JP2000077743A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低磁場における磁場検出感度を向上させる。 【構成】 絶縁性の基板１上に磁性材料層からなる島状
領域２と細線３とを形成しそれらを連結部４によって接
続するようにする。島状領域２、細線３および連結部４
は例えばＦｅ（３ｎｍ）、Ｃｒ（２ｎｍ）を交互に合計
５０層積層したものである。島状領域２のサイズは５０
ｎｍ×７５ｎｍ、細線の幅は５０ｎｍである。これらの
磁性体膜上に一対の電流端子６と一対の電圧端子７を形
成する。 【効果】 図示された素子に右から左へ走る磁場を印加
するとき、島状領域２は低い磁場で飽和し（低い保磁
力）細線は高い磁場で飽和する（高い保磁力）。そのた
め、二つの保磁力の間の磁場で高い磁気抵抗比を実現で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気センサや磁気
ヘッドなどに用いられる、磁気抵抗効果を利用した磁気
抵抗効果素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果素子は、薄膜ヘッドを構成
可能なものとして期待されているが、従来の磁気抵抗効
果素子では、主に磁壁の移動に基づく磁化反転機構のみ
を利用して磁場変化を検出するものであったため、特に
低磁場での高感度の磁場検出を行うことができなかっ
た。而して、最近、鉄とクロムからなる多層膜人工格子
で巨大な磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が発見され、その効果
を応用する技術が注目されている。以下では次の従来の
主要な磁気抵抗効果素子について述べる。 （１）強結合型ＧＭＲ多層膜素子 （２）弱結合型ＧＭＲ多層膜素子 （３）非結合型ＧＭＲ多層膜素子 （４）スピン偏極トンネル素子 （５）グラニュラー型素子

【０００３】（１）強結合型ＧＭＲ多層膜素子の代表的
な構造は、膜厚数ｎｍの強磁性金属膜と非強磁性体膜
（たとえばＣｒ）とを交互に多層積層したものである。
強い印加磁場の下で、Ｃｒを隔てた上下の強磁性体層内
のスピンが平行のときは電子に対するスピン散乱は減少
し磁気抵抗は低くなる。逆に印加磁場が弱く、上下の強
磁性体層のスピンが反平行となるときは、磁気抵抗は高
い値をとる。磁気抵抗には異方性があり、電流を膜に平
行に流して磁気抵抗を測定する場合（ＣＩＰ )と垂直に
流す場合（ＣＰＰ）の２通りが考えられる。一般にＣＰ
Ｐの方がスピン散乱の頻度が高く磁気抵抗比はＣＩＰよ
りも高くなる。この素子の磁気抵抗比は、一般に低温で
１００％以上と高いが、それは０ガウスでの抵抗と約１
００００−２００００ガウスでの抵抗比の値である。し
たがって、単位磁場あたりの磁気抵抗比は０．０１％／
Ｇａｕｓｓ程度でそれほど感度はよくない。強結合型Ｇ
ＭＲ多層膜素子の磁気飽和特性と磁場−抵抗比（ΔＲ／
Ｒ）特性を図１３に示す。この場合の磁気抵抗比曲線
は、零磁場付近に１つのピ−クを持つ１重ピーク構造で
ある。図示されるように、低磁場領域における感度は高
磁場領域におけるそれよりも高くなっているがまだ十分
に高いものではない。

【０００４】（２）弱結合型のＧＭＲ素子は、強結合型
の構造と類似しているが、非強磁性体層が強結合型のそ
れよりも厚く、強磁性体層間の相互作用が弱くなってい
る。この場合の磁気特性には、図１４に示されるよう
に、ヒステリシス特性が見られ、磁気抵抗曲線は２つの
保磁力に相当する磁場でピークを示す２重ピーク特性を
持っている。

【０００５】（３）非結合型素子は、保磁力の異なった
２種類の磁性材料を含むもので、例えば（Ｃｕ（５ｎ
ｍ）／Ｃｏ（３ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ (３
ｎｍ ))×１５層構造のように、保磁力の小さいＮｉＦ
ｅ（パーマロイ）層と保磁力の大きいＣｏ層を交互に含
む多層積層膜で構成される（カッコ内の数字は膜厚）。
この場合のＭ−Ｈ曲線は、低磁場領域で磁化反転するパ
ーマロイ層を含んでいることにより、図１５に示される
ように、くびれ特性を示す。この素子の磁気抵抗特性は
この磁化の変化を反映して低磁場で大きな抵抗の変化が
生じる。

【０００６】（４）スピン偏極トンネル素子では、例え
ばＮｉ−ＮｉＯ−ＣｏやＮｉ−ＮｉＯ−Ｎｉに見られる
ように強磁性金属層を薄膜の絶縁体膜で隔てた構造を採
用している。このトンネル磁気抵抗効果を利用する場
合、一般にはこの積層膜構造に垂直方向に電流を流す。
この素子構造の場合、素子の膜厚寸法に比べ膜面方向の
サイズがかなり大きくなっており、素子の抵抗値が低い
ため測定がやや困難になる。また、絶縁体膜の膜厚制御
も困難で磁気抵抗の再現性もあまり良くない。

【０００７】（５）グラニュラー型素子とは銀や銅など
の非強磁性金属中に鉄やコバルトなどの強磁性体粒子が
析出している構造である。弱磁場領域では、個々の粒子
の磁化は、ランダムな方位を向いており、粒子径が１０
ｎｍ程度以下の場合には、超常磁性状態となっている
（保磁力が非常に小さく磁化が磁場にほぼ比例する）。
数千ガウス程度の磁場を印加すれば、この素子のスピン
は整列し磁化は飽和する。磁気抵抗比はＣｏ₁₆Ｃｕ₈₄の
場合で約８％、磁場感度は０．００１％／Ｇａｕｓｓで
ある。この感度は、強結合のＧＭＲ素子に比べると１桁
小さい。また、保磁力等の磁化特性も現時点では、まだ
十分制御できる段階ではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたよ
うに、例えば、強（弱）結合型ＧＭＲ素子においては、
強磁性体のスピンがそろって磁気抵抗が最小になる磁場
と強磁性体の磁気モーメントのベクトル和が近似的に０
で磁気抵抗が最大になる磁場の差が数テスラ程度であり
低磁場領域における磁場感度が低い。また、これらの素
子の保磁力、飽和磁化、強磁性体粒子の磁区構造を材料
パラメータとはある程度独立に、精密に制御することは
困難であった。また、上述のグラニュラー型素子では高
い保磁力を持つことが実験で観測されているが、磁場感
度が強（弱）結合型ＧＭＲ素子以上に低い上に、この素
子も強（弱）結合型ＧＭＲ素子と同様磁区構造や磁気特
性を制御して所望の素子を実現するに至っていない。す
なわち、いずれのＧＭＲ素子の場合にも、特に低磁場に
おける磁場感度が不足しておりその向上が望まれてい
る。更なる課題は、保磁力、飽和磁化、磁区の構造等、
磁気特性に密接に関連する素子特性パラメータを材料パ
ラメータとはある程度独立に制御できるようにすること
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明による磁気抵抗効果素子は、 磁性材料を含んで形成された、１乃至複数個の第１
の構造物により構成される第１の群と、 磁性材料を含んで形成された、第１の構造物とは構
造若しくは材料が異なることにより異なった保磁力を有
する１乃至複数個の第２の構造物により構成される第２
の群と、を有し、第１の群に属する第１の構造物と第２
の群に属する第２の構造物とが電気的に接続されている
ことを特徴としている。

【００１０】

【作用】第１の構造物を例えば単磁区構造の島状領域に
よって構成するとき、磁化の方向は低磁場により容易に
反転させることが可能になり、磁気飽和特性を図１
（ａ）に示すようにして保磁力を例えばＨ１と低く抑え
ることができる。また、第２の構造物を例えば磁化の方
向が一方向に規制された磁性膜細線によって構成すると
き、磁化の方向は単磁区構造の島状領域のものより反転
し難くなり、磁気飽和特性を図１（ｂ）に示すようにし
て保磁力を例えばＨ２と高く保持することが可能にな
る。したがって、図１（ａ）の磁気飽和特性を有する第
１の構造物と図１（ｂ）の磁気飽和特性を示す第２の構
造物とが混在する素子においては、図２（ａ）に示され
る磁気飽和特性を持つことになる。その結果、図２
（ｂ）に示されるように、−Ｈ２〜−Ｈ１（またはＨ１
〜Ｈ２）の範囲の磁場において大きな抵抗変化を得るこ
とができ、高い磁気測定感度を実現することができる。

【００１１】ここで、第１、第２の構造物の保磁力Ｈ
１、Ｈ２は、その平面的な形状のみならずピッチ、膜厚
および材料を選択することによっても適宜の値に設定す
ることが可能である。したがって、２つの構造物の保磁
力Ｈ１、Ｈ２を適切に設定して高感度で検出することの
できる磁場強度の範囲を適宜に選択することが可能であ
る。例えば、第１の構造物の保磁力Ｈ１を低く設定する
ことにより、任意の低磁場における磁場感度を向上させ
ることことができる。保磁力が異なる２種の構造物から
磁気抵抗効果素子を構成する例を拡張して保磁力が互い
に異なるｎ種構造物を用いて磁気抵抗効果素子を構成す
ることができる。このようにすることにより、低磁場か
ら高磁場に渡る広い範囲において高感度を示す磁気抵抗
効果素子を実現することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図３（ａ）は、本発明の第
１の実施の形態を示す平面図であり、図３（ｂ）は図３
（ａ）のＡ−Ａ′線での断面図である。絶縁性の若しく
は表面が絶縁膜によって被覆された基板１上に磁性材料
層である島状領域２と細線３とを形成する。ここで、検
出すべき磁場の方向は細線３の長手方向が想定されてい
る。この場合に、島状領域２の行の並びと細線３とが交
互に配置されている。そして、島状領域と細線とは連結
部４によって電気的に接続されており、これにより全体
が一つの導電体層として形成されている。図３（ｂ）に
示されるように、島状領域２間や島状領域２と細線との
間の領域を絶縁膜５によって埋め込むことができる。島
状領域２と細線３は、強結合型若しくは弱結合型などの
ＧＭＲ多層膜とすることができるが、単層の強磁性体膜
であってもよい。単層の強磁性体膜とする場合には膜厚
を一定以上とすることにより磁化の方向を基板面に対し
垂直方向とすることができる。ＧＭＲ多層膜を用いる場
合、積層の回数を増加すれば、スピン方向の一致／不一
致の頻度が増加し単層の強磁性体膜の場合に比較して大
きな磁気抵抗変化が得られる。

【００１３】島状領域は単磁区構造となるように形状を
設定することが出来るが、多磁区構造であってもよい。
細線３は、磁化の方向が細線の長手方向に規制されるよ
うにその細線幅を設定することが望ましい。磁性体膜上
の適宜箇所に、この磁気抵抗効果素子に電流を供給する
ための一対の電流端子６と、電圧を検出するための一対
の電圧端子７とが形成される。これらの端子は、電圧端
子を挟むように一直線上に配置してもよい。ここで、各
磁性体膜間を絶縁膜５によって埋め込まない場合には、
電流端子６と電圧端子７とは島状領域２および細線３の
側面をも覆うように形成される。

【００１４】図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態
を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−
Ｂ′線での断面図である。図４において、図３の実施の
形態での部分と同等の部分には同一の参照番号が付され
ているので、重複する説明は省略するが、本実施の形態
においては、島状領域２と細線とを接続する連結部４が
削除されている。この場合、全体に導電性を付与するた
めに、全表面を被覆するように非強磁性体膜からなる導
電体層８が形成されている。この実施の形態では、導電
体層８の適宜箇所が電流端子６および電圧端子７として
用いられる。この場合に、導電体層８そのものの一部を
端子として用いることもできるが、導電体層８の端子形
成領域にＡｕ膜などの低抵抗金属膜を形成するようにし
てもよい。

【００１５】図５（ａ）は、本発明の第３の実施の形態
を示す平面図である。この場合のＢ−Ｂ′線での断面図
も、第２の実施の形態の場合と同様に、図４（ｂ）に示
したものとなる。第１、第２の実施の形態では、島状領
域２の行方向の並びと細線３とが交互に配置されていた
が、この第３の実施の形態では、島状領域の形成領域と
細線の形成領域とが分離されて設けられている。このよ
うに、島状領域と細線とを完全に分離することにより細
線と島列の相互作用を緩和することができ、より急速に
（低い磁場領域で）磁化反転を起こさせることができ
る。

【００１６】図５（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態
を示す平面図である。本実施の形態では、島状領域２お
よび細線３に意図的にくびれ部２ａ、３ａを導入してい
る。このくびれ部２ａ、３ｂの近傍では、曲率が大きく
スピン偏極電子の密度が高いために、くびれ部前後に磁
極が形成される。従って細長い島の真中にくびれ部を１
つ入れると一つの島状領域に２個の双極子が存在するこ
とになる。同様に、細長い細線にＮ個のくびれ部を形成
した場合は、細線内にＮ＋１個の双極子が形成されるこ
とになる。このくびれ構造は、電子線リソグラフィ、フ
ォトリソグラフィ等によって直接くびれ構造を書き込む
方法、若しくは、適度に近接したドットを描画し少しオ
ーバードーズ気味に露光することによりドット同士を連
結させる方法などを用いて形成することができる。

【００１７】図６（ａ）は、本発明の第５の実施の形態
を示す平面図である。この実施の形態では、島状領域２
は円形に形成されている。そして、磁場Ｈの方向に走る
細線３は連結部３ｂに互いに接続されている。この実施
の形態では、島状領域２の電気的な接続を確保するため
に、少なくとも格子状磁性体膜の開口部上には導電体膜
が形成される。このパターンでは、磁場を図に示すよう
に印加すると磁場に垂直方向を向いている連結部３ｂと
円形の島状領域３はいずれも低磁場で磁化反転し、磁場
に平行に向いている細線の保磁力だけが大きい。

【００１８】図６（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態
を示す平面図である。この実施の形態では、２つの大き
な多磁区島状領域２ｂ間に多数の細線３が接続される。
一般に一辺の寸法が数十ミクロン以上の強磁性体膜の薄
膜（膜厚は任意）は多磁区（マルチドメイン）に分かれ
る。この多磁区構造の典型的なヒステリシスループは磁
壁の移動により図１（ａ）に示されるように低い磁場で
急速に磁化反転する。この場合の保磁力Ｈ１は、３０ガ
ウス程度である。一方例えば幅８０ｎｍでピッチ４００
ｎｍの鉄の細線の保磁力Ｈ２は、約８００ガウスである
〔図１（ｂ）参照〕。

【００１９】図７（ａ）は、本発明の第７の実施の形態
を示す平面図である。なお、図７、図８に示す例では、
同一基板上に島状領域の外に細線ないし長尺の島領域が
形成されているのであるが、図示は短形の島状領域のみ
に留める。図７（ａ）の例では、基板１上に円筒型島状
領域２ｃがマトリックス状に配置されている。この島状
領域は、リソグラフィによってこのパターンまたは逆パ
ターンを形成しエッチング法ないしリフトオフ法を用い
て形成することも出来るが、斜め被着法を用いて形成す
ることもできる。後者の場合には、リソグラフィ法を用
いて例えば直径５０ｎｍの開口を有する高さ３００ｎｍ
程度のレジストパターンを形成し、スパッタ装置の基板
ホルダーを回転させながら強磁性体材料をスパッタす
る。この場合にイオンビームとターゲット（例えば鉄）
とを結ぶ直線とターゲットと基板ホルダーを結ぶ直線が
例えば３０度の角度をなすようにターゲットを設置す
る。スパッタ後、アセトン等でリフトオフすれば円筒型
の島状領域が完成する。

【００２０】図７（ｂ）は本発明の第８の実施の形態を
示す断面図であって、基板１上に半球型島状領域２ｄが
配置されている。この半球型島状領域の平面的配置は図
７（ａ）に示す場合と同様である。この島状領域の形成
方法は、上記した図７（ａ）の円筒型の場合と同様であ
るが但しレジストの膜厚を円筒型を形成する場合よりも
低くする。すなわち、例えば直径５０ｎｍの開口を有す
る１００ｎｍ厚のレジスト膜を設け、斜め回転スパッタ
蒸着の後にリフトオフを行って半球型島状領域を形成す
る。

【００２１】島状領域の配置は、図８（ａ）〜（ｆ）の
中から適宜に選択することができる。（ａ）は正方格
子、（ｂ）は矩形格子、（ｃ）は六方格子、（ｄ）はひ
し形格子、（ｅ）は１次元格子、（ｆ）は同心円配置で
ある。島状領域の形状は、矩形、円形の外、図８（ａ）
に示すように十文字であってもよい。さらには、星形や
正多角形などであってもよい。

【００２２】次に、図９を参照して磁性体膜の上下面に
対をなす電流端子および電圧端子を形成する例について
説明する。図３〜図５に示した例では、電流端子６と電
圧端子は磁性体膜の上表面のみに形成していた。すなわ
ち、電流が素子の平面方向のに流れるいわゆるＣＩＰ構
造であった。この構造を、電流を素子面の垂直方向に流
すようにしていわゆるＣＰＰ構造に変更してもよい。こ
の場合には、基板１上に下部導電体層９を形成し、ま
た、磁性体膜（２、３）の上面に上部導電体層１０を形
成する。そして、上下の導電体層に一対の電流端子６を
設けるとともに上下の導電体層に一対の電圧端子７を設
ける。この場合に、導電体層９、１０そのものの一部を
端子として用いることもできるが、導電体層９、１０の
端子形成領域にＡｕ膜などの低抵抗金属膜を形成するよ
うにしてもよい。

【００２３】島状領域の磁気特性はそのサイズを変更す
ることによってコントロールすることができる。例えば
サイズ１００ｎｍ×５０ｎｍの島（長手方向が磁場の方
向）を、磁場の方向のサイズを増大し、１５０ｎｍ×５
０ｎｍとすれば、素子の保磁力は大きくなる。つまりこ
のサイズ領域で磁気抵抗素子として低磁場での感度を向
上させるためには、島の磁場方向のサイズを小さくすれ
ばよく、また高磁場での感度を増加させるためには磁場
方向のサイズを大きくすればよい。また、島状領域の配
置パターンのピッチが同じでパターンのサイズが磁気的
相互作用が及ばない程小さければ互いの島領域間の磁気
的カップリングがなく素子の保磁力が小さくなる。逆に
ピッチが同じでサイズを大きくすれば、島領域同士のダ
イポール相互作用が強くなり、素子の保磁力が増加す
る。

【００２４】以上では、島状領域の形状とその材料とし
ては１種類のものを考えたが、例えばＮ種類の矩形列を
作製すればＮ段のデジタル的なステップを実現でき（保
磁力がＮ種類ある）低磁場のみならず高磁場領域におい
ても高感度な磁気抵抗素子を実現することができる。ま
た、異なる材料を用いて複数種の島を形成することによ
って複数の保磁力の島を実現することができる。さら
に、材料とサイズの組み合わせにより異なる保磁力を実
現するようにしてもよい。

【００２５】例えば、鉄の大きな島領域間に小さなパー
マロイの島領域を設けるようにすることができる。この
場合、２回のリソグラフィプロセスを要するが、小さい
島がパーマロイなので素子の保磁力（１０ガウス程度に
なる）が下がり素子をすべて鉄で作製する場合よりも感
度が向上する。また、鉄とコバルトの２種の矩形列を作
製し、この上を覆った素子においては、鉄のスピンがそ
ろった場合（Ｈ＞１００ガウス）に磁気抵抗が最小とな
り、両者のスピンが反平行の低磁場領域（４０Ｇａｕｓ
ｓ＜Ｈ＜１００Ｇａｕｓｓ）で磁気抵抗は最大となる。

【００２６】また、素子の保磁力を下げるためには、島
領域に熱処理を加えることも有効である。一方、細線な
いし長尺島状領域については、印加される磁場の方向に
針状に強磁性体材料を加工すれば、最高２５００ガウス
程度にまで保磁力を高めることが可能である。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 ［第１の実施例］図１０、図１１は本発明の第１の実施
例を説明するための工程順の断面図と工程順の平面図で
ある。シリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２を
形成しその上に、電子ビーム露光用の高感度レジスト膜
（感度：３００μＣ／ｃｍ² ）１０３を２００ｎｍの膜
厚に、さらにその上に電子ビーム露光用の低感度レジス
ト膜（感度：４００μＣ／ｃｍ² ）１０４を５０ｎｍの
膜厚に形成した〔図１０（ａ）〕。このように下層に高
感度のレジスト膜を用いたのは電子ビーム露光後の現像
により末広がりの開口を形成してリフトオフを容易にす
るためである。

【００２８】次に、電子ビームにより島及び細線のパタ
ーンの描画を行った（電流：１００ｐＡ、加速電圧：５
０ｋｅＶ、基本ドーズ量：４００μＣ／ｃｍ² ）。描画
した矩形パターンは、２．５ｍｍ×１ｍｍのパターン形
成領域〔図１１（ａ）参照〕に対して、５０ｎｍ×５０
ｎｍ、ピッチは４００ｎｍである。幅５０ｎｍの細線パ
ターンは矩形列の隙間に描画した。描画後、メチルイソ
ブチルケトンとイソプロピルアルコールの混合液（混合
比１：１）中で現像を約３０秒行った。その後、現像液
を蒸発させるために、窒素ガス中で約３０分ベーキング
を行った〔図１０（ｂ）〕。

【００２９】その後、イオンビームスパッタリング法で
強磁性体膜を含む多層膜の成膜を行った。多層膜構造
は、鉄とクロムをそれぞれの膜厚を３ｎｍ、１ｎｍにし
て交互に合計５０層積層した。そして、鉄は酸化して酸
化鉄に変換されるとその部分で単位体積あたりの磁気モ
ーメントが純鉄の約１／４になってしまうので、これを
防ぐため、最上層の鉄の上にＰｔを３ｎｍ被覆した〔図
１０（ｃ）〕。

【００３０】その後、アセトン中でリフトオフを行い、
島および細線を形成した〔図１０（ｄ）、図１１
（ａ）〕。次に、試料上に再び膜厚２００ｎｍの電子ビ
ーム露光用レジスト膜を形成し、電子ビームリソグラフ
ィにより、導電体層形成領域と４端子形成部分に幅１０
０ｎｍと５００μｍ×５００μｍのサイズに開口を有す
るレジスト膜を形成した。次いで、Ｐｔを２０ｎｍスパ
ッタし、その後リフトオフを行って４端子形成領域に５
００μｍ×５００μｍの導電パターンを有する幅１００
μｍの導電体層１０８を形成した〔図１１（ｂ）〕。次
に、試料上に、再び膜厚１μｍのレジストを塗布し、電
子ビーム露光の後に現像を行って電極形成領域に５００
μｍ×５００μｍの開口を形成した。次に、金を厚さ１
００ｎｍスパッタ成膜し、リフトオフを行って、１対の
電流供給端子１０９と１対の電圧検出端子１１０を形成
した〔図１１（ｃ）〕。

【００３１】このようにして作製された本実施例磁気抵
抗効果素子について、測定・評価を行った。その結果、
この素子においては、磁場Ｈ１（６０ガウス）で方形の
磁化が磁場と同じ向きに反転し、この状況を反映して磁
気抵抗は、磁場Ｈ１で不連続的なジャンプが起きる（１
００オームから１５０オームすなわちＭＲ比５０％、磁
気感度０．８３％／ガウス）ことが分かった。このジャ
ンプの大きさは、素子全体の強磁性体の体積における矩
形の全体積に比例していた。さらに磁場を印加し細線の
磁化が反転するまで（磁場Ｈ２まで、１２０ガウス）素
子の磁化の変化はあまりなく磁気抵抗はほぼ一定で、Ｈ
２で素子中のすべてのスピンが磁場方向に揃い磁気抵抗
が急激に低下した（１５０オームから１００オーム）。

【００３２】［第２の実施例］第２の実施例では、第１
の実施例の島領域の５０ｎｍ×５０ｎｍのパターンを５
０ｎｍ×１００ｎｍとした（１００ｎｍが磁場の方
向）。それ以外は第１の実施例と同様である。本実施例
により作製された素子においては、磁場Ｈ１（６５ガウ
ス）で矩形の磁化が磁場と同じ向きに反転し、磁気抵抗
は１００オームから１５０オームに変化した。

【００３３】［第３の実施例］第３の実施例では、第１
の実施例の島領域の４００ｎｍのピッチを２００ｎｍと
した。それ以外は第１の実施例と同様である。本実施例
により作製された素子においては、磁場Ｈ１（６５ガウ
ス）で矩形の磁化が磁場と同じ向きに反転し、磁気抵抗
は１００オームから１５０オームに変化した。

【００３４】［第４の実施例］第４の実施例では、第１
の実施例の島領域の５０ｎｍ×５０ｎｍのパターンを５
０ｎｍ×１００ｎｍとし（１００ｎｍが磁場の方向）、
そして島領域のピッチを２００ｎｍとした。それ以外は
第１の実施例と同様である。本実施例により作製された
素子においては、磁場Ｈ１（７０ガウス）で矩形の磁化
が磁場と同じ向きに反転し、磁気抵抗は１００オームか
ら１５０オームに変化した。

【００３５】［第５の実施例］図１２は、本発明の第５
の実施例を説明するための工程順断面図である。シリコ
ン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２を形成しその上
にスパッタ法により鉄を２０ｎｍの膜厚に堆積してＦｅ
膜１１１を形成し、その上にさらにＰｔを２ｎｍの膜厚
にスパッタ成膜してＰｔ膜１１２を形成した。その上に
電子ビーム露光用高分解能レジスト（カリックスクスア
レーン）を１μｍの厚さに塗布して、レジスト膜１１３
を形成した〔図１２（ａ）〕。

【００３６】次に、電子ビームで島および細線のパター
ンを描画し（加速電圧５０ｋｅＶ、ビーム電流１００ｐ
Ａ）、現像を行った。描画した矩形パターンは、２．５
ｍｍ×１ｍｍのパターン形成領域に対して、５０ｎｍ×
５０ｎｍ、ピッチは４００ｎｍである。幅５０ｎｍの細
線パターンは矩形列間である〔図１２（ｂ）〕。次に、
Ａｒガスを用いたイオンミリングによりＰｔ膜とＦｅ膜
のパターニングを行った（Ａｒガス圧：５×１０^-5Ｔｏ
ｒｒ、時間：約４５秒）。イオンミリングは、Ｐｔ、鉄
を順次エッチングしシリコン基板が現れた時点で停止し
た。レジスト膜を厚めに（１μｍ）に形成したのは矩形
パターンの鉄がエッチングされないようにするためであ
る〔図１２（ｃ）〕。次に、島および細線上に残存した
レジスト膜１１３を酸素プラズマウオッシャーで除去し
た〔図１２（ｄ）〕。その後、図１１を参照して説明し
た第１の実施例と同様の方法とパターンで導電体層と端
子の形成を行って本実施例の磁気抵抗効果素子の作製を
完了させた。

【００３７】［第６の実施例］第６の実施例では、第５
の実施例の島領域の５０ｎｍ×５０ｎｍのパターンを５
０ｎｍ×１００ｎｍとした（１００ｎｍが磁場の方
向）。それ以外は第５の実施例と同様である。

【００３８】［第７の実施例］第７の実施例では、第５
の実施例の島領域の４００ｎｍのピッチを２００ｎｍと
した。それ以外は第５の実施例と同様である。

【００３９】［第８の実施例］第８の実施例では、第５
の実施例の島領域の５０ｎｍ×５０ｎｍのパターンを５
０ｎｍ×１００ｎｍとし（１００ｎｍが磁場の方向）、
そして島領域のピッチを２００ｎｍとした。それ以外は
第５の実施例と同様である。

【００４０】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発
明の要旨を変更しない範囲内において適宜の変更が可能
なものである。例えば、多層膜は例えばＣｏ／Ｃｒ、Ｃ
ｏ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｃｕなどの強磁性体材料と非強磁性体
材料とを交互に積層したものであってもよい。また、実
施例では電子ビーム露光用のレジストを用いてパターン
ニングを行っていたが他の種類のレジストを用いてもよ
い。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気抵抗
効果素子は、形状若しくは材料等が異なることにより、
保磁力が異なるようになされた少なくとも２群の磁性材
料層を有しそれらを導電的に接続したものであるので、
保磁力を任意に設定することができ任意の磁場での磁気
抵抗比を高くすることができる。そのため、本発明によ
れば、特に低磁場領域での磁場感度を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の機能を説明するためのＭ−Ｈ特性
図。

【図２】 本発明の機能を説明するためのＭ−Ｈ特性図
と磁気抵抗特性図。

【図３】 本発明の第１の実施の形態を説明するための
平面図と断面図。

【図４】 本発明の第２の実施の形態を説明するための
平面図と断面図。

【図５】 本発明の第３、第４の実施の形態を説明する
ための平面図。

【図６】 本発明の第５、第６の実施の形態を説明する
ための平面図。

【図７】 本発明の第７の実施の形態を説明するための
平面図と本発明の第８の実施の形態を説明するための断
面図。

【図８】 本発明において用いられる島状領域の配置と
形状を説明するための平面図。

【図９】 本発明の素子における電流端子と電圧端子の
配置を説明するための断面図。

【図１０】 本発明の第１の実施例を説明するための工
程順の断面図。

【図１１】 本発明の第１の実施例を説明するための工
程順の平面図。

【図１２】 本発明の第５の実施例を説明するための工
程順の断面図。

【図１３】 強結合型のＧＭＲ素子のＭ−Ｈ特性図と磁
気抵抗特性図。

【図１４】 弱結合型のＧＭＲ素子のＭ−Ｈ特性図と磁
気抵抗特性図。

【図１５】 非結合型のＧＭＲ素子のＭ−Ｈ特性図と磁
気抵抗特性図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 島状領域 ２ａ くびれ部 ２ｂ 多磁区島状領域 ２ｃ 円筒型島状領域 ２ｄ 半球型島状領域 ３ 細線 ３ａ くびれ部 ３ｂ 連結部 ４ 連結部 ５ 絶縁膜 ６ 電流端子 ７ 電圧端子 ８ 導電体層 ９ 下部導電体層 １０ 上部導電体層 １０１ シリコン基板 １０２ シリコン酸化膜 １０３ 高感度レジスト膜 １０４ 低感度レジスト膜 １０５ 多層Ｆｅ／Ｃｒ膜 １０６ 島状領域 １０７ パターン形成領域 １０８ 導電体層 １０９ 電流供給端子 １１０ 電圧検出端子 １１１ Ｆｅ膜 １１２ Ｐｔ膜 １１３ レジスト膜

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性材料を含んで形成された、１乃至複
   数個の第１の構造物により構成される第１の群と、 磁性材料を含んで形成された、第１の構造物とは構造若
   しくは材料が異なることにより異なった保磁力を有する
   １乃至複数個の第２の構造物により構成される第２の群
   と、を少なくとも有し、第１の群に属する第１の構造物
   と第２の群に属する第２の構造物とが電気的に接続され
   ていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 【請求項２】 第１の構造物および第２の構造物とは構
   造若しくは材料が異なることによりこれらとは異なる保
   磁力を有している構造物からなる群を１乃至複数種更に
   有しており、これらの群に属する構造物も第１および第
   ２の構造物に電気的に接続されていることを特徴とする
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 【請求項３】 異なる群に属する構造物同士では互いに
   膜厚を異にしてい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。
4. 【請求項４】 第１の構造物が、方形、方形以外の多角
   形、円形、十字形、くびれ部を有する多角形の中の何れ
   かの平面形状を有する島状領域であることを特徴とする
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
5. 【請求項５】 第１の構造物が、円筒形若しくは半球状
   を有する島状領域であることを特徴とする請求項１記載
   の磁気抵抗効果素子。
6. 【請求項６】 第２の構造物が、一定幅の若しくは幅が
   狭くなるくびれ部が周期的に形成されている細線である
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
7. 【請求項７】 第２の構造物が、磁性細線は容易磁化方
   向と難磁化方向とを有していることを特徴とする請求項
   １記載の磁気抵抗素子。
8. 【請求項８】 第１、第２の構造物が、単一層の磁性体
   膜若しくは強磁性体膜と非強磁性体膜とが交互に積層さ
   れた多層磁性体膜により形成されていることを特徴とす
   る請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
9. 【請求項９】 第１の構造物が、単磁区構造の膜によっ
   て構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気
   抵抗効果素子。
10. 【請求項１０】 第１の構造物が、多磁区構造の膜によ
    って構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁
    気抵抗効果素子。
11. 【請求項１１】 第１の構造物が、主に磁壁の移動によ
    り磁化方向が変化するものであることを特徴とする請求
    項１記載の磁気抵抗効果素子。
12. 【請求項１２】 第１の構造物が、主に磁化の回転によ
    り磁化方向が変化するものであることを特徴とする請求
    項１記載の磁気抵抗効果素子。
13. 【請求項１３】 第１、第２の構造物が、基板面に対し
    て垂直方向に磁化されることを特徴とする請求項１記載
    の磁気抵抗効果素子。
14. 【請求項１４】 第１の群と第２の群の少なくとも一方
    が、その構成要素の構造物のピッチが変化しており、こ
    れによりその群の磁気特性が制御されていることを特徴
    とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
15. 【請求項１５】 前記第１および第２の群に属する各構
    造物が、磁性体膜からなる連結部によって接続されるこ
    とによって各構造物間の電気的な接続が図られているこ
    とを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
16. 【請求項１６】 前記第１および第２の群に属する各構
    造物が、導電性膜によって被覆されることによって各構
    造物間の電気的な接続が図られていることを特徴とする
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
17. 【請求項１７】 前記第１の群、および／または、前記
    第２の群の磁性体膜の表面に一対の電流供給端子と一対
    の電圧検出端子とが形成されていることを特徴とする請
    求項１記載の磁気抵抗効果素子。
18. 【請求項１８】 前記第１の群、および／または、前記
    第２の群の磁性体膜の表面と裏面とにそれぞれ電流供給
    端子と電圧検出端子とが形成されていることを特徴とす
    る請求項１記載の磁気抵抗効果素子。