JP4896587B2 - 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置 Download PDF

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本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関し、より詳細には、薄膜面に対して垂直にセンス電流が流れるスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子、この磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
ある種の強磁性体では、電気抵抗が外部磁界の強さに応じて変化するという現象が知られており、これは「磁気抵抗効果」と呼ばれている。この効果は外部磁場の検出に使うことができ、そのような磁場検出素子を「磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子と称する）」とよぶ。
このようなＭＲ素子は、産業的には、ハードディスクや磁気テープ等の磁気記録再生装置において、磁気記録媒体に記憶された情報の読み出しに利用されており（例えば、非特許文献１等参照）、そのような磁気ヘッドは「ＭＲヘッド」と呼ばれている。
ところで近年、これらのＭＲ素子が利用されている磁気記録再生装置、特にハードディスク装置においては、磁気記録密度の高密度化が進められており、１ビットのサイズが小さくなり、ビットからの漏れ磁束の量がますます減少している。このため、より低磁界でも大きな抵抗変化率を得ることができる高感度で高Ｓ／Ｎ比のＭＲ素子を作ることが、磁気媒体に書き込んだ情報の読み出しには必須となってきており、記録密度向上のための重要な基盤技術となっている。
ここで「高感度」とは、単位磁場（Ｏｅ）当たりの抵抗変化量（Ω）が大きい事を意味しており、より大きなＭＲ変化量を持ち、より軟磁気特性に優れているＭＲ素子ほど高感度になる。また、高Ｓ／Ｎ比を実現するためには、熱雑音をできるだけ低減することが重要となる。このため素子抵抗自体はあまり大きくなることは好ましくなく、ハードディスク用読み取りセンサーとして用いる場合、良好なＳ／Ｎ比を実現するためには、素子抵抗としては５Ω〜３０Ω程度の値とする事が望まれている。
このような背景のもと、現在ではハードディスクＭＲへッドに用いるＭＲ素子としては、大きなＭＲ変化率を得ることができるスピンバルブ（spin-valve）膜を用いることが一般化している。
図２５は、スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。スピンバルブ膜１００は、強磁性層Ｆ、非磁性層Ｓ、強磁性層Ｐ及び反強磁性層Ａをこの順に積層した構成を有する。非磁性層Ｓを挟んで、磁気的に非結合な状態にある２つの強磁性層Ｆ、Ｐのうち、一方の強磁性層Ｐは反強磁性体Ａを用いた交換バイアス等により磁化を固着しておき、もう片方の強磁性層Ｆは外部磁界（信号磁界等）により容易に磁化回転できるようにされている。そして、外部磁場によって強磁性層Ｆの磁化のみを回転させ、２つの強磁性層Ｐ、Ｆの磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果を得ることができる(例えば、非特許文献２等参照）。
ここで、強磁性層Ｆは、「フリー層」、「磁場感受層」あるいは「磁化自由層」などと称され、強磁性層Ｐは、「ピン層」あるいは「磁化固着層」などと称され、非磁性層Ｓは、「スペーサ層」、「非磁性中間層」あるいは「中間層」などと称される場合が多い。
スピンバルブ膜は、低磁場でも、フリー層すなわち強磁性層Ｆの磁化を回転させることができるため、高感度化が可能であり、ＭＲヘッド用のＭＲ素子に適している。
このようなスピンバルブ素子に対しては、磁界による抵抗の変化を検出するために「センス電流」を流す必要がある。
図２６は、一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。すなわち、現在は、図示したようにスピンバルブ素子の両端に電極ＥＬ、ＥＬを設け、センス電流Ｉを膜面に対して平行に流し、膜面平行方向の抵抗を測定する方式が一般に用いられている。この方法は一般に「ＣＩＰ（current-in-plane）」方式と呼ばれている。
ＣＩＰ方式の場合、ＭＲ変化率としては１０〜２０％程度の値を得ることが可能となっている。また現在一般に用いられているシールドタイプのＭＲヘッドでは、スピンバルブ素子はほぼ正方形に近い形状で用いられるため、ＭＲ素子の抵抗はほぼＭＲ膜の面電気抵抗値に等しくなる。このため、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜では面電気抵抗値を５〜３０Ωにすることにより良好なＳ／Ｎ特性を得ることが可能となる。このことはスピンバルブ膜全体の膜厚を薄くすることにより比較的簡単に実現することができる。これらの利点から、現時点ではＣＩＰ方式のスピンバルブ膜がＭＲヘッド用のＭＲ素子として一般的に用いられている。
しかしながら、１００Ｇｂｉｔ／inch２を超えるような高記録密度での情報再生を実現するためにはＭＲ変化率として３０％を越える値が必要とされてくると予想される。これに対して従来のスピンバルブ膜では、ＭＲ変化率として２０％を越える値を得ることは難しい。このため、いかにこのＭＲ変化率を大きくできるかが、更なる記録密度の向上のための大きな技術課題となっている。
このような観点から、ＭＲ変化率を大きくする目的で、ＣＩＰ−ＳＶ膜においてピン層、フリー層中に酸化物、窒化物、フッ化物、ホウ化物のいずれかからなる「電子反射層」を挿入したスピンバルブが提案されている。
図２７は、このようなスピンバルブ膜の断面構成を表す概念図である。すなわち、同図の構成においては、ピン層Ｐとフリー層Ｆにそれぞれ電子反射層ＥＲが挿入されている。スピンバルブ膜では、各層の界面で電子散乱が起こると見かけ上の平均自由行程が減少し、ＭＲ変化率が減少してしまう。これに対して、電子反射層ＥＲを設けて電子を反射することにより、電子の見かけ上の平均自由行程を増加させ、大きなＭＲ変化率を得ることが可能となる。
また、この構成では電子を反射することによって、電子が磁性体／非磁性体の界面を通り抜ける確率も上昇するため、見かけ上、人工格子膜における場合と同様な効果を得ることが可能となり、ＭＲ変化率が増大する。
しかし、この構成においても、全ての電子が磁性体／非磁性体の界面を通り抜けるわけではないため、ＭＲ変化率の増大には限界がある。このため上述のような電子反射層を挿入したＣＩＰ−ＳＶ膜においても２０％を越えるような大きなＭＲ変化率と、５〜３０Ωの実用的な抵抗変化量を実現することは実質的に困難となっている。
一方、３０％を越えるような大きなＭＲを得る方法として、磁性体と非磁性対を積層した人工格子において膜面に垂直方向（current perpendicular to plane：ＣＰＰ）にセンス電流を流す形式の磁気抵抗効果素子（以下ＣＰＰ−人工格子）が提案されている。
図２８は、ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。この形式の磁気抵抗効果素子では、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した人工格子ＳＬの上下に電極ＥＬがそれぞれ設けられ、センス電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れる。この構成では、電流Ｉが磁性層／非磁性層界面を横切る確率が高くなるため、良好な界面効果を得ることが可能となり大きなＭＲ変化率が得られることが知られている。
しかしながら、このようなＣＰＰ人工格子タイプの膜では、極薄の金属膜の積層構造からなる人工格子ＳＬの膜面垂直方向の電気抵抗を測定する必要がある。しかしこの抵抗値は一般に非常に小さな値になってしまう。したがってＣＰＰ人工格子では、抵抗値をできるだけ大きくすることが重要な技術課題となっている。従来はこの値を大きくするために、人工格子ＳＬと電極ＥＬとの接合面積を可能な限り小さくして、かつ人工格子ＳＬの積層回数を増やし、総膜厚を増やすことが必須となっている。例えば、素子の形状を０．１μｍ×０．１μｍにパターニングした場合、Ｃｏ２ｎｍとＣｕ２ｎｍとを交互に１０回積層すれば、総膜厚は２０ｎｍとなり、１Ω程度の抵抗値を得ることはできる。しかし、これでもまだ十分に大きな抵抗値とは言えず、さらに多層化することが必要とされる。
以上のような理由から、ＣＰＰ人工格子タイプの膜で、十分なヘッド出力を得、良好なハードディスク用読み取りセンサーとして用いるためには、スピンバルブタイプではなく人工格子タイプにすることが抵抗の面からみると必須であることがわかる。
しかし一方で、ＭＲ素子をＭＲヘッドに用いる場合には、磁性層の磁化の制御を行い、効率よく外部磁場の計測を行えるようにしながら、同時にバルクハウゼンノイズ等が発生しないように、各磁性層を単磁区化することが必要となってくる。しかし、上述したように、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層を交互に何度も積層する必要があり、そのような多くの磁性層に対して、個別に磁化の制御を行うことは技術上非常に困難となっている。
また、ＭＲ素子をＭＲヘッドに用いる場合には、小さな信号磁界に対して高感度に磁化が回転し、大きなＭＲ変化率が得られるようにする必要がある。このためには、センシング部分での信号磁束密度を向上させ、同じ磁束密度でもより大きな磁化回転量が得られるようにする必要がある。したがって外部磁場によって磁化が回転する層のトータルのＭｓｔ（磁化×膜厚）を小さくする必要がある。しかし、ＣＰＰ−ＭＲ素子では抵抗値を稼ぐために磁性層と非磁性層とを交互に何度も積層する必要があり、これによりＭｓｔが増大してしまい、信号磁束に対する感度を向上させることが困難となっている。
このため、ＣＰＰ人工格子タイプの膜では、３０％を越えるＭＲ変化率は期待できるものの磁気ヘッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上不可能となっている。
一方、ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＦｅＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ等を用いたスピンバルブ構造においてＣＰＰ方式を採用することも考えられる。
図２９は、ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。しかし、このようなＣＰＰ−ＳＶ構成において、抵抗値を大きくするためには磁性層の厚さを２０ｎｍ程度まで厚くする必要があり、その場合でも抵抗変化率は、４．２Ｋで３０％程度にとどまり、室温においては更にその半分の１５％程度の抵抗変化率しか得られないだろうことが予測される。
つまり、ＣＰＰ方式のスピンバルブ膜では、１５％程度のＭＲ変化率しか得られず、しかもフリー層のＭｓｔも大きくせざるを得ないため、ヘッド用のＭＲセンサーとして用いるには高感度化が困難となっており、実質上用いることは困難となっている。
ＩＥＥＥ ＭＡＧ−７、１５０（１９７１） Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．，Ｖｏｌ．４５， ８０６（１９９２）， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．６９， ４７７４（１９９１）
以上説明したように、ＣＩＰ方式のスピンバルブ膜、ＣＰＰ方式の人工格子、ＣＰＰ方式のスピンバルブ等、様々な方式が提案されている。しかしながら、現在磁気記録密度は年率６０％以上の上昇を続けており、今後更なる出力増大が求められている。しかし、現時点では１００Ｇｂｉｔ／inch２ を超えるような高記録密度で用いることができる、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量をもち、かつ磁気的に高感度となるようなスピンバルブ膜は実現が困難となっている。
本発明は、このような課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、スピン依存散乱効果を有効的に利用しながら、適当な抵抗値を有し、高感度化が可能で、かつ制御すべき磁性体層の数の少ない、実用的な磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化自由層と前記磁化固着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垂直方向に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、酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とする電子反射層と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化自由層と前記磁化固着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垂直方向に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、前記磁気抵抗効果膜を通過するセンス電流の通過量を制限する電子反射層と、を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
なお、前記電子反射層が、面積比５０％以下の開口率でピンホールを有していても良い。
なお、前記電子反射層が、二種類以上の金属元素で構成されても良い。
なお、前記電子反射層が、前記磁化自由層の内部、または前記磁化自由層に対して前記非磁性中間層が形成された側とは反対側に形成されていても良い。
なお、前記電子反射層が、前記非磁性中間層の膜中あるいは、界面に形成されていても良い。
なお、前記電子反射層が、前記磁化固着層の膜中、または前記固着層に対して前記非磁性中間層が形成された側とは反対側に形成されていても良い。
なお、前記電子反射層が、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｈ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｙ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｂの中から選ばれる少なくともひとつの酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分としていても良い。
なお、前記電子反射層は、前記磁化自由層の前記非磁性中間層が設けられた側とは反対側か、非磁性中間層の層中あるいは界面に形成され、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｏｓの少なくともひとつの金属を含んでいても良い。
なお、前記電子反射層は、前記磁化自由層の非磁性中間層が設けられた側とは反対側か、非磁性中間層の層中あるいは界面に形成され、Ｃｕを主成分とする第１の領域と、Ｂ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｇｅから選ばれる少なくともひとつを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とする第２の領域と、を備えるように構成しても良い。
なお、前記電子反射層は、前記磁化自由層の非磁性中間層が設けられた側とは反対側か、非磁性中間層の層中あるいは界面に形成され、Ａｕを主成分として含でいる第１の領域と、Ｂ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｐ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｗ、Ｃｒから選ばれる少なくともひとつを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とする第２の領域とを備えるように構成しても良い。
なお、前記電子反射層は、前記磁化自由層の非磁性中間層が設けられた側とは反対側か、非磁性中間層の層中あるいは界面に形成され、Ａｇを主成分として含んでいる第１の領域と、Ｂｅ,Ｃｏ,Ｃｒ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｓｉ,Ｔａ,Ｖ,Ｗ,Ｇｅ,Ｓｎ,Ａｌ,Ｒｈから選ばれる少なくともひとつを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とする第２の領域とを備えるように構成しても良い。
また、本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が実質的に一方に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化自由層と前記磁化固着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垂直方向に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、前記磁化自由層の前記非磁性中間層が設けられた側とは反対側の面上、あるいは、非磁性中間層の膜中あるいは界面に形成され、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｃｏの中から選ばれる少なくともひとつを含む、結晶質の酸化物を主成分とする領域と、を備えたことを特徴とする。
なお、前記電子反射層の厚みが０．５以上５ｎｍ以下であっても良い。
なお、前記電子反射層は、２％から３０％の金属相のホールを含んでいても良い。
なお、前記電子反射層は、前記磁化自由層の前記非磁性中間層が設けられた側とは反対側の面上、あるいは、非磁性中間層の膜中あるいは界面に形成され、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｃｏの中から選ばれる少なくともひとつを含む、結晶質の酸化物を主成分とする領域を備えていてもよい。
なお、前記金属相のホールの平均直径は、前記磁化自由層と前記非磁性中間層と前記磁化固着層との膜厚の和に対して、１０％から１００％の大きさであっても良い。
なお、前記金属相のホールの平均間隔が１０ｎｍから１００ｎｍであっても良い。
また、本発明の第４の態様による磁気ヘッドは、上記のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第５の態様による磁気再生装置は、上記磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に格納された磁気的情報を読み取り可能としたことを特徴とする。
本発明によれば、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量を有し、且つ磁気的に高感度となるようなＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を提供することができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子１０Ａは、図示しない所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性層Ｐ、非磁性中間層Ｓ、第２の磁性層Ｆの順に積層されている。そして、第１の磁性層Ｐには抵抗調整層Ｒ１が挿入され、第２の磁性層Ｆには抵抗調整層Ｒ２が挿入されている。なお、反強磁性層Ａ、第１の磁性層Ｐ、非磁性中間層Ｓ、第２の磁性層Ｆは磁気抵抗効果膜を構成する。
さらに、この積層構造の上下には、電極層ＥＬが設けられ、センス電流Ｉを膜面に対して垂直方向に流すことが特徴となっている。
本実施形態においては、第１の磁性層Ｐは、その磁化が反強磁性層Ａによる一方向異方性により固定された「ピン層」として作用する。また、第２の磁性層Ｆは、図示しない磁気記録媒体などから発生される外部磁場（例えば信号磁界など）により磁化回転される「磁場感受層」あるいは「フリー層」として作用する。
第１の磁性層Ｐと第２の磁性層Ｆは、それぞれ抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２が挿入され、強磁性体層ＦＭ／抵抗調整層Ｒ１または抵抗調整層Ｒ２／強磁性体層ＦＭという積層構造を有する。この構造においては、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２を挟んだ両側の強磁性体層は強磁性磁気結合をしており、その磁化は実質的に一体として振舞う。すなわち、この強磁性体層／抵抗調整層／強磁性体層の積層構造に含まれるそれぞれの強磁性体層の磁化は、全てほぼ平行にそろった状態にあり、ピン層（第１の磁性層Ｐ）においてはほぼ同一方向に磁化固着されており、フリー層（第２の磁性層Ｆ）においては外部磁場に対してほぼ同一の磁化方向を持つ。
本具体例においては、電流Ｉは上部電極ＥＬから下部電極ＥＬに向かって流れるが、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２は、電流を膜厚方向に流しつつ、かつその電流量を低減するものであり、抵抗調整層の挿入により磁気抵抗効果素子の抵抗を上げることができる。つまり、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２は、センス電流Ｉの通過量を制限する「フィルター層」、または、センス電流Ｉを構成する伝導電子の一部を透過させる「電流狭窄層」、または、センス電流Ｉの電流量を低減させる「障壁層」、として作用する。上記抵抗調整層の一具体例の構成および作用を、図３０を参照して説明する。この具体例の抵抗調整層Ｒは、絶縁体層中にピンホールＨが形成された構成となっている。この抵抗調整層Ｒを、磁気抵抗効果膜を構成する膜２０、２１の間に挟み、これらの膜にそれぞれ電極ＥＬ１、ＥＬ２を接続し、膜面に垂直に電流を流すと、電流は図３０の破線に示すように、ピンホールＨを通って流れるため、電流量が低減され、抵抗が増大することになる。なお、抵抗調整層の構成及び作用は、後述するように、これに限られるものではない。
さらに、低減された電流Ｉの一部は２つの抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の間で何度か反射を繰り返しながら流れる。しかし、反射を繰り返しながら流れる電流の量はセンス電流全体からみるとさほど多くはない。しかし、これによって電子がＣＰＰスピンバルブ構造を無反射で通過する確率は多少減少するため更に電気抵抗を増大させることが可能となる。なお、これらの抵抗調整層は、ＣＩＰ型スピンバルブ素子の電子反射層とは、形態的(morphological)に異なった構成となっている。
ＣＰＰスピンバルブ膜においては、強磁性体層／非磁性体層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が、大きなスピン依存性を持ちＣＰＰ−ＭＲを増大させる役目を担っている。また、界面抵抗は、比較的大きな値を持つ傾向がある。これらの特徴は、図２８に関して前述したＣＰＰ人工格子における作用と同様である。
従って、抵抗調整層を設けることにより、膜面垂直方向の抵抗値を増大させることができる。その結果として、本発明によれば、より多くの界面抵抗を利用することができ、従来のＣＰＰスピンバルブ膜に比べて、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを実現することが可能となる。
また、本実施形態においては、電流Ｉが膜面に対して垂直方向に流れるＣＰＰ方式をとっているため、すべての電流Ｉは強磁性体層／非磁性体層の界面を横切ることになる。その結果として、ＣＩＰ方式の場合には有効に利用できなかった界面効果を極めて有効に利用することが可能となる。このため、ＣＩＰ構成ではあまり得られなかったＭＲ変化率の増大効果を極めて顕著に得ることが可能になる。
以上の効果により、スピンバルブ構成でありながら、界面抵抗を良好に利用し、適度な抵抗値を持ったＣＰＰスピンバルブ素子を提供することが可能となる。
また、本実施形態においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化はそれぞれ一体として動作する為、磁化の制御はピン層Ｐの磁化固着と１つのフリー層Ｆの磁化制御のみによって可能になり、磁気ヘッド等の読み取りセンサーとして用いる場合には、バルクハウゼンノイズが抑制された磁気ヘッドを実現することが可能になる。
また、本実施形態においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの合計の厚さを薄くしたまま、良好な抵抗値とＭＲ変化率とを得ることが可能となる。すなわち、本構成においては、従来の単純なＣＰＰスピンバルブ構成と比較すると、電子の単純透過確率を減少させ、抵抗値を増大させるとともに、界面抵抗を十分に利用することが可能となるため、ピン層Ｐ、フリー層ＦのトータルのＭｓｔが小さい構造においても、十分な抵抗値とＭＲ変化率を得ることが可能となる。
具体的には、従来構成ではピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁性体の厚さとしては２０ｎｍ程度必要であったが、本実施形態によれば、トータルの磁性層厚が５ｎｍ以下でも十分な特性を得ることが可能になる。これによって、フリー層ＦのＭｓｔを小さな値に保つことが可能となり、高感度なスピンバルブ素子を実現することができる。また、ピン層ＰのＭｓｔも小さくすることが可能となるため、反強磁性層Ａによる磁化固着特性を向上させることができ、デバイスとしての信頼性を向上させることが可能となる。
本実施形態における抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２としては、Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｃ（炭素）等の半金属（セミメタル）や、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）等のいわゆるゼロギャップ半導体を用いることができる。これらの材料においては、絶縁体とは異なり、伝導電子は存在しているが、その密度が非常に小さいため、伝導電子が感じるポテンシャルは非常に小さくなっている。具体的にはＣｕ（銅）等の金属が７ｅＶ程度のフェルミポテンシャルを持っているのに対して、半金属におけるフェルミポテンシャルは１ｅＶ以下の小さな値となっている。
このため、強磁性体となる金属層中に、半金属やゼロギャップ半導体からなる抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２を挟むと、図２に例示したように大きなポテンシャルの段差が生じ、伝導電子が透過するのが制限されるようになる。なお、図２（ａ）は、ピン層Ｐとフリー層Ｆの磁化が平行の場合、図２（ｂ）は、反平行の場合について、それぞれ電子が感じるポテンシャルをアップスピンの場合とダウンスピンの場合について図示したグラフである。
本発明の構成においては、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の中にも伝導電子が存在するため、トンネルによる電子の透過確率よりも、伝導電子による伝導の方が十分に大きくなっており、通常の伝導が全体の抵抗値を支配している。このため、強磁性トンネル接合の場合に比べると低抵抗化が可能であり、微少接合において良好な素子抵抗を得ることが可能となる。
これらの材料におけるフェルミポテンシャルの値は、１ｅＶ〜０ｅＶの範囲にあることが望ましい。より望ましくは、０．５ｅＶ〜０ｅＶの範囲が適している。その理由は、まず第１に、これらの材料においては、フェルミポテンシャルの値が小さければ小さいほど、電子の感じるポテンシャルに段差をつけることが可能になるため、電子の透過確率を小さくすることが可能になるからである。また、セミメタル中の伝導電子数自体も少なくなるため、電子の透過確率を非常に小さくすることが可能になる。０．５ｅＶの場合、伝導電子数は約３．５×１０２０個となりＣｕ等の貴金属に比べると電子数は２桁程度小さな値となるため、大きな抵抗増大を望むことができる。したがって、これらの材料におけるフェルミポテンシャルの値は０．５ｅＶ 以下とする事が望ましい。しかし、１ｅＶ以下であれば、伝導電子数は約４．６×１０２１個となりＣｕ等の貴金属に比べると電子数は１桁程度小さな値となるため十分に抵抗を増加させる効果を生じさせることができる。
また、本実施形態における抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の材料としては、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）もしくはそれらの合金を用いることもできる。ただし、この場合には、あまり大きなポテンシャルの段差を形成することが難しいため、大きな抵抗増大を得ることは容易ではない。
また、本実施形態における抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２としては、ポテンシャルバリアの高さが比較的低い絶縁体を用いることもできる。図３は、この構成に対応したポテンシャル図である。すなわち、図３（ａ）は、ピン層とフリー層の磁化が平行の場合、図３（ｂ）は、反平行の場合について、それぞれ電子が感じるポテンシャルをアップスピンの場合とダウンスピンの場合について図示したグラフである。
本具体例の場合は、電子の透過確率は抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２における電子のトンネル確率によって決まる。従って、バリアハイトが高くなると素子抵抗が高くなり過ぎるために、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２のバリアハイトは、０．１ｅＶ以下である事が望ましい。
一方、本実施形態における抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２として、ピンホールが形成された絶縁体を用いることができる。この場合には、電子の透過確率は、ピンホールのサイズや密度などによって決定される。図４は、本具体例の断面構成を表す概念図である。同図に表したように、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２にピンホールＨを適宜設けることができる。ここで、ピンホールＨのサイズを、電子の平均自由行程と同程度以下にすると、より大きな抵抗増大効果を得ることが可能となる。また、ピンホールＨの密度は、例えば、素子の膜面内に少なくとも１０個以上のピンホールが形成されていることが、素子特性の再現性の点からは望ましい。但し、逆に素子中にただ一つのピンホールＨが存在するようにすることもできる。また、ピンホールＨのトータル面積と素子の膜面積との比率についても適宜決定することができるが、望ましくは５０％以下であることが素子抵抗を上昇させるためには理想的である。
図４の具体例においては、電子の透過確率はピンホールＨを通した電気伝導によって決まる。従って、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２を構成する材料として、バリアハイトの大きい絶縁体、例えばＡｌ（アルミニウム）酸化物やＳｉ（シリコン）酸化物などを用いることもできる。ただし、Ｃｏ（コバルト）酸化物、Ｎｉ（ニッケル）酸化物、Ｃｕ（銅）酸化物などのバリアハイトの低い材料を用いることもできる。その場合でも、電気伝導は主にピンホールＨによって支配される。
また、図４の具体例における抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の厚さも適宜決定することができるが、ピンホールＨの形成を確実且つ容易にするためには、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に設定することが望ましい。
ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれの抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２におけるピンホールＨの位置は、特にコントロールしなくてもよい。この場合は、ランダムに形成されているピンホールＨを通した電気伝導が得られる。
この様なピンホールＨを持った抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の形成方法としては、例えばＡｌの極薄層をスパッタ等の方法によって形成したあと、酸素雰囲気に短時間曝し、自然酸化により形成することができる。また、その他にも、Ａｌなどの極薄層を、酸素プラズマに曝したり、酸素イオンを照射したり、酸素ラジカルを照射したりするような、エネルギーを与える方法でも形成できる。
また、被酸化層として、例えばＡｌ−Ｃｏのように、比較的酸化されやすい材料と酸化されにくい材料とを同時成膜することによりＡｌ−Ｃｏのグラニュラー（粒状）膜を形成しておき、それを酸素に曝すことにより、Ａｌのみを選択的に酸化することによっても形成できる。
また、それ以外にも、酸素雰囲気中で成膜することによりピンホールＨを持った酸化層を形成することができる。
また、このようなピンホールＨを持った抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の別の形成方法としては、例えば、ＡＦＭ（atomic force microscope）等を用いた微細加工、また自己組織化により規則的に配列したピンホールＨを形成することもできる。
ＡＦＭ等を用いた微細加工の際には、例えばＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）の連続膜を形成しておき、そのＡｌＯｘに穴を開けることにより形成できる。また、自己組織化により規則的に配列したピンホールを形成する場合には、例えば、ＡｌＯｘの連続膜を形成しておき、そのＡｌＯｘ上に自己組織化によりピンホールが形成されるレジストを塗布し、そのピンホール部分のＡｌＯｘをミリングやＲＩＥ等により除去して形成することができる。また、自己組織化により整列したピンホールＨを持った絶縁体を直接、形成することもできる。
このように制御された方法でピンホールＨを形成する場合には、２つの抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２におけるピンホールＨの位置関係が重要になる。すなわち、図５（ａ）に例示したように、上下の抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の間で、ピンホールＨの位置を同じ場所になるようにすることもできる。また、図５（ｂ）に例示したように、上下の抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の間でピンホールＨの位置がずれているように設けることもできる。図５（ｂ）に例示したように位置がずれていた方が、より効果的な電流量の低減を得ることが可能となり、より高抵抗なＣＰＰスピンバルブ素子を実現することができる。
また、制御された方法でピンホールＨを形成する場合には、２つの抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２におけるピンホールＨの大きさの関係も調節することができる。すなわち、ピンホールＨの大きさを、上下の抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の間で同じになるようにすることもでき、または、異なるようにすることもできる。抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２のうちで、電子が入って来る方の抵抗調整層のピンホールＨの大きさを電子が出て行く方のピンホールの大きさよりも大きくした方が、より効果的な電流量の低減を得ることができ、より高抵抗なＣＰＰスピンバルブ素子を形成することができる。
また、強磁性体層／電子反射層の積層構造における抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２は、必ずしも１層だけで構成されている必要はなく、図６に例示したように、２層以上の抵抗調整層Ｒ１Ａ、Ｒ１Ｂあるいは抵抗調整層Ｒ２Ａ、Ｒ２Ｂを含んでいてもよい。このように複数の抵抗調整層を挿入することにより、電子の単純透過確率をさらに減少させることが可能となり、さらに高抵抗なＣＰＰ−ＳＶを実現することができる。
また、フリー層Ｆの側においては、図７に例示したように、抵抗調整層Ｒ２を強磁性体層ＦＭの内部に挿入せずに、非磁性層ＮＭ１、ＮＭ２により挟持して配置することも可能である。このようにすることによって、抵抗調整層Ｒ２によってフリー層Ｆの磁気特性にあたえる影響を最小限に留めることが可能になり、軟磁気特性との両立が容易になる。
以上具体例を挙げた本実施形態における第１および第２の磁性体層Ｐ、Ｆに含まれている強磁性体層は、例えばＣｏ単体やＣｏ系磁性合金のようなＣｏを含む強磁性体、あるいはＮｉＦｅ合金のようなＮｉ基合金、あるいはＦｅ基合金等により構成することができる。
ここで、Ｆｅ基合金としては、Ｆｅ（鉄）、ＦｅＮｉ（鉄ニッケル）、ＦｅＣｏ（鉄コバルト）、ＦｅＳｉ（鉄シリコン）、ＦｅＭｏ（鉄モリブデン）、ＦｅＡｌ（鉄アルミニウム）などの軟磁気特性を得られやすい材料を用いることが望ましい。
また、Ｃｏ系合金としては、Ｃｏに対して、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｈｆ（ハフニウム）のうちのいずれか１種または２種以上を添加した合金が挙げられる。これら添加元素の添加量は、５〜５０原子％とすることが好ましく、さらには８〜２０原子％の範囲とすることが望ましい。これは、添加量が少なすぎると、バルク効果が十分に増加せず、逆に添加量が多すぎると、今度は界面効果が大きく減少するおそれがあるからである。添加元素としては、大きなＭＲ変化率を得るためには、特にＦｅを用いることが望ましい。
また、本実施形態における第１および第２の磁性層Ｐ、Ｆに含まれている強磁性体層は、図８に例示したように、強磁性体層ＦＭと非磁性体層ＮＭとの積層構造としても良い。この強磁性体層ＦＭ／非磁性体層ＮＭの積層構造においては、非磁性体層ＮＭを挟んだ強磁性体層ＦＭ同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ほぼ同一の磁化方向を持っている。
図８に例示したような積層構造膜をピン層Ｐ、フリー層Ｆに採用すると、電子はより多数の強磁性体層／非磁性体層の界面を通過するようになる。ＣＰＰスピンバルブ膜においては、強磁性体層／非磁性体層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が大きなスピン依存性を持ち、ＣＰＰ−ＭＲを増大させるという作用効果を有する。本具体例においては、より多くの界面抵抗を利用することができるため、より高抵抗で、より大きな抵抗変化率を得ることが可能となる。なお、図８においてフリー層Ｆと電極ＥＬとの間には、電気伝導度が高い高導電層Ｇが設けられている。
抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の挿入は、特にＣＰＰスピンバブル膜の高抵抗化に効果があるが、ピン層Ｐ、フリー層Ｆを積層化することは、特にＭＲ比の増大に効果がある。このため、この２つの組み合わせることにより、特に高抵抗で、高ＭＲ変化率のＣＰＰスピンバルブ膜を得ることが可能となる。
本具体例における強磁性体層ＦＭ／非磁性体層ＮＭの積層構造膜としては、磁性体層ＦＭ／非磁性体層ＮＭの界面において大きなスピン依存界面抵抗を得ることが望ましい。そのような強磁性体、非磁性体の組み合わせとしては、強磁性体層ＦＭの材料としてはＦｅ基合金、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金を用い、非磁性体層ＮＭの材料としてはＣｕ，Ａｇ，Ａｕもしくはそれらの合金を用いることが望ましい。
また、非磁性体層ＮＭの材料としては、これら以外にも、特に、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）Ｉｒ（イリジウム）などの非強磁性金属を用いることも望ましい。特に、ＭｎあるいはＲｅをもちいることが望ましい。
これらのうちでは、界面抵抗が特に大きい組み合わせとして、Ｆｅ基合金／Ａｕ、Ｆｅ基合金／Ａｇ、もしくはＦｅ基合金／Ａｕ−Ａｇ合金界面、Ｃｏ基合金／Ｃｕ、Ｃｏ基合金／Ａｇ、Ｃｏ基合金／Ａｕ、もしくはＣｏ基合金／Ｃｕ−Ａｇ−Ａｕ合金界面などを挙げることができる。
強磁性体層ＦＭ／非磁性体層ＮＭの積層構造に含まれている強磁性体層ＦＭの膜厚としては、ピン層Ｐにおいては磁気的安定性を増加させ、フリー層ＦにおいてはＭｓｔを薄くして高感度化を測るためには、できるだけ薄くすることが望ましい。膜厚の上限としては、界面数を増やすためには２ｎｍ以下であることが望ましい。
一方、本具体例における強磁性体層ＦＭ／非磁性体層ＮＭの積層構造を形成する材料の組み合わせとしては、界面抵抗を良好に得るためには、非固溶系の組み合わせであることが望ましい。つまり、強磁性体層ＦＭと非磁性体層ＮＭを構成する材料が互いに非固溶の関係にあることが望ましい。しかし、要求されるレベルに応じて、必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はない。
また、本具体例における強磁性体層ＦＭ／非磁性体層ＮＭの積層構造における強磁性体層ＦＭは、必ずしも１種の材料で構成されている必要はなく、図９に例示したように、２種以上の強磁性体の積層膜で構成されていても良い。すなわち、図９に表した例においては、ピン層Ｐとフリー層Ｆは、それぞれ第１の強磁性体層ＦＭ１、第２の強磁性体層ＦＭ２、第３の強磁性体層ＦＭ３を積層した構成を有する。但し、強磁性体層の種類や層数あるいは積層の順序は、同図に限定されるものではない。
例えば、ピン層Ｐにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅはスピンの揺らぎが大きいために、室温で用いる為にはスピンの揺らぎを抑えることが望ましい。そのためには強磁性体層として、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅなどのように、スピン揺らぎの小さな磁性体との積層構造とすることが望ましい。
一方、フリー層Ｆにおいても、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのため、強磁性体層としては、Ｆｅ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ、Ｆｅ／ＮｉＦｅ／Ｆｅなどのように、軟磁気特性の優れている磁性材料との積層構造とする事が望ましい。
また、強磁性体層／抵抗調整層の積層構造における強磁性体層も、必ずしも１種の材料で構成されている必要はない。
図１０は、抵抗調整層を挟む強磁性体層が２種以上の強磁性体層により構成されている場合を例示する概念図である。すなわち、同図に表した具体例においては、ピン層Ｐとフリー層Ｆとが、それぞれ第１の強磁性体層ＦＭ１と第２の強磁性体層ＦＭ２とを有する。
例えば、フリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／Ａｕ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。これに対して、強磁性体層として強磁性結合したＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料からなる磁性体層を付加することにより、軟磁気特性を向上させることが可能になる。
また強磁性体層ＦＭ／非磁性体層ＮＭの積層構造における強磁性体層ＦＭに、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合には、結晶構造がｆｃｃ（face centered cubic）構造であることが望ましい。これはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ等のｆｃｃ構造の金属を積層をした場合に、より安定にでき、また、全体として結晶性の良好な積層構造を構成することが可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果が得られるからである。但し、ｂｃｃ構造を用いることもできる。
特に、強磁性体層／非磁性体層の積層構造における強磁性体層として２種類の磁性体を組み合わせる場合には 図１１に例示したようにｆｃｃ構造の強磁性体層ＦＭ（ｆｃｃ）とｂｃｃ構造の強磁性体層ＦＭ（ｂｃｃ）とを組み合わせることもできる。このような組み合わせにおいては、ｆｃｃ構造の強磁性体ＦＭ（ｆｃｃ）とｂｃｃ構造の強磁性体ＦＭ（ｂｃｃ）の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なるため、顕著な伝導電子のフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることが可能となる。図示したように、第１の磁性層Ｐはｂｃｃ構造の強磁性体層、第２の磁性層Ｆはｆｃｃ構造の強磁性体層というように、ピン層Ｐとフリー層Ｆとで結晶構造が異なる構成にしても大きなフィルター効果を得ることが可能となる。
また、本発明においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆを構成する強磁性体層／非磁性体層の積層構造において強磁性体層同士は強磁性結合をしている必要があるが、そのためには良好な積層構造を形成する必要がある。また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁気特性は、積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することによって向上させることができる。このため、図１２に例示したように非磁性層ＮＭも、例えば、第１の非磁性層ＮＭ１と第２の非磁性層ＮＭ２との積層構造とするとよい。例えば、非磁性層ＮＭを、Ａｕ層／Ｃｕ層／Ａｕ層のような積層構造とすると、大きな界面抵抗を実現しつつ良好な格子定数を実現し、良好な磁気特性を得ることが可能になる。
また、本発明における第１および第２の磁性層Ｐ、Ｆに含まれている強磁性体層ＦＭは、図１３に例示したように、強磁性体層ＦＭ１／強磁性体層ＦＭ２の積層構造により構成することもできる。この強磁性体層ＦＭ１／強磁性体層ＦＭ２の積層構造においては、強磁性体層同士は強磁性磁気結合をしており、実質的に磁化はほぼ平行にそろった状態にあり、ほぼ同一の磁化方向を持っている。
このような積層構造膜をピン層Ｐ、フリー層Ｆに採用すると、電子はより多数の強磁性体層／強磁性体層の界面を通過するようになる。ＣＰＰスピンバルブ膜においては、強磁性体層／強磁性体層の界面における電子散乱の効果、すなわち界面抵抗が大きなスピン依存性を持ち、ＣＰＰ−ＭＲを増大させるという作用効果を有する。本具体例においては、より多くの界面抵抗を利用することができるため、より高抵抗で、より大きな抵抗変化率を得ることが可能となる。
抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２の挿入は、特にＣＰＰスピンバブル膜の高抵抗化に効果があるが、ピン層Ｐ、フリー層Ｆを積層化することは、特にＭＲ比の増大に効果がある。このため、この２つの組み合わせることにより、特に高抵抗で、高ＭＲ変化率のＣＰＰスピンバルブ膜を得ることが可能となる。
本具体例においては、ピン層Ｐ、フリー層Ｆ中に多くの強磁性体層／強磁性体層の界面を配置することが可能となり、より多くの界面抵抗を利用することができ、高抵抗で高ＭＲ変化率のＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
また、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層Ｐの磁化固着と１つのフリー層Ｆの磁化制御のみによって可能になり、ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合にはバルクハウゼンノイズが抑制された磁気ヘッドを実現することが可能になる。
本具体例における強磁性体層／強磁性体層の積層構造を構成している各強磁性体層は、例えばＣｏ単体やＣｏ系磁性合金のようなＣｏを含む強磁性体、あるいはＮｉＦｅ合金のような強磁性体、あるいはＦｅ基合金等により構成することができる。
界面抵抗が特に大きい組み合わせとしては、ＮｉＦｅ合金／ＣｏＦｅ合金、Ｆｅ基合金／ＮｉＦｅ合金、もしくはＦｅ基合金／ＣｏＦｅ合金を用いることが望ましい。
また、強磁性体層／強磁性体層の積層構造に含まれる強磁性体層の膜厚は、全体のＭｓｔを増やすことなく界面数を増やすためには、できるだけ薄くすることが望ましい。磁性が保たれる組み合わせにおいては、強磁性体層は１原子層で構成することも可能である。また、膜厚の上限としては、界面数を増やすためには２ｎｍ以下であることが望ましい。
一方、強磁性体層／強磁性体層の積層構造に含まれている強磁性体層の膜厚は、界面数をできるだけ多くするためには、１ｎｍ以下であることが望ましい。また、下限としては、単原子層でも界面抵抗を発生させることは可能である。
強磁性体層／強磁性体層の積層構造を形成する材料の組み合わせとしては、界面抵抗を良好に得るためには、非固溶系の組み合わせであることが望ましい。しかし、必ずしも非固溶系の組み合わせに限定する必要はなく、適宜組み合わせを決定することができる。
図１４は、複数の強磁性体層を有する場合の他の具体例を表す概念図である。
すなわち、同図の例においては、ピン層Ｐとフリー層Ｆのそれぞれが、第１の強磁性体層ＦＭ１と第２の強磁性体層ＦＭ２との積層構造を有し、さらに電子反射層Ｒ１、Ｒ２に隣接して第３の強磁性体層ＦＭ３が設けられている。
例えば、フリー層Ｆにおいては、界面抵抗の大きなＦｅ／ＣｏＦｅ界面を用いることが望ましいが、Ｆｅだけではフリー層として必要な軟磁気特性を得ることが難しい。そのために、強磁性体層ＦＭ３として強磁性結合したＮｉＦｅ等の軟磁気特性の優れている磁性材料を付加することにより軟磁気特性を向上させることが可能になる。
また、強磁性体層／強磁性体層の積層構造における強磁性体層に、ＦｅもしくはＦｅ基合金が含まれる場合には、ｆｃｃ構造であることが望ましい。これは、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ等のｆｃｃ構造の金属を積層をした場合に、より安定にできること、全体として結晶性の良好な積層構造を構成することが可能になり、軟磁気特性の向上、スピン揺らぎの減少等の効果があるためである。但し、ｂｃｃ構造を用いることもできる。
また、２種類の強磁性体層の組み合わせとしては、ｆｃｃ構造の強磁性体とｂｃｃ構造の強磁性体を組み合わせることもできる。図１１に関して前述したように、この様な組み合わせにおいてはｆｃｃ構造の強磁性体とｂｃｃ構造の強磁性体の電子状態、フェルミ面の形状、状態密度の分布等が大きく異なるため、顕著な伝導電子のフィルター効果を得ることが可能となり、大きな抵抗とＭＲ変化率を得ることが可能となる。
ところで、ＣＰＰ−ＳＶにおいては伝導電子がピン層Ｐとフリー層Ｆを通り抜けるときに、電子散乱を受けるが、ピン層Ｐもしくはフリー層Ｆを多層化した場合には、その多層周期に基づくバンドポテンシャルの変調をうける。このため、膜面に対して垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルは、バンドポテンシャルの変調に対応した制限を受けることになる。この制限を受ける波数は多層構造の周期により異なる。このため、ピン層Ｐとフリー層Ｆにおける多層周期を変えることにより、両方の層を通り抜けることができる波数を大きく制限することが可能になる。このフィルター効果自体もスピン依存効果を持つため、全体の電子の透過確率を低くしながらも、スピン依存性を高く保つことが可能となる。つまり、ピン層Ｐとフリー層Ｆの積層周期を故意に異なるものとすることにより、さらに高抵抗にしつつ、高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを実現することが可能になる。
一方、非磁性中間層Ｓの材料としては、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）のような伝導電子の平均自由行程の長い物質を用いることが望ましい。このような物質を用いることにより、電子は、第１の強磁性層Ｐと第２の強磁性層Ｆとの間をバリスティックに伝導することが可能となり、より効果的に強磁性体に起因する電子のスピン依存散乱効果を利用することができる。これにより大きなＭＲ変化率を得ることが可能となる。また、非磁性中間層Ｓを、上述の３種類の元素の合金によって構成することも可能である。この場合は、積層構造における結晶格子定数を最適な値に調整することが可能な様に組成を調整することが望ましい。
また、非磁性中間層Ｓとしては、図１５に断面構造を表したように、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の材料を積層した非磁性層Ｓ１／非磁性層Ｓ２の積層構造で構成することも可能である。このとき、非磁性層Ｓ１／非磁性層Ｓ２の積層構造の積層周期と、ピン層Ｐ、もしくはフリー層Ｆの積層周期とを適当に設定することにより、ＣＰＰ−ＳＶ全体を膜面に対して垂直方向に流れることができる電子の波数ベクトルを制限し、より高抵抗で高ＭＲ変化率が実現できるＣＰＰ−ＳＶを実現することが可能となる。
一方、反強磁性体層Ａの材料としては、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的には、ＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらの層の膜厚は、電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し、余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。
また、以上の構成に加えて、図１６に例示したように、いわゆるシンセティック反強磁性構造を採用することができる。これは、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか一方、または両方において、反強磁性結合層ＡＣを介して互いに反強磁性結合をしている一対の強磁性体層ＦＭ１、ＦＭ２を付加したものである。このようなシンセティック構成を採用することにより、ピン層Ｐにおいては、見掛け上の磁化をゼロとすることが可能となり、ピン層Ｐの磁化固着をより安定なものとすることが可能となる。また、フリー層Ｆにおいては、見掛け上の磁化を小さくすることにより、より高感度な外部磁界応答性を得ることが可能となる。
さらに、以上の構成に加えて、ピン層Ｐを２層とした、いわゆるデュアル構成を採用することも可能である。
一方、以上の具体例においては、電極ＥＬとスピンバルブ膜との間には特別な層を配置しなかったが、実際の素子を形成する場合は、図１７に例示したように、下部電極ＥＬ１と反強磁性層Ａとの間には、平滑性を向上させ、また結晶性を向上させるために下地層（バッファ層）Ｂを形成することが望ましい。また、上部電極ＥＬ２とフリー層Ｆとの間には、保護層となるべき層Ｃを配置することが望ましい。これら下地層Ｂ、保護層Ｃとしては、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）等の濡れ性の良い材料、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の電気抵抗が小さくｆｃｃ構造が安定な材料、またはそれらの積層構造等を用いることが望ましい。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１８は、本発明の第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。同図については、図１乃至図１７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。
本実施形態の磁気抵抗効果素子も、所定の基板の上に、反強磁性層Ａ、第１の磁性層Ｐ、非磁性中間層Ｓ、第２の磁性層Ｆの順に積層され、センス電流Ｉは、膜面に対して垂直方向に流される。なお、反強磁性層Ａ、第１の磁性層Ｐ、非磁性中間層Ｓ、第２の磁性層Ｆは磁気抵抗効果膜を構成する。
そして、本実施形態においては、非磁性中間層Ｓの中に抵抗調整層Ｒが挿入されている。
本実施形態においては、電流Ｉは上部電極ＥＬ２から下部電極ＥＬ１に向かって流れるが、抵抗調整層Ｒによって電流量が低減される。これによって電子がＣＰＰスピンバルブ構造を通過してゆく確率は減少するため全体として大きく電気抵抗を増大させることが可能となる。
本実施形態においては、電子の透過確率が減少するため全体として、大きく電気抵抗を増大させることが可能となるが、スピン依存散乱効果自体は損なわれないため、ＭＲ変化率は大きな値に保っておくことが可能となる。
以上の効果により、スピンバルブ構成でありながら、界面抵抗を良好に利用し、適度な抵抗値を持ったＣＰＰスピンバルブ素子を提供することが可能となる。
また本実施形態においても、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁化は一体として動作するため、磁化の制御はピン層Ｐの磁化固着と１つのフリー層Ｆの磁化制御のみによって可能になり、ヘッド等の読み取りセンサーに用いる場合にはバルクハウゼンノイズが抑制された磁気ヘッドを実現することが可能になる。
また、本実施形態においても、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの合計の厚さは薄くしたまま、良好な抵抗値、ＭＲ変化率を得ることが可能となる。すなわち、本構成においては、従来の単純なＣＰＰスピンバルブ構成と比較すると、電子の単純透過確率を減少させ、抵抗値を増大させるとともに、界面抵抗を十分に利用することが可能となるため、ピン層Ｐ、フリー層Ｆの合計のＭｓｔが小さい領域で、十分な抵抗値とＭＲ変化率を得ることが可能となる。具体的には、従来構成ではピン層Ｐ、フリー層Ｆの磁性体の厚さとしては２０ｎｍ程度必要であったものが、本構成にすることにより、合計の磁性層厚が５ｎｍ以下でも十分な特性を得ることが可能になる。これによって、フリー層ＦのＭｓｔを小さな値に保つことが可能となり、高感度なスピンバルブ素子を構成することができる。
また、ピン層ＰのＭｓｔも小さくすることが可能となるため、反強磁性層Ａによる磁化固着特性を向上させることができ、デバイスとしての信頼性を向上させることが可能となる。
本実施形態における抵抗調整層Ｒの材料としても、第１実施形態に関して前述したものと同様に、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｃ等の半金属や、ＺｎＳｅ等のいわゆるゼロギャップ半導体を用いることができる。これらの材料においては、絶縁体とは異なり伝導電子は存在しているが、その密度が非常に小さいため、伝導電子が感じるポテンシャルは非常に小さくなっている。具体的には、前述したように、Ｃｕ等の金属が７ｅＶ程度のフェルミポテンシャルを持っているのに対して、半金属においては１ｅＶ以下の小さな値となっている。
このため、金属層中に半金属や、ゼロギャップ半導体を挟むと、大きなポテンシャルの段差が生じ、伝導電子は反射されるようになる。本構成においては、抵抗調整層中にも伝導電子が存在するため、トンネルによる電子の透過確率よりも、伝導電子による伝導の方が十分に大きくなっており、通常の伝導が全体の抵抗値を支配している。このため、強磁性トンネル接合の場合に比べると低抵抗化が可能であり、微小接合において良好な素子抵抗を得ることが可能となる。
これらの材料におけるフェルミポテンシャルの値は、１ｅＶ〜０ｅＶの範囲にはいっていることが望ましい。より望ましくは、０．５ｅＶ〜０ｅＶの範囲が適している。この理由についても、第１実施形態に関して前述した通りである。
また、本実施形態における抵抗調整層Ｒの材料としては、ＡｕまたはＡｇもしくはそれらの合金を用いることもできる。ただし、この場合には、あまり大きなポテンシャルの段差を形成することが難しいため、大きな抵抗増大を得ることは難しい。
また、本実施形態における抵抗調整層Ｒの材料としては、ポテンシャルバリア高さの低い絶縁体を用いることもできる。この場合は電子の透過確率はトンネル確率によって決定されるため、バリアが高くなると素子抵抗が高くなり過ぎる。
この観点から、バリア高さは０．１ｅＶ以下であることが望ましい。
また、本実施形態における抵抗調整層Ｒとして、図４乃至図６に関して前述したようなピンホールが形成された絶縁体を用いることができる。この場合には電子の透過確率は、ピンホールのサイズや密度などによって決定される。ここでピンホールサイズは、電子の平均自由行程と同程度以下にすることにより、より大きな抵抗増大効果を得ることが可能となる。また、ピンホール密度については、素子面積中に少なくとも１０個程度のピンホールが形成されていることが、素子特性の再現性の点からは望ましい。しかし、逆に素子中にただ一つのピンホールが存在するようにすることもできる。またピンホールのトータル面積と素子面積との比率は、望ましくは５０％以下であることが素子抵抗を上昇させるためには理想的である。
この場合には、電子の透過確率はピンホールを通した電気伝導によって決定されるため、抵抗調整層Ｒを構成する絶縁体としては、バリア高さの大きいもの、例えば、Ａｌ酸化物やＳｉ酸化物などを用いることができる。ただし、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物、Ｃｕ酸化物などのバリアハイトの低い材料を用いることもできる。そのような場合でも電気伝導はピンホールによって支配される。
また、本実施形態における絶縁体層の厚さは、ピンホールを形成し易くするためには０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲に設定することが望ましい。
この様なピンホールを持った絶縁体層の形成方法についても、第１実施形態に関して前述した各種の方法を用いることができる。すなわち、Ａｌの極薄層を、スパッタ等の方法によって形成した後、酸素雰囲気に短時間さらし、自然酸化により形成することができる。また、その他にも、酸素プラズマにさらす、酸素イオンを照射する、酸素ラジカルを照射する、等のエネルギーを付与する方法でも形成できる。また、被酸化層として、例えばＡｌ−Ａｕのような比較的酸化し易い材料と、酸化しづらい材料とを同時成膜することによりＡｌ−Ａｕのグラニュラー膜を形成しておき、それを酸素に曝すことにより、Ａｌのみを選択的に酸化することによっても形成できる。さらに、これら以外にも、酸素雰囲気中で成膜することによりピンホールを持った酸化層を形成することもできる。
また、この様なピンホールを持った絶縁体層の別の形成方法としては、例えば、ＡＦＭ等を用いた微細加工、また自己組織化により規則的に配列したピンホールを形成することもできる。これらの詳細も第１実施形態に関して前述した通りである。
一方、本実施形態における抵抗調整層Ｒも、必ずしも１層だけで構成されている必要はなく、２層以上の積層構成を有していてもよい。また、抵抗調整層Ｒは、非磁性中間層Ｓの中に１層のみでなく、複数層が設けられていてもよい。このように複数の抵抗調整層Ｒを非磁性中間層Ｓに挿入することにより、より電子の単純透過確率を減少させることが可能となり、さらに高抵抗なＣＰＰ−ＳＶを構成することが可能となる。
さらに、本実施形態の構成は、本発明の第１実施形態として前述した各種の構成と組み合わせることもできる。これにより、さらに高抵抗のＣＰＰスピンバルブ膜を構成することができる。
第２実施形態と第１実施形態との組み合わせにおいて、ピンホールの位置を制御して形成する場合には、それぞれの抵抗調整層Ｒ、Ｒ１、Ｒ２におけるピンホールＨの位置の関係が重要になる。つまり、ピンホールＨの位置は 図１９に例示したように、それぞれの抵抗調整層の間で同じ場所になるようにすることもできる、一方、図２０に例示したようにそれぞれの抵抗調整層の間でピンホールＨの位置がずれているように設けることもできる。
図２０に表したようにピンホールＨの位置がずれていた方が、電流量をより効果的に低減することができるため、さらに高抵抗なＣＰＰスピンバルブ素子を形成することができる。
また、このようにピンホールＨの位置を制御して形成する場合には、それぞれの抵抗調整層Ｒ、Ｒ１、Ｒ２におけるピンホールＨの大きさの関係も重要である。この場合には、ピンホールＨの大きさを全ての抵抗調整層で同じにしても良いが、抵抗調整層毎にピンホールＨの大きさが異なるようにすることもできる。すなわち、抵抗調整層Ｒ、Ｒ１、Ｒ２のうちで、電子の流れに対して上流側に設けられるもののピンホールＨを大きめに形成すると、電流量を効果的に低減することができ、より高抵抗なＣＰＰスピンバルブ素子を形成することができる。
また、本発明の第２実施形態における第１および第２の磁性層Ｐ、Ｆも、第１実施形態に関して前述したものと同様に、強磁性体層、強磁性体層／非磁性体層の積層構造、強磁性体層／強磁性体層の積層構造などの構成を有するものとすることができる。
一方、本発明の第２実施形態における非磁性中間層Ｓも、本発明の第１実施形態に関して前述したものと同様の積層構成を有するものとすることができる。
また、本発明の第２実施形態における反強磁性層Ａについても、第１実施形態と同様に、磁化固着特性に優れた金属反強磁性体を用いることが望ましい。具体的には、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ等の反強磁性体を用いることができる。これらの層の膜厚は電気的特性からはできるだけ薄くすることが望ましい。但し余り薄くすると磁化固着特性が劣化してしまうため、ブロッキング温度が減少しない程度の膜厚を選択する必要がある。このため膜厚は５ｎｍ以上とすることが望ましい。
また、以上の構成に加えて、第１の磁性層Ｐ、第２の磁性層Ｆのいずれか一方、または両方において、いわゆるシンセティック反強磁性層構造を採用しても良い。さらに、以上の構成に加えて、ピン層Ｐを２層とした所謂デュアル構成としてもよい。これらの点についても、第１実施形態に関して図１６を参照しつつ前述した通りである。
さらに、本実施形態においても、下地層（バッファ層）や保護層を設けることが望ましい。この点については、第１実施形態に関して図１７を参照しつつ詳述した通りである。
次に、本発明の実施の形態について、実施例を参照しつつさらに詳細に説明する。
（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。
図２１は、本発明の第１の実施例にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構成を表す概念図である。この磁気抵抗効果素子の形成に際しては、まず、図示しない熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極ＥＬ１を層厚５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。その後、その上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下に表す材料と膜厚の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層Ｂ）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層Ｂ）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層Ａ）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（ピン層Ｐ１）／
ＡｌＯｘ（抵抗調整Ｒ１）／ＣｏＦｅ５ｎｍ（ピン層Ｐ２）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層Ｓ）／ＣｏＦｅ５ｎｍ（フリー層Ｆ）／
Ｃｕ２ｎｍ（非磁性体層ＮＭ１）／ＡｌＯｘ（抵抗調整層Ｒ２）／
Ｃｕ２ｎｍ（非磁性体層ＮＭ２）／Ｔａ５ｎｍ（保護層Ｃ）
ここで、抵抗調整層となるＡｌＯｘは、Ａｌ（アルミニウム）を成膜した後、酸素雰囲気中に曝し、Ａｌを自己酸化することにより形成した。本実施例においては、Ａｌを１ｎｍ成膜し、酸素に１ｋラングミュアーだけ曝すことにより、図示しないピンホールの開いたＡｌＯｘを形成した。すなわち、本実施例においては、ピンホールが設けられたＡｌＯｘ層が抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２として機能する。
上記スピンバルブ構成の上にさらに絶縁用ＡｌＯｘ膜Ｚを形成し、０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕ（銅）を約５００ｎｍの層厚にスパッタ法によって積層して上部電極ＥＬ２を形成した。本実施例では、上記構成により絶縁用ＡｌＯｘ膜Ｚの０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
室温における測定の結果、素子抵抗は７Ωであり、抵抗変化率は１０％の値を得ることができた。これにより、０．７Ωの抵抗変化量を得ることができた。また、ピン層Ｐは良好に磁化固着され、ピン層Ｐを構成する積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層ＦのＨｃも小さく、磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
（比較例１）
まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。その後、その上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。その膜構成は、以下の通りである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層）／ＣｏＦｅ５ｎｍ（ピン層）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層）／ＣｏＦｅ５ｎｍ（フリー層）／
Ｃｕ２ｎｍ（非磁性体層）／Ｔａ５ｎｍ（保護層）
その上にさらに、図２１と同様のＡｌＯｘの絶縁膜を形成し、ＡｌＯｘには０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕを５００ｎｍの層厚にスパッタ法によって積層して上部電極を形成した。室温での測定の結果、素子抵抗は３Ωとなり、抵抗変化率は３％の値しか得られなかった。つまり、本比較例では、０．０９Ωの抵抗変化量しか得られず、第１実施例の１／８程度の変化量に留まった。
（第２の実施例）
第１実施例と同様に、まず、熱酸化シリコン（Ｓｉ）基板上にスパッタ法によってＣｕ下電極を５００ｎｍ積層し、フォトリソグラフィーにより幅９μｍのストライプ状に形成した。その後、その上に３μｍ角のＣＰＰ−ＳＶを成膜した。
その膜構成は、以下の如くである。
Ｔａ５ｎｍ（バッファ層Ｂ）／ＮｉＦｅ２ｎｍ（バッファ層Ｂ）／
ＰｔＭｎ１５ｎｍ（反強磁性層Ａ）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（強磁性体層ＦＭ１）／
ＡｌＯｘ（抵抗調整層Ｒ１）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（強磁性体層ＦＭ２）／
Ｃｕ１ｎｍ（非磁性体層ＮＭ１）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（強磁性体層ＦＭ３）／Ｃｕ１ｎｍ（非磁性体層ＮＭ２）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（強磁性体層ＦＭ４）／
Ｃｕ３ｎｍ（非磁性中間層Ｓ）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（強磁性体層ＦＭ５）／
Ｃｕ１ｎｍ（非磁性体層ＮＭ３）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（強磁性体層ＦＭ６）／
Ｃｕ１ｎｍ（非磁性体層ＮＭ４）／ＣｏＦｅ１ｎｍ（強磁性体層ＦＭ７）／
Ｃｕ２ｎｍ（非磁性体層ＮＭ５）／ＡｌＯｘ（抵抗調整層Ｒ２）／
Ｃｕ２ｎｍ（非磁性体層ＮＭ６）／Ｔａ５ｎｍ（保護層Ｃ）
上記積層構造において、強磁性体層ＦＭ１から強磁性層ＦＭ４までの積層は、ピン層Ｐを構成する。また、強磁性層ＦＭ５から強磁性層ＦＭ７あるいは非磁性層ＮＭ６までの積層は、フリー層Ｆを構成する。
また、抵抗調整層Ｒ１、Ｒ２を構成するＡｌＯｘは、第１の実施例と同様の方法により、ピンホールの開いたＡｌＯｘ層として形成した。
上記スピンバルブ構成の上に、図２１と同様に、絶縁用ＡｌＯｘ膜を形成し、０．１μｍ角の穴を形成した。その上にＣｕを５００ｎｍの層厚にスパッタ法によって積層して上部電極ＥＬ２を形成した。本実施例では上記構成により絶縁用ＡｌＯｘ膜の０．１μ角の穴を通してＣＰＰ−ＳＶ特性を測定することが可能となった。
室温における測定の結果、素子抵抗は９Ωとなり、抵抗変化率として２０％の値を得ることができた。つまり、１．８Ωの抵抗変化量を得ることができた。また、ピン層Ｐは良好に磁化固着され、ピン積層構造の磁化は一体として動いていることが確認できた。また、フリー層ＦのＨｃも小さく、その磁化は外部磁場に対して一体として動いていることが確認できた。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図３１を参照して説明する。図３１は本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を膜断面からみた概念図である。
この実施形態の磁気抵抗効果素子は、図３１に示すように、下部電極３１、下地層３２、反強磁性層３３、磁化固着層３４、非磁性中間層３５、磁化自由層３６、非磁性金属層３７、非磁性化合物層３８、上部電極３９の順に積層された構造を有する。なお、反強磁性層３３、磁化固着層３４、非磁性中間層３５、磁化自由層３６は磁気抵抗効果膜を構成する。
非磁性化合物層３８は、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｈ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｙ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｂの酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物の中から選ばれる少なくとも一つで構成されている。また、非磁性化合物層３８は結晶質であるとさらに良い。結晶質を得やすい物質としては、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｃｏの中から選ばれる少なくともひとつを含む酸化物が上げられる。本明細書においては、結晶質とは、非磁性化合物層が、単結晶あるいは多結晶からなることを意味する。アモルファスの中に微細結晶が点在するような状態を意味するのではない。これは断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy）などにより、格子像を観察することで容易に確認することができ、例えば、秩序的な配列が観察されれば、結晶質であるといえる。あるいは、電子線回折像において、スポット状のパターンが観察された場合には、電子線の照射範囲は実質的に単結晶であり、結晶質と判断することができる。また、リング状のパターンが得られた場合には電子線の照射範囲は多結晶状態であり、結晶質と判断することができる。下部層とエピタキシャルに成長している様子を、格子像を観察することで確認することができる。
非磁性化合物層３８は、電子反射効果により、擬似的に膜厚を増大させた効果があり、出力を増大させることができる。また、非磁性化合物層３８は層中に金属相、半金属相、ハーフメタル相を含んでいる、あるいはピンホールが空いているような膜質であるときには、電流を絞る効果があり、実効的に電流密度を増大させた効果が生じる。したがって出力が増大する。このような効果を得るためには、このとき金属相に対して、非磁性化合物相の割合が大きすぎると抵抗が増大しすぎて素子の発熱が増大し、素子の特性を悪化させてしまう。そのため金属層部分は２％以上であることが望ましい。また、金属相部分があまりにも多いと、電流密度を増大させる効果が弱くなるため、すくなくとも３０％以下あることが望ましい。
層中の金属相、あるいはピンホール部分の存在は、断面TEMの格子像を観察することによって確認することができる。すなわち、非磁性化合物層中に、上下の金属層とエピタキシャルにつながった部分が存在するとき、この部分は金属相であるといえる。また、非磁性化合物層中の組成分析を行うことによって、金属相の有無を確認することができる。すなわち、酸素濃度，あるいは窒素濃度、あるいはフッ素濃度あるいはホウ素濃度が、組成比で２０％未満であれば実質的に金属相であるといえる。
また、このような金属相部分、あるいはピンホール部分の平均直径は、前記磁化自由層と、非磁性中間層と磁化固着層の膜厚の和に対して、１０％から１００％の範囲であることが望ましい。１０％以下であると、絞込みによる抵抗増大が大きすぎて、実用的でない。逆に１００％以上であると電流が広がりすぎて絞込みの効果が得られない。磁化固着層が、Ｒｕなどの非磁性金属層を介して反強磁性的に結合した構造（シンセティック反強磁性構造）の場合は、非磁性中間層に近いほうの強磁性層のみを考慮して、前期膜厚の和を計算しなければならない。
また、このような金属相部分、あるいはピンホール部分の膜面内間隔は、１ｎｍから１００ｎｍの範囲であることが望ましい。１ｎｍ以下であると、いったん絞り込まれた電流が非磁性化合物層の近傍で、重なり合ってしまうため、効果が劣化してしまう。また１００ｎｍ以上であると、実際の素子における存在個数が１から３個程度のレベルになるため、確率的に特性のばらつきが多くなる。
非磁性化合物層３８が、アモルファスであるとき、膜界面の電子ポテンシャルの急峻さが失われ、弾性的な散乱が抑制されるため、あまり大きな電子反射効果が得られず、出力の増大が望めない。また、アモルファスの場合には、構造が不安定で、耐熱性が悪化するため出力劣化の原因となる。結晶性の非磁性化合物層を得るためには、例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐ、Ｖ、Ｓｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｃｏの希土類金属の酸化物から選ばれる化合物は、結晶質を得る上で望ましい。
また、非磁性化合物層３８は、０．２ｎｍ以下になると、熱拡散により容易にその形態を変えるため、０．２ｎｍ以上の厚みでなければならない。また、一方で、１０ｎｍ以上の厚みになると、素子の抵抗が大きくなって、センス電流を流したときに過剰な発熱を引き起こし出力劣化の原因となる。より好ましくは０．５ｎｍから５ｎｍの範囲であることが望ましい。しかしながら、非磁性化合物層３８が、半金属、ハーフメタル、及び金属であるところの化合物であるときには、この限りでない。
非磁性金属層３７は、非磁性化合物層３８の化合物を安定させるために、反応性の低い元素を使うことが望ましい。例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓの中から選ばれる少なくとも一つを含む金属層は、この観点からも有効である。Ａｌも非磁性金属層３７に使用することができるが、このとき、非磁性化合物層３８は、Ａｌより酸化しやすい材料が好ましい。
また、非磁性金属層３７と非磁性化合物層３８を比べたときに、非磁性化合物層３８は非磁性金属層３７の元素とは異なる元素を主とする元素の化合物であることが望ましい。なぜなら、酸素、窒素、炭素、ホウ素との結合エネルギーが同じである場合には、酸素が拡散しやすいため、非磁性化合物層３８の熱安定性が保ちにくいためである。しかしながら、化合物を作成する方法によっては、非常に拡散に強い化合物を作ることができる。例えば、化合する元素のイオン、プラズマ、ラジカルを生成して金属層に照射することで作成した化合物は、非常に安定であり、同種金属元素の化合物相と金属相とで、あまり著しい拡散を示さない。
さらに、上記のイオン、プラズマ、ラジカルを生成して金属層に照射することで作成した化合物による、化合物層と上記Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｏｓから選ばれる少なくとも一つを含む非磁性金属層との組み合わせは非常に熱安定性が良い。
また、非磁性化合物層３８は、図３２に示すように、必ずしも層状である必要は無く、非磁性金属層３７内部に島状に形成されていてもかまわない。この場合も非磁性金属層３７、非磁性化合物層３８に求められる材料は、図３１の場合と同じである。このような島状化合物の膜面内間隔は、１ｎｍから１００ｎｍの範囲であることが望ましい。１ｎｍ以下であると、いったん絞り込まれた電流が非磁性化合物層の近傍で、重なり合ってしまうため、効果が劣化してしまう。また１００ｎｍ以上であると、実際の素子における存在個数が１から３個程度のレベルになるため、確率的に特性のばらつきが多くなる。また島状部分とその間の金属部分の膜面内面積比は、２％から３０％の範囲であることが望ましい。
ここまで述べてきた、非磁性化合物層に金属相部分を形成したり、ピンホールが開いた構造を形成するには、酸化エネルギーの異なる物質を組み合わせるのが良い。特に金属相部分を形成する物質としては上述の上記Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｏｓから選ばれる少なくともひとつを含む金属を主成分とすることが望ましい。このとき、非磁性化合物層を形成する原子が、金属相部分に拡散すると、金属相部分の抵抗が上昇して実用上の問題が出てくる可能性がある。このため、金属相を形成する原子と、化合物相を形成する原子とは、実質的に非固溶であることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＣｕであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｂ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｔａ,Ｃｒ,Ｖ,Ｓｉ,Ｓｂ,Ｇｅの中から選ばれる少なくともひとつを主成分としていることが望ましい。より好ましくは、結晶質になりやすいＢ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｃｒ,Ｖ,Ｓｉ,Ｓｂ,Ｇｅの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＡｕであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｂ,Ｆｅ,Ｇｅ,Ｍｏ,Ｐ,Ｒｈ,Ｓｉ,Ｗ,Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。より好ましくは、結晶質になりやすいＢ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐ,Ｓｉ,Ｗ,Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＡｇであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｂ,Ｂｅ,Ｃｏ,Ｃｒ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｓｉ,Ｔａ,Ｖ,Ｗ,Ｇｅ,Ｓｎ,Ａｌ,Ｒｈの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。より好ましくは、結晶質になりやすいＢ,Ｂｅ,Ｃｏ,Ｃｒ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｓｉ,Ｖ,Ｗ,Ｇｅ,Ｓｎ,Ａｌ,Ｒｈの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＰｔであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｗを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＰｄであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｗ,Ｃｒを主成分としていることが望ましい。
上記の金属相と非磁性化合物相の組み合わせを形成する手段としては、金属相を形成する物質の層中あるいは界面に非磁性化合物を形成しても良い。非磁性化合物を形成する方法としては、成膜後に反応ガスを照射して形成しても良いし、非磁性化合物をスパッタなどにより直接積層しても良い。
上記の金属相と非磁性化合物相の組み合わせを形成するもう１つの手段としては、金属相を形成する物質と非磁性化合物層を形成する物質との合金層を形成した後、反応性ガスを照射することによって形成することもできる。このような合金層は、例えば合金ターゲットをスパッタなどにより積層することで形成することができる。合金ターゲットは、前記の非固溶物質の組み合わせで作るのが良い。これらは非固溶であるが、焼結であればターゲットを作成することができるし、２つの物質のモザイクでもかまわない。
下部電極３１には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｏｓ、Ｎｉなどから選ばれる物質を含む金属が用いられる。下地層３２には、ＮｉＦｅＣｒ、Ｔａ／ＮｉＦｅＣｒ、Ｔａ／Ｒｕ、Ｔａ／ＮｉＦｅ、Ｔａ／Ｃｕ、Ｔａ／Ａｕなどが用いられる。Ｔａとｆｃｃ、あるいはＨＣＰの金属層との積層構造は良好な膜成長を得る上で重要である。特に磁化自由層の良好な軟磁性を得るためにはｆｃｃ構造の(１１１)配向を得ることが重要で、上記の下地３２の構造が必要である。
この実施形態も、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量を有し、且つ磁気的に高感度となるようなＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を得ることができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を、図３３を参照して説明する。図３３は本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を膜断面からみた概念図である。
この実施形態の磁気抵抗効果素子は、下部電極３１、下地層３２、反強磁性層３３、磁化固着層３４、非磁性中間層３５、磁化自由層３６、非磁性金属層３７、非磁性化合物層３８、上部電極３９、の順に積層された構造を有する。なお、反強磁性層３３、磁化固着層３４、非磁性中間層３５、磁化自由層３６は磁気抵抗効果膜を構成する。
非磁性中間層３５は、非磁性化合物層３８との混合状態になっている。このとき図３４に示すように、非磁性中間層３５中に非磁性化合物３８が析出した形になっていても良いし、グラニュラーになっていても良い。また非磁性化合物３８は、非磁性中間層３５を面垂直方向に貫いていても良い（図３５参照）。また、非磁性中間層３５の膜中にある必要は必ずしも無く、界面に形成されていても良い（図３６参照）。このような構造を作ることにより、実効的に素子サイズを小さくして電流密度を増大させた効果があり、出力を増大させることができる。このような電流絞込みの効果は、第３の実施の形態で述べたように、磁化自由層３６からみて、非磁性中間層３５と反対側に形成した場合も効果があるが，本実施の形態のように、磁気抵抗効果に直接関係する部分のほぼ中央に形成したほうが、絞込みの効果が強い。この非磁性化合物層３８が、非晶質であると、熱拡散が生じて、非磁性中間層３５中の平均自由行程に悪影響を与えることがある。このため好ましくは結晶質のほうが良い。このとき金属相に対して、非磁性化合物層３８の割合が大きすぎると抵抗が増大しすぎて素子の発熱が増大し、素子の特性を悪化させてしまう。そのため金属層部分は２％以上であることが望ましい。また、金属相部分があまりにも多いと、電流密度を増大させる効果が弱くなるため、すくなくとも３０％以下あることが望ましい。
層中の金属相、あるいはピンホール部分の存在は、断面TEMの格子像を観察することによって確認することができる。すなわち、非磁性化合物層中に、上下の金属層とエピタキシャルにつながった部分が存在するとき、この部分は金属相であるといえる。また、非磁性化合物層中の組成分析を行うことによって、金属相の有無を確認することができる。すなわち、酸素濃度，あるいは窒素濃度、あるいはフッ素濃度あるいはホウ素濃度が、組成比で２０％未満であれば実質的に金属相であるといえる。
しかしながら、良好な磁気抵抗効果を得るためには、非磁性中間層では電子が散乱されずに通過することが、重要である。このため、酸素濃度，あるいは窒素濃度、あるいはフッ素濃度あるいはホウ素濃度が、組成比で１５％未満であることが望ましい。
また、このような金属相部分、あるいはピンホール部分の平均直径は、上記磁化自由層と、非磁性中間層と磁化固着層の膜厚の和に対して、１０％から１００％の範囲であることが望ましい。１０％以下であると、絞込みによる抵抗増大が大きすぎて、実用的でない。逆に１００％以上であると電流が広がりすぎて絞込みの効果が得られない。磁化固着層が、Ｒｕなどの非磁性金属層を介して反強磁性的に結合した構造（シンセティック反強磁性構造）の場合は、非磁性中間層に近いほうの強磁性層のみを考慮して、前期膜厚の和を計算しなければならない。
また、このような金属相部分、あるいはピンホール部分の膜面内間隔は、１ｎｍから１００ｎｍの範囲であることが望ましい。１ｎｍ以下であると、いったん絞り込まれた電流が非磁性化合物層の近傍で、重なり合ってしまうため、効果が劣化してしまう。より好ましくは１０ｎｍ以上が良い。また１００ｎｍ以上であると、実際の素子における存在個数が１から３個程度のレベルになるため、確率的に特性のばらつきが多くなる。
ここまで述べてきた、非磁性化合物層に金属相部分を形成したり、ピンホールが開いた構造を形成するには、酸化エネルギーの異なる物質を組み合わせるのが良い。特に非磁性中間層に金属相部分を形成する物質としては上述の上記Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｏｓから選ばれる少なくとも１つを含む金属を主成分とすることが望ましい。このとき、非磁性化合物層を形成する原子が、金属相部分に拡散すると、金属相部分の抵抗が上昇して実用上の問題が出てくる可能性がある。このため、金属相を形成する原子と、化合物相を形成する原子とは、実質的に非固溶であることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＣｕであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｂ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｔａ,Ｃｒ,Ｖ,Ｓｉ,Ｓｂ,Ｇｅの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。より好ましくは、結晶質になりやすいＢ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｃｒ,Ｖ,Ｓｉ,Ｓｂ,Ｇｅの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＡｕであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｂ,Ｆｅ,Ｇｅ,Ｍｏ,Ｐ,Ｒｈ,Ｓｉ,Ｗ,Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。より好ましくは、結晶質になりやすいＢ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐ,Ｓｉ,Ｗ,Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＡｇであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｂ,Ｂｅ,Ｃｏ,Ｃｒ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｓｉ,Ｔａ,Ｖ,Ｗ,Ｇｅ,Ｓｎ,Ａｌ,Ｒｈの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。より好ましくは、結晶質になりやすいＢ,Ｂｅ,Ｃｏ,Ｃｒ,Ｆｅ,Ｍｏ,Ｐｂ,Ｓｉ,Ｖ,Ｗ,Ｇｅ,Ｓｎ,Ａｌ,Ｒｈの中から選ばれる少なくとも１つを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＰｔであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｗを主成分としていることが望ましい。
例えば、金属相部分の主成分がＰｄであるとき、非磁性化合物層を形成する主成分は、Ｗ,Ｃｒを主成分としていることが望ましい。
上記の金属相と非磁性化合物相の組み合わせを形成する手段としては、金属相を形成する物質の層中あるいは界面に非磁性化合物を形成しても良い。非磁性化合物を形成する方法としては、成膜後に反応ガスを照射して形成しても良いし、非磁性化合物をスパッタなどにより直接積層しても良い。
上記の金属相と非磁性化合物相の組み合わせを形成するもう１つの手段としては、金属相を形成する物質と非磁性化合物層を形成する物質との合金層を形成した後、反応性ガスを照射することによって形成することもできる。このような合金層は、たとえば合金ターゲットをスパッタなどにより積層することで形成することができる。合金ターゲットは、前記の非固溶物質の組み合わせで作るのが良い。これらは非固溶であるが、焼結であればターゲットを作成することができるし、２つの物質のモザイクでもかまわない。
この実施形態も、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量を有し、且つ磁気的に高感度となるようなＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を得ることができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドについて説明する。
図２２は、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドの要部構成を表す斜視概念図である。すなわち、本発明の磁気ヘッドは、記録媒体２００に対向して配置された一対の磁気ヨーク１０２、１０２を有する。磁気ヨーク１０２、１０２の上には、これらと磁気的に結合された磁気抵抗効果素子１０４が設けられている。磁気抵抗効果素子１０４は、図１乃至図２１および図３１乃至図３４に関して前述したような本発明のＣＰＰタイプの素子である。また、一対の磁気ヨーク１０２、１０２を跨ぐように、その両端には、一対のバイアス層１０６、１０６が形成されている。バイアス層１０６は、反強磁性体あるいは強磁性体からなり、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４のフリー層の磁化を、記録磁界と垂直方向、すなわち同図中のｙ方向に向けるように作用する。
記録媒体２００には、記録トラック２００Ｔが形成され、記録ビット２００Ｂが配列している。それぞれの記録ビット２００Ｂには、矢印で例示したような信号磁化が形成され、これらの記録ビットからの信号磁束は、磁気ヨーク１０２と磁気抵抗効果素子１０４とを結んだ磁気回路に与えられる。磁気抵抗効果素子１０４に記録ビット２００Ｂの磁場が与えられると、フリー層の磁化は、バイアス層１０６によるｙ方向から面内に回転する。すると、この磁化方向の変化が磁気抵抗の変化として検出される。
磁気抵抗効果素子１０４の磁気検出領域を記録ビット２００Ｂのサイズに合わせるために、磁気抵抗効果素子１０４の電極のコンタクトは、図２２に表した記録トラックの幅Ｗに相当する領域に制限して形成されている。
本発明によれば、磁気抵抗効果素子１０４として、図１乃至図２１及び図３１乃至図３４に関して前述したような本発明のＣＰＰタイプの素子を用いることにより、適切な素子抵抗と大きな磁気抵抗の変化を両立することができる。つまり、従来よりも大幅に感度が高く且つ信頼性も安定した磁気ヘッドを実現することができる。
なお、本実施形態においては、長手（面内）記録方式の磁気記録媒体に適応した磁気ヘッドを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、垂直記録媒体に適応した磁気ヘッドについても、本発明の磁気抵抗効果素子を同様に適用して同様の効果を得ることができる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態として、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気記録再生装置について説明する。図１乃至図２１及び図３１乃至図３４に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子は、図２２に例示したような磁気ヘッドに搭載され、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て磁気記録再生装置に応用することができる。
図２３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、長手記録用または垂直記録用磁気ディスク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。磁気ディスク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、第１乃至第２実施形態において前述したような本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気ヘッドをその先端付近に有する。
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。
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。
アクチュエータアーム１５５は、固定軸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。
図２４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１５１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、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた再生用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。記録用ヘッドを組み合わせても良い。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。
ここで、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）と磁気ディスク２００の表面との間には、所定の浮上量が設定されている。
磁気ヘッド１０を搭載したスライダ１５３は、磁気ディスク２００の表面から所定の距離だけ浮上した状態で動作する。本発明によれば、このような「浮上走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができる。
一方、磁気ヘッド１０と磁気ディスク２００とを積極的に接触させて、走行させる「接触走行型」の磁気記録再生装置においても、従来よりも高分解能で低ノイズの再生を行うことができることは勿論である。
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、スピンバルブ素子としての構造及び各層の材料については、当業者が選択しうるすべての範囲について本発明を同様に適用して同様の効果を得ることが可能である。例えば、「デュアル型」のような構造についても本発明を同様に適用することができる。
また、磁気ヘッドの構造、構成する各要素の材料や形状などに関しても、具体例として前述したものには限定されず、当業者が選択しうる範囲のすべてを同様に用いて同様の効果を奏し得る。
また、磁気記録再生装置に関しても、再生のみを実施するものでも、記録・再生を実施するものであっても良く、また、媒体は、ハードディスクには限定されず、その他、フレキシブルディスクや磁気カードなどのあらゆる磁気記録媒体を用いることが可能である。さらに、磁気記録媒体を装置から取り外し可能した、いわゆる「リムーバブル」の形式の装置であっても良い。
さらに、本発明による磁気抵抗効果素子は、トランジスタ／ダイオード等と組み合わせて、あるいは単独で、磁気情報を記憶する「磁気メモリセル」を構成することができる。つまり、本発明は、磁気メモリセルを集積化した「磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）」にも適用可能である。
以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、適当な抵抗値と、大きなＭＲ変化量を有し、且つ磁気的に高感度となるようなＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を提供することができる。
その結果として、従来よりも微小な記録ビットからの磁気的情報を確実に読み取ることが可能となり、記録媒体の記録密度を大幅に向上させることが可能となる。同時に、熱的にも安定するために、磁気記録再生システムの信頼性が向上し、利用範囲が拡がり、産業上のメリットは多大である。
本発明の第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である。 （ａ）は、ピン層Ｐとフリー層Ｆの磁化が平行の場合、（ｂ）は、反平行の場合について、それぞれ電子が感じるポテンシャルをアップスピンの場合とダウンスピンの場合について図示したグラフである。 （ａ）は、ピン層とフリー層の磁化が平行の場合、（ｂ）は、反平行の場合について、それぞれ電子が感じるポテンシャルをアップスピンの場合とダウンスピンの場合について図示したグラフである。 本発明の磁気抵抗効果素子の本具体例の断面構成を表す概念図である。 （ａ）は、上下の電子反射層Ｒ１、Ｒ２の間で、ピンホールＨの位置を同じにした構成、（ｂ）は、上下の電子反射層Ｒ１、Ｒ２の間でピンホールＨの位置がずれているように設けた構成を表す。 ２層以上の抵抗調整層Ｒ１Ａ、Ｒ１ＢあるいはＲ２Ａ、Ｒ２Ｂを含んだ構成を表す概念図である。 抵抗調整層Ｒ２を強磁性体層ＦＭの内部に挿入せずに、非磁性層ＮＭ１、ＮＭ２により挟持して配置した構成を表す概念図である。 強磁性体層ＦＭと非磁性体層ＮＭとの積層構造を採用した構成を表す概念図である。 ２種以上の強磁性体の積層膜を採用した構成を表す概念図である。 抵抗調整層を挟む強磁性体層が２種以上の強磁性体層により構成されている場合を例示する概念図である。 ｆｃｃ構造の強磁性体層ＦＭ（ｆｃｃ）とｂｃｃ構造の強磁性体層ＦＭ（ｂｃｃ）とを組み合わせた構成を表す概念図である。 非磁性層ＮＭを、第１の非磁性層ＮＭ１と第２の非磁性層ＮＭ２との積層構造とした構成を表す概念図である。 強磁性体層ＦＭ１／強磁性体層ＦＭ２の積層構造を採用した構成を表す概念図である。 複数の強磁性体層を有する場合の他の具体例を表す概念図である。 複数の強磁性体層を有する場合の他の具体例を表す概念図である。 いわゆるシンセティック反強磁性構造を採用した構成を表す概念図である。 下地層（バッファ層）Ｂや保護層Ｃを採用した構成を表す概念図である。 本発明の第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面構造を表す概念図である それぞれの抵抗調整層の間でピンホールが同じ場所になるようにした構成を表す概念図である。 それぞれの抵抗調整層の間でピンホールＨの位置がずれているように設けられた構成を表す概念図である。 本発明の第１の実施例にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構成を表す概念図である。 本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドの要部構成を表す斜視概念図である。 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。 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。 スピンバルブ膜の概略断面構造を例示する概念図である。 一般的に用いられている電流供給方式を表す概念図である。 スピンバルブ膜の断面構成を表す概念図である ＣＰＰ−人工格子形の素子の断面構造を表す概念図である。 ＣＰＰ−ＳＶ素子の断面構成を表す概念図である。 抵抗調整層の一具体例の構成及び作用を説明する図。 本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第３実施形態の変形例の構成を示す断面図。 本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第４実施形態の変形例の構成を示す断面図。 第４実施形態の変形例の構成を示す断面図。 第４実施形態の変形例の構成を示す断面図。
符号の説明
Ａ 反強磁性層
Ｐ 磁化固着層（ピン層）
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２ 抵抗調整層
ＦＭ 強磁性体層
ＮＭ 非磁性体層
Ｓ 非磁性中間層
Ｆ 磁化自由層（フリー層）
ＥＬ 電極
Ｉ センス電流
Ｂ バッファ層
Ｃ 保護層
３１ 下部電極
３２ 下地層
３３ 反強磁性層
３４ 磁化固着層
３５ 非磁性中間層
３６ 磁化自由層
３７ 非磁性金属層
３８ 非磁性結晶層
３９ 上部電極
１５０ 磁気記録装置
１５１ 磁気ディスク
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 固定軸

Claims (14)

  1. 磁化の方向が実質的に一方に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化自由層と前記磁化固着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垂直方向に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、
    第１金属元素の、酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とし、貫通孔であるピンホールを有する膜と、前記ピンホール内に存在し前記第１金属元素と異なる第２金属元素の金属部とを有する電子反射層と、
    を備え、
    前記電子反射層が、前記磁化自由層の内部、または前記磁化自由層に対して前記非磁性中間層が形成された側とは反対側に形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 磁化の方向が実質的に一方に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化自由層と前記磁化固着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垂直方向に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、
    第１金属元素の、酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とし、貫通孔であるピンホールを有する膜と、前記ピンホール内に存在し前記第１金属元素と異なる第２金属元素の金属部とを有する電子反射層と、
    を備え、
    前記電子反射層は、前記非磁性中間層の膜中あるいは、界面に形成され、前記非磁性中間層の一部分であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 磁化の方向が実質的に一方に固着された強磁性膜を有する磁化固着層と、磁化の方向が外部磁界に応じて変化する強磁性膜を有する磁化自由層と、前記磁化自由層と前記磁化固着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垂直方向に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、
    第１金属元素の、酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とし、貫通孔であるピンホールを有する膜と、前記ピンホール内に存在し前記第１金属元素と異なる第２金属元素の金属部とを有する電子反射層と、
    を備え、
    前記電子反射層が、前記磁化固着層の膜中、または前記固着層に対して前記非磁性中間層が形成された側とは反対側に形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  4. 前記第２金属元素は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｏｓの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記第２金属元素がＣｕの場合には前記電子反射層の前記膜は、Ｂ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｇｅから選ばれる少なくとも一つを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とするものであり、
    前記第２金属元素がＡｕの場合には前記電子反射層の前記膜は、Ｂ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｐ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｗ、Ｃｒから選ばれる少なくとも一つを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とするものであり、
    前記第２金属元素がＡｇの場合には前記電子反射層の前記膜は、Ｂｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｒｈから選ばれる少なくとも一つを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とするものであることを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 前記第２金属元素は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｏｓの少なくとも一つであることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記第２金属元素がＣｕの場合には前記電子反射層の前記膜は、Ｂ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｇｅから選ばれる少なくとも一つを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とするものであり、
    前記第２金属元素がＡｕの場合には前記電子反射層の前記膜は、Ｂ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｐ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｗ、Ｃｒから選ばれる少なくとも一つを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とするものであり、
    前記第２金属元素がＡｇの場合には前記電子反射層の前記膜は、Ｂｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｒｈから選ばれる少なくとも一つを含む酸化物、あるいは窒化物、あるいはフッ化物、あるいは炭化物、あるいはホウ化物を主成分とするものであることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記ピンホールは、前記電子反射層内において、面積比５０％以下の開口率を有することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 前記電子反射層の厚みが０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 前記ピンホールの平均直径は、前記磁化自由層と前記非磁性中間層と前記磁化固着層との膜厚の和に対して、１０％から１００％の大きさであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 前記ピンホールの間隔が１０ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 前記ピンホールの平均間隔が１０ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  13. 請求項１乃至１２のいずれか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。
  14. 請求項１３記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に格納された磁気的情報を読み取り可能としたことを特徴とする磁気再生装置。
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