JP4314167B2 - 磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置 - Google Patents

Description

本発明は磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。

近年、磁気抵抗効果素子（Magnetoresistive effect element）の開発が進められている。特に、巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistive Effect：ＧＭＲ）を示す磁気抵抗効果膜の開発に伴って、それを適用した磁気デバイス、特に磁気ヘッドとして使用される磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）の性能は飛躍的に向上している。

上述したＧＭＲ膜としては、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造膜で大きな磁気抵抗効果が得られるスピンバルブ膜（Spin valve膜）が知られている。スピンバルブ膜は、2つの強磁性層間に非磁性層（スペーサ層や中間層等と称する）を介在させた構造を有する。一方の強磁性層（磁化固着層やピン層等と称する）に交換バイアス磁界を印加して磁化を固定すると共に、他方の強磁性層（磁化自由層やフリー層等と称する）を信号磁界等の外部磁場で磁化反転させ、磁化固着層と磁化自由層と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を得ることができる。

ＭＲ素子においては、磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向にセンス電流を通電する、いわゆるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型素子が提案されている。スピンバルブ型ＭＲ素子においても、ＣＰＰ構造を適用することでＭＲ変化率の向上が期待されており、ＣＩＰ（Current in Plane）構造の10倍程度のＭＲ変化率が得られたことが報告されている。また、ＣＰＰ型のＭＲ素子はトンネル効果を利用したＴＭＲ素子等に比べて抵抗が低いというような利点も有している。

また、強磁性金属同士を原子オーダーで接合させた部分（ポイントコンタクト）において、伝導が量子化されることが報告されている（非特許文献１参照）。これは非常に大きな抵抗変化率が得られる可能性があることを示しており、3000％というような非常に大きな抵抗変化率が得られたことが報告されている（非特許文献２参照）。この抵抗変化率の起源には諸説があるが、一つにはコンダクタンスの量子化が関与していると考えられている。ポイントコンタクトを金属で構成した場合、伝導を量子化させるためには数原子個分から数nm程度の大きさのコンタクトが必要であり、実際にそのような極小のコンタクト部分でのみ大きな抵抗変化率が観測されている。

上述した強磁性体同士のポイントコンタクトに基づく抵抗変化率はあくまでも実験的に得られているにすぎず、ＭＲヘッドに応用するためには実用的なデバイス構造でポイントコンタクトを実現することが不可欠となる。例えば、強磁性金属同士のポイントコンタクト構造を実現する手段としては、リソグラフィ技術等の半導体プロセスを適用して微細な孔を明け、この微細孔を利用して強磁性金属同士をコンタクトさせることが考えられる。

さらに、特許文献１には強磁性体同士のポイントコンタクトを利用する磁気抵抗効果素子として、磁化固着層と磁化自由層との間に配置した絶縁層に最大幅が20nm以下の孔を設け、この孔内に強磁性体を充填して磁気微小接点を形成した磁気抵抗効果素子が記載されている。ここでは、絶縁層に針等で微小孔を明け、この孔内を含めて絶縁層上に強磁性体を堆積している。
Phys. Rev. Let. 82 2923 (1999) Phys. Rev. B, 66 020403R (2002) 特開2003-204095号公報

強磁性体同士のポイントコンタクト構造を実用的なデバイスに応用するにあたって、上述したリソグラフィ技術では加工サイズに限界があり、コンダクタンスの量子化に基づく物理現象を再現性よく得ることは非常に困難である。また、特許文献１では針等を用いて開けた孔内を含めて絶縁層上に強磁性体を堆積しているため、強磁性層（磁化固着層や磁化自由層）と磁気微小接点とは同一の強磁性体で構成される。このような構造の磁気抵抗効果素子において、強磁性層に強磁性金属を適用した場合には、上記したようにコンダクタンスの量子化に基づく物理現象を再現性よく引き出すことは難しい。

強磁性層に磁性半導体等を適用した場合には、素子抵抗が大幅に上昇してＳ／Ｎ比が悪化するという問題がある。すなわち、磁気微小接点は伝導が量子化されれば抵抗が下がるが、それ以外の強磁性層部分（磁化固着層や磁化自由層）では材料固有の比抵抗がそのまま反映される。例えば、厚さ2nmの磁化固着層と磁化自由層を共に比抵抗が1×10^-2Ω・mの磁性半導体で構成した場合、単位面積あたりの抵抗ＲＡは40Ω・μm²となり、磁化固着層と磁化自由層が共に比抵抗1×10^-7Ω・mの磁性金属である場合のＲＡ＝0.4mΩ・μm²を大幅に上回ってしまう。このように、素子抵抗が高抵抗化するとＳ／Ｎ比が悪化することから、磁気再生ヘッドとしては実用に供することができない。

本発明は、強磁性体同士のポイントコンタクトに基づく巨大な抵抗変化率を実用的なデバイス構造で再現性よく得ることを可能にすると共に、磁気再生ヘッド等として利用する際に不可欠となる素子抵抗の低減を実現した磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することを目的としている。

本発明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強磁性金属膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性金属膜を有する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在された絶縁層と、前記絶縁層内に前記磁化固着層と前記磁化自由層とを接続するように配置され、磁気モーメントを有する、Ｍｎ−Ｓｂ、Ａｓ−Ｍｎ、Ｃｒ−Ａｓ、（Ｇａ，Ｍｎ）−Ａｓ、（Ｇａ，Ｃｒ）−Ａｓ、（Ｇａ，Ｍｎ）−Ｎ、（Ｇａ，Ｃｒ）−Ｎ、（Ｚｎ，Ｆｅ）−Ｏ、（Ｚｎ，Ｍｎ）−Ｏ、および（Ｚｎ，Ｃｏ）−Ｏから選ばれる少なくとも１種の半導体化合物からなる導通部とを有する中間層と、前記磁化固着層、前記中間層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極とを具備することを特徴としている。

本発明の磁気ヘッドは、上記した本発明の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴としている。本発明の磁気再生装置は、本発明の磁気ヘッドを具備し、前記磁気ヘッドで磁気記録媒体に磁気的に記録された情報を読み出すことを特徴としている。

本発明の磁気抵抗効果素子においては、磁化固着層と磁化自由層との間を接続する導通部を、比較的大きなサイズでコンダクタンスの量子化が発現する材料、すなわち磁気モーメントを有する半導体化合物で構成している。これによって、実用的な技術で作製し得る大きさの導通部を適用した上で、磁化固着層と磁化自由層との間の伝導を量子化することができるため、実用的なデバイス構造並びにデバイス製造技術で巨大な磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子を提供することが可能となる。さらに、磁化固着層と磁化自由層には強磁性金属膜を適用しているため、磁気再生ヘッド等として利用する際に不可欠となる素子抵抗の低減を実現することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１は、スピンバルブ構造を有する磁気抵抗効果膜２と、このスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極３、４とから主として構成されている。スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２は、磁気抵抗効果素子１の実用性を高めるものである。

スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２は、磁化固着層５／中間層６／磁化自由層７構造の積層膜を有している。すなわち、下部電極３上には下地層８を介してＰｔ−Ｍｎ合金、Ｉｒ−Ｍｎ合金等からなる反強磁性層９が形成されている。反強磁性層９上には磁化固着層５となる強磁性金属膜が形成されている。この強磁性金属膜は反強磁性層９からの交換バイアス磁界で磁化方向が実質的に一方向に固着されており、これにより強磁性金属膜は磁化固着層５として機能する。

磁化固着層５は図１に示した単層構造の強磁性膜に限らず、積層構造を有していてもよい。図２はＲｕ等からなる磁化反平行結合層１０の両側に強磁性金属膜１１、１２を配置した積層膜からなる磁化固着層５を示している。この構造では強磁性金属膜１１が反強磁性層９によって磁化方向が一方向に固着されており、さらに強磁性金属膜１１、１２は磁化反平行結合層１０を介して磁化が反平行状態で結合している。磁化固着層５を構成する強磁性金属膜には、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これら元素同士の合金、あるいはこれら元素を主成分とする合金等の強磁性金属材料が適用される。

磁化固着層５上には中間層６を介して磁化自由層７として機能する強磁性金属膜が形成されている。この強磁性金属膜は磁化方向が信号磁界等の外部磁界に対応して変化するものであり、これにより磁化自由層７として機能する。磁化自由層７を構成する強磁性金属膜には磁化固着層５と同様に、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これら元素同士の合金、あるいはこれら元素を主成分とする合金等の強磁性金属材料が使用される。また、磁化自由層７の構造も単層構造に限らず、強磁性金属膜を含む積層構造を適用することができる。いずれにしても、実用的な素子抵抗を実現する上で、磁化固着層５および磁化自由層７は強磁性金属材料で構成するものとする。

磁化固着層５および磁化自由層７の膜厚は特に限定されるものではないが、例えば10nm以下とすることが好ましい。なお、図１および図２では下層側に磁化固着層５を配置したスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２を示したが、磁化固着層５と磁化自由層７の位置は逆であってもよい。すなわち、下層側に磁化固着層５を配置し、その上に中間層６を介して磁化固着層７を配置した膜構造を適用することも可能である。このような強磁性金属膜を有する磁化固着層５および磁化自由層７は、膜面垂直方向に流すセンス電流に対して低い素子抵抗を実現するものであり、これにより磁気抵抗効果素子１を磁気再生ヘッド等に適用した際の実用性、すなわち優れたＳ／Ｎ比等を得ることが可能となる。

上述した磁化固着層５と磁化自由層７との間に介在された中間層６は、絶縁部１３と導通部１４とで構成されている。絶縁部１３は中間層６の全体形状を構成するものであり、磁化固着層５と磁化自由層７との間に層状に配置されている。このような層状の絶縁部（絶縁層）１３内には、磁化固着層５と磁化自由層７とを接続するように少なくとも1つの導通部１４が配置されている。絶縁部（絶縁層）１３には電気伝導特性が絶縁性である金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物等が用いられる。このような化合物の具体例としては、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｙ、希土類元素等の酸化物、炭化物、窒化物が挙げられる。

絶縁部１３内に配置された導通部１４は、磁化固着層５と磁化自由層７との間のポイントコンタクトを実現するものである。このポイントコンタクトは量子化された伝導を実現するものであることが好ましい。導通部１４を金属で構成した場合、前述したようにコンダクタンスの量子化を発現させるためにはポイントコンタクトの大きさを数nm以下にする必要があり、そのような導通部１４を精度よく作製することは難しい。そこで、この実施形態の磁気抵抗効果素子１においては、比較的大きなサイズでコンダクタンスの量子化が発現する材料、すなわち磁気モーメントを有する半金属化合物や半導体化合物で導通部１４を構成している。

図３に示すように、金属Ｍの場合にはコンダクタンスの量子化が発現する大きさＤは数nm以下であるのに対して（図３（ａ）参照）、半金属ＳＭの場合には数10nm以下の大きさ（図３（ｂ）参照）、また半導体ＳＣの場合には数μm以下の大きさ（図３（ｃ）参照）でコンダクタンスの量子化が発現する。従って、磁気モーメントを有する半金属化合物や半導体化合物で導通部１４を形成することによって、実用的に作製し得る大きさＤの導通部１４で磁化固着層５と磁化自由層７との間の伝導を量子化することが可能となる。

具体的には、磁気モーメントを有する半金属化合物で導通部１４を形成する場合、導通部１４の大きさ（最大幅）は20nm以下とすることができる。また、磁気モーメントを有する半導体化合物で導通部１４を形成する場合、導通部１４の大きさ（最大幅）は1μm以下とすることができる。なお、これら導通部１４の大きさの最小値は特に限定されるものではないが、後述する各種方法で安定的に作製することが可能な大きさを考慮すると、導通部１４の大きさは5nm以上とすることが好ましい。

このように、磁化固着層５と磁化自由層７との間を、磁気モーメントを有する半金属化合物または半導体化合物で形成した導通部１４で接続することによって、例えば導通部１４の大きさが10nm以上であっても伝導を量子化することができる。すなわち、実用的な大きさの導通部１４を適用した上で、磁化固着層５と磁化自由層７との間の伝導を量子化することができる。言い換えると、磁化固着層５と磁化自由層７との間の伝導を、実用的なデバイス構造並びにデバイス製造技術で量子化することが可能となる。このような量子化された導通部１４によれば、磁化固着層５と磁化自由層７との磁化方向の変化に基づく磁気抵抗効果に新たな物理現象、すなわち伝導の量子化に基づく物理現象が加味されることから、巨大な磁気抵抗効果を得ることが可能となる。

上述した磁化固着層５と磁化自由層７との間を接続する導通部１４の個数は少ない方がよく、理想的には1個であることが望ましい。ただし、量子化された導通部１４を再現性よく得るという観点からは、複数個の導通部１４を絶縁部１３内に配置することが好ましい。すなわち、導通部１４を複数個とすることで磁気抵抗効果素子１の抵抗変化率自体は低下するものの、量子化が不完全な導通部１４が生じたとしても、複数個のうちのいずれかの導通部１４が量子化することで大きな抵抗変化率を安定して得ることができる。

ここで、導通部１４を構成する材料は半金属化合物および半導体化合物のいずれであってもよいが、伝導の量子化の再現性という点からは半金属化合物を適用することが好ましい。また、半導体は抵抗が大きいものの、伝導が量子化することで導通部１４の抵抗が下がれば問題はない。ただし、量子化が不完全だった場合には、半金属は抵抗値が半導体より低いので、使いやすいという利点がある。このような点からも、導通部１４は磁気モーメントを有する半金属化合物で形成することが好ましい。

具体的には、室温における半導体の抵抗値はおおよそ数百μΩ・mから数百MΩ・mであるのに対し、半金属では数μΩ・mから数百μΩ・mと小さい。ちなみに金属は数十nΩ・mから数μΩ・mである。中間層６の厚さが1nmとした場合の単位面積当りの抵抗ＲＡ（素子自体の抵抗Ｒと素子面積Ａとの積）を見積ると以下のようになる。この実施形態の磁気抵抗効果素子１では導通部１４に電流が集中して流れるので、素子１の抵抗はほとんど導通部１４の抵抗値で決まると言える。半導体では抵抗ＲＡが数十mΩ・μm²から数百GΩ・μm²となり、導通部１４の二次元的な大きさが10nm×10nm角であった場合、それだけで素子抵抗は数百Ω以上となる。一方、半金属の場合には上記した素子抵抗が上限となり、実際にはこれよりも低い素子抵抗となる。従って、量子化が不完全だった場合を考慮すると、導通部１４は半金属化合物で形成することが好ましい。

中間層６を構成する絶縁部１３中に配置する導通部１４は、磁気モーメントを有する半金属化合物や半導体化合物で形成されている。磁気モーメントを有する半金属化合物としては、例えばＦｅ−Ｓｉ系化合物、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物、Ｍｎ−Ｓｉ系化合物、Ｃｒ−Ｓｉ系化合物、Ｃｏ−Ｓｉ系化合物等が挙げられる。磁気モーメントを有する半導体化合物としては、例えばＭｎ−Ｓｂ系化合物、Ａｓ−Ｍｎ系化合物、Ｃｒ−Ａｓ系化合物、（Ｇａ，Ｍｎ）−Ａｓ系化合物、（Ｇａ，Ｃｒ）−Ａｓ系化合物、（Ｇａ，Ｍｎ）−Ｎ系化合物、（Ｇａ，Ｃｒ）−Ｎ系化合物、（Ｚｎ，Ｆｅ）−Ｏ系化合物、（Ｚｎ，Ｍｎ）−Ｏ系化合物、（Ｚｎ，Ｃｏ）−Ｏ系化合物等が挙げられる。

上述した半金属化合物のうち、Ｆｅ₃Ｓｉ、Ｆｅ₅Ｓｉ₃、Ｃｏ₂ＭｎＳｉは室温以上でも強磁性を示す半金属化合物である。これらはキュリー点がそれぞれ550℃、100℃、712℃で、室温での磁気モーメントがＦｅ₃Ｓｉ中では2.4μ_B、1.2μ_B、Ｆｅ₅Ｓｉ₃中では1.05μ_B、1.55μ_B、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ中ではＣｏ＝0.75μ_B、Ｍｎ＝3.57μ_Bと求められている。金属とは異なり、半金属は大きさが10nm以上であっても量子化するため、大きな磁気抵抗変化量を安定して得ることができる。なお、上記した化合物組成から多少ずれたものであっても、磁化固着層５と磁化自由層７が強磁性であるため、導通部１４にも強磁性が誘起され、大きな磁気抵抗変化量が期待できる。

ＭｎＳｉや（Ｃｏ_100-xＭｎ_x）₅₀Ｓｉ₅₀（30≦x≦80）は、室温以下で強磁性を示す半金属である。キュリー点が室温以下であることから、キュリー常磁性となっているが、これも強磁性体である磁化固着層５と磁化自由層７と接触しているために、導通部１４にも強磁性を誘起される。従って、大きな磁気抵抗変化量を得ることができる。なお、上記した化合物も組成が多少ずれていても、磁化固着層５と磁化自由層７により強磁性が誘起され、大きな磁気抵抗変化量を示すことが期待される。特に、Ｍｎ−Ｓｉは下記のように多彩な磁性を示すことから、磁気モーメントを持ちやすい材料系である。

Ｍｎ₃Ｓｉ、Ｍｎ₅Ｓｉ₃、ＭｎＳｉ_1.72は、それぞれ低温で磁気モーメントを持ち、スクリュー磁性、反強磁性、メタ磁性を示す半金属である。低温で磁気モーメントを持つことから、これらも磁化固着層５と磁化自由層７とに挟まれることによって、導通部１４にも強磁性が誘起される。従って、大きな磁気抵抗変化量を得ることができる。なお、これらの化合物も組成が多少ずれていても、強磁性が誘起されて大きな磁気抵抗変化量を示すことが期待される。ＣｒＳｉ、ＦｅＳｉ、ＣｏＳｉは、低温でも磁気秩序を持たないが、磁気モーメントが存在するキュリー常磁性体の半金属である。これらも磁化固着層５と磁化自由層７とに挟まれることで磁気秩序が生じ、大きな磁気抵抗変化量を得ることができる。また、これらの化合物も組成が多少ずれていても同様な効果が期待できる。

また、磁気モーメントを有する半導体化合物のうち、ＭｎＳｂ、ＡｓＭｎ、ＣｒＡｓ等はハーフメタリックな強磁性を示すと理論予測されている半導体である。ハーフメタルとは、フェルミレベルにアップスピン電子は状態を持つが、ダウンスピン電子は状態を持たない、つまりアップスピンだけが伝導するという材料であり、大きな磁気抵抗変化量を示す物質である。このような材料を導通部１４に用いると、上述した伝導の量子化に基づく巨大な磁気抵抗効果のみならず、アップスピンのみを伝導させる効果も得られることから、さらに大きな磁気抵抗変化量を示すことになる。

上述したように、導通部１４を構成する材料としては、強磁性を示す半金属や半導体、また室温下で磁気モーメントを有する半金属や半導体に限らず、低温で磁気モーメントを持つ半金属や半導体、さらには低温でも磁気秩序を持たないが、磁気モーメントが存在する半金属や半導体等も使用することができる。このように、導通部１４の構成材料には磁気モーメントを有する種々の半金属化合物または半導体化合物を適用することができ、上述した材料系に限定されるものではない。

絶縁部１３と導通部１４とで構成された中間層６の膜厚は、微細な導通部１４の形成性、また導通部１４による量子化されたポイントコンタクトの形成性等を高める上で、例えば5nm以下とすることが好ましい。中間層６の膜厚はさらに3nm以下とすることがより好ましい。なお、絶縁材料（絶縁部１３）による一様な膜の形成性等を考慮すると、中間層６の膜厚は1nm以上とすることが好ましい。なお、中間層６は導通部１４が磁化固着層５および磁化自由層７と接していればよく、例えば図４、図５、図６に示すように絶縁部１３の上下に拡張されていてもよい。図４は絶縁部１３の上側に拡張された導通部１４Ａが存在する状態を示している。図５は絶縁部１３の下側に拡張された導通部１４Ｂが存在する状態、図６は絶縁部１３の上下に拡張された導通部１４Ａ、１４Ｂがそれぞれ存在する状態を示している。

上述したような導通部１４を有する中間層６は、例えば通常のリソグラフィ技術を適用したり、また針による穴明け技術、熱処理等による凝集現象を利用して作製することができる。図７はリソグラフィ技術を適用した中間層６の形成工程の一例を示している。まず、磁化固着層５上に絶縁部１３となる絶縁層１５を形成した後、絶縁層１５上にリソグラフィ技術でレジストパターン１６を作製する（図７（ａ））。次いで、絶縁層１５のレジスト１６で覆われた以外の部分を、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）でエッチング除去し、導通部１４となるコンタクトホール１７を形成する（図７（ｂ））。

次に、コンタクトホール１７内に導通部１４の形成材料、すなわち磁気モーメントを有する半金属化合物または半導体化合物を堆積させる（図７（ｃ））。続いてレジスト１６を除去することによって、絶縁部１３内に磁気モーメントを有する半金属化合物または半導体化合物からなる導通部１４を配置した中間層６が得られる（図７（ｄ））。この後、中間層６上に磁化自由層７を形成することによって、スピンバルブ構造の積層膜が得られる（図７（ｅ））。

導通部１４となるコンタクトホール１７は、図８に示すようにリフトオフ法を適用して形成することもできる。すなわち、磁化固着層５上にリソグラフィ技術でレジストパターン１６を作製する（図８（ａ））。次いで、絶縁部１３となる絶縁層１５を形成した後（図８（ｂ））、レジスト１６を除去する（図８（ｃ））。このようにして、絶縁層１５にコンタクトホール１７を形成した後、導通部１４となる磁気モーメントを有する半金属化合物または半導体化合物の堆積（図８（ｄ））と、磁化自由層７の成膜を順に実施することによって、スピンバルブ構造の積層膜が得られる（図８（ｅ））。なお、図８では導通部１４の形成材料が絶縁部１３の上側に拡張しているが、上述したように導通部１４が磁化固着層５および磁化自由層７と接していれば特に問題ない。

絶縁層１５に対するコンタクトホール１７の形成は、例えば針状のものを用いて行うこともできる。すなわち、磁化固着層５上に絶縁層１５を形成する（図９（ａ））。次いで、例えばＳＴＭの針やテンプレートを絶縁層１５に押し付けてコンタクトホール１７を形成する（図９（ｂ））。また、針を絶縁層１５に近付けて大きな電流を流してコンタクトホール１７を形成してもよい。この後、導通部１４の堆積（図９（ｃ））と磁化自由層７の成膜（図９（ｄ））を順に実施する。

さらに、コンタクトホール１７の形成には、絶縁層の熱処理による凝集、またイオンビームやプラズマ等による凝集を適用することもできる。例えば、絶縁層の元となる層（Ｓｉ、Ａｌ等）を堆積した後、加熱して凝集させて海島状とし、それを酸化等によって絶縁層とする。また、加熱の代わりにイオンビームやプラズマ等のエネルギーを絶縁層あるいは絶縁層の元となる層の表面に与えて、海島状とする方法を適用してもよい。これらの方法でコンタクトホール１７を形成した後、導通部の堆積と磁化自由層の成膜を順に実施することによって、図９（ｄ）に示したようにスピンバルブ構造の積層膜が得られる。

上述した中間層６上には磁化自由層７が配置されており、さらにその上には保護層１８を介して上部電極４が配置されている。磁化固着層５／中間層６／磁化自由層７構造の積層膜を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２には、その上下に設けられた下部および上部電極３、４から膜面垂直方向にセンス電流が通電される。磁気抵抗効果素子１は、磁化自由層７の磁化方向を信号磁界等の外部磁界で変化させ、その際の磁化固着層５との相対的な磁化方向に基づいて磁気抵抗効果を発現させるものである。

このような磁気抵抗効果素子１において、磁化固着層５と磁化自由層７とを接続する導通部１４は、比較的大きなサイズでもコンダクタンスの量子化が発現する材料、すなわち磁気モーメントを有する半金属化合物や半導体化合物で構成されているため、量子化されたポイントコンタクトを再現性よく得ることができる。従って、スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２の膜面垂直方向に流すセンス電流に対して、伝導の量子化等に基づく巨大な磁気抵抗効果を安定して発現させることが可能となる。さらに、磁化固着層５および磁化自由層７は強磁性金属膜で構成しているため、実用的な素子抵抗を得ることができる。

上述した実施形態の磁気抵抗効果素子１は、従来の磁気抵抗効果素子と同様に磁気ヘッド等の構成素子として使用される。磁気抵抗効果素子１を用いた磁気ヘッドは、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み出しに使用される。このような磁気ヘッドを用いて、種々の磁気再生装置が構成される。また、磁気抵抗効果素子１は磁気ヘッドに限らず、磁気メモリ等の磁気記憶装置等の構成素子としても利用可能である。

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。

実施例１
この実施例１では図２に構造を示した磁気抵抗効果素子１を作製した。すなわち、図２に構造を示した磁気抵抗効果素子１において、スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２の下地層８に膜厚5nmのＴａ膜と膜厚2nmのＮｉＦｅＣｒ合金膜の積層膜を適用し、この下地層８上に反強磁性層９として膜厚15nmのＰｔＭｎ合金膜を形成した。さらに、その上に磁化固着層５として膜厚2nmのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜１１と膜厚1nmのＲｕ膜１０と膜厚2nmのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜１２を順に形成した。

次に、磁化固着層５上に絶縁部１３と導通部１４とを有する中間層６を形成した。絶縁部１３にはＳｉＯ₂を適用し、導通部１４にはＦｅ₃Ｓｉを適用した。また、中間層６は図７に示した製造工程を適用して作製した。導通部１４の大きさは20nm×20nm、また導通部１４の個数は1個とした。すなわち、Ｆｅ₃Ｓｉからなる導通部１４は厚さ2nmのＳｉＯ₂層内に20nm×20nmの大きさで1個配置した。この後、中間層６上に磁化自由層７として膜厚1nmのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀合金膜と膜厚3nmのＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金膜を順に形成し、さらにその上に保護層１８として膜厚1nmのＣｕ膜、膜厚5nmのＴａ膜、膜厚10nmのＲｕ膜を順に形成した。

上述した積層膜（スピンバルブ型磁気抵抗効果膜２）を1μm×1μmのサイズにリソグラフィでパターニングすると共に、その上下に電極を配置した。このようにして得た磁気抵抗効果素子のＭＲ変化率を測定したところ、100％という大きな値を示した。また、素子抵抗は0.3Ω・μm²であった。

実施例２〜３３
上述した実施例１において、絶縁部１３の構成材料、導通部１４の構成材料、大きさおよび個数を、表１に示した条件に変更する以外は、実施例１と同一条件でそれぞれスピンバルブ型磁気抵抗効果膜２を作製した。中間層の形成工程はいずれも実施例１と同様とした。このようにして得た積層膜を実施例１と同一の素子サイズにパターニングして磁気抵抗効果素子を作製した。これら磁気抵抗効果素子のＭＲ変化率を測定した。それらの結果を表１に併せて示す。

表１から明らかなように、各実施例の磁気抵抗効果素子ではいずれも大きなＭＲ変化率が得られていることが分かる。なお、図７に示した中間層の形成工程以外に、図８や図９に示した形成工程、また凝集を利用した形成工程を適用した場合にも、同様な結果が得られた。また、導通部の個数や大きさを制御したところ、実施例１〜２４では数nmから100nmまで試行しても同様の効果が得られたが、伝導を再現性よく量子化するためには導通部の大きさを20nm×20nm以下とすることが望ましい。実施例２５〜３３では1μm×1μmの大きさで同様の効果が得られたが、結晶性等が低下すると抵抗変化率が減少した。従って、導通部の大きさは500nm×500nm以下、さらに100nm×100nm以下とすることが望ましい。また、磁化固着層および磁化自由層を構成する強磁性金属膜にＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金等を使用した場合にも同様の効果が得られる。

本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す断面図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図である。 金属、半金属および半導体における伝導が量子化され始める大きさを説明するための図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子における中間層の一変形例を示す断面図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子における中間層の他の変形例を示す断面図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子における中間層のさらに他の変形例を示す断面図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子におけるスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の要部製造工程の一例を示す断面図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子におけるスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の要部製造工程の他の例を示す断面図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子におけるスピンバルブ型磁気抵抗効果膜の要部製造工程のさらに他の例を示す断面図である。

符号の説明

１…磁気抵抗効果素子、２…スピンバルブ型磁気抵抗効果膜、３，４…電極、５…磁化固着層、６…中間層、７…磁化自由層、１３…絶縁部、１４…導通部。

Claims (3)

1. 磁化方向が実質的に一方向に固着された強磁性金属膜を有する磁化固着層と、
   磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性金属膜を有する磁化自由層と、
   前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に介在された絶縁層と、前記絶縁層内に前記磁化固着層と前記磁化自由層とを接続するように配置され、磁気モーメントを有する、Ｍｎ−Ｓｂ、Ａｓ−Ｍｎ、Ｃｒ−Ａｓ、（Ｇａ，Ｍｎ）−Ａｓ、（Ｇａ，Ｃｒ）−Ａｓ、（Ｇａ，Ｍｎ）−Ｎ、（Ｇａ，Ｃｒ）−Ｎ、（Ｚｎ，Ｆｅ）−Ｏ、（Ｚｎ，Ｍｎ）−Ｏ、および（Ｚｎ，Ｃｏ）−Ｏから選ばれる少なくとも１種の半導体化合物からなる導通部とを有する中間層と、
   前記磁化固着層、前記中間層および前記磁化自由層の膜面に対して垂直方向にセンス電流を通電するように設けられた一対の電極と
   を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気ヘッド。
3. 請求項２記載の磁気ヘッドを具備し、前記磁気ヘッドで磁気記録媒体に磁気的に記録された情報を読み出すことを特徴とする磁気再生装置。

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