(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられたスペーサ層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを有し、
前記スペーサ層が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｄから選択される少なくとも１つの元素及びＦｅ、
Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１つの元素を含み、膜面内に均一に構成された酸化
物層を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記スペーサ層は第１の金属層と第２の金属層とをさらに有し、前記酸化物層は前記第
１の金属層と前記第２の金属層との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載
の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記酸化物層の抵抗率が５×１０５μΩｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記
載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記積層体の膜面を電流が垂直に流れる部分の面積と前記積層体の膜面に垂直に電流を
流したときに前記一対の電極から得られる抵抗との積が５Ωμｍ２以下であることを特徴
とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記酸化物層がＺｎ及びＦｅを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素
子。
【請求項６】
前記第１の金属層と前記第２の金属層とがＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎからなる群から選択
される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子
。
【請求項７】
前記酸化物層はさらにＡｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選択される少
なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記酸化物層の層厚は、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に
記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の金属層と前記第２の金属層の層厚は、２ｎｍ以下であることを特徴とする請
求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の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ることを特徴とする磁気ヘッド
アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気ヘッドアセンブリと、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ることを特徴とする磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子では、スペーサ層に金属層を用いるため、低抵抗化の観点でTMR素子に比べて有利である。しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では十分に大きなMR変化率が得られていないという問題点がある。
【０００３】
このような問題点を解決するために、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の構成の改変やスペーサ層の材料の選択等が行われている。
【０００４】
例えば、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を構成するスペーサ層を、単なる金属層ではなく、厚み方向への電流パスを含む酸化物層（ＮＯＬ（nano-oxide layer））から構成する構造が提案されている（特許文献１）。この素子では、電流狭窄（ＣＣＰ（Current-confined-path））効果によりＭＲ変化率を増大できる。このような素子は、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子と呼ぶ。
【０００５】
上記の試みとは別に、強磁性層の層中やこれらと非磁性スペーサ層との界面に、酸化物あるいは窒化物からなる薄膜のスピンフィルター（Ｓｐｉｎ  Ｆｉｌｔｅｒ：ＳＦ）層を挿入した磁気抵抗効果素子が提案されている（特許文献２）。このＳＦ層は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の何れか一方の通電を阻害するスピンフィルター効果を有するために、ＭＲ変化率を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９-１４７５７９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】
【０００７】
上述したようにＣＣＰ−ＣＰＰ素子のＭＲ変化率を増大させるために様々な試みが検討されているが、さらなるＭＲ変化率の増大が求められている。
【０００８】
本発明は上記に鑑み、十分なＭＲ変化率を有する磁気抵抗効果素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられたスペーサ層とを備えた積層体と、前記積層体の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極とを有し、前記スペーサ層が、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｄから選択される少なくとも１つの元素及びＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物層を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を示す図である。
【図２】実施形態の効果を説明する図である。
【図３】酸化物層２１中で磁化がねじれた磁気構造となっていることを示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を示す図である。
【図５】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第１の変形例を示す図である。
【図６】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第２の変形例を示す図である。
【図７】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第３の変形例を示す図である。
【図８】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第４の変形例を示す図である。
【図９】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第５の変形例を示す図である。
【図１０】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示すフローチャートである。
【図１１】実施例１に係わる磁気抵抗効果素子の断面ＴＥＭ像を示す図である。
【図１２】実施形態に係る磁気記録再生装置を示す斜視図である。
【図１３】磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドがヘッドスライダに設けられていることを示す図である。
【図１４】実施形態に係る磁気記録再生装置の一部を構成するヘッドスタックアセンブリ、ヘッドジンバルアセンブリを示す図である。
【図１５】第４の実施形態に係る磁気メモリを例示する回路図である。
【図１６】第４の実施形態に係る磁気メモリの要部を例示する断面図である。
【図１７】図１６に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【図１８】第５の実施形態に係る磁気メモリを例示する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。また、以下説明する図面において、符号が一致するものは、同様のものを示しており、重複した説明は省略する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の構成を示す図である。
【００１３】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、磁気抵抗効果素子１０を酸化等の劣化から防止するキャップ層１９と、磁化が固着された磁化固着層（以下、磁化固着層と呼ぶ）１４と、キャップ層１９と磁化固着層１４との間に設けられた磁化が自由に回転する磁化自由層（以下、磁化自由層と呼ぶ）１８と、磁化固着層１４と磁化自由層１８との間に設けられた非磁性体からなる中間層（以下、「スペーサ層」という。）１６と、スペーサ層１６中に設けられた、少なくともＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの何れか１つの元素、並びに少なくともＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１つの元素を含む酸化物層２１と、を備えた積層体７と、積層体７の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極１１、２０と、電極１１と磁化固着層１４の間に設けられた磁化固着層の磁化方向を固着するための反強磁性体からなるピニング層１３と、ピニング層１３と電極１１との間に設けられた下地層１２とを備える。
【００１４】
図１に示すとおり、磁気抵抗効果素子１０のスペーサ層１６にＺｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される少なくとも１つの元素並びにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物層２１をスピンフィルタリング層（以下、「ＳＦ層」という。）として設ける。酸化物層２１は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の透過を制御することができるスピンフィルター効果を有し、具体的には、ＦｅとＺｎの混合酸化物などを用いることができる。このような混合酸化物材料を用いた場合、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される元素を含む酸化物や、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される元素を含む酸化物層をＳＦ層として用いた場合よりも高いＭＲ変化率を低い面積抵抗で実現することが出来る。
【００１５】
この混合酸化物材料を用いることで高いＭＲ変化率を実現できた理由は、高いスピン依存散乱効果と低い抵抗率の実現によるスピンフリップの低減を両立でき、結果として高いスピンフィルター効果を発現したためと考えられる。ここで、低い抵抗率のＳＦ層を実現するためには、ＳＦ層がＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４などの上記したＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄを含む酸化物材料を含有することが有効である。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が、化学量論組成から少し還元気味にずれ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ため、伝導電子密度が１０１８ｃｍ−３〜１０１９ｃｍ−３程度まで到達する。これらの導電性酸化物のバンド構造において、価電子帯は主として酸素原子の２ｐ軌道で、伝導帯は金属原子のｓ軌道で構成されている。キャリア密度フェルミ準位が１０１８ｃｍ−３よりも増えると伝導帯に達し、縮退と呼ばれる状態になる。このような酸化物半導体はｎ型の縮退半導体と呼ばれ、伝導電子の十分な濃度と移動度を併せ持ち、低い抵抗率を実現する。
【００１６】
一方、高いスピン依存散乱効果を有するＳＦ層を実現するためには、ＳＦ層が室温で磁性を有するＣｏ、Ｆｅ、及びＮｉの酸化物を含有することが有効である。低い抵抗率を実現するのに有効なＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄを含む酸化物材料はバルクの特性として磁性を有していない。磁化自由層や磁化固着層に極薄の酸化物層を挿入した場合、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ー効果が得られることが特開２００４−６５８９号に開示されているが、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉの酸化物を含有したほうが酸化物層の膜厚の制限に縛られずに容易に磁性を発現して高いスピンフィルター効果が得られる。なお、Ｚｎは、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの中でもＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉと同周期であるために、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉとの混合酸化物となった場合に磁性を帯びやすいので、酸化物層の磁化を安定化させることができるので、より好ましい。
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係わる磁気抵抗効果素子の詳細について説明する。
【００１８】
図１において、下電極１１および上電極２０は、磁気抵抗効果素子１０の膜面に対して垂直方向に電流を流す。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで、磁気抵抗効果素子１０の内部を膜面垂直方向に沿って電流が流れる。
【００１９】
この電流が流れることで、磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することができ、磁気の検知が可能となる。下電極１１および上電極２０としては、電流を磁気抵抗効果素子１０に流すために、電気抵抗が比較的小さいＣｕ、Ａｕ等が用いられる。
【００２０】
下地層１２は、例えば、バッファ層およびシード層が積層した構成をとる。ここで、バッファ層は下電極１１側に位置し、シード層はピニング層１３側に位置する。
【００２１】
バッファ層は下電極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Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ又はこれらの合金を用いることができる。バッファ層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ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を増大させることになる。なお、バッファ層上に形成される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。好ましい一例として、Ｔａを１ｎｍ形成することができる。
【００２２】
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。シード層としては、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）を有する金属等が好ましい。
【００２３】
例えば、シード層として、ｈｃｐ構造を有するＲｕまたはｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅを用いることにより、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。また、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、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。また、磁化自由層１８及び磁化固着層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、磁化自由層１８及び磁化固着層１４としてｂｃｃ金属を用いたときには、良好なｂｃｃ（１１０）配向とすることができる。結晶配向を向上させるシード層としての機能を十分発揮するために、シード層の膜厚としては、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下がより好ましい。好ましい一例として、Ｒｕを２ｎｍ形成することができる。
【００２４】
他にも、シード層として、Ｒｕの代わりに、ＮｉＦｅベースの合金（例えば、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝９０％〜５０％、好ましくは７５％〜８５％）や、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））を用いることもできる。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°〜５°とすることができる。
【００２５】
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ある。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、磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、特性のばらつきを招くことなく高いＭＲ変化率を実現できる。
【００２６】
なお、シード層の結晶粒径を５ｎｍ以上２０ｎｍ以下にすることで、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。このサイズの結晶粒径を得るには、Ｒｕを２ｎｍ形成する。また、（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＺｙ（Ｚ＝Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ））の場合には、第３元素Ｘの組成ｙを０％〜３０％程度として（ｙが０の場合も含む）、２ｎｍ形成することが好ましい。
【００２７】
スピンバルブ膜の結晶粒径は、シード層とスペーサ層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などによって決定できる）。例えば、磁化固着層１４がスペーサ層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、磁化固着層１４（磁化固着層）の結晶粒径によって判別することができる。
【００２８】
ピニング層１３は、その上に形成される磁化固着層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機能を有する。ピニング層１３の材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、又はＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。この内、高記録密度対応のヘッドの材料として、ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは、ＰｔＭｎよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ、高密度記録の為に必要な狭ギャップ化に適している。
【００２９】
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の膜厚を適切に設定する。ピニング層１３の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には、膜厚として、８ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎの場合には、ＰｔＭｎなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与可能であり、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。好ましい一例として、Ｉｒ２２Ｍｎ７８を７ｎｍ形成することができる。
【００３０】
ピニング層１３として、反強磁性層の代わりに、ハード磁性層も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％）、ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０％〜６０％）を用いることができる。ハード磁性層（特に、ＣｏＰｔ）は比抵抗が比較的小さいため、直列抵抗および面積抵抗ＲＡ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ａｒｅａ）の増大を抑制できる。
【００３１】
ここで、面積抵抗ＲＡとは、磁気抵抗効果素子１０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１０の積層膜の膜面に垂直に電流を流したときに一対の電極から得られる抵抗との積を示す。
【００３２】
スピンバルブ膜やピニング層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ｂｃｃ（１１０）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５°〜６°として、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。
【００３３】
磁化固着層１４は、ピニング層１３側から下部磁化固着層１４１、磁気結合層１４２、及び上部磁化固着層１４３をこの順に積層した構成をとる。
【００３４】
ピニング層１３と下部磁化固着層１４１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を挟む下部磁化固着層１４１及び上部磁化固着層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。
【００３５】
下部磁化固着層１４１の材料としては、例えば、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０％〜１００％）、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。また、下部磁化固着層１４１の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの単元素やこれらの合金を用いることもできる。または、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸ合金（ｘ＝０％〜１００％、ｘ＝０％〜３０％）を用いることもできる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸのようなアモルファス合金を用いた場合、磁気抵抗効果素子の素子サイズが小さくなった場合に素子間のバラツキを抑える観点で好ましい。
【００３６】
下部磁化固着層１４１の膜厚は１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。ピニング層１３による一方向異方性磁界強度および磁気結合層１４２を介した下部磁化固着層１４１と上部磁化固着層１４３との反強磁性結合磁界を強く保つためである。
【００３７】
また、下部磁化固着層１４１が薄すぎると、ＭＲ変化率に影響を与える上部磁化固着層１４３も薄くしなければならなくなるため、ＭＲ変化率が小さくなる。一方、下部磁化固着層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。
【００３８】
また、下部磁化固着層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ（Ｂｓ・ｔ積））を考慮する場合、上部磁化固着層１４３の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり、上部磁化固着層１４３の磁気膜厚と下部磁化固着層１４１の磁気膜厚とが対応することが好ましい。
【００３９】
例えば、上部磁化固着層１４３がＦｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］の場合、薄膜でのＦｅ５０Ｃｏ５０の飽和磁化が約２．２Ｔであるため、磁気膜厚は２．２Ｔ×３ｎｍ＝６．６Ｔｎｍとなる。Ｃｏ７５Ｆｅ２５の飽和磁化が約２．１Ｔなので、上記と等しい磁気膜厚を与える下部磁化固着層１４１の膜厚ｔは６．６Ｔｎｍ／２．１Ｔ＝３．１５ｎｍとなる。したがって、この場合、下部磁化固着層１４１の膜厚は約３．２ｎｍのＣｏ７５Ｆｅ２５を用いることが好ましい。
【００４０】
ここで、‘／’は‘／’の左側に記載されたものから順に積層していることを示し、Ａｕ／Ｃｕ／Ｒｕと記載された場合、Ａｕ層上にＣｕ層を積層し、Ｃｕ層上にＲｕ層を積層していることを示す。また、‘×２’とは、２層であることを示し、（Ａｕ／Ｃｕ）×２と記載された場合、Ａｕ層上にＣｕ層を積層し、Ｃｕ層上にさらにＡｕ層、Ｃｕ層と順次積層していることを示す。また、‘［ ］’はその材料の膜厚を示す。
【００４１】
磁気結合層１４２は、磁気結合層１４２を挟む下部磁化固着層１４１及び上部磁化固着層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機能を有する。磁気結合層１４２として、Ｒｕを用いることができ、磁気結合層１４２の膜厚は０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下であることが好ましい。なお、磁気結合層１４２を挟む下部磁化固着層１４１及び上部磁化固着層１４３に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、Ｒｕ以外の材料を用いてもよい。磁気結合層１４２の膜厚は、ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）結合の２ｎｄピークに対応する膜厚０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下の代わりに、ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する膜厚０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下を用いることもできる。ここでは、より高信頼性の結合を安定して特性が得られる、膜厚が０．９ｎｍのＲｕが一例として挙げられる。
【００４２】
上部磁化固着層１４３は、ＭＲ効果に直接的に寄与する磁性層であり、大きなＭＲ変化率を得るために、この構成材料、膜厚の双方が重要である。
【００４３】
上部磁化固着層１４３としては、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％）や、ＦｅｘＣｏ１００−ｘに添加元素を加えたものが挙げられる。そのなかでも、諸特性をすべて満たしたＦｅ４０Ｃｏ６０〜Ｆｅ８０Ｃｏ２０が使いやすい材料の一例である。
【００４４】
上部磁化固着層１４３が、高ＭＲ変化率を実現しやすいｂｃｃ構造をもつ磁性層から形成されている場合には、この磁性層の全膜厚が１．５ｎｍ以上であることが好ましい。ｂｃｃ構造を安定に保つためである。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、上部磁化固着層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。このため、上部磁化固着層１４３の膜厚が薄すぎると、ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり、高いＭＲ変化率が得られなくなる。
【００４５】
また、上部磁化固着層１４３の材料として、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸ合金（ｘ＝０％〜１００％、ｘ＝０％〜３０％）のようなアモルファス合金を用いることもできる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ＹＢＸを用いた場合、磁気抵抗効果素子の素子サイズが小さくなった場合に懸念される結晶粒に起因した素子間のバラツキを抑える観点で好ましい。
【００４６】
上部磁化固着層１４３の膜厚は、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薄いほうが好ましく、トレードオフの関係が存在する。例えば、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金層を用いたときには、ｂｃｃ構造を安定にする必要があるため、１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。また、ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金層を用いるときにも、大きなＭＲ変化率を得るため、やはり１．５ｎｍ以上の膜厚が好ましい。一方、大きなピン固着磁界を得るためには、上部磁化固着層１４３の膜厚が最大でも、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。以上のように、上部磁化固着層１４３の膜厚は、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。
【００４７】
上部磁化固着層１４３には、ｂｃｃ構造をもつ磁性材料の代わりに、従来の磁気抵抗効果素子で広く用いられているｆｃｃ構造を有するＣｏ９０Ｆｅ１０合金や、ｈｃｐ構造をもつＣｏや、Ｃｏ合金を用いることができる。上部磁化固着層１４３として、Ｃｏ、Ｆｅ、又はＮｉなどの単体金属、若しくはこれらのいずれか一つの元素を含む合金材料を用いることができる。上部磁化固着層１４３の磁性材料として、大きなＭＲ変化率を得るのに有利なものは、ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ合金材料、５０％以上のＣｏ組成をもつＣｏ合金、５０％以上のＮｉ組成を持つＮｉ合金である。
【００４８】
また、上部磁化固着層１４３として、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌなどのホイスラー磁性合金層を用いることも可能である。
【００４９】
スペーサ層１６は、磁化固着層１４と磁化自由層１８との磁気的な結合を分断する。本実施形態では、スペーサ層１６に酸化物層２１が設けられる。酸化物層２１は、アップスピン電子又はダウンスピン電子の透過を制御することができるスピンフィルター効果を有する。酸化物層としては、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの何れか少なくとも１つの元素、並びにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか少なくとも１つの元素を混合した酸化物を含むことを特徴とする。具体的には、Ｆｅ５０Ｃｏ５０とＺｎの混合酸化物を用いることができる。なお、Ｚｎは、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの中でもＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉと同周期であるために、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉとの混合酸化物となった場合に磁性を帯びやすいので、酸化物層２１のスピン依存散乱効果を安定に発現させることができるので、より好ましい。
【００５０】
このような材料を用いることで、高いスピン依存散乱と、低い抵抗率の実現によるスピンフリップの低減と、を両立することで高いスピンフィルター効果を発揮し、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ変化率を向上させることができる。
【００５１】
ここで、低い抵抗率のＳＦ層を実現するためには、ＳＦ層がＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４などの上記したＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄを含む酸化物材料を含有することが有効である。これらの酸化物材料が低い抵抗率を示す理由の１つとして、次のことが考えられる。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が、化学量論組成から少し還元気味にずれ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ため、伝導電子密度が１０１８ｃｍ−３〜１０１９ｃｍ−３程度まで到達する。これらの導電性酸化物のバンド構造において、価電子帯は主として酸素原子の２ｐ軌道で、伝導帯は金属原子のｓ軌道で構成されている。キャリア密度フェルミ準位が１０１８ｃｍ−３よりも増えると伝導帯に達し、縮退と呼ばれる状態になる。このような酸化物半導体はｎ型の縮退半導体と呼ばれ、伝導電子の十分な濃度と移動度を併せ持ち、低い抵抗率を実現する。なお、このような理論に当てはまらないものであっても、低い抵抗率を示すものであれば、そのような酸化物材料を使用することができる。
【００５２】
一方、高いスピン依存散乱を示すＳＦ層を実現するためには、ＳＦ層が室温で磁性を有するＣｏ、Ｆｅ、及びＮｉの酸化物を含有することが有効である。低い抵抗率を実現するのに有効なＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄを含む酸化物材料はバルクの特性として磁性を有していない。磁化自由層や磁化固着層に極薄の酸化物層を挿入した場合、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依存散乱が得られることが特開２００４−６５８９号に開示されているが、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉの酸化物を含有したほうが酸化物層の膜厚の制限に縛られずに容易に磁性を発現して高いスピン依存散乱効果が得られる。
【００５３】
また、酸化物層にさらに添加元素を加えても良い。Ｚｎ酸化物に添加元素としてＡｌを加えた場合、熱耐性があがることが報告されている。Ａｌのほかにも、添加元素としては、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳｎ等があげられる。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Ｚｎ酸化物中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Ｚｎ原子の再酸化の促進を防ぐために、酸化物層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。
【００５４】
ここで、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの酸化物はメタルのＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉに比べて小さいが磁化を有する。このようなＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのみからなる酸化物はスペーサ層に配置すると磁化自由層と磁化固着層の磁気結合が強くなりすぎるため、用いることができない。一方、本発明の酸化物層はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ以外にＺｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄも含有しているため、磁化は非常に小さいか、もしくは非磁性体となっている。このような磁性の弱い酸化物層は磁化自由層１８と磁化固着層１４の磁気結合を十分に分断することが可能であり、スペーサ層として機能させることができる。
【００５５】
上述したＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの何れか少なくとも１つの元素、並びにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか少なくとも１つの元素を含む酸化物層２１を磁気抵抗効果素子１０のスペーサ層１６に設けることにより、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ変化率を向上させることができる。
【００５６】
この酸化物層２１は、スペーサ層以外に磁化自由層や磁化固着層にも設けることができるが、酸化物層２１をスペーサ層に設けると以下のようなメリットがある。すなわち、酸化物層２１を図１のように磁化自由層１８と上部磁化固着層１４３の間に設けた場合、図２に示すように酸化物層２１の挿入によるスピン依存散乱の増強は磁化自由層１８と酸化物層２１、上部磁化固着層１４３と酸化物層２１の界面（高スピンフィルター領域）で発現する。このようにスピン依存散乱が磁化自由層１８および上部磁化固着層１４３の両方で増強されることは磁化自由層１８および上部磁化固着層１４３のどちらか一方のみが増強された場合よりも結果として高いＭＲ変化率を実現できる。ここで磁化自由層１８と上部磁化固着層１４３との両方のスピン依存散乱を増強することは、スペーサ層１６内部ではなく、磁化自由層１８内部と上部磁化固着層１４３内部に１層ずつ酸化物層を設けることでも実現できる。しかし、この場合、酸化物層２１を２層挿入することになるため、酸化物層２１を通過する際のスピンフリップの発生確率も増加してしまい、その結果、ＭＲ変化率の増強を十分に得ることができない。一方、図２のようにスペーサ層に１層の酸化物層を設けた場合、スピンフリップの発生確率も増大させずに、フリーと磁化固着層の両方のスピン依存散乱を増強させることが可能となるため、結果として高いＭＲ変化率を得ることができる。
【００５７】
また、スペーサ層に酸化物層を挿入するメリットは他にも存在する。本発明で記載しているＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、磁化固着層と磁化自由層とでアップスピンとダウンスピンの散乱強度が異なることによりＭＲ現象が得られる。ここでＣＰＰ−ＧＭＲのような拡散型のＭＲ現象では、磁化固着層と磁化自由層のそれぞれの面積抵抗ＲＡｆｒｅｅ、ＲＡｐｉｎの値が大きく異なる場合、ＭＲ変化率が下がってしまうという特徴がある。これを磁化固着層と磁化自由層の抵抗のミスマッチと呼ぶ。酸化物層を磁化自由層または磁化固着層のどちらか一方のみに挿入した場合、片方の層のみ面積抵抗が大きくなって抵抗マッチングが悪くなるため、結果としてＭＲ変化率を十分に増強することが出来ない。一方、スペーサ層に酸化物層を設けた場合、磁化自由層と酸化物層の界面、磁化固着層と混合酸化物の界面の面積抵抗は同様に増大するので、酸化物層挿入による抵抗マッチングの低下は起こらず、結果としてＭＲ変化率を十分に増強することができる。
【００５８】
さらに、スペーサ層に酸化物層を挿入するメリットは他にも存在する。本発明の酸化物層はＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの何れか少なくとも１つの元素、並びにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか少なくとも１つの元素を混合した酸化物からなるが、その組成によって弱いフェリ磁性を有する。このような弱い磁性を有する場合、酸化物層の磁化固着層側の成分は磁化固着層と磁気結合し、酸化物層の磁化自由層側の成分は磁化自由層と磁気結合する。その結果、図３に示すように磁化自由層１８と上部磁化固着層１４３の磁化が反平行時は酸化物層２１中では磁化が磁壁を形成してねじれた磁気構造となる。電子がこのようなねじれた磁気構造を通過する際には、強いスピン依存散乱を生ずるため、結果として高いＭＲ変化率を得ることができる。
【００５９】
ここで、十分なＳＦ効果を得るためには均一な酸化層であることが望ましい。そのため酸化物層２１の膜厚は、０．５ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、膜厚の上限は再生ヘッドのリードギャップ（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を挟持するシールド電極間の距離）を広げない観点で４ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００６０】
図１では、スペーサ層１６として、酸化物層２１の上下に金属層３１、金属層３２を設けている。金属機能層３１および３２として、例えば、具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎを用いることができる。これらの元素は、磁化固着層や磁化自由層に用いられる磁性層との界面におけるスピン依存散乱が比較的高いため、酸化物層によるスピン依存散乱の増強を阻害しないため、好ましい。また、金属層３１および３２として、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｏｓを用いても良い。
【００６１】
金属層３１と金属層３２の膜厚は、酸化物層２１に対して磁化自由層１８もしくは磁化固着層１３から十分なスピン蓄積を得るために、２ｎｍ以下が望ましく１ｎｍ以下がさらに望ましい。
【００６２】
磁化自由層１８は、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。例えば、界面にＣｏＦｅを形成してＮｉＦｅを用いたＣｏ９０Ｆｅ１０［１ｎｍ］／Ｎｉ８３Ｆｅ１７［３．５ｎｍ］という二層構成を用いることができる。なお、ＮｉＦｅ層を用いない場合には、Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４ｎｍ］単層を用いることができる。また、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどの三層構成からなる磁化自由層１８を用いても構わない。
【００６３】
磁化自由層１８には、ＣｏＦｅ合金のなかでも、軟磁気特性が安定であることから、Ｃｏ９０Ｆｅ１０が好ましい。Ｃｏ９０Ｆｅ１０近傍のＣｏＦｅ合金を用いる場合には、膜厚を０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることが好ましい。その他、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝７０％〜９０％）も用いることができる。
【００６４】
また、磁化自由層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層とを複数層交互に積層したものを用いてもよい。
【００６５】
また、磁化自由層１８の一部として、ＣｏＺｒＮｂなどのアモルファス磁性層を用いても構わない。ただし、アモルファス磁性層を用いる場合でも、ＭＲ変化率に大きな影響を与えるスペーサ層１６と接する界面は結晶構造を有する磁性層を用いることが必要である。磁化自由層１８の構造としては、スペーサ層１６側からみて、次のような構成が可能である。即ち、磁化自由層１８の構造として、（１）結晶層のみ、（２）結晶層／アモルファス層の積層、（３）結晶層／アモルファス層／結晶層の積層、などが考えられる。ここで重要なことは、（１）から（３）のいずれでもスペーサ層１６との界面は必ず結晶層が接することである。
【００６６】
キャップ層１９は、スピンバルブ膜を保護する機能を有する。キャップ層１９は、例えば、複数の金属層、例えば、Ｃｕ層とＲｕ層の２層構造（Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］）とすることができる。また、キャップ層１９として、Ｒｕを磁化自由層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の膜厚は０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下が好ましい。この構成のキャップ層１９は、特に、磁化自由層１８がＮｉＦｅからなる場合に好ましい。ＲｕはＮｉと非固溶な関係にあるので、磁化自由層１８とキャップ層１９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からである。
【００６７】
キャップ層１９が、Ｃｕ／ＲｕやＲｕ／Ｃｕのいずれの場合も、Ｃｕ層の膜厚は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、Ｒｕ層の膜厚は０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。Ｒｕは比抵抗値が高いため、あまり厚いＲｕ層を用いることは好ましくないため、このような膜厚範囲にしておくことが好ましい。
【００６８】
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の構成は特に限定されず、キャップとしてスピンバルブ膜を保護可能なものであれば、他の材料を用いてもよい。但し、キャップ層の選択によってＭＲ変化率や長期信頼性が変わる場合があるので、注意が必要である。ＣｕやＲｕはこれらの観点からも好ましいキャップ層の材料の例である。
【００６９】
（変形例）
本発明の酸化物層２１を挿入する形態は、図１に示される実施形態（酸化物層２１が第１の金属層と第２の金属層に挟まれた構造でスペーサ層に配置）に限定されない。例えば、図５から８に示されるように様々な位置に挿入することができる。各変形例について以下に説明する。
【００７０】
（第１の変形例）
図５は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第１の変形例を示す図である。図１に示す第１の実施形態と同一構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
【００７１】
第１の変形例は、酸化物層２１がスペーサ層内部に２層設けられている点が第１の実施形態と異なる。
【００７２】
このように、スペーサ層中に酸化物層２１を２層設けた場合に老いても形成した場合においても、高いスピンフィルター効果を発現し、ＭＲ変化率を大きく向上することができる。
【００７３】
（第２の変形例）
図６は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第２の変形例を示す図である。図１に示す第１の実施形態と同一構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
【００７４】
第２の変形例は、磁化固着層１４が磁化自由層１８よりも上に設けられたトップスピンバルブ型の構造であることが第１の実施形態と異なる。
【００７５】
このようなトップスピンバルブ構造を用いた場合でも高いスピンフィルター効果を発現して、MＲ変化率を大きく向上することができる。
【００７６】
（第３の変形例）
図７は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第３の変形例を示す図である。図１に示す第１の実施形態と同一構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
【００７７】
第３の変形例は、磁化固着層を有しておらず、２層の磁化自由層で形成されている点が第１の実施形態と異なる。このような磁気抵抗効果素子では、磁気ディスクからの磁界が加わっていない状態における磁化自由層１８１と磁化自由層１８２の磁化が９０°になるようにバイアスされており、磁気ディスクからの磁界によって、２層の磁化自由層の相対角度が変化することにより、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合せなどで得ることができる。
【００７８】
ここで、酸化物層はスペーサ層内部に設けられている。
【００７９】
このような２層の磁化自由層からなる磁気抵抗効果素子を用いた場合でも高いスピンフィルター効果を発現して、MＲ変化率を大きく向上することができる。
【００８０】
（第４の変形例）
図９は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子２００の第４の変形例を示す図である。
【００８１】
第５の変形例は、スペーサ層に接したピン層の磁化方向が逆に固着された２つの磁気抵抗効果素子を直列に接続した差動型構造を有している点が磁気抵抗効果素子２００と異なる。このような磁気抵抗効果素子では、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出来る。ここで、中間層５１として、その他、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａなどの非磁性金属を用いても良い。また、中間層５５として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選択される強磁性金属と、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈから選択される強磁性金属層間に配置した際に反強磁性結合を生ずる金属との積層体で形成しても良い。この場合、フリー層１８ａとフリー層１８ｂの磁化方向を反平行結合とすることができる。
【００８２】
次に実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の製造方法について説明する。なお、実施形態に係る製造方法では、各層の形成方法として、ＤＣマグネトロンスパッタ、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、およびＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。
【００８３】
図１０は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法の一部を示すフローチャートである。
【００８４】
ステップＳ１１では、基板（図示せず）上に、電極１１を微細加工プロセスによって前もって形成しておく。次に、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は下電極の荒れを緩和等するためのバッファ層１２ａに相当する。Ｒｕはその上に形成されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するシード層１２ｂに相当する。
【００８５】
ステップＳ１２では、下地層１２上にピニング層１３を形成する。ピニング層１３の材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、又はＲｕＲｈＭｎ等の反強磁性材料を用いることができる。
【００８６】
ステップＳ１３では、ピニング層１３上に磁化固着層１４を形成する。磁化固着層１４は、例えば、下部磁化固着層１４１（Ｃｏ７５Ｆｅ２５［４．４ｎｍ］）、磁気結合層１４２（Ｒｕ）、および上部磁化固着層１４３（Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］）からなるシンセティック磁化固着層とすることができる。
【００８７】
ステップＳ１４では、磁化固着層１４上に第１の金属層を形成する。
【００８８】
第１の金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、及びＺｎなどの金属を用いて形成する。
【００８９】
ステップＳ１５では、、スペーサ層１６上に酸化物層を形成する。一例を挙げると、スペーサ層１６上にＦｅとＺｎの金属層を成膜する。ここで、ＦｅとＺｎの金属層は、Ｆｅ／ＺｎやＺｎ／Ｆｅや（Ｆｅ／Ｚｎ）×２のようなＦｅ層とＺｎ層の積層体としても良いし、Ｚｎ５０Ｆｅ５０のような合金の単層としてもよい。ここで、酸化物層の母材料としては、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＣｄから選択される少なくとも１つの元素並びにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１つの元素を含む金属層を成膜することができる。次に、ＺｎとＦｅを含む金属材料に酸化処理を施す。この酸化処理は、希ガスなどのイオンビームまたはプラズマを金属材料層に照射しながら、酸素を供給して行う、イオンアシスト酸化（ＩＡＯ：Ｉｏｎ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を用いることができる。また、上記のイオンアシスト酸化処理において、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材料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を酸化物層として形成することができる。また、一層の酸化物層を形成するに当たり、上述した金属材料層の形成と酸化処理を数回繰り返して行ってもよい。この場合、所定の膜厚の酸化物層を一度の成膜および酸化処理で作製するのではなく、膜厚を分割して薄い膜厚の金属材料層に酸化処理を行うほうが好ましい。また、ＺｎとＦｅを含む金属材料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。また、ＺｎとＦｅの金属材料を積層体とした場合は、均一に混合されたＺｎとＦｅの酸化物層を形成する上で、イオンビームの照射を行いながら酸化したほうが好ましい。また、 (Zn30Fe70)3O4の酸化物ターゲットをスパッタで形成しても良い。また、 (Zn30Fe70)3O4の酸化物ターゲットを用いてスパッタで成膜した後に、追加酸化処理や還元処理を組み合わせても良い。このような追加処理を行うことで、最も高いスピンフィルター効果を発揮するＦｅ―Ｚｎ混合酸化物の酸素濃度に調整することができる。
【００９０】
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、当該希ガスは、例えば、アルゴン、キセノン、ヘリウム、ネオンおよびクリプトンから成る群から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。
【００９１】
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、たとえば、金属材料層を成膜後に１００℃〜３００℃の温度で加熱しながら、酸素を供給してもよい。
【００９２】
以下、酸化物層２１を形成する酸化処理において、イオンビームアシスト酸化処理を行った場合のビーム条件について説明する。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Ｖを３０Ｖ〜１３０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ〜２００ｍＡ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同様に酸化物層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°、膜面に平行に入射する場合を９０°と定義して、０°〜８０°の範囲で適宜変更する。この工程による処理時間は１５秒〜１２００秒が好ましく、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秒から６００秒が好ましい。
【００９３】
イオン又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１×１０３〜１×１０４Ｌ（Ｌａｎｇｍｉｕｒ、１Ｌ＝１×１０−６Ｔｏｒｒ×ｓｅｃ）が好ましい。自然酸化の場合には３×１０３Ｌ〜３×１０４Ｌが好ましい。
【００９４】
ＺｎとＦｅを含む金属材料に酸化処理を施す代わり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、クリプトンまたはキセノンのイオン、プラズマまたはラジカル、または水素または窒素の分子、イオン、プラズマまたはラジカルの少なくとも何れかを含むガスを使用することができる。特に還元性ガスとして、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトンまたはキセノンのイオンまたはプラズマ、または水素または窒素のイオンまたはプラズマの少なくとも何れかを含むガスを使用することが好ましい。さらに、還元性ガスとしては、アルゴンのイオンまたはプラズマの少なくとも何れかを含むガスを使用することが好ましい。この還元処理によって、酸化処理後の母材料から成る膜の酸素濃度を調整することができ、スピンフィルター効果を最も強く発現できる濃度に調整することができる。
【００９５】
還元処理は、酸化処理後の母材料から成る膜を加熱しながら行うことができる。例えば、１００℃から３００℃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。ここで、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および加熱から成る群から選択される少なくとも１つ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。
【００９６】
また、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。
【００９７】
このような還元処理について、特にＡｒイオンビーム照射を行った場合のビーム条件を以下に説明する。還元処理により、酸化物層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Ｖを３０Ｖ〜１３０Ｖ、ビーム電流Ｉｂを２０ｍＡ〜２００ｍＡ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同様に酸化物層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°、膜面に平行に入射する場合を９０°と定義して、０°〜８０°の範囲で適宜変更する。この工程による処理時間は１５秒〜１２００秒が好ましく、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秒から６００秒が好ましい。
【００９８】
ステップＳ１６では、酸化物層２１上に第２の金属層を形成する。
【００９９】
第２の金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、及びＺｎのいずれかの金属を用いて形成する。
【０１００】
ステップＳ１７では、第２の金属層状に磁化自由層１８を形成する。磁化自由層１８としては、例えば、Ｆｅ５０Ｃｏ５０［１ｎｍ］／Ｎｉ９０Ｆｅ１０［３ｎｍ］を形成する。
【０１０１】
ステップＳ１８では、磁化自由層１８上にキャップ層１９を形成する。キャップ層１９としては、例えば、Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］を形成する。
【０１０２】
ステップＳ１９では、アニール処理を行う。
【０１０３】
最後に、キャップ層１９上に磁気抵抗効果素子１０へ垂直通電するための電極２０を形成する。
【０１０４】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の構成を示す図である。
【０１０５】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、磁気抵抗効果素子１０を酸化等の劣化から防止するキャップ層１９と、磁化が固着された磁化固着層（以下、磁化固着層と呼ぶ）１４と、キャップ層１９と磁化固着層１４との間に設けられた磁化が自由に回転する磁化自由層（以下、磁化自由層と呼ぶ）１８と、磁化固着層１４と磁化自由層１８との間に設けられた非磁性体からなる中間層（以下、「スペーサ層」という。）１６と、スペーサ層１６中に設けられた、少なくともＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、及びＣｄの何れか１つの元素、並びに少なくともＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１つの元素を含む酸化物層２１と、を備えた積層体７と、積層体７の膜面に垂直に電流を流すための一対の電極１１、２０と、電極１１と磁化固着層１４の間に設けられた磁化固着層の磁化方向を固着するための反強磁性体からなるピニング層１３と、ピニング層１３と電極１１との間に設けられた下地層１２とを備える。第１の実施の形態と異なる点はスペーサ層１６が下部金属層１５、上部金属層１７を含まない点である。
【０１０６】
第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図２に示すようにスペーサ層として酸化物層２１を設けた構造を作製した。
【０１０７】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２Ωμｍ２、ＭＲ変化率は１４％であり、比較例１のＭＲ変化率よりも大きな値を示すことが確認された。第１の実施形態と同様に第１の変形例に係わる磁気抵抗効果素子１０でも、ＭＲの変化率の向上をさせることができることがわかる。ＭＲ変化率が向上した理由として、酸化物層が高いスピン依存散乱効果と低い抵抗率の実現によるスピンフリップの低減を両立できているため、結果として高いスピンフィルター効果を発現しているためと考えられる。
【０１０８】
ここで、実施例１の第１の金属層と第２の金属層を設けた場合の磁気抵抗効果素子と、実施例２８の第１の金属層と第２の金属層を設けていない場合の磁気抵抗効果素子の磁化自由層と磁化固着層の層間結合磁界を測定したところ、実施例１は４５Oe、実施例２８は９５Oeであった。この結果より、スペーサ層をすべて酸化物層で形成した場合、高いＭＲ変化率を得ることができるが、第１の金属層と第２の金属層を設けた場合のほうが、磁化自由層と磁化固着層の層間結合を弱めることができるため、小さい磁気ノイズを実現する観点で望ましい。
【０１０９】
（第５の変形例）
図８は、第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の変形例を示す図である。図１に示す第２の実施形態と同一構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
【０１１０】
第４の変形例は、磁化固着層を有しておらず、２層の磁化自由層で形成されている点が実施形態と異なる。このような磁気抵抗効果素子では、磁気ディスクからの磁界が加わっていない状態における磁化自由層１８１と磁化自由層１８２の磁化が９０°になるようにバイアスされており、磁気ディスクからの磁界によって、２層の磁化自由層の相対角度が変化することにより、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合せなどで得ることができる。
【０１１１】
ここで、スペーサ層１６はすべて酸化物層２１で形成されている。
【０１１２】
このような２層の磁化自由層からなる磁気抵抗効果素子を用いた場合でも高いスピンフィルター効果を発現して、MＲ変化率を大きく向上することができる。
【０１１３】
また、上述した第５の変形例以外にも、第２の実施形態においても、第１の実施形態の第２の変形例と同様にトップスピンバルブ構造も用いることができる。
【０１１４】
また、第２の実施形態においても、第１の実施形態の第２の変形例と同様に差動型構造も用いることができる。
【０１１５】
（第３の実施の形態）
次に、磁気抵抗効素子１０を用いた磁気記録再生装置、磁気ヘッドアセンブリについて説明する。
【０１１６】
図１２は本実施形態に係わる磁気記録再生装置を示す斜視図である。
【０１１７】
図１２に示すように、本実施形態に係わる磁気記録再生装置３１０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。磁気記録媒体２３０は、スピンドルモータ３３０に設けられ、駆動制御部（図示せず）からの制御信号に応答するモータ（図示せず）により媒体移動方向２７０の方向に回転する。磁気記録再生装置３１０は、複数の磁気記録媒体２３０を備えてもよい。
【０１１８】
磁気記録媒体２３０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ２８０は、図１３に示すように、磁気抵抗効果素子１０を備えた磁気ヘッド１４０がヘッドスライダ２８０に設けられる。ヘッドスライダ２８０は、Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＣなどからなり、磁気ディスクなどの磁気記録媒体２３０の上を、浮上又は接触しながら相対的に運動できるように設計されている。
【０１１９】
ヘッドスライダ２８０は薄膜状のサスペンション３５０の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ２８０は、磁気ヘッド１４０をヘッドスライダ２８０の先端付近に設けられている。
【０１２０】
磁気記録媒体２３０が回転すると、サスペンション３５０により押し付け圧力とヘッドスライダ２８０の媒体対向面（ＡＢＳ）で発生する圧力とがつりあう。ヘッドスライダ２８０の媒体対向面は、磁気記録媒体２３０の表面から所定の浮上量をもって保持される。ヘッドスライダ２８０が磁気記録媒体２３０と接触する「接触走行型」としてもよい。
【０１２１】
サスペンション３５０は、駆動コイル（図示せず）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３６０の一端に接続されている。アクチュエータアーム３６０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３７０が設けられている。ボイスコイルモータ３７０は、アクチュエータアーム３６０のボビン部に巻き上げられた駆動コイル（図示せず）と、この駆動コイルを挟み込むように対向して設けられた永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路から構成することができる。
【０１２２】
アクチュエータアーム３６０は、軸受部３８０の上下２箇所に設けられたボールベアリング（図示せず）によって保持され、ボイスコイルモータ３７０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１４０を磁気記録媒体２３０の任意の位置に移動可能となる。
【０１２３】
図１４（ａ）は、本実施形態に係わる磁気記録再生装置３１０の一部を構成するヘッドスタックアセンブリ３９０を示す。
【０１２４】
図１４（ｂ）は、ヘッドスタックアセンブリ３９０の一部となる磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ））４００を示す斜視図である。
【０１２５】
図１４（ａ）に示すように、ヘッドスタックアセンブリ３９０は、軸受部３８０と、この軸受部３８０から延出したヘッドジンバルアセンブリ４００と、軸受部３８０からヘッドジンバルアセンブリ４００と反対方向に延出しているとともにボイスコイルモータのコイル４１０を支持した支持フレーム４２０を有する。
【０１２６】
図１４（ｂ）に示すように、ヘッドジンバルアセンブリ４００は、軸受部３８０から延出したアクチュエータアーム３６０と、アクチュエータアーム３６０から延出したサスペンション３５０とを有する。
【０１２７】
サスペンション３５０の先端には、第２の実施形態で説明した磁気記録ヘッド１４０を有するヘッドスライダ２８０が設けられている。
【０１２８】
本実施形態に係わる磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ））４００は、第２の実施形態で説明した磁気記録ヘッド１４０と、磁気記録ヘッド１４０が設けられたヘッドスライダ２８０と、ヘッドスライダ２８０を一端に搭載するサスペンション３５０と、サスペンション３５０の他端に接続されたアクチュエータアーム３６０とを備える。
【０１２９】
サスペンション３５０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、ＳＴＯ１０用のリード線（図示せず）を有し、このリード線とヘッドスライダ２８０に組み込まれた磁気記録ヘッド１４０の各電極とが電気的に接続される。電極パッド（図示せず）はヘッドジンバルアセンブリ４００に設けられる。本実施形態では、電極パッドは８個設けられる。主磁極２００のコイル用の電極パッドが２つ、磁気再生素子１９０用の電極パッドが２つ、ＤＦＨ（ダイナミックフライングハイト）用の電極パッドが２つ、ＳＴＯ１０用の電極パッドが２つ設けられている。
【０１３０】
信号処理部３８５（図示せず）が、図１２に示す磁気記録再生装置３１０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部３８５は、磁気記録ヘッド１４０を用いて磁気記録媒体２３０への信号の書き込みと読み出しを行う。信号処理部３８５の入出力線は、ヘッドジンバルアセンブリ４００の電極パッドに接続され、磁気記録ヘッド１４０と電気的に結合される。
【０１３１】
本実施形態に係わる磁気記録再生装置３１０は、磁気記録媒体２３０と、磁気記録ヘッド１４０と、磁気記録媒体２３０と磁気記録ヘッド１４０とを離間させ、又は、接触させた状態で対峙させながら相対的に移動可能とした可動部と、磁気記録ヘッド１４０を磁気記録媒体２３０の所定記録位置に位置あわせする位置制御部と、磁気記録ヘッド１４０を用いて磁気記録媒体２３０への書き込みと読み出しを行う信号処理部３８５とを備える。
【０１３２】
上記の磁気記録媒体２３０として、磁気記録媒体２３０が用いられる。上記の可動部は、ヘッドスライダ２８０を含むことができる。上記の位置制御部は、ヘッドジンバルアセンブリ４００を含むことができる。
【０１３３】
磁気記録再生装置３１０は、磁気記録媒体２３０と、ヘッドジンバルアセンブリ４００と、ヘッドジンバルアセンブリ４００に搭載された磁気記録ヘッド１４０を用いて磁気記録媒体２３０への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部３８５とを備える。
【０１３４】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
【０１３５】
本実施形態は、前述の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについてのものである。すなわち、前述の第１の実施形態に係る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（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）などの磁気メモリを実現できる。
【０１３６】
図１５は、第２１の実施形態に係る磁気メモリを例示する回路図である。
【０１３７】
図１５は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ５５０、行デコーダ５５１が備えられており、ビット線５３４とワード線５３２によりスイッチングトランジスタ５３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ５５２で検出することにより磁気抵抗効果素子１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは、特定の書き込みワード線５２３とビット線５２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
【０１３８】
図１６は、第１９の実施形態に係る磁気メモリの要部を例示する断面図である。
【０１３９】
図１７は、図１６に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【０１４０】
これらの図に示した構造は、図１５に示した磁気メモリに含まれる１ビット分のメモリセルに対応する。
【０１４１】
図１６及び図１７に示すように、このメモリセルは、記憶素子部分５１１とアドレス選択用トランジスタ部分５１２とを有する。
【０１４２】
記憶素子部分５１１は、磁気抵抗効果素子１０と、これに接続された一対の配線５２２、５２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０は、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）である。
【０１４３】
一方、選択用トランジスタ部分５１２には、ビア５２６および埋め込み配線５２８を介して接続されたトランジスタ５３０が設けられている。このトランジスタ５３０は、ゲート５３２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１０と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
【０１４４】
また、磁気抵抗効果素子１０の下方には、書き込み配線５２３が、配線５２２とほぼ直交する方向に設けられている。これら書き込み配線５２２、５２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【０１４５】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子１０に書き込むときは、配線５２２、５２３に書き込みパルス電流を流し、それら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の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０１４６】
また、ビット情報を読み出すときは、配線５２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０と、下電極５２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
【０１４７】
本発明の実施形態に係る磁気メモリは、上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＣＣＰ−ＣＰＰ素子）を用いることにより、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１４８】
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施形態について説明する。
【０１４９】
本実施形態は、前述の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについてのものである。
【０１５０】
図１８は、第２２の実施形態に係る磁気メモリを例示する回路図である。
【０１５１】
図１８に示すように、本実施形態においては、マトリクス状に配線されたビット線５２２とワード線５３４とが、それぞれデコーダ５６０、５６１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１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子１０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防止する役割を有する。書き込みは、特定のビット線５２２と書き込みワード線５２３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。
【０１５２】
第２０の実施形態に係る磁気メモリにおける上記以外の構成は、前述した第１９の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【実施例】
【０１５３】
（実施例１）
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を作製して、ＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図１に示すようにスペーサ層として第１の金属層／酸化物層／第２の金属層を設けた構造を作製した。
【０１５４】
酸化物層２１の作製方法は、第１の金属層上に、Ｆｅを１ｎｍ形成し、その上にＺｎを０．６ｎｍ形成した。次に、ＩＡＯによりＺｎとＦｅの混合酸化物（以下、Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏと表記する）へと変換を行って酸化物層を形成した。このときの酸化物層の膜厚は１．５ｎｍであった。この時、ＩＡＯで用いる酸素曝露量は３．０×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒとして用いた。
【０１５５】
以下に、本実施例で形成した磁気抵抗効果素子１０の構成を示す。
【０１５６】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
最後に、２８０℃で５時間アニール処理を行い、電極１１、２０を形成した。
【０１５７】
図９は、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０の断面ＴＥＭ像を示す図である。スペーサ層部分に酸化物層２１が均一に形成されていることが確認できる。
【０１５８】
図９には、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０の断面ＴＥＭ像に対応したＥＤＸライン分析の結果も合わせて示してある。酸化物層２１に相当する場所は、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｏのピークの位置が一致しており、ＺｎとＦｅが完全に混合した酸化物層が形成されていることがわかる。
【０１５９】
なお、本実施例に係わる何れの磁気抵抗効果素子でも、ＴＥＭ像及びＥＤＸライン分析により機能層が形成されていることが確認できた。
【０１６０】
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２１Ωμｍ２、ＭＲ変化率は１０％であった。
【０１６１】
（実施例２）
第１の実施形態に係わる係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図１に示すようにスペーサ層として第１の金属層／酸化物層／第２の金属層を設けた構造を作製した。実施例１と異なる点は、第１の金属層と第２の金属層の材料をＣｕからＺｎに変更した点である。
【０１６２】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｚｎ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ｚｎ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２Ωμｍ２、ＭＲ変化率は９．０％であった。
【０１６３】
（実施例３）
第１の実施形態に係わる係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図１に示すようにスペーサ層として第１の金属層／酸化物層／第２の金属層を設けた構造を作製した。実施例１と異なる点は、第２の金属層のみをＺｎに変更した点である。
【０１６４】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ｚｎ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２Ωμｍ２、ＭＲ変化率は１４％であった。
【０１６５】
（実施例４）
第１の実施形態に係わる係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図１に示すようにスペーサ層として第１の金属層／酸化物層／第２の金属層を設けた構造を作製した。実施例１と異なる点は、第１の金属層と第２の金属層をＣｕからＡｇに変更した点である。
【０１６６】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ａｇ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ａｇ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２Ωμｍ２、ＭＲ変化率は９．２％であった。
【０１６７】
（実施例５）
第１の実施形態に係わる係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図１に示すようにスペーサ層として第１の金属層／酸化物層／第２の金属層を設けた構造を作製した。実施例１と異なる点は、第１の金属層と第２の金属層をＣｕからＡｕに変更した点である。
【０１６８】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ａｕ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ａｕ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２Ωμｍ２、ＭＲ変化率は７．５％であった。
【０１６９】
（実施例６）
第１の実施形態に係わる係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図１に示すようにスペーサ層として第１の金属層／酸化物層／第２の金属層を設けた構造を作製した。実施例１と異なる点は、酸化物層２１の材料を変更した点である。
【０１７０】
本実施例では、酸化物層２１の作製方法は、第１の金属層上に、Ｆｅ５０Ｃｏ５０を１ｎｍ形成し、その上にＺｎを０．６ｎｍ形成した。次に、ＩＡＯによりＺｎとＦｅ５０Ｃｏ５０の混合酸化物（以下、Ｚｎ−Ｆｅ５０Ｃｏ５０−Ｏと表記する）へと変換を行い酸化物層を形成した。このときの酸化物層の膜厚は１．７ｎｍであった。この時、ＩＡＯで用いる酸素曝露量は３．０×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒとして用いた。
【０１７１】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ５０Ｃｏ５０−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ｚｎ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２Ωμｍ２、ＭＲ変化率は１３．５％であった。
【０１７２】
（実施例７〜１１、比較例２）
第１の実施形態で説明した図１に示す磁気抵抗効果素子１０について、酸素曝露量を変化させることで、磁気抵抗効果素子のＲＡ値と磁気抵抗効果素子を構成する機能層の抵抗率を変化させた。実施例１と異なる点は酸化物層２１の膜厚が異なる点である。そして、磁気抵抗効果素子のＲＡ値と機能層の抵抗率が、ＭＲ変化率に及ぼす影響を調べた。
【０１７３】
本実例で作製した磁気抵抗効果素子１０の構造を下記に示す。
【０１７４】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１ｎｍ］
第１の金属層：Ｚｎ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
酸化物層２１の作製方法は、Ｃｕからなるスペーサ層上に、Ｆｅを１ｎｍ形成し、その上にＺｎを０．６ｎｍ形成した。次に、ＩＡＯによりＺｎとＦｅの混合酸化物（以下、Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏと表記する）へと変換行い機能層を形成した。その後、Ａｒプラズマ照射による還元処理を行った。また、磁気抵抗効果素子のＲＡ値と機能層の抵抗率がＭＲ変化率に及ぼす影響を調べるために、ＩＡＯで用いる酸素曝露量を変化させて、異なるＲＡ値を有する磁気抵抗効果素子を作製した。このときの実施例７での酸素曝露量は、１．２×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒ、実施例８では、１．５×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒ、実施例９では１．８×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒ、実施例１０では３．０×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒ、実施例１１では４．５×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒとした。比較例２では、６．０×１０４Ｌａｎｇｍｉｕｒとした。
【０１７５】
表１は、ＩＡＯで用いる酸素暴露量を変えて、磁気抵抗効果素子のＲＡ値とＺｎ−Ｆｅ−Ｏから構成される機能層の抵抗率を変化させたときの機能層のＭＲ変化率の結果を示す図である。なお、参考に機能層を設けていない磁気抵抗効果素子の測定結果（比較例１に相当する）も示す。
【表１】
0005739685.tif 000002
【０１７６】
機能層の抵抗率は、機能層の抵抗率をρＺｎ−Ｆｅ−Ｏ、機能層の膜厚をｔＺｎ−Ｆｅ−Ｏ、機能層を設けたことによる磁気抵抗効果素子の面積抵抗の増大量をΔＲＡＺｎ−Ｆｅ−Ｏとして、下記の式１のから機能層の抵抗率ρＺｎ−Ｆｅ−Ｏを求めた。
【数１】
0005739685.tif 000003
【０１７７】
また、機能層の膜厚は、断面ＴＥＭ観察像から求めて、実施例７、８、９、及び比較例２に係わる機能層の膜厚は何れも１．５ｎｍであった。なお、ΔＲＡの値は、機能層を設けていない状態の磁気抵抗効果素子のＲＡ値（表１の比較例１）と機能層を設けた状態での磁気抵抗効果素子のＲＡ値との差分を用いている。
【０１７８】
表１から機能層の抵抗率が５×１０５μΩｃｍ以下の場合に、比較例と比べＭＲ変化率が向上していることがわかる。１Ωμｍ２以下の場合に特に大きくＭＲ変化率が向上していることがわかる。また、磁気抵抗効果素子のＲＡ値が５Ωμｍ２以下の場合に比較例と比べＭＲ変化率が向上しており、１Ωμｍ２以下の場合に特に大きくＭＲ変化率が向上していることがわかる。
【０１７９】
上記の結果は、適正な酸素暴露量を用いて、低い抵抗率の酸化物層を作製することにより、酸化物層内部のスピンフリップを抑制することができたためと考えられる。
【０１８０】
（実施例１２〜１７）
第１の実施形態で説明した図１に示す磁気抵抗効果素子１０について、第１の金属層の膜厚を変えて作製し、第１の金属層の膜厚がＭＲ変化率に及ぼす影響を調べた。第１の金属層の膜厚以外は製造プロセス含めて実施例３と同様である。
【０１８１】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［表２に記載］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ｚｎ［０．５ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
【表２】
0005739685.tif 000004
【０１８２】
本実施例の素子特性を調べた結果を表２に示す。表２から第１の金属層の膜厚が０．５ｎｍから３ｎｍのすべての場合で、ＭＲ変化率が向上していることがわかる。また、第１の金属層の膜厚が２ｎｍ以下の場合に高いＭＲ変化率が得られており、１ｎｍ以下の場合に特に高いＭＲ変化率が得られている。これは、第１の金属層を厚くするに従い、酸化物層界面への磁化固着層１３からのスピン蓄積が弱まり、磁化固着層側のスピンフィルター効果が弱まるためと考えられる。磁化固着層側のスピンフィルター効果を高めるためには第１の金属層が薄いほど望ましいが、磁化固着層と磁化自由層の磁気結合を十分に分断するためには、第１の金属層の膜厚がある程度厚いことが望ましい。このようなトレードオフから、第１の金属層の膜厚は適切に設定することが望ましい。
【０１８３】
（実施例１８〜２３）
第１の実施形態で説明した図１に示す磁気抵抗効果素子１０について、第２の金属層の膜厚を変えて作製し、第２の金属層の膜厚がＭＲ変化率に及ぼす影響を調べた。第２の金属層の膜厚以外は実施例３と同様である。
【０１８４】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
第１の金属層：Ｚｎ［表３に記載］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
【表３】
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【０１８５】
本実施例の素子特性を調べた結果を表３に示す。表３から第２の金属層の膜厚が０．５ｎｍから３ｎｍのすべての場合で、ＭＲ変化率が向上していることがわかる。また、第２の金属層の膜厚が２ｎｍ以下の場合に高いＭＲ変化率が得られており、１ｎｍ以下の場合に特に高いＭＲ変化率が得られている。これは、第２の金属層を厚くするに従い、酸化物層界面への磁化自由層１６からのスピン蓄積が弱まり、磁化固着層側のスピンフィルター効果が弱まるためと考えられる。磁化自由層側のスピンフィルター効果を高めるためには第２の金属層が薄いほど望ましいが、磁化固着層と磁化自由層の磁気結合を十分に分断するためには、第１の金属層の膜厚がある程度厚いことが望ましい。このようなトレードオフから、第１の金属層の膜厚は適切に設定することが望ましい。
【０１８６】
（実施例２４〜３３）
第１の実施形態に係わる係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図１に示すようにスペーサ層として第１の金属層／酸化物層／第２の酸化物機能層を設けた構造を作製した。実施例３と異なる点は、酸化物層２１の膜厚を変えた点である。
【０１８７】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
第１の金属層：Ｃｕ［０．５ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［表５に記載］
第１の金属層：Ｚｎ［０．５ｎｍ］
フリー層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
【表４】
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【０１８８】
本実施例の素子特性を調べた結果を表４に示す。表４から酸化物層２１の膜厚が０．２ｎｍから５ｎｍのすべての場合で、ＭＲ変化率が向上していることがわかる。また、第２の金属層の膜厚が０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下の場合に高いＭＲ変化率が得られていることがわかった。
【０１８９】
（実施例３４）
第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。すなわち、図４に示すようにスペーサ層として酸化物層２１を設けた構造を作製した。
【０１９０】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
ピン層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
酸化物層２１：Ｚｎ−Ｆｅ−Ｏ［１．５ｎｍ］
フリー層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［３ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．２Ωμｍ２、ＭＲ変化率は１４％であり、比較例１のＭＲ変化率よりも大きな値を示すことが確認された。第１の実施形態と同様に第２の実施形態に係わる磁気抵抗効果素子１０でも、ＭＲの変化率の向上をさせることができることがわかる。ＭＲ変化率が向上した理由として、酸化物層が高いスピン依存散乱効果と低い抵抗率の実現によるスピンフリップの低減を両立できているため、結果として高いスピンフィルタリング効果を発現しているためと考えられる。
【０１９１】
ここで、実施例１の第１の金属層と第２の金属層を設けた場合の磁気抵抗効果素子と、実施例２８の第１の金属層と第２の金属層を設けていない場合の磁気抵抗効果素子のフリー層とピン層の層間結合磁界を測定したところ、実施例１は４５Oe、実施例２８は９５Oeであった。この結果より、スペーサ層をすべて酸化物層で形成した場合、高いＭＲ変化率を得ることができるが、第１の金属層と第２の金属層を設けた場合のほうが、フリー層とピン層の層間結合を弱めることができるため、小さい磁気ノイズを実現する観点で望ましい。
【０１９２】
（比較例１）
機能層を用いていない磁気抵抗効果素子を作製してＲＡ値及びＭＲ変化率を評価した。
【０１９３】
下地層１２：Ｔａ［１ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
ピニング層１３：Ｉｒ２２Ｍｎ７８［７ｎｍ］
磁化固着層１４：Ｃｏ９０Ｆｅ１０［４．４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
スペーサ層１６：Ｃｕ［３ｎｍ］
磁化自由層１８：Ｆｅ５０Ｃｏ５０［４ｎｍ］
また、本実施例に係わる磁気抵抗効果素子１０のＲＡは０．０８Ωμｍ２、ＭＲ変化率は１．５％であった。
【０１９４】
実施例１〜３４に係わる磁気抵抗効果素子１０のＭＲ変化率は何れも、比較例１のＭＲ変化率よりも大きな値を示しており、第１の実施形態及び第２の実施形態に係わる磁気抵抗効果素子１０を用いることで、ＭＲの変化率の向上をさせることができることがわかる。
【０１９５】
ＭＲ変化率が向上した理由として、酸化物層が高いスピン依存散乱効果と低い抵抗率の実現によるスピンフリップの低減を両立できているため、結果として高いスピンフィルター効果を発現しているためと考えられる。
【０１９６】
以上、本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気メモリも同様に本発明に係る磁気抵抗効果素子を用いることができる。
【０１９７】
本発明の実施形態では、ボトム型の磁気抵抗効果素子１０について説明したが、ピン層１４がスペーサ層１６よりも上に形成されたトップ型の磁気抵抗効果素子１０でも本発明の効果を得ることができる。
【０１９８】
実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記録再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記録再生装置および磁気メモリも同様に本発明に係る磁気抵抗効果素子を用いることができる。
【０１９９】
実施形態では、ボトム型の磁気抵抗効果素子１０について説明したが、磁化固着層１４がスペーサ層１６よりも上に形成されたトップ型の磁気抵抗効果素子１０でも実施形態の効果を得ることができる。
【０２００】
以上、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及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０２０１】
１０  磁気抵抗効果素子
１１、２０  電極
１２  下地層
１３  ピニング層
１４  磁化固着層
１６  スペーサ層
１８  磁化自由層
１９  キャップ層
２１  酸化物層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１１】
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