特許 6774124 磁気抵抗素子、当該磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6774124

(24)【登録日】2020年10月6日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】磁気抵抗素子、当該磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置

(51)【国際特許分類】

   G11B 5/39 20060101AFI20201012BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20201012BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20201012BHJP

【ＦＩ】

   G11B5/39

   H01L43/08 M

   H01L43/08 Z

   H01L43/10

【請求項の数】14

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2019-199742(P2019-199742)

(22)【出願日】2019年11月1日

(62)【分割の表示】特願2016-151330(P2016-151330)の分割

【原出願日】2016年8月1日

(65)【公開番号】特開2020-24777(P2020-24777A)

(43)【公開日】2020年2月13日

【審査請求日】2019年11月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】ドゥ イェ

(72)【発明者】

【氏名】古林 孝夫

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 泰祐

(72)【発明者】

【氏名】桜庭 裕弥

(72)【発明者】

【氏名】高橋 有紀子

(72)【発明者】

【氏名】宝野 和博

【審査官】 中野 和彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０１５４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５４４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１３４５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５６２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０４６８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ホイスラー合金よりなる下部強磁性層と上部強磁性層、及び当該下部強磁性層と上部強磁性層との間に挟まれたスペーサ層とを備える面直方向磁気抵抗素子において、
前記スペーサ層がＭｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）と伝導性非磁性金属からなる非磁性スペーサ層であると共に、窒素元素を含有する界面保護層を有しないことを特徴とする面直方向磁気抵抗素子。

【請求項2】

前記伝導性非磁性金属は、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、およびＣｕから選ばれる少なくとも一つの非磁性金属元素からなることを特徴とする請求項１に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項3】

ホイスラー合金よりなる下部強磁性層と上部強磁性層、及び当該下部強磁性層と上部強磁性層との間に挟まれたスペーサ層とを備える面直方向磁気抵抗素子において、
前記スペーサ層が、Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）と、当該Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙの上下の両層に伝導性非磁性金属層を、配置している非磁性スペーサ層であると共に、窒素元素を含有する界面保護層を有しないことを特徴とする面直方向磁気抵抗素子。

【請求項4】

前記伝導性非磁性金属層は、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、およびＣｕから選ばれる少なくとも一つの非磁性金属元素からなることを特徴とする請求項３に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項5】

前記Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）がＭｇ_０．２Ｔｉ_０．８Ｏであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項6】

表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、ＭｇＯ基板の少なくとも一種類である基板と、
前記基板の上に形成される下地層と、 前記下地層に積層された請求項１乃至５の何れか１項に記載する面直方向磁気抵抗素子であって、
前記下地層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又は合金を含み、前記ホイスラー合金のエピタキシャル成長する結晶方向は（００１）方向であることを特徴とする面直方向磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記下部強磁性層と上部強磁性層は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金であって、前記ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、前記ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項8】

前記下部強磁性層と上部強磁性層は、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、前記ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_１−ｘ）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_１−ｘＳｉ_ｘ（０．０≦ｘ≦１．０）、Ｃｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉ（０．０≦ｘ≦１．０）、又はＣｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＧｅ（０．０≦ｘ≦１．０）から選ばれたホイスラー強磁性合金を含むことを特徴とする請求項８に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項9】

さらに、磁気抵抗測定用の電極である下地層を、前記下地層と前記下部強磁性層との間に挟んで設けたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項10】

さらに、前記上部強磁性層に積層された、表面保護用のキャップ層を有すると共に、
前記キャップ層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、ＲｕおよびＰｔからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又は合金よりなることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項11】

さらに、前記上部強磁性層の上又は下部強磁性層の下に設けられたピニング層を有すると共に、
前記ピニング層はＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金等の反強磁性体の層であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の面直方向磁気抵抗素子。

【請求項12】

ホイスラー合金薄膜間にスペーサ層を配した構造を持つ面直方向磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子であって、
前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、前記ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_１−ｘ）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_１−ｘＳｉ_ｘ（０．０≦ｘ≦１．０）、Ｃｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉ（０．０≦ｘ≦１．０）、又はＣｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＧｅ（０．０≦ｘ≦１．０）から選ばれたホイスラー強磁性合金であり、
前記スペーサ層がＭｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）と伝導性非磁性金属からなると共に、窒素元素を含有する界面保護層を有しないことを特徴とする面直方向磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子。

【請求項13】

請求項１乃至１１の何れか１項に記載の面直方向磁気抵抗素子又は請求項１２に記載の面直方向磁気抵抗素子を用いたことを特徴とする磁気ヘッド。

【請求項14】

請求項１３に記載の磁気ヘッドを用いたことを特徴とする磁気再生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜の面直方向磁気抵抗効果（ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子に関し、特に当該非磁性金属層としてＭｇＴｉＯ層の上下の両層に伝導性非磁性金属層を配置している非磁性スペーサ層を用いた磁気抵抗素子に関する。

【背景技術】

【0002】

面直方向磁気抵抗効果（Current perpendicular to plane Giant Magnetoresistance； ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子は、強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜よりなるもので、磁気ディスク用読み取りヘッド用として期待されている。強磁性金属としてスピン分極率の大きなホイスラー合金を用いた素子について研究がなされており、スペーサ層（非磁性金属の層）として面心立方格子構造（face-centered cubic； ｆｃｃ）金属であるＣｕを用いることが、例えば特許文献１、２で提案されている。ま
た、磁性層にホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５（ＣＦＧＧ）を用い、スペーサ層として面心立方格子構造金属であるＡｇを用いることが、例えば非特許文献１、２で提案されている。

【0003】

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

【0004】

これに対してホイスラー合金と同じｂｃｃ基の結晶構造を持つＬ２_１規則合金Ｃｕ２ＲｈＳｎ、あるいはＢ２型規則合金ＮｉＡｌをスペーサ層に用いた方が、バンド構造の界面での整合性が向上しより大きな磁気抵抗効果が得られるとの理論的予測が存在している。そこで、この理論的予測に基づいて研究が行われてきており、本発明者らの提案にかかる特許文献３、４には、ホイスラー合金を磁性層にＬ２_１型あるいはＢ２型規則合金をスペーサ層に用いたＣＰＰＧＭＲが開示されている。しかしながら、特許文献３、４の発明で
は、理論計算から予測されるほどの効果は得られていない。この原因として、これらの合金には比較的重い元素Ｒｈ・Ｓｎ、あるいは磁性元素Ｎｉが含まれるため、強いスピン軌道散乱やスピン散乱の効果により磁気抵抗効果が弱められていると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７−５９９２７号公報

【特許文献2】特開２００８−５２８４０号公報

【特許文献3】特開２０１０−２１２６３１号公報

【特許文献4】特許第５２４５１７９号公報

【特許文献5】ＷＯ２０１６／０１７６１２ Ａ１

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Appl. Phys. Lett. 98, 152501 (2011).

【非特許文献2】J. Appl. Phys. 113, 043901 (2013).

【非特許文献3】Jiamin Chen, Songtian Li, T. Furubayashi, Y. K. Takahashi and K. Hono, J. Appl. Phys. 115, 233905 (2014)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成とした面直方向磁気抵抗素子である。
本発明の面直方向磁気抵抗素子は、例えば図１に示すように、ホイスラー合金よりなる下部強磁性層１３と上部強磁性層１５、及び当該下部強磁性層１３と上部強磁性層１５に挟まれたスペーサ層１４とを備える面直方向磁気抵抗素子において、スペーサ層１４がＭｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）と伝導性非磁性金属からなる非磁性スペーサ層であると共に、窒素元素を含有する界面保護層を有しないことを特徴とする。

【0009】

ここで、伝導性非磁性金属は、スペーサ層１４のＭｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙの上下の両側を伝導性非磁性金属層で挟んだ３層構造スペーサ（例えば、Ａｇ／ＭＴＯ／Ａｇ）でもよく、また３層構造に明確に分離されていない層構造であって、Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙと伝導性非磁性金属が混ざっている組織による層構造でもよい。
本発明の面直方向磁気抵抗素子は、例えば図１に示すように、ホイスラー合金よりなる下部強磁性層１３と上部強磁性層１５、及び当該下部強磁性層１３と上部強磁性層１５に挟まれたスペーサ層１４とを備える面直方向磁気抵抗素子において、スペーサ層１４がＭｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）と、当該Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙの上下の両層に伝導性非磁性金属層を、配置している非磁性スペーサ層であると共に、窒素元素を含有する界面保護層を有しないことを特徴とする。 本発明の面直方向磁気抵抗素子において、好ましくは、前記伝導性非磁性金属または伝導性非磁性金属層は、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、およびＣｕから選ばれる少なくとも一つの非磁性金属元素からなるとよい。
本発明の面直方向磁気抵抗素子において、好ましくは、前記Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）がＭｇ_０．２Ｔｉ_０．８Ｏであるとよい。

【0010】

本発明の面直方向磁気抵抗素子は、例えば図１に示すように、表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、ＭｇＯ基板の少なくとも一種類である基板１１と、基板１１の上に形成される下地層１２と、下地層１２に積層された上記の面直方向磁気抵抗素子であって、下地層１２はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又は合金を含み、前記ホイスラー合金のエピタキシャル成長する結晶方向は（００１）方向であることを特徴とする。

【0011】

本発明の面直方向磁気抵抗素子において、好ましくは、下部強磁性層１３と上部強磁性層１５は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金であって、前記ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、前記ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含むとよい。
本発明の面直方向磁気抵抗素子において、好ましくは、下部強磁性層１３と上部強磁性層１５は、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、前記ホイスラー強磁性合金がＣｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_１−ｘ）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_１−ｘＳｉ_ｘ（０．０≦ｘ≦１．０）、Ｃｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉ（０．０≦ｘ≦１．０）、又はＣｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＧｅ（０．０≦ｘ≦１．０）から選ばれたホイスラー強磁性合金を含むとよい。

【0012】

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

【0013】

本発明の面直方向磁気抵抗（ＣＰＰＧＭＲ）素子は、例えば図１に示すように、ホイスラー合金薄膜（１３、１５）間にスペーサ層１４を配した構造を有し、前記ホイスラー合金薄膜が、Ｂ２規則構造又はＬ２_１規則構造の少なくとも一方を持つホイスラー強磁性合金からなると共に、当該ホイスラー強磁性合金が、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_１−ｘ）（０．２５＜ｘ＜０．６）、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_１−ｘＳｉ_ｘ（０．０≦ｘ≦１．０）、Ｃｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉ（０．０≦ｘ≦１．０）、又はＣｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＧｅ（０．０≦ｘ≦１．０）から選ばれたホイスラー強磁性合金であり、スペーサ層１４がＭｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）と伝導性非磁性金属からなると共に、窒素元素を含有する界面保護層を有しないことを特徴とする。
ここで、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_１−ｘ）において、Ｇａの割合ｘが０．２５以下の場合と、Ｇａの割合ｘが０．６以上の場合は、ともにスピン分極率が低下するため磁気抵抗が低下するという不都合がある。好ましくは、（Ｇａ_ｘＧｅ_１−ｘ）でのＧａの割合ｘは、０．２５と０．６の間がよく、更に好ましくは０．４５と０．５５の間である。

【発明の効果】

【0014】

本発明では従来例のような比較的重い元素Ｒｈ・Ｓｎや磁性元素Ｎｉを含まず、電気抵抗率が低くスペーサ層に適した材料として、Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）をスペーサ層に用いることによりＡｇスペーサ層を用いた場合よりも高い磁気抵抗変化量を得ることができる。
従って、本発明のＭＴＯを用いたＣＰＰＧＭＲ素子を作製することができ、高い磁気抵抗出力を提供できる。また本発明の磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置に用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施の形態による磁気抵抗素子の構造模式図である。

【図2】本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子に、磁界に対する電気抵抗測定用の電極を付加した素子の断面模式図である。

【図3】Ｍｇ_０．２Ｔｉ_０．８Ｏ（ＭＴＯ）をスペーサ層に用いた素子の、電気抵抗および素子面積当たり電気抵抗の印可磁界に対する依存性を説明する図である。

【図4】Ｍｇ_０．２Ｔｉ_０．８Ｏ（ＭＴＯ）をスペーサ層に用いた素子の断面透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法によって得られた、素子中の各元素の分布図を示す。

【図5】ＭＴＯ層の膜厚に対する磁気抵抗変化率の説明図である。

【図6】ＭＴＯ層の膜厚に対する素子単位面積当たり電気抵抗変化量の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を用いて本発明を説明する。
図７は、本発明の一実施の形態による磁気抵抗素子の構造模式図である。図において、磁気抵抗素子は、基板１１、下地層１２、下部強磁性層１３、スペーサ層１４、上部強磁性層１５、キャップ層１６がこの順で積層されている。

【0017】

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

【0018】

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

【0019】

下部強磁性層１３と上部強磁性層１５は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金であって、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含む。ホイスラー合金としては、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ_ｘＧｅ_１−ｘ）（０．２５＜ｘ＜０．６）（ＣＦＧＧ）が特に好ましいが、これまでＣＰＰＧＭＲで大きな磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡが得られているＣｏ_２ＦｅＡｌ_１−ｘＳｉ_ｘ（０．０≦ｘ≦１．０）、Ｃｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉ（０．０≦ｘ≦１．０）、又はＣｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＧｅ（０．０≦ｘ≦１．０）でもよい。上部強磁性層及び下部強磁性層は１種類のホイスラー合金を用いてもよく、２種類以上のホイスラー合金や他の金属や合金を組み合わせてもよい。

【0020】

スペーサ層１４は、下部強磁性層１３と上部強磁性層１５との接触面に、それぞれ非磁性金属を用いた伝導性非磁性金属層１４ａ、１４ｃを有しているとよい。スペーサ層１４は、伝導性非磁性金属層１４ａ、１４ｃで挟まれた中間層１４ｂが、Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙ（０．５≦ｘ≦１．０，０．８≦ｙ≦１．２）であるとよい。ここで、ｘが０．５以下の場合は、中間層１４ｂで導電性を得るのが困難になる。ｘが１．０の場合は、Ｔｉ_ｘＯ_ｙとなり、Ｍｇを含有しない二元元素組成物となる。ｙが０．８未満の場合は、中間層１４ｂの電気抵抗率が低すぎるため磁気抵抗変化量が小さくなるという不都合がある。ｙが１．２超えの場合は、中間層１４ｂの電気抵抗率が高すぎて十分な導電性が得られないという不都合がある。
スペーサ層１４の厚さは、例えば０．１ｎｍから２０ｎｍであるため、これら金属間化合物は一個ないし２００個程度の金属原子層を形成している。

【0021】

キャップ層１６は表面の保護のための金属又は合金よりなる。キャップ層１６には、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ 等の少なくとも一種類を含む金属や、これら金属元素の合金が用いられる。下地層１２、スペーサ層１４及びキャップ層１６の各層は、それぞれ１種類の材料を用いても良いし、２種類以上の材料を積層させたものでもよい。

【実施例1】

【0022】

図１は、本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子の断面模式図である。図２は、本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子に、磁界に対する電気抵抗測定用の電極を付加した素子の断面模式図である。図２において、基板１１として単結晶ＭｇＯ基板、下地層１２にはＣｒ、Ａｇを下から積層させたもの、下部強磁性層１３と上部強磁性層１５にはホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５（ＣＦＧＧ）を用いている。また、スペーサ層１４については、伝導性非磁性金属層１４ａ、１４ｃにはＡｇ、中間層１４ｂにはＭｇ_０．２Ｔｉ_０．８Ｏ（ＭＴＯ）を用いている。キャップ層１６にはＡｇとＲｕを下から積層させたものを用いている。

【0023】

図２に示す素子においては、ＭｇＯ基板板上に下から、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１００）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（１）／ＭＴＯ（２．２）／Ａｇ（１）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）、括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）、の膜構成でスパッタ法により製膜を行った。
ＣＦＧＧ薄膜の結晶構造の改善のため、上部ＣＦＧＧ層を製膜後、スパッタ室内で真空中にて５５０℃でアニールを行い、その後Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）を積層させた。

【0024】

次に、図２の素子構造の詳細を説明する。なお、図２において、前記図１と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。図において、酸化シリコン層１７は、図１に示す下部強磁性層１３、スペーサ層１４、上部強磁性層１５、キャップ層１６の周囲に設けられるもので、Ａｇの下地層１２ｂの上に積層されている。銅電極層１８は、酸化シリコン層１７とキャップ層１６の上に積層されている。定電流源１９は、導線２０ａ、２０ｂによってＡｇの下地層１２ｂと銅電極層１８に接続されており、ＣＰＰＧＭＲ素子の膜面の垂直方向に定電流を流す。電圧計２１は、導線２２ａ、２２ｂによってＡｇの下地層１２ｂと銅電極層１８に接続されており、ＣＰＰＧＭＲ素子の膜面の垂直方向に発生する電圧を測定する。定電流源１９の電流値と、電圧計２１の測定電圧値から、ＣＰＰＧＭＲ素子の膜面の垂直方向の電気抵抗が測定できるため、ＣＰＰＧＭＲ素子の磁界に対する電気抵抗の変化を調べることができる。

【0025】

このように構成された素子について、膜面に垂直方向の電気抵抗を測定するため、図２に示すような微細加工を行い、さらに電極を付け、面内方向に印可した磁界に対する電気抵抗の変化を調べた。図３は、素子の単位面積当たり電気抵抗Ｒと単位素子面積当たりの電気抵抗ＲＡを外部磁場Ｈｅｘに対してプロットした図である。

【0026】

図３は、Ｍｇ_０．２Ｔｉ_０．８Ｏ（ＭＴＯ）をスペーサ層に用いた素子の、印加磁場に対する電気抵抗×素子面積の変化を説明する一例図で、横軸が印加磁場Ｈ（ｋＡ／ｍ）、縦軸が電気抵抗［Ω］及び電気抵抗×素子面積［ｍΩ・μｍ^２］である。印加磁場Ｈ（ｋＡ／ｍ）を−８０ｋＡ／ｍから＋８０ｋＡ／ｍまで増加させると、−８０ｋＡ／ｍから−４０ｋＡ／ｍまでは２０７［ｍΩ・μｍ^２］程度、−４０ｋＡ／ｍから−８ｋＡ／ｍまでは２０７から２３６［ｍΩ・μｍ^２］程度まで漸増し、−８ｋＡ／ｍから＋１ｋＡ／ｍまではステップ状に２３６から２９７［ｍΩ・μｍ^２］程度まで増加し、＋１ｋＡ／ｍから＋４ｋＡ／ｍまでは２９７［ｍΩ・μｍ^２］程度でほぼ一定値を示す。さらに印加磁場を増大させると＋４ｋＡ／ｍから＋２０ｋＡ／ｍまでは２９７から２５５［ｍΩ・μｍ^２］まで漸減した後、＋２０ｋＡ／ｍ付近で２１３［ｍΩ・μｍ^２］に減少し、＋２０ｋＡ／ｍから＋４０ｋＡ／ｍまでは２１３から２０８［ｍΩ・μｍ^２］に漸減し、＋４０ｋＡ／ｍから＋８０ｋＡ／ｍまでは再び２０７［ｍΩ・μｍ^２］程度となっている。印加磁場Ｈ（ｋＡ／ｍ）を＋８０ｋＡ／ｍから−８０ｋＡ／ｍまで減少させると、印加磁場Ｈが０ｋＡ／ｍを中心線として、印加磁場Ｈを増加させる場合とほぼ対称な曲線となっている。
磁気抵抗変化率４３％、単位素子面積当たりの抵抗変化量として、ΔＲＡ＝９０ｍΩ・μｍ^２という値が得られた。

【0027】

図４は、図３に示した素子の断面透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法によって得られた、素子中の各元素Ａｇ、Ｏ、Ｍｇ、Ｔｉの分布図を示す。スペーサ層がＡｇとＭＴＯからなることが示されている。ただし、その構造はＡｇ／ＭＴＯ／Ａｇの３層構造という設計とは異なり、Ａｇがほぼ１層に集まりまた場所による不均一も見られる。このことは製膜後のアニールによって原子が拡散したことによるものと考えられる。しかしながら、このような構造でも大きなΔＲＡが得られており、ＡｇとＭＴＯからなるスペーサ層を用いることが有効であることを示している。

【実施例2】

【0028】

実施例1と同じ構造の素子において、スペーサ層をＭＴＯの膜厚を変化させその影響を調べた。すなわち、ＭｇＯ基板板上に下から、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１００）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（１）／ＭＴＯ（ｔ）／Ａｇ（１）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）、括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）、の膜構成でスパッタ法により製膜を行った。実施例１と同じ条件で熱処理および微細加工を行い、電気抵抗の磁界依存性を測定した。

【0029】

磁気抵抗変化率を中間層１４ｂであるＭＴＯ層の厚さｔ_ＭＴＯ（ｎｍ）に対してプロットしたものを図５に示す。ｔ_ＭＴＯ＝２．２ｎｍの時に、平均値３０％という最大の磁気抵抗変化率が得られた。また、最大の磁気抵抗変化率として平均値２０％を境界値とすると、２．１ｎｍ≦ｔ_ＭＴＯ≦２．４ｎｍの範囲が好ましい。さらに、最大の磁気抵抗変化率として平均値１０％を境界値とすると、２．０ｎｍ≦ｔ_ＭＴＯ≦２．７ｎｍの範囲が好ましい。また、単位素子面積当たりの抵抗変化量ΔＲＡをｔ_ＭＴＯ（ｎｍ）に対してプロットしたものを図６に示す。ｔ_ＭＴＯ＝２．１ｎｍの時に、平均値８７ｍΩ・μｍ^２とい
う最大のΔＲＡが得られた。

【実施例3】

【0030】

スペーサ層に挿入した伝導性非磁性金属層１４ａ、１４ｃとしてのＡｇ層の効果を調べるため、中間層１４ｂであるＭＴＯのみをスペーサ層に用いた素子を作成した。すなわち、ＭｇＯ基板板上に下から、Ｃｒ（１０）／Ａｇ（１００）／ＣＦＧＧ（１０）／ＭＴＯ（３．３）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）、括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）、の膜構成でスパッタ法により製膜を行った。実施例１、２と同様の熱処理および微細加工を行い印可磁界に対する電気抵抗の依存性を測定した。その結果、磁気抵抗変化率は０．３％と、実施例１、２と比較して低い値であった。

【0031】

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

【0032】

図１に示す構造に加え、上部強磁性層の上にピニング層としてＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金等の反強磁性体の層を追加し、交換異方性によって上部強磁性層の磁化反転を抑えることにより、上部強磁性層と下部強磁性層が反平行に磁化した状態を安定化することができる。ピニング層は下部強磁性層の下に挿入してもよい。
また、上記実施例では、伝導性非磁性金属層１４ａ、１４ｃとして、ＭｇＴｉＯ層の両側にＡｇ層を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、この層は伝導性のある非磁性金属であればよく、Ａｇの他に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、でもよい。また、伝導性非磁性金属層１４ａ、１４ｃとＭｇＴｉＯ層は、明確な３層構造のスペーサ（例えば、Ａｇ／ＭＴＯ／Ａｇ）でもよく、また３層構造に明確に分離されていない層構造であって、Ｍｇ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_ｙと伝導性非磁性金属が混ざっている組織による層構造でもよい。

【産業上の利用可能性】

【0033】

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

【符号の説明】

【0034】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】