JPH0582342A - 磁気抵抗効果素子薄膜およびその製造方法 - Google Patents
磁気抵抗効果素子薄膜およびその製造方法Info
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- JPH0582342A JPH0582342A JP7216592A JP7216592A JPH0582342A JP H0582342 A JPH0582342 A JP H0582342A JP 7216592 A JP7216592 A JP 7216592A JP 7216592 A JP7216592 A JP 7216592A JP H0582342 A JPH0582342 A JP H0582342A
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
- H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 Ｃｏ／Ｃｕ人工格子磁気抵抗効果素子薄膜に
おいて、磁気抵抗のヒステリシスをなくす。 【構成】 サファイヤ（０００１）基板上に直接、また
はバッファー層上に、あるいはシリコン（１１１）基板
上の銀（１１１）のエピタキシャルバッファー層上に、
超高真空中、基板温度５０℃以下で、六方晶あるいは面
心立方晶の最稠密面を持つＣｏ層と、面心立方晶の最稠
密面を持つＣｕ層とが交互にエピタキシャル成長した人
工格子膜を形成する。
おいて、磁気抵抗のヒステリシスをなくす。 【構成】 サファイヤ（０００１）基板上に直接、また
はバッファー層上に、あるいはシリコン（１１１）基板
上の銀（１１１）のエピタキシャルバッファー層上に、
超高真空中、基板温度５０℃以下で、六方晶あるいは面
心立方晶の最稠密面を持つＣｏ層と、面心立方晶の最稠
密面を持つＣｕ層とが交互にエピタキシャル成長した人
工格子膜を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁気センサ―や薄膜磁気
ヘッドなどに用いられる磁気抵抗効果素子薄膜およびそ
の製造方法に関するものである。
ヘッドなどに用いられる磁気抵抗効果素子薄膜およびそ
の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】１９８８年に発見された鉄（Ｆｅ）とク
ロム（Ｃｒ）を積層したＦｅ／Ｃｒ人工格子のいわゆる
巨大磁気抵抗効果は、従来知られているパ―マロイ薄膜
の４〜５％の磁気抵抗比に比べると、室温における磁気
抵抗比が１０数％にもなり、磁気センサ―や薄膜磁気ヘ
ッドなどへの応用上有用な材料である。しかしながら磁
気抵抗の飽和する磁場が２０キロエ―ルステッド（ kO
e）と非常に大きく、この値の小さい人工格子の探求が
不可欠となっている。１９９１年になって１０オングス
トロ―ムのコバルト（Ｃｏ）と９オングストロ―ムの銅
（Ｃｕ）を積層したＣｏ（１０オングストロ―ム）／Ｃ
ｕ（９オングストロ―ム）人工格子が、磁気抵抗の飽和
する磁場が２ kOeでかつ室温における磁気抵抗比が３５
％と、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子を上回る特性を持つことが発
見された（フィジカル・レビュ―・レタ―ズ，第６６
巻，２１５２ペ―ジ，１９９１年）。一方、Ｃｏ（１５
オングストロ―ム）／Ｃｕ（２０オングストロ―ム）人
工格子では、磁気抵抗の飽和する磁場が４００エ―ルス
テッド（Oe）で磁気抵抗比も２０％程度と、優れた磁気
抵抗特性も得られるようになった（ジャ―ナル・オブ・
マグネティズム・アンド・マグネティック・マテリアル
ズ，第９４巻，Ｌ１ペ―ジ，１９９１年）。
ロム（Ｃｒ）を積層したＦｅ／Ｃｒ人工格子のいわゆる
巨大磁気抵抗効果は、従来知られているパ―マロイ薄膜
の４〜５％の磁気抵抗比に比べると、室温における磁気
抵抗比が１０数％にもなり、磁気センサ―や薄膜磁気ヘ
ッドなどへの応用上有用な材料である。しかしながら磁
気抵抗の飽和する磁場が２０キロエ―ルステッド（ kO
e）と非常に大きく、この値の小さい人工格子の探求が
不可欠となっている。１９９１年になって１０オングス
トロ―ムのコバルト（Ｃｏ）と９オングストロ―ムの銅
（Ｃｕ）を積層したＣｏ（１０オングストロ―ム）／Ｃ
ｕ（９オングストロ―ム）人工格子が、磁気抵抗の飽和
する磁場が２ kOeでかつ室温における磁気抵抗比が３５
％と、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子を上回る特性を持つことが発
見された（フィジカル・レビュ―・レタ―ズ，第６６
巻，２１５２ペ―ジ，１９９１年）。一方、Ｃｏ（１５
オングストロ―ム）／Ｃｕ（２０オングストロ―ム）人
工格子では、磁気抵抗の飽和する磁場が４００エ―ルス
テッド（Oe）で磁気抵抗比も２０％程度と、優れた磁気
抵抗特性も得られるようになった（ジャ―ナル・オブ・
マグネティズム・アンド・マグネティック・マテリアル
ズ，第９４巻，Ｌ１ペ―ジ，１９９１年）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】Ｃｏ／Ｃｕ人工格子は
前述したように磁気抵抗の飽和する磁場が小さくかつ磁
気抵抗比を大きくとることができるものの、ヒステリシ
スが大きいという欠点を持つ。センサ―あるいは磁気ヘ
ッドとして用いる場合には磁気抵抗比が大きいこと、ヒ
ステリシスがないことが望ましい。本発明の目的は、ヒ
ステリシスのないＣｏ／Ｃｕ人工格子膜およびその製造
方法を提供することにある。
前述したように磁気抵抗の飽和する磁場が小さくかつ磁
気抵抗比を大きくとることができるものの、ヒステリシ
スが大きいという欠点を持つ。センサ―あるいは磁気ヘ
ッドとして用いる場合には磁気抵抗比が大きいこと、ヒ
ステリシスがないことが望ましい。本発明の目的は、ヒ
ステリシスのないＣｏ／Ｃｕ人工格子膜およびその製造
方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の第１は、サファ
イヤ（０００１）単結晶基板上に、コバルト（Ｃｏ）と
銅（Ｃｕ）が交互にエピタキシャル成長した人工格子膜
が形成されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素子薄
膜である。本発明の第２は、サファイヤ（０００１）単
結晶基板上に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジ
ウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａ
ｕ）のうちの１種または２種以上からなる金属元素また
はその合金よりなるエピタキシャルバッファー層が形成
され、該エピタキシャルバッファー層上に、コバルト
（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）が交互にエピタキシャル成長した
人工格子膜が形成されてなることを特徴とする磁気抵抗
効果素子薄膜である。ここで、エピタキシャルバッファ
ー層の成長面は、面心立方格子の（１１１）面であるこ
とが好ましい。本発明の第３は、シリコン（1 1 1 ）単
結晶基板上にエピタキシャル成長した（1 1 1 ）の銀バ
ッファ―層の上に、コバルト（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）が交
互にエピタキシャル成長した人工格子膜からなることを
特徴とする磁気抵抗効果素子薄膜である。
イヤ（０００１）単結晶基板上に、コバルト（Ｃｏ）と
銅（Ｃｕ）が交互にエピタキシャル成長した人工格子膜
が形成されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素子薄
膜である。本発明の第２は、サファイヤ（０００１）単
結晶基板上に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジ
ウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａ
ｕ）のうちの１種または２種以上からなる金属元素また
はその合金よりなるエピタキシャルバッファー層が形成
され、該エピタキシャルバッファー層上に、コバルト
（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）が交互にエピタキシャル成長した
人工格子膜が形成されてなることを特徴とする磁気抵抗
効果素子薄膜である。ここで、エピタキシャルバッファ
ー層の成長面は、面心立方格子の（１１１）面であるこ
とが好ましい。本発明の第３は、シリコン（1 1 1 ）単
結晶基板上にエピタキシャル成長した（1 1 1 ）の銀バ
ッファ―層の上に、コバルト（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）が交
互にエピタキシャル成長した人工格子膜からなることを
特徴とする磁気抵抗効果素子薄膜である。
【０００５】上記の磁気抵抗効果素子薄膜は、コバルト
と銅の成長面が、それぞれ六方晶のＣｏ（0 0 0 1 ）面
および面心立方晶のＣｕ（1 11 ）面であり、Ｃｏの〈-
1 2-1 0 〉方向とＣｕの〈-1 1 0〉方向、およびＣｏの
〈1 0 -1 0〉方向とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行
のエピタキシャル関係を持って成長しているか、あるい
はコバルトと銅の成長面が、いずれも面心立方晶の（1
1 1 ）面であり、Ｃｏの〈-1 1 0〉方向とＣｕの〈-1 1
0〉方向、およびＣｏの〈2 2 -1〉方向とＣｕの〈2 2
-1〉方向が互いに平行のエピタキシャル関係を持って成
長していることを好適とする。
と銅の成長面が、それぞれ六方晶のＣｏ（0 0 0 1 ）面
および面心立方晶のＣｕ（1 11 ）面であり、Ｃｏの〈-
1 2-1 0 〉方向とＣｕの〈-1 1 0〉方向、およびＣｏの
〈1 0 -1 0〉方向とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行
のエピタキシャル関係を持って成長しているか、あるい
はコバルトと銅の成長面が、いずれも面心立方晶の（1
1 1 ）面であり、Ｃｏの〈-1 1 0〉方向とＣｕの〈-1 1
0〉方向、およびＣｏの〈2 2 -1〉方向とＣｕの〈2 2
-1〉方向が互いに平行のエピタキシャル関係を持って成
長していることを好適とする。
【０００６】またその製造方法は、第１の発明について
は、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧力の超高真空
下で、基板温度を５０℃以下にし、コバルトと銅をサフ
ァイヤ（０００１）基板上に交互に積層して人工格子膜
とすることを特徴とする。また、第２の発明について
は、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧力の超高真空
下で、基板温度を１００℃以下でサファイヤ（０００
１）基板上にバッファー層を成長させ、該バッファーを
熱処理した後、基板温度を５０℃以下にし、コバルトと
銅を該バッファー層上に交互に積層して人工格子膜とす
ることを特徴とする。また、第３の発明については、１
０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧力の超高真空下で、
基板温度を８０℃以下で銀をエピタキシャル成長させ、
該銀バッファ―膜を熱処理した後、基板温度を５０℃以
下にし、コバルトと銅を該銀バッファ―層上に交互に積
層して人工格子膜とすることを特徴とする。
は、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧力の超高真空
下で、基板温度を５０℃以下にし、コバルトと銅をサフ
ァイヤ（０００１）基板上に交互に積層して人工格子膜
とすることを特徴とする。また、第２の発明について
は、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧力の超高真空
下で、基板温度を１００℃以下でサファイヤ（０００
１）基板上にバッファー層を成長させ、該バッファーを
熱処理した後、基板温度を５０℃以下にし、コバルトと
銅を該バッファー層上に交互に積層して人工格子膜とす
ることを特徴とする。また、第３の発明については、１
０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧力の超高真空下で、
基板温度を８０℃以下で銀をエピタキシャル成長させ、
該銀バッファ―膜を熱処理した後、基板温度を５０℃以
下にし、コバルトと銅を該銀バッファ―層上に交互に積
層して人工格子膜とすることを特徴とする。
【０００７】
【作用】従来の技術の項で述べたＣｏ／Ｃｕ人工格子は
スパッタ法によって作製され、その構造は多結晶膜ある
いは配向膜となっている。このために磁気抵抗曲線にヒ
ステリシスが生ずるものと考えられる。一方、エピタキ
シャル成長させたＣｏ／Ｃｕ人工格子は、薄膜の成長方
向のみならず、薄膜面内の結晶方位がはっきり定義され
た単結晶膜であり、多結晶構造あるいは配向構造に基づ
く結晶方位のゆらぎがないので、磁壁の動きが可逆的に
なり、そのために磁気抵抗曲線のヒステリシスがなくな
ると考えられる。また六方晶のコバルト（0 0 0 1）面
あるいは面心立方晶のコバルト（1 1 1）面および面心
立方晶の銅（1 1 1 ）面はいずれも最稠密面であること
から、コバルトと銅の界面は非常に平坦になっていると
考えられ、このこともヒステリシスのない磁気抵抗曲線
が得られる要因となっている。
スパッタ法によって作製され、その構造は多結晶膜ある
いは配向膜となっている。このために磁気抵抗曲線にヒ
ステリシスが生ずるものと考えられる。一方、エピタキ
シャル成長させたＣｏ／Ｃｕ人工格子は、薄膜の成長方
向のみならず、薄膜面内の結晶方位がはっきり定義され
た単結晶膜であり、多結晶構造あるいは配向構造に基づ
く結晶方位のゆらぎがないので、磁壁の動きが可逆的に
なり、そのために磁気抵抗曲線のヒステリシスがなくな
ると考えられる。また六方晶のコバルト（0 0 0 1）面
あるいは面心立方晶のコバルト（1 1 1）面および面心
立方晶の銅（1 1 1 ）面はいずれも最稠密面であること
から、コバルトと銅の界面は非常に平坦になっていると
考えられ、このこともヒステリシスのない磁気抵抗曲線
が得られる要因となっている。
【０００８】上記のような単結晶のＣｏ／Ｃｕ人工格子
膜の作製にあたっては、エピタキシャル成長が不可避で
ある。エピタキシャル成長には、少なくとも基板あるい
は下地バッファ―層とこの上に成長させる材料との間
に、類似の対称性と格子ミスマッチの小さいことが要求
される。以上の点からすると、基板としては、サファイ
ヤの（0 0 0 1）単結晶基板あるいはシリコンの（1 1 1
）単結晶基板が適しているサファイヤは六方晶の結晶
で、化学的・物理的に極めて安定であり、かつ高品質の
単結晶が人工的に作られ、その（０００１）面は六方晶
の（０００１）あるいは面心立方の（１１１）を成長方
向に持つエピタキシャル膜の成長用の基板に適してい
る。サファイヤの（０００１）基板上にはコバルトおよ
び銅の最稠密面が成長するが、ニッケル、銅、パラジウ
ム、銀、白金、金より選ばれる１種または２種類以上か
らなる金属元素またはその合金のエピタキシャルバッフ
ァー層を用いることによって、下地バッファー層がない
場合に比べ、より平坦なＣｏ／Ｃｕ人工格子膜が得られ
る。
膜の作製にあたっては、エピタキシャル成長が不可避で
ある。エピタキシャル成長には、少なくとも基板あるい
は下地バッファ―層とこの上に成長させる材料との間
に、類似の対称性と格子ミスマッチの小さいことが要求
される。以上の点からすると、基板としては、サファイ
ヤの（0 0 0 1）単結晶基板あるいはシリコンの（1 1 1
）単結晶基板が適しているサファイヤは六方晶の結晶
で、化学的・物理的に極めて安定であり、かつ高品質の
単結晶が人工的に作られ、その（０００１）面は六方晶
の（０００１）あるいは面心立方の（１１１）を成長方
向に持つエピタキシャル膜の成長用の基板に適してい
る。サファイヤの（０００１）基板上にはコバルトおよ
び銅の最稠密面が成長するが、ニッケル、銅、パラジウ
ム、銀、白金、金より選ばれる１種または２種類以上か
らなる金属元素またはその合金のエピタキシャルバッフ
ァー層を用いることによって、下地バッファー層がない
場合に比べ、より平坦なＣｏ／Ｃｕ人工格子膜が得られ
る。
【０００９】エピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成
長にあたっては、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧
力の超高真空下で、基板温度を５０℃以下にし、コバル
トと銅を直接またはバッファー層上に交互に積層するこ
とが必要である。人工格子の成長時の真空度が悪いとエ
ピタキシャル膜にならず配向膜あるいは多結晶体の膜に
なってしまう。また基板温度を５０℃よりも高くして成
長させた場合は、コバルト、銅が凝集し島状成長が生
じ、平坦な界面構造をもつ人工格子の成長が困難にな
る。
長にあたっては、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い圧
力の超高真空下で、基板温度を５０℃以下にし、コバル
トと銅を直接またはバッファー層上に交互に積層するこ
とが必要である。人工格子の成長時の真空度が悪いとエ
ピタキシャル膜にならず配向膜あるいは多結晶体の膜に
なってしまう。また基板温度を５０℃よりも高くして成
長させた場合は、コバルト、銅が凝集し島状成長が生
じ、平坦な界面構造をもつ人工格子の成長が困難にな
る。
【００１０】またニッケル、銅、パラジウム、銀、白
金、金より選ばれる１種または２種類以上からなる金属
元素またはその合金のエピタキシャルバッファー層の成
長にあたっては、該バッファー層上に成長させるＣｏ／
Ｃｕ人工格子に平坦な界面構造をもたせるためには、該
バッファー層は平坦な表面をもっていることが必要であ
る。このためには、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い
圧力の超高真空下で、基板温度を１００℃以下でサファ
イヤ（0 0 0 1）基板上にバッファー層を成長させ、該
バッファーを熱処理することが必須である。バッファー
層の成長時の真空度が悪いとバッファー層がエピタキシ
ャル成長せず配向膜あるいは多結晶体の膜となってしま
う。基板温度が１００℃よりも高い場合には、バッファ
ー層が島状成長し、凹凸の激しい表面となってしまう。
１００℃以下で成長させると結晶粒サイズの小さいエピ
タキシャル膜が得られるが、これに熱処理を加えること
によって、再結晶化が進み表面平坦性の優れた（１１
１）の成長面をもつバッファー層が得られる。このエピ
タキシャルバッファー層上にやはり１０-8Ｔｏｒｒまた
はこれより低い圧力の超高真空下で、基板温度を５０℃
以下にし、コバルトと銅を該バッファー層上に交互に積
層することによってエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子
膜を得ることができる。以上のようにして作製したサフ
ァイヤ（0 0 0 1）基板上のエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ
人工格子膜は、磁気抵抗の磁場依存性が直線的で、ヒス
テリシスのない磁気抵抗曲線が得られるものである。
金、金より選ばれる１種または２種類以上からなる金属
元素またはその合金のエピタキシャルバッファー層の成
長にあたっては、該バッファー層上に成長させるＣｏ／
Ｃｕ人工格子に平坦な界面構造をもたせるためには、該
バッファー層は平坦な表面をもっていることが必要であ
る。このためには、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い
圧力の超高真空下で、基板温度を１００℃以下でサファ
イヤ（0 0 0 1）基板上にバッファー層を成長させ、該
バッファーを熱処理することが必須である。バッファー
層の成長時の真空度が悪いとバッファー層がエピタキシ
ャル成長せず配向膜あるいは多結晶体の膜となってしま
う。基板温度が１００℃よりも高い場合には、バッファ
ー層が島状成長し、凹凸の激しい表面となってしまう。
１００℃以下で成長させると結晶粒サイズの小さいエピ
タキシャル膜が得られるが、これに熱処理を加えること
によって、再結晶化が進み表面平坦性の優れた（１１
１）の成長面をもつバッファー層が得られる。このエピ
タキシャルバッファー層上にやはり１０-8Ｔｏｒｒまた
はこれより低い圧力の超高真空下で、基板温度を５０℃
以下にし、コバルトと銅を該バッファー層上に交互に積
層することによってエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子
膜を得ることができる。以上のようにして作製したサフ
ァイヤ（0 0 0 1）基板上のエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ
人工格子膜は、磁気抵抗の磁場依存性が直線的で、ヒス
テリシスのない磁気抵抗曲線が得られるものである。
【００１１】またシリコン基板を用いる場合には、シリ
コン上に蒸着した銅はたとえ室温であってもすぐに銅が
シリコン中に拡散してしまうし、またシリコンとコバル
トもお互いに反応を起こし、コバルトシリサイドを形成
してしまう。従ってシリコン上に直接エピタキシャルＣ
ｏ／Ｃｕ人工格子を作製するのは困難である。そこでシ
リコンと反応せず、かつコバルトあるいは銅とも反応を
起こさない金属のバッファ―層が必要になる。このよう
なバッファ―層としては銀が最適である。
コン上に蒸着した銅はたとえ室温であってもすぐに銅が
シリコン中に拡散してしまうし、またシリコンとコバル
トもお互いに反応を起こし、コバルトシリサイドを形成
してしまう。従ってシリコン上に直接エピタキシャルＣ
ｏ／Ｃｕ人工格子を作製するのは困難である。そこでシ
リコンと反応せず、かつコバルトあるいは銅とも反応を
起こさない金属のバッファ―層が必要になる。このよう
なバッファ―層としては銀が最適である。
【００１２】エピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成
長にあたっては、平坦な表面を持つ銀バッファ―層が必
要であり、そのためには、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれよ
り低い圧力の超高真空下で、まず８０℃以下の基板温度
で銀をシリコン（1 1 1 ）単結晶基板上に堆積した後、
熱処理を行うことが必須である。銀の蒸着時の真空度が
悪いと銀がエピタキシャル成長せず多結晶体の膜になっ
てしまう。また基板温度を８０℃よりも高くして蒸着し
た場合は、銀が島状に成長してしまい、特に膜厚が薄い
場合には連続膜とはならない。８０℃以下で蒸着する
と、そのままでは表面が凸凹の連続膜となるが、蒸着後
に熱処理を加えることによって、表面平坦性の優れたエ
ピタキシャル銀（1 1 1）膜ができる。このエピタキシ
ャル銀バッファ―層上にやはり１０-8Ｔｏｒｒまたはこ
れより低い圧力の超高真空下で、５０℃以下の基板温度
でコバルトと銅を交互に積層することによってエピタキ
シャルＣｏ／Ｃｕ人工格子を得ることができる。このと
き基板温度が５０℃より高いと銀の場合と同じように島
状成長が起こり、人工格子構造が規則正しくできない。
以上のようにして作製したシリコン（1 1 1）基板／銀
バッファー層上のエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜
は、磁気抵抗の飽和する磁場が小さく、ヒステリシスの
ない磁気抵抗曲線が得られる。
長にあたっては、平坦な表面を持つ銀バッファ―層が必
要であり、そのためには、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれよ
り低い圧力の超高真空下で、まず８０℃以下の基板温度
で銀をシリコン（1 1 1 ）単結晶基板上に堆積した後、
熱処理を行うことが必須である。銀の蒸着時の真空度が
悪いと銀がエピタキシャル成長せず多結晶体の膜になっ
てしまう。また基板温度を８０℃よりも高くして蒸着し
た場合は、銀が島状に成長してしまい、特に膜厚が薄い
場合には連続膜とはならない。８０℃以下で蒸着する
と、そのままでは表面が凸凹の連続膜となるが、蒸着後
に熱処理を加えることによって、表面平坦性の優れたエ
ピタキシャル銀（1 1 1）膜ができる。このエピタキシ
ャル銀バッファ―層上にやはり１０-8Ｔｏｒｒまたはこ
れより低い圧力の超高真空下で、５０℃以下の基板温度
でコバルトと銅を交互に積層することによってエピタキ
シャルＣｏ／Ｃｕ人工格子を得ることができる。このと
き基板温度が５０℃より高いと銀の場合と同じように島
状成長が起こり、人工格子構造が規則正しくできない。
以上のようにして作製したシリコン（1 1 1）基板／銀
バッファー層上のエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜
は、磁気抵抗の飽和する磁場が小さく、ヒステリシスの
ない磁気抵抗曲線が得られる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 実施例１ 図１は本発明の磁気抵抗効果素子薄膜の断面図である。
図１（ａ）ではサファイヤ（0 0 0 1）単結晶基板１上
にエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜２が直接成長し
た構造を有し、六方晶のコバルト（0 0 0 1）面あるい
は面心立方晶のコバルト（1 1 1）面と、面心立方晶の
銅（1 1 1）面が互いに平行で、六方晶のＣｏ＜-1 2 -1
0＞方向あるいは面心立方晶のＣｏ＜-1 1 0＞方向とＣ
ｕ＜-1 10＞方向、および六方晶のＣｏ＜1 0 -1 0＞方
向あるいは面心立方晶のＣｏ＜2 2-1＞方向とＣｕ＜2 2
-1＞方向が互いに平行のエピタキシャル関係をもって
成長したエピタキシャルコバルト層３およびエピタキシ
ャル銅層４の積層構造よりなっている。
図１（ａ）ではサファイヤ（0 0 0 1）単結晶基板１上
にエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜２が直接成長し
た構造を有し、六方晶のコバルト（0 0 0 1）面あるい
は面心立方晶のコバルト（1 1 1）面と、面心立方晶の
銅（1 1 1）面が互いに平行で、六方晶のＣｏ＜-1 2 -1
0＞方向あるいは面心立方晶のＣｏ＜-1 1 0＞方向とＣ
ｕ＜-1 10＞方向、および六方晶のＣｏ＜1 0 -1 0＞方
向あるいは面心立方晶のＣｏ＜2 2-1＞方向とＣｕ＜2 2
-1＞方向が互いに平行のエピタキシャル関係をもって
成長したエピタキシャルコバルト層３およびエピタキシ
ャル銅層４の積層構造よりなっている。
【００１４】図１（ｂ）ではサファイヤ（0 0 0 1）単
結晶基板１上に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラ
ジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａ
ｕ）より選ばれる１種または２種類以上からなる金属元
素またはその合金のエピタキシャルバッファー層５上
に、エピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜２が成長した
構造を有し、六方晶のコバルト（0 0 0 1）面あるいは
面心立方晶のコバルト（1 11）面と、面心立方晶の銅
（1 11）面が互いに平行で、六方晶のＣｏ＜-1 2 -10＞
方向あるいは面心立方晶のＣｏ＜-1 1 0＞方向とＣｕ＜
-1 1 0＞方向、および六方晶のＣｏ＜1 0 -1 0＞方向あ
るいは面心立方晶のＣｏ＜2 2 -1＞方向とＣｕ＜2 2 -1
＞方向が互いに平行のエピタキシャル関係をもって成長
したエピタキシャルコバルト層３およびエピタキシャル
銅層４の積層構造よりなっている。
結晶基板１上に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラ
ジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａ
ｕ）より選ばれる１種または２種類以上からなる金属元
素またはその合金のエピタキシャルバッファー層５上
に、エピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜２が成長した
構造を有し、六方晶のコバルト（0 0 0 1）面あるいは
面心立方晶のコバルト（1 11）面と、面心立方晶の銅
（1 11）面が互いに平行で、六方晶のＣｏ＜-1 2 -10＞
方向あるいは面心立方晶のＣｏ＜-1 1 0＞方向とＣｕ＜
-1 1 0＞方向、および六方晶のＣｏ＜1 0 -1 0＞方向あ
るいは面心立方晶のＣｏ＜2 2 -1＞方向とＣｕ＜2 2 -1
＞方向が互いに平行のエピタキシャル関係をもって成長
したエピタキシャルコバルト層３およびエピタキシャル
銅層４の積層構造よりなっている。
【００１５】本発明の実施にあたっては図２に示した超
高真空蒸着装置を用いて行った。図２の蒸着装置の真空
チャンバ内にはコバルトと銅を充填した２つの電子ビー
ム蒸着源６ａ、６ｂ、およびバッファー層用の金属を充
填した電子ビーム蒸着源６ｃ、サファイヤ（0 0 0 1）
単結晶基板をマウントした基板ホルダ７、基板加熱用ヒ
ータ８、３つの電子ビーム蒸着源の蒸着速度をモニタす
るための水晶振動子膜厚計９ａ、９ｂ、９ｃ、３つの蒸
着源から出た分子線束の開閉を行うためのシャッタ１０
ａ、１０ｂ、１０ｃ、真空ゲージ１１、サファイヤ基板
上に成長したバッファー層およびコバルト層と銅層の表
面構造評価を行うための反射高速電子線回折（ＲＨＥＥ
Ｄ）用の電子銃１２、および蛍光スクリーン１３を備
え、ゲートバルブ１４を通してクライオポンプ１５によ
り真空排気される。超高真空を得るために、チャンバの
外周にはヒータがとりつけられ、ベーキングができるよ
うになっている。１０-8Ｔｏｒｒより圧力の低い超高真
空のもとでの蒸着は、チャンバを１５０℃で２０時間ベ
ーキングした後行ったが、これより圧力の高い真空下で
の蒸着ではベーキングを行わなかった。磁気抵抗は、リ
ソグラフィーにより作製したパターンを用い、室温、１
０ k0eまでの磁場中で直流４端子法により測定した。端
子の取り出しはアルミニウムワイヤを超音波ボンディン
グで行った。測定電流は５ｍＡとした。
高真空蒸着装置を用いて行った。図２の蒸着装置の真空
チャンバ内にはコバルトと銅を充填した２つの電子ビー
ム蒸着源６ａ、６ｂ、およびバッファー層用の金属を充
填した電子ビーム蒸着源６ｃ、サファイヤ（0 0 0 1）
単結晶基板をマウントした基板ホルダ７、基板加熱用ヒ
ータ８、３つの電子ビーム蒸着源の蒸着速度をモニタす
るための水晶振動子膜厚計９ａ、９ｂ、９ｃ、３つの蒸
着源から出た分子線束の開閉を行うためのシャッタ１０
ａ、１０ｂ、１０ｃ、真空ゲージ１１、サファイヤ基板
上に成長したバッファー層およびコバルト層と銅層の表
面構造評価を行うための反射高速電子線回折（ＲＨＥＥ
Ｄ）用の電子銃１２、および蛍光スクリーン１３を備
え、ゲートバルブ１４を通してクライオポンプ１５によ
り真空排気される。超高真空を得るために、チャンバの
外周にはヒータがとりつけられ、ベーキングができるよ
うになっている。１０-8Ｔｏｒｒより圧力の低い超高真
空のもとでの蒸着は、チャンバを１５０℃で２０時間ベ
ーキングした後行ったが、これより圧力の高い真空下で
の蒸着ではベーキングを行わなかった。磁気抵抗は、リ
ソグラフィーにより作製したパターンを用い、室温、１
０ k0eまでの磁場中で直流４端子法により測定した。端
子の取り出しはアルミニウムワイヤを超音波ボンディン
グで行った。測定電流は５ｍＡとした。
【００１６】サファイヤ（0 0 0 1）単結晶基板上に直
接形成したエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成長
条件について、真空度、基板温度を変えながら調べた。
人工格子のエピタキシャル関係についてはＲＨＥＥＤお
よびＸ線回折により評価するとともに、走査型電子顕微
鏡（ＳＥＭ）により表面の状態を観察した。なお用いた
コバルトと銅の母材の純度は、それぞれ９９．９％、９
９．９９％であった。また蒸着速度は、いずれも０．２
〜０．８オングストロ―ム／秒であった。表１には、３
０オングストロ―ムのコバルトと３０オングストロ―ム
の銅を交互にそれぞれ２０回積層（［Ｃｏ（３０オング
ストローム）／Ｃｕ（３０オングストローム）］×２０
と記す。）させたときの結果、また表２には、［Ｃｏ
（１０オングストローム）／Ｃｕ（４０オングストロー
ム）］×５０人工格子の結果を示した。
接形成したエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成長
条件について、真空度、基板温度を変えながら調べた。
人工格子のエピタキシャル関係についてはＲＨＥＥＤお
よびＸ線回折により評価するとともに、走査型電子顕微
鏡（ＳＥＭ）により表面の状態を観察した。なお用いた
コバルトと銅の母材の純度は、それぞれ９９．９％、９
９．９９％であった。また蒸着速度は、いずれも０．２
〜０．８オングストロ―ム／秒であった。表１には、３
０オングストロ―ムのコバルトと３０オングストロ―ム
の銅を交互にそれぞれ２０回積層（［Ｃｏ（３０オング
ストローム）／Ｃｕ（３０オングストローム）］×２０
と記す。）させたときの結果、また表２には、［Ｃｏ
（１０オングストローム）／Ｃｕ（４０オングストロー
ム）］×５０人工格子の結果を示した。
【００１７】表１および表２のエピタキシャル関係の欄
の「Ａ」、「Ｂ」および「Ｃ」の意味は、「コバルトと
銅の成長面が、六方晶のＣｏ（0 0 0 1）面および面心
立方晶のＣｕ（1 1 1 ）面であり、Ｃｏの〈-12 -1 0
〉方向とＣｕの〈1 1 0 〉方向およびＣｏの〈1 0 -1
0〉方向とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行のエピタ
キシャル関係を持って成長している場合」を「Ａ」と
し、「コバルトと銅の成長面が、コバルトならびに銅い
ずれもが面心立方晶の（11 1 ）面であり、Ｃｏの〈-1
1 0〉方向とＣｕの〈-1 1 0〉方向およびＣｏの〈2 2 -
1〉方向とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行のエピタ
キシャル関係を持って成長している場合」を「Ｂ」と
し、「多結晶または配向膜の場合」を「Ｃ」とした。各
表より、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超高
真空下で、基板温度が５０℃以下でコバルトと銅を交互
に蒸着したときにエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子が
できることがわかる。
の「Ａ」、「Ｂ」および「Ｃ」の意味は、「コバルトと
銅の成長面が、六方晶のＣｏ（0 0 0 1）面および面心
立方晶のＣｕ（1 1 1 ）面であり、Ｃｏの〈-12 -1 0
〉方向とＣｕの〈1 1 0 〉方向およびＣｏの〈1 0 -1
0〉方向とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行のエピタ
キシャル関係を持って成長している場合」を「Ａ」と
し、「コバルトと銅の成長面が、コバルトならびに銅い
ずれもが面心立方晶の（11 1 ）面であり、Ｃｏの〈-1
1 0〉方向とＣｕの〈-1 1 0〉方向およびＣｏの〈2 2 -
1〉方向とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行のエピタ
キシャル関係を持って成長している場合」を「Ｂ」と
し、「多結晶または配向膜の場合」を「Ｃ」とした。各
表より、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超高
真空下で、基板温度が５０℃以下でコバルトと銅を交互
に蒸着したときにエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子が
できることがわかる。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
【００２０】次にバッファー層上に成長させたＣｏ／Ｃ
ｕ人工格子膜の実施例について述べる。実験の結果、ニ
ッケル、銅、パラジウム、銀、白金、金のいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた２種類の金属から
なる合金のエピタキシャルバッファー層としての効果に
特に大きな違いがみられなかったことから以下の実施例
では主に、ニッケルバッファー層上のＣｏ／Ｃｕ人工格
子膜を例に説明する。
ｕ人工格子膜の実施例について述べる。実験の結果、ニ
ッケル、銅、パラジウム、銀、白金、金のいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた２種類の金属から
なる合金のエピタキシャルバッファー層としての効果に
特に大きな違いがみられなかったことから以下の実施例
では主に、ニッケルバッファー層上のＣｏ／Ｃｕ人工格
子膜を例に説明する。
【００２１】サファイヤ（ 0 0 0 1 ）単結晶基板上の
エピタキシャルＮｉバッファー膜の成長条件を調べるた
め、真空度、基板温度および熱処理条件を変えてＮｉバ
ッファー膜を成長させ、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥ
Ｄ）、Ｘ線回折および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によ
り評価した。なお用いたＮｉ母材の純度は９９．９９
％、蒸着速度は１オングストロ―ム／秒、成長させたＮ
ｉの膜厚は１００オングストロ―ムであった。表３に示
すように、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超
高真空下で、基板温度が１００℃以下で蒸着したとき
に、表面は多少凸凹しているものの連続の単結晶膜とな
り、さらにこの膜を熱処理することによって表面の凹凸
がなくなり平坦な単結晶膜となることがわかる。なお表
中のエピタキシャル関係の欄の「○」印は（1 1 1 ）単
結晶膜であることを示し、「×」印はエピタキシャル関
係の認められない多結晶膜あるいは配向膜であることを
意味する（具体的には、ＲＨＥＥＤおよびＸ線回折の結
果より判断した。）。なお本実施例では蒸着速度を１オ
ングストロ―ム／秒としたが、０．１オングストロ―ム
／秒あるいは２オングストロ―ム／秒とした場合も同様
な結果を得た。また膜厚についても１００オングストロ
―ムの場合について記したが、２０オングストロ―ムあ
るいは５００オングストロ―ムでも同様な結果を得た。
エピタキシャルＮｉバッファー膜の成長条件を調べるた
め、真空度、基板温度および熱処理条件を変えてＮｉバ
ッファー膜を成長させ、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥ
Ｄ）、Ｘ線回折および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によ
り評価した。なお用いたＮｉ母材の純度は９９．９９
％、蒸着速度は１オングストロ―ム／秒、成長させたＮ
ｉの膜厚は１００オングストロ―ムであった。表３に示
すように、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超
高真空下で、基板温度が１００℃以下で蒸着したとき
に、表面は多少凸凹しているものの連続の単結晶膜とな
り、さらにこの膜を熱処理することによって表面の凹凸
がなくなり平坦な単結晶膜となることがわかる。なお表
中のエピタキシャル関係の欄の「○」印は（1 1 1 ）単
結晶膜であることを示し、「×」印はエピタキシャル関
係の認められない多結晶膜あるいは配向膜であることを
意味する（具体的には、ＲＨＥＥＤおよびＸ線回折の結
果より判断した。）。なお本実施例では蒸着速度を１オ
ングストロ―ム／秒としたが、０．１オングストロ―ム
／秒あるいは２オングストロ―ム／秒とした場合も同様
な結果を得た。また膜厚についても１００オングストロ
―ムの場合について記したが、２０オングストロ―ムあ
るいは５００オングストロ―ムでも同様な結果を得た。
【００２２】
【表３】
【００２３】サファイヤ（0 0 0 1 ）単結晶基板上に成
長させた平坦な表面を持つＮｉ（11 1 ）エピタキシャ
ル膜（膜厚１００オングストローム）上のエピタキシャ
ルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成長条件について、真空度、
基板温度を変えながら調べた。人工格子のエピタキシャ
ル関係についてはＲＨＥＥＤおよびＸ線回折により評価
するとともに、ＳＥＭにより表面の状態を観察した。な
お用いたコバルトと銅の母材の純度は、それぞれ９９．
９％、９９．９９％であった。また蒸着速度は、いずれ
も０．２〜０．８オングストロ―ム／秒であった。表４
と表５に、[Ｃｏ (３０オングストローム)／Ｃｕ(３０
オングストローム)]×２０ならびに[Ｃｏ(１０オングス
トローム)／Ｃｕ(４０オングストローム)]×５０ 人工
格子膜の結果を示した。１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより
圧力の低い超高真空下で、基板温度が５０℃以下でコバ
ルトと銅を交互に蒸着したときにエピタキシャルＣｏ／
Ｃｕ人工格子膜ができることがわかる。表４および表５
のエピタキシャル関係の欄の「Ａ」、「Ｂ」および
「Ｃ」の意味は、表１ならびに表２で定義したものと同
様である。
長させた平坦な表面を持つＮｉ（11 1 ）エピタキシャ
ル膜（膜厚１００オングストローム）上のエピタキシャ
ルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成長条件について、真空度、
基板温度を変えながら調べた。人工格子のエピタキシャ
ル関係についてはＲＨＥＥＤおよびＸ線回折により評価
するとともに、ＳＥＭにより表面の状態を観察した。な
お用いたコバルトと銅の母材の純度は、それぞれ９９．
９％、９９．９９％であった。また蒸着速度は、いずれ
も０．２〜０．８オングストロ―ム／秒であった。表４
と表５に、[Ｃｏ (３０オングストローム)／Ｃｕ(３０
オングストローム)]×２０ならびに[Ｃｏ(１０オングス
トローム)／Ｃｕ(４０オングストローム)]×５０ 人工
格子膜の結果を示した。１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより
圧力の低い超高真空下で、基板温度が５０℃以下でコバ
ルトと銅を交互に蒸着したときにエピタキシャルＣｏ／
Ｃｕ人工格子膜ができることがわかる。表４および表５
のエピタキシャル関係の欄の「Ａ」、「Ｂ」および
「Ｃ」の意味は、表１ならびに表２で定義したものと同
様である。
【００２４】
【表４】
【００２５】
【表５】
【００２６】次に、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い
圧力の超高真空、基板温度室温の条件のもとで、直接サ
ファイヤ（0 0 0 1 ）単結晶基板上に成長させたエピタ
キシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子およびサファイヤ（0 0 0
1 ）単結晶基板上のＮｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａ
ｕ、Ｎｉ50Ｃｕ50、Ａｕ50Ａｇ50バッファ―層上に成長
させたエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜について、
室温で磁気抵抗を測定し、その結果を表６にまとめた。
バッファー層は、超高真空中で、基板温度室温で成長さ
せた後、１００℃−３０分間の熱処理を行った。なお比
較のため、成長条件が適切でなく多結晶膜あるいは配向
膜となったＣｏ／Ｃｕ人工格子の結果についても示して
ある。表中、磁気抵抗比は、磁場０の時の抵抗Ｒ（０）
から磁場１０ kOeの時の抵抗Ｒ（１０ kOe）を差し引い
た値と磁場０の抵抗値との比：
圧力の超高真空、基板温度室温の条件のもとで、直接サ
ファイヤ（0 0 0 1 ）単結晶基板上に成長させたエピタ
キシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子およびサファイヤ（0 0 0
1 ）単結晶基板上のＮｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａ
ｕ、Ｎｉ50Ｃｕ50、Ａｕ50Ａｇ50バッファ―層上に成長
させたエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜について、
室温で磁気抵抗を測定し、その結果を表６にまとめた。
バッファー層は、超高真空中で、基板温度室温で成長さ
せた後、１００℃−３０分間の熱処理を行った。なお比
較のため、成長条件が適切でなく多結晶膜あるいは配向
膜となったＣｏ／Ｃｕ人工格子の結果についても示して
ある。表中、磁気抵抗比は、磁場０の時の抵抗Ｒ（０）
から磁場１０ kOeの時の抵抗Ｒ（１０ kOe）を差し引い
た値と磁場０の抵抗値との比：
【００２７】
【数１】 ｛Ｒ（０）−Ｒ（１０ kOe）｝×１００／Ｒ（０） であり、ヒステリシスの有無は、図３の磁気抵抗曲線に
おいて、（ａ）のように磁場掃引に対して磁気抵抗が履
歴を持つ場合を「有」とし、（ｂ）のように履歴のない
場合を「無」とした。また磁気抵抗の直線性は、図４の
磁気抵抗曲線において、（ａ）のように直線的に減少す
る場合を「○」とし、（ｂ）のように上に凸の曲線にし
たがって減少する場合を「×」とした。表６に示すよう
にエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子のほうが多結晶あ
るいは配向膜の人工格子に比べ、磁気抵抗にヒステリシ
スがなく、磁気抵抗が磁場に対し直線的な依存性をもっ
ていることがわかる。
おいて、（ａ）のように磁場掃引に対して磁気抵抗が履
歴を持つ場合を「有」とし、（ｂ）のように履歴のない
場合を「無」とした。また磁気抵抗の直線性は、図４の
磁気抵抗曲線において、（ａ）のように直線的に減少す
る場合を「○」とし、（ｂ）のように上に凸の曲線にし
たがって減少する場合を「×」とした。表６に示すよう
にエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子のほうが多結晶あ
るいは配向膜の人工格子に比べ、磁気抵抗にヒステリシ
スがなく、磁気抵抗が磁場に対し直線的な依存性をもっ
ていることがわかる。
【００２８】
【表６】
【００２９】実施例２ 図５は本発明の磁気抵抗効果素子薄膜の一例の断面図で
ある。図５ではシリコンの（1 1 1 ）単結晶基板５１上
に銀の（1 1 1 ）エピタキシャルバッファ―層５２があ
り、この上に六方晶のコバルト（0 0 0 2）面あるいは
面心立方晶のコバルト（1 1 1 ）面と、面心立方晶の銅
（1 1 1 ）面が互いに平行で、Ｃｏ〈-12 -1 0 〉方向
あるいはＣｏ〈-1 1 0〉方向とＣｕ〈-1 1 0〉方向、お
よびＣｏ〈1 0 -1 0〉方向あるいはＣｏ〈2 2 -1〉方向
とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行のエピタキシャル
関係を持って成長したエピタキシャルコバルト層５３お
よびエピタキシャル銅層５４の積層構造よりなってい
る。
ある。図５ではシリコンの（1 1 1 ）単結晶基板５１上
に銀の（1 1 1 ）エピタキシャルバッファ―層５２があ
り、この上に六方晶のコバルト（0 0 0 2）面あるいは
面心立方晶のコバルト（1 1 1 ）面と、面心立方晶の銅
（1 1 1 ）面が互いに平行で、Ｃｏ〈-12 -1 0 〉方向
あるいはＣｏ〈-1 1 0〉方向とＣｕ〈-1 1 0〉方向、お
よびＣｏ〈1 0 -1 0〉方向あるいはＣｏ〈2 2 -1〉方向
とＣｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行のエピタキシャル
関係を持って成長したエピタキシャルコバルト層５３お
よびエピタキシャル銅層５４の積層構造よりなってい
る。
【００３０】本発明の実施にあたっては、図６に示した
超高真空蒸着装置を用いて行った。図６の蒸着装置の真
空チャンバ―内には、コバルトと銅を充填した２つの電
子ビ―ム蒸着源６５ａ，６５ｂ、および銀を充填した抵
抗加熱蒸着源（エフュ―ジョンセル）６５ｃ、シリコン
（1 1 1 ）単結晶基板をマウントした基板ホルダ６６、
基板加熱用ヒ―タ６７、２つの電子ビ―ム蒸着源および
抵抗加熱蒸着源の蒸着速度をモニタするための水晶振動
子膜厚計６８ａ，６８ｂ，６８ｃ、３つの蒸着源から出
た分子線束の開閉を行うためのシャッタ６９ａ，６９
ｂ，６９ｃ、真空ゲ―ジ６１０、シリコン基板上に成長
した銀バッファ―層およびコバルト層と銅層の表面構造
評価を行うための反射高速電子線回折用の電子銃６１
１、および蛍光スクリ―ン６１２を備え、ゲ―トバルブ
６１３を通してクライオポンプ６１４により真空排気さ
れる。超高真空を得るためにチャンバ―の外周にはヒ―
タが取り付けられ、ベ―キングができるようになってい
る。１０-8Ｔｏｒｒより圧力の低い超高真空のもとでの
蒸着は、チャンバ―を１５０℃で２０時間ベ―キングし
た後行ったが、これより圧力の高い真空下での蒸着では
ベ―キングを行わなかった。磁気抵抗は、室温、１kOe
までの磁場中で直流４端子法により測定した。端子は銀
ペ―ストを用いてつけ、測定電流は５ｍＡとした。
超高真空蒸着装置を用いて行った。図６の蒸着装置の真
空チャンバ―内には、コバルトと銅を充填した２つの電
子ビ―ム蒸着源６５ａ，６５ｂ、および銀を充填した抵
抗加熱蒸着源（エフュ―ジョンセル）６５ｃ、シリコン
（1 1 1 ）単結晶基板をマウントした基板ホルダ６６、
基板加熱用ヒ―タ６７、２つの電子ビ―ム蒸着源および
抵抗加熱蒸着源の蒸着速度をモニタするための水晶振動
子膜厚計６８ａ，６８ｂ，６８ｃ、３つの蒸着源から出
た分子線束の開閉を行うためのシャッタ６９ａ，６９
ｂ，６９ｃ、真空ゲ―ジ６１０、シリコン基板上に成長
した銀バッファ―層およびコバルト層と銅層の表面構造
評価を行うための反射高速電子線回折用の電子銃６１
１、および蛍光スクリ―ン６１２を備え、ゲ―トバルブ
６１３を通してクライオポンプ６１４により真空排気さ
れる。超高真空を得るためにチャンバ―の外周にはヒ―
タが取り付けられ、ベ―キングができるようになってい
る。１０-8Ｔｏｒｒより圧力の低い超高真空のもとでの
蒸着は、チャンバ―を１５０℃で２０時間ベ―キングし
た後行ったが、これより圧力の高い真空下での蒸着では
ベ―キングを行わなかった。磁気抵抗は、室温、１kOe
までの磁場中で直流４端子法により測定した。端子は銀
ペ―ストを用いてつけ、測定電流は５ｍＡとした。
【００３１】シリコン（1 1 1 ）単結晶基板上のエピタ
キシャルＡｇ（1 1 1 ）バッファ―膜の成長条件を調べ
るため、真空度、基板温度および熱処理条件を変えて銀
薄膜を成長させ、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）、
Ｘ線回折および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により評価
した。なお用いた銀母材の純度は９９．９９９％、蒸着
速度は１オングストロ―ム／秒、成長させた銀の膜厚は
５００オングストロ―ムであった。その結果を表７に示
す。１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超高真空
下で、基板温度が８０℃以下で蒸着したときに、表面は
多少凸凹しているものの連続の単結晶膜となり、さらに
この膜を熱処理することによって、表面の凹凸がなくな
り平坦な単結晶膜となることがわかる。なお表中のエピ
タキシャル関係の欄の「○」印は（1 1 1 ）単結晶膜で
あることを示し、「×」印はエピタキシャル関係の認め
られない多結晶膜あるいは配向膜であることを意味する
（具体的には、ＲＨＥＥＤおよびＸ線回折の結果より判
断した。）。なお本実施例では蒸着速度を１オングスト
ロ―ム／秒としたが、０．１オングストロ―ム／秒ある
いは２オングストロ―ム／秒とした場合も同様な結果を
得た。また膜厚についても５００オングストロ―ムの場
合について記したが、１００オングストロ―ムあるいは
１０００オングストロ―ムでも同様な結果を得た。
キシャルＡｇ（1 1 1 ）バッファ―膜の成長条件を調べ
るため、真空度、基板温度および熱処理条件を変えて銀
薄膜を成長させ、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）、
Ｘ線回折および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により評価
した。なお用いた銀母材の純度は９９．９９９％、蒸着
速度は１オングストロ―ム／秒、成長させた銀の膜厚は
５００オングストロ―ムであった。その結果を表７に示
す。１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超高真空
下で、基板温度が８０℃以下で蒸着したときに、表面は
多少凸凹しているものの連続の単結晶膜となり、さらに
この膜を熱処理することによって、表面の凹凸がなくな
り平坦な単結晶膜となることがわかる。なお表中のエピ
タキシャル関係の欄の「○」印は（1 1 1 ）単結晶膜で
あることを示し、「×」印はエピタキシャル関係の認め
られない多結晶膜あるいは配向膜であることを意味する
（具体的には、ＲＨＥＥＤおよびＸ線回折の結果より判
断した。）。なお本実施例では蒸着速度を１オングスト
ロ―ム／秒としたが、０．１オングストロ―ム／秒ある
いは２オングストロ―ム／秒とした場合も同様な結果を
得た。また膜厚についても５００オングストロ―ムの場
合について記したが、１００オングストロ―ムあるいは
１０００オングストロ―ムでも同様な結果を得た。
【００３２】
【表７】
【００３３】次に、シリコン（1 1 1 ）上に成長させた
平坦な表面を持つ銀（1 1 1 ）エピタキシャル膜上のエ
ピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成長条件につい
て、真空度、基板温度を変えながら調べた。人工格子の
エピタキシャル関係についてはＲＨＥＥＤおよびＸ線回
折により評価するとともに、ＳＥＭにより表面の状態を
観察した。なお用いたコバルトと銅の母材の純度は、そ
れぞれ９９．９％、９９．９９％であった。また蒸着速
度は、いずれも０．２〜０．８オングストロ―ム／秒で
あった。表８には、３０オングストロ―ムのコバルトと
３０オングストロ―ムの銅を交互にそれぞれ２０回積層
（［Ｃｏ（３０）／Ｃｕ（３０）］×２０と記す。）さ
せたときの結果、また表９には、［Ｃｏ（１０）／Ｃｕ
（１０）］×５０人工格子の結果を示した。表８および
表９のエピタキシャル関係の欄の「Ａ」、「Ｂ」および
「Ｃ」の意味は実施例１と同様である。各表より、１０
-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超高真空下で、基
板温度が５０℃以下でコバルトと銅を交互に蒸着したと
きにエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子ができることが
わかる。
平坦な表面を持つ銀（1 1 1 ）エピタキシャル膜上のエ
ピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子膜の成長条件につい
て、真空度、基板温度を変えながら調べた。人工格子の
エピタキシャル関係についてはＲＨＥＥＤおよびＸ線回
折により評価するとともに、ＳＥＭにより表面の状態を
観察した。なお用いたコバルトと銅の母材の純度は、そ
れぞれ９９．９％、９９．９９％であった。また蒸着速
度は、いずれも０．２〜０．８オングストロ―ム／秒で
あった。表８には、３０オングストロ―ムのコバルトと
３０オングストロ―ムの銅を交互にそれぞれ２０回積層
（［Ｃｏ（３０）／Ｃｕ（３０）］×２０と記す。）さ
せたときの結果、また表９には、［Ｃｏ（１０）／Ｃｕ
（１０）］×５０人工格子の結果を示した。表８および
表９のエピタキシャル関係の欄の「Ａ」、「Ｂ」および
「Ｃ」の意味は実施例１と同様である。各表より、１０
-8Ｔｏｒｒまたはこれより圧力の低い超高真空下で、基
板温度が５０℃以下でコバルトと銅を交互に蒸着したと
きにエピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子ができることが
わかる。
【００３４】
【表８】
【００３５】
【表９】
【００３６】次に、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低い
圧力の超高真空下で、シリコン（11 1 ）上に、室温で
銀をエピタキシャル成長させ、このＡｇ（1 1 1 ）バッ
ファ―膜を３００℃、３０分間の熱処理をした後、基板
温度を室温に戻し、コバルトと銅をＡｇ（1 1 1 ）バッ
ファ―層上に交互に積層して作製したいくつかのエピタ
キシャル人工格子膜について室温で磁気抵抗を測定し、
その結果を表１０にまとめた。なお比較のため、成長条
件が適切でなく多結晶膜あるいは配向膜となったＣｏ／
Ｃｕ人工格子の結果についても示してある。表中、磁気
抵抗比は、磁場０の時の抵抗Ｒ（０）から磁場１ kOeの
時の抵抗Ｒ（１ kOe）を差し引いた値と磁場０の抵抗値
との比：
圧力の超高真空下で、シリコン（11 1 ）上に、室温で
銀をエピタキシャル成長させ、このＡｇ（1 1 1 ）バッ
ファ―膜を３００℃、３０分間の熱処理をした後、基板
温度を室温に戻し、コバルトと銅をＡｇ（1 1 1 ）バッ
ファ―層上に交互に積層して作製したいくつかのエピタ
キシャル人工格子膜について室温で磁気抵抗を測定し、
その結果を表１０にまとめた。なお比較のため、成長条
件が適切でなく多結晶膜あるいは配向膜となったＣｏ／
Ｃｕ人工格子の結果についても示してある。表中、磁気
抵抗比は、磁場０の時の抵抗Ｒ（０）から磁場１ kOeの
時の抵抗Ｒ（１ kOe）を差し引いた値と磁場０の抵抗値
との比：
【００３７】
【数２】 ｛Ｒ（０）−Ｒ（１ kOe）｝×１００／Ｒ（０） であり、ヒステリシスの有無は、図７の磁気抵抗曲線に
おいて、（ａ）のように磁場掃引に対して磁気抵抗が履
歴を持つ場合を有とし、（ｂ）のように履歴のない場合
を無とした。なお、実際には−１ kOe〜＋１ kOeの範囲
で磁場を掃引したが、図７には−６００ Oe〜＋６００
Oeの結果のみ示してある。さらに図７の縦軸は磁場１ k
Oeを基準とした磁気抵抗比であり、磁場Ｈの時の抵抗値
をＲ（Ｈ）とすると、次式：
おいて、（ａ）のように磁場掃引に対して磁気抵抗が履
歴を持つ場合を有とし、（ｂ）のように履歴のない場合
を無とした。なお、実際には−１ kOe〜＋１ kOeの範囲
で磁場を掃引したが、図７には−６００ Oe〜＋６００
Oeの結果のみ示してある。さらに図７の縦軸は磁場１ k
Oeを基準とした磁気抵抗比であり、磁場Ｈの時の抵抗値
をＲ（Ｈ）とすると、次式：
【００３８】
【数３】 ｛Ｒ（Ｈ）−Ｒ（１ kOe）｝×１００／Ｒ（０） で与えられる。また表１０の磁気抵抗の飽和磁場は、図
７（ｂ）の破線で示したように、低磁場側ならびに高磁
場側からの外挿線の交点で定義した。表１０に示すよう
に、エピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子のほうが多結晶
あるいは配向膜の人工格子に比べ、磁気抵抗にヒステリ
シスがなく、磁気抵抗の飽和する磁場が小さいことがわ
かる。
７（ｂ）の破線で示したように、低磁場側ならびに高磁
場側からの外挿線の交点で定義した。表１０に示すよう
に、エピタキシャルＣｏ／Ｃｕ人工格子のほうが多結晶
あるいは配向膜の人工格子に比べ、磁気抵抗にヒステリ
シスがなく、磁気抵抗の飽和する磁場が小さいことがわ
かる。
【００３９】
【表１０】
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁気抵抗にヒステリシスがないエピタキシャルＣｏ／Ｃ
ｕ人工格子による磁気抵抗効果素子薄膜を得ることがで
きる。特にサファイヤ（0 0 0 1 ）単結晶基板を用いた
場合には磁場抵抗にヒステリシスがなく、磁気抵抗が磁
場に対し直線的に変化する磁気抵抗効果素子薄膜が得ら
れ、シリコン（1 1 1 ）単結晶基板を用いた場合には、
磁気抵抗にヒステリシスがなく、磁気抵抗の飽和する磁
場が小さい磁気抵抗効果素子薄膜が得られる。このた
め、磁気センサ―や薄膜磁気ヘッドとして用いることが
できるものである。
磁気抵抗にヒステリシスがないエピタキシャルＣｏ／Ｃ
ｕ人工格子による磁気抵抗効果素子薄膜を得ることがで
きる。特にサファイヤ（0 0 0 1 ）単結晶基板を用いた
場合には磁場抵抗にヒステリシスがなく、磁気抵抗が磁
場に対し直線的に変化する磁気抵抗効果素子薄膜が得ら
れ、シリコン（1 1 1 ）単結晶基板を用いた場合には、
磁気抵抗にヒステリシスがなく、磁気抵抗の飽和する磁
場が小さい磁気抵抗効果素子薄膜が得られる。このた
め、磁気センサ―や薄膜磁気ヘッドとして用いることが
できるものである。
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子薄膜の一例の断面図
である。
である。
【図２】本発明の一実施例で用いた蒸着装置の構成図で
ある。
ある。
【図３】磁気抵抗曲線の測定結果を示す図である。
【図４】磁気抵抗曲線の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子薄膜の一例の断面図
である。
である。
【図６】本発明の一実施例で用いた蒸着装置の構成図で
ある。
ある。
【図７】磁気抵抗曲線の測定結果を示す図である。
１ サファイヤ（0 0 0 1 ）単結晶基板 ２ Ｃｏ／Ｃｕ人工格子膜 ３ エピタキシャルコバルト層 ４ エピタキシャル銅層 ５ エピタキシャルバッファー層 ６ａ、６ｂ、６ｃ 電子ビーム蒸着源 ７ 基板ホルダ ８ 基板加熱用ヒータ ９ａ、９ｂ、９ｃ 膜厚計 １０ａ、１０ｂ、１０ｃ シャッタ １１ 真空ゲージ １２ 反射高速電子線回折用電子銃 １３ 蛍光スクリーン １４ ゲートバルブ １５ クライオポンプ ５１ シリコン（1 1 1 ）単結晶基板 ５２ 銀（1 1 1 ）バッファー層 ５３ エピタキシャルコバルト層 ５４ エピタキシャル銅層 ６５ａ、６５ｂ、６５ｃ 蒸着源 ６６ 基板ホルダ ６７ 基板加熱用ヒータ ６８ａ、６８ｂ、６８ｃ 膜厚計 ６９ａ、６９ｂ、６９ｃ シャッタ ６１０ 真空ゲージ ６１１ 反射高速電子線回折用電子銃 ６１２ 蛍光スクリーン ６１３ ゲートバルブ ６１４ クライオポンプ
Claims (9)
- 【請求項１】 サファイヤ（0 0 0 1）単結晶基板上
に、コバルト（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）が交互にエピタキシ
ャル成長した人工格子膜が形成されてなることを特徴と
する磁気抵抗効果素子薄膜。 - 【請求項２】 サファイヤ（0 0 0 1）単結晶基板上
に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐ
ｄ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）のう
ちの１種または２種以上からなる金属元素またはその合
金よりなるエピタキシャルバッファー層が形成され、該
エピタキシャルバッファー層上に、コバルト（Ｃｏ）と
銅（Ｃｕ）が交互にエピタキシャル成長した人工格子膜
が形成されてなることを特徴とする磁気抵抗効果素子薄
膜。 - 【請求項３】 エピタキシャルバッファー層の成長面
が、面心立方格子の（１１１）面である請求項２記載の
磁気抵抗効果素子薄膜。 - 【請求項４】 シリコン（1 1 1 ）単結晶基板上にエピ
タキシャル成長した（1 1 1 ）の銀バッファ―層の上
に、コバルト（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）が交互にエピタキシ
ャル成長した人工格子膜からなることを特徴とする磁気
抵抗効果素子薄膜。 - 【請求項５】 コバルトと銅の成長面が、それぞれ六方
晶のＣｏ（0 0 01）面および面心立方晶のＣｕ（1 1 1
）面であり、Ｃｏの〈-1 2 -1 0 〉方向とＣｕの〈-1
1 0〉方向、およびＣｏの〈1 0 -1 0〉方向とＣｕの〈2
2 -1〉方向が互いに平行のエピタキシャル関係を持っ
て成長している請求項１〜４のいずれかに記載の磁気抵
抗効果素子薄膜。 - 【請求項６】 コバルトと銅の成長面が、いずれも面心
立方晶の（1 1 1）面であり、Ｃｏの〈-1 1 0〉方向と
Ｃｕの〈-1 1 0〉方向、およびＣｏの〈2 2-1〉方向と
Ｃｕの〈2 2 -1〉方向が互いに平行のエピタキシャル関
係を持って成長している請求項１〜４のいずれかに記載
の磁気抵抗効果素子薄膜。 - 【請求項７】 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子薄膜
の製造方法であって、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低
い圧力の超高真空下で、基板温度を５０℃以下にし、コ
バルト（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）をサファイヤ（０００１）
基板上に交互に積層して人工格子膜とすることを特徴と
する磁気抵抗効果素子薄膜の製造方法。 - 【請求項８】 請求項２または３に記載の磁気抵抗効果
素子薄膜の製造方法であって、１０-8Ｔｏｒｒまたはこ
れより低い圧力の超高真空下で、基板温度を１００℃以
下でサファイヤ（０００１）基板上にバッファー層を成
長させ、該バッファーを熱処理した後、基板温度を５０
℃以下にし、コバルト（Ｃｏ）と銅（Ｃｕ）を該バッフ
ァー層上に交互に積層して人工格子膜とすることを特徴
とする磁気抵抗効果素子薄膜の製造方法。 - 【請求項９】 請求項４に記載の磁気抵抗効果素子薄膜
の製造方法であって、１０-8Ｔｏｒｒまたはこれより低
い圧力の超高真空下で、基板温度を８０℃以下で銀をエ
ピタキシャル成長させ、該銀バッファ―膜を熱処理した
後、基板温度を５０℃以下にし、コバルト（Ｃｏ）と銅
（Ｃｕ）を該銀バッファ―層上に交互に積層して人工格
子膜とすることを特徴とする磁気抵抗効果素子薄膜の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7216592A JPH088168B2 (ja) | 1991-07-17 | 1992-02-24 | 磁気抵抗効果素子薄膜およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3-201121 | 1991-07-17 | ||
| JP20112191 | 1991-07-17 | ||
| JP7216592A JPH088168B2 (ja) | 1991-07-17 | 1992-02-24 | 磁気抵抗効果素子薄膜およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0582342A true JPH0582342A (ja) | 1993-04-02 |
| JPH088168B2 JPH088168B2 (ja) | 1996-01-29 |
Family
ID=26413293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7216592A Expired - Fee Related JPH088168B2 (ja) | 1991-07-17 | 1992-02-24 | 磁気抵抗効果素子薄膜およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH088168B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6147843A (en) * | 1996-01-26 | 2000-11-14 | Nec Corporation | Magnetoresistive effect element having magnetoresistive layer and underlying metal layer |
| KR102539467B1 (ko) | 2022-07-28 | 2023-06-01 | 허금자 | 착석 감지 기능을 구현하는 온열 벤치 |
-
1992
- 1992-02-24 JP JP7216592A patent/JPH088168B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6147843A (en) * | 1996-01-26 | 2000-11-14 | Nec Corporation | Magnetoresistive effect element having magnetoresistive layer and underlying metal layer |
| KR102539467B1 (ko) | 2022-07-28 | 2023-06-01 | 허금자 | 착석 감지 기능을 구현하는 온열 벤치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH088168B2 (ja) | 1996-01-29 |
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