JP5245179B2 - 電流垂直型巨大磁気抵抗（ｃｐｐ−ｇｍｒ）素子 - Google Patents

Description

本発明は、ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つ電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子に関する。

電流垂直型巨大磁気抵抗（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、 以下ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子を磁気記録用読み取りヘッドに応用するためには、現状よりも高い磁気抵抗を達成する必要がある。
そのためには、
１）強磁性体が高いスピン分極率をもつこと
２）強磁性体と電子のバンド構造の整合性のよい非磁性スペーサ層を選択すること
が求められる。
前記２）については、Ｌ２_１規則構造の強磁性ホイスラー合金に対し、Ｌ２_１規則構造の非磁性ホイスラー合金を使用することがアメリカの企業によって提案されており、アメリカでの特許も取得されている（特許文献１）。Ｌ２_１構造とは図１に示すように３元系が構造規則化したものであり、それより１段階低い構造規則がＢ２構造であり、さらに規則度が低下したものがＡ２構造（体心立方構造）である。ホイスラー合金の熱的に最も安定な構造はＬ２_１構造であるが、スパッタリング法をはじめとした薄膜作製法は非平衡な過程であるために、得られる薄膜はＢ２またはＡ２構造である。この、Ｌ２_１規則構造の強磁性ホイスラー合金に対し、Ｌ２_１規則構造の非磁性ホイスラー合金を使用した磁気ヘッドの提案では、下部強磁性層／非磁性スペーサ層／上部強磁性層のいずれもが十分に高いＬ２_１規則構造を有する場合に効果を発揮すると考えられるが（実際、この特許の根拠となる電子構造計算は完璧なＬ２_１規則を仮定して実施されている）、実デバイスにおける数ナノメートルという薄い膜厚において高いＬ２_１規則構造を実現することは、現在の技術ではきわめて困難である。また、規則度の向上には高温での熱処理が不可欠であるが、そのような熱処理は実デバイス中の人工フェリ構造に損傷を与え、性能の低下に繋がりかねない。それゆえ、Ｌ２_１構造のホイスラー合金を使用することは、現状の磁気記録用読み取りヘッド製造プロセスに適応しがたいものであり、実際に使用されることはなかった。

本発明はこのような実情に鑑み、高精度の磁気記録用読み取りヘッドに最適な電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子を提供することを目的とする。

発明１のＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つＣＰＰ−ＧＭＲ素子であって、前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造のみからなるホイスラー強磁性合金からなり、スペーサ層がＢ２規則構造を持つ金属間化合物からなることを特徴とする。
発明２のＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つＣＰＰ−ＧＭＲ素子であって、前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造を持つホイスラー強磁性合金からなり、スペーサ層がＢ２規則構造を持つ金属間化合物からなり、前記ホイスラー合金薄膜を有する前記電流垂直型巨大磁気抵抗素子の基板と反対側に位置する上部ホイスラー合金薄膜の上側にＣｏＦｅ層を更に有することを特徴とする。
発明３は、上記のＣＰＰ−ＧＭＲ素子において、前記ホイスラー強磁性合金が、ＣｏＦｅＡｌＳｉホイスラー強磁性合金であり、前記金属間化合物が、ＮｉＡｌ金属間化合物であることを特徴とする。

発明４のＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つＣＰＰ−ＧＭＲ素子であって、前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造を持つホイスラー強磁性合金からなり、スペーサ層がＢ２規則構造を持つ金属間化合物からなり、前記ホイスラー強磁性合金が、ＣｏＦｅＡｌＳｉ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、又はＣｏＦｅＳｉから選ばれたホイスラー強磁性合金であり、前記金属間化合物が、ＣｕＺｎ、ＣｕＢｅ、又はＡｇＭｇから選ばれた金属間化合物であることを特徴とする。

本発明では実デバイス中での薄膜では実現が困難なＬ２_１規則構造ではなく、一段階低い結晶規則構造であるＢ２規則をもつ強磁性ホイスラー合金に対し、Ｂ２規則非磁性合金を使用するものであるため、薄膜においても実現が容易であり、工業的応用に現実的な選択といえる。
また、非特許文献３（これは上記特許文献１の技術を用いた実験に関する報告である。）のＣＰＰ−ＧＭＲ素子では６．７％の磁気抵抗比が報告されているが、本発明によるＢ２規則ＣｏＦｅＡｌＳｌ／ＮｉＡｌ／ＣｏＦｅＡｌＳｉ ＣＰＰ−ＧＭＲ素子はより高い９％の磁気抵抗比を示した（下記素子番号２および３）。
さらなる利点として、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を現実の読み取りヘッドに応用する際には、素子の総膜厚が制限されるが、本発明でのＣｏＦｅＡｌＳｌ／ＮｉＡｌ／ＣｏＦｅＡｌＳｉ ＣＰＰ−ＧＭＲ素子においては、強磁性層の膜厚を低減させた場合でも、磁気抵抗変化量および磁気抵抗比の減少は小さく、読み取りヘッド応用に有利である（下記素子番号１）。
またＮｉＡｌ合金は高い耐熱性を持つ合金であることから、製造プロセス中の積層膜内での原子拡散が抑制できることも期待できる。

ホイスラー合金の構造規則化を示す模式図。 実施例のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の層構造を示す模式図。 素子番号２のＣＰＰ−ＧＭＲ素子のＸ線回折プロファイル。 素子番号２のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗曲線を示すグラフ。 素子番号１のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗曲線を示すグラフ。 層間結合型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の磁気抵抗曲線を示すグラフ。

本発明のＣＰＰ−ＧＭＲ素子の特徴は、Ｂ２規則構造を有する強磁性ホイスラー合金（高いスピン分極率が過去に報告されている）に対しＢ２規則構造を有する金属間化合物を用いた点にある。
実施例として、Ｂ２規則構造のＣｏＦｅＡｌＳｉホイスラー強磁性合金と、Ｂ２規則構造のＮｉＡｌ金属間化合物を用いた、ＣｏＦｅＡｌＳｌ／ＮｉＡｌ／ＣｏＦｅＡｌＳｉ積層構造の例を示した。
本発明の趣旨はＢ２規則構造の強磁性ホイスラー合金層と同じ結晶対称性をもつＢ２規則合金およびＢ２金属間化合物をスペーサ層に適用するということである、強磁性層として使用するホイスラー合金はＣｏＦｅＡｌＳｉのみに限られるものではなく、同じＢ２規則構造を持つＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ等も下記実施例と同様な効果を発揮し得るものと考えられる。
また、スペーサ層としてもＮｉＡｌの他に、同様なＢ２規則構造を持つ金属間化合物であるＣｕＺｎ、 ＣｕＢｅ、 ＡｇＭｇ等も下記実施例と同様な効果を発揮し得るものと考えられる。

下記実施例１に示す素子の構造（フルエピタキシャルであるかどうか、各層の膜厚）および作製プロセス（熱処理のタイミングおよび温度）は１つの例であり、本発明の趣旨であるＢ２規則合金およびＢ２金属間化合物の適用がこれらに制限されるものではない。

図２に示したＣＰＰ−ＧＭＲ素子に関して以下に説明する。
まず、超高真空マグネトロンスパッタ法でＭｇＯ（００１）単結晶基板（１）上に、１０ｎｍ厚のＣｒ層（２）、１００ｎｍ厚のＡｇ層（３）、表１に示す厚さのＣｏＦｅＡｌＳｉ第一ホイスラー合金層（下部強磁性層）（４）を作製した。
この直後、表１に示す第一熱処理をその場処理で行い、それが終了した後に、引き続き、４ｎｍ厚のＮｉＡｌのスペーサ層（５）、５ｎｍ厚のＣｏＦｅＡｌＳｉ第二ホイスラー合金層（上部強磁性層）（６）、２ｎｍ厚のＣｏＦｅ層（７）、１０ｎｍ厚のＩｒＭｎ層（８）、そして８ｎｍ厚のＲｕ層（９）を順次作成した。すべての薄膜層の作製時における基板温度は室温付近である。
そして、スパッタ処理を終了した後に、表１に示す磁場中に配置して、第二熱処理を行い、表１に示す各フルエピタキシャルなスピンバルブ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作成した。
ＣｏＦｅＡｌＳｉ、 ＮｉＡｌ、 ＣｏＦｅ、 ＩｒＭｎ合金のターゲット組成は、それぞれ５０％Ｃｏ‐２５％Ｆｅ‐１５％Ａｌ‐１０％Ｓｉ、 ５０％Ｎｉ‐５０％Ａｌ、 ５０％Ｃｏ‐５０％Ｆｅ、 ２２％Ｉｒ‐７８％Ｍｎ（いずれも原子パーセント）である。

ＣｏＦｅＡｌＳｉ合金層、ＮｉＡｌ合金層ともにＢ２規則構造を有することがＸ線回折プロファイルに見られるＣｏＦｅＡｌＳｉ （２００）面およびＮｉＡｌ （１００）面からの回折ピークの存在から明らかである。すなわち、本発明のＣＰＰ−ＧＭＲ素子はオールＢ２規則構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子である。（図３）

フォトリソグラフィー、電子線リソグラフィーおよびアルゴンイオンエッチングによって、０．１ μｍ×０．２ μｍから０．３ μｍ×０．６ μｍの大きさをもつ楕円形の素子に微細加工した。
この楕円形素子を直流４端子法により、磁気伝導特性を測定した。
その結果を表１に示すとともに、図４、図５に例示する。
当該測定結果から、磁気抵抗比は、下部強磁性層の厚さに対する依存性が少ないことが明らかになった。このことは、膜厚が制限される磁気ヘッドへの応用にとって大きな利点である。

前記第二熱処理による処理温度４００ °Ｃと５００ °Ｃの間で、素子の磁気抵抗特性に大きな差は見られなかったことから、熱処理によるＮｉＡｌ非磁性スペーサ層の拡散による劣化は無視できると考えられる。

ＣＰＰ−ＧＭＲ特性の向上にはホイスラー合金の規則度の向上が有効であることが、非特許文献３に示されているため、高温熱処理を可能にするＣＰＰ−ＧＭＲの向上に有効であると考えられる。

ＮｉＡｌスペーサ層の膜厚を調節することで、ホイスラー合金／ＮｉＡｌ／ホイスラー合金３層膜において層間交換結合型ＧＭＲ素子を作製できる。
素子構造はＭｇＯ（００１）基板／Ｃｒ （１０ ｎｍ）／ Ａｇ （１００ ｎｍ）／ ＣｏＦｅＡｌＳｉ （２０ ｎｍ）／ ＮｉＡｌ （０．８ ｎｍ）／ ＣｏＦｅＡｌＳｉ （７ ｎｍ）／ Ｒｕ （８ ｎｍ）であり、下部ＣｏＦｅＡｌＳｉ作製後に真空容器内で５００°Ｃで０．５時間熱処理し、その後ＮｉＡｌより上の層は未熱処理である。図６に例示する。

高密度磁気記録（典型的には１テラビット／平方インチ以上）を達成するためには、高速な読み出しレートが必要となる。読み取りヘッド素子の抵抗と回路の浮遊容量はローパスフィルタを形成し、高周波数の信号を通すことができないため、小さな素子抵抗をもち、かつ信号／雑音比をよくするために高い磁気抵抗効果を実現する必要がある。現在の磁気ヘッドにはトンネル磁気抵抗効果を利用したものが使用されているが、このタイプの素子はトンネル現象を利用しているため、素子抵抗をある程度以下に小さくすることが困難である。一方ＣＰＰ−ＧＭＲ素子はすべて金属でできているために原理的に低抵抗であり有利である。本発明では、スペーサ層にＮｉＡｌ合金を適用することにより、磁気ヘッド化の条件である小さい膜厚（本実施例ではＣｏＦｅＡｌＳｉ電極層５ｎｍ）の場合でも、低い素子抵抗（ＲＡ＝６０ ｍΩμｍ^２以下）、高い磁気抵抗変化量（ΔＲＡ＝５ ｍΩμｍ^２程度）および磁気抵抗比（９％）を達成した。
また、０．８ｎｍ厚ＮｉＡｌスペーサを用いた素子では、１０％の磁気抵抗比を示す層間結合型ＣＰＰ−ＧＭＲを示した。これはマイクロ波発生源として利用できる可能性があり、マイクロ波補助磁気記録書き込みヘッドとしての用途が有望である。

（１）単結晶基板
（２）Ｃｒ層
（３）Ａｇ層
（４）第一ホイスラー合金層（下部強磁性層）
（５）スペーサ層
（６）第二ホイスラー合金層（上部強磁性層）
（７）ＣｏＦｅ層
（８）ＩｒＭｎ層
（９）Ｒｕ層

ＵＳＰ６、８７６、５２２ 特開２００４−１４６４８０

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８８、 ２２２５０４ （２００６） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９３、１２２５０７ （２００８） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９４、０１２５１１ （２００９） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ９４、２２２５０１ （２００９） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８９、 １１２５１４ （２００６） 日本応用磁気学会誌 ３１、 ８９ （２００７）

Claims (4)

1. ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つ電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子であって、
   前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造のみからなるホイスラー強磁性合金からなり、
   スペーサ層がＢ２規則構造を持つ金属間化合物からなることを特徴とする電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子。
2. ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つ電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子であって、
   前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造を持つホイスラー強磁性合金からなり、
   スペーサ層がＢ２規則構造を持つ金属間化合物からなり、
   前記ホイスラー合金薄膜を有する前記電流垂直型巨大磁気抵抗素子の基板と反対側に位置する上部ホイスラー合金薄膜の上側にＣｏＦｅ層を更に有することを特徴とする電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子。
3. 請求項１又は２に記載の電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子において、前記ホイスラー強磁性合金が、ＣｏＦｅＡｌＳｉ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、又はＣｏＦｅＳｉから選ばれたホイスラー強磁性合金であり、前記金属間化合物が、ＮｉＡｌ、ＣｕＺｎ、ＣｕＢｅ、又はＡｇＭｇから選ばれた金属間化合物であることを特徴とする電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子。
4. ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つ電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子であって、
   前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造を持つホイスラー強磁性合金からなり、
   スペーサ層がＢ２規則構造を持つ金属間化合物からなり、
   前記ホイスラー強磁性合金が、ＣｏＦｅＡｌＳｉ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、又はＣｏＦｅＳｉから選ばれたホイスラー強磁性合金であり、
   前記金属間化合物が、ＣｕＺｎ、ＣｕＢｅ、又はＡｇＭｇから選ばれた金属間化合物であることを特徴とする電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子。