【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁界により電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果は、磁性体に磁界を加えることで電気抵抗が変化する現象であり、磁気センサーや磁気ヘッドとして広く利用されている。近年では磁性層と非磁性層を交互に積層した構造を有する多層膜（磁性層／非磁性層／磁性層／非磁性層／・・・）から、大きな磁気抵抗効果が得られ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と呼ばれている。ＧＭＲ効果は非磁性層を介する磁性層の磁化方向の相対的な相違に応じて電気抵抗が変化する現象である。
【０００３】
通常、ＧＭＲ素子では、非磁性層にＣｕ、Ａｕ等の導電性材料が用いられる。この素子は一般には、電流を膜面に平行に流して用いられる（ＣＩＰ−ＧＭＲ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ Ｐｌａｎｅ−ＧＭＲ）。これに対し、電流を膜面垂直方向に流すＧＭＲ素子はＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ−ＧＭＲ）と呼ばれている。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子と比較して磁気抵抗変化率（ＭＲ比）は大きいが抵抗値が小さい。ＭＲ比は最大抵抗値をＲｍａｘ、最小抵抗値をＲｍｉｎとして式１により求められる。
【０００４】
ＭＲ比＝（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）×１００／Ｒｍｉｎ（％） （式１）
また、別のＧＭＲ素子として、スピンバルブ型素子が知られている。この素子では、非磁性層を介して自由磁性層と固定磁性層と固定磁性層の磁化方向を抑制する目的で用いられる磁化回転制御層が積層されており、自由磁性層の磁化回転に応じて生じる両磁性層の磁化方向がなす角度の相対的な変化が利用される。スピンバルブ型ＧＭＲ素子としては、例えば反強磁性材料であるＦｅ−Ｍｎを磁化回転制御層として、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｃｕ／Ｎｉ−Ｆｅ多層膜に積層した素子が提案されている。この素子は、動作磁界が小さく、直線性にも優れているが、ＭＲ比が小さい。磁性層にＣｏＦｅ強磁性材料、磁化回転制御層にＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ反強磁性材料をそれぞれ用いることによって、ＭＲ比を向上させたスピンバルブ型ＧＭＲ素子も報告されている。
【０００５】
さらに高いＭＲ比を得るために、非磁性層に絶縁性材料を用いた素子も提案されている。この素子は垂直方向に電流がながれ、絶縁性材料を用いた非磁性層（トンネル層）を確率的に透過するトンネル電流を利用した磁気抵抗効果、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果と呼ばれている。ＴＭＲ素子は絶縁層を挟む磁性層のスピン分極率が高いほど、大きなＭＲ比が期待される。これに従うと磁性層としては、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金等の磁性金属、ハーフメタリック強磁性体等が適している。
【０００６】
磁気抵抗効果素子を磁気センサー、磁気ヘッドまたは磁気ランダム・アクセス・メモリー（ＭＲＡＭ）等に用いる場合、磁気抵抗効果素子の小型化が必要となる。素子の小型化による反磁界が生じ、そのため固定磁性層の磁化も不安定化する。また、固定磁性層より漏れる磁界は自由磁性層の反転磁界に影響を与えバイアスポイントの調整を困難にする。このような固定磁性層の問題点を改善するために、固定磁性層を積層フェリ型磁性層とすることが提案されている。
【０００７】
従来これは、非磁性層を介した一対の強磁性層で形成されたものである。非磁性層としてＲｕ、強磁性層としてＣｏ、Ｃｏ−Ｆｅ合金等がよく用いられている。強磁性層は磁化回転制御層による交換バイアス磁界で固定し、非磁性層を介して反平行に結合しているので、固定磁性層の磁化方向は安定化する。また、一対の強磁性層の磁化は反平行に配列するので、漏れ磁束も互いにキャンセルして小さくなる。
【０００８】
また、磁化回転制御層を使用しない磁気抵抗効果素子として、デュアル構造の磁気抵抗効果素子などが提案されている。これは、ひとつの磁気抵抗効果素子中に磁気抵抗効果が起こる部分が２つ以上ある構造をもっている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１４３２２３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
磁気抵抗効果素子は非磁性層を介して自由磁性層と固定磁性層とが積層されており、磁気抵抗効果は自由磁性層の磁化回転に応じて生じる両磁性層の磁化方向がなす角度の相対的な変化が利用されるので、固定磁性層の磁化方向は外部磁界に対して回転することなく、常に固定された状態を維持していなければならない。そのため、固定磁性層の磁化回転を抑制する目的で磁化回転制御層なる反強磁性体を用いられている。
【００１１】
反強磁性体を含まないデュアル構造の磁気抵抗効果素子は、少なくとも２つ以上の固定磁性層が必要であるので、非常に多くの工程が必要である。
【００１２】
また、従来の固定磁性層は、非磁性層を介して一対の強磁性層が互いに反平行に結合して固定しているので、自由磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向が、完全に反平行状態になるよりも小さい外部磁界で、固定磁性層を形成する磁性層の磁化回転がはじまり、Ｒｍａｘは本来のＲｍａｘよりも小さくなるので正確なＭＲ比を得ることができない。よって信頼性に課題がある。
【００１３】
正確なＭＲ比を得るためにも、より大きな外部磁界まで固定磁性層を形成する強磁性層の磁化が回転しはじめることなく、安定した磁化状態をなす固定磁性層が必要である。より大きな外部磁界まで安定させる技術として特許文献１にあるような技術があるが、薄膜磁気ヘッドに使用される程度の外部磁界までである。
【００１４】
本発明の目的は、より大きな外部磁界まで固定磁性層の磁化が回転しはじめることなく、安定した磁化状態をなす固定磁性層を提供すると共に、正確なＭＲ比を示すような信頼性が高い磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、外部磁界により容易に磁化回転する自由磁性層と、前記自由磁性層に接する非磁性層と、前記非磁性層に接する外部磁界により容易には磁化回転しない固定磁性層より構成され、前記固定磁性層が、中間磁性層を介して第１磁性層と第２磁性層とが積層された積層型磁性層である磁気抵抗効果素子において、前記中間磁性層がらせん磁性構造をもつ磁性体であることを特徴とする。 また、前記固定磁性層が磁化回転制御層上に積層されていることを特徴とする。
【００１６】
また、前記固定磁性層を構成する各磁性層が各交換バイアス磁界により結合していることを特徴とし、前記第１磁性層と前記第２磁性層の各磁化方向が各磁性層に働く各交換バイアス磁界および強磁性間の層間相互作用によって固定されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子は絶縁性材料を用いた非磁性層（トンネル層）ＮＭ１を介して自由磁性層ＦＬ１、固定磁性層ＰＬ１が積層されており、自由磁性層ＦＬ１、固定磁性層ＰＬ１に外部磁界が加わると自由磁性層ＦＬ１、固定磁性層ＰＬ１の磁化方向に相対的な相違が生じ、非磁性層ＮＭ１を流れるトンネル電流の大きさが変化する、トンネル磁気抵抗効果素子である。
【００１９】
固定磁性層ＰＬ１は中間磁性層ＨＭ１を介して第１磁性層ＦＭ１、第２磁性層ＦＭ２が積層されている。
【００２０】
この磁気抵抗効果素子において、中間磁性層ＨＭ１がらせん磁性構造をもつ磁性体であることが好ましい。
【００２１】
らせん磁性とは図３に示すように層状構造をもつ磁性体であり、層の面内では原子のスピンの方向は強磁性的に平行に並んでいるが、層の面内のスピン軸が層を変わるごとに一定角度ずつ回転していくようなスピン配列をいう。そのスピンベクトルの先端をつなぐと、らせんになることより、らせん磁性という。この構造において、複数の原子層を含む結晶内での平均磁化は、お互い打ち消しあってしまうので自発磁化は形成しない。
【００２２】
図２に示すようならせん磁性の層間スピン軸の角度θは式２のようになる。
【００２３】
θ＝ｃｏｓ−１｛（（（１−２ａ−ａ２）／（２ａ＋ａ２））１／２−１）／２｝ （式２）
ａ＝χｉＨｔｈ／Ｍ０
このときχｉはｃ軸方向の初期磁化率であり、Ｈｔｈはスピンフロップ磁界であり、Ｍ０は０Ｋにおける磁化をそれぞれ示す。
【００２４】
スピンフロップ磁界とは、らせん磁性の場合、層間のスピン軸が一定角度ずつ回転したスピン配列に対し、ある層のスピン軸と平行方向の外部磁界を印加したとき、外部磁界と平行方向でない角度にスピン軸が回転している層のスピン軸が、印加された外部磁界のため、スピン軸を外部磁界と平行方向に回転しはじめる磁界のことである。即ちスピンベクトルのらせん状態が崩れはじめる外部磁界の大きさを表す。
【００２５】
式２より層間スピン軸の角度θは磁気特性を測定することにより求められる。また、さらに結晶構造や格子定数を求めることにより、それをもとに膜厚を制御することでらせん磁性構造をもつ磁性体の膜表面の磁化方向を制御することができる。
【００２６】
また、図１に示すような断面である磁気抵抗効果素子において、固定磁性層ＰＬ１を構成する第１磁性層ＦＭ１、中間磁性層ＨＭ１および第２磁性層ＦＭ２の各磁化方向が各交換バイアス磁界により結合していることが好ましい。交換バイアス磁界とは、積層された磁性体Ａと磁性体Ｂにおいて、磁性体Ａが磁性体Ｂと接している原子層のスピンＡＡの方向が磁性体Ａと接している磁性体Ｂの原子層のスピンＢＢと平行方向に配列する作用である。
【００２７】
第２磁性層ＦＭ２と接する中間磁性層ＨＭ１の原子層の磁化方向は、第２磁性層ＦＭ２との交換バイアス磁界で決定されると、第２磁性層ＦＭ２と接する中間磁性層ＨＭ１の原子層の磁化方向は第２磁性層ＦＭ２と平行方向となる。また、中間磁性層ＨＭ１と接する第１磁性層ＦＭ１の磁化方向は、第１磁性層ＦＭ１と接する中間磁性層ＨＭ１の原子層の交換バイアス磁界で決定されると、第１磁性層ＦＭ１と接する中間磁性層ＨＭ１の原子層と平行方向となる。よって、各磁性層が各交換バイアス磁界で結合しており、各強磁性層の磁化方向を決定しているので、中間磁性層ＨＭ１にらせん磁性体を用いることで、第１磁性層ＦＭ１と第２磁性層ＦＭ２の各磁性体と接する原子層の磁化方向は膜厚を制御することにより制御できる。よって、磁化方向を制御した固定磁性層ＰＬ１を形成することができる。
【００２８】
中間磁性層ＨＭ１による交換バイアス磁界で磁化方向が決定される固定磁性層ＰＬ１の磁化方向は、中間磁性層ＨＭ１のスピンフロップ磁界までは、中間磁性層ＨＭ１の磁化方向は固定されているので、非常に大きな保磁力をもつ固定磁性層となる。磁気抵抗効果素子を磁気センサー、磁気ヘッドやＭＲＡＭなどのデバイスとして使用する際に、中間磁性層ＨＭ１のスピンフロップ磁界が使用する外部磁界よりも大きい磁界であればよい。
【００２９】
また、第１磁性層ＦＭ１と第２磁性層ＦＭ２の各磁化方向は強磁性間の層間相互作用により固定され、固定された各磁化方向が反平行方向であれば、強磁性体である第１磁性層ＦＭ１および第２磁性層ＦＭ２からの漏れ磁界をお互い打ち消すため、自由磁性層ＦＬ１の反転磁界に影響を与えることがないので、正確なＭＲ比を得ることができる。
【００３０】
図２は本発明に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図である。固定磁性層ＰＬ１は磁化回転制御層ＡＭ１上に積層されていることが好ましく、図２に示す磁気抵抗効果素子は図１に示す磁気抵抗効果素子が磁化回転制御層ＡＭ１上に積層されている。
【００３１】
固定磁性層ＰＬ１は中間磁性層ＨＭ１にらせん磁性を用いることにより、第１磁性層ＦＭ１と第２磁性層ＦＭ２の各磁化方向を非常に強く固定することが可能であることは上記の通りであるが、磁化回転制御層ＡＭ１上に固定磁性層ＰＬ１を積層することにより、さらに精度よく固定磁性層ＰＬ１を構成する第１磁性層ＦＭ１および第２磁性層ＦＭ２の磁化方向を固定することができる。
【００３２】
固定磁性層ＰＬ１の磁化方向を決定するために、外部磁界（固定磁界）を磁気抵抗効果素子に印加する。磁気抵抗効果素子を構成する磁化回転制御層ＡＭ１は反強磁性体であるので、印加された固定磁界を取り除かれたときの磁化回転制御層ＡＭ１のスピン配列は、印加された固定磁界と平行方向に配列する。第２磁性層ＦＭ２の磁化方向は磁化回転制御層ＡＭ１による交換バイアス磁界により決定されるので、第２磁性層ＦＭ２の磁化方向は固定磁界と平行方向である。また、第２磁性層ＦＭ２による交換バイアス磁界により、第２磁性層ＦＭ２と接する中間磁性層ＨＭ１の原子層の磁化方向は第２磁性層ＦＭ２と平行方向となる。また、第１磁性層ＦＭ１の磁化方向は中間磁性層ＨＭ１による交換バイアス磁界により決定されるので、第１磁性層ＦＭ１と接する中間磁性層ＨＭ１の原子層の磁化方向と平行方向を向く。第１磁性層ＦＭ１と接する中間磁性層ＨＭ１の原子層の磁化方向は中間磁性層ＨＭ１の膜厚を制御することにより、制御可能である。また、第１磁性層ＦＭ１と第２磁性層ＦＭ２の各磁化方向は強磁性間の層間相互作用により、さらに強く固定される。
【００３３】
よって、すべての磁性体の磁化方向を制御することが可能であり、正確な磁化方向をもつ固定磁性層を形成することが可能であり、ある一定方向に印加されるある一定の大きさの外部磁界に対してより正確なＭＲ比を得ることが可能であるので、磁気ヘッドやＭＲＡＭなどに用いられる磁気抵抗効果素子に非常に有効であり、また、大きさも方向も不明な外部磁界に対して非常に有効であるので、磁気センサーとして応用される磁気抵抗効果素子に対して非常に有効である。
【００３４】
【実施例】
以下に本発明の実施例について説明する。
【００３５】
（実施例１） 熱酸化膜付Ｓｉ基板（３インチφ ）上に多元マグネトロンスパッタリング法を用いて、下地層、ＣｏＦｅからなる強磁性層と、Ｍｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２からなる中間磁性層を２．６ｎｍ、ＣｏＦｅからなる強磁性層、Ａｌ２Ｏ３からなるトンネル層１ｎｍ、ＦｅまたはＦｅＮｉからなる強磁性層を積層し、素子面積が３０μｍ Ｘ ３０μｍから２μｍ Ｘ ２μｍまでのＴＭＲ素子を作製し２８０℃、５ｋＯｅの磁界中で３時間熱処理した後、印加外部磁界８ｋＡ／ｍ、８０ｋＡ／ｍのときのＭＲ比を調べた。表１および表２に示す。表１は中間磁性層ＨＭ１にＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いた結果であり、表２は中間磁性層ＨＭ１に従来用いられているＲｕを用いた結果である。
【００３６】
中間磁性層ＨＭ１に用いたＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２のスピンフロップ磁界は１ＭＡ／ｍ程度であり、式２を用いて層間のスピン軸の角度を算出すると、角度θは３０°である。また、ｃ軸方向の格子定数は０．８７６ｎｍである。よってＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２の膜厚を２．６ｎｍとしたとき、Ｍｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２の膜表面原子層のスピン方向が約１８０°向きの違う方向をもつ磁性層となる。
【００３７】
固定磁性層を構成している各磁性層は各交換バイアス磁界で結合しているので、膜厚が２．６ｎｍのＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を中間磁性層ＨＭ１に用いると、第１磁性層ＦＭ１の磁化方向と第２磁性層ＦＭ２の磁化方向は、１８０°違う方向で固定される。
【００３８】
さらに、Ｍｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２のスピンフロップ磁界が１ＭＡ／ｍ程度なので、少なくとも印加される外部磁界が１ＭＡ／ｍまでは磁化回転がなく、磁化方向は安定している。
【００３９】
よって、強く磁化方向が固定された強磁性からの漏れ磁束もない固定磁性層となっている。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
表１および表２より、中間磁性層ＨＭ１にＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いることでＭＲ比が大きく低下することなく、安定した値であることがわかる。よって、中間磁性層ＨＭ１にＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いた磁気抵抗効果素子は印加外部磁界が８０ｋＡ／ｍまでは安定した素子であることがわかる。
【００４３】
ここでは一例として中間磁性層ＨＭ１にらせん磁性であるＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いたが、その他のらせん磁性体（例えば、その他のらせん構造をもつ組成でＭｎ１−ｘＣｒｘＡｕ２など）を用いた固定磁性層をもつ磁気抵抗効果素子においても同様の結果が得られた。
【００４４】
本発明の実施例では上記の磁気抵抗効果素子の作成には合金ターゲット、粉末ターゲット、を用いたスパッタリング法によっておこなったが、この手法に限らず、上記各種磁性体材料のターゲットを用いたスパッタリング法や、同様に上記各種磁性体材料の蒸着源を用いた電子ビーム蒸着法でも同様の効果が得られる。
【００４５】
（実施例２） 熱酸化膜付Ｓｉ基板（３インチφ ）上に多元マグネトロンスパッタリング法を用いて、下地層、ＰｔＭｎからなる磁化回転制御層を２０ｎｍ、ＣｏＦｅからなる強磁性層をと、Ｍｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２からなる中間磁性層を２．６ｎｍ、ＣｏＦｅからなる強磁性層、Ａｌ２Ｏ３からなるトンネル層１ｎｍ、ＦｅまたはＦｅＮｉからなる強磁性層を積層し、素子面積が３０μｍ Ｘ ３０μｍから２μｍ Ｘ ２μｍまでのＴＭＲ素子を作製し２８０℃、５ｋＯｅの磁界中で３時間熱処理した後、印加外部磁界８ｋＡ／ｍ、８０ｋＡ／ｍのときの固定磁界に対する平行、反平行、垂直方向に外部磁界を印加したときのＭＲ比を調べた。表３および表４に示す。表３は中間磁性層ＨＭ１にＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いた結果であり、表４は中間磁性層ＨＭ１にＲｕを用いた結果である。
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【００４８】
中間磁性層ＨＭ１に用いたＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２のスピンフロップ磁界は１ＭＡ／ｍ程度であり、式２を用いて層間のスピン軸の角度を算出すると、角度θは３０°である。また、ｃ軸方向の格子定数は０．８７６ｎｍである。よってＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２の膜厚を２．６ｎｍとしたとき、Ｍｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２の膜表面原子層のスピン方向が約１８０°向きの違う方向をもつ磁性層となる。
【００４９】
固定磁性層を構成している各磁性層は各交換バイアス磁界で結合しているので、膜厚が２．６ｎｍのＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を中間磁性層ＨＭ１に用いると、第１磁性層ＦＭ１の磁化方向と第２磁性層ＦＭ２の磁化方向は、１８０°違う方向で固定される。
【００５０】
さらに、Ｍｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２のスピンフロップ磁界が１ＭＡ／ｍ程度なので、少なくとも印加される外部磁界が１ＭＡ／ｍまでは磁化回転のなく、磁化方向は安定している。
【００５１】
よって、強く固定磁界と平行方向に磁化方向が固定された、強磁性からの漏れ磁束もない固定磁性層となっている。
【００５２】
表３および表４より、固定磁界に対して平行方向および垂直方向では中間磁性層ＨＭ１にＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いることでＭＲ比が大きく低下することなく、安定した値であることがわかる。また、固定磁界に対する印加外部磁界の方向によってＭＲ比の違いが顕著に現れている。よって、中間磁性層ＨＭ１にＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いた磁気抵抗効果素子は印加外部磁界が８０ｋＡ／ｍまでは安定した、さらに印加された外部磁界の方向までも決定することが可能な信頼性の高い素子であることがわかる。
【００５３】
ここでは一例として中間磁性層ＨＭ１にらせん磁性であるＭｎ０．９７Ｃｒ０．０３Ａｕ２を用いたが、その他のらせん磁性体（例えば、その他のらせん構造をもつ組成でＭｎ１−ｘＣｒｘＡｕ２など）を用いた固定磁性層をもつ磁気抵抗効果素子においても同様の結果が得られた。
【００５４】
本発明の実施例では上記の磁気抵抗効果素子の作成には合金ターゲット、粉末ターゲット、を用いたスパッタリング法によっておこなったが、この手法に限らず、上記各種磁性体材料のターゲットを用いたスパッタリング法や、同様に上記各種磁性体材料の蒸着源を用いた電子ビーム蒸着法でも同様の効果が得られる。
【００５５】
【発明の効果】
以上の結果により本発明によれば、磁化回転制御層を用いなくても磁化回転のない安定した固定磁性層を提供することができるとともに、さらに磁化方向が制御可能な固定磁性層を提供することができ、またさらに安定したＭＲ比と正確なＭＲ比を示す信頼性の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の断面の模式図
【図３】本発明のらせん磁性を示す磁性層のスピン配列図
【符号の説明】
ＦＬ１ 自由磁性層
ＮＭ１ 非磁性層
ＦＭ１ 第１磁性層
ＨＭ１ 中間磁性層
ＦＭ２ 第２磁性層
ＰＬ１ 固定磁性層
ＡＭ１ 磁化回転制御層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistance effect element whose electric resistance changes by an external magnetic field.
[0002]
[Prior art]
The magnetoresistance effect is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a magnetic material, and is widely used as a magnetic sensor or a magnetic head. In recent years, a multilayer film (magnetic layer / nonmagnetic layer / magnetic layer / nonmagnetic layer /...) Having a structure in which magnetic layers and nonmagnetic layers are alternately stacked has provided a large magnetoresistance effect, and has a giant magnetoresistance. (GMR) effect. The GMR effect is a phenomenon in which the electric resistance changes according to the relative difference in the magnetization direction of the magnetic layer via the non-magnetic layer.
[0003]
Usually, in the GMR element, a conductive material such as Cu or Au is used for the nonmagnetic layer. This element is generally used by passing a current parallel to the film surface (CIP-GMR: Current In Plane-GMR). On the other hand, a GMR element in which a current flows in a direction perpendicular to the film surface is called a CPP-GMR (Current Perpendicular to the Plane-GMR). The CPP-GMR element has a higher magnetoresistance ratio (MR ratio) but a smaller resistance value than the CIP-GMR element. The MR ratio is obtained by Expression 1 with the maximum resistance value being R max and the minimum resistance value being R min .
[0004]
MR ratio = (R max -R min) × 100 / R min (%) ( Equation 1)
As another GMR element, a spin-valve element is known. In this element, a free magnetic layer, a fixed magnetic layer, and a magnetization rotation control layer used for suppressing the magnetization direction of the fixed magnetic layer are stacked via a nonmagnetic layer. The resulting relative change in the angle between the magnetization directions of the two magnetic layers is used. As a spin valve type GMR element, for example, an element in which Fe-Mn which is an antiferromagnetic material is used as a magnetization rotation control layer and which is laminated on a Ni-Fe / Cu / Ni-Fe multilayer film has been proposed. This element has a small operating magnetic field and excellent linearity, but has a small MR ratio. A spin-valve GMR element in which the MR ratio is improved by using a CoFe ferromagnetic material for the magnetic layer and a PtMn, IrMn antiferromagnetic material for the magnetization rotation control layer has also been reported.
[0005]
In order to obtain a higher MR ratio, an element using an insulating material for the nonmagnetic layer has been proposed. In this element, a current flows in a vertical direction, and a so-called tunnel magnetoresistance (TMR) effect utilizing a tunnel current that stochastically passes through a nonmagnetic layer (tunnel layer) using an insulating material is referred to as a tunnel magnetoresistance (TMR) effect. I have. In the TMR element, a higher MR ratio is expected as the spin polarization of the magnetic layer sandwiching the insulating layer is higher. According to this, as the magnetic layer, a magnetic metal such as Fe, Fe-Co alloy, Ni-Fe alloy, a half metallic ferromagnetic material, or the like is suitable.
[0006]
When the magnetoresistive element is used for a magnetic sensor, a magnetic head, a magnetic random access memory (MRAM), or the like, it is necessary to reduce the size of the magnetoresistive element. A demagnetizing field is generated due to the downsizing of the element, so that the magnetization of the fixed magnetic layer is also unstable. Also, the magnetic field leaking from the fixed magnetic layer affects the reversal magnetic field of the free magnetic layer, making it difficult to adjust the bias point. In order to improve the problem of such a pinned magnetic layer, it has been proposed that the pinned magnetic layer be a laminated ferrimagnetic layer.
[0007]
Conventionally, this is formed by a pair of ferromagnetic layers via a non-magnetic layer. Ru is often used for the non-magnetic layer, and Co, Co—Fe alloy or the like is often used for the ferromagnetic layer. Since the ferromagnetic layer is fixed by the exchange bias magnetic field by the magnetization rotation control layer and is coupled antiparallel via the nonmagnetic layer, the magnetization direction of the fixed magnetic layer is stabilized. Further, since the magnetizations of the pair of ferromagnetic layers are arranged in antiparallel, the leakage magnetic fluxes cancel each other and become small.
[0008]
As a magnetoresistive element that does not use a magnetization rotation control layer, a dual-structure magnetoresistive element or the like has been proposed. It has a structure in which one magnetoresistive element has two or more portions where a magnetoresistive effect occurs.
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2001-143223 A
[Problems to be solved by the invention]
The magnetoresistive element has a free magnetic layer and a pinned magnetic layer laminated via a non-magnetic layer. The magnetoresistive effect is a relative angle between the magnetization directions of the two magnetic layers generated according to the rotation of the magnetization of the free magnetic layer. Therefore, the magnetization direction of the fixed magnetic layer must always maintain a fixed state without rotating with respect to an external magnetic field. Therefore, an antiferromagnetic material serving as a magnetization rotation control layer is used for the purpose of suppressing the magnetization rotation of the fixed magnetic layer.
[0011]
A dual structure magnetoresistive element that does not include an antiferromagnetic material requires at least two or more fixed magnetic layers, and therefore requires a very large number of steps.
[0012]
Further, in the conventional pinned magnetic layer, a pair of ferromagnetic layers are coupled antiparallel to each other via a nonmagnetic layer and fixed, so that the magnetization directions of the free magnetic layer and the pinned magnetic layer are completely With an external magnetic field smaller than the anti-parallel state, the magnetization rotation of the magnetic layer forming the pinned magnetic layer starts, and R max becomes smaller than the original R max , so that an accurate MR ratio cannot be obtained. Therefore, there is a problem in reliability.
[0013]
In order to obtain an accurate MR ratio, it is necessary to provide a fixed magnetic layer that has a stable magnetization state without the magnetization of the ferromagnetic layer forming the fixed magnetic layer starting to rotate up to a larger external magnetic field. As a technique for stabilizing up to a larger external magnetic field, there is a technique as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-157, but it is only up to an external magnetic field that is used for a thin film magnetic head.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fixed magnetic layer having a stable magnetization state without the magnetization of the fixed magnetic layer starting to rotate to a larger external magnetic field, and to provide a highly reliable magnetic layer having an accurate MR ratio. An object of the present invention is to provide a resistance effect element.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above object, a magnetoresistive effect element according to the present invention includes a free magnetic layer that is easily magnetized and rotated by an external magnetic field, a nonmagnetic layer in contact with the free magnetic layer, and an external magnetic field in contact with the nonmagnetic layer. A magnetoresistive element, comprising a fixed magnetic layer that does not easily rotate magnetization, wherein the fixed magnetic layer is a laminated magnetic layer in which a first magnetic layer and a second magnetic layer are laminated via an intermediate magnetic layer. The intermediate magnetic layer is a magnetic material having a helical magnetic structure. Further, the fixed magnetic layer is laminated on the magnetization rotation control layer.
[0016]
Also, each magnetic layer constituting the fixed magnetic layer is coupled by each exchange bias magnetic field, and each magnetization direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer acts on each magnetic layer. It is characterized by being fixed by an interlayer interaction between a bias magnetic field and ferromagnetism.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0018]
FIG. 1 is a sectional view showing a magnetoresistive element according to the present invention. In the magnetoresistive element shown in FIG. 1, a free magnetic layer FL1 and a fixed magnetic layer PL1 are laminated via a nonmagnetic layer (tunnel layer) NM1 using an insulating material, and the free magnetic layer FL1 and the fixed magnetic layer PL1 are stacked. When a magnetic field is applied to the free magnetic layer FL1 and the pinned magnetic layer PL1, a relative difference occurs in the magnetization direction of the free magnetic layer FL1 and the pinned magnetic layer PL1, and the magnitude of the tunnel current flowing through the nonmagnetic layer NM1 changes.
[0019]
The fixed magnetic layer PL1 has a first magnetic layer FM1 and a second magnetic layer FM2 laminated via an intermediate magnetic layer HM1.
[0020]
In this magnetoresistance effect element, it is preferable that the intermediate magnetic layer HM1 is a magnetic material having a helical magnetic structure.
[0021]
Spiral magnetism is a magnetic material having a layered structure as shown in FIG. 3, in which the spin directions of atoms are ferromagnetically parallel in the plane of the layer, but the spin axis in the plane of the layer is A spin arrangement that rotates by a certain angle each time the angle changes. When the tip of the spin vector is connected, it becomes helical rather than helical. In this structure, the spontaneous magnetization is not formed because the average magnetizations in the crystal including the plurality of atomic layers cancel each other.
[0022]
As shown in FIG. 2, the angle θ of the helical magnetic interlayer spin axis is as shown in Expression 2.
[0023]
θ = cos −1 {(((1-2a−a 2 ) / (2a + a 2 )) 1/2 −1) / 2} (Equation 2)
a = χ i H th / M 0
In this case chi i is the initial magnetic susceptibility of the c-axis direction, H th is spin flop field, M 0 denotes a magnetization at 0K.
[0024]
In the case of helical magnetism, a spin flop magnetic field is defined as an angle that is not parallel to the external magnetic field when an external magnetic field parallel to the spin axis of a certain layer is applied to a spin arrangement in which the spin axis between layers is rotated by a fixed angle. The spin axis of the layer whose spin axis is rotating is a magnetic field that starts to rotate the spin axis in a direction parallel to the external magnetic field due to the applied external magnetic field. That is, it represents the magnitude of the external magnetic field at which the spiral state of the spin vector starts to collapse.
[0025]
From Equation 2, the angle θ of the interlayer spin axis can be obtained by measuring magnetic properties. Further, by determining the crystal structure and the lattice constant, the magnetization direction of the film surface of the magnetic material having the helical magnetic structure can be controlled by controlling the film thickness based on the crystal structure and the lattice constant.
[0026]
In the magnetoresistive element having a cross section as shown in FIG. 1, the magnetization directions of the first magnetic layer FM1, the intermediate magnetic layer HM1, and the second magnetic layer FM2 constituting the fixed magnetic layer PL1 are changed by the exchange bias magnetic fields. It is preferred that they are bonded. The exchange bias magnetic field refers to the atomic layer of the magnetic material B in which the direction of the spin AA of the atomic layer in which the magnetic material A is in contact with the magnetic material B is in contact with the magnetic material A in the stacked magnetic material A and magnetic material B. In the direction parallel to the spin BB.
[0027]
When the magnetization direction of the atomic layer of the intermediate magnetic layer HM1 in contact with the second magnetic layer FM2 is determined by the exchange bias magnetic field with the second magnetic layer FM2, the magnetization direction of the atomic layer of the intermediate magnetic layer HM1 in contact with the second magnetic layer FM2 is determined. The magnetization direction is parallel to the second magnetic layer FM2. Further, when the magnetization direction of the first magnetic layer FM1 in contact with the intermediate magnetic layer HM1 is determined by the exchange bias magnetic field of the atomic layer of the intermediate magnetic layer HM1 in contact with the first magnetic layer FM1, the intermediate direction in contact with the first magnetic layer FM1 is determined. The direction is parallel to the atomic layer of the magnetic layer HM1. Therefore, since each magnetic layer is coupled by each exchange bias magnetic field and determines the magnetization direction of each ferromagnetic layer, by using a helical magnetic material for the intermediate magnetic layer HM1, the first magnetic layer FM1 and the The magnetization direction of the atomic layer in contact with each magnetic material of the two magnetic layers FM2 can be controlled by controlling the film thickness. Therefore, fixed magnetic layer PL1 in which the magnetization direction is controlled can be formed.
[0028]
Since the magnetization direction of the fixed magnetic layer PL1 whose magnetization direction is determined by the exchange bias magnetic field of the intermediate magnetic layer HM1 is fixed up to the spin-flop magnetic field of the intermediate magnetic layer HM1, the magnetization direction of the intermediate magnetic layer HM1 is fixed. This results in a fixed magnetic layer having a large coercive force. When the magnetoresistive element is used as a device such as a magnetic sensor, a magnetic head, or an MRAM, it is sufficient that the spin-flop magnetic field of the intermediate magnetic layer HM1 is larger than the external magnetic field used.
[0029]
Further, the respective magnetization directions of the first magnetic layer FM1 and the second magnetic layer FM2 are fixed by the interlayer interaction between the ferromagnetics, and if the fixed magnetization directions are antiparallel, the first ferromagnetic material is used. Since the leakage magnetic fields from the magnetic layer FM1 and the second magnetic layer FM2 are canceled each other, there is no influence on the reversal magnetic field of the free magnetic layer FL1, and an accurate MR ratio can be obtained.
[0030]
FIG. 2 is a sectional view showing a magnetoresistance effect element according to the present invention. The fixed magnetic layer PL1 is preferably stacked on the magnetization rotation control layer AM1, and the magnetoresistive element shown in FIG. 2 has the magnetoresistance effect element shown in FIG. 1 stacked on the magnetization rotation control layer AM1.
[0031]
As described above, the pinned magnetic layer PL1 can fix the magnetization directions of the first magnetic layer FM1 and the second magnetic layer FM2 very strongly by using the helical magnetism for the intermediate magnetic layer HM1. However, by laminating the fixed magnetic layer PL1 on the magnetization rotation control layer AM1, the magnetization directions of the first magnetic layer FM1 and the second magnetic layer FM2 constituting the fixed magnetic layer PL1 can be more accurately fixed.
[0032]
To determine the magnetization direction of the fixed magnetic layer PL1, an external magnetic field (fixed magnetic field) is applied to the magnetoresistive element. Since the magnetization rotation control layer AM1 constituting the magnetoresistive element is an antiferromagnetic material, the spin arrangement of the magnetization rotation control layer AM1 when the applied fixed magnetic field is removed is parallel to the applied fixed magnetic field. Array. Since the magnetization direction of the second magnetic layer FM2 is determined by the exchange bias magnetic field by the magnetization rotation control layer AM1, the magnetization direction of the second magnetic layer FM2 is parallel to the fixed magnetic field. Further, the magnetization direction of the atomic layer of the intermediate magnetic layer HM1 in contact with the second magnetic layer FM2 becomes parallel to the second magnetic layer FM2 due to the exchange bias magnetic field generated by the second magnetic layer FM2. Since the magnetization direction of the first magnetic layer FM1 is determined by the exchange bias magnetic field of the intermediate magnetic layer HM1, the magnetization direction of the first magnetic layer FM1 is parallel to the magnetization direction of the atomic layer of the intermediate magnetic layer HM1 in contact with the first magnetic layer FM1. The magnetization direction of the atomic layer of the intermediate magnetic layer HM1 in contact with the first magnetic layer FM1 can be controlled by controlling the thickness of the intermediate magnetic layer HM1. Further, the respective magnetization directions of the first magnetic layer FM1 and the second magnetic layer FM2 are further strongly fixed by the interlayer interaction between the ferromagnetic layers.
[0033]
Therefore, it is possible to control the magnetization directions of all the magnetic materials, to form a fixed magnetic layer having an accurate magnetization direction, and to apply an external force of a certain magnitude applied in a certain direction. Since it is possible to obtain a more accurate MR ratio with respect to a magnetic field, it is very effective for a magnetoresistive element used in a magnetic head, an MRAM, and the like. Since it is very effective, it is very effective for a magnetoresistive element applied as a magnetic sensor.
[0034]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
[0035]
Example 1 An underlayer, a ferromagnetic layer composed of CoFe, and an intermediate composed of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 were formed on a thermally oxidized Si substrate (3 inches φ 2) by using a multiple magnetron sputtering method. A TMR element having a magnetic layer of 2.6 nm, a ferromagnetic layer of CoFe, a tunnel layer of 1 nm of Al 2 O 3 , and a ferromagnetic layer of Fe or FeNi, and having an element area of 30 μm × 30 μm to 2 μm × 2 μm After heat treatment at 280 ° C. for 3 hours in a magnetic field of 5 kOe, the MR ratio at an applied external magnetic field of 8 kA / m and 80 kA / m was examined. The results are shown in Tables 1 and 2. Table 1 shows the results using Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 for the intermediate magnetic layer HM1, and Table 2 shows the results using Ru conventionally used for the intermediate magnetic layer HM1.
[0036]
The spin-flop magnetic field of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 used for the intermediate magnetic layer HM1 is about 1 MA / m, and when the angle of the spin axis between the layers is calculated using Equation 2, the angle θ is 30 °. is there. The lattice constant in the c-axis direction is 0.876 nm. Therefore, when the film thickness of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 is set to 2.6 nm, the spin direction of the atomic layer of the film surface of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 has a different direction of about 180 °. It becomes a magnetic layer.
[0037]
Since each magnetic layer constituting the fixed magnetic layer is coupled by each exchange bias magnetic field, when Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 having a thickness of 2.6 nm is used for the intermediate magnetic layer HM1, The magnetization direction of the first magnetic layer FM1 and the magnetization direction of the second magnetic layer FM2 are fixed at directions different by 180 °.
[0038]
Further, since the spin-flop magnetic field of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 is about 1 MA / m, there is no magnetization rotation at least until the applied external magnetic field is 1 MA / m, and the magnetization direction is stable.
[0039]
Therefore, the fixed magnetic layer has no leakage magnetic flux from the ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed.
[0040]
[Table 1]
[0041]
[Table 2]
[0042]
Tables 1 and 2 show that the use of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 for the intermediate magnetic layer HM1 has a stable MR ratio without a significant decrease in the MR ratio. Therefore, it is understood that the magnetoresistance effect element using Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 for the intermediate magnetic layer HM1 is a stable element up to an applied external magnetic field of 80 kA / m.
[0043]
Here, as an example, Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 which is helical magnetism is used for the intermediate magnetic layer HM1, but other helical magnetic materials (for example, Mn 1-x Cr x with a composition having another helical structure) are used. Similar results were obtained in a magnetoresistive element having a fixed magnetic layer using Au 2 or the like.
[0044]
In the embodiments of the present invention, the above-described magnetoresistive effect element was formed by a sputtering method using an alloy target or a powder target. However, the present invention is not limited to this method. Similarly, the same effect can be obtained by an electron beam evaporation method using the above-mentioned various magnetic material evaporation sources.
[0045]
(Example 2) An underlayer, a magnetization rotation control layer made of PtMn of 20 nm, a ferromagnetic layer made of CoFe, and Mn 0 on a thermally oxidized film-coated Si substrate (3 inches φ) by multi-element magnetron sputtering. .97 Cr 0.03 Au 2 , an intermediate magnetic layer of 2.6 nm, a ferromagnetic layer of CoFe, a tunnel layer of 1 nm of Al 2 O 3 , and a ferromagnetic layer of Fe or FeNi are stacked. After preparing a TMR element of 30 μm × 30 μm to 2 μm × 2 μm and heat-treating it in a magnetic field of 280 ° C. and 5 kOe for 3 hours, the applied external magnetic field is 8 kA / m, parallel, anti-parallel and perpendicular to the fixed magnetic field at 80 kA / m. The MR ratio when an external magnetic field was applied in the direction was examined. The results are shown in Tables 3 and 4. Table 3 shows the result of using Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 for the intermediate magnetic layer HM1, and Table 4 shows the result of using Ru for the intermediate magnetic layer HM1.
[0046]
[Table 3]
[0047]
[Table 4]
[0048]
The spin-flop magnetic field of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 used for the intermediate magnetic layer HM1 is about 1 MA / m, and when the angle of the spin axis between the layers is calculated using Equation 2, the angle θ is 30 °. is there. The lattice constant in the c-axis direction is 0.876 nm. Therefore, when the film thickness of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 is set to 2.6 nm, the spin direction of the atomic layer of the film surface of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 has a different direction of about 180 °. It becomes a magnetic layer.
[0049]
Since each magnetic layer constituting the fixed magnetic layer is coupled by each exchange bias magnetic field, when Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 having a thickness of 2.6 nm is used for the intermediate magnetic layer HM1, The magnetization direction of the first magnetic layer FM1 and the magnetization direction of the second magnetic layer FM2 are fixed at directions different by 180 °.
[0050]
Furthermore, since the spin-flop magnetic field of Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 is about 1 MA / m, magnetization rotation does not occur and the magnetization direction is stable at least until the applied external magnetic field is 1 MA / m.
[0051]
Therefore, the fixed magnetic layer has a magnetization direction that is strongly fixed in a direction parallel to the fixed magnetic field and has no leakage magnetic flux from the ferromagnetism.
[0052]
From Tables 3 and 4, it can be seen that by using Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 for the intermediate magnetic layer HM1 in the direction parallel and perpendicular to the fixed magnetic field, the MR ratio does not significantly decrease and is stable. You can see that there is. Further, the difference in the MR ratio is remarkably different depending on the direction of the applied external magnetic field with respect to the fixed magnetic field. Therefore, a magnetoresistive element using Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 for the intermediate magnetic layer HM1 is stable up to an applied external magnetic field of 80 kA / m, and determines the direction of the applied external magnetic field. It can be seen that the device is highly reliable.
[0053]
Here, as an example, Mn 0.97 Cr 0.03 Au 2 which is helical magnetism is used for the intermediate magnetic layer HM1, but other helical magnetic materials (for example, Mn 1-x Cr x with a composition having another helical structure) are used. Similar results were obtained in a magnetoresistive element having a fixed magnetic layer using Au 2 or the like.
[0054]
In the embodiments of the present invention, the above-described magnetoresistive effect element was formed by a sputtering method using an alloy target or a powder target. However, the present invention is not limited to this method. Similarly, the same effect can be obtained by an electron beam evaporation method using the above-mentioned various magnetic material evaporation sources.
[0055]
【The invention's effect】
From the above results, according to the present invention, it is possible to provide a stable fixed magnetic layer without magnetization rotation without using a magnetization rotation control layer, and to provide a fixed magnetic layer in which the magnetization direction can be further controlled. In addition, it is possible to provide a highly-reliable magnetoresistive element exhibiting a stable MR ratio and an accurate MR ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a cross section of a magnetoresistive element of the present invention. FIG. 2 is a schematic view of a cross section of a magnetoresistive effect element of the present invention. FIG. 3 is a spin array diagram of a magnetic layer showing helical magnetism of the present invention. Explanation of code]
FL1 Free magnetic layer NM1 Nonmagnetic layer FM1 First magnetic layer HM1 Intermediate magnetic layer FM2 Second magnetic layer PL1 Fixed magnetic layer AM1 Magnetization rotation control layer