(57)【要約】【課題】高出力でかつ磁界を検知する感度が良好な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置を提供する。【解決手段】第１例のＧＭＲ膜３０は、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化積層体３３、非磁性金属層３７、自由磁化層３８、保護層３９が順次積層された構成からなる。自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、ＣｏＦｅＡｌの組成を、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ＡＢＣＤＥＦＡ内の組成から選択する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定磁化層と、非磁性層と、自由磁化層と、を備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）。
【請求項２】
固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層と、他の固定磁化層と、が積層してなるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）。
【請求項３】
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｇ（６５，２０，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｇ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）。
【請求項４】
前記固定磁化層がＣｏＦｅＡｌからなることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記固定磁化層は、第１の固定磁化層と、非磁性結合層と、第２の固定磁化層とがこの順に積層され、第２の固定磁化層が非磁性層と接してなり、
前記第２の固定磁化層がＣｏＦｅＡｌからなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記固定磁化層および他の固定磁化層は、各々第１の固定磁化層と、非磁性結合層と、第２の固定磁化層とがこの順に積層されてなり、
前記第２の固定磁化層がＣｏＦｅＡｌからなることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記ＣｏＦｅＡｌは、比抵抗ρが５０μΩｃｍ以上でかつ３００μΩｃｍ以下で、スピン依存バルク散乱係数βがβ≧ρ-0.4を満たすように設定されることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
【請求項１０】
固定磁化層と、非磁性層と、自由磁化層と、を備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、
前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気メモリ装置（但し、各含有量は原子％で表す。）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶装置において情報を再生するための磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置に関し、特に、磁気抵抗効果素子を構成する積層膜の積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気記憶装置の磁気ヘッドには、磁気記録媒体に記録された情報を再生するための再生用素子として磁気抵抗効果素子が用いられている。磁気抵抗効果素子は磁気記録媒体から漏洩する信号磁界の向きの変化を電気抵抗の変化に変換する磁気抵抗効果を利用して磁気記録媒体に記録された情報を再生する。
【０００３】
磁気記憶装置の高記録密度化に伴い、スピンバルブ膜を備えたものが主流となっている。スピンバルブ膜は磁化が所定の方向に固定された固定磁化層と、非磁性層と、磁気記録媒体からの漏洩磁界の方向や強度に応じて磁化の方向が変わる自由磁化層が積層して構成されている。スピンバルブ膜は、固定磁化層の磁化と自由磁化層の磁化とがなす角に応じて電気抵抗値が変化する。電気抵抗値の変化を、スピンバルブ膜に一定値のセンス電流を流して電圧変化として検出することで、磁気抵抗効果素子が磁気記録媒体に記録されたビットを再生する。
【０００４】
従来、磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ膜の面内方向にセンス電流を流すＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）構造が採用されてきた。しかし、さらなる高記録密度化を図るためには、磁気記録媒体の線記録密度およびトラック密度を増加させる必要がある。磁気抵抗効果素子では、磁気記録媒体のトラック幅に対応する素子幅および素子高さ（素子の奥行き）、すなわち素子断面積を低減する必要がある。この場合、ＣＩＰ構造では、センス電流の電流密度が大きくなるため過熱によりスピンバルブ膜を構成する材料のマイグレーション等による性能劣化が生じるおそれがある。
【０００５】
そこで、スピンバルブ膜の積層方向、すなわち、固定磁化層、非磁性層、自由磁化層が積層された方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型の構造が提案され、次世代の再生用素子として盛んに研究が行われている。ＣＰＰ型のスピンバルブ膜は、コア幅（磁気記録媒体のトラック幅に対応するスピンバルブ膜の幅）が縮小されても出力がほとんど変化しないという特長を有するため、高記録密度化に適している。
【０００６】
ＣＰＰ型のスピンバルブ膜の出力は、スピンバルブ膜に外部磁界を一方向からその逆の方向に磁界を掃引して印加した際の単位面積の磁気抵抗変化量で決まってくる。単位面積の磁気抵抗変化量は、スピンバルブ膜の磁気抵抗変化量とスピンバルブ膜の膜面の面積を乗じたものである。単位面積の磁気抵抗変化量を増加させるためには、自由磁化層や固定磁化層にスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積が大きな材料を用いる必要がある。スピン依存バルク散乱とは、伝導電子が持つスピンの向きに依存して自由磁化層や固定磁化層の層内で伝導電子が散乱する度合いが異なる現象であり、スピン依存バルク散乱係数が大きいほど、磁気抵抗変化量が大きくなる。
【０００７】
スピン依存バルク散乱係数の大きな材料としては、Ｃｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌ（０≦ｘ≦１）材料やＣｏ2ＦｅＡｌ材料を用いた磁気抵抗効果素子が提案されている（特許文献１または２参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２２１５２６号公報
【特許文献２】特開２００５−０１９４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、自由磁化層や固定磁化層にＣｏ2ＦｅxＣｒ1-xＡｌでＣｒ含有量が高い場合、スピン依存バルク散乱係数が低下して磁気抵抗変化量が低下する。その結果、磁気抵抗効果素子の出力が低下してしまう。
【０００９】
また、自由磁化層にＣｏ2ＦｅＡｌ、いわゆるホイスラー合金の組成（Ｃｏ、Ｆｅ、Ａｌの原子濃度がそれぞれ、５０原子％、２５原子％、２５原子％）の場合は、保磁力が高く、磁気記録媒体からの信号磁界に対する自由磁化層の磁化の応答が鈍いため、磁気抵抗効果素子の感度が低下してしまう。一般に、高記録密度化につれて磁気記録媒体からの信号磁界強度が低下する傾向にあるので、高保磁力では、磁気抵抗効果による電気抵抗値が飽和しないおそれもある。そうすると実質的な磁気抵抗変化量が低下し、磁気抵抗効果素子の出力が低下してしまう。また、あまりにも保磁力が大きい場合は、信号磁界により自由磁化層の磁化がほとんど回転せず、出力がほとんど得られないおそれもある。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高出力でかつ磁界を検知する感度が良好な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、固定磁化層と、非磁性層と、自由磁化層と、を備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｆｅ含有量、Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ＡＢＣＤＥＦＡ内の組成を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子が提供される。但し、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＡｌの各含有量は原子％で表し、三元系の組成図を後の図８に示す。
【００１２】
ＣｏＦｅＡｌは、軟磁性材料であるＣｏＦｅと同程度でその他の軟磁性材料よりも比較的大きなスピン依存バルク散乱係数を有し、ＣｏＦｅＡｌの比抵抗は、ＣｏＦｅの比抵抗の約６倍ある。したがって、ＣｏＦｅＡｌを自由磁化層や固定磁化層に用いることで、スピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積に依存する磁気抵抗変化量がＣｏＦｅよりも極めて大きくなる。その結果、磁気抵抗効果素子の出力を極めて増加することが可能になる。本発明によれば、磁気抵抗効果素子は、自由磁化層にＣｏＦｅＡｌを用いることで、単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく高出力である。
【００１３】
さらに、本願発明者等の検討により（後述する実施例１で説明する。）、自由磁化層のＣｏＦｅＡｌの組成を上記の領域ＡＢＣＤＥＦＡ内の組成とすることで、自由磁化層の保磁力を低減して、信号磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子を実現できる。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドが提供される。本発明によれば、磁気抵抗効果素子が高出力でかつ信号磁界に対する感度が良好であるので、磁気ヘッドは、より高記録密度の磁気記録に対応することが可能となる。
【００１５】
本発明のその他の観点によれば、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置が提供される。本発明によれば、磁気抵抗効果素子が高出力でかつ磁気記録媒体からの信号磁界に対する感度が良好であるので、磁気記憶装置の高記録密度化が可能となる。
【００１６】
本発明のその他の観点によれば、固定磁化層と、非磁性層と、自由磁化層と、を備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気メモリ装置が提供される。但し、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＡｌの各含有量は原子％で表し、三元系の組成図を後の図８に示す。
【００１７】
本発明によれば、自由磁化層にＣｏＦｅＡｌを用いることで、単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、情報の読出しの際に、保持された"０"および "１"に対応する磁気抵抗値の差が大きいので、正確な読出しができる。さらに、自由磁化層のＣｏＦｅＡｌの組成を上記の領域ＡＢＣＤＥＦＡ内の組成とすることで、自由磁化層の保磁力を低減して、消費電力を低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高出力でかつ磁界を検知する感度が良好な磁気抵抗効果素子、これを用いた磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。なお、説明の便宜のため、特に断らない限り、「単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡ」を「磁気抵抗変化量ΔＲＡ」あるいは単に「ΔＲＡ」と略称する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子と、誘導型記録素子を備えた複合型の磁気ヘッドについて説明する。
【００２１】
図１は、複合型の磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。図１中、矢印Ｘの方向は、磁気抵抗効果素子に対向する磁気記録媒体（不図示）の移動方向を示す。
【００２２】
図１を参照するに、複合型磁気ヘッド１０は、大略して、ヘッドスライダの基体となるＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ等の平坦なセラミック基板１１の上に形成された磁気抵抗効果素子２０と、その上に形成された誘導型記録素子１３から構成される。
【００２３】
誘導型記録素子１３は、媒体対向面に磁気記録媒体のトラック幅に相当する幅を有する上部磁極１４と、非磁性材料からなる記録ギャップ層１５を挟んで上部磁極１４に対向する下部磁極１６と、上部磁極１４と下部磁極１６とを磁気的に接続するヨーク（図示されず）と、ヨークを巻回し、記録電流により記録磁界をする誘起するコイル（図示されず）等からなる。上部磁極１４、下部磁極１６、およびヨークは軟磁性材料より構成される。この軟磁性材料としては、記録磁界を確保するために飽和磁束密度の大なる材料、例えば、Ｎｉ80Ｆｅ20、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＮ、ＦｅＣｏ、ＣｏＮｉＦｅ等が挙げられる。なお、誘導型記録素子１３はこれに限定されるものではなく、公知の構造の誘導型記録素子を用いることができる。
【００２４】
磁気抵抗効果素子２０は、セラミック基板１１の表面に形成されたアルミナ膜１２上に、下部電極２１、磁気抵抗効果膜３０（以下、「ＧＭＲ膜３０」と称する。）、アルミナ膜２５、上部電極２２が積層された構成となっている。ＧＭＲ膜３０は、下部電極２１および上部電極２２とそれぞれ電気的に接続されている。
【００２５】
ＧＭＲ膜３０の両側には、絶縁膜２３を介して磁区制御膜２４が設けられている。磁区制御膜２４は、例えば、Ｃｒ膜と強磁性のＣｏＣｒＰｔ膜との積層体からなる。磁区制御膜２４は、ＧＭＲ膜３０を構成する自由磁化層（図２に示す。）の単磁区化を図り、バルクハウゼンノイズの発生を防止する。
【００２６】
下部電極２１および上部電極２２はセンス電流Ｉsの流路としての機能に加え、磁気シールドとしての機能も兼ねる。そのため、下部電極２１および上部電極２２は、軟磁性合金、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等から構成される。さらに下部電極２１とＧＭＲ膜３０との界面に導電膜、例えば、Ｃｕ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜等を設けてもよい。
【００２７】
また、磁気抵抗効果素子２０および誘導型記録素子１３は、腐食等を防止するためアルミナ膜や水素化カーボン膜等により覆われる。
【００２８】
センス電流Ｉｓは、例えば上部電極２２から、ＧＭＲ膜３０をその膜面に略垂直に流れ下部電極２１に達する。ＧＭＲ膜３０は、磁気記録媒体からの漏洩する信号磁界の強度および方向に対応して電気抵抗値、いわゆる磁気抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子２０は、ＧＭＲ膜３０の磁気抵抗値の変化を、所定の電流量のセンス電流Ｉｓを流して、電圧変化として検出する。このようにして、磁気抵抗効果素子２０は磁気記録媒体に記録された情報を再生する。なお、センス電流Ｉｓの流れる方向は図１に示す方向に限定されず、逆向きでもよい。また、磁気記録媒体の移動方向も逆向きでもよい。
【００２９】
図２は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＧＭＲ膜の断面図である。
【００３０】
図２を参照するに、第１例のＧＭＲ膜３０は、下地層３１、反強磁性層３２、固定磁化積層体３３、非磁性金属層３７、自由磁化層３８、保護層３９が順次積層された構成からなり、いわゆるシングルスピンバルブ構造を有する。
【００３１】
下地層３１は、図１に示す下部電極２１の表面にスパッタ法等により形成され、例えば、ＮｉＣｒ膜や、Ｔａ膜（例えば膜厚５ｎｍ）とＮｉＦｅ膜（例えば膜厚５ｎｍ）との積層体等から構成される。このＮｉＦｅ膜は、Ｆｅの含有量が１７原子％〜２５原子％の範囲内であることが好ましい。このような組成のＮｉＦｅ膜を用いることにより、ＮｉＦｅ膜の結晶成長方向である（１１１）結晶面およびこれに結晶学的に等価な結晶面の表面に、反強磁性層３２がエピタキシャル成長する。これにより、反強磁性層３２の結晶性を向上させることができる。
【００３２】
反強磁性層３２は、例えば膜厚４ｎｍ〜３０ｎｍ（好ましくは４ｎｍ〜１０ｎｍ）のＭｎ−ＴＭ合金（ＴＭは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、ＩｒおよびＲｈのうち少なくとも１種を含む。）から構成される。Ｍｎ−ＴＭ合金としては、例えば、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＰｄＭｎが挙げられる。反強磁性層３２は、固定磁化積層体３３の第１固定磁化層３４に交換相互作用を及ぼして第１固定磁化層３４の磁化を所定の向きに固定する。
【００３３】
固定磁化積層体３３は、反強磁性層３２側から第１固定磁化層３４、非磁性結合層３５、第２固定磁化層３６が順に積層されてなり、いわゆる積層フェリ構造を有する。固定磁化積層体３３は、第１固定磁化層３４の磁化と第２固定磁化層３６の磁化とが反強磁性的に交換結合し、磁化の向きが互いに反平行になる。
【００３４】
第１および第２固定磁化層３４，３６は、それぞれ膜厚１〜３０ｎｍのＣｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうち、少なくともいずれかを含む強磁性材料から構成される。第１および第２固定磁化層３４，３６に好適な強磁性材料としては、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＡｌ、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＣｕ、ＣｏＮｉＦｅ等が挙げられる。なお、第１および第２固定磁化層３４，３６のそれぞれは、１層のみならず、２層以上の積層体としてもよく、この積層体は、その各々の層が同一の元素の組み合わせでかつ互いに異なる組成比の材料を用いてもよく、あるいは、互いに異なる元素を組み合わせた材料を用いてもよい。
【００３５】
第２固定磁化層３６は、ＣｏＦｅＡｌからなることが特に好ましい。これは、以下の理由によるものである。ＣｏＦｅＡｌのスピン依存バルク散乱係数は、軟磁性材料であるＣｏＦｅのスピン依存バルク散乱係数と同程度で、その他の軟磁性材料よりも比較的大きなスピン依存バルク散乱係数を有する。例えば、Ｃｏ90Ｆｅ10のスピン依存バルク散乱係数は０．５５であるのに対し、Ｃｏ50Ｆｅ20Ａｌ30のスピン依存バルク散乱係数は０．５０である。また、比抵抗はＣｏＦｅＡｌがＣｏＦｅよりも極めて大きく、例えばＣｏ90Ｆｅ10が２０μΩｃｍであるに対して、Ｃｏ50Ｆｅ20Ａｌ30はＣｏ90Ｆｅ10の６倍程度の１３０μΩｃｍである。磁気抵抗変化量はスピン依存バルク散乱係数と比抵抗との積に依存するので、ＣｏＦｅＡｌの方がＣｏＦｅよりも磁気抵抗変化量ΔＲＡが極めて大きい。したがって、第２固定磁化層３６にＣｏＦｅＡｌを用いることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを大幅に増加することができる。
【００３６】
さらに、ＣｏＦｅＡｌのスピン依存バルク散乱係数および比抵抗は、ＣｏＦｅＡｌの組成比に対する依存性が小さいため、製造の際のＣｏＦｅＡｌの組成管理が容易になるという利点もある。なお、ＣｏＦｅＡｌはこれらの利点から、次に説明する自由磁化層３８にも好適に用いられる。
【００３７】
第２固定磁化層３６においてＣｏＦｅＡｌは、磁気抵抗変化量ΔＲＡが特に大きい点で、後ほど実施例２で説明するように、後の図８に示す三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ｃ（５５，２５，２０）、点Ｈ（４０，３０，３０）、点Ｉ（５０，３０，２０）、点Ｄ（５０，２０，３０）、として、点Ｃ、点Ｈ、点Ｉ、点Ｄ、および点Ｃをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ＣＨＩＤＣ内の組成を有することが好ましい。但し、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＡｌの各含有量は原子％で表す。なお、第２固定磁化層３６の保磁力は、磁気抵抗効果素子の信号磁界に対する感度に影響しないため、特に限定されない。
【００３８】
また、第１固定磁化層３４として好適な軟材料としては、比抵抗が低い点で、Ｃｏ60Ｆｅ40、ＮｉＦｅが挙げられる。これは、第１固定磁化層３４の磁化は、第２固定磁化層３６の磁化の向きに対して逆向きとなるので、第１固定磁化層３４が磁気抵抗変化量ΔＲＡを低下させる方向に働く。このような場合、比抵抗の低い強磁性材料を用いることで、磁気抵抗変化量ΔＲＡの低下を抑制することができる。
【００３９】
非磁性結合層３５は、その膜厚が第１固定磁化層３４と第２固定磁化層３６とが反強磁性的に交換結合する範囲に設定される。その範囲は、０．４ｎｍ〜１．５ｎｍ（好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍ）である。非磁性結合層３５は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料から構成される。Ｒｕ系合金としてはＲｕに、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎのうちいずれか一つ、あるいはこれらの合金との非磁性材料が好適である。
【００４０】
さらに、図示を省略するが、第１固定磁化層３４と反強磁性層３２との間に第１固定磁化層３４よりも飽和磁束密度が高い強磁性材料からなる強磁性接合層を設けてもよい。これにより、第１固定磁化層３４と反強磁性層３２との交換相互作用を増加でき、第１固定磁化層３４の磁化の向きが所定の向きから変位したり反転したりする問題を回避できる。
【００４１】
非磁性金属層３７は、例えば、膜厚１．５ｎｍ〜１０ｎｍの非磁性の導電性材料より構成される。非磁性金属層３７に好適な導電性材料としてはＣｕ、Ａｌ等が挙げられる。
【００４２】
自由磁化層３８は、非磁性金属層３７の表面に設けられ、例えば膜厚が２ｎｍ〜１２ｎｍのＣｏＦｅＡｌから構成される。ＣｏＦｅＡｌは、上述したように、スピン依存バルク散乱係数がＣｏＦｅのスピン依存バルク散乱係数と同程度で、比抵抗がＣｏＦｅの比抵抗よりも極めて大きい。そのため、自由磁化層３８は、ＣｏＦｅを用いた場合よりも磁気抵抗変化量ΔＲＡが極めて大きくなる。
【００４３】
さらに、自由磁化層３８の磁化は、外部から印加される信号磁界に対して、応答が良好であること望ましい。そのため、自由磁化層３８の保磁力は小さいほどよく、自由磁化層３８を構成するＣｏＦｅＡｌは、後に説明する実施例１により得られた組成範囲を有する。その組成範囲は、後の図８に示すＣｏＦｅＡｌの三元系組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｆｅ含有量、Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ＡＢＣＤＥＦＡの範囲内の組成に設定される。この組成範囲は、ホイスラー合金組成であるＣｏ50Ｆｅ25Ａｌ25と同等の磁気抵抗変化量ΔＲＡを有し、かつ保磁力が低減されている。したがって、磁気抵抗効果素子は高出力が得られると共に、信号磁界に対する感度が高めることができる。
【００４４】
さらに、自由磁化層３８の組成範囲を、後の図８に示すＣｏＦｅＡｌの三元系組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｆｅ含有量、Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｇ（６５，２０，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｇ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成に設定することで、自由磁化層３８の保磁力を２０Ｏｅ以下にすることができるので、信号磁界に対する感度がいっそう高めることができる。
【００４５】
保護層３９は非磁性の導電性材料からなり、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｌ、およびＷのいずれかを含む金属膜から構成され、さらに、これらの金属膜の積層体から構成してもよい。保護層３９は、以下に説明する反強磁性層３２の反強磁性を出現させるための熱処理の際に自由磁化層３８の酸化を防止できる。
【００４６】
次に第１例のＧＭＲ膜３０の形成方法を図２を参照しつつ説明する。最初に、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等により、下地層３１から保護層３９までの各々の層を上述した材料を用いて形成する。
【００４７】
次いで、このようにして得られた積層体を磁界中で熱処理する。熱処理は、真空雰囲気で、例えば加熱温度２５０℃〜３２０℃、加熱時間約２〜４時間、印加磁界１５９２ｋＡ／ｍに設定する。この熱処理により、上述したＭｎ−ＴＭ合金のうちの一部は、規則合金化して反強磁性が出現する。また、熱処理の際に所定の方向に磁界を印加することで、反強磁性層３２の磁化の方向を所定の方向に設定して、反強磁性層３２と固定磁化層３３との交換相互作用により固定磁化層３３の磁化を所定の向きに固定することができる。
【００４８】
次いで、下地層３１から保護層３９までの積層体を図１に示すように所定の形状にパターニングしてＧＭＲ膜３０を得る。なお、下記に説明する第２例〜第５例のＧＭＲ膜も第１例のＧＭＲ膜３０と略同様にして形成する。
【００４９】
第１例のＧＭＲ膜３０は、自由磁化層３８がＣｏＦｅＡｌからなるので、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きく、さらに自由磁化層３８のＣｏＦｅＡｌを上述した所定の組成範囲に設定されていることにより、自由磁化層３８の保磁力が低い。したがって、高出力で、信号磁界の検出感度が良好な磁気抵抗効果素子を実現できる。
【００５０】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜について説明する。図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０に第２例のＧＭＲ膜を適用する。
【００５１】
図３は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図３を参照するに、第２例のＧＭＲ膜４０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体３３、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体４３、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜４０は、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の自由磁化層３８と保護層３９との間に、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体４３、上部反強磁性層４２を設けた構成を有し、いわゆるデュアルスピンバルブ構造を有する。なお、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体３３、および下部非磁性金属層３４は、各々、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の反強磁性層３２、固定磁化層３３、および非磁性金属層３４と同様の材料および膜厚を有するので同一の符号を用いている。
【００５３】
上部非磁性金属層４７、上部反強磁性層４２は、各々、下部非磁性金属層３７、下部反強磁性層３２と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
【００５４】
また、上部固定磁化積層体４３は、上部反強磁性層４２側から上部第１固定磁化層４４、上部非磁性結合層４５、上部第２固定磁化層４６が順に積層されてなり、いわゆる積層フェリ構造を有する。上部第１固定磁化層４４、上部非磁性結合層４５、上部第２固定磁化層４６は、各々、下部第１固定磁化層３４、下部非磁性結合層３５、下部第２固定磁化層３６と同様の材料を用いることができ、膜厚も同様の範囲に設定される。
【００５５】
ＧＭＲ膜４０は、自由磁化層３８が、図２に示す第１例のＧＭＲ膜の自由磁化層３８と同様のＣｏＦｅＡｌの組成範囲から選択される。したがって、磁気抵抗効果素子は、第１例のＧＭＲ膜の場合と同様の理由により大きな磁気抵抗変化量ΔＲＡを有し、保磁力が低減されている。したがって、高出力が得られると共に、信号磁界に対する感度が高まる。
【００５６】
さらに、ＧＭＲ膜４０は、下部固定磁化積層体３３、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、からなるスピンバルブ構造と、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体からなるスピンバルブ構造を合わせ有する。したがって、ＧＭＲ膜４０は磁気抵抗変化量ΔＲＡが増加し、第１例のＧＭＲ膜の磁気抵抗変化量ΔＲＡに対して略二倍となる。その結果、第２例のＧＭＲ膜４０を磁気抵抗効果素子に用いることで、第１例のＧＭＲ膜を用いた場合よりも、いっそう高出力の磁気抵抗効果素子が実現できる。なお、ＧＭＲ膜４０の形成方法は第１例のＧＭＲ膜の形成方法と略同様であるので、説明を省略する。
【００５７】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜について説明する。図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０に第３例のＧＭＲ膜を適用する。
【００５８】
図４は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜の断面図である。第３例のＧＭＲ膜は、第２例のＧＭＲ膜の変形例である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５９】
図４を参照するに、第３例のＧＭＲ膜５０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体３３、下部非磁性金属層３７、自由磁化積層体５１、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体４３、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜５０は、図３に示す第２例のＧＭＲ膜の自由磁化層３８の代わりに自由磁化積層体５１を設けた構成を有する。
【００６０】
自由磁化積層体５１は、下部非磁性金属層３７側から、第１界面磁性層５２、自由磁化層３８、第２界面磁性層５３が順に積層されてなる。自由磁化層３８は、図２に示す第１例のＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８と同様の組成範囲のＣｏＦｅＡｌからなる。
【００６１】
第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３は、それぞれ、例えば厚さが０．２ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲に設定され、軟磁性材料からなる。第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３は、それぞれスピン依存界面散乱係数がＣｏＦｅＡｌよりも大きな材料、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ合金から選択されることが好ましい。ＣｏＦｅ合金としては、例えば、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＣｕ、ＣｏＦｅＣｒ等が挙げられる。また、ＮｉＦｅ合金としては、例えば、ＮｉＦｅＣｕ、ＮｉＦｅＣｒ等が挙げられる。自由磁化積層体５１は、自由磁化層３８をこのようなスピン依存界面散乱係数が大きな軟磁性材料膜で挟むことで、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。なお、第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３には同じ組成の材料を用いてもよく、同じ元素を含み、組成比の異なる材料を用いてもよく、互いに異なる元素からなる材料を用いてもよい。
【００６２】
さらに第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３には、自由磁化層３８と異なる組成比のＣｏＦｅＡｌを用いてもよい。例えば、第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３には、自由磁化層３８よりも保磁力の高い材料を用いてもよい。
【００６３】
第３例のＧＭＲ膜５０は、第２例のＧＭＲ膜と同様の効果を有し、さらに自由磁化層３８の両面に第１界面磁性層５２および第２界面磁性層５３を設けることにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡを第２例のＧＭＲ膜よりもさらに増加することができる。
【００６４】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＧＭＲ膜について説明する。図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０に、第４例のＧＭＲ膜を適用する。
【００６５】
図５は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＧＭＲ膜の断面図である。第４例のＧＭＲ膜は、第２例のＧＭＲ膜の変形例である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６６】
図５を参照するに、第４例のＧＭＲ膜６０は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体６１、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体６２、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜６０は、図３に示す第２例のＧＭＲ膜４０の下部固定磁化積層体３３および上部固定磁化積層体４３の代わりに、下部固定磁化積層体６１および上部固定磁化積層体６２を設けた構成を有する。
【００６７】
下部固定磁化積層体６１は、下部第２固定磁化層３６の下部非磁性金属層３７側に第３界面磁性層６３を有し、上部固定磁化積層体６２は、上部第２固定磁化層４６の上部非磁性金属層４７側に第４界面磁性層６４を有する。第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４は、それぞれ、例えば厚さが０．２ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲に設定され、強磁性材料から構成される。第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４は、それぞれ、スピン依存界面散乱がＣｏＦｅＡｌよりも大きな材料、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ合金から選択されることが好ましい。ＣｏＦｅ合金としては、例えば、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＣｕ、ＣｏＦｅＣｒ等が挙げられる。また、ＮｉＦｅ合金としては、例えば、ＮｉＦｅＣｕ、ＮｉＦｅＣｒ等が挙げられる。これにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡを増加させることができる。なお、第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４には同じ組成の材料を用いてもよく、同じ元素を含み、組成比の異なる材料を用いてもよく、互いに異なる元素からなる材料を用いてもよい。
【００６８】
第４例のＧＭＲ膜６０は、第２例のＧＭＲ膜と同様の効果を有し、さらに第３界面磁性層６３および第４界面磁性層６４を設けることにより磁気抵抗変化量ΔＲＡを第２例のＧＭＲ膜よりもさらに増加することができる。
【００６９】
次に、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＧＭＲ膜について説明する。図１に示す磁気抵抗効果素子１０のＧＭＲ膜３０に、第５例のＧＭＲ膜を適用する。
【００７０】
図６は、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＧＭＲ膜の断面図である。第５例のＧＭＲ膜は、第４例のＧＭＲ膜の変形例である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７１】
図６を参照するに、第５例のＧＭＲ膜６５は、下地層３１、下部反強磁性層３２、下部固定磁化積層体６６、下部非磁性金属層３７、自由磁化層３８、上部非磁性金属層４７、上部固定磁化積層体６７、上部反強磁性層４２、保護層３９が順次積層された構成からなる。すなわち、ＧＭＲ膜６５は、下部固定磁化積層体６６が下部第２固定磁化層３６の下部非磁性結合層３５側に第１強磁性接合層６８を有し、上部固定磁化積層体６７が上部第２固定磁化層４６の上部非磁性結合層４５側に第２強磁性接合層６９を有する以外は、第４例のＧＭＲ膜と同様の構成からなる。
【００７２】
第１強磁性接合層６８および第２強磁性接合層６９は、その厚さが、例えば０．２ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲に設定され、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＦｅのいずれかを少なくとも含む強磁性材料、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅからなる。第１強磁性接合層６８および第２強磁性接合層６９は、その飽和磁化が、それぞれ下部第２固定磁化層３６および上部第２固定磁化層４６の飽和磁化よりも大きな強磁性材料を用いることで、それぞれ下部第１固定磁化層３４、上部第１固定磁化層４４との交換結合を高め、下部第２固定磁化層３６および上部第２固定磁化層４６の磁化の向きをより安定化できる。その結果、磁気抵抗変化量ΔＲＡを安定化できる。
【００７３】
以上説明したように、第５例のＧＭＲ膜６５では、第２例のＧＭＲ膜と同様の効果を有し、さらに第１強磁性接合層６８および第２強磁性接合層６９を設けることにより、磁気抵抗変化量ΔＲＡを安定化できる。
【００７４】
なお、第１の実施の形態では、第３例〜第５例のＧＭＲ膜は、第２例のデュアルスピンバルブ構造のＧＭＲ膜の変形例であるが、第３例〜第５例のＧＭＲ膜と同様の変形例を図２のシングルスピンバルブ構造のＧＭＲ膜の自由磁化層や第２固定磁化層に適用してもよい。また、第３例のＧＭＲ膜と、第４例あるいは第５例のＧＭＲ膜とを互いに組み合わせてもよい。
【００７５】
［実施例１］
実施例１は、図３に示す第１の実施の形態の第２例のＧＭＲ膜の構成を有する磁気抵抗効果素子を作製したものである。
【００７６】
図７は、実施例１の自由磁化層、下部および上部第２固定磁化層の組成と、保磁力および磁気抵抗変化量ΔＲＡを示す図である。
【００７７】
図７を参照するに、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２７のサンプルは、第２固定磁化層、自由磁化層、および上部第２固定磁化層に用いたＣｏＦｅＡｌの組成を異ならせている。実施例１の各サンプルを以下のようにして作製した。
【００７８】
熱酸化膜が形成されたシリコン基板上に、下部電極として、シリコン基板側からＣｕ（２５０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５０ｎｍ）の積層膜を形成し、次いで下記の組成および膜厚を有する下地層〜保護層までの積層体の各層を超高真空（真空度：２×１０-6Ｐａ以下）雰囲気でスパッタ装置を用いて基板の加熱を行わないで形成した。なお、各サンプルにおいて、下部第２固定磁化層、自由磁化層、および上部第２固定磁化層のＣｏＦｅＡｌの組成は同等であり、その組成を図７に示している。
【００７９】
次いで、反強磁性層の反強磁性を出現させるための熱処理を行った。熱処理の条件は、加熱温度３００℃、処理時間３時間、印加磁界１９５２ｋＡ／ｍとした。
【００８０】
次いで、このようにして得られた積層体をイオンミリングにより研削し、０．１μｍ2〜０．６μｍ2の範囲の６種類の接合面積を有する積層体を作製した。なお、各接合面積毎に４０個の積層体を作製した。
【００８１】
次いで、このようにして得られた積層体をシリコン酸化膜で覆い、次いでドライエッチングにより保護層を露出させ、保護層に接触するようにＡｕ膜からなる上部電極を形成した。
【００８２】
以下に、実施例１のサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．２７のＧＭＲ膜の具体的構成を示す。なお、括弧内の数値は膜厚を表し、以下の実施例において同様である。
【００８３】
下地層：ＮｉＣｒ（４ｎｍ）
下部反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
下部第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（３．５ｎｍ）
下部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７２ｎｍ）
下部第２固定磁化層：ＣｏＦｅＡｌ（５．０ｎｍ）
下部非磁性金属層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
自由磁化層：ＣｏＦｅＡｌ（６．５ｎｍ）
上部非磁性金属層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
上部第２固定磁化層：ＣｏＦｅＡｌ（５．０ｎｍ）
上部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７２ｎｍ）
上部第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（３．５ｎｍ）
上部反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
保護層：Ｒｕ（５ｎｍ）
このようにして得られたサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．２７のそれぞれについて、磁気抵抗変化量ΔＲ値を測定し、同程度の接合面積を有する磁気抵抗効果素子毎に磁気抵抗変化量ΔＲ値の平均値を求めた。そして磁気抵抗変化量ΔＲ値の平均値と接合面積Ａとから単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡを求めた。さらに接合面積Ａが互いに異なる６種類の磁気抵抗効果素子が、互いに略同等のΔＲＡを有することを確認して、それらのΔＲＡの平均値を最終的なΔＲＡとした。
【００８４】
なお、磁気抵抗変化量ΔＲの測定は、センス電流の電流値を２ｍＡに設定し、外部磁界を下部および上部第２固定磁化層の磁化方向に平行に−７９ｋＡ／ｍ〜７９ｋＡ／ｍの範囲で掃引し、下部電極と上部電極との間の電圧をデジタルボルトメータにより測定し、磁気抵抗曲線を得た。そして、磁気抵抗曲線の最大値と最小値との差から磁気抵抗変化量ΔＲを求めた。また、自由磁化層の保磁力は、外部磁界を上記と同じ方向に−７．９ｋＡ／ｍ〜７．９ｋＡ／ｍの範囲で掃引し、得られた磁気抵抗曲線のヒステリシスから求めた。
【００８５】
図７を参照するに、サンプルＮｏ．１〜２７では、磁気抵抗変化量ΔＲＡはおおよそ３ｍΩμｍ2以上であることが分かる。発明者等の検討によれば、サンプルＮｏ．１〜２７の磁気抵抗変化量ΔＲＡは、自由磁化層にＣｏＦｅを用いた場合よりも大きいことが分かっている。
【００８６】
図８は、自由磁化層の組成範囲を示す図である。図８は、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＡｌの３元系の組成図である。図８には、図７に示したサンプルＮｏ．１〜２７の自由磁化層の保磁力（単位：Ｏｅ）をその組成の座標上に合わせて示している。
【００８７】
図８を参照するに、自由磁化層の保磁力は、ホイスラー合金の組成であるＣｏ50Ｆｅ25Ａｌ25の保磁力が３０．５Ｏｅであるのに対して、Ｃｏ含有量が多い側、およびＦｅ含有量が少ない側の組成で低くなっていることが分かる。但し、Ｃｏ含有量が８０原子％でかつＡｌ含有量が２５原子％では自由磁化層の保磁力が増大する。この結果から、自由磁化層のＣｏＦｅＡｌの組成範囲は、図８の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｆｅ含有量、Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ＡＢＣＤＥＦＡ内（図８の太線の実線で囲まれた領域）の組成に設定されることが好ましい。この組成範囲は、自由磁化層の保磁力が３０Ｏｅ以下の範囲である。したがって、自由磁化層がホイスラー合金の組成であるＣｏ50Ｆｅ25Ａｌ25の場合よりも低く、信号磁界に対する感度が良好になる。
【００８８】
なお、Ａｌ含有量が１５原子％よりも少ない範囲でも保磁力が３０Ｏｅ以下となるが、本願発明者等の検討によれば、ΔＲＡが１ｍΩμｍ2程度になり、出力が低下してしまう。また、Ａｌ含有量が３５原子％よりも多い範囲でも保磁力が３０Ｏｅ以下となるが、飽和磁束密度が低下する傾向にあり、自由磁化層の所望の、飽和磁束密度と膜厚との積を確保するために自由磁化層の膜厚が増大する傾向となり、その結果、リードギャップ長が増大し、高記録密度での出力が低下してしまう。
【００８９】
さらに、自由磁化層のＣｏＦｅＡｌの組成範囲は、保磁力が２０Ｏｅ以下となる次の範囲にすることがさらに好ましい。このような組成範囲は、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｇ（６５，２０，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｇ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ＡＢＣＧＡ（図８の太線の破線で囲まれた領域）の範囲内の組成である。この領域ＡＢＣＧＡの範囲内の組成では、領域ＡＢＣＤＥＦＡの範囲内の組成よりも保磁力が低いため磁気抵抗効果素子の感度がいっそう良好となる。
【００９０】
［実施例２］
実施例２は、図６に示す第１の実施の形態の第５例のＧＭＲ膜の構成を有する磁気抵抗効果素子を作製したものである。実施例２では、自由磁化層の組成をＣｏ50Ｆｅ20Ａｌ30に固定して、下部第２固定磁化層および上部第２固定磁化層のＣｏＦｅＡｌの組成を異ならせ、サンプルＮｏ．３１〜Ｎｏ．３７の磁気抵抗効果素子を形成した。サンプルＮｏ．３１〜Ｎｏ．３７の組成範囲は、図８において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｆｅ含有量、Ａｌ含有量）として表すと、点Ｈ（４０，３０，３０）、点Ｉ（５０，３０，２０）として、点Ｃ、点Ｈ、点Ｉ、点Ｄ、および点Ｃをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域ＣＨＩＤＣ内の組成である。なお、同じサンプルの下部第２固定磁化層と上部第２固定磁化層は同じ組成とした。また、サンプルＮｏ．３１〜Ｎｏ．３７の各サンプルは、実施例１と略同様にして作製し、保磁力およびΔＲＡの測定方法も同様に行った。
【００９１】
以下に、実施例２のサンプルＮｏ．３１〜３７のＧＭＲ膜の具体的構成を示す。なお、下部第２固定磁化層および上部第２固定磁化層の組成は図９に示す。
【００９２】
下地層：ＮｉＣｒ（４ｎｍ）
下部反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
下部第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（３．５ｎｍ）
下部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７２ｎｍ）
第１強磁性接合層：Ｃｏ40Ｆｅ60（０．５ｎｍ）
下部第２固定磁化層：ＣｏＦｅＡｌ（４．０ｎｍ）
第３界面磁性層：Ｃｏ40Ｆｅ60（０．５ｎｍ）
下部非磁性金属層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
第１界面磁性層：ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）
自由磁化層：Ｃｏ50Ｆｅ20Ａｌ30（６．５ｎｍ）
第２界面磁性層：Ｃｏ40Ｆｅ60（０．２５ｎｍ）
上部非磁性金属層：Ｃｕ（３．５ｎｍ）
第４界面磁性層：Ｃｏ40Ｆｅ60（０．５ｎｍ）
上部第２固定磁化層：ＣｏＦｅＡｌ（４．０ｎｍ）
第１強磁性接合層：Ｃｏ40Ｆｅ60（０．５０ｎｍ）
上部非磁性結合層：Ｒｕ（０．７２ｎｍ）
上部第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（３．５ｎｍ）
上部反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
保護層：Ｒｕ（５ｎｍ）
このようにして得られたサンプルＮｏ．３１〜Ｎｏ．３７の自由磁化層の保磁力は、略同等であり、１１Ｏｅとなった。
【００９３】
図９を参照するに、サンプルＮｏ．３１〜Ｎｏ．３７の磁気抵抗変化量ΔＲＡは、５〜７ｍΩμｍ2程度であり、大きなΔＲＡが得られた。このことから、実施例１で選択した組成範囲（図８に示す領域ＡＢＣＤＥＦＡ内の組成範囲）のＣｏＦｅＡｌを自由磁化層に用いると共に、実施例２の組成範囲（図８に示す領域ＣＨＩＤＣ内の組成範囲）のＣｏＦｅＡｌを下部第２固定磁化層や上部第２固定磁化層の第２固定磁化層に用いることで、大きな磁気抵抗変化量ΔＲＡが得られ、かつ、自由磁化層の保磁力が低減できることが分かる。したがって、高出力で信号磁界に対する感度が良好な磁気抵抗効果素子が得られることが分かる。
【００９４】
［実施例３］
次に、実施例３として、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の自由磁化層および第２固定磁化層にＣｏＦｅＡｌ膜を用いた場合について、ＣｏＦｅＡｌ膜の比抵抗がΔＲＡに与える効果についてシミュレーションを行った。
【００９５】
上述したように、ＣｏＦｅＡｌ膜は、従来用いられているＣｏＦｅ膜と比較して比抵抗が極めて高いという特長がある。ＣｏＦｅＡｌ膜の比抵抗が高いため、飛躍的にΔＲＡを増加できる。
【００９６】
シミュレーションはＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に、いわゆる二流体モデルを適用したものである。二流体モデルは、以下の２つの文献に基づいている。
文献（１）  Ｔ．Ｖａｌｅｔ  ｅｔ  ａｌ．  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，ｖｏｌ．４８，ｐ．７０９９−ｐ．７１１３（１９９３）
文献（２）  Ｎ．Ｓｔｒｅｌｋｏｖ  ｅｔ  ａｌ．  Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．９４，ｐ．３２７８−ｐ．３２８７（２００３）
二流体モデルによるシミュレーションは、磁気抵抗効果素子のＧＭＲ膜を流れるアップスピンとダウンスピンの電子の各々について流路を仮定し、流路の各々についてＧＭＲ膜を構成する各層の比抵抗、スピン依存バルク散乱係数、および膜厚を適用して、ΔＲＡを求めた。シミュレーションのＧＭＲ膜の構成は、図２に示す第１例のＧＭＲ膜３０と同様であり、具体的な材料および膜厚は以下の通りである。
【００９７】
下地層：ＮｉＣｒ（４ｎｍ）
反強磁性層：ＩｒＭｎ（５ｎｍ）
第１固定磁化層：Ｃｏ60Ｆｅ40（３ｎｍ）
非磁性結合層：Ｒｕ（０．８ｎｍ）
第２固定磁化層：ＣｏＦｅＡｌ（５ｎｍ）
非磁性金属層：Ｃｕ（４ｎｍ）
自由磁化層：ＣｏＦｅＡｌ（５ｎｍ）
保護層：Ｒｕ（４ｎｍ）
そして、下部第２固定磁化層および自由磁化層の比抵抗ρおよびスピン依存バルク散乱係数βを異ならせてシミュレーションを行った。なお、一般的に比抵抗ρが大きくなるとスピン拡散長が短くなる傾向があるため、シミュレーションでは、比抵抗ρとスピン拡散長との間に反比例の関係があり、比抵抗ρが２０μΩｃｍのときにスピン拡散長が１０ｎｍであるとして計算を行った。また、比較のため、下部第２固定磁化層および自由磁化層にＣｏＦｅ膜を用いた場合についてもシミュレーションを行った（比較例１および２）。
【００９８】
図１０は、ΔＲＡと自由磁化層の比抵抗およびスピン依存バルク散乱係数との関係を示す図である。図１０は、縦軸がスピン依存バルク散乱係数βを示し、横軸が比抵抗ρ（μΩｃｍ）を示している。また、図中はΔＲＡでマッピングしており、実線はΔＲＡが数値で示す一定の値となる等値線である。なお、ΔＲＡが１の等値線の紙面下側は１よりも小さくかつ０以上の範囲を示し、ΔＲＡが９の等値線の紙面上側では９よりも大きくかつ１０未満の範囲を示している。なお、以下、比抵抗ρをρ、スピン依存バルク散乱係数βをβと称する。
【００９９】
図１０を参照するに、ＣｏＦｅ膜（比較例１）の場合は、ρが２０μΩｃｍ、βが０．８であり、ΔＲＡは０．５ｍΩμｍ2である。さらに、下記の文献（３）に記載されているように、βを向上させたＣｏＦｅ膜（比較例２）の場合は、βが０．７７であるが、シミュレーションを行ったところΔＲＡは１．２ｍΩμｍ2よりも小さくなった。
文献（３）Ｈ．Ｙｕａｓａ  ｅｔ  ａｌ．  Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９２，ｐ．２６４６−２６５０（２００２）
これに対して、ＣｏＦｅＡｌ膜の場合は、その組成（成分比）により様々なρをとり得る。例えば、ＣｏＦｅＡｌ膜のρが５０μΩｃｍの場合、βがＣｏＦｅ膜と同等の０．６とすると、シミュレーションによると図１０に示すように、ΔＲＡが１．２ｍΩμｍ2となり、比較例２よりもΔＲＡが大きくなることが分かる。
【０１００】
さらに、ＣｏＦｅＡｌ膜のρが３００μΩｃｍの場合、βが０．６で、ΔＲＡが４．６ｍΩμｍ2となり、比較例１に対して７．７倍も大きくなる。
【０１０１】
なお、ΔＲＡが１．２ｍΩμｍ2となる比抵抗ρとスピン依存バルク散乱係数βとの関係は図１０からβ＝ρ-0.4であることが分かった（一点鎖線で示す。）。なお、βは、大きいほどΔＲＡが増加する点で好ましく、βの取り得る最大値である１に近づくほど好ましい。
【０１０２】
ＣｏＦｅＡｌ膜は、特にＡｌ含有量に応じてρは様々な値をとるが、Ａｌ含有量が２０原子％の場合はρが１３０μΩｃｍである。βが０．５程度であるので、ΔＲＡは２．２ｍΩμｍ2となりＣｏＦｅ膜よりも極めて高いことが分かる。
【０１０３】
さらに、ＣｏＦｅＡｌ膜は、Ａｌ含有量を増加させることでρを増加させられるが、ρが３００μΩｃｍ以下に設定されることが好ましい。ρが３００μΩｃｍを超えるとスピン拡散長の減少等によりΔＲＡが減少する傾向にあるからである。
【０１０４】
以上説明したように、ＣｏＦｅＡｌ膜のρは、５０μΩｃｍ以上でかつ３００μΩｃｍ以下で、スピン依存バルク散乱係数βがβ≧ρ-0.4に設定されることが好ましい。この範囲は、図１０の破線に挟まれかつ一点鎖線の上側である。この範囲にＣｏＦｅＡｌ膜のρおよびβを設定することで、ΔＲＡをＣｏＦｅ膜よりも増加でき、その結果、磁気抵抗効果素子の再生出力を向上できる。
【０１０５】
なお、実施例３のシミュレーションでは第２固定磁化層および自由磁化層に同時にＣｏＦｅＡｌ膜を用いた場合について示したが、自由磁化層にのみＣｏＦｅＡｌ膜を用いてもＣｏＦｅ膜よりも大きなΔＲＡが得られている。また、ＣｏＦｅＡｌ膜のβは、例えば上記（３）の文献の記載の方法で求めることができる。
【０１０６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る磁気ヘッドは、磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果（以下、「ＴＭＲ」と称する。）膜を有するものである。第２の実施の形態に係る磁気ヘッドの構成は、図１に示す磁気ヘッドのＧＭＲ膜３０の代わりにＴＭＲ膜を設けた以外は、略同様であるので、磁気ヘッドの説明を省略する。
【０１０７】
図１１〜図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例〜第５例のＴＭＲ膜の断面図である。
【０１０８】
図１１〜図１５を参照するに、第１例〜第５例のＴＭＲ膜７０〜７４は、先の図２〜図６に示したＧＭＲ膜３０，４０，５０，６０，６５において、非磁性金属層（下部非磁性金属層）３７および上部非磁性金属層４７を、各々、絶縁材料からなる非磁性絶縁層（下部非磁性絶縁層３７ａ）および上部非磁性絶縁層４７ａ（以下、「非磁性絶縁層３７ａ，４７ａ」と略称する。）に置き換えた以外は同様の構成からなる。
【０１０９】
非磁性絶縁層３７ａ，４７ａは、例えば厚さが０．２ｎｍ〜２．０ｎｍからなり、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の酸化物からなる。このような酸化物としては、ＭｇＯ、ＡｌＯx、ＴｉＯx、ＺｒＯxが挙げられる。ここで、ｘは各々材料の化合物の組成からずれた組成でもよいことを示す。特に、非磁性絶縁層３７ａ，４７ａは、結晶質のＭｇＯであることが好ましく、特にトンネル抵抗変化率が増加する点で、ＭｇＯの（００１）面は、膜面に略平行であることが好ましい。また、非磁性絶縁層３７ａ，４７ａはＡｌ、Ｔｉ、およびＺｒからなる群のうちいずれか１種の窒化物、あるいは酸窒化物から構成されてもよい。このような窒化物としては、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮが挙げられる。
【０１１０】
非磁性絶縁層３７ａ，４７ａの形成方法は、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法を用いて上記の材料を直接形成してもよく、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法を用いて金属膜を形成後、酸化処理や窒化処理を行って酸化膜や窒化膜に変換してもよい。
【０１１１】
単位面積のトンネル抵抗変化量は、第１の実施の形態の単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡの測定と同様して得られる。単位面積のトンネル抵抗変化量は、自由磁化層３８および第２固定磁化層３６，４６の分極率が大きいほど増加する。分極率は、絶縁層（非磁性絶縁層３７ａ，４７ａ）を介した強磁性層（自由磁化層３８および第２固定磁化層３６，４６）の分極率である。ＣｏＦｅＡｌのスピン依存バルク散乱係数は、従来用いられてきたＮｉＦｅやＣｏＦｅよりも大きいため、第１の実施の形態と同様に、自由磁化層３８にＣｏＦｅＡｌを用いることで、単位面積のトンネル抵抗変化量の増加が見込まれる。また、第２固定磁化層３６，４６にＣｏＦｅＡｌを用いることで、単位面積のトンネル抵抗変化量の増加もまた見込まれる。
【０１１２】
自由磁化層３８のＣｏＦｅＡｌの組成範囲は、第１の実施の形態で説明した自由磁化層のＣｏＦｅＡｌの組成範囲と同様の範囲（図８に示す領域ＡＢＣＤＥＦＡ内の組成範囲、あるいは、領域ＡＢＣＧＡ内の組成範囲）に設定される。これにより、自由磁化層３８の保磁力が低減される。その結果、高出力で信号磁界に対する感度が良好なＴＭＲ膜を有する磁気抵抗効果素子を実現できる。
【０１１３】
なお、第２の実施の形態では、第３例〜第５例のＴＭＲ膜は、第２例のＴＭＲ膜の変形例であるが、第３例〜第５例のＴＭＲ膜と同様の変形例を図１１のＴＭＲ膜の自由磁化層や第２固定磁化層に適用してもよい。また、第３例のＴＭＲ膜と、第４例あるいは第５例のＴＭＲ膜とを互いに組み合わせてもよい。
【０１１４】
（第３の実施の形態）
図１６は、本発明の実施の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
【０１１５】
図１６を参照するに、磁気記憶装置９０は大略ハウジング９１からなる。ハウジング９１内には、スピンドル（図示されず）により駆動されるハブ９２、ハブ９２に固定されスピンドルにより回転される磁気記録媒体９３、アクチュエータユニット９４、アクチュエータユニット９４に支持され、磁気記録媒体９３の径方向に駆動されるアーム９５およびサスペンション９６、サスペンション９６に支持された磁気ヘッド９８が設けられている。
【０１１６】
磁気記録媒体９３は面内磁気記録方式あるいは垂直磁気記録方式のいずれの磁気記録媒体でもよく、斜め異方性を有する記録媒体でもよい。磁気記録媒体９３は磁気ディスクに限定されず、磁気テープであってもよい。
【０１１７】
磁気ヘッド９８は、図１に示したように、セラミック基板１１の上に形成された磁気抵抗効果素子２０と、その上に形成された誘導型記録素子１３から構成される。誘導型記録素子１３は面内記録用のリング型の記録素子でもよく、垂直磁気記録用の単磁極型の記録素子でもよく、他の公知の記録素子でもよい。磁気抵抗効果素子は、第１の実施の形態の第１例〜第５例のいずれかのＧＭＲ膜、あるいは第２の実施の形態の第１例〜第５例のいずれかのＴＭＲ膜を備える。したがって、磁気抵抗効果素子は単位面積の磁気抵抗変化量ΔＲＡ、あるいは単位面積のトンネル抵抗変化量が大きく、高出力である。さらに、自由磁化層の保磁力が低減されているので感度が高い。よって、磁気記憶装置９０は、高記録密度記録に好適である。なお、第３の実施の形態に係る磁気記憶装置９０の基本構成は、図１６に示すものに限定されるものではない。
【０１１８】
（第４の実施の形態）
図１７（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る第１例の磁気メモリ装置の断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＧＭＲ膜の構成図である。また、図１８は、第１例の磁気メモリ装置の一つのメモリセルの等価回路図である。なお、図１７（Ａ）では方向を示すために直交座標軸を合わせて示している。このうち、Ｙ1およびＹ2方向は紙面に垂直な方向であり、Ｙ1方向は紙面の奥に向かう方向、Ｙ2方向は紙面の手前に向かう方向である。なお、以下の説明において例えば単にＸ方向という場合は、Ｘ1方向およびＸ2方向のいずれでもよいことを示し、Ｙ方向およびＺ方向についても同様である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１１９】
図１７（Ａ）、（Ｂ）、および図１８を参照するに、磁気メモリ装置１００は、例えばマトリクス状に配列された複数のメモリセル１０１からなる。メモリセル１０１は、大略して磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜３０とＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１０２からなる。なお、ＭＯＳ型ＦＥＴは、ｐチャネルＭＯＳ型ＦＥＴあるいはｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを用いることができるが、ここでは、電子がキャリアとなるｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴを例として説明する。
【０１２０】
ＭＯＳ型ＦＥＴ１０２は、シリコン基板１０３中に形成されたｐ型不純物を含むｐウェル領域１０４と、ｐウェル領域１０４中のシリコン基板１０３の表面の近傍に互いに離隔してｎ型不純物が導入された不純物拡散領域１０５ａ、１０５ｂを有する。ここで、一方の不純物拡散領域１０５ａをソースＳ、他方の不純物拡散領域１０５ｂをドレインＤとする。ＭＯＳ型ＦＥＴ１０２は、２つの不純物拡散領域１０５ａ、１０５ｂの間のシリコン基板１０３の表面にゲート絶縁膜１０６を介してゲート電極Ｇが設けられている。
【０１２１】
ＭＯＳ型ＦＥＴ１０２のソースＳは、垂直配線１１４および層内配線１１５を介してＧＭＲ膜３０の一方の側、例えば下地層３１に電気的に接続される。また、ドレインＤには垂直配線１１４を介してプレート線１０８が電気的に接続される。ゲート電極Ｇには読出用ワード線１０９に電気的に接続される。なお、ゲート電極Ｇが読出用ワード線１０９を兼ねてもよい。
【０１２２】
また、ビット線１０１は、ＧＭＲ膜３０の他方の側、例えば保護膜３９に電気的に接続される。ＧＭＲ膜３０の下側には離隔して書込用ワード線１１１が設けられている。
【０１２３】
ＧＭＲ膜３０は、先に図２に示したＧＭＲ膜３０と同様の構成を有する。ＧＭＲ膜３０は、自由磁化層３８の磁化容易軸の方向を図１７（Ａ）に示すＸ軸方向に沿って設定し、磁化困難軸の方向をＹ方向に沿って設定する。磁化容易軸の方向は、熱処理により形成してもよく、形状異方性により形成してもよい。形状異方性によりＸ軸方向に磁化容易軸を形成する場合は、ＧＭＲ膜３０の膜面に平行な断面形状（Ｘ−Ｙ平面に平行な断面形状）をＹ方向の辺よりもＸ方向の辺が長い矩形とする。
【０１２４】
なお、磁気メモリ装置１００は、シリコン基板１０３の表面やゲート電極Ｇがシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等の層間絶縁膜１１３に覆われている。また、ＧＭＲ膜３０、プレート線１０８、読出用ワード線１０９、ビット線１１０、書込用ワード線１１１、垂直配線１１４、および層内配線１１５は、上記で説明した電気的な接続以外は層間絶縁膜１１３により互いに電気的に絶縁されている。
【０１２５】
磁気メモリ装置１００は、ＧＭＲ膜３０に情報を保持する。情報は、第２固定磁化層３６の磁化の方向に対して、自由磁化層３８の磁化の方向が平行あるいは反平行の状態であるかにより保持される。
【０１２６】
次に、磁気メモリ装置１００の書込みおよび読出し動作を説明する。磁気メモリ装置１００のＧＭＲ膜３０への情報の書込み動作は、ＧＭＲ膜３０の上下に配置されたビット線１１０と書込用ワード線１１１により行われる。ビット線１１０はＧＭＲ膜３０の上方をＸ方向に延在しており、ビット線１１０に電流を流すことにより、ＧＭＲ膜３０にＹ方向に印加される。また、書込用ワード線１１１はＧＭＲ膜３０の下方をＹ方向に延在しており、書込用ワード線１１１に電流を流すことにより、ＧＭＲ膜３０にＸ方向に磁界が印加される。
【０１２７】
ＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８の磁化は、実質的に磁界が印加されない場合はＸ方向（例えばＸ2方向とする。）を向いており、その磁化方向は安定である。
【０１２８】
情報をＧＭＲ膜３０に書込む際はビット線１１０と書込用ワード線１１１に同時に電流を流す。例えば、自由磁化層３８の磁化をＸ1方向に向ける場合は、書込用ワード線１１１に流す電流をＹ1方向に流す。これにより、ＧＭＲ膜３０において磁界がＸ1方向となる。この際、ビット線１１０に流す電流の方向は、Ｘ1方向およびＸ2方向のいずれでもよい。ビット線１１０に流す電流による生じる磁界は、ＧＭＲ膜３０においてＹ1方向またはＹ2方向になり、自由磁化層３８の磁化が磁化困難軸の障壁を越えるための磁界の一部として機能する。すなわち、自由磁化層３８の磁化にＸ1方向の磁界と、Ｙ1方向またはＹ2方向とが同時に印加されることで、Ｘ2方向を向いていた自由磁化層３８の磁化は、Ｘ1方向に反転する。そして磁界を取り去った後も自由磁化層３８の磁化はＸ1方向を向いており、次の書込み動作の磁界あるいは消去用の磁界が印加されない限りは安定である。
【０１２９】
このようにして、ＧＭＲ膜３０には自由磁化層３８の磁化の方向に応じて、"１"あるいは"０"を記録できる。例えば、第２固定磁化層３６の磁化の方向がＸ1方向の場合に、自由磁化層３８の磁化方向がＸ1方向（トンネル抵抗値が低い状態）のときは"１"、Ｘ2方向（トンネル抵抗値が高い状態）のときは"０"に設定する。
【０１３０】
なお、書込み動作の際にビット線１１０および書込用ワード線１１１に供給される電流の大きさは、ビット線１１０あるいは書込用ワード線１１１のいずれか一方のみに電流が流れても自由磁化層３８の磁化の反転が生じない程度に設定される。これにより、電流を供給したビット線１１０と電流を供給した書込用ワード線１１１との交点にあるＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８の磁化のみに記録が行われる。なお、書込み動作の際にビット線１１０に電流を流した際に、ＧＭＲ膜３０には電流が流れないように、ソースＳ側がハイピーダンスに設定される。
【０１３１】
次に、磁気メモリ装置１００のＧＭＲ膜３０への情報の読出し動作は、ビット線１１０にソースＳに対して負電圧を印加し、読出用ワード線１０９、すなわちゲート電極ＧにＭＯＳ型ＦＥＴ１０２の閾値電圧よりも大きな電圧（正電圧）を印加して行う。これによりＭＯＳ型ＦＥＴ１０２はオンとなり、電子がビット線１１０から、ＧＭＲ膜３０、ソースＳ、およびドレインＤを介してプレート線１０８に流れる。プレート線１０８に電流計等の電流値検出器１１８を電気的に接続することで、第２固定磁化層３６の磁化の方向に対する自由磁化層３８の磁化の方向に対応する磁気抵抗値を検出する。これにより、ＧＭＲ膜３０が保持する"１"あるいは"０"の情報を読出すことができる。
【０１３２】
第４の実施の形態に係る第１例の磁気メモリ装置１００は、ＧＭＲ膜３０の自由磁化層３８がＣｏＦｅＡｌからなるので、磁気抵抗変化量ΔＲＡが大きい。したがって、磁気メモリ装置１００は、情報の読出しの際に、保持された"０"および "１"に対応する磁気抵抗値の差が大きいので、正確な読出しができる。さらに、ＧＭＲ膜３０は、自由磁化層３８のＣｏＦｅＡｌが図８に示す領域ＡＢＣＤＥＦＡの範囲内の組成に設定されているので自由磁化層３８の保磁力が、ホイスラー合金組成であるＣｏ50Ｆｅ25Ａｌ25よりも低い。したがって、磁気メモリ装置１００は、書込み動作の際に印加する磁界を低減することができる。したがって、書込み動作の際のビット線１１０および書込用ワード線１１１に流す電流値を低減できるので、磁気メモリ装置１００の消費電力を低減できる。
【０１３３】
なお、磁気メモリ装置１００を構成するＧＭＲ膜３０は、図３〜図６に示す第２例〜第５例のＧＭＲ膜４０，５０，６０，６５のいずれかに置換してもよい。
【０１３４】
図１９は、第１例の磁気メモリ装置の変形例を構成するＴＭＲ膜の構成図である。図１９を図１７（Ａ）と共に参照するに、磁気メモリ装置１００を構成するＧＭＲ膜３０の代わりにＴＭＲ膜７０を用いてもよい。ＴＭＲ膜７０は、第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＴＭＲ膜と同様の構成を有する。ＴＭＲ膜７０は、例えば、下地層３１が層内配線１１５に接触し、保護膜３９がビット線１１０に接触している。また、自由磁化層３８の磁化容易軸は上述したＧＭＲ膜３０と同様に配置される。ＴＭＲ膜７０を用いた場合の磁気メモリ装置１００の書込み動作および読出し動作はＧＭＲ膜と同様であるのでその説明を省略する。
【０１３５】
ＴＭＲ膜７０は、第２の実施の形態において説明したようにトンネル抵抗効果を示す。ＴＭＲ膜７０は、自由磁化層３８がＣｏＦｅＡｌからなるので、トンネル抵抗変化量が大きい。したがって、磁気メモリ装置１００は、情報の読出しの際に、保持された"０"および "１"に対応するトンネル抵抗変化量が大きいので、正確な読出しができる。さらに、自由磁化層３８の保磁力が低減されているので感度が高く、磁気メモリ装置１００の消費電力を低減できる。
【０１３６】
なお、磁気メモリ装置を構成するＴＭＲ膜は、図１３〜図１５に示す第２例〜第４例の
ＴＭＲ膜を用いてもよい。
【０１３７】
図２０は、第４の実施の形態に係る第２例の磁気メモリ装置の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１３８】
図２０を参照するに、磁気メモリ装置１２０は、ＧＭＲ膜３０に情報を書込むための機構が第１例の磁気メモリ装置と異なる。磁気メモリ装置１２０のメモリセルは、書込用ワード線１１１が設けられていない以外は、図１７（Ａ）および（Ｂ）に示すメモリセル１０１と同様の構成を有する。以下、図１７（Ｂ）を図２０とあわせて参照しつつ説明する。
【０１３９】
磁気メモリ装置１２０は、書込み動作が第１例の磁気メモリ装置と異なっている。磁気メモリ装置１２０は、偏極スピン電流ＩｗをＧＭＲ膜３０に注入し、その電流の向きによって、自由磁化層３８の磁化の向きを第２固定磁化層３６の磁化の向きに対して平行の状態から反平行の状態に、あるいは反平行の状態から平行の状態に反転させる。偏極スピン電流Ｉｗは、電子が取り得る２つのスピンの向きの一方の向きの電子からなる電子流である。偏極スピン電流Ｉｗの向きをＧＭＲ膜３０のＺ1方向あるいはＺ2方向に流すことで、自由磁化層の磁化にトルクを発生させ、いわゆるスピン注入磁化反転を起こさせる。偏極スピン電流Ｉｗの電流量は、自由磁化層３８の膜厚に応じて適宜選択されるが数ｍＡ〜２０ｍＡ程度である。偏極スピン電流Ｉｗの電流量は、図１７（Ａ）の第１例の磁気メモリ装置の書き込み動作の際にビット線１１０および書込用ワード線１１１に流す電流量よりも少なく、消費電力を低減できる。
【０１４０】
なお、偏極スピン電流は、ＧＭＲ膜３０と略同様の構成を有するＣｕ膜を２つの強磁性層で挟んだ積層体に垂直に電流を流すことで生成することができる。電子のスピンの向きは２つの強磁性層の磁化の向きを平行あるいは反平行に設定することで制御できる。なお、磁気メモリ装置１２０の読み取り動作は図１７（Ａ）の第１例の磁気メモリ装置１００と同様である。
【０１４１】
第２例の磁気メモリ装置１２０は、第１例の磁気メモリ装置と同様の効果を有する。さらに、第２例の磁気メモリ装置１２０は、第１例の磁気メモリ装置よりも低消費電力化が可能である。
【０１４２】
なお、磁気メモリ装置１２０は、ＧＭＲ膜３０の代わりに、図３〜図６に示す第２例〜第５例のＧＭＲ膜４０，５０，６０，６５のいずれかに置換してもよく、あるいは、図１２〜図１５に示す第１例〜第４例のＴＭＲ膜に置換してもよい。
【０１４３】
また、第４の実施の形態の第１例および第２例の磁気メモリ装置では、ＭＯＳ型ＦＥＴにより書込み動作および読出し動作の際の電流方向を制御していたが、他の公知の手段により電流方向の制御を行ってもよい。
【０１４４】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【０１４５】
例えば、第３の実施の形態では、磁気記録媒体がディスク状の場合を例に説明したが、本発明は、磁気記録媒体がテープ状である磁気テープ装置でも適用できることはいうまでもない。また、磁気抵抗効果素子と記録素子とを備える磁気ヘッドを一例として説明したが、磁気抵抗効果素子のみを備える磁気ヘッドでもよい。さらに、複数の磁気抵抗効果素子が配置された磁気ヘッドでもよい。
【０１４６】
なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
（付記１）  固定磁化層と、非磁性層と、自由磁化層と、を備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）。
（付記２）  固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層と、他の固定磁化層と、が積層してなるＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子であって、
前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）。
（付記３）  前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｇ（６５，２０，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｇ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする付記１または２記載の磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）。
（付記４）  前記固定磁化層がＣｏＦｅＡｌからなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記５）  前記固定磁化層のＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｆｅ含有量、Ａｌ含有量）として表すと、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｈ（４０，３０，３０）、点Ｉ（５０，３０，２０）、点Ｄ（５５，２５，２０）として、点Ｃ、点Ｈ、点Ｉ、点Ｄ、および点Ｃをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする付記４記載の磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）
（付記６）  前記固定磁化層は、第１の固定磁化層と、非磁性結合層と、第２の固定磁化層とがこの順に積層され、第２の固定磁化層が非磁性層と接してなり、
前記第２の固定磁化層がＣｏＦｅＡｌからなることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果素子。
（付記７）  前記固定磁化層および他の固定磁化層は、各々第１の固定磁化層と、非磁性結合層と、第２の固定磁化層とがこの順に積層されてなり、
前記第２の固定磁化層がＣｏＦｅＡｌからなることを特徴とする付記２記載の磁気抵抗効果素子。
（付記８）  前記第２の固定磁化層のＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量、Ｆｅ含有量、Ａｌ含有量）として表すと、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｈ（４０，３０，３０）、点Ｉ（５０，３０，２０）、点Ｄ（５５，２５，２０）として、点Ｃ、点Ｈ、点Ｉ、点Ｄ、および点Ｃをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする付記６または７記載の磁気抵抗効果素子（但し、各含有量は原子％で表す。）
（付記８）  前記自由磁化層の少なくとも一面に強磁性材料からなる界面磁性層をさらに設けることを特徴とする付記１記載の磁気抵抗効果素子。
（付記９）  前記非磁性層は導電性材料からなることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１０）  前記非磁性層は絶縁性材料からなることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１１）  前記ＣｏＦｅＡｌは、比抵抗ρが５０μΩｃｍ以上でかつ３００μΩｃｍ以下で、スピン依存バルク散乱係数βがβ≧ρ-0.4を満たすように設定されることを特徴とする付記１、４、および７のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子。
（付記１２）  付記１〜１１のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッド。
（付記１３）  付記１〜１１のうち、いずれか一項記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを備える磁気記憶装置。
（付記１４）  固定磁化層と、非磁性層と、自由磁化層と、を備えるＣＰＰ型の磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、
前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気メモリ装置（但し、各含有量は原子％で表す。）。
（付記１５）  固定磁化層と、第１の非磁性層と、自由磁化層と、第２の非磁性層と、他の固定磁化層と、が積層してなるＣＰＰ型の磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜に磁界を印加して、前記自由磁化層の磁化を所定の方向に向ける書込手段と、
前記磁気抵抗効果膜にセンス電流を供給して抵抗値を検出する読出手段とを備え、
前記自由磁化層はＣｏＦｅＡｌからなり、
前記ＣｏＦｅＡｌが、三元系の組成図において、各組成の座標を（Ｃｏ含有量，Ｆｅ含有量，Ａｌ含有量）として表すと、点Ａ（５５，１０，３５）、点Ｂ（５０，１５，３５）、点Ｃ（５０，２０，３０）、点Ｄ（５５，２５，２０）、点Ｅ（６０，２５，１５）、点Ｆ（７０，１５，１５）として、点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、点Ｆ、および点Ａをこの順にそれぞれ直線で結んだ領域内の組成を有することを特徴とする磁気メモリ装置（但し、各含有量は原子％で表す。）。
（付記１６）  前記書込手段は、磁気抵抗効果膜の膜面に略平行に自由磁化層の磁化容易軸の一方の向きに第１の磁界を印加すると共に、該膜面に略平行でかつ第１の磁界とは所定の角度をなす方向に第２の磁界を印加して、自由磁化層の磁化の向きを制御することを特徴とする付記１４または１５記載の磁気メモリ装置。
（付記１７）  ビット線と、ワード線と、制御電極および２つの電流供給電極を有するＭＯＳ型トランジスタをさらに備え、
前記ワード線は制御電極と電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果膜は、ビット線と一方の電流供給電極との間に電気的に接続され、
前記読出手段は、ワード線を所定の電圧に設定してＭＯＳ型トランジスタをオンさせ、ビット線と前記一方の電流供給電極との間にセンス電流を流して磁気抵抗値を検出することを特徴とする付記１６記載の磁気メモリ装置。
（付記１８）  前記書込手段は、磁気抵抗効果膜に偏極したスピンを有する電子流を中にゅして自由磁化層の磁化の向きを制御することを特徴とする付記１４または１５記載の磁気メモリ装置。
（付記１９）  ビット線と、ワード線と、制御電極および２つの電流供給電極を有するＭＯＳ型トランジスタをさらに備え、
前記ワード線は制御電極と電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果膜は、ビット線と一方の電流供給電極との間に電気的に接続され、
前記読出手段は、ワード線を所定の電圧に設定してＭＯＳ型トランジスタをオンさせ、ビット線と前記一方の電流供給電極との間にセンス電流を流して磁気抵抗値を検出することを特徴とする付記１８記載の磁気メモリ装置。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気ヘッドの媒体対向面の要部を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図６】第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＧＭＲ膜の断面図である。
【図７】実施例１の自由磁化層、下部および上部第２固定磁化層の組成と、保磁力およびΔＲＡを示す図である。
【図８】自由磁化層の組成範囲を示す図である。
【図９】実施例２の下部および上部第２固定磁化層の組成とΔＲＡを示す図である。
【図１０】ΔＲＡと自由磁化層の比抵抗およびスピン依存バルク散乱係数との関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第１例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第２例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１３】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第３例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第４例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する第５例のＴＭＲ膜の断面図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶装置の要部を示す平面図である。
【図１７】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る第１例の磁気メモリ装置の断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＧＭＲ膜の構成図である。
【図１８】第１例の磁気メモリ装置の一つのメモリセルの等価回路図である。
【図１９】第１例の磁気メモリ装置の変形例を構成するＴＭＲ膜の構成図である。
【図２０】第４の実施の形態に係る第２例の磁気メモリ装置の断面図である。
【符号の説明】
【０１４８】
１０，９８    磁気ヘッド
１１    セラミック基板
１２，２５    アルミナ膜
１３    誘導型記録素子
１４    上部磁極
１５    記録ギャップ層
１６    下部磁極
２０    磁気抵抗効果素子
２１    下部電極
２２    上部電極
２３    絶縁膜
２４    磁区制御膜
３０，４０，５０，６０，６５    磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜
３１    下地層
３２    反強磁性層（下部反強磁性層）
３３    固定磁化積層体（下部固定磁化積層体）
３４    第１固定磁化層（下部第１固定磁化層）
３５    非磁性結合層（下部非磁性結合層）
３６    第２固定磁化層（下部第２固定磁化層）
３７    非磁性金属層（下部非磁性金属層）
３７ａ  非磁性絶縁層（下部非磁性絶縁層）
３８    自由磁化層
３９    保護層
４２    上部反強磁性層
４３，６２，６７    上部固定磁化積層体
４４    上部第１固定磁化層
４５    上部非磁性結合層
４６    上部第２固定磁化層
４７    上部非磁性金属層
４７ａ  上部非磁性絶縁層
５１    自由磁化積層体
５２    第１界面磁性層
５３    第２界面磁性層
６１，６６    下部固定磁化積層体
６３    第３界面磁性層
６４    第４界面磁性層
６８    第１強磁性接合層
６９    第２強磁性接合層
７０〜７４    トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜
９０    磁気記憶装置
１００，１２０    磁気メモリ装置
【図１】
2007088415.tif 000003
【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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