WO2004068607A1

WO2004068607A1 - Ｃｐｐ型巨大磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気部品並びに磁気装置

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Publication number: WO2004068607A1
Application number: PCT/JP2004/000594
Authority: WO
Inventors: Kouichiro Inomata; Nobuki Tezuka
Original assignee: Japan Science And Technology Agency
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2004-08-12
Also published as: EP1589594B1; JP2004289100A; KR100713089B1; US7385790B2; EP2267811B1; EP1589594A1; EP1589594A4; EP2267811A2; US20060139817A1; EP2267811A3; KR20050095881A

Description

明

C P P型巨大磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気部品並びに磁気装置技術分野

この発明は膜面垂直方向のスピン依存電流により巨大磁気抵抗効果を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、「 C P P型巨大磁気抵抗効果素子」という）と、これを用いた磁気部品並びに磁気装置に関する。背景技術

近年、強磁性層/ 5兹性金属層/強磁性層からなる巨大磁気抵抗（GMR)効果素子が開発されている。 GMRは界面でのスピン依存散乱を起因としており、外部磁場によつて 1つの強磁性層の磁ィ匕を互いに平行又は反平行に制御することにより、その抵抗が互いに異なる。

GMR素子はすでに磁気センサ一ゃハ一ドディスク装置の再生へッドなどに実用化されている。この場合、電流は膜面内に流しており、このときの GMRは C I P (Current In Plane) —GMRと呼ばれている。この C I P— GMR素子は通常、一方の強磁性体に反強磁性体を近接させ、その強磁性体のスピンを固定するスピンバルブ型と呼ばれる素子が使用されている。一方、膜面に垂直に電流を流す C P P (Current Perpendicular to the Plane) —GM Rと呼ばれる GMR 素子も知られている。

さらに一般に、 C F F— GMRの方が C I F— GMRよりも大きいことも知られている。このような C F F— GMRには、センス電流によって自由磁性層に発生する渦巻き状磁区の発生を抑制した C P P型巨大磁気抵抗効果素子及び再生へッド等の提案がある（例えば、特開 2 0 0 2— 3 5 9 4 1 5号公報を参照）。また、スピンバルブ構造を適用し高密度記録化に伴いへッド特性を向上させる提案がある（例えば、特開 2 0 0 2— 1 2 4 7 2 1号公報を参照）。

なお、反平行な磁ィ匕の大きさが同じである三層構造については本発明者らの提案がある（特開平 9— 2 5 1 6 2 1号公報を参照）。しかし、 C P P— GM R素子は電流パスが小さいため抵抗が小さく、素子サイズをかなり小さくしないと実用性がなく、未だ実用化にいたっていない。

C F P— G M R素子においても、図 1 0に示すような強磁性固定層 8 2に反強磁性層 8 1を近接したスピンバルブ型が検討されているが、強磁性自由層 8 4 / 非磁性導電層 8 3 /強磁性固定層 8 2からなる GMR膜に比べて反強磁性層 8 1 の抵抗が大きいため、通常、スピンバルブ素子としての抵抗変化率が 1 %未満と小さく、また抵抗変化 ARも小さく、これが C F P— GM R素子の実用性を阻んでいる大きな要因である。

上記したように、従来のスピンバルブ型 C P P— GM R素子は抵抗変ィ匕及び磁気抵抗変化率が小さく、これが実用上の課題となっている。

本発明者らは、非磁性金属層を介して二つの強磁性層が互いに反平行に結合し、かつ、この磁ィ匕の大きさが異なる三層構造 ( S yA F ) を自由層及び/又は固定層として用いると、スピンバブ型においても C F P— G MRの厶 Rが大きくかつ磁気抵抗変化率も 8 %以上と大きくなることを見出し、本発明に至ったものである。発明の開示

そこで、本発明は、膜面垂直方向のスピン依存電流により巨大磁気抵抗効果を発現できる C P P型巨大磁気抵抗素子及び磁気部品並びに磁気装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の第一の構成による C P P型巨大磁気抵抗素子のうち請求項 1記載の発明は、強磁性固定層と、随性導電層と、強磁性自由層とを有する C P P型巨大磁気抵抗素子において、強磁性自由層が磁 ¾結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第 1磁性層と第 2磁性層とを有するとともに、第 1磁性層と第 1磁性層の磁ィ匕が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とするものである。

請求項 2記載の発明は、上記構成に加え、強磁性自由層内の磁結合体が、強磁性固定層のスピン依存電流に基づいて、このスピン依存電子を散乱する界面を形成することを特徴とする。請求項 3記載の発明は、強磁性自由層を多層に重ねて C P P— GMRを大きくしたことを特徴とする。

請求項 4記載の発明は、強磁性自由層の第 1磁性層及び第 2磁性層のァスぺクト比が 2以下であることを特徴とする。

請求項 5記載の発明は、上記構成に加え、磁性結合体が非磁性金属層及び性半導体層のいずれかであることを特徴とする。

請求項 6記載の発明は、磁性結合体がルテニウム、イリジウム、ロジウム、レ二ゥム、クロムのいずれか、或いはこれらを組み合わせた合金及び積層結合体のいずれかであることを特徴とする。

請求項 7記載の発明は、磁性結合体の膜厚が 1 · 5 nm以下であることを特徴とする。

請求項 8記載の発明は、随性導電層が大きなスピン依存散乱を生じる銅であることを特徴とする。

請求項 9記載の発明は、強磁性固定層に近接した反強磁性層を有するスピンバルブ型固定層であることを特徴とする。

このような構成の C P P型巨大磁気抵抗素子では、強磁性固定層と強磁性自由層の磁化の向きに基づいて強磁性自由層の磁性結合体の界面でスピン依存散乱し C F P— GM Rが増大して発現する。したがって、本発明の C P P型巨大磁気抵抗素子では C P P _ GM Rを極めて大きくすることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の第二の構成による C P P型巨大磁気抵抗素子のうち請求項 1 0記載の発明は、強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有する C P P型巨大磁気抵抗素子において、上記強磁性固定層が磁結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第 1磁性層と第 2磁性層とを有することを特徴とするものである。

請求項 1 1に記載の発明は、強磁性自由層が、磁性結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁ィ匕の大きさが異なる第 1磁性層と第 1磁性層とを有するとともに、第 1磁性層と第 2磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とする。

請求項 1 2に記載の発明は、磁性結合体が非磁性金属層からなり、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなることを特徴とする。

このような構成の C F P型巨大磁気抵抗素子では、強磁性固定層と強磁性自由層の磁化の向きに基づいて強磁性自由層及び/又は強磁性固定層の磁性結合体の界面でスピン依存散乱し C P F— GM Rが増大して発現する。したがって、本発明の C F P型巨大磁気抵抗素子では C P F— GM Rを極めて大きくできる。また、上記目的を達成するために、本発明の第三の構成による C P P型巨大磁気抵抗素子のうち請求項 1 3記載の発明は、強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有する C P P型巨大磁気抵抗素子において、強磁性固定層と非磁性導電層との間、及び/又は強磁性自由層の表面にルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなる層を設けたことを特徴とするものである。

このような構成の C P P型巨大磁気抵抗素子では、強磁性固定層と強磁性自由層の磁化の向きに基づいて、非磁性金属層と強磁性固定層及び非磁性導電層との界面、または、随性金属層と強磁性自由層との界面、或いは、これらの界面の両方にて生起するスピン依存散乱により C F P— GMRが増大して発現する。したがって、本発明の C P F型巨大磁気抵抗素子では C P P _ GM Rを極めて大きくすることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の第四の構成による C P P型巨大磁気抵抗素子を用いた請求項 1 4記載の磁気部品は、上記請求項 1〜 1 3に記載の発明の C P F型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とするものである。

また、本発明の磁気へッドのうち請求項 1 5記載の発明は、記録媒体の漏れ磁界を検出して記録情報を読み出す磁気へッドにおいて、上記請求項 1〜 1 3記載の発明の C P P型巨大磁気抵抗素子の強磁性自由層が記録媒体の漏れ磁界により磁化反転し、センサ電子のスピン依存散乱に基づいて C P P— G M Rが発現し、記録媒体の磁界の向きを電気抵抗の変化として検出することを特徴とする。請求項 1 6記載の発明は、上記構成に加え、強磁性自由層の第 2磁性層端面を記録媒体に対向させて前記記録媒体の漏れ磁界を検出することを特徴とする。請求項 1 7記載の発明は、強磁性自由層の積層構造が現れる断層面を記録媒体に対向させて漏れ磁界を検出することを特徴とする。

請求項 1 8記載の発明は、 C P P型巨大磁気抵抗素子に供給するセンサ電子の電極を記録媒体の漏れ磁界に対する磁気シールドと兼用したことを特徴とするものである。

このような構成の磁気部品では、磁気部品に用いる C P F型巨大磁気抵抗素子のスピン依存散乱に基づいて C F P一 GM Rが増大して発現し、磁気部品の電気抵抗が変化する。したがって、本発明の磁気部品では磁場の向きを電気抵抗の大きな変化として検出することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の第五の構成による C F F型巨大磁気抵抗素子を用いた請求項 1 9記載の磁気装置は、請求項 1〜1 3の何れかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とするものである。

また、本発明の磁気記録装置において、請求項 2 0記載の発明は、上記請求項 1〜 1 3の発明の C P F型巨大磁気抵抗素子をヮ一ド線とビット線の交差する位置に配設して不揮発メモリとした構成である。

請求項 2 1記載の発明は、上記構成に加え、ワード線からのスピン注入により強磁性自由層の磁化が反転可能であることを特徴とする。

このような構成の磁気装置では、スピン依存電流を流すことにより、書き込み又は読み出しが可能になる。したがって、本発明の磁気装置ではスピン依存電流を流すだけで不揮発の磁気記憶ができる。図面の簡単な説明

本発明は、以下の詳細な発明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定または限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけのものである。

図 1は、本発明に係る第 1実施形態のスピンバルブ型の C P P型巨大磁気抵抗素子の概念図であり、（ a ) は S y A Fの第 1磁性層の磁ィヒと固定層の磁化とが反平行の場合、 ( b ) は平行の場合を示す概念図である。

図 2は、本発明に係る第 2実施形態のスピンバルブ型の C P P型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。

図 3は、本発明に係る第 2実施形態の変形例であるスピンバルブ型の C P P型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 .

図 4は、本発明に係る第 3実施形態のスピンバルブ型の C P P型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。

図 5は、第 4の実施形態の磁気へッドを示す概念概略図である。

図 6は、他の実施形態に係る磁気へッドの概念概略図である。

図 7は、第 5の実施形態に係る磁気記憶装置を示す概念図である。

図 8は、第 1実施例と 4端子法を示す概略図である。

図 9は、第 1実施例で得られた C F F— GM R曲線図である。

図 1 0は、従来の C P P— G M R素子の概略図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図 1〜図 9に基づいて本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。

図 1は第 1の実施形態のスピンバルブ型の C P P型巨大磁気抵抗素子の概念図であり、（ a ) は強磁性自由層の第 1磁性層の磁化と固定層の磁化とが反平行の場合、 ( b ) は平行の場合を示す。図 1に示すように、第 1の実施形態の C P P 型巨大磁気抵抗素子 1 0は、反強磁性層 9と、強磁性固定層 1 1と、非磁性導電層 1 2と、強磁性自由層 1 3とが積層構造を有し、強磁性自由層 1 3は第 1磁性層 1 4と第 2磁性層 1 6とが磁 ' 吉合体 1 5を介して磁気的に反平行に結合し、第 1磁性層 1 4の磁化 M , と第 2磁性層 1 6の磁化 M ₂ の大きさが異なるように形成されている。これらの Wf構造の各層の膜厚はナノメ一夕サイズで形成されている。ここで、ナノメ一夕サイズとは電子がその運動量とスピンを保存したまま伝導可能な大きさを意味する。なお、金属の場合、電子の平均自由行程は 1 m以下であり、この程度のサイズの素子ではスピンは緩和することなく他方に流れ込むことができる。

本実施形態では、固定層として強磁性固定層 1 1に反強磁性層 9を近接させたスピンバルブ型の C P F型巨大磁気抵抗素子としているが、反強磁性層 9を設けることなく弓虽磁性固定層 1 1を固定層として保磁力の大きい膜を用いてもよい。非磁性導電層 12には金属層である銅（Cu) を用いるのが効果的である。 Cu の場合、他のスピン依存散乱可能な金属に比べて極めて大きなスピン依存散乱を得ることができる。

強磁性自由層 13は磁性結合体 1 5を介して、磁化の大きさの異なる二つの強磁性層、第 1磁性層 14及び第 2磁性層 16の磁ィ匕が互いに反平行に磁気結合している三層構造 (S yAF： Synthetic Anti-Ferromagnet、以下、本発に係る三層構造を「SyAF」とよぶ）を自由層に用いたものである。この三層構造をなす強磁性自由層 13はこの三層構造の単位を一層として、単層だけでなく多層に重ねてもよい。これによつて CPF— GMRはより大きくなる。

本実施形態に係る S yAFの場合には、アスペクト比 k≤2、特に k=lでも単磁区構造であり、この S y A Fめ磁化反転磁場は素子サイズに依存せず、著しく小さい。したがって、スピン注入により磁化反転可能である。

強磁性自由層 13の磁化は、第 1磁性層 14の磁化 M！と第 2磁性層 16の磁化 M₂ との差 ΔΜとして与えられ、 Mi >M₂ とすると、 ΔΜ = Μι _Μ₂ である。第 1磁性層 14及び第 2磁性層 16が同一の材料ならば、磁化の大きさに差異を設けるには、その膜厚が異なるように形成すればよい。第 1磁性層 14の磁化 1 7と第 2磁性層 16の磁化 18は、例えば外部から印加された磁化反転磁場により反平行状態を維持したまま反転可能になつている。

磁性結合体 1 5は反強磁 tt吉合の機能を有する。例えば磁 tt吉合体 1 5としては非磁性体の非磁性金属や性半導体が利用可能である。具体的には、磁性結合体 15として、ルテニウム（Ru) 、ィリジゥム（ I r )、ロジウム（Rh) 、レニウム（Re)、クロム（Cr) のうちの一 @Xは二種以上を用いることができる。二種以上を用いるときは積層した結合体としてもよいし、合金としてもよい。さらに F e S i合金や半導体の S iが利用可能である。また、磁性結合体 1 5の膜厚は1. 5 nmより薄い方が望ましい。 1. 5 nmより薄層に形成すると反平行交換結合が強いので有効である。

次に、強磁性自由層 1 3として S yAF膜を用いる有効性を、磁性結合体 1 5 としてルテニウムを用いた場合について説明する。膜面垂直方向に電流を流した場合、電極の抵抗は小さいとして無視できるものとすると、その抵抗 Rは、

A =各磁性層の比抵抗 X膜厚の和、

B =各界面抵抗の和及び

C =反強磁性層の比抵抗 X膜厚の和とすると、

R=A+B+Cで与えられる。この場合の CFP— GMRは、

CPP-GMR= { (A + B) AF- (A + B) _F } / { (A+B) _F +C} と表すことができる。ここで下つき添え字「F」及び「AF」はそれぞれ自由層と固定層の磁化が互いに平行及び反平行を意味する。これから G M Rを発現する (A + B) に比べ Cの抵抗が大きすぎると CFF— GMRは小さくなることがわかる。

強磁性自由層 1 3として SyAFを用いると、 SyAFが三層構造であるためその抵抗が単層膜よりも大きくなるが、その程度は反強磁性体ほどではない。そのため、その効果のみでは SyAFを自由層に用いても CP F— GMRが極端に大きくなることは期待されない。ところが、本発明者らは SyAFを強磁性自由層 1 3に用いた CP F— GMR素子を作製した結果、 CFP— GMRが 8%以上と、従来よりも 1ケタ以上大きくなることを見出した。

この作用効果についてはまだ明らかではないが、定性的には次のように考えらる o

図 1 (a) に示すように、スピン保存した電子が図中左から右に膜面垂直方向に伝導すると、固定層の磁ィ匕と同じ向きの上向きスピン（†)電子 5は、第 1磁性層 1 4の磁ィ匕 1 7と向きが逆なので、 GMRの原理によって非磁性導電層 1 と第 1磁性層 1 4との界面で強く散乱する。一方、下向きスピン（ ) 電子 6は、第 1磁性層 1 4の磁ィ匕 1 7と同じ向きなので、隱性導電層 1 2と第 1磁性層 1 4との界面で散乱しないで、第 1磁性層 1 4とルテニウム 1 5との界面で弓虽く散乱する。散乱した電子は生導電層 1 2と強磁性固定層 1 1との界面で散乱する。その結果、電子の伝導パスは図 1 (a) に示す屈曲した直線 1 , 2のようになる。

一方、図 1 (a) の状態の SyAF 1 3に例えば外部磁場を印加し、 SyAF 1 3の磁化が反平行状態を維持したまま反転すると、図 1 (b) に示すように、固定層の上向きスピン（†) 電子 5は、そのスピンの向きが第 1磁性層 1 4の磁化 1 9と同じ向きなので、性導電層 1 2と第 1磁性層 1 4との界面で散乱せず、第 1磁性層 1 4とルテニウム 1 5との界面によって強く散乱する。これは、 C o/Ru積層膜の場合、多数スピン、この場合、上向きスピン（†) をもつ電子の方がルテニウム界面でより強く散乱されることが知られていることによる（ K. Eid, R. Fronk, Μ· Alhaj, W. P. Pratt, Jr. and J. Bass, Current - perpe ndicular- to-plane magneto - resistance properties of Ru and Co/Ru interfac es" J. Appl. Phys. 91, 8102 (2002)参照）。

ルテニウム 1 5界面で散乱した上向きスピン（†) 電子 5は強磁性固定層 1 1 と非磁性導電層 1 2との界面では散乱しないで、反強磁性層 9と強磁性固定層 1 1との界面によって散乱する。この間、上向きスピン（个）電子 5の平均自由行程は長いので、電子はスピンを保存したまま何回か往復することが可能である。一方、下向きスピン（1)電子 6は図 1 (a) と同様にして、非磁性導電層 1 2 と第 1磁性層 1 4との界面で散乱する。これらの電子の伝導パスを図示したのが図 1 (b) で示す屈曲した直線 3, 4である。

図 1 (a) と（b) の伝導パスの比較から、図 1 (b) の抵抗の方が小さいことがわかる。このようにして CFP— GMRが発現する。すなわち、 Ruの存在によって CPF— GMRは増大する。したがつて、本実施形態では自由層の磁化反転により CFF— GMRが 8%以上と従来よりも一桁以上大きくできる。

次に、本発明の第 2の実施形態について説明する。

図 2は、本発明に係る第 2の実施形態のスピンバルブ型の C F F型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。図 2に示すように、第 2の実施形態の C F P 型巨大磁気抵抗素子 20は、反強磁性層 9と、強磁性固定層 1 1 Aと、性導電層 1 2と、強磁性自由層 1 3 Aとが積層構造を有している。

第 2の実施形態の C F P型巨大磁気抵抗素子 20は、強磁性固定層 1 1 Aを、 SyAF構造としている。ここで、強磁性固定層 1 1 Aは、第 1磁性層 1 4 Aと第 2磁性層 1 6 Aとが磁性結合体 1 5 Aを介して磁気的に反平行に結合し、第 1 磁性層 1 4Aの磁ィ匕 1 7，と第 2磁性層 1 6Aの磁化 1 8，の大きさが異なるように形成されている。これらの積層構造の各層の J¥はナノメータサイズで形成されている。

SyAF構造中の磁性結合体 1 5 Aは、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種又は二種以上を用いることができる。二種以上を用いるときは積層した結合体としてもよいし合金としてもよい。さらに F e S i 合金や半導体の S iが利用可能である。また、磁 tt吉合体 1 5 Aの膜厚は 1. 5 nmより薄い方が望ましい。 1. 5 nmより薄層に形成すると反平行交換結合が強いので有効である。

第 2の実施形態の C P P型巨大磁気抵抗素子 20においても、第 1の実施の形態の CP F型巨大磁気抵抗素子 1 0と同様に CPP— GMRが大きくなる。この三層構造をなす強磁性固定層 1 1Aは、この三層構造の単位を一層として、単層だけでなく多層に重ねてもよい。これによつて CPF— GMRはより大きくなる。

このように、強磁性固定層 1 1 Aを SyAF構造とすることにより CPP— G MRが大きくなるのは、第 1の実施形態の C P P型巨大磁気抵抗素子 1 0と同様に、この作用効果についてはまだ明らかではない。しかしながら、上記の第 1の実施形態の CP P型巨大磁気抵抗素子 1 0で説明したように、定性的には SyA F構造中の磁性結合体 1 5 Aであるルテニウムなどの^ ¾性金属層の界面におけるスピン依存散乱に起因するものと考えられる。

次に、本発明の第 2の実施形態の変形例について説明する。

図 3は、本発明のスピンバルブ型の C P P型巨大磁気抵抗素子の第 2の実施形態の変形例を示す断面図である。図 3に示すように、この CP F型巨大磁気抵抗素子 25は、反強磁性層 9と、 S y A F構造の強磁性固定層 1 1 Aと、性導電層 1 2と、 S yAF構造の強磁性自由層 1 3とが積層構造を有している。

S yAF構造の強磁性自由層 1 3は、第 1磁性層 1 4と第 2磁性層 1 6とが磁性結合体 1 5を介して磁気的に反平行に結合し、第 1磁性層 1 4の磁ィ匕 1 7と第 2磁性層 1 6の磁化 1 8の大きさが異なるように形成されている。また、 SyA F構造の強磁性固定層 1 1 Aは、第 1磁性層 1 4Aと第 2磁性層 1 6Aとが磁性結合体 1 5 Aを介して磁気的に反平行に結合し、第 1磁性層 1 4 Aの磁ィ匕 1 7，と第 2磁性層 1 6 Aの磁化 1 8，の大きさが異なるように形成されている。これらの積層構造の各層の膜厚はナノメ一夕サイズで形成されている。ここで、 SyAF構造中の磁性結合体 1 5, 1 5 Aは、ルテニウム、イリジウム、ロジゥム、レニウム、クロムのうちの一種又は二種以上を用いることができる。二種以上を用いるときは積層した結合体としてもよいし、合金としてもよい。さらに F e S i合金や半導体の S iが利用可能である。また、磁性結合体 1 5， 1 5A の膜厚は 1. 5 nmより薄い方が望ましい。 1. 5 nmより薄層に形成すると反平行交換結合が強レ、ので有効である。

この CP P型巨大磁気抵抗素子 2 5においても、第 1の実施の形態の CFP型巨大磁気抵抗素子 1 0及び第 2の実施の形態の C P F型巨大磁気抵抗素子 20と同様に、 CFF— GMRが大きくなる。

この三層構造をなす強磁性固定層 1 1 A及び強磁性自由層 1 3は、この三層構造の単位を一層として、単層だけでなく多層に重ねてもよい。これによつて CF P—GMRはより大きくなる。

このように、強磁性自由層 1 3及び強磁性固定層 1 1 Aを SyAF構造とすることにより C F P— GMRが大きくなるのは、第 1の実施形態の C P F型巨大磁気抵抗素子 1 0と同様に、この作用効果についてはまだ明らかではない。しかしながら、上記第 1の実施形態の C P P型巨大磁気抵抗素子 1 0で説明したように、定性的には強磁性自由層 1 3及び強磁性固定層 1 1 Aの SyAF構造中の磁性結合体 1 5, 1 5 Aであるルテニウムなどの非磁性金属層の界面におけるスピン依存散乱に起因するものと考えられる。

次に、本発明の第 3の実施形態について説明する。

図 4は、本発明の第 3の実施形態に係るスピンバルブ型の C P P型巨大磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。図 4に示すように、第 3の実施形態の CP P 型巨大磁気抵抗素子 30は、強磁'性固定層 1 1と、非磁性導電層 1 2と、強磁性自由層 1 3 Aとが積層構造をなし、図 4 (a) に示すように、強磁性固定層 1 1 と非磁性導電層 1 2の間に '^属層 2 1が設けられた構造、図 4 (b) に示すように、強磁性自由層 1 3 Aの表面に非磁性金属層 2 1が設けられた構造、図 4 (c) に示すように、強磁性固定層 1 1と非磁性導電層 1 2の間及び強磁性自由層 1 3 Aの表面に^^性金属層 2 1が設けられた構造である。

ここで、磁'性金属層 2 1は、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなる層である。これらの積層構造の各層の膜厚はナノメータサイズで形成されている。また、非磁'^属層 2 1の膜厚は 1 . 5 n mより薄い方が望ましい。また、強磁性固定層 1 1上には、反強磁性層をさらに設けてスピンバブル構造を有する C P P型巨大磁気抵抗素子としてもよい。

第 3の実施形態の C P P型巨大磁気抵抗素子 3 0においても、第 1の実施の形態の C P F型巨大磁気抵抗素子 1 0及び第 2の実施の形態の C P P型巨大磁気抵抗素子 2 0， 2 5と同様に C F P— GMRが大きくなる。

このように、 C P P構造において非磁性金属層 2 1を、強磁性固定層 1 1及び非磁性導電層 1 の間、及び/又は強磁性自由層 1 3 Aの表面に設けたことにより C F P— GM Rが大きくなるのは、第 1の実施形態の C P F型巨大磁気抵抗素子 1 0と同様に、この作用効果についてはまだ明らかではない。しかしながら、上記の第 1の実施形態の C P P型巨大磁気抵抗素子 1 0で説明したように、定性的には、 ^!性金属層 2 1と強磁性固定層 1 1及び非磁性導電層 1 2との界面、または、性金属層 2 1と強磁性自由層 1 3 Aとの界面、或いは、これらの界面の両方にて生起するスピン依存散乱に起因するものと考えられる。

次に、第 4の実施形態について説明する。第 4の実施形態は C P F型巨大磁気抵抗素子を磁気へッドに適用したものである。

図 5は第 2の実施形態の磁気へッドを示す概念概略図である。図 5を参照すると、磁気へッド 4 0は、 C P P型巨大磁気抵抗素子 1 0の両端面を覆う糸緣層 4 ί , 4 1と、反強磁性層 9からスピン依存するセンサ電子 4 2を供給するとともに、磁気シールドを兼ねる第 1電極 4 4と、 S y AFの第 2磁性層 1 6の端面 4 5に設けた磁気シールドを兼ねる第 2電極 4 6とを有し、 C F F型巨大磁気抵抗素子の S y A F側であつて第 2磁性層 1 6の端面 4 5が磁気ディスクなどの記録媒体 4 3に対向させる面として配設されている。

このとき、 S y A Fの磁ィ匕方向と平行に検出すべき磁界が作用するように磁気へッドが配設されるのが望ましいが、 S y AFが磁化反転可能な程度の角度で配設されていてもよい。絶縁層 4 1， 4 1はセンサ電子の通電経路を規制して膜面内垂直方向に通電可能にするものであればよい。磁気へッド 4 0の第 1電極 4 4 及び第 2電極 4 6の幅は、 C P P型巨大磁気抵抗素子の幅と同じかそれ以上であり、少なくとも磁気へッドの幅 Lは記録媒体のトラック幅 Wと同禾 MJ か、それ以下であればよい。なお、図 5中の 4 7は記録媒体の移動方向を示す。

このような構成の磁気へッド 4 0では、記録媒体の漏れ磁界により S y A Fの磁化が反転し、センサ電子のスピン依存散乱に基づいて C P P - GM Rが発現し、磁気へッドの電気抵抗が変ィ匕する。したがって、本実施形態の磁気へッドは、記録媒体の磁場の向きを電気抵抗の変ィ匕として検出することができる。さらに磁気シ一ルドが磁気へッドの幅程度であるから、より高密度の記録媒体であっても効果的に磁気をシールドすることができる。

次に、磁気へッドの他の実施形態を説明する。図 6は他の実施形態に係る磁気へッドの概念概略図である。図 6に示す磁気へッド 5 0は、 C F F型巨大磁気抵抗素子 1 0， 2 0， 2 5の積層構造が現れる断層面 4 8を記録媒体 4 3の対向面としたものであり、反強磁性層 9端面の全面又は一部に形成した第 1電極 4 4と、 S y A Fの第 2磁性層 1 6の端面の全面又は一部に形成した第 2電極 4 6とを有している。この磁気へッド 5 0においても、第 2の実施形態で示した終縁層を介して磁気シールド層を設けてもよい。この磁気シールド層を電極と兼用してもよいが、第 1電極 4 4と第 2電極 4 6とを糸禄しておく。この磁気シールド層は S y AFへの磁気シールドになる形態で足りる。このような構成の磁気へッドでは、 S y AFの幅 L程度のトラック幅 Wを持つ記録媒体の磁界を検出することが可能となり、より高密度な記録媒体であっても再生できる。

なお、第 4の実施形態及び他の実施形態を磁気へッドとして説明したが、 C F P型巨大磁気抵抗素子を磁界センサ一、角度センサ一、角変位センサ一などの所謂、磁気部品として利用することが可能である。

次に、第 5の実施形態について説明する。

図 7は C P P型巨大磁気抵抗素子を応用した情報記憶可能な磁気記憶装置を示す概念図である。図 7において、磁気記憶装置 6 0は、ワード線 6 4とビット線 6 6とが交差する位置に C P P型巨大磁気抵抗素子 1 0 , 2 0 , 2 5を配設した構成である。本発明に係る SyAF 1 3は磁化反転磁場が著しく小さいので、数ミリアンペア程度、例えば 5mAの小さな電流を流してスピン注入すると、 Sy AF 1 3の磁化が反転するようになっている。

このような構成の磁気記憶装置では、書き込みは、ワード線とビット線の組み合わせから C P P型巨大磁気抵抗素子を選択し、ヮード線から例えば 5 mAの電流を流してスピン注入すると、 SyAFの磁化が反転する。読み出しは、 CPP 型巨大磁気抵抗素子を選択して、ヮ一ド線から書き込み時の電流より小さな例えば 1 m Aの電流を流し、スピン依存電子の散乱による C P P— GMRを利用して、この C F P型巨大磁気抵抗素子の抵抗が大きいか小さいかを判定して行う。したがって、本実施形態の磁気記憶装置では、固定層と自由層の磁ィヒが平行か反平行かで "1" 、 "0" の情報を規定でき、自由層の磁ィ匕は電源を切っても保持されるから不揮発メモリの MRAMにできる。

なお、第 5の実施形態及び他の実施形態を磁気記憶装置として説明したが、 C P F型巨大磁気抵抗素子を磁気へッドに応用した各種磁気装置であるデジ夕ル V TR、ハードディスクドライブ（HDD) などの各種磁気記録装置に使用することが可能である。

以下、本発明の実施例を説明する。

図 8は第 1実施例の C P P型巨大磁気抵抗素子とその特性を測定する 4端子法を示す概略図である。この第 1実施例は図 1に相当する CPP— GMR構造としたものである。図 8に示すように、第 1実施例は、熱酸化シリコン基板 5 1上に下地電極 52及び下部高導電層 53を積層し、さらにこの下部高導電層 53上に反強磁性層/強磁性固定層/非磁性導電層/ S y AFの積層構造を有する C F F 型巨大磁気抵抗素子 1 0と、上部電極 54と、上部高導電層 55とを積層した C FF— GMR構造体 58を有している。第 1実施例では、この CPP— GMR構造体 58を絶縁するための糸镓層 56， 56と、信号電圧を検出する電圧計 57 と、第 1電極 59と、センス電子を供給する電源 6 1と、第 2電極 62とを備えている。

上記 CPP— GMR構造体 58を次のように製作した。

先ず、超高真空スパッタ装置を用いて、熱酸化 S i基板上に Ta ( 1 0 nm) /Cu ( 2. 5 nm) / I rMn ( 1 0 nm) /C o ₉₀F e i₀ ( 3 nm) /Cu ( 2. 5 / C o ₉oF e i。 5 nm) /Ru 0. 4 5 nm) /C o ₉₀F e io (3 nm) /Ta ( 5 nm)膜を順次積層した。

ここで括弧内は膜厚を意味しており、下部 Ta ( 1 Onm) は下地電極、 I r Mnは反蛍磁'性体、上部 T a ( 5 nm) は上部電極である。 C o ₉。F e ₁₀ (5n m) /Ru (0. 45 nm) /C o ₉oF e io ( 3 nm) は SyAFであり、 Ru は、これを介した両磁性層 (C o9oF e io) の磁ィ匕を反強磁 tt吉合させている。 I r Mnに接した C o₉。F e ₁₍₎ (3 nm) はそのスピンが固定され、固定層となつている。

次にこの膜を電子ビームリソグラフィと A rイオンミリングを用いて微細加工し、図 8に示すような断面構造をもつ CPF— GMR素子を作製した。素子サイズは 1 X 0. 5 urn² である。

この C P P— G M R素子に対して、図 8で示した 4端子法を用いて上部高導電層と第 2電極間に 1mAの電流を流し、磁場中で抵抗を室温で測定した。その結果を磁場の関数として図 9に示す。これから、抵抗変化 AR= 0. 023 Ω、 C FF— GMRは 8. 24%である。この GMRは S yAF自由層を用いない従来の CPP— GMR素子の約 10倍の大きさである。

次に、第 2実施例では、第 1実施例と同様にして、熱酸ィ匕 S i基板上に、 Ta ( 10 nm) /Cu (20 nm) / I rMn ( 10 nm) /C o₉₀F e ,o ( 3 n m) /Cu ( 6 nm) /C o ₉₀F e io ( 3 nm) /Ru (0. 45 nm) /Co ₉₀F e io (5 nm) /T a (3 nm) /Cu (5 Onm)膜を作製した。

この膜を電子ビームリソグラフィと Arイオンミリングを用いて微細加工し、図 8に示すような断面構造をもつ C P P— GMR素子を作製した。素子サイズは 0. 5 X 0. 5〃m² である。

この素子に対して、図 8に示した 4端子法を用いて上部高導電層と第 2電極間に 1mAの電流を流し、磁場中で抵抗を測定した。その結果、抵抗変化 AR=0 . 5Ω、 CPF— GMRは 6. 6%を得た。この C P P— GMRは S y AF自由層を用いない従来の CPP— GMR素子の 10倍以上の大きさである。

次に比較例を示す。比較例は、 C o₉。F e (3 nm) /Ru (0. 45 nm) /C o₉。F e ₁₀ ( 5 nm) の代わりに、 Co₉。Fe₁₍₎ (8nm) を用いたこと以外は、第 1実施例と同様にして従来の C F P— G M R素子を作製した。

また、第 1実施例と同様にして CPP— GMRを測定した。その結果、得られた CPF— GMRは 0. 5%であった。これは第 1実施例の 1/10以下の値である。産業上の利用可能性

以上の説明から理解されるように、本発明の C P F型巨大磁気抵抗素子は C P P-GMRを極めて大きくできるので、記録媒体などの磁場の向きを電気抵抗の大きな変化として検出することができ、磁界センサ一、角度センサ一、角変位センサ一などの所謂、磁気部品として利用することが可能である。

また、本発明の磁気装置は、スピン依存電流を流すことにより、書き込み又は読み出しができるとともに、不揮発の磁気記憶ができるので、デジタル VTR、ハードディスクドライブ（HDD) などの各種磁気記録装置や、 MRAMなどに利用することが可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 強磁性固定層と、非磁性導電層と、強磁性自由層とを有する C P P型巨大磁気抵抗素子において、

上記強磁性自由層が、磁 tt!S合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第 1磁性層と第 2磁性層とを有するとともに、第 1磁性層と第 1磁性層の磁ィ匕が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とする、 C P P型巨大磁気抵抗素子。

2 . 前記強磁性自由層内の磁性結合体が、前記強磁性固定層のスピン依存電流に基づいて、このスピン依存電子を散乱する界面を形成することを特徴とする、請求項 1記載の C F P型巨大磁気抵抗素子。

3 . 前記強磁性自由層を多層に重ねて C F P— GM Rを大きくしたことを特徴とする、請求項 1又は 2に記載の C P P型巨大磁気抵抗素子。

4 . 前記強磁性自由層の第 1磁性層及び第 2磁性層のァスぺクト比が 2以下であることを特徴とする、請求項 1〜 3のいずれかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子。

5 . 前記磁性結合体は、 5兹性金属層及び 5兹性半導体層のいずれかであることを特徴とする、請求項 1〜 4のいずれかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子。

6 . 前記磁性結合体が、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのいずれか、或いはこれらを組み合わせた合金及び積層結合体のいずれかであることを特徴とする、請求項 1〜 5のいずれかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子。

7 . 前記磁性結合体の膜厚は、 1 . 5 n m以下であることを特徴とする、請求項 1〜 6のいずれかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子。

8 . 前記 ¾¾兹性導電層は、大きなスピン依存散乱を生じる銅であることを特徴とする、請求項 1〜 7のいずれかに記載の C P F型巨大磁気抵抗素子。

9 . 前記強磁性固定層が、強磁性層とこれに近接した反強磁性層を有するスピンバルブ型強磁性固定層であることを特徴とする、請求項 1 - 8のいずれかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子。

1 0 . 強磁性固定層と、 ^性導電層と、強磁性自由層とを有する C F P 型巨大磁気抵抗素子において、

上記強磁性固定層が、磁結合体を介して磁気的に反平行に結合した磁化の大きさが異なる第 1磁性層と第 1磁性層とを有することを特徴とする、 C P P型巨大磁気抵抗素子。

1 1 . 前記強磁性自由層が、磁 ½吉合体を介して磁気的に反平行に結合した磁ィ匕の大きさが異なる第 1磁性層と第 2磁性層とを有するとともに、第 1磁性層と第 2磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転可能であることを特徴とする、請求項 1 0に記載の C P F型巨大磁気抵抗素子。

1 2 . 前記磁 tt吉合体が隨性金属層からなり、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなることを特徴とする、請求項 1 0または 1 1に記載の C F P型巨大磁気抵抗素子。

1 3 . 強磁性固定層と、性導電層と、強磁性自由層とを有する C F P 型巨大磁気抵抗素子において、

上記強磁性固定層と上記随性導電層との間、及び/又は前記強磁性自由層の表面にルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、クロムのうちの一種または二種以上からなる層を設けたことを特徴とする、 C P P型巨大磁気抵抗素子。

1 4 . 請求項 1〜 1 3の何れかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とする、 C P P型巨大磁気抵抗素子を用いた磁気部品。 .

1 5 . 記録媒体の漏れ磁界を検出して記録情報を読み出す磁気ヘッドにおいて、

前記請求項 1〜 1 3のいずれかに記載の C F F型巨大磁気抵抗素子の強磁性自由層が上記記録媒体の漏れ磁界により磁化反転し、センサ電子のスピン依存散乱に基づいて C P P— GM Rが発現し、上記記録媒体の磁界の向きを電気抵抗の変化として検出することを特徴とする磁気へッド。

1 6 . 前記強磁性自由層の第 2磁性層端面を前記記録媒体に対向させて、前記記録媒体の漏れ磁界を検出することを特徴とする、請求項 1 5に記載の磁気へッ卜、。

1 7 . 前記強磁性自由層の積層構造が現れる断層面を前記記録媒体に対向させて漏れ磁界を検出することを特徴とする、請求項 1 6に記載の磁気へッド。

1 8 . 前記 C P F型巨大磁気抵抗素子に供給するセンサ電子の電極を、前記記録媒体の漏れ磁界に対する磁気シールドと兼用したことを特徴とする、請求項 1 5〜 1 6のいずれかに記載の磁気へッド。

1 9 . 請求項 1〜 1 3の何れかに記載の C P F型巨大磁気抵抗素子を有することを特徴とする、 C P P型巨大磁気抵抗素子を用いた磁気装置。

2 0 . 前記請求項 1〜 1 3のいずれかに記載の C P P型巨大磁気抵抗素子を、ワード線とビット線の交差する位置に配設して不揮発メモリとしたことを特徴とする、磁気記憶装置。

2 1 . 前記ワード線からのスピン注入により強磁性自由層の磁ィ匕が反転可能であることを特徴とする、請求項 2 0に記載の磁気記憶装置。