(57)【要約】【課題】  スピン分極率の大きい磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイスを提供する。【解決手段】  基板２と基板上に形成されるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３とを備え、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３はＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有し、かつ０≦ｘ≦１である。室温において、強磁性を示し大きなスピン分極率が得られる。基板２とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３の間にはバッファー層４が挿入されてもよい。この磁性薄膜を用いたトンネル磁気抵抗効果素子及び巨大磁気抵抗効果素子は、室温において、低磁界で大きなＴＭＲとＧＭＲが得られる。さらに、これらの磁気抵抗効果素子を用いた磁気デバイス、磁気ヘッド、磁気記録装置を提供する。【選択図】        図１
2004221526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と該基板上に形成されるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜と、を備え、
上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜はＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有し、かつ、０≦ｘ≦１であることを特徴とする磁性薄膜。
【請求項２】
前記基板を加熱することなく前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜が成膜されたことを特徴とする、請求項１に記載の磁性薄膜。
【請求項３】
前記基板が、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁性薄膜。
【請求項４】
前記基板と前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜の間にバッファー層が配設されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の磁性薄膜。
【請求項５】
前記バッファー層が、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の磁性薄膜。
【請求項６】
基板上に複数の強磁性層を有するトンネル磁気抵抗効果素子において、少なくとも一方の強磁性層が、Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜でなることを特徴とする、トンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記強磁性層が、固定層とフリー層とで成り、該フリー層がＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜でなることを特徴とする、請求項６に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記基板を加熱することなく前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜が成膜されたことを特徴とする、請求項６又は７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記基板と前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜（ここで、０≦ｘ≦１）との間にバッファー層が配設されていることを特徴とする、請求項６〜８の何れかに記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記基板が、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであることを特徴とする、請求項９に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記バッファー層が、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする、請求項９に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
基板上に複数の強磁性層を有する巨大磁気抵抗効果素子において、少なくとも一方の強磁性層が、Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜で成り、膜面垂直方向に電流が流れる構造としたことを特徴とする、巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記強磁性層が、固定層とフリー層とで成り、該フリー層がＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜でなることを特徴とする、請求項１２に記載の巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記基板を加熱することなく前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜が成膜されたことを特徴とする、請求項１２または１３に記載の巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記基板と前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜との間にバッファー層が配設されていることを特徴とする、請求項１２〜１４の何れかに記載の巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記基板が、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであることを特徴とする、請求項１２〜１５の何れかに記載の巨大磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記バッファー層が、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする、請求項１５に記載の巨大磁気抵抗効果素子。  
【請求項１８】
Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜が基板上に形成されてなることを特徴とする、磁気デバイス。  
【請求項１９】
フリー層が前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜で成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項１８に記載の磁気デバイス。
【請求項２０】
前記基板を加熱することなく作製されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項１８または１９に記載の磁気デバイス。
【請求項２１】
前記基板と前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜との間にバッファー層が配設されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項１８〜２０の何れかに記載の磁気デバイス。
【請求項２２】
前記基板が、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであるトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項１８〜２１の何れかに記載の磁気デバイス。
【請求項２３】
前記バッファー層が、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つから成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項２１に記載の磁気デバイス。
【請求項２４】
Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜が基板上に形成されてなることを特徴とする、磁気ヘッド及び磁気記録装置。
【請求項２５】
フリー層が前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜で成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項２４に記載の磁気ヘッド及び磁気記録装置。
【請求項２６】
前記基板を加熱することなく作製されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項２４または２５に記載の磁気ヘッド及び磁気記録装置。
【請求項２７】
前記基板と前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜との間にバッファー層が配設されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項２４〜２６の何れかに記載の磁気ヘッド及び磁気記録装置。
【請求項２８】
前記基板が、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであるトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項２４〜２７の何れかに記載の磁気ヘッド及び磁気記録装置。
【請求項２９】
前記バッファー層が、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つから成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする、請求項２７に記載の磁気ヘッド及び磁気記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン分極率の大きい磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、強磁性層／非磁性金属層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子、及び強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるトンネル磁気抵抗効果素子や強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子が、新しい磁界センサーや不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）素子として注目されている。
巨大磁気抵抗効果素子には、膜面内に電流を流すタイプのＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ）構造の巨大磁気抵抗効果素子と、膜面垂直方向に電流を流すタイプのＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｐｌａｎｅ）構造の巨大磁気抵抗効果素子が知られている。巨大磁気抵抗効果素子の原理は磁性層と非磁性層の界面におけるスピン依存散乱にあり、一般に、ＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の方がＣＩＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子よりもＧＭＲが大きい。
【０００３】
このような巨大磁気抵抗効果素子素子は、強磁性層の一方に反強磁性層を近接させて強磁性層のスピンを固定させるスピンバルブ型が用いられている。ＣＰＰ構造のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の場合、反強磁性層の電気抵抗率が２００μΩ・ｃｍ程度とＧＭＲ膜に比べて2 桁程度大きいため、ＧＭＲ効果が薄められ、スピンバルブ型のＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の値は１％以下と小さい。そのため、ＣＩＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子はすでにハードデイスクの再生ヘッドに実用化されているものの、ＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子はまだ実用にいたっていない。
【０００４】
一方、トンネル磁気抵抗効果素子やＭＴＪでは、外部磁界によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより，膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が室温で得られる（非特許文献１参照）。このＴＭＲは、用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれＰ1 ，Ｐ2 とすると、一般に下記（１）式で与えられることが知られている。
【０００５】
ＴＭＲ＝２Ｐ1 Ｐ2 ／（１−Ｐ1 Ｐ2 ）          （１）
ここで、強磁性体のスピン分極率Ｐは０＜Ｐ≦１の値をとる。
【０００６】
現在、得られている室温における最大のＴＭＲはＰ〜０．５のＣｏＦｅ合金を用いた場合の約５０パーセントである。
【０００７】
ＴＭＲ素子は現在、ハードデイスク用磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。ＭＲＡＭでは、ＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで、各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、“１”，“０”を記録させる。読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して行う。しかし、ＭＲＡＭでは高密度化のために素子サイズを小さくすると、素子のバラツキに伴うノイズが増大し、ＴＭＲの値が現状では不足するという問題がある。したがって、より大きなＴＭＲを示す素子の開発が必要である。
【０００８】
上記（１）式からわかるように、Ｐ＝１の磁性体を用いると無限に大きなＴＭＲが期待される。Ｐ＝１の磁性体はハーフメタルと呼ばれる。
これまで、バンド構造計算によって、Ｆｅ3 Ｏ4 ，ＣｒＯ2 ，（Ｌａ−Ｓｒ）ＭｎＯ3 ，Ｔｈ2 ＭｎＯ7 ，Ｓｒ2 ＦｅＭｏＯ6 などの酸化物、ＮｉＭｎＳｂなどのハーフホイスラー合金、及びＣｏ2 ＭｎＧｅ，Ｃｏ2 ＭｎＳｉ，Ｃｏ2 ＣｒＡｌなどのＬ２1 構造をもつフルホイスラー合金などがハーフメタルとして知られている。例えば、Ｃｏ2 ＭｎＧｅなどの従来のＬ２1 構造を有するフルホイスラー合金は基板を２００℃程度に加熱し、さらに、その膜厚を通常２５ｎｍ以上にして作製できることが報告されている（非特許文献２参照）。
【０００９】
最近、ハーメタルのＣｏ2 ＣｒＡｌの構成元素であるＣｒの一部をＦｅで置換したＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌも、バンド構造の理論計算によれば、Ｌ２1 型のハーフメタルであることが報告された（非特許文献３参照）。しかし、その薄膜及びトンネル接合は作製されていない。したがって、従来のＬ２1 型化合物と同様に、この薄膜がハーフメタル特性や大きなＴＭＲ特性を示すか否かは、実験的には全くわかっていない。
【００１０】
【非特許文献１】T. Miyazaki and N. Tezuka, "Spin polarized tunneling in ferromagnet/insulator/ferromagnet junctions", 1995, J. Magn. Magn. Mater, L39, p.1231
【非特許文献２】T. Ambrose, J. J. Crebs and G. A. Prinz, "Magnetic properties of single crystal C2MnGe Heusler alloy films" , 2000, Appl. Phys. Lett.,Vol.87, ｐ．5463
【非特許文献３】T. Block, C. Felser, and J. Windeln, "Spin Polarized Tunneling at Room Temperature in a Heusler Compound-a non-oxide Materials with a Large Negative Magnetoresistance Effect in Low Magnetic Fields", April 28, 2002, Intermag Digest, EE01
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来のハードデイスクの再生ヘッドに実用化されているＣＩＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子においては、高記録密度に向け微細化が進められているが、素子の微細化に伴い信号電圧の不足が予測されており、ＣＩＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の代わりにＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の高性能化が要求されているが、未だ実現されていない。
【００１２】
上記のハーフメタルのＣｏ2 ＣｒＡｌを除き、ハーフメタル薄膜が作製されているが、基板を３００℃以上に加熱するか、または室温で成膜後３００℃以上の温度で熱処理することが必要である。しかし、これまでに作製された薄膜がハーフメタルであったという報告はない。そして、これらのハーフメタルを用いたトンネル接合素子の作製も一部試みられているが、いずれも室温のＴＭＲは期待に反して小さく、Ｆｅ3 Ｏ4 を用いた場合の精々１０数％が最大であった。
このように、従来のハーフメタル薄膜はその構造を得るために基板加熱や熱処理を必要としており、それによって表面のラフネスが増大したり、または酸化したりすることも大きなＴＭＲが得られない原因の一つと考えられている。
一方、薄膜ではバルク材料と異なり、表面においてはハーフメタル特性を示さない可能性があること、また、ハーフメタル特性は組成や原子配列の規則度に敏感であり、特にトンネル接合では、その界面においてハーフメタルの電子状態を得るのが困難であることも、大きなＴＭＲが得られない原因と推定される。
以上のことから、ハーフメタル薄膜の作製が実際には非常に困難で、各種の磁気抵抗効果素子に使用できる良好なハーフメタル薄膜が得られていないという課題がある。
【００１３】
バンド構造の理論計算でハーフメタルであることが予測されている、Ｃｏ2 ＣｒＡｌやＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ薄膜及びこの薄膜を用いたトンネル接合は、作製されていないという課題がある。
一般に磁性薄膜材料においては、薄膜とバルク材料では特に表面で電子状態が異なる。このため、バルク材料においてはハーフメタルであっても、薄膜においてハーフメタルになるという保証はない。ましてや、バンド構造の理論計算でハーフメタルであることが示されても、実際に薄膜でハーフメタルが得られる保証はない。それは、これまで理論的に示された上記の種々のハーフメタルが実験的に得られていないことが物語っている。
したがって、従来のフルホイスラー合金であるＬ２1 型化合物と同様に、Ｃｏ2 ＣｒＡｌおよびＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ薄膜が実験的にハーフメタル特性や大きなＴＭＲ特性を示すか否かは全くわかっていない。
【００１４】
従来、理論的にハーフメタルであることが指摘されている材料は上記のように数多くあるが、いずれも作製された薄膜は室温でハーフメタル特性を示していない。そのため、ハーフメタルであれば期待されるような、室温でのＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子による大きなＧＭＲやＭＴＪ素子からの大きなＴＭＲは得られていないという課題がある。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑み、スピン分極率の大きい磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイスを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜を作製した結果、この膜は室温で強磁性であり、かつ、基板を加熱することなくＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を作製できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の磁性薄膜は、基板上に形成されるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜を備え、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜はＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有し、かつ、０≦ｘ≦１であることを特徴とする。
上記構成において、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜は基板を加熱することなく成膜され得る。上記基板は、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであればよい。また、基板とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜の間にバッファー層が配設されていてもよい。このバッファー層としては、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つを用いることができる。
【００１８】
この構成によれば、室温において、強磁性であり、スピン分極率の大きいＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜を得ることができる。
【００１９】
また、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、基板上に複数の強磁性層を有し、少なくとも一方の強磁性層が、Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜で成ることを特徴とする。
前記強磁性層は、固定層とフリー層とで成り、フリー層はＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜でなることが好ましい。また、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜は基板を加熱することによらずに成膜することができる。この場合、基板としては、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであればよい。また、基板とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜の間にバッファー層が配設されていてもよい。このバッファー層は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つで構成されることができる。
【００２０】
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でＴＭＲの大きいトンネル磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の巨大磁気抵抗効果素子は、基板上に複数の強磁性層を有し、少なくとも一方の強磁性層が、Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜で成り、膜面垂直方向に電流が流れる構造としたことを特徴とする。
前記強磁性層は、固定層とフリー層とで成り、フリー層はＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜でなることが好ましい。上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜は、基板を加熱することなしに成膜することができる。基板とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜の間にバッファー層を配設するようにしてもよい。基板としては、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであればよい。また、バッファー層は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つで構成することができる。
【００２２】
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でＧＭＲの大きい巨大磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【００２３】
また、本発明の磁気デバイスは、Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜が基板上に形成されて成ることを特徴とする。この場合、フリー層が上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜から成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いればよい。
好ましくは、トンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子が基板を加熱することなく作製されている。
また、基板とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜との間にバッファー層が配設されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いることができる。前記基板が熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つとしたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いることができる。バッファー層として、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅの少なくとも一つを用いたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いればよい。
【００２４】
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でＴＭＲやＧＭＲの大きい磁気抵抗効果素子を用いた磁気デバイスを得ることができる。
【００２５】
また、本発明の磁気ヘッド及び磁気記録装置は、Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜が基板上に形成されて成ることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、フリー層が前記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜であるトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いる。基板を加熱することなく作製されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
また、基板とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜との間にバッファー層が配設されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いてもよい。また、基板が、熱酸化Ｓｉ，ガラス，ＭｇＯ単結晶，ＧａＡｓ単結晶，Ａｌ2 Ｏ3 単結晶の何れか一つであるトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いることもできる。さらに、バッファー層が、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうちの少なくとも一つから成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
【００２６】
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でＴＭＲやＧＭＲの大きい磁気抵抗効果素子を用いることで、大容量、かつ、高速な磁気ヘッド及び磁気記録装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、Ｌ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）を用いた磁性薄膜は、室温において、加熱せずに作製することができる。さらに、強磁性特性を示し、スピン分極率が大きい。
【００２８】
また、本発明のＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜を用いた巨大磁気抵抗効果素子によれば、室温において、低外部磁界で非常に大きなＧＭＲを得ることができる。また、トンネル磁気抵抗効果素子によっても、同様に、非常に大きなＴＭＲを得ることができる。
【００２９】
さらに、本発明のＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有するＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）磁性薄膜を用いた各種の磁気抵抗効果素子を、超ギガビット大容量と高速の磁気ヘッドや不揮発性で高速動作するＭＲＡＭをはじめ種々の磁気装置へ応用することにより、新規な磁気装置が実現できる。この場合、飽和磁化が小さいためスピン注入による磁化反転磁場が小さくなり、低消費電力で磁化反転を実現できるほか、半導体への効率的なスピン注入が可能になり、スピンＦＥＴが開発される可能性があるなど、広くスピンエレクトロニクス分野を拓くキー材料として利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
始めに本発明の磁性薄膜の第１の実施形態を示す。
図１は、本発明に係る第１の実施形態による磁性薄膜の断面図である。図１に示すように、本発明の磁性薄膜１は、基板２上に、室温においてＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３を配設している。ここで、０≦ｘ≦１である。Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３は、室温で強磁性であり、電気抵抗率が１９０μΩ・ｃｍ程度であり、かつ、基板を加熱することなくＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有している。
さらに、上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３を配設した基板を加熱することで、スピン分極率の大きいＬ２1 構造のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３が得られやすい。ここで、基板２上のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３の膜厚は、１ｎｍ以上１μｍ以下であればよい。
【００３１】
図２は、本発明に係る第１の実施形態による磁性薄膜の変形例の断面図である。図２に示すように、本発明の磁性薄膜５は、図１の磁性薄膜１の構造において、さらに、基板２とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜３との間にバッファー層４が挿入されている。バッファー層４を挿入することで、基板１上のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜３の結晶性をさらによくすることができる。
【００３２】
上記磁性薄膜１，５に用いる基板２は、熱酸化Ｓｉ、ガラスなどの多結晶、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓなどの単結晶を用いることができる。また、バッファー層４としては、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅなどを用いることができる。
上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜３の膜厚は、１ｎｍ以上で１μｍ以下であればよい。この膜厚が１ｎｍ未満では実質的に後述するＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が１μｍを超えるとスピンデバイスとしての応用が困難になり好ましくない。
【００３３】
次に、上記構成の第１の実施形態に用いる磁性薄膜の作用を説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態の磁性薄膜に用いるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）の構造を模式的に説明する図である。図に示す構造は、ｂｃｃ（体心立方格子）の慣用的単位胞の８倍（格子定数で２倍）の構造を示している。
Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x ＡｌのＬ２1 構造においては、図３のＩの位置にＦｅとＣｒが組成比としてＦｅx Ｃｒ1-x （ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置され、IIの位置にＡｌ、III とIVの位置にＣｏが配置される。
また、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x ＡｌのＢ２構造においては、図３のＩの位置とIIの位置に、ＦｅとＣｒとＡｌが不規則に配列される構造となる。この際、ＦｅとＣｒの組成比は、Ｆｅx Ｃｒ1-x （ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置される。
さらに、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x ＡｌのＡ２構造においては、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｒおよびＡｌが不規則に置換した構造となる。この際、ＦｅとＣｒの組成比は、Ｆｅx Ｃｒ1-x （ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置される。
【００３４】
次に、上記構成の第１の実施形態に用いる磁性薄膜１，５の磁気的性質を説明する。
上記構成のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜３は、室温で強磁性であり、かつ、基板を加熱することなくＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜が得られる。
さらに、上記構成のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３（ここで、０≦ｘ≦１）は膜厚が数ｎｍ程度の非常に薄い膜においてもＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造が得られる。
ここで、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜のＢ２構造は、従来得られていない特異な物質である。Ｂ２構造は、Ｌ２1 構造と類似しているが、異なるのはＬ２1 構造では、Ｃｒ（Ｆｅ）とＡｌ原子が規則的に配置しているのに対し、Ｂ２構造は、不規則に配列していることである。また、Ａ２構造は、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｒおよびＡｌが不規則に置換した構造となる。これらの違いはＸ線回折で測定することができる。
上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３の組成ｘにおいて、０≦ｘ≦０．８の範囲内では、特に、基板を加熱することなくＬ２1 ，Ｂ２の何れか一つの構造を得ることができる。また、０．８≦ｘ≦１．０では、Ａ２構造が得られる。
また、組成ｘにおいて、０≦ｘ≦１の範囲内で、加熱した基板上のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜の成膜や、基板を加熱することなく成膜した後の熱処理などにより、Ｌ２1 またはＢ２構造が得られる。
【００３５】
上記構成の磁性薄膜１，５がハーフメタルであることを実験的に明らかにすることは難しいが、定性的にはトンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子を作製し、それが１００％を超えるような非常に大きなＴＭＲを示す場合にはハーフメタル的と考えることができる。
絶縁膜の片側に本発明のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３を強磁性層として用い、絶縁膜の他方の強磁性層にスピン分極率が０．５のＣｏＦｅ合金を用いてトンネル磁気抵抗効果素子を作製した結果、１００％を超える大きなＴＭＲを得た。
【００３６】
これは（１）式から考えて、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が、Ｐ＝０．７以上のスピン分極率をもつことを示している。このような大きなＴＭＲを得ることができたのは、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が大きなスピン分極率を有していることのほかに、室温でＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造が得られるという発見にある。これにより、本発明の磁性薄膜１，５によれば、基板を加熱する必要がなく、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が１ｎｍ以上の厚みで強磁性特性を得ることができる。これは、表面が酸化したり表面粗さが増大したりすることがなく、トンネル接合の界面をクリーンでかつシャープに作製することができたことにより、大きなスピン分極率とトンネル磁気抵抗効果素子において大きなＴＭＲを得ることができるものと推察される。
【００３７】
次に、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に係る第２の実施形態を示す。
図４は、本発明に係る第２の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。図４はトンネル磁気抵抗効果素子の場合を示している。この図に示すように、トンネル磁気抵抗効果素子１０は、例えば、基板２上にＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が配設され、トンネル層となる絶縁層１１，強磁性層１２，反強磁性層１３が順次積層された構造を有している。
【００３８】
ここで、反強磁性層１３は、強磁性層１２のスピンを固着させる、所謂、スピンバブル型の構造のために用いている。この構造においては、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３をフリー層、強磁性層１２をピン層と呼ぶ。また、強磁性層１２は、単層構造と複数の層構造のいずれでもよい。
絶縁層１３にはＡｌ2 Ｏ3 やＡｌの酸化物であるＡｌＯx を、強磁性層１４にはＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ、あるいは、ＣｏＦｅとＮｉＦｅとの複合膜などを、反強磁性層１３にはＩｒＭｎなどを用いることができる。
さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子１０の反強磁性層１３の上には、さらに保護膜となる非磁性の電極層１４を堆積させることが好ましい。
【００３９】
図５は、本発明に係る第２の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子１５は、基板２上にバッファー層４とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が配設され、トンネル層となる絶縁層１１と、磁性薄膜１２と、反強磁性層１３と、保護膜となる非磁性の電極層１４が順次積層された構造を有している。図５が図４の構造と異なるのは、図４の構造に、さらに、バッファー層４が配設された点である。他の構造は図４と同じである。
【００４０】
図６は、本発明に係る第２の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子２０は、基板２上にバッファー層４とＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が配設され、トンネル層となる絶縁層１１と、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜１６と、反強磁性層１３と、保護膜となる非磁性の電極層１４が順次積層された構造を有している。図６が図５の構造と異なるのは、図４のピン層となる強磁性層１２も、本発明の磁性薄膜であるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜１６を用いた点である。他の構造は図５と同じである。
トンネル磁気抵抗効果素子１０，１５，２０に電圧を加える場合は、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３またはバッファー層４と電極層１４との間に印加される。また、外部磁界は、膜面内に平行に印加される。バッファー層４から電極層１４への電流は、膜面垂直方向に電流を流すＣＰＰ構造により流すことができる。
【００４１】
ここで、上記トンネル磁気抵抗効果素子１０，１５，２０に用いる基板２は、熱酸化Ｓｉ、ガラスなどの多結晶、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＧａＡｓなどの単結晶であってよい。
また、バッファー層４として、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅなどを用いることができる。
上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３の膜厚は１ｎｍ以上で１μｍ以下であればよい。この膜厚が１ｎｍ未満では実質的にＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が１μｍを超えるとトンネル磁気抵抗効果素子としての応用が困難になり好ましくない。上記構成の本発明のトンネル磁気抵抗効果素子１０，１５，２０は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法と、所定の形状の電極などを形成するためのマスク工程などを用いて製造することができる。
【００４２】
つぎに、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子の１０及び１５の動作について説明する。
本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子１０，１５は、二つの強磁性層３，１２を用い、一方には反強磁性層１３が近接し、近接した強磁性層１２（ピン層）のスピンを固着させるスピンバルブ型を用いているので、外部磁界が印加されたときには、他方の強磁性層であるフリー層であるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３のスピンのみが反転される。
これにより、スピンバルブ効果により強磁性層１２の磁化は、反強磁性層１３との交換相互作用によってスピンが１方向に固定されるので、フリー層であるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３のスピンの平行、反平行が容易に得られ、また、強磁性層がＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３であるためにスピン分極率が大きいことから、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の１０，１５のＴＭＲは非常に大きくなる。
この際、フリー層であるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３の磁化が小さいため、反磁界が小さくそれだけ小さな磁界で磁化反転を起こすことができる。
これにより、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子１０，１５は、ＭＲＡＭなど低電力での磁化反転を必要とする磁気デバイスに好適である。
【００４３】
次に、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子の２０の動作について説明する。
トンネル磁気抵抗効果素子２０は、さらに、ピン層の強磁性層１６もフリー層である強磁性のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３と同じＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）を用いているので、上記（１）式の分母がより小さくなり、さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲは大きくなる。これにより、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子２０は、ＭＲＡＭなど低電力での磁化反転を必要とする磁気デバイスに好適である。
【００４４】
次に、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に係る第３の実施形態を示す。
図７は、本発明に係る第３の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果素子の場合を示している。図に示すように、巨大磁気抵抗効果素子３０は、基板２上に、バッファー層４と強磁性体となる本発明のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が配設され、非磁性金属層２１と強磁性層２２と保護膜となる非磁性の電極層１４とが順次積層された構造を有している。
ここで、巨大磁気抵抗効果素子のバッファー層４と電極層１４との間に電圧が印加される。また、外部磁界は、膜面内に平行に印加される。バッファー層４から電極層１４への電流は、膜面垂直方向に電流を流すタイプであるＣＰＰ構造により流すことができる。
【００４５】
図８は、本発明に係る第３の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。本発明の巨大磁気抵抗効果素子３５が、図７の巨大磁気抵抗効果素子３０と異なるのは、強磁性層２２と電極層１４との間に反強磁性層１３を設け、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子とした点である。他の構造は、図７と同じであるので説明は省略する。
反強磁性層１３は、近接したピン層となる強磁性層２２のスピンを固着させる働きをする。ここで、巨大磁気抵抗効果素子３０，３５のバッファー層４と電極層１４との間に電圧が印加される。また、外部磁界は、膜面内に平行に印加される。バッファー層４から電極層１４への電流は、膜面垂直方向に電流を流すタイプであるＣＰＰ構造により流すことができる。
【００４６】
上記巨大磁気抵抗効果素子３０，３５の基板２は、熱酸化Ｓｉ、ガラスなどの多結晶、さらに、ＭｇＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＧａＡｓなどの単結晶を用いることができる。また、バッファー層４として、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅなどを用いることができる。非磁性金属層２１としては、Ｃｕ，Ａｌなどを用いることができる。また、強磁性層２２としてはＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜などの何れか一つか、またはこれらの材料からなる複合膜を用いることができる。そして、反強磁性層１３にはＩｒＭｎなどを用いることができる。
上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３の膜厚は、１ｎｍ以上で１μｍ以下であればよい。この膜厚が１ｎｍ未満では実質的にＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が１μｍを超えると巨大磁気抵抗効果素子としての応用が困難になり好ましくない。
上記構成の本発明の巨大磁気抵抗効果素子３０，３５は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法と、所定の形状の電極などを形成するためのマスク工程などを用いて製造することができる。
【００４７】
本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子である巨大磁気抵抗効果素子３０は、強磁性層であるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦０．６）薄膜３のスピン分極率が大きいことから、スピン依存散乱が大きく、大きな磁気抵抗、即ち、ＧＭＲが得られる。
【００４８】
次に、磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子３５の場合には、ピン層である強磁性層２２のスピンは反強磁性層１３により固定されており、外部磁界を印加するこことで、フリー層であるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３のスピンが外部磁界により平行と反平行の状態になる。上記Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３はスピン分極率が大きいためスピン依存散乱が大きく、かつ、抵抗が大きいため反強磁性層１３によるＧＭＲの低下を抑制できる。
【００４９】
次に、本発明の磁性薄膜による磁気抵抗効果素子を用いた磁気装置に係る第４の実施形態を示す。
図１〜図８に示すように、本発明の磁性薄膜を用いた各種の磁気抵抗効果素子は、室温において、低磁界でＴＭＲ、または、ＧＭＲが非常に大きくなる。
図９は、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子や巨大磁気抵抗効果素子に外部磁界を印加したときの抵抗を模式的に説明する図である。図の横軸は、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に印加される外部磁界で、縦軸が抵抗である。ここで、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗効果を得るための必要な電圧が、十分に印加されている。
【００５０】
図示するように、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の抵抗は、外部磁界により大きな変化を示す。外部磁界を領域（Ｉ）より印加し、外部磁界を減少させ、零として、さらに外部磁界を反転して増大させると、領域（II）から領域（III)において最小の抵抗から最大の抵抗に変化する。ここで、領域（II）の外部磁界をＨ1 とする。
【００５１】
さらに、外部磁界を増加させると、領域（III)から領域（IV）を経て領域（Ｖ）までの抵抗変化が得られる。これにより、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、領域（Ｉ）と、領域（Ｖ）の外部磁界において、強磁性層２２とフリー層であるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３のスピンが平行となり、領域（III)ではそれらが反平行の状態となる。
【００５２】
ここで、磁気抵抗変化率は、外部磁界を印加したとき、下記（２）式で表され、この値が大きいほど磁気抵抗変化率としては望ましい。
磁気抵抗変化率＝（最大の抵抗−最小の抵抗）／最小の抵抗（％）    （２）
これにより、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、図９に示すように、磁界が零からＨ1 より極く僅かに大きい磁界、即ち低い磁界を加えることで、大きな磁気抵抗変化率が得られる。
【００５３】
図９で説明したように、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、室温において、低磁界で大きなＴＭＲまたはＧＭＲを示すので、磁気抵抗センサとして用いれば、感度の高い磁気素子を得ることができる。
また、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、室温において、低磁界で大きなＴＭＲまたはＧＭＲを示すので、感度の高い読み出し用の磁気ヘッド及びこれらの磁気ヘッドを用いた各種の磁気記録装置を構成することができる。
また、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子である、例えば、ＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して外部磁界を印加する。このＭＴＪ素子を構成するフリー層の強磁性体の磁化を、外部磁界により互いに平行と反平行に制御することにより、“１”、“０”を記録させる。
さらに、読み出しはＴＭＲ効果を利用して行うことなどにより、ＭＲＡＭなどの磁気装置を構成することができる。
また、本発明の磁気抵抗効果素子であるＣＰＰ構造のＧＭＲ素子においては、ＧＭＲが大きいので、ハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）やＭＲＡＭなどの磁気装置の大容量化ができる。
【実施例１】
【００５４】
以下、本発明の実施例について説明する。
高周波スパッタ装置を用いて熱酸化Ｓｉ基板２上に、厚さ１００ｎｍのＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３を基板温度を変えて作製した。
図１０は、Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３のＸ線回折を測定した結果を示す図である。図の横軸は回折角２θ（度）であり、縦軸は回折Ｘ線の強度をＬｏｇ（対数）目盛りで示している。なお、図に示す下向きの矢印（↓）は、Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３の結晶の各面からの回折強度を表わしている。図１０に示すように、基板を加熱しない状態で結晶化しており、その回折像の解析から格子定数ａ＝５．７２ÅのＢ２構造であることがわかった。また、基板を室温から５５０℃まで加熱しても回折像は、あまり変化せず、熱的に安定であることが分かった。
【００５５】
一方、基板２の上に、ＣｒやＦｅなどの適当なバッファ層４を用いてＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜（ここで、０≦ｘ≦１）３を作製したり、または、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜３のＣｒに対するＦｅ置換量を少なくすると、２θ＝２７度近傍に（１１１）面の回折Ｘ線のピークが確認された。これは、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜３がＬ２1 構造であることを示している。
【００５６】
次に、図１０に示したＣｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３の磁気特性を説明する。
図１１はＣｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３の室温における磁化特性を示す図である。図の横軸は磁界Ｈ（Ｏｅ）であり、縦軸は磁化（ｅｍｕ／ｃｍ3 ）である。図示するように、Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３はヒステリシスを示し強磁性体である。図から、飽和磁化が約３００ｅｍｕ／ｃｍ3 と、保磁力が５エルステッド（Ｏｅ）であることが分かった。
【００５７】
また、同じＣｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３を用いた磁性薄膜１，５を、基板２の温度を変えて作製したが、４００℃まで飽和磁化及び保磁力はほとんど変わらなかった。このことから、室温ですでに結晶性の良いＢ２構造のＣｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３が得られることを示唆している。さらに、室温において、Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３の電気抵抗率を測定した結果、電気抵抗率は約１９０μΩ・ｃｍであった。この値は、反強磁性体ＩｎＭｎの２００μΩ・ｃｍと同等である。
【００５８】
同様にして、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜３において、ｘ＝０，０．４，０．６，１．０とした組成のＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３を室温で作製した。このようにして作製したＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３をＸ線回折で評価したところ、得られた膜はいずれもＬ２1 ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を示した。さらに、Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜３の電気抵抗率は、組成ｘの増大とともに減少する傾向にあり、ｘ＝１．０のとき約１００μΩ・ｃｍであった。
【実施例２】
【００５９】
図５に示すスピンバルブ型のトンネル磁気抵抗効果素子１５を室温で作製した。熱酸化Ｓｉ基板２上に、高周波スパッタ装置とメタルマスクを用いて、Ｃｒをバッファー層４として、Ｃｒ（５ｎｍ）／Ｃｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ（１０ｎｍ）／ＡｌＯx （１．２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｒ（５ｎｍ）を順に積層して、トンネル磁気抵抗効果素子１５を製作した。括弧内の数字はそれぞれの膜厚である。
Ｃｒはバッファー層４、Ｃｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ薄膜３は強磁性のフリー層、ＡｌＯx はトンネル絶縁層１１、ＣｏＦｅ及びＮｉＦｅは強磁性層１２のピン層で複合膜からなる強磁性体、ＩｒＭｎは反強磁性層１３であり、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅの強磁性層１２のスピンを固定する役割をしている。そして、反強磁性層１３であるＩｒＭｎ上のＣｒは、保護膜１４である。なお、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。
【００６０】
このトンネル磁気抵抗効果素子１５に外部磁界を印加して、室温で磁気抵抗を測定した。図１２は、トンネル磁気抵抗効果素子１５の抵抗の磁場依存性を示す図である。図の横軸は外部磁界Ｈ（Ｏｅ）であり、縦軸は抵抗（Ω）である。これから、ＴＭＲは１０７％と求まった。本発明のトンネル磁気抵抗効果素子１５により得られたＴＭＲは、従来のトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲが最大５０％程度であることを考慮すると非常に大きく、Ｃｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ薄膜のスピン分極率が約０．７と高いことが分かった。
【実施例３】
【００６１】
バッファー層４として２０ｎｍのＦｅを用い、かつ、Ｃｏ2 Ｆｅ0.6 Ｃｒ0.4 Ａｌ薄膜３を用いたこと以外は、実施例２と同様のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子１５を作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子１５に外部磁界を印加して室温で磁気抵抗を測定した。その結果９２％のＴＭＲが得られた。これから、Ｃｏ2 Ｆｅ0.6 Ｃｒ0.4 Ａｌ薄膜のスピン分極率が高いことが分かった。
【実施例４】
【００６２】
バッファー層４を用いないで、実施例３と同様にして、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子１０を作製した。この場合のＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ磁性薄膜はＢ２構造であった。このトンネル磁気抵抗効果素子１０に外部磁界を印加して、室温で磁気抵抗を測定した。
図１３はトンネル磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗の磁場依存性を示す図である。図の横軸は外部磁界Ｈ（Ｏｅ）、左縦軸は抵抗（Ω）、右縦軸は測定した抵抗から計算したＴＭＲ（％）である。図の実線と点線は、外部磁界をスイープさせたときの抵抗値を示している。
これから、室温で約１１％のＴＭＲが得られた。さらに、７７Ｋの温度では３２％のＴＭＲが得られた。この場合のＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ磁性薄膜３の構造はＢ２構造であり、さらに、バッファー層４を使用していないにもかかわらず、このような比較的大きなＴＭＲが室温で得られたことから、Ｃｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ磁性薄膜がＢ２構造においても大きなスピン分極率を有していることが分かった。
【実施例５】
【００６３】
バッファー層４を用いないで、実施例３と同様にして、Ｃｏ2 ＦｅＡｌ磁性薄膜３を用いたスピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子１０を作製した。この場合のＣｏ2 ＦｅＡｌ磁性薄膜３はＡ２構造であった。このトンネル磁気抵抗効果素子１０に外部磁界を印加して、室温および５Ｋの低温で磁気抵抗を測定した。その結果、室温で８％、低温で４２％の大きなＴＭＲが得られた。これは、Ａ２構造のＣｏ2 ＦｅＡｌ磁性薄膜においても大きなスピン分極率をもつことを示唆している。
【実施例６】
【００６４】
バッファー層４を用いないで、熱酸化Ｓｉ基板上に保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子であるＣｏ2 ＦｅＡｌ（１０ｎｍ）／ＡｌＯx （１．４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）を室温で製作した。ここで、括弧内の数字はそれぞれの膜厚である。上記保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子とは、強磁性体であるＣｏ2 ＦｅＡｌとＣｏＦｅとの保磁力の違いを利用したトンネル磁気抵抗効果素子である。この保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲは、スピンバルブ型のトンネル磁気抵抗効果素子と同様に、磁化が互いに平行または反平行かによって磁気抵抗に違いが現れる。
製作した保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子により得られたＴＭＲの値は、室温で８％であり、５Ｋの低温で４２％であった。なお、このように基板を加熱しないで熱酸化Ｓｉ基板上に作製したときのＣｏ2 ＦｅＡｌ薄膜３の結晶構造はＡ２構造であった。
【００６５】
次に、このトンネル磁気抵抗効果素子を真空中において各種温度で熱処理し、それぞれのＴＭＲ特性を測定した。その結果、３００℃で１時間熱処理したときのＴＭＲは、室温で２８％であり、５Ｋの低温で５５％となり、室温で製作したときのＴＭＲよりも非常に増大した。このときのＣｏ2 ＦｅＡｌ薄膜の結晶構造をＸ線回折で測定したところ、その結晶構造はＬ２1 構造であった。
したがって、上記熱処理によるＴＭＲの向上は、Ｃｏ2 ＦｅＡｌ薄膜の結晶構造がＡ２構造からＬ２1 構造に変化したためであり、Ｌ２1 構造のスピン分極率がＡ２構造のそれよりも大きいことを示唆している。
【実施例７】
【００６６】
基板４としてＧａＡｓを用いたこと以外は、実施例２と同様にしてスピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子１０を作製した。この場合のＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ磁性薄膜３はＬ２1 構造であった。このトンネル磁気抵抗効果素子１０に外部磁界を印加して、室温で磁気抵抗を測定した。その結果、室温で１２５％の大きいＴＭＲが得られ、Ｌ２1 構造のＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ磁性薄膜のスピン分極率は非常に大きいことが示唆された。
【実施例８】
【００６７】
図８に示すスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子３５を室温で作製した。高周波スパッタ装置とメタルマスクを用いて、熱酸化Ｓｉ基板２上に、Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ（５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）を順に堆積させて、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子の多層膜構造を作製した。括弧内の数字はそれぞれの膜厚である。
【００６８】
ここで、Ａｌはバッファー層４、Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌはフリー層となる薄膜３、Ｃｕは巨大磁気抵抗効果を発現するための非磁性金属層２１である。Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ（５ｎｍ）及びＮｉＦｅ（５ｎｍ）の２層構造はピン層となる強磁性層２２である。ＩｒＭｎは反強磁性層１３であり、ピン層となる強磁性層２２のスピンを固定する役割をしている。最上層のＡｌ層は電極１４である。なお、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。この堆積した多層膜を、電子線リソグラフィとＡｒイオンミリング装置を用いて微細加工し、０．５μｍ×１μｍの巨大磁気抵抗効果素子３５を作製した。
【００６９】
この素子の上下の電極４，１４間に電圧を印加して、膜面垂直方向に電流を流し、外部磁界を印加して室温で磁気抵抗を測定した。これにより、約８％の磁気抵抗が得られた。この値は、従来のスピンバルブ型のＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の磁気抵抗が１％未満であるのに対して、８倍の非常に大きな値であった。
これにより、本発明のＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子のＧＭＲが、従来のスピンバルブ型ＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子のＧＭＲに比較して非常に大きくなるのは、Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜３のスピン分極率が高いことに起因していることが分かった。
さらに、このように大きなＧＭＲが得られる理由は上述したように、ピン層及びフリー層に用いたＣｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜の抵抗率が、ＩｒＭｎを用いた反強磁性層１３の抵抗率と同等であることも寄与していることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上のように、本発明に係る磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイスは、室温において、低磁界で大きなＴＭＲとＧＭＲが得られるので、磁界検出、磁界の反転の検出の必要な各種電子機器、各種産業機器用の磁界検出装置として、さらに、医療用電子機器の磁界検出装置などに用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る第１の実施形態による磁性薄膜の断面図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態による磁性薄膜の変形例の断面図である。
【図３】本発明に係る第１の実施形態による磁性薄膜に用いるＣｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌの構造を模式的に説明する図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。
【図５】本発明に係る第２の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。
【図８】本発明に係る第３の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。
【図９】本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に外部磁界を印加したときの抵抗を模式的に説明する図である。
【図１０】Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜のＸ線回折を測定した結果を示す図である。
【図１１】Ｃｏ2 Ｆｅ0.5 Ｃｒ0.5 Ａｌ薄膜の室温における磁化特性を示す図である。
【図１２】図５に示すトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗の磁場依存性を示す図である。
【図１３】図４に示すトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗の磁場依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１，５：  磁性薄膜
２：      基板
３，１６：    Ｃｏ2 Ｆｅx Ｃｒ1-x Ａｌ薄膜
４：      バッファー層
１０，１５，２０：    トンネル磁気抵抗効果素子
１１：    絶縁層
１２，２２：    強磁性層
１３：    反強磁性層
１４：    電極層
２１：    非磁性金属層
３０，３５：    巨大磁気抵抗効果素子
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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