(57)【要約】【課題】垂直通電型の磁気抵抗素子において、抵抗変化量の大きい磁気抵抗効果素子、及びこれを用いた磁気ヘッド、磁気再生装置を提供することを目的とする。【解決手段】磁気抵抗効果素子の強磁性層の層中あるいは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極薄の薄膜層を挿入することにより、この薄膜層の近傍における強磁性層のバンド構造を変調させて、電子のスピンフィルタ作用を得ることができる。　その結果として、素子抵抗を上昇させることなく、室温あるいはそれよりも昇温した温度範囲において、ＭＲ変化率の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面一様に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜、及び
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、
を備え、
前記センス電流を構成する伝導電子が前記薄膜層の近傍を通過するときに、アップスピン電子またはダウンスピン電子のうちのいずれか一方の電子が優先的に通過するスピンフィルタ作用を生ずることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、
を備え、
前記センス電流を構成する伝導電子のアップスピン電子のフェルミ速度とダウンスピン電子のフェルミ速度とが、前記薄膜層に接した前記磁性層中において異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に一様に形成された平均厚さが１原子層以上３原子層以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜、及び
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に一様に形成された平均厚さが２ユニットセル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜、及び
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、
を備え、
前記磁気抵抗効果膜のうちの前記センス電流が実質的に通電される部分の面積Ａと、前記一対の電極間で得られる抵抗Ｒと、の積ＡＲが５００ｍΩμｍ２以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、
を備え、
前記一対の電極間の抵抗Ｒが１００Ω以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に一様に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、
を備え、
前記薄膜層は、少なくとも２層以上設けられたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、
を備え、
前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｆｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１１）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、
磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、
前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極と、
を備え、
前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｂｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１０）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記磁気抵抗効果膜のうちの前記センス電流が実質的に通電される部分の面積Ａと、前記一対の電極間で得られる抵抗Ｒと、の積ＡＲが５００ｍΩμｍ２以下であることを特徴とする請求項１〜５及び７〜９のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記薄膜層が２層以上設けられたことを特徴とする請求項１〜７及び９〜１１のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
隣接する前記薄膜層の間隔が、０．２ナノメータ以上３ナノメータ以下であることを特徴とする請求項８または１２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｆｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１１）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であることを特徴とする請求項１〜８及び１０〜１３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｂｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１０）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であることを特徴とする請求項１〜９及び１１〜１４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記薄膜層を膜中に含みまたはそれに隣接する前記磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれかを含む強磁性体からなることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記薄膜層は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、およびタングステン（Ｗ）よりなる群から選択された少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
前記第１の磁性層あるいは前記第２の磁性層の層の中に形成された、前記薄膜層と隣接する平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層を備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、及び前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面の少なくともいずれかに形成され、前記薄膜層と、前記薄膜層と隣接する前記第１または第２の磁性層と、の間に平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層を備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の層の中に形成された、前記薄膜層と隣接する磁性金属層と、前記磁性金属層と隣接する平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層と、を備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、及び前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面の少なくともいずれかに形成され、前記薄膜層と、前記薄膜層と隣接する前記第１または第２の磁性層との間に、前記薄膜層に隣接する磁性金属層と、前記磁性層に隣接する平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層を、備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２２】
前記第１あるいは第２の磁性層は、その層の中の前記薄膜層、前記磁性金属層及び前記非磁性金属層を介して磁気結合していることを特徴とする請求項２０記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２３】
前記薄膜層と前記非磁性中間層との間の距離が３ナノメートル以下であることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２５】
請求項２４記載の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする磁気再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関し、より詳細には、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造の磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体層の積層構造体における巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｅｆｆｅｃｔ：ＧＭＲ）の発見により、磁気デバイス、特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に、ＧＭＲ効果を磁気デバイスに適用しやすい構造にした、スピンバルブ膜構造（Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ：ＳＶ膜）を用いた、磁気ヘッド、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等への適用は、磁気デバイス分野に大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
「スピンバルブ膜」とは、二つの強磁性層の間に非磁性層を挟み、一方の強磁性層の磁化のみが反強磁性層などで固着され（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）、もう一方の強磁性層の磁化方向は外部磁界に応答可能（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）とした積層構造をいう。そして、ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することによって、巨大な磁気抵抗変化が得られるものである。
【０００４】
このようなスピンバルブ膜におおいて、膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｔｏ　Ｐｌａｎｅ）型の磁気抵抗効果素子は、膜面に対して平行方向にセンス電流を通電する従来のＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｉｎ　Ｐｌａｎｅ）型の磁気抵抗効果素子に比べて、さらに大きなＧＭＲ効果を発現する。
【０００５】
一方、ＣＰＰ型ＧＭＲ素子（以下、「ＣＰＰ素子」と呼ぶ）と同様に垂直通電型の磁気抵抗効果素子として、ＴＭＲ効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｅｆｆｅｃｔ）を利用したＴＭＲ素子も開発されている。但し、ＴＭＲ素子においては、トンネル効果を用いているため、非磁性中間層として用いられているアルミナなどの膜厚を薄くすると、ＭＲ変化率が急激に減少するという問題がある。
【０００６】
また、ＴＭＲ素子の場合、アルミナを薄くしない状態では、抵抗が非常に大きく、特にヘッド応用を考えた場合には、ショットノイズ、および高周波応答の観点から、採用は難しい。具体的には、少なくともＡＲ（通電面積×素子抵抗）として、１Ωμｍ２以下の抵抗にしなければならないが、ＴＭＲ素子の場合、この抵抗レベルにおいてはＭＲ変化率が消失するという問題がある。
【０００７】
これに対して、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子は、ＣＩＰ型の磁気抵抗効果素子に比べてＭＲ変化率が大きいだけでなく、素子の抵抗が素子面積に依存するために素子を微細化した場合に抵抗変化量が増大するという利点も有する。この利点は、磁気デバイスの微細化が進む現在においては大きなメリットとなる。従って、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ヘッドは、１平方インチ当たり２００ギガビット以上（２００Ｇｂｉｔ　ｐｅｒ　ｓｑｕａｒｅ　ｉｎｃｈ：２００Ｇｂｐｓｉ）から１テスラビット級の記録密度を実現するための有力候補と考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＭＲ素子の場合、中間層に絶縁体を用いるために素子抵抗が高くなりすぎ、素子面積が微細化すると大きな抵抗に起因してトンネル現象特有のショットノイズ発生や高周波応答劣化を引き起こすことが問題となる。このような問題は、磁気ヘッドへの適用には大きな問題となり、２００Ｇｂｐｓｉ以上の高記録密度でのＴＭＲ素子の適用には現実的な解決の手段が見つかっていない状態である。
【０００９】
ＭＲＡＭでは、素子抵抗の許容範囲が磁気ヘッドに比べて比較的甘く、第一世代のＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子が適用できると考えられている。しかし、ＭＲＡＭの場合も、記録密度の向上に伴い素子面積が微細化され、抵抗が大きくなりすぎる問題が出てくることが予想される。つまり、磁気ヘッド、ＭＲＡＭともに、記録密度の向上とともに、ＴＭＲ素子特有の高抵抗化の問題は本質的な問題となってくる。
【００１０】
一方、金属非磁性中間層を用いたＣＰＰ素子の場合、膜面に対して垂直方向にセンス電流を流すと、ＴＭＲ素子と異なり素子抵抗が大幅に小さいために、ＭＲ変化率が巨大でも得られる抵抗変化量自体はかなり小さい。その結果として、大きな再生出力信号を得ることが困難である。
しかも実際には、デバイスとして最も実現可能性の高いスピンバルブ膜構造においては、フリー層、ピン層とがそれぞれ一層、多くても二層しか有さない構造なので、ＭＲ変化率に寄与する膜厚、界面が人工格子多層膜の場合と比べて少ないため、ＭＲ変化率も実用的なＭＲ変化率と比べて著しく小さい値となってしまい、現状では実用レベルとはかけ離れている。
【００１１】
この問題を一部解決するために、金属非磁性中間層を用いたＣＰＰ素子に酸化層を積層することにより、素子抵抗の増大をはかり、同じＭＲ変化率でも抵抗変化量を向上させる試みがなされている（Ｋ．　Ｎａｇａｓａｋａ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｔｈｅ　８ｔｈ　Ｊｏｉｎｔ　ＭＭＭ−Ｉｎｔｅｒｍａｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　ＤＤ−１０）。
【００１２】
この方法の場合、酸化層の一部にピンホール的に金属状の低抵抗領域を設けて、電流を絞り込むことにより高い抵抗を得ることを目的としている。しかしピンホールを均一に設けることは難しく、特に素子サイズが０．１μｍ程度になる１００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では、抵抗が大きくばらついて安定したＣＰＰ素子の作成が困難であることが実用化を阻む。
【００１３】
また、この手法では基本的には酸化物層を挿入しない場合に比べて２倍以上の大幅なＭＲ変化率を向上させようとするものではなく、抵抗調整という意味合いのものである。つまり、ＭＲ変化率が変わらないとしても、ＡＲを向上させれば、百分率で表したＭＲ変化率とＡＲの積であらわされる抵抗変化量ＡｄＲが向上することを期待したものである。ＭＲ変化率に寄与する面積が実効的に小さくなる関係で、全体からみたＭＲ変化率は増加してみえることになる。
【００１４】
しかしながら、高記録密度になるほど素子サイズが小さくなるので、ショットノイズ、高周波応答特性の観点から、材料特性上要求される抵抗が小さくなければならない。例えば、２００Ｇｂｐｓｉの記録密度の場合、数百ｍΩμｍ２〜１Ωμｍ２程度のＡＲ（通電面積×抵抗）が許容範囲なのに対して、５００Ｇｂｐｓｉ級の記録密度の場合には、少なくとも５００ｍΩμｍ２以下のＡＲでなければならない。これは記録密度の向上に伴う素子サイズが縮小したときに、素子抵抗が大きくなってしまうからである。このような記録密度向上に伴うＡＲの小さい値の要求は、ＭＲ変化率が一定のまま、ＡＲを向上させてＡｄＲ（通電面積×抵抗変化量）を向上させようというアプローチでは限界があることは明らかである。つまり、ＭＲ変化率自体の本質的な向上が、記録密度の向上に伴い必要になってくる。
【００１５】
このような状況を改善するため、ＭＲ変化率の本質的な向上を目指して、ハーフメタルの研究が盛んになっている。「ハーフメタル」とは、フェルミレベル近傍の電子状態を見たときに、アップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度がいずれか一方の電子についてしか存在しない磁性材料として、一般的に定義されている。理想的なハーフメタルが実現できた場合には、ピン層とフリー層の磁化状態が反平行状態のときと、平行状態のときとで、抵抗が無限大から低抵抗状態の二つの状態が実現できるので、理想的には無限大のＭＲ変化率が実現できることになる。
【００１６】
実際には、ここまで理想的な状態が実現できなかったとしても、アップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度の差が従来材料よりも大きくなれば、ＭＲ変化率の上昇は２倍程度の向上ではなく、３倍、４倍、さらには桁違いの飛躍的なＭＲ変化率の上昇が期待される。
【００１７】
つまり、上述した解決法とは異なり、本質的に大きなＭＲ変化率の向上を目指したものである。しかしながら、現在精力的に調べられているハーフメタルには、以下に説明するように、実用化を阻む大きな問題点がある。
【００１８】
すなわち、これまで調べられているハーフメタル材料としては、スピネル構造をもつＦｅ３Ｏ４、ペロブスカイト構造をもつＬａＳｒＭｎＯ，　ＬａＣａＭｎＯ等、ルチル構造をもつＣｒＯ２、ホイッスラー合金のＮｉＭｎＳｂ等、半導体材料のＣｒＡｓ、ＺｎＯ、ＧａＮＭｎなどが精力的に調べられている。これらの材料は、複雑な結晶構造をもつものが多く、高品質の結晶を実現するためには、高温の基板加熱や特殊な成膜手法を要する。これらの高温プロセスは、実際の磁気抵抗効果素子の作成プロセスにおいては、実用性を大きくはばむという問題点がある。これが一つ目の問題点である。
【００１９】
上述した問題は、成膜技術の改良により解決される可能性もあるが、さらに本質的な大きな問題は、これまで知られているいずれのハーフメタル材料においても、強磁性を示す臨界温度であるキュリー温度（Ｔｃ：フェロ磁性の場合）、またはネール温度（Ｔｎ：フェリ磁性またはアンチフェロ磁性の場合）の限界が高々４００Ｋ（約１００℃）であり、ハーフメタル性を示す温度（ここではＴｈｍと定義する）はさらに低温側となるため、室温においてハーフメタル性を示す材料が未だに見つかっていないという問題がある。これが、二つ目の問題点である。
【００２０】
このように低温でしかハーフメタル性が実現できないのでは、民生品への適用は全く不可能である。実際の磁気抵抗効果素子として使用するためにはハーフメタル出現温度Ｔｈｍが少なくとも１５０℃〜２００℃以上は必要である。Ｔｈｍを高くするためには、まずは、ＴｃまたはＴｎを高くすることが必要である。しかし、Ｔｃ、またはＴｎですら、現在調べられている材料では、室温以上のものはほとんど存在しないのが現状である。Ｔｃ、Ｔｎを上昇させるべく精力的な研究が複数の研究機関でなされているが、どの材料においてもＴｃ、Ｔｎを向上させる決定的な解を見つけることができていないのが現状である。
【００２１】
さらに三つ目の大きな問題点として、単層膜でのハーフメタル実現がたとえ実現できたとしても、スピンバルブ膜のような多層膜にしたときに積層膜界面でのハーフメタル性が失われるという問題がある。これは、積層膜界面の状態においては、バルク状態とはバンド構造が異なってしまうため、単層膜ではハーフメタルが実現できたものが、界面あるいは表面においてはハーフメタルが実現できないという問題を引き起こす。一部の磁性半導体材料（ＣｒＡｓ）において、高Ｔｃのハーフメタルが実現できたとの報告もあるが、一般的に半導体材料と金属材料では界面の拡散が激しく接合界面でハーフメタル性が失われないようにすることは非常に困難である。
【００２２】
これら磁性半導体材料を用いる場合には、非磁性スペーサ層も半導体材料で構成することが望ましく、金属材料との組み合わせは現実的ではない。また、ＮｉＭｎＳｂなどのホイスラー合金材料の場合、界面層にある特定の材料を積層しないと、本質的にハーフメタル性が実現しえないことが指摘されている（Ｇ．　Ａ．　ｄｅＷｉｊｓ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．　Ｂ　６４，　０２０４０２−１）。これも、結晶のバンド構造が界面近傍では対称性が崩れてしまうため、結晶内部で予想されているハーフメタル性が積層膜界面では失われてしまうことに起因する。ホイスラー合金を用いたＣＰＰ素子では、Ｔｃ以下の温度である４．２Ｋ以下の極低温で測定しても、通常の金属で形成したスピンバルブ膜よりも低いＭＲ変化率しか観測されないのは、この問題によるものである。
【００２３】
スピンバルブ膜構造では、本質的に積層膜にしなければならないので、界面近傍においてハーフメタル性が失われてしまうということは、単結晶材料の単層構造でハーフメタル性が実現できる材料を追求することにはあまり意味がないことになる。
【００２４】
この問題を解決するためのひとつの手段は、ハーフメタルとして使う結晶構造と同種の結晶構造のものをスペーサ層の材料として用いることである。ここで「スペーサ層」とは、ＣＰＰ素子の場合には、ピン層とフリー層とを分断している非磁性層のことである。このような実験例でペロブスカイト系酸化物のもので唯一従来材料よりも改善された結果が報告されている。例えば現状のＴｃ、Ｔｈｍが低温ということに目をつぶり、Ｔｃ以下の低温で測定した場合、通常の磁性材料を用いたスピンバルブ膜よりもかなり大きなＭＲ変化率を実現したＴＭＲ素子の報告がなされている（Ｊ．　Ｚ．　Ｓｕｎ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．　６９，　３２６６　（１９９６））。しかし、ペロブスカイトのような特殊な結晶構造をもつもので、ピン層、スペーサ層、フリー層のすべて同種の結晶構造で作成することは大きな制約となり結晶作成上の観点からいってもあまり現実的でない。さらに、上述の二つ目の問題点である、Ｔｃが低温であるという問題はいずれにしろ、全く解決しえていないことには変わりはない。
【００２５】
このように、現在盛んに研究されているハーフメタルの研究の延長では、高ＭＲ変化率の実現は、低温においてすら難しく、仮に実現できたとしても、その大きなＭＲ変化率の室温での実現にはさらに大きなブレークスルーが必要とされ、このままでは実用に供しない可能性が大きい。
【００２６】
本発明はかかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、従来のハーフメタルの研究の延長とは本質的に異なる発想により、高密度化に対応した低い抵抗ＡＲをもち、かつ高いＭＲを実現可能とした磁気抵抗効果素子、及びこれを用いた磁気ヘッド、磁気再生装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面一様に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜、及び前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極を備えることを特徴とする。
【００２８】
なおここで、薄膜層の「平均厚さ」には、後に説明するように薄膜層に隣接して設けることができる非磁性金属層や磁性金属層の厚みは含まないものとする。
【００２９】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、を備え、前記センス電流を構成する伝導電子が前記薄膜層の近傍を通過するときに、アップスピン電子またはダウンスピン電子のうちのいずれか一方の電子が優先的に通過するスピンフィルタ作用を生ずることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の第３の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、を備え、前記センス電流を構成する伝導電子のアップスピン電子のフェルミ速度とダウンスピン電子のフェルミ速度とが、前記薄膜層に接した前記磁性層中において異なることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の第４の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に一様に形成された平均厚さが１原子層以上３原子層以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜、及び前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極を備えることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の第５の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に一様に形成された平均厚さが２ユニットセル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜、及び前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極を備えることを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の第６の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、を備え、前記磁気抵抗効果膜のうちの前記センス電流が実質的に通電される部分の面積Ａと、前記一対の電極間で得られる抵抗Ｒと、の積ＡＲが５００ｍΩμｍ２以下であることを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の第７の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、を備え、前記一対の電極間の抵抗Ｒが１００Ω以下であることを特徴とする。
【００３５】
また、本発明の第８の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に一様に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、　前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、を備え、前記薄膜層は、少なくとも２層以上設けられたことを特徴とする。
【００３６】
また、本発明の第９の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に略垂直な方向のセンス電流を通電する、前記磁気抵抗効果膜に電気接続された一対の電極と、を備え、前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｆｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１１）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であることを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の第１０の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層間に形成された非磁性中間層と、前記第１の磁性層中、前記第２の磁性層中、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、または前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面に形成された平均厚さ３ナノメートル以下で、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物、あるいはフッ化物を有する薄膜層とを備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電するために前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続された一対の電極とを備え、前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｂｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１０）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であることを特徴とする。
【００３８】
ここで、上記第１乃至第５または第７乃至第９の磁気抵抗効果素子において、前記磁気抵抗効果膜のうちの前記センス電流が実質的に通電される部分の面積Ａと、前記一対の電極間で得られる抵抗Ｒと、の積ＡＲが５００ｍΩμｍ２以下であるものとすることができる。
【００３９】
また、上記第１乃至第７または第９乃至第１１の磁気抵抗効果素子において、前記薄膜層が２層以上設けられたものとすることができる。
【００４０】
また、このように２層以上の薄膜層を設けた場合に、隣接する前記薄膜層の間隔が、０．２ナノメータ以上３ナノメータ以下であるものとすることができる。
【００４１】
また、前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｆｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１１）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であるものとすることができる。
【００４２】
または、前記第１及び第２の磁性層の少なくともいずれかは、ｂｃｃ型の結晶構造を有する材料からなり、その膜面が（１１０）面に略平行な方位に配向してなり、且つその配向分散角度が５度以下であるものとすることもできる。
【００４３】
また、前記薄膜層を膜中に含みまたはそれに隣接する前記磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれかを含む強磁性体からなるものとすることができる。
【００４４】
また、前記薄膜層は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、およびタングステン（Ｗ）よりなる群から選択された少なくとも一つの元素を含むものとすることができる。
【００４５】
また、前記第１の磁性層あるいは前記第２の磁性層の層の中に形成された、前記薄膜層と隣接する平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層を備えるものとすることができる。
【００４６】
または、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、及び前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面の少なくともいずれかに形成され、前記薄膜層と、前記薄膜層と隣接する前記第１または第２の磁性層と、の間に平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層を備えるものとすることもできる。
【００４７】
または、前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の層の中に形成された、前記薄膜層と隣接する磁性金属層と、前記磁性金属層と隣接する平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層と、を備えるものとすることができる。
【００４８】
または、前記第１の磁性層と前記非磁性中間層との界面、及び前記第２の磁性層と前記非磁性中間層との界面の少なくともいずれかに形成され、前記薄膜層と、前記薄膜層と隣接する前記第１または第２の磁性層との間に、前記薄膜層に隣接する磁性金属層と、前記磁性層に隣接する平均厚さ２ナノメートル以下の非磁性金属層を、備えるものとすることもできる
また、前記第１あるいは第２の磁性層は、その層の中の前記薄膜層、前記磁性金属層及び前記非磁性金属層を介して磁気結合しているものとすることができる。　また、前記薄膜層と前記非磁性中間層との間の距離が３ナノメートル以下であるものとすることができる。
【００４９】
なお、本願明細書において「層中」あるいは「層の中」とは、薄膜の中を意味し、薄膜の上下の界面は含まないものとする。例えば、「第１の磁性層の層中」という場合は、第１の磁性層の層の中を意味し、第１の磁性層が非磁性中間層と隣接する界面あるいは、その反対側の界面は含まない。
【００５０】
一方、本発明の磁気ヘッドは、上記のいずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００５１】
また、本発明の磁気再生装置は、上記の磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする。
【００５２】
すなわち、ＴＭＲ素子と異なりショットノイズや高周波応答に優れるＣＰＰ素子において、素子抵抗増大を招かない領域で充分な出力を得るためには、本質的なＭＲ変化率の上昇が必要である。そのためには、スピン分極率の高い、ハーフメタルをピン層またはフリー層、またはピン層、フリー層の両方に使うことが必要であるが、現在研究されているハーフメタル材料の延長技術では、実際の応用で使われる室温以上のＴｃ（またはＴｎ）をもつハーフメタルの実現は困難であり、つまり室温近傍での高ＭＲ変化率の実現は困難である。
【００５３】
そこで、本発明においては、室温において、さらに積層膜構造をもつスピンバルブ膜において、ハーフメタル性を示す、新たな材料構造を検討した。このような全く新規な材料構造が実現できれば、高ＭＲ変化率が実現できるので、抵抗を増大させることなく、高ＡｄＲが実現できる。つまりは磁気抵抗効果素子としての抵抗変化量ｄＲが大きい、つまり磁気ヘッドに通電した電流とｄＲの積である、出力電圧が大きな磁気抵抗効果素子が実現できる。その結果として、高密度記録に対応した、磁気抵抗効果素子、およびそれを用いた磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅなど）、や高密度記録に対応したＭＲＡＭなどを提供することができる。
【００５４】
現在研究されているハーフメタル材料は、すべてＴｃが低い材料であった。逆に高Ｔｃを有する材料として実績のある材料の場合はスピン分極率が低いという問題があった。スピン分極率は低いがＴｃが高い材料として、最も典型的な材料としては、単体材料でも強磁性を示す、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびそれらのいずれかを主元素として含む合金材料を挙げることができる。これらの単体材料、およびこれらいずれかの元素を含む合金材料は、Ｔｃとしては数百℃という、非常に高温でも安定な磁性を有する材料である。
【００５５】
本発明者は、これらの元素を主元素として含む合金材料をベースとして、ハーフメタル特性が実現できないかという点に着目した。つまり、単純なｂｃｃ（ｂｏｄｙ　ｃｅｎｔｅｒｅｄ　ｃｕｂｉｃ）金属、ｆｃｃ（ｆａｃｅ　ｃｅｎｔｅｒｅｄ　ｃｕｂｉｃ）金属あるいはｈｃｐ（ｈｅｘａｇｏｎａｌ　ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ）金属をベースにした材料である。
【００５６】
本発明者は、これら高Ｔｃを有する材料において電子伝導のスピン分極率を大きくする手段として、従来のハーフメタル研究とは発想を大きく転換し、以下のような手段を発明した。
【００５７】
すなわち、上述したように、これまでのハーフメタルの研究においては、まずはスピンバルブ膜のような積層膜からスタートするのではなく、単層膜においてハーフメタル性を有する材料を前提としていたために、複雑な結晶構造を有する材料の作成に苦心して努力し、さらに低Ｔｃしか実現し得ていないそれらの材料を用いて、ＣＰＰやＴＭＲのようなスピンバルブ構造を作成する、というアプローチが採られていた。つまり、人工的な材料を創造することは、行われていなかった。このアプローチによると多くの課題が生ずることは前述のとおりである。
【００５８】
本発明者は、ハーフメタル性が結晶のバンド構造に起因した現象であることに注目し、従来の高Ｔｃ金属材料をベースにしたスピンバルブ膜構造においても、微妙なバンド変調を行うことによって、室温以上の高い温度においてもハーフメタル性を実現しうるとの結論に至った。具体的には、近年の極薄膜成膜技術、極薄酸窒化膜形成技術の進歩を利用して、抵抗上昇を招くことなく、０．２ナノメートル〜３ナノメートル程度の極薄な酸化物層、または窒化物層、または酸窒化物層、またはリン化物層、またはフッ化物層を、高Ｔｃを有する従来の強磁性材料中に挿入することによって、垂直通電したときのＣＰＰ特性のＭＲ変化率が大きく上昇することを見出した。このような構成にすることによって、バンド変調効果が得られ、ＭＲ変化率が向上していると考えられる。
【００５９】
これは、複雑な結晶構造における従来のハーフメタル材料の研究においては、結晶バンド構造がかわる界面近傍でハーフメタル性が大きく失われるという問題を逆手にとり、従来の高Ｔｃの磁性材料をベースにして、極薄酸化物層（あるいは極薄窒化物層、極薄フッ化物層）による界面現象を利用して、ハーフメタル性を実現しようというアプローチである。この場合、従来のハーフメタル研究のアプローチとは異なり、最初から高Ｔｃの材料を用いているので、Ｔｃを上昇させる努力は必要ない。
【００６０】
このようにバンド変調を目的とした極薄酸化物層または極薄窒化物層、極薄フッ化物層を、本願明細書においては極薄酸化物層の場合を典型例として「極薄酸化物層ＴＢ」と称することとする。ただしこれ以降、極薄酸化物層ＴＢと呼んだ場合にも、酸化物層に限定されるものではなく、極薄の窒化物層、フッ化物層でもよい。極薄酸化物層ＴＢによって、人工的なバンド変調効果をもたらすことが可能なので、強磁性層中に複数層挿入するとか、積層周期を変えるなどの手法によって、バラエティーにとんだバンド構造変化が可能となる。その結果として、多くの人工物質を創造することが可能となる。従来なされてきたような、複雑な結晶構造を形成するアプローチと比べると、はるかに多くの人工物質を、量産可能な成膜技術を用いて現実的な手段で形成することができる。
【００６１】
まず、ピン層、またはフリー層の材料としては、Ｔｃが室温よりも十分高温（Ｔｃにして数百度）を示す、従来から知られている３ｄ遷移金属である鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）をベースにした単元素金属、またはこれら元素の合金、さらにはこれらの金属材料にさらに別の元素が添加された、室温以上のＴｃをもつ磁性金属材料をベースにすることにした。
【００６２】
これらの材料をベースにすれば、Ｔｃの問題は全くなくなるわけである。しかしながら、通常はこれらの材料のアップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度には一応の差異があるが、これは「ハーフメタル性」と呼ぶにはほど遠い状態であり、これが従来のＣＰＰスピンバルブ膜のＭＲ変化率の限界を決めていたわけである。つまり、Ｔｃという温度の問題は取り払われたが、スピン分極率を向上させる必要がある。
【００６３】
しかしながら、これらの平凡な磁性金属材料であっても、極薄の酸化物層、または窒化物層などを挿入することにより、酸化物層、または窒化物層近傍の磁性金属のバンド構造は大きな変化を受けることになる。すなわち、酸素、または窒素元素が、金属元素と結合することによって、バンド構造が大きく変化することは容易に予想される。しかしながら、通常の金属酸化物材料が厚く形成されてしまうと、垂直通電時にその層を電子が通過するときの抵抗は高くなってしまう。また、これらの比較的厚い膜での酸化物、窒化物材料では、単純にはハーフメタル性は実現し得ないことが予想される。
【００６４】
バンド変調を目的とした酸化物層（あるいは窒化物層）の厚さが厚くなってしまうと、トンネルバリアのようになってしまうので、抵抗の増大を生じさせることになってしまう。しかし、その膜厚が十分薄い場合には、抵抗の大幅な増大を招くことなく、極薄酸化物層（または窒化物層）の近傍の磁性金属材料のバンド構造を変調させることができる。このような極薄酸化物層を用いた場合のメリットとしては、高Ｔｃ磁性金属材料をベースにしているため、室温でのハーフメタル性実現が可能であることを挙げることができる。
【００６５】
図１は、本発明の基本概念を説明するための模式図である。同図（ａ）に表したように、スピンバルブ構造は、ピン層Ｐとフリー層Ｆとの間にスペーサ層Ｓが挿入された積層構造を基本とする。これらピン層Ｐとフリー層Ｆは、ＴｃまたはＴｎが高い鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）あるいはマンガン（Ｍｎ）をベースにした強磁性体からなる。本発明においては、これら強磁性体からなるピン層Ｐ、フリー層Ｆの層中に、極薄酸化物層ＴＢを挿入する。すると、この極薄酸化物層ＴＢの近傍でバンド構造が変化し、その界面を通過する伝導電子のスピン偏極率を、従来の高Ｔｃ、高Ｔｎの強磁性体材料よりも向上させることによって、ハーフメタルライクな特性を実現し、ＣＰＰ素子のＭＲ変化率を向上させる。ここで得られるバンド構造としては、従来のハーフメタルのような狭い定義にとらわれる必要はない。その理由について以下に説明する。
【００６６】
図２は、通常のハーフメタルのバンド構造（同図（ａ））と、本発明において極薄酸化物層により得られるバンド構造（同図（ｂ））と、をそれぞれ表した模式図である。すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）において、縦軸はエネルギー、横軸の左側のダウンスピン電子の状態密度、横軸の右側はアップスピン電子の状態密度をそれぞれ表す。
【００６７】
従来の「ハーフメタル」の定義によれば、バンド構造で決定される電子の状態密度（ＤＯＳ：Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅｓ）を見たときに、アップスピン電子かダウンスピン電子のどちらかしか存在しない状態が「ハーフメタル」とされていた。しかし、伝導特性としてのハーフメタル性を追求するときには、このような状態が必ずしも必要条件ではない。
【００６８】
従来の「ハーフメタル」の定義による状態のＤＯＳのモデル図が図２（ａ）である。同図に表した例の場合、フェルミレベルＥＦ近傍においては、アップスピン電子の状態密度のみしか存在しておらず、ダウンスピン電子の状態密度は存在していない。伝導に寄与できるのは、フェルミレベルＥＦ近傍の電子のみなので、当然このような状況では、アップスピン電子のみしか伝導に寄与できず、ダウンスピン電子は寄与できない。このため、「ハーフメタル」ということになる。
【００６９】
このようなＤＯＳの観点だけから、これまでバンド計算等によるハーフメタル材料の探索が行われてきたわけである。この観点に固守すると、高Ｔｃを有する鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはニッケル（Ｎｉ）をベースとしたハーフメタルは、到底実現し得ないとの結論に、従来の研究アプローチでは容易に到達してしまっていたのである。
【００７０】
しかしながら、我々が必要とするＣＰＰ素子で求められているハーフメタル性は、電子を伝導させたときにハーフメタル性を示せばよいという条件である。そして、この状況を実現するためには、フェルミレベルＥＦの近傍において、アップスピン電子またはダウンスピン電子のどちらかのＤＯＳが完全に存在しない、というところまでの厳しい条件は必要とされない。
【００７１】
すなわち、図２（ｂ）にも表したように完全にスピン偏極していなくてもよく、図３に示したように、ＣＰＰ素子において必要なのは、アップスピン電子とダウンスピン電子のフェルミ速度の差である。アップスピン電子とダウンスピン電子のフェルミ速度の差が大きければ、伝導に寄与する伝導電子の比は、単純なＤＯＳの観点だけから予想されるアップスピン電子とダウンスピン電子の差よりも大きく広がることになる。
【００７２】
アップスピン電子とダウンスピン電子のフェルミ速度の差は、伝導に換算すると二乗の差として効いてくるので、非常に大きな効果として出現する（Ｉ．Ｉ．Ｍａｉｎ，　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，８３（７），１９９９，ｐ１４２７）。この効果を考慮すると、フェルミレベル近傍におけるアップスピン電子とダウンスピン電子のＤＯＳの差は、必ずしも１００％に近くなくてもよいことがわかる。換言すると、従来のＤＯＳの観点からのハーフメタルの定義は、十分条件ではあるが、電子伝導の観点から考えると、必ずしも必要条件ではない。電子のフェルミ速度の差も考慮にいれることによって、必要条件となるということである。
【００７３】
しかしながら、フェルミ速度まで考慮したバンド計算上のハーフメタル特性の材料探索は、これまでのところ、全くなされていなかった。当然のことながら、アップスピンとダウンスピンのフェルミ速度の差まで考慮にいれたとしても、従来の高Ｔｃを示す材料においては伝導としてのハーフメタルは実現できていなかった。これは、これまで調べられてきた単純な鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）をベースにした合金材料におけるＭＲ変化率が、ハーフメタルにより実現されるはずのＭＲ変化率よりもはるかに低いものであったことが示している。つまり、従来の高Ｔｃ強磁性材料をベースにした材料を用いたスピンバルブ素子においては、フェルミ速度を変化させるなんらかの手段については、何ら考えられていなかったわけである。
【００７４】
これに対して、本発明者は、フェルミ速度も結晶のバンド構造に深く起因していることに着目し、高Ｔｃ材料をベースにした磁性材料層中でバンド変調を生じさせることによって、伝導ハーフメタル性が実現できることを知得するに至ったのである。またここで、バンド変調を最も少量で効果的に行うことができるのは、酸化物または窒化物、フッ化物であるので、バンド変調効果が得られる構成として、これらの材料による極薄酸化物層ＴＢに注目した。
【００７５】
素子の抵抗を上昇させないためには、これら極薄酸化物層ＴＢは、抵抗上昇は生じないように十分薄い状態でバンド変調効果をもたらすようにしなければならない。近年の成膜技術の進歩により、このような極薄の酸化物層や窒化物層の人工格子の作成が実現できるようになってきた。従来の成膜技術レベルだけで考えていると、このような人工格子は到底実現し得ないものであったというのも、従来このような発想の極薄酸化物層を挿入した人工物質が考案されてこなかった一因である。本発明者は、これまで磁性材料中に極薄の酸化物層を形成する技術を鋭意努力により確立し、これら人工物質が形成できること、およびスピン分極率が大きく変化するという結果をもとに、本発明に至ることができた。
【００７６】
以上説明したように、本発明における極薄酸化物層ＴＢの効果としては、図２（ｂ）に表したように、必ずしもＤＯＳの１００％分極を実現しなければならないものではなく、フェルミ速度に差が生じる効果が得られればよい。当然、アップスピン電子とダウンスピン電子のフェルミ速度というのは、フェルミ面の状況によって決定されるものなので、極薄酸化物層ＴＢによってバンド構造が変化すれば、変化する量だからである。
【００７７】
以上説明したように、本発明においては、極薄酸化物層ＴＢを挿入することによって、バンド変調効果が得られる。この極薄酸化物層ＴＢは、酸化物、窒化物、酸窒化物、リン化物あるいはフッ化物などにより形成できる。
【００７８】
但し、本発明におけるこれら極薄酸化物層ＴＢは、単なる「電流狭窄（ＣＣＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃｏｎｆｉｎｅｄ　Ｐａｔｈ））のために設けられる電流パス用ピンホールを有する絶縁膜（典型例として、ここでは「酸化物層」と呼ぶ）の抵抗調整用フィルター層の酸化物層とは、要求される機能も、物理原理も異なる。
【００７９】
ＣＣＰ用の極薄酸化物層は、ある割合のピンホールを有する。つまり、一様でない酸化物層（または窒化物層、フッ化物層）である。それに対し、本発明の極薄酸化物層ＴＢは酸化物層自体の抵抗が低いか、充分薄い膜厚のために抵抗上昇がほとんどなく、ピンホールの占有率、面積等によって抵抗を調整しようというものではない。むしろ電流パスの偏りがでることは、極薄酸化物層の観点からあまり好ましくない。具体的にはピンホールを有しない、一様な酸化物層（または窒化物層、フッ化物層）であることが好ましい。
【００８０】
ここで「一様な」酸化物層とは、ピンホール平均直径が、フリー層と非磁性スペーサ層とピン層との膜厚の和に対して、５パーセント未満であることをいうものとする。その測定方法としては、例えばＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察法を用いることができる。また、一様な極薄酸化物層ＴＢを形成する製造方法としては、後述するように、イオンビーム酸化法や、プラズマ酸化法、ラジカル酸化法、ガスクラスターイオンビームを用いた高エネルギーな酸化方法などを用いて行なうことができる。
【００８１】
また、極薄酸化物層ＴＢの平均厚さは０．２ナノメートル〜３ナノメートルの範囲であることが好ましい。ここで、「平均厚さ」とは、例えば膜断面方向から観測したときに、膜平面方向に向かって５ナノメートル間隔で５点観測したときの、平均値である。この測定には、例えば、素子の断面ＴＥＭ写真などを用いることができる。なお、この「平均厚さ」に関する定義は、極薄酸化物層ＴＢのみならず、後に詳述する非磁性層ＮＭなどの各層についても同様とする。
【００８２】
本発明による極薄酸化物層ＴＢとして、０．２ナノメートル程度の極薄の膜厚の酸化物層、窒化物層、フッ化物層を設けると、適正な材料の選択によっては充分な効果を発揮する。一様な極薄酸化物層ＴＢの挿入によって、電流が均一に流れる電気的にも一様な酸化物層となり、スピンフィルタリング効果の期待ができる。
【００８３】
図４は、ＣＣＰの物理原理と、本発明の極薄酸化物層ＴＢによるスピンフィルタリングの物理原理の違いを説明するための概念図である。
【００８４】
同図（ａ）は、本発明において極薄酸化物層ＴＢがピン層Ｐに挿入された場合を表す。また、同図（ｂ）は、ＣＣＰ用の酸化物層が、ピン層Ｐに挿入された構造を表し、同図（ｃ）は、ＣＣＰ用の酸化物層が、スペーサ層Ｓに挿入された構造を例示する。
【００８５】
図４（ｂ）及び（ｃ）に表したように、ＣＣＰ用の酸化物層は電流狭窄、抵抗調整用フィルタ層を目的としたものであるため、酸化物層の中に、細い電流パスＣＰが設けられている。酸化物層は電流狭窄としての機能、抵抗調整用フィルタ層としての機能を果たすので、酸化物層中に断続的に設けられた電流パスＣＰを電子が通過するときには、アップスピン電子ＵＳと、ダウンスピンＤＳとがともに電流パスＣＰ通過する。すなわち、スピン依存効果は生じない。この場合、ＭＲ変化率の上昇は、電流の絞込みによって電流が流れている面積が実効的に小さくなる効果によるものである。このため、ＣＣＰ用の酸化物層は、電流狭窄目的のために、図示の如く電流を流す部分と流さない部分の二つに分かれており、断続的な構造となる。
【００８６】
これに対して、本発明による極薄酸化物層ＴＢの場合には、バンド変調効果によって、アップスピン電子ＵＳ通過しやすいが、ダウンスピン電子ＤＳは通過しづらいという、電子のスピンフィルタリング効果が生じ、スピンに依存した伝導特性を示す。スピンフィルタリングの効果によって、低い抵抗でも格段に大きなＭＲ変化率を得ることができる。
【００８７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００８８】
本発明においては、図１に表したように、ピン層Ｐ、フリー層Ｆまたはこれらとスペーサ層Ｓとの界面の少なくともいずれかに、極薄酸化物層ＴＢを挿入することによって、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの状態を変化させ、高いＭＲ変化率や高い出力信号を実現することができる。
【００８９】
またさらに、本発明においては、極薄酸化物層ＴＢと強磁性層との間に極薄の非磁性層を挿入してもよい。
【００９０】
図５は、極薄酸化物層ＴＢの上下に非磁性層ＮＭが設けられた構造を表す要部断面図である。すなわち、同図は、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの中に極薄酸化物層ＴＢが挿入され、さらにその上下両方ともに極薄の非磁性層ＮＭが挿入された構造を表す。
【００９１】
この非磁性層ＮＭの膜厚は十分に薄いため、極薄酸化物層ＴＢ、非磁性層ＮＭを介して、上下の強磁性層Ｐ（Ｆ）は十分な強さで磁気的に結合している。この磁気結合の形態は、強磁性的な結合の場合もあれば、反強磁性的に結合している場合もありうる。そして、上下の強磁性層Ｐ（Ｆ）の十分な磁気的な結合を得るために、極薄酸化物層ＴＢ、非磁性層ＮＭは、ともに十分薄い膜厚である必要がある。バンド変調効果を目的としたものでは、極薄の非磁性でも界面に微量に存在すれば、充分な効果を発揮できる。
具体的には、極薄酸化物層ＴＢの平均膜厚は、０．２ナノメートル乃至３ナノメートル程度であり、非磁性層ＮＭの平均膜厚は、０．２ナノメートル乃至２ナノメートル程度であることが望ましい。は非磁性ＮＭの膜厚は、その上下の磁性層の間の磁気結合の低下を防ぐためには、０．２ナノメートル乃至１ナノメートル程度であることがさらに望ましい。
【００９２】
また、極薄酸化物層ＴＢと非磁性層ＮＭの合計膜厚は、０．４ナノメートルから３ナノメートル以下、さらに望ましくは、０．４ナノメートルから２ナノメートル以下であることが望ましい。その理由は、非磁性ＮＭの膜厚があまり厚くなると、非磁性層と極薄酸化物層を介した上下の磁性層の磁気的結合が弱くなるからである。つまり、本発明による非磁性層ＮＭは、軟磁性の観点等から、極薄酸化物層の酸素、窒素、フッ素等を磁性層に接しないようにするためのバリア層としての効果を目的としたものではない。
【００９３】
極薄酸化物層ＴＢの材料としては、図２８に関して後述するような材料が望ましい。また、非磁性層ＮＭの材料としては、アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），イリジウム（Ｉｒ），レニウム（Ｒｅ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ），マンガン（Ｍｎ），マグネシウム（Ｍｇ），タンタル（Ｔａ），タングステン（Ｗ），あるいはハフニウム（Ｈｆ）などが望ましく、特に、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）のいずれかを用いることが望ましい。
【００９４】
これらの極薄の非磁性金属層ＮＭを挿入する効果としては、薄酸化物層ＴＢ界面に強磁性層とは別の金属層が設けられることになるので、バンド変調効果の寄与のしかたが変化し、スピンフィルタリング効果が強まるという効果を挙げることができる。
【００９５】
また、強磁性層Ｐ（Ｆ）から極薄酸化物層ＴＢに流れる電子のスピンメモリのロス（損失）等を、適当な非磁性金属層ＮＭを一旦介することで抑制できるというメリットも得られる。
【００９６】
いずれの場合にしても、非磁性層ＮＭを設けることにより、極薄酸化物層ＴＢによるＭＲ変化率の増大効果をさらに大きくすることが可能となる。
【００９７】
図６は、図５に表した構造の変形例であり、極薄酸化物層ＴＢの上下のうち、一方にのみ極薄の非磁性層ＮＭが挿入されている構造を表す要部断面図である。本変型例においても、極薄酸化物層ＴＢと、極薄非磁性層ＮＭの材料や膜厚などに関しては、図５に関して前述したものと同様とすることができる。
【００９８】
図７は、極薄酸化物層ＴＢがピン層Ｐ（またはフリー層Ｆ）とスペーサ層Ｓとの界面に挿入された場合を表す。この場合にも、極薄酸化物層ＴＢとピン層Ｐ（フリー層Ｆ）との間に、極薄の非磁性層ＮＭを設けることができる。その作用については、図５及び図６に関して前述したものと同様である。
【００９９】
図８は、極薄酸化物層ＴＢがピン層Ｐ（またはフリー層Ｆ）からみてスペーサ層Ｓとは反対側に設けられた場合を表す模式図である。この構造の場合も、その作用については、図５及び図６に関して前述したものと同様である。この場合には、非磁性層ＮＭ、極薄酸化物層ＴＢを介して上下ともに磁性層が存在するわけではないので、磁気的なカップリングは気にする必要はない。ただし、バンド変調効果という観点から、非磁性層ＮＭおよび極薄酸化物層ＴＢの好ましい膜厚範囲はこれまで提示してきたものと同様である。
【０１００】
本発明の効果を存分に発揮するためには、スペーサ−層から最も離れた位置に極薄酸化物層が存在するこの構成よりも、前述の図５〜図７のような磁性層膜中に極薄酸化物層が存在する構成や、スペーサ層との界面に極薄酸化物層が存在する構成のほうがより好ましい。また、後述する、図９〜図１１のような構成も、同様な理由により図１２のような構成よりも好ましい。例えば、極薄酸化物層は非磁性スペーサ−層から３ナノメートルより近いところに位置することが望ましい。
【０１０１】
図９乃至図１２は、極薄非磁性層ＮＭと極薄酸化物層ＴＢとの間にさらに金属磁性層ＭＭが設けられた構造を例示する要部断面図である。
【０１０２】
まず、図９は、ピン層Ｐ（またはフリー層Ｆ）の中に極薄酸化物層ＴＢが挿入された構造を表す。そして、極薄酸化物層ＴＢの上下に金属磁性層ＦＭが積層され、さらにその外側に極薄非磁性層を介して、強磁性層ＦＭが積層されている。このように強磁性層ＦＭを設けることにより、図５に関して前述したように、極薄酸化物層ＴＢに隣接する材料を適宜が変化させ、極薄酸化物層ＴＢのバンド変調効果を高めることができる。
【０１０３】
また、本具体例の場合、金属磁性層ＦＭを挿入することにより、極薄酸化物層ＴＢの中での磁性効果を補助し、極薄酸化物層ＴＢを介した上下のピン層Ｐ（フリー層Ｆ）の磁気結合を促進する効果が得られる。
【０１０４】
また一方、極薄酸化物層ＴＢを金属層の自己酸化（または自己窒化や自己フッ化など）によって形成した場合には、この金属磁性層ＦＭは、その未酸化部分として残留した部分に対応する場合もある。このような場合には、極薄酸化物層ＴＢと金属層ＦＭとの界面の整合性を良好に保ったまま、極薄酸化物層ＴＢと金属磁性層ＦＭとの積層膜を形成することができる。
【０１０５】
次に、図１０は、極薄酸化物層ＴＢの上下いずれか一方のみに極薄非磁性層ＮＭ、金属磁性層ＦＭが設けられた構造を表す模式図である。すなわち、ピン層Ｐ（またはフリー層Ｆ）の中に極薄酸化物層ＴＢが挿入され、その下側に、金属磁性層ＦＭと非磁性層ＮＭとが積層されている。この場合にも、図５乃至図９に関して前述した効果が得られる。
【０１０６】
また、図１１は、極薄酸化物層ＴＢがピン層Ｐ（またはフリー層Ｆ）とスペーサ層Ｓとの界面に挿入された構造を例示する。すなわち、この場合も、金属磁性層ＦＭと非磁性層ＮＭを挿入することにより、図５乃至図１０に関して前述したものと同様の効果が得られる。
【０１０７】
また、図１２は、極薄酸化物層ＴＢがピン層Ｐ（またはフリー層Ｆ）から見てスペーサ層Ｓとは反対側の界面に挿入された構造を例示する。この場合も、金属磁性層ＦＭと非磁性層ＮＭを挿入することにより、図５乃至図１０に関して前述したものと同様の効果が得られる。
この場合には、非磁性層ＮＭ、極薄酸化物層ＴＢを介して上下ともに磁性層が存在するわけではないので、磁気的なカップリングは気にする必要はない。ただし、バンド変調効果という観点から、非磁性層ＮＭおよび極薄酸化物層ＴＢの好ましい膜厚範囲はこれまで提示してきたものと同様である。
【０１０８】
一方、本発明において用いる極薄酸化物層ＴＢは、一様な酸化膜であることが好ましいが、それだけに限定されるものではなく、膜の全面に亘って完全に酸化（または、窒化、フッ化など）していないものであってもよい。これは、図５乃至図１２に例示したように極薄非磁性層ＮＭが挿入されている場合だけでなく、図１に例示したように極薄非磁性層ＮＭを含まないような、最も基本的な構造の場合にも同様である。
【０１０９】
図１３は、極薄酸化物層ＴＢの中に未反応（未酸化、または、未窒化、未フッ化）の部分が含まれる場合を表す模式図である。すなわち、同図の具体例の場合、極薄酸化物層ＴＢは、金属などが反応（酸化、窒化、フッ化など）して形成された反応部分ＴＢＲと、金属などが未反応の状態で残留した部分ＴＢＭとを有する。未反応部分ＴＢＭは、例えば図１３に例示した如く、クラスター状またはグラニュラー状に存在する。
【０１１０】
このように、未反応の金属部分ＴＢＭを膜中に残留させると、極薄酸化物層ＴＢを垂直に通過する伝導電子の抵抗を低下させることができる。また、極薄酸化物層ＴＢが磁性元素の酸化物（または、窒化物、フッ化物など）からなる場合には、未反応の金属元素として膜中に残留している（ＴＢＭ）のは磁性元素であるため、極薄酸化物層ＴＢ中の磁性を保つのに有効であり、極薄酸化物層ＴＢを介した上下の磁性層の磁気結合を助ける効果が得られる。
【０１１１】
また、金属元素が残っている場合には電流はその未反応部分ＴＢＭを優先的に流れようとするが、その金属元素が反応部分ＴＢＲに囲まれた磁性金属の場合には、スピンフィルタリング効果の増大が生じる場合があり、ＭＲ変化率がさらに増大することもある。
【０１１２】
極薄酸化物層ＴＢの中に未反応状態で残留しやすい磁性金属元素としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などを挙げることができる。これらのうちでは、特にコバルト（Ｃｏ）がもっとも酸化されにくいので、酸化反応によって極薄酸化物層ＴＢを形成する場合には、未反応の金属状態のコバルト（Ｃｏ）が残りやすい。また、このような未反応の金属部分ＴＢＭを構成する元素としては、これら以外にも、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）などの非磁性金属元素を挙げることもできる。
【０１１３】
図１４は、未反応の金属元素がグラニュラー状ではなく、より微細なクラスタＴＢＣとして極薄酸化物層ＴＢの中に均一に存在している場合を表す模式図である。このように、未反応の金属元素が微細なクラスタ状で極薄酸化物層ＴＢの中に均一に分布している場合にも、図１３に関して前述したものと同質の効果が期待できる。また、未反応状態のクラスタＴＢＣを形成しやすい金属元素の種類についても、図１３に関して前述したものと同様とすることができる。
【０１１４】
図１５は、極薄酸化物層ＴＢの挿入位置を例示する断面模式図である。すなわち、同図（ａ）及び（ｃ）は、それぞれフリー層Ｆまたはピン層Ｐの、スペーサ層Ｓとの界面近傍に極薄酸化物層ＴＢを挿入した例を表す。この場合、ＭＲ変化率の向上には、スピン依存した界面散乱が大きく寄与することになる。極薄酸化物層ＴＢによって、スペーサ層Ｓと接している磁性層Ｆ（またはＰ）
のバンド構造が変化し、伝導に寄与する電子がアップまたはダウンの一方に大きくスピン分極することによって、ＭＲ変化率が向上する。
【０１１５】
界面散乱による場合、極薄酸化物層ＴＢによるバンド変調効果が、スペーサ層Ｓに接している強磁性層Ｆ（またはＰ）に十分な効果を発揮しなければならないので、極薄酸化物層ＴＢとスペーサ層Ｓとの間の強磁性層の膜厚Ｔは、あまり厚くならないことが好ましい。具体的には、膜厚Ｔが厚い場合でも、１ナノメートル以下の膜厚である場合を、図１５に表したようなスペーサ層Ｓとの界面近傍での「界面効果」を称し、図１７に関して後述するような磁性層の内部での「バルク散乱効果」と区別することにする。
【０１１６】
この膜厚Ｔが薄い極限として０ナノメートルの場合が、図１５（ｂ）及び（ｄ）に表したように、ピン層Ｐあるいはフリー層Ｆと、スペーサ層Ｓの界面に極薄酸化物層ＴＢを挿入した構造となる。これらの場合には、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆだけでなく、スペーサ層Ｓのバンド構造も変調する効果が生じ、スペーサ層Ｓの材料によっては、効果がより顕著となる場合もある。
【０１１７】
図１６（ａ）乃至（ｄ）は、ピン層Ｐとフリー層Ｆとのいずれの側にも極薄酸化物層ＴＢを挿入した構成を例示する模式図である。これら具体例の場合、バンド変調による界面効果が素子内の２箇所で生ずるため、ＭＲ変化率の上昇効果はさらに向上することになる。
【０１１８】
さらに、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆとスペーサ層Ｓとの界面だけでなく、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの内部を伝導するときのハーフメタル性を実現するものとして、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの内部に極薄酸化物層ＴＢを挿入してもよい。
【０１１９】
図１７は、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの内部に極薄酸化物層ＴＢを挿入した具体例を表す模式図である。
【０１２０】
すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）は、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの内部に極薄酸化物層ＴＢを挿入した具体例を表す。この場合、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの内部でのスピン依存バルク散乱効果を生じさせることが可能である。この効果をさらに顕著に引き出すために、極薄酸化物層ＴＢを磁性層中に複数層挿入することができる。
【０１２１】
図１７（ｃ）及び（ｄ）は、このように複数の極薄酸化物層ＴＢを挿入した具体例を表す。この場合、極薄酸化物層ＴＢ同士の間隔を０．２ナノメートル乃至３ナノメートル程度として強磁性層に挿入することが望ましい。このようにすると、極薄酸化物層ＴＢを挿入する間隔や、その周期によってバンド構造が変化することになるので、ハーフメタル性、つまりＭＲ変化率も変化することになる。ピン層Ｐ及びフリー層Ｆにおける極薄酸化物層ＴＢの積層数は、原理的にはいくつ積層しても構わないが、現実的には２層乃至１５層程度が望ましい。
【０１２２】
また、図１８（ａ）乃至（ｄ）に例示したように、ピン層Ｐとフリー層Ｆのいずれにも極薄酸化物層ＴＢを挿入した場合は、ハーフメタル性の効果がさらに向上するので、可能ならば好ましい。
【０１２３】
さらには、図１９（ａ）乃至（ｄ）に例示したように、極薄酸化物層ＴＢをピン層Ｐまたはフリー層Ｆにおいて、界面近傍とバルク内部の両方に設けてもよい。
【０１２４】
この場合には、スペーサ層界面でのスピン依存した界面散乱効果（図１５及び図１６）と、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆ内部でのスピン依存したバルク散乱効果（図１７及び図１８）の二つを足し合わせた効果が得られ、高いＭＲ変化率が期待できる。
【０１２５】
ここで仮に、界面でのハーフメタル性が完全理想状態であると、その界面でアップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方のみが１００％（全て）散乱されてしまうため、バルク散乱効果との掛け合わせは意味をもたないはずである。しかし、実際の素子では、そこまで完全に理想的な状態は実現することは困難である場合が多いので、バルク内でのハーフメタル性の追加によって、ＭＲ変化率のさらなる向上が望める。
【０１２６】
図１９（ａ）乃至（ｄ）は、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆのいずれか片側だけにおいて、界面依存散乱とバルク散乱散乱効果とを得るための素子構造を表す。
【０１２７】
これに対して、図２０（ａ）乃至（ｄ）は、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆのいずれか片側だけにおいて、界面依存散乱とバルク散乱効果とを狙い、且つバルク散乱効果を増強するために複数の極薄酸化物層ＴＢを挿入した素子構造を表す。
【０１２８】
また、図２１（ａ）乃至（ｄ）は、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆのいずれか一方においては界面散乱効果を狙い、他方の層において複数の極薄酸化物層ＴＢによるバルク散乱効果を狙った素子構造を表す。
【０１２９】
さらに、図２２（ａ）乃至（ｄ）は、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆのいずれかにおいても界面散乱効果とバルク散乱効果の両方を狙い、さらに、いずれか一方の層においては、極薄酸化物層ＴＢを複数挿入してバルク散乱効果をさらに高めた構造を例示する。
【０１３０】
以上、図１５乃至図２２に例示した組み合わせだけでなく、これらの考え方に基づいて、ピン層Ｐ及びフリー層Ｆに自由に極薄酸化物層ＴＢを挿入した種々の組み合わせが考えられる。
【０１３１】
また、極薄酸化物層ＴＢを二層以上設ける場合には、それらの極薄酸化物層の材料は互いに同種の材料としてもよいし、互いに異なる材料としてもよい。
【０１３２】
また、図１５乃至図２２には、もっとも簡単なスピンバルブ構造を例示したが、本発明か、この他にも各種の素子構造に適用して同様の作用効果を得ることができる。
【０１３３】
図２３は、本発明を適用できる磁気抵抗効果素子の積層構成を例示する模式図である。
【０１３４】
すなわち、同図（ａ）に表した具体例は、ピン層Ｐが下側（図示しない基板に近い側）に設けられた、いわゆる「ボトム型」のスピンバルブ構造である。
【０１３５】
また、図２３（ｂ）は、これとは反対に、ピン層Ｐが上側（図示しない基板から遠い側）に設けられた、いわゆる「トップ型」のスピンバルブ構造である。
【０１３６】
さらに、図２３（ｃ）は、フリー層Ｆの上下にスペーサ層Ｓを介してそれぞれピン層Ｐが設けられた、いわゆる「デュアルスピンバルブ型」のスピンバルブ構造を表す。
【０１３７】
本発明は、これらいずれの素子構造にも適用して同様の作用効果を得ることができる。また、これら以外にも、例えば、スペーサ層が３層以上設けた「人工格子型」のような構造の素子に対しても本発明を適用できる。すなわち、これらいずれの素子構造においても、極薄酸化物層ＴＢの作用は、図１５乃至図２２に例示したものと同様である。
【０１３８】
ところで、スピンバルブ構造においては、フリー層Ｆは外部磁界に対して磁化方向が変化するのに対し、ピン層Ｐについては外部磁界に対して磁化方向が変化しないように磁化方向を固着するためのピニング層（ｐｉｎｎｉｎｇ層）がなければならない。
【０１３９】
図２４は、ピニング層を設けたスピンバルブ構造を例示する模式図である。すなわち、同図（ａ）に表したように、ピン層Ｐの磁化方向を反強磁性膜ＡＦあるいはハード磁性膜ＨＭにより直接、固着する方法や、同図（ｂ）に表した、いわゆる「シンセティック構造」と称される方法がある。
【０１４０】
シンセティック構造においては、反強磁性膜ＡＦによって強磁性層ＦＭの磁化を固着し、その上にルテニウム（Ｒｕ）などからなる反強磁性的結合膜ＡＣを介して、ピン層Ｐに反強磁性的に結合させてその磁化を固着する。
【０１４１】
本発明においては、図２４に例示したいずれの固着手段を用いることもできる。　一方、極薄酸化物層ＴＢの具体的な材料としては、バンド変化を大きく起こしやすい酸化物または窒化物を挙げることができる。この場合、特に極薄層としてバンド変化を起こしやすい３ｄ遷移金属を含む酸化物層または窒化物層が好ましい。
【０１４２】
具体的には、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及びタングステン（Ｗ）などの元素の酸化物または窒化物を挙げることができる。これら以外でも、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）またはタンタル（Ｔａ）などの酸化物または窒化物を用いることもできる。
【０１４３】
これらの元素の酸化物または窒化物は、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）を除いては、これまでの研究成果ではハーフメタル性を示すことがありえない材料である。
【０１４４】
また、酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の場合には、従来いわれているＦｅ３Ｏ４材料としてのバルク的な特性を実現するためには、スピネル構造の状態で少なくとも数ユニットセル（ｕｎｉｔ　ｃｅｌｌ）以上の膜厚は必要とされていた。これに対して、本発明においては、鉄の酸化物の場合でもスピネル構造を有する必要はなく、またはスピネル構造とは定義できないような、平均厚さが１乃至３モノレイヤー（ｍｏｎｏ　ｌａｙｅｒ：原子層）程度の極薄層の状態で、十分効果を得ることができる。
【０１４５】
ここでいう「モノレイヤー（原子層）」とは、膜断面方向から膜を観察した場合に、膜厚方向に存在する酸素、窒素、フッ素の層の数を表す。また平均のモノレイヤー厚さとは、５ナノメートル間隔で５点程度測定したモノレイヤー厚さの平均値で定義する。具体的観測手段としては、素子の断面ＴＥＭを用いることができる。
従来のきちんとした周期構造をもつ酸化物、窒化物、フッ化物を挿入した場合に対して、例えば、平均厚さが２ユニットセル以下、さらには平均厚さが１ユニットセル以下の酸化物、窒化物、フッ化物でも本発明による効果を得ることができる。
【０１４６】
ここでいう「１ユニットセル」とは、例えばＦｅ系酸化物層の場合ならばスピネル構造のＦｅ３Ｏ４やγ−Ｆｅ２Ｏ３、またはα−Ｆｅ２Ｏ３といった結晶構造の１ユニットセルを構成するまで至らない膜厚、もしくは２ユニットセル以下の膜厚であってもよい。つまり膜厚方向に存在する酸素、窒素、もしくはフッ素の層を有する極薄酸化物層の結晶構造をみたときに周期構造をもつ単位が２周期以下であってもよい。ここで平均のユニットセル厚さとは、５ナノメートル間隔で５点程度測定したモノレイヤー厚さの平均値で定義する。具体的観測手段としては、素子の断面ＴＥＭを用いることができる。
【０１４７】
このような極薄層でも効果を発揮できるのは、前述したように、本発明においては、ハーフメタル性を示す磁性層としては、あくまでも極薄酸化物層ＴＢに接している高Ｔｃの強磁性層（ピン層Ｐまたはフリー層Ｆ）を考えているものであり、極薄酸化物層ＴＢそのものをハーフメタルにしようとするものではないからである。抵抗調整、電流狭窄を目的とした酸化物ではこのような極薄層では充分は効果を発揮することはできない。ただし、本発明の極薄酸化物層ＴＢの構造は上記のものだけに限定されるものではない。
【０１４８】
また、本発明は、極薄酸化物層ＴＢの挿入によってＣＰＰ通電時のスピンバルブ膜の抵抗を単純に上昇させたり、ＣＰＰ通電の電流絞込み、電流狭窄を主目的としたものではなく、抵抗の上昇を生じさせずに強磁性層（ピン層Ｐ、フリー層Ｆ）中のバンド変調効果を目的としたものなので、抵抗上昇効果をもたらすことのないような十分薄い膜厚で酸化物層（または窒化物層）を形成する必要がある。
【０１４９】
具体的には、その膜厚は、望ましくは、２オングストローム乃至１０オングストロームであり、厚くても２０オングストローム以下で、材料に応じた最大の許容範囲としても３０オングストローム以下とすることが必要である。
【０１５０】
なお、極薄酸化物層ＴＢとして用いる酸化物または窒化物のもとになる元素として、原子番号が大きいイリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）などは、スピン軌道相互作用を生じやすくスピンメモリロス（ｓｐｉｎ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏｓｓ：アップスピン電子やダウンスピン電子などのスピンが反転し、スピン情報を失うこと）が生じるので、あまり好ましくない。
【０１５１】
一方、ＣＰＰ素子の素子抵抗ＡＲとしては、５００ｍΩμｍ２以下であることが必要であり、さらに望ましくは、３００ｍΩμｍ２以下、さらに高密度対応を意識した場合には２００ｍΩμｍ２以下であることが望ましい。なお、実際の素子からＡＲを算出する場合には、ＣＰＰ素子の抵抗Ｒに対してスピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａを掛け算したものとして、ＡＲを算出する。
【０１５２】
ここで、素子抵抗Ｒは、磁気抵抗効果素子からダイレクトに測定算出できるので、決定が容易であるが、スピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａは、磁気抵抗効果素子の素子形状に依存する量であるため、注意が必要である。例えば、スピンバルブ膜の全体を実効的にセンシングする領域としてパターニングして規定している場合には、スピンバルブ膜の全体の素子面積を、スピンバルブ膜の通電実行面積Ａとして規定できる。この場合、適度な素子抵抗という観点から、スピンバルブ膜の素子面積は、０．０９μｍ２以下になっているはずである。
【０１５３】
しかし、スピンバルブ膜の通電実効面積を、スピンバルブ膜の上下に接している電極の面積により規定し、スピンバルブ膜はそれより小さくパターニングしない場合には、スピンバルブ膜に接している上または下の電極の面積が、スピンバルブ膜の通電実効面積として規定できることになる。上下の電極の面積がそれぞれ異なる場合には、小さいほうの電極の面積で規定することができる。この場合、適度な素子抵抗という観点からは、小さいほうの電極の接触面積は０．０９μｍ２以下になっているはずであるが、スピンバルブ膜の面積はこれよりも大きい場合もありうる。
【０１５４】
素子構造や電極の形状によっては、厳密な通電面積を求めることは容易でない場合もあるので、本願明細書においては、スピンバルブ膜に接する上下の電極のうちの接触面積が小さいほうの電極の接触面積を通電実効面積Ａとして採用することにする。
【０１５５】
また、本発明による極薄酸化物層を用いた低抵抗な状態での磁気抵抗効果素子によって、ＡＲという換算をしない磁気抵抗効果素子の電極間の生の抵抗Ｒの値としては、１００Ω以下が実現できることになる。これは本発明による磁気抵抗効果素子を用いなければ用意には実現できない値である。ここでいう抵抗とはヘッドの場合にはＨＧＡ先端に装着されたヘッドの電極パッド再生素子部の二端子間の抵抗の値である。
【０１５６】
以下、実施例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【０１５７】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、以下の積層構造を有する磁気抵抗効果素子を作成した。
【０１５８】
下側電極／タンタル（Ｔａ）３ｎｍ／ニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）５ｎｍ／白金マンガン（ＰｔＭｎ）１０ｎｍ／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）４ｎｍ／ルテニウム（Ｒｕ）０．９ｎｍ／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）４ｎｍ／極薄酸化物層０．５ｎｍ／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍ／銅（Ｃｕ）５ｎｍ／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍ／ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）／銅（Ｃｕ）１ｎｍ／タンタル（Ｔａ）５ｎｍ／上側電極
すなわち、本実施例は、図１５（ｃ）に例示したように、ピン層Ｐのスペーサ層Ｓとの界面近傍のみに極薄酸化物層ＴＢを設けた構造を有する。
【０１５９】
この構造の場合、素子のＡＲとしては、１００ｍΩμｍ２〜２００ｍΩμｍ２、ＡｄＲとしては、５ｍΩμｍ２〜３０ｍΩμｍ２が得られる。また、後に詳述するバリエーションの場合には、電流絞り込み層によるＡＲ上昇効果と併用すると、ＡＲ〜５００ｍΩμｍ２、ＡｄＲとしては２５ｍΩμｍ２〜１５０ｍΩμｍ２を実現できる。
【０１６０】
また、極薄酸化物層ＴＢをスペーサ層Ｓとの界面近傍だけでなく、ピン層Ｐの内部に挿入してバルク散乱効果を利用すると、さらに、上記値の１．５倍〜１０倍程度の効果が現れる。また、フリー層Ｆとスペーサ層Ｓとの間の界面に極薄酸化物層ＴＢを挿入することで、さらに１．５倍から１０倍の効果が得られる。
【０１６１】
ここで、タンタル（Ｔａ）３ｍｍ／ニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）５ｎｍは、バッファ（ｂｕｆｆｅｒ）効果とシード（ｓｅｅｄ）効果を兼ねた下地層である。タンタル（Ｔａ）のようなバッファ効果をもつ材料としては、タンタル（Ｔａ）の代わりに、例えばチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）やそれらの合金材料を用いてもよい。
【０１６２】
また、これらの金属の酸化物や窒化物を用いてもよい。この場合には、ＣＰＰ構造として抵抗が上昇することは好ましくないので、酸化物の場合には２ナノメートル以下の極薄層、窒化物の場合は低抵抗の導電性窒化物にするか、抵抗が高い場合には２ナノメートル以下の極薄層にすることが望ましい。
【０１６３】
ニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）は、クロム（Ｃｒ）の濃度として、例えば０〜４０％程度の材料を用いることができる。ニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）の代わりに、ｆｃｃ金属やｈｃｐ金属などを用いることもできる。
【０１６４】
例えば、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）や、それらの合金材料を用いることができる。
【０１６５】
これら下地層の膜厚としては、３ナノメートル〜１０ナノメートル以下が望ましい。これらの材料以外でもシード効果がある材料であれば構わない。後述するように、下地層による結晶性の違いによって、ＣＰＰのＡｄＲが大きく変化するので、下地層の材料選択は重要である。
【０１６６】
図２５は、下地層の具体例を表す表である。ここで、フリー層Ｆよりもピン層Ｐが上側に設けられる、いわゆる「トップ型」の場合には、電流絞込み効果のための酸化物層を有する下地層を用いても構わない。この「電流絞込み層」は、ピン層Ｐ、スペーサ層Ｓ、フリー層Ｆのいわゆるスピン依存散乱ユニット（ＭＲ変化をもたらす最重要な三層のユニット）を流れる電流を絞り込むことで、ＣＰＰ抵抗を調整するとともに、ＭＲ変化率が同レベルだとしてもＡを増大させてＡｄＲを向上させようとした場合である。これはあまり記録密度が高くない場合には、抵抗を上昇させる場合の手段として、用いられる場合もある。
【０１６７】
下地層の上に成膜されている白金マンガン（ＰｔＭｎ）は、反強磁性材料であり、その上に成膜される磁性層の磁化方向を固着するためのものである。白金マンガン（ＰｔＭｎ）の代わりにパラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）や、イリジウム・マンガン（ＩｒＭｎ）、ルテニウム・ロジウム・マンガン（ＲｕＲｈＭｎ）のようなマンガン（Ｍｎ）リッチ系のγ−Ｍｎ系反強磁性膜を用いてもよい。この反強磁性層の膜厚としては、５ナノメートル〜２０ナノメートルが望ましく、７ナノメートル〜１５ナノメートルの範囲内であることがさらに望ましい。
【０１６８】
反強磁性層の上のコバルト鉄（ＣｏＦｅ）４ｎｍ／ルテニウム（Ｒｕ）０．９ｎｍ／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）４ｎｍ／極薄酸化物層０．５ｎｍ／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍが、ピン層Ｐ、すなわち媒体磁界が印加されても磁界方向が変化しない層である。なお、ここでは、下側の反強磁性層とコバルト鉄（ＣｏＦｅ）４ｎｍ／ルテニウム（Ｒｕ）０．９ｎｍまでを、ピン層Ｐを固着するための「ピニング層」と呼ぶことにする。本具体例では、ルテニウム（Ｒｕ）を介して磁化方向が互いに逆向きに打ち消しあっている「シンセティック構造」が採用されている。
【０１６９】
シンセティック構造の代わりに、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）４ｎｍ／ルテニウム（Ｒｕ）０．９ｎｍを除いた、いわゆる「単層ピン構造」を採用してもよいが、シンセティック構造のほうが望ましい。それは、シンセティック構造のメリットは、固着された一方向性磁界が大きいことと、ルテニウム（Ｒｕ）を介した磁化方向が逆であるため、膜外部への漏洩磁界に寄与するネット磁気モーメントが小さく、デバイス動作上有利だからである。シンセティック構造の場合の反強磁性膜とルテニウム（Ｒｕ）との間の磁性層は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）以外にも、鉄コバルト（ＦｅＣｏ）やニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の合金材料であってもよい。
【０１７０】
シンセティック構造の場合のルテニウム（Ｒｕ）と白金マンガン（ＰｔＭｎ）との間の磁性層（ここではＣｏＦｅ４）の膜厚は、ルテニウム（Ｒｕ）上に成膜される、後述するスピン依存散乱に寄与するピン層Ｐの磁気膜厚（飽和磁化×膜厚：Ｂｓ×ｔ［Ｔナノメートル］）との非対称性が少ないほうが（磁気膜厚がほぼ等しければ）、Ｈｕａｆｌａｔが大きくなるので好ましい。ここでＨｕａｆｌａｔとは、ピン層の磁化固着方向の逆方向に磁場を印加したときのピン層の磁化固着が維持できる磁界の大きさのことである。この場合、フリー層の磁化は低磁場で容易に磁界印加方向に磁化方向が向くので、フリー層とピン層の磁化方向の関係が反平行状態（スピンバルブの高抵抗状態）を維持できる強さと言い換えてもよい。ここでは抵抗−磁界曲線において、最大の高抵抗状態から３％減少するところと定義する。スピン依存散乱の寄与を大きくするためには後述するルテニウム（Ｒｕ）上のピン層Ｐの膜厚が厚いほうがスピン依存したバルク散乱効果が大きくなるので望ましいが、そうするとＰｔＭｎ側の磁化固着は弱くなってしまうので、事実上ピン層の磁化固着は弱くなるので限界がある。
【０１７１】
以上二つの要件を満たすような、ヘッド動作上問題ないレベルのＨｕａｆｌａｔを得るためには、反強磁性層とルテニウム（Ｒｕ）との間の磁性層の磁気膜厚として４Ｔナノメートル〜１２Ｔナノメートルが、さらに望ましくは６Ｔナノメートル〜１０Ｔナノメートルが望ましい。
【０１７２】
そのときの物理的な膜厚は、磁性層のＢｓによって変わってくることになるが、２ナノメートル〜６ナノメートル、もしくは３〜５ナノメートル程度が望ましい。
【０１７３】
図２６は、ピニング層の具体例を表す表である。
【０１７４】
ルテニウム（Ｒｕ）の上のコバルト鉄（ＣｏＦｅ）４ｎｍ／極薄酸化物層０．５ｎｍ／コバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍがピン層Ｐであり、ＣＰＰ素子の抵抗がスピンに依存して変わる層であり、ＭＲ変化率に直接寄与する重要な層である。
【０１７５】
従来の磁気抵抗効果素子の場合には、ピン層は、単純なコバルト鉄（ＣｏＦｅ）層や、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）層、ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ層）、鉄コバルト（ＦｅＣｏ）層の金属層のみにより形成されていた。これに対して、本実施例においては、２つのコバルト鉄（ＣｏＦｅ）層の間に極薄酸化物層を設けている。
【０１７６】
図２７は、極薄酸化物層ＴＢを挿入するピン層Ｐの材料の典型的なものを表す表である。すなわち、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）だけでなく、図２７に例示したような各種の積層構造のピン層Ｐに対して、極薄酸化物層ＴＢを挿入することも可能である。極薄酸化物層ＴＢの形成方法については、図３２を参照しつつ後に詳述する。
【０１７７】
図２８は、極薄酸化物層ＴＢの具体的な材料の具体例を挙げた表である。極薄酸化物層ＴＢの材料としては、図に挙げたような材料を少なくとも一つの元素を含む、酸化物または窒化物層、リン化物、フッ化物などでバンド変調としての効果を発揮することができる。そのなかでもＴｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの３ｄ遷移金属元素を少なくとも一つは含む極薄酸化物層か、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇのうち少なくとも一つの元素を含む極薄酸化物層などがバンド変調の効果と低抵抗の効果を容易に両立できるので特に望ましい。
【０１７８】
また、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎなども好ましい材料である。また膜厚としては、抵抗を上昇させることは望ましくないので、０．２〜３ナノメートルの範囲で、特に０．２〜２ナノメートルが好ましく、さらに好ましくは０．５ナノメートル〜１ナノメートルが好ましい。極薄酸化物層の膜厚が２〜３ナノメートルと比較的厚い場合には、抵抗を上昇させないために、極薄酸化物層中が完全に酸化、窒化、または酸窒化しているのではなく、リン化物またはフッ化物であることが望ましい場合もある。
【０１７９】
もしくは、極薄酸化物層が２〜３ナノメートルと比較的厚い酸化、窒化、酸窒化層の場合には、極薄酸化物層中に酸素や窒素と結合していない、金属状態のままで（酸素または窒素と結合していない状態の元素）残っている元素を有することが望ましい。この場合には、膜厚が厚い割には抵抗の上昇を招くことがないからである。この場合、具体的に極薄酸化物層中に金属状態のまま残っている元素としてＣｏが残っていることが望ましい。Ｃｏの場合には、比較的厚い極薄酸化物層の場合でもピン層またはフリー層中での極薄酸化物層を介した上下の磁気結合が良好に保つことができる。
【０１８０】
また、磁性層中に比較的厚い単層の極薄酸化物層が存在するよりも、薄い極薄酸化物層が複数層存在するほうが、好ましい。これは特に、磁性層中でのスピンフィルタリングによるスピン依存したバルク散乱効果を抵抗を上昇させることなく得ることができるからである。具体的には、ピン層またはフリー層それぞれの層中において、バルク散乱効果を目的とした場合には２〜６層の極薄酸化物層を有することが好ましい。ただし、スピン依存した界面散乱のために極薄酸化物層を設ける場合には、単一層でも絶大な効果を発揮することがある。
【０１８１】
このような極薄酸化物層の存在は、断面ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）によって観測することが可能である。極薄酸化物層の膜厚としては酸化物層、窒化物層、酸窒化物層の場合には断面ＴＥＭのコントラストからも識別可能であり、識別が困難な場合にはビーム径を１ナノメートル程度に絞ったＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によっても可能である。この場合、測定ポイントを膜成長方向に０．５ナノメートル〜１ナノメートル間隔で測定し、元素分布を測定位置に対してプロットしたときの酸素、窒素、リン、フッ素などの濃度分布の半値幅から算出することも可能である。
【０１８２】
また極薄酸化物層が酸素物層または酸窒化物層からなる場合には、上下に位置する高Ｔｃの材料としては、ＣｏまたはＣｏを含む合金材料であることが最も好ましく、次にＮｉまたはＮｉを含む合金材料、最後にＦｅまたはＦｅを含む合金材料であることがが好ましい。これはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅの順に酸化されづらい材料であるため、極薄酸化物層との界面の急峻性を保持することができ、酸素の拡散を防ぐことができるからである。極薄酸化物層の上下に存在する磁性材料の構成元素は断面ＴＥＭサンプルのナノＥＤＸスキャン等によって識別することができる。
【０１８３】
同様の観点から、極薄酸化物層が酸化物層、または酸窒化物層からなる場合には、極薄酸化物層が酸素との結合が安定な材料であることが望ましく、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗのうち少なくとも一つの元素を含むことが極薄酸化物層として特に好ましい構成である。
【０１８４】
また、安定な酸化物層、窒化物層にするために後述するような高エネルギー酸化、項エネルギー窒化プロセスが、極薄酸化物層の形成方法として好ましいが、その場合Ａｒイオンビームを用いたときにはＡｒを極薄酸化物層に上下の高Ｔｃ磁性材料中よりも多く含み、そのＡｒが極薄酸化物層の効果に二次的に良好な効果を発揮する場合がある。具体的には、極薄酸化物層の上、または下に位置する磁性材料中にはスパッタ成膜された場合にも若干のＡｒを含む場合があるが、少なくともその２倍以上、望ましくは３倍以上の量のＡｒを極薄酸化物層中に含むことが好ましい。
【０１８５】
ピン層Ｐの上の銅（Ｃｕ）層がピン層Ｐとフリー層Ｆとを磁気的に分断する非磁性スペーサ層Ｓである。銅（Ｃｕ）の代わりに、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）などを用いることもできる。スペーサ層Ｓの膜厚としては、ピン層Ｐや後述するフリー層Ｆでのスピン拡散長よりも短い膜厚であることが必要とされる。例えば、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）のスピン拡散長は、約５ナノメートル程度である。その観点からは、スペーサ層Ｓは、薄ければ薄いほど望ましい。
【０１８６】
また、スペーサ層Ｓを伝導電子が通過するときの抵抗が高くなると、ＭＲ変化率が低下するという問題もあるため、その観点からも薄ければ薄いほど望ましい。
【０１８７】
一方、フリー層Ｆの磁化方向が媒体磁界によって変化したときにも、ピン層Ｐの磁化方向に変化が生じないように、ピン層Ｐとフリー層Ｆとの間の磁気的な結合が実用上問題ないぐらいに分断されていなければならない。このようにピン層Ｐとフリー層Ｆとの磁気的結合を分断するという観点からすると、スペーサ層Ｓは、ある一定以上厚い膜厚を有することが必要である。
【０１８８】
金属だけで形成されたスペーサ層Ｓの場合には、その膜厚は、１．５ナノメートル程度がその膜厚の下限である。そのため、スペーサ層Ｓの膜厚としては１．５ナノメートル〜５ナノメートルが望ましく、２ナノメートル〜４ナノメートルがさらに望ましい。
【０１８９】
ただし、後の実施例で挙げるようなＣＣＰ−ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃｏｎｆｉｎｅｄ　Ｐａｔｈ−Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｔｏ　Ｐｌａｎｅ）型の構造の場合には、スペーサ層Ｓにおいて電流パスを絞り込むために、スペーサ層Ｓの中に酸化物を含む。このようなＣＣＰ−ＣＰＰ型の構造の場合には、ＣＣＰ効果を生み出す酸化物層の存在によってピン層Ｐとフリー層Ｆとの磁気結合がきれやすくなっているため、ＣＣＰスペーサの上下に存在する銅（Ｃｕ）層の膜厚は、１．５ナノメートルよりも薄くすることが可能となり、ＣＣＰ用酸化物層の上下にある銅（Ｃｕ）スペーサ層の膜厚を０．１ナノメートルまで薄くすることが可能となる。
【０１９０】
ＣＣＰ効果を生み出す酸化物層としては、タンタル（Ｔａ）酸化物、クロム（Ｃｒ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物、ジルコニウム（Ｚｒ）酸化物、ハフニウム（Ｈｆ）酸化物、アルミニウム（Ａｌ）酸化物、シリコン（Ｓｉ）酸化物、マグネシウム（Ｍｇ）酸化物、バナジウム（Ｖ）酸化物、タングステン（Ｗ）酸化物、モリブデン（Ｍｏ）酸化物などを挙げることができる。このときの酸化物層の膜厚は、１ナノメートル〜３ナノメートル程度が望ましい。
【０１９１】
図２９、このようなスペーサ層Ｓの具体例を挙げた表である。
【０１９２】
本発明は、ＣＰＰ効果を引き出すことを主目的としているが、本発明の伝導ハーフメタル効果は、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果の場合でも有効であり、ＴＭＲの場合の非磁性スペーサ層である、Ａｌ２Ｏ３や、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＳｒＴｉＯ３等の酸化物層であっても構わない。この場合には、酸化物層の膜厚として１ナノメートル〜３ナノメートルが望ましい。ヘッド応用上の場合には、既に述べたように抵抗を増大させてはならないという制約があるので、１ナノメートル〜２ナノメートルが望ましい。
【０１９３】
スペーサ層Ｓの上の、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍ／ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）４ｎｍが、フリー層Ｆであり、媒体磁界によって磁化方向が変化する層である。コバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍ／ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）４ｎｍは、面内通電タイプのＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）型の世代から使用されている標準的なフリー層である。この場合、スペーサ層Ｓとの界面のコバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍがスペーサ層Ｓとニッケル鉄（ＮｉＦｅ）層とのミキシングを抑えるための界面層であり、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）層は軟磁性層である。
【０１９４】
ただし、ＣＩＰ型と異なりＣＰＰ型の場合には、スペーサ層Ｓとフリー層Ｆとのコバルト鉄（ＣｏＦｅ）１ｎｍの層は、必ずしも必要としない場合がある。これは、ＣＩＰ型の場合のスペーサ層Ｓに電流が集中した状態でのスペーサ層Ｓとフリー層Ｆとの間のスピン依存した界面散乱効果と、ＣＰＰ型の場合の強制的にスペーサ層Ｓとフリー層Ｆとの界面の間を電流が通過する場合のスピン依存した界面依存散乱効果とは必ずしも同じではないため、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）層と銅（Ｃｕ）層とのミキシング層がスピン依存した界面依存散乱効果を低下させない場合もあるからである。
【０１９５】
ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）の組成としては、Ｎｉ７０Ｆｅ３０〜Ｎｉ９０Ｆｅ１０が好ましく、Ｎｉ７８Ｆｅ２２〜Ｎｉ８３Ｆｅ１７の範囲がさらに好ましい。フリー層Ｆの中でのスピン依存したバルク散乱効果を向上させて膜構成としては、ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）膜、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）／ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）積層構成や、（ＮｉＦｅＣｏ／Ｃｕ０．１ｎｍ）×ｎ積層膜、などを挙げることができる。
【０１９６】
ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）層の組成としては、ｆｃｃ構造をもち、ゼロ磁歪が実現しやすい、Ｎｉ６６Ｆｅ１６Ｃｏ１８近傍の組成が好ましい。ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）に銅（Ｃｕ）を積層したときの銅（Ｃｕ）の膜厚は、０．１ナノメートル〜１ナノメートル程度と極薄とすることが好ましい。このような極薄の銅（Ｃｕ）層の挿入によって、フリー層Ｆ中でのスピン依存したバルク散乱効果が増大し、ＭＲ変化率が増大する。銅（Ｃｕ）の膜厚が１ナノメートルよりも厚くなりすぎると、その銅層を介した上下の磁性層の磁気結合が切れてしまうので、一体のフリー層Ｆとして機能しなくなるので好ましくない。
【０１９７】
また、フリー層Ｆに対して銅（Ｃｕ）層を挿入する周期も、ＭＲ変化率に違いをもたらすので重要である。銅（Ｃｕ）層を挿入するニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）の膜厚間隔としては、０．５ナノメートル〜３ナノメートル程度が好ましく、０．７ナノメートル〜２ナノメートルがより好ましい。
【０１９８】
ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）の場合だけでなく、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）の場合にもこのような極薄銅（Ｃｕ）層の挿入はＭＲ変化率をもたらすので、（ＮｉＦｅ／Ｃｕ）×ｎ積層構造にしても構わない。また、ここではニッケル鉄（ＮｉＦｅ）またはニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）に銅（Ｃｕ）層を挿入したが、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）やニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）、またはこれらに添加元素を含むような材料の場合には、磁性層中に挿入するのは銅（Ｃｕ）の代わりに、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ガリウム（Ｇａ）のような材料でも構わない。
【０１９９】
また、添加元素として磁性層に混ぜるのではなく、本実施例のように、ある一定膜厚間隔で極薄層を挿入する場合は、磁性層を構成する元素と非固溶な関係にある元素材料を挿入することが望ましい。例えばジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などは、ＭＲ変化率が向上し、特に好ましい。
【０２００】
このような極薄金属層の存在は、反強磁性層の磁化固着のための磁場中熱処理の後でも膜断面方向からの断面ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等によって観測することが可能である。磁性層中に単純に添加元素として含む場合には、これらの材料の膜断面方向からの大きな濃度分布がないのに対して、本実施例のように、独立した層として挿入した場合には、断面ＴＥＭ観察とともに、ビームスポット径１ナノメートル程度（このスポット径よりも小さければ小さいほど好ましい）のナノＥＤＸ（ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　ｘ−ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を膜厚方向に１ナノメートル以下の間隔で測定を行うことにより、構成元素の濃度分布として現れる。
【０２０１】
ただし、挿入される膜厚が、上述したように０．１ナノメートル程度の場合もあるので、このような極薄層の判別はビームスポット径１ナノメートル程度のものでＥＤＸ分析した場合には、極薄層が存在する領域でもＥＤＸ分析の結果としては、数原子％の濃度として検出されてしまう。しかし、同様の測定を膜厚方向にスキャンすることによって、極薄層元素層が存在する領域としない領域で識別することが可能である。
【０２０２】
図３０は、フリー層Ｆのその他の具体例を挙げた表である。
【０２０３】
本実施例において、フリー層Ｆの上に積層されている銅（Ｃｕ）層は、その上のタンタル（Ｔａ）との界面ミキシングの防止層としても機能する。銅（Ｃｕ）の代わりに、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等を用いてもよいし、また、キャップ層との界面ミキシングが抑制されうる場合には、この層はなくすことも可能である。この層の膜厚は０ナノメートル〜３ナノメートル程度であることが好ましい。
【０２０４】
フリー層Ｆの上の銅（Ｃｕ）層と、その上に積層されているタンタル（Ｔａ）層を、ここでは「キャップ層」と呼ぶことにする。これは、スピンバルブ膜成膜後の微細加工プロセスを行った場合にも、積層膜がエッチングされたりしないように保護するためのものである。タンタル（Ｔａ）層の代わりに、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの層で保護しても構わない。
【０２０５】
図３１は、キャップ層のその他の具体例を挙げた表である。
【０２０６】
一方、前述したように、スピンバルブ膜の結晶配向性を向上させることもＭＲ変化率に影響を与えるので重要である。結晶配向性を向上させることにより、ピン層Ｐ／スペーサ層Ｓ／フリー層Ｆのスピン依存散乱ユニット内での結晶欠陥が低減し、アップスピンとダウンスピンのスピン情報を失うことのない、つまりスピン拡散長が十分に長い積層膜を得ることができるからである。つまり、ピン層Ｐ／スペーサ層Ｓ／フリー層Ｆのトータル膜厚が厚くなっても、スピン依存バルク散乱効果を十分に発揮することができることになり、ＭＲ変化率が向上する。
【０２０７】
また、結晶配向性を向上させることによって、積層膜界面のコヒーレンシーも向上するため、スピン依存界面散乱効果が向上して、ＭＲ変化率が向上する。
【０２０８】
また、結晶配向性を向上させることによって、良好な結晶バンド構造が形成されることになるので、前述したような極薄の銅（Ｃｕ）層や極薄のジルコニウム（Ｚｒ）層などの極薄金属層の挿入によるバンド構造変化も顕著にでやすくなり、バンド構造に起因したＭＲ変化率の向上がより顕著になる。例えば、バンド構造の変化による、アップスピンとダウンスピンのフェルミ速度の差が大きくなるようなことが、結晶配向性が良好なスピンバルブ膜のほうがより顕著になるからである。
【０２０９】
本発明は、結晶のバンド構造変調を目的としたのものであるから、結晶配向面によっても、極薄酸化物層の効果は当然変わることになる。特に望ましい結晶配向として、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆがｆｃｃ構造をもつ場合には、ｆｃｃ（１１１）配向性をもつことが望ましく、ピン層Ｐまたはフリー層Ｆがｂｃｃ構造をもつ場合には、ｂｃｃ（１１０）配向性をもつことが望ましい。ピン層Ｐまたはフリー層Ｆがｈｃｐ構造をもつ場合には、ｈｃｐ（００１）配向か、ｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【０２１０】
結晶配向性のばらつきとしては、配向のばらつき角度が５．０度以内であることが好ましく、さらには４．０度以内であることが望ましく、さらに好ましくは３．５度以内、またさらに３．０度以内であることが好ましい。配向がよい膜ほど高いＭＲ変化率を得ることができ、つまり高い出力電圧を得ることができる。
【０２１１】
これは、例えば、Ｘ線による測定の場合には、θ−２θ測定により得られたピーク位置での、ロッキングカーブの半値幅として測定可能な値である。ヘッドにおいては、断面構造からのナノディフラクションスポットでのスポットの分散角度として検知することができる。反強磁性膜の材料にも依存するが、一般的に反強磁性膜と、ピン層Ｐ／スペーサ層Ｓ／フリー層Ｆの格子間隔は異なるため、それぞれの層においての配向のばらつき角度を別々に算出することが可能である。
【０２１２】
例えば、白金マンガン（ＰｔＭｎ）とピン層Ｐ／スペーサ層Ｓ／フリー層Ｆとは、格子間隔は異なる構成になることが多い。白金マンガン（ＰｔＭｎ）は、単一の材料の層で比較的厚い膜なため、結晶配向のばらつきを測定するのには適した材料である。ピン層Ｐ／スペーサ層Ｓ／フリー層Ｆのほうは、ピン層Ｐとフリー層Ｆで結晶構造がｂｃｃ構造とｆｃｃ構造というように異なる場合もあるため、この場合には、ピン層Ｐとフリー層Ｆとは、それぞれ別の結晶配向の分散角をもつことになる。
【０２１３】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、極薄酸化物層ＴＢの形成方法について具体例を挙げつつ説明する。
【０２１４】
図３２は、本発明における極薄酸化物層ＴＢを含んだ磁気抵抗効果素子の形成するための装置構成の一例を表す概念図である。すなわち、同図の装置の場合、搬送チャンバーＴＣを介して、基板を導入するロードロックチャンバーＬＣ、成膜チャンバーＭＣ１、ＭＣ２、ＴＢＣ、表面処理チャンバーＰＣ等が真空バルブＶを介して連結された構造を有する。
【０２１５】
金属膜成膜チャンバーＭＣ１，ＭＣ２では、スピンバルブ膜の基本ユニットとなる金属膜の成膜を、スパッタなどの成膜方法により形成する。具体的には、ＤＣマグネトロン成膜、ＲＦマグネトロンスパッタ、その他の各種の方式のスパッタ成膜や、ＩＢＤ（Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）でもよい。また蒸着成膜や、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）などでもよい。さらに、酸化層や窒化層などの本発明における極薄酸化物層ＴＢをこれらの成膜チャンバーで形成してもよい。
【０２１６】
また一方、表面処理チャンバーＰＣにおいて、本発明の極薄酸化物層ＴＢとなる酸化層や窒化層の形成を行うことも極薄酸化物層の好ましい製造方法である。具体的には、自然酸化、自然窒化法や、ラジカル酸化（窒化）法、酸素雰囲気中でのＵＶ（紫外線）光照射、オゾン酸化法、イオンビーム酸化法などを用いることができる。
【０２１７】
自然酸化法よりもエネルギーアシスト効果のある酸化手法のほうが望ましい。例えば、イオンビーム酸化法などはイオンビームによるエネルギーアシスト効果があるので有効である。そのとき、酸素ガスをイオンビームとして照射してもよいし、酸素雰囲気中でアルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）などの希ガスのイオンビームを照射してもよい。このときビームのエネルギーが高すぎると酸化層や窒化層の厚さが厚くなってしまうので、あまり高すぎない程度のエネルギーで、ビーム入射角度も垂直入射よりも低角度入射が好ましい。
【０２１８】
例えば、入射角度が基板の主面に対して９０度入射の場合には、イオンビームの加速電圧として、５０Ｖ〜１５０Ｖが望ましく、入射角度が１０〜３０度の低角度入射の場合には、イオンビームの加速電圧として、５０〜３００Ｖ程度が望ましい。
【０２１９】
ただし、従来のイオンビームを用いた酸化、窒化では、ビームのエネルギーがビーム入射角度と同じ方向にエネルギーが伝播するため、ビームの加速電圧を下げることや、入射角度を低角度入射にすることでも、酸化される表面の材料によっては、酸化膜の膜厚が厚くなってしまうことが生じる。これをさらに制御する方法として、従来のモノマーのイオンビームではなく、クラスター状態のイオンビームであるＧＣ−ＩＢ（Ｇａｓ　Ｃｌｕｓｔｅｒ　Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ）を用いる方法もより望ましい。
【０２２０】
これは、イオンビームがクラスター状態で加速され、サンプル表面に衝突したときにクラスターが膜表面方向に運動量をもってはじけるため、高濃度のガス分子が膜面方向へのエネルギーをもって（つまり膜厚方向へのダメージがなく）、衝突することになるので、ガス分子として酸素クラスターを用いれば、高エネルギー酸化と薄い膜厚での酸化物形成が両立できることになる。またガスクラスターの数を調整することによって、単位表面積あたりの酸素濃度を調整できるため、酸化物の価数制御も可能になる。
【０２２１】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の具体例を挙げて説明する。
【０２２２】
図３３及び図３４は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。すなわち、これらの図は、磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を表し、図３３は、磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面Ｐに対して略平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。また、図３４は、この磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【０２２３】
図３３及び図３４に例示した磁気抵抗効果素子は、ハード・アバッテッド（ｈａｒｄ　ａｂｕｔｔｅｄ）構造を有している素子であり、磁気抵抗効果膜４の上下には、下部電極２と上部電極６とがそれぞれ設けられ、また、図３３において、磁気抵抗効果膜４の両側の側面には、バイアス磁界印加膜１０と絶縁膜１２とが積層して設けられている。さらに、図３４に例示したように、磁気抵抗効果膜４の媒体対向面には、保護層８が設けられている。
【０２２４】
磁気抵抗効果膜４は、図１乃至図３２に関して前述したように、本発明の実施の形態にかかる構造を有する。すなわち、極薄酸化物層ＴＢ（図示せず）が適宜設けられた積層構造を有する。
【０２２５】
磁気抵抗効果膜４に対するセンス電流は、その上下に配置された電極２、６によって矢印Ａで示したように、膜面に対して略垂直方向に通電される。また、左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜１０、１０により、磁気抵抗効果膜４にはバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界により、磁気抵抗効果膜４のフリー層の磁気異方性を制御して単磁区化することによりその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。
【０２２６】
本発明によれば、磁気抵抗効果膜４に極薄酸化物層ＴＢを適宜挿入することにより、ＭＲ変化率が向上する。その結果として、磁気抵抗効果素子の感度を顕著に改善することが可能となり、例えば、磁気ヘッドに応用した場合に、高感度の磁気再生が可能となる。
【０２２７】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図１乃至図３４に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【０２２８】
図３５は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０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。同図において、記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２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Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【０２２９】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０２３０】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【０２３１】
サスペンション１５４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１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５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１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５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および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０２３２】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７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１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０２３３】
図３６は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば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１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【０２３４】
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図３４に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０２３５】
本発明によれば、図１乃至図３３に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
【０２３６】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、図１乃至図３４に関して説明した本発明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（ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒａｎｄｏｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｍｏｒｙ）などの磁気メモリを実現できる。
【０２３７】
図３７は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【０２３８】
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、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３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。
【０２３９】
ビット情報を書き込むときは、特定の書込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０２４０】
図３８は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１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３２１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３２１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。
【０２４１】
書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３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。
【０２４２】
図３９は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。また、図４０は、図３９のＡ−Ａ’線断面図である。
【０２４３】
すなわち、これらの図に表した構造は、図３７に例示した磁気メモリに含まれるひとつのメモリセルに対応する。つまり、ランダムアクセスメモリとして動作する磁気メモリの１ビット部分のメモリセルである。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。
【０２４４】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子３２１と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子３２１は、図１〜図３４に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子であり、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果などを有し、且つ極薄酸化物層ＴＢが適宜挿入された素子である。
【０２４５】
ＧＭＲ効果を有する場合は、ビット情報読み出しの際には磁気抵抗効果素子３２１にセンス電流を流してその抵抗変化を検出すればよい。
【０２４６】
また、特に、磁性層／非磁性トンネル層／磁性層／非磁性トンネル層／磁性層という構造をもつ強磁性２重トンネル接合などを含むものであると、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果による抵抗変化により磁気抵抗効果が得られる。
【０２４７】
これらの構造において、いずれかの磁性層は、磁化固着層として作用し、他のいずれかの磁性層が磁気記録層として作用するものとすることができる。
【０２４８】
一方、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トランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２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３２１と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。゜
また、磁気抵抗効果素子３２１の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２と略直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３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。
【０２４９】
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３２１に書き込むときは、配線３２２、３２３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。
【０２５０】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子３２１の抵抗値または抵抗値の変化を測定することにより行われる。
【０２５１】
本具体例の磁気メモリは、図１〜図３４に関して前述したような磁気抵抗効果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が確保され、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０２５２】
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、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、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。
【０２５３】
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０２５４】
また、本発明は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０２５５】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０２５６】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気ヘッド及び磁気記憶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、磁気記憶再生装置及び磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【０２５７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、垂直通電型の磁気抵抗効果素子の強磁性層の層中あるいは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極薄の薄膜層を挿入することにより、この薄膜層の近傍における強磁性層のバンド構造を変調させて、電子のスピンフィルタ作用を得ることができる。
その結果として、素子抵抗を上昇させることなく、室温あるいはそれよりも昇温した温度範囲において、ＭＲ変化率の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【０２５８】
その結果として、高い記録密度でも高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置や、高集積な磁気メモリなどを提供することが可能となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を説明するための模式図である。
【図２】通常のハーフメタルのバンド構造と、本発明において極薄酸化物層により得られるバンド構造と、をそれぞれ表した模式図である。
【図３】本発明の基本概念をまとめた図である。
【図４】ＣＣＰの物理原理と、本発明の極薄酸化物層ＴＢによるスピンフィルタリングの物理原理の違いを説明するための概念図である。
【図５】極薄酸化物層ＴＢの上下に非磁性層ＮＭが設けられた構造を表す要部断面図である。
【図６】図５に表した構造の変形例であり、極薄酸化物層ＴＢの上下のうち、一方にのみ極薄の非磁性層ＮＭが挿入されている構造を表す要部断面図である。
【図７】極薄酸化物層ＴＢがピン層Ｐ（またはふりー層Ｆ）とスペーサ層Ｓとの界面に挿入された場合を表す。
【図８】極薄酸化物層ＴＢがピン層Ｐ（またはフリー層Ｆ）からみてスペーサ層Ｓとは反対側に設けられた場合を表す模式図である。
【図９】極薄非磁性層ＮＭと極薄酸化物層ＴＢとの間にさらに金属磁性層ＭＭが設けられた構造を例示する要部断面図である。
【図１０】極薄非磁性層ＮＭと極薄酸化物層ＴＢとの間にさらに金属磁性層ＭＭが設けられた構造を例示する要部断面図である。
【図１１】極薄非磁性層ＮＭと極薄酸化物層ＴＢとの間にさらに金属磁性層ＭＭが設けられた構造を例示する要部断面図である。
【図１２】極薄非磁性層ＮＭと極薄酸化物層ＴＢとの間にさらに金属磁性層ＭＭが設けられた構造を例示する要部断面図である。
【図１３】極薄酸化物層ＴＢの中に未反応（未酸化、または、未窒化、未フッ化）の部分が含まれる場合を表す模式図である。
【図１４】未反応の金属元素がグラニュラー状ではなく、より微細なクラスタＴＢＣとして極薄酸化物層ＴＢの中に均一に存在している場合を表す模式図である。
【図１５】極薄酸化物層ＴＢの挿入位置を例示する断面模式図である。
【図１６】ピン層Ｐとフリー層Ｆとのいずれの側にも極薄酸化物層ＴＢを挿入した構成を例示する模式図である。
【図１７】ピン層Ｐまたはフリー層Ｆの内部に極薄酸化物層ＴＢを挿入した具体例を表す模式図である。
【図１８】ピン層Ｐとフリー層Ｆのいずれにも極薄酸化物層ＴＢを挿入した具体例を表す模式図である。
【図１９】極薄酸化物層ＴＢをピン層Ｐまたはフリー層Ｆにおいて、界面近傍とバルク内部の両方に設けた具体例を表す模式図である。
【図２０】ピン層Ｐまたはフリー層Ｆのいずれか片側だけにおいて、界面依存散乱とバルク散乱効果とを狙い、且つバルク散乱効果を増強するために複数の極薄酸化物層ＴＢを挿入した素子構造を表す模式図である。
【図２１】ピン層Ｐまたはフリー層Ｆのいずれか一方においては界面散乱効果を狙い、他方の層において複数の極薄酸化物層ＴＢによるバルク散乱効果を狙った素子構造を表す模式図である。
【図２２】ピン層Ｐまたはフリー層Ｆのいずれかにおいても界面散乱効果とバルク散乱効果の両方を狙い、さらに、いずれか一方の層においては、極薄酸化物層ＴＢを複数挿入してバルク散乱効果をさらに高めた構造を例示する模式図である。
【図２３】本発明を適用できる磁気抵抗効果素子の積層構成を例示する模式図である。
【図２４】ピニング層を設けたスピンバルブ構造を例示する模式図である。
【図２５】下地層の具体例を表す表である。
【図２６】ピニング層の具体例を表す表である。
【図２７】極薄酸化物層ＴＢを挿入するピン層Ｐの材料の典型的なものを表す表である。
【図２８】極薄酸化物層ＴＢの具体的な材料の具体例を挙げた表である。
【図２９】スペーサ層Ｓの具体例を挙げた表である。
【図３０】フリー層Ｆのその他の具体例を挙げた表である。
【図３１】キャップ層のその他の具体例を挙げた表である。
【図３２】本発明における極薄酸化物層ＴＢを含んだ磁気抵抗効果素子の形成するための装置構成の一例を表す概念図である。
【図３３】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部構成を模式的に表す概念図である。
【図３４】図３３の磁気抵抗効果素子を媒体対向面Ｐに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【図３５】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図３６】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図３７】本発明の実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【図３８】本発明の実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。
【図３９】本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。
【図４０】図３９のＡ−Ａ’線断面図である。
【符号の説明】
ＡＦ　反強磁性層
ＡＣ　反強磁性結合層
Ｐ　ピン層（磁化固着層）
Ｓ　スペーサ層（非磁性中間層）
Ｆ　フリー層（磁化自由層）
ＦＭ　強磁性層
ＨＭ　ハード磁性層
ＮＭ　非磁性層
ＴＢ　極薄酸化物層（薄膜層）
ＴＢＲ　反応部
ＴＢＭ　未反応部
１５０　磁気記録再生装置
１５２　スピンドル
１５３　ヘッドスライダ
１５４　サスペンション
１５５　アクチュエータアーム
１５６　ボイスコイルモータ
１５７　スピンドル
１６０　磁気ヘッドアッセンブリ
１６４　リード線
２００　磁気記録媒体ディスク
３１１　記憶素子部分
３１２　アドレス選択用トランジスタ部分
３１２　選択用トランジスタ部分
３２１　磁気抵抗効果素子
３２２　ビット線
３２２　配線
３２３　ワード線
３２３　配線
３２４　下部電極
３２６　ビア
３２８　配線
３３０　スイッチングトランジスタ
３３２　ゲート
３３２　ワード線
３３４　ビット線
３３４　ワード線
３５０　列デコーダ
３５１　行デコーダ
３５２　センスアンプ
３６０　デコーダ
【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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【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１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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