(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられた第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた、金属酸化物の酸化物層であって、前記酸化物層は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒を含み、前記ウスタイト結晶粒の（１１１）面の面間隔が０．２５３ナノメートル以上０．２７５ナノメートル以下である酸化物層と、
を備えた磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられた第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた、金属酸化物の酸化物層であって、前記酸化物層は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒を含み、前記ウスタイト結晶粒の（１１１）面の面間隔が０．２５３ナノメートル以上０．２７５ナノメートル以下である酸化物層と、
を備えた磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
第１部分と、前記第１部分と離間した第２部分と、を有する非磁性層と、
前記第１部分と積層された第１電極と、
前記第１部分と前記第１電極との間に設けられた第１磁性層と、
前記第２部分と積層された第２電極と、
前記第２部分と前記第２電極との間に設けられた第２磁性層と、
前記第１電極と前記第１部分との間、及び、前記第２電極と前記第２部分との間の少なくともいずれかに設けられた、金属酸化物の酸化物層であって、前記酸化物層は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒を含み、前記ウスタイト結晶粒の（１１１）面の面間隔が０．２５３ナノメートル以上０．２７５ナノメートル以下である酸化物層と、
を備えた磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記酸化物層は、前記酸化物層の厚さ方向に対して平行な平面に射影したときに前記ウスタイト結晶粒と重なる部分を有し、亜鉛を含む（００２）面配向のウルツァイト結晶粒をさらに含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記ウスタイト結晶粒は、亜鉛をさらに含む請求項１〜４のいずれか１つ記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記ウスタイト結晶粒は、コバルト及びニッケルの少なくともいずれかをさらに含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記ウスタイト結晶粒は、スズ、インジウム及びカドミウムの少なくともいずれかをさらに含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記ウスタイト結晶粒は、銅、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、白金、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウム及びタンタルの少なくともいずれかをさらに含む請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記酸化物層の結晶配向分散は、５°以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記酸化物層の厚さは、０．５ナノメートル以上４ナノメートル以下である請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記非磁性層は、
貫通孔が形成された絶縁材と、
前記貫通孔内に埋め込まれた導電部材と、
を含む請求項１〜１０のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記非磁性層は、
上部金属層と、
下部金属層と、
を有し、
前記酸化物層は、前記上部金属層と前記下部金属層との間に配置されている請求項１〜１１のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第１磁性層の磁化方向及び前記第２磁性層の磁化方向は、外部磁場によって回転可能である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子を一端に搭載するサスペンションと、
前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと
を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリ。
【請求項１５】
請求項１４記載の磁気ヘッドアセンブリと、
前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気抵抗効果素子を用いて情報が記録される磁気記録媒体と、
を備えた磁気記録再生装置。
【請求項１６】
請求項１〜１３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）などの磁気記録装置に、書き込まれた記憶情報を再生するＭＲ（Magnetro Resistance）ヘッド（磁気ヘッド）が設けられる。感度の向上のために、磁気ヘッドのＭＲ変化率の向上が望まれる。  
また、磁気抵抗効果素子を応用した磁気メモリが検討されている。高密度の磁気メモリを実現するために、磁気抵抗効果素子のＭＲ変化率の向上が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号公報
【特許文献２】特開２００４−６５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、ＭＲ変化率が大きい磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置及び磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、非磁性層と、酸化物層と、を含む磁気抵抗効果素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる。前記第２磁性層は、前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられる。前記非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記酸化物層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる。前記酸化物層は、金属酸化物の酸化物層である。前記酸化物層は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒を含む。前記ウスタイト結晶粒の（１１１）面の面間隔は、０．２５３ナノメートル以上０．２７５ナノメートル以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、磁気抵抗効果素子を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の特性を示す断面ＴＥＭ像である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の特性を示すＦＦＴ解析像である。
【図７】磁気抵抗効果素子の特性を示すグラフ図である。
【図８】磁気抵抗効果素子の特性を示す断面ＴＥＭ像である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の特性を示すＦＦＴ解析像である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ウスタイトとウルツァイトとの結晶構造を示す模式図である。
【図１１】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の特性を示す模式図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｊ）は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す模式的断面図である。
【図１３】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１４】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１５】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的断面図である。
【図１６】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１７】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１８】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図１９】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図２０】第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図２１】第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す模式的斜視図である。
【図２２】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図２３】第４の実施形態に係る磁気ヘッドを示す模式的断面図である。
【図２４】第４の実施形態に係る磁気ヘッドを示す模式的断面図である。
【図２５】第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図２６】第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図２７】第５の実施形態に係る磁気記録再生装置を示す模式的斜視図である。
【図２８】図２８（ａ）及び図２８（ｂ）は、第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図２９】第６の実施形態に係る磁気メモリを示す模式図である。
【図３０】第６の実施形態に係る別の磁気メモリを示す模式図である。
【図３１】第６の実施形態に係る磁気メモリの構成を示す模式的断面図である。
【図３２】図３１のＡ−Ａ’線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０は、第１電極１１と、第２電極２０と、第１磁性層１４と、第２磁性層１８と、非磁性層１６と、酸化物層２１と、を含む。
【０００９】
第２電極２０は、第１電極１１と積層される。  
本願明細書において、「積層」は、接して重ねられる状態の他に、他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。ここで、第１電極１１と第２電極２０との積層方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの軸をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。第２電極２０は、Ｚ軸方向（積層方向）に沿って第１電極１１と積層されている。
【００１０】
第１磁性層１４は、第１電極１１と第２電極２０との間に設けられる。第２磁性層１８は、第１磁性層１４と第２電極２０との間に設けられる。非磁性層１６は、第１磁性層１４と第２磁性層１８との間に設けられる。非磁性層１６は、例えばスペーサ層である。
【００１１】
酸化物層２１は、第１電極１１と第２電極２０との間に設けられる。酸化物層２１は、金属酸化物である。酸化物層２１は、鉄（Ｆｅ）を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含む。ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔は、０．２５３ナノメートル（ｎｍ）以上０．２７５ｎｍ以下である。酸化物層２１の例については後述する。
【００１２】
この例では、酸化物層２１は、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に設けられている。本実施形態はこれに限らず、酸化物層２１は、第１電極１１と第２電極２０との間の任意の場所に設けられる。
【００１３】
第１磁性層１４、第２磁性層１８及び非磁性層１６を場合によっては積層体１０ｓと呼ぶ場合がある。この例では、酸化物層２１が非磁性層１６と第２磁性層１８との間に設けられているので、積層体１０ｓは、酸化物層２１も含む。積層体１０ｓは、スピンバルブ膜に対応する。
【００１４】
第１磁性層１４及び第２磁性層１８には、強磁性材料が用いられる。第１磁性層１４の磁化方向の変化の挙動は、第２磁性層１８の磁化方向の変化の挙動とは異なる。例えば、第２磁性層１８の磁化方向は、外部磁界に応じて比較的容易に変化する。第２磁性層１８は、例えばフリー層である。第１磁性層１４の磁化方向は、例えば、実質的に一方向に固着されている。または、第２磁性層１８の磁化方向は、第１磁性層１４の磁化方向よりも、外部磁界に対して変化し難い。第２磁性層１８は、例えば、ピン層である。第２磁性層１８は、例えば、参照層である。
【００１５】
第１電極１１及び第２電極２０は、積層体１０ｓに電流を流すことが可能である。第１電極１１及び第２電極２０を介して積層体１０ｓに電流を流したときの積層体１０ｓの電気抵抗は、第１磁性層１４の磁化方向と第２磁性層１８の磁化方向との相対的な角度によって変化する。磁気抵抗効果素子１１０は、第１磁性層１４の磁化方向と第２磁性層１８の磁化方向との相対角度が外部磁界に応じて変化することで、磁気センサとして機能する。磁気抵抗効果素子１１０を用いて、例えば磁気記録媒体に書き込まれた情報の読み出し動作を行うことができる。また、磁気抵抗効果素子１１０を用いて、磁気メモリの記憶再生の動作を行うことができる。
【００１６】
トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistance effect）を利用した高感度なスピンバルブ膜を含むＴＭＲヘッドがある。スピンバルブ膜は、２層の強磁性層の間にスペーサ層（非磁性層）を挟んだサンドイッチ構造を有する。スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子には、ＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子、及び、ＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistance）素子などがある。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子ではスピンバルブ膜の面に平行にセンス電流を通電し、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子ではスピンバルブ膜の面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電する。膜面に対して垂直な方向に通電する方式において、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子ではスペーサ層として金属層を用い、ＴＭＲ素子ではスペーサ層として絶縁層を用いる。
【００１７】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０は、例えば、垂直通電型の磁気抵抗効果素子である。後述するように、磁気抵抗効果素子１１０においては、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の動作、または、ＴＭＲ素子の動作が採用できる。
【００１８】
磁気抵抗効果素子において、強磁性層の層中や、強磁性層と非磁性スペーサ層との界面に、酸化物または窒化物の薄膜のスピンフィルタ（Spin Filter：ＳＦ）層を挿入する構成がある。ＳＦ層は、アップスピン電子またはダウンスピン電子の通電を阻害するスピンフィルタ効果を有する。ＳＦ層により、ＭＲ変化率を向上することができる。本実施形態に係る酸化物層２１は、例えば、ＳＦ層として機能する。
【００１９】
磁気抵抗効果素子１１０におけるＭＲ変化率は、磁性層内部のスピン依存散乱（バルク散乱）と、磁性層とスペーサ層との界面でのスピン依存界面散乱と、に依存する。磁性層やスペーサ層にスピン依存散乱の大きな材料を適用することで、ＭＲ変化率が向上する。
【００２０】
以下、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の例についてさらに説明する。
【００２１】
図２は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１１においては、上記の第１電極１１と、第２電極２０と、第１磁性層１４と、第２磁性層１８と、非磁性層１６と、酸化物層２１と、が設けられている。
【００２２】
この例では、第１電極１１の上に下地層１２が設けられ、下地層１２の上にピニング層１３が設けられている。下地層１２においては、例えば、バッファ層（図示しない）及びシード層（図示しない）が積層される。バッファ層は、第１電極の側に設けられ、シード層は、ピニング層１３の側に設けられる。
【００２３】
ピニング層１３上には、第１磁性層１４が設けられる。この例では、第１磁性層１４として、磁化方向が固着されたピン層が用いられる。
【００２４】
この例では、第１磁性層１４は、ピニング層１３の上に設けられた下部ピン層１４１と、その上に設けられた磁気結合層１４２と、その上に設けられた上部ピン層１４３と、を含む。
【００２５】
第１磁性層１４の上に、非磁性層１６が設けられる。非磁性層１６は、例えば、スペーサ層として機能する。非磁性層１６は、非磁性体からなる材料を含む。  
非磁性層１６の上に、酸化物層２１が設けられる。
【００２６】
酸化物層２１の上に、第２磁性層１８が設けられる。この例では、第２磁性層１８として、磁化方向が回転するフリー層が用いられる。
【００２７】
第２磁性層１８の上に、キャップ層１９が設けられる。キャップ層１９は、例えば、磁気抵抗効果素子１１０を酸化等の劣化から保護する。  
キャップ層１９の上に、第２電極２０が設けられる。
【００２８】
実施形態において、第１電極１１と第２電極２０の上下関係は任意である。図１では、第１電極１１の上に、第１磁性層１４、非磁性層１６、酸化物層２１、第２磁性層１８及び第２電極２０がこの順で設けられているが、上下関係は、任意である。
【００２９】
このような構成を有する磁気抵抗効果素子１１０及び１１１において、上記の酸化物層２１を設けることで、ＭＲ変化率を大きく向上できる。以下、酸化物層２１の例について説明する。
【００３０】
図３は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式図である。  
図３は、酸化物層２１のウスタイト結晶粒２１ｓの構成を例示している。図３に表したように、ウスタイト結晶粒２１ｓは、ＮａＣｌ構造を有している。ウスタイト結晶粒２１ｓは、Ｆｅ原子２２ａと、酸素原子２２ｂと、を含んでおり、ウスタイト結晶粒２１ｓは、ＮａＣｌ構造のうちの１つであるウスタイト構造を有している。
【００３１】
金属元素をＭｅとし、酸素元素をＯとすると、ウスタイト構造の金属酸化物の化学式は、実質的に、ＭｅＯと表すことができる。酸素元素は２価のマイナスイオンとなるため、この金属酸化物の金属元素は２価のプラスイオン（Ｍｅ２＋）となる。ウスタイト結晶粒２１ｓは、例えば、Ｆｅ０．９５Ｏ１の化学式で表される。このウスタイト構造の鉄酸化物は「ウスタイト（Ｗｕｓｔｉｔｅ）」と呼ばれる。ウスタイトは、Ｆｅ０．９５Ｏ１．００程度の組成比をとる場合に、安定する。この金属酸化物における酸素濃度は、約５１原子パーセント（ａｔ．％）である。
【００３２】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式図である。  
これらの図は、Ｍｅ０．９５Ｏ１（すなわち、Ｆｅ０．９５Ｏ１）の［１１１］方向の原子層構造を示している。図４（ａ）は、［−１−１２］方向に対して垂直な平面で切断した断面図である。図４（ｂ）は、［１−１０］方向に対して垂直な平面で切断した断面図である。
【００３３】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、Ｍｅ０．９５Ｏ１の［１１１］方向の原子層構造において、Ｍｅ／Ｏ／Ｍｅ／Ｏのユニットが繰り返される。ここで、ＭｅがＦｅ原子の場合、Ｆｅ０．９５Ｏ１の［１１１］方向の面間隔ｄのバルク値（すなわち、Ｆｅ０．９５Ｏ１の（１１１）面の面間隔ｄのバルク値）は、０．２５ｎｍである。ＭｅがＺｎ原子の場合、ＺｎＯの［１１１］方向の面間隔ｄのバルク値（すなわち、ＺｎＯの（１１１）面の面間隔ｄのバルク値）も０．２５ｎｍである。
【００３４】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０においては、酸化物層２１がウスタイト結晶粒２１ｓを含んでおり、そのウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上である。すなわち、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄが、Ｆｅ０．９５Ｏ１の（１１１）面の面間隔ｄのバルク値（０．２５ｎｍ）よりも大きい。これにより、ＭＲ変化率を向上することができる。
【００３５】
このような構成は、本願発明者が独自に行った実験により見出された新たな知見に基づいている。以下、この実験について説明する。この実験では、図２に例示した磁気抵抗効果素子１１１の構成を有する試料を作製した。
【００３６】
以下、表１に示す試料Ｃ１−１〜Ｃ１−５、及び、試料Ｅ１−１〜Ｅ１−３について説明する。以下では、材料の名前の後の「（  ｎｍ）」は、その材料の層の厚さを示す。また、「材料Ａ／材料Ｂ」は、材料Ａの層の上に材料Ｂの層が設けられることを示す。
【表１】
0005956793.tif 000002
【００３７】
試料Ｅ１−１の構成は以下である。  
下地層１２：Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８（７ｎｍ）
第１磁性層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４．４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｃｏ５０（６ｎｍ）
非磁性層１６：Ｃｕ（１．５ｎｍ）
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ（１．５ｎｍ）
第２磁性層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０（６ｎｍ）
キャップ層１９：Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）
基板上に設けられた第１電極１１の上に上記の積層体を形成した後、２８０℃で５時間のアニール処理を行った。この後、第２電極２０を形成した。
【００３８】
第１磁性層１４において、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４．４ｎｍ）が下部ピン層１４１に対応し、Ｒｕ（０．９ｎｍ）が磁気結合層１４２に対応し、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（６ｎｍ）が上部ピン層１４３に対応する。
【００３９】
酸化物層２１の作製においては、非磁性層１６上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層を形成し、その上に、０．２４ｎｍの厚さのＺｎ層を形成した。次に、表面酸化によりＺｎとＦｅの混合酸化物（以下、Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏと表記する）へと変換を行った。酸化物への変換においては、表面酸化としてイオンアシスト酸化（ＩＡＯ：Ion assisted Oxidation）処理を用い、表面酸化後に、Ａｒガスを用いたＲＦプラズマ処理を行った。これにより、酸化物層２１が形成される。
【００４０】
この実験では、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さｔｍ（ｎｍ）を変えた。すなわち、試料Ｅ１−１、Ｅ１−２、及びＥ１−３において、厚さｔｍは、それぞれ、６ｎｍ、７ｎｍ及び８ｎｍである。
【００４１】
試料Ｃ１−１及びＣ１−２においては、上記の構成において、酸化物層２１を設けていない。試料Ｃ１−３、Ｃ１−４及びＣ１−５においては、酸化物層２１を設けており、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８の厚さｔｍは、それぞれ、３ｎｍ、４ｎｍ及び５ｎｍである。これら以外の条件は、試料Ｅ１−１と同様である。
【００４２】
これらの試料のＭＲ変化率（ＭＲ）と面積抵抗ＲＡ（Resistance Area）とを評価した結果が表１に示されている。
【００４３】
表１から分かるように、酸化物層２１を設けていない試料Ｃ１−１及びＣ１−２おいては、ＭＲ変化率（ＭＲ）は、１．５％〜２．５％である。酸化物層２１を設けた試料Ｃ１−３、Ｃ１−４及びＣ１−５では、ＭＲ変化率は１０％〜１４％であり、酸化物層２１を設けていない場合に比べて、ＭＲ変化率が向上している。
【００４４】
さらに、酸化物層２１を設けた場合において、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８の厚さｔｍが６ｎｍ〜８ｎｍの試料Ｅ１−１〜Ｅ１−３においては、ＭＲ変化率は、２１％〜２６％であり、厚さｔｍが３ｎｍ〜５ｎｍの場合に比べて、ＭＲ変化率が非常に大きくなることが分かった。なお、表１に示したように、酸化物層２１を設けた試料Ｃ１−３〜Ｃ１−５及び試料Ｅ１−１〜Ｅ１−３において、面積抵抗ＲＡは、約０．２Ωμｍ２であり、面積抵抗ＲＡは、ほぼ一定である。
【００４５】
このように、酸化物層２１を設けた場合において、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８の厚さｔｍが６ｎｍ以上と厚ときに、ＭＲ変化率が非常に大きくなる。この原因を解析するために、試料Ｅ１−３と試料Ｃ１−４とに関して、断面ＴＥＭにより酸化物層２１の結晶構造を調べた。
【００４６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の特性を例示する断面ＴＥＭ像である。  
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、試料Ｅ１−３及び試料Ｃ１−４の断面ＴＥＭ像をそれぞれ示す。図５（ａ）図５（ｂ）に表したように、試料Ｅ１−３及び試料Ｃ１−４の両方において、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に、１．５ｎｍ程度の厚さの酸化物層２１が形成されている。酸化物層２１は、実質的に均一なＺｎ−Ｆｅ酸化物の層である。試料Ｃ１−４及び試料Ｅ１−３の両方において、酸化物層２１は結晶構造を有している。酸化物層２１の結晶構造を詳細に調べるために、ＦＦＴ解析を行った。
【００４７】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の特性を例示するＦＦＴ解析像である。  
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、図５（ａ）及び図５（ｂ）にそれぞれ示した円で囲んだ領域Ｒ１及びＲ２に関してＦＦＴ解析を行い、その結果から算出した回折パターンを示している。
【００４８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に例示した回折パターンは、ウスタイトの［１１１］方向を上方として、［１−１０］方向または［−１１０］方向から投影した逆格子マップと一致する。これらの図から、試料Ｅ１−３及び試料Ｃ１−４の両方において、酸化物層２１はウスタイト構造の（１１１）配向膜となっていることがわかった。なお、他の試料（試料Ｅ１−１及びＥ１−２、並びに、試料Ｃ１−３及びＣ１−５）においても、同様の解析により、酸化物層２１がウスタイト構造の（１１１）配向膜となっていることが分かった。
【００４９】
図６（ｂ）に例示した試料Ｃ１−４においては、酸化物層２１のウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが、０．２５０ｎｍであり、バルクのウスタイトのそれと同等である。これに対して、図６（ａ）に例示した試料Ｅ１−３においては、酸化物層２１のウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが０．２６０ｎｍであり、バルクの値よりも大きかった。すなわち、試料Ｅ１−３においては、面間隔ｄが、膜面垂直方向に伸張して歪んでいる。同様にして、上記の試料について、ウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄの評価結果が表１に示されている。
【００５０】
表１に示した結果から、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８のＦｅ５０Ｃｏ５０層の厚さｔｍが増大すると、ウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが広がることが分かった。このことは、本願発明者によるこの実験により初めて見出された現象である。
【００５１】
酸化物層２１のウスタイト結晶の（１１１）配向面と、Ｆｅ５０Ｃｏ５０のｂｃｃ（１１０）配向面と、は、格子整合して偽エピタキシャル成長している。ウスタイト（１１１）配向面の膜面内方向の面間隔ｄは、Ｆｅ５０Ｃｏ５０のｂｃｃ（１１０）配向面の膜面内方向の面間隔よりも短い。このような面間隔の異なる結晶の偽エピタキシャル成長では、格子整合させるために、面間隔の広い結晶は縮み、面間隔の小さい結晶は広がると考えられる。よって、Ｆｅ５０Ｃｏ５０に格子整合しているウスタイト結晶の膜面内方向の面間隔は縮み、その結果、膜面垂直方向の面間隔が伸張する。Ｆｅ５０Ｃｏ５０の厚さｔｍが厚い場合、Ｆｅ５０Ｃｏ５０の結晶がバルク値をより維持しようとするため、Ｆｅ５０Ｃｏ５０の面間隔の変化は抑えられ、ウスタイトの面間隔の変化は大きくなると考えられる。今回見出された、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８のＦｅ５０Ｃｏ５０層の厚さｔｍが厚いときにウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが大きくなることは、この仕組みによるものと考えられる。
【００５２】
さらに、この実験により、ウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが大きい（広い）と、大きいＭＲ変化率が得られることが分かった。このことも、この実験により初めて見出された現象である。特に、Ｆｅ５０Ｃｏ５０層の厚さｔｍを６ｎｍ以上とし、ウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが０．２５３ｎｍ以上の試料Ｅ１−１、Ｅ１−２及びＥ１−３において、特に大きいＭＲ変化率が得られた。
【００５３】
実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０及び１１１においては、新たに見出されたこのような知見に基づき、酸化物層２１が、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含み、このウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔が０．２５３ｎｍ以上とする。これにより、大きいＭＲ変化率を得ることができる。
【００５４】
ウスタイト結晶粒２１ｓを含む酸化物層２１のバンド構造において、面間隔ｄがバルク値よりも大きい場合に、フェルミ面におけるアップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度の差、または、アップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度の微分の差が大きくなる。このため、このときに、高いスピン依存散乱を実現できると考えられる。これにより、面間隔ｄがバルク値よりも大きい構造の酸化物層２１を設けることでＭＲ変化率が向上すると考えられる。
【００５５】
図７は、磁気抵抗効果素子の特性を例示するグラフ図である。  
図７は、試料Ｅ１−３についての結晶配向分散のプロファイルを例示している。図７に例示した結晶配向分散は、図６（ａ）に例示した断面ＴＥＭ像のＦＦＴ解析を複数箇所実施し、膜面垂直方向に対して（１１１）面配向面の方位の分散をプロットすることにより得られる。横軸は、分散角度ωであり、縦軸は、各分散角度に（１１１）面が存在したＦＦＴ解析の領域数（任意目盛）である。分散角度ωは、膜面垂直方向と（１１１）面配向方向とのなす角度に対応する。
【００５６】
図７に表したように、試料Ｅ１−３においては、酸化物層２１の結晶配向分散角は、約５°であった。結晶配向分散角が少ないほど、大きいＭＲ変化率を得ることができ、好ましい。結晶配向分散角の絶対値は、１０°以下が好ましく、試料Ｅ１−３のように５°以下がさらに好ましい。試料Ｅ１−１、Ｅ１−２についても同様の解析を行った結果、これらの試料においても結晶配向分散角の絶対値は、約５°であった。
【００５７】
また、試料Ｅ１−１、Ｅ１−２及びＥ１−３の酸化物層２１の断面ＴＥＭ像に対して、ＥＤＸライン分析を行った結果、酸化物層２１に相当する場所は、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｏのピークが一致した。このことから、成膜時には、Ｆｅ（１ｎｍ）／Ｚｎ（０．２４ｎｍ）のように積層構造で成膜したＺｎとＦｅが、表面酸化時のエネルギーアシストにより混合し、混合された酸化物層が形成されていることがわかる。
【００５８】
実施形態に係る磁気抵抗効果素子において、ＴＥＭ像及びＥＤＸライン分析により、同様に均一な酸化物層が形成されていることが分かった。
【００５９】
酸化物層２１の結晶構造は、磁気抵抗効果素子の断面ＴＥＭ試料において、酸化物層２１の部分に、直径が１ｎｍ程度の電子ビームを照射し、ナノディフラクションパターンを得ることによっても、解析できる。
【００６０】
上記においては、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８のＦｅ５０Ｃｏ５０層の厚さｔｍが大きいときに、ウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが広がることについて説明した。本願発明者は、さらに実験を行い、酸化物層２１の構成（例えば組成）を変化させたときにもウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄが広がること見出した。以下、この実験について説明する。
【表２】
0005956793.tif 000003
【００６１】
表２に示した試料Ｃ１−１は、表１に示した試料Ｃ１−１と同じである。試料Ｃ１−６は、表１に示した試料Ｃ１−３において、上部ピン層１４３及び第２磁性層１８のＦｅ５０Ｃｏ５０層の厚さｔｍを４ｎｍとし、酸化物層２１の厚さを２．５ｎｍとしたものであり、それ以外は試料Ｃ１−３と同様である。表２には、酸化物層２１の母材金属材料も示している。ここで、表２に示す試料では、被酸化母材として、Ｆｅ−Ｚｎ合金を用いている。試料Ｅ２−１〜Ｅ２−４においては、酸化物層２１中におけるＦｅに対するＺｎ濃度は、試料Ｃ１−６における酸化物層２１中のＦｅに対するＺｎ濃度よりも高い。試料Ｅ２−１〜Ｅ２−４の構成は、酸化物層２１中におけるＦｅに対するＺｎ濃度以外は、試料Ｃ１−６の構成と同じである。また、試料Ｃ１−７においては、酸化物層２１をＺｎのみを基にして形成している。
【００６２】
これらの試料のＭＲ変化率及び面積抵抗ＲＡを評価した結果が表２に示されている。  
酸化物層２１を設けた試料Ｃ１−６及び試料Ｅ２−１〜Ｅ２−４においては、酸化物層２１を設けない試料Ｃ１−１に比べて、ＭＲ変化率が大きい。これは、酸化物層２１を設けることの効果である。酸化物層２１におけるＦｅに対するＺｎ濃度を高めた試料Ｅ２−１〜Ｅ２−４では、試料Ｃ１−６に比べて、ＭＲ変化率が向上する。なお、試料Ｃ１−６及び試料Ｅ２−１〜Ｅ２−４において、面積抵抗ＲＡは、約０．２Ωμｍ２であり、実質的に同じである。なお、試料Ｃ１−７においては、ＮａＣｌ（１１１）の結晶粒が観察されなかった。
【００６３】
試料Ｃ１−６と試料Ｅ２とにおけるＭＲ変化率の違いの原因を調べるために、試料Ｅ２−２について、断面ＴＥＭにより酸化物層２１の結晶構造を調べた。  
図８は、磁気抵抗効果素子の特性を例示する断面ＴＥＭ像である。  
図８は、試料Ｅ２の断面ＴＥＭ像を示している。  
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の特性を例示するＦＦＴ解析像である。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、図８に示した円で囲んだ領域Ｒ３及び領域Ｒ４に関してＦＦＴ解析を行い、その結果から算出した回折パターンを示している。
【００６４】
図８からわかるように、Ｚｎ含有量を増やしたＺｎ−Ｆｅ−Ｏ膜を用いた試料Ｅ２−２においても、２．５ｎｍ程度の厚さの均一な酸化物層２１が形成されている。
【００６５】
図９（ａ）から分かるように、領域Ｒ３においては、ウスタイトの（１１１）配向の結晶粒（ウスタイト結晶粒２１ｓ）が観察された。この構造は、試料Ｅ１−３に関して説明した構造と同様である。
【００６６】
図９（ｂ）から分かるように、領域Ｒ４においては、ウルツァイト構造の（００２）配向膜の回折スポットが観測された。酸化物層２１のうちの領域Ｒ４では、ウルツァイト（００２）配向結晶粒が存在している。
【００６７】
このように、試料Ｅ２−２における酸化物層２１においては、ウスタイト（１１１）配向の結晶粒（ウスタイト結晶粒２１ｓ）と、ウルツァイトの（００２）配向の結晶粒（ウルツァイト結晶粒２１ｒ）と、が混在していることが分かった。
【００６８】
試料Ｅ２−２においては、酸化物層２１は、ウスタイト（１１１）配向の結晶粒（ウスタイト結晶粒２１ｓ）に加えて、亜鉛（Ｚｎ）を含む（００２）配向の結晶粒（ウルツァイト結晶粒２１ｒ）をさらに含む。ウルツァイト結晶粒２１ｒは、酸化物層２１の厚さ方向（Ｚ軸方向）に対して平行な平面（例えばＸ−Ｚ平面やＹ−Ｚ平面）に射影したときにウスタイト結晶粒２１ｓと重なる部分を有する。例えば、ウルツァイト結晶粒２１ｒは、Ｘ−Ｙ平面内において、ウスタイト結晶粒２１ｓと並置される。
【００６９】
領域Ｒ３のウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）配向面の面間隔ｄは、０．２６ｎｍであり、この値は、バルク値の０．２５ｎｍよりも伸張した値である。一方、領域Ｒ４のウルツァイト構造の（００２）配向面の面間隔ｄは、０．２６ｎｍである。
【００７０】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ウスタイトとウルツァイトとの結晶構造を示す模式図である。  
図１０（ａ）は、バルクのウスタイトの［１１１］方向の原子層構造を例示している。図１０（ｂ）は、バルクのウルツァイトの［００２］方向の原子層構造を例示している。図１０（ａ）に表したように、バルクのウスタイトの（１１１）配向面の面間隔ｄは、０．２５ｎｍである。図１０（ｂ）に表したように、バルクのウルツァイトの（００２）配向面の面間隔ｄは、０．２６ｎｍである。
【００７１】
図１１は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の特性を例示する模式図である。  
図１１は、ウスタイト結晶粒２１ｓとウルツァイト結晶粒２１ｒとの間の領域（界面）における面内結晶テンプレート効果を例示している。  
図１１に表したように、ウスタイト結晶粒２１ｓとウルツァイト結晶粒２１ｒとの間の領域（例えば界面）において、ウルツァイト結晶粒２１ｒにおいて、膜面垂直方向の面間隔ｄは、０．２６ｎｍ（バルクのＺｎＯのウルツァイトにおける面間隔）であるとする。ウスタイト結晶粒２１ｓにおいて膜面垂直方向の面間隔ｄは、０．２５ｎｍ（バルクのウスタイトにおける面間隔）であるとする。このようなウスタイト結晶粒２１ｓとウルツァイト結晶粒２１ｒとが同じ膜面内で混在した際に、面内結晶テンプレート効果が生じ、ウスタイトの（１１１）配向面の面間隔ｄがウルツァイト（００２）面の面間隔ｄの影響を受け、０．２６ｎｍに向けて、伸びると考えられる。
【００７２】
これにより、試料Ｅ２−２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの面間隔ｄが膜面垂直方向に延びたと考えられる。  
また、試料Ｅ２−１、Ｅ２−３、Ｅ２−４においても、表２に示すようにウスタイト結晶粒２１ｓの面間隔ｄが膜面垂直方向に延びていることが確認された。
【００７３】
一方、表２に示したように、試料Ｃ１−６においては、酸化物層２１のウスタイト（１１１）配向面の面間隔ｄは、０．２５ｎｍであり、バルク値と同等であった。  
このように、この例でも、膜面垂直方向に伸張したウスタイト結晶粒２１ｓを含む酸化物層２１を用いることで、大きいＭＲ変化率が得られることが分かった。
【００７４】
ここで、表２からわかるように、ウスタイト結晶粒とウルツァイト結晶粒とを同じ膜面内で混在した酸化物２１を形成する場合、好ましいＺｎの濃度範囲が存在する。酸化物２１の母材金属中に含まれるＺｎの濃度が少なすぎる場合には、ウルツァイト結晶粒が形成されにくい。Ｚｎの濃度が多すぎる場合には、Ｆｅを含むウスタイト結晶粒が形成されにくい。また、Ｚｎの濃度が多すぎる場合、酸化物２１中のウスタイト結晶粒に対するウルツァイト結晶粒の面積比が大きくなり、酸化物２１を通過する伝導電子がウスタイト結晶粒を通過する割合が低くなる。上記を鑑みて、酸化物２１となる被酸化母材において、Ｆｅを含む金属合金中に含まれるＺｎの濃度は、３０ａｔ．％以上９０ａｔ．％以下が好ましく、３０ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下がさらに好ましい。
【００７５】
以下、酸化物層２１が非磁性層１６と第２磁性層１８との間に設けられる場合に関して、酸化物層２１の形成方法の例について説明する。
【００７６】
例えば、非磁性層１６の上に、酸化物層２１となる、ＦｅとＺｎと含む金属層を形成する。ＺｎとＦｅとを含む金属層に酸化処理を施す。この酸化処理には、例えば、イオンアシスト酸化（ＩＡＯ）を用いることができる。イオンアシスト酸化では、例えば、希ガスなどのイオンビームまたは希ガスなどのプラズマを金属層に照射しながら、酸素を供給する。
【００７７】
イオンビームアシスト酸化処理を用いる場合、例えば、加速電圧Ｖｂを３０Ｖ以上１３０Ｖ以下とし、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ以上２００ｍＡ以下に設定することが好ましい。ＩＡＯの条件の例については、後述する。
【００７８】
ＩＡＯの後に、還元処理をさらに行っても良い。還元処理によって、酸化処理後の母材料の膜の酸素濃度を調整することができる。これにより、スピン依存散乱を強く発現できる酸素含有量を有する構造に調整することができる。還元処理として、例えば、アルゴンイオンの照射、アルゴンプラズマの照射及び加熱の少なくともいずれかを行う。
【００７９】
以下、本願発明者が行った別の実験について説明する。  
この実験では、酸化物層２１の形成において、イオンビームを用いたＩＡＯを行い、その後に、Ａｒプラズマ処理を行った。
【００８０】
下地層１２、ピニング層１３、非磁性層１６及びキャップ層１９の構成は、試料Ｅ１−１と同様である。この実験では、第１磁性層１４の下部ピン層１４１（Ｃｏ７５Ｆｅ２５層）及び磁気結合層１４２（Ｒｕ層）は、試料Ｅ１−１と同様であり、上部ピン層１４３として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）を用いた。そして、第２磁性層１８として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）を用いた。酸化物層２１の形成においては、非磁性層１６の上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層をスパッタにより形成し、０．２４ｎｍの厚さのＺｎ層をスパッタにより形成し、その後、ＩＡＯを行い、その後Ａｒプラズマ処理を行った。これにより酸化物層２１が形成される。その後、酸化物層２１の上に第２磁性層１８及びキャップ層１９を形成した。この後、２８０℃で５時間のアニール処理を行い、その後、第２電極２０を形成した。
【００８１】
ＩＡＯにおけるビーム電流Ｉｂは、６０ｍＡで一定とし、加速電圧Ｖｂを６０Ｖ〜１２０Ｖで変えた。Ａｒプラズマ処理におけるプラズマ電力Ｐｗを２０Ｗ〜１００Ｗで変えた。これらの試料に関して、酸化物層２１のウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄ、ＭＲ変化率、及び、面積抵抗ＲＡを評価した。評価結果を表３に示す。
【表３】
0005956793.tif 000004
【００８２】
表３から分かるように、試料Ｅ３−１〜試料Ｅ３−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料においては、ＭＲ変化率は、１８％〜２２％であり、試料Ｃ１−１、試料Ｃ３−１及びＣ３−２と比べて非常に大きい。試料Ｅ３−１〜試料Ｅ３−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ３−１及びＣ３−２の値と実質的に同じである。
【００８３】
表３から分かるように、Ａｒプラズマ処理の電力Ｐｗが４０Ｗ以上のときに、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上になり、大きいＭＲ変化率が得られる。加速電圧Ｖｂは、６０Ｖ以上１２０Ｖ以下の任意の値を用いることができる。
【００８４】
また、本実施形態では、酸化物層２１の被酸化母材料として、Ｆｅに加え、亜鉛（Ｚｎ）をさらに含ませた場合において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）配向面の面間隔を０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下とすることで、高いＭＲ変化率を得ることができる。ここで、亜鉛の添加元素の添加量は、被酸化母材のＦｅを含む金属合金において、０．５ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下とすることができる。被酸化母材の添加元素の添加量が多すぎる場合、相対的にＦｅの含有量が少なくなるため、良好なウスタイト構造を得る観点では０．５ａｔ．％以上５０ａｔ．％以下とすることがさらに好ましい。
【００８５】
酸化処理及び還元処理などを含む処理条件を適切に設定し、適切なエネルギーアシストを行うことにより、実施形態に係る酸化物層２１を作製することができる。例えば、イオンビームアシスト酸化処理を行った場合において、酸化物層２１を形成する際に、希ガスをイオン化またはプラズマ化して照射する場合、その加速電圧Ｖｂを４０Ｖ以上１２０Ｖ以下とすることができる。このとき、ビーム電流Ｉｂは、４０ｍＡ以上２００ｍＡ以下に設定することが好ましい。
【００８６】
イオンビームの代わりＲＦプラズマなどのプラズマを用いる場合、そのプラズマ電力は２０Ｗ〜２００Ｗに設定することが好ましい。
【００８７】
また、還元処理においては、例えば、Ａｒイオンビーム照射を行った場合、その加速電圧Ｖｂを４０Ｖ〜１３０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを４０ｍＡ〜２００ｍＡに設定することが好ましい。イオンビームの代わりにＲＦプラズマなどのプラズマを用いる場合、そのプラズマ電力Ｐｗは２０Ｗ〜２００Ｗに設定することが好ましい。そのプラズマ電力Ｐｗとして、４０Ｗ以上１００Ｗの値を用いることができる。
【００８８】
酸化物層２１の形成において、酸化処理においてイオンビームやプラズマを用いた場合、イオンビームの照射条件及びプラズマの照射条件を制御することで、Ｚｎ−Ｆｅ酸化物の膜応力をコントロールして、膜面垂直方向の面間隔を制御することができる。
【００８９】
酸化物層２１の形成において還元処理を行う際にイオンビームやプラズマを用いた場合、イオンビームの照射条件及びプラズマの照射条件を制御することで、Ｚｎ−Ｆｅ酸化物の膜応力をコントロールして、膜面垂直方向の面間隔を制御することができる。
【００９０】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０及び１１１の構成の例についてさらに説明する。  
上記のように、酸化物層２１に含まれるウスタイト結晶粒２１ｓは、Ｆｅに加え、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれかをさらに含んでも良い。
【００９１】
ウスタイト結晶粒２１ｓが、Ｆｅの他に、Ｃｏ、Ｎｉ及びＺｎからなる群より選択された少なくとも１つの材料を含む場合、これらの金属酸化物の（１１１）面配向の面間隔ｄが０．２５３ｎｍ以上とすることで、大きいＭＲ変化率を得ることができる。
【００９２】
Ｃｏ及びＮｉは、Ｆｅと室温で同様に磁性を有する。酸化物層２１のウスタイト結晶粒２１ｓが、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかの酸化物を含有することで、より高いスピンフィルタ効果を有するスピンフィルタリング層が得られる。
【００９３】
第１磁性層１４または第２磁性層１８に極薄の酸化物層２１を挿入した場合、磁性を有していない酸化物材料も磁性を発現してスピンフィルタ効果が得られる。酸化物層２１がＦｅの他にＣｏ及びＮｉの少なくともいずれかの酸化物を含有する場合には、酸化物層２１の厚さの制限に制限されずに容易に磁性を発現して高いスピンフィルタ効果が得られる場合がある。
【００９４】
例えば、ウスタイト結晶粒２１ｓは、Ｆｅに加え、亜鉛（Ｚｎ）をさらに含んでも良い。また、ウスタイト結晶粒２１ｓは、Ｆｅに加え、スズ、インジウム及びカドミウムの少なくともいずれかをさらに含んでも良い。
【００９５】
酸化物層２１が、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４などの、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄを含む酸化物材料（酸化物半導体）を含有すると、例えば、低い抵抗率のスピンフィルタリング層が得られる。これらの酸化物半導体は、３ｅＶ以上のバンドギャップを持つ半導体である。化学量論組成から少し還元側にずれた組成にすることにより、酸素空孔などの真性欠陥がドナー準位を形成する。このため、伝導電子密度が１０１８ｃｍ−３以上１０１９ｃｍ−３以下程度の値に到達する。これらの導電性酸化物のバンド講造において、価電子帯は、主として酸素原子の２ｐ軌道により形成され、伝導帯は、金属原子のｓ軌道で形成される。キャリア密度が１０１８ｃｍ−３よりも高くなるとフェルミ準位が伝導帯に達し、例えば、縮退状態になる。このような酸化物半導体はｎ形の縮退半導体と呼ばれ、伝導電子の十分な濃度と移動度とを併せ持ち、低い抵抗率を実現する。
【００９６】
ウスタイト結晶粒２１ｓが、Ｆｅに加え、亜鉛（Ｚｎ）、スズ、インジウム及びカドミウムの少なくともいずれかをさらに含むことで、ウスタイト結晶粒２１ｓの抵抗率を下げることができる。ウスタイト結晶粒２１ｓの抵抗率を低くすることで、伝導電子がウスタイト結晶粒２１ｓを通過する際にスピン情報を失う「スピンフリップ」の発生確率を低減することができるため、高いＭＲ変化率を得る上で好ましい。
【００９７】
例えば、ウスタイト結晶粒２１ｓは、Ｆｅに加え、銅、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、白金、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウム及びタンタルの少なくともいずれかをさらに含んでも良い。
【００９８】
このような添加元素を加えることにより、バンド構造を変化させ、高いスピン依存散乱を実現することができる。また、これらの添加元素を加えることにより、高い耐熱性を得ることができる。耐熱性が向上するメカニズムは完全に明らかとはなっていないが、化学量論組成から還元気味にずれたことにより形成されるウスタイト結晶粒２１ｓの酸素空孔の密度が、熱による再酸化の促進により減少して、キャリア密度が変わることが起因していると考えられる。他にも耐熱性が向上する理由として、上記したこれらの元素はIII族、またはIＶ族のドーパントにあたり、これらのドーパントは熱によるウスタイト結晶粒２１ｓの再酸化の促進を防ぐために、ウスタイト結晶粒２１ｓ中のキャリア密度の変化を抑えることができ、さらには熱に対する抵抗率の変化が抑えられるということが挙げられる。
【００９９】
磁性体の酸化物層２１を用いた場合は、その酸化物層２１自体がスピン依存バルク散乱及びスピン依存界面散乱を有する。一方、非磁性体の酸化物層２１を用いた場合には、金属強磁性体に接して用いることにより、金属強磁性体からのスピン蓄積効果で非磁性体の酸化物層内部にスピン分極が発生する。このような場合でも、高いスピン依存散乱を実現することができる。酸化物層２１を形成する金属酸化物が、鉄（Ｆｅ）及び亜鉛（Ｚｎ）を含む場合に、著しく大きいＭＲ変化率を実現することができる。
【０１００】
実施形態において、酸化物層２１は、第１電極１１と第２電極２０との間の任意の場所に配置できる。  
図１２（ａ）〜図１２（ｊ）は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１２（ａ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ａにおいては、酸化物層２１は、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に配置される。
【０１０１】
図１２（ｂ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｂにおいては、酸化物層２１は、第２磁性層１８ｌと第３磁性層１８ｕとの間に配置される。第３磁性層１８ｕは、第２磁性層１８ｌと第２電極２０との間に配置される。第２磁性層１８ｌと第３磁性層１８ｕと、が、図１に関して説明した第２磁性層１８に対応すると見なしても良い。この場合には、酸化物層２１は、第２磁性層１８の中に配置されることに対応する。
【０１０２】
図１２（ｃ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｃにおいては、酸化物層２１は、第２磁性層１８と第２電極２０との間に配置される。
【０１０３】
図１２（ｄ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｄにおいては、酸化物層２１は、第１磁性層１４と非磁性層１６との間に配置される。
【０１０４】
図１２（ｅ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｅにおいては、酸化物層２１は、第１磁性層１４ｕと第４磁性層１４ｌとの間に配置される。第４磁性層１４ｌは、第１磁性層１４ｕと第１電極１１との間に配置される。第１磁性層１４ｕと第４磁性層１４ｌと、が、図１に関して説明した第１磁性層１４に対応すると見なしても良い。この場合には、酸化物層２１は、第１磁性層１４の中に配置されることに対応する。
【０１０５】
図１２（ｆ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｆにおいては、酸化物層２１は、第１電極１１と第１磁性層１４との間に配置される。
【０１０６】
図１２（ｇ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｇにおいては、酸化物層２１は、第１非磁性層１６ｌと第２非磁性層１６ｕとの間に配置される。第２非磁性層１６ｕは、第１非磁性層１６ｌと第２磁性層１８との間に配置される。第１非磁性層１６ｌと第２非磁性層１６ｕと、が、図１に関して説明した非磁性層１６に対応すると見なしても良い。この場合には、酸化物層２１は、非磁性層１６の中に配置されることに対応する。
【０１０７】
図１２（ｈ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｈにおいては、２つの酸化物層２１が設けられる。一方の酸化物層２１は、第１磁性層１４と非磁性層１６との間に配置され、他方の酸化物層２１は、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に配置される。
【０１０８】
図１２（ｉ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｉにおいては、２つの酸化物層２１が設けられる。一方の酸化物層２１は、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に配置され、他方の酸化物層２１は、第２磁性層１８と第２電極２０との間に配置される。磁気抵抗効果素子１１０ｈまたは１１０ｉのように、酸化物層２１は、複数設けても良い。
【０１０９】
図１２（ｊ）に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０ｊは、中間非磁性層２９をさらに含んでいる。酸化物層２１は、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に設けられている。中間非磁性層２９は、酸化物層２１と第２磁性層１８との間に配置される。中間非磁性層２９の厚さは、例えば２ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、磁性層からの酸化物層２１へのスピン蓄積がなされ、十分なスピンフィルタリング効果を発揮できる。
【０１１０】
磁気抵抗効果素子１１０ａ〜１１０ｊにおいても、酸化物層２１に含まれるウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄが０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これにより、大きいＭＲ変化率が得られる。
【０１１１】
酸化物層２１の厚さは、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。０．５ｎｍ以上において、例えば、均一な酸化物層２１が得やすい。４ｎｍ以下において、例えば、素子抵抗の増大が抑制できる。
【０１１２】
図２を参照しつつ、磁気抵抗効果素子１１０（１１１）の構成の例について説明する。  第１電極１１及び第２電極２０には、例えば、銅（Ｃｕ）及び金（Ａｕ）の少なくともいずれかが用いられる。これらの電極として、電気抵抗が比較的小さい材料を用いることで、積層体１０ｓに効率的に電流を供給することができる。
【０１１３】
図２において図示いないバッファ層は、例えば、第１電極１１の表面の荒れを緩和し、バッファ層上に積層される層の結晶性を改善する。バッファ層としては、例えばタンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）及びクロム（Ｃｒ）からなる群より選択された少なくとも１つの金属を用いることができる。これらの少なくともいずれかを含む合金も用いることができる。バッファ層の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。１ｎｍ以上５ｎｍ以下がより好ましい。バッファ層の厚さが薄すぎるとバッファ効果が失われる。一方、バッファ層の厚さが厚すぎるとＭＲ変化率に寄与しない直列抵抗が増大する。バッファ層上にシード層が形成され、そのシード層がバッファ効果を有する場合には、バッファ層を必ずしも設ける必要はない。バッファ層には、例えば、１ｎｍの厚さのタンタル層を用いることができる。
【０１１４】
図２において図示しないシード層は、シード層上に積層される層の結晶配位向及び結晶粒径を制御する。シード層として、ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方格子構造）、ｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密格子構造）またはｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方格子構造）を有する金属等を用いることができる。
【０１１５】
シード層として、ｈｃｐ構造を有するルテニウム（Ｒｕ）またはｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅを用いることにより、例えば、その上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。ピニング層１３がＩｒＭｎの場合には良好なｆｃｃ（１１１）配向が実現される。ピニング層１３がＰｔＭｎの場合には、規則化したｆｃｔ（１１１）構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造）が得られる。第２磁性層１８及び第１磁性層１４としてｆｃｃ金属を用いたときには、良好なｆｃｃ（１１１）配向を実現できる。第２磁性層１８及び第１磁性層１４としてｂｃｃ金属を用いたときには、良好なｂｃｃ（１１０）配向を得ることができる。シード層の厚さは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。１ｎｍ以上３ｎｍ以下がより好ましい。これにより、結晶配向を向上させるシード層としての機能が十分に発揮できる。シード層には、例えば、２ｎｍの厚さのルテニウム層を用いることができる。
【０１１６】
シード層として、ＮｉＦｅベースの合金（例えば、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝９０％〜５０％、好ましくは７５％〜８５％））を用いることができる。シード層として、ＮｉＦｅに第３元素Ｘを添加して非磁性にした（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ）を用いることができる。ＮｉＦｅベースのシード層では、良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり、ロッキングカーブの半値幅を３°以上５°以下にすることができる。
【０１１７】
シード層には、結晶配向を向上させる機能だけでなく、スピンバルブ膜の結晶粒径を制御する機能も有することができる。具体的には、スピンバルブ膜の結晶粒径を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下に制御することができる。これにより、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、特性のばらつきを抑制しつつＭＲ変化率を向上できる。
【０１１８】
シード層の結晶粒径を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下にすることで、例えば、結晶粒界による電子乱反射及び非弾性散乱サイトが少なくなる。シード層として、厚さが２ｎｍのルテニウム層を用いると、このサイズの結晶粒径が得られる。シード層として、（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＺｙ（ＺはＣｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ又はＭｏ）を用いる場合には、第３元素Ｚの組成ｙを０％〜３０％程度として（ｙが０の場合も含む）、厚さを約２ｎｍとすると、このサイズの結晶粒径が得易い。
【０１１９】
スピンバルブ膜の結晶粒径は、シード層と非磁性層１６との間に配置された層の結晶粒の粒径によって判別できる。例えば、断面ＴＥＭなどによって判別できる。例えば、第１磁性層１４が、非磁性層１６よりも下層に位置するボトム型スピンバルブ膜の場合には、シード層の上に形成されるピニング層１３（反強磁性層）や、第１磁性層１４の結晶粒径によって判別することができる。
【０１２０】
ピニング層１３は、例えば、その上に形成される第１磁性層１４となる強磁性層に、一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して磁化を固着する。ピニング層１３には、例えば、反強磁性層を用いることができる。ピニング層１３には、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎまたはＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。磁気抵抗効果素子を高記録密度対応のヘッドに用いる場合、ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは、ＰｔＭｎよりも薄い厚さで一方向異方性を加えることができる。このため、ＩｒＭｎは、高密度記録のための狭ギャップ化に適している。
【０１２１】
十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層１３の厚さを適切に設定する。ピニング層１３の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、８ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さが好ましく、１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下の厚さがより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎの場合には、ＰｔＭｎなどよりも薄い厚さでも一方向異方性を付与可能であり、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下の厚さが好ましく、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の厚さがより好ましい。ピニング層１３には、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒ２２Ｍｎ７８が用いられる。
【０１２２】
ピニング層１３として、ハード磁性層を用いることができる。ハード磁性層として、例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０％〜８５％）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０％〜８５％、ｙ＝０％〜４０％）、または、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０％〜６０％）などを用いることができる。ハード磁性層（特に、ＣｏＰｔ）の比抵抗は比較的小さいため、ピニング層１３としてハード磁性層を用いると、直列抵抗及び面積抵抗ＲＡの増大を抑制できる。
【０１２３】
面積抵抗ＲＡは、磁気抵抗効果素子の積層膜の積層方向に対して垂直な断面積と、磁気抵抗効果素子の積層膜の膜面に垂直に電流を流したときの第１電極１１及び第２電極２０との間の抵抗と、の積である。
【０１２４】
スピンバルブ膜及びピニング層１３の結晶配向性は、Ｘ線回折により測定できる。スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク、ピニング層１３（ＰｔＭｎ）のｆｃｔ（１１１）ピーク、または、ピニング層１３（ＰｔＭｎ）のｂｃｃ（１１０）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５°以上６°以下とする。これにより、良好な配向性を得ることができる。なお、この配向の分散角は、断面ＴＥＭを用いた回折スポットからも判別することができる。
【０１２５】
第１磁性層１４においては、ピニング層１３側から、下部ピン層１４１、磁気結合層１４２及び上部ピン層１４３が、この順に積層されている。
【０１２６】
ピニング層１３と下部ピン層１４１とは、一方向異方性（Unidirectional Anisotropy）を持つように、交換磁気結合している。磁気結合層１４２を挟む下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３は、磁化の向きが互いに反平行になるように強く結合している。
【０１２７】
下部ピン層１４１には、例えば、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０％〜１００％）、または、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０％〜１００％）、または、これらに非磁性元素を添加したものを用いることができる。下部ピン層１４１として、Ｃｏ、ＦｅもしくはＮｉの単元素、または、これらの少なくともいずれかの合金を用いることもできる。下部ピン層１４１として、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金（ｘ＝０％〜１００％、ｙ＝０％〜３０％）を用いることもできる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙのようなアモルファス合金を用いることで、磁気抵抗効果素子の素子サイズが小さくなった場合にも素子間のバラツキを抑えることができる。
【０１２８】
下部ピン層１４１の厚さは、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。これにより、例えば、ピニング層１３による一方向異方性磁界強度、及び、磁気結合層１４２を介した、下部ピン層１４１と上部ピン層１４３との反強磁性結合磁界を強く保つことができる。
【０１２９】
下部ピン層１４１が薄すぎると、ＭＲ変化率に影響を与える上部ピン層１４３も薄くするため、ＭＲ変化率が小さくなる。一方、下部ピン層１４１が厚すぎると、デバイス動作に必要な十分な一方向性異方性磁界を得ることが困難になる。
【０１３０】
例えば、下部ピン層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×厚さｔ（Ｂｓ・ｔ積））は、上部ピン層１４３の磁気膜厚と実質的に等しいことが好ましい。
【０１３１】
例えば、上部ピン層１４３がＦｅ５０Ｃｏ５０（３ｎｍ）の場合、薄膜でのＦｅ５０Ｃｏ５０の飽和磁化は約２．２Ｔであるため、上部ピン層１４３における磁気膜厚は、２．２Ｔ×３ｎｍ＝６．６Ｔｎｍとなる。一方、Ｃｏ７５Ｆｅ２５の飽和磁化は約２．１Ｔなので、上記と等しい磁気膜厚を与える下部ピン層１４１の厚さｔは、６．６Ｔｎｍ／２．１Ｔ＝３．１５ｎｍとなる。この場合、下部ピン層１４１には、約３．２ｎｍ厚さのＣｏ７５Ｆｅ２５を用いることが好ましい。
【０１３２】
磁気結合層１４２は、磁気結合層１４２を挟む下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する。磁気結合層１４２として、例えば、Ｒｕを用いることができる。磁気結合層１４２の厚さは、０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下であることが好ましい。磁気結合層１４２を挟む下部ピン層１４１及び上部ピン層１４３に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、磁気結合層１４２にはＲｕ以外の材料を用いてもよい。磁気結合層１４２の厚さは、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）結合の２ｎｄピークに対応する０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下の厚さの代わりに、ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚さを用いることもできる。磁気結合層１４２には、例えば、厚さが０．９ｎｍのＲｕ層が用いられる。これにより、より高信頼性の結合が安定して得られる。
【０１３３】
上部ピン層１４３は、ＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層である。大きなＭＲ変化率を得るために、上部ピン層１４３の材料及び厚さが適切に設定される。
【０１３４】
上部ピン層１４３としては、例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０を用いることができる。Ｆｅ５０Ｃｏ５０は、ｂｃｃ構造を有する磁性材料である。この材料は、スピン依存界面散乱効果が大きいため、大きなＭＲ変化率を実現することができる。ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ系合金として、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０％〜１００％）またはＦｅｘＣｏ１００−ｘに、添加元素を加えたものが挙げられる。上部ピン層１４３としては、例えば、Ｆｅ４０Ｃｏ６０〜Ｆｅ８０Ｃｏ２０を用いることができる。
【０１３５】
上部ピン層１４３が、ＭＲ変化率を大きくし易いｂｃｃ構造をもつ磁性層から形成されている場合には、この磁性層の全体の厚さが１．５ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、ｂｃｃ構造を安定に保つことができる。スピンバルブ膜に用いられる金属材料は、ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造であることが多いため、上部ピン層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。このため、上部ピン層１４３の厚さが薄すぎると、ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり、大きいＭＲ変化率が得られなくなる。
【０１３６】
上部ピン層１４３の材料として、例えば、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金（ｘ＝０％〜１００％、ｙ＝０％〜３０％）を用いることもできる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙのようなアモルファス合金を用いた場合、例えば、磁気抵抗効果素子の素子サイズが小さくなった場合においても結晶粒に起因した素子間のバラツキを抑えることができる。また、このようなアモルファス合金を用いた場合、上部ピン層１４３を平坦な膜にすることができる。このため、上部ピン層１４３の上に形成される、例えばトンネル絶縁層を平坦化することができる。トンネル絶縁層の平坦化によりトンネル絶縁層の欠陥密度を減らすことができるため、低い面積抵抗で大きいＭＲ変化率を得ることができる。例えば、トンネル絶縁層の材料としてＭｇＯを用いる場合、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙのようなアモルファス合金を用いることで、その上に形成されるＭｇＯ層の（１００）配向性を強めることができる。ＭｇＯ層の（１００）配向性を高くすることで、大きいＭＲ変化率を得ることができる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金は、アニール時にＭｇＯ（１００）面をテンプレートとして結晶化する。このため、ＭｇＯと（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金と、の良好な結晶整合を得ることができる。良好な結晶整合を得ることで、大きいＭＲ変化率を得ることができる。
【０１３７】
上部ピン層１４３が厚いほうが大きなＭＲ変化率を得やすいが、大きなピン固着磁界を得るためには上部ピン層１４３は薄いほうが好ましく、トレードオフの関係が存在する。上部ピン層１４３として、例えば、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いたときには、上部ピン層１４３の厚さは１．５ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、ｂｃｃ構造が安定になる。上部ピン層１４３として、ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金層を用いるときにも１．５ｎｍ以上の厚さが好ましく、これにより大きいＭＲ変化率が得られる。一方、大きなピン固着磁界を得るためには、上部ピン層１４３の厚さは、５ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以下であることがより好ましい。上部ピン層１４３の厚さは、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、２．０ｎｍ以上４ｎｍ以下がより好ましい。
【０１３８】
上部ピン層１４３には、ｆｃｃ構造を有するＣｏ９０Ｆｅ１０合金、または、ｈｃｐ構造をもつＣｏ、または、Ｃｏ合金を用いることができる。上部ピン層１４３として、Ｃｏ、ＦｅもしくはＮｉなどの金属、または、これらの少なくともいずれかを含む合金を用いることができる。上部ピン層１４３として、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金材料、５０％以上のコバルト組成をもつＣｏ合金、または、５０％以上のＮｉ組成の材料を用いることで、例えば、大きなＭＲ変化率を得ることができる。
【０１３９】
上部ピン層１４３として、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａ０．５Ｇｅ０．５、Ｃｏ２ＦｅＧａ０．５Ｇｅ０．５などのホイスラー磁性合金層を用いることもできる。
【０１４０】
非磁性層１６は、第１磁性層１４と第２磁性層１８との磁気的な結合を分断する。非磁性層１６として、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）から選択される少なくとも１つの元素を含む非磁性金属層が用いられる。非磁性層１６として、例えば、ＣＣＰスペーサ層、または、トンネル絶縁スペーサ層が用いられる。ＣＣＰスペーサ層を用いる場合は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）絶縁層中に銅（Ｃｕ）メタルパスが形成された構造を用いることができる。トンネル絶縁層を用いる場合は、トンネル絶縁層として、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の少なくともいずれかを用いることができる。
【０１４１】
第２磁性層１８は、例えば、磁化方向が外部磁界によって変化する強磁性体を有する層である。第２磁性層１８として、例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１ｎｍ）／Ｎｉ８３Ｆｅ１７（３．５ｎｍ）の２層構成を用いることができる。第２磁性層１８として、ＮｉＦｅ層を用いない、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（４ｎｍ）の単層を用いることができる。第２磁性層１８として、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどの２層構成を用いることができる。
【０１４２】
第２磁性層１８には、例えば、Ｃｏ９０Ｆｅ１０を用いることが好ましい。Ｃｏ９０Ｆｅ１０は、ＣｏＦｅ合金のなかでも軟磁気特性が安定である。第２磁性層１８として、Ｃｏ９０Ｆｅ１０の組成に近いＣｏＦｅ合金を用いる場合には、厚さを０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることが好ましい。第２磁性層１８には、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０％〜９０％）を用いることができる。
【０１４３】
第２磁性層１８として、１ｎｍ以上２ｎｍ以下の、ＣｏＦｅ層またはＦｅ層と、０．１ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の極薄Ｃｕ層と、を複数交互に積層したものを用いることができる。
【０１４４】
第２磁性層１８の一部として、ＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス磁性層を用いることができる。ただし、アモルファス磁性層を用いる場合でも、第２磁性層１８のなかで、ＭＲ変化率に大きな影響を与える非磁性層１６と接する部分には、結晶構造を有する磁性層を用いる。
【０１４５】
第２磁性層１８には、例えば、１つの結晶層を用いることができる。第２磁性層１８には、例えば、非磁性層１６の上に形成された結晶層／アモルファス層の積層構成を用いることができる。第２磁性層１８には、例えば、非磁性層１６の上に形成された結晶層／アモルファス層／結晶層の積層構成を用いることができる。これらのいずれの構成においても、第２磁性層１８のうちで非磁性層１６との界面には結晶層が設けられる。
【０１４６】
第２磁性層１８として、例えば、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａ０．５Ｇｅ０．５、または、Ｃｏ２ＦｅＧａ０．５Ｇｅ０．５などのホイスラー磁性合金層を用いることもできる。
【０１４７】
キャップ層１９は、スピンバルブ膜を保護する。キャップ層１９には、例えば、複数の金属層が用いられる。キャップ層１９には、例えば、Ｃｕ層とＲｕ層の２層構造（Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ））を用いることができる。キャップ層１９として、Ｒｕを第２磁性層１８側に配置したＲｕ／Ｃｕ層なども用いることができる。この場合、Ｒｕの厚さは、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下が好ましい。この構成のキャップ層１９は、第２磁性層１８としてＮｉＦｅを用いた場合に用いられる。Ｒｕは、Ｎｉと非固溶な関係にあるので、第２磁性層１８とキャップ層１９との間に形成される界面ミキシング層の磁歪を低減できる。
【０１４８】
キャップ層１９が、Ｃｕ／Ｒｕ及びＲｕ／Ｃｕのいずれの場合も、Ｃｕ層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、Ｒｕ層の厚さは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。Ｒｕは、比抵抗が高いため、あまり厚いＲｕ層を用いることは好ましくない。このような厚さの範囲を用いることが好ましい。
【０１４９】
キャップ層１９として、Ｃｕ層やＲｕ層の代わりに他の金属層を設けてもよい。キャップ層１９の構成は任意である。スピンバルブ膜を保護可能なものであれば、キャップ層１９として、他の材料を用いてもよい。キャップ層１９の材料によってＭＲ変化率や長期信頼性が変わる場合がある。これらの観点において、キャップ層１９として、ＣｕやＲｕを用いることが好ましい。
【０１５０】
図１３は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１３に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１４においては、酸化物層２１は、第１磁性層１４と非磁性層１６との間に設けられている。これ以外は、磁気抵抗効果素子１１１と同様なので説明を省略する。
【０１５１】
磁気抵抗効果素子１１４は、例えば、以下の構成を有する。  
下地層１２：Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８（７ｎｍ）
第１磁性層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４．４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ（１．５ｎｍ）
非磁性層１６：Ｃｕ（１．５ｎｍ）
第２磁性層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
キャップ層１９：Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）
上記において、第１磁性層１４の上部ピン層１４３（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さ、及び、第２磁性層１８（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さｔｍを４ｎｍとしたときにおいて、酸化物層２１の形成条件を変えた試料を作製した。酸化物層２１の形成においては、非磁性層１６の上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層をスパッタにより形成し、０．２４ｎｍの厚さのＺｎ層をスパッタにより形成し、その後、ＩＡＯを行い、その後Ａｒプラズマ処理を行った。ＩＡＯにおけるビーム電流Ｉｂは、６０ｍＡで一定とし、加速電圧Ｖｂを６０Ｖ〜１２０Ｖで変えた。Ａｒプラズマ処理におけるプラズマ電力Ｐｗを２０Ｗ〜１００Ｗで変えた。これらの試料に関して、酸化物層２１のウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄ、ＭＲ変化率、及び、面積抵抗ＲＡを評価した。評価結果を表４に示す。
【表４】
0005956793.tif 000005
【０１５２】
表４から分かるように、試料Ｅ４−１〜試料Ｅ４−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ４−１〜試料Ｅ４−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ４−１及びＣ４−２の値と実質的に同じである。
【０１５３】
図１４は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１４に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１５においては、非磁性層１６として、下部金属層１５と、上部金属層１７と、が設けられる。下部金属層１５は、第１磁性層１４と第２磁性層１８との間に配置される。上部金属層１７は、下部金属層１５と第２磁性層１８と間に配置される。酸化物層２１は、下部金属層１５と上部金属層１７との間に配置される。非磁性層１６は、下部金属層１５と上部金属層１７とを含むと見なすことができる。または、例えば、下部金属層１５及び上部金属層１７の一方を図１に例示した非磁性層１６と見なし、下部金属層１５及び上部金属層１７の他方を、別の非磁性層と見なしても良い。これ以外は、磁気抵抗効果素子１１１と同様なので説明を省略する。
【０１５４】
磁気抵抗効果素子１１５は、例えば、以下の構成を有する。  
下地層１２：Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８（７ｎｍ）
第１磁性層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４．４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
下部金属層１５：Ｃｕ（０．５ｎｍ）
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ（１．５ｎｍ）
上部金属層１７：Ｃｕ（０．５ｎｍ）
第２磁性層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
キャップ層１９：Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）
上記において、第１磁性層１４の上部ピン層１４３（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さ、及び、第２磁性層１８（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さｔｍを４ｎｍとしたときにおいて、酸化物層２１の形成条件を変えた試料を作製した。酸化物層２１の形成においては、下部金属層１５の上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層をスパッタにより形成し、０．２４ｎｍの厚さのＺｎ層をスパッタにより形成し、その後、ＩＡＯを行い、その後Ａｒプラズマ処理を行った。ＩＡＯにおけるビーム電流Ｉｂは、６０ｍＡで一定とし、加速電圧Ｖｂを６０Ｖ〜１２０Ｖで変えた。Ａｒプラズマ処理におけるプラズマ電力Ｐｗを２０Ｗ〜１００Ｗで変えた。これらの試料に関して、酸化物層２１のウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄ、ＭＲ変化率、及び、面積抵抗ＲＡを評価した。評価結果を表５に示す。
【表５】
0005956793.tif 000006
【０１５５】
表５から分かるように、試料５−１〜試料５−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料５−１〜試料５−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ５−１及びＣ５−２の値と実質的に同じである。
【０１５６】
図１５は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１５に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１６ａは、第１電極１１と、第２電極２０と、第１磁性層１４と、第２磁性層１８と、酸化物層２１と、を含む。
第１磁性層１４は、第１電極１１と第２電極２０との間に設けられ、第２磁性層１８は、第１磁性層１４と第２電極２０との間に設けられる。酸化物層２１は、第１磁性層１４と第２磁性層１８との間に設けられる。
【０１５７】
すなわち、磁気抵抗効果素子１１６ａにおいては、上記の磁気抵抗効果素子１１０において、非磁性層１６の代わりに、酸化物層２１が用いられる。この場合も酸化物層２１には、金属酸化物が用いられる。酸化物層２１は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含む。ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。磁気抵抗効果素子１１６ａにおいても、ＭＲ変化率が大きい磁気抵抗効果素子が提供できる。
【０１５８】
図１６は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１６に表したように、磁気抵抗効果素子１１６は、磁気抵抗効果素子１１６ａと同様の構成を有する。磁気抵抗効果素子１１６は、例えば、以下の構成を有する。  
下地層１２：Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８（７ｎｍ）
第１磁性層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４．４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ（１．５ｎｍ）
第２磁性層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
キャップ層１９：Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）
上記において、第１磁性層１４の上部ピン層１４３（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さ、及び、第２磁性層１８（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さｔｍを４ｎｍとしたときにおいて、酸化物層２１の形成条件を変えた試料を作製した。酸化物層２１の形成においては、第１磁性層１４の上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層をスパッタにより形成し、０．２４ｎｍの厚さのＺｎ層をスパッタにより形成し、その後、ＩＡＯを行い、その後Ａｒプラズマ処理を行った。ＩＡＯにおけるビーム電流Ｉｂは、６０ｍＡで一定とし、加速電圧Ｖｂを６０Ｖ〜１２０Ｖで変えた。Ａｒプラズマ処理におけるプラズマ電力Ｐｗを２０Ｗ〜１００Ｗで変えた。これらの試料に関して、酸化物層２１のウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄ、ＭＲ変化率、及び、面積抵抗ＲＡを評価した。評価結果を表６に示す。
【表６】
0005956793.tif 000007
【０１５９】
表６から分かるように、試料Ｅ６−１〜試料Ｅ６−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ６−１〜試料Ｅ６−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ６−１及びＣ６−２の値と実質的に同じである。
【０１６０】
図１７は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１７に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１７においては、酸化物層２１は、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に設けられる。非磁性層１６は、絶縁部材１６ｉと、導電部材１６ｃと、を含む。絶縁部材１６ｉには、貫通孔１６ｈが設けられている。導電部材１６ｃは、貫通孔１６ｈ内に埋め込まれている。第１磁性層１４と非磁性層１６との間に、下部金属層１５が設けられている。第２磁性層１８と非磁性層１６との間に、上部金属層１７が設けられている。上部金属層１７と第２磁性層１８との間に酸化物層２１が設けられている。これ以外は、磁気抵抗効果素子１１１と同様なので説明を省略する。
【０１６１】
非磁性層１６は、例えば、ＣＣＰ（Current-confined-path）−ＮＯＬ（nano-oxide layer）の構成を有する。ＣＣＰ−ＮＯＬにおいては、例えば、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子に含まれるスペーサ層として、厚み方向への電流パスを含む酸化物層（ＮＯＬ）を用いる。この素子においては、電流狭窄（ＣＣＰ：Current-confined-path）効果によりＭＲ変化率を増大する。このような素子は、例えば、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子と呼ばれる。
【０１６２】
磁気抵抗効果素子１１７は、例えば、以下の構成を有する。  
下地層１２：Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８（７ｎｍ）
第１磁性層１４：Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４．４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
下部金属層１５：Ｃｕ（０．２５ｎｍ）
非磁性層１６：Ａｌ２Ｏ３絶縁層中にＣｕメタルパスを形成した電流狭窄層（１．５ｎｍ）
上部金属層１７：Ｃｕ（０．２５ｎｍ）
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ（１．５ｎｍ）
第２磁性層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ）
キャップ層１９：Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）
上記において、第１磁性層１４の上部ピン層１４３（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さ、及び、第２磁性層１８（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さｔｍを４ｎｍとしたときにおいて、酸化物層２１の形成条件を変えた試料を作製した。酸化物層２１の形成においては、上部金属層１７の上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層をスパッタにより形成し、０．２４ｎｍの厚さのＺｎ層をスパッタにより形成し、その後、ＩＡＯを行い、その後Ａｒプラズマ処理を行った。ＩＡＯにおけるビーム電流Ｉｂは、６０ｍＡで一定とし、加速電圧Ｖｂを６０Ｖ〜１２０Ｖで変えた。Ａｒプラズマ処理におけるプラズマ電力Ｐｗを２０Ｗ〜１００Ｗで変えた。これらの試料に関して、酸化物層２１のウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄ、ＭＲ変化率、及び、面積抵抗ＲＡを評価した。評価結果を表７に示す。
【表７】
0005956793.tif 000008
【０１６３】
表７から分かるように、試料Ｅ７−１〜試料Ｅ７−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ７−１〜試料Ｅ７−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．３３〜０．４であり、試料Ｃ７−１及びＣ７−２の値と実質的に同じである。
【０１６４】
以下、図２に例示した磁気抵抗効果素子１１１の構成において、酸化物層２１の形成条件を変えた試料について説明する。以下の試料において、第１磁性層１４の上部ピン層１４３（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さ、及び、第２磁性層１８（Ｆｅ５０Ｃｏ５０）の厚さｔｍは４ｎｍである。そして、酸化物層２１となる層を形成した後に、ＩＡＯを行い、その後Ａｒプラズマ処理を行った。ＩＡＯにおけるビーム電流Ｉｂは、６０ｍＡで一定とし、加速電圧Ｖｂを６０Ｖ〜１２０Ｖで変えた。Ａｒプラズマ処理におけるプラズマ電力Ｐｗを２０Ｗ〜１００Ｗで変えた。
【０１６５】
表８に示した試料においては、酸化物層２１の形成において、非磁性層１６上に、１．２ｎｍの厚さのＦｅ層をスパッタにより形成した。この例では、酸化物層２１として、Ｆｅ−Ｏ層が用いられる。
【表８】
0005956793.tif 000009
【０１６６】
表８から分かるように、試料Ｅ８−１〜試料Ｅ８−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ８−１〜試料Ｅ８−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ８−１及びＣ８−２の値と実質的に同じである。
【０１６７】
表９に示した試料においては、酸化物層２１の形成において、非磁性層１６上に、１ｎｍの厚さのＦｅ５０Ｃｏ５０層をスパッタにより形成し、さらに、０．２５ｎｍの厚さのＺｎ層を形成した。
【表９】
0005956793.tif 000010
【０１６８】
表９から分かるように、試料Ｅ９−１〜試料Ｅ９−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ９−１〜試料Ｅ９−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ９−１及びＣ９−２の値と実質的に同じである。
【０１６９】
表１０に示した試料においては、酸化物層２１の形成において、非磁性層１６上に、１．２ｎｍの厚さのＦｅ５０Ｃｏ５０層をスパッタにより形成した。
【表１０】
0005956793.tif 000011
【０１７０】
表１０から分かるように、試料Ｅ１０−１〜試料Ｅ１０−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ１０−１〜試料Ｅ１０−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ１０−１及びＣ１０−２の値と実質的に同じである。
【０１７１】
表１１に示した試料においては、酸化物層２１の形成において、非磁性層１６上に、１．２ｎｍの厚さのＦｅ８０Ｎｉ２０層をスパッタにより形成した。
【表１１】
0005956793.tif 000012
【０１７２】
表１１から分かるように、試料Ｅ１１−１〜試料Ｅ１１−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ１１−１〜試料Ｅ１１−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ１１−１及びＣ１１−２の値と実質的に同じである。
【０１７３】
このように、酸化物層２１の被酸化母材料として、Ｆｅに加え、ニッケル（Ｎｉ）をさらに含ませた場合においても、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）配向面の面間隔を０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下とすることで、高いＭＲ変化率を得ることができる。ここで、ニッケルの添加元素の添加量は、被酸化母材のＦｅを含む金属合金において、０．５ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下とすることができる。被酸化母材の添加元素の添加量が多すぎる場合、相対的にＦｅの含有量が少なくなるため、良好なウスタイト構造を得る観点では０．５ａｔ．％以上５０ａｔ．％以下とすることがさらに好ましい。
【０１７４】
また、酸化物層２１の被酸化母材料として、Ｆｅに加え、コバルト（Ｃｏ）をさらに含ませた場合においても、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）配向面の面間隔を０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下とすることで、高いＭＲ変化率を得ることができる。ここで、コバルトの添加元素の添加量は、被酸化母材のＦｅを含む金属合金において、０．５ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下とすることができる。被酸化母材の添加元素の添加量が多すぎる場合、相対的にＦｅの含有量が少なくなるため、良好なウスタイト構造を得る観点では０．５ａｔ．％以上５０ａｔ．％以下とすることがさらに好ましい。
【０１７５】
表１２に示した試料においては、酸化物層２１の形成において、非磁性層１６上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層を形成し、その上に、０．２４ｎｍのＳｎ層をスパッタにより形成した。
【表１２】
0005956793.tif 000013
【０１７６】
表１２から分かるように、試料Ｅ１２−１〜試料Ｅ１２−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ１２−１〜試料Ｅ１２−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ１２−１及びＣ１２−２の値と実質的に同じである。
【０１７７】
このように、酸化物層２１の被酸化母材料として、Ｆｅに加え、スズ（Ｓｎ）をさらに含ませた場合においても、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）配向面の面間隔を０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下とすることで、高いＭＲ変化率を得ることができる。ここで、スズの添加元素の添加量は、被酸化母材のＦｅを含む金属合金において、０．５ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下とすることができる。被酸化母材の添加元素の添加量が多すぎる場合、相対的にＦｅの含有量が少なくなるため、良好なウスタイト構造を得る観点では０．５ａｔ．％以上５０ａｔ．％以下とすることがさらに好ましい。
【０１７８】
表１３に示した試料においては、酸化物層２１の形成において、非磁性層１６上に、１ｎｍの厚さのＦｅ層を形成し、その上に、０．２４ｎｍのＩｎ層をスパッタにより形成した。
【表１３】
0005956793.tif 000014
【０１７９】
表１３から分かるように、試料Ｅ１３−１〜試料Ｅ１３−１２において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ１３−１〜試料Ｅ１３−１２の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ１３−１及びＣ１３−２の値と実質的に同じである。
【０１８０】
このように、酸化物層２１の被酸化母材料として、Ｆｅに加え、インジウム（Ｉｎ）をさらに含ませた場合においても、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）配向面の面間隔を０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下とすることで、高いＭＲ変化率を得ることができる。ここで、インジウムの添加元素の添加量は、被酸化母材のＦｅを含む金属合金において、０．５ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下とすることができる。被酸化母材の添加元素の添加量が多すぎる場合、相対的にＦｅの含有量が少なくなるため、良好なウスタイト構造を得る観点では０．５ａｔ．％以上５０ａｔ．％以下とすることがさらに好ましい。
【０１８１】
表１４に示した試料においては、酸化物層２１の形成において、非磁性層１６上に、Ｆｅ９０Ｃｄ１０層、または、Ｆｅ９０Ｃｕ１０層、または、Ｆｅ９０Ｔｉ１０層、または、Ｆｅ９０Ｖ１０層、または、Ｆｅ９０Ｃｒ１０層、または、Ｆｅ９０Ｍｎ１０層、または、Ｆｅ９０Ａｌ１０層、または、Ｆｅ９０Ｓｉ１０層、または、Ｆｅ９０Ｍｇ１０層、または、Ｆｅ９０Ｐｔ１０層、または、Ｆｅ９０Ｐｄ１０層、または、Ｆｅ９０Ａｇ１０層、または、Ｆｅ９０Ｚｒ１０層、または、Ｆｅ９０Ｈｆ１０層、または、Ｆｅ９０Ｔａ１０層を形成した。これらの層の厚さは、１．２ｎｍである。この実験では、ＩＡＯにおけるビーム電流Ｉｂは６０ｍＡで一定とし、加速電圧Ｖｂも６０Ｖで一定とした。プラズマ電力Ｐｗを２０Ｗと４０Ｗとで変えた。
【表１４】
0005956793.tif 000015
【０１８２】
表１４から分かるように、試料Ｅ１４−１〜試料Ｅ１４−１５において、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。これらの試料において、大きなＭＲ変化率が得られる。試料Ｅ１４−１〜試料Ｅ１４−１７の面積抵抗ＲＡは、約０．２であり、試料Ｃ１４−１〜試料Ｃ１４−１７の値と実質的に同じである。
【０１８３】
このように、酸化物層２１の被酸化母材料として、Ｆｅに加え、銅、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、白金、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウム及びタンタルの少なくともいずれかをさらに含ませた場合においても、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）配向面の面間隔を０．２５３ｎｍ以上とすることで、高いＭＲ変化率を得ることができる。また、上述した添加元素を加えることで高い耐熱性を有する酸化物２１を形成することができる。ここで、銅、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、白金、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウム及びタンタルの添加元素の添加量は、被酸化母材のＦｅを含む金属合金において、０．５ａｔ．％以上５０ａｔ．％以下とすることができる。被酸化母材の添加元素の添加量が多すぎる場合、相対的にＦｅの含有量が少なくなるため、良好なウスタイト構造を得る観点で好ましくない。
【０１８４】
図１８は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１８に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１８においては、第２電極２０の上に、下地層１２、第２磁性層１８、非磁性層１６、第１磁性層１４及びピニング層１３及びキャップ層１９がこの順で設けられる。酸化物層２１は、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に設けられる。これ以外は、磁気抵抗効果素子１１１と同様なので説明を省略する。
【０１８５】
磁気抵抗効果素子１１８は、例えば、トップスピンバルブ型の構造の磁気抵抗効果素子である。このようなトップスピンバルブ構造を用いた場合でも、酸化物層２１を設けることにより、高いスピン依存界面散乱を発現し、ＭＲ変化率を大きく向上することができる。これにより、高集積化が可能な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１８６】
図１９は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１９に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１９においては、第１磁性層１４の磁化方向及び第２磁性層１８の磁化方向が可変である。この例では、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に酸化物層２１が配置されている。
【０１８７】
磁気抵抗効果素子１１９においては、ピン層が設けられず、２つのフリー層が設けられる。磁気抵抗効果素子１１９においては、例えば、磁気記録媒体からの磁界が加わっていない状態において、第１磁性層１４の磁化方向と、第２磁性層１８の磁化方向と、の間の角度が、例えば実質的に９０°である。磁気記録媒体からの磁界によって、２層のフリー層の相対角度が変化する。これにより、磁気抵抗効果素子１１９は、例えば再生ヘッドとして用いることができる。このような９０°の磁化アライメントは、スペーサ層を介した磁気結合とハードバイアスなどの組み合わせなどで得ることができる。
【０１８８】
磁気抵抗効果素子１１９においても酸化物層２１を設けることにより、高いスピン依存界面散乱を発現し、ＭＲ変化率を大きく向上することができる。これにより、高集積化が可能な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１８９】
図２０は、第１の実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２０に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１２０においては、第１電極１１と第２電極２０との間に、上記で説明した積層体１０ｓが設けられ、さらに別の積層体１０ｒが設けられている。この例では、積層体１０ｒは、積層体１０ｓと第２電極２０との間に配置されている。さらに、積層体１０ｓと積層体１０ｒとの間に中間層５１が設けられる。
【０１９０】
積層体１０ｒは、第２磁性層１８ｂ（例えばフリー層）と、第１磁性層１４ｂ（例えばピン層）と、非磁性層１６ｂと、酸化物層２１ｂと、を含む。第２磁性層１８ｂと第２電極２０との間に、第１磁性層１４ｂが配置される。第２磁性層１８ｂと第１磁性層１４ｂとの間に、非磁性層１６ｂが配置される。この例では、第２磁性層１８ｂと、非磁性層１６ｂとの間に、酸化物層２１ｂが配置される。積層体１０ｒは、第１磁性層１４ｂと第２電極２０との間に設けられたピニング層１３ｂをさらに含むことができる。ピニング層１３ｂと第２電極２０との間にキャップ層１９を設けても良い。
【０１９１】
例えば、第１磁性層１４ｂは、非磁性層１６ｂの上に設けられた下部ピン層１４５ｂ、その上に設けられた反平行磁気結合層１４４ｂ、その上に設けられた中央部ピン層１４３ｂ、その上に設けられた反平行磁気結合層１４２ｂ、及び、その上に設けられた上部ピン層１４１ｂを含むことができる。第１磁性層１４ｂは、例えば、ピン層である。
【０１９２】
酸化物層２１ｂは、例えば、金属酸化物である。酸化物層２１ｂは、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含み、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔は、例えば、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。このように、磁気抵抗効果素子１２０において、複数の積層体を設けても良い。
【０１９３】
磁気抵抗効果素子１２０は、非磁性層に接したピン層の磁化方向が逆に固定された２つの磁気抵抗効果素子が直列に接続された、差動型の構造を有している。磁気抵抗効果素子１２０では、接続された２つの磁気抵抗効果素子の抵抗変化が、外部磁界に対して逆極性で振る舞う。そのため、垂直磁気記録媒体において媒体磁化の向きが上向きと下向きが隣り合う、磁化遷移領域において出力が得られる。すなわち、差動型の媒体磁界検出を行うことができる。
【０１９４】
中間層５１には、例えば５ｎｍの厚さの銅膜を用いることができる。中間層５１として、銅、金、銀、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウム及びタンタルなどの非磁性金属を用いてもよい。中間層５１として、コバルト、鉄及びニッケルからなる群より選択された強磁性金属の層と、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、レニウム及びロジウムからなる群より選択された金属の層と、これらの層の間に設けられた、反強磁性結合を生ずる金属の層と、を含む積層体を用いても良い。その場合、第２磁性層１８の磁化は、第２磁性層１８ｂの磁化と、反平行結合させることができる。
【０１９５】
磁気抵抗効果素子１２０においても、酸化物層２１（及び酸化物層２１ｂ）を設けることにより、高いスピン依存界面散乱を発現し、ＭＲ変化率を大きく向上することができる。これにより、高集積化が可能な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０１９６】
（第２の実施形態）  
図２１は、第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２１に表したように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１３０は、非磁性層１６と、第１電極１１と、第１磁性層１４と、第２電極２０と、第２磁性層１８と、酸化物層２１と、を含む。
【０１９７】
非磁性層１６は、第１部分ｐ１と、第２部分ｐ２と、を有する。第２部分ｐ２は、第１部分ｐ１と離間している。
【０１９８】
第１電極１１は、第１部分ｐ１と積層される。第１磁性層１４は、第１部分ｐ１と第１電極１１との間に設けられる。第２電極２０は、第２部分ｐ２と積層される。第２磁性層１８は、第２部分ｐ２と第２電極２０との間に設けられる。
【０１９９】
酸化物層２１は、第１電極１１と第１部分ｐ１との間、及び、第２電極２０と第２部分ｐ２との間の少なくともいずれかに設けられる。この例では、酸化物層２１として酸化物層２１ａ及び酸化物層２１ｂが設けられている。酸化物層２１ａは、第１電極１１と第１部分ｐ１との間に設けられている。酸化物層２１ｂは、第２電極２０と第２部分ｐ２との間に設けられている。酸化物層２１には、金属酸化物が用いられる。酸化物層２１（酸化物層２１ａ及び酸化物層２１ｂの少なくともいずれか）は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含む。このウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔ｄは、０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下である。
【０２００】
この例では、第１磁性層１４と第１電極１１との間に、キャップ層１９ａが設けられ、第２磁性層１８と第２電極２０との間に、キャップ層１９ｂが設けられている。非磁性層１６は、第３部分ｐ３と第４部分ｐ４とをさらに有する。第３部分ｐ３と第４部分ｐ４との間に第１部分ｐ１及び第２部分ｐ２が配置される。第３部分ｐ３と第２部分ｐ２との間に第１部分ｐ１が配置される。第４部分ｐ４と第１部分ｐ１との間に第２部分ｐ２が配置される。この例では、第３部分ｐ２に電気的に接続された第１電極層２５ａと、第４部分ｐ４に電気的に接続された第２電極層２５ｂと、が設けられている。
【０２０１】
磁気抵抗効果素子１３０おいて、第１磁性層１４は、例えば、磁化方向が固定されたピン層である。第２磁性層１８は、例えば、磁化方向が変化するフリー層である。非磁性層１６は、例えば帯状である。
【０２０２】
非磁性層１６と第１電極１１とにおける上下関係は任意である。非磁性層１６と第２電極２０とにおける上下関係は任意である。第１電極１１が非磁性層１６の上に設けられ、第２電極２０が、非磁性層１６の下に設けられても良い。また、その逆でも良い。
【０２０３】
磁気抵抗効果素子１３０は、例えば、スピン蓄積型の磁気抵抗効果素子である。電流の流れる経路は、電圧を測定する経路と異なっている。例えば、第１電極１１と第１電極層２５ａとの間に電流を流したときに、第２電極２０と第２電極層２５ｂとの間に発生する電圧を出力として読み取る。
【０２０４】
第１電極１１と第１電極層２５ａとの間に電流を流した際に、第１磁性層１４中でスピン流が発生する。第１電極１１から第１磁性層１４を通過した電子は、非磁性層１６を経路として第１電極層２５ａに流れる。この際、電子は第２磁性層１８が形成されている第２部分ｐ２には流入しない。このため、第１磁性層１４が形成された第１部分ｐ１と、第２磁性層が形成された第２部分ｐ２と間の非磁性層１６では、電流はゼロである。このとき、第１磁性層１４と非磁性層１６との界面付近にスピン蓄積を生ずる。スピンが蓄積された領域からスピンが拡散してスピン流が発生し、このスピン流は、第２部分ｐ２において第２磁性層１８により吸収される。このとき、第２磁性層１８の磁化と第１磁性層１４の磁化の相対角度によって第２磁性層１８の電位が変動し、非磁性層１６と第２磁性層１８との間に電圧変化が発生する。この電圧変化が出力として検出される。これにより、スピン蓄積型の磁気抵抗効果素子が動作する。
【０２０５】
なお、例えば、第２電極２０と第２電極層２５ｂとの間に電流を流し、第１電極１１と第１電極層２５ａとの間に発生する電圧を出力として読み取っても良い。
【０２０６】
非磁性層１６には、例えば、３０ｎｍの厚さの銅層を用いることができる。非磁性層１６として、その他、金、銀、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、レニウム、ロジウム、タンタルなどの非磁性金属を用いてもよい。銅、銀及び金は、スピン拡散長が比較的長いため、特に好ましい。
【０２０７】
第１磁性層１４が積層される第１部分ｐ１と、第２磁性層１８が積層される第２部分ｐ２との距離が短いと、高い出力が得られる。第１磁性層１４が積層される第１部分ｐ１と、第２磁性層１８が積層される第２部分ｐ２との距離は、１０００ｎｍ以下が好ましい。２００ｎｍ以下がさらに好ましい。
【０２０８】
このようなスピン蓄積型の磁気抵抗効果素子においても、酸化物層２１を用いることで、検出される出力を増大することができる。
【０２０９】
本実施形態において、酸化物層２１は、第１電極１１と第１部分ｐ１との間、及び、第２電極２０と第２部分ｐ２との間の少なくともいずれかに設けられる。例えば、酸化物層２１は、第１部分ｐ１と第１磁性層１４との間に設けられる。例えば、酸化物層２１は、第１磁性層１４と第１電極１１との間に設けられる。例えば、酸化物層２１は、第２部分ｐ２と第２磁性層１８との間に設けられる。例えば、酸化物層２１は、第２磁性層１８と第２電極２０との間に設けられる。酸化物層２１には、第１の実施形態で説明した任意の構成及び任意の形成方法を適用できる。  
本実施形態によれば、ＭＲ変化率が大きい磁気抵抗効果素子が提供できる。これにより、高集積化が可能な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０２１０】
（第３の実施形態）  
本実施形態は、磁気抵抗効果素子の製造方法に係る。  
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、例えば、第１電極１１を形成する処理と、第１電極１１の上に第１磁性層１４を形成する処理と、第１磁性層１４の上に非磁性層１６を形成する処理と、非磁性層１６の上に第２磁性層１８を形成する処理と、第２磁性層１８の上に第２電極２０を形成する処理と、第１電極１１と第２電極２０との間に金属酸化物の酸化物層２１を形成する処理と、を含む。酸化物層２１を形成する処理は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含み、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔が０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下の酸化物層２１を形成することを含む。なお、この製造方法において、酸化物層２１は、第１電極１１と第２電極２０との間の任意の位置に形成することができる。
【０２１１】
以下、磁気抵抗効果素子１１１を製造する方法の例について説明する。  
図２２は、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示するフローチャート図である。  
本製造方法において、各層の形成方法には、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、及びＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いることができる。
【０２１２】
図２２に表したように、本製造方法は、下地層１２を形成する処理（ステップＳ１１）と、ピニング層１３を形成する処理（ステップＳ１２）、第１磁性層１４を形成する処理（ステップＳ１３）と、非磁性層１６を形成する処理（ステップＳ１４）と、酸化物層２１を形成する処理（ステップＳ１５）と、第２磁性層１８を形成する処理（ステップＳ１６）と、キャップ層１９を形成する処理（ステップＳ１７）と、アニール処理（ステップＳ１８）と、を含むことができる。
【０２１３】
ステップＳ１１では、微細加工プロセスによって第１電極１１が形成された基板（図示せず）を用いる。第１電極１１上に、下地層１２として、例えば、Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）を形成する。Ｔａ層は、第１電極１１の表面の凹凸などを緩和等するためのバッファ層に相当する。Ｒｕ層は、その上に形成されるスピンバルブ膜の結晶配向及び結晶粒径を制御するシード層に相当する。
【０２１４】
ステップＳ１２において、ピニング層１３には、例えば、反強磁性材料を用いる。ピニング層１３には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ及びＲｕＲｈＭｎの少なくともいずれか用いる。
【０２１５】
ステップＳ１３では、第１磁性層１４となる、例えば、下部ピン層１４１（Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４．４ｎｍ））、磁気結合層１４２（Ｒｕ）、及び、上部ピン層１４３（Ｆｅ５０Ｃｏ５０（４ｎｍ））を順次積層する。第１磁性層１４は、例えば、シンセティックピン層である。
【０２１６】
ステップＳ１４では、非磁性層１６となる金属層を形成する。金属層は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びＺｎのいずれかである。非磁性層１６として、例えば、ＣＣＰ−ＮＯＬを形成しても良い。
【０２１７】
ステップＳ１５は、例えば、酸化物層２１となる金属層を形成する処理と、その金属層を酸化する処理と、を含む。  
金属層を形成する処理では、例えば、非磁性層１６の上に、ＦｅとＺｎとを含む金属層を成膜する。ＦｅとＺｎとを含む金属層は、例えば、Ｆｅ／ＺｎまたはＺｎ／Ｆｅまたは（Ｆｅ／Ｚｎ）×２のようなＦｅ層とＺｎ層の積層体でも良い。ＦｅとＺｎとを含む金属層は、例えば、Ｚｎ５０Ｆｅ５０のような合金の単層でも良い。
【０２１８】
酸化物層２１となる金属層は、Ｆｅの他に、Ｚｎを含むことができる。酸化物層２１となる金属層は、Ｆｅの他に、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含むことができる。酸化物層２１となる金属層は、Ｆｅの他に、Ｓｎ、Ｉｎ及びＣｄの少なくともいずれかを含むことができる。酸化物層２１となる金属層は、Ｆｅの他に、銅、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ガリウム、ゲルマニウム、白金、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウム及びタンタルの少なくともいずれかをさらに含むことができる。
【０２１９】
金属層を酸化する処理では、例えば、イオンアシスト酸化（ＩＡＯ）を行う。ＩＡＯでは、例えば、希ガスなどのイオンビームまたはプラズマを金属層に照射しながら、酸素を供給する。イオンアシスト酸化において、酸素ガスをイオン化またはプラズマ化してもよい。イオンビームの照射による金属層へのエネルギーアシストにより、安定で均一な酸化物層２１を形成することができる。また、１層の酸化物層２１を形成するに当たり、金属層の形成と、酸化処理と、を数回繰り返して行ってもよい。この場合、所定の厚さの酸化物層２１を一度の成膜及び酸化処理で作製するのではなく、所定の厚さを分割して薄い厚さの金属材料層に酸化処理を行うほうが好ましい。
【０２２０】
また、ＺｎとＦｅを含む金属層を酸素雰囲気に晒す自然酸化を用いてもよい。ただし、安定な酸化物を形成するためには、エネルギーアシストを用いた酸化方法のほうが好ましい。
【０２２１】
Ｚｎ層とＦｅ層との積層体を用いて酸化物層２１を形成する場合は、均一に混合されたＺｎとＦｅとの酸化物層２１を形成するために、イオンビームの照射を行いながら酸化することが好ましい。
【０２２２】
希ガスなどのイオンビームまたはプラズマを用いる場合、希ガスとしては、例えば、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオン及びクリプトンからなる群より選択される少なくとも１つを含むガスを使用することができる。
【０２２３】
なお、エネルギーアシストの方法として、イオンビームの照射以外に、加熱処理などを行ってもよい。この場合、例えば、金属層の成膜後に、金属層を１００℃以上３００℃以下の温度で加熱しながら、酸素を供給してもよい。
【０２２４】
以下、酸化物層２１を形成するための酸化処理において、イオンビームアシスト酸化処理を用いるビーム条件の例について説明する。酸化処理により、酸化物層２１を形成する際に、前述した希ガスをイオン化またはプラズマ化して照射する場合、その加速電圧Ｖｂを３０Ｖ以上１３０Ｖ以下とし、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ以上２００ｍＡ以下に設定することが好ましい。これらの条件は、イオンビームエッチングを行う場合の条件と比較すると著しく弱い条件である。イオンビームの換わりにＲＦプラズマなどのプラズマを用いても、酸化物層２１を形成することができる。
【０２２５】
イオンビームの入射角度は、膜面に対して垂直に入射する場合を０°とし、膜面に平行に入射する場合を９０°としたとき、０°以上８０°以下の範囲において適宜変更することができる。この工程による処理時間は、１５秒以上１２００秒以下が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長すぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が劣るため好ましくない。これらの観点から、処理時間は３０秒以上６００秒以下が好ましい。
【０２２６】
イオンまたはプラズマを用いた酸化処理の場合、酸素暴露量は、ＩＡＯの場合には１×１０３Ｌ（Langmuir、１Ｌ＝１×１０−６Torr×sec）以上、１×１０４Ｌ以下が好ましい。自然酸化の場合には、３×１０３Ｌ以上、３×１０４Ｌ以下が好ましい。
【０２２７】
上述した酸化処理の後に、還元性ガスを用いた還元処理を行ってもよい。  
還元性ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれかのイオン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれかのプラズマ、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれかのラジカル、水素及び窒素の少なくともいずれかの分子、水素及び窒素の少なくともいずれかのイオン、水素及び窒素の少なくともいずれかのプラズマ、並びに、水素及び窒素の少なくともいずれかのラジカル、の少なくとも何れかを含むガスを用いることができる。特に還元性ガスとして、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン及びキセノンの少なくともいずれかのプラズマ、水素及び窒素の少なくともいずれかのイオン、並びに、水素及び窒素の少なくともいずれかのプラズマ、の少なくとも何れかを含むガスを用いることが好ましい。還元性ガスとして、アルゴンのイオン及びアルゴンのプラズマの少なくともいずれかを含むガスを用いることが好ましい。
【０２２８】
還元処理によって、酸化処理後の母材料の膜の酸素濃度を調整することができる。これにより、酸化物層２１の構造を、スピン依存散乱（スピンフィルタリング効果）を強く発現できる酸素濃度を有する構造に調整することができる。還元処理は、酸化処理後の母材料の膜を加熱しながら行うことができる。例えば、１００℃以上３００℃以下に加熱した母材料に対して還元処理を行うことができる。加熱することで、より効率的に還元処理を行うことができる。
【０２２９】
還元処理後の膜に対して、さらにアルゴンイオンの照射、アルゴンプラズマの照射及び加熱の少なくともいずれかの水分除去処理を施すことができる。これによって、還元処理の際に生成する水分を除去することができる。
【０２３０】
酸化物層２１の作製において、上記の工程を終えた後、酸化処理と還元処理とを再度繰り返すことができる。生成した水の除去と還元処理とを交互に繰り返すことで、より効率的に膜を還元することができる。
【０２３１】
このような還元処理について、Ａｒイオンビーム照射を行った場合のビーム条件の例を以下に説明する。還元処理により、酸化物層２１を形成する際に前述した希ガスをイオン化またはプラズマ化して照射する場合、その加速電圧Ｖｂを３０Ｖ以上１３０Ｖ以下、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ以上２００ｍＡ以下に設定することが好ましい。これらの条件は、イオンビームエッチングを行う場合の条件と比較すると、著しく弱い条件である。
【０２３２】
イオンビームの代わり、ＲＦプラズマなどのプラズマを用いても、酸化物層２１を形成することができる。イオンビームの入射角度は、膜面に対して垂直に入射する場合を０°とし、膜面に平行に入射する場合を９０°としたとき、０°以上８０°以下の範囲で適宜変更することができる。この工程による処理時間は、１５秒以上１２００秒以下が好ましく、制御性などの観点から３０秒以上がより好ましい。処理時間が長すぎると、磁気抵抗効果素子の生産性が劣るため好ましくない。これらの観点から、処理時間は、３０秒以上６００秒以下が好ましい。
【０２３３】
上記では、ステップＳ１５（酸化物層２１の形成の処理）が、酸化物層２１となる金属層を形成する処理と、その金属層を酸化する処理と、を含む場合について説明したが、ステップＳ１５において、酸化物ターゲットを用いたスパッタにより酸化物層２１を形成しても良い。例えば、ＮａＣｌ構造（ウスタイト構造）を有する(Ｚｎ１５Ｆｅ８５)０．９５Ｏ１の酸化物ターゲット、または、スピネル構造を有する(Ｚｎ１５Ｆｅ８５)３Ｏ４の酸化物ターゲットなどを用いて、酸化物層２１をスパッタにより形成しても良い。
【０２３４】
酸化物ターゲットを用いてスパッタで成膜した後に、追加酸化処理を行っても良い。また、その後で還元処理を行っても良い。このような追加処理を行うことで、酸化物層２１における酸素濃度を、高いスピン依存散乱効果を発揮するＦｅ―Ｚｎ混合酸化物の酸素濃度に調整することができる。
【０２３５】
非磁性層１６としてＣＣＰ−ＮＯＬを用いる場合、ステップＳ１５の酸化物層２１の形成のための処理の少なくとも一部は、ＣＣＰ−ＮＯＬを形成するための処理の少なくとも一部と同時に実施しても良い。
【０２３６】
ステップＳ１６では、酸化物層２１の上に、第２磁性層１８となる、例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（１ｎｍ）／Ｎｉ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）を形成する。
【０２３７】
ステップＳ１７では、第２磁性層１８上に、キャップ層１９となる、例えば、Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）を形成する。
【０２３８】
ステップＳ１８では、アニール処理を行う。その後、キャップ層１９上に第２電極２０を形成する。
【０２３９】
本実施形態によれば、ＭＲ変化率が大きい磁気抵抗効果素子を提供できる。これにより、高集積化が可能な磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０２４０】
本実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の製造方法は、例えば、第１電極１１を形成する工程と、第１電極１１の上に第１磁性層１４を形成する工程と、第１磁性層１４の上に酸化物層２１を形成する工程と、酸化物層２１の上に第２磁性層１８を形成する工程と、第２磁性層１８の上に第２電極２０を形成する工程と、を含む。酸化物層２１を形成する工程は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含み、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔が０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下の酸化物層２１を形成することを含む。
【０２４１】
本実施形態に係る別の磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１部分ｐ１と、第１部分ｐ１と離間した第２部分ｐ２と、を有する非磁性層１６を形成する工程と、第１部分ｐ１と積層された第１電極１１を形成する工程と、第１部分ｐ１と第１電極１１との間に設けられる第１磁性層１４を形成する工程と、第２部分ｐ２と積層された第２電極２０を形成する工程と、第２部分ｐ２と第２電極２０との間に設けられる第２磁性層１８を形成する工程と、第１電極１１と第１部分ｐ１との間、及び、第２電極２０と第２部分ｐ２との間の少なくともいずれかに金属酸化物の酸化物層２１を形成する工程と、を含む。酸化物層２１を形成する工程は、鉄を含むウスタイト構造の（１１１）面配向のウスタイト結晶粒２１ｓを含み、ウスタイト結晶粒２１ｓの（１１１）面の面間隔が０．２５３ｎｍ以上０．２７５ｎｍ以下の酸化物層２１を形成することを含む。本製造方法において、技術的に可能な範囲で、各工程の順序は入れ替えることができ、また、複数の工程を同時に実施することができる。例えば、第１電極１１の形成の少なくとも一部を、第２電極２０の形成の少なくとも一部と同時に実施しても良い。  
これらの製造方法において、酸化物層２１の形成方法には、上記の任意の方法が適用できる。
【０２４２】
（第４の実施形態）  
本実施形態は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドに係る。本実施形態においては、第１の実施形態に係る任意の磁気抵抗効果素子を用いることができる。以下では、例として、磁気抵抗効果素子１１０を用いる場合について説明する。
【０２４３】
図２３及び図２４は、第４の実施形態に係る磁気ヘッドの構成を例示する模式的断面図である。  
図２３は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子１１０を切断した断面図である。  
図２４は、磁気抵抗効果素子１１０を媒体対向面ＡＢＳに対して垂直な方向に切断した断面図である。  
これらの図では、磁気抵抗効果素子１１０に含まれる第１電極１１及び第２電極２０が図示され、その他の構成は、省略されている。
【０２４４】
図２３及び図２４に表したように、本実施形態に係る磁気ヘッド２１０は、磁気抵抗効果素子１１０を含む。磁気ヘッド２１０は、例えば、ハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。磁気抵抗効果素子１１０の両側面には、バイアス磁界印加膜４１と絶縁膜４２とが積層して設けられている。  
図２４に表したように、磁気ヘッド２１０の媒体対向面ＡＢＳには保護層４３が設けられている。
【０２４５】
磁気抵抗効果素子１１０に対するセンス電流は、第１電極１１及び第２電極２０によって矢印Ａで示したように、磁気抵抗効果素子１１０の膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。磁気抵抗効果素子１１０の左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜４１により、磁気抵抗効果素子１１０にはバイアス磁界が印加される。バイアス磁界により、磁気抵抗効果素子１１０の第２磁性層１８の磁気異方性を制御して単磁区化する。これにより、磁区構造が安定化し、磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制することができる。
【０２４６】
磁気抵抗効果素子１１０のＭＲ変化率が向上しているので、磁気ヘッド２１０に応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。ＭＲ変化率の高い磁気ヘッドを提供することができる。
【０２４７】
（第５の実施の形態）
第５の実施形態は、磁気記録再生装置に係る。磁気記録再生装置には、第１の実施形態に係る任意の磁気抵抗効果素子が搭載される。本磁気記録再生装置には、第１の実施形態に係る任意の磁気抵抗効果素子を用いた磁気抵抗効果素子ヘッドが用いられる。以下、磁気ヘッドに磁気抵抗効果素子１１１が搭載される例として説明する。  
図２５は、第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２５は、磁気抵抗効果素子が搭載される磁気ヘッドの構成を例示している。  
図２５に表したように、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１０が搭載される磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０に対向して設けられる。磁気記録媒体８０は、磁気記録層８１と、裏打ち層８２と、を有する。磁気記録層８１は、磁気ヘッド５に対向する。
【０２４８】
磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０に対向する書き込みヘッド部６０と、書き込みヘッド部６０と併設され、磁気記録媒体８０に対向する再生ヘッド部７０とを有する。  
ただし、磁気ヘッド５には、再生ヘッド部７０が設けられれば良く、書き込みヘッド部６０は省略可能であり、書き込みヘッド部６０は必要に応じて設けられる。以下では、実施形態に係る磁気記録再生装置として、磁気ヘッド５が書き込みヘッド部６０を有する場合について説明する。
【０２４９】
再生ヘッド部７０は、第１磁気シールド層７２ａと、第２磁気シールド層７２ｂと、第１磁気シールド層７２ａと第２磁気シールド層７２ｂとの間に設けられた磁気再生素子７１と、を有する。磁気再生素子７１として、実施形態に係る、例えば、磁気抵抗効果素子１１０が用いられる。
【０２５０】
磁気再生素子７１は、磁気記録層８１の磁化の方向を読み取り、磁気記録媒体８０に記録された記録情報を読み取る。
【０２５１】
磁気記録層８１の磁気ヘッド５に対向する面に対して垂直な方向をＺ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。なお、後述するように、磁気記録媒体８０は、例えば円板状とすることができ、磁気記録媒体８０の円周に沿って、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５との相対的な位置が変化される。上記のＸ−Ｙ−Ｚ座標系は、磁気ヘッド５の近傍の短い距離の範囲において定義されることができる。
【０２５２】
例えば、磁気記録媒体８０は、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿って、磁気ヘッド５に対して相対的に移動する。磁気ヘッド５により、磁気記録媒体８０の磁気記録層８１の各位置の磁化が制御され、磁気記録が行われる。磁気記録媒体８０の媒体移動方向は、例えばＹ軸方向とされる。なお、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５との相対的な移動は、磁気ヘッド５の移動によって行われても良く、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とがＺ軸方向に対して垂直な方向に沿って相対的に移動すれば良い。
【０２５３】
磁気ヘッド５は、後述するヘッドスライダ３に搭載され、ヘッドスライダ３の機能により、磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０から離間して保持される。磁気抵抗効果素子１１０の周囲に図示しない磁気シールドを設け、磁気ヘッド５の検出分解能を規定することができる。
【０２５４】
図２６は、第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２６は、磁気記録再生装置の一部であるヘッドスライダの構成を例示している。  
図２６に表したように、磁気ヘッド５は、ヘッドスライダ３に搭載される。ヘッドスライダ３は、Ａｌ２Ｏ３及びＴｉＣなどを含み、磁気ディスクなどの磁気記録媒体８０の上を、浮上または接触しながら相対的に運動できるように設計され、製作される。
【０２５５】
ヘッドスライダ３は、例えば、空気流入側３Ａと空気流出側３Ｂとを有し、磁気ヘッド５は、空気流出側３Ｂの側面などに配置される。これにより、ヘッドスライダ３に搭載された磁気ヘッド５は、磁気記録媒体８０の上を浮上または接触しながら相対的に運動する。
【０２５６】
以下、本実施形態に係る磁気記録再生装置の全体の構成の例について、磁気記録再生装置２５０を例にして説明する。  
図２７は、第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２８（ａ）及び図２８（ｂ）は、第５の実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２８（ａ）は、磁気記録再生装置２５０に含まれるヘッドスタックアセンブリ２６０を拡大して示している。  
図２８（ｂ）は、ヘッドスタックアセンブリ２６０の一部である磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ２５８）を例示している。
【０２５７】
図２７に表したように、磁気記録再生装置２５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。記録用媒体ディスク２８０は、スピンドルモータ４に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印ＡＡの方向に回転する。なお、磁気記録再生装置２５０は、複数の記録用媒体ディスク２８０を有していても良い。
【０２５８】
記録用媒体ディスク２８０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ３は、薄膜状のサスペンション２５４の先端に取り付けられている。
【０２５９】
記録用媒体ディスク２８０が回転すると、サスペンション２５４による押し付け圧力とヘッドスライダ３の媒体対向面で発生する圧力とがつりあい、ヘッドスライダ３の媒体対向面は、記録用媒体ディスク２８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダ３が記録用媒体ディスク２８０と接触するいわゆる「接触走行型」としても良い。
【０２６０】
サスペンション２５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム２５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム２５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ２５６が設けられている。ボイスコイルモータ２５６は、アクチュエータアーム２５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路と、を含む。
【０２６１】
アクチュエータアーム２５５は、軸受部２５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ２５６により回転摺動が自在にできるようになっている。その結果、磁気ヘッド５を記録用媒体ディスク２８０の任意の位置に移動可能となる。
【０２６２】
図２８（ａ）に表したように、ヘッドスタックアセンブリ２６０は、軸受部２５７と、ヘッドジンバルアセンブリ２５８と、支持フレーム２６１と、を含む。ヘッドジンバルアセンブリ２５８は、軸受部２５７から延出する。支持フレーム２６１は、軸受部２５７から、ヘッドジンバルアセンブリ２５８とは反対方向に延出している。支持フレーム２６１は、ボイスコイルモータのコイル２６２を支持する。
【０２６３】
図２８（ｂ）に表したように、ヘッドジンバルアセンブリ２５８は、軸受部２５７から延出したアクチュエータアーム２５５と、アクチュエータアーム２５５から延出したサスペンション２５４と、を有している。サスペンション２５４の先端には、ヘッドスライダ３が取り付けられている。
【０２６４】
なお、本具体例では、ヘッドジンバルアセンブリ２５８が２つ設けられる例であるが、ヘッドジンバルアセンブリ２５８の数は１つでも良い。
【０２６５】
このように、磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ２５８）は、磁気ヘッド５と、磁気ヘッド５が搭載されたヘッドスライダ３と、ヘッドスライダ３を一端に搭載するサスペンション２５４と、サスペンション２５４の他端に接続されたアクチュエータアーム２５５と、を有する。例えば、磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ２５８）は、磁気抵抗効果素子１１０を一端に搭載するサスペンション２５４と、サスペンション２５４の他端に接続されたアクチュエータアーム２５５と、を含む。
【０２６６】
サスペンション２５４は、信号の書き込み及び読み取り用、浮上量調整のためのヒータ用などのリード線（図示しない）を有し、このリード線とヘッドスライダ３に組み込まれた磁気ヘッド５の各電極とが電気的に接続される。
【０２６７】
図２７に表したように、磁気ヘッド５を用いて磁気記録媒体８０への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部２９０が設けられる。信号処理部２９０は、例えば、図２７に例示した磁気記録再生装置２５０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部２９０の入出力線は、ヘッドジンバルアセンブリ２５８の電極パッドに接続され、磁気ヘッドと電気的に結合される。
【０２６８】
磁気記録再生装置２５０は、上記の磁気ヘッドアセンブリと、磁気ヘッドアセンブリに搭載された磁気抵抗効果素子１１０を用いて情報が記録される磁気記録媒体８０と、を含む。
【０２６９】
磁気記録再生装置２５０は、例えば、磁気記録媒体８０及び磁気ヘッド５に加え、磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら磁気記録媒体８０と磁気ヘッド５とを相対的に移動させる可動部と、磁気ヘッド５を磁気記録媒体８０の所定記録位置に位置合わせする位置制御部と、磁気ヘッド５を用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部２９０と、をさらに含むことができる。
【０２７０】
上記の磁気記録媒体８０として、記録用媒体ディスク２８０が用いられる。上記の可動部は、ヘッドスライダ３を含むことができる。また、上記の位置制御部は、ヘッドジンバルアセンブリ２５８を含むことができる。
【０２７１】
（第６の実施の形態）  
本実施形態は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリに係る。第１の実施形態に係る任意の磁気抵抗効果素子を用いて、例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ： magnetic random access memory）などの磁気メモリを実現できる。以下では、磁気抵抗効果素子１１０を用いる場合として説明する。
【０２７２】
図２９は、第６の実施形態に係る磁気メモリの構成を例示する模式図である。  
図２９は、磁気メモリ３０１の回路構成を例示している。磁気メモリ３０１においては、アレイ状に配置された複数のメモリセルを有する。  
図２９に表したように、磁気メモリ３０１においては、アレイ中の１ビット（１つのメモリセル）を選択するために、列デコーダ３５０及び行デコーダ３５１が設けられている。列デコーダ３５０に接続されたビット線３３４と、行デコーダ３５１に接続されたワード線３３２と、により、スイッチングトランジスタ３３０がオンになり、メモリセル（磁気抵抗効果素子１１０）が一意に選択される。磁気抵抗効果素子１１０に流れる電流をセンスアンプ３５２で検出することにより、磁気抵抗効果素子１１０に含まれる記憶層（第１磁性層１４及び第２磁性層１８の少なくともいずれか）に記録されたビット情報を読み出す。
【０２７３】
各メモリセルに情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２とに書き込み電流を流して発生する磁場を各メモリセルに印加する。
【０２７４】
図３０は、第６の実施形態に係る別の磁気メモリの構成を例示する模式図である。  
図３０に表したように、磁気メモリ３０１ａにおいては、マトリクス状に配線されたビット線３７２とワード線３８４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１、３６２により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子１１０とダイオードＤとが直列に接続された構成を有する。ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを抑制する。書き込みは、特定のビット線３７２と書き込みワード線３８３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０２７５】
図３１は、第６の実施形態に係る磁気メモリの構成を例示する模式的断面図である。  
図３２は、図３１のＡ−Ａ’線断面図である。  
これらの図は、磁気メモリ３０１ａに含まれる１ビット分のメモリセルの構成を例示している。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０２７６】
図３１及び図３２に表したように、記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子１１０と、磁気抵抗効果素子１１０と接続された一対の配線４２２及び配線４２４とを有する。
【０２７７】
アドレス選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたスイッチングトランジスタ３３０が設けられている。スイッチングトランジスタ３３０は、ゲート３７０に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子１１０と配線４３４との電流経路の開閉を制御する。
【０２７８】
磁気抵抗効果素子１１０の下方には、書き込み用の配線４２３が、配線４２２とほぼ直交する方向に設けられている。配線４２２及び配線４２３には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）及び、タンタル（Ｔａ）の少なくともいずれか、または、これらのいずれかを含む合金により形成することができる。  
上記の配線４２２がビット線３２２に対応し、配線４２３がワード線３２３に対応する。
【０２７９】
このような構成を有するメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子１１０に書き込むときは、配線４２２及び４２３に書き込みパルス電流を流し、それらの電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子１１０の記憶層の磁化を適宜反転させる。
【０２８０】
ビット情報を読み出すときは、配線４２２と、記憶層を含む磁気抵抗効果素子１１０と、配線４２４と、を通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子１１０の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
【０２８１】
実施形態に係る磁気メモリ３０１及び３０１ａは、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いることにより、ＭＲ変化率が大きい動作が可能であり、信頼性の高い記憶及び読み出しが可能である。
【０２８２】
実施形態によれば、ＭＲ変化率が大きい磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置及び磁気メモリが提供できる。
【０２８３】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
【０２８４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置及び磁気メモリに含まれる第１電極、第２電極、第１磁性層、第２磁性層、非磁性層及び酸化物層などのなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。例えば、磁気抵抗効果素子１１４〜１２０、１１６ａ及び１３０、並びに、その変形の磁気抵抗効果素子には、磁気抵抗効果素子１１０及び１１１に関して説明した構成及び材料を適用することができる。
【０２８５】
その他、本発明の実施の形態として上述し磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置及び磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置及び磁気メモリも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２８６】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０２８７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２８８】
３…ヘッドスライダ、  ３Ａ…空気流入側、  ３Ｂ…空気流出側、  ４…スピンドルモータ、  ５…磁気ヘッド、  １０ｒ、１０ｓ…積層体、  １１…第１電極、  １２…下地層、  １３、１３ｂ…ピニング層、  １４、１４ｂ、１４ｕ…第１磁性層、  １４ｌ…第４磁性層、  １５…下部金属層、  １６、１６ｂ…非磁性層、  １６ｃ…導電部材、  １６ｉ…絶縁部材、  １６ｈ…貫通孔、  １６ｌ…第１非磁性層、  １６ｕ…第２非磁性層、  １７…上部金属層、  １８、１８ｌ…第２磁性層、  １８ｕ…第３磁性層、  １９、１９ａ、１９ｂ…キャップ層、  ２０…第２電極、  ２１、２１ａ、２１ｂ…酸化物層、  ２１ｒ…ウルツァイト結晶粒、  ２１ｓ…ウスタイト結晶粒、  ２２ａ…Ｆｅ原子、  ２２ｂ…酸素原子、  ２５ａ…第１電極層、  ２５ｂ…第２電極層、  ２９…中間非磁性層、  ４１…バイアス磁界印加膜、  ４２…絶縁膜、  ４３…保護層、  ５１…中間層、  ６０…書き込みヘッド部、  ７０…再生ヘッド部、  ７１…磁気再生素子、  ７２ａ…第１磁気シールド層、  ７２ｂ…第２磁気シールド層、  ８０…磁気記録媒体、  ８１…磁気記録層、  ８２…裏打ち層、  １１０、１１０ａ〜１１０ｊ、１１１、１１４〜１２０、１１６ａ、１３０…磁気抵抗効果素子、  １４１…下部ピン層、  １４１ｂ…下部ピン層、  １４２…反平行磁気結合層、  １４２ｂ…反平行磁気結合層、  １４３…上部ピン層、  １４３ｂ…中央部ピン層、  １４４ｂ…反平行磁気結合層、  １４５ｂ…上部ピン層、  ２１０…磁気ヘッド、  ２５０…磁気記録再生装置、  ２５４…サスペンション、  ２５５…アクチュエータアーム、  ２５６…ボイスコイルモータ、  ２５７…軸受部、  ２５８…ヘッドジンバルアセンブリ（磁気ヘッドアセンブリ）、  ２６０…ヘッドスタックアセンブリ、  ２６１…支持フレーム、  ２６２…コイル、  ２８０…記録用媒体ディスク、  ２９０…信号処理部、  ３０１、３０１ａ…磁気メモリ、  ３１１…記憶素子部分、  ３１２…アドレス選択用トランジスタ部分、  ３２２、３３４、３７２…ビット線、  ３２３、３３２、３８３、３８４…ワード線、  ３２６…ビア、  ３２８…埋め込み配線、  ３３０…スイッチングトランジスタ、  ３５０…列デコーダ、  ３５１…行デコーダ、  ３５２…センスアンプ、  ３６０、３６１、３６２…デコーダ、  ３７０…ゲート、  ４２２、４２３、４２４、４３４…配線、  Ａ…実効面積、  ＡＡ…矢印、  ＡＢＳ…媒体対向面、  Ｄ…ダイオード、  Ｉｎｔ…強度、  Ｒ１〜Ｒ４…領域、  Ｖｂ…加速電圧、  ｄ…面間隔、  ｐ１〜ｐ４…第１〜第４部分
【図１】
0005956793.tif 000016
【図２】
0005956793.tif 000017
【図３】
0005956793.tif 000018
【図４】
0005956793.tif 000019
【図７】
0005956793.tif 000020
【図１０】
0005956793.tif 000021
【図１１】
0005956793.tif 000022
【図１２】
0005956793.tif 000023
【図１３】
0005956793.tif 000024
【図１４】
0005956793.tif 000025
【図１５】
0005956793.tif 000026
【図１６】
0005956793.tif 000027
【図１７】
0005956793.tif 000028
【図１８】
0005956793.tif 000029
【図１９】
0005956793.tif 000030
【図２０】
0005956793.tif 000031
【図２１】
0005956793.tif 000032
【図２２】
0005956793.tif 000033
【図２３】
0005956793.tif 000034
【図２４】
0005956793.tif 000035
【図２５】
0005956793.tif 000036
【図２６】
0005956793.tif 000037
【図２７】
0005956793.tif 000038
【図２８】
0005956793.tif 000039
【図２９】
0005956793.tif 000040
【図３０】
0005956793.tif 000041
【図３１】
0005956793.tif 000042
【図３２】
0005956793.tif 000043
【図５】
0005956793.tif 000044
【図６】
0005956793.tif 000045
【図８】
0005956793.tif 000046
【図９】
0005956793.tif 000047