磁気抵抗素子
【課題】 磁気抵抗素子を構成する、磁性体／非磁性体界面の物性が、素子特性を劣化させている。例えば、ＴＭＲ素子では、スピン分極率が１００％近いと予想されているハ−フメタルを磁性体として用いた場合でも、室温で、高々１０数％程度のＭＲしか報告されていない。
【解決手段】 少なくとも１種からなる磁性体中に、磁化方向が略揃った磁化領域Ａと磁化方向が略揃った磁化領域Ｂと、前記磁化領域Ａと前記磁化領域Ｂに挟まれた磁化接合領域Ｍがあり、前記磁化領域Ａの少なくとも一部、または前記磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁化接合領域Ｍまたは前記磁化領域Aまたは前記磁化領域Ｂの磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子である。
【解決手段】 少なくとも１種からなる磁性体中に、磁化方向が略揃った磁化領域Ａと磁化方向が略揃った磁化領域Ｂと、前記磁化領域Ａと前記磁化領域Ｂに挟まれた磁化接合領域Ｍがあり、前記磁化領域Ａの少なくとも一部、または前記磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁化接合領域Ｍまたは前記磁化領域Aまたは前記磁化領域Ｂの磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力または加速度センサ−あるいは熱センサ−や化学反応センサ−等に広く使用される磁気抵抗素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】強磁性体／中間層／強磁性体を基本構成とする多層膜に中間層を横切るように電流を流した場合、中間層が絶縁層であるときスピントンネル効果、また中間層がCuなどの導電性金属であるときＣＰＰ（Current perpendicular to the plane） ＧＭＲ効果による磁気抵抗効果が生じることが知られており、磁気ヘッドなどへの応用研究が活発に行われている（日本応用磁気学会 第112回研究会資料）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これらの磁気抵抗素子を構成する、磁性体／非磁性体界面の物性が、素子特性を劣化させている可能性があり、例えば、ＴＭＲ素子では、スピン分極率が１００％近いと予想されているハ−フメタルを磁性体として用いた場合でも、室温で、高々１０数％程度のＭＲしか報告されていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、本発明は、少なくとも１種からなる磁性体中に、磁化方向が略揃った磁化領域Ａと磁化方向が略揃った磁化領域Ｂと、前記磁化領域Ａと前記磁化領域Ｂに挟まれた磁化接合領域Ｍがあり、前記磁化領域Ａの少なくとも一部、または前記磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁化接合領域Ｍまたは前記磁化領域Aまたは前記磁化領域Ｂの磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子である。ここで、磁化接合領域Ｍとは、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化領域にいたる状態の中間領域を指し、両領域の磁化の交換結合による磁化結合領域あるいは（量子的な）伝導スピンによる磁化の結合領域等を意味する。また、外部からの磁気的エネルギ−により、磁化領域Ａと磁化領域Ｂが完全に平行である場合等、実質的に磁化結合領域の厚みが０である場合も含む。さらに磁化領域、磁化接合領域の領域の大きさあるいはスピンの伝導状態は、外部から与えられた磁気的エネルギ−の大きさによって変化し、固定されたものとは限らない。また、外部から与えられた磁気的エネルギ−とは、磁界、スピン注入あるいは磁気誘電体や、磁性半導体、反強磁性体、積層フェリ構造などを用いた、交換結合を介した磁気バイアスなどの磁気エネルギ−および光、圧力、加速度、熱などにより素子の磁化状態に影響を与えるものを総称する。
【０００５】一般に、磁性体は単磁区でない場合、外部から磁気的エネルギ−が与えられると、磁性体内部の磁気的エネルギ−を最小にするために、磁区構造が変化する。この磁区構造の変化は、磁性体の抵抗値を変化させるが、これらの変化は、外部からの磁界などの変化に対して、安定した履歴を持たない。本発明は、最小単位として、磁化領域Ａ、磁化領域Ｂ、磁化接合領域Ｍがあり、磁化領域の内、少なくとも何れかが、少なくともその一部を磁気的に固定することで、外部からの磁気的エネルギ−に対する応答の可逆性を高めることができる。この磁化領域Ａ、磁化接合領域Ｍ、磁化領域Ｂの一対の組は、例えば、磁化領域１／磁化接合領域２／磁化領域３／磁化接合領域４／磁化領域５のように２組の対あるいはそれ以上の組で構成されていてもよい。
【０００６】また本発明は、磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの各平均磁化方向が互いに略反平行または略平行で、電気抵抗の変化が、主として磁化接合領域Ｍの厚み変化による磁気抵抗素子である。これは、外部からの磁気エネルギ−に対して、磁化領域Ａと磁化領域Ｂが、それぞれの領域の大きさを変化させるものの、これらの磁化の方向を反転するような大きな磁化変化がない場合に観察される。電気抵抗を支配する伝導スピンと磁化方向は、伝導スピンがマジョリティかマイノリティかで反対となるために、伝導スピンの向きとして表しこの現象を考察する。
【０００７】例えば磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンが互いに反平行の場合、磁化接合領域Ｍが無視できるほど薄いあるいは実質的に厚みが０であれば、伝導スピンは、両領域の界面で直接的伝導し、主にそれぞれの分極率に応じた散乱（あるいはスピン伝導の禁止）を受け高抵抗となるであろう。一方、磁化接合領域が磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンが直接それぞれの領域で散乱しない程度の厚みであり、特に磁化領域Ａから領域Ｂへの変化が、遷移的であれば、抵抗値が上記場合に比較し低下するものと思われる。また一つには、例えば、磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの伝導スピンが互いに平行の時、磁化接合領域Ｍの厚みが無視できる程度に薄い、あるいは実質的厚みが０であれば、低抵抗となり、一方、磁化接合領域が十分厚い場合には磁化接合領域でのスピン散乱により、上記状態よりも高抵抗となるだろう。以上のように外部からの磁気的エネルギ−が、磁化接合領域Ｍの幅を変化させることで抵抗値が変化するものと思われるが、実際には複数の要因が混在する場合もある。
【０００８】また本発明は、外部からの磁気的エネルギ−がないとき、磁化接合領域Ｍの厚みｄが０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍなる範囲である磁気抵抗素子である。磁化接合領域Ｍの値が上記範囲である場合、高抵抗あるいは低抵抗を実現しやすく、この結果、高い抵抗変化を得ることができる。これは、上記範囲では磁化領域Ａと磁化領域Ｂを磁化接合領域の磁化の影響をほとんど受けず直接的に伝導するスピンを少なくとも一部持つためであると思われる。特に、磁化接合領域の厚みが０でない場合においても、磁化接合領域をバリステックに伝導する、あるいはトンネル的に伝導する、あるいはフェルミ波長等の量子波長の規制のみを受けて伝導するなど、様々な直接的な伝導状態が実現するもの思われるが詳細なメカニズムは不明である。ｄの値は、磁性体種類の組み合わせ、形状、伝導のメカニズムにより異なるが、同じ種類の磁性体の組み合わせである場合、より薄い場合に大きな抵抗変化が得られる傾向がある。
【０００９】また本発明は、電気抵抗の変化が、主として磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの磁化相対角の変化による磁気抵抗素子である。
【００１０】この現象は、磁化領域ＡとＢが外部からの磁気エネルギ−に対して大きな変化を受ける場合に観察される。これは、磁化接合領域Ｍの厚みが、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの間の直接的なスピン伝導を行う電子がある程度存在できる程度に薄く、且つ外部からの磁気的エネルギ−により、磁化接合領域Ｍの厚みが大きな変化を伴わない場合、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化相対角の変化によるスピン依存散乱などの確率が変化するためにおこるものと思われる。
【００１１】また本発明は、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化方向が略反平行あるとき磁化接合領域Ｍの厚みをｄａｐとすると０≦ｄａｐ≦２００ｎｍなる関係を持つ磁気抵抗素子である。
【００１２】これは、外部磁気エネルギ−に対して、磁化領域Ａおよび、磁化領域Ｂが大きく変化する素子において観察されるものであり、磁化領域と伝導スピンの向きが同じである場合をマジョリティ、磁化領域と伝導スピンの向きが反対であるときをマイノリティとすると以下のように大別するメカニズムが働いているものと思われる。
【００１３】まず、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンが何れもマジョリティあるいはマイノリティである場合での抵抗変化のメカニズムは以下のようであると思われる。
【００１４】２つの磁化領域の磁化の向きと伝導スピンの向きが何れも平行である、また何れも反平行であるとき、外部からの磁気エネルギ−により、２つの磁化領域の磁化の向きが互いに平行（伝導スピン同士のスピンの向きも互いに平行）であると、スピン依存散乱等が無いために低抵抗値をとり、一方、２つの磁化領域の磁化の向きが互いに反平行（即ち、伝導スピンの向きが互いに反平行）であると高抵抗となる。特にｄａｐが上記範囲であれば、直接的なスピン散乱（あるいはスピンの伝導禁止）が行われる伝導電子数が増え、結果として高い抵抗変化を得るものと思われる。ここでｄａｐが、２００ｎｍより大きくなると、伝導電子の直接的な散乱が弱くなるために、伝導スピンが互いに反平行時の抵抗が低くなるため、抵抗変化そのものは小さくなると思われる。
【００１５】次に、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンの何れか一方がマジョリティで残りがマイノリティである場合の抵抗変化のメカニズムは、以下のようであると思われる。
【００１６】磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化方向が平行である場合（即ち、伝導スピンの向きが互いに反平行であるとき）、スピン散乱などにより高抵抗となり、また、２つの磁化領域の磁化方向が反平行（即ち、伝導スピンの向きが互いに平行）であるとき、前記状態よりも低抵抗となる。特にｄａｐが上記範囲であれば、直接的な伝導を行う電子数が増え、低抵抗となり、結果として高い抵抗変化を得るものと思われる。ここでｄａｐが、２００ｎｍより大きくなると、伝導電子の直接的な伝導数が少なくなるために、伝導スピンが互いに平行時の抵抗が高くなるため、抵抗変化そのものは小さくなると思われる。
【００１７】尚、以上のｄａｐの値は、実際には、磁性体種類の組み合わせ、形状、伝導のメカニズムにより異なるが、同じ種類の磁性体の組み合わせである場合、より薄い場合に大きな抵抗変化が得られる傾向がある。
【００１８】また本発明は、磁化領域Ａ及び磁化領域Ｂが互いに略反平行であるとき、磁化接合領域Ｍの実効磁化をＭｍ、体積をＶｍ、また前記磁化領域Ａの実効磁化をＭa、体積をＶa、また前記磁化領域Ｂの実効磁化をＭｂ、体積をＶｂとすると、Ｍｍ×Ｖｍ＜Ｍａ×Ｖａ、Ｍｂ×Ｖｂなる関係を持つ磁気抵抗素子である。ここで、磁化領域とは、磁化接合領域Ｍと接しない強磁性体であっても、磁気的に結合することで、磁化方向を決定する磁性体であれば、この領域を含む。磁化領域Ａと磁化領域Ｂが略反平行であるとき、磁化接合領域Ｍの実効磁化×体積が、磁化領域Ａ、磁化領域Ｂよりも小さいことで、抵抗変化を大きくするのに必要な薄い磁化接合領域が形成しやすい。特に、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの相対磁化の変化が主とする磁気抵抗素子においては、外部からの磁気エネルギ−に対する抵抗変化の応答性が高くなる傾向がある。
【００１９】また本発明は、磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする磁気抵抗素子である。磁化領域Ａの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定された領域は、磁化領域Ａまたは、磁化領域Ｂを構成する磁性体の保持力を大きく選ぶことでも実現できる。しかしながら、本発明のように磁化領域Ａまたは、磁化領域Ｂの、少なくとも一方を、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体、あるいはこれらの組み合わせたものと磁気的結合すること、また形状異方性を用いることで、磁化領域を構成する材料自身の保持力にとらわれず、容易に実現できる。ここで、磁気的結合とは、磁化領域を構成する磁性体と直接接することで行われる交換結合、あるいは、非磁性体、非磁性空隙などを挟んで行われる静磁結合、またはこれらの組み合わせ等を意味する。ここで、反強磁性体としては、室温以上のネ−ル温度を持つものであれば、何れでも良く、例えば、金属合金であるPtMn、PtPdMn、FeMn、IrMn、ＮｉＭｎや酸化物反強磁性体等でもよい。また磁化領域ＡまたはＢ／第２の強磁性体／反強磁性体の構造で用いられる第２の強磁性体とは、CoまたはCoを含んだFeCo, CoFeNi, CoNi, CoZrTa, CoZrB CoZrNbなどの強磁性金属が好ましい。また、強磁性体と非磁性体の積層構造を持つ、積層フェリ構造に用いられる好ましい非磁性体としては、導電性を持つ金属、あるいは金属化合物であれば何れでも良いが、特にCu, Ag, Au, Ru, Rh, Ir, Re, Osがよい。またはこれらの金属の合金、酸化物が良い。また積層フェリの用いられる磁性体としてはCoを含有する、例えばCo、FeCo、FeCoNi、CoNi、FeCoNi, CoZrTa, CoZrNb, CoZrBなどの強磁性体が好ましい。また、高保持力磁性体としては、特に限定は無いが、保持力が100 Oe以上であるCoPt, FePt, CoCrPt, CoTaPt, FeTaPt, FeCrPtなどが望ましい。
【００２０】また本発明は、磁化接合領域Ｍの少なくとも一部、磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの領域が、軟磁性体と磁気的に結合した磁気抵抗素子である。それぞれの領域が軟磁性体と磁気的に結合することで、磁化接合領域、磁化領域を形成する材料の保持力にとらわれず低保持力化が可能なため、外部磁気エネルギ−に対する応答性を高めることができる。
【００２１】また本発明は、磁化領域Ａまたは磁化領域Ｂを形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である磁気抵抗素子である。高スピン分極材料とは、スピン分極率が４０％以上のものを指し、前記本発明ではスピン分極率が高いものであるほど、磁気抵抗変化が大きくなる傾向が見られる。スピン分極率の大きさは、フェルミ面近傍で高いことが望ましいが、伝導電子が、バリステック的である場合、伝導電子のポテンシャルの高さ近傍での分極率が高くてもよい。
【００２２】また本発明は、少なくとも一組の磁化領域Ａ、磁化領域Ｂおよび磁化接合領域Ｍが同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする磁気抵抗素子である。磁化領域、磁化接合領域の磁性体が異なる場合、これらの界面での磁気構造の変化、界面ポテンシャル等により、好ましい抵抗変化を得られない場合がある。従って、それぞれの磁化領域が同一の磁性体であることで、スピン分極率を反映した好ましい抵抗変化を得られる。
【００２３】また本発明は、磁性体２が、磁性体１と磁性体３に挟まれた一対の構成を少なくとも一組持ち、前記磁性体２が、磁性体１および磁性体３に対して、形状的または磁気的に、くびれ部を形成し、前記磁性体１の少なくとも一部、または前記磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁性体１と前記磁性体２および前記磁性体３の磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子である。ここで、磁性体２が形状的または磁気的くびれを持つとは、磁性体１から磁性体２または磁性体３から磁性体２へ移るに従い、形状的に狭くなる、あるいは、例えば、磁気モ−メントなどが小さくなることを意味する。外部からの磁気的エネルギ−を受けた場合、磁気的に固定されていない磁性体内部において磁化変化が行われ、この変化が、素子の抵抗値を変化させる。例えばくびれ部を形成する磁性体２の内部、あるいはその近傍に、磁性体２の形状あるいは磁気的な特徴から、比較的、幅が薄い磁化接合領域が生じる。この磁化接合領域の幅の変化あるいは磁性体２から磁性体１あるいは磁性体３への磁化接合領域の移動による幅の増大は大きな抵抗変化を生じる。また磁気的に固定された磁性体は、外部の磁気的エネルギ−に対する抵抗変化の可逆性を高める働きを持つ。また、この磁性体１、磁性体２、磁性体３の一対の組は、例えば、磁性体１／磁性体２／磁性体３（磁性体１‘）／磁性体２’／磁性体３‘のように２組の対あるいはそれ以上の組で構成されていてもよい。
【００２４】また本発明は、磁性体１と磁性体３が、くびれ部を構成する磁性体２および絶縁体を介して接し、前記絶縁体が前記磁性体２の側面部を被覆する構造を持つ磁気抵抗素子である。素子体積が小さくなるにつれ、くびれ部を持つ磁性体２では、磁性体２の体積に対する表面積が大きくなり、磁性体１から磁性体３へ電流を流したときに、表面電流の影響が無視できなくなる。磁性体１および磁性体３と接するくびれ部の側面部を絶縁体で覆うことで、このリ−ク電流を抑制することができ、本来の抵抗変化を得ることができる。また、本構成のようにくびれ部に絶縁体を設けることで、例えば、通常の薄膜プロセスとリソグラフィ技術を用いて、磁性体１／磁性体２／磁性体３の多層構造を容易に形成できる。
【００２５】また本発明は、磁性体２の長さが０．５ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、また磁性体２の幅の最短長が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である磁気抵抗素子である。磁性体２の長さ、即ち、くびれ部の長さとは、磁性体１から磁性体３に至る方向での長さを表し、また磁性体２の幅、即ちくびれ部の幅とは、前記長さ方向と直交する方向の幅を表す。くびれ部の長さが２０００ｎｍより大きい、あるいはくびれ部の幅の最短長が１００ｎｍより大きいと抵抗変化が小さくなる。また、くびれ部の長さが０．５ｎｍより小さい、あるいはくびれ部の幅の最短長が１ｎｍより小さいと、検出用の電流値が小さくなりすぎ、検出電流回路形成費が高くなる。
【００２６】また本発明は、磁性体１の磁化をＭ１、体積をＶ１、また磁性体２の磁化をＭ２、体積をＶ２、また磁性体３の磁化をＭ３、体積をＶ３とすると、Ｍ２×Ｖ２＜Ｍ１×Ｖ１、Ｍ３×Ｖ３なる関係を持つ磁気抵抗素子である。ここで、磁性体１または磁性体２が別の強磁性体Ａと直接結合している場合、この磁性体Ａの磁化Ｍａと体積Ｖａを合わせ持つものとする。この領域を含む。磁性体１と磁性体３の実効磁化×体積が、磁性体２の実効磁化×体積よりも大きいことで、磁性体２の内部あるいはその近傍に、抵抗変化を大きくするのに必要な十分に薄い磁化接合領域が形成できる。
【００２７】また本発明は、磁性体１の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする磁気抵抗素子である。
【００２８】本発明のように磁性体１または、磁性体３の、少なくとも一方を、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体。積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体、あるいはこれらの組み合わせたものと磁気的結合すること、また形状異方性を用いることで、磁化領域を構成する材料自身の保持力にとらわれず、磁性体の磁気的な固定を容易に実現できる。
【００２９】また本発明は、磁性体１の少なくとも一部、磁性体２の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの磁性体が、軟磁性体と磁気的に結合した磁気抵抗素子である。それぞれの磁性体が軟磁性体と磁気的に結合することで、磁性体の保持力にとらわれず低保持力化が可能なため、外部磁気エネルギ−に対する応答性を高めることができる。
【００３０】また本発明は、磁性体１または磁性体３を形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である磁気抵抗素子である。スピン分極率が高いものであるほど、磁気抵抗変化が大きくなる傾向が見られる。スピン分極率の大きさは、フェルミ面近傍で高いことが望ましいが、伝導電子が、バリステック的である場合、伝導電子のポテンシャルの高さ近傍での分極率高くてもよい。
【００３１】また本発明は、磁性体１、磁性体２及び磁性体３が同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする磁気抵抗素子である。磁性体１、磁性体２、磁性体３のそれぞれの材料が異なる場合、これらの界面での磁気構造の変化、界面ポテンシャル等により、好ましい抵抗変化を得られない場合がある。従って、それぞれが同一の磁性体であることで、スピン分極率を反映した好ましい抵抗変化を得られる。
【００３２】また本発明は、磁性体の少なくとも一部が、マグネタイトである磁気抵抗素子である。磁気抵抗素子に用いられる高スピン分極材料としては、FeCo合金, NiFe合金、NiFeCo合金、その他、FeCr、FeSiAl, FeSi,FeAl, FeCoSi, FeCoAl, FeCoSiAl, FeCoTi, Fe(Ni)Co)Pt, Fe(Ni)(Co)Pd, Fe(Ni)(Co)Rh, Fe(Ni)(Co)Ir, Fe(Ni)(Co)Ru, FePt, (Fe,Co,Ni)L (Ｌは,La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) 等の強磁性、あるいは希薄磁性合金,またFeN, FeTiN, FeAlN, FeSiN, FeTaN, FeCoN,FeCoTiN, FeCo(Al,Si)N, FeCoTaN 等の窒化物、Fe3O4あるいは水マンガン鉱、X2MnY(Xは、Co, Ni, Cu, Pt, Pdから選ばれた少なくとも一つ Ｙは、Al, Sn, In, Sb)、LaSrMnO, LaCaSrMnO等のLa1-xDxMnO（Dはアルカリ土類金属）, CrO2、,ZnDO(Dは、V、Cr、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも一つ) NiEO (Eは、V、Cr、Fe、Coから選ばれた少なくとも一つ),GaMnN, AlMnN, GaAlMnN, AlBMnN,等、あるいは、ペロブスカイト型酸化物、フェライト等のスピネル型酸化物、ガ−ネット型酸化物があり、それぞれ優れた特性を得るが、中でもFe3O4 (マグネタイト)が安価に作製でき、また高抵抗変化を示す。
【００３３】また本発明は、磁性体１が磁化領域Ａの少なくとも一部、または磁性体３が磁化領域Ｂの少なくとも一部であることを特徴とする磁気抵抗素子である。前述の好ましい磁化領域Ａと磁化領域Ｂの関係が、磁性体１と磁性体３内で実現することで、好ましい磁化接合領域を実現しうる磁性体２との組み合わせで、高い抵抗変化が容易に実現できる。
【００３４】また本発明は、外部磁界の変化を、前記本発明の磁気抵抗素子の抵抗変化として検出する磁気センサ−である。素子に電流を流し、その際の電圧の変化を検知することで、外部磁界の変化による磁化状態を検出する。
【００３５】また本発明は、前記本発明の磁気抵抗素子に加わる応力の変化を抵抗変化として検出する応力センサ−である。磁性体に応力を加えることで、磁歪に基づく磁化状態の変化を検出する。
【００３６】また本発明は、磁気情報の変化を、前記本発明の磁気抵抗素子に含まれる磁化変化が容易な磁性体に記録し、この記録情報を磁気抵抗素子の抵抗値変化として検出する磁気メモリである。磁化変化が容易な磁性体に形状異方性、あるいは保持力により磁気情報を記憶させ、この記録情報を検知するメモリ素子である。ここで磁気情報は、電圧駆動された強磁性誘電体、磁性半導体、スピン注入、あるいは信号電流磁界などから供給される。
【００３７】
【発明の実施の形態】各磁性層、反強磁性層、層間絶縁層、電極等の形成には、パルスレ−ザデポジション(PLD)、イオンビ−ムデポジション（ＩＢＤ）、クラスタ−イオンビ−ムまたはＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰまたは対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、ＭＢＥ、イオンプレ−ティング法等、通常薄膜形成に用いられるＰＶＤ法や、ＣＶＤ、メッキ法あるいはゾルゲル法で作製することができる。また特に作製する対象が、化合物である場合には、化学ビ−ムエピタキシや、ガスソ−スＭＢＥ、反応性蒸着、反応性スパッタを用いて作製してもよく、またＰＶＤで形成後、反応元素の原子、分子、イオン（プラズマ）、ラジカル等を、適当な分圧、反応温度、時間を制御することで反応させて作製してもよい。ここで、プラズマや、ラジカル作製には、ＥＣＲ放電、グロ−放電、ＲＦ放電、ヘリコンあるいはＩＣＰ等により発生できる。また素子の微細加工や、センサ−や、メモリ等のデバイス化のためのプロセスは通常、半導体プロセスや、ＧＭＲヘッド作製プロセス等で用いられるイオンミリング、ＲＩＥ、ＦＩＢ等の物理的あるいは化学的エッチング法、また微細パタ−ン形成のためにステッパ−、EB法等を用いたフォトリソグラフィ−技術を用いて達成できる。また多層配線時の電極の平坦化のために、ＣＭＰ法や、クラスタ−イオンビ−ムエッチングを用いることもＭＲ向上に効果的である。
【００３８】図１に基本的な素子構成例を示す。磁性体１、磁性体２、磁性体３は直列に接続され、磁性体２は磁性体１および磁性体３に対してくびれた構造を持つ。磁性体１には磁化固定体、また磁性体３には軟磁性体あるいは磁化固定体が磁気的に結合している。磁性体１と磁性体３の間には電流が流され、その電圧変化を読みとる素子が接続されている。電圧変化は、差動増幅器等を用いて、素子の最小抵抗、あるいは最大抵抗とほぼ同じ抵抗値を有する参照抵抗に対する変化分として検出する場合もある。図１(a)は、磁性体２が三角形状の頂点、あるいはこれに類する構造となっており、また図１(b)では細線形状の例を示している。
【００３９】また磁性体２の形状は、図２(a)で示すように、一方向のみにくびれを持つ形状でもよく、さらに図２(b)に示すように、２組以上の素子が直列に接続された構成でもよい。
【００４０】図３に、磁性体１、磁性体２、磁性体３の直列形状の作成方法例について示す。磁性体１〜磁性体３は同一の結晶配向性を持つ同一材料で、それぞれ厚みが異なる場合、あるいは３種とも異なる材料である場合、例えば図（１−１）〜（１−５）に示す手順で作製できる。ここで、図３（１−１）は、基板上に薄膜形成法により作製した磁性体１を示す。薄膜形成法としては、パルスレ−ザデポジション(PLD)、イオンビ−ムデポジション（ＩＢＤ）、クラスタ−イオンビ−ムまたはＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰまたは対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、ＭＢＥ、イオンプレ−ティング法等の気相法、あるいはメッキ法あるいはゾルゲル法などで作製することができる。（１−２）は、この磁性体１をイオンミリングやＲＩＥを用いた通常のフォトリソグラフィで加工し、磁性体２を成膜した後、リフトオフし、（１−３）の形状を作製し、続いて、（１−４）のように磁性体２を加工したのち、磁性体３を成膜し、リフトオフにより（１−５）のような形状にする。また特殊な場合として、磁性体１〜磁性体３が全て同じで、且つ磁性体２と、磁性体３、磁性体１の結晶配向性が異なるような場合では、（２−１）〜（２−３）あるいは（３−１）〜（３−３）に示すような作成方法を用いる。図中、下地とは結晶配向性制御層を指し、基板とは異なる結晶配向をしやすい材料から選択される。（２−１）〜（２−３）は、まず下地の形状を規制し、その上に磁性体を形成する方法である。また（３−１）〜（３−３）は、下地の上に磁性体２を形成し、その後、微細加工によりくびれた磁性体を形成後、磁性体１と磁性体３を形成する方法である。
【００４１】以上のように形成された磁性体１〜磁性体３は、さらにその上に図４に示す（１−１）〜（１−４）、（２−１）〜（２−４）または（３−１）〜（３−４）の手順を用いて、磁化固定体あるいは軟磁性体の形成、さらにはくびれ形状の加工を行う。
【００４２】図５は、面に垂直方向に電流を流す素子である。図５の素子は、基板上に電極などを形成後（図中基板と電極は略している）引き続き、磁化固定体、磁性体１、磁性体２を形成し、微細加工技術を用い、磁性体２の素子形状を規制する。磁性体２の周辺に絶縁体を形成後、磁性体２上に、磁性体３と磁化固定体または軟磁性体を形成することで作製する。
【００４３】磁性体３に軟磁性体が磁気的に結合される場合、軟磁性体および磁性体３からの漏れ磁界が、磁性体１からの漏れ磁界と相互作用を起こす。図６は、磁性体１が磁性体１または磁性体４と非磁性体を介して静磁結合的、あるいは反強磁性的に結合することで、磁性体１からの漏れ磁界を抑制する構成である。また、図７は、さらに磁性体３および軟磁性体からの漏れ磁界を抑制する構成をしめす。また、図７の構成では、漏れ磁界が抑制されることで、素子が微細化された場合、磁性体３の磁化回転に要するエネルギ−が小さくなる。
【００４４】次に、磁性体３が磁化固定体と結合される場合、磁性体１と磁性体３は互いの磁化の向きにより異なる静磁的な相互作用を行う。図８は、磁性体２を挟む磁性体１と磁性体３の磁化方向が異なる場合で、特に、磁性体１と磁性体３の磁気モ−メントの大きさが同程度で、互いに磁化をうち消しあう構成を示す。また図９は磁性体２を挟む磁性体１と磁性体３の磁化方向が互いに平行の場合、あるいは反平行の場合で、漏れ磁界が十分キャンセルできない場合の構成で、磁性体１と磁性体３がそれぞれ、非磁性体１または非磁性体２を挟んで別の磁性体１または磁性体４、あるいは磁性体３または５と静磁結合的、あるいは反強磁性的な磁気結合を行うことで、磁性体１と磁性体３の磁気的干渉を減少させている。尚、これらの非磁性体を挟んだ磁化干渉の減少は、図１または図２で示した素子において、膜面垂直方向に非磁性体を挟んだ磁性体の多層化を行うことで同様に効果がある。
【００４５】図１０は、例えば単結晶基板に異方性エッチング等を施した、特定の形状規制をもつ基板上に、斜め成膜などの技術により、同一磁性体でくびれ形状を持つ磁気抵抗素子について示したものである。図１０では、磁化固定は形状異方性により施された場合について示しているが、磁化固定体との磁気的結合や、磁性体の結晶配向性の選択などによっても実現できる。
【００４６】図１１〜図１３に、基本素子についての基本的な動作原理を示す。図１１では、磁性体１と磁性体３にそれぞれ磁化固定体と軟磁性体が磁気的に結合されている。また、外部の磁気的エネルギ−に対し、磁化固定体と結合した磁性体１は磁化が固定された状態にあり、軟磁性体と結合した磁性体３は磁化回転が可能である。磁性体３は、図１１(a)に示すように、初期状態では形状異方性などにより、所定の方向に磁化が向いているものとする。磁化領域がともに平行である場合、磁化結合領域Ｍは、図１１(a)のように狭くなり、また反平行である場合、図１１(b)のように広くなる。今、磁性体１と磁性体３の伝導スピンの向きと磁化の向きの関係が、何れの磁性体においても平行、あるいは反平行あるとすると、図１１(a)での電気抵抗は低くなり、図１１(b)での電気抵抗は高くなる傾向がある。また、磁性体１、磁性体３で、一方の伝導スピンの向きが磁化と平行で、他方の伝導スピンの向きが磁化と反平行である場合、図１１(a)の伝導スピンは互いに反平行となるために、電気抵抗は高くなり、図１１(b)での電気抵抗はそれより低下する傾向がある。電気抵抗の変化の大きさは、磁化結合領域の厚みや、磁化結合領域内での磁化の遷移状態に依存する。
【００４７】図１２では磁性体１と磁性体３にそれぞれ磁化固定体が磁気的に結合されており、磁化方向が互いに平行に固定された状態にある。
【００４８】磁化領域がともに平行であるために、初期状態の磁化結合領域Ｍは、図７(a)のように狭く、外部から磁気的エネルギ−を与えることで、図７(b)のように広くなる。
【００４９】磁性体１と磁性体３の伝導スピンの向きと、磁化の向きが平行、あるいは反平行あるとすると、図１２(a)での電気抵抗は低くなり、図１２(b)での電気抵抗は高くなる傾向がある。また、磁性体１、磁性体３で、一方の伝導スピンの向きが磁化と平行で、他方の伝導スピンの向きが磁化と反平行である場合、図１２(a)での、電気抵抗は高くなり、図７(b)での電気抵抗はそれより低下する傾向がある。電気抵抗の変化の大きさは、磁化結合領域の厚みや、磁化結合領域内での磁化の遷移状態に依存する。
【００５０】図１３では磁性体１と磁性体３にそれぞれ磁化固定体が磁気的に結合されており、磁化方向が互いに反平行に固定された状態にある。互いに反平行な磁化の固定は、例えば磁性体１を反強磁性体とのカップリング、磁性体３を積層フェリを介した反強磁性体とのカップリングなどにより行う。磁化領域が互いに反平行であるために、初期状態の磁化結合領域Ｍは、比較的広く、これに外部から磁気的エネルギ−を与えることで、図１３R>３(b)のように、磁化結合領域がくびれから移動する。磁性体１と磁性体３の伝導スピンの向きと、磁化の向きが平行、あるいは反平行あるとすると、図１３(a)での電気抵抗は高くなり、図１２(b)での電気抵抗は低くなる傾向がある。また、磁性体１、磁性体３で、一方の伝導スピンの向きが磁化と平行で、他方の伝導スピンの向きが磁化と反平行である場合、図１３(a)での、電気抵抗は低くなり、図７(b)での電気抵抗はそれより高くなる傾向がある。電気抵抗の変化の大きさは、磁化結合領域の厚みや、磁化結合領域内での磁化の遷移状態に依存する。
【００５１】図１４に、これらの素子を用いたランダムアクセスメモリ例を示す。メモリとして使用される磁気抵抗素子としては、特に、磁性体１もしくは磁性体２が磁化反転可能な構造を持つ、図１、２、５、６、７、１０等で代表される素子をメモリセルとして用いるのがよい。素子は例えば図１４、A1に代表されるように、CuやAlをベ−スに作られたビット線とワ−ド線の交点に配置され、それぞれのラインに信号電流を流した時に発生する合成磁界を用いた２電流一致方式により信号情報が記録される。図１５(a)は、交点に配置された面内抵抗変化を行う素子の上面図である。また図１５(b)は、面垂直方向の抵抗変化を行う素子の断面図を示している。図１６１６及び図１７に、面垂直方向の素子の電流による書き込み動作と、読み込み動作について例示する。図１６では、素子の磁化状態を個別に読みとるためには、素子毎にFETに代表されるスイッチ素子を設けた構成を示している。また図１７では、素子毎に非線形素子、あるいは整流素子を用いた構成を示している。ここで、非線形素子は、バリスタや、トンネル素子などでも良い。図１６及び図１７では、それぞれ、ビット線は素子に電流を流して抵抗変化を読みとるセンス線と併用する場合について示しているが、センス線を別途設ける場合、ビット線は、素子と電気的に絶縁されていても良い。また、電流書き込みの場合、ワ−ド線、ビット線とメモリセル間の距離は消費電力の点から５００ｎｍ程度以下である。
【００５２】図１８に、多値メモリとしてのセル構造例を示す。図のメモリセルは、２組の磁気抵抗素子を組み合わせたもので、且つ、組み合わせた素子内に、磁化回転可能な磁性体を、２つ持ち、これらが異なる反転磁界、もしくは保持力を持つ構成となっている。組み合わせる磁気抵抗素子数は２組以上でも良いが、記録に電流磁界を用いる場合、素子全体の厚みは、５００nm以下であることが良い。このとき多値記録は、信号電流値の振幅を変え、記録磁界の強度を変えることで行う。また、記録可能な多値信号は、図１８で、２組の磁気抵抗素子の最小素子抵抗と抵抗変化の大きさが同じである場合は３値、また、最小抵抗値あるいは抵抗変化の大きさが異なる同じ場合は４値となる。また、２つの磁化回転可能な磁性体の反転磁界、あるいは保持力が等しく、さらに２組の磁気抵抗素子の最小抵抗と抵抗変化の大きさが同じである場合、多値化は行えないが、メモリセル自体の抵抗を直列にできるため、出力電圧を大きくすることができる。
【００５３】図１９に、電流磁界による書き込みを行う、多値メモリの多層配線のセル構造例を示す。図１９(a)はFETに代表されるスイッチ素子上に作製した多層配線で、また図１９（ｂ）はダイオ−ドやトンネル素子に代表される整流素子あるいは非線形素子を介して形成した多層配線を示す。スイッチ素子や整流素子または非線形素子は、隣接する素子同士の電気的分離を行う働きをする。これらの電気的分離素子がない場合、即ち、素子が、図１４に示したワ−ド線とビット線の配列において電気的に並列に接続されている場合、センス感度から、並列接続できる素子の最大個数は２５６個以下となる。
【００５４】図１９（ａ）で、素子１〜素子３は電気的に直列に接続され、またワ−ド線１、ワ−ド線２およびビット線１は素子１および素子２と電気的に絶縁されている。それぞれの素子への記録は、素子１に対しては、ワ−ド線１及びビット線１、素子２に対しては、ビット線１及びワ−ド線２、また素子３に対してはビット線２及びワ−ド線２にそれぞれ流した信号電流がつくる合成磁界を用いて記録する。読み出し方法にはいくつかあるが、例えば、一つには配線抵抗を含む、３つの素子に流した電流から発生する電圧を直接に読み出し、その出力の大きさにより最大６値のメモリ情報を得る方法がある。ここで、配線抵抗や、素子の基準抵抗（例えば最小抵抗）を相殺するために、差動アンプ等を用い、別の参照抵抗との差動出力を検知してもよい。またこの方法では、非破壊読み出しであるが、６値のメモリ情報を得るためには、素子１〜３はそれぞれ異なる最小抵抗、あるいは抵抗変化を持つことが必要である。また一つには、３つの素子に電流を流し、電圧を検知しながら、読み出しを行う素子（例えば素子１）に、記録を行うときと同様に、（ワ−ド線１およびビット線１により）磁界を発生させ、磁界発生前後で抵抗変化が起こった場合と起こらない場合で、磁化方向を推定する手法がある。この場合、素子の情報は破壊されることがあるために、再度記録が必要となるが、素子１〜３は同じ抵抗値と抵抗変化を持ったものでもよい。また図では素子が３つの場合の多層化について示しているがこれ以上でもよい。
【００５５】図１９(b)では素子１〜素子３は順方向では電気的に接続されている。図で用いた整流素子の向きは、必ずしも同じ向きである必要はない。素子への記録は、素子１に対しては、ワ−ド線１とビット線１から、また、素子２に対しては、ビット線１とワ−ド線２から、また素子３に対しては、ワ−ド線２とビット線２に流した信号電流が作る合成磁界を用いて記録する。読み出し方法としては、素子１については、ワ−ド線１とビット線１間の抵抗変化、素子２については、ビット線１とワ−ド線２の間の抵抗変化、素子３については、ビット線２とワ−ド線２の間の抵抗変化から読みとれる。ここで、それぞれの抵抗変化は、別に設けられた参照抵抗との差動出力により検知してもよい。また、この参照抵抗は、互いの素子同士であってもよい。また図では素子が３つの場合の多層化について示しているがこれ以上でもよい。
【００５６】図２０および図２１に、面内抵抗の素子を用いたメモリセル配置を示す。ビット線とワ−ド線は、それぞれ素子から電気的に独立した構成を持ち、それぞれの素子には、これらに流した信号電流がつくる合成磁界により磁気情報を記録する。また読み出しは、センス電流を流すことで、それぞれの素子抵抗の変化を読み出す。図２０では素子が個別に分離されている場合で、図２１２１は素子そのものがセンス線を兼ねている場合について示している。具体的な読み出し方法は、図１９(a)と基本的に同じで、例え例えば、一つには配線抵抗を含む、３つの素子に流した電流から発生する電圧を直接に読み出し、その出力の大きさにより最大６値のメモリ情報を得る方法がある。ここで、配線抵抗や、素子の基準抵抗（例えば最小抵抗）を相殺するために、差動アンプ等を用い、別の参照抵抗との差動出力を検知してもよい。またこの方法では、非破壊読み出しであるが、６値のメモリ情報を得るためには、素子１〜３はそれぞれ異なる最小抵抗、あるいは抵抗変化を持つことが必要である。また一つには、３つの素子に電流を流し、電圧を検知しながら、読み出しを行う素子（例えば素子１）に、記録を行うときと同様に、（ワ−ド線１およびビット線により）磁界を発生させ、磁界発生前後で抵抗変化が起こった場合と起こらない場合で、磁化方向を推定する手法がある。この場合、素子の情報は破壊されることがあるために、再度記録が必要となるが、素子１〜３は同じ抵抗値と抵抗変化を持ったものでもよい。また図では、紙面の都合上、素子数が３つの場合を示しているがこれ以上でもよい。
【００５７】図２２〜図２５は、外部磁界からの情報を読みとる磁気センサ−あるいは磁気ヘッドの例である。図２２〜２４においては、外部磁界は、磁気ギャップから軟磁性体で構成されたヨ−クを通じて、磁気抵抗素子の磁化状態を変化させる。図２２および図２４(b)では、磁気抵抗素子として、図２(a)に代表される面内抵抗の素子を用いている。図２２では、ヨ−クは基板面内に、図２４（ｂ）ではヨ−クは基板面に対して立体的に配置されている。図２３および図２４（ａ）では、磁気抵抗素子として、図５に代表される面垂直抵抗の素子を用いており、図２３では、ヨ−クが基板面内にあり、また図２４ではヨ−クが基板面に対して立体的に構成されている。それぞれの図では磁気抵抗素子の軟磁性体部はヨ−クの一部を形成しているが、ヨ−クと空隙、あるいは非磁性体を介して、磁気的に結合した状態でもよい。
【００５８】ヨ−クは、単一の磁性体でもよいが、実効的な磁性薄膜の厚みを薄くする積層フェリ構造、あるいは漏れ磁界を抑制する静磁結合構造とするために、磁性体と非磁性体の積層構造を成していてもよい。また、図２５２５では、外部磁界が、軟磁性体で構成されたフラックスガイドを通じて導入され、磁気抵抗素子の磁化状態を変化させるシ−ルド型の磁気センサ−あるいは磁気ヘッドの例を示す。フラックスガイドを磁気的にシ−ルドする共通、あるいは下部シ−ルドは、NiFeや、FeSiAlのような軟磁性体で、且つ電極として用いるに足る導電性を持っている。なお、図２２〜２５に用いられる磁気抵抗素子は、磁区構造によるバルクハウゼンノイズなどを抑制するために、Pt(Pd)Mn、IrMn、FeMn、NiMnなどの反強磁性体、CoPt等の高保持力磁性体あるいは電流バイアスにより、それぞれ、導入する磁束方向に対して垂直方向にバイアス磁界をかけることも望ましい。
【００５９】図２６は、外部からの応力または加速度による磁化状態の変化を抵抗変化として検出するセンサ−である。図２６(a)では、磁性体３に強磁歪材料（磁歪定数が１０-6以上）が積層され、応力変化により変化する強磁歪材料の磁化変化を磁性体３に伝えることで、磁気抵抗変化を検知する構成を示している。ここで磁性体３が、強磁歪材料である場合、強磁歪材料と積層する必要はない。また図２６（ｂ）では、磁性体１または磁性体３に磁化固定層が接続され、応力が主として磁性体２にかかることで、磁気抵抗変化が生じる構成について示している。
【００６０】以上の構成で、磁性体１〜３として用いられる材料としては、Fe, Co, Ni, FeCo合金, NiFe合金、CoNi合金、NiFeCo合金、FeCr、FeSiAl, FeSi,FeAl, FeCoSi,FeCoAl, FeCoSiAl, FeCoTi, Fe(Ni)Co)Pt, Fe(Ni)(Co)Pd, Fe(Ni)(Co)Rh, Fe(Ni)(Co)Ir, Fe(Ni)(Co)Ru, FePt, (Fe,Co,Ni)L (Ｌは,La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm,Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) 等の強磁性、あるいは希薄磁性合金,またFeN, FeTiN, FeAlN, FeSiN, FeTaN, FeCoN, FeCoTiN, FeCo(Al,Si)N, FeCoTaN等の窒化物磁性体、あるいは炭化物、硼化物、フッ化物磁性体、あるいは、Fe3O4あるいは水マンガン鉱、X2MnY(Xは、Co, Ni, Cu, Pt, Pdから選ばれた少なくとも一つ Ｙは、Al, Sn, In, Sb) , LaSrMnO, LaCaSrMnO等のLa1-xDxMnO（Dはアルカリ土類金属）, CrO2、,ZnDO(Dは、V、Cr、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも一つ) NiEO (Eは、V、Cr、Fe、Coから選ばれた少なくとも一つ),GaMnN, AlMnN, GaAlMnN, AlBMnN,等、あるいは、ペロブスカイト型酸化物、フェライト等のスピネル型酸化物、ガ−ネット型酸化物があり、それぞれ優れた特性が得られる。
【００６１】また以上の構成で用いられる軟磁性体としては、NiFe、FeSiAｌ、FeSi、FeTA(Tは、Ta, Al, Ti, Nb, Zr, Hf, Si, Mg,Ge,Ga等)また(Ａは、N, B, O, F, C)、あるいは(Co, Fe)M （Ｍは Nb, Zr, Ta, B）等が良い。
【００６２】また以上の構成で用いられる磁化固定体としては、PtMn、PtPdMn、FeMn、IrMn、NiMnや酸化物等の反強磁性体、あるいは第２の強磁性体として、CoまたはCoを含んだFeCo, CoFeNi, CoNi, CoZrTa, CoZrB CoZrNb合金等を用いた、第２の強磁性体／反強磁性体の積層構造、あるいは、非磁性体としてCu, Ag, Au, Ru, Rh,Ir, Re, Osまたはこれらの金属の合金、酸化物を用い、また、磁性体としてCo、FeCo、FeCoNi、CoNi、FeCoNi, CoZrTa, CoZrNb, CoZrBなどの強磁性体を用い、これらの強磁性体と非磁性体を積層した、積層フェリ磁性体、あるいは、積層フェリ磁性体／反強磁性体の積層構造、あるいは、保持力が100 Oe以上であるCoPt, FePt, CoCrPt, CoTaPt, FeTaPt, FeCrPtなどの高保持力磁性体、または、磁性体の形状異方性を用いた構成が良い。
【００６３】以下、磁化遷移領域や、磁化領域は、電子線ホログラフィｌ、MFM、ロ−レンツ顕微鏡などを用いた観察から求めた値である。
【００６４】（実施例１）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁化固定体１と磁化固定体２をそれぞれFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、ｌの深さを変えた素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。２８０℃、５kOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１と磁性体３に、図１２(a)のように同一方向の異方性を付与した。外部磁界を異方性の向きと反対方向から加えた時に主として、磁化の固定を受けていない磁性体２近傍で磁化変化が起こり、磁性体１と磁性体３間の抵抗変化が観察された。
【００６５】外部磁界が無い状態で、磁性体１と磁性体３の平均的な磁化方向とのずれが大きい領域を磁化結合領域と定義し、その抵抗測定方向に対する厚みｄと、磁気抵抗変化の関係を調べた。結果を（表１）に示す。ここで、ＭＲは最大抵抗値と最小抵抗値の差を最小抵抗値で割ったものである。
【００６６】
【表１】
【００６７】（実施例２）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁化固定体２をFe3O4側から、CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(30)とし、ｌの深さを変えた素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１と磁性体３に、図１３（ａ）のように互いに反平行の一方向異方性を付与した。
【００６８】外部磁界を異方性の向きと反対方向から加えた時に主として、磁化の固定を受けていない磁性体２近傍で磁化変化が起こり、磁性体１と磁性体３間の抵抗の変化が観察された。
【００６９】外部磁界が無い状態で、磁性体１と磁性体３の平均的な磁化方向とのずれが大きい領域を磁化結合領域と定義し、その抵抗測定方向に対する厚みｄと、磁気抵抗変化の関係を調べた。結果を（表２）に示す。
【００７０】
【表２】
【００７１】（実施例３）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、ｌの深さを変えた素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に図１１R>１（ａ）のような一方向異方性を付与した。
【００７２】外部磁界を加え、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）のように磁化を反転させ、外部磁場を取り除いた状態で、磁性体１と磁性体３の平均的な磁化方向とのずれが大きい領域を磁化結合領域と定義し、その抵抗測定方向に対する厚みｄａｐと、磁化反転前後での磁気抵抗変化の関係を調べた。結果を（表３）に示す。
【００７３】
【表３】
【００７４】（実施例４）図２８の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、磁化固定体１と軟磁性体の長さであるＬ１とＬ３を変えた素子を作製した。Ｗは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。これらの素子を２８０℃、５KOeの磁場中で熱処理し磁性体１に一方向異方性を付与した。
【００７５】外部磁界を加え、磁性体３の少なくとも一部を磁化反転させ、外部磁場を取り除いた状態で、抵抗の変化を測定した。また磁性体１と磁性体３それぞれにおいて磁化方向が揃った領域をそれぞれ磁化領域Ａ、磁化領域Ｂとし、さらに磁化領域Ａとほぼ同じ方向に磁化を揃えたCoFeの磁化領域を磁化領域A'、また磁化領域Ｂとほぼ同じ方向に磁化を揃えた軟磁性体の磁化領域を磁化領域Ｂ'とした。磁化領域Ａと磁化領域Ａ'のそれぞれの体積と飽和磁化の積の和からもとめた値をＭａ×Ｖａ、また、磁化領域Ｂと磁化領域Ｂ'から同様に求めた値をＭｂ×Ｖｂ、また磁化遷結合領域の大きさから求めた値をＭｍ×Ｖｍとし、それぞれの値の大小と抵抗変化を調べた。結果を（表４）に示す。
【００７６】
【表４】
【００７７】（実施例５）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべて同一の磁性体Aとし、磁性体Ａとして、Ni、Co、Fe、Fe50Co50、Fe25Co75、Ni60Fe40、NiFeCo、Fe50Cr50、FeN、Fe3O4、NiMnSb、CuMnSb、PtMnSb、LaSrMnO、LaCaSrMnO、CrO2を用い、また、磁化固定体１を磁性体A側から、CoFe(3)/IrMn(50)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とした素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。ここでIrMnは１００ Oeの磁界中で成膜し、磁性体１に図１１（ａ）のような一方向異方性を付与した。
【００７８】外部磁界を加え、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）のように磁化を反転させ磁化反転前後での抵抗変化を調べた。結果を（表５）に示す。
【００７９】
【表５】
【００８０】（実施例６）図２９の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、Ｗ２、ｌおよび長さＬ２を変えた素子を作製した。図でＷ１は１μｍである。２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に図１１R>１（ａ）のような一方向異方性を付与した。外部磁界を加え、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）のように磁化を反転させた前後での抵抗変化を調べた。結果を（表６）に示す。
【００８１】
【表６】
【００８２】（実施例７）図３０の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、Ｗ２、ｌ２および長さＬ２を変えた素子を作製した。図でＷ１は１μｍ、Ｗ３は２μｍである。Ｗ３の方向に沿って、２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に一方向異方性を付与した。外部磁界を加え、磁性体３を反転させた前後での抵抗変化を調べた。結果を（表７）に示す。
【００８３】
【表７】
【００８４】（実施例８）図３０の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、Ｗ２、ｌ２および長さＬ２をそれぞれ、２０、２０、１０ｎｍとし、Ｗ１とｌ１、ｌ３および、磁性体１、磁性体３、軟磁性体のサイズを変えた素子を作製した。Ｗ３の方向に沿って、２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に一方向異方性を付与した。
【００８５】磁性体３と軟磁性体それぞれの体積と飽和磁化の積の和からもとめた値をＭ３×Ｖ３、また、磁性体１の体積と飽和磁化の積からもとめた値をＭ１×Ｖ１、また磁性体２の体積と飽和磁化の積をＭｍ×Ｖｍとし、外部磁界を加え、磁性体３を反転させた前後での抵抗変化との関係を調べた。結果を（表８）に示す。
【００８６】
【表８】
【００８７】（実施例９）図３０の構成で、磁性体１、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体２として、Ni、Co、Fe、Fe50Co50、Fe25Co75、Ni60Fe40、NiFeCo、Fe50Cr50、FeN、Fe3O4、NiMnSb、CuMnSb、PtMnSb、LaSrMnO、LaCaSrMnO、CrO2を用い、また、磁化固定体１を磁性体２側から、CoFe(3)/IrMn(50)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とした素子を作製した。
【００８８】Ｗ２、ｌ２および長さＬ２をそれぞれ、２０、２０、３ｎｍとしＷ１は１μｍ、Ｗ３は２μｍとした素子を作製した。Ｗ３の方向に沿って、２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に一方向異方性を付与した。外部磁界を加え、磁性体３を反転させた前後での抵抗変化を調べた。結果を（表９）に示す。
【００８９】
【表９】
【００９０】（実施例１０）CMOS基板上に、図１６に示すような基本構成のメモリ素子で集積メモリを作製した。素子配列は、１６×１６素子のメモリブロックが合計８ブロックとした。ここで、１ブロック当たり２５６個の素子中、２５５個の素子には、図５の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)とし、磁気抵抗変化率が６０％のものを用いた。また、各部ロックの残りの１素子は、磁性体２の素子幅を他の素子よりも大きくすることで、磁気抵抗変化率を３％以下に押さえ、配線抵抗や、素子最低抵抗、FET抵抗をキャンセルするためのダミ−素子とした。なお、ワ−ド線およびビット線などは全てＣｕを用いた。
【００９１】ワ−ド線とビット線の合成磁界により、８つのブロックの、８素子にそれぞれの磁性体３の磁化反転を同時に行い、８ビットずつの信号を記録した。次に、CMOSで作製されたＦＥＴのゲ−トをそれぞれのブロックに付き１素子ずつONし、センス電流を流した。このとき、各ブロック内でのビット線、素子、及びFETに発生する電圧と、ダミ−電圧をコンパレ−タにより比較し、それぞれの素子の出力電圧から、同時に８ビットの情報を読みとった。
【００９２】（実施例１１）ガラス基板上に、図１９（ｂ）に示すような基本構成のメモリ素子で集積メモリを作製した。素子配列は、一段当たり、１６×１６素子が３段あるものを１ブロックとし、合計８ブロックとした。ここで、第１段と第３段は、メモリ素子で、第２段はダミ−素子である。１ブロック当たり、２５６×３個の素子は、図５の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)としている。５１２個のメモリ素子の磁気抵抗変化率が６０％とし、また２５６個のダミ−素子は、磁性体２の素子幅を他の素子よりも大きくすることで、磁気抵抗変化率を１％以下に押さえている。なお、ワ−ド線およびビット線などには全てＣｕを用いた。
【００９３】ワ−ド線とビット線の合成磁界により、各ブロック毎に１素子ずつに同時書き込みを行い、８ビット信号を記録した。各ブロックで、第１段に記録したメモリ情報は、ビット線１から２つのワ−ド線（１および２）に電流を流し、同一ビット線上にある第１段の素子と第２段のダミ−素子に生じた電圧を、コンパレ−タにより比較し、それぞれのビット情報を読みとった。また、第３段に記録したメモリ情報は、２つのビット線（２および３）からワ−ド線２に電流を流し、同一ワ−ド線上にある第３段の素子と第２段のダミ−素子に生じた電圧をコンパレ−タにより比較し、それぞれのビット情報を読みとった。これらの読みとり動作を８ブロック毎に行い８ビット情報を同時に読みとった。
【００９４】（実施例１２）CMOS基板上に、図２１に示すような基本構成の集積メモリを作製した。図で、素子は、図１５(a)に示す基本メモリが３つ、直列に接続された１列の構成のみ示している。この直列に接続された列を、合計３列とする３×３配列を１ブロックとし、合計８ブロックから成る集積メモリを用いて８ビットの記録と読み出しを行った。ここで、１ブロック当たり、９個の素子には、図２（ａ）の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)とし、磁気抵抗変化率が７０％のものを用いた。また、ワ−ド線およびビット線などには全てＣｕを用いた。
【００９５】ビット情報に基づく、ワ−ド線とビット線の合成磁界により、８つのブロックの、８素子の磁性体３を磁化反転し、８ビット信号を同時に記録した。次に、CMOSで作製されたＦＥＴのゲ−トをそれぞれのブロックに付き１列ずつONし、センス電流を流し、各列の基準電圧を検知した後、ワ−ド線、ビット線が直交したれぞれの素子に関して合成磁界をかけ、電圧の変化をしらべることで、１ブロック当たり１ビット、合計８ビットの情報を同時に読みとった。読みとり動作終了後、バッファメモリの読み出し信号に基づき、読み出し時に、磁化反転が行われた素子に対して、再び反転磁界を印可し、再書き込みを行った。
【００９６】（実施例１３）図３１に示すような、面内抵抗型磁気抵抗素子を用いたヨ−ク型磁気ヘッドを作製した。素子は、図２（ａ）を基本構成としており、図３１R>１中の矢印で示すように、軟磁性体の磁化容易軸は形状異方性により、磁化固定体による磁化固定方向に対して９０度の向きにしている。素子配置は、下部フロントヨ−クと下部バックヨ−クの間にギャップを介して挟まれた位置である。またバックヨ−クは、フロントヨ−クに比べ広い面積とすることで、磁気的な回路抵抗を下げている。
【００９７】ヨ−クにはFeTaNを用いており、素子には、図２（ａ）の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)とし、磁気抵抗変化率が７０％のものを用いた。
【００９８】このような磁気ヘッドを用いて、トラック密度が90kTPI（tracks per inch），線記録密度は550kBPI（bits per inch）で記録されたＨＤＤ記録媒体をデータ転送速度211Mビット/秒で再生実験を行った。ヘッドの浮上量は10nmとした。へッドのビット誤り率は１×１０-8であった。
【００９９】またこの磁気ヘッドのギャップを２００ｎｍとし、ＭＥテ−プでの再生を行ったところ、従来のMIGヘッドに比較し４０dB高い出力を得た。
【０１００】（実施例１４）ステンレス基板上に、図２６R>６(b)に示す構成を持つ磁気抵抗素子で、磁性体１側を機械的に固定した片持ち梁構造とした加速度センサ−を作製した。磁性体２近傍では、基板をくびれ形状とすることで、可動できる自由度を高めている。
【０１０１】素子には、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１および磁性体３に接続された、磁化固定体はFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）とした。また、このような加速度センサ−を用いて、１Ｇでの加速度試験を行ったところ、従来のピエゾ型加速度センサ−に比較して２０ｄＢ高い出力を得た。
【０１０２】
【発明の効果】本発明の磁気抵抗素子を用いることで、従来のＴＭＲ素子と同等以上の磁気抵抗効果を得ることができる。このため、従来の情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力または加速度センサ−あるいは熱センサ−や化学反応センサ−等の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本構成例１−１を示す図
【図２】基本構成例１−２を示す図
【図３】素子形成方法を示す図
【図４】素子形成方法を示す図
【図５】基本構成例２−１を示す図
【図６】基本構成例２−２を示す図
【図７】基本構成例２−３を示す図
【図８】基本構成例２−４を示す図
【図９】基本構成例２−５を示す図
【図１０】基本構成例３を示す図
【図１１】磁化結合領域と抵抗変化の基本動作１を示す図
【図１２】磁化結合領域と抵抗変化の基本動作２を示す図
【図１３】磁化結合領域と抵抗変化の基本動作３を示す図
【図１４】ランダムアクセスメモリ例を示す図
【図１５】メモリセル配置１を示す図
【図１６】メモリ構成１を示す図
【図１７】メモリ構成２を示す図
【図１８】メモリ構成３を示す図
【図１９】メモリ構成４を示す図
【図２０】メモリ構成５を示す図
【図２１】メモリ構成６を示す図
【図２２】ヨ−ク型磁気ヘッド１を示す図
【図２３】ヨ−ク型磁気ヘッド２を示す図
【図２４】ヨ−ク型磁気ヘッド３を示す図
【図２５】シ−ルド型磁気ヘッドを示す図
【図２６】応力センサ−１を示す図
【図２７】基本構成例１−３を示す図
【図２８】基本構成例１−４を示す図
【図２９】基本構成例１−５を示す図
【図３０】基本構成例２−６を示す図
【図３１】ヨ−ク型磁気ヘッド４を示す図
【図３２】応力センサ−２を示す図
【符号の説明】
１ 磁性体
２ 磁性体
３ 磁性体
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力または加速度センサ−あるいは熱センサ−や化学反応センサ−等に広く使用される磁気抵抗素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】強磁性体／中間層／強磁性体を基本構成とする多層膜に中間層を横切るように電流を流した場合、中間層が絶縁層であるときスピントンネル効果、また中間層がCuなどの導電性金属であるときＣＰＰ（Current perpendicular to the plane） ＧＭＲ効果による磁気抵抗効果が生じることが知られており、磁気ヘッドなどへの応用研究が活発に行われている（日本応用磁気学会 第112回研究会資料）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これらの磁気抵抗素子を構成する、磁性体／非磁性体界面の物性が、素子特性を劣化させている可能性があり、例えば、ＴＭＲ素子では、スピン分極率が１００％近いと予想されているハ−フメタルを磁性体として用いた場合でも、室温で、高々１０数％程度のＭＲしか報告されていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、本発明は、少なくとも１種からなる磁性体中に、磁化方向が略揃った磁化領域Ａと磁化方向が略揃った磁化領域Ｂと、前記磁化領域Ａと前記磁化領域Ｂに挟まれた磁化接合領域Ｍがあり、前記磁化領域Ａの少なくとも一部、または前記磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁化接合領域Ｍまたは前記磁化領域Aまたは前記磁化領域Ｂの磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子である。ここで、磁化接合領域Ｍとは、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化領域にいたる状態の中間領域を指し、両領域の磁化の交換結合による磁化結合領域あるいは（量子的な）伝導スピンによる磁化の結合領域等を意味する。また、外部からの磁気的エネルギ−により、磁化領域Ａと磁化領域Ｂが完全に平行である場合等、実質的に磁化結合領域の厚みが０である場合も含む。さらに磁化領域、磁化接合領域の領域の大きさあるいはスピンの伝導状態は、外部から与えられた磁気的エネルギ−の大きさによって変化し、固定されたものとは限らない。また、外部から与えられた磁気的エネルギ−とは、磁界、スピン注入あるいは磁気誘電体や、磁性半導体、反強磁性体、積層フェリ構造などを用いた、交換結合を介した磁気バイアスなどの磁気エネルギ−および光、圧力、加速度、熱などにより素子の磁化状態に影響を与えるものを総称する。
【０００５】一般に、磁性体は単磁区でない場合、外部から磁気的エネルギ−が与えられると、磁性体内部の磁気的エネルギ−を最小にするために、磁区構造が変化する。この磁区構造の変化は、磁性体の抵抗値を変化させるが、これらの変化は、外部からの磁界などの変化に対して、安定した履歴を持たない。本発明は、最小単位として、磁化領域Ａ、磁化領域Ｂ、磁化接合領域Ｍがあり、磁化領域の内、少なくとも何れかが、少なくともその一部を磁気的に固定することで、外部からの磁気的エネルギ−に対する応答の可逆性を高めることができる。この磁化領域Ａ、磁化接合領域Ｍ、磁化領域Ｂの一対の組は、例えば、磁化領域１／磁化接合領域２／磁化領域３／磁化接合領域４／磁化領域５のように２組の対あるいはそれ以上の組で構成されていてもよい。
【０００６】また本発明は、磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの各平均磁化方向が互いに略反平行または略平行で、電気抵抗の変化が、主として磁化接合領域Ｍの厚み変化による磁気抵抗素子である。これは、外部からの磁気エネルギ−に対して、磁化領域Ａと磁化領域Ｂが、それぞれの領域の大きさを変化させるものの、これらの磁化の方向を反転するような大きな磁化変化がない場合に観察される。電気抵抗を支配する伝導スピンと磁化方向は、伝導スピンがマジョリティかマイノリティかで反対となるために、伝導スピンの向きとして表しこの現象を考察する。
【０００７】例えば磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンが互いに反平行の場合、磁化接合領域Ｍが無視できるほど薄いあるいは実質的に厚みが０であれば、伝導スピンは、両領域の界面で直接的伝導し、主にそれぞれの分極率に応じた散乱（あるいはスピン伝導の禁止）を受け高抵抗となるであろう。一方、磁化接合領域が磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンが直接それぞれの領域で散乱しない程度の厚みであり、特に磁化領域Ａから領域Ｂへの変化が、遷移的であれば、抵抗値が上記場合に比較し低下するものと思われる。また一つには、例えば、磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの伝導スピンが互いに平行の時、磁化接合領域Ｍの厚みが無視できる程度に薄い、あるいは実質的厚みが０であれば、低抵抗となり、一方、磁化接合領域が十分厚い場合には磁化接合領域でのスピン散乱により、上記状態よりも高抵抗となるだろう。以上のように外部からの磁気的エネルギ−が、磁化接合領域Ｍの幅を変化させることで抵抗値が変化するものと思われるが、実際には複数の要因が混在する場合もある。
【０００８】また本発明は、外部からの磁気的エネルギ−がないとき、磁化接合領域Ｍの厚みｄが０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍなる範囲である磁気抵抗素子である。磁化接合領域Ｍの値が上記範囲である場合、高抵抗あるいは低抵抗を実現しやすく、この結果、高い抵抗変化を得ることができる。これは、上記範囲では磁化領域Ａと磁化領域Ｂを磁化接合領域の磁化の影響をほとんど受けず直接的に伝導するスピンを少なくとも一部持つためであると思われる。特に、磁化接合領域の厚みが０でない場合においても、磁化接合領域をバリステックに伝導する、あるいはトンネル的に伝導する、あるいはフェルミ波長等の量子波長の規制のみを受けて伝導するなど、様々な直接的な伝導状態が実現するもの思われるが詳細なメカニズムは不明である。ｄの値は、磁性体種類の組み合わせ、形状、伝導のメカニズムにより異なるが、同じ種類の磁性体の組み合わせである場合、より薄い場合に大きな抵抗変化が得られる傾向がある。
【０００９】また本発明は、電気抵抗の変化が、主として磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの磁化相対角の変化による磁気抵抗素子である。
【００１０】この現象は、磁化領域ＡとＢが外部からの磁気エネルギ−に対して大きな変化を受ける場合に観察される。これは、磁化接合領域Ｍの厚みが、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの間の直接的なスピン伝導を行う電子がある程度存在できる程度に薄く、且つ外部からの磁気的エネルギ−により、磁化接合領域Ｍの厚みが大きな変化を伴わない場合、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化相対角の変化によるスピン依存散乱などの確率が変化するためにおこるものと思われる。
【００１１】また本発明は、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化方向が略反平行あるとき磁化接合領域Ｍの厚みをｄａｐとすると０≦ｄａｐ≦２００ｎｍなる関係を持つ磁気抵抗素子である。
【００１２】これは、外部磁気エネルギ−に対して、磁化領域Ａおよび、磁化領域Ｂが大きく変化する素子において観察されるものであり、磁化領域と伝導スピンの向きが同じである場合をマジョリティ、磁化領域と伝導スピンの向きが反対であるときをマイノリティとすると以下のように大別するメカニズムが働いているものと思われる。
【００１３】まず、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンが何れもマジョリティあるいはマイノリティである場合での抵抗変化のメカニズムは以下のようであると思われる。
【００１４】２つの磁化領域の磁化の向きと伝導スピンの向きが何れも平行である、また何れも反平行であるとき、外部からの磁気エネルギ−により、２つの磁化領域の磁化の向きが互いに平行（伝導スピン同士のスピンの向きも互いに平行）であると、スピン依存散乱等が無いために低抵抗値をとり、一方、２つの磁化領域の磁化の向きが互いに反平行（即ち、伝導スピンの向きが互いに反平行）であると高抵抗となる。特にｄａｐが上記範囲であれば、直接的なスピン散乱（あるいはスピンの伝導禁止）が行われる伝導電子数が増え、結果として高い抵抗変化を得るものと思われる。ここでｄａｐが、２００ｎｍより大きくなると、伝導電子の直接的な散乱が弱くなるために、伝導スピンが互いに反平行時の抵抗が低くなるため、抵抗変化そのものは小さくなると思われる。
【００１５】次に、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの伝導スピンの何れか一方がマジョリティで残りがマイノリティである場合の抵抗変化のメカニズムは、以下のようであると思われる。
【００１６】磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化方向が平行である場合（即ち、伝導スピンの向きが互いに反平行であるとき）、スピン散乱などにより高抵抗となり、また、２つの磁化領域の磁化方向が反平行（即ち、伝導スピンの向きが互いに平行）であるとき、前記状態よりも低抵抗となる。特にｄａｐが上記範囲であれば、直接的な伝導を行う電子数が増え、低抵抗となり、結果として高い抵抗変化を得るものと思われる。ここでｄａｐが、２００ｎｍより大きくなると、伝導電子の直接的な伝導数が少なくなるために、伝導スピンが互いに平行時の抵抗が高くなるため、抵抗変化そのものは小さくなると思われる。
【００１７】尚、以上のｄａｐの値は、実際には、磁性体種類の組み合わせ、形状、伝導のメカニズムにより異なるが、同じ種類の磁性体の組み合わせである場合、より薄い場合に大きな抵抗変化が得られる傾向がある。
【００１８】また本発明は、磁化領域Ａ及び磁化領域Ｂが互いに略反平行であるとき、磁化接合領域Ｍの実効磁化をＭｍ、体積をＶｍ、また前記磁化領域Ａの実効磁化をＭa、体積をＶa、また前記磁化領域Ｂの実効磁化をＭｂ、体積をＶｂとすると、Ｍｍ×Ｖｍ＜Ｍａ×Ｖａ、Ｍｂ×Ｖｂなる関係を持つ磁気抵抗素子である。ここで、磁化領域とは、磁化接合領域Ｍと接しない強磁性体であっても、磁気的に結合することで、磁化方向を決定する磁性体であれば、この領域を含む。磁化領域Ａと磁化領域Ｂが略反平行であるとき、磁化接合領域Ｍの実効磁化×体積が、磁化領域Ａ、磁化領域Ｂよりも小さいことで、抵抗変化を大きくするのに必要な薄い磁化接合領域が形成しやすい。特に、磁化領域Ａと磁化領域Ｂの相対磁化の変化が主とする磁気抵抗素子においては、外部からの磁気エネルギ−に対する抵抗変化の応答性が高くなる傾向がある。
【００１９】また本発明は、磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする磁気抵抗素子である。磁化領域Ａの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定された領域は、磁化領域Ａまたは、磁化領域Ｂを構成する磁性体の保持力を大きく選ぶことでも実現できる。しかしながら、本発明のように磁化領域Ａまたは、磁化領域Ｂの、少なくとも一方を、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体、あるいはこれらの組み合わせたものと磁気的結合すること、また形状異方性を用いることで、磁化領域を構成する材料自身の保持力にとらわれず、容易に実現できる。ここで、磁気的結合とは、磁化領域を構成する磁性体と直接接することで行われる交換結合、あるいは、非磁性体、非磁性空隙などを挟んで行われる静磁結合、またはこれらの組み合わせ等を意味する。ここで、反強磁性体としては、室温以上のネ−ル温度を持つものであれば、何れでも良く、例えば、金属合金であるPtMn、PtPdMn、FeMn、IrMn、ＮｉＭｎや酸化物反強磁性体等でもよい。また磁化領域ＡまたはＢ／第２の強磁性体／反強磁性体の構造で用いられる第２の強磁性体とは、CoまたはCoを含んだFeCo, CoFeNi, CoNi, CoZrTa, CoZrB CoZrNbなどの強磁性金属が好ましい。また、強磁性体と非磁性体の積層構造を持つ、積層フェリ構造に用いられる好ましい非磁性体としては、導電性を持つ金属、あるいは金属化合物であれば何れでも良いが、特にCu, Ag, Au, Ru, Rh, Ir, Re, Osがよい。またはこれらの金属の合金、酸化物が良い。また積層フェリの用いられる磁性体としてはCoを含有する、例えばCo、FeCo、FeCoNi、CoNi、FeCoNi, CoZrTa, CoZrNb, CoZrBなどの強磁性体が好ましい。また、高保持力磁性体としては、特に限定は無いが、保持力が100 Oe以上であるCoPt, FePt, CoCrPt, CoTaPt, FeTaPt, FeCrPtなどが望ましい。
【００２０】また本発明は、磁化接合領域Ｍの少なくとも一部、磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの領域が、軟磁性体と磁気的に結合した磁気抵抗素子である。それぞれの領域が軟磁性体と磁気的に結合することで、磁化接合領域、磁化領域を形成する材料の保持力にとらわれず低保持力化が可能なため、外部磁気エネルギ−に対する応答性を高めることができる。
【００２１】また本発明は、磁化領域Ａまたは磁化領域Ｂを形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である磁気抵抗素子である。高スピン分極材料とは、スピン分極率が４０％以上のものを指し、前記本発明ではスピン分極率が高いものであるほど、磁気抵抗変化が大きくなる傾向が見られる。スピン分極率の大きさは、フェルミ面近傍で高いことが望ましいが、伝導電子が、バリステック的である場合、伝導電子のポテンシャルの高さ近傍での分極率が高くてもよい。
【００２２】また本発明は、少なくとも一組の磁化領域Ａ、磁化領域Ｂおよび磁化接合領域Ｍが同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする磁気抵抗素子である。磁化領域、磁化接合領域の磁性体が異なる場合、これらの界面での磁気構造の変化、界面ポテンシャル等により、好ましい抵抗変化を得られない場合がある。従って、それぞれの磁化領域が同一の磁性体であることで、スピン分極率を反映した好ましい抵抗変化を得られる。
【００２３】また本発明は、磁性体２が、磁性体１と磁性体３に挟まれた一対の構成を少なくとも一組持ち、前記磁性体２が、磁性体１および磁性体３に対して、形状的または磁気的に、くびれ部を形成し、前記磁性体１の少なくとも一部、または前記磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁性体１と前記磁性体２および前記磁性体３の磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子である。ここで、磁性体２が形状的または磁気的くびれを持つとは、磁性体１から磁性体２または磁性体３から磁性体２へ移るに従い、形状的に狭くなる、あるいは、例えば、磁気モ−メントなどが小さくなることを意味する。外部からの磁気的エネルギ−を受けた場合、磁気的に固定されていない磁性体内部において磁化変化が行われ、この変化が、素子の抵抗値を変化させる。例えばくびれ部を形成する磁性体２の内部、あるいはその近傍に、磁性体２の形状あるいは磁気的な特徴から、比較的、幅が薄い磁化接合領域が生じる。この磁化接合領域の幅の変化あるいは磁性体２から磁性体１あるいは磁性体３への磁化接合領域の移動による幅の増大は大きな抵抗変化を生じる。また磁気的に固定された磁性体は、外部の磁気的エネルギ−に対する抵抗変化の可逆性を高める働きを持つ。また、この磁性体１、磁性体２、磁性体３の一対の組は、例えば、磁性体１／磁性体２／磁性体３（磁性体１‘）／磁性体２’／磁性体３‘のように２組の対あるいはそれ以上の組で構成されていてもよい。
【００２４】また本発明は、磁性体１と磁性体３が、くびれ部を構成する磁性体２および絶縁体を介して接し、前記絶縁体が前記磁性体２の側面部を被覆する構造を持つ磁気抵抗素子である。素子体積が小さくなるにつれ、くびれ部を持つ磁性体２では、磁性体２の体積に対する表面積が大きくなり、磁性体１から磁性体３へ電流を流したときに、表面電流の影響が無視できなくなる。磁性体１および磁性体３と接するくびれ部の側面部を絶縁体で覆うことで、このリ−ク電流を抑制することができ、本来の抵抗変化を得ることができる。また、本構成のようにくびれ部に絶縁体を設けることで、例えば、通常の薄膜プロセスとリソグラフィ技術を用いて、磁性体１／磁性体２／磁性体３の多層構造を容易に形成できる。
【００２５】また本発明は、磁性体２の長さが０．５ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、また磁性体２の幅の最短長が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である磁気抵抗素子である。磁性体２の長さ、即ち、くびれ部の長さとは、磁性体１から磁性体３に至る方向での長さを表し、また磁性体２の幅、即ちくびれ部の幅とは、前記長さ方向と直交する方向の幅を表す。くびれ部の長さが２０００ｎｍより大きい、あるいはくびれ部の幅の最短長が１００ｎｍより大きいと抵抗変化が小さくなる。また、くびれ部の長さが０．５ｎｍより小さい、あるいはくびれ部の幅の最短長が１ｎｍより小さいと、検出用の電流値が小さくなりすぎ、検出電流回路形成費が高くなる。
【００２６】また本発明は、磁性体１の磁化をＭ１、体積をＶ１、また磁性体２の磁化をＭ２、体積をＶ２、また磁性体３の磁化をＭ３、体積をＶ３とすると、Ｍ２×Ｖ２＜Ｍ１×Ｖ１、Ｍ３×Ｖ３なる関係を持つ磁気抵抗素子である。ここで、磁性体１または磁性体２が別の強磁性体Ａと直接結合している場合、この磁性体Ａの磁化Ｍａと体積Ｖａを合わせ持つものとする。この領域を含む。磁性体１と磁性体３の実効磁化×体積が、磁性体２の実効磁化×体積よりも大きいことで、磁性体２の内部あるいはその近傍に、抵抗変化を大きくするのに必要な十分に薄い磁化接合領域が形成できる。
【００２７】また本発明は、磁性体１の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする磁気抵抗素子である。
【００２８】本発明のように磁性体１または、磁性体３の、少なくとも一方を、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体。積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体、あるいはこれらの組み合わせたものと磁気的結合すること、また形状異方性を用いることで、磁化領域を構成する材料自身の保持力にとらわれず、磁性体の磁気的な固定を容易に実現できる。
【００２９】また本発明は、磁性体１の少なくとも一部、磁性体２の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの磁性体が、軟磁性体と磁気的に結合した磁気抵抗素子である。それぞれの磁性体が軟磁性体と磁気的に結合することで、磁性体の保持力にとらわれず低保持力化が可能なため、外部磁気エネルギ−に対する応答性を高めることができる。
【００３０】また本発明は、磁性体１または磁性体３を形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である磁気抵抗素子である。スピン分極率が高いものであるほど、磁気抵抗変化が大きくなる傾向が見られる。スピン分極率の大きさは、フェルミ面近傍で高いことが望ましいが、伝導電子が、バリステック的である場合、伝導電子のポテンシャルの高さ近傍での分極率高くてもよい。
【００３１】また本発明は、磁性体１、磁性体２及び磁性体３が同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする磁気抵抗素子である。磁性体１、磁性体２、磁性体３のそれぞれの材料が異なる場合、これらの界面での磁気構造の変化、界面ポテンシャル等により、好ましい抵抗変化を得られない場合がある。従って、それぞれが同一の磁性体であることで、スピン分極率を反映した好ましい抵抗変化を得られる。
【００３２】また本発明は、磁性体の少なくとも一部が、マグネタイトである磁気抵抗素子である。磁気抵抗素子に用いられる高スピン分極材料としては、FeCo合金, NiFe合金、NiFeCo合金、その他、FeCr、FeSiAl, FeSi,FeAl, FeCoSi, FeCoAl, FeCoSiAl, FeCoTi, Fe(Ni)Co)Pt, Fe(Ni)(Co)Pd, Fe(Ni)(Co)Rh, Fe(Ni)(Co)Ir, Fe(Ni)(Co)Ru, FePt, (Fe,Co,Ni)L (Ｌは,La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) 等の強磁性、あるいは希薄磁性合金,またFeN, FeTiN, FeAlN, FeSiN, FeTaN, FeCoN,FeCoTiN, FeCo(Al,Si)N, FeCoTaN 等の窒化物、Fe3O4あるいは水マンガン鉱、X2MnY(Xは、Co, Ni, Cu, Pt, Pdから選ばれた少なくとも一つ Ｙは、Al, Sn, In, Sb)、LaSrMnO, LaCaSrMnO等のLa1-xDxMnO（Dはアルカリ土類金属）, CrO2、,ZnDO(Dは、V、Cr、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも一つ) NiEO (Eは、V、Cr、Fe、Coから選ばれた少なくとも一つ),GaMnN, AlMnN, GaAlMnN, AlBMnN,等、あるいは、ペロブスカイト型酸化物、フェライト等のスピネル型酸化物、ガ−ネット型酸化物があり、それぞれ優れた特性を得るが、中でもFe3O4 (マグネタイト)が安価に作製でき、また高抵抗変化を示す。
【００３３】また本発明は、磁性体１が磁化領域Ａの少なくとも一部、または磁性体３が磁化領域Ｂの少なくとも一部であることを特徴とする磁気抵抗素子である。前述の好ましい磁化領域Ａと磁化領域Ｂの関係が、磁性体１と磁性体３内で実現することで、好ましい磁化接合領域を実現しうる磁性体２との組み合わせで、高い抵抗変化が容易に実現できる。
【００３４】また本発明は、外部磁界の変化を、前記本発明の磁気抵抗素子の抵抗変化として検出する磁気センサ−である。素子に電流を流し、その際の電圧の変化を検知することで、外部磁界の変化による磁化状態を検出する。
【００３５】また本発明は、前記本発明の磁気抵抗素子に加わる応力の変化を抵抗変化として検出する応力センサ−である。磁性体に応力を加えることで、磁歪に基づく磁化状態の変化を検出する。
【００３６】また本発明は、磁気情報の変化を、前記本発明の磁気抵抗素子に含まれる磁化変化が容易な磁性体に記録し、この記録情報を磁気抵抗素子の抵抗値変化として検出する磁気メモリである。磁化変化が容易な磁性体に形状異方性、あるいは保持力により磁気情報を記憶させ、この記録情報を検知するメモリ素子である。ここで磁気情報は、電圧駆動された強磁性誘電体、磁性半導体、スピン注入、あるいは信号電流磁界などから供給される。
【００３７】
【発明の実施の形態】各磁性層、反強磁性層、層間絶縁層、電極等の形成には、パルスレ−ザデポジション(PLD)、イオンビ−ムデポジション（ＩＢＤ）、クラスタ−イオンビ−ムまたはＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰまたは対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、ＭＢＥ、イオンプレ−ティング法等、通常薄膜形成に用いられるＰＶＤ法や、ＣＶＤ、メッキ法あるいはゾルゲル法で作製することができる。また特に作製する対象が、化合物である場合には、化学ビ−ムエピタキシや、ガスソ−スＭＢＥ、反応性蒸着、反応性スパッタを用いて作製してもよく、またＰＶＤで形成後、反応元素の原子、分子、イオン（プラズマ）、ラジカル等を、適当な分圧、反応温度、時間を制御することで反応させて作製してもよい。ここで、プラズマや、ラジカル作製には、ＥＣＲ放電、グロ−放電、ＲＦ放電、ヘリコンあるいはＩＣＰ等により発生できる。また素子の微細加工や、センサ−や、メモリ等のデバイス化のためのプロセスは通常、半導体プロセスや、ＧＭＲヘッド作製プロセス等で用いられるイオンミリング、ＲＩＥ、ＦＩＢ等の物理的あるいは化学的エッチング法、また微細パタ−ン形成のためにステッパ−、EB法等を用いたフォトリソグラフィ−技術を用いて達成できる。また多層配線時の電極の平坦化のために、ＣＭＰ法や、クラスタ−イオンビ−ムエッチングを用いることもＭＲ向上に効果的である。
【００３８】図１に基本的な素子構成例を示す。磁性体１、磁性体２、磁性体３は直列に接続され、磁性体２は磁性体１および磁性体３に対してくびれた構造を持つ。磁性体１には磁化固定体、また磁性体３には軟磁性体あるいは磁化固定体が磁気的に結合している。磁性体１と磁性体３の間には電流が流され、その電圧変化を読みとる素子が接続されている。電圧変化は、差動増幅器等を用いて、素子の最小抵抗、あるいは最大抵抗とほぼ同じ抵抗値を有する参照抵抗に対する変化分として検出する場合もある。図１(a)は、磁性体２が三角形状の頂点、あるいはこれに類する構造となっており、また図１(b)では細線形状の例を示している。
【００３９】また磁性体２の形状は、図２(a)で示すように、一方向のみにくびれを持つ形状でもよく、さらに図２(b)に示すように、２組以上の素子が直列に接続された構成でもよい。
【００４０】図３に、磁性体１、磁性体２、磁性体３の直列形状の作成方法例について示す。磁性体１〜磁性体３は同一の結晶配向性を持つ同一材料で、それぞれ厚みが異なる場合、あるいは３種とも異なる材料である場合、例えば図（１−１）〜（１−５）に示す手順で作製できる。ここで、図３（１−１）は、基板上に薄膜形成法により作製した磁性体１を示す。薄膜形成法としては、パルスレ−ザデポジション(PLD)、イオンビ−ムデポジション（ＩＢＤ）、クラスタ−イオンビ−ムまたはＲＦ、ＤＣ、ＥＣＲ、ヘリコン、ＩＣＰまたは対向タ−ゲットなどのスパッタリング法、ＭＢＥ、イオンプレ−ティング法等の気相法、あるいはメッキ法あるいはゾルゲル法などで作製することができる。（１−２）は、この磁性体１をイオンミリングやＲＩＥを用いた通常のフォトリソグラフィで加工し、磁性体２を成膜した後、リフトオフし、（１−３）の形状を作製し、続いて、（１−４）のように磁性体２を加工したのち、磁性体３を成膜し、リフトオフにより（１−５）のような形状にする。また特殊な場合として、磁性体１〜磁性体３が全て同じで、且つ磁性体２と、磁性体３、磁性体１の結晶配向性が異なるような場合では、（２−１）〜（２−３）あるいは（３−１）〜（３−３）に示すような作成方法を用いる。図中、下地とは結晶配向性制御層を指し、基板とは異なる結晶配向をしやすい材料から選択される。（２−１）〜（２−３）は、まず下地の形状を規制し、その上に磁性体を形成する方法である。また（３−１）〜（３−３）は、下地の上に磁性体２を形成し、その後、微細加工によりくびれた磁性体を形成後、磁性体１と磁性体３を形成する方法である。
【００４１】以上のように形成された磁性体１〜磁性体３は、さらにその上に図４に示す（１−１）〜（１−４）、（２−１）〜（２−４）または（３−１）〜（３−４）の手順を用いて、磁化固定体あるいは軟磁性体の形成、さらにはくびれ形状の加工を行う。
【００４２】図５は、面に垂直方向に電流を流す素子である。図５の素子は、基板上に電極などを形成後（図中基板と電極は略している）引き続き、磁化固定体、磁性体１、磁性体２を形成し、微細加工技術を用い、磁性体２の素子形状を規制する。磁性体２の周辺に絶縁体を形成後、磁性体２上に、磁性体３と磁化固定体または軟磁性体を形成することで作製する。
【００４３】磁性体３に軟磁性体が磁気的に結合される場合、軟磁性体および磁性体３からの漏れ磁界が、磁性体１からの漏れ磁界と相互作用を起こす。図６は、磁性体１が磁性体１または磁性体４と非磁性体を介して静磁結合的、あるいは反強磁性的に結合することで、磁性体１からの漏れ磁界を抑制する構成である。また、図７は、さらに磁性体３および軟磁性体からの漏れ磁界を抑制する構成をしめす。また、図７の構成では、漏れ磁界が抑制されることで、素子が微細化された場合、磁性体３の磁化回転に要するエネルギ−が小さくなる。
【００４４】次に、磁性体３が磁化固定体と結合される場合、磁性体１と磁性体３は互いの磁化の向きにより異なる静磁的な相互作用を行う。図８は、磁性体２を挟む磁性体１と磁性体３の磁化方向が異なる場合で、特に、磁性体１と磁性体３の磁気モ−メントの大きさが同程度で、互いに磁化をうち消しあう構成を示す。また図９は磁性体２を挟む磁性体１と磁性体３の磁化方向が互いに平行の場合、あるいは反平行の場合で、漏れ磁界が十分キャンセルできない場合の構成で、磁性体１と磁性体３がそれぞれ、非磁性体１または非磁性体２を挟んで別の磁性体１または磁性体４、あるいは磁性体３または５と静磁結合的、あるいは反強磁性的な磁気結合を行うことで、磁性体１と磁性体３の磁気的干渉を減少させている。尚、これらの非磁性体を挟んだ磁化干渉の減少は、図１または図２で示した素子において、膜面垂直方向に非磁性体を挟んだ磁性体の多層化を行うことで同様に効果がある。
【００４５】図１０は、例えば単結晶基板に異方性エッチング等を施した、特定の形状規制をもつ基板上に、斜め成膜などの技術により、同一磁性体でくびれ形状を持つ磁気抵抗素子について示したものである。図１０では、磁化固定は形状異方性により施された場合について示しているが、磁化固定体との磁気的結合や、磁性体の結晶配向性の選択などによっても実現できる。
【００４６】図１１〜図１３に、基本素子についての基本的な動作原理を示す。図１１では、磁性体１と磁性体３にそれぞれ磁化固定体と軟磁性体が磁気的に結合されている。また、外部の磁気的エネルギ−に対し、磁化固定体と結合した磁性体１は磁化が固定された状態にあり、軟磁性体と結合した磁性体３は磁化回転が可能である。磁性体３は、図１１(a)に示すように、初期状態では形状異方性などにより、所定の方向に磁化が向いているものとする。磁化領域がともに平行である場合、磁化結合領域Ｍは、図１１(a)のように狭くなり、また反平行である場合、図１１(b)のように広くなる。今、磁性体１と磁性体３の伝導スピンの向きと磁化の向きの関係が、何れの磁性体においても平行、あるいは反平行あるとすると、図１１(a)での電気抵抗は低くなり、図１１(b)での電気抵抗は高くなる傾向がある。また、磁性体１、磁性体３で、一方の伝導スピンの向きが磁化と平行で、他方の伝導スピンの向きが磁化と反平行である場合、図１１(a)の伝導スピンは互いに反平行となるために、電気抵抗は高くなり、図１１(b)での電気抵抗はそれより低下する傾向がある。電気抵抗の変化の大きさは、磁化結合領域の厚みや、磁化結合領域内での磁化の遷移状態に依存する。
【００４７】図１２では磁性体１と磁性体３にそれぞれ磁化固定体が磁気的に結合されており、磁化方向が互いに平行に固定された状態にある。
【００４８】磁化領域がともに平行であるために、初期状態の磁化結合領域Ｍは、図７(a)のように狭く、外部から磁気的エネルギ−を与えることで、図７(b)のように広くなる。
【００４９】磁性体１と磁性体３の伝導スピンの向きと、磁化の向きが平行、あるいは反平行あるとすると、図１２(a)での電気抵抗は低くなり、図１２(b)での電気抵抗は高くなる傾向がある。また、磁性体１、磁性体３で、一方の伝導スピンの向きが磁化と平行で、他方の伝導スピンの向きが磁化と反平行である場合、図１２(a)での、電気抵抗は高くなり、図７(b)での電気抵抗はそれより低下する傾向がある。電気抵抗の変化の大きさは、磁化結合領域の厚みや、磁化結合領域内での磁化の遷移状態に依存する。
【００５０】図１３では磁性体１と磁性体３にそれぞれ磁化固定体が磁気的に結合されており、磁化方向が互いに反平行に固定された状態にある。互いに反平行な磁化の固定は、例えば磁性体１を反強磁性体とのカップリング、磁性体３を積層フェリを介した反強磁性体とのカップリングなどにより行う。磁化領域が互いに反平行であるために、初期状態の磁化結合領域Ｍは、比較的広く、これに外部から磁気的エネルギ−を与えることで、図１３R>３(b)のように、磁化結合領域がくびれから移動する。磁性体１と磁性体３の伝導スピンの向きと、磁化の向きが平行、あるいは反平行あるとすると、図１３(a)での電気抵抗は高くなり、図１２(b)での電気抵抗は低くなる傾向がある。また、磁性体１、磁性体３で、一方の伝導スピンの向きが磁化と平行で、他方の伝導スピンの向きが磁化と反平行である場合、図１３(a)での、電気抵抗は低くなり、図７(b)での電気抵抗はそれより高くなる傾向がある。電気抵抗の変化の大きさは、磁化結合領域の厚みや、磁化結合領域内での磁化の遷移状態に依存する。
【００５１】図１４に、これらの素子を用いたランダムアクセスメモリ例を示す。メモリとして使用される磁気抵抗素子としては、特に、磁性体１もしくは磁性体２が磁化反転可能な構造を持つ、図１、２、５、６、７、１０等で代表される素子をメモリセルとして用いるのがよい。素子は例えば図１４、A1に代表されるように、CuやAlをベ−スに作られたビット線とワ−ド線の交点に配置され、それぞれのラインに信号電流を流した時に発生する合成磁界を用いた２電流一致方式により信号情報が記録される。図１５(a)は、交点に配置された面内抵抗変化を行う素子の上面図である。また図１５(b)は、面垂直方向の抵抗変化を行う素子の断面図を示している。図１６１６及び図１７に、面垂直方向の素子の電流による書き込み動作と、読み込み動作について例示する。図１６では、素子の磁化状態を個別に読みとるためには、素子毎にFETに代表されるスイッチ素子を設けた構成を示している。また図１７では、素子毎に非線形素子、あるいは整流素子を用いた構成を示している。ここで、非線形素子は、バリスタや、トンネル素子などでも良い。図１６及び図１７では、それぞれ、ビット線は素子に電流を流して抵抗変化を読みとるセンス線と併用する場合について示しているが、センス線を別途設ける場合、ビット線は、素子と電気的に絶縁されていても良い。また、電流書き込みの場合、ワ−ド線、ビット線とメモリセル間の距離は消費電力の点から５００ｎｍ程度以下である。
【００５２】図１８に、多値メモリとしてのセル構造例を示す。図のメモリセルは、２組の磁気抵抗素子を組み合わせたもので、且つ、組み合わせた素子内に、磁化回転可能な磁性体を、２つ持ち、これらが異なる反転磁界、もしくは保持力を持つ構成となっている。組み合わせる磁気抵抗素子数は２組以上でも良いが、記録に電流磁界を用いる場合、素子全体の厚みは、５００nm以下であることが良い。このとき多値記録は、信号電流値の振幅を変え、記録磁界の強度を変えることで行う。また、記録可能な多値信号は、図１８で、２組の磁気抵抗素子の最小素子抵抗と抵抗変化の大きさが同じである場合は３値、また、最小抵抗値あるいは抵抗変化の大きさが異なる同じ場合は４値となる。また、２つの磁化回転可能な磁性体の反転磁界、あるいは保持力が等しく、さらに２組の磁気抵抗素子の最小抵抗と抵抗変化の大きさが同じである場合、多値化は行えないが、メモリセル自体の抵抗を直列にできるため、出力電圧を大きくすることができる。
【００５３】図１９に、電流磁界による書き込みを行う、多値メモリの多層配線のセル構造例を示す。図１９(a)はFETに代表されるスイッチ素子上に作製した多層配線で、また図１９（ｂ）はダイオ−ドやトンネル素子に代表される整流素子あるいは非線形素子を介して形成した多層配線を示す。スイッチ素子や整流素子または非線形素子は、隣接する素子同士の電気的分離を行う働きをする。これらの電気的分離素子がない場合、即ち、素子が、図１４に示したワ−ド線とビット線の配列において電気的に並列に接続されている場合、センス感度から、並列接続できる素子の最大個数は２５６個以下となる。
【００５４】図１９（ａ）で、素子１〜素子３は電気的に直列に接続され、またワ−ド線１、ワ−ド線２およびビット線１は素子１および素子２と電気的に絶縁されている。それぞれの素子への記録は、素子１に対しては、ワ−ド線１及びビット線１、素子２に対しては、ビット線１及びワ−ド線２、また素子３に対してはビット線２及びワ−ド線２にそれぞれ流した信号電流がつくる合成磁界を用いて記録する。読み出し方法にはいくつかあるが、例えば、一つには配線抵抗を含む、３つの素子に流した電流から発生する電圧を直接に読み出し、その出力の大きさにより最大６値のメモリ情報を得る方法がある。ここで、配線抵抗や、素子の基準抵抗（例えば最小抵抗）を相殺するために、差動アンプ等を用い、別の参照抵抗との差動出力を検知してもよい。またこの方法では、非破壊読み出しであるが、６値のメモリ情報を得るためには、素子１〜３はそれぞれ異なる最小抵抗、あるいは抵抗変化を持つことが必要である。また一つには、３つの素子に電流を流し、電圧を検知しながら、読み出しを行う素子（例えば素子１）に、記録を行うときと同様に、（ワ−ド線１およびビット線１により）磁界を発生させ、磁界発生前後で抵抗変化が起こった場合と起こらない場合で、磁化方向を推定する手法がある。この場合、素子の情報は破壊されることがあるために、再度記録が必要となるが、素子１〜３は同じ抵抗値と抵抗変化を持ったものでもよい。また図では素子が３つの場合の多層化について示しているがこれ以上でもよい。
【００５５】図１９(b)では素子１〜素子３は順方向では電気的に接続されている。図で用いた整流素子の向きは、必ずしも同じ向きである必要はない。素子への記録は、素子１に対しては、ワ−ド線１とビット線１から、また、素子２に対しては、ビット線１とワ−ド線２から、また素子３に対しては、ワ−ド線２とビット線２に流した信号電流が作る合成磁界を用いて記録する。読み出し方法としては、素子１については、ワ−ド線１とビット線１間の抵抗変化、素子２については、ビット線１とワ−ド線２の間の抵抗変化、素子３については、ビット線２とワ−ド線２の間の抵抗変化から読みとれる。ここで、それぞれの抵抗変化は、別に設けられた参照抵抗との差動出力により検知してもよい。また、この参照抵抗は、互いの素子同士であってもよい。また図では素子が３つの場合の多層化について示しているがこれ以上でもよい。
【００５６】図２０および図２１に、面内抵抗の素子を用いたメモリセル配置を示す。ビット線とワ−ド線は、それぞれ素子から電気的に独立した構成を持ち、それぞれの素子には、これらに流した信号電流がつくる合成磁界により磁気情報を記録する。また読み出しは、センス電流を流すことで、それぞれの素子抵抗の変化を読み出す。図２０では素子が個別に分離されている場合で、図２１２１は素子そのものがセンス線を兼ねている場合について示している。具体的な読み出し方法は、図１９(a)と基本的に同じで、例え例えば、一つには配線抵抗を含む、３つの素子に流した電流から発生する電圧を直接に読み出し、その出力の大きさにより最大６値のメモリ情報を得る方法がある。ここで、配線抵抗や、素子の基準抵抗（例えば最小抵抗）を相殺するために、差動アンプ等を用い、別の参照抵抗との差動出力を検知してもよい。またこの方法では、非破壊読み出しであるが、６値のメモリ情報を得るためには、素子１〜３はそれぞれ異なる最小抵抗、あるいは抵抗変化を持つことが必要である。また一つには、３つの素子に電流を流し、電圧を検知しながら、読み出しを行う素子（例えば素子１）に、記録を行うときと同様に、（ワ−ド線１およびビット線により）磁界を発生させ、磁界発生前後で抵抗変化が起こった場合と起こらない場合で、磁化方向を推定する手法がある。この場合、素子の情報は破壊されることがあるために、再度記録が必要となるが、素子１〜３は同じ抵抗値と抵抗変化を持ったものでもよい。また図では、紙面の都合上、素子数が３つの場合を示しているがこれ以上でもよい。
【００５７】図２２〜図２５は、外部磁界からの情報を読みとる磁気センサ−あるいは磁気ヘッドの例である。図２２〜２４においては、外部磁界は、磁気ギャップから軟磁性体で構成されたヨ−クを通じて、磁気抵抗素子の磁化状態を変化させる。図２２および図２４(b)では、磁気抵抗素子として、図２(a)に代表される面内抵抗の素子を用いている。図２２では、ヨ−クは基板面内に、図２４（ｂ）ではヨ−クは基板面に対して立体的に配置されている。図２３および図２４（ａ）では、磁気抵抗素子として、図５に代表される面垂直抵抗の素子を用いており、図２３では、ヨ−クが基板面内にあり、また図２４ではヨ−クが基板面に対して立体的に構成されている。それぞれの図では磁気抵抗素子の軟磁性体部はヨ−クの一部を形成しているが、ヨ−クと空隙、あるいは非磁性体を介して、磁気的に結合した状態でもよい。
【００５８】ヨ−クは、単一の磁性体でもよいが、実効的な磁性薄膜の厚みを薄くする積層フェリ構造、あるいは漏れ磁界を抑制する静磁結合構造とするために、磁性体と非磁性体の積層構造を成していてもよい。また、図２５２５では、外部磁界が、軟磁性体で構成されたフラックスガイドを通じて導入され、磁気抵抗素子の磁化状態を変化させるシ−ルド型の磁気センサ−あるいは磁気ヘッドの例を示す。フラックスガイドを磁気的にシ−ルドする共通、あるいは下部シ−ルドは、NiFeや、FeSiAlのような軟磁性体で、且つ電極として用いるに足る導電性を持っている。なお、図２２〜２５に用いられる磁気抵抗素子は、磁区構造によるバルクハウゼンノイズなどを抑制するために、Pt(Pd)Mn、IrMn、FeMn、NiMnなどの反強磁性体、CoPt等の高保持力磁性体あるいは電流バイアスにより、それぞれ、導入する磁束方向に対して垂直方向にバイアス磁界をかけることも望ましい。
【００５９】図２６は、外部からの応力または加速度による磁化状態の変化を抵抗変化として検出するセンサ−である。図２６(a)では、磁性体３に強磁歪材料（磁歪定数が１０-6以上）が積層され、応力変化により変化する強磁歪材料の磁化変化を磁性体３に伝えることで、磁気抵抗変化を検知する構成を示している。ここで磁性体３が、強磁歪材料である場合、強磁歪材料と積層する必要はない。また図２６（ｂ）では、磁性体１または磁性体３に磁化固定層が接続され、応力が主として磁性体２にかかることで、磁気抵抗変化が生じる構成について示している。
【００６０】以上の構成で、磁性体１〜３として用いられる材料としては、Fe, Co, Ni, FeCo合金, NiFe合金、CoNi合金、NiFeCo合金、FeCr、FeSiAl, FeSi,FeAl, FeCoSi,FeCoAl, FeCoSiAl, FeCoTi, Fe(Ni)Co)Pt, Fe(Ni)(Co)Pd, Fe(Ni)(Co)Rh, Fe(Ni)(Co)Ir, Fe(Ni)(Co)Ru, FePt, (Fe,Co,Ni)L (Ｌは,La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm,Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) 等の強磁性、あるいは希薄磁性合金,またFeN, FeTiN, FeAlN, FeSiN, FeTaN, FeCoN, FeCoTiN, FeCo(Al,Si)N, FeCoTaN等の窒化物磁性体、あるいは炭化物、硼化物、フッ化物磁性体、あるいは、Fe3O4あるいは水マンガン鉱、X2MnY(Xは、Co, Ni, Cu, Pt, Pdから選ばれた少なくとも一つ Ｙは、Al, Sn, In, Sb) , LaSrMnO, LaCaSrMnO等のLa1-xDxMnO（Dはアルカリ土類金属）, CrO2、,ZnDO(Dは、V、Cr、Fe、Co、Niから選ばれた少なくとも一つ) NiEO (Eは、V、Cr、Fe、Coから選ばれた少なくとも一つ),GaMnN, AlMnN, GaAlMnN, AlBMnN,等、あるいは、ペロブスカイト型酸化物、フェライト等のスピネル型酸化物、ガ−ネット型酸化物があり、それぞれ優れた特性が得られる。
【００６１】また以上の構成で用いられる軟磁性体としては、NiFe、FeSiAｌ、FeSi、FeTA(Tは、Ta, Al, Ti, Nb, Zr, Hf, Si, Mg,Ge,Ga等)また(Ａは、N, B, O, F, C)、あるいは(Co, Fe)M （Ｍは Nb, Zr, Ta, B）等が良い。
【００６２】また以上の構成で用いられる磁化固定体としては、PtMn、PtPdMn、FeMn、IrMn、NiMnや酸化物等の反強磁性体、あるいは第２の強磁性体として、CoまたはCoを含んだFeCo, CoFeNi, CoNi, CoZrTa, CoZrB CoZrNb合金等を用いた、第２の強磁性体／反強磁性体の積層構造、あるいは、非磁性体としてCu, Ag, Au, Ru, Rh,Ir, Re, Osまたはこれらの金属の合金、酸化物を用い、また、磁性体としてCo、FeCo、FeCoNi、CoNi、FeCoNi, CoZrTa, CoZrNb, CoZrBなどの強磁性体を用い、これらの強磁性体と非磁性体を積層した、積層フェリ磁性体、あるいは、積層フェリ磁性体／反強磁性体の積層構造、あるいは、保持力が100 Oe以上であるCoPt, FePt, CoCrPt, CoTaPt, FeTaPt, FeCrPtなどの高保持力磁性体、または、磁性体の形状異方性を用いた構成が良い。
【００６３】以下、磁化遷移領域や、磁化領域は、電子線ホログラフィｌ、MFM、ロ−レンツ顕微鏡などを用いた観察から求めた値である。
【００６４】（実施例１）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁化固定体１と磁化固定体２をそれぞれFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、ｌの深さを変えた素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。２８０℃、５kOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１と磁性体３に、図１２(a)のように同一方向の異方性を付与した。外部磁界を異方性の向きと反対方向から加えた時に主として、磁化の固定を受けていない磁性体２近傍で磁化変化が起こり、磁性体１と磁性体３間の抵抗変化が観察された。
【００６５】外部磁界が無い状態で、磁性体１と磁性体３の平均的な磁化方向とのずれが大きい領域を磁化結合領域と定義し、その抵抗測定方向に対する厚みｄと、磁気抵抗変化の関係を調べた。結果を（表１）に示す。ここで、ＭＲは最大抵抗値と最小抵抗値の差を最小抵抗値で割ったものである。
【００６６】
【表１】
【００６７】（実施例２）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁化固定体２をFe3O4側から、CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(30)とし、ｌの深さを変えた素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１と磁性体３に、図１３（ａ）のように互いに反平行の一方向異方性を付与した。
【００６８】外部磁界を異方性の向きと反対方向から加えた時に主として、磁化の固定を受けていない磁性体２近傍で磁化変化が起こり、磁性体１と磁性体３間の抵抗の変化が観察された。
【００６９】外部磁界が無い状態で、磁性体１と磁性体３の平均的な磁化方向とのずれが大きい領域を磁化結合領域と定義し、その抵抗測定方向に対する厚みｄと、磁気抵抗変化の関係を調べた。結果を（表２）に示す。
【００７０】
【表２】
【００７１】（実施例３）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、ｌの深さを変えた素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に図１１R>１（ａ）のような一方向異方性を付与した。
【００７２】外部磁界を加え、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）のように磁化を反転させ、外部磁場を取り除いた状態で、磁性体１と磁性体３の平均的な磁化方向とのずれが大きい領域を磁化結合領域と定義し、その抵抗測定方向に対する厚みｄａｐと、磁化反転前後での磁気抵抗変化の関係を調べた。結果を（表３）に示す。
【００７３】
【表３】
【００７４】（実施例４）図２８の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、磁化固定体１と軟磁性体の長さであるＬ１とＬ３を変えた素子を作製した。Ｗは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。これらの素子を２８０℃、５KOeの磁場中で熱処理し磁性体１に一方向異方性を付与した。
【００７５】外部磁界を加え、磁性体３の少なくとも一部を磁化反転させ、外部磁場を取り除いた状態で、抵抗の変化を測定した。また磁性体１と磁性体３それぞれにおいて磁化方向が揃った領域をそれぞれ磁化領域Ａ、磁化領域Ｂとし、さらに磁化領域Ａとほぼ同じ方向に磁化を揃えたCoFeの磁化領域を磁化領域A'、また磁化領域Ｂとほぼ同じ方向に磁化を揃えた軟磁性体の磁化領域を磁化領域Ｂ'とした。磁化領域Ａと磁化領域Ａ'のそれぞれの体積と飽和磁化の積の和からもとめた値をＭａ×Ｖａ、また、磁化領域Ｂと磁化領域Ｂ'から同様に求めた値をＭｂ×Ｖｂ、また磁化遷結合領域の大きさから求めた値をＭｍ×Ｖｍとし、それぞれの値の大小と抵抗変化を調べた。結果を（表４）に示す。
【００７６】
【表４】
【００７７】（実施例５）図２７の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべて同一の磁性体Aとし、磁性体Ａとして、Ni、Co、Fe、Fe50Co50、Fe25Co75、Ni60Fe40、NiFeCo、Fe50Cr50、FeN、Fe3O4、NiMnSb、CuMnSb、PtMnSb、LaSrMnO、LaCaSrMnO、CrO2を用い、また、磁化固定体１を磁性体A側から、CoFe(3)/IrMn(50)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とした素子を作製した。図でＷは１μｍ、Ｌ２は、１００nmである。ここでIrMnは１００ Oeの磁界中で成膜し、磁性体１に図１１（ａ）のような一方向異方性を付与した。
【００７８】外部磁界を加え、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）のように磁化を反転させ磁化反転前後での抵抗変化を調べた。結果を（表５）に示す。
【００７９】
【表５】
【００８０】（実施例６）図２９の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、Ｗ２、ｌおよび長さＬ２を変えた素子を作製した。図でＷ１は１μｍである。２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に図１１R>１（ａ）のような一方向異方性を付与した。外部磁界を加え、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）のように磁化を反転させた前後での抵抗変化を調べた。結果を（表６）に示す。
【００８１】
【表６】
【００８２】（実施例７）図３０の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、Ｗ２、ｌ２および長さＬ２を変えた素子を作製した。図でＷ１は１μｍ、Ｗ３は２μｍである。Ｗ３の方向に沿って、２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に一方向異方性を付与した。外部磁界を加え、磁性体３を反転させた前後での抵抗変化を調べた。結果を（表７）に示す。
【００８３】
【表７】
【００８４】（実施例８）図３０の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とし、Ｗ２、ｌ２および長さＬ２をそれぞれ、２０、２０、１０ｎｍとし、Ｗ１とｌ１、ｌ３および、磁性体１、磁性体３、軟磁性体のサイズを変えた素子を作製した。Ｗ３の方向に沿って、２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に一方向異方性を付与した。
【００８５】磁性体３と軟磁性体それぞれの体積と飽和磁化の積の和からもとめた値をＭ３×Ｖ３、また、磁性体１の体積と飽和磁化の積からもとめた値をＭ１×Ｖ１、また磁性体２の体積と飽和磁化の積をＭｍ×Ｖｍとし、外部磁界を加え、磁性体３を反転させた前後での抵抗変化との関係を調べた。結果を（表８）に示す。
【００８６】
【表８】
【００８７】（実施例９）図３０の構成で、磁性体１、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体２として、Ni、Co、Fe、Fe50Co50、Fe25Co75、Ni60Fe40、NiFeCo、Fe50Cr50、FeN、Fe3O4、NiMnSb、CuMnSb、PtMnSb、LaSrMnO、LaCaSrMnO、CrO2を用い、また、磁化固定体１を磁性体２側から、CoFe(3)/IrMn(50)（単位はnm）の構成とし、磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(30)とした素子を作製した。
【００８８】Ｗ２、ｌ２および長さＬ２をそれぞれ、２０、２０、３ｎｍとしＷ１は１μｍ、Ｗ３は２μｍとした素子を作製した。Ｗ３の方向に沿って、２８０℃、５KOeの磁場中で素子を熱処理し、磁性体１に一方向異方性を付与した。外部磁界を加え、磁性体３を反転させた前後での抵抗変化を調べた。結果を（表９）に示す。
【００８９】
【表９】
【００９０】（実施例１０）CMOS基板上に、図１６に示すような基本構成のメモリ素子で集積メモリを作製した。素子配列は、１６×１６素子のメモリブロックが合計８ブロックとした。ここで、１ブロック当たり２５６個の素子中、２５５個の素子には、図５の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)とし、磁気抵抗変化率が６０％のものを用いた。また、各部ロックの残りの１素子は、磁性体２の素子幅を他の素子よりも大きくすることで、磁気抵抗変化率を３％以下に押さえ、配線抵抗や、素子最低抵抗、FET抵抗をキャンセルするためのダミ−素子とした。なお、ワ−ド線およびビット線などは全てＣｕを用いた。
【００９１】ワ−ド線とビット線の合成磁界により、８つのブロックの、８素子にそれぞれの磁性体３の磁化反転を同時に行い、８ビットずつの信号を記録した。次に、CMOSで作製されたＦＥＴのゲ−トをそれぞれのブロックに付き１素子ずつONし、センス電流を流した。このとき、各ブロック内でのビット線、素子、及びFETに発生する電圧と、ダミ−電圧をコンパレ−タにより比較し、それぞれの素子の出力電圧から、同時に８ビットの情報を読みとった。
【００９２】（実施例１１）ガラス基板上に、図１９（ｂ）に示すような基本構成のメモリ素子で集積メモリを作製した。素子配列は、一段当たり、１６×１６素子が３段あるものを１ブロックとし、合計８ブロックとした。ここで、第１段と第３段は、メモリ素子で、第２段はダミ−素子である。１ブロック当たり、２５６×３個の素子は、図５の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)としている。５１２個のメモリ素子の磁気抵抗変化率が６０％とし、また２５６個のダミ−素子は、磁性体２の素子幅を他の素子よりも大きくすることで、磁気抵抗変化率を１％以下に押さえている。なお、ワ−ド線およびビット線などには全てＣｕを用いた。
【００９３】ワ−ド線とビット線の合成磁界により、各ブロック毎に１素子ずつに同時書き込みを行い、８ビット信号を記録した。各ブロックで、第１段に記録したメモリ情報は、ビット線１から２つのワ−ド線（１および２）に電流を流し、同一ビット線上にある第１段の素子と第２段のダミ−素子に生じた電圧を、コンパレ−タにより比較し、それぞれのビット情報を読みとった。また、第３段に記録したメモリ情報は、２つのビット線（２および３）からワ−ド線２に電流を流し、同一ワ−ド線上にある第３段の素子と第２段のダミ−素子に生じた電圧をコンパレ−タにより比較し、それぞれのビット情報を読みとった。これらの読みとり動作を８ブロック毎に行い８ビット情報を同時に読みとった。
【００９４】（実施例１２）CMOS基板上に、図２１に示すような基本構成の集積メモリを作製した。図で、素子は、図１５(a)に示す基本メモリが３つ、直列に接続された１列の構成のみ示している。この直列に接続された列を、合計３列とする３×３配列を１ブロックとし、合計８ブロックから成る集積メモリを用いて８ビットの記録と読み出しを行った。ここで、１ブロック当たり、９個の素子には、図２（ａ）の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)とし、磁気抵抗変化率が７０％のものを用いた。また、ワ−ド線およびビット線などには全てＣｕを用いた。
【００９５】ビット情報に基づく、ワ−ド線とビット線の合成磁界により、８つのブロックの、８素子の磁性体３を磁化反転し、８ビット信号を同時に記録した。次に、CMOSで作製されたＦＥＴのゲ−トをそれぞれのブロックに付き１列ずつONし、センス電流を流し、各列の基準電圧を検知した後、ワ−ド線、ビット線が直交したれぞれの素子に関して合成磁界をかけ、電圧の変化をしらべることで、１ブロック当たり１ビット、合計８ビットの情報を同時に読みとった。読みとり動作終了後、バッファメモリの読み出し信号に基づき、読み出し時に、磁化反転が行われた素子に対して、再び反転磁界を印可し、再書き込みを行った。
【００９６】（実施例１３）図３１に示すような、面内抵抗型磁気抵抗素子を用いたヨ−ク型磁気ヘッドを作製した。素子は、図２（ａ）を基本構成としており、図３１R>１中の矢印で示すように、軟磁性体の磁化容易軸は形状異方性により、磁化固定体による磁化固定方向に対して９０度の向きにしている。素子配置は、下部フロントヨ−クと下部バックヨ−クの間にギャップを介して挟まれた位置である。またバックヨ−クは、フロントヨ−クに比べ広い面積とすることで、磁気的な回路抵抗を下げている。
【００９７】ヨ−クにはFeTaNを用いており、素子には、図２（ａ）の構成で、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１に接続された、磁化固定体１をFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）の構成とし、また磁性体３に接続された軟磁性体をNiFe(3)とし、磁気抵抗変化率が７０％のものを用いた。
【００９８】このような磁気ヘッドを用いて、トラック密度が90kTPI（tracks per inch），線記録密度は550kBPI（bits per inch）で記録されたＨＤＤ記録媒体をデータ転送速度211Mビット/秒で再生実験を行った。ヘッドの浮上量は10nmとした。へッドのビット誤り率は１×１０-8であった。
【００９９】またこの磁気ヘッドのギャップを２００ｎｍとし、ＭＥテ−プでの再生を行ったところ、従来のMIGヘッドに比較し４０dB高い出力を得た。
【０１００】（実施例１４）ステンレス基板上に、図２６R>６(b)に示す構成を持つ磁気抵抗素子で、磁性体１側を機械的に固定した片持ち梁構造とした加速度センサ−を作製した。磁性体２近傍では、基板をくびれ形状とすることで、可動できる自由度を高めている。
【０１０１】素子には、磁性体１、磁性体２、磁性体３をすべてFe3O4とし、磁性体１および磁性体３に接続された、磁化固定体はFe3O4側から、CoFe(3)/ PtMn(30)（単位はnm）とした。また、このような加速度センサ−を用いて、１Ｇでの加速度試験を行ったところ、従来のピエゾ型加速度センサ−に比較して２０ｄＢ高い出力を得た。
【０１０２】
【発明の効果】本発明の磁気抵抗素子を用いることで、従来のＴＭＲ素子と同等以上の磁気抵抗効果を得ることができる。このため、従来の情報通信端末などに使用される光磁気ディスク、ハ−ドディスク、デジタルデ−タストリ−マ（DDS）、デジタルＶＴＲ等の磁気記録装置の再生ヘッド、またシリンダ−や、自動車などの回転速度検出用の磁気センサ−、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）、応力変化、加速度変化などを検知する応力または加速度センサ−あるいは熱センサ−や化学反応センサ−等の特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本構成例１−１を示す図
【図２】基本構成例１−２を示す図
【図３】素子形成方法を示す図
【図４】素子形成方法を示す図
【図５】基本構成例２−１を示す図
【図６】基本構成例２−２を示す図
【図７】基本構成例２−３を示す図
【図８】基本構成例２−４を示す図
【図９】基本構成例２−５を示す図
【図１０】基本構成例３を示す図
【図１１】磁化結合領域と抵抗変化の基本動作１を示す図
【図１２】磁化結合領域と抵抗変化の基本動作２を示す図
【図１３】磁化結合領域と抵抗変化の基本動作３を示す図
【図１４】ランダムアクセスメモリ例を示す図
【図１５】メモリセル配置１を示す図
【図１６】メモリ構成１を示す図
【図１７】メモリ構成２を示す図
【図１８】メモリ構成３を示す図
【図１９】メモリ構成４を示す図
【図２０】メモリ構成５を示す図
【図２１】メモリ構成６を示す図
【図２２】ヨ−ク型磁気ヘッド１を示す図
【図２３】ヨ−ク型磁気ヘッド２を示す図
【図２４】ヨ−ク型磁気ヘッド３を示す図
【図２５】シ−ルド型磁気ヘッドを示す図
【図２６】応力センサ−１を示す図
【図２７】基本構成例１−３を示す図
【図２８】基本構成例１−４を示す図
【図２９】基本構成例１−５を示す図
【図３０】基本構成例２−６を示す図
【図３１】ヨ−ク型磁気ヘッド４を示す図
【図３２】応力センサ−２を示す図
【符号の説明】
１ 磁性体
２ 磁性体
３ 磁性体
【特許請求の範囲】
【請求項１】 少なくとも１種からなる磁性体中に、磁化方向が略揃った磁化領域Ａと磁化方向が略揃った磁化領域Ｂと、前記磁化領域Ａと前記磁化領域Ｂに挟まれた磁化接合領域Ｍがあり、前記磁化領域Ａの少なくとも一部、または前記磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁化接合領域Ｍまたは前記磁化領域Aまたは前記磁化領域Ｂの磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子。
【請求項２】 磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの各平均磁化方向が互いに略反平行または略平行で、電気抵抗の変化が、主として磁化接合領域Ｍの厚み変化による請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】 外部からの磁気的エネルギ−がないとき、磁化接合領域Ｍの厚みｄが０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍなる範囲である請求項２記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】 電気抵抗の変化が、主として磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの磁化相対角の変化による請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】 磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化方向が略反平行あるとき磁化接合領域Ｍの厚みをｄａｐとすると０≦ｄａｐ≦２００ｎｍなる関係を持つ請求項４記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】 磁化領域Ａ及び磁化領域Ｂが互いに略反平行であるとき、磁化接合領域Ｍの実効磁化をＭｍ、体積をＶｍ、また前記磁化領域Ａの実効磁化をＭa、体積をＶa、また前記磁化領域Ｂの実効磁化をＭｂ、体積をＶｂとすると、Ｍｍ×Ｖｍ＜Ｍａ×Ｖａ、Ｍｂ×Ｖｂなる関係を持つ請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】 磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】 磁化接合領域Ｍの少なくとも一部、磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの領域が、軟磁性体と磁気的に結合した請求項１〜７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】 磁化領域Ａまたは磁化領域Ｂを形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】 少なくとも一組の磁化領域Ａ、磁化領域Ｂおよび磁化接合領域Ｍが同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】 磁性体２が、磁性体１と磁性体３に挟まれた一対の構成を少なくとも一組持ち、前記磁性体２が、磁性体１および磁性体３に対して、形状的または磁気的に、くびれ部を形成し、前記磁性体１の少なくとも一部、または前記磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁性体１と前記磁性体２および前記磁性体３の磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子。
【請求項１２】 磁性体１と磁性体３が、くびれ部を構成する磁性体２および絶縁体を介して接し、前記絶縁体が前記磁性体２の側面部を被覆する構造を持つ請求項１１記載の磁気抵抗素子。
【請求項１３】 磁性体２の長さが０．５ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下、また磁性体２の幅の最短長が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１１または１２記載の磁気抵抗素子。
【請求項１４】 磁性体１の磁化をＭ１、体積をＶ１、また磁性体２の磁化をＭ２、体積をＶ２、また磁性体３の磁化をＭ３、体積をＶ３とすると、Ｍ２×Ｖ２＜Ｍ１×Ｖ１、Ｍ３×Ｖ３なる関係を持つ請求項１１〜１３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１５】 磁性体１の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１６】 磁性体１の少なくとも一部、磁性体２の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの磁性体が、軟磁性体と磁気的に結合した請求項１１〜１５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１７】 磁性体１または磁性体３を形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である請求項１１〜１６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１８】 磁性体１、磁性体２及び磁性体３が同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１９】 請求項１〜１８のいずれかに記載の磁性体の少なくとも一部が、マグネタイトである磁気抵抗素子。
【請求項２０】 磁性体１が磁化領域Ａの少なくとも一部、または磁性体３が磁化領域Ｂの少なくとも一部であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項２１】 外部磁界の変化を、請求項１〜２０のいずれかに記載の磁気抵抗素子の抵抗変化として検出する磁気センサ−。
【請求項２２】 請求項１〜２０のいずれかに記載の磁気抵抗素子に加わる応力の変化を抵抗変化として検出する応力センサ−
【請求項２３】 磁気情報の変化を、請求項１〜２０のいずれかに記載の磁気抵抗素子に含まれる磁化変化が容易な磁性体に記録し、この記録情報を磁気抵抗素子の抵抗変化として検出する磁気メモリ。
【請求項１】 少なくとも１種からなる磁性体中に、磁化方向が略揃った磁化領域Ａと磁化方向が略揃った磁化領域Ｂと、前記磁化領域Ａと前記磁化領域Ｂに挟まれた磁化接合領域Ｍがあり、前記磁化領域Ａの少なくとも一部、または前記磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁化接合領域Ｍまたは前記磁化領域Aまたは前記磁化領域Ｂの磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子。
【請求項２】 磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの各平均磁化方向が互いに略反平行または略平行で、電気抵抗の変化が、主として磁化接合領域Ｍの厚み変化による請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】 外部からの磁気的エネルギ−がないとき、磁化接合領域Ｍの厚みｄが０ｎｍ≦ｄ≦２００ｎｍなる範囲である請求項２記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】 電気抵抗の変化が、主として磁化領域Ａおよび磁化領域Ｂの磁化相対角の変化による請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】 磁化領域Ａと磁化領域Ｂの磁化方向が略反平行あるとき磁化接合領域Ｍの厚みをｄａｐとすると０≦ｄａｐ≦２００ｎｍなる関係を持つ請求項４記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】 磁化領域Ａ及び磁化領域Ｂが互いに略反平行であるとき、磁化接合領域Ｍの実効磁化をＭｍ、体積をＶｍ、また前記磁化領域Ａの実効磁化をＭa、体積をＶa、また前記磁化領域Ｂの実効磁化をＭｂ、体積をＶｂとすると、Ｍｍ×Ｖｍ＜Ｍａ×Ｖａ、Ｍｂ×Ｖｂなる関係を持つ請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】 磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】 磁化接合領域Ｍの少なくとも一部、磁化領域Aの少なくとも一部、または磁化領域Ｂの少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの領域が、軟磁性体と磁気的に結合した請求項１〜７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】 磁化領域Ａまたは磁化領域Ｂを形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】 少なくとも一組の磁化領域Ａ、磁化領域Ｂおよび磁化接合領域Ｍが同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】 磁性体２が、磁性体１と磁性体３に挟まれた一対の構成を少なくとも一組持ち、前記磁性体２が、磁性体１および磁性体３に対して、形状的または磁気的に、くびれ部を形成し、前記磁性体１の少なくとも一部、または前記磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定され、前記磁性体１と前記磁性体２および前記磁性体３の磁化状態の変化を、電気抵抗の変化として検知する磁気抵抗素子。
【請求項１２】 磁性体１と磁性体３が、くびれ部を構成する磁性体２および絶縁体を介して接し、前記絶縁体が前記磁性体２の側面部を被覆する構造を持つ請求項１１記載の磁気抵抗素子。
【請求項１３】 磁性体２の長さが０．５ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下、また磁性体２の幅の最短長が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１１または１２記載の磁気抵抗素子。
【請求項１４】 磁性体１の磁化をＭ１、体積をＶ１、また磁性体２の磁化をＭ２、体積をＶ２、また磁性体３の磁化をＭ３、体積をＶ３とすると、Ｍ２×Ｖ２＜Ｍ１×Ｖ１、Ｍ３×Ｖ３なる関係を持つ請求項１１〜１３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１５】 磁性体１の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部のうち少なくとも一方が、反強磁性体、第２の強磁性体を介した反強磁性体、積層フェリ磁性体、積層フェリ磁性体を介した反強磁性体、または高保持力磁性体から選ばれた磁化固定体と磁気的に結合すること、または形状異方性エネルギ−を用いることで、外部から導入された磁気的エネルギ−に対し、磁気的に略固定されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１６】 磁性体１の少なくとも一部、磁性体２の少なくとも一部、または磁性体３の少なくとも一部から選ばれた少なくとも一つの磁性体が、軟磁性体と磁気的に結合した請求項１１〜１５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１７】 磁性体１または磁性体３を形成する磁性材料のうち少なくとも一方が、高スピン分極材料である請求項１１〜１６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１８】 磁性体１、磁性体２及び磁性体３が同一の強磁性体よりなり、且つ前記強磁性体が高スピン分極材料であることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１９】 請求項１〜１８のいずれかに記載の磁性体の少なくとも一部が、マグネタイトである磁気抵抗素子。
【請求項２０】 磁性体１が磁化領域Ａの少なくとも一部、または磁性体３が磁化領域Ｂの少なくとも一部であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項２１】 外部磁界の変化を、請求項１〜２０のいずれかに記載の磁気抵抗素子の抵抗変化として検出する磁気センサ−。
【請求項２２】 請求項１〜２０のいずれかに記載の磁気抵抗素子に加わる応力の変化を抵抗変化として検出する応力センサ−
【請求項２３】 磁気情報の変化を、請求項１〜２０のいずれかに記載の磁気抵抗素子に含まれる磁化変化が容易な磁性体に記録し、この記録情報を磁気抵抗素子の抵抗変化として検出する磁気メモリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図８】
【図３２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図２１】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２２】
【図２６】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２３】
【図１９】
【図２０】
【図２４】
【図２５】
【図３０】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図８】
【図３２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図２１】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２２】
【図２６】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２３】
【図１９】
【図２０】
【図２４】
【図２５】
【図３０】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３１】
【公開番号】特開２００２−２７０９２２（Ｐ２００２−２７０９２２Ａ）
【公開日】平成１４年９月２０日（２００２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００１−６９９４９（Ｐ２００１−６９９４９）
【出願日】平成１３年３月１３日（２００１．３．１３）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年９月２０日（２００２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１３年３月１３日（２００１．３．１３）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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