JP6137577B2 - 電流垂直型磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Description

本発明は、強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜の電流垂直型磁気抵抗効果（ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子に関し、特に高価なＭｇＯ単結晶基板に代えて汎用の表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板等を用いた電流垂直型磁気抵抗効果素子に関する。

強磁性金属／非磁性金属／強磁性金属の３層構造を持つ薄膜の電流垂直型磁気抵抗効果（以下、ＣＰＰＧＭＲとも称する）を利用した素子は、磁気ディスク用読み取りヘッド用として期待されている。強磁性金属としてスピン分極率の大きなホイスラー合金を用いた素子について研究がなされており、ホイスラー合金層として結晶方位が（１１０）方位に配向した多結晶薄膜を用いたＣＰＰＧＭＲ素子が開発されてきた（例えば、特許文献１〜３）。

これに対し、ＣＰＰＧＭＲ素子において（１００）方位に配向した単結晶薄膜を用いることによりその性能が向上することが示されている（例えば、非特許文献１、２）。しかしながら単結晶薄膜の作成のためには高価なＭｇＯ単結晶基板が必要であり、コスト面で実用的ではなかった。

特開２０１０−２１２６３１号公報 特開２０１１−３５３３６号公報 特開２００５−１１６７０１号公報

Appl. Phys. Lett. 100, 052405 (2012). Appl. Phys. Lett. 101, 252408 (2012).

本発明は、以上のような従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、ＭｇＯ単結晶基板を用いることなく、結晶方位が（１１０）方位に配向した多結晶薄膜を用いたＣＰＰＧＭＲ素子に比べ、安価で性能がより優れたＣＰＰＧＭＲ素子を提供することを課題としている。

本発明によれば、上記の課題を解決するために、以下の構成としたＣＰＰＧＭＲ素子が提供される。

本発明のＣＰＰＧＭＲ素子は、例えば図１に示すように、基板１１の上に、ホイスラー合金を（１００）方向に配向させる配向層１２と、この配向層１２の上に積層された、（１００）方向に配向したホイスラー合金の多結晶薄膜よりなる下部強磁性層１４と上部強磁性層１６と、当該下部強磁性層１４と上部強磁性層１６に挟まれたスペーサ層１５とを備えることを特徴とする。

本発明のＣＰＰＧＭＲ素子において、好ましくは、基板１１は表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板、金属基板の少なくとも一種類であり、配向層１２はＭｇＯ、ＴｉＮ、ＮｉＴａ合金の少なくとも一種類を含み、下部強磁性層１４と上部強磁性層１６は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表されるホイスラー合金であって、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、又はこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、又はこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含み、スペーサ層１５はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ及びＣｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はこれらの合金である。

本発明のＣＰＰＧＭＲ素子において、好ましくは、配向層１２、下部強磁性層１４と上部強磁性層１６、スペーサ層１５の少なくとも一層は、スパッタ法により製膜する。

本発明のＣＰＰＧＭＲ素子において、さらに、磁気抵抗測定のため下地層１３を、配向層１２と下部強磁性層１４との間に挟んで設けることが好ましい。下地層１３はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ及びＣｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はこれらの合金により形成することができる。下地層１３はスパッタ法により製膜を行なうとよい。

また、本発明のＣＰＰＧＭＲ素子は、上部強磁性層１６に積層された、表面保護用のキャップ層１７を設けることが好ましい。キャップ層１７はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ及びＰｔからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はこれらの合金より形成することができる。キャップ層１７はスパッタ法により製膜を行なうとよい。

本発明では、ＭｇＯ単結晶基板を用いずに安価な表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板及び金属基板のうちの少なくとも一種類からなる基板上に、配向層を設け、（１００）配向した多結晶薄膜からなるＣＰＰＧＭＲ素子を作製し、これにより（１１０）配向の多結晶薄膜を用いた場合に比べ特性が向上することを確認した。このような構成とすることによって、より安価かつ高性能なＣＰＰＧＭＲ素子を作製することができる。

本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子の構造模式図である。 表面酸化Ｓｉ基板上に下から、ＭｇＯ（１０）／Ｃｒ（２０）／Ａｇ（５０）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（７）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）と積層させた膜のＸ線回折パターンを示す図である。 本発明の一実施の形態によるＣＰＰＧＭＲ素子の断面模式図である。 印加磁場に対する電気抵抗×素子面積の変化を説明する図である。 アニール温度に対する磁気抵抗変化量×素子面積ΔＲＡ。黒四角：従来手法による（１１０）配向膜での結果説明図である。

以下、図面を用いて本発明を説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による電流垂直型磁気抵抗効果（ＣＰＰＧＭＲ）素子の構造模式図である。図において、本実施形態のＣＰＰＧＭＲ素子は、基板１１、配向層１２、下地層１３、下部強磁性層１４、スペーサ層１５、上部強磁性層１６及びキャップ層１７がその順に積層されて構成されている。

基板１１は、コスト面から表面酸化Ｓｉ基板が最も好ましいが、半導体製造用のシリコン基板でもよく、またガラス基板や金属基板でもよい。配向層１２は、ホイスラー合金層を（１００）方向に配向させる作用を持つものであればよく、ＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金のうちの少なくとも一種類を含むものがよい。これらのうちＭｇＯとＴｉＮは結晶質であり、結晶質の配向層は（１００）方位に配向して成長しやすいため、それ自身（１００）配向して、ホイスラー合金の（１００）配向を誘起する。また、ＮｉＴａは非晶質であるが、この上に成長するホイスラー合金の（１００）配向を誘起し、同時に基板１１が結晶配向を有している場合、その結晶配向の影響を断ち切る作用を持つ。下地層１３は、金属又は合金よりなり、磁気抵抗測定用の電極となる。下地層１３には、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ等の少なくとも一種類を含む金属や、これら金属元素の合金が用いられる。なお、さらに配向層１２の下に別の下地層を追加してもよい。

下部強磁性層１４と上部強磁性層１６は、Ｃｏ_２ＡＢの組成式で表される（１００）方位した多結晶ホイスラー合金であって、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、またはこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものを含む。ホイスラー合金としては、Ｃｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５（ＣＦＧＧ）の多結晶薄膜が特に好ましいが、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ_１−ｘＳｉ_ｘ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉの多結晶薄膜でもよい。上部強磁性層及び下部強磁性層は１種類のホイスラー合金を用いてもよく、２種類以上のホイスラー合金や他の金属や合金を組み合わせてもよい。

スペーサ層１５は、金属又は合金からなり、キャップ層１７は、表面の保護のための金属又は合金よりなる。スペーサ層１５には、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ等の少なくとも一種類を含む金属や、これら金属元素の合金が用いられる。キャップ層１７には、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｔ等の少なくとも一種類を含む金属や、これら金属元素の合金が用いられる。

配向層１２、下地層１３、スペーサ層１５及びキャップ層１７の各層は、それぞれ１種類の材料を用いても良いし、２種類以上の材料を積層させたものでもよい。

配向層１２、下部強磁性層１４及び上部強磁性層１６並びにスペーサ層のうちの少なくとも一層はスパッタ法により成膜することが好ましい。また、積層膜は結晶構造の改善のため２００〜４５０℃で１５〜６０分程度アニールすることが好ましい。

次に、本発明の実施例について述べる。

図３は、本発明の一実施例によるＣＰＰＧＭＲ素子の断面模式図である。図において、基板１１として表面酸化Ｓｉ基板、配向層１２にＭｇＯ、下地層１３にはＣｒ層１３ａとＡｇ層１３ｂを下から積層させたもの、下部強磁性層１４、上部強磁性層１６には多結晶（０００１）配向ホイスラー合金Ｃｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５（ＣＦＧＧ）、スペーサ層１５にはＡｇ、キャップ層１７にはＡｇ層１７ａとＲｕ層１７ｂを下から積層させたものを用いている。

本実施例のＣＰＰＧＭＲ素子は、酸化Ｓｉ基板上に下から、ＭｇＯ（１０）／Ｃｒ（２０）／Ａｇ（５０）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（７）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）が製膜されたものである。ここで、括弧内の数字は膜厚（ｎｍ）であり、スパッタ法により上記の層構成の製膜を行った。

図２は、図３の膜構造を有する積層体のＸ線回折パターンである。Ｘ線回折によって結晶構造を調べたところ、Ｃｒ、Ａｇ、ＣＦＧＧの各層は図２に示す結果から（１００）方向に配向していることがわかった。薄膜の結晶構造の改善のため、試料を４００℃で３０分間アニールした。その後、膜面に垂直方向の電気抵抗を測定するため、図３に示すように微細加工を行い、上部強磁性層１４、スペーサ層１５、下部強磁性層１６、キャップ層１７の積層体に隣接して酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１９を設け、次にキャップ層１７と酸化シリコン層１９の上にＣｕ電極層１８を取り付けている。そして、下地層１３とＣｕ電極層１８の間に定電流源２０を接続し、下地層１３とＣｕ電極層１８の間に電圧計２１を接続した。そして、定電流源２０と電圧計２１を用いて、ＣＰＰＧＭＲ素子の磁界に対する電気抵抗の変化を調べた。また、試料のアニール温度を３００〜４５０℃の間で変化させ、素子の単位面積当たり電気抵抗の変化量ΔＲＡを調べた。

図４は、ＣＰＰＧＭＲ素子の磁場に対する電気抵抗の変化を示している。磁場が大略±２００［Ｏｅ］（＝１０００／（４π）Ａ／ｍ）の範囲で、ΔＲＡ＝４．６［ｍΩ・μｍ^２］の素子の単位面積当たり電気抵抗の変化量が得られている。

また比較のため、ＭｇＯ層（配向層）を用いずに、表面酸化Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５）／Ｃｕ（２５０）／Ｔａ（５）／ＣＦＧＧ（５）／Ａｇ（７）／ＣＦＧＧ（５）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（６）Ｔ（２）Ｒｕ（２）の膜構成で試料を作成し同様の測定を行った。この試料でのＣＦＧＧの結晶方位は（１１０）に配向していることが確認された。

図５は、素子の単位面積当たり電気抵抗の変化量ΔＲＡをアニール温度Ｔａｎに対してプロットしたものである。従来手法による（１１０）配向の試料についてはＴａｎ＞４００℃でΔＲＡが低下するのに対し、本発明による（１００）配向の試料ではＴａｎ＝４００℃で平均値としてΔＲＡ＝４．３［ｍΩ・μｍ^２］と従来手法による最大値３．５［ｍΩ・μｍ^２］に比べ大きな値が得られた。

なお、本発明の変形実施例として、図３に示す構造において、さらに上部強磁性層の上にピニング層としてＩｒＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金等の反強磁性体の層を追加してもよい。ピニング層を付加した上部強磁性層を有する層構造とすると、交換異方性によって上部強磁性層の磁化反転を抑えることができ、上部強磁性層と下部強磁性層が反平行に磁化した状態を安定化することができる。ピニング層は下部強磁性層の下に挿入してもよい。

なお、上記の実施の形態においては、膜構造としてＭｇＯ（１０）／Ｃｒ（２０）／Ａｇ（５０）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（７）／ＣＦＧＧ（１０）／Ａｇ（５）／Ｒｕ（８）の場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各層の膜材質や膜厚は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者にとって自明な範囲で適宜に選択できることは言うまでもない。

本発明の面直方向磁気抵抗効果（ＣＰＰＧＭＲ）を利用した素子は、磁気ディスク用読み取りヘッド用として使用するのに適しており、また微細な磁性情報の検出にも利用できる。

１１ 基板
１２ 配向層
１３ 下地層
１４ 下部強磁性層
１５ スペーサ層
１６ 上部強磁性層
１７ キャップ層

Claims (5)

1. 表面酸化Ｓｉ基板、シリコン基板、ガラス基板及び金属基板のうちの少なくとも一種類からなる基板と、
   前記基板上に形成された、ホイスラー合金を（１００）方向に配向させる配向層と、
   前記配向層上に形成された、（１００）方向に配向したホイスラー合金の多結晶薄膜よりなる下部強磁性層及び上部強磁性層並びに前記下部強磁性層と前記上部強磁性層に挟まれたスペーサ層とを備え、
   前記スペーサ層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ及びＣｒからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はこれらの合金であり、
   前記配向層はＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金のうちの少なくとも一種類を含み、
   前記下部強磁性層と前記上部強磁性層は、Ｃｏ _２ ＡＢの組成式（式中、ＡはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、又はこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したもの、ＢはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、又はこれらのうちの２種類以上を合計の量が１になるように混合したものである）で表されるホイスラー合金よりなる多結晶薄膜であり、
   当該素子にアニールが施され結晶構造が改善されていることにより、配向層を用いない（１１０）配向の多結晶素子と比較して、当該素子の単位面積当たりの電気抵抗の変化が向上していることを特徴とする電流垂直型磁気抵抗効果素子。
2. 前記配向層と前記下部強磁性層との間に磁気抵抗測定用の電極である下地層を挟んで設けたこと特徴とする請求項１に記載の電流垂直型磁気抵抗効果素子。
3. 前記下地層は金属又は合金よりなること特徴とする請求項２に記載の電流垂直型磁気抵抗効果素子。
4. さらに、前記上部強磁性層に積層された、表面保護用のキャップ層を有すること特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電流垂直型磁気抵抗効果素子。
5. 前記キャップ層はＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ及びＰｔからなる群から選ばれた少なくとも一種類の金属又はこれらの合金よりなること特徴とする請求項４に記載の電流垂直型磁気抵抗効果素子。

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