JP2616561B2 - 磁気抵抗効果素子薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子 - Google Patents
磁気抵抗効果素子薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は磁気センサーや薄膜磁気
ヘッド等に用いられる磁気抵抗効果素子及びそれに用い
る磁気抵抗効果素子薄膜の構造に関するものである。
ヘッド等に用いられる磁気抵抗効果素子及びそれに用い
る磁気抵抗効果素子薄膜の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】印加磁場により抵抗が変化する磁気抵抗
効果を利用した磁気抵抗効果素子は、磁場検出用センサ
ーや磁気ヘッド等に用いられている。従来、磁気抵抗効
果素子としては、パーマロイを中心とした磁性合金薄膜
が用いられている。この磁気抵抗効果素子は、電流方向
と磁化方向の相対角度に依存して生じる抵抗の差を利用
したものであるが、磁気抵抗変化量が、3〜4%程度と
小さく、高感度化のためには、磁気抵抗変化量の大きな
材料が望まれている。これに対して、近年、新しい磁気
抵抗効果素子として、鉄(Fe)、コバルト(Co)等
の強磁性体とクロム(Cr)、銅(Cu)等の非磁性体
を数ナノメーターの周期で交互に積層した人工格子膜が
注目されている。この人工格子膜の示す磁気抵抗効果
は、磁場の印加にともなって非磁性層を介して隣合う強
磁性層の磁化が、反強磁性配列から強磁性配列に変化す
ることによって生じ、室温において10%を越える磁気
抵抗変化を示し、従来の磁気抵抗効果と区別するために
巨大磁気抵抗効果と呼ばれている。巨大磁気抵抗効果を
示す人工格子膜としては、(Fe/Cr)、(パーマロ
イ/Cu/Co/Cu)、(Co/Cu)等が知られて
いる。これらの人工格子膜は、従来から知られているパ
ーマロイ薄膜に比べると磁気抵抗変化率が大きいので、
磁気センサーや磁気ヘッドに用いることで、大幅な特性
改善が期待されているが、これまでに報告されている人
工格子膜では、磁気抵抗の飽和する飽和磁場Hs がパー
マロイの数エルステッド(Oe)に対し、数kOe〜1
0kOe程度と大きく、磁場感度の必要とされる磁気セ
ンサーや磁気ヘッド等に人工格子膜を適用することは困
難であった。人工格子膜の大きな磁気抵抗変化率を保ち
つつ、その飽和磁場を小さくするための手段として、膜
面内に一軸磁気異方性を導入することが提案されてい
る。例えば、Fe/Cr人工格子膜の成膜時に、永久磁
石により膜面内に100Oe程度の磁場を印加し、膜面
内に一軸磁気異方性を導入する方法(特開平4−212
402号公報)や、(110)方位のFe/Cr人工格
子膜に生ずる微細構造による形状磁気異方性により膜面
内に一軸磁気異方性を導入する方法(ジャーナル アプ
ライド フィジクス(J.Appl.Phys.)第7
3巻 3922頁 1993年)が知られている。後者
の形状磁気異方性を利用した一軸磁気異方性の導入は、
前者の方法に比べ、磁気抵抗の飽和する磁場を小さくで
きるため、より有効である。しかしながら、その飽和磁
場の大きさは、室温において500Oeと依然大きな値
である。
効果を利用した磁気抵抗効果素子は、磁場検出用センサ
ーや磁気ヘッド等に用いられている。従来、磁気抵抗効
果素子としては、パーマロイを中心とした磁性合金薄膜
が用いられている。この磁気抵抗効果素子は、電流方向
と磁化方向の相対角度に依存して生じる抵抗の差を利用
したものであるが、磁気抵抗変化量が、3〜4%程度と
小さく、高感度化のためには、磁気抵抗変化量の大きな
材料が望まれている。これに対して、近年、新しい磁気
抵抗効果素子として、鉄(Fe)、コバルト(Co)等
の強磁性体とクロム(Cr)、銅(Cu)等の非磁性体
を数ナノメーターの周期で交互に積層した人工格子膜が
注目されている。この人工格子膜の示す磁気抵抗効果
は、磁場の印加にともなって非磁性層を介して隣合う強
磁性層の磁化が、反強磁性配列から強磁性配列に変化す
ることによって生じ、室温において10%を越える磁気
抵抗変化を示し、従来の磁気抵抗効果と区別するために
巨大磁気抵抗効果と呼ばれている。巨大磁気抵抗効果を
示す人工格子膜としては、(Fe/Cr)、(パーマロ
イ/Cu/Co/Cu)、(Co/Cu)等が知られて
いる。これらの人工格子膜は、従来から知られているパ
ーマロイ薄膜に比べると磁気抵抗変化率が大きいので、
磁気センサーや磁気ヘッドに用いることで、大幅な特性
改善が期待されているが、これまでに報告されている人
工格子膜では、磁気抵抗の飽和する飽和磁場Hs がパー
マロイの数エルステッド(Oe)に対し、数kOe〜1
0kOe程度と大きく、磁場感度の必要とされる磁気セ
ンサーや磁気ヘッド等に人工格子膜を適用することは困
難であった。人工格子膜の大きな磁気抵抗変化率を保ち
つつ、その飽和磁場を小さくするための手段として、膜
面内に一軸磁気異方性を導入することが提案されてい
る。例えば、Fe/Cr人工格子膜の成膜時に、永久磁
石により膜面内に100Oe程度の磁場を印加し、膜面
内に一軸磁気異方性を導入する方法(特開平4−212
402号公報)や、(110)方位のFe/Cr人工格
子膜に生ずる微細構造による形状磁気異方性により膜面
内に一軸磁気異方性を導入する方法(ジャーナル アプ
ライド フィジクス(J.Appl.Phys.)第7
3巻 3922頁 1993年)が知られている。後者
の形状磁気異方性を利用した一軸磁気異方性の導入は、
前者の方法に比べ、磁気抵抗の飽和する磁場を小さくで
きるため、より有効である。しかしながら、その飽和磁
場の大きさは、室温において500Oeと依然大きな値
である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、微細
構造を有する(110)方位のFe/Cr人工格子膜
は、大きな磁気抵抗変化率を有するものの、飽和磁場が
大きいという欠点を有しており、磁気センサーや磁気ヘ
ッド等のように小さな磁場を検出する用途に用いる場合
には十分な感度が得られないという問題点があった。
構造を有する(110)方位のFe/Cr人工格子膜
は、大きな磁気抵抗変化率を有するものの、飽和磁場が
大きいという欠点を有しており、磁気センサーや磁気ヘ
ッド等のように小さな磁場を検出する用途に用いる場合
には十分な感度が得られないという問題点があった。
【0004】本発明の目的は、飽和磁場が小さく、小さ
な磁場においても大きな磁気抵抗変化の得られる磁気抵
抗効果素子薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子を提
供することにある。
な磁場においても大きな磁気抵抗変化の得られる磁気抵
抗効果素子薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子を提
供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、図1に示すよ
うに、単結晶基板、体心方位晶金属もしくはその合金の
(110)方位のエピタキシャルバッファー層、(11
0)方位のエピタキシャルFe/Cr人工格子膜より構
成された磁気抵抗効果素子であって、Fe/Cr人工格
子膜の(110)面内において、〈100〉方向に稜を
持ち、側面が{100}面により構成された屋根型のフ
ァセット列が、〈110〉方向に連なって並んだ構造を
有することを特徴とした磁気抵抗効果素子である。(1
10)方位のエピタキシャルバッファー層は二層以上よ
り構成されていてもよい。さらに、屋根型のファセット
の大きさとしては、最表面に現れた〈110〉方向のフ
ァセット幅が、5〜30nmの範囲にあり、ファセット幅
のばらつきが、±50%以内でなければならない。以上
のような構造を実現するために、例えば、単結晶基板と
してはサファイヤ(11−20)基板をはじめとした
(110)方位のエピタキシャルバッファー層が成長可
能な単結晶基板が用いられ、体心立方晶金属の(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層としては、体心
立方晶金属のバナジウム(V)、ニオブ(Nb)、モリ
ブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン
(W)等を用い、合金の(110)方位のエピタキシャ
ルバッファー層としては、前記体心立方晶金属より選ば
れた2種類以上の金属か、又はこれら金属とFeもしく
はCrとよりなる合金等が選択できる。
うに、単結晶基板、体心方位晶金属もしくはその合金の
(110)方位のエピタキシャルバッファー層、(11
0)方位のエピタキシャルFe/Cr人工格子膜より構
成された磁気抵抗効果素子であって、Fe/Cr人工格
子膜の(110)面内において、〈100〉方向に稜を
持ち、側面が{100}面により構成された屋根型のフ
ァセット列が、〈110〉方向に連なって並んだ構造を
有することを特徴とした磁気抵抗効果素子である。(1
10)方位のエピタキシャルバッファー層は二層以上よ
り構成されていてもよい。さらに、屋根型のファセット
の大きさとしては、最表面に現れた〈110〉方向のフ
ァセット幅が、5〜30nmの範囲にあり、ファセット幅
のばらつきが、±50%以内でなければならない。以上
のような構造を実現するために、例えば、単結晶基板と
してはサファイヤ(11−20)基板をはじめとした
(110)方位のエピタキシャルバッファー層が成長可
能な単結晶基板が用いられ、体心立方晶金属の(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層としては、体心
立方晶金属のバナジウム(V)、ニオブ(Nb)、モリ
ブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン
(W)等を用い、合金の(110)方位のエピタキシャ
ルバッファー層としては、前記体心立方晶金属より選ば
れた2種類以上の金属か、又はこれら金属とFeもしく
はCrとよりなる合金等が選択できる。
【0006】エピタキシャルバッファー層として、前記
のエピタキシャルバッファー層上にCr膜を形成した二
層構造とすると、バッファー層とFe/Cr人工格子と
の間の格子ミスマッチが低減できるために好適である。
のエピタキシャルバッファー層上にCr膜を形成した二
層構造とすると、バッファー層とFe/Cr人工格子と
の間の格子ミスマッチが低減できるために好適である。
【0007】なお磁気抵抗変化率ならびに磁気抵抗の飽
和磁場は、以下の実施例において示すように、Fe/C
r人工格子膜のCr膜厚に対して、振動的に変化する。
磁気抵抗変化率のピーク位置のCr膜厚と飽和磁場のピ
ーク位置のCr膜厚とは一致するので、用途によって、
磁気抵抗変化率と飽和磁場とがバランスするようにCr
膜厚を決めることが望ましい。
和磁場は、以下の実施例において示すように、Fe/C
r人工格子膜のCr膜厚に対して、振動的に変化する。
磁気抵抗変化率のピーク位置のCr膜厚と飽和磁場のピ
ーク位置のCr膜厚とは一致するので、用途によって、
磁気抵抗変化率と飽和磁場とがバランスするようにCr
膜厚を決めることが望ましい。
【0008】
【作用】ジャーナル アプライド フィジクス(J.A
ppl.Phys.)第73巻3922頁(1993
年)に述べられている(110)方位のFe/Cr人工
格子は、Ge(110)単結晶基板上に、分子線エピタ
キシャル成長法により作製され、〈100〉方向に稜を
持ち、側面が{100}面により構成された屋根型のフ
ァセット列が、〈110〉方向に連なって並んだ微細構
造を有するが、屋根型ファセットの大きさは、その〈1
10〉方向のファセットの幅が10〜50nmでばらつき
が大きい。〈100〉方向と屋根型ファセットの稜方向
が平行であるから、屋根型ファセットの形状磁気異方性
により、〈100〉方向が磁化容易軸、〈110〉方向
が磁化困難軸になり、このために〈100〉方向に磁場
を印加したときの磁気抵抗の飽和磁場が小さくなる。し
かしながら、屋根型ファセットの幅のばらつきが大きい
ために、この屋根型ファセットの(形状磁気異方性に基
づく)磁気異方性エネルギーに分布が生じ、磁気抵抗の
飽和磁場が、500Oe程度までにしか低下しないもの
と思われる。屋根型ファセット幅のばらつきの原因は、
Fe/Cr人工格子膜の成長初期の核成長が均一に起こ
らないためであると考えられる。これはおそらく、Fe
あるいはCrと基板材料であるGeとが不均一な合金化
反応を起こしていることに起因するものと思われる。
ppl.Phys.)第73巻3922頁(1993
年)に述べられている(110)方位のFe/Cr人工
格子は、Ge(110)単結晶基板上に、分子線エピタ
キシャル成長法により作製され、〈100〉方向に稜を
持ち、側面が{100}面により構成された屋根型のフ
ァセット列が、〈110〉方向に連なって並んだ微細構
造を有するが、屋根型ファセットの大きさは、その〈1
10〉方向のファセットの幅が10〜50nmでばらつき
が大きい。〈100〉方向と屋根型ファセットの稜方向
が平行であるから、屋根型ファセットの形状磁気異方性
により、〈100〉方向が磁化容易軸、〈110〉方向
が磁化困難軸になり、このために〈100〉方向に磁場
を印加したときの磁気抵抗の飽和磁場が小さくなる。し
かしながら、屋根型ファセットの幅のばらつきが大きい
ために、この屋根型ファセットの(形状磁気異方性に基
づく)磁気異方性エネルギーに分布が生じ、磁気抵抗の
飽和磁場が、500Oe程度までにしか低下しないもの
と思われる。屋根型ファセット幅のばらつきの原因は、
Fe/Cr人工格子膜の成長初期の核成長が均一に起こ
らないためであると考えられる。これはおそらく、Fe
あるいはCrと基板材料であるGeとが不均一な合金化
反応を起こしていることに起因するものと思われる。
【0009】これに対して本発明の磁気抵抗効果素子
は、基板とFe/Cr人工格子との間に金属のエピタキ
シャルバッファー層を、しかも(110)方位のFe/
Cr人工格子を成長させるのに適した体心立方晶(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層を設けたため
に、Fe/Cr人工格子の成長初期段階における核成長
が均一になり、出現する屋根型ファセット幅のばらつき
を±50%以内に制御できるようになった。なお屋根型
のファセット幅は、Fe/Cr人工格子の成長温度と成
長速度で制御することができる。
は、基板とFe/Cr人工格子との間に金属のエピタキ
シャルバッファー層を、しかも(110)方位のFe/
Cr人工格子を成長させるのに適した体心立方晶(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層を設けたため
に、Fe/Cr人工格子の成長初期段階における核成長
が均一になり、出現する屋根型ファセット幅のばらつき
を±50%以内に制御できるようになった。なお屋根型
のファセット幅は、Fe/Cr人工格子の成長温度と成
長速度で制御することができる。
【0010】この様な単結晶のFe/Cr人工格子膜の
成長にあたっては、超高真空下におけるいわゆる分子線
エピタキシー法によるエピタキシャル成長が不可避であ
る。エピタキシャル成長には、少なくとも基板あるいは
下地バッファー層とこの上に成長させる材料との間に、
類似の結晶対称性と格子ミスマッチの小さいことが要求
される。一方、GeやSiのように、Fe、Cr等の遷
移金属と化学反応性の高い物質の基板は、規則正しい屋
根型ファセット構造を形成するのが困難であったり、作
製条件の余裕度が制限されるなどの問題を持っている。
したがって、Fe/Cr人工格子膜の成長にあたって
は、結晶対称性や格子ミスマッチ、成長物質との化学反
応性等を考慮して選定する必要がある。特開平4−20
0748号公報において、エピタキシャルFe/Cr人
工格子膜の形成に適した基板ならびにバッファー層とし
て、サファイヤ基板及び体心立方晶金属M(M=V、C
r、Nb、Mo、Ta、W)、または該体心立方晶金属
Mより選ばれた2種類以上の金属からなる体心立方晶の
合金、または、FeあるいはCrと該体心立方晶金属M
からなる体心立方晶の合金のエピタキシャルバッファー
層の組み合わせが知られている。ここで、エピタキシャ
ルバッファー層を二層構造とし、下層を体心立方晶金属
M(M=V、Cr、Nb、Mo、Ta、W)、または該
体心立方晶金属Mより選ばれた2種類以上の金属からな
る体心立方晶の合金、または、FeあるいはCrと該体
心立方晶金属Mからなる体心立方晶の合金、上層をCr
とすることによって、(バッファー層とFe/Cr人工
格子との間の格子ミスマッチが低減できるため)Crバ
ッファー上層がない場合よりも高品質のエピタキシャル
Fe/Cr人工格子が成長可能であることが知られてい
る。
成長にあたっては、超高真空下におけるいわゆる分子線
エピタキシー法によるエピタキシャル成長が不可避であ
る。エピタキシャル成長には、少なくとも基板あるいは
下地バッファー層とこの上に成長させる材料との間に、
類似の結晶対称性と格子ミスマッチの小さいことが要求
される。一方、GeやSiのように、Fe、Cr等の遷
移金属と化学反応性の高い物質の基板は、規則正しい屋
根型ファセット構造を形成するのが困難であったり、作
製条件の余裕度が制限されるなどの問題を持っている。
したがって、Fe/Cr人工格子膜の成長にあたって
は、結晶対称性や格子ミスマッチ、成長物質との化学反
応性等を考慮して選定する必要がある。特開平4−20
0748号公報において、エピタキシャルFe/Cr人
工格子膜の形成に適した基板ならびにバッファー層とし
て、サファイヤ基板及び体心立方晶金属M(M=V、C
r、Nb、Mo、Ta、W)、または該体心立方晶金属
Mより選ばれた2種類以上の金属からなる体心立方晶の
合金、または、FeあるいはCrと該体心立方晶金属M
からなる体心立方晶の合金のエピタキシャルバッファー
層の組み合わせが知られている。ここで、エピタキシャ
ルバッファー層を二層構造とし、下層を体心立方晶金属
M(M=V、Cr、Nb、Mo、Ta、W)、または該
体心立方晶金属Mより選ばれた2種類以上の金属からな
る体心立方晶の合金、または、FeあるいはCrと該体
心立方晶金属Mからなる体心立方晶の合金、上層をCr
とすることによって、(バッファー層とFe/Cr人工
格子との間の格子ミスマッチが低減できるため)Crバ
ッファー上層がない場合よりも高品質のエピタキシャル
Fe/Cr人工格子が成長可能であることが知られてい
る。
【0011】(110)方位のエピタキシャルバッファ
ー層上に、(110)方位のFe/Cr人工格子を成長
させる場合、基板温度を300℃以下、成長速度を2nm
/秒以下にすると、表面における〈110〉方向の原子
の移動が抑制される結果、〈100〉方向に稜を持ち、
側面が{100}面により構成された屋根型のファセッ
トが〈110〉方向に並んだ微細構造ができる。ただ
し、表面における原子の移動距離に異方性が生ずる原因
は今のところ良くわかっていない。本発明の磁気抵抗効
果素子は、高品質で平坦な表面を有する(110)方位
のエピタキシャルバッファー層上に(110)方位のF
e/Cr人工格子膜を成長させるため、その成長初期に
おいて均一な核生成が可能で、Fe/Cr人工格子膜の
成長にともなって形成される屋根型のファセットは、そ
の〈110〉方向の幅が均一に揃ったものになる。屋根
型ファセットの平均的な幅は、Fe/Cr人工格子の成
長温度と成長速度で決まる。例えば、成長速度が0.0
1nm/秒の場合、基板温度が300℃から100℃に低
下するにしたがって、屋根型のファセット幅は50nmか
ら10nmに小さくなる。このとき屋根型ファセット幅の
ばらつきは、いずれの成長温度においても、±50%以
内である。屋根型ファセットにより、稜方向、すなわち
〈100〉方向が磁化容易軸になり、ファセットの整列
方向、すなわち〈110〉方向が磁化困難軸となるため
に、磁気抵抗の飽和磁場は、〈100〉方向に磁場を印
加したとき小さくなる。〈100〉方向の飽和磁場の大
きさは、屋根型ファセットの幅に依存し、屋根型ファセ
ット幅が5〜30nmで、そのばらつきが±50%以内の
場合に磁気抵抗の飽和磁場が500Oe以下になる。
ー層上に、(110)方位のFe/Cr人工格子を成長
させる場合、基板温度を300℃以下、成長速度を2nm
/秒以下にすると、表面における〈110〉方向の原子
の移動が抑制される結果、〈100〉方向に稜を持ち、
側面が{100}面により構成された屋根型のファセッ
トが〈110〉方向に並んだ微細構造ができる。ただ
し、表面における原子の移動距離に異方性が生ずる原因
は今のところ良くわかっていない。本発明の磁気抵抗効
果素子は、高品質で平坦な表面を有する(110)方位
のエピタキシャルバッファー層上に(110)方位のF
e/Cr人工格子膜を成長させるため、その成長初期に
おいて均一な核生成が可能で、Fe/Cr人工格子膜の
成長にともなって形成される屋根型のファセットは、そ
の〈110〉方向の幅が均一に揃ったものになる。屋根
型ファセットの平均的な幅は、Fe/Cr人工格子の成
長温度と成長速度で決まる。例えば、成長速度が0.0
1nm/秒の場合、基板温度が300℃から100℃に低
下するにしたがって、屋根型のファセット幅は50nmか
ら10nmに小さくなる。このとき屋根型ファセット幅の
ばらつきは、いずれの成長温度においても、±50%以
内である。屋根型ファセットにより、稜方向、すなわち
〈100〉方向が磁化容易軸になり、ファセットの整列
方向、すなわち〈110〉方向が磁化困難軸となるため
に、磁気抵抗の飽和磁場は、〈100〉方向に磁場を印
加したとき小さくなる。〈100〉方向の飽和磁場の大
きさは、屋根型ファセットの幅に依存し、屋根型ファセ
ット幅が5〜30nmで、そのばらつきが±50%以内の
場合に磁気抵抗の飽和磁場が500Oe以下になる。
【0012】
【実施例】以下本発明について実施例を用いて説明す
る。
る。
【0013】図1は、本発明の磁気抵抗効果素子の模式
図である。図1(a)では、単結晶基板1上に、体心立
方晶金属あるいは合金の(110)方位のエピタキシャ
ルバッファー層2が形成され、この上に、Fe層3とC
r層4が交互にエピタキシャル成長した(110)方位
のエピタキシャルFe/Cr人工格子膜より構成され、
Fe/Cr人工格子が、(110)面内において、〈1
00〉方向に稜を持ち、側面が{100}面により構成
された屋根型のファセット列が、〈110〉方向に連な
って並んだ構造を有する磁気抵抗効果素子薄膜である。
ここで、屋根型のファセットの大きさとしては、最表面
に現れた〈110〉方向のファセット幅が、5〜30ナ
ノメーター(nm)の範囲内にあり、ファセット幅のばら
つきが、±50%以内である。図1(b)では、(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層は二層により構
成され、上層が(110)方位のCrバッファー層であ
ることを除けば、図1(a)と構成は同じである。
図である。図1(a)では、単結晶基板1上に、体心立
方晶金属あるいは合金の(110)方位のエピタキシャ
ルバッファー層2が形成され、この上に、Fe層3とC
r層4が交互にエピタキシャル成長した(110)方位
のエピタキシャルFe/Cr人工格子膜より構成され、
Fe/Cr人工格子が、(110)面内において、〈1
00〉方向に稜を持ち、側面が{100}面により構成
された屋根型のファセット列が、〈110〉方向に連な
って並んだ構造を有する磁気抵抗効果素子薄膜である。
ここで、屋根型のファセットの大きさとしては、最表面
に現れた〈110〉方向のファセット幅が、5〜30ナ
ノメーター(nm)の範囲内にあり、ファセット幅のばら
つきが、±50%以内である。図1(b)では、(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層は二層により構
成され、上層が(110)方位のCrバッファー層であ
ることを除けば、図1(a)と構成は同じである。
【0014】本発明の実施にあたっては図2に示した超
高真空蒸着装置を用いて行った。図2の蒸着装置の真空
チャンバー内には鉄とクロムを充填した2つの電子ビー
ム蒸着源6a、6b、及びバッファー層用の金属あるい
は合金を充填した電子ビーム蒸着源6c、単結晶基板を
マウントした基板ホルダ7、基板加熱用ヒータ8、3つ
の電子ビーム蒸着源の蒸着速度をモニターするための水
晶振動子膜厚計9a、9b、9c、3つの蒸着源から出
た分子線束の開閉を行うためのシャッタ10a、10
b、10c、真空ゲージ11、単結晶基板上に成長した
バッファー層及びFe層とCr層の表面構造評価を行う
ための反射高速電子線回折(RHEED)用の電子銃1
2、及び蛍光スクリーン13を備え、ゲートバルブ14
をとおしてクライオポンプ15により真空排気される。
超高真空を得るためにチャンバーの外周にはヒータがと
りつけられ、ベーキングができるようになっている。到
達真空度は1×10-10 トール、蒸着時の真空度は、1
0-9トール台であった。
高真空蒸着装置を用いて行った。図2の蒸着装置の真空
チャンバー内には鉄とクロムを充填した2つの電子ビー
ム蒸着源6a、6b、及びバッファー層用の金属あるい
は合金を充填した電子ビーム蒸着源6c、単結晶基板を
マウントした基板ホルダ7、基板加熱用ヒータ8、3つ
の電子ビーム蒸着源の蒸着速度をモニターするための水
晶振動子膜厚計9a、9b、9c、3つの蒸着源から出
た分子線束の開閉を行うためのシャッタ10a、10
b、10c、真空ゲージ11、単結晶基板上に成長した
バッファー層及びFe層とCr層の表面構造評価を行う
ための反射高速電子線回折(RHEED)用の電子銃1
2、及び蛍光スクリーン13を備え、ゲートバルブ14
をとおしてクライオポンプ15により真空排気される。
超高真空を得るためにチャンバーの外周にはヒータがと
りつけられ、ベーキングができるようになっている。到
達真空度は1×10-10 トール、蒸着時の真空度は、1
0-9トール台であった。
【0015】磁気抵抗は、リソグラフィーにより作製し
たパターンを用い、室温で、5kOeまでの磁場中で直
流4端子法により測定した。端子の取り出しはアルミニ
ウムワイヤを超音波ボンディングにより行った。
たパターンを用い、室温で、5kOeまでの磁場中で直
流4端子法により測定した。端子の取り出しはアルミニ
ウムワイヤを超音波ボンディングにより行った。
【0016】(実施例1)(110)方位の体心立方晶
Fe/Cr人工格子を成長させるためには、その対称性
から判断して、(上述したように)少なくとも体心立方
晶のエピタキシャルバッファー層とこれを成長させるこ
とのできる基板材料の選択が必要である。体心立方晶の
金属で、取扱いが容易な単体の金属としては、V、C
r、Fe、Nb、Mo、Ta、Wしかない。そこでこれ
らの単体金属あるいはこれら金属の合金で(110)方
位のエピタキシャル膜の成長できる基板材料について調
べたところ表1に示したような結果が得られた。エピタ
キシャル膜の成長面についてはRHEED及びX線回折
により評価した。なお用いた金属母材の純度は、99.
9〜99.999%、蒸着速度は、0.01〜0.03
nm/秒、基板温度は、350〜1100℃の範囲で調べ
た(表1には、(110)方位のエピタキシャル膜が得
られた場合、その時の成長温度を記した)。表1のエピ
タキシャル膜判定の欄で、○印は、(110)方位のエ
ピタキシャル金属膜が得られたこと、また×印は、多結
晶膜あるいは配向膜となったことを表している。またバ
ッファー層の膜厚は、1〜200nmまで変えて調べたが
結果は同じであった。表1からわかるように、特開平4
−200748号公報に記載されているサファイヤ(1
1−20)基板上の金属M(M=V、Nb、Mo、T
a、W)以外に、MgO(110)、SrTiO3 (1
10)、LiNbO3 (11−20)、LiTaO
3 (11−20)、水晶(11−20)基板上のV、C
r、Feやバルク単結晶のV(110)、Nb(11
0)、Mo(110)、Ta(110)、W(110)
上の金属MやFe、Crあるいはこれら金属の合金との
組み合わせにおいて、体心立方晶の(110)方位のエ
ピタキシャルバッファー層を得ることができる。
Fe/Cr人工格子を成長させるためには、その対称性
から判断して、(上述したように)少なくとも体心立方
晶のエピタキシャルバッファー層とこれを成長させるこ
とのできる基板材料の選択が必要である。体心立方晶の
金属で、取扱いが容易な単体の金属としては、V、C
r、Fe、Nb、Mo、Ta、Wしかない。そこでこれ
らの単体金属あるいはこれら金属の合金で(110)方
位のエピタキシャル膜の成長できる基板材料について調
べたところ表1に示したような結果が得られた。エピタ
キシャル膜の成長面についてはRHEED及びX線回折
により評価した。なお用いた金属母材の純度は、99.
9〜99.999%、蒸着速度は、0.01〜0.03
nm/秒、基板温度は、350〜1100℃の範囲で調べ
た(表1には、(110)方位のエピタキシャル膜が得
られた場合、その時の成長温度を記した)。表1のエピ
タキシャル膜判定の欄で、○印は、(110)方位のエ
ピタキシャル金属膜が得られたこと、また×印は、多結
晶膜あるいは配向膜となったことを表している。またバ
ッファー層の膜厚は、1〜200nmまで変えて調べたが
結果は同じであった。表1からわかるように、特開平4
−200748号公報に記載されているサファイヤ(1
1−20)基板上の金属M(M=V、Nb、Mo、T
a、W)以外に、MgO(110)、SrTiO3 (1
10)、LiNbO3 (11−20)、LiTaO
3 (11−20)、水晶(11−20)基板上のV、C
r、Feやバルク単結晶のV(110)、Nb(11
0)、Mo(110)、Ta(110)、W(110)
上の金属MやFe、Crあるいはこれら金属の合金との
組み合わせにおいて、体心立方晶の(110)方位のエ
ピタキシャルバッファー層を得ることができる。
【0017】
【表1】
【0018】表1において(110)方位のエピタキシ
ャル金属膜の得られた基板材料では、以下に述べる結果
に顕著な差はみられなかったので、以下の実施例におい
ては、図1(a)の、単結晶基板1として、サファイヤ
(11−20)、体心立方晶金属あるいは合金の(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層2として、体心
立方晶金属M(M=V、Nb、Mo、Ta、W)、また
は該体心立方晶金属Mより選ばれた2種類以上の金属か
らなる体心立方晶の合金、または、FeあるいはCrと
該体心立方晶金属Mとよりなる体心立方晶の合金、につ
いて具体的に説明する。
ャル金属膜の得られた基板材料では、以下に述べる結果
に顕著な差はみられなかったので、以下の実施例におい
ては、図1(a)の、単結晶基板1として、サファイヤ
(11−20)、体心立方晶金属あるいは合金の(11
0)方位のエピタキシャルバッファー層2として、体心
立方晶金属M(M=V、Nb、Mo、Ta、W)、また
は該体心立方晶金属Mより選ばれた2種類以上の金属か
らなる体心立方晶の合金、または、FeあるいはCrと
該体心立方晶金属Mとよりなる体心立方晶の合金、につ
いて具体的に説明する。
【0019】一方、図1(b)に関しては、単結晶基板
1として、サファイヤ(11−20)、二層エピタキシ
ャルバッファー層のうち、下層のバッファー層として、
体心立方晶金属M(M=V、Nb、Mo、Ta、W)、
または該体心立方晶金属より選ばれた2種類以上からな
る合金、または、FeあるいはCrと該体心立方晶金属
Mからなる合金で、上層がCrエピタキシャルバッファ
ー層5とした場合の実施例について具体的に説明する。
1として、サファイヤ(11−20)、二層エピタキシ
ャルバッファー層のうち、下層のバッファー層として、
体心立方晶金属M(M=V、Nb、Mo、Ta、W)、
または該体心立方晶金属より選ばれた2種類以上からな
る合金、または、FeあるいはCrと該体心立方晶金属
Mからなる合金で、上層がCrエピタキシャルバッファ
ー層5とした場合の実施例について具体的に説明する。
【0020】(実施例2)(110)方位のエピタキシ
ャルバッファー層とこの上に成長させたエピタキシャル
Fe/Cr人工格子膜の成長面の関係について述べる。
実験の結果、V、Nb、Mo、Ta、Wのいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた2種類の金属から
なる体心立方晶の合金、または、FeあるいはCrと
V、Nb、Mo、Ta、Wよりなる体心立方晶の合金の
エピタキシャルバッファー層としての効果に特に大きな
違いがみられなかったことから以下の実施例では主に、
Nb(110)バッファー層上のFe/Cr人工格子膜
を例に説明する。
ャルバッファー層とこの上に成長させたエピタキシャル
Fe/Cr人工格子膜の成長面の関係について述べる。
実験の結果、V、Nb、Mo、Ta、Wのいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた2種類の金属から
なる体心立方晶の合金、または、FeあるいはCrと
V、Nb、Mo、Ta、Wよりなる体心立方晶の合金の
エピタキシャルバッファー層としての効果に特に大きな
違いがみられなかったことから以下の実施例では主に、
Nb(110)バッファー層上のFe/Cr人工格子膜
を例に説明する。
【0021】膜厚10nmのNb(110)バッファー膜
を基板温度900℃、成長速度0.01nm/秒でサファ
イヤ(11−20)単結晶基板上に成長させ、このNb
(110)バッファー層上のFe/Cr人工格子のエピ
タキシャル関係について、RHEED及びX線回折によ
り評価した。なお用いたNb、Fe、Crの母材の純度
はそれぞれ、99.99%、99.999%、99.9
%であった。表1に示したように、サファイヤ(11−
20)基板上にはNb(110)膜がエピタキシャル成
長し、 サファイヤ(11−20)面‖Nb(110)面 サファイヤ[0001]軸‖Nb[−111]軸 で与えられるエピタキシャル関係を持っている。このN
b(110)バッファー層上に、成長速度を0.02nm
/秒、基板温度を室温から350℃の範囲で変えて、3
nmのFeと3nmのCrを20回積層させた人工格子(以
下[Fe(3nm)/Cr(3nm)]20と記す)を成長さ
せた。得られたFe/Cr人工格子のRHEEDパター
ンは、基本的には基板温度には依存せず、図3(a)、
(b)のようになった。ここで(a)は、電子線を[1
00]方向より入射した場合のRHEEDパターンの模
式図、(b)は、電子線を[110]方向より入射した
ときのRHEEDパターンの模式図である。図3のRH
EEDパターンから、まずFe/Cr人工格子はNb
(110)バッファー層上にエピタキシャル成長し、 Nb(110)面‖Fe/Cr人工格子(110)面 Nb[−111]軸‖Fe/Cr人工格子[−111]
軸 で与えられるエピタキシャル関係を持っていること、そ
して、図1で示すように、〈100〉方向に稜を持ち、
側面が{100}面により構成された屋根型のファセッ
ト列が〈110〉方向に並んだ微細構造ができているこ
とがわかる。Nb(110)バッファー層に対するエピ
タキシャル関係ならびに屋根型ファセット微細構造は、
人工格子の成長順序に無関係で、Feから成長を始めよ
うがCrから成長を始めようが結果に違いは認められな
かった。
を基板温度900℃、成長速度0.01nm/秒でサファ
イヤ(11−20)単結晶基板上に成長させ、このNb
(110)バッファー層上のFe/Cr人工格子のエピ
タキシャル関係について、RHEED及びX線回折によ
り評価した。なお用いたNb、Fe、Crの母材の純度
はそれぞれ、99.99%、99.999%、99.9
%であった。表1に示したように、サファイヤ(11−
20)基板上にはNb(110)膜がエピタキシャル成
長し、 サファイヤ(11−20)面‖Nb(110)面 サファイヤ[0001]軸‖Nb[−111]軸 で与えられるエピタキシャル関係を持っている。このN
b(110)バッファー層上に、成長速度を0.02nm
/秒、基板温度を室温から350℃の範囲で変えて、3
nmのFeと3nmのCrを20回積層させた人工格子(以
下[Fe(3nm)/Cr(3nm)]20と記す)を成長さ
せた。得られたFe/Cr人工格子のRHEEDパター
ンは、基本的には基板温度には依存せず、図3(a)、
(b)のようになった。ここで(a)は、電子線を[1
00]方向より入射した場合のRHEEDパターンの模
式図、(b)は、電子線を[110]方向より入射した
ときのRHEEDパターンの模式図である。図3のRH
EEDパターンから、まずFe/Cr人工格子はNb
(110)バッファー層上にエピタキシャル成長し、 Nb(110)面‖Fe/Cr人工格子(110)面 Nb[−111]軸‖Fe/Cr人工格子[−111]
軸 で与えられるエピタキシャル関係を持っていること、そ
して、図1で示すように、〈100〉方向に稜を持ち、
側面が{100}面により構成された屋根型のファセッ
ト列が〈110〉方向に並んだ微細構造ができているこ
とがわかる。Nb(110)バッファー層に対するエピ
タキシャル関係ならびに屋根型ファセット微細構造は、
人工格子の成長順序に無関係で、Feから成長を始めよ
うがCrから成長を始めようが結果に違いは認められな
かった。
【0022】 (実施例3)サファイヤ(11−20)
基板上のNb(110)バッファー(膜厚1nm)上に、
ならびに比較例として、バッファー層無しのGe(11
0)基板上に、成長温度200℃、成長速度0.02nm
/秒で成長させた[Fe(3nm)/Cr(1nm)]30人
工格子について、〈100〉軸ならびに〈110〉軸に
垂直な面でサンプル断面の薄片をイオン研磨法により作
製し、透過電子顕微鏡により観察した。本発明のサファ
イヤ(11−20)基板上のFe/Cr人工格子膜につ
いて、〈100〉軸及び〈110〉軸に垂直な断面の透
過電子顕微鏡(TEM)像の模式図を、それぞれ図4の
(a)、(b)に、また比較例のGe(110)基板上
のFe/Cr人工格子膜について、〈100〉軸及び
〈110〉軸に垂直な断面TEM像の模式図を、それぞ
れ図4の(c)、(d)に示す。いずれの人工格子にお
いても〈100〉軸に垂直な断面のTEM像では、のこ
ぎり状の表面形状が観察されるのに対し、〈110〉軸
に垂直な断面のTEM像では、平坦な表面形状が観察さ
れることから、図1に示したような、〈100〉方向に
稜を持ち、側面が{100}面により構成された屋根型
のファセット列が〈110〉方向に連なって並んだ微細
構造ができていることが確認できる。しかし、図4の
(a)と(c)を比べると明らかなように、屋根型ファ
セットの幅は、前者においては良く揃っているのに対
し、後者においては不揃いである。そこで両者につい
て、〈100〉軸に垂直な断面の試料片を多数作り、T
EMより、ひとつひとつの屋根型のファセットの幅を測
定し、ヒストグラムにしたのが図5である。図5から明
らかなように、本発明のサファイヤ(11−20)基板
上のFe/Cr人工格子の屋根型ファセット幅は、良く
揃っており、そのばらつきは、±50%以内に収まって
いる(図5(a))のに対し、比較例のGe(110)
基板上のFe/Cr人工格子の屋根型ファセット幅のば
らつきは非常に大きい(図5(b))ことがわかる。
基板上のNb(110)バッファー(膜厚1nm)上に、
ならびに比較例として、バッファー層無しのGe(11
0)基板上に、成長温度200℃、成長速度0.02nm
/秒で成長させた[Fe(3nm)/Cr(1nm)]30人
工格子について、〈100〉軸ならびに〈110〉軸に
垂直な面でサンプル断面の薄片をイオン研磨法により作
製し、透過電子顕微鏡により観察した。本発明のサファ
イヤ(11−20)基板上のFe/Cr人工格子膜につ
いて、〈100〉軸及び〈110〉軸に垂直な断面の透
過電子顕微鏡(TEM)像の模式図を、それぞれ図4の
(a)、(b)に、また比較例のGe(110)基板上
のFe/Cr人工格子膜について、〈100〉軸及び
〈110〉軸に垂直な断面TEM像の模式図を、それぞ
れ図4の(c)、(d)に示す。いずれの人工格子にお
いても〈100〉軸に垂直な断面のTEM像では、のこ
ぎり状の表面形状が観察されるのに対し、〈110〉軸
に垂直な断面のTEM像では、平坦な表面形状が観察さ
れることから、図1に示したような、〈100〉方向に
稜を持ち、側面が{100}面により構成された屋根型
のファセット列が〈110〉方向に連なって並んだ微細
構造ができていることが確認できる。しかし、図4の
(a)と(c)を比べると明らかなように、屋根型ファ
セットの幅は、前者においては良く揃っているのに対
し、後者においては不揃いである。そこで両者につい
て、〈100〉軸に垂直な断面の試料片を多数作り、T
EMより、ひとつひとつの屋根型のファセットの幅を測
定し、ヒストグラムにしたのが図5である。図5から明
らかなように、本発明のサファイヤ(11−20)基板
上のFe/Cr人工格子の屋根型ファセット幅は、良く
揃っており、そのばらつきは、±50%以内に収まって
いる(図5(a))のに対し、比較例のGe(110)
基板上のFe/Cr人工格子の屋根型ファセット幅のば
らつきは非常に大きい(図5(b))ことがわかる。
【0023】(実施例4)(110)方位のFe/Cr
人工格子に形成される屋根型ファセットの〈110〉方
向のファセット幅と人工格子の成長温度との関係を調べ
た。10nmのNb(110)エピタキシャルバッファー
層上に、成長速度を0.02nm/秒で、成長温度を変え
て、[Fe(4nm)/Cr(2nm)]30人工格子を成長
させ、走査型電子顕微鏡により〈110〉方向の屋根型
ファセットの幅を測定した。〈110〉方向の屋根型フ
ァセットの幅はFe/Cr人工格子の成長温度に依存
し、図6に示したように、成長温度の上昇にともなって
増大する。成長温度が300℃以上では、(図6に挿入
図として示したように)屋根型よりはむしろ台形型の形
状をとるようになり、ファセット幅は急激に増大する。
なお、〈110〉方向の屋根型ファセット幅のばらつき
は、いずれの場合も±50%以内に収まっている。
人工格子に形成される屋根型ファセットの〈110〉方
向のファセット幅と人工格子の成長温度との関係を調べ
た。10nmのNb(110)エピタキシャルバッファー
層上に、成長速度を0.02nm/秒で、成長温度を変え
て、[Fe(4nm)/Cr(2nm)]30人工格子を成長
させ、走査型電子顕微鏡により〈110〉方向の屋根型
ファセットの幅を測定した。〈110〉方向の屋根型フ
ァセットの幅はFe/Cr人工格子の成長温度に依存
し、図6に示したように、成長温度の上昇にともなって
増大する。成長温度が300℃以上では、(図6に挿入
図として示したように)屋根型よりはむしろ台形型の形
状をとるようになり、ファセット幅は急激に増大する。
なお、〈110〉方向の屋根型ファセット幅のばらつき
は、いずれの場合も±50%以内に収まっている。
【0024】(実施例5)(110)方位のFe/Cr
人工格子の成長に際し、成長速度の屋根型ファセット成
長に及ぼす影響について述べる。Nb(110)バッフ
ァー層上に、[Fe(3.2nm)/Cr(0.9nm)]
20人工格子を成長させた。このとき、成長温度を200
℃で一定とし、成長速度を0.005nm/秒〜5.0nm
/秒の範囲内で変化させ、屋根型ファセット成長の有無
(ファセット成長が認められれば、そのファセット幅)
を調べた。その結果を表2に示す。表2より、成長温度
が200℃の場合、成長速度が2.0nm/秒以下であれ
ば、屋根型のファセット成長が認められ、成長速度が小
さくなるにしたがって屋根型ファセット幅の大きさが大
きくなることがわかる。表2で、ファセット幅が〜0nm
ということは屋根型ファセットが成長しなかったことを
示す。
人工格子の成長に際し、成長速度の屋根型ファセット成
長に及ぼす影響について述べる。Nb(110)バッフ
ァー層上に、[Fe(3.2nm)/Cr(0.9nm)]
20人工格子を成長させた。このとき、成長温度を200
℃で一定とし、成長速度を0.005nm/秒〜5.0nm
/秒の範囲内で変化させ、屋根型ファセット成長の有無
(ファセット成長が認められれば、そのファセット幅)
を調べた。その結果を表2に示す。表2より、成長温度
が200℃の場合、成長速度が2.0nm/秒以下であれ
ば、屋根型のファセット成長が認められ、成長速度が小
さくなるにしたがって屋根型ファセット幅の大きさが大
きくなることがわかる。表2で、ファセット幅が〜0nm
ということは屋根型ファセットが成長しなかったことを
示す。
【0025】
【表2】
【0026】(実施例6)10nmのNb(110)バッ
ファー層上に成長温度200℃、成長速度0.01nm/
秒で成長させた[Fe(3nm)/Cr(1nm)]30人工
格子の面内の磁気異方性を振動型磁力計を用いて測定し
た。測定は室温で、最大5キロエルステッドの磁場を、
〈100〉及び〈110〉方向に印加した。図7に、磁
場を〈100〉及び〈110〉方向に印加した場合の磁
化曲線を示すが、屋根型のファセット構造に基づく形状
磁気異方性のために、〈100〉軸が磁化容易軸、〈1
10〉軸が磁化困難軸になっていることがわかる。
ファー層上に成長温度200℃、成長速度0.01nm/
秒で成長させた[Fe(3nm)/Cr(1nm)]30人工
格子の面内の磁気異方性を振動型磁力計を用いて測定し
た。測定は室温で、最大5キロエルステッドの磁場を、
〈100〉及び〈110〉方向に印加した。図7に、磁
場を〈100〉及び〈110〉方向に印加した場合の磁
化曲線を示すが、屋根型のファセット構造に基づく形状
磁気異方性のために、〈100〉軸が磁化容易軸、〈1
10〉軸が磁化困難軸になっていることがわかる。
【0027】(実施例7)さらに、実施例6のサンプル
について、〈100〉方向に電流が流れるように抵抗測
定用の試料をフォトリソグラフィーにより作製し、室温
で、直流四端子法により磁気抵抗の測定を行った。なお
測定にあたっては、磁場を〈100〉方向に平行(電流
方向に平行)あるいは、〈110〉方向に平行(電流方
向に垂直)の配置で測定した。それぞれの磁気抵抗曲線
を図8に示す。図7の磁気異方性の差を反映して、〈1
00〉方向に磁場を印加した場合の、磁気抵抗が飽和す
る磁場の値は100Oeで、〈110〉方向の飽和磁場
3.4kOeに比べ小さくなっている。この場合、磁気
抵抗変化率は、いずれの方向に磁場を印加した場合とも
14%の値が得られている。ここで、磁気抵抗変化率
(%)は、磁場0のときの抵抗値R0 から磁気抵抗が飽
和したときの抵抗値Rs を差引いた値とRs との比 (R0 −Rs )×100/Rs である。このように、本発明による磁気抵抗効果素子
は、〈100〉方向に平行な稜を持つ屋根型ファセット
列が、〈110〉方向に連なって並んだ微細構造を有す
るために、磁場が〈100〉方向に印加されるような配
置におかれたとき、小さな飽和磁場で、10%を越える
磁気抵抗変化率が得られるものである。
について、〈100〉方向に電流が流れるように抵抗測
定用の試料をフォトリソグラフィーにより作製し、室温
で、直流四端子法により磁気抵抗の測定を行った。なお
測定にあたっては、磁場を〈100〉方向に平行(電流
方向に平行)あるいは、〈110〉方向に平行(電流方
向に垂直)の配置で測定した。それぞれの磁気抵抗曲線
を図8に示す。図7の磁気異方性の差を反映して、〈1
00〉方向に磁場を印加した場合の、磁気抵抗が飽和す
る磁場の値は100Oeで、〈110〉方向の飽和磁場
3.4kOeに比べ小さくなっている。この場合、磁気
抵抗変化率は、いずれの方向に磁場を印加した場合とも
14%の値が得られている。ここで、磁気抵抗変化率
(%)は、磁場0のときの抵抗値R0 から磁気抵抗が飽
和したときの抵抗値Rs を差引いた値とRs との比 (R0 −Rs )×100/Rs である。このように、本発明による磁気抵抗効果素子
は、〈100〉方向に平行な稜を持つ屋根型ファセット
列が、〈110〉方向に連なって並んだ微細構造を有す
るために、磁場が〈100〉方向に印加されるような配
置におかれたとき、小さな飽和磁場で、10%を越える
磁気抵抗変化率が得られるものである。
【0028】(実施例8)実施例3で示した、サファイ
ヤ(11−20)基板上、ならびにGe(110)基板
上の2種類の[Fe(3nm)/Cr(1nm)]30人工格
子について、実施例7に準じて、磁気抵抗を測定した。
〈100〉方向に磁場を印加したときの両者の磁気抵抗
曲線を図9に示す。(図9において、サファイヤ(11
−20)基板上のFe/Cr人工格子膜の方が、Ge
(110)基板上のそれよりも磁気抵抗変化率が小さい
のは、前者のサンプルでは、バッファー層による電流の
バイパスがあるからである。)実施例3に示したよう
に、両者の人工格子に形成される屋根型ファセットの
〈110〉方向の屋根型ファセット幅の最確値はほとん
ど等しいのにもかかわらず、ファセット幅のばらつき
は、本発明のサファイヤ(11−20)基板上に成長さ
せたFe/Cr人工格子では、±50%以内に収まって
いるのに対し、比較例のGe(110)基板上のそれで
は、非常に大きい。この違いを反映して、〈100〉方
向に磁場を印加した場合の磁気抵抗の飽和磁場の値が前
者の方が後者より小さい。すなわち、〈100〉方向の
飽和磁場の値を小さくするためには、〈110〉方向の
屋根型ファセット幅のばらつきが、±50%以内でなけ
ればならないことがわかる。
ヤ(11−20)基板上、ならびにGe(110)基板
上の2種類の[Fe(3nm)/Cr(1nm)]30人工格
子について、実施例7に準じて、磁気抵抗を測定した。
〈100〉方向に磁場を印加したときの両者の磁気抵抗
曲線を図9に示す。(図9において、サファイヤ(11
−20)基板上のFe/Cr人工格子膜の方が、Ge
(110)基板上のそれよりも磁気抵抗変化率が小さい
のは、前者のサンプルでは、バッファー層による電流の
バイパスがあるからである。)実施例3に示したよう
に、両者の人工格子に形成される屋根型ファセットの
〈110〉方向の屋根型ファセット幅の最確値はほとん
ど等しいのにもかかわらず、ファセット幅のばらつき
は、本発明のサファイヤ(11−20)基板上に成長さ
せたFe/Cr人工格子では、±50%以内に収まって
いるのに対し、比較例のGe(110)基板上のそれで
は、非常に大きい。この違いを反映して、〈100〉方
向に磁場を印加した場合の磁気抵抗の飽和磁場の値が前
者の方が後者より小さい。すなわち、〈100〉方向の
飽和磁場の値を小さくするためには、〈110〉方向の
屋根型ファセット幅のばらつきが、±50%以内でなけ
ればならないことがわかる。
【0029】(実施例9)実施例4で示した、(Fe/
Crの成長温度の違いによる)屋根型ファセット幅の異
なる試料について、〈100〉方向に磁場を印加した場
合の磁気抵抗の飽和磁場を測定した。その結果を表3に
示す。表3からわかるように、平均のファセット幅が、
5〜30nmの場合に磁気抵抗の飽和磁場が、500Oe
以下になる。
Crの成長温度の違いによる)屋根型ファセット幅の異
なる試料について、〈100〉方向に磁場を印加した場
合の磁気抵抗の飽和磁場を測定した。その結果を表3に
示す。表3からわかるように、平均のファセット幅が、
5〜30nmの場合に磁気抵抗の飽和磁場が、500Oe
以下になる。
【0030】
【表3】
【0031】(実施例10)実施例4で示した、(成長
速度の違いによる)屋根型ファセット幅の異なる試料に
ついて、〈100〉方向に磁場を印加した場合の磁気抵
抗の飽和磁場を測定した。その結果を表4に示す。表4
からわかるように、平均のファセット幅が、5〜30nm
の場合に磁気抵抗の飽和磁場が、500Oe以下にな
る。
速度の違いによる)屋根型ファセット幅の異なる試料に
ついて、〈100〉方向に磁場を印加した場合の磁気抵
抗の飽和磁場を測定した。その結果を表4に示す。表4
からわかるように、平均のファセット幅が、5〜30nm
の場合に磁気抵抗の飽和磁場が、500Oe以下にな
る。
【0032】
【表4】
【0033】以下、サファイヤ単結晶基板上のV、N
b、Mo、Ta、Wのいずれか、あるいは少なくともこ
の中から選ばれた2種類以上の金属からなる体心立方晶
の合金、または、FeあるいはCrとV、Nb、Mo、
Ta、Wよりなる体心立方晶の合金のエピタキシャルバ
ッファー層上に成長させたエピタキシャルFe/Cr人
工格子膜について、室温で磁気抵抗変化率と飽和磁場を
測定した実施例について具体的に説明する。
b、Mo、Ta、Wのいずれか、あるいは少なくともこ
の中から選ばれた2種類以上の金属からなる体心立方晶
の合金、または、FeあるいはCrとV、Nb、Mo、
Ta、Wよりなる体心立方晶の合金のエピタキシャルバ
ッファー層上に成長させたエピタキシャルFe/Cr人
工格子膜について、室温で磁気抵抗変化率と飽和磁場を
測定した実施例について具体的に説明する。
【0034】(実施例11)エピタキシャルバッファー
層の金属あるいは合金の種類を変え、Fe/Cr人工格
子のCr膜厚に対する、磁気抵抗変化率及び飽和磁場の
依存性を調べた。実験の結果、V、Nb、Mo、Ta、
Wのいずれか、あるいは少なくともこの中から選ばれた
2種類の金属からなる体心立方晶の合金、または、Fe
あるいはCrとV、Nb、Mo、Ta、Wよりなる体心
立方晶の合金のエピタキシャルバッファー層としての効
果に特に大きな違いがみられなかったことから以下で
は、V20Nb80バッファー層上のエピタキシャルFe/
Cr人工格子膜の実施例について説明する。(110)
方位のエピタキシャルバッファー層の膜厚は5nmとし、
成長温度850℃〜900℃、成長速度0.02nm/秒
の条件で成長させた。Fe/Cr人工格子は、Feの膜
厚を3nmとし、Cr膜厚を0.5nm〜4nmまで変えて、
基板温度200℃、成長速度0.02nm/秒で成長させ
た。磁気抵抗測定のパターンは、〈100〉方向と電流
方向が平行となるようにフォトリソグラフィーにより作
製し、磁場はこれと垂直、すなわち、〈110〉方向に
印加した。その結果を図10にまとめた。なお比較のた
め、Ge(110)基板上に同一成長条件で成長させた
(110)方位のFe/Cr人工格子の結果についても
示した。(Ge(110)基板上の比較例においては、
V20Nb80バッファー層を設けず、基板上に直接Fe/
Cr人工格子を成長させた。)本発明による磁気抵抗効
果素子は、従来のGe(110)基板上に作製されたF
e/Cr人工格子膜に比べ、磁気抵抗の飽和する磁場を
小さくすることができる。
層の金属あるいは合金の種類を変え、Fe/Cr人工格
子のCr膜厚に対する、磁気抵抗変化率及び飽和磁場の
依存性を調べた。実験の結果、V、Nb、Mo、Ta、
Wのいずれか、あるいは少なくともこの中から選ばれた
2種類の金属からなる体心立方晶の合金、または、Fe
あるいはCrとV、Nb、Mo、Ta、Wよりなる体心
立方晶の合金のエピタキシャルバッファー層としての効
果に特に大きな違いがみられなかったことから以下で
は、V20Nb80バッファー層上のエピタキシャルFe/
Cr人工格子膜の実施例について説明する。(110)
方位のエピタキシャルバッファー層の膜厚は5nmとし、
成長温度850℃〜900℃、成長速度0.02nm/秒
の条件で成長させた。Fe/Cr人工格子は、Feの膜
厚を3nmとし、Cr膜厚を0.5nm〜4nmまで変えて、
基板温度200℃、成長速度0.02nm/秒で成長させ
た。磁気抵抗測定のパターンは、〈100〉方向と電流
方向が平行となるようにフォトリソグラフィーにより作
製し、磁場はこれと垂直、すなわち、〈110〉方向に
印加した。その結果を図10にまとめた。なお比較のた
め、Ge(110)基板上に同一成長条件で成長させた
(110)方位のFe/Cr人工格子の結果についても
示した。(Ge(110)基板上の比較例においては、
V20Nb80バッファー層を設けず、基板上に直接Fe/
Cr人工格子を成長させた。)本発明による磁気抵抗効
果素子は、従来のGe(110)基板上に作製されたF
e/Cr人工格子膜に比べ、磁気抵抗の飽和する磁場を
小さくすることができる。
【0035】(実施例12)サファイヤ(11−20)
基板上のエピタキシャルバッファー層を2層構造とした
実施例について述べる。下層のエピタキシャルバッファ
ー層として、V、Nb、Mo、Ta、Wのいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた2種類以上の金属
からなる体心立方晶の合金、または、FeあるいはCr
とV、Nb、Mo、Ta、Wよりなる体心立方晶の合金
について検討したが、その効果に顕著な違いがみられな
かったことから、以下では、V50Mo50バッファー層上
に成長させた試料について説明する。エピタキシャルバ
ッファー層の上層はCrとし、以上の二層構造エピタキ
シャルバッファー層上に成長させたエピタキシャルFe
/Cr人工格子膜について、室温で磁気抵抗を測定した
実施例について述べる。ここで下層ならびに上層バッフ
ァー層の膜厚は、いずれも5nmとした。エピタキシャル
バッファー下層の成長温度、成長速度は、それぞれ95
0℃、0.01nm/秒、Crバッファー上層の成長温
度、成長速度はそれぞれ、400℃、0.02nm/秒と
した。Fe/Cr人工格子は、Feの膜厚を3nmとし、
Cr膜厚を0.5nm〜4nmまで変えて、基板温度150
℃、成長速度0.01nm/秒で成長させた。磁気抵抗測
定は、実施例11に準じて行った。なお比較のため、エ
ピタキシャルCrバッファー上層のない、10nmのV50
Mo50バッファー層上に、同一成長条件で成長させた
(110)方位のFe/Cr人工格子の結果についても
示した。得られた結果を図11に示す。図11に示すよ
うにバッファー層を二層とし、下層を体心立方晶のV50
Mo50合金、上層をCrとしたエピタキシャルFe/C
r人工格子は、バッファー層が単層のFe/Cr人工格
子(図10)と比べると、両者で磁気抵抗変化率に違い
は認められないものの、バッファー層を二層構造にする
ことによって、飽和磁場を小さくすることができる。
基板上のエピタキシャルバッファー層を2層構造とした
実施例について述べる。下層のエピタキシャルバッファ
ー層として、V、Nb、Mo、Ta、Wのいずれか、あ
るいは少なくともこの中から選ばれた2種類以上の金属
からなる体心立方晶の合金、または、FeあるいはCr
とV、Nb、Mo、Ta、Wよりなる体心立方晶の合金
について検討したが、その効果に顕著な違いがみられな
かったことから、以下では、V50Mo50バッファー層上
に成長させた試料について説明する。エピタキシャルバ
ッファー層の上層はCrとし、以上の二層構造エピタキ
シャルバッファー層上に成長させたエピタキシャルFe
/Cr人工格子膜について、室温で磁気抵抗を測定した
実施例について述べる。ここで下層ならびに上層バッフ
ァー層の膜厚は、いずれも5nmとした。エピタキシャル
バッファー下層の成長温度、成長速度は、それぞれ95
0℃、0.01nm/秒、Crバッファー上層の成長温
度、成長速度はそれぞれ、400℃、0.02nm/秒と
した。Fe/Cr人工格子は、Feの膜厚を3nmとし、
Cr膜厚を0.5nm〜4nmまで変えて、基板温度150
℃、成長速度0.01nm/秒で成長させた。磁気抵抗測
定は、実施例11に準じて行った。なお比較のため、エ
ピタキシャルCrバッファー上層のない、10nmのV50
Mo50バッファー層上に、同一成長条件で成長させた
(110)方位のFe/Cr人工格子の結果についても
示した。得られた結果を図11に示す。図11に示すよ
うにバッファー層を二層とし、下層を体心立方晶のV50
Mo50合金、上層をCrとしたエピタキシャルFe/C
r人工格子は、バッファー層が単層のFe/Cr人工格
子(図10)と比べると、両者で磁気抵抗変化率に違い
は認められないものの、バッファー層を二層構造にする
ことによって、飽和磁場を小さくすることができる。
【0036】
【発明の効果】本発明の磁気抵抗効果素子は、高品質で
平坦な表面を有する(110)方位のエピタキシャルバ
ッファー層上に(110)方位のFe/Cr人工格子膜
を成長させるため、その成長初期において均一な核生成
が可能となり、形状の制御された屋根型のファセット形
成が行える。屋根型のファセット構造に由来する形状磁
気異方性により、ファセットの稜方向に磁場を印加する
ことによって、磁気抵抗変化率を大きく保ったまま磁気
抵抗の飽和磁場を小さくできる。このため、本磁気抵抗
効果素子は、磁気センサーや薄膜磁気ヘッドとして用い
ることができるものである。また、基板に科学的・物理
的に極めて安定で、機械的強度も高いサファイヤ等の酸
化物基板を用いるために信頼性の高い磁気センサーや薄
膜磁気ヘッドを提供することができるものである。
平坦な表面を有する(110)方位のエピタキシャルバ
ッファー層上に(110)方位のFe/Cr人工格子膜
を成長させるため、その成長初期において均一な核生成
が可能となり、形状の制御された屋根型のファセット形
成が行える。屋根型のファセット構造に由来する形状磁
気異方性により、ファセットの稜方向に磁場を印加する
ことによって、磁気抵抗変化率を大きく保ったまま磁気
抵抗の飽和磁場を小さくできる。このため、本磁気抵抗
効果素子は、磁気センサーや薄膜磁気ヘッドとして用い
ることができるものである。また、基板に科学的・物理
的に極めて安定で、機械的強度も高いサファイヤ等の酸
化物基板を用いるために信頼性の高い磁気センサーや薄
膜磁気ヘッドを提供することができるものである。
【図1】本発明の磁気抵抗効果素子の構造を示す模式図
である。
である。
【図2】本発明の実施例で用いた蒸着装置の概略図であ
る。
る。
【図3】(110)方位のFe/Cr人工格子のRHE
EDパターンの模式図である。
EDパターンの模式図である。
【図4】透過型電子顕微鏡による断面観察像の模式図で
ある。
ある。
【図5】屋根型ファセット幅の分布を示す図である。
【図6】屋根型ファセット幅の成長温度依存性を示す図
である。
である。
【図7】磁化曲線の測定結果を示す図である。
【図8】磁気抵抗曲線の測定結果を示す図である。
【図9】磁気抵抗曲線の測定結果を示す図である。
【図10】磁気抵抗変化率と飽和磁場のCr膜厚依存性
を示す図である。
を示す図である。
【図11】磁気抵抗変化率と飽和磁場のCr膜厚依存性
を示す図である。
を示す図である。
1 単結晶基板 2 体心立方晶(110)方位のエピタキシャルバッフ
ァー層 3 エピタキシャルFe(110)層 4 エピタキシャルCr(110)層 5 エピタキシャルCr(110)バッファー層 6a、6b、6c 電子ビーム蒸着源 7 基板ホルダ 8 基板加熱ヒータ 9a、9b、9c 膜厚計 10a、10b、10c シャッタ 11 真空ゲージ 12 反射高速電子線回折用電子銃 13 蛍光スクリーン 14 ゲートバルブ 15 クライオポンプ
ァー層 3 エピタキシャルFe(110)層 4 エピタキシャルCr(110)層 5 エピタキシャルCr(110)バッファー層 6a、6b、6c 電子ビーム蒸着源 7 基板ホルダ 8 基板加熱ヒータ 9a、9b、9c 膜厚計 10a、10b、10c シャッタ 11 真空ゲージ 12 反射高速電子線回折用電子銃 13 蛍光スクリーン 14 ゲートバルブ 15 クライオポンプ
Claims (4)
- 【請求項1】基板上に形成された、体心立方晶金属もし
くはその合金の(110)面がエピタキシャル成長した
(110)方位のエピタキシャルバッファー層上に、F
e(110)面とCr(110)面が交互にエピタキシ
ャル成長した(110)方位のFe/Cr人工格子膜を
有し、かつ該人工格子膜が〈100〉方向に稜を持ち、
側面が{100}面により構成された屋根型のファセッ
ト列が、〈110〉方向に連なって並んだ構造を有し、
最表面における該屋根型ファセットの〈110〉方向の
幅が、5〜30nmであることを特徴とする磁気抵抗効果
素子薄膜。 - 【請求項2】屋根型ファセット幅のばらつきが、±50
%以内であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗
効果素子薄膜。 - 【請求項3】エピタキシャルバッファー層が二層より成
り、下層が体心立方金属もしくはその合金の(110)
面がエピタキシャル成長した(110)方位のエピタキ
シャル膜で、上層が(110)方位のエピタキシャルC
r膜で構成されていることを特徴とする請求項1記載の
磁気抵抗効果素子薄膜。 - 【請求項4】磁場を、屋根型ファセットの稜方向と平行
に印加する手段を有することを特徴とする請求項1ない
し3記載の磁気抵抗効果素子薄膜を用いた磁気抵抗効果
素子。
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