JP6419825B2 - 磁気抵抗素子、当該磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜の面直方向磁気抵抗効果（ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子に関し、特に当該非磁性金属層として体心立方格子構造（body-centered cubic; ｂｃｃ）の非磁性スペーサ層を用いた磁気抵抗素子に関する。

面直方向磁気抵抗効果（Current perpendicular to plane Giant Magnetoresistance; ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子は、強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜よりなるもので、磁気ディスク用読み取りヘッド用として期待されている。強磁性金属としてスピン分極率の大きなホイスラー合金を用いた素子について研究がなされており、スペーサ層（非磁性金属の層）として面心立方格子構造（face-centered cubic; ｆｃｃ）金属であるＣｕを用いることが、例えば特許文献１、２で提案されている。また、磁性層にホイスラー合金ＣＦＧＧを用い、スペーサ層として面心立方格子構造金属であるＡｇを用いることが、例えば非特許文献１、２で提案されている。

さらに、非特許文献３では、ＡｇやＣｕのｆｃｃ構造をもつスペーサ層を用いた場合、強磁性層のホイスラー合金の方位により磁気抵抗出力が大きく変わることが開示されている。これは、ｂｃｃ基のホイスラー合金とｆｃｃのＡｇやＣｕの格子歪みがホイスラー合金の結晶方位によって大きく変わるためで、その結果Ａｇを使った場合はホイスラー合金の（００１）面、Ｃｕを使った場合はホイスラー合金の（０１１）面がスペーサ層と界面を構成する場合に高い磁気抵抗が得られることが開示されている。ここで、（００１）や（０１１）はミラー指数で、結晶の格子中における結晶面や方向を記述するための指数である。
しかしながら、ｂｃｃ基の構造を持つホイスラー合金とｆｃｃ構造をもつＡｇやＣｕの格子歪みとそれらの結晶方位による磁気伝導依存性のために、理論計算から予測されるほどの磁気抵抗出力が得られていない。

これに対してホイスラー合金と同じｂｃｃ基の結晶構造を持つＬ２_１規則合金Ｃｕ_２ＲｈＳｎ、あるいはＢ２型規則合金ＮｉＡｌをスペーサ層に用いた方が、バンド構造の界面での整合性が向上しより大きな磁気抵抗効果が得られるとの理論的予測が存在している。そこで、この理論的予測に基づいて研究が行われてきており、本発明者らの提案にかかる特許文献３、４には、ホイスラー合金を磁性層にＬ２_１型あるいはＢ２型規則合金をスペーサ層に用いたＣＰＰＧＭＲが開示されている。しかしながら、特許文献３、４の発明では、理論計算から予測されるほどの効果は得られていない。この原因として、これらの合金には比較的重い元素Ｒｈ・Ｓｎ、あるいは磁性元素Ｎｉが含まれるため、強いスピン軌道散乱やスピン散乱の効果により磁気抵抗効果が弱められていると考えられる。

特開２００７−５９９２７号公報 特開２００８−５２８４０号公報 特開２０１０−２１２６３１号公報 特許第５２４５１７９号公報

Appl. Phys. Lett. 98, 152501 (2011). J. Appl. Phys. 113, 043901 (2013). Jiamin Chen, Songtian Li, T. Furubayashi, Y. K. Takahashi and K. Hono, J. Appl. Phys. 115, 233905 (2014)

本発明は、上記の課題を解決したもので、強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜の面直方向磁気抵抗効果（ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子において、従来構造よりも高い磁気抵抗出力を発現する磁気抵抗素子を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成とした磁気抵抗素子である。
本発明の磁気抵抗素子は、例えば図１に示すように、ホイスラー合金よりなる下部強磁性層１３と上部強磁性層１５、及び当該下部強磁性層１３と上部強磁性層１５に挟まれたスペーサ層１４とを備える磁気抵抗素子において、スペーサ層１４がｂｃｃ構造を持つ合金又は金属間化合物からなることを特徴とする。

本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、前記合金又は金属間化合物がＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、およびＡｇＺｎから選ばれた合金又は金属間化合物であるとよい。
本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、前記合金又は金属間化合物がＣｕとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＢｅからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＭｇからなるｂｃｃ構造の合金、およびＡｇとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金からなる群から選ばれた少なくとも一つの合金又は金属間化合物であるとよい。

本発明の磁気抵抗素子において、前記合金又は金属間化合物は、ｂｃｃの不規則構造を有することが好ましい。ま

本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、基板１１は表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、ＭｇＯ基板の少なくとも一種類であるとよい。
本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、例えば図１に示すように、基板１１の上に形成される下地層１２（配向層ともいう）であって、ホイスラー合金を所定の結晶方向にエピタキシャル成長させる下地層１２と、下地層１２に積層された上記の磁気抵抗素子であって、下地層１２はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又は合金を含み、前記ホイスラー合金のエピタキシャル成長する結晶方向は（００１）方向であるとよい。

本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、下部強磁性層１３と上部強磁性層１５は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金であって、前記ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、前記ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含むとよい。
本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、下部強磁性層１３と上部強磁性層１５は、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、前記ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、ＣｏＦｅＡｌＳｉ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、又はＣｏＦｅＳｉから選ばれたホイスラー強磁性合金を含むとよい。

本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、さらに、磁気抵抗測定用の電極である下地層１２ｂを、下地層１２と下部強磁性層１３との間に挟んで設けるとよい。
本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、さらに、上部強磁性層１５に積層された、表面保護用のキャップ層１６を有すると共に、キャップ層１６はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、ＲｕおよびＰｔからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又は合金よりなるとよい。
本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、さらに、上部強磁性層１５の上又は下部強磁性層１３の下に設けられたピニング層であって、前記ピニング層はＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金等の反強磁性体の層であるとよい。
このように構成された磁気抵抗素子においては、交換異方性によって上部強磁性層の磁化反転を抑えることにより、上部強磁性層と下部強磁性層が反平行に磁化した状態を安定化することができる。

本発明の電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子は、例えば図１に示すように、ホイスラー合金薄膜（１３、１５）間にスペーサ層１４を配した構造を有し、前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、当該ホイスラー強磁性合金が、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、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、スペーサ層１４がｂｃｃ構造を持つ合金又は金属間化合物からなると共に、当該合金又は金属間化合物がＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、ＡｇＺｎから選ばれた合金又は金属間化合物であることを特徴とする。
ここで、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）において、Ｇａの割合ｘが０．２５以下の場合と、Ｇａの割合ｘが０．６以上の場合は、ともにスピン分極率が低下するため磁気抵抗が低下するという不都合がある。好ましくは、（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）でのＧａの割合ｘは、０．２５と０．６の間がよく、更に好ましくは０．４５と０．５５の間である。

本発明及びその好ましい実施形態を列記すると、以下のとおりである。
［１］
ホイスラー合金を含んでなる下部強磁性層及び上部強磁性層、並びに該下部強磁性層と該上部強磁性層との間に挟まれたスペーサ層を備える磁気抵抗素子であって、
該スペーサ層がｂｃｃ構造を持つ合金を含んでなることを特徴とする上記磁気抵抗素子。
［２］
前記合金がＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、およびＡｇＺｎからなる群より選ばれる少なくとも１の合金であることを特徴とする［１］に記載の磁気抵抗素子。
［３］
前記合金がＣｕとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＢｅからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＭｇからなるｂｃｃ構造の合金、およびＡｇとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金からなる群から選ばれる少なくとも１の合金であることを特徴とする［１］に記載の磁気抵抗素子。
［４］
前記合金が、ｂｃｃの不規則構造を有する合金である、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［５］
更に基板を備え、該基板は表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、及びＭｇＯ基板からなる群より選ばれる少なくとも一種類であることを特徴とする［１］乃至［４］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［６］
前記基板の上に形成され、前記ホイスラー合金を所定の結晶方向にエピタキシャル成長させる機能を有する配向層を更に備え、
該配向層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、及びＣｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はその合金を含み、前記ホイスラー合金のエピタキシャル成長する結晶方向は（００１）方向であることを特徴とする［５］に記載の磁気抵抗素子。
［７］
前記下部強磁性層と前記上部強磁性層は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金を含んでなり、前記ＡはＣｒ、Ｍｎ、若しくはＦｅ、またはこれらのうちの２種類以上の組み合わせ（但し、Ａの合計の量は１）、前記ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、若しくはＳｎ、またはこれらのうちの２種類以上の組み合わせ（但し、Ｂの合計の量は１）であることを特徴とする［１］乃至［６］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［８］
前記下部強磁性層と前記上部強磁性層は、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金を含んでなり、該ホイスラー強磁性合金が、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、及びＣｏ_２ＦｅＳｉからなる群から選ばれたホイスラー強磁性合金であることを特徴とする［７］に記載の磁気抵抗素子。
［９］
さらに、磁気抵抗測定用の電極である下地層を備え、該下地層が前記配向層と前記下部強磁性層との間に設けられることを特徴とする［６］乃至［８］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［１０］
さらに、前記上部強磁性層に積層された、表面保護用のキャップ層を備え、
該キャップ層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、ＲｕおよびＰｔからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はその合金を含んでなることを特徴とする［１］乃至［９］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［１１］
さらに、前記上部強磁性層の上又は前記下部強磁性層の下に設けられたピニング層を備え、該ピニング層はＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金等の反強磁性体の層であることを特徴とする［１］乃至［１０］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［１２］
少なくとも２層のホイスラー合金薄膜間に少なくとも１層の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（ＣＰＰＧＭＲ）素子であって、
該ホイスラー合金薄膜が、それぞれ、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金を含んでなり、該ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、及びＣｏ_２ＦｅＳｉからなる群より選ばれたホイスラー強磁性合金であり、
該スペーサ層がｂｃｃ構造を持つ合金を含んでなり、該合金がＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、およびＡｇＺｎからなる群より選ばれた合金であることを特徴とする電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子。
［１３］
前記合金が、ｂｃｃの不規則構造を有する合金である、［１２］に記載の電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子。
［１４］
［１乃至１１の何れか１項に記載の磁気抵抗素子又は［１２］若しくは［１３］に記載の電流垂直型巨大磁気抵抗素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
［１５］
［１４］に記載の磁気ヘッドを備えることを特徴とする磁気再生装置。

本発明及びその好ましい実施形態は、更に以下のように列記することもできる。
［１］
ホイスラー合金よりなる下部強磁性層と上部強磁性層、及び当該下部強磁性層と上部強磁性層との間に挟まれたスペーサ層とを備える磁気抵抗素子において、
前記スペーサ層がｂｃｃ構造を持つ金属間化合物からなることを特徴とする磁気抵抗素子。
［２］
前記金属間化合物がＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、およびＡｇＺｎから選ばれた金属間化合物であることを特徴とする［１］に記載の磁気抵抗素子。
［３］
前記金属間化合物がＣｕとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＢｅからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＭｇからなるｂｃｃ構造の合金、およびＡｇとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金からなる群から選ばれた少なくとも一つの合金の金属間化合物であることを特徴とする［１］に記載の磁気抵抗素子。
［４］
前記基板は表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、ＭｇＯ基板の少なくとも一種類であることを特徴とする［１］乃至［３］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［５］
前記基板の上に形成される下地層であって、ホイスラー合金を所定の結晶方向にエピタキシャル成長させる前記下地層と、
前記下地層に積層された［１］乃至［４］の何れか１項に記載する磁気抵抗素子であって、
前記下地層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又は合金を含み、前記ホイスラー合金のエピタキシャル成長する結晶方向は（００１）方向であることを特徴とする［４］に記載の磁気抵抗素子。
［６］
前記下部強磁性層と上部強磁性層は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金であって、前記ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、前記ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含むことを特徴とする［１］乃至［５］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［７］
前記下部強磁性層と上部強磁性層は、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、前記ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、ＣｏＦｅＡｌＳｉ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、又はＣｏＦｅＳｉから選ばれたホイスラー強磁性合金を含むことを特徴とする［６］に記載の磁気抵抗素子。
［８］
さらに、磁気抵抗測定用の電極である下地層を、前記下地層と前記下部強磁性層との間に挟んで設けたことを特徴とする［１］乃至［７］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［９］
さらに、前記上部強磁性層に積層された、表面保護用のキャップ層を有すると共に、
前記キャップ層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、ＲｕおよびＰｔからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又は合金よりなることを特徴とする［１］乃至［８］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［１０］
さらに、前記上部強磁性層の上又は下部強磁性層の下に設けられたピニング層であって、前記ピニング層はＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金等の反強磁性体の層であることを特徴とする［１］乃至［９］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
［１１］
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（ＣＰＰＧＭＲ）素子であって、
前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、前記ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、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、
前記スペーサ層がｂｃｃ構造を持つ金属間化合物からなり、前記金属間化合物がＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、およびＡｇＺｎ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（ＣＰＰＧＭＲ）素子。
［１２］
［１］乃至［１０］の何れか１項に記載の磁気抵抗素子又は［１１］に記載の電流垂直型巨大磁気抵抗素子を用いたことを特徴とする磁気ヘッド。
［１３］
［１２］に記載の磁気ヘッドを用いたことを特徴とする磁気再生装置。

本発明では従来例のような比較的重い元素Ｒｈ・Ｓｎや磁性元素Ｎｉを必須とせず、電気抵抗率が低くスペーサ層に適した材料として、ｂｃｃ構造を持つ合金、例えばＣｕ系合金、例としてＣｕＺｎ及びＣｕ_３Ａｌをスペーサ層に用いることによりＡｇスペーサ層を用いた場合よりも高い磁気抵抗変化量を得ることができる。本発明の一例で用いられるｂｃｃ基Ｃｕ合金は方位によらずホイスラー合金と格子整合が良いので、ホイスラー合金層の方位によらず高い磁気抵抗比が得られる。
従って、本発明の一例ではｂｃｃ基Ｃｕ合金を用いたＣＰＰＧＭＲ素子を作製することができ、高い磁気抵抗出力を提供できる。また本発明の磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置に用いて好適である。

本発明の一実施の形態による磁気抵抗素子の構造模式図である。 ＭｇＯ（００１）単結晶基板上に下から、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１００）／ＣＦＧＧ（１０）／ＣｕＺｎ（５）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）と積層させた膜のＸ線回折パターン図である。 図２と同じ試料を３００℃でアニールした後の断面透過電子顕微鏡写真及び各層についての電子線回折像である。 本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子に、磁界に対する電気抵抗測定用の電極を付加した素子の断面模式図である。 ＣｕＺｎをスペーサ層に用いた素子の、印加磁場に対する電気抵抗×素子面積の変化を説明する図である。 アニール温度に対する磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの説明図である。 ＭｇＯ（００１）単結晶基板上に下から、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１０）／ＣＦＧＧ（５）／Ｃｕ_３Ａｌ（２０）と積層させた膜のＸ線回折パターンを説明する図である。

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による磁気抵抗素子の構造模式図である。図において、磁気抵抗素子は、基板１１、下地層１２、下部強磁性層１３、スペーサ層１４、上部強磁性層１５、キャップ層１６がこの順で積層されている。

基板１１には、例えば単結晶ＭｇＯ基板が用いられるが、特に単結晶ＭｇＯ基板に限られるものではなく、ホイスラー合金層が多結晶となるＳｉや金属・合金等を基板として使ってもよい。基板１１としては、表面酸化Ｓｉ基板が安価でよいが、半導体製造用のシリコン基板でも良く、またガラス基板や金属基板でもよい。これらの材料を基板１１に用いても、磁気抵抗素子として高い磁気抵抗比がえられる。

下地層１２は、磁気抵抗測定用の電極となるもので、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ等の少なくとも一種類を含む金属や、これら金属元素の合金が用いられる。なお、下地層１２は、さらに下地層１２ｂの下に別の下地層１２ａを追加した二層構造や、三層以上の多層構造としてもよい。
なお、配向層を下地層１２の下側に設けても良い。配向層は、ホイスラー合金層を（１００）方向に配向させる作用を持つもので、例えばＭｇＯ、ＴｉＮ、ＮｉＴａ合金の少なくとも一種類を含むものを用いる。

下部強磁性層１３と上部強磁性層１５は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金であって、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含む。ホイスラー合金としては、Ｃｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５（ＣＦＧＧ）が特に好ましいが、（１００）単結晶薄膜を用いたＣＰＰＧＭＲで大きな磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが得られているＣｏ_２ＦｅＡｌ_１−ｘＳｉ_ｘ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉでもよい。上部強磁性層及び下部強磁性層は１種類のホイスラー合金を用いてもよく、２種類以上のホイスラー合金や他の金属や合金を組み合わせてもよい。

スペーサ層１４は金属又は合金であり、キャップ層１６は表面の保護のための金属又は合金よりなる。スペーサ層１４には、ＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、およびＡｇＺｎから選ばれた合金又は金属間化合物を用いる。さらに例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ 等の少なくとも一種類を含む金属や、これら金属元素の合金からなる層を追加してもよい。スペーサ層１４には、合金又は金属間化合物がＣｕとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＣｕとＢｅからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金、ＡｇとＭｇからなるｂｃｃ構造の合金、およびＡｇとＺｎからなるｂｃｃ構造の合金からなる群から選ばれた少なくとも一つの合金の合金又は金属間化合物をもちいてもよい。スペーサ層１４を構成する合金又は金属間化合物については、典型的な合金又は金属間化合物であるＣｕＺｎ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣｕＢｅ、Ａｇ_３Ａｌ、ＡｇＭｇ、およびＡｇＺｎに対して、相当程度組成がずれてもｂｃｃ構造であれば良いと考えられるので、合金又は金属間化合物の元素の組成比率はｂｃｃ構造を構成する範囲で適宜に選定できる。スペーサ層１４の厚さは、例えば０．１ｎｍから２０ｎｍであるため、これら合金又は金属間化合物は一個ないし２００個程度の金属原子層を形成している。スペーサ層１４の厚さは、原子数として数個から数百個であるため、下部強磁性層のような隣接層の影響を受けて、合金又は金属間化合物の結晶構造はバルクと異なる場合がある。
キャップ層１６には、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ 等の少なくとも一種類を含む金属や、これら金属元素の合金が用いられる。下地層１２、スペーサ層１４及びキャップ層１６の各層は、それぞれ１種類の材料を用いても良いし、２種類以上の材料を積層させたものでもよい。

図１は、本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子の断面模式図である。図４は、本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子に、磁界に対する電気抵抗測定用の電極を付加した素子の断面模式図である。図４において、基板１１として単結晶ＭｇＯ基板、下地層１２にはＣｒ、Ａｇを下から積層させたもの、下部強磁性層１３と上部強磁性層１５にはホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５（ＣＦＧＧ）を、スペーサ層１４にはＣｕＺｎ、キャップ層１６にはＡｇとＲｕを下から積層させたものを用いている。

図１に示す素子においては、ＭｇＯ基板板上に下から、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１００）／ＣＦＧＧ（１０）／ＣｕＺｎ（５）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）、括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）、の膜構成でスパッタ法により製膜を行った。

図２は、上記の積層状態のＣＰＰＧＭＲ素子膜のＸ線回折パターン図である。Ｘ線回折における２θで表すと、ＭｇＯ基板の反射によって３９°、４１°、４３°付近の３本の鋭いピークがある。ＣＦＧＧ（００２）方向の反射によって３１°があり、ＣＦＧＧ（００４）方向の反射によって６４°付近の鈍いピークがある。また、Ａｇ（００２）方向の反射によって４４°があり、ＣｕＺｎ（００２）方向の反射によって６０°付近の鈍いピークがある。よって結晶構造を調べたところ、Ｃｒ、Ａｇ、ＣｕＺｎ、ＣＦＧＧ各層は図２に示す結果から（００１）方向に配向していることがわかった。

図３は、図２と同じ試料を３００℃でアニールした後の断面透過電子顕微鏡写真及び各層についての電子線回折像である。ＣＦＧＧ薄膜の結晶構造の改善のため、図２と同じ試料を３００〜４００℃でアニールしてある。上記の積層状態のＣＰＰＧＭＲ素子膜は、単結晶ＭｇＯ基板１１から上部Ａｇキャップ層１６ａまですべて（００１）方向に配向したエピタキシャル成長をしている。また電子線回折の結果、ＣｕＺｎのＢ２規則構造による回折は見られないため、スペーサ層１４はＣｕＺｎのｂｃｃの不規則構造であると考えられる。平衡状態図ではＣｕＺｎはＢ２規則構造を持つ合金であるが、ＣＰＰＧＭＲ用の薄膜を作成したところＣｕＺｎはＢ２規則構造ではなくｂｃｃ構造の不規則合金であった。

次に、図４の素子構造の詳細を説明する。なお、図４において、前記図１と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。図において、酸化シリコン層１７は、図１に示す下部強磁性層１３、スペーサ層１４、上部強磁性層１５、キャップ層１６の周囲に設けられるもので、Ａｇの下地層１２ｂの上に積層されている。銅電極層１８は、酸化シリコン層１７とキャップ層１６の上に積層されている。定電流源１９は、導線２０ａ、２０ｂによってＡｇの下地層１２ｂと銅電極層１８に接続されており、ＣＰＰＧＭＲ素子の膜面の垂直方向に定電流を流す。電圧計２１は、導線２２ａ、２２ｂによってＡｇの下地層１２ｂと銅電極層１８に接続されており、ＣＰＰＧＭＲ素子の膜面の垂直方向に発生する電圧を測定する。定電流源１９の電流値と、電圧計２１の測定電圧値から、ＣＰＰＧＭＲ素子の膜面の垂直方向の電気抵抗が測定できるため、ＣＰＰＧＭＲ素子の磁界に対する電気抵抗の変化を調べることができる。

図５は、ＣｕＺｎをスペーサ層に用いた素子の、印加磁場に対する電気抵抗×素子面積の変化を説明する一例図で、横軸が印加磁場Ｈ（ｋＡ／ｍ）、縦軸が電気抵抗×素子面積［ｍΩ?μｍ^２］である。印加磁場Ｈ（ｋＡ／ｍ）を−８０ｋＡ／ｍから＋８０ｋＡ／ｍまで増加させると、−８０ｋＡ／ｍから−１０ｋＡ／ｍまでは５１．６［ｍΩ?μｍ^２］程度、−１０ｋＡ／ｍから０ｋＡ／ｍまでは５３．２から５５．０［ｍΩ?μｍ^２］程度まで直線状に増加し、０ｋＡ／ｍから＋３０ｋＡ／ｍまでは６２から６０．５［ｍΩ?μｍ^２］程度まで漸減し、＋３０ｋＡ／ｍから＋８０ｋＡ／ｍまでは再び５１．６［ｍΩ?μｍ^２］程度となっている。印加磁場Ｈ（ｋＡ／ｍ）を＋８０ｋＡ／ｍから−８０ｋＡ／ｍまで減少させると、印加磁場Ｈが０ｋＡ／ｍを中心線として、印加磁場Ｈを増加させる場合とほぼ対称な曲線となっている。

図６は、アニール温度に対する磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡの説明図である。ここでは、黒丸はＣｕＺｎ、黒三角印はＣｕ_３Ａｌ、ｘ印はＡｇをそれぞれスペーサ層に用いた場合の結果を表している。図６では、素子の単位面積当たり電気抵抗の変化量ΔＲＡをアニール温度Ｔａに対してプロットしてある。従来手法によるＡｇをスペーサ層に用いた場合は、Ｔａ＝４００℃でΔＲＡ＝８．５［ｍΩ?μｍ^２］であるところ、本発明によるＣｕＺｎをスペーサ層に用いた場合は、Ｔａ＝４００℃でΔＲＡ＝１０．５［ｍΩ?μｍ^２］と、従来例に比べ大きな値が得られると共に、アニール温度Ｔａも低くて済み、高温でのアニールによる薄膜層の損壊も防止できる。

実施例２では、実施例１と同様の積層構造であるが、スペーサ層１４としてＣｕＺｎに代えてＣｕ_３Ａｌを用いている。すなわち、ＭｇＯ基板板上に下から、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１００）／ＣＦＧＧ（１０）／Ｃｕ_３Ａｌ（５）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）膜構成でスパッタ法により製膜を行った。次に、Ｘ線回折によって結晶構造を調べた。図７は、実施例２の積層状態のＣＰＰＧＭＲ素子膜のＸ線回折パターン図である。Ｘ線回折における２θで表すと、ＭｇＯ基板の反射によって３９°、４１°、４３°付近の３本の鋭いピークがある。ＣＦＧＧ（００２）方向の反射によって３１°が存在するはずであるが、ノイズに埋もれて見えない。また、ＣＦＧＧ（００４）方向の反射によって６４°付近の鈍いピークがある。また、Ａｇ（００２）方向の反射によって４３°があり、Ｃｕ_３Ａｌ（００４）方向の反射によって６０°付近の鈍いピークがあり、Ｃｒ（００２）方向の反射によって６４°付近の鈍いピークがある。よって結晶構造を調べたところ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ_３Ａｌ、ＣＦＧＧ各層は（００１）方向に配向していることがわかった。

Ｃｕ_３Ａｌの構造を詳細に調べるため、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１０）／ＣＦＧＧ（５）／Ｃｕ_３Ａｌ（２０）と厚いＣｕ_３Ａｌ層の試料を作製しＸ線回折を測定したところ、図７に示すようにＣｕ_３ＡｌのＤ０_３規則構造を示す（００２）のピークは見られず、ｂｃｃの不規則構造であることが示された。平衡状態図によると、Ｃｕ_３ＡｌはＤ０_３型規則構造の相が高温でのみ存在することが知られているが、実際にＣＰＰＧＭＲ用の薄膜を作成したところＣｕ_３ＡｌはＤ０_３型規則構造ではなくｂｃｃ構造の不規則合金であった。
次に、実施例１と同様に、試料を３００〜４００℃でアニールした後、微細加工を行って図４と同様の構造の素子を作製し、磁界に対する電気抵抗の変化を調べた。測定の結果得られたΔＲＡを実施例１と同じ図６に示す。アニール温度Ｔａ＝３００℃では、スペーサ層にＡｇを用いた場合でΔＲＡ＝５．０［ｍΩ?μｍ^２］であるところ、本発明によるＣｕ_３Ａｌをスペーサ層に用いた場合は、ΔＲＡ＝６．２［ｍΩ?μｍ^２］と、従来例に比べ大きな値が得られた。

なお、上記の実施の形態においては、（００１）方向に配向したエピタキシャル膜を示しているが、結晶方位はこれに限られるものではなく、（１１０）、（１１１）、（２１１）等の適宜の方向に配向したエピタキシャル膜でもよい。また基板の構造は単結晶に限られるものではなく多結晶でもよい。多結晶の場合においても結晶方位は（００１）、（１１０）、（１１１）、（２１１）等の適宜の方向に配向していてもよく、あるいは全く配向していなくてもよい。

図１に示す構造に加え、上部強磁性層の上にピニング層としてＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金等の反強磁性体の層を追加し、交換異方性によって上部強磁性層の磁化反転を抑えることにより、上部強磁性層と下部強磁性層が反平行に磁化した状態を安定化することができる。ピニング層は下部強磁性層の下に挿入してもよい。

本発明の面直方向磁気抵抗効果（ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子は、磁気ディスク用読み取りヘッド用として使用するのに適しており、また微細な磁性情報の検出にも利用できる。

１１ 基板
１２、１２ａ、１２ｂ 下地層
１３ 下部強磁性層
１４ スペーサ層
１５ 上部強磁性層
１６ａ、１６ｂ キャップ層

Claims (14)

1. ホイスラー合金を含んでなる下部強磁性層及び上部強磁性層、並びに該下部強磁性層と該上部強磁性層との間に挟まれたスペーサ層を備える磁気抵抗素子であって、
   該スペーサ層がｂｃｃ構造を持つ合金を含んでなり、
   該合金が、ＣｕとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金であることを特徴とする上記磁気抵抗素子。
2. 前記合金が、ｂｃｃの不規則構造を有する合金である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 更に基板を備え、該基板は表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、及びＭｇＯ基板からなる群より選ばれる少なくとも一種類であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記基板の上に形成され、前記ホイスラー合金を所定の結晶方向にエピタキシャル成長させる機能を有する配向層を更に備え、
   該配向層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、及びＣｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はその合金を含み、前記ホイスラー合金のエピタキシャル成長する結晶方向は（００１）方向であることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記下部強磁性層と前記上部強磁性層は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金を含んでなり、前記ＡはＣｒ、Ｍｎ、若しくはＦｅ、またはこれらのうちの２種類以上の組み合わせ（但し、Ａの合計の量は１）、前記ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、若しくはＳｎ、またはこれらのうちの２種類以上の組み合わせ（但し、Ｂの合計の量は１）であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
6. 前記下部強磁性層と前記上部強磁性層は、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金を含んでなり、該ホイスラー強磁性合金が、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、及びＣｏ_２ＦｅＳｉからなる群から選ばれたホイスラー強磁性合金であることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗素子。
7. さらに、磁気抵抗測定用の電極である下地層を備え、該下地層が前記配向層と前記下部強磁性層との間に設けられることを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗素子。
8. さらに、前記上部強磁性層に積層された、表面保護用のキャップ層を備え、
   該キャップ層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、ＲｕおよびＰｔからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はその合金を含んでなることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
9. さらに、前記上部強磁性層の上又は前記下部強磁性層の下に設けられたピニング層を備え、該ピニング層は反強磁性体の層であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の磁気抵抗素子。
10. 前記反強磁性体が、ＩｒＭｎ合金、又はＰｔＭｎ合金である、請求項９に記載の磁気抵抗素子。
11. 少なくとも２層のホイスラー合金薄膜間に少なくとも１層の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（ＣＰＰＧＭＲ）素子であって、
    該ホイスラー合金薄膜が、それぞれ、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金を含んでなり、該ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_ｘ−１）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_０．５Ｓｉ_０．５、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、及びＣｏ_２ＦｅＳｉからなる群より選ばれたホイスラー強磁性合金であり、
    該スペーサ層がｂｃｃ構造を持つ合金を含んでなり、該合金がＣｕとＡｌからなるｂｃｃ構造の合金であることを特徴とする電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子。
12. 前記合金が、ｂｃｃの不規則構造を有する合金である、請求項１１に記載の電流垂直型巨大磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子。
13. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の磁気抵抗素子又は請求項１１若しくは１２に記載の電流垂直型巨大磁気抵抗素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
14. 請求項１３に記載の磁気ヘッドを備えることを特徴とする磁気再生装置。