WO1998012758A1 - Dispositif a effet magnetoresistif - Google Patents

Description

明 細 書

磁気抵抗効果素子

技術分野

本発明は、 磁気抵抗効果素子に関する も のであ り 、 特 に いわゆ る 巨大磁気抵抗効果を示す素子に関す る も ので あ る。

背景技術

磁気抵抗効果素子 （ M R 素子） は、 磁界の変化に よ り 電気抵抗が変化す る磁気抵抗効果を利用 し、 磁界の変化 を検出す る素子であ る。 こ の よ う な磁気抵抗効果素子は 検出感度が高い こ と 力、 ら、 ハ ー ドデ ィ ス ク な どの磁気記 録媒体の再生へ ッ ド と しての利用が期待 さ れて い る。 ハ 一 ドデ ィ ス ク に おいて は、 記録の高密度化が進め られて お り 、 磁気抵抗効果素子を よ り 高密度に記録 さ れた記録 媒体の再生へ ッ ド と して用 い る ためには、 よ り 高い感度 が要求 さ れて い る。 磁気抵抗効果素子を よ り 高感度にす る た めに は、 磁気抵抗効果素子の M R比を高 く す る必要 があ る。 こ の よ う な こ とか ら、 高い M R比を示す磁気抵 抗効果素子 と して、 強磁性層 と非磁性導電層 と を稂層 し た構造の磁気抵抗効果膜を用 いた 巨大磁気抵抗効果素子 ( G M R 素子） が検討 さ れ、 こ れ ま で種 々 の G M R の素 子構造が提案 さ れてい る。 例え ば、 互いに異な る 保磁力 を有す る 一対の強磁性層の間 に非磁性導電層 が挟 ま れた 描造を有す る保磁力差型 G M R 素子、 非磁性導電層 を挟 む一対の強磁性層の一方に反強磁性層が積層 さ れて ス ピ ン止め さ れた ス ピ ンバル ブ型 G M R 素子、 及 び強磁性層 と 非磁性導電層 と を複数の周期で繰 り 返 し積層 し た 人工 格子型 G M R素子な どが知 られてい る。

しか しなが ら、 さ ら に高い記録密度を実現す る ために は、 よ り 高い M R 比を有す る こ とが必要であ り 、 さ ら に は ト ラ ッ ク 幅を狭 く す る こ とがで き る G M R 素子の開発 が要望 さ れてい る。

本発明の 目 的は、 こ の よ う な従来か ら の要望を満 た そ う と す る も のであ り 、 従来 よ り 高い M R 比を示す こ と が で き る 新規な磁気抵抗効果素子の素子構造を提供す る こ と に あ る。 発明の開示

本発明の磁気抵抗効果素子は、 一対の強磁性層 の問 に 非磁性導電層が挟 ま れた積層構造を有す る積層膜 と 、 層膜に検出電流を流すための一対の電極 と、 一対の電極 の う ち の正極 と一対の強磁性層の う ち の一方の強磁性層 と の間 に設け られ、 強磁性層 に ス ピ ン偏極 し た電子を与 え る た めの強磁性体か らな る フ ィ ル タ 層 と を備え、 強磁 性層 中の電子の移動の距離がス ピ ン拡散長 よ り 短 く な る よ う に設定 さ れてい る こ と を特徴 と してレ、 る。

本発明に おいて、 ス ピ ン 拡散長 と は、 ス ピ ン偏極 し た 電子が拡散 し移動 し得る平均距離を意味 して い る。 本発 明 に おいて は、 ス ピ ン偏極 し た電子が与え ら れ る 強磁性 層 中の電子の移動の距離がス ピ ン拡散長 よ り 短 く な る よ う に設定 さ れてい る ので、 強磁性層中を移動す る 電子は ス ピ ン 偏極 した状態で移動 し得 る。

ま た本発明において、 正極 と は、 一対の電極の う ち の 電子を与え る 電極をい う 。 本発明において は、 正極 と 、 正極側の強磁性層 と の間に少な く と も フ ィ ル 夕層が設け られて おればよ いが、 よ り 好 ま しい実施形態にお いて は 負極 と 、 負極側の強磁性層 と の間に も フ ィ ル 夕 層 か設 け ら れ る。

以下、 本発明の磁気抵抗効果素子が、 従来の磁気抵抗 効果素子よ り も 高い M R比を示す原理について説明す る 図 1 は、 本発明 に従 う一実施例の磁気抵抗効果素子を 示す断而図であ る。 基板 9 の中央部の上に は、 第 1 の強 磁性層 4 、 非磁性導電層 5 、 及び第 2 の強磁性層 6 を積 層 し た積層膜 3 が設け られてい る。 第 1 の強磁性層 4 は 例え ば N i F e な どか ら形成 さ れ、 第 2 の強磁性層 6 は 例えば C 0 な どか ら形成さ れ、 互いに保磁力 の異な る 強 磁性層材料か ら形成さ れてい る。 非磁性導電層 5 は、 例 え ば C u な どか ら形成さ れて い る。 従 っ て、 積層膜 3 は 保磁力差型の G M R 積層膜を構成 して いる。

積層膜 3 の両側の基板上には、 フ ィ ル タ層 1 及 び 2 が それぞれ積層膜 3 と 接す る よ う に形成 さ れてい る。 フ ィ ル 夕層 1 及び 2 は、 例えば F e な どの強磁性体か ら形成 さ れて い る。 フ ィ ノレ 夕 層 1 及 び 2 の上に は、 そ れぞれ A u な どか ら な る 電極 7 及び 8 が設け られて い る 。 積層膜 3 中を流れ る検出電流は、 こ の電極 7 及び 8 か ら供給 さ れ る。 ま た、 積層膜 3 の端部間の電圧を読み取 る 電極は こ の電極 7 及び 8 を兼用 さ せて も よ い し、 別 に設けて も よ い。

図 1 に示す実施例の磁気抵抗効果素子において は、 積 層膜 3 の第 1 の強磁性層 4 及 び第 2 の強磁性層 6 の両側 の側方端部に フ ィ ル 夕 層 1 及 び 2 が接す る よ う に設 け ら れてい る 。 従来の磁気抵抗効果素子に お いて は、 こ の フ ィ ル 夕 層 1 及 び 2 の位置に、 電極 ま た はバイ ア ス層 な ど が設け ら れてい る。

図 1 5 及び図 1 6 は、 従来の磁気抵抗効果素子に お け る 各層 の電子のス ピ ン の偏極伏態を示す図であ る 。 図 1 5 ( a ) に示す よ う に、 従来の磁気抵抗効果素子に お い て は、 G M R 積層膜 3 の両側に は、 電極 ま た はバイ ア ス 層な どの導電層 1 7 及 び 1 8 が設け られて い る。 従 っ て G M R 積層膜 3 に流れ る 電子は、 導電層 1 7 ま た は 1 8 を通 り G M R 積層膜 3 に与え られ る。

図 1 5 ( b ) は、 図 1 5 ( a ) に示す各層の電子の ス ピ ン の偏極状態を示 してい る。 ス ピ ン偏極状態 1 4 、 1 5 及び 1 6 は、 そ れぞれ第 1 の強磁性層 4 、 非磁性導電 層 5 、 及 び第 2 の強磁性層 6 の ス ピ ン偏極状態に対応 し て レ、 る。 ま た ス ピ ン偏極状態 1 9 及 び 2 0 は、 そ れぞれ 導電層 1 7 及び 1 8 の ス ピ ン偏極状態に対応 して い る。 図 1 5 は、 第 1 の強磁性層 4 の磁化方向 と 、 第 2 の強 磁性層 6 の磁化方向 と が平行であ る と き の状態を示 して い る。 図 1 5 ( b ) に示す よ う に、 G M R 積層膜 3 中の 非磁性導電層 5 及び導電層 1 7 及び 1 8 にお け る 電子は ス ピ ン偏極 していな い状態にあ る。 こ れに対 し、 第 1 の 強磁性層 4 及び第 2 の強磁性層 6 にお け る 電子はス ピ ン 偏極 した状態にあ る。 ま た第 1 の強磁性層 4 及び第 2 の 強磁性層 6 の フ ェ ル ミ 電子は同一方向に ス ピ ン偏極 し て い る o

G M R 積層膜 3 を通 る電子の伝導パス は、 表 1 に示す よ う に 6 通 り 考え られる。 こ こ で、 第 1 の強磁性層 4 の 伝導パスを F 1 と し、 非磁性導電層 5 の伝導パス を C と し、 第 2 の強磁性層 6 の伝導パス を F 2 と して い る。 ま た、 第 1 の強磁性層 4 の抵抗を R 1 、 非磁性導電層 5 の 抵抗を R c 、 第 2 の強磁性層 6 の抵抗を R 2 と す る と 、 各伝導パスの抵抗は、 表 1 の よ う に表 さ れ る 。

表 1

No. 伝導パス 伝導層 抵 抗

の数

1一 A F 1 1 R 1

1 -B C 1 Rc

1一 C F 2 1 R 2

2 -Λ F 1. C 2 R 1 R c/ (R 1 1 Rc)

2 -B C. F 2 2 R c R 2/ (R c +R 2)

3 F 1, C. F 2 3 R〗 R c R 2

/ (R 1 R c +R c R 2 +R 2 R 1 ) 1 に示す伝導パスの う ち、 3 つの層 を流れ る Ν 0 .

3 の伝導パスが最 も 抵抗が低 く 、 実際の伝導を支配 して い る

図 1 6 は、 第 2 の強磁性層 6 の磁化方向が反転 し、 第 1 の強磁性層 4 と第 2 の強磁性層 6 の磁化方向が反平行 状態 と な っ た と き の ス ピ ン偏極の状態を示 してい る 。 図 1 6 ( a ) に示す よ う に、 第 2 の強磁性層 6 の磁化方向 が、 第 1 の強磁性層 4 の磁化方向に対 し反平行状態 と な つ てい る。 こ の よ う な状態に おいて は、 図 1 6 ( b ) の ス ピ ン偏極伏態 1 4 及 びス ピ ン偏極状態 1 6 に示 さ れ る よ う に、 第 1 の強磁性層 4 の フ エ ル ミ 電子の偏極状態 と 第 2 の強磁性層 6 の フ ユ ル ミ 電子のス ピ ン偏極状態 と が 異な つ てい る。 こ の よ う な状態において は、 表 2 に示す よ ό に、 3 つの層 を通 る N o . 3 の伝導パスを電子が流 れな く な る。

表 2

No. 伝導パス 伝導層 抵 抗

の数

1一 A F 1 1 R 1

1 - B C 1 R c

1 - C F 2 1 R 2

2 - Λ F 1 , C 2 R l Rc/ (R l +R c)

2 - D C. F 2 2 R c R 2 / ( R c + 2 )

3 F 1 , C. F 2 3 従 っ て、 G M R 積層膜 3 の抵抗が増大す る 。

以上の よ う に、 従来の磁気抵抗効果素子に お いて は、 一対の強磁性層の一方の磁化方向が反平行 と な る こ と に よ り 、 3 つの層を流れ る 伝導パスが電子伝導に寄与で き な く な る。 従 っ て、 従来の磁気抵抗効果素子は、 こ れに よ る 抵抗変化を用 いて磁界の変化を検出 してい る 。

図 2 及び図 3 は、 図 1 に示す本発明の実施例の磁気抵 抗効果素子にお け る ス ピ ン偏極状態を示 して い る。 図 2 ( b ) に示す よ う に、 第 1 の強磁性層 4 と 第 2 の強磁性 層 6 の磁化方向が平行であ る と き に は、 第 1 の強磁性層 4 の ス ピ ン偏極状態 1 4 と、 第 2 の強磁性層 6 の ス ピ ン 偏極状態 1 6 と がほぼ同様の偏極状態にあ り 、 各層の フ ェ ル ミ 電子のス ピ ン の偏極が同一方向であ る。 ま た G M R 積層膜 3 の両側にそれぞれ設け ら れてい る 強磁性体か ら な る フ ィ ル 夕層 1 及び 2 のそれぞれのス ピ ン 偏極状態 1 1 及 び 1 2 も ほぼ同様の偏極状態であ り 、 各層 の フ エ ル ミ 電子のス ピ ン は同一方向に偏極 してい る。 こ の よ う な状態においては、 図 1 5 に示す従来の磁気抵抗効果素 子 と 同様に、 表 3 に示す よ う な 6 通 り の伝導パスが考え ら れ、 こ れ らの中で も 3 層 を通過す る N o . 3 の伝導パ ス が最 も 抵抗が低 く 、 実際の電子の伝導を支配 して い る ,

表 3

図 3 は、 第 2 の強磁性層 6 の磁化方向が、 第 1 の強磁 性層 4 の磁化方向 と反平行に な っ た と き の状態を示 して い る。 図 3 ( b ) に示す よ う に、 第 2 の強磁性層 6 の ス ピ ン偏極状態 1 6 は、 第 1 の強磁性層 4 の ス ピ ン偏極状 態 1 4 並びに フ ィ ル 夕 層 1 及び 2 のそれぞれのス ピ ン偏 極伏態 1 1 及び 1 2 と 異な る状態 と な っ て い る 。 従 っ て 第 2 の強磁性層 6 の フ ル ミ 電子の ス ピ ン偏極 と 、 フ ィ ル 夕 層 1 及び 2 の フ ヱ ル ミ 電子のス ピ ン偏極及 び第 1 の 強磁性層 4 の フ ェ ル ミ 電子のス ピ ン偏極が異な る 方向 と な っ てレ、 る。 こ のため、 フ ィ ル タ 層 1 ま た は 2 力、 ら第 2 の強磁性層 6 に対 し電子が流れる な く な る。 こ の結果、 表 4 に示す よ う に、 第 2 の強磁性層 6 の伝導パス F 2 に 関連 し た 3 つの伝導パス N o . 1 — C 、 N o . 2 — B 、 及び N o . 3 が閉 じ、 抵抗が従来 よ り も大幅に増大す る 表 4

No. 伝導パス 伝導層 抵 抗

の数

1一 A F 1 R 1

1一 B C R c

1一 C F 2

2 - A F 1 . C R 1 R c / ( R 1 + R c )

2— 13 C , F 2

3 F 1 . C , F 2

以上の よ う に、 本発明 に従え ば、 ス ピ ン偏極 した電子 がー方の強磁性層に与え られ る ため、 こ の強磁性層 の フ X ル ミ 電子の ス ピ ン偏極が、 フ ィ ル 夕 層の ス ピ ン偏極 と 異な る 方向に な る と、 大 に抵抗が増大 し、 従来 よ り も 大 き な M R 変化を得 る こ と で き る 。 こ の よ う に、 本発明 に おいて は、 強磁性層 中のス ピ ン偏極 した電子の移動を 利用す る も のであ る ため、 上述の よ う に、 フ ィ ル 夕 層 と 接 し ス ピ ン偏極 し た電子が与え られる強磁性層 中の電子 の移動の距離は、 ス ピ ン拡散長 よ り も短 く な る よ う に設 定 さ れ る。 具体的に は、 強磁性層の電子の移動方向の幅 を所定の範囲 と な る よ う に設定す る。 本発明にお け る ス ピ ン拡散長は、 磁気抵抗効果素子の使用 温度にお け る ス ピ ン拡散長を意味す る。 ス ピ ン拡散長は強磁性層 の材質 や薄膜形成条件等に よ り 異な る の で、 こ れ らの条件を考 慮 して強磁性層の幅を決定す る。 こ の強磁性層の電子移 動の距離は、 感磁部の幅に相当す る。 ま た本発明の磁気 抵抗効果素子を磁気抵抗効果へ ッ ド （ M R へ ッ ド） に用 いた場合 に は、 M R へ ッ ドの ト ラ ッ ク 幅に相当す る。 本 発明では、 こ の よ う に感磁部の幅を ス ピ ン拡散長 よ り も 短 く な る よ う に設定す る ので、 M R ヘ ッ ド と して 用 いた 場合、 卜 ラ ッ ク 幅を短 く す る こ と ができ、 高密度記録の 再生に適 した M R へ ッ ド とす る こ と ができ る 。 こ の よ う な感磁部の幅、 すな わ ち強磁性層中 の電子の移動の距離 は、 一般に は 1 〃 π！〜 0 . 0 5 m程度の範囲内で設定 さ れ る。

本発明 において、 強磁性層 を構成す る 磁性体 と して は G M R 積層膜の磁性体 と して用 い る こ と がで き る も ので あれば よ く 、 例えば、 N i F e 、 F e 、 C o 及び こ れ ら の合金な どが用 い られ る。 ま た非磁性導電層 と して は、 C u 、 A g な どが用 レ、 られ る。

ま た本発明 に おいて、 フ ィ ル 夕 層 と して用 い られる 強 磁性体は、 室温以上に キ ュ ー リ 一 点を有す る 強磁性体で あれば、 特に限定 さ れ る も のではな い。 具体的 に は、 N i F e 、 F e 、 C o 及 び こ れ らの合金な どが挙げ られ る 好 ま し く は、 フ ィ ル タ 層が接す る 、 すなわ ち ス ピ ン偏極 した電子が与え られ る強磁性層の フ X ル ミ 準位 と、 フ ィ ル 夕 層 の フ ェ ル ミ 準位 と の差が、 ± 1 e V の範囲内 と な る よ う に フ ィ ル タ 層の強磁性体材料が選ばれて い る。 さ ら に好 ま し く は、 強磁性層の フ ヱ ル ミ 準位 と の差か、 土 0 . 5 e V の範囲內 と な る よ う に選ばれ る。 ま た、 フ ィ ル 夕 層 は、 一対の強磁性層の う ち の他方の強磁性層 と 同 一の強磁性体材料か ら構成 さ れて も よ い。

本発明 において フ ィ ル タ 層 は、 ス ピ ン偏極 した一方 の ス ピ ン状態の電子を抽出 し、 強磁性層 に与え る フ ィ ル 夕 の役割を果た してい る。

本発明 にお け る 積層膜は、 一対の強磁性層 の間 に非磁 性導電層が挟 ま れた積層構造を有す る も のであれば特に 限定 さ れる も のではない。 例えば、 一対の強磁性層が互 い に異な る保磁力 を有す る保磁力 差型磁気抵抗効果膜で あ っ て も よ い し、 一対の強磁性層の一方に反強磁性層が 積層 さ れてい る ス ピ ン バルブ型磁気抵抗効果膜であ っ て も よ い。 ス ピ ンバルブ型磁気抵抗効果膜の場合、 強磁性 層の一方に積層 さ れ る反強磁性層 と しては、 F e M n 、

N i M n 、 I r M n . N i 〇 、 C o O、 N i C o O な ど が挙げ られ る。

ま た、 本発明に お け る積層膜は、 強磁性層 と非磁性導 電層 と を複数の周期で繰 り 返 し積層す る 人工格子型磁気 抵抗効果膜であ っ て も よ い。 こ の よ う な人工格子型磁気 抵抗効果膜 と して は、 例えば強磁性層 と しての C 0 層 と 非磁性導電層 と しての C u 層を交互に繰 り 返 し積層 した 積層膜が知 られてい る。

本発 π月の磁気坻抗効果素子において は、 図 1 に示す実 施例の よ う に フ ィ ル 夕 層が積層膜の各層の側方端部 と 接 す る よ う に設け られていて も よ い し、 一対の強磁性層の 一方の強磁性層 のみ と接す る よ う に設け られて いて も よ い。 さ ら には、 キ ャ リ ア電子を注入する側にのみ フ ィ ル 夕層を設け、 反対側に は任意の導体層を設けて も よい。

さ らには、 フ ィ ル タ層が、 一対の強磁性層の一方の強 磁性層 と接 し、 かつ他方の強磁性層 と一体的にな る よ う に形成さ れていて も よ い。 すなわち、 フ ィ ルタ層 と一対 の強磁性層の他方の強磁性層が同一材料で連続 して形成 さ れていて も よい。 図面の 単な説明

図 1 は、 本発明に従う一実施例の磁気抵抗効果素子を 示す断面図であ る

図 2 は、 本発明の磁気抵抗効果素子において一対の強 磁性層の磁化方向が互いに平行であ る と きの各層のス ピ ン偏極状態を示す図であ る。

図 3 は、 本発明の磁気抵抗効果素子において一対の強 磁性層の磁化方向が互いに反平行であ る と き の各層のス ピ ン偏極状態を示す図であ る。

図 4 は、 図 1 に示す実施例を製造する工程を示す断面 図であ る。

図 5 は、 図 1 に示す実施例を製造する工程を示す断面 図であ る。

図 6 は、 図 1 に示す実施例を製造する工程を示す断面 図であ る。

図 7 は、 本発明に従 う 他の実施例の磁気抵抗効果素子 を示す断面図であ る。 図 8 は、 本発明に従う さ らに他の実施例の磁気抵抗効 果素子を示す断面図である。

図 9 は、 本発明に従う さ らに他の実施例の磁気抵抗効 果素子を示す断面図であ る。

図 1 0 は、 本発明に従う さ らに他の実施例の磁気抵抗 効果素子を示す断面図である。

図 1 1 は、 本発明に従う さ らに他の実施例の磁気抵抗 効果素子を示す断面図である。

図 1 2 は、 本発明に従う さ らに他の実施例の磁気抵抗 効果素子を示す断面図であ る。

図 1 3 は、 図 1 2 に示す実施例の磁気抵抗効果素子を 製造する工程を示す断面図である。

図 1 4 は、 図 1 2 に示す実施例の磁気抵抗効果素子を 製造する工程を示す断面図であ る。

図 1 5 は、 従来の磁気抵抗効果素子において一対の強 磁性層の磁化方向が互いに平行であ る と き の各層のス ピ ン偏極の状態を示す図であ る。

図 1 6 は、 従来の磁気抵抗効果素子において一対の強 磁性層の磁化方向が互いに反平行である と き の各層のス ピ ン偏極の状態を示す図であ る。 発明を実施する ための最良の形態

図 1 は、 上述のよ う に、 本発明に従う 一実施例の磁気 抵抗効果素子を示す断面図である。 図 4 〜図 6 は、 図 1 に示す磁気抵抗効果素子を製造する工程を示す断面図で あ る。 図 4 ( a ) を参照 して、 S i な どか ら な る 非磁性 の基板 9 の上に、 第 2 の強磁性層 6 と しての C 0 層 （膜 厚 5 n m ) 、 非磁性導電層 5 と して の C u 層 （膜厚 2 n m ) 、 及 び第 1 の強磁性層 4 と しての N i ₈。 F e ₂₀層 (膜厚 5 n m ) を順次イ オ ン ビー ム ス ノ、' ッ 夕 リ ン グ （ I B S ) 法に よ り 形成す る。

次に、 図 4 ( b ) を参照 して、 第 1 の強磁性層 4 の上 に レ ジス ト 膜 1 0 を形成 し、 図 4 ( c ) に示す よ う に フ オ ト レ ジ ス 卜 法を用 いてパ タ ー ニ ン グす る 。 次に、 パ 夕 一 二 ン グに した レ ジ ス 卜 膜 1 0 をマ ス ク と して イ オ ン ビ ー 厶エ ッ チ ン グ （ I B E ) 法に よ り 、 第 1 の強磁性層 4 非磁性導電層 5 及 び第 2 の強磁性層 6 をエ ッ チ ン グ除去 し、 図 4 ( d ) に示す よ う に素子形状に微細加工す る。 次に、 図 5 ( e ) を参照 して、 レ ジ ス 卜 膜 2 1 を全面 に形成 し た後、 フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ 法を用 し、て、 図 5 ( f ) に示す よ う に、 積層膜の上にのみ レ ジ ス 卜 膜 2 1 を残す。 次に、 図 5 ( g ) に示す よ う に、 フ ィ ル 夕 層 と して用 い る F e 層 2 2 (膜厚 1 2 n m ) を I B S 法に よ り 全面に形成す る。 次に、 図 5 ( h ) に示す よ う に、 積 層膜上の レ ジ ス ト 膜 2 1 を リ フ ト オ フ す る こ と に よ り 、 こ の上に形成 さ れた F e 層 2 2 を除去す る。 積層膜の両 側に形成 さ れた F e 層 は フ ィ ノレ 夕 層 1 及び 2 と な る。

次に、 図 6 ( i ) に示す よ う に、 全面に再び レ ジ ス 卜 膜 2 3 を形成 した後、 図 6 ( j ) に示す よ う に、 フ ォ ト リ ツ グラ フ ィ 法に よ り 中央部に のみ レ ジ ス ト 膜 2 3 を残 す よ う にパ タ ーニ ン グす る。 次に、 図 6 ( k ) に示す よ う に、 全面に電極 と な る A u 層 2 4 ( 1 0 0 n m ) を I B S 法に よ り 形成す る。 次に、 図 6 ( 1 ) に示す よ う に レ ジス ト 膜 2 3 を リ フ 卜 オ フ に よ り 除去する こ と に よ り 両側に A u 層 を残 し、 こ れ ら を電極 7 及び 8 と す る。

本実施例にお いては、 積層膜部分の幅、 すなわ ち フ ィ ル タ 層間の距離を 5 0 0 n m と な る よ う に各層 を形成 し て い る。

こ の よ う な保磁力差型の G M R膜において、 第 1 の強 磁性層 4 及び第 2 の強磁性層 6 の一般的な膜厚は、 例え ば 1 0 〜 1 0 0 A であ り 、 非磁性導電層 5 の一般的な膜 厚は、 例え ば 1 0 〜 5 0 A であ る。

以上の よ う に して図 1 に示す実施例の磁気抵抗効果素 子を得 る こ と がで き る。

図 7 は、 本発明 に従 う 他の実施例の磁気抵抗効果素子 を示す断面図であ る。 図 7 を参照 して、 本実施例の積層 膜 3 は、 C u な どの非磁性導電層 2 5 と C 0 な どの強磁 性層 2 6 を複数の周期で繰 り 返 して積層す る こ と に よ り 構成 さ れる 人工格子型の G M R 膜であ る。 そ の他の構成 は、 図 1 に示す実施例 と 同様に して構成 さ れて いる。 非 磁性導電層 2 5 は、 例えば 1 0 〜 5 0 A の膜厚で形成 さ れ、 強磁性層 2 6 は、 例えば 1 0 〜 1 0 0 A の膜厚で形 成 さ れ る。 ま た非磁性導電層 2 5 と 強磁性層 2 6 の繰 り 返 し周期は、 例えば 5 〜 3 0 A の周期で繰 り 返 さ れ積層 さ れる。 図 8 は、 本発明に従 う さ ら に他の実施例の磁気抵抗効 果素子を示す断面図であ る。 本実施例では、 積層膜 3 と して、 ス ピ ン バルブ型 G M R膜が形成さ れてい る。 第 1 の強磁性層 2 7 と して は、 N i ₈。 F e ₂。層 （膜厚 5 n m ) と C o 層 （膜厚 2 n m ) を積層 した膜が形成さ れて い る。 非磁性導電層 2 8 と しては、 C u 層 （膜厚 3 η m ) が形成さ れて い る。 第 2 の強磁性層 2 9 と して は、 C o 履 （膜厚 2 n m ) と N i F e ^層 （膜厚 5 n m ) を攒層 した膜が形成 さ れて い る。 第 1 の強磁性層 2 7 及 び第 2 の強磁性層 2 9 において、 C 0 層 はそれぞれ C u 層 に近い側に設け られてい る。 第 1 の強磁性履 2 7 の上 に は、 反強磁性層 3 0 と し て の F e ₅。 M n ₅0層 （膜厚 1 5 n m ) が形成 さ れてい る。 ま た フ ィ ル 夕 層 1 及び フ ィ ノレ 夕 層 2 と して、 F e 層 （膜厚 1 5 n m ) が形成 さ れて い る 。 従 っ て、 フ ィ ル タ層 1 及 び 2 は、 第 1 の強磁性層 2 7 、 非磁性導電層 2 8 及び第 2 の強磁性層 2 9 の侧方 の端面 と接す る よ う に形成 さ れてい る。 こ の よ う な ス ピ ン バルブ型の G M R膜に おいて、 反強磁性層 3 0 の一般 的な膜厚は、 例えば 5 0 〜 5 0 0 Aであ り 、 第 1 の強磁 性層 2 7 及 び第 2 の強磁性層 2 9 の一般的な膜厚は、 例 えば 1 0 〜 1 0 0 Aであ り 、 非磁性導電層 2 8 の一般的 な膜厚は、 例え ば 1 0 〜 5 0 Aであ る。

本実施例において は、 積層膜部分の幅、 すな わ ち フ ィ ル 夕 層間の距離を 5 0 0 n m と な る よ う に各層を形成 し て い る。 図 9 は、 本発明 に従 う さ ら に他の実施例を示す断面図 であ る。 本実施例に おいて は、 バイ ア ス層が設け られて い る。 基板 9 の上に は、 図 1 に示す実施例 と 同様に第 1 の強磁性層 4 、 非磁性導電層 5 及 び第 2 の強磁性層 6 か ら な る積層膜 3 が形成さ れて い る 。 こ の積層膜 3 の両側 の端面に接す る よ う に、 例えば C 0 C r P t な どか ら な る ノく ィ ァ ス層 3 1 及び 3 2 が形成 さ れてい る。 こ の よ う に稂層膜 3 に直接接す る よ う にバイ ア ス層が設け られて い る場合 に は、 図 9 に示すよ う に、 例え ば第 1 の強磁性 層 4 の上に所定の間隔を隔てて一対の フ ィ ル 夕層 1 及 び 2 を形成 し、 こ れ ら フ ィ ル タ 層 1 及び 2 の上に、 それぞ れ A u な どか ら な る 電極 7 及び 8 を形成す る。 こ の よ う な構成にす る こ と に よ り 、 フ ィ ノレ 夕層 1 ま た は 2 を介 し て第 1 の強磁性層 4 に電子を与え る こ と ができ 、 ス ピ ン 偏極 した電子を第 1 の強磁性層 4 に与え る こ と がで き る。 本発明 に おいては、 本実施例の よ う に第 1 の強磁性層 4 及 び第 2 の強磁性層 6 の双方に接す る よ う に フ ィ ル 夕 層 を設け る必要はな く 、 フ ィ ル 夕 層 はいずれか一方の強磁 性層 に接 して設け ら れればよ い。 さ ら に は、 電子を与え る 側にのみ フ ィ ル タ層が設け られておればよ く 、 必ず し も 強磁性層の両側の端部のそれぞれに フ ィ ル 夕層が設け ら れ る必要はない。

な お、 本実施例では、 強磁性層 4 中の電子の移動の距 離、 すな わち フ ィ ル タ 層 1 と フ ィ ル 夕 層 2 の間の距離を 5 0 0 n m と な る よ う に設定 して レ、 る。 図 1 0 は、 本発明に従 う さ ら に他の実施例を示す断面 図であ る。 本実施例において も バイ ア ス層 3 1 及び 3 2 が設け られてい る。 本実施例においては、 図 1 に示す実 施例 と 同様に、 基板 9 の中央部に第 1 の強磁性層 4 、 非 磁性導電層 5 及 び第 2 の強磁性層 6 か ら な る積層膜 3 力く 設け ら れてお り 、 こ の積層膜 3 の両側に接す る よ う に F e な どか らな る フ ィ ル タ層 1 及び 2 がそれぞれ設け られ てい る 。 本実施例では、 さ ら に フ ィ ル 夕 層 1 及び 2 の外 側に、 C 0 C r P t な どか ら な る バイ ア ス層 3 1 及び 3 2 がそ れぞれ設け られてい る。 電極 7 及 び 8 は、 そ れぞ れバ イ ア ス層 3 1 及び フ ィ ル 夕 層 1 とノく ィ ァ ス層 3 2 及 び フ ィ ル 夕 層 2 の上に設け られてい る。

本実施例に おいて は、 積層膜部分の幅、 すな わ ち フ ィ ル 夕 層 間の距離を 5 0 0 n m と な る よ う に各層 を形成 し てい る。

図 1 1 は、 本発明 に従 う さ ら に他の実施例を示す断面 図であ る。 本実施例において は、 フ ィ ル 夕 層 1 及 び フ ィ ル 夕 層 2 がそ れぞれ磁性体層 1 a と 1 b 及び磁性体層 2 a と 2 b を交互に積層す る こ と に よ り 形成 さ れて い る。 他の構成は、 図 1 0 に示す実施例 と 同様に して構成さ れ て い る 。 こ の よ う に、 本発明 に おいて は、 異な る磁性体 層 を稂層す る こ と に よ り フ ィ ル 夕 層 を構成 さ せて も よ レ、。

本実施例に おいては、 積層膜部分の幅、 すな わ ち フ ィ ル 夕 層間の距離を 5 0 0 n m と な る よ う に各層 を形成 し てい る 。 図 1 2 は、 本発明 に従 う さ ら に他の実施例を示す断面 図であ る 。 本実施例に おいては、 第 1 の強磁性層 と フ ィ ル 夕 層が連続 して一体的 に形成 さ れてい る 。 すなわ ち 、 基板 9 の 中央部に は、 第 2 の強磁性層 6 及び非磁性導電 曆 5 が形成 さ れてお り 、 非磁性導電層 5 の上に は、 第 1 の強磁性層部分 3 3 a を有す る 強磁性体層 3 3 が形成 さ れてい る。 強磁性体層 3 3 は非磁性導電層 5 及 び第 2 の 強磁性層 6 の外側部分に も延び、 フ ィ ル タ層部分 3 3 b を形成 している。 従 っ て、 第 2 の強磁性層 6 の両側の端 部側面に お いては、 こ の強磁性体層 3 3 の フ ィ ル タ 層部 分 3 3 b が接 してい る。 従 っ て、 強磁性体層 3 3 の第 1 の強磁性層部分 3 3 a が第 1 の強磁性層 と して機能 し、 フ ィ ル タ 層部分 3 3 b が本発明 の フ ィ ル タ 層 と して機能 す る。 こ の よ う に、 本発明においては、 一対の強磁性層 の う ち の一方が フ ィ ル 夕 層 と連続 して一体的 に形成 さ れ て いて も よ い。

本実施例においては、 積層膜部分の幅、 すなわ ち フ ィ ル 夕 層間の距離を 5 0 0 n m と な る よ う に各層 を形成 し てい る。

本実施例では、 強磁性体層 3 3 の フ ィ ル タ層部分 3 3 b か ら ス ピ ン偏極さ れた電子が第 2 の強磁性層 6 に与え られ、 上述の よ う な本発明の作用機構に よ り 大 き な M R 変化を得 る こ とがで き る。

図 1 3 及び図 1 4 は、 図 1 2 に示す実施例を製造す る 工程を示す断面図であ る。 図 1 3 ( a ) を参照 して、 基 板 9 の上の、 積層膜を形成す る 領域の両側の部分に レ ジ ス ト 膜 3 4 をパ 夕 一 ニ ン グに して形成す る。 次に、 図 1 3 ( b ) に示す よ う に、 第 2 の強磁性層 6 及び非磁性導 電層 5 を基板 9 の上方の全面に形成す る 。 次に、 図 1 3 ( c ) に示す よ う に、 レ ジス ト 膜 3 4 を リ フ ト オ フ す る こ と に よ り 、 基板 9 上の中央部にのみ第 2 の強磁性層 6 及 び非磁性導電層 5 を残す。 次に、 図 1 3 ( d ) に示す よ う に、 基板 9 の上方の全面に強磁性体層 3 3 を形成 し、 非磁性導電層 5 の上の部分を第 1 の強磁性層部分 3 3 a と し、 非磁性導電層 5 及 び第 2 の強磁性層 6 の両側部分 を フ ィ ル 夕 層部分 3 3 b と す る。 第 2 の強磁性層 6 は例 え ば C 0 層か ら形成 し、 非磁性導電層 5 は例え ば C u 層 か ら形成 し、 強磁性体層 3 3 は例えば N i ₈。 F e ₂ 0層 力、 ら形成す る。

次に、 図 1 4 ( e ) に示す よ う に、 強磁性体層 3 3 の 上の中央部分に レ ジ ス 卜 膜 3 4 をパ夕 一 ニ ン グに して形 成す る 。 次に、 図 1 4 ( f ) に示す よ う に、 全面に A u 層 3 5 を形成す る。 次に、 レ ジ ス 卜 膜 3 4 を リ フ ト オ フ す る こ と に よ り 、 図 1 4 ( g ) に示す よ う に、 両側にの み A u 層 を残 し、 それぞれ電極 7 及び 8 とす る 。

以上の よ う に して、 図 1 2 に示す本発明に従 う 実施例 の磁気抵抗効果素子を製造す る こ と がで き る。 産業上の利用可能性

本発明に従えば、 従来 よ り も 高い M R 変化を得 る こ と がで き 、 よ り 高感度な磁気抵抗効果素子 とす る こ と がで き る 。 従 っ て、 本発明の磁気抵抗効果素子は、 例えば高 密度記録に適 した M R へ ッ ド と して用 い る こ と がで き る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 一対の強磁性層 の間 に非磁性導電層が挟 ま れた積層 構造を有す る 積層膜 と 、 前記積層膜に検出電流を流すた めの一対の電極 と、 前記一対の電極の う ち の正極 と 前記 一対の強磁性層の う ち の一方の強磁性層 と の問 に設け ら れ、 前記強磁性層 に ス ピ ン偏極 した電子を与え る ための 強磁性体か ら な る フ ィ ル 夕層 と を備え、 前記強磁性層 中 の電子の移動の距離がス ピ ン拡散長 よ り 短 く な る よ う に 設定さ れて い る 磁気抵抗効果素子。

2 . 前記強磁性層中 の電子の移動の距離が 1 m 〜 0 . 0 5 m であ る請求項 1 に記載の磁気抵抗効 ¾素子。

3 . 前記 フ ィ ル 夕層の フ ル ミ 準位 と前記強磁性層の フ エ ル ミ 準位 と の差が、 ± 1 e V の範囲内 と な る よ う に前 記 フ ィ ル 夕 層 の強磁性体材料が選ばれ る 請求項 1 ま た は 2 に記載の磁気抵抗効果素子。

4 . 前記積層膜が保磁力差型磁気抵抗効果膜であ り 、 前 記一対の強磁性層が互いに異な る 保磁力 を有す る 請求项 1 に記載の磁気抵抗効果素子。

5 . 前記積層膜がス ピ ンバルブ型磁気抵抗効果膜であ り 前記一対の強磁性層 の一方に反強磁性層が ¾層 さ れて い る 請求項 1 に記黻の磁気抵抗効果素子。

6 . 前記積層膜が人工格子型磁気抵抗効果膜であ り 、 ijii 記強磁性層 と前記非磁性導電層が複数の周期で繰 り 返 し 積層 さ れて い る請求項 1 に記載の磁気抵抗効果素子。

7 . 前記 フ ィ ル 夕 層が前記積層膜の各層 と 接す る よ う に 設け ら れてい る請求項 1 に記載の磁気抵抗効果素子。

8 . 前記 フ ィ ル タ 層が、 前記一対の強磁性層の一方の強 磁性層 のみ と接す る よ う に設け ら れて い る請求項 ¹ に記 載の磁気抵抗効果素子。

9 . 前記 フ ィ ル 夕 層が、 前記一対の強磁性層の一方の強 磁性層 と 接 し、 かつ他方の強磁性層 と 一体的に な る よ う に形成 さ れて い る請求項 1 に記載の磁気抵抗効果素子。