(57)【要約】【課題】改善された磁気抵抗デバイスを提供すること。【解決手段】磁気抵抗デバイスは、強磁性領域５、非強磁性領域６、絶縁領域７及び導電領域８を備えている。トンネル障壁を形成するように、絶縁領域は強磁性領域と導電領域の間に配置される。非強磁性領域は、絶縁領域と強磁性領域とを分離する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル障壁を形成するように強磁性領域と導電領域との間に配置された絶縁領域を有し、さらに前記絶縁領域と前記強磁性領域を分離する非強磁性領域を有する磁気抵抗デバイス。
【請求項２】
前記非強磁性領域は、前記強磁性領域が該非強磁性領域に磁気モーメントを生じさせるように構成されている請求項１に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３】
前記非強磁性領域が金属非強磁性材料を含む請求項１又は請求項２に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４】
前記非強磁性領域が、遷移金属又は遷移金属を含む合金を含む請求項３に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項５】
前記遷移金属又は合金が、白金を含む請求項４に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項６】
前記遷移金属又は合金が、パラジウムを含む請求項４又は請求項５に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項７】
前記遷移金属又は合金が、イリジウムを含む請求項４、請求項５又は請求項６に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項８】
前記非強磁性領域が反強磁性である請求項１に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項９】
前記非強磁性領域が単一の層を含む請求項８に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１０】
前記非強磁性領域が反強磁性材料を含む請求項８又は請求項９に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１１】
前記反強磁性材料が、希土類元素又は希土類元素を含む合金を含む請求項８、請求項９又は請求項１０に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１２】
前記反強磁性材料が反強磁性のジスプロシウムを含む請求項１１に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１３】
前記反強磁性材料が反強磁性のエルビウムを含む請求項１１又は請求項１２に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１４】
前記反強磁性材料が、ガドリニウム及びユーロピウム、好ましくはＧｄＥｕＳを含む請求項１１、請求項１２又は請求項１３に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１５】
前記反強磁性材料が、遷移金属又は遷移金属を含む合金を含む請求項８から請求項１４までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１６】
前記反強磁性材料が白金を含む請求項１５に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１７】
前記反強磁性材料がマンガンを含む請求項１５又は請求項１６に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１８】
前記反強磁性材料が反強磁性の酸化物を含む請求項８から請求項１７までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項１９】
前記反強磁性材料がα−酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）を含む請求項１８に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２０】
前記層が、１単層、２単層又は３単層の厚さを有する請求項９から請求項１９までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２１】
前記層が３単層を超える厚さを有する請求項９から請求項１９までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２２】
前記非強磁性領域が少なくとも２つの層を含む請求項８に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２３】
前記非強磁性領域が、第１の層及び第２の層を含む請求項２２に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２４】
前記第１の層が、第１の遷移金属又は前記第１の遷移金属を含む合金を含み、前記第２の層が、異なる第２の遷移金属又は前記第２の遷移金属を含む合金を含む請求項２３に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２５】
前記第１の層がクロムを含む請求項２４に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２６】
前記第１の層が強磁性材料を含み、前記強磁性材料が反強磁性的に振る舞うように構成されている請求項２３又は請求項２４に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２７】
前記第１の層が、マンガン、鉄及び／又はコバルトを含む請求項２６に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２８】
前記第２の層が、タングステン、パラジウム、白金及び／又はイリジウムを含む請求項２３から請求項２７までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項２９】
前記第１の層が、１単層、２単層又は３単層の厚さを有する請求項２３から請求項２８までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３０】
前記第２の層が、１単層、２単層又は３単層の厚さを有する請求項２３から請求項２９までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３１】
前記非強磁性領域がフェリ磁性である請求項１から請求項３０までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３２】
前記強磁性領域が金属強磁性材料を含む請求項１から請求項３１までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３３】
前記金属強磁性材料が、コバルト、ニッケル又は鉄、或いはコバルト、ニッケル及び／又は鉄を含む合金を含む請求項３２に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３４】
前記強磁性領域が、非強磁性領域によって分離された少なくとも２つの強磁性領域を含む請求項１から請求項３３までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３５】
前記非強磁性領域が金属非強磁性材料を含む請求項３４に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３６】
前記金属非強磁性材料が白金を含む請求項３５に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３７】
前記絶縁領域が酸化物を含む請求項１から請求項３６までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３８】
前記絶縁領域が酸化アルミニウムを含む請求項３７に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項３９】
前記絶縁領域が酸化マグネシウムを含む請求項３７に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４０】
前記絶縁領域が、前記導電領域と前記非強磁性領域とを分離する少なくとも約２ｎｍの厚さを有する請求項１から請求項３９までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４１】
前記絶縁領域の厚さが約１０ｎｍ以下である請求項４０に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４２】
前記導電領域が非強磁性材料を含む請求項１から請求項４１までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４３】
前記導電領域が、遷移金属又は遷移金属を含む合金を含む請求項４２に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４４】
前記導電領域が白金を含む請求項４３に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４５】
前記導電領域が強磁性材料を含む請求項１から請求項４１までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４６】
前記強磁性領域、前記非強磁性領域、前記絶縁領域及び前記導電領域を含む多層スタックとして構成されている請求項１から請求項４５までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４７】
基板から立ち上がる柱として構成されている請求項１から請求項４６までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４８】
前記柱が、約１０μｍ以下の幅又は約１μｍ以下の幅を有する請求項４７に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項４９】
前記柱が、１０ｎｍ又は１００ｎｍ程度の幅を有する請求項４７又は請求項４８に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項５０】
前記導電領域が、電荷キャリアをフィルタリングするための共鳴トンネル構造を含む請求項１から請求項４９までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイス。
【請求項５１】
請求項１から請求項５０までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイスを備える磁場センサ。
【請求項５２】
請求項１から請求項５０までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイスを備えるハード・ディスク・ドライブ用の読み取りヘッド。
【請求項５３】
請求項１から請求項５０までのいずれか１項に記載された磁気抵抗のデバイスを備えるスイッチング素子。
【請求項５４】
請求項１から請求項５０までのいずれか１項に記載された磁気抵抗デバイスの操作方法において、
前記磁気抵抗デバイスに磁場を印加する段階と、
磁気抵抗を決定するように、前記強磁性領域と前記導電領域との間にバイアスを加える段階と
を含む、磁気抵抗デバイスの操作方法。
【請求項５５】
強磁性領域を形成する段階と、
前記強磁性領域に隣接する非強磁性領域を形成する段階と、
前記非強磁性領域に隣接する絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁領域に隣接する導電領域を形成する段階と
を含む、磁気抵抗デバイスの製造方法。
【請求項５６】
柱を形成するように前記領域をエッチングする段階をさらに含む請求項５５に記載された磁気抵抗デバイスの製造方法。
【請求項５７】
層を被着させながら磁場を印加する段階を含む請求項５５又は請求項５６に記載された磁気抵抗デバイスの製造の方法。
【請求項５８】
層を被着させながら応力を加える段階を含む請求項５５、請求項５６又は請求項５７に記載された磁気抵抗デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサは、ハード・ドライブの読み取りヘッドにおいて古典的な磁気誘導コイルに取って代わり、スピントロニクスの時代を開いてきた。しかし、こうした強磁性抵抗体の磁化方向の変化に対する応答は、包括的に捉えるのが難しいスピン軌道（ＳＯ）相互作用効果によって生じるから、ＡＭＲセンサの用途は依然として限られている。
【０００３】
現在では、ＳＯ結合を伴わずに磁気抵抗応答をキャリア帯域の強磁性的な交換分裂に直接結びつけるきわめて的確な方法を可能にする、少なくとも２つの磁気的に分離された強磁性層を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が用いられている。通常、こうしたタイプのデバイスでは、強磁性層間の輸送について独立した異なる磁化スイッチング特性及びスピン・コヒーレンスを与えるために、構造が著しく複雑になるという犠牲を払って大きい磁気抵抗を得ている。
【０００４】
強磁性の半導体トンネル・デバイスにおけるＡＭＲ効果の研究によって、原理的には、磁場の方向及び電場に応じた磁気抵抗の大きさ及び符号によってＡＭＲの応答が大きくなり、ＴＭＲよりも高くすることが可能であることが示されている。Ｃ．Ｇｏｕｌｄ等の「Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：Ａ  Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ−Ｌｉｋｅ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｌａｙｅｒ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９３巻、１１７２０３頁（２００４））（特許文献１）、並びにＣ．Ｒｕｓｔｅｒ、Ｃ．Ｇｏｕｌｄ、Ｔ．Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈ、Ｊ．Ｓｉｎｏｖａ、Ｇ．Ｍ．Ｓｃｈｏｔｔ、Ｒ．Ｇｉｒａｕｄ、Ｋ．Ｂｒｕｎｎｅｒ、Ｇ．Ｓｃｈｍｉｄｔ及びＬ．Ｗ．Ｍｏｌｅｎｋａｍｐの「Ｖｅｒｙ  Ｌａｒｇｅ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  （Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ  Ｓｔａｃｋ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９４巻、０２７２０３頁（２００５））（特許文献２）を参照されたい。
【０００５】
最近では、エピタキシャルなＦｅ／ＧａＡｓ／Ａｕスタックについて、強磁性金属電極とのトンネル接合におけるトンネル異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）の実験に基づく実証が報告されており、Ｊ．Ｍｏｓｅｒ、Ａ．Ｍａｔｏｓ−Ａｂｉａｇｕｅ、Ｄ．Ｓｃｈｕｈ、Ｗ．Ｗｅｇｓｃｈｅｉｄｅｒ、Ｊ．Ｆａｂｉａｎ及びＤ．Ｗｅｉｓｓの「Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ａｎｄ  Ｓｐｉｎ−Ｏｒｂｉｔ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｉｎ  Ｆｅ／ＧａＡｓ／Ａｕ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９９巻、０５６６０１頁（２００７））（特許文献３）を参照されたい。この構造で観察されるＴＡＭＲは比較的小さく、０．５％未満であり、Ｆｅにおける弱いＳＯ結合と合致している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】Ｃ．Ｇｏｕｌｄ等の「Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：Ａ  Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ−Ｌｉｋｅ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｌａｙｅｒ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９３巻、１１７２０３頁（２００４））
【特許文献２】Ｃ．Ｒｕｓｔｅｒ、Ｃ．Ｇｏｕｌｄ、Ｔ．Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈ、Ｊ．Ｓｉｎｏｖａ、Ｇ．Ｍ．Ｓｃｈｏｔｔ、Ｒ．Ｇｉｒａｕｄ、Ｋ．Ｂｒｕｎｎｅｒ、Ｇ．Ｓｃｈｍｉｄｔ及びＬ．Ｗ．Ｍｏｌｅｎｋａｍｐの「Ｖｅｒｙ  Ｌａｒｇｅ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  （Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓ  Ｓｔａｃｋ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９４巻、０２７２０３頁（２００５））
【特許文献３】Ｊ．Ｍｏｓｅｒ、Ａ．Ｍａｔｏｓ−Ａｂｉａｇｕｅ、Ｄ．Ｓｃｈｕｈ、Ｗ．Ｗｅｇｓｃｈｅｉｄｅｒ、Ｊ．Ｆａｂｉａｎ及びＤ．Ｗｅｉｓｓの「Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ａｎｄ  Ｓｐｉｎ−Ｏｒｂｉｔ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｉｎ  Ｆｅ／ＧａＡｓ／Ａｕ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９９巻、０５６６０１頁（２００７））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、改善された磁気抵抗デバイスを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点によれば、トンネル障壁を形成するように強磁性領域と導電領域との間に配置された絶縁領域を備え、さらに絶縁領域と強磁性領域とを分離する非強磁性領域を備える磁気抵抗デバイスが提供される。
【０００９】
非強磁性領域を用いて絶縁領域と強磁性領域とを分離すると、非強磁性領域のない同様のデバイスに比べてトンネル異方性磁気抵抗を高めることを助けることができる。
【００１０】
非強磁性領域は、強磁性領域が非強磁性領域内に磁気モーメントを生じさせるように構成することができる。
【００１１】
非強磁性領域は金属非強磁性材料を含むことができる。非強磁性領域は、白金、パラジウム及び／又はイリジウムなどの遷移金属、或いは遷移金属を含む合金を含むことができる。
【００１２】
非強磁性領域は反強磁性とすることができる。
【００１３】
非強磁性領域は単一の層を備えることができ、また（絶縁層と強磁性体を分離する）１単層、２単層又は３単層の厚さを有することができる。
【００１４】
非強磁性領域は反強磁性材料を含むことができる。
【００１５】
反強磁性材料は、希土類元素又は希土類元素を含む合金を含むことができる。反強磁性材料は、反強磁性のジスプロシウム、反強磁性のエルビウムを含むこと、或いはガドリニウム（Ｇｄ）及びユーロピウム（Ｅｕ）を、好ましくはＧｄＥｕＳの形で含むことができる。
【００１６】
反強磁性材料は、遷移金属又は遷移金属を含む合金を含むことができる。反強磁性材料は、白金及び／又はマンガンを含むことができる。
【００１７】
反強磁性材料は、α−酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ２Ｏ３）などの反強磁性の酸化物を含むことができる。
【００１８】
非強磁性領域は、少なくとも２つの層を含むことができ、第１の層及び第２の層を備えることができる。第１の層は、１単層、２単層又は３単層の厚さを有することができる。第２の層は、１単層、２単層又は３単層の厚さを有することができる。
【００１９】
第１の層は、第１の遷移金属又は第１の遷移金属を含む合金を含むことができ、第２の層は、異なる第２の遷移金属又は第２の遷移金属を含む合金を含むことができる。第１の層は、クロムを含むことができる。第１の層は強磁性材料を含むことが可能であり、材料が反強磁性的に振る舞うように構成することができる。第１の層は、マンガン、鉄及び／又はコバルトを含むことができる。第２の層は、タングステン、パラジウム、白金及び／又はイリジウムを含むことができる。
【００２０】
非強磁性領域はフェリ磁性とすることができる。
【００２１】
強磁性領域は、コバルト、ニッケル、又は鉄、或いはコバルト、ニッケル及び／又は鉄を含む合金などの金属強磁性材料を含むことができる。強磁性領域は、非強磁性領域によって分離された少なくとも２つの強磁性領域を含むことができる。非強磁性領域は、白金などの金属非強磁性材料を含むことができる。
【００２２】
絶縁領域は、酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムなどの酸化物を含むことができる。絶縁領域は、導電領域と非強磁性領域とを分離する少なくとも約２ｎｍの厚さを有することができる。絶縁領域の厚さは、約１０ｎｍ以下とすることができる。
【００２３】
導電領域は非強磁性材料を含むことができる。導電領域は、白金などの遷移金属又は遷移金属を含む合金を含むことができる。
【００２４】
導電領域は強磁性材料を含むことができる。
【００２５】
デバイスは、強磁性領域、非強磁性領域、絶縁領域及び導電領域を含む多層スタックとして構成することができる。デバイスは、基板から立ち上がる柱として構成することができる。柱は、約１０μｍ以下、約１μｍ以下、又は約１００ｎｍ以下の幅を有することができる。柱は、１０又は１００ｎｍ程度の直径を有することができる。
【００２６】
導電領域は、電荷キャリアをフィルタリングするための共鳴トンネル構造を含むことができる。
【００２７】
本発明の第２の観点によれば、磁気抵抗デバイスを含む磁場センサが提供される。
【００２８】
本発明の第３の観点によれば、磁気抵抗デバイスを含むハード・ディスク・ドライブ用の読み取りヘッドが提供される。
【００２９】
本発明の第４の観点によれば、磁気抵抗デバイスを含むスイッチング素子が提供される。
【００３０】
本発明の第５の観点によれば、磁気抵抗デバイスに磁場を印加する段階と、磁気抵抗を決定するように、強磁性領域と導電領域との間にバイアスを加える段階とを含む、磁気抵抗デバイスの操作方法が提供される。
【００３１】
本発明の第６の観点によれば、強磁性領域を形成する段階と、強磁性領域に隣接する非強磁性領域を形成する段階と、非強磁性領域に隣接する絶縁層を形成する段階と、絶縁領域に隣接する導電領域を形成する段階とを含む、磁気抵抗デバイスの製造方法が提供される。
【００３２】
その方法はさらに、柱を形成するように各層をエッチングする段階を含むことができる。
【００３３】
その方法は、例えば強磁性領域、非強磁性領域、絶縁層及び導電領域を形成する層などの各層を被着させながら、例えば磁場を印加することによって応力を加える段階を含むことができる。
【００３４】
次に例示のために、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による磁気抵抗デバイスの実施例の斜視図。
【図２】図１に示した磁気抵抗デバイスの断面図。
【図３（ａ）】図１に示した磁気抵抗デバイスの製造中の各工程を示す図。
【図３（ｂ）】図１に示した磁気抵抗デバイスの製造中の各工程を示す図。
【図３（ｃ）】図１に示した磁気抵抗デバイスの製造中の各工程を示す図。
【図３（ｄ）】図１に示した磁気抵抗デバイスの製造中の各工程を示す図。
【図３（ｅ）】図１に示した磁気抵抗デバイスの製造中の各工程を示す図。
【図３（ｆ）】図１に示した磁気抵抗デバイスの製造中の各工程を示す図。
【図３（ｇ）】図１に示した磁気抵抗デバイスの製造中の各工程を示す図。
【図４】実験による測定のためのデバイスの取り付けを示す図。
【図５】４つの端子によるデバイスの測定を示す図。
【図６】（ａ）は、本発明によるデバイス（「デバイスＡ」）の概略的な層構造を示す図。（ｂ）は、比較実施例（「デバイスＢ」）の概略的な層構造を示す図。（ｃ）は、（ａ）に示したデバイスＡでのＴＡＭＲのトレースを示す図。（ｄ）は、（ｂ）に示したデバイスＢでのＴＡＭＲのトレースを示す図。（ｅ）は、（ａ）に示したデバイスＡでの面外の磁場に対するＳＱＵＩＤ磁気測定を示す図。（ｆ）は、（ｂ）に示したデバイスＢでの面外の磁場に対するＳＱＵＩＤ磁気測定を示す図。（ｇ）は、デバイスに対する磁場の方向を示す図。
【図７】（ａ）は、図６（ａ）に示したデバイスＡについて、異なる３つのバイアス電圧におけるθ＝０°及び９０°での磁場掃引による磁気抵抗測定を示す図。（ｂ）は、図６（ａ）に示したデバイスＡについて、異なる３つのバイアス電圧における対応するＴＡＭＲ曲線のプロット。（ｃ）は、図６（ａ）に示したデバイスＡに対する、−５ｍＶのバイアス及び１０Ｔの磁場でのＴＡＭＲの温度依存性を示す図。
【図８】（ａ）は、１０ｍＶのバイアス及び４ＫにおけるデバイスＢの抵抗、及び（Ｒ（９０°）−Ｒ（０°））／Ｒ（０°）として定められるＴＡＭＲ（挿入図）を示す図。（ｂ）は、１０Ｔの磁場におけるデバイスＢのＴＡＭＲの温度及びバイアスへの依存性を示す図。
【図９】（ａ）は、２単層のＰｔ薄膜の間にはさまれた５単層のＣｏ（「Ｃｏ／Ｐｔモデル系」）、及び薄いＣｏ層のみ（「Ｃｏモデル系」）に対する、θ＝０°及び９０°での理論上の状態密度を示す図。（ｂ）は、Ｐｔ／Ｃｏモデル系及びＣｏモデル系について、（ＤＯＳ（９０°）−ＤＯＳ（０°））／ＤＯＳ（０°）として定められる相対的な状態密度の異方性をフェルミ・エネルギーから評価されるエネルギーの関数として示す図。（ｃ）は、磁化方向θ＝０°及び９０°での、Ｐｔ／Ｃｏモデル系に対応する構造を有するデバイスに対する実験に基づく微分コンダクタンスを示す図。（ｄ）は、相対的な微分コンダクタンスの異方性をバイアスの関数として示す図。
【図１０】（ａ）は、緩やかではないＰｔ／Ｃｏモデル系に対する、θ＝０°及び９０°での理論上の状態密度を示す図。（ｂ）は、デバイスＡ及びＢについて、（Ｒ（θ＝９０°、φ）−Ｒ（θ＝０°））／Ｒ（θ＝０°）として定められる実験に基づくＴＡＭＲを示す図。（ｃ）は、抵抗について不連続なステップを示す、２つの独立したバイアス掃引における抵抗測定を示す図。（ｄ）は、２つの測定について振動バイアスへの依存性の相対的なずれを示す、対応する微分コンダクタンスを示す図。
【図１１】本発明による磁気抵抗デバイスの他の実施例の斜視図。
【図１２】本発明による磁気抵抗デバイスの他の実施例の斜視図。
【図１２ａ】図１２に示したデバイスに用いられる多層を示す図。
【図１３】本発明による磁気抵抗デバイスを含むハード・ディスク・ドライブの概略図。
【図１３ａ】図１３に示した磁気抵抗デバイスを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１及び図２を参照すると、本発明による磁気抵抗デバイス１の実施例が示されている。
【００３７】
特に図１を参照すると、デバイス１は基板３の上に形成された柱２を備える垂直なトンネル・デバイスの形をとる。デバイス１は、第１のコンタクト領域４（この実施例では底部コンタクト領域)、強磁性体５、トンネル障壁を形成する絶縁領域７から強磁性体５を分離する非強磁性領域６、及び第２のコンタクト領域８（この実施例では頂部コンタクト領域）を含む。強磁性体５と第２のコンタクト領域８との間のキャリア輸送は、順次に非強磁性領域６、絶縁領域７を通して行われ、逆も同様である。
【００３８】
図１に示すように、デバイス１は多層スタックから形成され、第１のコンタクト領域４の上に強磁性体５が位置し、強磁性体５の上に非強磁性領域６が位置し、非強磁性領域６の上に絶縁領域７が位置し、絶縁領域７の上に第２のコンタクト領域８が位置するように構成される。ただし、層構造を反転させることもできる。反転させた構造によって、半導体基板の上に二重（又は多重）障壁のヘテロ構造を成長させ、ヘテロ構造の上に非強磁性領域を形成し、非強磁性領域の上に強磁性体を形成することが可能になる。したがって、例えばＰ．Ｂｒｕｎｏ等によってＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、８４巻、９７８頁（１９９８）に記載されるように、ヘテロ構造は、エネルギー・フィルタとして使用可能な共鳴トンネル構造を形成することができる。
【００３９】
柱２は、約１０μｍの直径ｄを有する。柱２は、例えば約１μｍ又は１μｍ未満など、１０μｍ未満の直径を有することができる。柱２は、１０又は１００ｎｍ、通常は約１００ｎｍ程度である、ハード・ディスクのトラック幅に対応する直径を有することができる。
【００４０】
底部コンタクト領域４の下側部分９の横方向の大きさは、柱２の幅よりも大きく、それに対する電気接続（図示せず）を作製することの可能なパッドを形成する。分かりやすくするために、下にある基板３が見えるように、底部コンタクト領域４の下側領域９の一部を省いて示してある。
【００４１】
底部コンタクト領域４は、デバイス１を同じ基板３上の他のデバイス（図示せず）から電気的に絶縁するために、トラック及び／又はパッド（図示せず）を形成し、基板３の各部分を露出させるようにパターン形成することができる。いくつかの実施例では、導電性基板を用いることが可能であり、基板の背面に対する電気接続（図示せず）を作製することができる。
【００４２】
この実施例では、基板３は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む。しかし、他の電気絶縁材料を用いることもできる。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。酸化アルミニウムは、（０００１）結晶配向を有する結晶にすることが可能であり、これを用いてその上に、整列した又は部分的に整列した（１１１）配向の白金などの結晶層を成長させることができる。
【００４３】
特に図２を参照すると、底部コンタクト領域４は、５ｎｍの厚さを有するタンタル（Ｔａ）の層１０、及び１０ｎｍの厚さを有する白金（Ｐｔ）のオーバーレイ層１１を備えている。滑らかな表面を与えるために、タンタルの代わりの他の材料を用いてもよい。タンタル層を省いてもよい。白金の代わりに、金（Ａｕ）又はパラジウム（Ｐｄ）を用いることもできる。さらに底部コンタクト層１０、１１は、より厚くすることもより薄くすることもできる。
【００４４】
強磁性体５は、コバルト（Ｃｏ）及び白金（Ｐｔ）の薄膜層１２、１３を交互に備えている。コバルト層１２はスタック１２、１３の頂部にあり、またコバルト層１２はスタック１２、１３の底部にある。コバルト層１２は約１ｎｍの厚さを有し、（１つ又は複数の）白金層１３は約１ｎｍの厚さを有する。層１２、１３は、例えば約１〜約５ｎｍよりも厚くすることも可能であり、すべてが同じ厚さを有する必要はない。コバルトの代わりに、ニッケル（Ｎｉ）又は鉄（Ｆｅ）、並びにコバルト及び／又はニッケル及び／又は鉄の合金などの他の強磁性材料を用いることができ、また白金の代わりに、金（Ａｕ）又はパラジウム（Ｐｄ）、或いは非磁性合金などの他の中間層を用いることができる。さらに、多層の強磁性体を用いる必要はない。例えばコバルト又はニッケル又は鉄などの強磁性の金属、或いは合金から形成され、例えば約２ｎｍの厚さを有する強磁性体を用いることができる。
【００４５】
この実施例では、非強磁性領域６は白金（Ｐｔ）を含み、約０．５ｎｍの２単層の厚さを有する。非強磁性であり、また反強磁性でもフェリ磁性でもない材料（以下では、そうした材料を「非磁性」材料と呼ぶ）の場合、隣接する強磁性体５と結合可能な固有磁気モーメントは存在しない。その代わり、強磁性体５は、非磁性材料の薄層内に磁気モーメントを生じさせることができる。この場合、領域のトンネル障壁との境界面に最も近い部分に磁気モーメントを生じさせることを助けるように、できるだけ薄い非磁性材料の層を用いることが好ましい。したがって、非強磁性層６は、１単層、２単層又は３単層の厚さを有することができる。しかしいくつかの実施例では、非強磁性領域６はより厚く、４単層又は５単層、或いは６〜１０単層の厚さを有することができる。
【００４６】
強磁性体によって材料の薄層を分極させることができる（すなわち、材料内に磁気モーメントを生じさせることができる）ように、他の材料を用いることが可能であり、分極させると、材料は、磁化が結晶の方向及び／又は電流の方向と整列しているかどうかによって決まる状態密度においてある異方性を示し、異方性は、（磁化の方向の変化によって生じる）状態密度のピークのずれがｋｂＴ（Ｔはケルビンでの作動温度、例えば室温）程度又はそれを上回るような十分な大きさになる。分極したキャリア（この場合は電子）のスピン軌道結合によって生じる、非強磁性材料層の境界面における局所状態密度での異方性は、強磁性体のみを用いた場合の局所状態密度での異方性よりもずっと大きくなる。白金の代わりに他の材料、例えばパラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はタングステン（Ｗ）などの他の遷移金属を用いることができる。
【００４７】
非強磁性領域及び強磁性体の磁気異方性エネルギーは、強磁性体によって支配される。しかし磁気異方性エネルギーは小さく、例えば数ｍＴであり、したがって、弱い外部磁場によって層内の磁気モーメントを磁化困難軸と整列させることができる。磁気異方性エネルギーの値が低くなるほど、感度が高くなる。磁場に対する感度が高まることは、ハード・ドライブの読み取りヘッドにとって有用である。
【００４８】
後で説明するように、非強磁性領域６は非磁性である必要はなく、高い値のＴＡＭＲを得ることが可能な反強磁性とすることができる。反強磁性、非強磁性の領域６は、例えばマンガン（Ｍｎ）とイリジウム（Ｉｒ）、又はマンガンと白金（Ｐｔ）の合金を含む単一の層として形成することができる。或いは反強磁性、非強磁性の領域６を、白金（Ｐｔ）上のマンガン（Ｍｎ）などの複層として形成することもできる。反強磁性、非強磁性の領域６は、（反強磁性の形の）ジスプロシウムなどの希土類元素、又はガドリニウム（Ｇｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）及び硫黄（Ｓ）の合金を含むことができる。
【００４９】
いくつかの実施例では、非強磁性領域６をフェリ磁性とすることが可能であり、ガリウムをドープしたイットリウム−鉄−ガーネット（ＹＩＧ）を含むことができる。
【００５０】
非強磁性領域６が反強磁性又はフェリ磁性である場合、非強磁性領域６の局所モーメントは、隣接する強磁性体５に交換結合される。
【００５１】
絶縁領域７は酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を含み、約２ｎｍの厚さを有する。他の絶縁材料を用いてもよく、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）などの酸化物、窒化物又は酸窒化物とすることができる。絶縁層７は、使用される材料及び必要なトンネル電流に応じて、より厚くすることも、より薄くすることもできる。
【００５２】
頂部コンタクト８は、約５ｎｍの厚さを有する白金の層を備えている。他の導電材料を用いることもできる。例えば、金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）などの非強磁性材料を用いることができる。或いは、強磁性材料を用いることもできる。強磁性材料は、例えばハード・ディスク・ドライブの読み取りヘッドに用いるときなど、コンタクトが磁気シールドとしても働く場合に使用することができる。さらに頂部コンタクト層は、より厚くすることもより薄くすることもできる。コンタクト８は、トンネル障壁に対する電極として働く。
【００５３】
強磁性体５及び絶縁層７に隣接する非強磁性領域６は、トンネル障壁に対するもう１つの電極として働く。
【００５４】
後でより詳しく説明するように、強磁性体及び隣接する遷移金属の薄層を含む多層構造を用いると、生じたモーメントと強いスピン軌道結合とを組み合わせた効果によって、境界面に大きい調整可能な磁気異方性を生じさせることができる。トンネル障壁に隣接するこうした境界面を配置することによって、高いＴＡＭＲを示す構造を形成することができる。
【００５５】
やはり後でより詳しく説明するように、強磁性体、及び交換結合された薄い反強磁性又はフェリ磁性の領域を含む多層構造を用いても、高い値のＴＡＭＲを得ることができる。
【００５６】
次に図３を参照して、図１に示した磁気抵抗デバイス１の製造方法について説明する。
【００５７】
図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照すると、熱酸化されたＳｉウェハ３’の上に、タンタル、白金、コバルト、白金、コバルト及び白金の連続する層１０’、１１’、１２’、１３’、６’をマグネトロン・スパッタリングによって成長させている。
【００５８】
マグネトロン・スパッタリングは、約１〜５×１０−７トル（ｔｏｒｒ）のベース圧力を有するチャンバ（図示せず）の中で、約２〜５×１０−３トルのアルゴン雰囲気中で行われる。薄膜１０’、１１’、１２’、１３’、６’は、約１〜５Å／秒の速度で成長させる。
【００５９】
約５０Åの厚さを有するＴａの層１０’、次いで１００Åの厚さを有するＰｔの層１１’を成長させ、強い面外結晶磁気異方性によって、面方位がＰｔ（１１１）／Ｃｏの強磁性薄膜１２'、１３’の成長を開始させるためのシード層を与える。
【００６０】
任意選択で、薄膜の成長中、例えばすべての薄膜をウェハ３’の劈開方向の１つに沿って成長させる間に、０．１Ｔ程度の一定の面内磁場１４を印加することによって、さらに面内磁気異方性を生じさせることができる。磁場を印加すると薄膜内に応力を生じさせることを助け、したがって応力場に沿って格子定数を変えることが可能になる。成長中に応力を生じさせるために、圧電式のストレッサなど他の手段を用いることができる。
【００６１】
図３（ｄ）を参照すると、約１．５ｎｍの厚さを有するアルミニウムの層１５をスパッタリングすることによって、トンネル障壁が作製される。アルミニウム層１５は、供給ガスとして酸素とアルゴンの混合物を用いたプラズマ酸化によって酸化される。
【００６２】
図３（ｅ）を参照すると、プラズマ酸化によって酸化アルミニウムの層７’が形成される。
【００６３】
図３（ｆ）を参照すると、白金の層８’をスパッタリングすることによって層の成長が完了して、サンプル１５が形成される。
【００６４】
サンプル１５は成長チャンバ（図示せず）から取り出され、処理される。
【００６５】
サンプル１５の（上側の）表面１６にフォトレジストの層（図示せず）が付加され、通常のフォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成される。電子ビーム・リソグラフィなど、他のリソグラフィ技術を用いることもできる。
【００６６】
図３（ｇ）を参照すると、サンプル１５の表面１６にはレジスト・マスク１７が残され、イオン・エッチング１８を用いてサンプル１５の各部分１９が除去される。エッチングが強磁性薄膜１２'、１３’に浸透した後、エッチングを停止する。これは、エッチング速度が定められるようにエッチングを特徴付けることによって、及び／又はエッチング中にエッチングの生成物をサンプリングすることによって実施可能である。
【００６７】
図１及び図２に示すように、イオン・エッチングによって、柱２、並びに強磁性体５、薄い非強磁性層６、絶縁層７及び頂部コンタクト領域８の横方向の大きさが規定される。
【００６８】
他のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を用いて、底部コンタクト領域４の他の領域を除去し、例えばトラックを形成すること、及び／又はデバイス３を他のデバイスから電気的に絶縁することが可能である。
【００６９】
次に、デバイスの測定及び（非限定的な）デバイスの挙動の説明を記載する。
【００７０】
デバイス１及び同様のタイプのデバイス（図示せず）、すなわち０．５ｎｍ（すなわち２単層）のＰｔ薄膜６で終わるＡｌＯｘ障壁７の下に、Ｐｔ層及びＣｏ層１２、１３の交互の並びを有するデバイスの測定及び挙動を、異なるタイプのデバイス２０（図４）、すなわちサンプルＡと同様であるがＰｔ薄膜が省かれたデバイスと比較する。ここでは、２つのタイプのデバイス１、２０をそれぞれ、「タイプＡのサンプル」（又は「サンプルＡ」又は「デバイスＡ」）、及び「タイプＢのサンプル」（又は「サンプルＢ」又は「デバイスＢ」）と呼ぶ。
【００７１】
デバイスは１０〜１００μｍの柱の直径を有し、また対応する約１０〜１００ｋΩ程度の抵抗を有している。
【００７２】
図４を参照すると、様々な面内角度及び面外角度で最大１０Ｔまでの磁場２２を印加できるように、デバイス１、２０が、回転するサンプル・ホルダ２１に取り付けられている。
【００７３】
図５を参照すると、電圧源２３、電圧計２４及び電流計２５を使用する４点の輸送測定を用いて、デバイス１、２０それぞれのトンネル異方性磁気抵抗(ＴＡＭＲ)の値を決定するようになっている。
【００７４】
図６（ａ）及び６（ｂ）は、デバイス１（すなわち「デバイスＡ」）及びデバイス２０（すなわち「デバイスＢ」）の概略的な層構造を示している。図６（ｃ）及び６（ｄ）は、それぞれデバイスＡおよびデバイスＢに対する、−５ｍＶのバイアス及び４Ｋにおける（Ｒ（θ）−Ｒ（０°））／Ｒ（０°）として定められるＴＡＭＲのトレースである。図６（ｅ）及び６（ｆ）は、面外の磁場に対するＳＱＵＩＤ磁気測定である。図６（ｇ）は、サンプル１、２０に対する磁場の方向を示している。
【００７５】
図６（ｃ）及び６（ｄ）は、サンプルＡ及びＢ（図６（ａ）及び６（ｂ））について測定された、特徴的な磁化及び磁気輸送の異方性のデータの違いを示している。図６（ｅ）及び６（ｆ）に示した垂直な磁場での幅広い正方形のヒステリシス・ループは、どちらのデバイスにも面外の磁化容易軸に伴う強い磁気異方性が存在することを裏付けている。しかし、２つのタイプのデバイス（図６（ａ）及び６（ｂ））において異方性の磁気輸送は異なっている。
【００７６】
図６（ｃ）にプロットされたＴＡＭＲのトレースは、（Ｒ（θ）−Ｒ（０°））／Ｒ（０°）として定められ、垂直位置（θ＝０°）から面内（θ＝９０°）方向まで回転する１０Ｔの磁場で得られたものである。両方のサンプルについてＴＡＭＲは一軸の対称性を示すが、サンプルＡ（図６（ａ））では効果の大きさが１００倍の大きさに高められている。
【００７７】
サンプルＡ（図６（ａ））における大きいＴＡＭＲ信号は、Ｃｏとトンネル障壁との間に挿入された２単層のＰｔ薄膜内に生じたモーメント及び強いＳＯ結合によるものである。サンプルＢ（図６（ｂ））では、障壁に最も近いＰｔ／Ｃｏ境界面が１ｎｍ（５単層）のＣｏ薄膜に覆われており、したがって、このトンネル・デバイスは実質的にＣｏ／障壁／通常の金属のスタックとして振る舞うため、磁気輸送の異方性が同程度に弱くなる。
【００７８】
サンプルＡ及びＢ（図６（ａ）及び６（ｂ））の異なる現象論を、図７及び図８にも示す。
【００７９】
図７（ａ）は、サンプルＡ（図６（ａ））について、異なる３つのバイアス電圧におけるθ＝０°及び９０°での磁場掃引による磁気抵抗測定を示している。図７（ｂ）は、異なる３つのバイアス電圧における対応するＴＡＭＲ曲線のプロットである。図７（ｃ）は、−５ｍＶのバイアス及び１０Ｔの磁場でのＴＡＭＲの温度依存性を示している。
【００８０】
１０ｍＶでのバイアス測定２７には、面内の磁場掃引における面外の磁化容易軸方向からの磁化回転によるＴＡＭＲの初期発現２６がはっきりと見られ、その後、磁場が高まるにつれて磁場の強さに対するＴＡＭＲの依存性は大きくなるが、測定された最大の磁場である１０Ｔまで飽和の徴候はない。面内の磁場掃引でも面外の磁場掃引でもかなりの磁気抵抗が観察され、また異なるバイアス電圧では磁気抵抗の符号が正から負に変化するため、薄いトンネル障壁デバイスにおけるＴＡＭＲの原因として、ローレンツ力を排除することができる。強い磁場及びバイアスへの依存性とは別に、図７（ｃ）に示すように、温度に伴ってＴＡＭＲの大きさが大きく変化することが観察される。こうした観察結果は、タイプＡのサンプル（図６（ａ））に特有である。タイプＢのサンプル（図６（ｂ））では図８に示すように、そのＴＡＭＲは、磁場の強さ、バイアス及び温度に対して弱い依存性を示すだけである。
【００８１】
２つのタイプのＣｏ／Ｐｔトンネル・デバイスの挙動は、強磁性電極での磁気モーメントの方向に対する状態密度（ＤＯＳ）の異方性を計算することによってモデル化することができる。そのモデルは、ＤＯＳと微分トンネル・コンダクタンスの異方性との比例関係を想定している。
【００８２】
スピン軌道結合した（「ＳＯ結合した」）バンド構造は、ＳＯの相互作用が自己無撞着な第２変分の処理手順に包含される、フルポテンシャル化された線形補強平面波法（ＦＬ−ＬＡＰＷ）の相対論的バージョンを用いて局所スピン密度近似の範囲内で得られる。Ａ．Ｂ．Ｓｈｉｃｋ、Ｆ．Ｍａｃａ、Ｊ．Ｍａｓｅｋ及びＴ．Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈの「Ｐｒｏｓｐｅｃｔ  ｆｏｒ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ：Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  ｓｔａｔｅｓ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｅｓ  ｉｎ  ＣｏＰｔ  ｓｙｓｔｅｍｓ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、７３巻、０２４４１８頁（２００６））、並びにＡ．Ｂ．Ｓｈｉｃｋ、Ｄ．Ｌ．Ｎｏｖｉｋｏｖ及びＡ．Ｊ．Ｆｒｅｅｍａｎの「Ｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃ  ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｏｅｌａｓｔｉｃ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ｓｔｒａｉｎ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｃｏ／Ｃｕ（００１）」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、５６巻、Ｒ１４２５９頁（１９９７））を参照されたい。
【００８３】
ＤＯＳの異方性を評価するために磁力の原理を用いるが、Ａ．Ｉ．Ｌｉｅｃｈｔｅｎｓｔｅｉｎ、Ｍ．Ｉ．Ｋａｔｓｎｅｌｓｏｎ、Ｖ．Ｐ．Ａｎｔｒｏｐｏｖ及びＶ．Ａ．Ｇｕｂａｎｏｖの「Ｌｏｃａｌ  ｓｐｉｎ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｅｔａｌｓ  ａｎｄ  ａｌｌｏｙｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、６７巻、６５頁（１９８７））を参照されたい。主軸の１つに沿って整列した磁気モーメントについて計算された自己無撞着な電荷及びスピンの密度から始め、モーメントを回転させて、新しい磁化方向について１回のエネルギー・バンド計算を行う。ＤＯＳの異方性は、スピン軌道結合（「ＳＯ結合」）によって引き起こされるバンド固有値の変化によって生じる。ＤＯＳの評価精度を高めるには、Ｗ．Ｅ．Ｐｉｃｋｅｔｔ、Ｈ．Ｋｒａｋａｕｅｒ及びＰ．Ｂ．Ａｌｌｅｎの「Ｓｍｏｏｔｈ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、３８巻、２７２１頁（１９８８））に記載される滑らかなフーリエ内挿法を、線形の四面体法と共に用いる。
【００８４】
サンプルＡ（図６（ａ））をモデル化するには、２単層のＰｔ薄膜の間に挟まれたＣｏの５単層について薄い平板の計算（ｔｈｉｎ−ｓｌａｂ  ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ）を行う。サンプルＢ（図６（ｂ））は、薄いＣｏ薄層のみを考慮してモデル化を行う。
【００８５】
図９（ａ）を参照すると、面内及び面外の磁化方向について計算されたＤＯＳが、フェルミ準位から評価されるエネルギーの関数として示されている。Ｃｏ／Ｐｔモデル系の場合、２つの磁化方向の曲線を比べると、１０ｍｅＶだけずれた主要な特徴を有するフェルミ・エネルギーの近くに、ＤＯＳの複雑な構造が見られる。これに対してＣｏ薄膜は、そのフェルミ準位の近くに磁化方向に対する依存性がきわめて弱い、ほとんど特徴のないＤＯＳを有する。最大で約２０％の大きさを有するＣｏ／Ｐｔ平板の場合、面内磁化でのＤＯＳと面外磁化でのＤＯＳと間の相対的な差分（我々は、それをトンネル・コンダクタンスの異方性に関連付けている）は、エネルギーの関数として振動する挙動を示す。Ｃｏ薄膜の場合、異方性の大きさ及びエネルギーへの依存性はかなり弱くなる。こうした理論的な結果は、前述のサンプルＡ及びＢ（図６（ａ）及び６（ｂ））における測定と定性的に合致している。
【００８６】
図９（ｃ）及び図９（ｄ）を参照すると、理論と実験とのより直接的な比較を容易にするために、サンプルＡについて、測定された微分コンダクタンス及び対応するコンダクタンスの異方性をバイアス電圧の関数として示している。２つの磁化方向に対する微分コンダクタンスの相対的なずれも、バイアスの変化に伴ってコンダクタンスの異方性が振動する挙動も、定性的には理論曲線に見られるＣｏ／Ｐｔ系の異方性のあるＤＯＳの挙動を反映していると思われる。
【００８７】
図９に示した計算では、スタック内のＣｏ−Ｃｏ及びＣｏ−Ｐｔの中間層の間隔は緩やかであると想定している。ＴＡＭＲに対する格子パラーメータの変化の影響を推定するために、バルク状態の稠密六方構造（ｈｃｐ）のＣｏに対応する薄膜内のＣｏ−Ｃｏの間隔を用いた追加計算（図１０ａ参照）を行う。定性的には、２つの磁化方向に対して複雑なＤＯＳパターンの同様のずれ、及び同等のＤＯＳの異方性の全体的な大きさが得られるが、エネルギー対する振動の依存性の詳細は、図９に示した計算と著しく異なっている。
【００８８】
格子の歪みがＴＡＭＲの応答を著しく変える可能性があるという理論上の予想は、タイプＡ及びＢ（図６（ａ）及び６（ｂ））のサンプルについてＴＡＭＲを面内角度の関数として調べた、図１０（ｂ）に示す補足実験に反映されていると思われる。これらのサンプルでは、成長中に面内磁場を印加することによって一軸の面内結晶磁気異方性が生成される。遷移金属構造では、これを用いて磁気異方性を制御することができるが、Ｃｏ／Ｐｔ系では、これはＣｏ／Ｐｔ境界面での異方性結合の効果によるものとされている。したがって、生じた面内磁気異方性は、Ｐｔ／Ｃｏ境界面がトンネル障壁と接触しているサンプルＡ（図６（ａ））の場合のみ、ＴＡＭＲの特性に反映されることが予測される。実際に図１０は、サンプルＢ（図６（ｂ））では、磁化を面外の方向からそれに対して回転させる面内角度φへのＴＡＭＲの依存性はごくわずかであることを示している。それに対してサンプルＡ（図６（ａ））では、φに対する依存性は生じた面内結晶磁気異方性と合致する一軸の特徴を有し、特にφに伴う変化の大きさは、図６に示したθ依存のＴＡＭＲの大きさと同等である。この結果は、格子構造の技術によって高感度のＴＡＭＲデバイスの特性を制御可能であることを示している。デバイスにおいて大きい面内のＴＡＭＲ信号が観察されることから、測定されたトンネル異方性の効果はＳＯ結合に起因していることが裏付けられる。
【００８９】
次に、サンプルＡ（図６（ａ））で観察されるＴＡＭＲの磁場及び温度の依存性、並びに最適化された感度、磁場及び熱安定性を有する他のＴＡＭＲ構造の実現を示唆する結果について、簡単且つ非限定的な議論を行う。隣接する強磁性層に交換結合された薄膜、又は強磁性の稀薄合金について、バルク系に比べて高められた、重元素の遷移金属の温度依存性のある磁化率が研究されている。Ｚ．Ｃｅｌｉｎｓｋｉ等のＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６５、１１５６（１９９０）、並びにＪ．Ｃｒａｎｇｌｅ及びＷ．Ｒ．ＳｃｏｔｔのＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６、９２１（１９６５）を参照されたい。Ｔ．Ｍｏｒｉｙａの「Ｓｐｉｎ  Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｉｔｉｎｅｒａｎｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、ベルリン、ハイデルベルグ、１９８５）に説明されているように、薄膜の厚さ又は稀薄合金内の強磁性元素の濃度によっては、重元素の遷移金属内に変動するモーメントが存在するために、系が超常磁性的な挙動を示す可能性がある。実験では、こうした系における磁化は、Ｂ／Ｔによるキュリー・ワイスのようなスケーリングを示し、高磁場及び低温で不飽和状態にとどまる可能性がある。同様の物理的現象が、Ｐｔ中で隣接するＣｏ層又は混合されたＣｏ原子に結合させた、我々の２単層のＰｔ薄膜にもあてはまると推測できる。したがって、図７に非明示的に示される、観察されたＢ／ＴによるＴＡＭＲの概略的なスケーリングは、ＴＡＭＲとトンネル障壁に隣接するＰｔ層の不飽和分極と比例関係に一部起因している可能性がある。
【００９０】
タイプＡのデバイス（図６（ａ））での温度によるＴＡＭＲの抑制に寄与すると考えられる他の効果は、おそらくはＡｌＯｘ障壁内、又は障壁とＰｔ薄膜との間の境界面でランダムに捕捉される電荷による伝送ノイズである。低温では、対応する微分コンダクタンスの振動バイアスへの依存性のずれと共に、図１０（ｃ）に示すように、結果として得られる別個の抵抗状態間のジャンプをはっきりと確認することができる。こうしたジャンプは温度が高まるとより頻繁になり、それがＴＡＭＲ信号の平均化をもたらす。
【００９１】
その挙動は、遷移金属構造の高感度のＴＡＭＲデバイスを実現できる可能性を示している。
【００９２】
通常の実験を使用し、他の遷移金属、薄膜の他の厚さ及び組成を用いて、トンネル障壁に隣接する層のＳＯ結合及び交換分裂を最適化することができる。障壁、及び障壁／電極の境界面の結晶の質を改善すると、ＴＡＭＲ効果の大きさ及び安定性を高めることができる。
【００９３】
前述の実施例では、非強磁性層６は白金（Ｐｔ）、又は強磁性層と相互作用する他の同様の遷移金属を含み、デバイスはＴＡＭＲ効果を示す。
【００９４】
しかし先に簡単に言及したように、いくつかの実施例では、非強磁性層を反強磁性層又は反強磁性多層にすることが可能であり、デバイスはやはりＴＡＭＲ効果を示す。
【００９５】
図１１及び図１２を参照すると、本発明による磁気抵抗デバイス１０１、２０１の他の実施例が示してある。デバイス１０１、２０１は、非強磁性層６（図１）が反強磁性層１０６又は反強磁性多層２０６であることを除き、前述のデバイス１（図１）と同じである。前述の同じ特徴を指すのに同じ参照番号を用いている。
【００９６】
図１１を参照すると、反強磁性層１０６はタングステンとマンガンの合金（ＷＭｎ）を含んでいる。鉄とマンガン（ＦｅＭｎ）、イリジウムとマンガン（ＩｒＭｎ）、及び白金とマンガン（ＰｔＭｎ）などの他の反強磁性合金を用い、１単層の厚さを有するようにすることができる。反強磁性層１０６は、２単層又は３単層の厚さを有している。しかしいくつかの実施例では、非強磁性層６はより厚く、４単層又は５単層、或いは６〜１０単層の厚さを有することができる。
【００９７】
図１２及び図１２ａを参照すると、反強磁性多層２０６は、マンガン（Ｍｎ）の層２０６ａ及び白金（Ｐｔ）の層２０６ｂを含む。マンガン層２０６ａは単層の厚さである。白金層２０６ｂは、１単層、２単層又は３単層を有することができる。しかしいくつかの実施例では、マンガン層２０６ａはより厚く、４単層又は５単層、或いは６〜１０単層の厚さを有することもできる。タングステン（Ｗ）上のクロム（Ｃｒ）又はマンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）上の鉄（Ｆｅ）又はコバルト（Ｃｏ）、或いはイリジウム（Ｉｒ）又は白金（Ｐｔ）上のコバルト（Ｃｏ）又は鉄（Ｆｅ）など、他の材料の組み合わせを用いることも可能であり、それぞれの上層、例えばＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏは単層の厚さである。白金層２０６ｂは、１単層、２単層又は３単層を有している。しかし、いくつかの実施例では、タングステン層２０６ｂはより厚く、４単層又は５単層、或いは６〜１０単層の厚さを有することができる。
【００９８】
反強磁性層１０６又は反強磁性多層２０６は薄く、例えば１単層又は数単層であり、その場合、下にある強磁性体５との交換結合エネルギーが、反強磁性層又は多層での異方性エネルギーを支配し、したがって、反強磁性層又は多層内のモーメントは、強磁性体５内のモーメントに結合される。
【００９９】
強磁性体５の異方性エネルギーによって、スイッチングに用いられ、わずか数ｍＴとすることのできる外部磁場の大きさが決まり、また反強磁性層又は多層における状態密度の異方性によってＴＡＭＲ効果の大きさが決まり、その大きさを、白金、イリジウム又はパラジウムなどの非反強磁性、非強磁性の層に対するＴＡＭＲ効果より大きくすることができる。
【０１００】
デバイス１０１、２０１は、非強磁性材料の（１つ又は複数の）異なる層を被着させることを除き、実質的にデバイス１（図１）と同じ方法で製造される。
【０１０１】
図１３を参照すると、回転可能なディスク３０１及びスライダ３０２を含む、ハード・ディスク・ドライブ３００が示されている。
【０１０２】
また図１３ａを参照すると、スライダ３０２は、垂直通電（ＣＰＰ）型の構造に配置された読み取りヘッド３０３を支持している。
【０１０３】
読み取りヘッド３０３は、第１のコンタクト３０４、強磁性体３０５、強磁性体３０５を絶縁領域３０７から分離してトンネル障壁を形成する非強磁性領域３０６、及び第２のコンタクト領域３０８を含んでいる。
【０１０４】
分かりやすいように、読み取りヘッドの上部及び下部のシールド、並びに他の部分は示していない。別法として、コンタクト３０４、３０８がシールドとして働くようにすることもできる。
【０１０５】
例えば強磁性体３０５にはＣｏ／Ｐｔ／Ｃｏ、非強磁性領域３０６にはＰｔ又はＭｎ−Ｐｔ又はＭｎ−Ｗ、絶縁層３０７にはＡｌＯｘ又はＭｇＯなど、前述の実施例と同じ材料を用いることが可能であり、また同じ層の厚さを用いることができる。強磁性体３０５、非強磁性領域３０６及び絶縁領域３０７は、ディスク３０１のトラック幅に対応する１０又は１００ｎｍ程度の直径を有する柱を形成する。
【０１０６】
これまでに記載した実施例に対して、多くの変更を行うことが可能であることが理解されるであろう。
【０１０７】
例えば柱構造を用いる場合、柱は平面図において円形である必要はなく、楕円、正方形などの規則正しい多角形、又は長方形などの不規則な多角形とすることができる。
【０１０８】
デバイスは縦構造である必要はなく、各層が横に堆積され、且つ／又は基板上で重なり合う平面構造でもよい。
【０１０９】
非強磁性領域、例えば遷移金属の層及び／又は反強磁性領域が絶縁層の上に位置し、強磁性体が非強磁性領域の上に位置するように、層構造を反転させてもよい。
【０１１０】
多層の強磁性体を用いる場合、多層は３層以上の強磁性材料を含むことができる。例えば多層は、白金などの２層の非強磁性材料によって分離された３層の強磁性材料を含むことができる。
【図１】
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【図４】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図３（ｄ）】
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【図３（ｅ）】
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【図３（ｆ）】
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【図３（ｇ）】
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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１２ａ】
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【図１３ａ】
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【外国語明細書】
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