアーム２０１の基端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータ２１４が設けられている。ボイスコイルモータ２１４はアクチュエータアーム２０１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。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３の上下２個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２１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１６０】
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果メモリ（ＭＲＡＭ）にも適用できる。
【０１６１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、スピンバルブ構造の垂直通電磁気抵抗素子において、スピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げ、ひいては抵抗変化量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図５】垂直通電磁気抵抗効果素子の各部位の電気抵抗を示す図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＣｏ−Ｆｅ合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＦｅ濃度依存性を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＮｉ−Ｆｅ合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＮｉ濃度依存性を示す図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＮｉ−Ｃｏ合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＣｏ濃度依存性を示す図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ３元合金を用いた場合の磁気抵抗変化量の測定点を示す図。
【図１０】図９に示した合金組成と磁気抵抗変化量との関係を示す図。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＣｏ50Ｆｅ50にＣｕを添加した合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＣｕ濃度依存性を示す図。
【図１２】本発明の第１２の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１３】本発明の第１３の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１４】本発明の第１４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１５】本発明の第１５の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１６】本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図、および磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。
【図１７】本発明の一実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の具体的な構造を示す断面図。
【図１８】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の具体的な構造を示す断面図。
【図１９】本発明の第１４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の磁化固着層および磁化自由層をＣｏ50Ｆｅ50層とＣｕ層との積層構造とした場合の磁気抵抗変化量のＣｕ膜厚依存性を示す図。
【図２０】体心立方晶をなすＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金の組成域を示す相図。
【図２１】体心立方晶をなすＣｏ−Ｍｎ−Ｆｅ合金の組成域を示す相図。
【図２２】本発明の第１４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の磁化固着層および磁化自由層を形成する強磁性層と非磁性層との積層回数と磁気抵抗変化量との関係を示す図。
【符号の説明】
１１…下部電極
１２…下地層
１３…反強磁性層
１４…磁化固着層
１５…非磁性中間層
１６…磁化自由層
１７…保護層
１８…上部電極
２１…磁化固着層
２２…非磁性層
２３…磁化固着層
２４…磁化自由層
２５…非磁性層
２６…磁化自由層
３１…強磁性層
３２…非磁性層
３３…第１の強磁性層
３４…第２の強磁性層
５１…Ｓｉ基板
５２…ＡｌＯx
５３…下部電極
５４…スピンバルブ膜
５５…ハード膜
５６…ＳｉＯx
５７…上部電極
５８…Ａｕ膜
２０１…アクチュエータアーム
２０２…サスペンション
２０３…ヘッドスライダ
２０４…リード線
２０５…電極パッド
２１１…磁気ディスク
２１２…スピンドル
２１３…固定軸
２１４…ボイスコイルモータ
【発明の属する技術分野】
本発明は外部磁場を検知するためのセンス電流を素子膜面に垂直方向に流す磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置に関する。
【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で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（以下ＭＲ素子）が開発され、磁場センサに用いられる他、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（以下ＭＲヘッド）として用いられてきた。
【０００３】
近年、磁気記録媒体の小型・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ＭＲヘッドへの期待が高まっている。
【０００４】
このような期待に対して、Ｆｅ／ＣｒやＦｅ／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のに必要な磁場が高いため、ＭＲヘッド用の膜材料には適さない。
【０００５】
これに対し、強磁性層／非磁性層／強磁性層の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。これにより、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と呼ばれている(Phys. Rev., B45, 806 (1992), J. Appl. Phys., 69, 4774 (1981)等参照)。スピンバルブは低磁場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、磁気抵抗変化率は最大でも約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。
【０００６】
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通電して利用されている（Current in plane：ＣＩＰ）。これに対し、センス電流を素子膜面に垂直に通電する（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もあり(J. Phys. Condens. Matter., 11, 5717 (1999)等)、変化率１００％も不可能ではない。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なり、出力絶対値も小さくなってしまう。従来ＣＩＰに用いている膜構成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相当での１μｍ2当たりの出力絶対値ＡΔＲは、約０．５ｍΩμｍ2と小さい。このため、更なる出力増大が必要である。
【０００７】
スピンバルブ構造で大きな出力を得るためには、スピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げ、抵抗変化量を大きくすることが重要となってくる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、スピンバルブ構造の垂直通電磁気抵抗効果素子において、適当な材料をピン層およびフリー層のうち少なくとも１層に配置することにより、抵抗変化量を大きくすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る巨大磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁場に応じ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形成された非磁性中間層と、前記磁化固着層、非磁性中間層および磁化自由層の膜面に対して略垂直にセンス電流を通電するための電極とを具備し、
前記磁化固着層が実質的に下記一般式（３）
（Ｆｅ a Ｃｏ 100-a ） 100-x Ｃｕ x （３）
（ここで、２５原子％≦ａ≦７５原子％、０．５原子％≦ｘ≦１０原子％）
で表される合金から形成されている。
【００３１】
本発明の一態様に係る磁気ヘッドは上記の巨大磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。
【００３２】
本発明の一態様に係る磁気記録再生装置は、磁気記録媒体と、上記の巨大磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層１４、非磁性中間層１５、磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８を有する。磁気抵抗効果膜は上部電極１１と下部電極１８に挟持され、センス電流は膜面垂直に流れる。
【００３４】
図２のように、磁気抵抗効果膜の積層順序を、図１のものと上下入れ替えたような構成にしてもよい。図１のように反強磁性層を下部に配置した構成はボトム型スピンバルブと呼ばれ、図２のように反強磁性層を上部に配置した構成はトップ型スピンバルブと呼ばれる。
【００３５】
図３のように下部電極１１および上部電極１８の面積は磁気抵抗効果膜より大きくてもよいし、図４のように下部電極１１および上部電極１８の面積は磁気抵抗効果膜より小さくてもよい。また、上部電極１１と下部電極１８の面積が互いに異なっていてもよい。磁気抵抗効果素子は図１〜図４に示したもののほかにも種々の構成のものが考えられる。
【００３６】
以上のような膜構成を有する磁気抵抗効果素子のうち、磁気抵抗効果に関与するのは磁化固着層と磁化自由層、および各強磁性層と非磁性中間層の界面である。出力すなわち磁気抵抗変化量の絶対値を増大させ、実用に耐え得る磁気抵抗効果素子を作製するには、これらの部分の材料選択を最適化することが有効である。
【００３７】
これについて、図５を用いて簡単に説明する。図５は垂直通電の磁気抵抗効果素子の電気抵抗を各部位に分解して示したものである。垂直通電する素子においては、電極、下地層、反強磁性層などの電気抵抗が直列に接続される。下地層に一般的に用いられるＴａでは比抵抗が約１２０μΩｃｍ、反強磁性層に用いられるＩｒＭｎやＰｔＭｎでは比抵抗が約３００μΩｃｍであるのに対し、磁化固着層と磁化自由層によく用いられるＣｏ90Ｆｅ10では約１４μΩｃｍ、Ｎｉ80Ｆｅ20では約１９μΩｃｍと、１桁ほど比抵抗が小さい。更に、電極の抵抗および接触抵抗などの寄生抵抗は、２端子素子とした場合には影響を増す。このため、変化量がベースの抵抗に埋もれてしまわないよう、スピンに依存する部分での磁気抵抗変化量を高くする必要がある。
【００３８】
本発明の磁気抵抗効果素子では、スピン依存抵抗を持つ磁化固着層と磁化自由層の材料を適切に選択することにより、高い出力が得られるようにしている。
【００３９】
本発明に各実施形態に係る具体的な磁気抵抗効果素子として、以下に説明する２種の素子を実際に作製して、その効果を評価した。
【００４０】
図１７に第１の磁気抵抗効果素子を示す。この素子の作製プロセスは以下のとおりである。まずＳｉ基板５１上に約５００ｎｍのＡｌＯx５２を成膜し、その上にレジストを塗布、ＰＥＰにより下部電極となる部分のレジストを除去する。次にＲＩＥ(Reactive Ion Etching)によりレジストのない部分のＡｌＯxを除去し、５ｎｍＴａ／４００ｎｍＣｕ／２０ｎｍＴａを成膜して下部電極５３を成膜する。次にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を行って平滑化することにより、下部電極５３をＡｌＯx５２から露出させる。下部電極５３上に約３×３μｍ〜５×５μｍのサイズのスピンバルブ膜５４を作製する。スピンバルブ膜５４の側面に約３０ｎｍのＣｏＰｔハード膜５５を作製する。全面にパシベーション膜として約２００ｎｍのＳｉＯx５６を成膜する。レジストを塗布した後、スピンバルブ膜５４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。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、５ｎｍＴａ／４００ｎｍＣｕ／５ｎｍＴａからなる上部電極５７と約２００ｎｍのＡｕパッド（図示せず）を形成する。
【００４１】
図１８に第２の磁気抵抗効果素子を示す。図１７の場合と同様に、Ｓｉ基板５１上にＡｌＯx５２を成膜し、ＡｌＯx５２の一部を除去し、下部電極５３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５３をＡｌＯx５２から露出させる。下部電極５３上にスピンバルブ膜５４を作製し、幅約２μｍから５μｍのストライプ状に加工する。全面にパシベーション膜として約２００ｎｍのＳｉＯx５６を成膜する。レジストを塗布した後、スピンバルブ膜５４上において、スピンバルブ膜５４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、スピンバルブ膜５４全体にセンス電流が一様に流れるように、スピンバルブ膜５４の直上に約１００ｎｍのＡｕ膜５８を成膜する。その後、図１７の素子と同じく上部電極５７とパッドを形成する。
【００４２】
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。また、結晶構造解析はＣｕ−Ｋα線を用いて行い、モフォロジーは断面ＴＥＭ観察にて確認し、組成分布についてはｎ−ＥＤＸで調べた。また、合金中の特定の元素についてＥＸＡＦＳで電子状態を調べた。
【００４３】
［１］磁化固着層と磁化自由層を形成する強磁性層の適正な組成について検討した結果を説明する。
【００４４】
（第１の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅ濃度を変化させたＣｏ100-xＦｅx合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００４５】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ（反強磁性層）／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx（磁化固着層）／７ｎｍＣｕ（非磁性中間層）／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx（磁化自由層）／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００４６】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、Ｆｅ濃度ｘを０、１０ａｔ％、２０ａｔ％、２７ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％、５０ａｔ％、６０ａｔ％、７０ａｔ％、８０ａｔ％、９０ａｔ％、１００ａｔ％と変化させた。
【００４７】
図６に抵抗変化量のＦｅ濃度依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００４８】
図６より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な組成は、Ｆｅ濃度２５ａｔ％から７５ａｔ％、より望ましくは４０ａｔ％から６０ａｔ％の組成域であることがわかった。
【００４９】
（第２の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅ濃度を変化させたＮｉ100-xＦｅx合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００５０】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００５１】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、Ｆｅ濃度を０、１０ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％、５０ａｔ％、６０ａｔ％、７０ａｔ％、８０ａｔ％、９０ａｔ％、１００ａｔ％と変化させた。
【００５２】
図７に抵抗変化量のＦｅ濃度依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００５３】
図７より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な組成は、Ｆｅ濃度２５ａｔ％から７５ａｔ％、より望ましくは４０ａｔ％から６０ａｔ％の組成域であることがわかった。
【００５４】
（第３の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＣｏ濃度を変化させたＮｉ100-xＣｏx合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００５５】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ100-xＣｏx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ100-xＣｏx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００５６】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、Ｃｏ濃度を０、１０ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％、５０ａｔ％、６０ａｔ％、７０ａｔ％、８０ａｔ％、９０ａｔ％、１００ａｔ％と変化させた。
【００５７】
図８に抵抗変化量のＣｏ濃度依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００５８】
図８より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な組成は、Ｃｏ濃度２５ａｔ％から７５ａｔ％、より望ましくは４０ａｔ％から６０ａｔ％の組成域であることがわかった。
【００５９】
（第４の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅ、ＣｏおよびＮｉの３元合金を用い、上記と同様に組成を変化させて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００６０】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅxＣｏyＮｉz／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＦｅxＣｏyＮｉz／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００６１】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、３元合金の組成を図９のａ〜ｊで示す１０通りに変化させた。図９には第１〜第３の実施形態で検討した合金組成も示している。表１に磁化固着層と磁化自由層に用いた３元合金の組成と、規格化した抵抗変化量、すなわちＡΔＲ（３元合金）／ＡΔＲ（純Ｃｏ）の値との関係を示す。
【００６２】
【表１】
また、図１０に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち２種の組成を揃えて０％から５０％まで変化させ、残り１種の組成を１００％から０％まで変化させたときの磁気抵抗変化量を示す。図１０（ａ）は図９での純Ｃｏ−ｇ−ｆ−ａ−ｅ−Ｎｉ50Ｆｅ50のラインに沿う合金組成での磁気抵抗変化量、図１０（ｂ）は純Ｆｅ−ｄ−ｃ−ａ−ｂ−Ｎｉ50Ｃｏ50のラインに沿う合金組成での磁気抵抗変化量、図１０（ｃ）は純Ｎｉ−ｊ−ｉ−ａ−ｈ−Ｆｅ50Ｃｏ50のラインに沿う合金組成での磁気抵抗変化量である。
【００６４】
これらの図から、等原子組成付近で最高の磁気抵抗変化量を示すことがわかる。等原子組成から離れるにつれて磁気抵抗変化量は減少するが、特に図１０（ｃ）でＮｉを増やすとその減少割合が大きい。これらの結果から、ＦｅaＣｏbＮｉc３元合金で特に大きな磁気抵抗変化量を得るためには、ａ≦７５原子％、ｂ≦７５原子％、ｂ≦６３原子％を満たす組成が有効であることがわかる。また、ＦｅaＣｏbＮｉc３元合金は、ａ≧２５原子％、ｂ≧２５原子％、ｃ≧２５原子％を満たす組成であることが望ましい。
【００６５】
［２］磁化固着層と磁化自由層を形成する強磁性層を、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉならびにこれらの合金に添加元素を加えた材料で作製した実施形態について説明する。
【００６６】
（第５の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＣｏ50Ｆｅ50にＣｕを添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００６７】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）100-yＣｕy／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5）100-yＣｕy／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００６８】
磁化自由層と磁化固着層は７ｎｍに固定し、Ｃｕ添加量ｙを０ａｔ％、０．５ａｔ％、２ａｔ％、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００６９】
図１１に抵抗変化量のＣｕ添加量依存性を示す。縦軸は、素子面積１μｍ2あたりの抵抗変化量ＡΔＲを、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量ＡΔＲ（０．５ｍΩμｍ2）で規格化した値を示している。
【００７０】
図１１より、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的なＣｕ添加量は２０ａｔ％以下、より望ましくは５ａｔ％以下であることがわかった。
【００７１】
同様に、磁化固着層と磁化自由層に用いるＣｏ50Ｆｅ50への添加元素および添加量を変化させた場合、磁化自由層および磁化固着層が純Ｃｏからなる素子の抵抗変化量で規格化した抵抗変化量は、Ｃｒ１ａｔ％で２倍、Ｖ１ａｔ％で２倍、Ｚｎ５ａｔ％で３倍、Ｇａ２ａｔ％で３倍、Ｓｃ２ａｔ％で３倍、Ｔｉ２ａｔ％で３倍、Ｍｎ２ａｔ％で２倍、Ｈｆ２ａｔ％で３倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、添加量が０．１ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。また、Ｎｉについては５ａｔ％以下の添加によって、ＡΔＲが５．５倍になることが確認されている。
【００７２】
同様に、添加元素としてＴａ、Ｎｂ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００７３】
上述した添加元素による磁気抵抗変化量の増大効果は、Ｃｏ50Ｆｅ50合金に限らず、Ｃｏ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｃｏ２元合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ３元合金のいずれの組成域においても、同様に認められた。
【００７４】
（第６の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＦｅに添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００７５】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅ100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＦｅ100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００７６】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００７７】
添加元素としてＣｕを用いた場合、抵抗変化量ＡΔＲを増大させるのに効果的な添加量は０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは２０ａｔ％以下であることがわかった。
【００７８】
種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、Ｚｎ３ａｔ％で１．５倍に、Ｇａ２ａｔ％で１．５倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。またＮｉについては、０．１ａｔ％〜５ａｔ％の添加によってＡΔＲが１．３倍になることが確認されている。
【００７９】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、約３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００８０】
上述した添加元素による抵抗変化量の増大効果は、純Ｆｅに限らず、Ｆｅ基合金すなわちＦｅが５０ａｔ％以上を占める合金においても同様に認められた。
【００８１】
（第７の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＣｏに添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００８２】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００８３】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００８４】
種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、Ｓｃ５ａｔ％で１．３倍に、Ｔｉ２ａｔ％で１．８倍、Ｍｎ２ａｔ％で１．４倍、Ｃｕ２ａｔ％で１．６倍、Ｈｆ２ａｔ％で２倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。
【００８５】
またＦｅおよびＮｉについては、５ａｔ％以下の添加によってＡΔＲがそれぞれ１．５倍および１．３倍になることが確認されている。
【００８６】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００８７】
上述した添加元素による磁気抵抗変化量の増大効果は、純Ｃｏに限らず、Ｃｏ基合金すなわちＣｏが５０ａｔ％以上を占める合金においても同様に認められた。
【００８８】
（第８の実施形態）
磁化固着層と磁化自由層にＮｉに添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００８９】
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００９０】
磁化自由層と磁化固着層は膜厚を７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００９１】
種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、Ｔｉ５ａｔ％で１．３倍、Ｍｎ２ａｔ％で１．５倍、Ｍｎ２ａｔ％で１．２倍、Ｚｎ２ａｔ％で１．２倍、Ｇａ２ａｔ％で１．５倍、Ｚｒ２ａｔ％で１．４倍、Ｈｆ２ａｔ％で１．５倍となり、これらの添加元素が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、添加量が０．１ａｔ％〜３０ａｔ％以下、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。
【００９２】
またＦｅおよびＣｏについては、５ａｔ％以下の添加によって、ＡΔＲがそれぞれ１．２倍および１．１倍になることが確認されている。
【００９３】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【００９４】
（第９の実施形態）
上述した添加元素による磁気抵抗変化量の増大効果は、純Ｎｉに限らず、Ｎｉ基合金すなわちＮｉが５０ａｔ％以上を占める合金においても同様に認められた。
【００９５】
磁化固着層と磁化自由層に、Ｎｉ80Ｆｅ20またはＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18に添加元素を添加した合金を用いて磁気抵抗効果膜を作製した。膜構成は以下の通りである。
【００９６】
（ｉ）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００９７】
（ii）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）100-xＭx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）100-xＭx／１０ｎｍＴａ／上部電極（数値は膜厚）。
【００９８】
磁化自由層と磁化固着層の膜厚を７ｎｍに固定し、添加元素Ｍの添加量ｘを０、５ａｔ％、１０ａｔ％、１５ａｔ％、２０ａｔ％、３０ａｔ％、４０ａｔ％と変化させた。
【００９９】
（ｉ）の膜構成を有する素子の場合、種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、添加元素なしで２．５倍、Ｚｎ５ａｔ％で３倍、Ｔｉ２ａｔ％で２．８倍、Ｍｎ２ａｔ％で２．９倍、Ｃｕ２ａｔ％で４倍、Ｈｆ２ａｔ％で４倍、Ｇａ２ａｔ％で４倍、Ｇｅ２ａｔ％で３倍、Ｚｒ２ａｔ％で４倍となった。
【０１００】
（ii）の膜構成を有する素子の場合、種々の添加元素および添加量での規格化抵抗変化量は、添加元素なしで３．５倍、Ｚｎ５ａｔ％で４倍に、Ｔｉ２ａｔ％で４倍、Ｍｎ２ａｔ％で４倍、Ｃｕ２ａｔ％で４倍、Ｈｆ２ａｔ％で４．５倍、Ｇａ２ａｔ％で４．５倍、Ｇｅ２ａｔ％で３．９倍、Ｚｒ２ａｔ％で４倍となった。
【０１０１】
明らかにこれらの添加元素は抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの添加元素でも、０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、より望ましくは１０ａｔ％以下で効果がある。
【０１０２】
同様に、添加元素としてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、０．１ａｔ％〜３０ａｔ％以下の添加で磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【０１０３】
なお、第５〜第９の実施形態において、添加元素の添加方法としては、母金属中に微量に添加元素を成膜した後に拡散させてもよいが、ターゲットに予め添加しておいた方が制御性もよく、結晶性などの膜質も向上する。また、添加元素の存在形態としては、母金属に固溶していると合金のバンド構造が変化するので効果が大きいが、添加元素が母相から析出していても母相と析出相の隣接する部分で状態が変化するので効果はある。さらに、添加元素を濃度変調させれば、効果的である。
【０１０４】
［３］磁化固着層と磁化自由層の結晶構造に基づく抵抗変化量の増大効果について検討した結果を説明する。
【０１０５】
（第１０の実施形態）
磁気抵抗変化量増大は、磁化固着層と磁化自由層が体心立方晶（ｂｃｃ構造）をとる場合にも得られる。
【０１０６】
ｂｃｃ構造をとることによる磁気抵抗変化量の増大効果は、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ系合金以外の磁性体を磁化固着層および磁化自由層に適用した場合においても確認できた。
【０１０７】
［４］以上の［１］、［２］、［３］で述べた実施形態の変形例について説明する。
【０１０８】
（第１１の実施形態）
図２に示すように、反強磁性体を上部に配置したトップ型スピンバルブでも、磁化固着層と磁化自由層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。
【０１０９】
（第１２の実施形態）
図１２に積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子を示す。図１２に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層２１と反平行結合層２２と磁化固着層２１の三層構造の磁化固着層１４、非磁性中間層１５、磁化自由層２４と反平行結合層２５と磁化自由層２６の三層構造の磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８を有する。このような積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子でも、磁化固着層と磁化自由層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。
【０１１０】
また、磁化固着層および磁化自由層のうちいずれか一方のみが積層フェリ構造をとっていてもよい。以下においては、磁化固着層のみが積層フェリ構造となっている場合を考える。この磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層２１、反平行結合層２２、磁化固着層２３、非磁性中間層１５、磁化自由層２４、保護層１７、上部電極１８を有する。具体的には以下のような磁気抵抗効果膜を作製した。
【０１１１】
試料Ａ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１２】
試料Ｂ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１３】
試料Ｃ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１４】
試料Ｄ：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍ（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／Ｒｕ１ｎｍ／（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１１５】
試料Ｂは試料Ａと比較して、ＡΔＲが約１．４倍に増加した。以下に、原因について簡単に考察する。磁気抵抗効果素子を構成する積層膜のうち、磁気抵抗変化に寄与する能動部分は、磁化自由層２４、非磁性中間層１５、非磁性中間層と接する磁化固着層２３である。非磁性中間層と接していない方の磁化固着層２１は、磁化自由層が反転する際の磁気抵抗変化量に直接寄与せず、能動部分にとっての下地として機能する。ここで、磁気抵抗効果膜のほとんどの部分は、結晶構造として面心立方晶（１１１）配向をとる。ここに体心立方晶の層を入れると全体としての結晶性が劣化するので、体心立方晶の部分は必要最低限に抑えたい。試料Ａでは下地としての磁化固着層２１を体心立方晶の（Ｆｅ0.5Ｃｏ0.5）99Ｃｕ1としており、磁気抵抗効果膜の結晶性が悪かったのに対し、試料Ｂでは磁化固着層２１を面心立方晶のＮｉ80Ｆｅ20と置き換えたので、膜質が向上し、ＡΔＲが増大したと考えられる。
【０１１６】
また、試料Ｃと試料Ｄでは、磁化自由層の保磁力に着目し、磁化自由層の材料を変えて比較した。磁化自由層には、磁気記録媒体からの信号磁場に対する感度を高くするために、保持力Ｈｃが小さいことが要求される。ここで、面心立方晶Ｃｏ90Ｆｅ10の保持力は小さく、体心立方晶Ｃｏ50Ｆｅ50の保持力は大きいことが知られている。実際、磁化自由層にＣｏ50Ｆｅ50を用いた試料Ｃは、Ｈｃ１６Ｏｅと大きかった。そこで、試料Ｄにおいて磁気抵抗変化量が減少することは甘受し、磁化自由層にＣｏ90Ｆｅ10を用いると、Ｈｃは７Ｏｅまで低減できた。
【０１１７】
（第１３の実施形態）
図１３にデュアル構造の磁気抵抗効果素子を示す。図１３に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、磁化固着層１４、非磁性中間層１５、磁化自由層１６、第２の非磁性中間層１５’、第２の磁化固着層１４’、第２の反強磁性層１３’、保護層１７、上部電極１８を有する。
【０１１８】
以下のように、図１に示す標準的な磁気抵抗効果素子と、図１３に示すデュアル構造の磁気抵抗効果素子を作製して比較した。
【０１１９】
標準：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１２０】
デュアル：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１５ｎｍＰｔＭｎ／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１２１】
このような積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子でも、磁化固着層と磁化自由層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。また、積層フェリ構造の磁気抵抗効果素子は、標準的な磁気抵抗効果素子の約３倍の磁気抵抗変化量を示した。
【０１２２】
（第１４の実施形態）
図１４に磁化固着層と磁化自由層を、強磁性層と非磁性層（挿入層）の積層構造とした磁気抵抗効果膜を示す。図１４に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、強磁性層３１および非磁性層３２の積層体からなる磁化固着層１４、非磁性中間層１５、強磁性層３１および非磁性層３２の積層体からなる磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８で構成されている。この素子の磁化固着層と磁化自由層においては、強磁性層３１が非磁性層３２を介して強磁性結合している。
【０１２３】
具体的には、以下のような積層構造の磁気抵抗効果素子を作製した。下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１２４】
ここで、［１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ］×７は、１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／ｔｎｍＣｕ／１ｎｍＣｏ50Ｆｅ50のことを指す。
【０１２５】
図１９にＣｕ層の厚さを変化させたときの出力を示す。図１９より、Ｃｕ層の厚さが０．０３ｎｍ〜１ｎｍで効果が大きいことがわかる。
【０１２６】
ＥＸＡＦＳによる解析結果によると、Ｃｕ層の厚さが上記の範囲である場合、Ｃｕは周囲のＣｏ50Ｆｅ50の影響を多大に受け、結晶構造として面心立方晶ではなく体心立方晶をとっていることがわかった。このような状態の磁気抵抗効果膜は、第５の実施形態におけるＣｕ一様添加よりも、高ＡΔＲを達成できる。これは、Ｃｕ濃度の周期的な変調が、Ｃｏ50Ｆｅ50合金自体のバンド構造に影響し、マジョリティスピンとマイノリティスピンの伝導の差が拡大しているためと考えられる。ただし、ｎ−ＥＤＸによる解析では、測定精度上、組成が一様であるように見えた。
【０１２７】
また、Ｃｕ層の厚さを１ｎｍにした場合、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ50Ｆｅ50／１０ｎｍＴａ／上部電極という図１に示す磁気抵抗効果素子と比較して約１．４倍〜３倍の磁気抵抗変化量を示した。
【０１２８】
なお、上記の効果はＣｏ50Ｆｅ50に限らず、Ｃｏ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｆｅ２元合金、Ｎｉ−Ｃｏ２元合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ３元合金のいずれの組成域においても、同様に認められた。また、非磁性層にＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、ＡΔＲ増大効果が得られた。
【０１２９】
たとえば、磁化固着層と磁化自由層に、（ｉ）７ｎｍのＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16を用いた試料と、（ii）［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／０．２ｎｍＺｒ］×７を用いた試料を作製した。
【０１３０】
具体的には、前者の膜構成は、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／１０ｎｍＴａ／上部電極とした。
【０１３１】
後者の膜構成は、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／０．２ｎｍＺｒ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ18Ｃｏ16／０．２ｎｍＺｒ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極とした。
【０１３２】
これらの素子の磁気抵抗変化量を、各々純Ｃｏで形成された磁化自由層および磁化固着層を有する磁気抵抗効果素子と比較すると、前者で約３．５倍、後者で６倍であった。
【０１３３】
また、積層の周期を変えて、磁気抵抗変化量を比較した。作製した磁気抵抗効果膜の膜構成は、下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［ｔｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×ｎ／７ｎｍＣｕ／［ｔｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×ｎ／１０ｎｍＴａ／上部電極とした。そして、ｔ×ｎ＝７ｎｍに固定し、ｎを３、５、７、１０と変化させた。
【０１３４】
図２２に、積層回数と磁気抵抗変化量との関係を示す。これより、積層回数が少ない方が、磁気抵抗変化量が大きいことがわかった。なお、この傾向は強磁性体がＦｅ50Ｃｏ50に限らず、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを母体とする他の２元または３元の合金組成においても確認できた。挿入層に関しても、Ｃｕに限らず、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａでも効果が確認できた。
【０１３５】
さらに、以下のような積層構造の磁気抵抗効果素子を作製した。
（ｉ）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１３６】
（ii）下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＭ］×７／７ｎｍＣｕ／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＭ］×７／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１３７】
ここで、たとえば［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ］×７は、１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＭ／１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20のことを指す。
【０１３８】
（ｉ）の膜構成を有する素子の場合、規格化抵抗変化量は、挿入層なしで２．５倍、Ｚｎ挿入層で３．２倍に、Ｔｉ挿入層で３倍、Ｍｎ挿入層で３．２倍、Ｃｕ挿入層で４．２倍、Ｈｆ挿入層で４．５倍、Ｇａ挿入層で４．５、Ｇｅ挿入層で３．２倍、Ｚｒ挿入層で４．２倍となった。
【０１３９】
（ii）の膜構成を有する素子の場合、規格化抵抗変化量は、挿入層なしで３．５倍、Ｚｎ挿入層で４．１倍に、Ｔｉ挿入層で４．２倍、Ｍｎ挿入層で４．２倍、Ｃｕ挿入層で４．２倍、Ｈｆ挿入層で５倍、Ｇａ挿入層で５倍、Ｇｅ挿入層で４倍、Ｚｒ挿入層で５倍となった。
【０１４０】
明らかにこれらの挿入層が抵抗変化量増大に効果があることがわかった。いずれの元素からなる挿入層でも、厚さ０．０３ｎｍ〜１ｎｍ、より好ましくは０．５ｎｍ以下で効果がある。
【０１４１】
同様に、挿入層の元素ＭとしてＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いた場合にも、厚さ０．０３ｎｍ〜１ｎｍで磁気抵抗変化量の増加が認められた。
【０１４２】
（第１５の実施形態）
図１５に他の磁気抵抗効果素子を示す。図１５に示す磁気抵抗効果素子は、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、第１の強磁性層３３および第２の強磁性層３４の積層体からなる磁化固着層１４、非磁性中間層１５、第１の強磁性層３３および第２の強磁性層３４の積層体からなる磁化自由層１６、保護層１７、上部電極１８で構成されている。
【０１４３】
このような積層構造の磁気抵抗効果素子でも、磁化固着層と磁化自由層の強磁性層の組成および結晶構造を適切に調整することにより、磁気抵抗変化量の増大効果が認められた。
【０１４４】
（第１６の実施形態）
また、磁化自由層と磁化固着層の組成は必ずしも同一である必要はない。以下のように、図１に示す標準的な磁気抵抗効果素子に対し、磁化自由層と磁化固着層の組成を変化させた磁気抵抗効果素子を作製して比較した。
【０１４５】
（Ａ）標準：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１４６】
（Ｂ）磁化固着層のみ変化：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＣｏ100-xＦｅx／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１４７】
（Ｃ）磁化自由層と磁化固着層の両方変化：下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／７ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／７ｎｍＣｕ／７ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／１０ｎｍＴａ／上部電極。
【０１４８】
磁気抵抗変化量は、（Ｂ）が（Ａ）の１．８倍、（Ｃ）が（Ａ）の２．２倍となる。（Ｂ）は磁気抵抗変化量の点では（Ｃ）に劣るが、軟磁気特性が向上するので磁気ヘッドのバルクハウゼンノイズが抑制され、実用上は価値が高い。このような観点から、磁化固着層と磁化自由層の膜構成を個別に最適化することが有効である。
【０１４９】
また、次のような膜構成の磁気抵抗効果素子を作製した。
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／磁化固着層／７ｎｍＣｕ／磁化自由層／１０ｎｍＴａ／上部電極。これらの素子において、磁化自由層と磁化固着層を以下のように変化させた。
【０１５０】
（Ｄ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７
（Ｅ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｆ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×６
（Ｇ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｈ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ50Ｃｏ50／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×６
（Ｉ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７
（Ｊ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｋ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18／０．１ｎｍＺｒ］×６
（Ｌ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×７
（Ｍ）磁化固着層：［１ｎｍＦｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34／０．１ｎｍＣｕ］×７、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＺｒ］×６。
【０１５１】
規格化磁気抵抗変化量は、（Ｄ）で８倍、（Ｅ）で６倍、（Ｆ）で７倍、（Ｇ）で７倍、（Ｈ）で７．６倍、（Ｉ）で６倍、（Ｊ）で５．５倍、（Ｋ）で５．８倍、（Ｌ）で５倍、（Ｍ）で５．５倍であった。
【０１５２】
上記の結果から、磁化固着層と磁化自由層の構成が異なっていても、積層構造によって磁気抵抗変化量を増加させることができることがわかる。なお、上記の素子では、挿入層として０．１ｎｍのＣｕまたはＺｒを用いているが、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｏ、ＮおよびＦからなる群より選択された元素で形成された挿入層を用いても効果がある。また、挿入層の厚さも、０．０３ｎｍ〜１ｎｍ、好ましくは０．５ｎｍ以下で効果がある。また、上記の素子では磁性層の厚さを１ｎｍとしているが、磁性層の厚さを０．５ｎｍから３．５ｎｍまで変化させても効果があった。３．５ｎｍというのは、７ｎｍの磁性層に挿入層を１層挿入した構造を示す。
【０１５３】
さらに、次のような膜構成の磁気抵抗効果素子を作製した。
下部電極／５ｎｍＴａ／５ｎｍＮｉＦｅＣｒ／１５ｎｍＰｔＭｎ／磁化固着層／７ｎｍＣｕ／磁化自由層／１０ｎｍＴａ／上部電極。これらの素子において、磁化自由層と磁化固着層の組成を以下のように変化させた。
【０１５４】
（Ｎ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2
（Ｏ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｐ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／６ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｑ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＣｕ］×７
（Ｒ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ50Ｃｏ50）98Ｃｕ2、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／［１ｎｍＮｉ80Ｆｅ20／０．１ｎｍＣｕ］×６
（Ｓ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3
（Ｔ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｕ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／６ｎｍ（Ｎｉ66Ｆｅ16Ｃｏ18）97Ｚｒ3
（Ｖ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：７ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）97Ｚｒ3
（Ｗ）磁化固着層：７ｎｍ（Ｆｅ33Ｃｏ33Ｎｉ34）97Ｃｕ3、
磁化自由層：１ｎｍＣｏ90Ｆｅ10／６ｎｍ（Ｎｉ80Ｆｅ20）97Ｚｒ3。
【０１５５】
規格化磁気抵抗変化量は、（Ｎ）で７倍、（Ｏ）で６倍、（Ｐ）で６．５倍、（Ｑ）で５．５倍、（Ｒ）で６．３倍、（Ｓ）で６．５倍、（Ｔ）で５．８倍、（Ｕ）で６倍、（Ｖ）で５倍、（Ｗ）で５．５倍であった。
【０１５６】
上記の結果から、磁化固着層と磁化自由層の構成が異なっていても、組成または積層構造によって磁気抵抗変化量を増加させることができることがわかる。なお、上記の素子では添加元素としてＣｕまたはＺｒを用いているが、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｏ、ＮおよびＦからなる群より選択された添加元素を用いても効果がある。また、添加元素の濃度も、０．１原子％〜２０原子％、好ましくは１０原子％以下で効果がある。
【０１５７】
次に、本発明に係る磁気ヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ、およびこの磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置について説明する。
【０１５８】
図１６（ａ）はＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム２０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム２０１の一端にはサスペンション２０２が固定されている。サスペンション２０２の先端にはＣＰＰ−ＭＲヘッドを搭載したヘッドスライダ２０３が取り付けられている。また、サスペンション２０２には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線２０４が配線され、このリード線２０４の一端はヘッドスライダ２０３に組み込まれたＣＰＰ−ＭＲヘッドの各電極に接続され、リード線２０４の他端は電極パッド２０５に接続されている。
【０１５９】
図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク２１１はスピンドル２１２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回転する。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３に固定され、サスペンション２０２およびその先端のヘッドスライダ２０３を支持している。磁気ディスク２１１が回転すると、ヘッドスライダ２０３の媒体対向面は磁気ディスク２１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。アクチュエータアーム２０１の基端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータ２１４が設けられている。ボイスコイルモータ２１４はアクチュエータアーム２０１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。アクチュエータアーム２０１は固定軸２１３の上下２個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２１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１６０】
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果メモリ（ＭＲＡＭ）にも適用できる。
【０１６１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、スピンバルブ構造の垂直通電磁気抵抗素子において、スピン依存伝導に関与する部分の抵抗値を上げ、ひいては抵抗変化量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図５】垂直通電磁気抵抗効果素子の各部位の電気抵抗を示す図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＣｏ−Ｆｅ合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＦｅ濃度依存性を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＮｉ−Ｆｅ合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＮｉ濃度依存性を示す図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＮｉ−Ｃｏ合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＣｏ濃度依存性を示す図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ３元合金を用いた場合の磁気抵抗変化量の測定点を示す図。
【図１０】図９に示した合金組成と磁気抵抗変化量との関係を示す図。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子にＣｏ50Ｆｅ50にＣｕを添加した合金を用いた場合の磁気抵抗変化量のＣｕ濃度依存性を示す図。
【図１２】本発明の第１２の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１３】本発明の第１３の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１４】本発明の第１４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１５】本発明の第１５の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１６】本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの斜視図、および磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。
【図１７】本発明の一実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の具体的な構造を示す断面図。
【図１８】本発明の他の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の具体的な構造を示す断面図。
【図１９】本発明の第１４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の磁化固着層および磁化自由層をＣｏ50Ｆｅ50層とＣｕ層との積層構造とした場合の磁気抵抗変化量のＣｕ膜厚依存性を示す図。
【図２０】体心立方晶をなすＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金の組成域を示す相図。
【図２１】体心立方晶をなすＣｏ−Ｍｎ−Ｆｅ合金の組成域を示す相図。
【図２２】本発明の第１４の実施形態に係る垂直通電磁気抵抗効果素子の磁化固着層および磁化自由層を形成する強磁性層と非磁性層との積層回数と磁気抵抗変化量との関係を示す図。
【符号の説明】
１１…下部電極
１２…下地層
１３…反強磁性層
１４…磁化固着層
１５…非磁性中間層
１６…磁化自由層
１７…保護層
１８…上部電極
２１…磁化固着層
２２…非磁性層
２３…磁化固着層
２４…磁化自由層
２５…非磁性層
２６…磁化自由層
３１…強磁性層
３２…非磁性層
３３…第１の強磁性層
３４…第２の強磁性層
５１…Ｓｉ基板
５２…ＡｌＯx
５３…下部電極
５４…スピンバルブ膜
５５…ハード膜
５６…ＳｉＯx
５７…上部電極
５８…Ａｕ膜
２０１…アクチュエータアーム
２０２…サスペンション
２０３…ヘッドスライダ
２０４…リード線
２０５…電極パッド
２１１…磁気ディスク
２１２…スピンドル
２１３…固定軸
２１４…ボイスコイルモータ
Claims (3)
- 磁化の方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化の方向が外部磁場に応じ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形成された非磁性中間層と、前記磁化固着層、非磁性中間層および磁化自由層の膜面に対して略垂直にセンス電流を通電するための電極とを具備し、
前記磁化固着層が実質的に下記一般式（３）
（Ｆｅ a Ｃｏ 100-a ） 100-x Ｃｕ x （３）
（ここで、２５原子％≦ａ≦７５原子％、０．５原子％≦ｘ≦１０原子％）
で表される合金から形成されていることを特徴とする巨大磁気抵抗効果素子。 - 請求項１に記載の巨大磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする磁気ヘッド。
- 磁気記録媒体と、請求項１に記載の巨大磁気抵抗効果素子を具備したことを特徴とする磁気記録再生装置。
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