(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２上に形成されるＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜３とを備え、Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜３はＬ２1 またはＢ２単相構造を有し、薄膜のＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７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と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。【選択図】  図１
2005228998.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 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜と、を備え、
上記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜はＬ２1 またはＢ２単相構造を有し、
上記薄膜のＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、
該Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７であることを特徴とする、磁性薄膜。
【請求項２】
前記基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱し前記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理し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 ＭＧａ1-x Ａｌx 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４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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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】
前記基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱し前記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理し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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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】
前記基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱し前記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理し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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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】
前記基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱し前記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理したことにより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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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】
前記基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱し前記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理して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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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３００℃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、ハーフメタルの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）。また、その薄膜を用いたトンネル接合が作製され、室温で１６％程度のＴＭＲが報告されている（非特許文献４参照）。
【００１０】
最近、ホイスラー化合物の磁化特性やハーフメタル特性において、構成元素の総価電子Ｚによりそれらの特性をまとめられることが報告された（非特許文献５）。
【００１１】
【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
【非特許文献４】K. Inomata, S. Okamura, R. Goto and N. Tezuka, "Large     tunneling magnetoresistance at room temperature using a Heusler alloy with B2   structur", 2003, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.42, PL419
【非特許文献５】I. Galanakis and P. H. Dederichs, "Slater-Pauling behavior and origin of the half-metallicity of the full-Heusler alloys",2002, The       American Physical Society, PHYSICAL REVIEW B, Vol.66, pp.174429-1-174429-9
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ薄膜及びこの薄膜を用いたトンネル接合が作製され、ＴＭＲが得られている。  しかしながら、ｘ＝０であるＣｏ2 ＣｒＡｌ側では、Ｂ２構造のＣｏＡｌ化合物が極めて安定なために、Ｂ２構造であるＣｏＡｌとＡ２構造であるＣｏＣｒとの２相分離が生じやすく、ハーフメタル特性が期待されるＣｏ2 Ｆｅ0.4 Ｃｒ0.6 Ａｌ薄膜のような単一相の合金が得られにく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、ＧａはＡｌと等しい価電子を有する元素であり、ＣｏＧａは、ＣｏＡｌほど安定ではないことを考慮して、Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を作製した結果、この膜は室温で強磁性であり、かつ、基板を無加熱、または５００℃以下の温度で成膜したり、さらにこの薄膜を５００℃以下の温度で熱処理することにより、Ｌ２1 またはＢ２単相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、基板と基板上に形成されるＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜と、を備え、Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜はＬ２1 またはＢ２単相構造を有し、薄膜のＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７であることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱し前記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理する。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 ＭＧａ1-x Ａｌx 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ハーフメタルであるＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）磁性薄膜（以下、適宜Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （０≦ｘ≦０．７）磁性薄膜または単にＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜と呼ぶ）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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）磁性薄膜でなることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、強磁性層が、固定層とフリー層とで成り、フリー層はＬ２1 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 磁性薄膜である。また、前記基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱しＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理すればよい。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 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜と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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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、フリー層がＬ２1 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （０≦ｘ≦０．７）磁性薄膜でなることが好ましい。上記基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱しＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理してもよい。基板とＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）磁性薄膜が基板上に形成されてなることを特徴とする。この場合、フリー層が上記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （０≦ｘ≦０．７）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無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱しＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理して作製されている。
また、基板とＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （０≦ｘ≦０．７）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ができる。バッファー層として、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅのうち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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）磁性薄膜が基板上に形成されてな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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、０≦ｘ≦０．７）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。基板を無加熱を含む５００℃以下の温度で加熱しＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜を成膜するか、またはこの成膜した薄膜をさらに５００℃以下の温度で熱処理して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 ＭＧａ1-x Ａｌx 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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相構造を有するＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜３を配設している。Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜３において、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ０≦ｘ≦０．７である。ただし、上記Ｍの元素の価電子濃度Ｚは、上記元素のＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅのそれぞれにおいて、ＺTi＝４，ＺV ＝５，ＺCr＝ＺMo＝ＺW ＝６，ＺMn＝７，ＺFe＝８と定義する。
ＭがＣｒ，Ｍｏ，Ｗの場合には、平均価電子濃度Ｚが６であり、上記の５．５≦Ｚ≦７．５を満足する。
また、Ｍが２種からなる場合の平均価電子濃度Ｚについて説明する。その組成が、Ｍ＝Ｍ1aＭ21-aとする。ここで、Ｍ1 ，Ｍ2 は、上記の金属Ｍから選ばれる金属であり、その組成としては、Ｍ1 がａであり、Ｍ2 が１−ａである。そして、Ｍ1 ，Ｍ2 の価電子濃度Ｚをそれぞれ、ＺM1，ＺM2とする。このＭ1aＭ21-aの平均価電子濃度Ｚは、Ｚ＝ａ×ＺM1＋（１−ａ）×ＺM2で計算でき、このＺを５．５≦Ｚ≦７．５となるように、Ｍの組成を決めればよい。
さらに、Ｍが２種以上からなる場合にも、その組成と価電子濃度Ｚから、同様にして平均価電子濃度Ｚを、５．５≦Ｚ≦７．５を満足するようにＭの選定をすればよい。Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜３は、室温で強磁性であり、電気抵抗率が２００μΩ・ｃｍ程度であり、かつ基板を加熱することなくＬ２1 またはＢ２単相構造を有している。ここで、基板２上のＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx のＬ２1 構造においては、図３のＩの位置にＭ（ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなる）がその平均価電子濃度Ｚを５．５≦Ｚ≦７．５とする組成となるように配置され、IIの位置にＧａとＡｌとが組成比としてＧａ1-x Ａｌx （０≦ｘ≦０．７）となるように配置され、III とIVの位置にＣｏが配置される。
また、Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx のＢ２単相構造においては、図３のＩの位置及びIIの位置に、Ｍ（ここでは、Ｔｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなる）とＧａとＡｌとが不規則に配列され、III 及びIVの位置にＣｏが配置される。この際、ＭとＦｅとＣｒとの組成比は、Ｍ1 Ｇａ1-x Ａｌx （ここで、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相構造のＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜が得られる。
さらに、上記構成のＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３は、膜厚が数ｎｍ程度の非常に薄い膜においても、Ｌ２1 またはＢ２単相構造が得られる。
ここで、Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜の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、上記ＭとＧａ（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。これらの違いはＸ線回折や電子線回折で測定することができる。
【００３５】
上記Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜３において、Ｍの平均価電子濃度Ｚを、５．５≦Ｍ≦７．５とした理由について説明する。Ｚが５．５より小さいと、薄膜のキュリー温度が１００℃を下回り、室温で大きなＴＭＲが得られなくなる。一方、Ｚが７．５を越えると、薄膜のハーフメタル特性が消滅し、例えば、ＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子及びトンネル磁気抵抗効果素子において、大きなＧＭＲやＴＭＲが得られないからである。
【００３６】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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。
【００３７】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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。
【００３８】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３が配設され、トンネル層となる絶縁層１１と、強磁性層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。
【００３９】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３が配設され、トンネル層となる絶縁層１１と、Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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への電流の流し方は、膜面垂直方向に電流を流すＣＰＰ構造とすることができる。
【００４０】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相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。
【００４１】
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、他方のフリー層となる強磁性層Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３のスピンのみが反転される。
したがって、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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３のスピンの平行、反平行が容易に得られる。
この際、フリー層であるＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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。
【００４２】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３と同じＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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。
【００４３】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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への電流の流し方は、膜面内に電流を流すタイプであるＣＩＰ構造と、膜面垂直方向に電流を流すタイプであるＣＰＰ構造とすることができる。
【００４４】
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への電流の流し方は、膜面内に電流を流すタイプであるＣＩＰ構造と、膜面垂直方向に電流を流すタイプであるＣＰＰ構造とすることができる。
【００４５】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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 またはＢ２単相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。
【００４６】
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の強磁性層であるＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３が、ハーフメタルであることからスピン分極率が大きい。このため、外部磁界が印加されたときに伝導に寄与するのは、この薄膜３の一方のスピンのみである。したがって、巨大磁気抵抗効果素子３０によれば、非常に大きな磁気抵抗、即ち、ＧＭＲが得られる。
【００４７】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）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。そして、伝導に寄与するのはハーフメタルであるＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３の一方のスピンだけであるので、非常に大きなＧＭＲが得られる。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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 ＭＧａ1-x Ａｌx （ここで、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅの中の１種または２種以上からなり、Ｍ中の平均価電子濃度Ｚが５．５≦Ｚ≦７．５であり、かつ、０≦ｘ≦０．７）薄膜３とのスピンが平行となり、最小の抵抗となる。そして、領域（III)では上記スピンが反平行の状態となり、最大の抵抗となる。ここで、Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 薄膜３は、例えばＣｏ2 ＦｅＣｒＧａを用いることができる。
【００５１】
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。
【００５２】
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】
【００５３】
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明の磁性薄膜であるＣｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx として、ＭをＣｒとして組成ｘを０としたＣｏ2 ＣｒＧａを製作した。この場合、Ｍの平均価電子濃度Ｚは、６である。
最初に、本発明の磁性薄膜の材料となるＣｏ2 ＣｒＧａ合金の製作について説明する。高純度のＣｏとＣｒとＧａをそれぞれ２５％、２５％、５０％の組成比で、アーク溶解装置に投入し、１１００℃で２４時間の溶解を行い、氷水焼入れをしてＣｏ2 ＣｒＧａ合金を製作した。
【００５４】
図１０は、実施例１で製作したＣｏ2 ＣｒＧａ合金の [０１−１] 入射の電子線回折を示す図である。電子ビームの加速電圧は２００ｋＶであり、図中の数字は、それぞれ、（２００），（１１１），（０２２）面などからの回折を示している。
図から明らかなように、（２００），（１１１）面からの両規則反射が共に出現し、本合金がＬ２1 のホイスラー構造であることが分かった。
なお、本合金が不規則体心立方晶であれば、図中に示す（２００），（１１１）面からの回折は２種類とも出現しない。また、Ｂ２構造であれば（２００）面からの回折のみが出現し、（１１１）面からの回折は存在しない。
上記Ｃｏ2 ＣｒＧａ合金をターゲットとして用いた高周波スパッタ装置により、熱酸化Ｓｉ基板２またはＳｉ基板２にバッファ層４としてＴａ薄膜を積層した基板２上に、Ｃｏ2 ＣｒＧａ薄膜を基板温度を変えて作製した。基板温度が５００℃以下で、このようにして製作したＣｏ2 ＣｒＧａ磁性薄膜３の構造はＬ２1 またはＢ２構造であった。
【実施例２】
【００５５】
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、マグネトロンスパッタ装置とメタルマスクを用いて、Ｔａをバッファー層４として、Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｃｏ2 ＣｒＧａ（３００ｎｍ）／ＡｌＯx （１．６ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（２０ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）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。
Ｔａはバッファー層４、Ｃｏ2 ＣｒＧａ薄膜３は強磁性のフリー層、ＡｌＯx はトンネル絶縁層１１、Ｃｏ90Ｆｅ10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、Ｃｏ90Ｆｅ10／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Ｔａは、保護膜１４である。
ここで、上記のトンネル絶縁膜であるＡｌＯx 以外の各層成膜時におけるマグネトロンの高周波電力は１００Ｗであり、ＡｌＯx のプラズマ酸化による成膜時の高周波電力は４０Ｗであった。そして、放電用Ａｒガス圧力は１．８Ｐａであった。また、基板温度は、４００℃であり、この場合のＣｏ2 ＣｒＧａ薄膜３は、Ｌ２1 構造であった。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。
【００５６】
この膜厚が３００ｎｍのＣｏ2 ＣｒＧａ磁性薄膜を有する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１１は、実施例２の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。磁気抵抗は、外部磁界をスイープして、そのヒステリス特性も測定している。これから、ＴＭＲは２．６％と求まった。
【実施例３】
【００５７】
Ｃｏ2 ＣｒＧａ薄膜３を用い、その膜厚を１００ｎｍとした以外は、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。
図１２は、実施例３の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。磁気抵抗は、外部磁界をスイープして、そのヒステリス特性も測定している。これから、ＴＭＲは３．２％と求まった。
実施例２及び実施例３では、ＴＭＲ曲線にプラトーが見られず、スピンの完全な反平行状態が実現していない。さらに、トンネル磁気抵抗効果素子１５の作製条件を最適化することにより、ＴＭＲを飛躍的に大きくできることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【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 ＭＧａ1-x Ａｌx 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】実施例１で製作したＣｏ2 ＣｒＧａ合金の [０１−１] 入射の電子線回折を示す図である。
【図１１】実施例２の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１２】実施例３の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】
【００５９】
１，５：  磁性薄膜
２：  基板
３，１６：  Ｃｏ2 ＭＧａ1-x Ａｌx 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】
2005228998.tif 000003
【図２】
2005228998.tif 000004
【図３】
2005228998.tif 000005
【図４】
2005228998.tif 000006
【図５】
2005228998.tif 000007
【図６】
2005228998.tif 000008
【図７】
2005228998.tif 000009
【図８】
2005228998.tif 000010
【図９】
2005228998.tif 000011
【図１１】
2005228998.tif 000012
【図１２】
2005228998.tif 000013
【図１０】
2005228998.tif 000014