JPH05183212A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

磁気抵抗効果素子

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JPH05183212A
JPH05183212A JP4135196A JP13519692A JPH05183212A JP H05183212 A JPH05183212 A JP H05183212A JP 4135196 A JP4135196 A JP 4135196A JP 13519692 A JP13519692 A JP 13519692A JP H05183212 A JPH05183212 A JP H05183212A
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JP
Japan
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magnetic
substrate
layer
laminated
magnetic layer
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Pending
Application number
JP4135196A
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English (en)
Inventor
Yoshiaki Saito
好昭 斉藤
Susumu Hashimoto
進 橋本
Koichiro Inomata
浩一郎 猪俣
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH05183212A publication Critical patent/JPH05183212A/ja
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • G—PHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 【構成】少なくとも表面部が立方晶系構造を有する単結
晶体で形成され、その単結晶体の（１１０）面が主面を
構成する基板の主面上に、磁性金属層と非磁性金属層と
が磁気抵抗効果を有するように積層された積層体を形成
し、磁気抵抗効果素子を得る。 【効果】磁気抵抗効果が大きくかつ飽和磁界が小さく、
小さな磁界で大きな磁気抵抗変化率が得られる磁気抵抗
効果素子が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、超薄膜の積層体、い
わゆる人工格子膜を利用した磁気抵抗素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気抵抗効果は、印加磁界により抵抗が
変化する効果である。このような磁気抵抗効果を利用し
た磁気抵抗効果素子は、高感度であり比較的大きな出力
を得ることができるため、磁界センサや磁気ヘッドとし
て広く利用されている。従来、磁気抵抗効果型素子とし
てはパ−マロイ合金薄膜が広く用いられている。しか
し、パ−マロイ合金薄膜の磁気抵抗変化率（ΔＲ／
ＲS ：、ΔＲは無磁場での電気抵抗と飽和磁界印加時の
電気抵抗との差、ＲS は飽和磁界印加時の電気抵抗）は
２〜３％程度であり、十分な感度が得られないという問
題点がある。
【０００３】一方、最近、新しい磁気抵抗効果素子とし
て、数オングストロ−ムから数十オングストロ−ムの厚
さの磁性層と非磁性層とを交互に積層させた積層体、い
わゆる人工格子膜が注目されている。このような人工格
子膜としては、（Ｆｅ／Ｃｒ）n （Phys.Rev.Lett.vol
61(21)(1988)2472）、（パ−マロイ／Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃ
ｕ）n （J.Phys.SOC.Jap.vol 59(9)(1990)3061）、（Ｃ
ｏ／Ｃｕ）n （J.Mag.Mag.Mat.94(1991)L1，Phys.Rev.L
ett.66(1991)2152）が知られている。
【０００４】このような人工格子膜は磁気抵抗変化率が
数１０％と大きくこの点からすると磁気抵抗効果素子と
して適しているといえる。しかし、飽和磁界ＨS がパー
マロイの数Ｏe に対し、数ｋＯe 〜数十ｋＯe と大き
く、磁気センサや磁気ヘッドなどの小さな磁界を検出す
る用途に用いる場合には十分な感度を得ることができな
い。
【０００５】すなわち、磁気センサや磁気ヘッドなどの
用途を考慮した場合、小さい磁界で磁気抵抗変化が大き
いことが望ましく、そのためには飽和磁界ＨS が小さい
ことが要求されるのである。しかしながら、このような
要求を満足するものは未だ得られていないのが現状であ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この発明はこのような
状況を考慮してなされたものであり、その目的は、磁気
抵抗効果が大きくかつ飽和磁界が小さく、小さな磁界で
大きな磁気抵抗変化率が得られる磁気抵抗効果素子を提
供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】この発明は、第
１に、少なくとも表面部が立方晶系構造を有する単結晶
体で形成され、その単結晶体の（１１０）面が主面を構
成する基板と、この基板の主面上に設けられ、磁性金属
層と非磁性金属層とが磁気抵抗効果を有するように積層
された積層体とを具備することを特徴とする磁気抵抗効
果素子を提供する。
【０００８】この発明は、第２に、立方晶構造を有する
磁性層と非磁性層とが磁気抵抗効果を有するように積層
された積層体を備え、前記磁性層は膜面内に一軸性の磁
化容易軸が形成されるように歪んでいることを特徴とす
る磁気抵抗効果素子が提供される。
【０００９】この発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果
素子は、少なくとも表面部が立方晶系構造を有する単結
晶体で形成され、その単結晶体の（１１０）面が主面を
構成する基板と、この基板の主面上に設けられ、磁性金
属層と非磁性金属層とが磁気抵抗効果を有するように積
層された積層体とを具備している。すなわち、上記積層
膜を立方晶系構造を有する単結晶体の（１１０）面に形
成することを特徴とするものである。
【００１０】このように磁性層と非磁性層とが磁気抵抗
効果を有するように積層された積層膜を、立方晶系構造
を有する単結晶体の（１１０）面に形成することによ
り、上記積層膜の飽和磁界を著しく低下させることがで
きる。このように飽和磁界が低下するのは、立方晶系の
（１１０）面というような異方性を有する面上に、上記
積層膜を形成することにより、積層膜中の磁性金属層に
磁気異方性が付与され、磁化容易軸が形成されることに
起因するものと考えられる。
【００１１】この態様に係る磁気抵抗効果素子は、例え
ば図１に示すように、基板１と、その上に形成され、非
磁性層２と磁性層３とのペアをｎ回積層してなる積層体
４とを備えている。
【００１２】基板１としては、少なくとも表面部が立方
晶系構造を有する単結晶体で形成され、その単結晶体そ
の単結晶体の（１１０）面が主面を構成していればよ
い。従って、基板の全部がこのような単結晶体で構成さ
れていてもよく、また他の部材上にこのような単結晶体
を形成したものであってもよい。立方晶系構造を有する
物質としては、例えばＣｒ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、
Ｎｉ、又はこれらの合金ＣａＦ2 、ＬｉＦ、ＭｇＯ、Ｇ
ａＡｓ等が挙げられ、これらの（１１０）面が積層体の
成膜面として用いられる。
【００１３】また、図２に示すように基板１と積層体４
との間に、磁気抵抗変化率を高めるためにＦｅ等のバッ
ファ層５を介在させてもよい。このようにバッファ層５
を設けることにより、磁気抵抗変化率を高めることがで
きる。これは、Ｆｅ層と積層膜との磁気的な相互作用に
よるものと考えられる。なお、バッファ層５は厚さ３オ
ングストローム（以下Ａと記す）程度以上から上記効果
を発揮する。磁性層３の構成材料としては、例えばＦ
ｅ，Ｃｏ及びＮｉ等の遷移金属材料、及びこれらを含む
合金が挙げられる。
【００１４】非磁性金属層を介して隣合う磁性層は、実
質的に磁場を印加しない状態で、反強磁性的に結合して
いることが好ましい。ここでいう反強磁性的結合とは、
非磁性金属層を介して隣合う磁性層間で磁気モーメント
が逆向きであるように結合していることをいう。このよ
うに結合することにより、磁気抵抗変化率を高めること
ができる。このように反強磁性的結合力を有しているこ
とが好ましいが、その結合力は小さいほうが好ましい。
反強磁性的結合力が小さければ、飽和磁界ＨSを小さく
することができ、磁気ヘッドなどの用途に対して適した
ものとなる。小さな磁場で磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）
を大きくする観点からは、素子の飽和磁界ＨS が小さい
ことが好ましい。
【００１５】非磁性層２は、磁気抵抗効果を発揮できる
非磁性材料で形成されていれば特に限定されない。非磁
性層の例としては、Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｒｕなど
があり、これら単体でも、これらを含む合金でも用いる
ことができる。非磁性層としてＣｕ−Ａｕ合金を用いた
場合には反強磁性的結合力を小さくする効果が得られ
る。磁性層３がＣｏを主体とする場合はＣｕ、Ａｇ、Ａ
ｕを主体としたものを選択することが好ましく、最も好
ましいのはＣｕである。
【００１６】なお、積層体４を成膜する際には、図１に
示すように、非磁性層２を先に成膜してもよいが、図３
に示すように磁性層３を先に成膜し、基板１上に磁性層
３が直接されようにすることが好ましい。このようにす
ることにより、磁気抵抗効果をより大きくすることがで
き、また一軸磁気異方性が誘起されやすい傾向にある。
【００１７】十分に大きな磁気抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）
を得るためには、磁性層の厚さｔMを２Ａ≦ｔM ≦１０
０Ａ、非磁性層の厚さｔN を２Ａ≦ｔN ≦１００Ａにす
ることが好ましく、夫々７Ａ≦ｔM ≦９０Ａ、９Ａ≦ｔ
N ≦５０Ａが一層好ましい。
【００１８】なお、非磁性層の厚さと磁気抵抗変化率と
は図４に示すような関係となり、磁気抵抗変化率が非磁
性層の厚さに対して振動するため、非磁性層の厚さｔN
は上述の範囲内で大きな磁気抵抗変化率が得られるよう
に規定することが好ましい。また、図５に示すように、
飽和磁界も非磁性層の厚さに対して振動し、そのピ−ク
の位置は、磁気抵抗変化率のピ−クの位置と重なってい
る。従って、用途に従って、磁気抵抗変化率と飽和磁界
とがバランスするように非磁性層の厚さを決定すること
が望ましい。なお、図４及び図５は、磁性層として厚さ
１０ＡのＦｅ0.1 Ｃｏ0.9 を用い、非磁性層として各厚
さのＣｕを用いて、このペアを１６回積層した積層体に
ついて室温で測定したものである。
【００１９】積層数ｎは２以上、一般的には５〜数１０
程度であり、磁気抵抗効果を考慮すると大きいほうがよ
いが、余り大きくても磁気抵抗効果が飽和してしまうた
め、飽和する範囲までの間で適宜設定することが好まし
い。次に、この発明の第２の態様について説明する。
【００２０】この態様に係る磁気抵抗効果素子は、立方
晶構造を有する磁性層と非磁性層とが磁気抵抗効果を有
するように積層された積層膜を備え、前記磁性層は膜面
内に一軸性の磁化容易軸が形成されるように歪んでい
る。このように構成することにより、磁気抵抗効果が大
きく、かつ飽和磁界を小さくすることができる。
【００２１】この態様に係る磁気抵抗効果素子について
も第１の態様と同様に、図１に示した構成をとることが
できる。また、図２に示すように基板１と積層体４との
間に、Ｆｅ等のソフト磁性材料のバッファ層５を介在さ
せて磁気抵抗変化率を高めることができる。さらに、図
３に示すように磁性層３を先に成膜し、基板１上に磁性
層３が直接されようにすることにより、第１の態様の場
合と同様、磁気抵抗効果をより大きくすることができ、
また一軸磁気異方性を誘起されやすくすることができ
る。
【００２２】この態様において、基板１は特に限定され
るものではない。しかし、磁気異方性を導入しやすくす
る観点からは、少なくとも表面部が立方晶系構造を有す
る単結晶体で形成され、その単結晶体の（１１０）面が
表面を構成していることが好ましい。また、単結晶でな
くとも、表面が（１１０）面について高配向性を示すも
のを用いることも好ましい。基板を構成する材料の例と
しては、Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれ
らの合金、ＬｉＦ，ＣａＦ2 、ＧａＡｓ，ＭｇＯなどが
挙げられる。
【００２３】磁性層３は、上述したように立方晶構造を
有し、膜面内に一軸性の磁化容易軸が形成されるように
歪んでいる。このような磁性層３を構成する材料の例と
しては、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉ等の遷移金属材料、及びこ
れらの合金が挙げられる。また、これらに他の金属を加
えた合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ1-x
Ｆｅx で表される合金でｘ＜０．５のもの、Ｃｏ1-x-y
Ｆｅx Ｎｉy で表される合金でｘ＋ｙ＜０．５のものが
好ましい。さらには、夫々ｘ≦０．３、ｘ＋ｙ≦０．３
が一層好ましい。
【００２４】この態様に係る磁気抵抗効果素子では、磁
性層３が歪んで膜面内に大きな磁気異方性が導入される
ことによって磁化容易軸が形成され、飽和磁界ＨS が低
減されるものと考えられる。
【００２５】また、大きな磁気異方性を誘起させる観点
からは、上述したように、基板１上に磁性層３が直接形
成されるようにすることが好ましい。さらに、成膜中又
は成膜後に積層体に磁場を印加し、誘導磁気異方性を導
入することもできる。この場合には、基板１としてガラ
ス及び樹脂など非晶質状態のものを用いることもでき
る。
【００２６】なお、この態様においても非磁性金属層を
介して隣合う磁性層は、実質的に磁場を印加しない状態
で、反強磁性的に結合していることが好ましい。また、
非磁性層２としては第１の態様と同様の材料を用いるこ
とができる。さらに、磁性層の厚さ及び非磁性層の厚さ
も第１の態様と同様な範囲であることが好ましい。
【００２７】第１及び第２の態様のいずれにおいても、
積層体４はＲＦマグネトロンスパッタ法、イオンビ−ム
スパッタ（ＩＢＳ）法、蒸着法分子線エピタキシ−（Ｍ
ＢＥ）法、超真空スパッタ法などにより容易に成膜する
ことが可能である。なお、積層体を構成する各層の組成
及び膜厚は同一である必要はない。
【００２８】
【実施例】以下に、この発明の実施例について説明す
る。 （実施例１）
【００２９】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、この基板（１１０）面上
に、磁性層としてＣｏ、非磁性層としてＣｕを用いて、
イオンビ−ムスパッタ法を用いて積層体を成膜した例に
ついて示す。
【００３０】先ず、チャンバ−内にＭｇＯ（１１０）単
結晶基板をセットし、チャンバ−内を５×１０-7Torrま
で排気した後、Ａｒガスを１× １０-4Torrになるまで
導入し、加速電圧５００Ｖ、ビ−ム電流３０ｍＡの条件
にてスパッタリングを実施した。タ−ゲットとしてＣｏ
及びＣｕを用い、Ｃｕタ−ゲット及びＣｏタ−ゲットを
交互にスパッタして、図１に示すように、膜厚１０Ａの
Ｃｕ非磁性層及び膜厚１０ＡのＣｏ磁性層のペアを１５
回積層した（積層数ｎ＝１５）。このようにして得た磁
気抵抗効果素子を（Ｃｏ１０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）15／Ｍｇ
Ｏ（１１０）とする。
【００３１】次に、このようにして製造された（Ｃｏ１
０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）15／ＭｇＯ（１１０）について、こ
の発明の分野で一般的に用いられる四端子法によって素
子の外部磁場に対する磁気抵抗効果を測定した。得られ
た磁気抵抗曲線を図６に示す。このグラフから磁気抵抗
効果の大きさを示す磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒを求めた。
その結果、約１ｋＯｅ以下の小さな磁場で、磁気抵抗変
化率ΔＲ／Ｒが６％と大きな値となることが確認され
た。また、外部磁場に対して磁気抵抗が特異な変化を示
すことが確認された。これに対して、ＳｉＯ2 基板に同
様な積層膜を形成した素子では、飽和磁界が約６ｋＯｅ
と大きな値であった。
【００３２】このように、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上に非磁性層と磁性層とを交互に積層することによって
比較的小さな磁場で良好な磁気抵抗変化率が得られ、磁
気抵抗効果素子に適した特性を示すことが確認された。 （実施例２）
【００３３】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、この基板（１１０）面上
に、先ずバッファ層としてのＦｅ層を形成した後、非磁
性層としてのＣｕ及び磁性層としてのＣｏを交互に積層
して積層体を形成した例について示す。なお、成膜はイ
オンビ−ムスパッタ法を用いて行い、成膜条件は実施例
１と同一とした。
【００３４】先ず、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板上に膜
厚５０ＡのＦｅ層を形成した後、このＦｅ層上に、図２
に示すように、膜厚１０ＡのＣｕ非磁性層及び膜厚１０
ＡのＣｏ磁性層のペアを１５回積層した（積層数ｎ＝１
５）。このようにして得た磁気抵抗効果素子を（Ｃｏ１
０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）15／Ｆｅ／ＭｇＯ（１１０）とす
る。
【００３５】次に、このようにして製造された（Ｃｏ１
０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）15／Ｆｅ／ＭｇＯ（１１０）につい
て、実施例１と同様、四端子法によって素子の外部磁場
に対する磁気抵抗効果を測定した。得られた磁気抵抗曲
線を図７に示す。このグラフから磁気抵抗効果の大きさ
を示す磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒを求めた。その結果、約
１ｋＯｅ以下の小さな磁場で、磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒ
が９．２％と大きな値となることが確認された。これに
対して、ＳｉＯ2 基板に同様な積層膜を形成した素子で
は、飽和磁界が約６ｋＯｅと大きな値であった。
【００３６】このように、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上にＦｅ層を形成した後、非磁性層と磁性層とを交互に
積層することによって比較的小さな磁場で大きな磁気抵
抗変化率が得られ、磁気抵抗効果素子に適した特性を示
すことが確認された。 （実施例３）
【００３７】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、この基板（１１０）面上
に、先ずバッファ層としてのＦｅ層を形成した後、非磁
性層としてのＣｕ及び磁性層としての Ｆｅ0.1 Ｃ
ｏ0.9 を交互に積層して積層体を形成した例について示
す。なお、成膜はイオンビ−ムスパッタ法を用いて行
い、成膜条件は実施例１と同一とした。
【００３８】先ず、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板上に膜
厚５０ＡのＦｅ層を形成した後、このＦｅ層上に、図２
に示すように、膜厚１０ＡのＣｕ非磁性層及び膜厚１０
ＡのＦｅ0.1 Ｃｏ0.9 磁性層のペアを１５回積層した
（積層数ｎ＝１５）。このようにして得た磁気抵抗効果
素子を（Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.9 １０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）15／Ｆ
ｅ／ＭｇＯ（１１０）とする。
【００３９】次に、このようにして製造された（Ｆｅ
0.1 Ｃｏ0.9 １０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）15／Ｆｅ／ＭｇＯ
（１１０）について、実施例１と同様、四端子法によっ
て素子の外部磁場に対する磁気抵抗効果を測定した。得
られた磁気抵抗曲線を図８に示す。このグラフから磁気
抵抗効果の大きさを示す磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒを求め
た。その結果、約１ｋＯｅ以下の小さな磁場で、磁気抵
抗変化率ΔＲ／Ｒが２１％と大きな値となることが確認
された。これに対して、ＳｉＯ2 基板に同様な積層膜を
形成した素子では、飽和磁界が約６．５ｋＯｅと大きな
値であった。
【００４０】このように、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上にＦｅ層を形成した後、非磁性層と磁性層とを交互に
積層することによって比較的小さな磁場で大きな磁気抵
抗変化率が得られ、磁気抵抗効果素子に適した特性を示
すことが確認された。 （実施例４）
【００４１】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、この基板（１１０）面上
に、先ずバッファ層としてのＦｅ層を形成した後、非磁
性層としてのＣｕ及び磁性層としてのＮｉ0.8 Ｆｅ0.1
Ｃｏ0.1 を交互に積層して積層体を形成した例について
示す。なお、成膜はイオンビ−ムスパッタ法を用いて行
い、成膜条件は実施例１と同一とした。
【００４２】先ず、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板上に膜
厚５０ＡのＦｅ層を形成した後、このＦｅ層上に、図２
に示すように、膜厚１０ＡのＣｕ非磁性層及び膜厚１５
ＡのＮｉ0.8 Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.1 磁性層のペアを１５回積
層した（積層数ｎ＝１５）。このようにして得た磁気抵
抗効果素子を（Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.1 １５Ａ／Ｃｕ
１０Ａ）15／Ｆｅ／ＭｇＯ（１１０）とする。
【００４３】次に、このようにして製造された（Ｎｉ
0.8 Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.1 １５Ａ／Ｃｕ１０Ａ）15／Ｆｅ
／ＭｇＯ（１１０）について、実施例１と同様、四端子
法によって素子の外部磁場に対する磁気抵抗効果を測定
した。得られた磁気抵抗曲線を図９に示す。このグラフ
から磁気抵抗効果の大きさを示す磁気抵抗変化率ΔＲ／
Ｒを求めた。その結果、約１ｋＯｅ以下の小さな磁場
で、磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒが１６％と大きな値となる
ことが確認された。これに対して、ＳｉＯ2 基板に同様
な積層膜を形成した素子では、飽和磁界が約４ｋＯｅと
大きな値であった。
【００４４】このように、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上にＦｅ層を形成した後、非磁性層と磁性層とを交互に
積層することによって比較的小さな磁場で大きな磁気抵
抗変化率が得られ、磁気抵抗効果素子に適した特性を示
すことが確認された。 （実施例５）
【００４５】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、磁性層としてＦｅ0.1 Ｃ
ｏ0.9 、非磁性層としてＣｕを用いて、イオンビ−ムス
パッタ法を用いて積層体を成膜した例について示す。
【００４６】先ず、チャンバ−内にＭｇＯ（１１０）単
結晶基板をセットし、チャンバ−内を５×１０-7Torrま
で排気した後、Ａｒガスを１×１０-4Torrになるまで導
入し、加速電圧７００Ｖ、ビ−ム電流３０ｍＡの条件に
てスパッタリングを実施した。タ−ゲットとしてＦｅ
0.1 Ｃｏ0.9 及びＣｕを用い、Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.9 タ−ゲ
ット及びＣｕタ−ゲットを交互にスパッタして、図３に
示すように基板に直接磁性層が成膜されるようにして、
膜厚１０ＡのＦｅ0.1 Ｃｏ0.9 Ｃｕ磁性層及び膜厚１０
ＡのＣｕ非磁性層のペアを１６回積層した（積層数ｎ＝
１６）。このようにして得た磁気抵抗効果素子を（Ｃｕ
１０Ａ／Ｆｅ0.1 Ｃｏ0.9 １０Ａ）16／ＭｇＯ（１１
０）とする。
【００４７】この積層体のＸ線回折パターンを図１０に
示す。図１０から明らかなように、磁性層Ｆｅ0.1 Ｃｏ
0.9 の面心立方晶（２２０）面のピークが存在している
ことが確認された。図１１はこの積層膜のトルク曲線で
あるが、この図からトルク曲線が２回対称であり、一軸
異方性が膜面内に誘起されていることが確認された。ま
た、磁気抵抗効果の測定でもこれに対応して著しい方向
依存性が存在することがわかった。これらの結果から、
この磁性層は立方晶が歪んだ構造をとることによって膜
面内に大きな磁気異方性が生じ磁化容易軸が形成された
ことがわかった。
【００４８】図１２は磁化容易軸方向の磁気抵抗効果を
示す図である。この図から飽和磁界ＨS が４ｋＯｅであ
ることが確認された。ＳｉＯ2 基板に同様な積層膜を形
成した素子では飽和磁界が約７ｋＯｅであるから、この
実施例では飽和磁界が大きく低下していることが確認さ
れた。また、磁気抵抗変化率も３８％と極めて大きいこ
とが確認された。
【００４９】さらに図１２から、抵抗変化が３ｋＯｅ程
度から始まり、その傾きが非常に急峻であることが見出
された。従って、その領域を使用すれば極めて高感度の
磁界測定が可能となる。
【００５０】参考のため、積層順を逆にして積層膜を形
成した場合の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果を図１３
に示すが、磁気抵抗変化率は本実施例では３８％であっ
たのに対し、１５．５％と本実施例に比較して小さい値
であることが判明した。 （実施例６）
【００５１】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、磁性層としてＣｏを、非
磁性層としてＣｕを用い、基板上に、最初にＣｏ次にＣ
ｕという順番でこれらを交互に積層して積層体を形成し
た。Ｃｏ磁性層及びＣｕ非磁性層の厚さをいずれも１０
Ａとし、磁性層と非磁性層とのペアを１６回積層した
（積層数ｎ＝１６）。このようにして得た磁気抵抗効果
素子を（Ｃｕ１０Ａ／Ｃｏ１０Ａ）16／ＭｇＯ（１１
０）とする。なお、この実施例においても成膜はイオン
ビ−ムスパッタ法を用いて行い、成膜条件は実施例５と
同一とした。
【００５２】この積層体のＸ線回折パターンを図１４に
示す。図１４から明らかなように、磁性層Ｃｏの面心立
方晶（２２０）面のピークが存在していることが確認さ
れた。図１５はこの積層膜のトルク曲線であるが、この
図からトルク曲線が２回対称であり、一軸異方性が膜面
内に誘起されていることが確認された。また、図１６は
磁化容易軸方向の磁気抵抗効果を示す図であるが、抵抗
変化率が３１％と大きい値であることが確認された。こ
れらの結果から、この磁性層は立方晶が歪んだ構造をと
ることによって膜面内に大きな磁気異方性が生じ磁化容
易軸が形成されたことがわかった。
【００５３】図１７に（Ｃｏ１０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）100
人工格子膜のＮＭＲ周波数スペクトルを示す。測定は
４．２ｋで行い、スピンエコースペクトル強度を１２０
〜２４０ＭＨｚまで測定した。なお、このスペクトル強
度は、周波数に対して周波数の２乗の補正がなされてい
る。
【００５４】この図から、Ｃｏの１２個の最近接サイト
（nearest neighbor site ）が全てＣｏ核で囲まれたサ
イトの信号が２１０ＭＨｚにピークを有しており、高周
波側には肩が存在しないことが確認された。このことか
ら、この人工格子膜におけるＣｏ層の構造が面心立方晶
が歪んだものであると結論することができる。また、高
周波側に肩が存在しないことから六方晶構造のＣｏは存
在していないことがわかる。
【００５５】さらに、図１７から、Ｃｏ層の共鳴周波数
は２１０ＭＨｚであり、バルクのＣｏの共鳴周波数であ
る２１７ＭＨｚに比較して７ＭＨｚほど低周波側にシフ
トしていることがわかる。
【００５６】この結果から、以下に示す関係式（１）
（出典：R.V.Johes et al.:Bull.Am.Phys.Soc.5,175(19
60) 、D.H.Anderson et al.:J.Appl.Phys.35,3043 (196
4)、J.F.Janak:Phys.Rev.B21,2206(1979) ）を用いて歪
み度合いを把握することができる。 ΔＢhf／Ｂhf＝−１．１６ΔＶ／Ｖ……（１） （Ｂhf：超微細結合磁場（hyperfine field ）、Ｖ：体
積）
【００５７】この関係式を用いて上述の場合の歪み度合
いΔＶ／Ｖを計算すると、約２．８％となる。また、ト
ルク曲線から、この場合に誘起される一軸磁気異方性が
Ｋｕ＝５×１０６ ｅｒｇ ／ccと大きな値を示すこと
が確認された。すなわち、２．８％程度の僅かな歪み
で、大きな一軸磁気異方性が誘起されることが確認され
た。
【００５８】図１８に磁性層の厚さを変化させた場合の
ＮＭＲ周波数スペクトルを示す。この図から、共鳴周波
数のシフトは磁性層の厚さを増していくと小さくなる傾
向があることがわかる。そして、磁性層の厚さが５０Ａ
程度までは磁性層の歪みが誘起されるが、２００Ａにな
るとほとんど歪みが誘起されないことが確認された。
【００５９】なお、上述した図１６から、（Ｃｕ１０Ａ
／Ｃｏ１０Ａ）16／ＭｇＯ（１１０）の飽和磁界ＨS が
３．１ｋＯｅと小さいことがわかる。ＳｉＯ2 基板に同
様な積層膜を形成した素子では飽和磁界が約６．５ｋＯ
ｅであるから、この実施例では飽和磁界が大きく低下し
ていることが確認された。
【００６０】参考のため、積層順を逆にして積層膜を形
成した場合の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果を図１９
に示すが、磁気抵抗変化率は本実施例では３１％であっ
たのに対し、１２％と本実施例に比較して小さい値であ
ることが判明した。 （実施例７）
【００６１】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、磁性層としてＣｏ0.75Ｆ
ｅ0.25を、非磁性層としてＣｕを用い、基板上に、最初
にＣｏ0.75Ｆｅ0.25次にＣｕという順番でこれらを交互
に積層して積層体を形成した。Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25磁性層
及びＣｕ非磁性層の厚さをいずれも１０Ａとし、磁性層
と非磁性層とのペアを１６回積層した（積層数ｎ＝１
６）。このようにして得た磁気抵抗効果素子を（Ｃｕ１
０Ａ／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25１０Ａ）16／ＭｇＯ（１１０）
とする。なお、この実施例においても成膜はイオンビ−
ムスパッタ法を用いて行い、成膜条件は実施例５と同一
とした。
【００６２】この積層体のＸ線回折パターンを図２０に
示す。図２０から明らかなように、磁性層Ｃｏ0.75Ｆｅ
0.25の面心立方晶（２２０）面のピークが存在している
ことが確認された。図２１はこの積層膜のトルク曲線で
あるが、この図からトルク曲線が２回対称であり、一軸
異方性が膜面内に誘起されていることが確認された。ま
た、図２２は磁化容易軸方向の磁気抵抗効果を示す図で
あるが、抵抗変化率が２３．１％と大きい値であること
が確認された。これらの結果から、この磁性層は立方晶
が歪んだ構造をとることによって膜面内に大きな磁気異
方性が生じ磁化容易軸が形成されたことがわかった。
【００６３】なお、図２２から（Ｃｕ１０Ａ／Ｃｏ0.75
Ｆｅ0.25１０Ａ）16／ＭｇＯ（１１０）の飽和磁界ＨS
が２ｋＯｅと小さいことがわかる。ＳｉＯ2 基板に同様
な積層膜を形成した素子では飽和磁界が約７ｋＯｅであ
るから、この実施例では飽和磁界が大きく低下している
ことが確認された。
【００６４】参考のため、積層順を逆にして積層膜を形
成した場合の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果を図２３
に示すが、磁気抵抗変化率は本実施例では２３．１％で
あったのに対し、１１％と本実施例に比較して小さい値
であることが判明した。 （実施例８）
【００６５】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、磁性層としてＣｏ0.8 Ｆ
ｅ0.1 Ｎｉ0.1 を、非磁性層としてＣｕを用い、基板上
に、最初にＣｏ0.8 Ｆｅ0.1 Ｎｉ0.1 次にＣｕという順
番でこれらを交互に積層して積層体を形成した。Ｃｏ
0.8 Ｆｅ0.1 Ｎｉ0.1 磁性層の厚さを１５Ａ、Ｃｕ非磁
性層の厚さを１０Ａとし、磁性層と非磁性層とのペアを
１６回積層した（積層数ｎ＝１６）。このようにして得
た磁気抵抗効果素子を（Ｃｕ１０Ａ／Ｃｏ0.8 Ｆｅ0.1
Ｎｉ0.1 １５Ａ）16／ＭｇＯ（１１０）とする。なお、
この実施例においても成膜はイオンビ−ムスパッタ法を
用いて行い、成膜条件は実施例５と同一とした。
【００６６】この積層体のＸ線回折パターンを図２４に
示す。図２４から明らかなように、磁性層Ｃｏ0.8 Ｆｅ
0.1 Ｎｉ0.1 の面心立方晶（２２０）面のピークが存在
していることが確認された。図２５はこの積層膜のトル
ク曲線であるが、この図からトルク曲線が２回対称であ
り、一軸異方性が膜面内に誘起されていることが確認さ
れた。また、図２６は磁化容易軸方向の磁気抵抗効果を
示す図であるが、抵抗変化率が１８％と大きい値である
ことが確認された。これらの結果から、この磁性層は立
方晶が歪んだ構造をとることによって膜面内に大きな磁
気異方性が生じ磁化容易軸が形成されたことがわかっ
た。
【００６７】なお、図２６から（Ｃｕ１０Ａ／Ｃｏ0.8
Ｆｅ0.1 Ｎｉ0.1 １５Ａ）16／ＭｇＯ（１１０）の飽和
磁界ＨS が２ｋＯｅと小さいことがわかる。ＳｉＯ2 基
板に同様な積層膜を形成した素子では飽和磁界が約４ｋ
Ｏｅであるから、この実施例では飽和磁界が大きく低下
していることが確認された。
【００６８】参考のため、積層順を逆にして積層膜を形
成した場合の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果を図２７
に示すが、磁気抵抗変化率は本実施例では１８％であっ
たのに対し、９．５％と本実施例に比較して小さい値で
あることが判明した。 （実施例９）
【００６９】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、磁性層としてＮｉ0.8 Ｆ
ｅ0.2 を、非磁性層としてＣｕを用い、基板上に、最初
にＮｉ0.8 Ｆｅ0.2 次にＣｕという順番でこれらを交互
に積層して積層体を形成した。Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 磁性層
の厚さを１５Ａ、Ｃｕ非磁性層の厚さを１０Ａとし、磁
性層と非磁性層とのペアを１６回積層した（積層数ｎ＝
１６）。このようにして得た磁気抵抗効果素子を（Ｃｕ
１０Ａ／Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 １５Ａ）16／ＭｇＯ（１１
０）とする。なお、この実施例においても成膜はイオン
ビ−ムスパッタ法を用いて行い、成膜条件は実施例５と
同一とした。
【００７０】この積層体のＸ線回折パターンを図２８に
示す。図２８から明らかなように、磁性層Ｎｉ0.8 Ｆｅ
0.2 の面心立方晶（２２０）面のピークが存在している
ことが確認された。図２９はこの積層膜のトルク曲線で
あるが、この図からトルク曲線が２回対称であり、一軸
異方性が膜面内に誘起されていることが確認された。ま
た、磁気抵抗効果に著しい方向依存性があり、図３０に
示すように磁化容易軸方向の抵抗変化率が１６．７％と
大きい値であることが確認された。これらの結果から、
この磁性層は立方晶が歪んだ構造をとることによって膜
面内に大きな磁気異方性が生じ磁化容易軸が形成された
ことがわかった。
【００７１】なお、図３０から（Ｃｕ１０Ａ／Ｎｉ0.8
Ｆｅ0.2 １５Ａ）16／ＭｇＯ（１１０）の飽和磁界ＨS
が１ｋＯｅであることがわかり、磁気抵抗変化率が大き
く飽和磁界ＨS が小さい素子が得られたことがことが確
認された。 （実施例１０）
【００７２】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、その上に５０ＡのＦｅバ
ッファ層を形成し、磁性層としてＣｏを、非磁性層とし
てＣｕを用い、最初にＣｕ次にＣｏという順番でこれら
を交互に積層して積層体を形成した。Ｃｏ磁性層の厚さ
を１５Ａ、Ｃｕ非磁性層の厚さを１０Ａとし、磁性層と
非磁性層とのペアを１６回積層した（積層数ｎ＝１
６）。このようにして得た磁気抵抗効果素子を（Ｃｏ１
５Ａ／Ｃｕ１０Ａ）16／Ｆｅ５０Ａ／ＭｇＯ（１１０）
とする。なお、この実施例においても成膜はイオンビ−
ムスパッタ法を用いて行い、成膜条件は実施例５と同一
とした。
【００７３】この積層体のＸ線回折パターンを図３１に
示す。図３１から明らかなように、磁性層Ｃｏの面心立
方晶のピークが存在していることが確認された。図３２
はこの積層膜のトルク曲線であるが、この図からトルク
曲線が２回対称であり、一軸異方性が膜面内に誘起され
ていることが確認された。また、磁気抵抗効果に著しい
方向依存性があり、図３３に示すように磁化容易軸方向
の抵抗変化率が２０．６％と大きい値であることが確認
された。これらの結果から、この磁性層は立方晶が歪ん
だ構造をとることによって膜面内に大きな磁気異方性が
生じ磁化容易軸が形成されたことがわかった。
【００７４】なお、図３３から（Ｃｏ１５Ａ／Ｃｕ１０
Ａ）16／Ｆｅ５０Ａ／ＭｇＯ（１１０）の飽和磁界ＨS
が０．９ｋＯｅであることがわかり、磁気抵抗変化率が
大きく飽和磁界ＨS が小さい素子が得られたことがこと
が確認された。 （実施例１１）
【００７５】この実施例においては、基板としてＭｇＯ
（１１０）単結晶基板を用い、磁性層としてＮｉ0.8 Ｆ
ｅ0.2 （パーマロイ）を、非磁性層としてＣｕを用い、
基板上に、最初にＮｉ0.8 Ｆｅ0.2 次にＣｕという順番
でこれらを交互に積層して積層体を形成した。Ｎｉ0.8
Ｆｅ0.2 磁性層の厚さを２００Ａまで変化させ、Ｃｕ非
磁性層の厚さを１０Ａに設定した。積層体は磁性層と非
磁性層とのペアを１６回積層（積層数ｎ＝１６）するこ
とにより形成した。
【００７６】この際のＮｉ0.8 Ｆｅ0.2 の膜厚と磁気抵
抗変化率との関係を図３４に、Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 の膜厚
と飽和磁界との関係を図３５に夫々示す。図３４及び３
５から、Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 の膜厚が増加すると磁気抵抗
変化率が徐々に小さくなるが、それ以上に飽和磁界ＨS
が低下することが確認される。飽和磁界ＨS が低下する
のは、Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 の膜厚が増加することにより、
Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 がよりソフト化することが主な原因で
ある。
【００７７】Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 の膜厚が１００Ａから２
００Ａと厚くなると磁気抵抗変化率は７％から３．８％
に大幅に減少するが、飽和磁界ＨS は７０Ｏｅから６０
Ｏｅとあまり低下していない。このことから、磁性層と
してパーマロイを用いた場合にはその膜厚が１００Ａ以
下であることが望ましいことが確認された。また、より
好ましいパーマロイ層の膜厚は７０Ａ以下である。
【００７８】
【発明の効果】この発明によれば、磁気抵抗効果が大き
くかつ飽和磁界が小さく、小さな磁界で大きな磁気抵抗
変化率が得られる磁気抵抗効果素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を示
す断面図。
【図２】この発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子を
示す断面図。
【図３】この発明のさらに他の態様に係る磁気抵抗効果
素子を示す断面図。
【図４】非磁性層の厚さと磁気抵抗変化率との関係を示
す図。
【図５】非磁性層の厚さと飽和磁界との関係を示す図。
【図６】実施例１における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図７】実施例２における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図８】実施例３における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図９】実施例４における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図１０】実施例５における素子のＸ線回折パターンを
示す図。
【図１１】実施例５における素子のトルク曲線を示す
図。
【図１２】実施例５における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図１３】実施例５に対する比較例に係る素子の磁気抵
抗曲線を示す図。
【図１４】実施例６における素子のＸ線回折パターンを
示す図。
【図１５】実施例６における素子のトルク曲線を示す
図。
【図１６】実施例６における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図１７】（Ｃｏ１０Ａ／Ｃｕ１０Ａ）100 人工格子膜
のＮＭＲ周波数スペクトルを示す図。
【図１８】磁性層の厚さを変化させた場合のＮＭＲ周波
数スペクトルを示す図。
【図１９】実施例６に対する比較例に係る素子の磁気抵
抗曲線を示す図。
【図２０】実施例７における素子のＸ線回折パターンを
示す図。
【図２１】実施例７における素子のトルク曲線を示す
図。
【図２２】実施例７における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図２３】実施例７に対する比較例に係る素子の磁気抵
抗曲線を示す図。
【図２４】実施例８における素子のＸ線回折パターンを
示す図。
【図２５】実施例８における素子のトルク曲線を示す
図。
【図２６】実施例８における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図２７】実施例８に対する比較例に係る素子の磁気抵
抗曲線を示す図。
【図２８】実施例９における素子のＸ線回折パターンを
示す図。
【図２９】実施例９における素子のトルク曲線を示す
図。
【図３０】実施例９における素子の磁気抵抗曲線を示す
図。
【図３１】実施例１０における素子のＸ線回折パターン
を示す図。
【図３２】実施例１０における素子のトルク曲線を示す
図。
【図３３】実施例１０における素子の磁気抵抗曲線を示
す図。
【図３４】実施例１１における磁性層の膜厚と磁気抵抗
変化率との関係を示す図。
【図３５】実施例１１における磁性層の膜厚と飽和磁界
との関係を示す図。
【符号の説明】
１……基板、２……非磁性層、３……磁性層、４……積
層体、５……バッファ層。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも表面部が立方晶系構造を有す
    る単結晶体で形成され、その単結晶体の（１１０）面が
    主面を構成する基板と、この基板の主面上に設けられ、
    磁性金属層と非磁性金属層とが磁気抵抗効果を有するよ
    うに積層された積層体とを具備することを特徴とする磁
    気抵抗効果素子。
  2. 【請求項２】 立方晶構造を有する磁性層と非磁性層と
    が磁気抵抗効果を有するように積層された積層体を備
    え、前記磁性層は膜面内に一軸性の磁化容易軸が形成さ
    れるように歪んでいることを特徴とする磁気抵抗効果素
    子。
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