JPWO2011122078A1 - Magnetoresistive element, magnetic disk device, and magnetoresistive storage device - Google Patents

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Abstract

適度な面積抵抗と高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗素子を実現する。このため、固定層と自由層との間の中間層に、L21構造、B2構造、A2構造、C1b構造又はB1構造の少なくともいずれか一つの構造を有する半金属を使用する。これにより、固定層や自由層との格子整合性に優れる均一な中間層を形成することができる。また、中間層を透過可能な電子を半金属層の積層構造及びドーピングによって制御する。これにより、高い磁気抵抗比と、金属に比べて高い面積抵抗とを実現することができる。A magnetoresistive element having an appropriate sheet resistance and a high magnetoresistance ratio is realized. Therefore, a semimetal having at least one of the L21 structure, the B2 structure, the A2 structure, the C1b structure, or the B1 structure is used for the intermediate layer between the fixed layer and the free layer. Thereby, a uniform intermediate layer having excellent lattice matching with the fixed layer and the free layer can be formed. Further, the electrons that can be transmitted through the intermediate layer are controlled by the laminated structure and doping of the semimetal layer. Thereby, a high magnetoresistance ratio and a high area resistance compared to metal can be realized.

Description

本発明は、適度な面積抵抗と高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗素子に関する。本発明に係る磁気装置には、例えば磁気抵抗素子を再生ヘッド、当該再生ヘッドに適用した磁気ディスク装置、磁気抵抗素子を記憶素子に利用する磁気抵抗記憶装置、磁気抵抗素子を搭載する磁気方位センサを含む。   The present invention relates to a magnetoresistive element having an appropriate sheet resistance and a high magnetoresistance ratio. The magnetic device according to the present invention includes, for example, a magnetoresistive element as a reproducing head, a magnetic disk device applied to the reproducing head, a magnetoresistive memory device using the magnetoresistive element as a memory element, and a magnetic orientation sensor equipped with the magnetoresistive element including.

ハードディスク駆動(HDD: Hard Disk Drive)装置の再生ヘッドには、巨大磁気抵抗(GMR: Giant Magneto Resistive)効果ヘッドやトンネル磁気抵抗(TMR: Tunnel Magneto-Resistance)効果ヘッドが用いられている。HDD装置の高密度化に伴い、さらなる高感度な磁気抵抗効果ヘッドが求められている。一般に、磁気抵抗効果ヘッドは、基体側から順番に反強磁性層/固定層/非磁性中間層/自由層を積層した構造を有している。固定層は、反強磁性層との交換結合により磁化を固定する層である。自由層は外部の磁界に応答する層である。自由層が磁化反転することで固定層と自由層の相対的な磁化方向が変化する。磁気抵抗効果ヘッドは、磁化方向が変化する時の電気抵抗の変化により、外部磁場を検出する。   As a reproducing head of a hard disk drive (HDD) device, a giant magnetoresistive (GMR) effect head or a tunnel magnetoresistive (TMR) effect head is used. As the density of HDD devices increases, there is a demand for magnetoresistive heads with higher sensitivity. In general, the magnetoresistive head has a structure in which an antiferromagnetic layer / a fixed layer / a nonmagnetic intermediate layer / a free layer are laminated in order from the substrate side. The fixed layer is a layer that fixes magnetization by exchange coupling with the antiferromagnetic layer. The free layer is a layer that responds to an external magnetic field. The relative magnetization direction of the fixed layer and the free layer changes due to the magnetization reversal of the free layer. The magnetoresistive head detects an external magnetic field by a change in electrical resistance when the magnetization direction changes.

現在まで、電流を流す方向が膜面に対して平行な再生ヘッド、すなわちCIP(Current-in-plane)方式の再生ヘッドがこれまで多く実用化されてきた。近年、再生ヘッドの更なる高感度化に向け、膜面に対して垂直に電流を流すCPP(Current-Perpendicular-to-plane)方式の再生ヘッドや中間層を絶縁体としてトンネル電流を用いるトンネル磁気抵抗(TMR: Tunneling Magneto-resistance)効果を用いた磁気抵抗効果ヘッドの研究開発が行われている。   Until now, many read heads in which the direction of current flow is parallel to the film surface, that is, read heads of the CIP (Current-in-plane) method have been put into practical use. In recent years, tunnel magnetism using a tunneling current with a CPP (Current-Perpendicular-to-plane) type reproducing head and an intermediate layer as an insulator is used to further increase the sensitivity of the reproducing head. Research and development of magnetoresistive heads using the resistance (TMR: Tunneling Magneto-resistance) effect are being conducted.

TMRヘッドは、絶縁層にMgOを適用することにより、飛躍的に磁気抵抗(MR)変化率が向上する。例えば面積抵抗が2.1Ωμm2程度の素子の場合、MR変化率は206%もの値が得られる(非特許文献1)。しかし、TMRヘッドは、トンネル接合に絶縁体を使用する。このため、出力が高い反面、その抵抗の高さが速転速度の高速化に際して不利に作用する。このため、更なる低抵抗化が必要とされている。In the TMR head, the rate of change in magnetoresistance (MR) is dramatically improved by applying MgO to the insulating layer. For example, in the case of an element having a sheet resistance of about 2.1 Ωμm 2 , an MR change rate of 206% can be obtained (Non-Patent Document 1). However, the TMR head uses an insulator for the tunnel junction. For this reason, while the output is high, the high resistance acts disadvantageously in increasing the speed of rotation. For this reason, further resistance reduction is required.

一方、CPP-GMRヘッドは、2層の磁性層の間に、数nm程度の極薄の金属層(Cuなど)を形成する構造を採用し、膜面に対して垂直に電流を流す。このため、この種のヘッドでは、nm程度の間隔で発生する非常に小さい抵抗変化を検出する必要がある。結果的に、MR変化率が小さく、非常に出力が小さい問題がある。また、抵抗値が非常に小さい場合、スピントルクノイズの影響を受ける。このため、抵抗値をある程度まで大きくすることが課題となっている。   On the other hand, the CPP-GMR head employs a structure in which an extremely thin metal layer (Cu or the like) of about several nanometers is formed between two magnetic layers, and a current flows perpendicularly to the film surface. For this reason, in this type of head, it is necessary to detect a very small resistance change that occurs at intervals of about nm. As a result, there is a problem that the MR change rate is small and the output is very small. Further, when the resistance value is very small, it is affected by spin torque noise. For this reason, it has been a problem to increase the resistance value to some extent.

このように抵抗値が非常に小さいCPP-GMR素子の問題の解決には、例えば素子構造を多層化することが考えられる。多層化により、MR変化率を大きくすることができる。その一方で、磁気ヘッドの分解能を高めるには、狭リードギャップ化が必要である。このため、各素子を単純に多層化する構造は問題の解決に適さない。   In order to solve the problem of the CPP-GMR element having a very small resistance value, for example, it is conceivable to make the element structure multilayer. The MR ratio can be increased by multilayering. On the other hand, a narrow read gap is necessary to increase the resolution of the magnetic head. For this reason, a structure in which each element is simply multilayered is not suitable for solving the problem.

また、CPP-GMRの中間層を非磁性金属と絶縁体の複合層とし、絶縁体中に電気抵抗の低いピンホールを有する構造が提案されている。以降、ピンホールを有する絶縁層をスクリーン層と呼ぶ。このスクリーン層を用いて電流を絞り込めば、高い出力を得ることができる。しかし、スクリーン層を適応したCPP-GMRは、出力が高くなる反面、スクリーン層内のピンホールを制御することが困難となる問題がある。スクリーン層内に存在するピンホールの大きさやその数により、抵抗値にばらつきが出るためである。しかも、素子サイズを小さくするのに伴い、そのばらつきは顕著となり、実用上問題となる。また、スクリーン層内では、流れる電流が絞り込まれ、ピンホール内にのみ大きな電流密度の電流が流れることになる。電流密度が高くなると熱が発生し、マイグレーションが発生し、素子劣化の原因ともなる。   In addition, a structure has been proposed in which the CPP-GMR intermediate layer is a composite layer of a nonmagnetic metal and an insulator, and the insulator has pinholes with low electrical resistance. Hereinafter, the insulating layer having pinholes is referred to as a screen layer. If the current is narrowed down using this screen layer, a high output can be obtained. However, the CPP-GMR adapted for the screen layer has a problem that it becomes difficult to control pinholes in the screen layer, while the output is increased. This is because the resistance value varies depending on the size and the number of pinholes existing in the screen layer. Moreover, as the element size is reduced, the variation becomes remarkable, which becomes a practical problem. In the screen layer, the flowing current is narrowed down, and a current having a large current density flows only in the pinhole. When the current density increases, heat is generated, migration occurs, and the element deteriorates.

特開2008−283194号公報JP 2008-283194 A

Appl.Phys.Lett.,93,192109(2008)Appl.Phys.Lett., 93,192109 (2008) Jpn. J.Appl. Phys.,43,540(2004)Jpn. J. Appl. Phys., 43,540 (2004) J.Mag.Mag.Mat.,316,481(2007)J.Mag.Mag.Mat., 316,481 (2007) Phys. Rev. B,66,174429(2002)Phys. Rev. B, 66, 174429 (2002)

前述したように、中間層として絶縁体を用いるTMRは低抵抗化が必要であり、中間層に金属を用いるCPP-GMRは高抵抗化が必要となる。このため、発明者は、これら2つの材料の中間的な特性を有する材料を中間層に適用することが望ましいとの考えに至った。   As described above, TMR using an insulator as an intermediate layer needs to have a low resistance, and CPP-GMR using a metal in the intermediate layer needs to have a high resistance. For this reason, the inventor has come to the idea that it is desirable to apply a material having intermediate characteristics between these two materials to the intermediate layer.

絶縁体と金属の中間の電気伝導率特性を示す材料として、Sb、Biのような半金属(セミメタル)が存在する。半金属は、図3(a)に示すように、フェルミエネルギーEが、価電子帯(図中、上に凸の放物線で示す。)の最上部と、伝導帯(図中、下に凸の放物線で示す。)の最下部を横切る電子状態を有している。半金属は、その電子状態を金属と比較すると、フェルミレベルにおける電子状態が非常に少ないことが特徴である。金属のキャリア密度(1021〜1022 cm-3)と比較すると、半金属のキャリア密度は1018〜1020 cm-3オーダー程度である。このように、半金属は、キャリア密度が低い材料系として知られている。このような半金属を中間層に用いるCPP-GMR構造を開示する文献として非特許文献2がある。非特許文献2には半金属の計算モデルが示されており、Sb、Bi、FeSi、CoSiが提案されている。There are metalloids (semimetals) such as Sb and Bi as materials that exhibit electrical conductivity characteristics between insulators and metals. Metalloid, as shown in FIG. 3 (a), the Fermi energy E F is the valence band (shown by the parabolic convex upward.) And the top of the conduction band (in the figure, downwardly convex It has an electronic state that crosses the lowermost part. A metalloid is characterized by its very few electronic states at the Fermi level when compared to metals. Compared to the carrier density of metal (10 21 to 10 22 cm -3 ), the carrier density of metalloid is on the order of 10 18 to 10 20 cm -3 . Thus, the semimetal is known as a material system having a low carrier density. Non-Patent Document 2 is a document disclosing a CPP-GMR structure using such a semimetal for the intermediate layer. Non-Patent Document 2 shows a calculation model of a semimetal, and Sb, Bi, FeSi, and CoSi are proposed.

しかし、BiやSbは菱面体構造、FeSiはB20型構造という複雑な構造を有している。このため、一般的な強磁性金属であるFe,Co,Ni(fcc構造やbcc構造など)に対して格子整合性が悪い。また、Bi等の材料は融点が非常に低い(融点:271℃)材料であり、他の材用との合金化やマイグレーションによる劣化も懸念される。   However, Bi and Sb have a complicated structure such as a rhombohedral structure, and FeSi has a B20 type structure. For this reason, lattice matching is poor with respect to Fe, Co, and Ni (fcc structure, bcc structure, etc.) that are general ferromagnetic metals. In addition, materials such as Bi are materials having a very low melting point (melting point: 271 ° C.), and there is a concern of alloying with other materials and deterioration due to migration.

本発明では、固定層及び自由層との格子整合性に優れるだけでなく均一性にも優れ、かつ、適度な面積抵抗と高い磁気抵抗比を有する中間層で構成される高感度な磁気抵抗素子を提供することを目的とする。   In the present invention, not only the lattice matching with the fixed layer and the free layer is excellent, but also a high sensitivity magnetoresistive element composed of an intermediate layer having an excellent area uniformity and a high magnetoresistance ratio. The purpose is to provide.

上記目的を達成するため、本発明においては、以下の層構造を有する磁気抵抗素子を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a magnetoresistive element having the following layer structure.

(1) 磁化方向が実質的に一方向に固定された強磁性の固定層
(2) 磁化方向が外部磁場に対応して変化する強磁性の自由層
(3) 固定層と自由層の間に形成される中間層
ここで、中間層を、L21 (フルホイスラー)構造、B2(CsCl-type)構造、A2構造、C1b (ハーフホイスラー)構造又はB1(NaCl-type)構造を有し、かつ、半金属的伝導特性(1018〜1020 cm-3オーダーのキャリア密度)を有する元素組成の化合物材料で形成する。
(1) Ferromagnetic pinned layer with the magnetization direction fixed substantially in one direction
(2) Ferromagnetic free layer whose magnetization direction changes according to the external magnetic field
(3) Intermediate layer formed between the fixed layer and the free layer Here, the intermediate layer is divided into L2 1 (full Heusler) structure, B2 (CsCl-type) structure, A2 structure, C1 b (half Heusler) structure or It is formed of a compound material having an elemental composition having a B1 (NaCl-type) structure and having semi-metallic conduction characteristics (carrier density on the order of 10 18 to 10 20 cm −3 ).

半金属層に、L21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造のような結晶構造を有する半金属を用いることにより、強磁性ホイスラー合金、bcc構造又はfcc構造の強磁性金属と整合性の良い固定層/中間層/自由層の三層構造を実現することが可能となる。By using a semimetal having a crystal structure such as L2 1 structure, B2 structure, A2 structure, C1 b structure or B1 structure in the semimetal layer, a ferromagnetic Heusler alloy, bcc structure or fcc structure ferromagnetic metal It becomes possible to realize a three-layer structure of a fixed layer / intermediate layer / free layer with good consistency.

図1に、L21 構造(図1(a))、B2構造(図1(b))、A2構造(図1(c))、C1b 構造(図1(d))及びB1構造(図1(f))の模式図を示す。これら構造の半金属は、BiやSbなどの菱面体構造の半金属に比べ、FeやFeCo合金などの強磁性金属やホイスラー強磁性合金との格子整合性を劇的に改善する。1 shows an L2 1 structure (FIG. 1 (a)), a B2 structure (FIG. 1 (b)), an A2 structure (FIG. 1 (c)), a C1 b structure (FIG. 1 (d)), and a B1 structure (see FIG. 1). 1 (f)) is a schematic diagram. These metalloids dramatically improve lattice matching with ferromagnetic metals such as Fe and FeCo alloys and Heusler ferromagnetic alloys, compared to rhombohedral metalloids such as Bi and Sb.

例えば強磁性金属がbcc構造のFe、半金属中間層がL21 構造のFe2VAlの例を検討する。Fe2VAlの格子定数はaFVA=5.761Åであり、格子定数aFe=2.866ÅのFeの格子定数の約2倍である。Feは図1(e)に示してあるbcc構造である。このbcc構造を3次元的に2倍の周期にすると、図1(c)に示すA2構造と同じものになる。そのため、図1(a)に示すL21 構造との格子定数の違いはわずか0.5%程度となる。このことから、格子整合性が良いことが分かる。また、Fe2VAlのFeの一部をRuに、Vの一部をNbというように周期律表における同族元素で置換すれば、格子定数を変化させることも可能である。例えば強磁性金属との整合性を考慮し、中間層の格子定数を調整することが可能である。For example, consider an example in which the ferromagnetic metal is Fe of the bcc structure and the metalloid intermediate layer is Fe 2 VAl of the L2 1 structure. The lattice constant of Fe 2 VAl is a FVA = 5.761Å, which is about twice the lattice constant of Fe with the lattice constant a Fe = 2.866Å. Fe has the bcc structure shown in FIG. When this bcc structure is three-dimensionally doubled, it becomes the same as the A2 structure shown in FIG. Therefore, the difference in lattice constant from the L2 1 structure shown in FIG. 1 (a) is only about 0.5%. From this, it can be seen that the lattice matching is good. It is also possible to change the lattice constant by substituting part of Fe in Fe 2 VAl with a similar element in the periodic table such as Ru and part of V with Nb. For example, it is possible to adjust the lattice constant of the intermediate layer in consideration of the consistency with the ferromagnetic metal.

また、強磁性金属層をCoやNiの合金とし、強磁性金属を強磁性ホイスラー合金Co2MnSiやD03構造のFe3Siとする場合においても、格子整合性の良い中間層と組み合わせることにより、極めて格子整合性の良い構造を作製できる。Even when the ferromagnetic metal layer is made of an alloy of Co or Ni and the ferromagnetic metal is made of a ferromagnetic Heusler alloy Co 2 MnSi or Fe 3 Si having a D0 3 structure, it is combined with an intermediate layer having good lattice matching. A structure with extremely good lattice matching can be produced.

格子整合性の良い構造を採用することにより、界面が存在する多層構造の場合においても、電子のコヒーレント伝導が維持され、電子の持つスピン自由度に起因した磁気抵抗も発現し易くなる。本発明に係る磁気抵抗素子は、整合性の良い固定層/中間層/自由層の三層構造を形成できるため、高いMR比を実現することができる。   By adopting a structure with good lattice matching, even in the case of a multilayer structure having an interface, the coherent conduction of electrons is maintained, and the magnetoresistance due to the spin degree of freedom of the electrons is easily developed. Since the magnetoresistive element according to the present invention can form a three-layer structure of a fixed layer / intermediate layer / free layer with good matching, a high MR ratio can be realized.

また、本発明で提案する層構造の採用により、フェルミレベルにおける電子状態が金属に比べて少ない半金属層の影響により、中間層を透過可能な電子が制限される。以下では、半金属層がFe2VAlの場合について、電子の透過を制限可能であることを説明する。Further, by adopting the layer structure proposed in the present invention, electrons that can be transmitted through the intermediate layer are limited due to the influence of the semi-metal layer that has fewer electronic states at the Fermi level than the metal. Hereinafter, it will be described that the transmission of electrons can be restricted when the metalloid layer is Fe 2 VAl.

図2に第一原理計算によって得られたFe2VAlのバンド構造を2次元面に射影した構造を示す。Fe2VAlのバンド構造を2次元に射影した状態図によれば、波数空間における状態が非常に少ないことが分かる。また、非特許文献3等に示されているように、2つの電極間に中間層が存在する三層構造のデバイスにおける電子の透過率は、波数に依存する透過率の平均値で与えられ、以下の式1で表される。

Figure 2011122078
FIG. 2 shows a structure obtained by projecting the Fe 2 VAl band structure obtained by the first principle calculation onto a two-dimensional surface. According to the phase diagram in which the band structure of Fe 2 VAl is projected in two dimensions, it can be seen that there are very few states in the wave number space. Further, as shown in Non-Patent Document 3 and the like, the transmittance of electrons in a device having a three-layer structure in which an intermediate layer exists between two electrodes is given by an average value of transmittance depending on the wave number, It is represented by the following formula 1.
Figure 2011122078

ここで、Tσ は系の透過率であり、Tは波数(kx,ky)に依存する透過率であり、εはエネルギーであり、σはスピン自由度であり、aは結晶の格子定数である。Where T σ is the transmittance of the system, T is the transmittance depending on the wave number (kx, ky), ε is the energy, σ is the spin degree of freedom, and a is the lattice constant of the crystal It is.

従って、波数空間における状態数が非常に少ないFe2VAlを中間層に用いる場合、その電子状態の影響により、透過率が非常に少なくなる。そのため、本発明の構造では、通常の金属を中間層に用いる場合に比べて電子の透過率を劇的に小さくでき、平均自由行程以下の厚さ(数nm程度)の極薄膜においても面積抵抗を十分に高くすることができる。一方、絶縁体を中間層とした場合(TMRの場合)、膜厚の増加に対して指数関数的に電子の透過率が減少する。このため、半金属と同等の面積抵抗値を実現するには1nm以下の極薄膜を実現しなければならない。一方、半金属を中間層に用いる場合、絶縁体のようにフェルミレベルに状態が存在しない材料とは大きく性質が異なり、絶縁体の膜厚が1nm以下相当の小さな面積抵抗値を容易に実現できる。このように本発明の場合には、適度な面積抵抗と高MR比を実現できる。従って、本発明に係る磁気抵抗素子を磁気ヘッドに用いる場合、分解能向上に必要な狭リードギャップ要求を満たす構造を容易に形成することができる。Therefore, when Fe 2 VAl having a very small number of states in the wave number space is used for the intermediate layer, the transmittance is very small due to the influence of the electronic state. Therefore, in the structure of the present invention, the electron transmittance can be drastically reduced as compared with the case where an ordinary metal is used for the intermediate layer, and even in an ultrathin film having a thickness less than the mean free path (about several nm), the area resistance is reduced. Can be made high enough. On the other hand, when the insulator is an intermediate layer (in the case of TMR), the electron transmittance decreases exponentially as the film thickness increases. For this reason, in order to realize a sheet resistance equivalent to that of a semimetal, an ultrathin film of 1 nm or less must be realized. On the other hand, when a metalloid is used for the intermediate layer, the material is greatly different from a material having no Fermi level state such as an insulator, and a small sheet resistance value equivalent to 1 nm or less can be easily realized. . Thus, in the case of the present invention, an appropriate sheet resistance and a high MR ratio can be realized. Therefore, when the magnetoresistive element according to the present invention is used for a magnetic head, a structure satisfying the requirement for a narrow read gap necessary for improving the resolution can be easily formed.

図3(a)に半金属のバンド構造の模式図に示す。図3(a)に示すように、半金属は、フェルミレベル近傍にわずかながら価電子帯及び伝導帯の状態を有している。半金属の伝導特性は、ドーピングによりそのバンド構造やフェルミレベルの位置が影響を受け易い。このため、ドーピングにより半金属の伝導特性を容易に変化させることができる。この際、同族元素などの性質の似た元素をドーピングすれば、図3(b)、(c)に示すようにフェルミレベルを固定したまま、バンド構造だけを変化させることができる。結果的に、フェルミレベルにおける状態数を増減することができる。これに対し、価電子数の異なる元素をドープすれば、図3(d)、(e)に示すように、バンド構造を固定したまま、ホール又は電子のキャリア密度を変化させることができる。すなわち、フェルミレベルだけを変化させることができる。このようにしても、フェルミレベルにおける状態数を増減することができる。いずれのドーピング手法を用いる場合にも、フェルミレベル近傍の状態を制御でき、透過に寄与する状態を変調させて面積抵抗を調整することができる。   FIG. 3 (a) shows a schematic diagram of a semi-metallic band structure. As shown in FIG. 3A, the semimetal has a state of a valence band and a conduction band slightly near the Fermi level. The conduction characteristics of a semimetal are susceptible to its band structure and Fermi level position due to doping. For this reason, the conduction characteristics of the semimetal can be easily changed by doping. At this time, if an element having similar properties such as a family element is doped, only the band structure can be changed while the Fermi level is fixed as shown in FIGS. As a result, the number of states at the Fermi level can be increased or decreased. On the other hand, if the elements having different valence electrons are doped, as shown in FIGS. 3D and 3E, the carrier density of holes or electrons can be changed while the band structure is fixed. That is, only the Fermi level can be changed. Even in this case, the number of states at the Fermi level can be increased or decreased. In any of the doping methods, the state near the Fermi level can be controlled, and the sheet resistance can be adjusted by modulating the state contributing to transmission.

また、半金属中間層を有する構造においては、スクリーン層のようなピンホール構造を形成することなく電流を適度に絞ることができる。なお、半金属を中間層に用いる場合、均一な薄膜を用いることができるため、スクリーン層のようなピンホールに起因する高電流密度領域も存在せず、熱の発生やエレクトロマイグレーションも抑制することができる。   Further, in the structure having the semi-metal intermediate layer, the current can be appropriately reduced without forming a pinhole structure like the screen layer. When metalloid is used for the intermediate layer, a uniform thin film can be used, so there is no high current density region due to pinholes like the screen layer, and generation of heat and electromigration are suppressed. Can do.

L21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造、単純なbcc構造、B1構造(NaCl型)の模式図。L2 1 structure, B2 structure, A2 structure, C1 b structure, simple bcc structure, schematic view of the B1 structure (NaCl type). Fe2VAlのフェルミレベルにおけるバンド構造を2次元波数空間に射影した図。A diagram of the band structure at the Fermi level of Fe 2 VAl projected into a two-dimensional wave number space. 半金属バンド構造およびドーピングによる半金属バンド構造の変化を示す模式図。The schematic diagram which shows the change of the metalloid band structure by metalloid band structure and doping. CPP-GMRの主要部分の断面構造例を示す図。The figure which shows the cross-section structural example of the principal part of CPP-GMR. 濃度勾配層中のFe原子濃度分布の変化を説明する図。The figure explaining the change of Fe atom concentration distribution in a concentration gradient layer. 実施例におけるCPP-GMRの主要部分の断面構造例を示す図。The figure which shows the cross-section structural example of the principal part of CPP-GMR in an Example. 磁気ディスク装置の概略構成例を示す図。1 is a diagram showing a schematic configuration example of a magnetic disk device. 磁気抵抗記憶装置の概略構成例を示す図。The figure which shows the schematic structural example of a magnetoresistive memory device.

以下、図面に基づいて、発明の実施の形態を説明する。なお、後述する形態例はいずれも一例である。   Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In addition, all the form examples mentioned later are examples.

(半金属層)
以下に、本発明の主要な特徴である半金属層の結晶構造と具体的な化合物の関係を示す。
(Semi-metal layer)
The relationship between the crystal structure of the metalloid layer, which is the main feature of the present invention, and specific compounds is shown below.

L21 構造(フルホイスラー)を有する半金属には、例えばFe2VAl、Fe2NbAl、Ru2VAlがある。フルホイスラー合金はSlater-Pauling的な振る舞いを示すことが知られている(非特許文献4)。このため、表1に示す価電子数と元素の関係を用いてFe2VAlの総価電子数を計算すると、8×2+5×1+3×1=24となる。

Figure 2011122078
Examples of the semimetal having the L2 1 structure (full Heusler) include Fe 2 VAl, Fe 2 NbAl, and Ru 2 VAl. It is known that a full Heusler alloy exhibits Slater-Pauling behavior (Non-patent Document 4). Therefore, when the total number of valence electrons of Fe 2 VAl is calculated using the relationship between the number of valence electrons and elements shown in Table 1, 8 × 2 + 5 × 1 + 3 × 1 = 24.
Figure 2011122078

ここで、X'2Y'Z'の化学量論組成の総価電子数が24であるものは、全て類似の性質を示すことが予想できる。例えばFe2TiSiも同様の性質を有する。従って、この形態例に係る半金属の場合であれば、表1に示す価電子数と元素の関係から総価電子数が24の近傍となる組成の化合物であれば、いずれの化合物も用いることができる。基本的には、半金属層として、規則正しい構造であるL21 構造を有する化合物を用いることが望ましい。もっとも、L21 構造に原子的な乱れが生じ、規則度の低下したB2構造や元素による区別がないA2構造を有する化合物を、半金属層として用いることも可能である。この場合、半金属層には、少なくとも1種類以上の遷移元素が合計で約75原子%の範囲で含まれる。Here, it is expected that all of the X ' 2 Y'Z' stoichiometric compositions having a total valence electron number of 24 exhibit similar properties. For example, Fe 2 TiSi has similar properties. Therefore, in the case of the semimetal according to this embodiment, any compound may be used as long as the compound has a composition in which the total valence number is close to 24 from the relationship between the number of valence electrons and elements shown in Table 1. Can do. Basically, it is desirable to use a compound having an L2 1 structure which is a regular structure as the semimetal layer. However, it is also possible to use a compound having an A2 structure in which atomic disorder occurs in the L2 1 structure and the degree of order decreases and the A2 structure is indistinguishable depending on elements, as the semimetal layer. In this case, the metalloid layer contains at least one or more transition elements in a total range of about 75 atomic%.

C1b 構造を有する半金属には、例えばMgAgAs、NiTiSn、CoTiSb、FeVSb、ZrNiSn、ZrCoSbの近傍の組成を有するハーフホイスラー合金がある。これら以外にも、ハーフホイスラー合金は、フルホイスラー合金と同様にSlater-Pauling的な振る舞いを示し、FeVSbと同数程度の総価電子数となる化合物は全て類似の性質を示すことが予想できる。The semi-metal having a C1 b structure, for example MgAgAs, NiTiSn, CoTiSb, FeVSb, ZrNiSn, the half-Heusler alloy having a composition in the vicinity of ZrCoSb. In addition to these, the half-Heusler alloy exhibits a Slater-Pauling behavior like the full-Heusler alloy, and it can be expected that all compounds having the same total number of valence electrons as FeVSb exhibit similar properties.

例えばFeVSbの総価電子数は、表1に示す価電子数と元素の関係から、8×1+5×1+5×1=18となる。すなわち、X’Y’Z’の化学量論組成の総価電子数が18である。電子状態の類似性の観点より、表1に示す価電子数がと元素の関係から総価電子数が18の近傍となる組成の化合物は、いずれも半金属的な性質を期待できる。従って、C1b 構造を有する半金属層として、総価電子数が18近傍となる組成を満たす化合物を用いることができる。また、C1b 構造を有する半金属層として、表1に明記していない元素であるアルカリ金属の価電子数を1、アルカリ土類金属の価電子数を2とすると、総価電子数が18となるMgAgAsのような組成の化合物も用いることもできる。この場合、半金属層内には、少なくとも1種類以上の遷移元素が合計で約33〜約66原子%の範囲で含まれる。For example, the total number of valence electrons of FeVSb is 8 × 1 + 5 × 1 + 5 × 1 = 18 from the relationship between the number of valence electrons and elements shown in Table 1. That is, the total number of valence electrons in the stoichiometric composition of X′Y′Z ′ is 18. From the viewpoint of the similarity of the electronic state, any compound having a composition in which the total valence electron number is in the vicinity of 18 due to the relationship between the number of valence electrons and elements shown in Table 1 can be expected to be semi-metallic. Therefore, a compound satisfying a composition having a total number of valence electrons of around 18 can be used as the metalloid layer having a C1 b structure. Further, when the number of valence electrons of an alkali metal which is an element not specified in Table 1 is 1 and the number of valence electrons of an alkaline earth metal is 2 as a semimetal layer having a C1 b structure, the total number of valence electrons is 18. A compound having a composition such as MgAgAs can also be used. In this case, the metalloid layer contains at least one or more transition elements in a total range of about 33 to about 66 atomic%.

B1構造を有する半金属には、例えばScSb1-αAsα(0.0≦α≦1.0)、YSb1-αAsα(0.0≦α≦1.0)、LnSb1-αAsα(Lnはランタノイド:La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、(0.0≦α≦1.0)がある。この場合、半金属層には、少なくとも1種類以上の遷移元素が合計で約50原子%の範囲で含まれる。Examples of semimetals having a B1 structure include ScSb 1-α As α (0.0 ≦ α ≦ 1.0), YSb 1-α As α (0.0 ≦ α ≦ 1.0), LnSb 1-α As α (Ln is a lanthanoid: La , Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), (0.0 ≦ α ≦ 1.0). In this case, the metalloid layer contains at least one or more transition elements in a total range of about 50 atomic%.

発明に係る磁気抵抗素子の場合、半金属層へのドーピングにより、半金属層における電子の透過率を制御することができる。本発明における半金属層へのドーピングに関して説明する。   In the case of the magnetoresistive element according to the invention, the transmittance of electrons in the metalloid layer can be controlled by doping the metalloid layer. The doping to the semimetal layer in the present invention will be described.

本発明におけるL21 構造、B2構造、A2構造を有する半金属層は、X'2Y'Z'の化学量論組成において、表1に示す価電子数の計算より総価電子数24となる場合が基本となる。例えば総価電子数を一定にするドーピング手法が挙げられる。ここでは、Fe2VAlを例に説明する。例えば総価電子数が一定となるようにV(バナジウム)原子の一部をNb原子に置換する。例えばFe2V0.8Nb0.2Alとした場合の総価電子数は24であり、総価電子数に変化はない。The metalloid layer having the L2 1 structure, B2 structure, and A2 structure in the present invention has a total valence electron number of 24 based on the calculation of the valence number shown in Table 1 in the stoichiometric composition of X ′ 2 Y′Z ′. The case is fundamental. For example, a doping technique for keeping the total number of valence electrons constant can be given. Here, Fe 2 VAl will be described as an example. For example, a part of V (vanadium) atoms is substituted with Nb atoms so that the total number of valence electrons is constant. For example, when Fe 2 V 0.8 Nb 0.2 Al is used, the total number of valence electrons is 24, and the total number of valence electrons is not changed.

しかし、Nb原子をドープした後の化合物のフェルミレベル近傍の電子状態は変化し、電子の透過率に寄与する電子状態を制御できる。また、V(バナジウム)原子の一部を原子半径の異なる元素に置換すれば格子定数は変化し、そのドープ量の調整により格子定数を制御することができる。上記の例の場合、X'2Y'Z'におけるY’を価電子数が同数の元素で置換する方法を示したが、元素X’や元素Z’を置換することもできる。However, the electronic state near the Fermi level of the compound after doping with Nb atoms changes, and the electronic state contributing to the electron transmittance can be controlled. Further, if a part of V (vanadium) atoms is replaced with an element having a different atomic radius, the lattice constant changes, and the lattice constant can be controlled by adjusting the doping amount. In the above example, Y ′ in X ′ 2 Y′Z ′ has been replaced with an element having the same number of valence electrons, but element X ′ or element Z ′ can also be replaced.

C1b 構造を有する半金属層では、X'Y'Z'の化学量論組成において、表1に示す価電子数の計算より総価電子数が18となる場合が基本となる。従って、L21 構造と同様に、C1b 構造では、X'Y'Z'を価電子数が同数の元素によって置換することができる。In the semi-metal layer having the C1 b structure, the total number of valence electrons is 18 based on the calculation of the number of valence electrons shown in Table 1 in the stoichiometric composition of X′Y′Z ′. Therefore, similarly to the L2 1 structure, in the C1 b structure, X′Y′Z ′ can be replaced by an element having the same number of valence electrons.

この他、総価電子数を僅かに変化させるドーピング手法が挙げられる。ここでも、Fe2VAlを例に説明する。例えば総価電子数がわずかに変化するように、V(バナジウム)原子の一部をTi原子に置換する場合を考える。置換後の組成がFe2V0.8Ti0.2Alの場合、総価電子数は23.8となる。この結果、フェルミレベル近傍の電子状態が変化し、電子の透過率を制御することができる。In addition, there is a doping technique in which the total number of valence electrons is slightly changed. Here, Fe 2 VAl will be described as an example. For example, consider a case where a part of the V (vanadium) atom is replaced with a Ti atom so that the total valence electron number slightly changes. When the composition after substitution is Fe 2 V 0.8 Ti 0.2 Al, the total number of valence electrons is 23.8. As a result, the electronic state in the vicinity of the Fermi level changes, and the electron transmittance can be controlled.

なお、上記の例においては、X'2Y'Z'における元素Y’を価電子数が同数の元素で置換する方法を示したが、元素X’や元素Z’を置換することもできる。この総電子数が24より大きくずれると、非磁性金属又は強磁性金属的な性質となり、半金属的な伝導特性が得られなくなる。従って、総価電子数が23.5〜24.5の範囲になるようにドーピングすることが望ましい。例えばドーピング前の総価電子数に対し、ドーピング後の総価電子数が約±0.5の変化幅又は約2%の変化幅の範囲に収まることが望ましい。In the above example, the method of substituting the element Y ′ in X ′ 2 Y′Z ′ with an element having the same number of valence electrons has been described, but the element X ′ or the element Z ′ can also be replaced. If the total number of electrons deviates more than 24, it becomes a non-magnetic metal or ferromagnetic metal property, and semi-metallic conduction characteristics cannot be obtained. Therefore, it is desirable to dope so that the total number of valence electrons is in the range of 23.5 to 24.5. For example, it is desirable that the total number of valence electrons after doping falls within a range of about ± 0.5 or about 2% of the total number of valence electrons before doping.

同様に、C1b 構造を有する半金属層では、X’Y’Z’の各元素を価電子数の異なる元素に置換することにより、総価電子数が18近傍の17.8〜18.2の範囲となるようにドーピングすることが望ましい。例えばドーピング前の総価電子数に対し、ドーピング後の総価電子数が約±0.2の変化幅又は約1.1%の変化幅の範囲に収まることが望ましい。Similarly, in a metalloid layer having a C1 b structure, the total number of valence electrons is in the range of 17.8 to 18.2 near 18 by substituting each element of X′Y′Z ′ with an element having a different valence number. It is desirable to dope like this. For example, it is desirable that the total number of valence electrons after doping falls within a range of change of about ± 0.2 or about 1.1% of the total number of valence electrons before doping.

また、B1構造を有する半金属(例えばScSb1-αAsα、YSb1-αAsα、LnSb1-αAsα(0.0≦α≦1.0)に対するドーピングには、例えばMg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、C、Si、Ge、Sn、N、P、O、S、Se、Teの少なくとも1種類を用いることが望ましい。ドーピングは0〜30原子%程度の量とすることが望ましい。In addition, doping with a semi-metal having a B1 structure (for example, ScSb 1-α As α , YSb 1-α As α , LnSb 1-α As α (0.0 ≦ α ≦ 1.0), for example, Mg, Ca, Sr, Ba It is desirable to use at least one of Ti, Zr, Hf, C, Si, Ge, Sn, N, P, O, S, Se, and Te. desirable.

以上より、半金属層には、少なくとも1種類以上の遷移元素が合計約30〜80原子%の範囲で含まれることが望ましい。   From the above, it is desirable that the metalloid layer contains at least one or more transition elements in a total range of about 30 to 80 atomic%.

(強磁性層)
本発明の場合、強磁性層の材料には特に制限は無い。従って、強磁性層には、例えばFe,Co,Niのような強磁性金属及びその合金、FeCoBを用いることができる。また、強磁性層に、例えばCo2MnAs、Co2MnSi、Co2FeSi、Ru2MnSi、Mn2VAlのようなスピン偏極率の強磁性ホイスラー合金を用いると、格子整合性の良い構造が形成可能となる。
(Ferromagnetic layer)
In the present invention, the material of the ferromagnetic layer is not particularly limited. Therefore, for example, a ferromagnetic metal such as Fe, Co, and Ni, an alloy thereof, and FeCoB can be used for the ferromagnetic layer. If a ferromagnetic Heusler alloy with a spin polarization such as Co 2 MnAs, Co 2 MnSi, Co 2 FeSi, Ru 2 MnSi, or Mn 2 VAl is used for the ferromagnetic layer, a structure with good lattice matching can be obtained. It can be formed.

(磁気抵抗素子の構造例)
図4(a)に示すように、前述した半金属及びこれに他の金属をドーピングした半金属層20を、強磁性固定層210及び強磁性自由層200の中間に積層すればCPP-GMR構造を作製することができる。なお、強磁性固定層とは、磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む層をいう。また、強磁性自由層とは、磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む層をいう。
(Structural example of magnetoresistive element)
As shown in FIG. 4A, a CPP-GMR structure can be obtained by laminating the above-described semimetal and a semimetal layer 20 doped with another metal in the middle of the ferromagnetic fixed layer 210 and the ferromagnetic free layer 200. Can be produced. The ferromagnetic pinned layer refers to a layer containing a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in one direction. A ferromagnetic free layer refers to a layer containing a ferromagnetic material whose magnetization direction changes in response to an external magnetic field.

(複合半金属層)
以下、固定層と自由層の中間層に用いることが可能な複合半金属層に関して説明する。
(Composite metalloid layer)
Hereinafter, a composite metalloid layer that can be used as an intermediate layer between the fixed layer and the free layer will be described.

前述したように、半金属層へのドーピングにより、半金属層の性質を変化させることができる。その際、性質の異なる半金属層を多層構造に積層して複合半金属層を形成し、中間層として用いることができる。   As described above, the properties of the metalloid layer can be changed by doping the metalloid layer. At that time, a semi-metal layer having different properties can be laminated in a multilayer structure to form a composite semi-metal layer, which can be used as an intermediate layer.

図4(b)に、2つの半金属層を積層した複合半金属層24を示す。例えば半金属層1として総価電子が23.8の半金属層21を採用し、半金属層2として総価電子数が24.2の半金属層22を採用する。   FIG. 4B shows a composite metalloid layer 24 in which two metalloid layers are laminated. For example, a semimetal layer 21 having a total valence electron of 23.8 is employed as the semimetal layer 1, and a semimetal layer 22 having a total valence electron number of 24.2 is employed as the semimetal layer 2.

図4(c)に、3つの半金属層を積層した複合半金属層24を示す。例えば半金属層1として総価電子が23.8の半金属層21を採用し、半金属層2として総価電子数が24の半金属層22を採用し、半金属層3として総価電子数が24.2の半金属層23を採用する。   FIG. 4C shows a composite metalloid layer 24 in which three metalloid layers are laminated. For example, a semi-metal layer 21 with a total valence electron of 23.8 is adopted as the semi-metal layer 1, a semi-metal layer 22 with a total valence electron number of 24 is adopted as the semi-metal layer 2, and the total valence electron number is as the semi-metal layer 3. The 24.2 metalloid layer 23 is employed.

なお、中間層として使用する複合半金属層は、本発明の構造を有する限り、2層構造及び3層構造に限らず、4層以上の多層構造でも構わない。ただし、各層の膜厚を合計した中間層全体の膜厚が、1nm以上10nm以下であることが望ましい。   The composite metalloid layer used as the intermediate layer is not limited to the two-layer structure and the three-layer structure as long as it has the structure of the present invention, and may be a multilayer structure of four or more layers. However, it is desirable that the thickness of the entire intermediate layer, which is the sum of the thicknesses of the layers, is 1 nm or more and 10 nm or less.

次に、濃度勾配層を有する複合半金属層に関して説明する。半金属層と強磁性層とが界面を形成する場合、強磁性層と半金属層の中間に濃度勾配が存在する層を形成することができる。以下では、半金属層にFe2VAlを使用し、強磁性層にFe3Alを使用する場合について説明する。Next, a composite metalloid layer having a concentration gradient layer will be described. When the metalloid layer and the ferromagnetic layer form an interface, a layer having a concentration gradient between the ferromagnetic layer and the metalloid layer can be formed. Hereinafter, a case where Fe 2 VAl is used for the metalloid layer and Fe 3 Al is used for the ferromagnetic layer will be described.

図5に太線で示すように、理想的な急峻な強磁性/半金属界面構造を有する場合、強磁性層のFeは75原子%であり、半金属層のFeは50原子%となる。この場合において、熱処理等による界面の原子拡散又は原子%の異なる層を製膜することにより、濃度勾配層を半金属層と強磁性層の境界部分に形成することができる。   As shown by a thick line in FIG. 5, in the case of having an ideal steep ferromagnetic / metalloid interface structure, Fe in the ferromagnetic layer is 75 atomic% and Fe in the semimetal layer is 50 atomic%. In this case, the concentration gradient layer can be formed at the boundary between the semimetal layer and the ferromagnetic layer by forming a layer having different atomic diffusion or atomic% at the interface by heat treatment or the like.

総膜厚を減少させ、電子の平均自由行程より複合半金属層を薄くするためには、急峻な組成分布が望ましいが、結晶の整合性を高めるためには濃度勾配層を形成することが有利となる。従って、図4(d)に示すように、強磁性固定層210と強磁性自由層200の間に、濃度勾配層220と半金属層20で構成される複合半金属層24を形成することにより、格子定数の異なる強磁性層と半金属層を滑らかに接合させることができる。これにより、各層間における格子整合性を改善することができる。   In order to reduce the total film thickness and make the composite semimetal layer thinner than the mean free path of electrons, a steep composition distribution is desirable, but in order to improve the crystal matching, it is advantageous to form a concentration gradient layer It becomes. Therefore, as shown in FIG. 4D, by forming the composite semimetal layer 24 composed of the concentration gradient layer 220 and the semimetal layer 20 between the ferromagnetic pinned layer 210 and the ferromagnetic free layer 200. The ferromagnetic layer and the semimetal layer having different lattice constants can be smoothly joined. Thereby, the lattice matching between each layer can be improved.

このような濃度勾配層220は、強磁性/半金属界面を形成した後の熱処理により作製することができる。また、濃度勾配層220は、組成の異なる2つ以上のターゲットを用いる場合に、同時にスパッタリングする量又は交互にスパッタリングする量を調整することにより作製することができる。   Such a concentration gradient layer 220 can be produced by a heat treatment after forming a ferromagnetic / metalloid interface. In addition, when two or more targets having different compositions are used, the concentration gradient layer 220 can be produced by adjusting the amount of sputtering simultaneously or alternately.

前述した結晶構造や多層構造は、断面TEM(Transmission Electron Miroscop)等による格子像の観察により、容易に確認することができる。また、電子線回折像において、スポット状パターンやリング状パターンから単結晶の結晶構造を有しているか多結晶の結晶構造を有しているかを確認することができる。多層構造や組成分布は、EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy)、SIMS(Secondary Ionization Mass Spectrometer)、X線光電子分光等を用いて確認できる。   The above-described crystal structure and multilayer structure can be easily confirmed by observing a lattice image with a cross-sectional TEM (Transmission Electron Miroscop) or the like. Further, in the electron beam diffraction image, it can be confirmed from the spot-like pattern or the ring-like pattern whether it has a single crystal crystal structure or a polycrystalline crystal structure. The multilayer structure and composition distribution can be confirmed using EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy), SIMS (Secondary Ionization Mass Spectrometer), X-ray photoelectron spectroscopy, and the like.

半金属の特性は、CPP-GMR構造における面積抵抗を測定し、中間層を通常の金属(例えばCu等)よりも高い面積抵抗が得られるかによって確認できる。この他、半金属の特性は、半金属層と同一組成の薄膜を一般的な基板(例えばSi基板)上にスパッタリング等の薄膜作製方法により形成し、当該薄膜の電気抵抗の測定やホール効果の測定によるキャリア密度の評価等により確認できる。   The characteristics of the metalloid can be confirmed by measuring the sheet resistance in the CPP-GMR structure and determining whether the intermediate layer can have a higher sheet resistance than a normal metal (for example, Cu). In addition, the characteristics of the semimetal are that a thin film having the same composition as the semimetal layer is formed on a general substrate (for example, a Si substrate) by a thin film preparation method such as sputtering, and the electric resistance of the thin film is measured and the Hall effect is measured. It can be confirmed by evaluation of carrier density by measurement.

(電子伝導制御のメカニズム)
本発明に係る半金属による電子伝導制御のメカニズムは、スクリーン層などの実空間で電流が流れる領域を制限するものとは異なっている。本発明に係る半金属では、格子整合性の良い強磁性/半金属接合を形成することで、実空間では薄膜全体に電流が流れる一方で、波数空間では伝導チャネルを制限することをメカニズムとする。
(Mechanism of electron conduction control)
The mechanism of electron conduction control by the semimetal according to the present invention is different from that for limiting the region where current flows in real space such as a screen layer. In the metalloid according to the present invention, by forming a ferromagnetic / metalloid junction with good lattice matching, current flows through the entire thin film in real space, while the conduction channel is limited in wavenumber space. .

[実施例1]
本発明の第1の実施例について説明する。この実施例の場合、基板表面に熱酸化膜を有するSi基板を用い、電極を作製した後、電極上にCPP-GMR膜の要部を作製した。
[Example 1]
A first embodiment of the present invention will be described. In this example, an Si substrate having a thermal oxide film on the substrate surface was used to produce an electrode, and then the main part of the CPP-GMR film was produced on the electrode.

図6(a)に、本実施例に係る磁気抵抗素子のうち主要な部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。   FIG. 6A shows a schematic diagram of a cross-sectional structure of a main portion of the magnetoresistive element according to this example. Details of the main part of the produced magnetoresistive element are as shown in the following materials and film thicknesses.

Ta:3nm(下地層250)/Ru:2nm(下地層250)/
MnIrCr:6nm(反強磁性層240)/CoFe:2nm(強磁性固定層1(211))/
Ru:0.8nm(反平行結合層230)/CoFe:4nm(強磁性固定層2(212))/
FeVAl:2.5nm(半金属中間層20)/CoFe:4nm(強磁性自由層200)/
Cu:2nm(キャップ層260)/Ru:3nm(キャップ層260)
作製した試料における面積抵抗は0.2Ωμm2、MR比は100%となり、適度な面積抵抗と高いMR比を実現している。半金属Fe2VAlとして膜厚1.5nmの試料を作製したところ、面積抵抗は減少した。従って、半金属層の膜厚制御により抵抗を調整することができ、適度な面積抵抗を実現できる。
Ta: 3 nm (underlayer 250) / Ru: 2 nm (underlayer 250) /
MnIrCr: 6 nm (antiferromagnetic layer 240) / CoFe: 2 nm (ferromagnetic pinned layer 1 (211)) /
Ru: 0.8 nm (antiparallel coupling layer 230) / CoFe: 4 nm (ferromagnetic pinned layer 2 (212)) /
FeVAl: 2.5 nm (semi-metal intermediate layer 20) / CoFe: 4 nm (ferromagnetic free layer 200) /
Cu: 2 nm (cap layer 260) / Ru: 3 nm (cap layer 260)
The manufactured sample has a sheet resistance of 0.2Ωμm 2 and an MR ratio of 100%, realizing an appropriate sheet resistance and a high MR ratio. When a sample with a film thickness of 1.5 nm was prepared as the semimetal Fe 2 VAl, the sheet resistance decreased. Therefore, the resistance can be adjusted by controlling the film thickness of the semimetal layer, and an appropriate area resistance can be realized.

[実施例2]
本発明の第2の実施例について説明する。この実施例も、実施例1の場合と同様、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製した。なお、第2の実施例における断面構造は、図6(a)と同じである。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
[Example 2]
A second embodiment of the present invention will be described. In this example, as in Example 1, the main part of the CPP-GMR film was formed on the electrode. The cross-sectional structure in the second embodiment is the same as that in FIG. Details of the main part of the produced magnetoresistive element are as shown in the following materials and film thicknesses.

Ta:3nm(下地層250)/Ru:2nm(下地層250)/
MnIrCr:6nm(反強磁性層240)/CoFe:2nm(強磁性固定層1(211))/
Ru:0.8nm(反平行結合層230)/Co2CrAl:4nm(強磁性固定層2(212))/
Fe2VAl:2.5nm(半金属中間層20)/Co2CrAl:4nm(強磁性自由層200)/
Cu:2nm(キャップ層260)/Ru:3nm(キャップ層260)
発明者は、強磁性固定層及び自由層におけるCo2CrAlを、Co2CrAlの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層におけるFe2VAlは、Fe2VAlの混合ターゲットのスパッタにより作製できることを確認した。なお、ホイスラー強磁性金属Co2CrAlの格子定数は5.73Åであり、半金属Fe2VAlの格子定数は5.76Åである。この格子定数の違いは0.5%程度であり、非常に格子整合性の良い構造を作製できる。
Ta: 3 nm (underlayer 250) / Ru: 2 nm (underlayer 250) /
MnIrCr: 6 nm (antiferromagnetic layer 240) / CoFe: 2 nm (ferromagnetic pinned layer 1 (211)) /
Ru: 0.8 nm (antiparallel coupling layer 230) / Co 2 CrAl: 4 nm (ferromagnetic pinned layer 2 (212)) /
Fe 2 VAl: 2.5 nm (metalloid intermediate layer 20) / Co 2 CrAl: 4 nm (ferromagnetic free layer 200) /
Cu: 2 nm (cap layer 260) / Ru: 3 nm (cap layer 260)
Inventors, a Co 2 CrAl in the ferromagnetic pinned layer and the free layer, by sputtering of a mixed target of Co 2 CrAl, Fe 2 VAl in the semi-metal layer, it was confirmed that can be produced by sputtering of a mixed target of Fe 2 VAl . The lattice constant of Heusler ferromagnetic metal Co 2 CrAl is 5.73 mm, and the lattice constant of semimetal Fe 2 VAl is 5.76 mm. The difference in lattice constant is about 0.5%, and a structure with very good lattice matching can be produced.

[実施例3]
本発明の第3の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例1の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。第3の実施例における断面構造も、図6(a)と同じである。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
[Example 3]
A third embodiment of the present invention will be described. Also in this example, as in Example 1, the main part of the CPP-GMR film is formed on the electrode. The cross-sectional structure in the third embodiment is also the same as that shown in FIG. Details of the main part of the produced magnetoresistive element are as shown in the following materials and film thicknesses.

Ta:3nm(下地層250)/Ru:2nm(下地層250)/
MnIrCr:6nm(反強磁性層240)/CoFe:2nm(強磁性固定層1(211))/
Ru:0.8nm(反平行結合層230)/Co2CrAl:4nm(強磁性固定層2(212))/
Fe2V0.9Ti0.1Al:2.5nm(半金属中間層20)/Co2CrAl:4nm(強磁性自由層200)/
Cu:2nm(キャップ層260)/Ru:3nm(キャップ層260)
発明者は、強磁性固定層及び自由層のCo2CrAlを、Co2CrAlの混合ターゲットのスパッタすることにより、半金属層におけるFe2V0.9Ti0.1Alは、Fe2VAl及びTiの混合ターゲットをスパッタにより作製できることを確認した。また、発明者は、Tiのドーピングにより、面積抵抗が変化することを確認した。
Ta: 3 nm (underlayer 250) / Ru: 2 nm (underlayer 250) /
MnIrCr: 6 nm (antiferromagnetic layer 240) / CoFe: 2 nm (ferromagnetic pinned layer 1 (211)) /
Ru: 0.8 nm (antiparallel coupling layer 230) / Co 2 CrAl: 4 nm (ferromagnetic pinned layer 2 (212)) /
Fe 2 V 0.9 Ti 0.1 Al: 2.5 nm (metalloid intermediate layer 20) / Co 2 CrAl: 4 nm (ferromagnetic free layer 200) /
Cu: 2 nm (cap layer 260) / Ru: 3 nm (cap layer 260)
The inventors sputtered the Co 2 CrAl in the ferromagnetic pinned layer and the free layer with a mixed target of Co 2 CrAl, so that Fe 2 V 0.9 Ti 0.1 Al in the semi-metal layer was mixed with Fe 2 VAl and Ti. It was confirmed that can be produced by sputtering. The inventors have also confirmed that the sheet resistance changes due to Ti doping.

[実施例4]
本発明の第4の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例1の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。図6(b)に、本実施例に係る磁気抵抗素子の主要部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
[Example 4]
A fourth embodiment of the present invention will be described. Also in this example, as in Example 1, the main part of the CPP-GMR film is formed on the electrode. FIG. 6B shows a schematic diagram of a cross-sectional structure of the main part of the magnetoresistive element according to this example. Details of the main part of the produced magnetoresistive element are as shown in the following materials and film thicknesses.

Ta:3nm(下地層250)/Ru:2nm(下地層250)/
MnIrCr:6nm(反強磁性層240)/CoFe:2nm(強磁性固定層1(211))/
Ru:0.8nm(反平行結合層230)/CoFe:0.5nm(界面磁性層270)/Co2MnGe:4nm(強磁性固定層2(212))/
Ru2VAl:2.5nm(半金属中間層20)/Co2MnGe:4nm(強磁性自由層200)/CoFe:0.5nm(界面磁性層270)/
Cu:2nm(キャップ層260)/Ru:3nm(キャップ層260)
発明者は、中間層をホイスラー強磁性金属Co2MnGeとし、半金属層をRu2VAlとした磁気抵抗素子を作製できることを確認した。作製した磁気抵抗素子の面積抵抗は0.25Ωμm2、MR比は100%となった。なお、本実施例のように、強磁性固定層と非磁性金属RuやCuとの間に界面磁性層270のような強磁性固定層又は自由層とは異なる磁性層を形成すれば、強磁性固定層を構成する原子の拡散を防ぐことができる。従って、本実施例の場合には、強磁性固定層及び自由層が非磁性金属と接合する界面に界面磁性層を形成しても構わない。界面磁性層は、上記の例以外にも、NiFeなどを用いることができる。
Ta: 3 nm (underlayer 250) / Ru: 2 nm (underlayer 250) /
MnIrCr: 6 nm (antiferromagnetic layer 240) / CoFe: 2 nm (ferromagnetic pinned layer 1 (211)) /
Ru: 0.8 nm (antiparallel coupling layer 230) / CoFe: 0.5 nm (interface magnetic layer 270) / Co 2 MnGe: 4 nm (ferromagnetic pinned layer 2 (212)) /
Ru 2 VAl: 2.5 nm (metalloid intermediate layer 20) / Co 2 MnGe: 4 nm (ferromagnetic free layer 200) / CoFe: 0.5 nm (interface magnetic layer 270) /
Cu: 2 nm (cap layer 260) / Ru: 3 nm (cap layer 260)
The inventor has confirmed that a magnetoresistive element having a Heusler ferromagnetic metal Co 2 MnGe as an intermediate layer and Ru 2 VAl as a semimetal layer can be produced. The produced magnetoresistive element had a sheet resistance of 0.25 Ωμm 2 and an MR ratio of 100%. If a magnetic layer different from the ferromagnetic pinned layer or the free layer such as the interface magnetic layer 270 is formed between the ferromagnetic pinned layer and the nonmagnetic metal Ru or Cu as in this embodiment, the ferromagnetic layer It is possible to prevent diffusion of atoms constituting the fixed layer. Therefore, in this embodiment, an interfacial magnetic layer may be formed at the interface where the ferromagnetic pinned layer and the free layer are joined to the nonmagnetic metal. In addition to the above example, NiFe or the like can be used for the interface magnetic layer.

[実施例5]
本発明の第5の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例1の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。図6(c)に、第3の実施例に係る磁気抵抗素子の主要部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
[Example 5]
A fifth embodiment of the present invention will be described. Also in this example, as in Example 1, the main part of the CPP-GMR film is formed on the electrode. FIG. 6C is a schematic diagram of a cross-sectional structure of the main part of the magnetoresistive element according to the third example. Details of the main part of the produced magnetoresistive element are as shown in the following materials and film thicknesses.

Ta:3nm(下地層250)/Ru:2nm(下地層250)/
MnIrCr:6nm(反強磁性層240)/CoFe:2nm(強磁性固定層1(211))/
Ru:0.8nm(反平行結合層230)/CoFe:0.5nm(界面磁性層270)/Co2CrAl:4nm(強磁性固定層2(212))/
Fe2V0.9Ti0.1Al:1nm(半金属層1(21))/Fe2V0.9Cr0.1Al:1nm(半金属層2(22))/
Co2MnSi:2nm(強磁性自由層200)/CoFe:0.5nm(界面磁性層270)/
Cu:2nm(キャップ層260)/Ru:3nm(キャップ層260)
発明者は、半金属層1のFe2V0.9Ti0.1Alを、Fe2VAl及びTiの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層2のFe2V0.9Cr0.1Alを、Fe2VAl及びCrの混合ターゲットのスパッタにより作製できることを確認した。
Ta: 3 nm (underlayer 250) / Ru: 2 nm (underlayer 250) /
MnIrCr: 6 nm (antiferromagnetic layer 240) / CoFe: 2 nm (ferromagnetic pinned layer 1 (211)) /
Ru: 0.8 nm (antiparallel coupling layer 230) / CoFe: 0.5 nm (interface magnetic layer 270) / Co 2 CrAl: 4 nm (ferromagnetic pinned layer 2 (212)) /
Fe 2 V 0.9 Ti 0.1 Al: 1 nm (metalloid layer 1 (21)) / Fe 2 V 0.9 Cr 0.1 Al: 1 nm (metalloid layer 2 (22)) /
Co 2 MnSi: 2 nm (ferromagnetic free layer 200) / CoFe: 0.5 nm (interface magnetic layer 270) /
Cu: 2 nm (cap layer 260) / Ru: 3 nm (cap layer 260)
The inventor made Fe 2 V 0.9 Ti 0.1 Al of the semimetal layer 1 by sputtering of a mixed target of Fe 2 VAl and Ti, and Fe 2 V 0.9 Cr 0.1 Al of the semimetal layer 2 of Fe 2 VAl and Cr. It was confirmed that it could be produced by sputtering a mixed target.

[実施例6]
本発明の第6の実施例について説明する。この実施例の場合も、実施例1の場合と同様に、電極上にCPP-GMR膜の主要部分を作製する。図6(d)に、第6の実施例に係る磁気抵抗素子の主要部分の断面構造の模式図を示す。作製した磁気抵抗素子のうち主要部分の詳細は、以下に示す材料と膜厚の通りである。
[Example 6]
A sixth embodiment of the present invention will be described. Also in this example, as in Example 1, the main part of the CPP-GMR film is formed on the electrode. FIG. 6D is a schematic diagram of a cross-sectional structure of the main part of the magnetoresistive element according to the sixth example. Details of the main part of the produced magnetoresistive element are as shown in the following materials and film thicknesses.

Ta:3nm(下地層250)/Ru:2nm(下地層250)/
MnIrCr:6nm(反強磁性層240)/CoFe:2nm(強磁性固定層1(211))/
Ru:0.8nm(反平行結合層230)/CoFe:0.5nm(界面磁性層270)/Co2CrAl:4nm(強磁性固定層2(212))/
Fe2V0.8Ti0.2Al:1nm(半金属層1(21))/Fe2VAl:1nm(半金属層2(22))/
Fe2V0.8Cr0.2Al:1nm(半金属層3(23))/Co2MnSi:2nm(強磁性自由層200)/CoFe:0.5nm(界面磁性層270)/
Cu:2nm(キャップ層260)/Ru:3nm(キャップ層260)
発明者は、半金属層1のFe2V0.9Ti0.1Alを、Fe2VAl及びTiの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層2のFe2VAlをFe2VAlの混合ターゲットのスパッタにより、半金属層3のFe2V0.9Cr0.1AlをFe2VAl及びCrの混合ターゲットのスパッタにより作製できることを確認した。
Ta: 3 nm (underlayer 250) / Ru: 2 nm (underlayer 250) /
MnIrCr: 6 nm (antiferromagnetic layer 240) / CoFe: 2 nm (ferromagnetic pinned layer 1 (211)) /
Ru: 0.8 nm (antiparallel coupling layer 230) / CoFe: 0.5 nm (interface magnetic layer 270) / Co 2 CrAl: 4 nm (ferromagnetic pinned layer 2 (212)) /
Fe 2 V 0.8 Ti 0.2 Al: 1 nm (metalloid layer 1 (21)) / Fe 2 VAl: 1 nm (metalloid layer 2 (22)) /
Fe 2 V 0.8 Cr 0.2 Al: 1 nm (metalloid layer 3 (23)) / Co 2 MnSi: 2 nm (ferromagnetic free layer 200) / CoFe: 0.5 nm (interface magnetic layer 270) /
Cu: 2 nm (cap layer 260) / Ru: 3 nm (cap layer 260)
Inventors, the Fe 2 V 0.9 Ti 0.1 Al metalloid layer 1 by the sputtering of mixed target of Fe 2 VAl and Ti, a Fe 2 VAl metalloid layer 2 by sputtering of a mixed target of Fe 2 VAl, half It was confirmed that Fe 2 V 0.9 Cr 0.1 Al of the metal layer 3 can be produced by sputtering of a mixed target of Fe 2 VAl and Cr.

[実施例7]
前述の実施例では、半金属層にL21 構造が主要な材料となる場合について説明した。しかし、C1b 構造、B1構造を有する化合物を前述した材料や組成に制御したものを半金属層に用いても良い。
[Example 7]
In the above-described embodiments, the case where the L2 1 structure is the main material in the metalloid layer has been described. However, a compound having a C1 b structure and a B1 structure controlled to the materials and compositions described above may be used for the semimetal layer.

[実施例8]
前述の実施例では、主にCoFe合金やフルホイスラー強磁性合金を、強磁性固定層及び自由層に用いる場合について説明した。しかし、強磁性固定層及び自由層として、これら以外のハーフホイスラー強磁性金属その他の強磁性金属も用いても良い。
[Example 8]
In the above-described embodiments, the case where a CoFe alloy or a full Heusler ferromagnetic alloy is mainly used for the ferromagnetic fixed layer and the free layer has been described. However, other half-Heusler ferromagnetic metals and other ferromagnetic metals may be used as the ferromagnetic fixed layer and the free layer.

[実施例9]
前述の実施例では、下地層にTaやRuを用いる場合について説明した。しかし、下地層として、Al、Cu、Cr、Fe、Nb、Hf、Ni、Ta、Ru、NiFe、NiCr、NiFeCrなどの単層膜又はこれら材料の多層膜を用いても良い。
[Example 9]
In the above-described embodiment, the case where Ta or Ru is used for the base layer has been described. However, a single layer film such as Al, Cu, Cr, Fe, Nb, Hf, Ni, Ta, Ru, NiFe, NiCr, or NiFeCr or a multilayer film of these materials may be used as the underlayer.

[実施例10]
前述の実施例では、反強磁性層にMnIrCr(6nm)を用いる場合について説明した。しかし、反強磁性層として、MnIr、MnPt、NiMn、FeMnその他の反強磁性材料を用いても良い。
[Example 10]
In the above-described embodiment, the case where MnIrCr (6 nm) is used for the antiferromagnetic layer has been described. However, MnIr, MnPt, NiMn, FeMn and other antiferromagnetic materials may be used as the antiferromagnetic layer.

[実施例11]
以上の説明では、発明に係る磁気抵抗素子をCPP-GMRを用いた磁気再生ヘッドに適用する場合を主に説明した。しかし、発明に係る磁気抵抗素子は、CPP-GMR素子を用いた各種の磁気装置にも適用することができる。具体的には、MRAM(magnetic random access memory)のような不揮発性メモリや磁気方位センサなどの各種センサ等にも適応可能である。
[Example 11]
In the above description, the case where the magnetoresistive element according to the invention is applied to a magnetic reproducing head using CPP-GMR has been mainly described. However, the magnetoresistive element according to the invention can also be applied to various magnetic devices using CPP-GMR elements. Specifically, the present invention can be applied to various sensors such as a nonvolatile memory such as a magnetic random access memory (MRAM) and a magnetic orientation sensor.

以下では、発明に係る磁気抵抗素子を磁気再生ヘッドに応用した磁気ディスク装置(図7)とMRAM(図8)の構造例を簡単に説明する。   Hereinafter, structural examples of the magnetic disk device (FIG. 7) and the MRAM (FIG. 8) in which the magnetoresistive element according to the invention is applied to a magnetic reproducing head will be briefly described.

図7に、磁気ディスク装置720の構造例を示す。磁気ディスク装置720の筐体701には、記録媒体である磁気ディスク702が配置される。図7は、マルチディスク構造の場合について表している。従って、1つの磁気ディスク702には、1つの磁気ヘッドが配置される。磁気ディスク702は、スピンドルモータ703によって高速回転される。サスペンション700の先端には、磁気ヘッド710が搭載され、サスペンション700の根元部分はアーム704に接続される。磁気ヘッド710は、記録ヘッドと再生ヘッドで構成され、前述した磁気抵抗素子は、再生ヘッドに使用される。アーム704は、ロータリーアクチュエータ705により磁気ディスク702の表面に対して平行の面内を駆動される。ロータリーアクチュエータ705によるアーム704の駆動制御により、磁気ヘッド710は磁気ディスク702の所定位置に移動される。なお、磁気ディスク装置720には、書き込み情報及び読み込み情報を処理する信号処理用LSI(信号処理回路)706も配置される。   FIG. 7 shows a structural example of the magnetic disk device 720. A magnetic disk 702 that is a recording medium is disposed in a housing 701 of the magnetic disk device 720. FIG. 7 shows the case of a multi-disk structure. Accordingly, one magnetic head is disposed on one magnetic disk 702. The magnetic disk 702 is rotated at high speed by a spindle motor 703. A magnetic head 710 is mounted at the tip of the suspension 700, and the root portion of the suspension 700 is connected to the arm 704. The magnetic head 710 includes a recording head and a reproducing head, and the above-described magnetoresistive element is used for the reproducing head. The arm 704 is driven in a plane parallel to the surface of the magnetic disk 702 by a rotary actuator 705. The magnetic head 710 is moved to a predetermined position on the magnetic disk 702 by the drive control of the arm 704 by the rotary actuator 705. The magnetic disk device 720 is also provided with a signal processing LSI (signal processing circuit) 706 for processing write information and read information.

図8に、MRAM800の構造例を示す。図8(a)に示すように、MRAM800の基体上には、前述した磁気抵抗素子で構成される記憶素子803がマトリクス状に形成される。磁気抵抗素子のうち強磁性自由層の側はビット線801に接続され、強磁性固定層の側は選択用トランジスタ804のソース・ドレイン電極(主電極の一方)と接続される。選択用トランジスタ804のゲート電極(制御電極)はワード線802に接続される。なお、選択用トランジスタ804は、例えばMOSFETで構成する。選択用トランジスタ804の他方のソース・ドレイン電極(主電極の他方)は接地される。   FIG. 8 shows an example structure of the MRAM 800. As shown in FIG. 8A, on the base of the MRAM 800, the memory elements 803 made of the magnetoresistive elements described above are formed in a matrix. Of the magnetoresistive element, the ferromagnetic free layer side is connected to the bit line 801, and the ferromagnetic fixed layer side is connected to the source / drain electrodes (one of the main electrodes) of the selection transistor 804. A gate electrode (control electrode) of the selection transistor 804 is connected to the word line 802. Note that the selection transistor 804 is formed of, for example, a MOSFET. The other source / drain electrode (the other of the main electrodes) of the selection transistor 804 is grounded.

なお、磁気方位センサは、4個の磁気抵抗素子でブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の表面上に絶縁膜を介して薄膜のスパイラルコイルを配置することで構成できる。   The magnetic azimuth sensor can be configured by forming a bridge circuit with four magnetoresistive elements, and disposing a thin spiral coil on the surface of the bridge circuit via an insulating film.

20: 半金属層
21: 半金属層1
22: 半金属層2
23: 半金属層3
24: 複合半金属層
200:強磁性自由層
211:強磁性固定層1
212:強磁性固定層2
220:濃度勾配層
230:反平行結合層
240:反強磁性層
250:下地層
260:キャップ層
270:界面磁性層
20: Metalloid layer 21: Metalloid layer 1
22: Metalloid layer 2
23: Metalloid layer 3
24: Composite metalloid layer
200: Ferromagnetic free layer 211: Ferromagnetic fixed layer 1
212: Ferromagnetic pinned layer 2
220: concentration gradient layer 230: antiparallel coupling layer 240: antiferromagnetic layer 250: underlayer 260: cap layer 270: interface magnetic layer

Claims (8)

磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む自由層と、
前記強磁性固定層と前記強磁性自由層との間に一層以上の中間層とを有し、
前記中間層の少なくとも一層以上が、全体的に又は部分的にL21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造の少なくともいずれか1つの構造を有する半金属層である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
A pinned layer including a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in one direction;
A free layer comprising a ferromagnetic material whose magnetization direction changes in response to an external magnetic field;
Having one or more intermediate layers between the ferromagnetic pinned layer and the ferromagnetic free layer;
Or at least one layer of the intermediate layer, and characterized in that it is a semi-metal layer having at least either one structure of the entire or partially L2 1 structure, B2 structure, A2 structure, C1 b structure or B1 structure Magnetoresistive element.
請求項1に記載の磁気抵抗素子において、
前記半金属層に、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、V、Nb、Taから選ばれる少なくとも1種類以上の元素が合計30〜80原子%の範囲で含まれる
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
The magnetoresistive element according to claim 1,
Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, W, Mn, Re, on the metalloid layer At least one element selected from Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, V, Nb, and Ta is included in a total range of 30 to 80 atomic%. The magnetoresistive element characterized by the above-mentioned.
請求項2に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層が、前記固定層又は前記自由層と半金属化合物層との間に、構成元素の組成に勾配を有する層を含んだ複合中間層である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
The magnetoresistive element according to claim 2,
The magnetoresistive element, wherein the intermediate layer is a composite intermediate layer including a layer having a gradient in composition of constituent elements between the fixed layer or the free layer and the metalloid compound layer.
請求項2に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層が、構成元素及び組成が異なる半金属層を少なくとも2層以上の多層構造とした複合中間層である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
The magnetoresistive element according to claim 2,
The magnetoresistive element, wherein the intermediate layer is a composite intermediate layer having a multilayer structure of at least two metalloid layers having different constituent elements and compositions.
請求項1に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層の少なくとも1層以上の半金属層が、Fe-V-Al、Fe-Ti-Si、Mn-V-Sb、Ru-V-Alから選ばれる三元素を主成分とする
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
The magnetoresistive element according to claim 1,
The at least one semi-metal layer of the intermediate layer is mainly composed of three elements selected from Fe—V—Al, Fe Ti Si, Mn—V—Sb, and Ru—V—Al. A magnetoresistive element.
請求項1に記載の磁気抵抗素子において、
前記中間層が、1nm以上10nm以下である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
The magnetoresistive element according to claim 1,
The magnetoresistive element, wherein the intermediate layer is 1 nm or more and 10 nm or less.
磁気ディスクと、
前記磁気ディスクを駆動するモータと、
前記磁気ディスクに情報を記録する記録ヘッドと、
前記磁気ディスクから情報を再生する再生ヘッドと、
前記情報を処理する信号処理回路とを有し、
前記再生ヘッドを構成する磁気抵抗素子が、
磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む自由層と、
前記固定層と前記自由層との間に一層以上の中間層とを有し、
前記中間層の少なくとも一層以上が、全体的に又は部分的にL21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造の少なくともいずれか1つの構造を有する半金属層である
ことを特徴とする磁気ディスク装置。
A magnetic disk;
A motor for driving the magnetic disk;
A recording head for recording information on the magnetic disk;
A reproducing head for reproducing information from the magnetic disk;
A signal processing circuit for processing the information,
The magnetoresistive element constituting the read head is
A pinned layer including a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in one direction;
A free layer comprising a ferromagnetic material whose magnetization direction changes in response to an external magnetic field;
Having one or more intermediate layers between the fixed layer and the free layer;
Or at least one layer of the intermediate layer, and characterized in that it is a semi-metal layer having at least either one structure of the entire or partially L2 1 structure, B2 structure, A2 structure, C1 b structure or B1 structure Magnetic disk unit to be used.
記憶素子がマトリクス配置される磁気抵抗記憶装置において、
前記記憶素子は、ビット線に接続される磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子と主電極の一方が接続され、主電極の他方が接地され、制御電極がワード線に接続されるトランジスタ素子とで構成され、
前記磁気抵抗素子が、
磁化方向が一方向に固定された強磁性体を含む固定層と、
磁化方向が外部磁界に対応して変化する強磁性体を含む自由層と、
前記固定層と前記自由層との間に一層以上の中間層とを有し、
前記中間層の少なくとも一層以上が、全体的に又は部分的にL21 構造、B2構造、A2構造、C1b 構造又はB1構造の少なくともいずれか1つの構造を有する半金属層である
ことを特徴とする磁気抵抗記憶装置。
In a magnetoresistive memory device in which memory elements are arranged in a matrix,
The memory element includes a magnetoresistive element connected to a bit line, and a transistor element in which one of the magnetoresistive element and a main electrode is connected, the other main electrode is grounded, and a control electrode is connected to a word line. Configured,
The magnetoresistive element is
A pinned layer including a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in one direction;
A free layer comprising a ferromagnetic material whose magnetization direction changes in response to an external magnetic field;
Having one or more intermediate layers between the fixed layer and the free layer;
Or at least one layer of the intermediate layer, and characterized in that it is a semi-metal layer having at least either one structure of the entire or partially L2 1 structure, B2 structure, A2 structure, C1 b structure or B1 structure Magnetoresistive storage device.
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