(57)【要約】    【課題】１００％近いスピン偏極を有する半金属強磁性体ホイスラー合金を含む、交換結合構造を有する磁気抵抗素子の実現が求められている。    【解決手段】非磁性スペーサ１２０で分離されているピンド強磁性体層１１８とフリー強磁性体層１３２を有する磁気抵抗素子であり、ピンド強磁性体層１１８として１００％近いスピン偏極の半金属強磁性体ホイスラー合金を使用する交換結合した反強磁性体層／強磁性体層構造を有している。交換結合構造１１０は中間強磁性体層１１６をＡＦ層１１２とピンド半金属強磁性体ホイラー合金層１１８の間に有しており、この結果交換バイアスを形成している。交換結合構造１１０を組み込むことができる磁気抵抗素子には面内電流（ＣＩＰ）読み出しヘッドと面直交電流（ＣＰＰ）磁気トンネル接合及び読み出しヘッドがある。交換結合構造１１０は磁気抵抗素子の非磁性スペーサ層１２０の上か下に設けられている。【選択図】図２Ａ
2004260149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上にあり、反強磁性材料の層と、半金属強磁性体ホイスラー合金の層と、前記反強磁性材料と前記合金に接触しかつその間に配置された強磁性材料の層と、を有する交換結合構造と、
を有することを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記反強磁性材料は、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＲｕＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＩｒＭｎＣｒ、ＦｅＭｎ、ＮｉＯ及びＣｏＯからなるグループから選択された材料であることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項３】
前記強磁性材料は、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅの１つ以上の合金であることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項４】
前記合金は、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｍｎ２ＶＡｌ、Ｆｅ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ及びＣｏ２ＦｅｘＣｒ(1-X)Ａｌからなるグループから選択された材料であり、ここでＸは０と１の間であることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項５】
前記Ｘは、ほぼ０．６であることを特徴とする請求項４記載の素子。
【請求項６】
前記素子は、面直交電流磁気抵抗センサであることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項７】
前記素子は、面内電流磁気抵抗センサであることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項８】
前記素子は、磁気記録読み出しヘッドであることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項９】
前記素子は、磁気トンネル接合素子であることを特徴とする請求項１記載の素子。
【請求項１０】
前記磁気トンネル接合素子は、メモリセルであることを特徴とする請求項９記載の素子。
【請求項１１】
前記磁気トンネル接合素子は、磁気記録読み出しヘッドであることを特徴とする請求項９記載の素子。
【請求項１２】
基板と、
前記基板上にあり、磁界の存在下で磁気モーメントが実質的に自由に回転する強磁性体層と、
前記基板上にあり、反強磁性材料の層と、半金属強磁性体ホイスラー合金の層と、前記反強磁性材料と前記合金に接触しかつその間に配置されており、磁気モーメントが前記反強磁性体層との交換バイアスにより固定されている強磁性材料の層と、を有する交換結合構造と、
前記自由強磁性体層と半金属強磁性体合金層に接触しかつその間に配置された非磁性スペーサ層と、
を有することを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項１３】
前記交換結合構造は前記基板と前記スペーサ層の間に配置され、前記自由強磁性体層は前記スペーサ層の上に設けられていることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【請求項１４】
前記自由強磁性体層は前記基板と前記スペーサ層の間に配置され、前記交換結合構造は前記スペーサ層の上に設けられていることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【請求項１５】
前記素子は磁気トンネル接合素子であり、前記スペーサ層は電気的絶縁体であることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【請求項１６】
前記磁気トンネル接合素子は、メモリセルであることを特徴とする請求項１５記載の素子。
【請求項１７】
前記磁気トンネル接合素子は、磁気記録読み出しヘッドであることを特徴とする請求項１５記載の素子。
【請求項１８】
前記スペーサ層は、導電体であることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【請求項１９】
前記素子は、面内電流スピン・バルブ磁気記録読み出しヘッドであることを特徴とする請求項１８記載の素子。
【請求項２０】
前記素子は、面直交電流スピン・バルブ磁気記録読み出しヘッドであることを特徴とする請求項１８記載の素子。
【請求項２１】
前記反強磁性材料は、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＲｕＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＩｒＭｎＣｒ、ＦｅＭｎ、ＮｉＯ及びＣｏＯからなるグループの中から選択された材料であることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【請求項２２】
前記強磁性材料は、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅのうち１つ以上の合金であることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【請求項２３】
前記合金は、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｍｎ２ＶＡｌ、Ｆｅ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、及びＣｏ２ＦｅｘＣｒ(1-ｘ)Ａｌからなるグループから選択された材料であり、ここでＸは０と１の間であることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【請求項２４】
前記Ｘは、ほぼ０．６であることを特徴とする請求項１２記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子一般に係り、より具体的には面内電流（ＣＩＰ：current- in-the-plane）読み出しヘッド、面直交電流（ＣＰＰ：current-perpendicular-to- the-plane）磁気トンネル接合および読み出しヘッドなどの交換結合している反強磁性／強磁性（ＡＦ／Ｆ）構造を使用する磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体（Ｆ）膜と近接の反強磁性体（ＡＦ）膜との交換バイアスは、磁気素子に於いて多くの有用な用途があることが示されており、最初に非特許文献１に発表された。強磁性体膜一層のヒステリシス・ループはゼロ磁界が中心であるのに対し、Ｆ／ＡＦ交換結合構造はゼロ磁界から交換バイアスだけシフトした非対称磁気ヒステリシス・ループを示す。Ｆ膜の磁気ヒステリシス・ループのオフセットの他にＦ／ＡＦ結合構造のＦ膜はＡＦ膜のブロッキング温度以下で一般に高い保磁力を示す。ブロッキング温度は一般にＡＦ膜のニール温度すなわち磁気整列温度に近いが、それ以下である。交換バイアス磁界の大きさと増大保磁力を決定する詳細なメカニズムはＦ膜とＡＦ膜の界面作用から発生する。交換バイアス磁界及び増大した保磁力の大きさを決定する詳細なメカニズムはＦ膜とＡＦ膜の界面相互作用により生ずる。
【０００３】
交換結合構造を採用した最も一般的なＣＩＰ磁気抵抗素子は、磁気ディスク・ドライブの読み出しヘッドに使われるスピン・バルブ（ＳＶ）型のジャイアント磁気抵抗（ＧＭＲ）センサである。ＳＶ-ＧＭＲヘッドは、極めて薄い非磁性導電性のスペーサ層（通常銅）で分離された２つの強磁性体の層を有し、これらの層の面内での検出電流に対する電気抵抗は、２つの強磁性体層の相対磁化配向に依存している。強磁性体層のうちの１つ（「自由」あるいは「フリー」層）の磁化方向あるいは磁化モーメントは、記録されたデータからの磁界の存在により自由に回転し、一方他の強磁性体層（「固定」あるいは「ピンド」層）は、近接の反強磁性体層と交換結合しており磁化が固定されている。ピンド強磁性体層と近接の反強磁性体層とは交換結合構造を形成している。
【０００４】
提案されている交換結合構造を使用するＣＰＰ磁気抵抗素子の１つのタイプは磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子で、極めて薄い通常アルミナの非磁性絶縁トンネル・バリア・スペーサ層で分離された２層の強磁性体層を有しており、ここで面に直交方向に流れるトンネル電流は、２つの強磁性体層の相対磁化配向に依存している。ＭＴＪは磁気記録ディスク・ドライブの読み出しヘッド、不揮発性メモリ素子すなわち磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）の素子に使用することが提案されている。ＭＴＪ素子では、ＣＩＰ ＳＶ-ＧＭＲセンサのように、強磁性体層の１つが近接する反強磁性体層と交換結合して磁化が固定されており、交換結合構造を形成している。
【０００５】
交換結合構造を使用する他の型のＣＰＰ磁気抵抗素子はＳＶ-ＧＭＲセンサで、磁気記録読み出しヘッドに使用することが提案されている。提案されているＣＰＰ-ＳＶ読み出しヘッドは広く使われているＣＩＰ-ＳＶ読み出しヘッドと構造的には類似であるが、主な違いはセンス電流が２つの強磁性体層と非磁性スペーサ層を垂直方向に流れることにある。ＣＰＰ-ＳＶ読み出しヘッドは非特許文献２に記載されている。
【０００６】
これらのタイプの磁気抵抗素子では、非磁性スペーサ層に近接する強磁性材料が高いスピン偏極を有することが高磁気抵抗特性を得るための必要条件である。フリー、ピンド両強磁性体層に最も一般的に使用される材料はＣｏ，Ｆｅ及びＮｉの普通の合金であるが、これらの合金のスピン偏極は約４０％と比較的低い。ごく最近では、ある種の１００％近いスピン偏極を有する半金属強磁性体ホイスラー合金が提案されている。この種の合金としてＣｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌが最近報告されている（非特許文献３）。他の半金属強磁性体ホイスラー合金としては、ＮｉＭｎＳｂ及びＰｔＭｎＳｂがありＣＩＰ-ＳＶ読み出しヘッドの強磁性体層の中に配置された「正反射」層として特許文献１に記載されている。半金属強磁性体ホイスラー合金ＮｉＭｎＳｂに関しては、ＦｅＭｎ反強磁性体層上に形成されたとき交換バイアスは観測されなかったことが非特許文献４で報告されている。インターネット上の日付のない記事に、半金属強磁性体ホイスラー合金の多層膜にて反強磁性体層との交換結合の必要なしに交換バイアスが観測されたと推定されることが非特許文献５で報告されている。
【０００７】
【非特許文献１】W.H.Meiklejohn、C.P.Bean、Phys. Rev. 102, 1959年、p.1413
【０００８】
【非特許文献２】A.Tanaka他、IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 38(1),2002                        年1月、p.84-88 Part 1、「Spin-valve heads in the                         current-perpendicular-to-plane mode for ultrahigh-density                         recording」
【非特許文献３】T.Block, C. Felser及びJ. Windeln、IEEE International                         Magnetics Conference、4月28日ー5月2日、オランダ、アム                        ステルダム「室温でスピン偏極トンネルを示すホイスラー合金                        −低磁界にて負性大磁気抵抗効果を示す非酸化物質」
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００１２８１２号明細書
【非特許文献４】J.A.Caballero他、J.Vac.Sci.Technol. A16、1998年、p.1801-1805                       「NiMnSb系多層膜の磁気抵抗とスピン・バルブ」
【非特許文献５】K.Westerholt他、「[Co２MnGe/Au]ｎ,[Co２MnGe/Cr]ｎ及び                        [Co２MnGe/Cu２MnAl]ｎ多層膜における交換バイアス」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
１００％近いスピン偏極を有する半金属強磁性体ホイスラー合金を含む、交換結合構造を有する磁気抵抗素子の実現が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は強磁性体(Ｆ)層として１００％近いスピン偏極を有する半金属強磁性体ホイスラー合金を使用する反強磁性体／強磁性体（ＡＦ／Ｆ）が交換結合した構造を有する磁気抵抗素子に関するものである。交換結合構造はＦ層とＡＦ層の間に中間強磁性体層を有し、半金属強磁性体ホイスラー合金Ｆ層が交換バイアス特性を示すことを可能にしている。１つの実施例では、半金属強磁性体ホイスラー合金はＣｏ２ＦｅｘＣｒ（１−ｘ）Ａｌで、中間強磁性体層はＣｏ９０Ｆｅ１０で、反強磁性体層はＰｔＭｎである。交換結合構造を適用可能な磁気抵抗素子には面内電流（ＣＩＰ）読み出しヘッドと面直交電流（ＣＰＰ）磁気トンネル接合と読み出しヘッドがある。交換結合構造は非磁性スペーサ層の下または上に配置される。
【００１１】
関連する図とともに以下の詳細説明に目を通せば、本発明の本質と利点を十分に理解することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、１００％近いスピン偏極を有する半金属強磁性体ホイスラー合金を含む、交換結合構造を有する磁気抵抗素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の磁気抵抗素子が適用される磁気抵抗（ＭＲ）読み出しヘッド部と誘導書き込みヘッド部を有する統合読み出し／書き込みヘッド２５の断面図を示す。ヘッド２５は研磨されて、空気ベアリング・スライダ型のヘッド支持体の空気ベアリング面（ＡＢＳ）などのヘッド支持体の検出面を形成している。ＡＢＳの検出面はディスク・ドライブの回転ディスクの表面から距離を保っている。
【００１４】
読み出しヘッドは第一と第二のギャップ層Ｇ１、Ｇ２に挟まれたＭＲセンサ４０を有し、これらはさらに第一と第二の磁気シールド層Ｓ１、Ｓ２に挟まれている。ＭＲセンサから引き出され、検出回路と接続する導電体（図示せず）はＭＲセンサ４０と接続しＭＲセンサ４０とギャップ層Ｇ１，Ｇ２との間に設けられている。ギャップ層Ｇ１，Ｇ２はかくして引き出し線をシールドＳ１，Ｓ２から絶縁している。
【００１５】
書き込みヘッドは絶縁層Ｉ１、Ｉ３に挟まれるコイル層Ｃと絶縁層Ｉ２を有しており、これらはさらに第一と第二の磁極片Ｐ１，Ｐ２に挟まれている。ギャップ層Ｇ３は磁極先端で第一と第二の磁極片Ｐ１，Ｐ２に挟まれており、ＡＢＳに隣接して磁気空隙を形成している。書き込み中、信号電流はコイル層Ｃを流れ磁束が第一と第二の磁極層Ｐ１、Ｐ２に誘導されて、ＡＢＳにおいて磁極先端間に磁束のはみ出しを生ずる。この磁束が書き込み動作において回転ディスクのデータ・トラックの領域を磁化する。
【００１６】
読み出し動作では、回転ディスクの磁化された領域が読み出しヘッドのＭＲセンサ４０に磁束を注ぎ込み、ＭＲセンサ４０の抵抗変化を生じさせる。これらの抵抗変化はＭＲセンサ４０の電圧変化を検出して検出される。電圧変化はディスク・ドライブの電子回路で処理されてユーザ・データに変換される。図１に示す統合ヘッド２５は読み出しヘッドの第二のシールド層Ｓ２が書き込みヘッドの第一の磁極片Ｐ１として使われている「合併」ヘッドである。ピギィバックヘッドでは（図示せず）第二のシールド層Ｓ２と第一の磁極片Ｐ１とが別の層である。ＭＲセンサ４０はＣＩＰ ＳＶ-ＧＭＲ読み出しヘッドでもＭＴＪ読み出しヘッドでもＣＰＰ ＳＶ-ＧＭＲ読み出しヘッドでもよい。
【００１７】
図２Ａは端部が図１の線４２の面で切断してディスク面側から見たときの、本発明の一実施例によるＭＴＪ-ＭＲ読み出しヘッドを形成するＣＰＰ磁気抵抗素子断面図である。図２Ａの紙面はＡＢＳに平行な面で、ＭＴＪ-ＭＲ読み出しヘッドのトンネル・ジャンクションである基本的に活性な検出面を通してヘッドを形成する積層が見えている。図２Ｂは図２Ａに対して直角方向の断面図で検出面２００すなわちＡＢＳが右側である。ＭＴＪ-ＭＲ読み出しヘッドは第一の磁気シールドＳ１上に直接形成された導電性のスペーサ層１０２、及び第二の磁気シールドＳ２に直接接触しかつその下に形成された導電性スペーサ層１０４を有しており、そしてＭＴＪ１００は電気的スペーサ層１０２、１０４の間に積層構造として形成されていることが、図２Ａから図２Ｂを参照することにより分かる。本実施例では、磁気シールドＳ１、Ｓ２はともに磁気シールドとしてまたＭＴＪ１００と検出回路を接続する導電性引き出し線として作用している。図２Ａに、第一のシールドＳ１からスペーサ層１０２、ＭＴＪ１００、スペーサ層１０４を垂直に通り第二のシールドＳ２から出て行く検出電流の流れの向きが矢印で示されている。
【００１８】
ＭＴＪ１００は本発明による交換結合構造１１０を有している。構造１１０は強磁性体層１１８を有しており、その磁気モーメントは中間強磁性体層１１６を介して交換バイアスにより反強磁性体層１１２に固定されている。強磁性体層１１８は磁気モーメントあるいは磁化の方向（矢印１１９）が所期の範囲の磁界の適用により回転することが防がれるので、固定層またはピンド層と呼ばれる。ＭＴＪ１００はピンド強磁性体層１１８上に通常アルミナで形成される絶縁トンネル・バリア層１２０を有し、バリア層１２０上にトップ・フリー強磁性体層１３２を有する。キャッピング層１３４がフリー強磁性体層１３２上に設けられている。フリーあるいは検出強磁性体層１３２は反強磁性体層と交換結合しておらず、磁化の方向（矢印１３３）は所期の範囲の磁界の適用下で自由に回転する。検出強磁性体層１３２は磁気モーメントあるいは磁化の方向（矢印１３３）が通常ＡＢＳ（ＡＢＳは図２Ａの紙面と平行であり、図２Ｂにて２００として示されている）と平行になるよう、また磁界の適用なしでピンド強磁性体層１１８の磁化方向に対して直角方向になるように形成されている。ピンド強磁性体層１１８の磁化の方向は通常ＡＢＳに垂直すなわち図２Ａの紙面に対し入っていくか出てくるか（矢印１１９で示す）の方向である。
【００１９】
検出電流Ｉは導電体から供給され、第一のシールドＳ１から第一のスペーサ層１０２へ、交換結合構造１１０、トンネル・バリア層１２０、検出強磁性体層１３２次いで第二のスペーサ層１０４を垂直に通り抜け、第二のシールドＳ２を通って流出する。ＭＴＪ磁気抵抗素子では、トンネル・バリア層１２０を通るトンネル電流量はピンドおよびフリー強磁性体層１１８、１３２の磁化の相対配向の関数であり、これらはトンネル・バリア層１２０に隣接して接触している。記録されたデータからの磁界によりフリー強磁性体層１３２の磁化の方向が１３３の方向すなわち図２Ａの紙面にまっすぐ入っていく方向あるいは出て行く方向から離れて回転する。これにより強磁性体層１１８，１３２の磁気モーメントの相対配向が変わり、そしてトンネル電流の量が変わり、ＭＴＪ１００の電気抵抗変化に反映される。この抵抗変化はディスク・ドライブの電子回路で検出され処理されディスクから読み出されたデータになる。
【００２０】
本実施例では、ピンド強磁性体層１１８が１００％近いスピン偏極の半金属ホイスラー合金により形成されており、中間層１１８は強磁性体層でホイスラー合金材及び下にある反強磁性体層１１２と接触している。反強磁性体層１１２は、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＲｕＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＩｒＭｎＣｒ、ＦｅＭｎ、ＮｉＯあるいはＣｏＯなどのどの反強磁性体材料でも形成でき、中間強磁性体層１１６はＣｏ、Ｎｉ及びＦｅの１つ以上の合金で形成できる。
【００２１】
半金属強磁性体ホイスラー合金Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌは、ＰｔＭｎの反強磁性体の上に直接形成されると交換バイアスされないという最近の報告から、この交換結合構造１１０が導き出された。従って、本発明以前には半金属強磁性体ホイスラー合金をＦ層として通常のＡＦ／Ｆ交換結合を形成することはできなかった。
【００２２】
ホイスラー合金は化学式Ｘ２ＹＺと立方晶Ｌ２１結晶構造を有する。Ｌ２１結晶構造は、互いに貫通しあう４つの閉じた立方体が詰め込まれた構造を有しており、次の様に構成されている。Ｚ原子は第一の閉じた立方体が詰め込まれた構造を形成し、Ｙ原子は八面体のサイト−Ｚ原子で定義される立方体の縁の中心−を占め、Ｘ原子は四面体のサイト−Ｙ原子と４つのＺ原子で定義される立方体の縁の中心−を占めている。図３にホイスラー合金の単位組織の結晶構造を示す。
【００２３】
バンド構造計算から知られる半金属強磁性体ホイスラー合金には、ＰｔＭｎＳｂおよびＮｉＭｎＳｂ（ともにＸサブ格子のひとつが空であるので半ホイスラー合金と呼ばれている）、およびＣｏ２ＭｎＳｉ、Ｍｎ２ＶＡｌ、Ｆｅ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌおよびＣｏ２ＭｎＧｅがある。Ｃｏ２ＣｒＡｌもフェルミ準位の電子濃度が１スピン・チャネル、すなわちチャネル１に対して有限で、他のスピン・チャネルすなわちチャネル２に対してゼロであるので半金属強磁性体である。Ｃｏ２ＣｒＡｌでは、ＸはＣｏを表し、ＹはＣｒ、ＺはＡｌである。Ｃｏ２ＣｒＡｌに十分な電子を注入しひとつのスピン・チャネル１でバン-ホブ単一性（van-Hove singularity）を獲得して、フェルミ・エネルギーがスピン・チャネル１でピーク濃度状態にシフトし、一方スピン・チャネル２ではゼロ濃度状態を維持し、合金は反金属状態を保つ。必須ではないがバン-ホブ単一性を示す半金属強磁性体を使用することは、ある種のスピン偏極トンネルと大きな磁気抵抗値を示す巨大磁気抵抗物質に見られるように、利点と考えられる。
【００２４】
さらに最近、ホイスラー合金Ｃｏ２Ｆｅ０．６Ｃｒ０．４Ａｌがバン-ホブ単一性を有する半金属強磁性体であるとの仮説が提案され、バルク・サンプルでの実験により高スピン偏極を強く示唆する証拠が得られている。Ｃ０２ＦｅｘＣｒ（１−ｘ）ＡｌのＦｅとＣｒ原子の置き換えによる変動はＹサイトに存在し、すなわちＦｅあるいはＣｒ原子がＹサイトに存在する確率がそれぞれＸおよび１−Ｘとなることを意味する。この材料が磁気抵抗素子に利用できるか否かを見極めるため、Ｃｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５（ここで下付文字はおおよその原子含有率を示し、Ｃｏ２Ｆｅ０．６Ｃｒ０．４Ａｌに対応する）の薄膜をスパッタ堆積により作成した。２５０度Cで４時間のアニーリングの後、サンプルは室温で８００ｅｍｕ／ｃｃ近い磁化と３５０度Ｃ近いキュリー点温度を示し、バルク・サンプルの実験から予測通りであった。磁気的に柔らかく（保磁力Ｈｃが通常１０ Ｏｅ以下）実用に適していることが分かった。しかしながら、Ｃｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５膜をＰｔＭｎ上に形成したときには交換バイアスは見られなかった。同様に、ＮｉＭｎＳｂをＦｅＭｎ上に堆積形成したときも交換バイアスは見られなかった（J.A.Caballero他、「ＮｉＭｎＳｂ系多層膜とスピン・バルブ」J.Vac.Sci.Technol. A 16、p.1801-1805（１９９８年）参照）。
【００２５】
本発明により、中間強磁性体層１１６が反強磁性体層と半金属強磁性体ホイスラー合金層の間に挿入されて、半金属強磁性体ホイスラー合金が交換結合構造のピンド層として作用する。１つの実施例としてＣｏ９０Ｆｅ１０の薄い層をＰｔＭｎ反強磁性体層とＣｏ２Ｆｅ０．６Ｃｒ０．４Ａｌの薄い層の間に形成した。様々なサンプルを作成して中間強磁性体層を持たないサンプルと比較した。サンプルの構造概略を以下に示す：
Ta(50Å)/PtMn(200Å)/CoFe(t)/Co50Fe10Cr15Al25(45Å)/Cu(5Å)/Ta(100Å)
Ｃｕ層はＣｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５層とＴａキャッピング層との間に挿入されＴａがＣｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５層に拡散するのを防いでいる。全サンプルを１テスラの外部磁界下にて２５０度Ｃで４時間アニールした。
【００２６】
様々なサンプルの磁気ヒステリシス・ループを図４に示す。ループＡは中間強磁性体層を持たない構造のもので交換バイアスは見られない。ループＢは６オングストロームのＣｏ９０Ｆｅ１０の中間層を有する構造のもので、ループＣは１２オングストロームのＣｏ９０Ｆｅ１０の中間層を有する構造のものである。
【００２７】
Ta(50Å)/PtMn(200Å)/CoFe(t)/CoFe10Cr15Al20(20Å)/Cu(5Å)/Ta(100Å)をサンプルとして、Ｃｏ９０Ｆｅ１０層の中間層を挿入する効果が、中間強磁性体層の厚さの関数として図５に示されている。Ｈ+とＨ−は交換結合構造のそれぞれ正負の打ち消し磁界（磁化ゼロにするために印加されるべき磁界）を意味する。Ｃｏ９０Ｆｅ１０の厚さが増大するにともなって、ピンド磁界（（Ｈ＋＋Ｈ−）／２である）は最初増大し、約９オングストロームでピークとなり、それから減少する。一方保磁力（（Ｈ＋−Ｈ−）／２である）は連続的に増大する。
【００２８】
Ｃｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５は、どちらかというと無効層であるＣｏ９０Ｆｅ１０層と強磁性的に結合していることを示すため、交換結合構造のＨ＋とＨ−を２種類の厚さの異なったＣｏ９０Ｆｅ１０層についてＣｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５は、層の厚さをパラメータとして測定した（図６及び図７）。両方の図で、予想通りピンド磁界は、Ｃｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５層の厚さにともなって減少している。
【００２９】
上に示され説明されたデータはＣｏ２Ｆｅ０．６Ｃｒ０．４Ａｌの薄膜構成との交換結合構造に関するものである。何故ならば、バルク・サンプルのバンド構造の計算で、Ｃｒ原子の約４０％をＦｅで置き換えることにより半金属強磁性が得られることが示されている（既出の非特許文献３(T.Block他)による）。しかしながら、歪と欠陥は薄膜においては常に存在し素材のバンド構造を相当に変化させる。従って、幅を持った組成が好ましい：Ｃｏ２ＣｒｘＦｅ１−ｘＡｌで０＜ｘ＜１。この組成の領域全体が半金属強磁性体であるが、Ｘがほぼ０．６のある種の組成でスピン・チャネル１にバン-ホブ単一性を示すと考えられる。
【００３０】
ＭＴＪ磁気抵抗素子をＭＲ読み出しヘッドに適用した場合の交換結合構造１１０を図２Ａ、図２Ｂに示す。しかしながら、交換結合構造はＭＴＪメモリ・セル全体にも適用可能である。そのような例では次の点を除いて図２Ａと同様な構造となる。すなわち層１０２、１０４が引き出し線として作用しビット・ワード線に接続されており、シールドＳ１、Ｓ２はなく、ピンド強磁性体層１１８の磁気モーメント１１９は磁界が加えられていない状態でフリー強磁性体層１３２の磁場配向に平行あるいは逆方向に平行となっている。ＭＴＪタイプのＣＰＰ磁気抵抗素子への適用に加えて、交換結合構造１１０をＣＰＰ ＳＶ-ＧＭＲ読み出しヘッドにも十分に適用可能である。このような例では、非磁性スペーサ層（トンネル・バリア層１２０）が導電物質（通常は銅である）で形成される点を除いて、図２Ａ、図２Ｂと同様の構造となる。
【００３１】
交換結合構造はまたＣＩＰ ＳＶ-ＧＭＲ読み出しヘッドなどのＣＩＰ磁気抵抗素子へも十分に適用可能である。このような例では次の点を除いて、図２Ａ、図２Ｂと同様の構造となる。すなわち、層１０２、１０４が読み出しヘッドをシールドＳ１、Ｓ２から絶縁する絶縁材として作用し、非磁性スペーサ層１２０が導電物質（通常銅である）で形成され、強磁性体層１１８、１３２に面内検出電流を供給する電気引き出し線は図２Ａに示す構造の側面に配置されている。
【００３２】
すべての実施例において交換結合したＡＦ／Ｆ構造では、ピンドＦ層は、強磁性体中間層と半金属ホイスラー合金層（上記のように）または反強磁性的なピンド構造（ＡＰ）を有する基本的二重層構造をとることができる。ＡＰ構造では、ピンドＦ層はＲｕ、ＩｒあるいはＲｈなどの金属の中間結合膜と反強磁性的に結合した２つの強磁性体膜を有している。ＡＦ層にもっとも近い強磁性体膜はＡＦ層と交換結合し、上記の中間強磁性体層（ＡＦ層に隣接）の二重層構造及び半金属ホイスラー合金層（金属結合膜に隣接）を有している。ＩＢＭの米国特許第５，４６５，１８５号明細書にＡＰ交換結合構造が説明されている。
【００３３】
上記に説明され示された全ての実施例にて、交換結合構造１１０は磁気抵抗素子の一番下に配置されている。しかしながら、交換結合構造を素子の一番上に配置することも可能であることは良く知られている。例えば、図２Ａで、フリー強磁性体層１３２を層１０２の上に、層１２０をフリー層１３２の上に、ピンド強磁性体層１１８を層１２０の上に、中間強磁性体層１１６をピンド層１１８の上に、反強磁性体層１１２を中間強磁性体層１１６の上に配置することが可能である。
【００３４】
本発明を好適なる実施例を参照して具体的に説明してきたが、技術に精通した人には本発明の範囲と概念を外れることなく形状と詳細において様々な変更が可能であることが理解される。従って、開示された発明は単なる説明用と考えるべきであり、特許請求の範囲に示される範囲に限定される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明が適用される磁気抵抗（ＭＲ）読み出しヘッド部と誘導書き込みヘッド部を有する読み出し・書き込み統合ヘッドの断面図である。
【図２Ａ】本発明によるＭＴＪ-ＭＲ読み出しヘッドを形成するＣＰＰ磁気抵抗素子の図１の線４２を端とする断面図であり、ディスク面から見た図である。
【図２Ｂ】図２Ａを直角方向から見た断面図であり、素子の検出面が右である。
【図３】ホイスラー合金の単位結晶の図である。
【図４】中間強磁性体層を有する場合、有しない場合の本発明の交換結合構造の種々のサンプルの磁性ヒステリシス・ループを示す図である。
【図５】中間強磁性体層の厚さをパラメータとして本発明の交換結合構造の正（Ｈ＋）と負（Ｈ−）の打ち消し磁界を示す図である。
【図６】厚さ６オングストロームのＣｏ９０Ｆｅ１０中間層でのＣｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５半金属強磁性体ホイスラー合金層の厚さをパラメータとして本発明の交換結合構造の正（Ｈ＋）と負（Ｈ−）の打ち消し磁界を示す図である。
【図７】厚さ１２オングストロームのＣｏ９０Ｆｅ１０中間層でのＣｏ５０Ｆｅ１０Ｃｒ１５Ａｌ２５半金属強磁性体ホイスラー合金層の厚さをパラメータとして本発明の交換結合構造の正（Ｈ＋）と負（Ｈ−）の打ち消し磁界を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
２０…基板、２５…統合読み出し／書き込みヘッド、４０…ＭＲセンサ、
Ｓ１…第一の磁気シールド、Ｓ２…第二の磁気シールド、
１００…ＭＴＪ（磁気トンネル接合）、１０２，１０４…導電性のスペーサ層、
１１０…交換結合構造、１１２…反強磁性体層、１１６…中間強磁性体層、
１１８…ピンド強磁性体層（半金属強磁性体ホイスラー合金）、
１２０…トンネル・バリア層、１３２…フリー強磁性体層、１３４…キャッピング層。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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