(57)【要約】【課題】クラスタ電極の厚さ、及び、クラスタのサイズ及び間隔を精密に制御するとともに、適切な材料選択により、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が大きく発現する素子を作製すること。【解決手段】 非磁性体からなる絶縁基板（B成分）の上面に、硬強磁性体又は反強磁性からなる強制層（Ｆ成分）、分極率の大きい強磁性電極（Ａ成分）、非磁性絶縁体からなるスペイサ−（Ｇ成分）、及び、分極率の大きい強磁性クラスタを分散分布させたクラスタ層（Ｋ成分）から構成される素子を、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場及び熱処理を組み合わせて形成し、小さな外部磁場の印加によりトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）が大きく低下する、トンネル磁気抵抗素子を作製する。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、外部磁場が加わる素子端面からＬ離れた位置を端として、外部磁場が加わる方向に縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成し、外部磁場が加わる素子端面からＬまで、及び、前記第１強磁性電極の両側を埋める形態で、第１絶縁層（４６：Ｃ成分）を形成し、前記第１絶縁層及び前記第１強磁性電極の一部の上に、同じく外部磁場が加わる素子端面を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、外部磁場の方向にＬ＋Ｂの長さ、及び、前記第１強磁性電極の幅と等しい幅で、第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を形成し（この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される）、前記第１クラスタ層の両側でかつ、外部磁場が加わる素子端面からＬ離れた位置に、外部磁場が加わる方向に対して直角方向を長手方向として、外部磁場の方向の幅をＢとする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第２強制層（１２：Ｆ成分）をそれぞれ形成し、前記第１強磁性電極、及び、前記第１絶縁層の上でかつ、前記クラスタ層並びに第１及び第２強制層を埋める形態で、第１電極間絶縁層（４１：Ｃ成分）を作成し、これらの上でかつ、前記第１絶縁層及び第１強磁性電極と同じ位置に重なった形で、第２絶縁層（４７：Ｃ成分）、及び、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成する構造であることを特徴とする、スピン依存トンネル効果の原理に基づく、１つのトンネル回路を有する、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項２】
絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、外部磁場が加わる素子端面からＬ離れた位置を端として、外部磁場が加わる方向に縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成し、外部磁場が加わる素子端面からＬまで、及び、前記第１強磁性電極の両側を埋める形態で、第１絶縁層（４６：Ｃ成分）を形成し、前記第１絶縁層及び前記第１強磁性電極の一部の上に、同じく外部磁場が加わる素子端面を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、外部磁場の方向にＬ＋Ｂの長さ、及び、前記第１強磁性電極の幅と等しい幅で、第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を作成し（この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される）、前記クラスタ層に接して、前記第１強磁性電極、及び、前記第１絶縁層の上に、第１電極間絶縁層（４１：Ｃ成分）を作成し、前記第１クラスタ層の両側に、外部磁場が加わる素子端面からＬ離れた位置に、外部磁場が加わる方向に対して直角方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第２強制層（１２：Ｆ成分）をそれぞれ形成し、前記第１絶縁層及び第１強磁性電極と同じ位置に重なった形で、第２絶縁層（４７：Ｃ成分）、及び、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成し、またそれらの上の同じ位置に、同じく酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）及び第２電極間絶縁層（４２：Ｃ成分）を作成し、それらの上でかつ、第２絶縁層及び第２強磁性電極と同じ位置に、第３絶縁層（４８：Ｃ成分）及び第３強磁性電極（８８：Ａ成分）を作成することを特徴とする、スピン依存トンネル効果の原理に基づく、２つのトンネル回路を有する、他は請求項１に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項３】
絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、素子端面からＬ離れた位置を端として、外部磁場が加わる方向に縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成し、外部磁場が加わる素子端面からＬまで、及び、前記第１強磁性電極の両側を埋める形態で、第１絶縁層（４６：Ｃ成分）を形成し、前記第１絶縁層及び前記第１強磁性電極の一部の上に、同じく外部磁場が加わる素子端面を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さ、及び、前記第１強磁性電極の幅と等しい幅で、第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を作成し（この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される）、前記第１クラスタ層の上に、第１クラスタ層と等しいサイズで、接した形態で、第１スペイサ−（５１：Ｇ成分）を形成し、そして、前記第１クラスタ層及び第１スペイサーを取り囲む形態で、第３絶縁層（４８：Ｃ成分）を形成し、前記第１クラスタ層の位置に、前記スペイサーの上に、第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）を、積層して形成し、第２クラスタ層の両側に、素子端面からＬ離れた位置に、外部磁場が加わる方向に対して直角方向を長手方向とする、外部磁場が加わる方向に幅Ｂを持つ、第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第２強制層（１２：Ｆ成分）を形成し、第２クラスタ層及び第１及び第２強制層を取り囲む形態で、第３絶縁層で埋め、その上に、第１強磁性電極と同じ位置に重なった形で、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）及び第２絶縁層（４７：Ｃ成分）を形成することを特徴とする、スピン依存トンネル効果の原理に基づく、１つのトンネル回路を有する、他は請求項１に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項４】
請求項３の第２クラスタ層、第１及び第２強制層、並びに、第３絶縁層から、第１強磁性電極及び第１絶縁層までの下の積層構造を、反転させて、請求項３の第２強磁性電極及び第２絶縁層の上に、積層することを特徴とする、スピン依存トンネル効果の原理に基づく、２つのトンネル回路を有する、他は請求項３に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項５】
第１及び第２強磁性電極（８６、８７）を構成する、分極率の大きいＡ成分として、Ｆｅ、Ｃｏ等の強磁性特性を持つ金属、又は、ＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ等の合金を使用し、第１及び第２強制層（１１、１２）を構成するＦ成分として、永久磁石（permanent magnet）と同じ特性を持つ硬強磁性体（hard ferromagnetic material）である、Ｂａフェライト、Ｓｒフェライト又はＰｂフェライト，ＳｍＣｏ磁石材料、並びに、反強磁性体であるＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，ＮｉＯ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＲｈＭｎ、又は、ＭｎＩｒ合金を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項１及び３に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項６】
第１、第２及び第３強磁性電極（８６、８７、８８）を構成する、分極率の大きいＡ成分として、Ｆｅ、Ｃｏ等の強磁性特性を持つ金属、又は、ＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ等の合金を使用し、第１、第２、第３及び第４強制層（１１、１２、１３及び１４）を構成するＦ成分として、永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性体である、Ｂａフェライト、Ｓｒフェライト又はＰｂフェライト，ＳｍＣｏ磁石材料、或いは、反強磁性体であるＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，ＮｉＯ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＲｈＭｎ、又は、ＭｎＩｒ合金を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項２及び４に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項７】
強磁性体のクラスタを含む第１クラスタ層を構成する、Ｋ成分として、Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｏ、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｏ、Ｆｅ−Ｈｆ−Ｏ（以上は、酸素或いは空気雰囲気中で、Ｃｏ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｇ、Ｆｅ−Ｈｆ合金を、ＭＢＥ法、スパッター法或いはその他の方法で成膜する）、又は、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｆ系合金を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項１に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項８】
第１、第２及び第３絶縁層（４６、４７、４８）を構成するＣ成分として、非磁性特性を持つアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又はＳｉＯ2,等の絶縁体を使用し、強磁性体のクラスタを含む第１及び第２クラスタ層を構成する、Ｋ成分として、Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｏ、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｏ、Ｆｅ−Ｈｆ−Ｏ（以上は、酸素或いは空気雰囲気中で、Ｃｏ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｇ、Ｆｅ−Ｈｆ合金を、ＭＢＥ法、スパッター法或いはその他の方法で成膜する）、又は、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｆ系合金を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項２又は３に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項９】
強磁性体のクラスタを含む第１、第２、第３及び第４クラスタ層を構成する、Ｋ成分として、Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｏ、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｏ、Ｆｅ−Ｈｆ−Ｏ（以上は、酸素或いは空気雰囲気中で、Ｃｏ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｇ、Ｆｅ−Ｈｆ合金を、ＭＢＥ法、スパッター法或いはその他の方法で成膜する）、又は、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｆ系合金を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項４に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１０】
第１スペイサー（５１）を構成するＧ成分として、Ｃｕ、Ａｌ、或いは、良導体非磁性金属又は合金を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項３に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１１】
第１及び第２スペイサー（５１、５２）を構成するＧ成分として、Ｃｕ、Ａｌ、或いは、良導体非磁性金属又は合金を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項４に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１２】
絶縁基板（９１）を構成するＢ成分として、非磁性特性を持つアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又はＳｉＯ2,等の絶縁体を使用し、高周波特性の優れた軟強磁性（soft ferromagnetic material）特性を持つ、遮蔽層１０１を構成するＤ成分として、ＦｅＳｉ合金、アモルファス合金（ＦｅＮｉＭｏＳｉＢ、ＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＭｎＢ、ＣｏＨｆＢ、ＦｅＣｏＮｂＳｉＢ又はＦｅＮｉＰＢ）、立法晶スピネル・フェライト（ＭｅＦｅ2Ｏ4；ここで、Ｍｅは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ又はＣｄ、或いは、これらの金属の組み合わせである、ＭｎＺｎ、ＮｉＺｎ、ＬｉＺｎ、ＭｇＺｎ、ＭｎＭｇ、ＭｎＣｕ又はＬｉＮｉ等の合金）、又は、ＮｉＣｕＣｏＭｎＡｌフェライト、或いは、イットリウム・鉄・ガーネット系混合酸化物を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項１乃至４に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１３】
第１、第２絶縁層（４６、４７）及び第１電極間絶縁層（４１）を構成するＣ成分として、非磁性特性を持つアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又はＳｉＯ2,等の絶縁体を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項１に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１４】
第１、第２、第３、第４及び第５絶縁層（４６、４７、４８、４９、４５）を構成するＣ成分として、非磁性特性を持つアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又はＳｉＯ2,等の絶縁体を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項４に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【請求項１５】
第１及び第２電極間絶縁層（４１、４２）を構成するＣ成分として、非磁性特性を持つアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又はＳｉＯ2,等の絶縁体を使用することを特徴とし、スピン依存トンネル効果を原理とする、請求項２に記載の、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，モレキュラー・ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理の組合せにより、強磁性電極層−強磁性電極層間、即ち、クラスタ層の厚さを、精密に制御して作成し、磁気媒体等の弱い磁場を加えないときには、大きなトンネル抵抗値を持つ状態であるが、磁気媒体等の弱い磁場が加わると、スピン依存トンネル効果の発現により、電気抵抗値の大きな低下を発生させる、スピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子形態に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は，Ｃｕ-Ｆｅ、Ｃｕ-Ｃｏ、Ａｇ-Ｃｏ或いはＡｇ-Ｆｅ等の組み合わせでＭＢＥ法により多層薄膜を作成したり、或いは、イオン化クラスタ・ビーム（ＩＣＢ）法により、Ｃｕ或いはＡｇのマトリックス中に、Ｆｅ或いはＣｏ等の強磁性クラスタが酸化物絶縁体マトリックス中に埋め込まれた形態を、自然形成していた（例えば、非特許文献１を参照）。このような方法によっては、強磁性体と非磁性良導体の多層薄膜界面における電子のスピン依存散乱の効果、強磁性体のクラスタと非磁性良導体のマトリックスとの界面における電子のスピン依存散乱の効果、或いは、非磁性絶縁体マトリックス中における、強磁性体のクラスタ間のスピン依存トンネル効果が、磁気抵抗（英語では、Magnetoresistance）効果の生成原因であった。また、強磁性体（例えば、Ｃｏ或いはＦｅ）と非磁性特性をもつ半導体或いは絶縁体（例えば、Ｇｅ、Ａｌ2Ｏ3）の薄膜を交互に積層した素子は、トンネル磁気抵抗効果を発現することが知られていた（例えば、非特許文献２を参照）。
【非特許文献１】S. Mitani et al. J. Magn. Magn. Mater. 165, 141(1997)．
【非特許文献２】S. Maekawa et. al, IEEE Trans. Magn. MAG-18, No.2, 707 (1982)．
【０００３】
このような磁気抵抗素子を用いて、読取り用の磁気ヘッドを作製し、これに、常時電流を流して、磁性媒体に近接して置くとき、磁性媒体の弱い磁場の変化として記録された情報は、磁気ヘッドの電圧変化として、読み出すことが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の磁気抵抗効果は、磁性体と良導体の異相界面における電子の散乱現象、或いは、強磁性体と絶縁体の積層薄膜におけるスピン依存トンネル効果の発現が、外部磁場によって変化する効果を利用していたために、制御が困難で、抵抗変化を大きくすることが出来ないという欠点があった．
【０００５】
本発明は，クラスタ層の厚さを、精密に制御することにより、磁性媒体等の弱い磁場の存在下で、スピン依存トンネル効果の発現を、有用的に制御できる素子を製作すること、即ち、スピン依存トンネル磁気抵抗値の変化が大きい素子を作製することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１では、図１に示すように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、（ａ）正面図の下側からＬ離れた位置を端として、縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成する。その上に、同じく正面図の下端を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を形成する。この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される。その両側に、下端からＬ離れた位置に、横方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第2強制層（１２：Ｆ成分）を形成する。その上に、第１強磁性電極８６と同じ位置に重なった形で、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成する。第１及び第２強磁性電極の間に、挟まれた形で、第１電極間絶縁層（Ｃ成分）を作成する。これらの周囲に第１絶縁層（Ｃ成分）及び第２絶縁層（Ｃ成分）を形成する構造とする。各層は、請求項５、７、１２及び１３に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【０００７】
請求項２では、図２に示すように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、（ａ）正面図の下側からＬ離れた位置を端として、縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成する。その上に、同じく正面図の下端を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を作成する。この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される。その両側に、下端からＬ離れた位置に、横方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第2強制層（１２：Ｆ成分）を形成する。その上に、第１強磁性電極８６と同じ位置に重なった形で、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成する。またその上に、正面図の下端を端として、同じく酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）を作成する。第１及び第２強磁性電極の間、並びに、第２及び第３強磁性電極の間に、それぞれ挟まれた形で、第１電極間絶縁層４１（Ｃ成分）及び第２電極間絶縁層４２（Ｃ成分）を作成する。これらの周囲に第１絶縁層（４６：Ｃ成分）、第２絶縁層（４７：Ｃ成分）及び第３絶縁層（４８：Ｃ成分）を形成する構造でとする。各層は、請求項６、８、１２及び１５に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【０００８】
請求項３では、図３に示すように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、（ａ）正面図の下側からＬ離れた位置を端として、縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成し、その上に、同じく正面図の下端を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を形成し（この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される）、その上に、第１クラスタ層と等しいサイズで、接した形態で、第１スペイサ−（５１：Ｇ成分）、及び、第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）を形成し、第２クラスタ層の両側に、正面図の下端からＬ離れた位置に、横方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第2強制層（１２：Ｆ成分）を形成し、その上に、第１強磁性電極８６と同じ位置に重なった形で、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成し、第１及び第２強磁性電極の間に、挟まれた形で、第３絶縁層（４８：Ｃ成分）を作成し、これらの周囲に第１絶縁層（Ｃ成分）及び第２絶縁層（Ｃ成分）を形成する構造であり、各層は、請求項５、８、１０及び１２に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【０００９】
請求項４では、図４に示すように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、（ａ）正面図の下側からＬ離れた位置を端として、縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成し、その上に、同じく正面図の下端を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を作成し（この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される）、その上に、第１クラスタ層と等しいサイズで、接した形態で、第１スペイサ−（５１：Ｇ成分）、及び、第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）を形成し、その両側に、正面図の下端からＬ離れた位置に、横方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第2強制層（１２：Ｆ成分）を形成し、その上に、第１強磁性電極８６と同じ位置に重なった形で、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成し、またその上に、正面図の下端を端として、同じく酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第３クラスタ層（１１３：Ｋ成分）を作成し、その両側に、下端からＬ離れた位置に、正面図の横方向を長手方向とする第３強制層（１３：Ｆ成分）及び第４強制層（１４：Ｆ成分）を形成し、第３クラスタ層の上の等しい位置に、接した形態で、第２スペイサ−（５２：Ｇ成分）、及び、第４クラスタ層（１１４：Ｋ成分）を形成し、その上に、正面図の下端からＬの位置を端として、第１及び第２強磁性電極に重なった位置に、第３強磁性電極（８８：Ａ成分）を形成し、第１及び第２強磁性電極の間、並びに、第２及び第３強磁性電極の間に、それぞれ挟まれた形で、第４絶縁層（４９：Ｃ成分）及び第５絶縁層（４５：Ｃ成分）を作成し、第１、第２及び第３強磁性電極層の周囲に第１絶縁層（４６：Ｃ成分）、第２絶縁層（４７：Ｃ成分）及び第３絶縁層（４８：Ｃ成分）をそれぞれ形成する構造であり、各層は、請求項６、９、１１、１２及び１４に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【００１０】
上記のように，第１に、クラスタ層及びスペイサ−の厚さを精密に制御すること、第２に、各層を作成するときに、強力な外部磁場の印加及び適切な熱処理を加えることが、スピン依存トンネル磁気抵抗値の変化を大きくするために重要である。これにより、小さな外部磁場の変化を、大きな電気抵抗変化に変換する、いわゆるスピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を作製できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は，以上に説明したように、強磁性電極−強磁性電極間の距離、即ち、クラスタ層の厚さ、並びに、クラスタのサイズ、及び、間隔を、精密に制御するとともに、作成時強力な外部磁場、及び、適切な熱処理を加えて、磁気抵抗素子を作製したので、磁気媒体に相当する極めて小さな磁場をかけることにより、スピン依存トンネル効果を原理とする大きな抵抗減少を観測した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に示す構造において、磁気媒体等の弱い外部磁場が存在しないとき、第１及び第２強磁性電極の間に作成した第１クラスタ層中に分散するクラスタの磁場は、各強制層の作用により、第１及び第２強磁性電極の磁場の方向に対して、直行している。従って、この場合、トンネル抵抗による、電気抵抗値は大きい。弱い外部磁場が加わると、第１クラスタ層中に分散するクラスタの磁場の方向が、第１及び第２強磁性電極のそれと等しくなり、第１及び第２強磁性電極間のトンネル抵抗に基づく電気抵抗値は、大きく低下する。回路に一定の電流を流しておくと、この回路は、大きな電圧低下を発生させる。
【００１３】
請求項２及び４、即ち、図２及び図４に示すＴＭＲ素子は、第１強磁性電極−第２強磁性電極間、及び、第２強磁性電極−第３強磁性電極間に、それぞれ、２組のトンネル回路を持っている。２つのトンネル回路を、並列結合、或いは、直列結合させることにより、電気抵抗値を増減できる。このとき、結合回路の全抵抗変化率は、１組の回路のそれにほぼ等しい。２組のトンネル回路の抵抗特性を変化させて作成すると、希望する特性を持つ側の回路を使用できる利点もある。また、片方の回路に欠陥或いは特性劣化が発生した場合においても、他方の回路を使用することで、より長時間の使用が可能となる。このように、図２及び図４に示した、トンネル回路が２組組み込まれた形態は、回路を２組もつために、より幅広い使用が可能になるという利点を持つ。
【００１４】
請求項１乃至４に記載した素子構造において、Ｋ成分からなる強制層は、クラスタ層中におけるクラスタのスピンの向きを、磁気媒体等の弱い外部磁場のスピンの向きに対して９０度回転した方向に規制する。弱い外部磁場が印加されない場合には、磁気抵抗値が大きいが、外部磁場が印加された場合には、弱い磁場の作用により、クラスタ層中におけるクラスタのスピンの向きを、容易に９０度回転させて、外部磁場の方向に向かせ、強磁性電極のスピンの方向と一致させて、磁気抵抗値を大きく低下させる。
【００１５】
請求項１、２、３及び４に記載した、強磁性電極のスピンの向きは、素子製作時、強い外部磁場を図１、図２、図３及び図４（ａ）正面図の縦方向に加えて設定する。各強磁性電極のスピンの向きを、磁気媒体等の弱い外部磁場の方向と一致させるため、即ち、正面図の縦方向に向かせるために、クラスタ層の厚さ及び（或いは）スペイサ−の厚さを、反強磁性結合（antiferromagnetic coupling）を生じない程度に厚くする。強制層を構成するＫ成分は、永久磁石（permanent magnet）と等しい特性を持つ硬強磁性体（hard ferromagnetic  materials）からなるために、強い外部磁場を、同じく正面図の水平方向に加えて、強制層のスピンの向きを、水平方向に設定する。このとき、各強磁性電極のスピンの向きは、形状効果により、変化しない。したがって、クラスタ層中におけるクラスタのスピンの向きは、強制層のスピンの方向に向くように設定される。このようなスピンの設定のもとで、磁気媒体等の弱い外部磁場を、正面図の下側から、上方向に作用させることにより、前段［００１４］の磁気抵抗変化が発現する。
【００１６】
請求項１、２、３及び４に記載した、Ｌ及びＢの値は、０＜Ｌ＜＝Ｂとする。Ｌは磁気媒体等に強制層が影響を及ぼさないために設ける。Ｂは強制層の幅である。強制層は正面図において、水平方向にスピンの向きを、形状効果により、自然設定するように、水平方向に長い形状を持たせる。
【実施例】
【００１７】
図１に示すように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、素子端面からＬ離れた位置を端として、外部磁場が加わる方向に縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成する。外部磁場が加わる素子端面からＬまで、及び、前記第１強磁性電極の両側を埋める形態で、第１絶縁層（４６：Ｃ成分）を形成する。前記第１絶縁層及び前記第１強磁性電極の一部の上に、同じく外部磁場が加わる素子端面を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さ、及び、前記第１強磁性電極の幅と等しい幅で、第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を形成する。この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される。前記第１クラスタ層の両側でかつ、外部磁場が加わる素子端面からＬ離れた位置に、外部磁場が加わる方向に対して直角方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第２強制層（１２：Ｆ成分）をそれぞれ形成する。前記第１強磁性電極、及び、前記第１絶縁層の上でかつ、前記クラスタ層並びに第１及び第２強制層を埋める形態で、第１電極間絶縁層（４１：Ｃ成分）を作成する。これらの上でかつ、前記第１絶縁層及び第１強磁性電極と同じ位置に重なった形で、第２絶縁層（４７：Ｃ成分）、及び、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成する。各層は、請求項５、７、１２及び１３に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【００１８】
図２に示すように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、素子端面からＬ離れた位置を端として、外部磁場が加わる方向に縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成する。外部磁場が加わる素子端面からＬまで、及び、前記第１強磁性電極の両側を埋める形態で、第１絶縁層（４６：Ｃ成分）を形成する。前記第１絶縁層及び前記第１強磁性電極の一部の上に、同じく外部磁場が加わる素子端面を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さ、及び、前記第１強磁性電極の幅と等しい幅で、第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を作成する。この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される。前記クラスタ層に接して、前記第１強磁性電極、及び、前記第１絶縁層の上に、第１電極間絶縁層（４１：Ｃ成分）を作成する。前記第１クラスタ層の両側に、外部磁場が加わる素子端面からＬ離れた位置に、外部磁場が加わる方向に対して直角方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第２強制層（１２：Ｆ成分）をそれぞれ形成する。前記第１絶縁層及び第１強磁性電極と同じ位置に重なった形で、第２絶縁層（４７：Ｃ成分）、及び、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成する。またそれらの上の同じ位置に、同じく酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）及び第２電極間絶縁層（４２：Ｃ成分）を作成する。それらの上でかつ、第２絶縁層及び第２強磁性電極と同じ位置に、第３絶縁層（４８：Ｃ成分）及び第３強磁性電極（８８：Ａ成分）を作成する。各層は、請求項６、８、１２及び１５に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【００１９】
図３に示すように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、素子端面からＬ離れた位置を端として、外部磁場が加わる方向に縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成する。外部磁場が加わる素子端面からＬまで、及び、前記第１強磁性電極の両側を埋める形態で、第１絶縁層（４６：Ｃ成分）を形成する。前記第１絶縁層及び前記第１強磁性電極の一部の上に、同じく外部磁場が加わる素子端面を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さ、及び、前記第１強磁性電極の幅と等しい幅で、第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を作成する。この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される。前記第１クラスタ層の上に、第１クラスタ層と等しいサイズで、接した形態で、第１スペイサ−（５１：Ｇ成分）を形成する。そして、前記第１クラスタ層及び第１スペイサーを取り囲む形態で、第３絶縁層（４８：Ｃ成分）を形成する。前記第１クラスタ層の位置に、前記スペイサーの上に、第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）を、積層して形成する。第２クラスタ層の両側に、素子端面からＬ離れた位置に、外部磁場が加わる方向に対して直角方向を長手方向とする、外部磁場が加わる方向に幅Ｂを持つ、第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第２強制層（１２：Ｆ成分）を形成する。第２クラスタ層及び第１及び第２強制層を取り囲む形態で、第３絶縁層で埋め、その上に、第１強磁性電極と同じ位置に重なった形で、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）及び第２絶縁層（４７：Ｃ成分）を形成する。各層は、請求項５、８、１０及び１２に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【００２０】
図４に示したように、絶縁基板（９１：Ｂ成分）の上に、（ａ）正面図の下側からＬ離れた位置を端として、縦長に第１強磁性電極（８６：Ａ成分）を形成する。その上に、同じく正面図の下端を端として、酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第１クラスタ層（１１１：Ｋ成分）を作成する。この場合、金属或いは合金クラスタは、絶縁酸化膜中に、容易にトンネル効果が発現する距離で自然形成される。その上に、第１クラスタ層と等しいサイズで、接した形態で、第１スペイサ−（５１：Ｇ成分）、及び、第２クラスタ層（１１２：Ｋ成分）を形成する。その両側に、正面図の下端からＬ離れた位置に、横方向を長手方向とする第１強制層（１１：Ｆ成分）及び第2強制層（１２：Ｆ成分）を形成する。その上に、第１強磁性電極８６と同じ位置に重なった形で、第２強磁性電極（８７：Ａ成分）を形成する。またその上に、正面図の下端を端として、同じく酸素、或いは、空気雰囲気中で、Ｌ＋Ｂの長さの第３クラスタ層（１１３：Ｋ成分）を作成する。その両側に、下端からＬ離れた位置に、正面図の横方向を長手方向とする第３強制層（１３：Ｆ成分）及び第４強制層（１４：Ｆ成分）を形成する。第３クラスタ層の上の等しい位置に、接した形態で、第２スペイサ−（５２：Ｇ成分）、及び、第４クラスタ層（１１４：Ｋ成分）を形成する。その上に、正面図の下端からＬの位置を端として、第１及び第２強磁性電極に重なった位置に、第３強磁性電極（８８：Ａ成分）を形成する。第１及び第２強磁性電極の間、並びに、第２及び第３強磁性電極の間に、それぞれ挟まれた形で、第４絶縁層（４９：Ｃ成分）及び第５電極間絶縁層（４５：Ｃ成分）を作成する。第１、第２及び第３強磁性電極層の周囲に第１絶縁層（４６：Ｃ成分）、第２絶縁層（４７：Ｃ成分）及び第３絶縁層（４８：Ｃ成分）をそれぞれ形成する。各層は、請求項６、９、１１、１２及び１４に記載された各成分からなり、ＭＢＥ法（又は、スパッター法、或いは、その他の成膜方法）、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加及び熱処理により作製する。
【００２１】
第１強磁性電極８６、第２強磁性電極８７、及び、第３強磁性電極８８を構成する、分極率の大きいＡ成分として、Ｆｅ、Ｃｏ等の強磁性特性を持つ金属、又は、ＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ等の合金を使用し、絶縁基板９１を構成するＢ成分、並びに、第１、第２、第３、第４及び第５絶縁層４６、４７、４８、４９及び４５を構成するＣ成分として、非磁性特性を持つアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又はＳｉＯ2,等をそれぞれ使用し、高周波特性の優れた軟強磁性特性を持つ、遮蔽層１０１を構成するＤ成分として、ＦｅＳｉ合金、アモルファス合金（ＦｅＮｉＭｏＳｉＢ、ＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＭｎＢ、ＣｏＨｆＢ、ＦｅＣｏＮｂＳｉＢ又はＦｅＮｉＰＢ）、立法晶スピネル・フェライト（ＭｅＦｅ2Ｏ4；ここで、Ｍｅは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ又はＣｄ、或いは、これらの金属の組み合わせである、ＭｎＺｎ、ＮｉＺｎ、ＬｉＺｎ、ＭｇＺｎ、ＭｎＭｇ、ＭｎＣｕ又はＬｉＮｉ等）、又は、ＮｉＣｕＣｏＭｎＡｌフェライト、或いは、イットリウム・鉄・ガーネット系混合酸化物を使用し、第１、第２、第３及び第４強制層１１、１２、１３及び１４を構成するＦ成分として、永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性体である、Ｂａフェライト、Ｓｒフェライト又はＰｂフェライト等，ＳｍＣｏ磁石材料、或いは、反強磁性体であるＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，ＮｉＯ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＲｈＭｎ、又は、ＭｎＩｒ合金を使用し、第１、第２スペイサー５１、５２を構成するＧ成分として、Ｃｕ、Ａｌ、或いは、良導体非磁性金属又は合金を使用し、第１及び第２相変態層７１、７２、並びに、第１及び第２相変態電極層７６、７７を構成するＨ成分として、Ｌ1-xＱxＭｎＯ3 、0＜＝x＜＝1、（ここで、Ｌは、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ又はＰｒ等の希土類金属、Ｌサイトを置換するＱとして、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａ等の金属がある）と表記する、ペロブスカイト（perovskite）構造を持つ、マンガナイト、或いは、半金属であるＢｉ又はその合金、ＳｍＮｉＯ3、ＰｒＮｉＯ3等のニッケル基酸化物、或いは、非常に薄い層にして、反強磁性体であるＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，ＮｉＯ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＲｈＭｎ、又は、ＭｎＩｒ合金を使用し、第１、第２及び第３ひずみ付与層６１、６２、６３を構成するＪ成分として、非磁性体、良導体であるＣｕ、Ａｌその他の金属又は合金、ド−プした半導体、或いは、Ｌ1-xＱxＭｎＯ3 、0＜＝x＜＝1、（ここで、Ｌは、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ又はＰｒ等の希土類金属、Ｌサイトを置換するＱとして、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａ等の金属がある）と表記する、ペロブスカイト構造を持つ、マンガナイト、或いは、半金属であるＢｉ又はその合金、ＳｉＯ3、ＰｒＮｉＯ3等のニッケル基酸化物を使用し、強磁性体のクラスタを含む第１及び第２クラスタ層を構成する、Ｋ成分として、Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ、Ｎｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｏ、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｏ、Ｆｅ−Ｈｆ−Ｏ（以上は、酸素或いは空気雰囲気中で、Ｃｏ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｇ、Ｆｅ−Ｈｆ合金を、ＭＢＥ法、スパッター法或いはその他の方法で成膜する）、又は、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｆ系合金を使用する。
【００２２】
表１、表２、表３及び表４に、実施例番号、素子構造、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊ、及び、Ｋ成分の材料、並びに、結果を示す。結果に記載されている、「良好」は２３３Ｋ〜３８３Kで５〜１０％、「優良」は２３３Ｋ〜３８３Kで１０〜２０％、及び、「最良」は２３３Ｋ〜３８３Kで２０〜３０％の磁気抵抗変化率を表わす。
【００２３】
【表１】
2005286350.tif 000003
【００２４】
【表２】
2005286350.tif 000004
【００２５】
【表３】
2005286350.tif 000005
【００２６】
【表４】
2005286350.tif 000006
【産業上の利用可能性】
【００２７】
クラスタ層の厚さ及びサイズ、並びに、クラスタのサイズ、間隔を精密に制御して作成し、かつ、トンネル磁気抵抗変化の大きい、素子構造を採用したので、極めて大きな電圧変化がえられる。この素子をハードディスク等に組み込むことにより、弱い磁気媒体の変化を高速度で読み取る、感度のよい読み取り素子として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１クラスタ層中におけるクラスタのスピンの向きを、第１及び第２強制層により、磁気媒体等の弱い外部磁場の向きに対して、９０度回転した方向に設定し、弱い外部磁場の作用により、大きな磁気抵抗変化率が発現する、１つのトンネル回路を有する、磁気抵抗素子構造を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は下側面図、（ｃ）は左側面図、及び（ｄ）はクラスタ拡大図である。
【図２】第１及び第２クラスタ層中におけるクラスタのスピンの向きを、第１、第２、第３及び第４強制層により、磁気媒体等の弱い外部磁場の向きに対して、９０度回転した方向に設定し、弱い外部磁場の作用により、大きな磁気抵抗変化率が発現する、２つのトンネル回路を有する、磁気抵抗素子構造を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は下側面図、（ｃ）は左側面図、及び（ｄ）はクラスタ拡大図である。
【図３】第２クラスタ層中におけるクラスタのスピンの向きを、第１及び第２強制層により、磁気媒体等の弱い外部磁場の向きに対して、９０度回転した方向に設定し、弱い外部磁場の作用により、大きな磁気抵抗変化率が発現する、１つのトンネル回路を有する、磁気抵抗素子構造を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は下側面図、及び、（ｃ）は左側面図である。
【図４】第２及び第３クラスタ層中におけるクラスタのスピンの向きを、第１、第２、第３及び第４強制層により、磁気媒体等の弱い外部磁場の向きに対して、９０度回転した方向に設定し、弱い外部磁場の作用により、大きな磁気抵抗変化率が発現する、２つのトンネル回路を有する、磁気抵抗素子構造を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は下側面図、及び、（ｃ）は左側面図である。第３及び第４強制層は、第４クラスタ層の両側に作成しても、本図における構造と等しい効果が発現できる。
【図５】素子構造を示す図において、平面図の垂直方向に、磁気媒体等の弱い外部磁場が加わるとき、遮蔽層１０１を組み込んだ場合の素子形態を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図（１）及び（ｃ）は（ｂ）に示した遮蔽層とＴＭＲ素子の関係に対して、９０度反時計方向にＴＭＲ素子が回転した場合の正面図（２）である。
【符号の説明】
【００２９】
１１：第１強制層
１２：第２強制層
１３：第３強制層
１４：第４強制層
４１：第１電極間絶縁層
４２：第２電極間絶縁層
４５：第５絶縁層
４６：第１絶縁層
４７：第２絶縁層
４８：第３絶縁層
４９：第４絶縁層
５１：第１スペイサー
５２：第２スペイサー
８６：第１強磁性電極
８７：第２強磁性電極
８８：第３強磁性電極
９１：絶縁基板
１０１：遮蔽層
１１１：第１クラスタ層
１１２：第２クラスタ層
【図１】
2005286350.tif 000007
【図２】
2005286350.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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