(57)【要約】【課題】  ＢＭＲ効果を用いた磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子において、自由層やナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子、及びそうした磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ素子を提供する。【解決手段】  基板１上に、バッファー層２、反強磁性層３、固定層４、フェルミ長以下のナノ接合部５を１又は２以上有する絶縁層６、強磁性層で形成されている自由層７及び磁気安定制御層８がその順に形成され、固定層４を、反強磁性層３の側から第１強磁性層４Ａ、非磁性層４Ｂ及び第２強磁性層４Ｃの順で形成し、磁気安定制御層８を、自由層側から非磁性層８Ａ、強磁性層８Ｂ及び反強磁性層８Ｃの順で形成することにより、上記課題を解決した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、バッファー層、反強磁性層、固定層、フェルミ長以下のナノ接合部を１又は２以上有する絶縁層、強磁性層で形成されている自由層、及び磁気安定制御層がその順に形成され、
前記固定層が、前記反強磁性層側から第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の順で形成されており、
前記磁気安定制御層が、前記自由層側から非磁性層、強磁性層及び反強磁性層の順で形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記自由層の磁化方向と、前記磁気安定制御層中の強磁性層の磁化方向とが同じであることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
基板上に、バッファー層、強磁性層で形成されている自由層、フェルミ長以下のナノ接合部を１又は２以上有する絶縁層、固定層、及び反強磁性層がその順に形成された積層体と、当該積層体の両方の側面に形成された絶縁壁と、前記積層体の両方の側面に当該絶縁壁を介して設けられた磁気安定制御層とを有し、
前記固定層が、前記絶縁層側から第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の順で形成されており、
前記磁気安定制御層が、強磁性層及び反強磁性層で形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁気安定制御層における強磁性層の磁化方向と、前記自由層の磁化方向とが同じであることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記自由層をなす前記強磁性層の磁化方向と、前記固定層をなす第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向とが直交することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記固定層中の第１強磁性層の磁化方向と第２強磁性層の磁化方向とが反並行であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記絶縁層の両側に設けられる２つの強磁性層が、分極率０．５以上の強磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関し、更に詳しくは、ＢＭＲ（Ballistic Magneto Resistance）効果を有する磁気抵抗効果素子及び磁気ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲという。Giant Magnetoresistance effect）は、強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造の面内に電流を流した場合に発現する大きな磁気抵抗変化を示す現象である。このＧＭＲを持つ磁気抵抗効果素子については、さらに大きな磁気抵抗変化率の発現を求めて活発に研究がなされてきた。現在まで、強磁性トンネル接合や電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型ＭＲ素子が開発され、磁気センサーや磁気記録の再生素子として有望視されている。
【０００３】
磁気記録技術の分野においては、記録密度の向上により必然的に記録ビットの縮小化が進められ、その結果として十分な信号強度を得ることが難しくなりつつある。このため、より感度の高い磁気抵抗効果を示す材料が求められ、大きな磁気抵抗変化率を示す素子の開発が要請されている。
【０００４】
最近、１００％以上の磁気抵抗効果を示すものとして、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」が報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。その磁気微小接点は、針状に加工した２つの強磁性体又は三角形状に加工した２つの強磁性体を角付き合わせて作製されている。さらにごく最近、２本の細いＮｉワイヤをＴ字に配置し、電着法を用いて接触部に微小コラムを成長させた磁気微小接点が開示されている（例えば、非特許文献２を参照）。こうした素子が発現する極めて高いＭＲ比は、磁化の向きが反並行である２つの強磁性層間に形成された磁気微小接点に存在する磁区のスピントランスポートに起因するものと考えられている。こうした特性を有する磁気微小接点を利用した磁気抵抗効果素子は、その磁気微小接点で電子が不純物などの散乱を受けずに（ballistic に）通過していると考えられることから、Ballistic Magneto Resistance素子（ＢＭＲ素子）と呼ばれている。
【０００５】
さらに、最近、こうした磁気微小接点を有する磁気抵抗効果素子についても報告されている。例えば、下記特許文献１には、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層とからなり、絶縁層の所定位置に第１の強磁性層と第２の強磁性層とが接続される最大幅が２０ｎｍ 以下の開口を有する孔が設けられた磁気抵抗効果素子が報告されている。また、下記特許文献２には、狭窄部を介して相互に連結された２つの磁性層を有し、その狭窄部の幅が１００ｎｍ程度の磁気抵抗効果素子が報告されている。
【非特許文献１】N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters,vol.82, p2923 (1999)
【非特許文献２】N.Garcia, G.G.Qian, and I.G.Sveliev, Appl.Phys.Lett.,vol.80,p1785(2002)
【特許文献１】特開２００３−２０４０９５号公報
【特許文献２】特表平１１−５１０９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＢＭＲ素子の磁気ヘッドへの応用を考慮すると、媒体表面から漏洩する磁界に感応するフリー層（以下においては、自由層ともいう。）の寸法は、数十ナノメータ程度に微細化される。例えば、記録密度１Tbits/in２の場合、その寸法は４０〜５０ｎｍである。極めて高いＭＲ比を実現可能なＢＭＲ素子においては、磁気微小接点（以下、ナノ接合部という。）の磁区構造がＢＭＲ効果の鍵であり、より微細化が進むと微細な自由層の端面から強い減磁界が発生して磁気的安定性が得られないと共に、耐熱的安定性も著しく低下するという問題がある。したがって、ＢＭＲ素子においては、磁区構造制御と磁気的安定性を確保することが実用上は極めて重要な課題となる。
【０００７】
本発明は、上記のような種々の問題及び課題を解決するためになされたものであって、その第１の目的は、ＢＭＲ効果を用いた磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子において、自由層やナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子を提供することにある。本発明の第２の目的は、そうした磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記第１の目的を達成する本発明の磁気抵抗効果素子は、基板上に、バッファー層、反強磁性層、固定層、フェルミ長以下のナノ接合部を１又は２以上有する絶縁層、強磁性層で形成されている自由層、及び磁気安定制御層がその順に形成され、前記固定層が、前記反強磁性層側から第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の順で形成されており、前記磁気安定制御層が、前記自由層側から非磁性層、強磁性層及び反強磁性層の順で形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、フェルミ長以下のナノ接合部を１又は２以上有する絶縁層が、いずれも強磁性層で形成されている自由層と固定層との間に設けられているので、得られたボトムタイプの磁気抵抗効果素子は、そのナノ接合部に由来するＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができる。さらに本発明によれば、自由層上に形成された磁気安定制御層が、自由層側から非磁性層、１層又は２層の強磁性層及び反強磁性層の順で形成されているので、その構成に由来する静磁エネルギーの低減作用と、端面に発現する静磁荷の発生を抑圧する作用とにより、高い磁気的安定性を確保することができる。
【００１０】
本発明は、上記ボトムタイプの磁気抵抗効果素子において、前記自由層の磁化方向と、前記磁気安定制御層中の強磁性層の磁化方向とが同じであることを特徴とする。
【００１１】
また、上記第１の目的を達成する本発明の磁気抵抗効果素子は、基板上に、バッファー層、強磁性層で形成されている自由層、フェルミ長以下のナノ接合部を１又は２以上有する絶縁層、固定層、及び反強磁性層がその順に形成された積層体と、当該積層体の両方の側面に形成された絶縁壁と、前記積層体の両方の側面に当該絶縁壁を介して設けられた磁気安定制御層とを有し、前記固定層が、前記絶縁層側から第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の順で形成されており、前記磁気安定制御層が、強磁性層及び反強磁性層で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、フェルミ長以下のナノ接合部を１又は２以上有する絶縁層が、いずれも強磁性層で形成されている固定層と自由層との間に設けられているので、得られたトップタイプの磁気抵抗効果素子は、そのナノ接合部に由来するＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができる。さらに本発明によれば、ＢＭＲ効果を奏する積層体の両方の側面に、絶縁壁を介して設けられた強磁性層及び反強磁性層からなる磁気安定制御層が配置されているので、高い磁気的安定性を確保することができる。
【００１３】
本発明は、上記トップタイプの磁気抵抗効果素子において、前記磁気安定制御層における強磁性層の磁化方向と、前記自由層の磁化方向とが同じであることを特徴とし、また、前記自由層をなす前記強磁性層の磁化方向と、前記固定層をなす第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向とが直交することを特徴とし、また、前記固定層中の第１強磁性層の磁化方向と第２強磁性層の磁化方向とが反並行であることを特徴とする。
【００１４】
上述した本発明の磁気抵抗効果素子は、前記絶縁層の両側に設けられる２つの強磁性層が、分極率０．５以上の強磁性材料で形成されることが好ましい。
【００１５】
上記第２の目的を達成する本発明の磁気ヘッドは、上述した本発明の磁気抵抗効果素子を有することに特徴を有する。
【００１６】
この発明によれば、自由層やナノ接合部の磁区の安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子が用いられるので、磁気ヘッドの安定性も向上する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、ナノ接合部に由来するＢＭＲ効果により高感度の信号検出を行うことができる。さらに本発明によれば、磁気安定制御層を設けて自由層の磁化方向を安定化させているので、高い磁気的安定性を有する磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【００１８】
また、本発明の磁気ヘッドによれば、安定性や感度の高い磁気抵抗効果素子が用いられるので、安定性に優れた高性能な磁気ヘッドを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の磁気抵抗効果素子及びその磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドについて、図面を参照しつつ説明する。最初に、ボトムタイプの磁気抵抗効果素子について説明し、その後、トップタイプの磁気抵抗効果素子について説明する。なお、「ボトムタイプ」とは、通常、固定層が素子の下部に形成されたものをいい、「トップタイプ」とは、通常、固定層が素子の上部に形成されたものをいう。
【００２０】
（ボトムタイプの磁気抵抗効果素子）
図１は、本発明のボトムタイプの磁気抵抗効果素子の一例を示す積層方向の断面図である。
【００２１】
本発明のボトムタイプの磁気抵抗効果素子１０は、図１に示すように、基板１上に、バッファー層２、反強磁性層３、固定層４、フェルミ長以下のナノ接合部５を１又は２以上有する絶縁層６、強磁性層で形成されている自由層７及び磁気安定制御層８がその順に形成されている素子である。そして、固定層４が、反強磁性層３の側から第１強磁性層４Ａ、非磁性層４Ｂ及び第２強磁性層４Ｃの順で形成されており、磁気安定制御層８が、自由層側から非磁性層８Ａ、１層又は２層の強磁性層８Ｂ（８Ｂ’、８Ｂ”）及び反強磁性層８Ｃの順で形成されている。
【００２２】
（基板）
基板１としては、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化物基板、ＡｌＴｉＣ基板等が用いられる。バッファー層２としては、その上に形成される強磁性層の結晶性を高めるために設けられるものであり、例えば、Ｔａ層、ＮｉＣｒ層、Ｃｕ層等が挙げられ、真空蒸着やスパッタリング等の成膜手段により、通常１〜２０ｎｍの厚さで成膜される。
【００２３】
（ナノ接合部）
ボトムタイプの磁気抵抗効果素子において、ナノ接合部５は、その周囲が絶縁層６で囲まれる態様で絶縁層中に設けられ、スピン分極率が０．５以上の強磁性材料で形成されている。そうした強磁性材料としては、各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、Ｃｏ（スピン分極率：０．８）、Ｆｅ（スピン分極率：０．５）、Ｎｉ（スピン分極率：０．８）、ＣｏＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＮｉＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＣｏＦｅＮｉ（スピン分極率：０．６〜０．８）等の強磁性金属群、ＣｒＯ２（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性半金属群、及びＦｅ３Ｏ４（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性酸化物群から選択される材料が好ましく用いられる。なお、特に好ましい強磁性材料としては、ＣｏＦｅ及びＮｉＦｅを挙げることができる。
【００２４】
図２は、図１の磁気抵抗効果素子を構成するナノ接合部５の拡大図である。ナノ接合部５の幅方向（積層方向に直交する方向）の長さｄ１、すなわち図１及び図２を正面視したときの左右方向の長さｄ１は、フェルミ長以下の長さになっている。
【００２５】
このナノ接合部５は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を平面視した場合の面内方向（面を構成する２次元方向）に現れる形状として、円形、楕円形、角形（三角形、四角形、等々）又はそれらに近似する形状で形成される。そのため、上記の幅方向（積層方向に直交する方向）の長さｄ１とは、言い換えれば、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を平面視した場合における「ナノ接合部５の面内方向の最大長さｄ１」と規定できる。従って、本発明においては、その最大長さｄ１がフェルミ長以下の長さになっている。
【００２６】
ナノ接合部５の幅方向の長さｄ１であるフェルミ長は、材料固有の値であり、ナノ接合部５を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は６０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるので、「フェルミ長以下」とは、「１００ｎｍ以下」、乃至「６０ｎｍ以下」と規定することができる。フェルミ長の具体例としては、例えばＮｉは約６０ｎｍであり、Ｃｏは約１００ｎｍである。
【００２７】
ナノ接合部５の幅方向の長さｄ１は、平均自由工程以下であることが更に好ましい。平均自由工程も材料固有の値であり、ナノ接合部５を形成する強磁性材料により異なるが、多くの強磁性材料は５ｎｍ〜１５ｎｍ程度であるので、「平均自由工程以下」とは、「１５ｎｍ以下」、乃至「５ｎｍ以下」と規定することができる。平均自由工程の具体例としては、例えばＮｉＦｅは約５ｎｍであり、Ｃｏは約１２ｎｍである。
【００２８】
一方、ナノ接合部５の積層方向（高さ方向）の長さｄ２（図１及び図２を正面視した場合においては上下方向の長さ）も、上記の幅方向の長さｄ１と同様に、フェルミ長以下であることが好ましい。具体的には上記と同様に「１００ｎｍ以下」、乃至「６０ｎｍ以下」と規定することが好ましい。また、その長さｄ２が平均自由工程であることが更に好ましく、具体的には上記と同様に「１５ｎｍ以下」、乃至「５ｎｍ以下」とすることができる。
【００２９】
ナノ接合部５の幅方向の長さｄ１及び積層方向の長さｄ２がフェルミ長を超えた寸法である場合は、磁化が反並行の場合にナノ接合部５の磁壁は非常に厚くなり、そのナノ接合部５を通過する電子はスピン情報を保つことが難しくなる。その結果として、磁化の方向の変化に起因した磁気抵抗効果が得られ難くなることがある。従って、本発明においては、その寸法がフェルミ長以下、特にスピン情報をよく保つことができる点で効果のある平均自由工程以下であることが望ましい。
【００３０】
すなわち、ナノ接合部５の幅方向の長さｄ１及び積層方向の長さｄ２がフェルミ長以下になると、そのナノ接合部５が極薄磁壁の発生部となり、そのナノ接合部５を挟む態様で設けられている固定層４と自由層７との間の相対的な磁化の配置関係を変化させることができる。これにより固定層４と自由層７との間の電気抵抗が変化する。本発明の磁気抵抗効果素子の場合、基本的に、磁場印加方向を変えても電気抵抗が磁場により減少する磁場領域が存在することから、ここで発生する磁気抵抗効果は、ナノ接合部５の部分で形成された磁壁により発生する磁気抵抗効果であるといえる。ここで、ナノ接合部５の磁壁は、磁化方向を異にする２つの部分（ナノ接合部５を挟む２つの強磁性層４Ｃ，７。図１を参照。）の遷移領域として作用する。そして、本発明においては、磁化方向及び印加磁場の大きさに応じて５０％以上の大きな磁気抵抗効果が発生する。
【００３１】
こうしたナノ接合部５は、ナノリソグラフィマイクロファブリケーション等の微細加工手段により精度よく形成される。このナノ接合部５を備えた本発明の磁気抵抗効果素子は、５０％以上の大きな磁気抵抗変化率を示すので、そのナノ接合部において、電子は不純物などの散乱を受けずに（ballistic に）通過していると考えられる。なお、磁気抵抗変化率とは、ＭＲ比（△Ｒ／Ｒ）のことであり、磁界強度が充分強いときの電気抵抗Ｒと、印加磁場を変化させたときの電気抵抗変化ΔＲとの比で定義されている。
【００３２】
ナノ接合部５の周囲、すなわち、固定層４と自由層７との間に設けられた１又は２以上のナノ接合部５以外の部位は、絶縁層６で形成されている。その絶縁層６は、例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素などの酸化物や、窒化ケイ素などの窒化物等の絶縁材料で形成される。その絶縁層６の積層方向の長さは、上述したナノ接合部５の積層方向の長さｄ２と同じ長さで形成される。
【００３３】
次に、ナノ接合部５を挟むように配置される固定層４と自由層７の材料について説明する。
【００３４】
１又は２以上のナノ接合部５を挟むように配置される２つの強磁性層は、固定層４のナノ接合部側に配置される第２強磁性層４Ｃと、自由層７をなす強磁性層のことである。本発明においては、これらの強磁性層がスピン分極率が０．５以上の強磁性材料で形成されている。そうした強磁性材料としては、各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、上記のナノ接合部５と同様の材料が好ましく用いられ、例えば、Ｃｏ（スピン分極率：０．８）、Ｆｅ（スピン分極率：０．５）、Ｎｉ（スピン分極率：０．８）、ＣｏＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＮｉＦｅ（スピン分極率：０．６〜０．８）、ＣｏＦｅＮｉ（スピン分極率：０．６〜０．８）等の強磁性金属群、ＣｒＯ２（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性半金属群、及びＦｅ３Ｏ４（スピン分極率：０．９〜１）等の強磁性酸化物群から選択される材料が好ましく用いられる。なお、特に好ましい強磁性材料としては、ＣｏＦｅ及びＮｉＦｅを挙げることができる。
【００３５】
ナノ接合部５を形成する材料と、そのナノ接合部５に隣接する２つの強磁性層を形成する材料とが同じ場合には、単一材料で成膜とエッチングを行うことや、グラニュラー構造の成膜技術を用いることができるので、作製が比較的容易になる。
【００３６】
（固定層）
ボトムタイプの磁気抵抗効果素子において、固定層（ピン層ともいう。）４は、反強磁性層３とナノ接合部５を有する絶縁層６との間に設けられる層であり、反強磁性層３の側から第１強磁性層４Ａ、非磁性層４Ｂ及び第２強磁性層４Ｃの順で形成される。
【００３７】
固定層４を構成する第１強磁性層４Ａ及び第２強磁性層４Ｃは、前記したスピン分極率が０．５以上の各種の強磁性材料を用いることが可能であるが、ＣｏＦｅ、Ｃｏ等の材料が特に好ましく用いられる。この場合において、２つの強磁性層４Ａ，４Ｃは、同一の材料で形成しても、異なる材料で形成してもよい。また、その厚さも、同じであっても異なっていてもよいが、スパッタリングや蒸着等の方法で通常２〜１０ｎｍの厚さで成膜される。
【００３８】
２つの強磁性層４Ａ，４Ｃの間に挟まれる非磁性層４Ｂは、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びそれらの合金からなる群から選択される材料で形成され、スパッタリングや蒸着等の方法で通常０．３〜３ｎｍの厚さで成膜される。
【００３９】
非磁性層４Ｂにより仕切られる２つの強磁性層である第１強磁性層４Ａの磁化方向と第２強磁性層４Ｃの磁化方向は、磁化の容易軸が反並行に結合している。こうした非磁性層４Ｂの作用により、２つの強磁性層４Ａ，４Ｃの磁化が安定する。その結果、層の側端面から磁界が漏洩しないので、素子全体の安定性を向上させることができる。
【００４０】
これらの強磁性層４Ａ，４Ｃや非磁性層４Ｂは、スパッタリングや蒸着等の方法で成膜される。
【００４１】
（自由層）
ボトムタイプの磁気抵抗効果素子において、自由層（フリー層とも呼ばれる。）７は、媒体の磁化転移領域から発生する磁界に感応して磁化が回転又は反転する作用を有する強磁性層（本願においては、第３強磁性層という。）であり、その容易軸の方向を媒体と平行に規制しておくことが好ましい。
【００４２】
自由層７である第３強磁性層は、上述したようなスピン分極率が０．５以上の各種の強磁性材料を用いることが好ましい。具体的には、ＣｏＦｅ、Ｃｏ等の材料が特に好ましく、スパッタリングや蒸着等の方法で通常０．５〜５ｎｍの厚さで成膜される。
【００４３】
（磁気安定制御層）
磁気安定制御層８は、自由層７である第３強磁性層上に設けられ、自由層の磁化方向を安定化させるように作用する。この磁気安定制御層８は、自由層７の側から非磁性層８Ａ、１層又は２層の強磁性層８Ｂ（８Ｂ’、８Ｂ”）及び反強磁性層８Ｃの順で形成されている。
【００４４】
非磁性層８Ａは、その下側に配置された自由層７である第３強磁性層と、その上側に配置された強磁性層８Ｂ’との交換結合の度合いを調整する層であり、非磁性層８Ａを挟むように配置された２つの強磁性層は、反強磁性結合となる。非磁性層を形成する材料としては、例えば、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ及びそれらの合金からなる群から選択される材料で形成され、スパッタリングや蒸着等の方法で通常０．３〜３ｎｍの厚さで成膜される。
【００４５】
強磁性層８Ｂは、非磁性層８Ａ上に設けられ、その非磁性層８Ａを介して設けられる第３強磁性層との関係で反強磁性結合となる。この磁気安定制御層８においては、強磁性層８Ｂの磁化の方向と、自由層７となる強磁性層の磁化の方向とが同じになるように構成される。この強磁性層８Ｂは、１層の場合と２層の場合があり、１層の場合は、その形成材料としてＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ等を挙げることができ、スパッタリングや蒸着等の方法で通常１〜１０ｎｍの厚さで成膜される。
【００４６】
一方、強磁性層８Ｂが２層の場合は、図３に示すように、非磁性層８Ａの側から強磁性層８Ｂ’、強磁性層８Ｂ”の順で表される。強磁性層８Ｂ’は、交換結合により自由層７を単磁区化するように作用する層であり、その形成材料として、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＲｈ等を挙げることができ、スパッタリングや蒸着等の方法で通常１〜５ｎｍの厚さで成膜される。また、強磁性層８Ｂ”は、磁化を反並行にして静磁エネルギーを作成するように作用する層であり、その形成材料として、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＲｈ等を挙げることができ、スパッタリングや蒸着等の方法で通常１〜１０ｎｍの厚さで成膜される。
【００４７】
反強磁性層８Ｃは、強磁性層８Ｂ上に設けられる。反強磁性層８Ｃの形成材料としては、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＰｄＭｎ及びＦｅＭｎの群から選択されるいずれか１の材料が好ましく、スパッタリングや蒸着等の方法で通常２〜２０ｎｍの厚さで成膜される。こうした反強磁性層を設けたことにより、交換結合が誘起され、自由層７として作用する第３強磁性層の磁化の容易軸を規制することができる。その結果、素子全体の安定性を向上させることができる。
【００４８】
（トップタイプの磁気抵抗効果素子）
図４は、本発明のトップタイプの磁気抵抗効果素子の一例を示す積層方向の断面図である。
【００４９】
本発明のトップタイプの磁気抵抗効果素子２０は、ナノ接合部の上下に配置された自由層と固定層とが図１に示したボトムタイプの磁気抵抗効果素子１０とは上下反対側に配置されている態様である。具体的には、図４に示すように、基板２１上に、バッファー層２２、強磁性層で形成されている自由層２３、フェルミ長以下のナノ接合部２４を１又は２以上有する絶縁層２５、固定層２６、及び反強磁性層２７がその順に形成された積層体３０と、その積層体３０の両方の側面に形成された絶縁壁３１と、その積層体３０の両方の側面に絶縁壁３１を介して設けられた磁気安定制御層４０とを有する素子である。そして、固定層２６が、絶縁層２５の側から第１強磁性層２６Ａ、非磁性層２６Ｂ及び第２強磁性層２６Ｃの順で形成されており、各磁気安定制御層４０が、強磁性層４０Ａと反強磁性層４０Ｂとの積層体で形成されている。
【００５０】
このトップタイプの磁気抵抗効果素子２０の積層体３０を構成する基板２１、バッファー層２２、強磁性層で形成されている自由層２３、１又は２以上のナノ接合部２４、絶縁層２５、固定層２６、反強磁性層２７は、上述したボトムタイプの磁気抵抗効果素子１０を構成する各層と同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００５１】
このトップタイプの磁気抵抗効果素子２０の特徴は、その積層体３０の両方の側面に絶縁壁３１を設け、その絶縁壁３１を介して磁気安定制御層４０を設けた点にある。
【００５２】
絶縁壁３１は、例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素などの酸化物や、窒化ケイ素などの窒化物等の絶縁材料で形成され、スパッタリングや蒸着等の方法で通常２〜２０ｎｍの壁厚さで成膜される。
【００５３】
磁気安定制御層４０は、強磁性層４０Ａと反強磁性層４０Ｂとからなっている。この磁気安定制御層４０は、強磁性層４０Ａの磁化方向と、自由層２３をなす強磁性層の磁化方向とが同じになるように配置され、例えば、図４に示すように、自由層２３の積層方向の座標位置とほぼ同じ位置になるようにその積層体３０の両側に設けられる。
【００５４】
磁気安定制御層４０を構成する強磁性層４０Ａは、上述したボトムタイプの磁気抵抗効果素子１０に設けられる強磁性層８Ｂと同じ材料で形成することが好ましく、その形成材料として、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＲｈ等を挙げることができ、スパッタリングや蒸着等の方法で通常２〜２０ｎｍの厚さで成膜される。
【００５５】
また、磁気安定制御層４０を構成する反強磁性層４０Ｂにおいても、上述したボトムタイプの磁気抵抗効果素子１０に設けられる反強磁性層８Ｃと同じ材料で形成することが好ましく、例えば、その形成材料としては、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＰｄＭｎ及びＦｅＭｎの群から選択されるいずれか１の材料が好ましく、スパッタリングや蒸着等の方法で通常２〜２０ｎｍの厚さで成膜される。こうした反強磁性層４０Ｂを設けたことにより、交換結合が誘起され、磁気安定制御層４０を構成する上記の強磁性層４０Ａの磁化の容易軸を規制することができる。その結果、積層体３０の自由層２３をなす強磁性層の磁化の容易軸を規制し、素子全体の安定性を向上させることができる。
【００５６】
以上説明した、ボトムタイプ及びトップタイプの磁気抵抗効果素子において、ナノ接合部を挟んだ２つの強磁性層は、その磁化の方向が直交する、すなわち、自由層７をなす強磁性層の磁化の方向と、固定層４をなす第１強磁性層４Ａ及び第２強磁性層４Ｃの磁化の方向とが直交するように構成される。
【００５７】
また、磁区制御が容易なように層状の平面を有するので、磁化分布状態を揃えることができ、従って、微小なナノ接合部において接続されている相対する強磁性層との間の磁壁幅を急峻に保つことが可能となり、大きな磁気抵抗変化率が得られる。ただし、２つの強磁性層は、必ずしも厳密に平坦な層である必要はなく、多少の凹凸面又は湾曲面を有していてもよい。またさらに、本発明においては、１又は２以上のナノ接合部５、すなわち単一の又は複数のナノ接合部５が形成されているような態様としてもよい。２以上のナノ接合部５を自由層及び固定層の間（すなわち、２つの強磁性層の間）に設けた場合には、ＭＲ値が若干減少するという難点があるものの、単一のナノ接合部５を有する場合と比較して素子ごとのＭＲ値のバラツキを低減でき、安定したＭＲ特性を再現することが容易となる。
【００５８】
（磁気ヘッド）
本発明の磁気ヘッドは、上述した磁気抵抗効果素子を用いることで５０％以上の磁気抵抗変化率を発生することができるため、大きな再生感度をもっている。
【００５９】
図５は、本発明のボトムタイプの磁気抵抗効果素子を磁気再生素子として用いる磁気ヘッドの一例を示す模式図である。図５に示す磁気ヘッド５０は、磁気抵抗効果素子１０の膜面を記録媒体５６に対して垂直に配置している。ここで、ナノ接合部５は、磁気抵抗効果素子１０の中心から記録媒体５６に近づく方向に配置されている。記録媒体５６からの信号磁界は、記録媒体５６からの距離が短くなるほど大きくなるため、そうした位置にナノ接合部５を配置するように構成された磁気ヘッド５０は、磁化を感受する自由層７の磁界検出効率が大きくなるという効果がある。
【００６０】
図５に示す磁気抵抗効果素子１０は、図１に示すボトムタイプの磁気抵抗効果素子を構成する代表的な層を示しており、符号５３のシールド部材側から、符号５４のシールド部材側に向かって、電極５１、反強磁性層３、固定層４、ナノ接合部５、自由層７、磁気安定制御層８、電極５２の順で設けられた磁気抵抗効果素子１０である。なお、符号５５はセンス電流を表している。また、図５においては、記録媒体として水平磁化膜を例示したが、垂直磁化膜であってもよい。
【００６１】
この図５に示す磁気抵抗効果素子１０において、その幅は、２０〜１００ｎｍの範囲であり、各層の膜厚は、使用する記録密度や要求感度に応じて、０．５〜２０ｎｍの範囲で最適化され、又、個数が１又は２以上のナノ接合部５は、２〜２０ｎｍの寸法で形成される。
【００６２】
こうした構成からなる磁気抵抗効果素子１０は、５０％以上の磁気抵抗効果を示し、センス電流５５を感度よく検出することができるので、感度のロスが少ないと共に、安定性に優れた磁気ヘッドとすることができる。
【００６３】
以上のように、磁気ヘッドに装着された本発明の磁気抵抗効果素子は、例えば水平磁化膜からなる記録媒体に対しては、その記録媒体に対向配置された自由層の容易軸の方向がその記録媒体の磁化方向と平行となり、その容易軸の磁化は記録媒体の磁化転移領域から発生する磁界に敏感に感応して回転する。その結果、ナノ接合部を流れるセンス電流が変化し、記録媒体の漏れ磁場を極めて感度よく読みとることができる。本発明の磁気抵抗効果素子は、５０％以上の磁気抵抗効果を示し、センス電流を感度よく検出することができるので、感度のロスが少ないと共に、安定性に優れた磁気ヘッドとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明のボトムタイプの磁気抵抗効果素子の一例を示す積層方向の断面図である。
【図２】図１のナノ接合部の拡大断面図である。
【図３】磁気安定制御層を構成する強磁性層が２つの層で形成されている態様の断面図である。
【図４】本発明のトップタイプの磁気抵抗効果素子の一例を示す積層方向の断面図である。
【図５】本発明の磁気ヘッドの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６５】
１、２１  基板
２、２２  バッファー層
３、２７  反強磁性層
４、２６  固定層
４Ａ、２６Ａ  第１強磁性層
４Ｂ、２６Ｂ  非磁性層
４Ｃ、２６Ｃ  第２強磁性層
５、２４  ナノ接合部
６、２５  絶縁層
７、２３  自由層
８、４０  磁気安定制御層
８Ａ、４０Ｂ  非磁性層
８Ｂ、８Ｂ’、８Ｂ”、４０Ａ  強磁性層
８Ｃ  反強磁性層
１０、２０  磁気抵抗効果素子
３０  積層体
３１  絶縁壁
５０  磁気ヘッド
５１，５２  電極
５３，５４  シールド部材
５５  センス電流
５６  記録媒体
【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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