JP5705683B2 - トンネル磁気抵抗効果素子、非局所スピン注入素子、及びそれを用いた磁気ヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子、非局所スピン注入素子、及びそれを用いた磁気ヘッドに関するものである。
非磁性障壁膜を介したスピン注入素子は、強磁性固定膜の上に非磁性障壁膜を積層した構造を有し、磁気ヘッドや不揮発メモリ等に使われるトンネル磁気抵抗効果素子（例えば非特許文献１）や、磁気ヘッド等に応用可能な純粋スピン流を生じさせる非局所スピン注入素子（例えば非特許文献２）等に使われる。
スピン注入素子としては、非特許文献１に記載されたような、ＡｌＯxを障壁膜として用い、その障壁膜を二つの強磁性膜で挟んだトンネル磁気抵抗効果素子が知られているが、このトンネル磁気抵抗効果素子では工業的に使用するための十分な電気的出力信号を得ることができなかった。
最近、スピン注入素子の障壁膜としてＭｇＯを用いることにより、上記したＡｌＯxを障壁膜に用いたスピン注入素子よりも高効率なスピン注入が実現され、結果としてトンネル磁気抵抗効果素子において室温で６０４％に達する大きな磁気抵抗比が得られることが報告されている（例えば非特許文献３，４）。ＭｇＯを非磁性障壁膜に用いることで高いスピン注入効率を実現するのは、ＭｇＯが岩塩構造の（００１）方向に配向するためだと言われている（例えば非特許文献５，６）。
化学式Ｍｇ1-aＸaＯ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）で表される酸化物は、ＭｇＯよりもバンドギャップが小さく、スピン注入素子の低抵抗化が期待できる。また、Ｘの分量がある程度以下であれば岩塩構造を保つことが知られており（例えば非特許文献７）、上記の酸化物を用いた磁気抵抗効果素子は例えば特許文献１に開示されている。
T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
F. J. Jedma, et al., Nature 416, 713 (2002)
S. Yuasa et al., Nature Material 3, 868 (2004)
S. S. P. Parkin et al., Nature Material 3, 862 (2004)
W. H. Butler et al., Phys. Rev. B 63, 054416 (2001)
J. Mathon et al., Phys. Rev. B 63, 220403 (2001)
S. Choopun et al., Appl. Phys. Lett. 80 1529 (2002)
ハードディスクの磁気ヘッドや不揮発性磁気メモリに応用可能なスピン注入素子は最近注目を集めているが、必須の構造である障壁膜には酸化物からなる絶縁体が使われており、素子自体の高い抵抗が微細化したデバイス開発の障害となっている。そのため、低抵抗かつ高効率なスピン注入を実現する素子の開発が求められているが、ＭｇＯよりも高いスピン注入効率を有する障壁膜は今のところ見つかっていない。そのため酸化物を用いながらも、低抵抗かつ高効率なスピン注入を実現する障壁膜の開発が強く要望されている。
スピン注入素子の障壁膜としてＭｇＯを使用した場合、膜厚を規定すると酸化マグネシウム固有のバンドギャップで素子の抵抗が決まってしまうため、素子の低抵抗化は困難である。そこで、ＭｇＯよりもバンドギャップが小さく、かつ大きなスピン注入効率を有する障壁膜の開発が強く望まれている。
本発明は、小さいバンドギャップを持つ障壁膜を岩塩構造の（００１）方向に高配向させて、上記の要請に有利に応えることのできる低抵抗かつ高効率なスピン注入素子を提供することを目的とする。
スピン注入素子において高いスピン注入効率を達成するためには、完全にスピン分極したΔ1バンドの電子を選択的に透過させる必要があり、障壁膜は岩塩構造の（００１）方向に配向していることが望ましい。しかし、上記酸化物Ｍｇ1-aＸaＯはＭｇＯよりも岩塩構造（００１）配向の配向性が悪く、低抵抗化も高いスピン注入効率も実現できないことがわかった。この結晶配向の不安定性はＭｇＯに異種酸化物を混合したことにより岩塩構造が不安定化したためと考えられる。
その一方で、ウルツ鋼構造のＺｎＯに圧力を印加して格子を縮めると岩塩構造に転移すること（J. E. Jaffe et al., Phys. Rev. B 48 7903 (1993)）や、Ｍｇ1-aＺｎaＯにおいて同じＺｎの組成割合であれば格子定数が小さいほど岩塩構造が安定なこと（I. V. Maznichenko et al., Phys. Rev. B 80, 144101 (2009)）が知られている。つまり、小さなバンドギャップを持つ酸化物Ｍｇ1-aＸaＯの格子定数を小さくすることにより、酸化物Ｍｇ1-aＸaＯの岩塩構造（００１）方向の配向性が高められると考えられる。
ここで、障壁膜の格子定数を小さくするには、障壁膜よりも格子定数の小さなシード膜を障壁膜の下に配置することが考えられる。しかし、ＭｇＯ等の酸化物や強磁性膜をシード膜に用いると、現時点でかなり最適化されている、前出のΔ1バンドを選択的に透過させるための構造設計が難しくなってしまう。また、絶縁体をシード膜として用いると障壁膜とあわせた総膜厚が大きくなることにより抵抗が大幅に増加してしまい、低抵抗化が達成できない。そこで発明者らは、障壁膜の格子定数を小さくする非磁性シード膜を強磁性膜の下に配置し、障壁膜の岩塩構造の配向性向上を補助することで、所期した目的が有利に達成される新規知見を得た。本発明は上記の知見に立脚するものである。
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、第一の強磁性膜と、第一の強磁性膜の上に設けられた障壁膜と、障壁膜の上に設けられた第二の強磁性膜と、第一の強磁性膜の下に設けられた非磁性シード膜とを有し、第一の強磁性膜と第二の強磁性膜は（００１）配向した体心立方格子の膜、障壁膜は（００１）配向した岩塩構造の酸化物の膜であり、非磁性シード膜は第一の強磁性膜よりも小さな格子定数を持つ非磁性金属膜である。障壁膜はＭｇ1-aＸaＯ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）とすることができる。
本発明による非局所スピン注入素子は、強磁性膜と、強磁性膜の上に設けられた障壁膜と、障壁膜の上に設けられた非磁性導電膜と、強磁性膜の下に設けられた非磁性シード膜とを有し、強磁性膜は（００１）配向した体心立方格子の膜、障壁膜は（００１）配向した岩塩構造の酸化物の膜であり、非磁性シード膜は強磁性膜よりも小さな格子定数を持つ非磁性金属膜である。
また、本発明による非局所スピン注入素子は、非磁性導電膜と、非磁性導電膜の上に設けられた障壁膜と、障壁膜の上に設けられた強磁性膜とを有し、強磁性膜は（００１）配向した体心立方格子の膜、障壁膜は（００１）配向した岩塩構造の酸化物の膜であり、非磁性導電膜は障壁膜よりも小さな格子定数を持つ非磁性金属膜である。
非局所スピン注入素子の障壁膜としては、Ｍｇ1-aＸaＯ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）を用いることができる。
本発明によると、低抵抗かつ高いスピン注入効率を併せ持つスピン注入素子が得られる。従って、この新規な特性を付随させたスピン注入素子を搭載することにより、微細化に適した高出力の磁気ヘッドや低抵抗の不揮発性磁気メモリを実現することが可能になる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図において、同じ構成部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
［実施例１］
図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子１は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、強磁性膜３０５、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成され、非磁性シード膜３１０を格子定数が強磁性膜３０５の格子定数の√２倍よりも小さい面心立方格子の物質を用いることにより面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子１は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、強磁性膜３０５、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成され、非磁性シード膜３１０を格子定数が強磁性膜３０５の格子定数の√２倍よりも小さい面心立方格子の物質を用いることにより面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
下地膜３００はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、保護膜３０９はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）により形成した。強磁性膜３０５は（００１）配向した体心立方格子をもつＦｅ（５ｎｍ）を、強磁性膜３０８には（００１）配向した体心立方格子をもつＦｅ（３ｎｍ）を用い、障壁膜３０７にはＭｇＯ（１．５ｎｍ）及びＭｇＯとＺｎＯの混晶であるＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１．５ｎｍ）を用いた。ＭｇＯやＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏは、岩塩構造を有し、（００１）配向している。非磁性シード膜３１０にはＰｄ（３ｎｍ）を使用した。面心立方格子構造を持つＰｄの格子定数は０．３８９ｎｍであり、その（００１）面内格子間距離は１／√２倍の０．２７５ｎｍとなるため、体心立方格子構造を持つＦｅの格子定数０．２８７ｎｍよりも小さい。そのため、非磁性シード膜３１０としてＰｄを配置することにより、Ｐｄの上に積層する強磁性膜３０５であるＦｅの結晶格子が縮み、さらに強磁性膜３０５を下地として育つ障壁膜３０７の格子定数も小さくなると考えられる。
図２に、ＭｇＯ（１５ｎｍ）とＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１５ｎｍ）に対するＸ線回折のθ−２θ測定結果を示す。岩塩構造（００２）配向に対応する２θ〜４２．９°のピークはＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの方がＭｇＯよりも小さく、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの岩塩構造（００１）配向性がＭｇＯよりも悪いことがわかる。
図３に、障壁膜３０７にＭｇＯ（１．５ｎｍ）、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１．５ｎｍ）及びＰｄシードを配置したＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１．５ｎｍ）を適用したトンネル磁気抵抗効果素子の面積抵抗ＲＡと磁気抵抗効果比（ＴＭＲ比）を示す。
ＭｇＯを用いると面積抵抗ＲＡ〜１．１５ｋΩμｍ2でＴＭＲ比〜１４０％であったのに対し、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏを用いるとバンドギャップはＭｇＯよりも小さいにも関わらず、面積抵抗ＲＡ〜３．１ｋΩμｍ2と３倍近くに上昇し、かつＴＭＲ比〜７０％と半分程に減少した。これはＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの岩塩構造（００１）配向がＭｇＯに比べて弱く、障壁膜中での減衰率が小さいΔ1バンドの電子の選択的な透過を妨げてしまうためと考えられる。結果として、トンネル磁気抵抗効果素子のＲＡが上昇し、また、この完全スピン分極しているΔ1バンドの電子の透過が妨げられたことで、ＴＭＲ比も減少していると考えられる。
ここでＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏを用いた磁気抵抗効果素子において、強磁性膜３０５の下にＰｄを配置すると、ＲＡ〜０．６ｋΩμｍ2とＭｇＯよりも大きく減少し、またＴＭＲ比〜１３０％とほぼＭｇＯと同じＴＭＲ比を維持した。これはＰｄを配置することによりＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの結晶格子が小さくなる方向に歪み、結果として岩塩構造（００１）配向が安定化し、ＭｇＯと同様にΔ1バンドの電子の選択的な透過が達成されているためと考えられる。
障壁膜３０７はＭｇ1-aＸaＯ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）であってもよい。ここでＸの組成割合が多い程バンドギャップは減少するが、その一方で混晶の岩塩構造はより不安定化する。そのため添加物Ｘに併せて、最適な組成ａを選択する必要がある。
非磁性シード膜３１０は、Ｐｄ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，及びＰｂを少なくとも一種含んだ面心立方格子、又はＮａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｂ，Ｍｏ，Ｂａ，及びＷを少なくとも一種含んだ体心立方格子を持つ金属であってもよい。但し、非磁性シード膜３１０の格子定数が強磁性膜３０５の格子定数に比べて極端に小さくなると、非磁性シード膜３１０と強磁性膜３０５の格子整合が保たれず、強磁性膜３０５の結晶格子歪みが起こらない。そのため、非磁性シード膜の格子定数は、強磁性膜３０５に格子整合させたときに、格子定数で数％程度小さい金属を選択する必要がある。
［実施例２］
図４は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子２は、下地膜３００、配向制御膜３０１、反強磁性膜３０２、強磁性膜３０３、非磁性シード膜３０４、強磁性膜３０５、絶縁シード膜３０６、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成されている。非磁性シード膜３０４は実施例１と同様に強磁性膜３０５の格子定数を小さくする材料を選択する。また絶縁シード膜３０６には強磁性膜３０５より格子定数が大きく、かつ障壁膜３０７と格子整合したときに障壁膜３０７よりも格子定数の小さい岩塩構造の物質を配置することにより、面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
図４は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子２は、下地膜３００、配向制御膜３０１、反強磁性膜３０２、強磁性膜３０３、非磁性シード膜３０４、強磁性膜３０５、絶縁シード膜３０６、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成されている。非磁性シード膜３０４は実施例１と同様に強磁性膜３０５の格子定数を小さくする材料を選択する。また絶縁シード膜３０６には強磁性膜３０５より格子定数が大きく、かつ障壁膜３０７と格子整合したときに障壁膜３０７よりも格子定数の小さい岩塩構造の物質を配置することにより、面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
下地膜３００はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、保護膜３０９はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）により形成した。配向制御膜３０１はＮｉＦｅ（３ｎｍ）により形成したが、反強磁性膜３０２の成長を実現することのできる他の材料を用いてもよい。反強磁性膜３０２にはＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが、膜厚は５〜１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔやＭｎＦｅなど、Ｍｎ化合物で構成される反強磁性膜を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。強磁性膜３０３にはＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）を、非磁性シード膜３０４にはＲｈ（０．８ｎｍ）を、強磁性膜３０５には非晶質のＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）を用いた。強磁性膜３０３のＣｏＦｅの組成比は、主としてＣｏ組成が５０〜９０atm％の間で使用した。この組成範囲において、上記反強磁性膜３０２と安定した反強磁性結合を実現できる。強磁性膜３０３、非磁性シード膜３０４、強磁性膜３０５は、強磁性膜３０３と強磁性膜３０５の磁化が反強磁性結合するような材料を選択した。絶縁シード膜３０６にはＭｇＯを０．４〜１．０ｎｍの膜厚の範囲で使用し、障壁層３０７にはＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏをシード膜とあわせて１．５ｎｍになる膜厚にして用いた。シード膜３０６と障壁膜３０７はともに岩塩構造を持つ膜で、（００１）方向に配向している。強磁性膜３０８は非晶質のＣｏＦｅＢ（２．４ｎｍ）を用いた。また非磁性シード膜３０４は、Ｐｄ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，Ｒｕ及びＰｂを少なくとも一種含んだ材料を用いてもよい。
強磁性膜３０５と３０８の非晶質であるＣｏＦｅＢは、磁界中のアニール処理によって結晶化する。ＣｏＦｅＢの組成比は、体心立方格子となるＣｏ組成が２０〜６０atm％、Ｂ組成が１０〜３０atm％の間で使用した。この組成範囲では、絶縁シード膜３０６と障壁膜３０７の岩塩構造と、強磁性膜３０５と３０８の体心立方構造との結晶方位を（００１）面に揃えることにより、強磁性層３０５と３０８の完全にスピン分極したΔ1バンドの電子が優先的にトンネルし、結果としてトンネル磁気抵抗効果素子２ではトンネル磁気抵抗比の増大や面積抵抗の減少に作用するためである。また、Ｃｏを含むことで、トンネル磁気抵抗に寄与するスピン分極率をＦｅ単体よりも向上できる効果も期待される。
図５に、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの下にＭｇＯを絶縁シード膜として用いたときのＸ線回折のθ−２θ測定結果を示す。絶縁シード膜３０６であるＭｇＯの膜厚を増加させると、岩塩構造（００２）配向に対応する２θ〜４２．９°のピークは低角度側にシフトしていくことがわかる。これはＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏよりも格子定数の小さいＭｇＯを配置することによって、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの面内での格子定数が小さくなり、それに合わせて膜面垂直方向の格子定数が大きくなったためと考えられる。実際に、体積一定を仮定すると、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの面内の格子定数は０．４２９１ｎｍから０．４２７４ｎｍまで減少したと考えられる。絶縁シード膜３０６の適用によってＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏが面内方向に縮むと、結果として岩塩構造（００２）配向に対応する２θ〜４２．９°のピークが成長し、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの岩塩構造（００１）配向が安定化したことがわかる。
図６に、非磁性シード膜３０４及び絶縁シード膜３０６を適用した磁気抵抗効果素子、すなわちＭｇＯ（ｔｎｍ）／Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１．５−ｔｎｍ）を適用した磁気抵抗効果素子の面積抵抗ＲＡとＴＭＲ比のＭｇＯシード膜厚依存性を示した。
磁気抵抗効果素子のＲＡは絶縁物の膜厚と共に指数的に増加するため、絶縁シード膜３０６と障壁膜３０７の総膜厚は１．５ｎｍに固定してある。非磁性シード膜３０４を適用すると、ＲＡは３ｋΩμｍ2からＭｇＯよりも低い０．８ｋΩμｍ2に減少し、ＴＭＲ比は１１５％に増加した。また、膜厚０．６ｎｍのＭｇＯ絶縁シード膜をさらに適用すると、ＲＡは０．７ｋΩμｍ2に減少し、ＴＭＲ比はＭｇＯと同程度の１３５％まで増加した。
障壁膜３０７はＭｇ1-aＸaＯ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）であってもよい。ここでＸの組成割合が多ければ多い程バンドギャップは減少するが、その一方で混晶の岩塩構造はより不安定化する。そのため添加物Ｘに併せて、最適な組成ａを選択する必要がある。
絶縁シード膜３０６は、Ｍｇ1-bＹbＯ（ＹはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｂ＜１）であってもよい。ここで、Ｙの組成割合が多ければ多い程バンドギャップは減少するが、その一方で混晶の岩塩構造はより不安定化する。そのため添加物Ｙに併せて、最適な組成ｂを選択する必要がある。また、絶縁シード膜３０６であるＭｇ1-bＹbＯの格子定数は、障壁膜３０７であるＭｇ1-aＸaＯよりも小さくなくてはいけない。これは、障壁膜３０７であるＭｇ1-aＸaＯの格子定数を縮む方向に歪ませることではじめて岩塩構造（００１）配向の配向性向上が見込めるからである。
絶縁シード膜３０６は、Ｍｇ1-bＹb（ＹはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｂ≦１）を自然酸化させた膜であってもよい。これは、Ｍｇ1-bＹbは金属であるために抵抗が低く、かつ自然酸化がおきやすく、低抵抗のシード膜となりやすいためである。また、金属であるＭｇ1-bＹbはＤＣでスパッタリングできるために、強磁性膜３０５へのダメージが少なくできるという利点もある。
［実施例３］
図７は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子３は、下地膜３００、配向制御膜３０１、反強磁性膜３０２、強磁性膜３０３、非磁性シード膜３０４、強磁性膜３０５、強磁性シード膜３１１、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成され、強磁性シード膜３１１に格子定数が障壁膜３０７の格子定数の１／√２よりも小さく、かつ強磁性膜３０５よりも大きい物質を配置することにより面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
図７は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子３は、下地膜３００、配向制御膜３０１、反強磁性膜３０２、強磁性膜３０３、非磁性シード膜３０４、強磁性膜３０５、強磁性シード膜３１１、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成され、強磁性シード膜３１１に格子定数が障壁膜３０７の格子定数の１／√２よりも小さく、かつ強磁性膜３０５よりも大きい物質を配置することにより面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
トンネル磁気抵抗効果素子３では、障壁膜３０７及び強磁性シード膜３１１を除いて、トンネル磁気抵抗効果素子２と同じ構造を持つ。障壁膜３０７にはＭｇ0.5Ｃａ0.5Ｏを、強磁性シード膜３１１にはＣｏＦｅ（１．０ｎｍ）を用いている。強磁性シード膜３１１のＣｏの組成は、体心立方格子を持つ２０atm％〜６０atm％の間で使用した。Ｍｇ0.5Ｃａ0.5Ｏの格子定数は０．４４９ｎｍであり、その（００１）面内格子間距離は１／√２倍の０．３１７ｎｍとなるため、ここで用いた体心立方格子のＣｏ0.25Ｆｅ0.75の格子定数である０．２８５ｎｍよりも大きい。そのため、強磁性シード膜３１１を配置することにより、その上に積層する障壁膜３０７の格子定数も小さくなると考えられる。つまり、ＣｏＦｅの格子定数がＭｇ0.5Ｃａ0.5Ｏよりも小さいため、非磁性シード膜３０４であるＲｈによる格子圧縮の効果と併せて、Ｍｇ0.5Ｃａ0.5Ｏの格子間隔を縮小する歪みによってＭｇ0.5Ｃａ0.5Ｏの岩塩構造（００１）配向の配向性をさらに向上させることが期待できる。
強磁性シード膜３１１は、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む体心立方格子の強磁性体であってもよい。但し、ＣｏＦｅなどにおいては膜厚が２ｎｍ以上になると体心立方構造の（１１０）配向が安定化するため、膜厚は２ｎｍ以下に設定することが望ましい。
Ｍｇ0.5Ｃａ0.5Ｏを用いた磁気抵抗効果素子において、非磁性シード膜３０４に加えて障壁膜３０７の下に強磁性シード膜３１１であるＣｏＦｅを配置すると、面積抵抗ＲＡは、ほぼ０．９５ｋΩμｍ2とＭｇＯの約１．１５ｋΩμｍ2よりも大きく減少し、またＴＭＲ比は約１３０％とほぼＭｇＯと同じＴＭＲ比を維持した。これは、ＣｏＦｅを配置することによりＭｇ0.5Ｃａ0.5Ｏの結晶格子が小さくなる方向に歪み、結果として岩塩構造（００１）配向が安定化し、ＭｇＯと同様にΔ1バンドの電子の選択的な透過が達成されているためと考えられる。
［実施例４］
図８は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子４は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、強磁性膜３０５、金属シード膜３０６、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成され、非磁性シード膜３１０を格子定数が強磁性膜３０５の格子定数の√２倍よりも小さく、かつ強磁性膜３０５よりも大きい面心立方格子の物質を用いることにより面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。金属シード膜３０６として、特に障壁膜３０７で用いられた金属酸化物の金属を用いると、金属シード膜の一部酸化により障壁膜との接続性がよい。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
図８は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子４は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、強磁性膜３０５、金属シード膜３０６、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、保護膜３０９を積層して形成され、非磁性シード膜３１０を格子定数が強磁性膜３０５の格子定数の√２倍よりも小さく、かつ強磁性膜３０５よりも大きい面心立方格子の物質を用いることにより面積抵抗と磁気抵抗比が改善される。金属シード膜３０６として、特に障壁膜３０７で用いられた金属酸化物の金属を用いると、金属シード膜の一部酸化により障壁膜との接続性がよい。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
本実施例における磁気抵抗効果素子４の構造は、実施例１の磁気抵抗効果素子１の障壁膜３０７の下に実施例２で用いたシード膜３０６を挿入した構造である。強磁性膜３０５は体心立方格子をもち、（００１）配向したＦｅ（５ｎｍ）を、強磁性膜３０８には体心立方格子をもち、（００１）配向したＦｅ（３ｎｍ）を用い、障壁膜３０７にはＭｇＯ（１．５ｎｍ）及びＭｇＯとＺｎＯの混晶であるＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１．５ｎｍ）を用いた。非磁性シード膜３１０にはＰｄ（３ｎｍ）を使用し、金属シード膜３０６にはＭｇ（０．５ｎｍ）を用いた。Ｍｇの格子定数は、０．３２１ｎｍであり、障壁膜に圧縮歪みを与えるには十分小さいと考えられる。
Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏを用いた磁気抵抗効果素子において、障壁膜３０７の下に金属シード膜３０６であるＭｇを配置し、さらに強磁性膜３０５の下に非磁性シード膜であるＰｄを配置すると、面積抵抗ＲＡは約０．４８ｋΩμｍ2でＴＭＲ比〜１３５％となり、実施例１〜３のトンネル磁気抵抗効果素子１〜３よりも低抵抗かつ高ＴＭＲ比を持つ素子を実現できた。これはＭｇとＰｄを配置することによりＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの結晶格子が小さくなる方向に歪み、結果として岩塩構造（００１）配向が安定化し、実施例１〜３のトンネル磁気抵抗効果素子１〜３よりもΔ1バンドの電子の選択的な透過が達成されているためと考えられる。金属シード膜３０６としては、Ｍｇ1-cＺc（ＺはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｃ≦１）からなり、格子定数が障壁膜３０７の格子定数よりも小さい膜を用いることができる。
［実施例５］
図９は、本発明による非局所スピン注入素子の一例を示す断面模式図である。この非局所スピン注入素子５は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、強磁性膜３０５、障壁膜３０７、非磁性導電膜３１２、保護膜３０９を積層して形成されている。強磁性膜３０５は、（００１）配向した体心立方格子の膜であり、障壁膜３０７は（００１）配向した岩塩構造の酸化物の膜である。強磁性膜３０５はＣｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む材料で構成することができる。非磁性シード膜３１０に格子間隔が強磁性膜３０５の格子定数よりも小さい面心立方格子の物質を用いることにより、面積抵抗ＲＡとスピン分極率が改善される。本実施例では、非局所スピン注入素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
図９は、本発明による非局所スピン注入素子の一例を示す断面模式図である。この非局所スピン注入素子５は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、強磁性膜３０５、障壁膜３０７、非磁性導電膜３１２、保護膜３０９を積層して形成されている。強磁性膜３０５は、（００１）配向した体心立方格子の膜であり、障壁膜３０７は（００１）配向した岩塩構造の酸化物の膜である。強磁性膜３０５はＣｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む材料で構成することができる。非磁性シード膜３１０に格子間隔が強磁性膜３０５の格子定数よりも小さい面心立方格子の物質を用いることにより、面積抵抗ＲＡとスピン分極率が改善される。本実施例では、非局所スピン注入素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
下地膜３００はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、保護膜３０９はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）により形成した。強磁性膜３０５にはＦｅ（３ｎｍ）を用い、障壁膜３０７にはＭｇＯとＺｎＯの混晶であるＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１．５ｎｍ）を用いた。非磁性シード膜３１０にはＰｄ（３ｎｍ）を使用した。非磁性導電膜３１２にはＣｕ（２０ｎｍ）を使用した。
非磁性シード膜３１０を用いない非局所スピン注入素子では、実施例１のトンネル磁気抵抗効果素子１と同様に、ＲＡ〜３．１ｋΩμｍ2とＭｇＯを用いた素子の約３倍近くに上昇し、かつスピン分極率〜０．５１と小さくなった。これはＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの岩塩構造（００１）配向が弱いため、障壁膜中での減衰率が小さいΔ1バンドの電子の選択的な透過を妨げてしまうことでＲＡが上昇し、またこの完全スピン分極しているΔ1バンドの電子の透過が妨げられたことでスピン分極率も減少していると考えられる。
しかし、Ｍｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏを用いた非局所スピン注入素子において、強磁性膜３０５であるＦｅ膜の下にＰｄ膜を配置すると、ＲＡ〜０．６４ｋΩμｍ2とＭｇＯよりも大きく減少し、またスピン分極率〜０．６３とほぼＭｇＯと同じスピン分極率を維持した。これはＰｄ膜を配置することによりＦｅと共にＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの結晶格子が小さくなる方向に歪み、結果として岩塩構造（００１）配向が安定化し、ＭｇＯと同様にΔ1バンドの電子の選択的な透過が達成されているためと考えられる。
障壁膜３０７は、Ｍｇ1-aＸaＯ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）であってもよい。ここでＸの組成割合が多ければ多い程バンドギャップは減少するが、その一方で混晶の岩塩構造はより不安定化する。そのため添加物Ｘに併せて、最適な組成ａを選択する必要がある。
非磁性シード膜３１０は、Ｐｄ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，及びＰｂを少なくとも一種含んだ面心立方格子で、その格子定数が強磁性膜３０５の格子定数の√２倍よりも小さい材料、又はＮａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｂ，Ｍｏ，Ｂａ，及びＷを少なくとも一種含んだ体心立方格子を持ち、その格子定数が強磁性膜３０５の格子定数よりも小さい金属であってもよい。但し、非磁性シード膜３１０の格子定数が強磁性膜３０５の格子定数に比べて極端に小さくなると、非磁性シード膜３１０と強磁性膜３０５の格子整合が保たれず、強磁性膜３０５の結晶格子歪みが起こらない。そのため、非磁性シード膜の格子定数は、強磁性膜３０５に格子整合させたときに、格子定数で数％程度小さい金属を選択する必要がある。
非磁性導電膜３１２は、スピン拡散長の長いＡｇ，Ｃｕ，Ｖ，Ｐｄ，Ａｕを少なくとも一種含んだ非磁性金属、又はＧｅやＧａＡｓ等の半導体であってもよい。
非磁性シード膜３１０、強磁性膜３０５、障壁膜３０７には、トンネル磁気抵抗効果素子の実施例で説明した材料を用いることが可能である。また、トンネル磁気抵抗効果素子の実施例で説明したのと同様な構造を採用することもできる。例えば、強磁性膜３０５と障壁膜３０７との間に、（００１）配向した岩塩構造のＭｇ1-bＹbＯ（ＹはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｂ＜１）からなり、格子定数が障壁膜の格子定数よりも小さい絶縁シード膜を設けてもよい。また、強磁性膜３０５と障壁膜３０７との間に、Ｍｇ1-cＺc（ＺはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｃ≦１）からなり、格子定数が障壁膜の格子定数よりも小さい金属シード膜を設けてもよい。更に、強磁性膜３０５と障壁膜３０７との間に、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む体心立方格子の強磁性体からなり、格子定数が障壁膜３０７の格子定数の１／√２倍よりも小さい強磁性シード膜を設けてもよい。
［実施例６］
図１０は、本発明による非局所スピン注入素子の一例を示す断面模式図である。この非局所スピン注入素子６は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、反強磁性膜３０２、保護膜３０９を積層して形成されている。強磁性膜３０８は、（００１）配向した体心立方格子の膜であり、障壁膜３０７は（００１）配向した岩塩構造の酸化物の膜である。強磁性膜３０５はＣｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む材料で構成することができる。非磁性シード膜３１０に格子間隔が障壁膜３０７の格子定数よりも小さい面心立方格子の物質を用いることにより、面積抵抗ＲＡとスピン分極率が改善される。また、本実施例で用いられた非磁性シード膜３０７は、純粋スピン流の流れる非磁性導電膜にもなっている。本実施例では、非局所スピン注入素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
図１０は、本発明による非局所スピン注入素子の一例を示す断面模式図である。この非局所スピン注入素子６は、下地膜３００、非磁性シード膜３１０、障壁膜３０７、強磁性膜３０８、反強磁性膜３０２、保護膜３０９を積層して形成されている。強磁性膜３０８は、（００１）配向した体心立方格子の膜であり、障壁膜３０７は（００１）配向した岩塩構造の酸化物の膜である。強磁性膜３０５はＣｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む材料で構成することができる。非磁性シード膜３１０に格子間隔が障壁膜３０７の格子定数よりも小さい面心立方格子の物質を用いることにより、面積抵抗ＲＡとスピン分極率が改善される。また、本実施例で用いられた非磁性シード膜３０７は、純粋スピン流の流れる非磁性導電膜にもなっている。本実施例では、非局所スピン注入素子はマグネトロンスパッタリング法を用いて作製し、成膜後３００℃で磁界中でのアニール処理を施した。
下地膜３００はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、反強磁性膜３０２はＭｎＩｒ（８ｎｍ）、保護膜３０９はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）により形成した。障壁膜３０７にはＭｇＯとＺｎＯの混晶であるＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏ（１．５ｎｍ）を用い、強磁性膜３０８にはＦｅ（３ｎｍ）を用いた。非磁性シード膜３１０にはＰｄ（２０ｎｍ）を使用した。面心立方格子構造を持つＰｄの格子定数は０．３８９ｎｍであり、岩塩構造を持つＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの格子定数０．４２２ｎｍよりも小さい。そのため、非磁性シード膜３１０としてＰｄ膜を配置することにより、Ｐｄを下地として育つ障壁膜３０７の格子定数も小さくなると考えられる。
非磁性シード膜３１０に、障壁膜３０７を歪ませる効果が期待できないＣｕ（２０ｎｍ）を用いた非局所スピン注入素子では、実施例１のトンネル磁気抵抗効果素子１と同様に、ＲＡ〜３．１ｋΩμｍ2とＭｇＯを用いた素子の約３倍近くに上昇し、かつスピン分極率〜０．５１と小さくなった。これはＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの岩塩構造（００１）配向が弱いため、障壁膜中での減衰率が小さいΔ1バンドの電子の選択的な透過を妨げてしまうことでＲＡが上昇し、またこの完全スピン分極しているΔ1バンドの電子の透過が妨げられたことでスピン分極率も減少していると考えられる。
しかし、障壁膜３０７にＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏを用いた非局所スピン注入素子において、障壁膜の下に非磁性シード膜としてＰｄを配置すると、ＲＡ〜０．４８ｋΩμｍ2とＭｇＯよりも大きく減少し、またスピン分極率〜０．６３とほぼＭｇＯと同じスピン分極率を維持した。これは、Ｐｄを配置することによりＭｇ0.7Ｚｎ0.3Ｏの結晶格子が小さくなる方向に歪み、結果として岩塩構造（００１）配向が安定化し、ＭｇＯと同様にΔ1バンドの電子の選択的な透過が達成されているためと考えられる。
障壁膜３０７は、Ｍｇ1-aＸaＯ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）であってもよい。ここでＸの組成割合が多ければ多い程バンドギャップは減少するが、その一方で混晶の岩塩構造はより不安定化する。そのため添加物Ｘに併せて、最適な組成ａを選択する必要がある。
非磁性シード膜３１０は、Ｐｄ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，及びＰｂを少なくとも一種含んだ障壁膜３０７よりも格子定数の小さい面心立方格子、又はＮａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｂ，Ｍｏ，Ｂａ，及びＷを少なくとも一種含んだ、格子定数が障壁膜３０７の格子定数の１／√２倍よりも小さい体心立方格子を持つ金属であってもよい。
非磁性シード膜３１０、障壁膜３０７、強磁性膜３０８には、トンネル磁気抵抗効果素子の実施例で説明した材料を用いることも可能である。また、実施例２のトンネル磁気抵抗効果素子で用いた絶縁シード膜３０６を非磁性シード膜３１０と障壁膜３０７の間に設けることによって、障壁膜３０７の格子定数を縮めることも可能である。絶縁シード膜３０６は、Ｍｇ1-bＹbＯ（ＹはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｂ＜１）を用いることが可能である。ここで、Ｙの組成割合が多ければ多い程バンドギャップは減少するが、その一方で混晶の岩塩構造はより不安定化する。そのため添加物Ｙに併せて、最適な組成ｂを選択する必要がある。また、絶縁シード膜３０６であるＭｇ1-bＹbＯの格子定数は、障壁膜３０７であるＭｇ1-aＸaＯよりも小さくなくてはいけない。
［実施例７］
図１１は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１〜４に示したトンネル磁気抵抗効果素子１〜４のいずれか１種類の素子を搭載している。
図１１は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１〜４に示したトンネル磁気抵抗効果素子１〜４のいずれか１種類の素子を搭載している。
Ｃ−ＭＯＳ１１は、２つのｎ型半導体１２，１３と一つのｐ型半導体１４からなる。ｎ型半導体１２にドレインとなる電極２１が電気的に接続され、電極４１，４２を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１３には、ソースとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極２２とドレイン電極２１の間の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する。ソース電極２２に電極４３〜４７が積層され、電極４７を介してトンネル磁気抵抗効果素子１０の下地膜３００が接続されている。
ビット線２１２は、トンネル磁気抵抗効果素子１０の保護膜３０９に接続されている。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果素子１０に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果素子１０の強磁性膜３０８の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録する。また、スピントランスファートルクを用いずに、ビット線２１２とワード線を兼ねる電極４２に電流を流し、その周りに作られる磁界を用いてトンネル磁気抵抗効果素子１０の強磁性膜３０８の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録してもよい。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は、電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
図１２は、上記磁気メモリセルを配置した不揮発性磁気メモリの構成例を示す図である。ゲート電極２３とビット線２１２がメモリセル１００に電気的に接続されている。上記の磁気メモリセルを配置することにより、磁気メモリは低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
［実施例８］
図１３は、本発明による記録・再生磁気ヘッドの構成例を示す模式図である。この記録・再生磁気ヘッドは、再生磁気ヘッドとして、実施例１〜４に示したトンネル磁気抵抗効果素子１〜４、あるいは実施例５，６に示した非局所スピン注入素子５，６のいずれか１つを搭載している。６０１はスライダアーム、６０２は磁気ヘッド、６０３は本実施例に係る再生ヘッド部位、６０４は垂直記録方式やエネルギーアシストによる記録ヘッド部位をそれぞれ示す。
図１３は、本発明による記録・再生磁気ヘッドの構成例を示す模式図である。この記録・再生磁気ヘッドは、再生磁気ヘッドとして、実施例１〜４に示したトンネル磁気抵抗効果素子１〜４、あるいは実施例５，６に示した非局所スピン注入素子５，６のいずれか１つを搭載している。６０１はスライダアーム、６０２は磁気ヘッド、６０３は本実施例に係る再生ヘッド部位、６０４は垂直記録方式やエネルギーアシストによる記録ヘッド部位をそれぞれ示す。
次に、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた再生ヘッドの構成例について説明する。図１４は、トンネル磁気抵抗効果素子を用いた再生ヘッドの一例を示す模式図である。一対の電極層５１０，５１７の媒体対向面側の一端に、強磁性層の磁化を固定するための反強磁性層５１５、強磁性固定層５１４、障壁層５１１、強磁性自由層５１２からなるトンネル磁気抵抗効果素子を搭載している。電極層５１０，５１７は、絶縁層５３０及び５３１を介して、磁気シールド５４０，５４１に接触している。電流源５１９により、トンネル磁気抵抗効果素子にトンネル電流が流れ、電圧計５１８により電圧を計測する。このとき、記録媒体からの漏洩磁界により強磁性自由層５１２の磁化の向きが変化し、その磁化の向きによってトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値が大きく変化する。この抵抗変化による検出電圧の変化を通して、記録媒体の磁化方向を検出する。図１４に機能的に図示したトンネル磁気抵抗効果素子として、実施例１〜４に示したトンネル磁気抵抗効果素子１〜４を用いることができる。
次に、本発明によるスピン蓄積素子用いた再生ヘッドの構成例について説明する。図１５は、スピン蓄積素子用いた再生ヘッドの一例を示す模式図である。非磁性導電層である電極層５１０の媒体対向面側の一端上に、障壁層５１１を介して積層された強磁性自由層５１２と、電極層５１０の他端上に、障壁層５１３を介して積層された強磁性固定層５１４と、強磁性固定層５１４の磁化を固定するための反強磁性層５１５、反強磁性層５１５に接続されている電極層５１７からなるスピン蓄積素子を搭載している。電極層５１０，５１７は絶縁層５３０，５３１を介して、磁気シールド５４０，５４１に接触している。強磁性自由層５１２は絶縁層を介さずに磁気シールド５４１に接触しており、磁気シールド５４１が電極として動作する。電流源５１９により、障壁層５１３を通って強磁性固定層５１４と電極層５１０との間にトンネル電流が流れ、電極層５１０に純粋スピン流が注入される。また、記録媒体からの漏洩磁界により強磁性自由層５１２の磁化の向きが変化する。強磁性自由層５１２と強磁性固定層５１４との間の相対的な磁化の向きに依存して発生する電圧を、電極層５１０と強磁性自由層５１２に接続されている磁気シールド５４１との間に生じる電圧として電圧計５１８により検出する。図１５に機能的に図示した非局所スピン注入素子（５１０，５１３，５１４，５１５）として、実施例５，６に示した非局所スピン注入素子５，６を用いることができる。
図１６は、上記磁気ヘッドを備える磁気記録再生装置の構成例を示した模式図である。この磁気記録再生装置は、長手記録連続媒体、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体といった磁気記録層を有する磁気記録媒体７０１と、記録媒体を駆動する駆動部７０２と、図１３で示した磁気ヘッド６０２と、磁気ヘッド６０２を磁気記録媒体７０１上の所定の位置へ移動させるアクチュエータ７０３及びスライダアーム６０１と、磁気ヘッドからの出力信号を処理する信号処理部７１０と、駆動部７０２及びアクチュエータ７０３を制御する制御部７２０を備える。
磁気記録再生装置は、スピンドルモータ等の駆動部７０２によって、磁気記録媒体７０１を回転させ、磁気ヘッド６０２による記録再生を行う。磁気ヘッド６０２から出力される信号に適切な信号処理を施すことにより、磁気記録媒体７０１に記録された磁気情報を読み取ることが可能となる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１〜４…トンネル磁気抵抗効果素子、１０…トンネル磁気抵抗効果素子、１１…トランジスタ、１２，１３…ｎ型半導体、１４…ｐ型半導体、２１…ドレイン電極、２２…ソース電極、２３…ゲート電極、４１〜４７…電極、６０…電極、６１…漏れ磁界、６３…対向面、７１…コイル、７２…記録トラック、８１…上部コア、９１…記録媒体、１００…基板、２１１…書込みワード線、２１２…ビット線、３００…下地膜、３０１…配向性制御膜、３０２…反強磁性膜、３０３…強磁性膜、３０４…非磁性膜、３０５…強磁性膜、３０６…シード膜、３０７…障壁膜、３０８…強磁性膜、３０９…保護膜、３１０…非磁性シード膜、３１１…強磁性シード膜、５１０…電極、５１１…障壁層、５１２…強磁性自由層、５１３…障壁層、５１４…磁化固定層、５１５…反強磁性層、５１７…電極、５１８…電圧計、５１９…電流源、５３０，５３１…絶縁層、５４０，５４１…シールド層、６０１…スライダアーム、６０２…磁気ヘッド、６０３…再生部位、６０４…記録部位、７０１…磁気記録媒体、７０２…駆動部、７０３…アクチュエータ、７１０…信号処理部、７２０…制御部
Claims (13)
- 第一の強磁性膜と、
前記第一の強磁性膜の上に設けられた障壁膜と、
前記障壁膜の上に設けられた第二の強磁性膜と、
前記第一の強磁性膜の下に設けられた非磁性シード膜とを有し、
前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜は（００１）配向した体心立方格子の膜、前記障壁膜は（００１）配向した岩塩構造のＭｇ 1-a Ｘ a Ｏ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）の膜であり、前記非磁性シード膜は前記第一の強磁性膜と格子整合し、かつ前記第一の強磁性膜と格子整合した格子間距離が前記第一の強磁性膜より小さい非磁性金属膜であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性膜と第二の強磁性膜はＣｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む体心立方格子であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記非磁性シード膜はＰｄ，Ｒｈ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉｒ，及びＰｂを少なくとも一種含んだ面心立方格子で、その格子定数は前記第一の強磁性膜の格子定数の√２倍よりも小さいことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記非磁性シード膜はＮａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｂ，Ｍｏ，Ｂａ，及びＷを少なくとも一種含んだ体心立方格子で、その格子定数は前記第一の強磁性膜の格子定数よりも小さいことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性膜と前記障壁膜との間に絶縁シード膜を有し、前記絶縁シード膜は（００１）配向した岩塩構造のＭｇ1-bＹbＯ（ＹはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｂ＜１）からなり、前記絶縁シード膜の格子定数は前記障壁膜の格子定数よりも小さいことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性膜と前記障壁膜との間に金属シード膜を有し、前記金属シード膜はＭｇ1-cＺc（ＺはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｃ≦１）からなり、前記金属シード膜の格子定数は前記障壁膜の格子定数よりも小さいことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性膜と前記障壁膜との間に強磁性シード膜を有し、前記強磁性シード膜はＣｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む体心立方格子の強磁性体からなり、前記強磁性シード膜の格子定数は前記障壁膜の格子定数の１／√２倍よりも小さいことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 記録磁界を発生する磁極を有する記録部と、トンネル磁気抵抗効果素子を備える再生部を有する磁気ヘッドにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、第一の強磁性膜と、前記第一の強磁性膜の上に設けられた障壁膜と、前記障壁膜の上に設けられた第二の強磁性膜と、前記第一の強磁性膜の下に設けられた非磁性シード膜とを有し、前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜は（００１）配向した体心立方格子の膜、前記障壁膜は（００１）配向した岩塩構造のＭｇ 1-a Ｘ a Ｏ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）の膜であり、前記非磁性シード膜は前記第一の強磁性膜と格子整合し、かつ前記第一の強磁性膜と格子整合した格子間距離が前記第一の強磁性膜より小さい非磁性金属膜であることを特徴とする磁気ヘッド。 - 強磁性膜と、前記強磁性膜の上に設けられた障壁膜と、前記障壁膜の上に設けられた非磁性導電膜と、前記強磁性膜の下に設けられた非磁性シード膜とを有する非局所スピン注入素子において、
前記強磁性膜は（００１）配向した体心立方格子の膜、前記障壁膜は（００１）配向した岩塩構造のＭｇ 1-a Ｘ a Ｏ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）の膜であり、前記非磁性シード膜は前記強磁性膜と格子整合し、かつ前記強磁性膜と格子整合した格子間距離が前記強磁性膜より小さい非磁性金属膜であることを特徴とする非局所スピン注入素子。 - 請求項９記載の非局所スピン注入素子において、前記強磁性膜と前記障壁膜との間に絶縁シード膜を有し、前記絶縁シード膜は（００１）配向した岩塩構造のＭｇ1-bＹbＯ（ＹはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｂ＜１）からなり、前記絶縁シード膜の格子定数は前記障壁膜の格子定数よりも小さいことを特徴とする非局所スピン注入素子。
- 請求項９記載の非局所スピン注入素子において、前記強磁性膜と前記障壁膜との間に金属シード膜を有し、前記金属シード膜はＭｇ1-cＺc（ＺはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０≦ｃ≦１）からなり、前記金属シード膜の格子定数は前記障壁膜の格子定数よりも小さいことを特徴とする非局所スピン注入素子。
- 請求項９記載の非局所スピン注入素子において、前記強磁性膜と前記障壁膜との間に強磁性シード膜を有し、前記強磁性シード膜はＣｏ，Ｆｅ，及びＮｉを少なくとも一種含む体心立方格子の強磁性体からなり、前記強磁性シード膜の格子定数は前記障壁膜の格子定数の１／√２倍よりも小さいことを特徴とする非局所スピン注入素子。
- 記録磁界を発生する磁極を有する記録部と、非局所スピン注入素子を備える再生部を有する磁気ヘッドにおいて、
前記非局所スピン注入素子は、強磁性膜と、前記強磁性膜の上に設けられた障壁膜と、前記障壁膜の上に設けられた非磁性導電膜と、前記強磁性膜の下に設けられた非磁性シード膜とを有し、前記強磁性膜は（００１）配向した体心立方格子の膜、前記障壁膜は（００１）配向した岩塩構造のＭｇ 1-a Ｘ a Ｏ（ＸはＺｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，及びＢの内から選んだ一種又は二種以上、０＜ａ≦１）の膜であり、前記非磁性シード膜は前記強磁性膜と格子整合し、かつ前記強磁性膜と格子整合した格子間距離が前記強磁性膜より小さい非磁性金属膜であることを特徴とする磁気ヘッド。
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