磁阻元件的制作方法

專利名稱：磁阻元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及在信息通信終端等中使用的磁隨機存取存儲器(MRAM)等中廣泛應用的磁阻元件及制造方法。
已有技術在以強磁性體/中間層/強磁性體為基本結構的多層膜中橫穿過中間層流過電流時，已知在中間層是隧道絕緣層時產生自旋隧道效應，或者在中間層是Cu等導電性金屬時產生基于CPP(電流垂直平面)-GMR效應的磁阻效應。在任一種磁阻效應中，都依賴于夾持中間層的磁性體之間的磁化相對角的大小，前者通過在2個磁性體之間流動的隧道電子的遷移概率根據相對角發生變化，后者通過自旋依存散射方式變化產生磁阻效應。
在把這樣的TMR元件使用在磁頭或者MRAM時，通過把夾持中間層的2層磁性體的一方與稱為FeMn或IrMn的反強磁性材料疊層，作為對于外部磁場難以磁化旋轉的固定磁性層，把剩余的一方作為對于外部磁場容易磁化旋轉自由磁性層(電子管型元件)。
把這些垂直電流型磁阻元件例如用于磁頭或者存儲元件時，從高記錄密度，高安裝密度的要求出發，例如作為磁帶媒體的再生元件，需要把電流流過的中間層的面積(元件面起)做成數1000μm2以下。特別是在HDD，MRAM等中要求數μm2以下的元件面積。在元件面積比較大時，易于在自由磁性層內形成磁疇。因此，作為再生元件由磁疇壁移動引起的巴克好森噪聲，以及作為MRAM存儲器的動作轉換磁化的不穩定性均成為問題。另一方面，在對于元件面積不可以忽視自由磁性層的膜厚的區域中，由于加大由形狀各向異性產生的反轉磁場，因此特別是在用作為再生磁頭時，伴隨抗磁力的增大而產生的再生靈敏度下降是一個問題。另外，在用作為MRAM存儲器的情況下，反轉磁場的增大是一個問題。
為了抑制反磁場，可以減薄自由磁性層的膜厚。但是在亞微細粒以下，用于反磁場抑制所需要的磁性層的膜厚成為1nm以下，降低到了磁性體的物理膜厚界限以下。
在把TMR元件作為MRAM時，在半導體工藝的氫燒結或者鈍化制做工藝中，進行400℃左右的熱處理。但是已經報告了在配置成把以往的IrMn或者FeMn與磁性層連接的固定層中，在300℃左右以上，由于Mn的擴散，磁性層的自旋極化率降低，以及由于反強磁性體的成分偏移引起的磁場降低，MR降低(S.Cardoso等人J.Appl.Phys.87，6058(2000))。
在以往所考慮的非易失性MRAM元件的讀出方法中，為了讀出對于與開關元件以及電極串聯連接的磁阻元件的全部磁阻的磁阻元件的磁阻變化，如果元件電阻或者開關元件、電極電阻的分散性大則讀出困難。為了提高S/N，還考慮出以與基準元件的動作電壓讀出的方法，但是在這種情況下，由于需要基準元件，因此元件的高集成化是一個問題(日本應用磁學會 第112次研究會資料37頁)。
本發明所要解決的課題本發明的一個方案包括中間層和夾持上述中間層的一對磁性層，上述磁性層的一方是比另一方的磁性層對于外部磁場易于磁化旋轉的自由磁性層，上述自由磁性層具有由至少1層非磁性體層和夾持上述非磁性體層的磁性體層構成的多層膜，而且與上述多層膜的膜面垂直地流過的電流通過的元件面積是1000μm2以下，最好是10μm2以下，更理想的是1μm2以下，最理想的是0.1μm2以下。這里，元件面積規定為與膜面垂直流過的電流通過的中間層的面積。
通過把自由磁性層取為磁性體層與非磁性體層的多層構造，能夠抑制伴隨著元件面積的減小而增大的反磁場。這里，磁性體層、非磁性體層既可以是單層也可以是多層。自由磁性層對于具有使另一方的磁性層(通常是固定磁性層)磁化旋轉的大小的外部磁場，最好以500e(大約4kA/m)以上的小值磁化旋轉。特別是，在把元件用作為存儲器時，能夠以10-5000e以下的值進行磁化旋轉。
另外磁性層是至少在與中間層的界面0.5nm附近，包含50wt％以上的①CoNbZr，CoTaZr，CoFeB，CoTi，CoZr，CoNb，CoMoBZr，CoVZr，CoMoSiZr，CoMoZr，CoMoVZr，或者CoMnB等Co系列非晶型材料，②FeSiNb，Fe(Si，Al，Ta，Nb，Ti)N等的Fe系列微晶體材料，③從Fe，Co，Ni中選擇出的金屬強磁性元素的磁性體，例如FeCo合金，NiFe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等強磁性或者稀薄磁性合金，最好是還包含50wt％以上的④FeN，FeTiN，FeAlN，FeSiN，FeTaN，FeCoN，FeCoTiN，FeCoAlN，FeCoSiN，FeCoTaN等氮化物，⑤Fe3O4，⑥XMnSb(X是從Ni，Cu，Pt中選出的至少一種)，LaSrMnO，LaCaSrMnO，CrO2等半金屬，⑦MeO3型氧化物，MnZn鐵素體，NiZn鐵素體等尖晶石型氧化物，⑧拓榴石型氧化物等的強磁性體或者鐵磁性體。在本說明書中括號內的元素或者層是任意的元素(層)。
自由磁性層的面積最好比元件面積寬大。在自由磁性層的面積與元件面積幾乎相等的情況下，由于在自由磁性層的邊緣部分發生的磁疇構造的紊亂影響MR降低。對于元件面積，如果加大自由磁性層的面積，而且制做成使得自由磁性層充分覆蓋元件面，則由于自由磁性層的邊緣部分從元件面積脫離，因此能夠保持提供磁阻的自由磁性層內的磁化方向的均勻性。
最好包括厚度d是2.6nm≤d＜10nm范圍的非磁性體。這是由于能夠容易地進行自磁化旋轉。這考慮為由于通過在位于非磁性體層兩側的磁性體層中間，根據形狀各向異性發生的磁極之間相互靜磁耦合，從而使反磁場能量減少。通過把自由磁性層采用上述構造，能夠得到磁疇單純的高MR。如果d成為10nm以上則磁性體層之間的靜磁耦合減弱，抗磁力增大。如果d小于2.6nm則交換耦合成為支配性的。這種情況下，作為磁性體層的厚度最好是能夠進行適度靜磁耦合的1nm以上100nm以下。作為非磁性體層，以Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Al，SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，Cr2N，TiO，TiN，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，Tac，BN，B4C為代表，只要是非磁性，則金屬，氧化物，氮化物，碳化物等任一種均可，更理想的，可以是在200℃～400℃的熱處理中難以與磁性體層引起相互擴散的材料。
構成自由磁性層的磁性體層靜磁耦合時，如果把從中間層一側配置在第m(m＝1，2，…)個的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm和平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則m是奇數的Mm×dm的總和實質上與m是偶數的Mm×dm的總和相等。這是因為通過阻斷來自磁性體層的漏磁場，使磁疇單純，提高對于外部磁場的磁響應性，可以得到具有高MR的磁阻元件。這里，所謂實質上相等允許有±10％的誤差。
另外，作為本說明書中的飽和磁化，意指構成自由磁性層的各個磁性體層在加入了具有元件使用條件下大小的外部磁場時能夠實效地取得的磁化的值。即，與由材料成分所決定的飽和磁化不同。特別是在1層的厚度為數nm左右的磁性體層中，這是由于根據基底的種類，或者根據其磁性體層的生長過程變化的實質膜密度、膜構造或者膜厚能夠取得的磁疇形態等不同。
在構成自由磁性層的磁性體層靜磁耦合時，m是奇數的Mm×dm的總和與m是偶數的Mm×dm的總和也可以不同。如果實質上相同，則主要通過靜磁耦合，閉合構成自由磁性層的磁性體層之間的漏磁通。從而，即使實施加工使得在自由磁性層上具有形狀各向異性，也難以實現在單層的磁性膜中通常可以見到的磁化的2穩定狀態。因此例如難以在把自由磁性層作為存儲器的器件中應用。但是，通過使m是奇數的Mm×dm的總和與m是偶數的Mm×dm的總和不同(即，實質上不同)，能夠實現磁化反轉容易，易于保持磁化的2穩定狀態的磁阻元件。
在上述元件中最好包括厚度d為0.3nm＜d＜2.6nm范圍的非磁性體。通過非磁性體層的厚度位于這樣的范圍，能夠容易地進行自由層的磁化旋轉。這是考慮為與非磁性體層鄰接的磁性體層之間通過進行反強磁性耦合，使得反磁場能量減少的緣故。通過把自由磁性層采用上述構造，能夠得到磁疇單純的高MR。如果d低于0.3nm則熱穩定性惡化。另外如果d在2.6nm以上則靜磁耦合成為支配性的。另外，在伴隨260℃以上的熱處理的情況下，d最好是0.8nm-2.6nm。這種情況下，作為磁性體層的厚度，最好是能夠進行適度反強磁性耦合的0.5nm～100nm左右。
作為非磁性體，可以是具有導電性的金屬或者金屬化合物，而理想的是Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os。另外，也可以是這些金屬的合金，或者以50wt％以上包含有這些金屬元素的合金或者化合物。這樣的合金或者化合物的熱穩定性出色，特別是用作為CPP-GMR時，將提高元件磁阻。
構成自由磁性層的磁性體層反強磁性耦合時，如果把從中間層一側配置在第m(m＝1，2，……)個的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm和平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則m是奇數的Mm×dm的總和最好與m是偶數的Mm×dm的總和不同。在奇數號的層與偶數號的層相同時，由于磁性體層之間進行反強磁性耦合，因此如果外部磁場弱則難以進行磁化旋轉。通過設置不增大反磁場程度的差(例如0.5～2Tnm)對于外部磁場能夠進一步磁化旋轉，能夠實現具有低反轉磁場和高MR的磁阻元件。
上述元件的自由磁性層包括從中間層一側開始順序疊層了的第1磁性體層，第2非磁性體層，第2磁性體層，如果把上述第1磁性體層的平均膜厚記為d11，平均飽和磁化記為M1，在上述第2磁性體層的平均膜厚記為d2，平均飽和磁化記為M2，則1.1＜(M1×d1+M2×d2)/S＜20(這里S是M1×d1-M2×d2的絕對值)，而且在①M1×d1-M2×d2＞0時，把第1磁性體層的實效膜厚d11取為d11＝(M1×d1-M2×d2)/M1在②M1×d1-M2×d2＜0時，把第2磁性體層的實效膜厚d22取為d22＝(M2×d2-M1×d1)/M2如果把從上述實效膜厚d11或者d22和自由磁性層面形狀求出的外部磁場加入方向的上述自由磁性層面內的反磁場系數記為Nm，則Nm最好是Nm＜0.02。如果(M1×d1+M2×d2)/S的值為1.1以下，則磁疇的單純化效果減弱，如果為20以上則抗磁力的增長顯著。另外，自由磁性層的面形狀(例如圓形或者矩形)與從實效膜厚d11或者d22求出的施加磁場方向的反磁場系數Nm為0.02以上，則將引起磁疇形狀的紊亂或者磁化旋轉所需要的能量增大。
在M2×d2＞M1×d2時，構成第2磁性體層的磁性材料是軟磁性材料或硬磁性材料，構成第1磁性體層的磁性材料最好是至少在與中間層的界面中的高自旋極化率材料。軟磁性材料的M2×d2如果比高自旋極化材料的M1×d1大，則能夠實現對于外部磁場的磁化旋轉容易而且磁疇紊亂少，并且具有高MR的磁阻元件。磁化旋轉容易的磁阻元件可以用作為磁傳感器，而在把自由磁性層用作為存儲器時，通過在自由磁性層的膜面內帶來適度的形狀各向異性，還能夠用作為穩定的磁存儲器。另一方面，通過硬磁性材料的M2×d2比高自旋極化材料的M1×d1大，能夠實現對于外部磁場的磁化旋轉困難，而且磁疇紊亂少，并且具有高MR的磁阻元件。通過使用硬磁性材料，即使減小形狀各向異性，也能夠作為穩定的磁存儲器。這里作為高自旋極化材料，最好是自旋極化率為0.45以上，特別是0.5以上的材料。
作為硬磁性材料，例如最好是CoPt，FePt，CoCrPt，CoTaPt，FeTaPt，FeCrPt。。
作為軟磁性材料，例如最好是Ni81Fe19，FeSiAl，FeSi或Fe90Co10合金或者CoNbZr，CoTaZr，CoFeB，CoTi，CoZr，CoNb，CoMoBZr，CoVZr，CoMoSiZr，CoMoZr，CoMoVZr，CoMnB等Co系列非晶型材料，或者FeSiNb，Fe(Si，Al，Ta，Nb，Ti)N等Fe微晶體材料，或者MnZn鐵素體，NiZn鐵素體等氧化物材料等。
作為高自旋極化率材料，最好是以50wt％以上包含①從Fe，Co，Ni中選擇出的金屬強磁性元素的磁性體，例如FexCo(100-X)(15≤X≤100)成分的FeCo合金，NixFe(100-X)(40≤X≤70)成分的NiFe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等強磁性或者稀薄磁性合金，②FeN，FeTiN，FeAlN，FeSiN，FeTaN，FeCoN，FeCoTiN，FeCoAlN，FeCoSiN，FeCoTaN等氮化物，③Fe304，④XMnSb，(X是從Ni，Cu，Pt中選擇出的至少一種)，LaSrMnO，LaCaSrMnO，CrO2的半金屬強磁體，⑤MFeO3型氧化物，尖晶石型氧化物，柘榴石型氧化物等氧化物材料。
上述元件的自由磁性層包括從中間層一側順序疊層了的第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，如果把上述第1磁性體層的平均膜厚記為d1，平均飽和磁化記為M1，把上述第2磁性體層的平均膜厚記為d2，平均飽和磁化記為M2，則M2×d2＞M1×d1，對于外部磁場的變化，即使減小磁阻值也能夠做成可以獲得一個極大值或者極小值的磁阻元件。這里，構成自由磁性層的2個磁性體層通過非磁性層反強磁性地或者靜止耦合地耦合，使得相互的磁化方向反平行并且穩定。如果對于外部磁場大小的磁化旋轉的動作不同，則中間層的兩側都可以用作為可磁化旋轉的磁性層(自由磁性層)。即使在夾持中間層配置了2個自由磁性層的情況下，至少一方的自由磁性層(最好是更容易磁化旋轉的自由磁性層)從中間層一側開始，包括第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，如果滿足M2×d2＞M1×d1的關系，則對于外部磁場的變化，磁阻值至少可以得到一個極大值或者極小值。
如果加入外部磁場，則首先第2磁性體層沿著外部磁場方向旋轉。第1磁性體層與第2磁性體層進行反強磁性耦合或者靜磁耦合的耦合，對于外部磁場朝向幾乎相反方向。進而，如果加入大的外部磁場則發生自旋雙穩反轉(以下，強耦合時的靜磁耦合的反轉也稱為自旋雙穩)，每一個磁性層都朝向外部磁場方向。從而，對于外部磁場的變化，如果把夾持中間層的其它磁性層的磁化方向視為幾乎恒定，則在自旋雙穩前后，磁阻值取得極大值或者極小值。假如是M2×d2＜M1×d1，則這些極大值或者極小值并不明確地表現。夾持中間層的兩個磁性層每一個都包括從中間層一側順序疊層了的第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，如果把上述第1磁性體層的平均膜厚記為d1，平均飽和磁化記為M1，把上述第2磁性體層的平均膜厚記為d2，把平均飽和磁化記M2，則滿足M2×d2＞M1×d1的關系，如果對于外部磁場的各個矯頑磁力或者自旋雙穩磁場不同，則能夠取得2值以上的極大值或者極小值。
對于外部磁場的極大值或者極小值能夠進行對于外部磁場的磁阻的多值響應。沿著自由磁性層引起自旋雙穩磁場的方向加入磁場時，如果去除外部磁場則可逆地返回，如果利用這一點，則至少能夠把沿著上述磁場方向被存儲了的第2磁性體層的磁化方向作為外部磁場加入時的磁阻的變化非破壞地讀出。
自旋雙穩磁場的大小能夠用磁性體層的種類和膜厚，非磁性體層的種類和膜厚控制。矯頑磁力能夠通過材料結晶粒尺寸，材料自身的結晶磁各向異性能量，作為元件形狀、膜厚和飽和磁化的函數的形狀磁各向異性能量的控制容易地進行調整。
上述元件的自由磁性層包括從中間層一側順序疊層了的第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，第2非磁性體層，第3磁性體層，如果把上述磁性體層的平均膜厚記為dn，平均飽和磁化記為Mn(n＝1，2，3)，則是M3×d3＞M1×d1以及M3×d3＞M2×d2，對于外部磁場的變化，第1磁性體層與第2磁性體層的耦合磁場大小可以比第3磁性體層的存儲器反轉磁場小。該元件根據通過沿著第3磁性體層的磁化的存儲方向加入上述存儲器反轉磁場以下而且上述耦合磁場以上的磁場而產生的磁阻的變化進行檢測。
這里，作為存儲器層的第3磁性體層在構成自由磁性層的磁性體層中，矯頑磁力或者磁化反轉磁場最高，進而通過與第2磁性體層的反強磁性耦合，強磁性耦合或者靜磁耦合地耦合。另外第2磁性體層與第1磁性體以反強磁性地或者靜磁耦合地進行耦合。另外對于自由磁性層，夾持中間層的相對的其它強磁性體層比第3磁性體層的磁化反轉磁場還高，實質上最好視為固定磁性層。如果以第3磁性體層與第2磁性體層，第2磁性體層與第1磁性體層相互反強磁性地進行耦合的情況為例，則沿著存儲了第3磁性體層的磁化方向相同的方向加入外部磁場的過程①中，不久在第1磁性體層與第2磁性體層之間產生自旋雙穩，第2磁性體層的磁化變化成與外部磁場平行。在該過程①中，幾乎不發生固定磁性層與第1磁性體層的磁化相對角的變化。另外如果去除外部磁場則第2磁性體層的磁化返回到初始狀態。當然在第1磁性體層與第2磁性體層之間也可以使用不引起自旋雙穩程度的磁場。另一方面，在沿著與存儲了第3磁性體層的磁化方向反平行方向加入外部磁場的過程②中，第1磁性體層使磁化方向變化成與外部磁場平行，固定磁性層與第1磁性體層的磁化相對角產生變化。
這里，如果外部磁場的大小是使得第3磁性體層不進行反轉程度的大小，則在該過程②中如果去除外部磁場，則第1磁性體層的磁化方向返回到初始狀態。通過加入分別與過程①以及過程②相當的外部磁場，檢測這時的磁阻變化部分，則能夠非破壞地判斷第3磁性體層的磁化的存儲狀態。通常，垂直電流型磁阻元件檢測包括布線電阻的元件阻值，檢測磁化狀態，而由于元件電阻的分散性或者布線電阻的分散性等，如果沒有比較大的磁阻變化則不能夠進行判斷。為了克服這一缺點，還提出了讀取與基準元件的動作電壓的方法，但是將帶來布線的復雜化或者降低集成度。另外，還有通過加入外部磁場改變存儲方向，檢測存儲器的方法，但是將破壞存儲器。本發明能夠在非破壞的狀態下檢測磁阻元件的存儲狀態。
上述元件的自由磁性層具有被2層中間層夾持的結構，上述自由磁性層還可以構成為磁性體層與非磁性體層交互疊層的結構。還可以對于自由磁性層，進而在2個中間層的外側使2個難以磁化旋轉的磁性層(固定磁性層)相對。在被2個固定磁性層夾持的自由磁性層中，根據與它們的磁耦合，將顯著地損壞自由磁性層的柔軟性或者對于外部磁場響應的對稱性。如果把自由磁性層取為進行靜磁耦合或者反強磁性耦合的多層構造，則能夠減少來自固定磁性層的漏磁場的影響。另外，通過自由磁性層具有多層構造，還具有抑制伴隨著微細化而產生的自由磁性層的反磁場的效果。
上述元件的自由磁性層具有被2層中間層夾持的結構，上述自由磁性層還可以構成為2n層(n＝1，2，…)的磁性體層與(2n-1)層的非磁性體層相互疊層的結構。還可以對于自由磁性層，進而在2個中間層的外側使2個難以磁化旋轉的磁性層(固定磁性層)相對。
形成自由磁性層的磁性體層之間的耦合比較弱時，對于外部磁場的磁化響應性良好。這是考慮為2n層磁性體層使反磁場能量適度降低那樣，在各個磁化平緩束縛的基礎上進行磁化旋轉的緣故。另一方面，夾持非磁性體層的磁耦合強的情況下，在改善2n層的磁性體層的磁疇構造或者抑制反磁場方面具有效果。另外，疊層了的磁性體層之間的靜磁耦合或者反強磁性耦合等磁耦合的強度由非磁性體層的種類和膜厚控制。
實質上也可以把2個磁阻元件串聯連接。串聯連接的2個元件為了表示出最高的磁阻變化，需要各個元件的磁阻的最大值和最小值的磁化方向相同。如果使2個磁阻元件的極性(夾持中間層的磁性體層相互平行時磁阻低，反平行時磁阻高，或者夾持中間層的磁性體層相互平行時磁阻高，反平行時磁阻低)相互相等，則對于外部磁場的變化，各個元件在取相同磁化排列時可以得到最大的磁阻變化。
在磁性體層是2n，而且構成自由磁性層的磁性體層之間的磁耦合比外部磁場充分弱時，2n層的磁性體都易于與外部磁場方向一致。這時，如果2個磁阻元件的極性相等，則在2個固定磁性層的磁化方向平行時磁阻變化能夠取得最大值。
在磁性體層是2n，構成自由磁性層的磁性體層之間的磁耦合比外部磁場充分強時，相鄰的磁性體層的磁化朝向相互反平行時，如果2個磁阻元件的極性相等，則2個固定磁性層的磁化方向相互反平行時磁阻變化能夠取得最大值。固定磁性層的磁化方向通過改變疊層鐵構造的層數能夠進行控制。
上述元件至少具有順序疊層了第1固定磁性層，第1中間層，第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，第2中間層，第2固定磁性層的結構，如果把上述磁性體層n的平均膜厚記為dn，把平均飽和磁化記為Mn(n＝1，2)，則也可以是M2×d2≠M1×d1。這里，第1磁性體層與第2磁性體層也可以進行反強磁性耦合或者靜磁耦合使得相互的磁化成為反平行。通過成為相互反平行，將產生把M2×d2以及M1×d1的差作為實效的磁性層的磁化反轉。
如果以用第1固定磁性層、第1中間層、第1磁性體層構成的磁阻元件與用第2磁性體層、第2中間層、第2固定磁性層構成的磁阻元件的極性相等為例，則第1固定磁性層與第2固定磁性層的磁化方向最好相互反平行。
第1固定磁性層與第2固定磁性層的磁化方向例如如果把第1固定磁性層做成與第1反強磁性體連接的單層的強磁性體，把第2固定磁性層做成具有由與第2反強磁性體連接的強磁性體/非磁性體/強磁性體構成的結構的疊層鐵構造，在能夠使相互的固定磁化方向成為反平行。這里舉出1例，而通過分別改變固定磁性層的疊層鐵片構造的層數，改變自由磁性層的層數，或者用極性不同的磁阻元件構成也可以得到相同的效果，這些在概念上是相同的。
上述元件的至少1層的自由磁性層具有被2層中間層夾持的結構，上述自由磁性層也可以構成為(2n+1)層(n＝1，2，…)的磁性體層與2n層的非磁性體層相互疊層的結構。還可以對于自由磁性層，進而在2個中間層的外側使2個難以磁化旋轉的磁性層(固定磁性層)相對。
在形成自由磁性層的磁性體層之間的耦合比較弱時，對于外部磁場的磁化響應良好。這是考慮為(2n+1)層的磁性體層使反磁場能量適度地下降那樣在各個磁化返回到平緩束縛的基礎上進行磁化旋轉的緣故。另一方面，在夾持非磁性體的磁耦合強時，在改善(2n+1)層的磁性體層的磁疇構造，或者抑制反磁場方面具有效果。另外，疊層了的磁性體層之間的靜磁耦合或者反強磁性耦合等磁耦合的強度能夠通過非磁性體的種類和膜厚控制。
磁性體層是2n+1，而且構成自由磁性層的磁性體層之間的磁耦合比外部磁場充分弱時，(2n+1)層的磁性體每一個都易于與外部磁場方向一致。這時，如果2個磁阻元件的極性相等，則在2個固定磁性層的磁化方向平行時磁阻變化可以取得最大值。
另外，同樣，磁性體層是2n+1，構成自由磁性層的磁性體層之間的磁耦合比外部磁場充分強，相鄰的磁性體層的磁化朝向相互反平行時，如果2個磁阻元件的極性相等，則在2個固定磁性層的磁化方向平行時，磁阻變化可以取得最大值。
另外上述元件至少具有按照第1固定磁性層、第1中間層、第1磁性體層、第1非磁性體層、第2磁性體層、第2非磁性體層、第3磁性體層、第2中間層、第2固定磁性層的順序形成的結構，如果把上述磁性體層n的平均膜厚記為dn，把平均飽和磁化記為Mn(n＝1，2，3)，則也可以成為M3×d3+M1×d1≠M2×d2。
這里，第1磁性體層、第2磁性體層、第3磁性體層進行反強磁性耦合或者靜磁耦合使得相互的磁化成為反平行，在M3×d3+M1×d1＞M2×d2的關系成立時，第1磁性體層和第3磁性體層對于外部磁場作用為實效的磁性層。另外這時第2磁性體層由于第1磁性體層與第3磁性體層的磁耦合，對于外部磁場外觀上不起到磁性層的作用，在第1磁性體層和第3磁性體層對于外部磁場進行磁化旋轉時，與各個磁性層保持反強磁性耦合或者靜磁耦合的同時進行磁化旋轉。另一方面，在M3×d3+M1×d1＜M2×d2的關系成立時，第2磁性體層對于外部磁場起到實效的磁性層的作用。這時第1磁性體層與第3磁性體層由于與第2磁性體層的磁耦合因此外觀上不起到磁性層的作用，在第2磁性體層對于外部磁場進行磁化旋轉時幾乎同時進行磁化旋轉。
在用第1固定磁性層，第1中間層、第1磁性體層構成的磁阻元件與用第3磁性體層、第2中間層、第2固定磁性層構成的磁阻元件的極性相等時，在第1固定磁性層與第2固定磁性層的磁化方向相同時可以得到最大的磁阻變化。而通過改變固定磁性層的疊層鐵構造的層數，或者改變自由磁性層的層數，或者用極性不同的磁阻元件構成，也可以得到相同的效果，這些在概念上是相同的。
另外上述元件中，可以做成為構成自由層磁性層的磁性體層中至少1層具有與其余的磁性體層的任一個不同大小的矯頑磁力或者飽和磁化的磁阻元件。
例如，考慮自由磁性層由磁性體層和非磁性體層的多層膜構成，如果把從中間層一側觀看，配置在第m(m＝1，2，…)個的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm與平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則m是奇數的Mm×dm的總和實質上與m是偶數的Mm×dm的總和相等，另外磁性體層之間進行反強磁性耦合或者靜磁耦合的情況。在該結構中，在微細加工時，所有的磁性體層通過材料、膜厚等的選擇如果是相同的矯頑磁力，則容易進行自由磁性層的磁化旋轉，另一方面，卻難以進行磁化狀態的存儲。但是，如果在磁性體層的一個中使用比其它的磁性體層矯頑磁力高的材料，則能夠抑制微細型化時所產生的反磁場效果，而且能夠在自由磁性層內產生存儲磁化狀態的適度的矯頑磁力。該結構與基于利用了形狀各向異性的單軸各向異性的存儲器過大地依賴于元件微細化的精度，而且在微細化時易于過渡地進行矯頑磁力化的情況相比較，具有可以得到穩定的適度矯頑磁力的優點。
另外例如，考慮在構成自由磁性層的磁性體層的內部，如果把從中間層一側配置在第m(m＝1，2，…)個的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm與平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則m是奇數的Mm×dm的總和與m是偶數的Mm×dm的總和不同，磁性體層之間進行反強磁性耦合或者強靜磁耦合的情況。微細化了的元件的反轉磁場幾乎與奇數層與偶數層中的差成比例。為了適度地保持微細加工元件中的反轉磁場，可以控制Mm或者dm。但是在被微細加工到亞微細粒的元件中，在實際膜厚的控制中將產生技術上的界限，產生反轉磁場的分散性。從而，如果在決定反轉磁場的磁性體層中進行設計使得選擇M小的材料，則能夠抑制大面積中的元件的反轉磁場的分散性。
另外，自由磁性層至少由第1磁性體層、第1非磁性體層、第2磁性體層這3層構成，把M2×d2＞M1×d1磁阻元件記為元件A，把從中間層開始具有第3磁性體層和第4磁性體層，而且具有M3×d3＞M4×d4的自由磁性層的磁阻元件記為元件B，上述元件A以及上述元件B可以組合用作為垂直電流型元件，使得對于相同的外部磁場進行響應，而且把上述元件A以及上述元件B的相互的輸出進行加法或者減法運算。
如果依據該結構，則在元件A中第1磁性體層，在元件B中第2磁性體層分別朝向與外部磁場相同的方向。從而與中間層相對的第1磁性體層在元件A和元件B中朝向不同的方向。元件A和元件B的固定層如果都是相同的朝向，則對于同一方向的外部磁場，元件A取得最大阻值的狀態與元件B取得最大阻值時的外部磁場的朝向相互不同。用作為器件時，除去磁阻元件的阻值以外，還要乘上周邊的電路電阻值，因此不能夠充分地獲得S/N，而如上述那樣把A、B這2個元件組合起來，通過抵消基本阻值(電路阻值+元件低阻時的阻值)，能夠得到高S/N。
本發明的另一個方案是提供垂直電流型磁阻元件，該磁阻元件的特征是包括中間層和夾持上述中間層的一對磁性層，上述磁性層的一方是比另一方的磁性層對于外部磁場難以磁化旋轉的固定磁性層，而且上述固定磁性層與基底層或者反強磁性體層連接，而且電流流過的元件面積(中間層的面積)為1000μm2以下，最好是10mμ2以下，更理想的是0.1μm2以下。該固定磁性層至少具有由一層非磁性體層，夾持上述非磁性體層的磁性體層構成的多層構造，上述非磁性體層的厚度d是0.3nm＜d＜2.6nm的范圍。
固定磁性層對于外部磁場最好是比另一方的磁性層(自由磁性層)難以進行50Oe以上磁化旋轉。
通過采用這樣的結構，非磁性體層與磁性體層進行反強磁性耦合，使磁疇單純，能夠得到高MR。這時，如果d成為0.3nm以下則熱穩定性惡化。在d為2.6nm以上時，前述的靜磁耦合成為支配性的。伴隨著300℃以上的熱處理的情況下，d最好是0.7nm～2.6nm的范圍。作為磁性體層的厚度，最好是可以進行強反強磁性耦合的0.3nm～10nm左右。
作為非磁性體，只要是具有導電性的金屬或者金屬化合物則任一種均可，特別最好是Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os。另外，還可以是這些金屬的合金或者以50wt％以上包含這些金屬元素的合金或者化合物。
在構成固定磁性層的磁性體層內，如果把從中間層一側配置為第m(m＝1，2，…)個的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm與平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則通過m是奇數的Mm×dm的總和實質上與m是偶數的Mm×dm的總和相等，能夠使對于外部磁場的磁化旋轉困難。
但是，自由磁性層在通過偏置磁場進行磁疇控制時，或者根據所謂的瓣形效應等，進行與中間層等的正耦合時，以矯正該磁場偏移為目的，也可以通過使m是奇數的Mm×dm的總和與m是偶數的Mm×dm的總和稍稍偏離，發生偏置。其中該微小偏移量的上限由磁化飽和×膜厚表示，最好是2nmT以下。
把固定磁性層從中間層一側交互疊層了2n層的磁性體層與(2n-1)層的非磁性體層的磁阻元件作為元件A，把固定磁性層從中間層一側交互疊層了(2n+1)層的磁性體層與2n層的非磁性體層的磁阻元件作為元件B(n＝1，2，3，…)，可以把1對或者2對以上的元件組合使用，使得上述元件A以及上述元件B的自由磁性層對于相同的外部磁場進行應答，而且把上述元件A以及上述元件B的相互的輸出進行加法或者減法運算。這里，構成各個固定磁性層的磁性體層之間最好通過反強磁性耦合或者靜磁耦合使得相互的磁化方向反平行。
如果依據該結構，則元件A與元件B的極性相同(夾持中間層的磁性體層之間的磁化方向平行時阻值低(或者高)，或者磁化方向相互反平行時阻值高(或者低))時，對于來自同一方向的外部磁場，元件A取得最大阻值的狀態與元件B取得最大阻值時的外部磁場的朝向相互不同。用作為器件時，除去磁阻元件的阻值以外，由于還加入周邊的電路阻值，因此不能夠充分得到S/N，而如上述那樣，把A、B兩個元件組合，能夠抵消基本阻值(電路的阻值+元件的低阻時的阻值)，能夠得到高S/N。
如果把構成自由磁性層內的非磁性體，或者構成固定磁性層內的非磁性體層的至少一部分取為從氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物選擇出的至少一種化合物，則耐熱性將提高。這是由于這些化合物比與磁性體層相互擴散時的能量值，作為化合物狀態的能量值更穩定。其中，非磁性體層作為總體最好是導電體，是充分低的阻值。
作為非磁性體的一部分是上述化合物的形態之一，可以舉出非磁性體層是由從氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中選擇出的至少一個構成的至少1層非磁性體與至少1層非磁性金屬的多層膜。例如，能夠通過把上述的非磁性金屬X(X＝Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os)與從氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中選擇出的R(例如R＝SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，Cr2N，TiO，TiN，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C或者以上的混合物)做成兩層以上的多層膜，也將提高耐熱性。
如果使用包括從IVa～VIa，VIII(但是除去Fe，Co，Ni)以及Cu選擇出的至少一種的基底層，特別是固定層是磁性體層與非磁性體層的多層膜時，即使不使用IrMn，FeMn等反強磁性材料，在剛剛成膜以后，也將產生強反強磁性耦合。另外，由于不使用含有Mn的反強磁性材料，因此能夠抑制熱處理時由于Mn擴散引起的MR降低。
基底層與磁性體層連接，上述基底層與上述磁性體層如果是從fcc或fcp構造選擇出的至少一種晶體構造，或者每一種都是bcc構造，則將特別增強固定層內的磁性體層之間的反強磁性耦合。
反強磁性體層如果是從Mn，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au，Al選擇出的至少一種與Cr的合金，則能夠得到出色的耐熱性。其中，在合金中也可以在10at％以下的范圍包含有上述以外的元素。
特別是，反強磁性體層由組成式CrX100-MMeX(Me是從Re，Ru以及Rh中選擇出的至少一種)表示，如果是1≤X≤20的范圍，則可以得到出色的耐熱性。
另外，特別是反強磁性體層由組成式Mn100-XMeX(Me是從Pd以及Pt中選擇出的至少一種)表示，如果是40≤X≤55的范圍，則可以得到出色的耐熱性。這是考慮為與IrMn，FeMn相比較，由于貴金屬的含有量高的緣故。在該MnMe組成中，進而還可以在含有量為10at％以下的范圍含有Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au，Al等其它的元素。
進而，反強磁性體層形成在基底層上，如果上述基底層和上述反強磁性體層是從fcc，fct，fcp以及hct構造中選擇出的至少一種晶體構造，或者上述基底層和上述反相磁性體層都是bcc構造，則將提高耐熱性。這考慮為通過基底層促進反強磁性體的晶體生長，減少畸變，抑制構成反強磁性體的元素的擴散的緣故。
特別是，反強磁性體層用Mn100-XMeX(Me是從Pd以及Pt中選擇出的至少一種)表示，是40≤X≤55的范圍，如果基底層是NiFe或NiFeCr，則將提高反強磁性體層的結晶性。這種情況下可以看到在300℃以上的熱處理中耐熱性的顯著提高。
這考慮為減少由于結晶性的提高引起的畸變，進而，抑制熱處理時的晶粒生長的效果。
與反強磁性體連接的磁性體層如果是Co，則能夠特別抑制與反強磁性體的相互擴散。
上述元件中，也可以把與從反強磁性體層以及非磁性體層中選擇出的至少一方連接的磁性體層的至少一部分取為包含有從氧、氮以及碳中選擇出的至少一種元素的強磁性體。通過使用對于熱相對穩定的物質，能夠抑制基于熱處理時的層間擴散的惡化。該磁性體層可以是①金屬反強磁性體/含有氧、氮或者碳的強磁性體/金屬反強磁性體的3層構造，②含有氧、氮或者碳的強磁性體/金屬強磁性體的2層構造或者③磁性體層全部是含有氧或者氮的強磁性體。作為含有氧的反強磁性體，例如最好是從Fe3O4，MnZn鐵素體，NiZn鐵素體等的鐵素體材料為代表的尖晶石型氧化物，拓榴石型氧化物，MFeO3氧化物，TMO(從T＝Fe，Co以及Ni中選擇出的至少一種，從M＝Al，Si，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr以及Mg中選擇出的至少一種)等表示的氧化物強磁性體。作為含有氮的強磁性體，最好是TN，TMN(這里，T，M與上述相同)等的氮化物反強磁性體。另外作為含有碳的強磁性體，最好是TMC(這里，T，M與上述相同)等的碳化物強磁性體。
上述元件中，也可以把與從反強磁性體層以及非磁性體層中選擇出的至少一方連接的磁性體層的至少一部分取名為非晶型強磁性體。這是因為可以抑制熱處理時的層間擴散。作為非晶型材料，例如最好是Co(Fe)NbZr，Co(Fe)TaZr，CoFeB，Co(Fe)Ti，Co(Fe)Zr，Co(Fe)Nb，Co(Fe)MoBZr，Co(Fe)VZr，Co(Fe)MoSiZr，Co(Fe)MoZr，Co(Fe)MoVZr，或者Co(Fe)MnB等。
上述元件中，如果把固定磁性層的膜厚記為df，反強磁性體的厚度記為da，則最好是取2nm≤df≤50nm5nm≤da≤100nm
0.1≤df/da≤5的范圍。如果固定磁性層的厚度比2nm薄，則有時通過反強磁性材料的擴散將引起固定層的磁惡化。另外如果比50nm厚，則有時將加大基于微細形狀的膜面內的反磁場，產生磁疇的紊亂，或者不能夠得到基于反強磁性材料的充分的固定磁場。如果反強磁性體的厚度比5nm薄，則有時不能夠得到充分的固定磁場。如果比100nm厚，則有時通過層間擴散將促進固定層的磁惡化。特別是在350℃以上的熱處理以后，MR的惡化減少的理想的df與da的比是0.1≤df/da≤5。如果比0.1小，則易于引起層間擴散，另外如果比5大，則將易于減弱基于反強磁性體的固定磁場，或者由于反磁場加大磁疇的紊亂。
上述元件形成在下部電極上，可以把上述下部電極做成金屬多層膜。在元件中流過電流的下部電極為了抑制基于形狀效果的特性分散性，需要較厚地形成為數十nm左右到數百nm左右。由此根據熱處理溫度不能夠忽視晶粒生長，將特別地產生分散性。為了抑制晶粒生長通過把下部電極取為不同材料的多層構造能夠提高耐熱性。
作為金屬多層膜，最好是從Ag，Au，Al中選擇出的至少一種為主成分(50wt％以上)的高導電性金屬層與由①從IVa～VIa(Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mn，Mo)以及VIII(Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Re，Os，Ir)中選擇出的至少一種成分為主成分的金屬以及②從導電性氧化物，導電性氮化物以及導電性碳化物中選擇出的材料的某一種構成的晶粒生長抑制層的多層膜。作為高導電性金屬層的厚度，最好是數nm～100nm左右，而最為作為晶粒生長抑制層最好是數nm～數nm左右，在本說明書中所謂主成分指的是占50wt％以上的成分。
如果把中間層做成包含從氧、氮、碳以及硼中選擇出的至少一種元素的絕緣體或者半導體，則構成利用了隧道磁阻效應的垂直電流型磁阻元件。作為理想的中間層的材料，可以舉出例如SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C，DLC(鉆石類碳)，C60，或者上述化合物的混合物。
另一方面，如果把從中間層做成從遷移金屬中選擇出的至少一種構成的金屬，或者遷移金屬與從氧、氮以及碳中選擇出的至少一種導電性化合物材料，就可以制做具有低矯頑磁力以及高耐熱性的利用了CPP-GMR效果的垂直電流型磁阻元件。在該CPP-GMR元件中，元件面積最好是0.01μm2以下。
元件面積在0.01μm2以下，則能夠謀求提高元件阻值，同時能夠通過上述磁阻元件解決微細化產生的抗磁力惡化，耐熱性惡化的課題。
作為中間層，即使是遷移金屬，最好也是特別地從V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re以及Os中選擇出的一種。通過使用這些元素在不失去導電性的程度上的氧化、氮化或者碳化了的導電性化合物，或者上述遷移金屬X與從氧化物、氮化物、碳化物、硼化物中選擇出的R(R＝SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，Cr2N，TiO，TiN，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C，或者以上的混合物)等的XR混合物，或者X/R那樣2層以上的多層膜能夠提高元件阻值以及提高耐熱性。
如果把夾持中間層的磁性層的至少一方的至少一部分做成含有氧、氮或者碳的強磁性體，或者非晶型強磁性體，則能夠提高基于CPP-GMR的效果的垂直電流型磁阻元件的元件阻值。作為含有氧的反強磁性體，例如最好是以Fe3O4，MnZn鐵素體，NiZn鐵素體的鐵素體材料為代表的尖晶石型氧化物，拓榴石型氧化物，或者MFeO3型氧化物等，或者TMO(T＝Fe，Co，Ni；M＝Al，Si，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mg)等的氧化物強磁性體。作為含氮的強磁性體，最好是TN，TMN(這里，T，M與上述相同)等的氮化物強磁性體。另外作為含有碳的強磁性體，最好是TMC(這里，T，M與上述相同)等。作為非晶型材料，最好是例如Co(Fe)NbZr，Co(Fe)TaZr，CoFeB，Co(Fe)Ti，Co(Fe)Zr，Co(Fe)Nb，Co(Fe)MoBZr，Co(Fe)VZr，Co(Fe)MoSiZr，Co(Fe)MoZr，Co(Fe)MoVZr，Co(Fe)MnB等。
如果把垂直電流型磁阻元件的自由磁性層作為磁存儲器層，則能夠用作為具有高S/N，低功耗的存儲器元件。
另外垂直電流型磁阻元件還可以具備磁通導向體，特別是通過把自由磁性層的至少一部分用作為磁通導向體，能夠減少巴克好森噪聲，用作為高S/N的磁再生元件。
如果把自由磁性的元件形狀的最長寬度記為a，最短寬度記為b，則通過a/b為5＜a/b＜10以下，能夠制做存儲穩定性高的磁阻元件，或者再生靈敏度高的磁阻元件。
另外，在把垂直電流型磁阻元件進行300℃～450℃的熱處理后，實施200℃～400℃的磁場中熱處理，則能夠得到出色的MR特性。這里，300℃～450℃的熱處理也可以是氫燒結或者鈍化膜的形成等的所謂的過程熱處理。在尼耳溫度或者閉塞溫度附近的熱處理以后，通過實施磁場中熱處理，特別地同樣決定反強磁性體的磁場方向。
特別是在使用了反強磁性體的元件中，通過實施300℃～450℃的磁場中熱處理，能夠進一步得到強固定磁場。
在把本發明的垂直電流型磁阻元件與半導體器件等混合搭載的情況下，例如在形成了CMOS等半導體元件和伸出電極的基板形成了至少由1層反強磁性體層、固定磁性層、中間層以及自由磁性層構成的多層膜以后，在200℃～50℃的溫度下進行磁場中熱處理，在反強磁性體、自由磁性層等中進行單軸各向異性形成工藝。
該工藝最好是反磁場的影響最少，并且在磁性多層膜的微細化之前進行。在進行元件微細加工，電極布線等過程中，進而在還原電極等的氧化物，使布線阻抗為低阻抗的目的下，可以在300℃～450℃的還原氣氛中，例如含有氫的氣氛中，進行熱處理。在還原氣氛中的熱處理以后進而在磁場中進行熱處理，將有效提高元件特性，而如果考慮電極等的氧化，則預先實施磁場中熱處理的過程在工業方面是有用的。作為反強磁性材料，特別地最好是PtMn，PtPdMn。
另外，也可以做成搭載多個垂直電流型磁阻元件，而且把基于電磁波的通信信息保存在上述垂直電流型磁阻元件的自由磁性層中的便攜裝置。該裝置中，除去MRAM的非易失性而且高速的特征以外，還由于實現低矯頑磁力低功耗，因此在便攜裝置中，能夠用作為圖像、聲音等的大容量，高速寫入、讀出所需要的存儲器。
另外，也可以做成具有至少順序地形成了第1固定磁性層，第1中間層，第1自由磁性層，非磁性導電層，第2自由磁性層，第2中間層、第2固定磁性層的結構，而且上述第1自由磁性層或者上述第2自由磁性層中至少一方具有交互疊層了磁性體層和非磁性體層的結構的磁阻元件。
通過非磁性導電層，把第1固定磁性層，第1中間層，第1自由磁性層以及第2自由磁性層，第2中間層，第2固定磁性層電串聯連接，例如在中間層是使用隧道效果的絕緣體的情況下，能夠減輕同一偏置中的磁阻的惡化程度。另外，例如，在中間層是使用CPP-GMR效果的導電體時，通過串聯連接，能夠提高元件阻值。2個自由磁性層通過位于2個中間層所夾的區域中，能夠抑制由于外部磁場的分布引起的磁化旋轉的分散性。自由磁性層中，至少一層通過具有交互疊層了磁性體層和非磁性體層的結構，能夠減輕微細化引起的反磁場。
另外，也可以做成經過非磁性導線層鄰接的磁性體層的磁化方向相互反平行的磁阻元件。經過非磁性體鄰接的磁性體層的磁化方向是相互平行時，經過非磁性導電層，由于相鄰的磁化的靜磁能量高，因此將產生對與外部磁場的非對稱性。為此，即使2個自由磁性層存在于中間層相同的區域一側，其結果仍然使對于外部磁場的磁阻變化的響應性惡化。通過相互成為反平行狀態，能夠把靜磁能量的增長減小到最小，能夠提高微細化時的元件驅動穩定性。
另外，也可以做成非磁性導電層的厚度是2.6nm-50nm的磁阻元件。如果非磁性導電層厚度比2.6nm薄，則由于反強磁性交換耦合或者強磁性交換耦合增強因此不理想。如果比50nm厚，則不能夠忽視外部磁場分布的影響，2個自由磁性層感應的磁場的大小不同。作為在非磁性導電層中使用的材料，雖然沒有特別的限制，可以是電阻率1000Ωcm以下。例如，可以是Cu，Al，TiN，TiWN，CuAl，CuAlTi，Ag，Au，Pt等作為通常導電性電極材料使用的非磁性體。
另外，在由4層固定磁性層，2層自由磁性層，四層中間層構成的磁阻元件中，可以做成自由磁性層的至少一方是交互疊層了磁性體層和非磁性體層結構的磁阻元件。
上述結構的代表例是第1反強磁性體層/第1固定磁性層/第1中間層/第1自由磁性層/第2中間層/第2固定磁性/第2反強磁性體層/第3固定磁性層/第3中間層的/第2自由磁性層/第4中間層/第4固定磁性層/第3反強磁性體層。固定磁性層在由具有高矯頑磁力的磁性體構成的情況下，或者由疊層鐵構成的情況下，不一定需要反強磁性體。通過采用上述結構，能夠把具有4層中間層的TMR元件或者CPP-GMR元件的總體厚度減少到最小，因此能夠實現具有4層中間層的器件的小型化。進而，在TMR元件中，能夠顯著地改善偏置的依賴性。在CPP-GMR元件中，能夠實行高阻化。自由磁性層通過把磁性體層和非磁性體層多層化，能夠抑制反磁場引起的特性惡化。固定磁性層通過把磁性體層與非磁性體層多層化，能夠改善自由磁性層的磁非對稱。
另外，可以做成至少具有疊層了固定磁性層，中間層，自由磁性層的結構，上述自由磁性層與緩沖層連接，在上述緩沖器與上述緩沖層鄰接的磁性體組成中，包含10wt％～50wt％的非磁性元件，而且飽和磁化為0.2T以下的組成的磁阻元件。自由磁性層由于抑制反磁場、因此在薄膜化到2nm以下時，由于薄膜化引起的結晶構造的紊亂或者制做時的界面反應等磁特性將惡化。作為與自由磁性層連接的緩沖層，通過使用在構成自由磁性層的磁性體成分中加入了非磁性元件的材料，例如在把緩沖層用作為自由磁性層的基底時具有自由磁性層的結晶性提高或者在自由磁性層的上部使用時具有抑制由界面反應引起的磁惡化的效果。自由磁性層既可以是單層，另外也可以是把磁性體層與非磁性體層多層膜化的多層。在后者的情況下，緩沖層最好與磁性體層連接。
為了抑制反磁場緩沖層的飽和磁化最好是0.2T以下。另外從緩沖層的結晶構造維持以及飽和磁化的抑制出發，加入到磁性體成分中的非磁性元素最好是10wt％-50wt％。
另外，可以做成包含在緩沖層中的非磁性元件中，包含有至少從Cr，Mo以及W中選擇出的一種的磁阻元件。這些材料例如通過與Fe，Ni，Co，FeNi，FeCo，CoFeNi合金，在自由磁性層的薄膜化中顯示出出色的效果。另外，在這些材料中，特別是最好把磁性體層做成NiFe的NiFeCr，最好是(NiFe)61Cr39的組成附近。
另外，還可以做成自由磁性層至少由1層非磁性體層和把上述非磁性體層夾持在中間的磁性體層構成，上述磁性體層的膜厚的總計至少是4nm的磁阻元件。通過把自由磁性層采用磁性體層與非磁性體層的多層構造，能夠抑制伴隨著元件等微細化的抗磁力的增長。例如在把自由磁性層用作為存儲器時，例如使用電流發生磁場進行存儲器反轉時，具有降低功耗的優點。但是，另一方面，在用KuV/kBT(Ku是單軸各向異性能量，V是體積，kBT是玻爾茲曼常數以及絕對溫度)所表示的熱穩定性指標中，由于減小Ku(抗磁力＝2Ku/M；M是磁化)，存儲器的熱穩定性強惡化。但是，通過加大包含在多層膜化時的存儲器(自由磁性層)內的磁性體層的體積V，能夠提高熱穩定性。磁性體層的全部膜厚最好是4nm，更好的是8nm以上。
本發明的磁阻元件的最單純的基本結構可以是在把中間層夾持在中間的至少2層磁性層之間通過中間層流過電流的形狀。在最單純的結構中，在絕緣基板或者導電基板上使用氣相成膜法形成下部電極/(基底層或者反強磁性層)/固定磁性層/中間層/自由磁性層。也可以形成下部電極(基底層)/自由磁性層/中間層/固定磁性層(反強磁性體層)。在把該多層膜加工成臺面型，在用層間絕緣體覆蓋了側面以后，形成上部電極，在下部電極與上部電極之間流過電流，讀出對應于磁性層之間的磁化相對角的變化的電壓變化。
形成各個磁性體，反強磁性體，層間絕緣層，電極，中間層等的氣相成膜法是使戶離子束沉積(IBD)，簇型離子束，RF，DC，ECR，螺旋形極化天線(ハリユニ)，ICP，相對陰極等的濺射法，MBE，離子噴鍍法等通常在薄膜形成中使用的PVD制做。在層間絕緣層或者中間層的制做中也可以使用CVT。進而，各個層是氧化物，氮化物，碳化物，硼化物等的情況下，也可以使用化學束外延附生法，氣源MBE，反應性蒸鍍，反應性濺射制做。用氣相成膜法形成以后，通過控制適當的分壓，反應溫度、時間等，使反應元素的原子，分子，離子(等離子)，基反應后進行制做。在等離子或者基的制做中，能夠通過ECR放電，輝光放電，RF放電，螺旋形極化天線或者ICP等發生。
另外，本發明的磁阻元件的臺面型加工能夠使用在通常的微細加工過程中使用的離子磨碎，RIE，EB，FIB等物理的或化學的刻蝕法，使用了根據需要的線寬的光刻技術進行制做。另外，為了下部電極的平坦化，通過使用CMP法，簇型離子束刻蝕法等也能夠有效地提高MR。
附圖簡述

圖1是本發明的垂直電流型磁阻元件的剖面圖。
圖2示出實施例1的樣品①的曲線。
圖3示出實施例1的樣品②的曲線。
圖4示出實施例1的樣品③的曲線。
圖5示出對于自由磁性層內的外部磁場的磁化響應。
圖6示出元件寬度與抗磁力的關系。
圖7是本發明的垂直電流型磁阻元件的剖面圖。
圖8是本發明的垂直電流型磁阻元件的剖面圖。
圖9是使用了本發明的磁通導向體的磁傳感器的剖面圖。
圖10是使用了本發明的磁通導向體的磁傳感器的動作原理圖。
圖11示出MR的熱處理特性。
圖12(A)示出使用了本發明的垂直電流型磁阻元件的存儲器，圖(B)使用寬度a，b示出自由磁性層的元件形狀。
圖13是使用了本發明的磁通導向體的磁傳感器的剖面圖。
圖14示出改變了自由磁性層的膜厚結構的MR曲線。
圖15是本發明的非破壞讀出磁阻元件的動作原理圖。
圖16是本發明的非破壞讀出磁阻元件的動作原理圖。
圖17示出本發明的非破壞讀出存儲器的結構。
實施例實施例1使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的MR元件。圖1示出該元件的主要的層。
(樣品1)Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(8)/Ta(3)(樣品2)Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)(樣品3)Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(5)/Ru(0.7)/NiFe(3)/Ta(3)(括號內是膜厚，單位是nm；膜結構從基板一側開始表示；以下相同)這里Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)是基板104上的下部電極兼基底層103，PtMn是反強磁性體，CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)是固定磁性層107，Al2O3是中間層106，其余的是自由磁性層105(最表面Ta(3)是保護膜)。
熱處理條件是在240℃下在5kOe磁場中進行1.5小時。使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積體成為2～10μm的方形。在形成了層間絕緣膜以后，形成上部電極101做成垂直電流型磁阻元件。如圖所示，自由磁性層的電流流過的面積作成為與中間層中電流流過的元件面積相比較稍小的大小。通過四端子法在室溫下測定加工了的元件的MR。圖2～圖4中示出樣品1～3的MR曲線例(5×5μm2)。RA(歸一化接合電阻)每一個都是60～70Ωμm2左右。在樣品1、樣品2中，示出通常的電子管型的MR曲線，分別是24％以及30％左右。另一方面，在樣品3中MR是25％左右，在400Oe附近可以看到特征的MR值的彎曲。這考慮為在樣品3中作為磁性體層的NiFe之間隨著外部磁場加大，自旋雙穩化，該變化觀測為磁阻的變化的緣故。即，如果在圖5中模式的示出的自由磁性層內的對于外部磁場的磁化響應那樣，在樣品1、樣品2中，隨著外部磁場增強，自由磁性層的磁化方向接近于與外部磁場方向相同的方向。另一方面，在樣品3中，膜厚厚的磁性體層(中間層一側記磁性體層)由于對于外部磁場一起朝向相同方向，因此MR成為最大(在本實施例中夾持中間層的上下的磁化方向反平行)，是400Oe左右，這考慮是由于夾持自由磁性層的非磁性體層的上下的磁性層暫時進行自旋雙穩(圖5，a)，因此夾持中間層的磁化的反平行狀態崩潰，MR降低的緣故。然后，為了把構成自由磁性層的磁性體層的每一個對于外部磁場都成為相同，再次開始增大MR。
其次，從這些樣品中的50Oe的曲線的形狀，觀察到在樣品1中抗磁力大，而且矩形形狀差。在樣品2中抗磁力最小，而且形狀也比較好。另外在樣品3中矩形形狀最好，但是抗磁力比較大。
圖6示出各個樣品對于元件寬度的抗磁力的變化。在樣品1中隨著元件尺寸成為微細，可以見到考慮為起因于反磁場的抗磁力的增大。另外在樣品3中，與樣品1相比較對于元件寬度的減少的抗磁力的增長平緩，在2×2μm2的元件中可以看到比樣品1下降的傾向。這考慮是通過在磁性體層中采用與設置了膜厚差的非磁性體層的多層構造，使得實質上受反磁場影響的磁性層的膜厚成為2nm左右的緣故。另一方面，在樣品2中，幾乎看不到對于元件寬度的抗磁力增大。這考慮為來自夾持作為非磁性體層的Ta層的，具有相同膜厚的2層的NiFe的漏磁場通過靜磁耦合抑制了反磁場的結果。
在樣品2中，改變作為被NiFe夾持的非磁性體層Ta的厚度，了解抗磁力的變化。元件尺寸取為2×2μm2。其結果，在厚度為2.6～10nm的范圍中可以得到比樣品1低的抗磁力。作為非磁性磁性體層，除去Ta以外，對于Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Al，SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，Cr2N，TiO，TiN，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C等調查的結果，非磁性的金屬，氧化物，氮化物，碳化物等每一種都具有與Ta相同的效果。
其次，對于樣品2，把元件尺寸取為2×2μm2，調查了夾持Ta的2層的NiFe厚度。首先，把2層的厚度取為相同，使厚度改變的結果，可以確認在1nm～100nm內抗磁力減少。在該膜厚的范圍內，制做成使得夾持Ta層的2層的NiFe的厚度不同的結果，與相同膜厚時相比較可以看到抗磁力增加的傾向。進而對于自由磁性層樣品aNiFe(X)/Ta(3)/NiFe(Y)/Ta(3)/NiFe(Z)樣品bNiFe(X)/Ta(3)/CoFe(Y)/Ta(3)/NiFe(Z)樣品cNiFe(X)/Ta(3)/NiFe(Y)/Ta(3)/CoFe(Z)通過使X，Y，Z進行各種變化，調查該磁性體層的膜厚差的關系。其結果，在樣品a中，在X+Y+Z的厚度一定的條件下，在X+Z＝Y的條件下可以得到低抗磁力，進而在X＝Z時幾乎得到最小值。另外在樣品b中，在X+Y+Z的厚度一定的條件下，如果把NiFe的飽和磁化記為Ms1，把CoFe的飽和磁化記為Ms2，則在Ms1×(X+Z)＝Ms2×Y的條件下可以得到低抗磁力，最小值是x＝Z的時候。進而在樣品c中，在Ms1×X+Ms2×Z＝Ms1×Y時得到低抗磁力。從以上可知，在把構成自由磁性層的磁性體層的內部，從中間層一側配置為第m(m＝1，2，……)個的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm與上述平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則m是奇數的Mm×dm的總和與偶數時的Mm×dm的總和實質上相同時可以做成得到低抗磁力的磁阻元件。
另外，對于樣品3，作為被NiFe夾持的非磁性體層，使用V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Re，Ru，Os，Rh，Ir，Cu，Ag或者Au調查了抗磁力的變化。元件尺寸是2×2μm2。與樣品3相同，抗磁力的值比樣品1小的非磁性體層厚度在V下是0.9nm，在Nb下是0.95nm，在Ta下是0.7nm，在Cr下是0.7nm，在Mo下是0.52nm，在W下是0.55nm，在Re下是0.42nm，在Ru下是0.8nm，在Ir下是0.4nm，在Cu下是0.8nm等，在比大約1nm小的區域中示出了最小值。另外，隨著非磁性體層厚度的增加，每一個一旦抗磁力達到與樣品1相等則增大，在V下是1.8nm，在Cr下是2.5nm，在Re下是1.5nm，在Cu下是2.1nm等，能夠確認再次減少到1.5～2.6nm。另外，由于把每一個非磁性體層厚度從成膜速度換算，因此與實際的膜厚存在多少誤差。另外，在2.6nm以上可以確認抗磁力減少，但是與樣品2相同，不能夠觀測到自旋雙穩。本實施例的非磁性體層除去單元素以外，也可以是從這些元素中選出的合金，或者把這些元素的一部分與氮、氧等發生反應的混合物。
其次，在樣品3以及樣品1是相同結構，把元件尺寸做成2×2μm2垂直電流型磁阻元件中，把自由磁性層的結構取為樣品dNiFe(2×X)樣品eNiFe(5/4×X)/Ru(0.7)/NiFe(3/4×X)(括號內的公式是NiFe的厚度，單位是nm)通過改變X調查磁性體層的膜厚依賴性，其結果，在0.5nm～100nm內，在樣品b的結構中可以確認抗磁力減少。對于100nm以上由于難以進行元件加工因此沒有進行測定，但是認為能夠期待同樣的效果。
在該膜厚的范圍內，制做成使得夾持Ru層的2層的NiFe厚度相同的結果，與不同膜厚時相比較MR減少。進而，把自由磁性層做成樣品NiFe(X)/Ru(0.7)/NiFe(Y)/Ru(0.7)/NiFe(Z)樣品NiFe(X)/Ru(0.7)/CoFe(Y)/Ru(0.7)/NiFe(Z)樣品NiFe(X)/Ru(0.7)/NiFe(Y)/Ru(0.7)/CoFe(Z)通過使X，Y，Z進行種種變化，調查該磁性體層的膜厚差的關系。其結果，在樣品下，在X+Y+Z的厚度一定的條件下，在X+Z＝Y的條件下MR小，進而在X＝Z時幾乎成為最小值。另外在樣品g中，在X+Y+Z的厚度一定的條件下，如果把NiFe的飽和磁化記為Ms1，把CoFe的飽和磁化記為Ms2，則在Ms1×(X+Z)＝Ms2×Y的條件MR小，最小值是X＝Z時。進而在樣品h中，在Ms1×X+Ms2×Z＝Ms1×Y時MR成為最小值。
通過以上可知，如果把構成自由磁性層的磁性體層內，從中間層一側配置在第m(m＝1，2，……)個的磁性體層作為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm與平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則m是視奇數時的Mm×dm的總和與m是偶數時的Mm×dm的總和不同的垂直電流型磁阻元件中可以做成具有高MR的磁阻元件。
以上，作為自由磁性層的磁性體層以及固定磁性層的中間層附近的磁性體層，使用了NiFe或者CoFe，而使用上述例示的磁性材料也能夠得到同樣的效果。
實施例2使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(32)/Al2O3(X)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/(CoFe(4)/Ta(3)/CoFe(4))*4/Al2O3(X)/Fe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/(CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(5))*4/Al2O3(X)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)這里，所謂*4意味反復4次制做(CoFe(4)/Ta(3)/CoFe(4))層。
使用光刻法，把多層膜微細加工成臺面型，使得各個元件面積成為2×5，10×25，20×50，40×100μm2，形成層間絕緣體膜后，形成上部電極，做成具有圖7以及圖8所示剖面的垂直電流型磁阻元件。這些元件中與圖1不同，在基板一側配置著自由磁性層105。另外，作為樣品1～3的中間層的Al2O3膜厚在各個元件面積中，調整膜厚使得測定值成為100μm左右。微細加工以后，在300℃，5kOe的磁場中進行1.5小時熱處理。
在微細加工成圖7形狀的樣品1～3中，比較各個的抗磁力與MR的結果。其結果示于(表1)。在元件面積為2×5～20×50μm2大小的樣品中，樣品2，3分別比樣品1示出低抗磁力和高MR。另一方面，在元件面積是40×100μm2時，樣品2，樣品3雖然MR都高，但是樣品3的抗磁力比樣品2上升。表1
另外，把相同的樣品微細加工成圖8的形狀，把自由磁性層的面積做成比元件面積大的結果，MR分別上升1～2％，改善了滯后形狀矩形。
實施例3使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.5)/CoFe(d1)/Ru(0.7)/NiFe(d2)/Ta(3)使用光刻法，把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2μm的方形，形成層間絕緣膜以后，形成上部電極，制做了具有圖1所示的剖面的垂直電流型磁阻元件。熱處理條件在260℃，5kOe的磁場中進行1.5小時。在±200Oe外加磁場中把所制做的元件測定MR，了解在比較小的外部磁場中MR的變化。結果示于(表2)。另外，這里，CoFe的飽和磁化M1是2.15T，NiFe的飽和磁化M2是1T，在該組成中，CoFe是更高自旋極化率。表中Nm是根據d22＝(M2×d2-M1×d1)/M2計算出相應于外部磁場的實效膜厚d22，求出了外加磁場方向中的膜面內的反磁場系數的值。S是M1×d1-M2×d2的絕對值。表2
從(表2)可知，(M1×d1+M2×d2)/S的值比1大比20小，而且在Nm比0.02小的區域中能夠得到高MR。這考慮為在Nm大時，產生磁疇紊亂，MR減少，另外，在(M1×d1+M2×d2)/S大時，由于強烈地受到反強磁性耦合的影響，抗磁力增大，難以進行旋轉磁化。
另外，在本實施例中，作為軟磁性材料，把Ni81Fe19作為高自旋極化率材料，分別使用FeCo，而使用上述例示的材料也能夠得到同樣的效果。
實施例4制做了圖9所示的磁通導向體型的傳感器。
在用鍍NiFe構成的下部屏蔽層201上作為基底層兼磁分離層202成膜了Ta，作為固定磁性層207成膜了PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)，作為中間層206成膜了Al2O3，作為第1磁性體層205成膜了CoFe(1)/NiFe(4)，作為保護層成膜了Ta(2)以后，實施微細加工做成臺面型，形成層間絕緣膜203以后，用ECR去除Ta，接著形成了用作為第2磁性體層NiFe構成的磁通導向體210以后，形成作為非磁性體層/第3磁性體層215的Ru(0.7)/CoFe(2)，作為中間層216的Al2O3，作為固定磁性層217的CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(20)和保護層以后，進行臺面加工使得殘留磁通導向體后，形成層間絕緣膜213，設置磁分離層212和上部屏蔽層211。
另外，多層膜的結構成為以下那樣的結構。
下部屏蔽層201/磁分離層202/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.7)/CoFe(1)/NiFe(4)/NiFe(10)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(1.7)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(20)/磁分離層212/上部屏蔽層211。
其次，把該傳感器在260℃的磁場中進行熱處理，使固定磁性層207和固定磁性層217的磁化固定在相同方向。磁性體層205與磁性體210進行強磁性耦合，另外磁性體210與磁性體215進行反強磁性耦合。從而在通過磁通導向體插入的外部磁場中，夾持非磁性層的磁性體層的磁化方向分別示出不同的極性。從上部電極(上部屏蔽層)向下部電極(下部屏蔽層)流過電流，把下部電極(下部屏蔽層)與磁通導向體的電位取為V1，把大磁通導向體與上部電極間的電位取為V2，如圖10那樣獲得各個電位的差，得到S/N高的傳感器輸出。這里，β是放大率。
另外，除去本實施例以外，即使在把自由磁性層作為存儲器的MRAM中，也能夠得到高S/N。
實施例5使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/(CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3))/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)/O(6)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/(CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3))*10/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(6)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/(CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(3))*10/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(6)/Ta(3)。
這里，(CoFe(Y)/Ru(0.7)/CoFe(Y))*10意味反復10次制做。另外，使用CoFe的飽和磁化是2T，NiFe是1T的材料。
使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2×5，10×25，20×50，40×100μm2，形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。另外，作為樣品1～3的中間層的Al2O3膜厚在各個元件面積中，調整膜厚使得測定值成為100Ω左右。在微細加工后，在330℃，5kOe的磁場中進行1.5小時熱處理。
在5000e下測定各個MR的結果示于(表3)。
表3
在樣品1以及2中，即使沒有反強磁性體也示出了電子管型元件的MR，與此相對，在樣品3中示出了矯頑磁力差型的MR特性。在元件面積是40×100μm2大小的樣品中，樣品1～3中MR的降低度增大。這考慮為元件面積增大，在超過了1000μm2時，固定磁性層內的磁疇的多軸化顯著。另外在任一種元件形狀中，樣品1或2示出高MR。樣品3中MR的降低考慮為是從作為固定磁性層的(CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(3))*10層中產生漏磁場，在作為自由磁性層的磁疇中產生紊亂，MR降低的緣故。另外，與樣品1相比較，樣品2的MR高，考慮為由于非磁性體層與磁性體層的層數更多，因此作為穩定的固定磁性層發生作用。
這樣，如果在把構成固定磁性層的磁性體層內，從中間層一側配置在第m(m＝1，2，……)個的磁性體層作為磁性體層m，把上述磁性體層m的平均飽和磁化Mm與平均膜厚dm的積記為Mm×dm，則可知通過m是奇數的Mm×dm的總和與是偶數的Mm×dm的總和實質上相等，能夠實現高MR。
另外，對于樣品2，作為被CoFe夾持的非磁性體層，對V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Re，Ru，Os，Rh，Ir，Cu，Ag或Au調查了MR的變化。熱處理溫度取為200～450℃。元件尺寸取為2×2μm2。與樣品2相同，可以得到高MR的非磁性體層厚度是0.3nm～2.6nm的范圍。另外，伴隨著熱處理溫度升高，特別是在0.6nm以下膜厚尺寸的樣品中，MR的降低顯著。作為非磁性體層，即使是上述金屬元素的合金或者以50wt％以上包含這些金屬元素的合金或者化合物，可以確認也具有相同的效果。
另外，作為磁性體層的厚度是0.3nm～10nm時，能夠實現高MR。
實施例6使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Al2O3(0.25)/CoFe(3)/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.35)/Al2O3(0.25)/Ru(0.35)/CoFe(3)/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/RuAlO(0.8)/Ru(0.35)/CoFe(3)/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)這里，使用CoFe的飽和磁化是2.2T，NiFe是1T的材料。
使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2×2μm2，形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做了具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。另外，作為樣品1～4的中間層的Al2O3的膜厚在各個元件面積中做成RA成為100Ωμm2左右。
微細加工后，在300℃以及400℃中，在5kOe的磁場中進行了1.5小時熱處理。
在500Oe下測定了各個MR的結果示于(表4)。表4
如(表4)所示，在作為固定磁性層的非磁性體層使用了Ru的樣品1中，雖然在300℃的熱處理中示出了最高的MR，但是在400℃的熱處理后MR的降低最大。這考慮為由于與其它的樣品相比較，固定磁場的惡化最大，因此CoFe磁性體層與Ru的層構造由于熱處理而紊亂，或者引起相互擴散的緣故。在其它的樣品中，在400℃的熱處理后固定磁場也很強。樣品2～4中的400℃下的MR的降低考慮為包括作為本實施例樣品中的中間層的Al2O3的氧化條件不充分的原因。
另外，從其它的試驗出發，作為非磁性體層，通過把從金屬X(X＝Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os)和氧化物，氮化物，碳化物，硼化物中選擇出的R(R＝SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，Cr2N，TiO，TiN，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C，或者以上的混合物)多層化為2層以上或者采用金屬X與氧化物R的混合物，也發現了耐熱性的提高。
實施例7使用磁控管濺射法在單軸磁場中在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/X(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Fe3O4(0.25)/Al2O3(X)/Fe3O4(0.25)/NiFe(4)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/X(3)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/Fe3O4(0.25)/Al2O3(X)/Fe3O4(0.25)/NiFe(4)/Ta(3)這里，X選擇Hf(bcc)，Nb(bcc)，Ta(bcc)，Ru(hcp)，Pt(fcc)，Cu(fcc)，CoFe選擇成為bcc構造的組成。
使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2×2μm2，形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做了具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。另外，作為樣品1、2中的中間層的Al2O3的膜厚X使得在各個元件面積中，RA成為100Ωμm2左右。測定了剛成膜后的MR的結果示于(表5)。
表5
其它試驗的結果，在固定磁性層是磁性體層與非磁性體層的多層膜的情況下，作為基底層，通過選擇從IVa～VIa，VIII以及Cu中選擇出的至少一種元素，可知即使不使用反強磁性體材料，也具有剛剛成膜后，產生強反強磁性耦合的作用。另外，使用了這些基底的MR與使用FeMn的反強磁性體相比較，可以確認直到高溫下MR的惡化很少。特別是，該基底層和與該基底層連接的磁性體層是從fcc或者fcp構造中選擇出的至少一種晶體構造或者每一種都是bcc構造，由此特別加強固定層內的磁性體層之間的反強磁性耦合，具有得到高MR的作用。另外，把這些樣品與代替基底層使用了FeMn或者IrMn的樣品在300～450℃的磁場中熱處理后的MR比較的結果，使用了本實施例的基底是垂直磁阻效應元件顯示出高MR。
實施例8使用磁控管濺射法在單軸磁場中在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/X(30)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)這里，X是Cr基的反強磁性體材料或者Mn基的反強磁性材料。
使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2×2μm2，形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做了具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。在350℃的磁場中測定了熱處理后的MR的結果示于(表6)。
另外，關于分析了表中成分的部分也記為成分比。表6
*非理想的例子如(表6)所示，在反強磁性體層是從Mn，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au以及Al中選擇出的至少一種合金時，可以得到出色的耐熱性。從其它的實驗可知，即使以10％以下作為限度包含上述成分以外的添加元素也具有相同的效果。
實施例9使用磁控管濺射法在單軸磁場中在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/X(30)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(2)/X(30)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(2)/X(30)/Co(2)/CoFe(1)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)這里，X是Mn基的反強磁性材料。
使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2×2μm2，形成層間絕緣后，形成上部電極，制做了具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。在5kOe的磁場中以350℃的熱處理后的MR值的結果示于(表7)。
另外，有關分析了表中成分的部分也記為成分比。表7
*非理想的例子根據(表7)，在包含有Pt或Pd的反強磁性材料中，在特定的組成范圍內，即使在350℃的熱處理溫度中，也示出IrMn，FeMn以上的耐熱性。另外，對于這些實施例的樣品以VSM調查了磁化曲線的結果，在450℃的熱處理后，從350℃開始固定磁場進一步上升，幾乎沒有發現固定磁性層的飽和磁化的減少。另一方面，在使用了IrMn或者FeMn的元件中，在450℃的熱處理后固定磁性層的磁化飽和顯著減小，這考慮為是失去固定磁場，引起相互擴散的緣故。
作為樣品1的基底，在使用了NiFeCr的樣品2中，進一步提高耐熱性。同樣的效果在具有以Cu等為代表的fcc構造的基底層或者具有hcp，hct構造的基底層中也可以確認。X射線折射的分析結果，通過設置實施例那樣的基底，能夠增強反強磁性膜的(111)面取向。另外在上述的實施例8中記述的Cr基反強磁性膜中，基底層成為bcc構造時，能夠進一步提高耐熱性。
進而，如樣品3那樣通過在反強磁性體中設置Co層，可知將進一步提高耐熱性。這考慮為是Co與CoFe相比較難以引起相互擴散的緣故。
從以上可知，反強磁性體層以組成式Mn100-XMeX(Me是從Pd，Pt中選擇出的至少一種)表示，在40≤X≤55(原子量％)范圍時可以得到最佳的耐熱性。這可以考慮為與IrMn，FeMn相比較，由于貴金屬含有量多的緣故。從其它的實驗示出，在該組成中，進而以10at％為限度的含有量包含Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au，Al等也示出出色的耐熱性。
在基底層上形成反強磁性體層，當基底層和反強磁性體層是從fcc或者fcp構造選擇出的至少一種晶體構造或者基底層和反強磁性體層都是bcc構造時，將提高耐熱性。這考慮為反強磁性體層的結晶生長通過基底層促進，減少畸變，抑制構成反強磁性體的元素的擴散的緣故。
另外至少與反強磁性體連接的磁性體層是Co時，耐熱性特別高。
實施例10使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/X(0.5)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(1.5)/X(0.5)/CoFe(1.5)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)這里，X是構成固定磁性層一部分的強磁性體。
使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成2×2μm2，形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。測定了在350℃的磁場中熱處理后的MR值的結果示于(表8)。
另外，有關分析了表中成分的部分也記為成分比。表8
*非理想的例子從(表8)可知，至少反強磁性體層以及與非磁性體層的至少一方連接的磁性體層的至少一部分通過使用含有從氧、氮以及碳中選擇出的至少一種元素的強磁性體，將顯著地提高耐熱性。
這考慮為通過強磁性體層的至少一部分由氧化物、氮化物或者碳化物的比較熱穩定的物質構成，能夠抑制基于熱處理時的層間擴散的MR的惡化。該結構如本實施例那樣，磁性體層在其層內，可以是含有①金屬強磁性體/含氧、氮或者碳的強磁性體/金屬強磁性體這樣的3層構造，②含氧、氮或碳的強磁性體/金屬強磁性體這樣的2層構造，或者進而③磁性體層全部含有氧、氮或者碳的強磁性體。
作為含氧的強磁性體，除去本實施例的Fe3O4，MnZn鐵素體以外，即使是NiZn等鐵素體材料為代表的尖晶石氧化物，柘榴石型氧化物或者MFeO3型氧化物等也確認具有效果。另外，即使像本實施例的FeAlO那樣的TMO(T＝Fe，Co，Ni；M＝Al，Si，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mg)等氧化物強磁性體也確認具有同樣的效果。作為含氮的強磁性體，除去本實施例的FeTaN，FeHfN以外，使用TN，TMN(這里，T，M與上述相同)氮化物強磁性體，作為含碳的強磁性體，除去本實施例的以外，使用化物強磁性體，也確認了同樣的效果。
另外通過磁性體層的至少一部是非晶型強磁性體，能夠抑制熱處理時的層間擴散。作為非晶型材料雖然沒有特別的限制，但是Co(Fe)NbZr，Co(Fe)TaZr，CoFeB，Co(Fe)Ti，Co(Fe)Zr，Co(Fe)Nb，Co(Fe)MoBZr，Co(Fe)VZr，Co(Fe)MoSiZr，Co(Fe)MoZr，Co(Fe)MoVZr，或者Co(Fe)MnB等可以確認高耐熱性的效果。
實施例11通過磁控管濺射Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(da)/CoFe(df)/Al2O3(Y)/CoFe(1)/NiFe(5)/Ta(3)把df以及da進行種種變化制做了的各個多層膜用光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為2×2μm2，形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件磁阻元件。測定了在350℃的磁場中熱處理后的MR值的結果示于(表9)。另外Al2O3的膜厚Y取為100Ωμm左右的膜厚。表9(去除左邊一列)
*非理想的例子把各個微細加工前的樣品在260℃，350℃，400℃，450℃的磁場中熱處理以后，使用VSM調查了磁化曲線。總體上固定磁性層的厚度越厚，反強磁性體的厚度越薄，熱處理后的固定磁場越強，具有維持磁性體構造的傾向，如果反強磁性體過薄，則具有固定磁場減少的傾向。另外，如果磁性體層的厚度過薄，則可以看到固定磁場的減少。伴隨著熱處理溫度上升，雖然觀察到熱應力或者認為由中間層界面紊亂的抗磁力的增大，但是固定磁場本身逐漸增強，通過使用熱處理溫度350℃～400℃和高溫處理，明顯地具有反強磁性膜的固定磁場增大的效果。這一點在MR曲線中也被確認。
作為其一個例子，圖11中示出在260℃和400℃下進行的熱處理的MR曲線。
其中，樣品形狀是Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(300)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ta(3)雖然觀測到認為是由于圖中沒有把中間層最佳化，或者FeCo(3)/PtMn(30)的比例是0.1比較小而引起的擴散影響的MR的降低，但是在400℃的熱處理后，觀察到明顯的固定磁場的增大。另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為100Ωμm左右的膜厚。
在本實施例中，在最出色的樣品中，在450℃的熱處理后也可以得到15％以上的MR。由于MR值依賴于中間層的制造狀態，因此實質上在本實施例的范圍，即如果把固定磁性層的層厚度記為df，反強磁性體的厚度記為da，則已知可以在2nm≤df≤50nm，5nm≤da≤100nm，0.1≤df/da≤5的范圍內，得到出色的耐熱性。
另外在本實施例中作為反強磁性體使用了PtMn，而在其它的反強磁性體中能夠確認在350℃～450℃下可以得到熱穩定性的范圍幾乎相同。
實施例12使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(6)/Al2O3(1.8)/CoFe(1)/NiFe(5)/Ta(3)樣品2Ta(3)/(Cu(250)/Ta(3))*2/PtMn(20)/CoFe(6)/Al2O3(1.8)/CoFe(1)/NiFe(5)/Ta(3)樣品3Ta(3)/(Cu(50)/Ta(3))*10/PtMn(20)/CoFe(6)/Al2O3(1.8)/CoFe(1)/NiFe(5)/Ta(3)(Cu(50)/Ta(3))*10指的是把Cu(50)/Ta(3)多層化10次。
使用光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2×2μm2，形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。在300℃，350℃，400℃，450℃中的磁場中熱處理后的MR值示于(表10)。
表10
根據(表10)，在300℃的熱處理中樣品1～3每一個都示出相同程度的MR，而與此不同，伴隨著熱處理溫度的上升，像樣品2或者樣品3那樣基底電極被多層化了的一方MR的惡化少。
由于把同樣的下部電極多層化而引起的熱處理特性的提高這一點，除去Cu與Ta的組合以外，如果是從Ag，Au，Al以及Cu中選擇出的至少一種為主成分的高導電性金屬層與從IVa～VIa族以及VIII族中選擇出的至少一種為主成分的元素，或者從導電性氧化物，導電性氮化物以及導電性碳化物中選擇出的晶粒生長抑制層的多層膜，也能夠確認可以得到同樣的效果。這些多層膜電極由于具有抑制熱處理引起的電極的晶粒生長，減少層構造紊亂的功能，因此耐熱性提高。另外，作為高導電性金屬層的厚度，從晶粒生長的抑制這一點出發，最好是5nm～100nm左右，作為晶粒生長抑制層最好是0.7nm～5nm左右。
在以上的實施例1～12中，記述了使用隧道磁阻效應的元件。該隧道磁阻效應在中間層是包含從氧、氮、碳以及硼中選擇的至少一種元素的絕緣體或者半導體時產生。作為具體的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物或者半導體，可以舉出SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C，DLC，C6O等。在這些中間層內，即使以20％以下包括Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Rh，Rh，Ir，Ru等元素，只要是充分高電阻就可以得到同樣的效果。作為中間層的形態，既可以是絕緣物與導電物的多層構造，也可以是導電元素被絕緣體覆蓋的構造。
其次，記述中間層是非絕緣體，根據GMR效應顯示磁阻效應的情況。
實施例13使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(10)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/Cu(2.2)/Co(1)/NiFe(2)/Pt(7)/Ta(10)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(10)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/Cu(2.2)/Co(1)/NiFe(2)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(10)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/Cu(2.2)/Al2O3(0.3)/Co(1)/NiFe(2)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(10)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/Cu(1.1)/Al2O3(0.3)/Cu(1.1)/Co(1)/NiFe(2)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)樣品5Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(10)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/CuAlO(2.2)/CoFe(1)/NiFe(2)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)樣品6Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(10)/FeN(3)/Cr(0.7)/FeN(2)/CoFeB(1)/CuAlO(2.2)/CoFeB(1)/NiFe(2)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)使用EB光刻法把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為0.1×0.1μm2，形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有圖1所示剖面的垂直電流型磁阻元件。另外，被微細化了元件的厚度每一個都相同。
磁場中熱處理后的MR值和電阻值示于(表11)。
表11
從樣品1和樣品2可以看到通過自由磁性層成為本發明的結構，MR上升。這考慮為根據本發明的自由磁性層磁疇構造變化，以及減少通過微細化增大了的反磁場的緣故。另外，像樣品3以及樣品4那樣，通過做成作為高電阻的非磁性體層與遷移金屬的多層膜，電阻增大，而且MR提高。同樣的這一點即使在像樣品5那樣的高電阻非磁性體層和遷移金屬的化合物中也可以看到。另外像樣品6那樣，通過把磁性體層做成高電阻的氮化物或者非晶型強磁性體，雖然MR稍有下降，但是可知電阻增大。
如以上那樣，中間層的特征在于是從遷移金屬中選擇出的至少一種元素，或者從遷移金屬和氧、氮或者碳中選擇出的至少一種化合物導電材料，而且元件面積是0.01μm2以下，能夠制做高MR，具有高電阻的利用了GMR效果的垂直電流型磁阻效應元件。
元件面積是0.01μm2以下在為了提高元件電阻方面是必要的，而且由微細化引起的抗磁力的惡化通過上述的本發明的磁阻元件能夠解決。
作為中間層，除去本實施例的Cu以外，使用在遷移金屬中，特別是從V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re以及Os中選擇出的至少一種也可以得到同樣的效果。
另外，通過使用RuAlO化合物或者Ru/Al2O3/Ru，Ru/Al2O3的多層膜那樣，在這些元素失去了導電性的程度上進行氧化、氮化或者碳化的導電性化合物，或者從遷移金屬X和氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中選擇出的R(R＝SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，Cr2N，TiO，TiN，TaC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C，或者以上的混合物)的XR混合物，或者像X/R那樣2層以上的多層膜，可以確認能夠提高元件電阻或者提高耐熱性。
另外，作為夾持中間層的磁性體層，除去本實施例的CoFeB以外，通過至少一個磁性層的至少一部分是含有氧、氮或者碳的強磁性體，或者非晶型強磁性體，能夠提高基于CPP-GMR效應的垂直電流型磁阻元件的元件電阻。具體地講，作為含氧的強磁性體，在Fe3O4、MnZa鐵素體，NiZn鐵素體等鐵素體材料為代表的尖晶石型氧化物，拓榴石型氧化物或者MFeO3型氧化物等，或者TMO(T＝Fe，Co，Ni；M＝Al，Si，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mg)等氧化物強磁性體也可以發現同樣的效果。作為含氮的強磁性體，在TN，TMN(這里，T，M與上述相同)等的氮化物強磁性體中可以看到同樣的效果。作為含碳的強磁性體，在TMC(這里，T，M與上述相同)等中可以看到同樣的效果。作為非晶型材料，在Co(Fe)NbZr，Co(Fe)TaZr，CoFeB，CO(Fe)Ti，Co(Fe)Zr，Co(Fe)Nb，Co(Fe)MoBZr，Co(Fe)VZr，Co(Fe)MoSiZr，Co(Fe)MoZr，Co(Fe)MoVZr，Co(Fe)MnB等中可以確認同樣的效果。
實施例14在MOS基板上，使用磁控管濺射實施下部電極布線，在加入了CMP的MOS的基板上制做了以下的多層膜。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(1)/FeCo(1)/Al2O3(Y)/CoFe(10)/PtMn(20)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(2)/Ta(3)/NiFe(1)/FeCo(1)/Al2O3(Y)/CoFe(10)/PtMn(20)/Ta(3)
樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(3)/Ru(0.7)/FeCo(1)/Al2O3(Y)/CoFe(10)/PtMn(20)/Ta(3)使用濺射法把各個膜的元件形狀進行臺面型加工，使得成為以a為長軸，b為短軸的大致橢圓形(圖12B)，在各個多層膜中，制做a/b成為1，1.5，5，10，12比例的元件。另外，所有a的長度取為1000nm，元件的字線以及讀出線的寬度做成2000nm。微細加工后，形成上部布線，進行了400℃的氫燒結以后，做成圖12A所示存儲區元件。把該存儲器在240℃的真空中，加入10kOe的磁場，決定固定磁性層的磁化方向。另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為1kΩμm左右的膜厚。
在MOS是OFF的狀態下，在字線以及讀出線中流過電流，根據所發生的交叉磁場在自由磁性層中進行寫入。其次，在MOS是ON的狀態下，在各個元件中流過讀出電流，把自由磁性層對于固定磁性層，磁化是平行時和反平行時的輸出進行比較。對于功耗(表12)以及輸出值(表13)分別示出把在各個元件中所需要的寫入功耗和輸出值進行了歸一化的。
表12
表13
從(表12)以及(表13)可知，在本實施例的樣品2以及樣品3中，可以同時得到低功耗和高輸出。另外，元件形狀在a/b是1.5＜a/b＜10時可以得到最高的輸出。
實施形態15在AlTiC基板上形成了磁傳感器(圖13)。
樣品1下部屏蔽層301/磁分離層302/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.5)/CoFe(1)/NiFe(3)樣品2下部屏蔽層301/磁分離層302/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.5)/CoFe(1)/NiFe(3)NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/磁分離層312/上部屏蔽層311樣品3下部屏蔽層301/磁分離層302/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.5)/CoFe(1)/NiFe(3)NiFe(5)/Ru(0.7)/NiFe(3)/磁分離層312/上部屏蔽層311這里，NiFe/Ta/NiFe以及NiFe/Ru/NiFe相當于(圖13)的磁通導向體310。PtMn是反強磁性層，CoFe/Ru/CoFe是固定磁性層307，Al2O3是非磁性體層306，CoFe/NiFe是自由磁性層305。把這些層與絕緣層303一起形成。熱處理在沿著磁通導向體方向以280℃，1.5小時，5kOe進行了以后，與磁通導向體垂直地(垂直于圖13的紙面)，在1800℃，1.5小時，5kOe的磁場中進行。
把使用3種傳感器，記錄道密度為90kTPI(磁道/每英寸)，線記錄密度為550kBPI(位/每英寸)所記錄的HDD記錄媒體以數據傳送速度211M/比特秒進行了再生試驗。記錄頭的上浮量為20nm。記錄頭的誤碼率在樣品1是1×10-7，樣品2是1×10-8，樣品3是1×10-8.5。
如以上的實施例那樣，使用了本發明的自由磁性層的磁傳感器能夠實現高BER。
實施例16使用磁控管濺射法在單軸磁場中在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(2)/CoFe(1)/NiFe(1)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(4)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(2)/CoFe(1)/NiFe(1)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(2)/CoFe(1)/NiFe(1)/Ta(3)樣品4Ta(3)/(Cu(5)/Ta(1))*100/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(2)/CoFe(1)/NiFe(1)/Ta(3)樣品5Ta(3)/Cu(500)/NiFe(1)/CoFe(1)/Al2O3(2)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Co30Fe70/PtMn(15)/Ta(3)樣品6Ta(3)/Cu(500)/NiFe(1)/CoFe(1)/Al2O3(2)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Co50Fe50(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品7Ta(3)/Cu(500)/NiFe(1)/CoFe(1)/Al2O3(2)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Co90Fe10(3)/PtMn(15)/Ta(3)
樣品8Ta(3)/Cu(500)/NiFe(1)/CoFe(1)/Al2O3(2)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Co90Fe10(1)/NiFe(2)/PtMn(15)/Ta(3)使用光刻法，把各個多層膜微細加工成臺面型使得元件面積成為2×6μm2，形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有圖1或者圖7所示剖面的垂直電流型磁阻元件。測定了在5kOe磁場中以300～400℃的熱處理以后的MR值的結果示于(表14)。
另外，在樣品1～8中，記錄為CoFe的部分是Co76Fe24成分。
表14
從(表14)可知，把膜下部分作為固定磁性層的樣品1-4中，與樣品1相比較，使用了NiFe或者NiFeCr基底的樣品2以及樣品3的耐熱性出色。另外在把樣品3的基底電極多層化了的樣品4中，可以確認耐熱性進一步提高。另一方面，在把膜上部分作為固定磁性層的樣品5-8中，隨著PtMn下部分的CoFe成分Co豐富，或者成為NiFe，可以見到耐熱性的提高。
另外，通過X射線折射可知，伴隨著Co的增加，從bcc向fpt或者fcc構造變化。另外，本實施例的高耐熱性比其它的實施例更為出色，不僅是構造的最佳化，而且還依賴于Al2O3層的最佳制做。
把PtMn替換為PtPdMn的情況下，也同樣確認了出色的高耐熱性。
另外這時理想的組成是反強磁性體層用Mn100-XMeX(Me是從Pd，Pt中選擇出的至少一種)表示，并且是40≤X≤55(原子量％)的范圍。
實施例17使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(5)/Ta(3)/NiFe(5)/Al2O3(0.9)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Al2O3(0.9)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(5)/Ta(3)/NiFe(9)/Al2O3(0.9)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(9)/Al2O3(0.9)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品5Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(4)/Ta(3)/NiFe(9)/Al2O3(0.9)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品6Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(4)/Ru(0.9)/NiFe(9)/Al2O3(0.9)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)構成樣品5和樣品6的自由磁性層的CoFe(4)以及NiFe(9)把膜厚×飽和磁化取為幾乎相等的值。另外，樣品1，3，5的各個自由磁性層主要通過作為非磁性體層的Ta(3)進行靜磁耦合，樣品2，4，6主要是通過Ru(0.9)進行反強磁性耦合的樣品。
把這些多層膜在5kOe磁場中，在280℃下進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.1×0.3，0.3×0.3以及1×3μm2。這里，進行加工使得元件的長度方向和熱處理方向平行。形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有圖1或者圖7所示剖面的垂直電流型磁阻元件。
首先，對于元件形狀是1×3μm2的元件進行了調查。各個樣品加入±200Oe時的MR在樣品2為5％左右，其它任一種都是30％左右。其次，加入200Oe的外部磁場，使得沿著元件的長度方向在自由磁性層進行磁化方向的存儲。為了調查樣品1以及樣品3-6的元件的存儲穩定性，進行了在250℃，1小時的熱穩定性實驗以及大約50e的旋轉磁場中的外磁場穩定性試驗。其結果，在樣品3-6中，在各個實驗以后都沒有發現阻值發生變化。另一方面，在樣品1中，觀察到元件電阻的減少。由此可知，在樣品3-6的結構中，能夠在自由磁性層上沿著磁化方向穩定地存儲。
在0.1×0.3μm2的元件中進行了同樣條件的實驗，其結果，在樣品3以及4中，由于反轉磁場增大，因此不能夠充分地進行200Oe下的磁化反轉。另一方面，在樣品5以及樣品6中，能夠確認與1×3μm2相同的存儲穩定性。
對于0.3×0.3μm2的元件進行了同樣條件的試驗，其結果，在樣品3-6的每一個中雖然可以進行磁化反轉，但是能夠確認存儲穩定性的樣品僅是樣品5以及6。
從以上可知，通過自由磁性層是膜厚×飽和磁化不同的磁性體層與非磁性體的多層膜，或者膜厚×飽和磁化相等時矯頑磁力不同，能夠具有存儲效果，特別是，在膜厚×飽和磁化相等的元件中，存儲效果對于元件尺寸以及形狀的依賴性小。
實施例18使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(5)/Ru(0.7)/NiFe(3)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ru(0.7)/NiFe(3)/Ta(3)另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為100Ωμm左右的膜厚。把各個多層膜在5kOe磁場中，在240℃下進行熱處理，使用光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為3×3μm2。形成層間絕緣膜，形上部電極，制做具有圖1以及圖7所示剖面的垂直電流型磁阻元件。圖14是示出樣品1以及樣品2的MR曲線以及作為自由磁性層的NiFe/Ru/NiFe層的磁化狀態。可知樣品1，樣品2都是膜厚比厚的磁性層對于外部磁場進行響應。另外樣品1，樣品2都與通常的電子管型元件TMR不同，對于外部磁場可以觀察到磁阻的最大值，特別是，自由磁性層內，接近于中間層的磁性體層薄的樣品2中示出顯著的極大值。在樣品1，樣品2的每一個中，沿著正方向增加外部磁場時，自由磁性層內的磁化狀態進行b’→c’或b→c的變化，這些由于是伴隨著自旋雙穩的磁化過程，因此在去除了外部磁場時是可逆的，并不丟失最初的自由磁性層的磁化狀態。另外，在該過程中特別是在樣品2中，MR很大地變化。如果利用這一點，采用類似于樣品2的結構，則通過測定對于外部磁場變化的磁阻值，能夠不破壞磁化狀態，讀取磁化狀態。
另外，所謂類似樣品2的結構，指的是至少一層自由磁性層由中間層一側開始，由第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層的至少3層構成，如果把上述第1磁性體層的平均膜厚記為d1，平均飽和磁化記為M1，把上述第2磁性體層的平均膜厚記為d2，平均飽和磁化記為M2，則M2×d2＞M1×d1，對于外部磁場的變化，指的是磁阻值至少能夠取得一個極大值或者極小值的磁阻元件。
實施例19使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(4)/Ru(0.9)/NiFe(4)/Ru(0.9)/NiFe(7)/Ta(3)另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為100Ωμm左右的膜厚。把該多層膜在5kOe的磁場中，在280℃下進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.5×1.5μm2。形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有圖1或者圖7所示剖面的垂直電流型磁阻元件。把該元件沿著長度方向加入500Oe的磁場，使最上層的NiFe(7)磁化反轉以后，去除磁場，加入±100Oe的外部磁場時的磁化層的磁化狀態示于圖15的模式圖中。圖15中，固定磁性層401中僅記述了最接近中間層402的從CoFe開始以上的結構。圖15中，B是磁化穩定狀態，在加入了第2非磁性體層406上第3磁性體層(存儲層407)的磁化反轉磁場以下的外部磁場時，將產生A或者C那樣磁化狀態的變化。另外，在該圖為了動作說明的簡單，沒有示出自旋雙穩狀態。由于第1磁性體層403與第2磁性體層405經過非磁性體層404進行反強磁性耦合，因此如果比部磁場比較小則返回到原來的B的狀態。這時，磁阻的變化以B→A的變化增加到最大。另外圖16中示出使磁性層407的磁化狀態反轉時的狀況。圖16中磁化穩定狀態是B，能夠確認在B→A的變化下磁阻的顯著減小。
利用該原理，能夠進行本實施例的磁阻元件的存儲狀態的檢測。圖17中示出元件結構。
在形成CMOS和下部布線的基板上形成了與前面結構順序相反地成膜了的多層膜。把該多層膜在5kOe的磁場中，在280℃下進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.5×1.5μm2，形成層間絕緣膜后，形成上部電極，形成圖17A，B所示的MRAN元件。
通過使用了字線和位線上電流一致寫入，在第3磁性體層中存儲磁化狀態。讀入時，把與元件串聯連接的CMOS的開關置為ON，流過讀出電流。這時，通過在字線中流過讀出寫入電流，發生讀取磁場，讀取元件之間加入的電壓的變化。圖17B中由于讀取磁場與中間層的磁化方向一致，因此幾乎看不到對于讀取磁場的電壓變化，顯示出能夠判別磁化是與固定磁場磁性層的磁化方向平行的狀態。
如以上那樣，通過把自由磁性層多層化，可知能夠制造在非破壞下可以讀取存儲器的磁化狀態的MRAM元件。
實施例20使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(4)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(2)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)
樣品3Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ta(3)/NiFe(5)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ta(3)/NiFe(5)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品5Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品6Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(4)/Ru(0.9)/CoFe(2)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為300Ωμm左右的膜厚。把該多層膜在5kOe的磁場中，在280℃下進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.1×0.3μm2。形成層間絕緣膜，形成上部電極，做成具有2個中間層的垂直電流型磁阻元件。沿著這些元件的長度方向加入磁場測定了MR的結果，除去樣品2以外，所有的元件在最佳磁場下得到30％左右的磁阻變化。在樣品2中由于NiFe層比較薄因此不能夠得到充分的柔性，磁阻變化是10％左右。元件的矯頑磁力除去樣品2，樣品1最高，與其它元件相比較考慮為是反磁場的影響高的緣故。另外，樣品1的MR曲線的非對稱性最大。還有，在樣品3-樣品5中，形成固定磁性層的磁性體層內的層數對于中間層設置成非對稱是因為外部磁場比較弱時構成自由磁性層的2個磁性體層相互反平行的原因。在加入了充分大的外部磁場時，這些固定自由磁性層也可以是對于中間層對稱的結構。另外，在樣品3的結構中，如果外部磁場適當增強則MR值幾乎減到一半，在樣品4的結構中，如果外部磁場適當增強則MR值幾乎增加一倍。
在以上的實施例中，示出了自由磁性層具有被2層中間層夾持的結構，自由磁性層是2層磁性體層與1層非磁性體層交互疊層的結構，而在自由磁性層具有把2n(n＝1，2，……)層的磁性體層與(2n-1)層的非磁性體層交互疊層了的結構的情況下也可以得到同樣的效果。
實施例21使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ta(3)/NiFe(3)/Ta(3)/NiFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(6)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品5Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(7)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)
樣品6Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(4)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為300Ωμm左右的膜厚。把這樣的多層膜5kOe的磁場中，在280℃下進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.1×0.3μm2。形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做具有2個中間層的垂直電流型磁阻元件。沿著這些元件的長度方向加入磁場測定了MR的結果，所有的元件在最佳磁場中得到30％左右的磁阻變化。其中，在樣品3中，在低磁場下MR的上升減小，在樣品6中抗磁力最大。另外，在樣品2中，得到類似于圖14的左圖，另外在樣品4以及樣品5中得到類似于圖15的右圖的MR曲線。把樣品3與樣品4比較時，樣品3的自由磁性層結構是NiFe(3)/Rn(0.9)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)，另外樣品4的自由磁性層的結構是NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(6)/Ru(0.9)/NiFe(3)。如果各個磁性體層完全進行反強磁性耦合，則從結構出發在樣品4中在自由磁性層中進行完全的磁閉鎖，對于低磁區的外部磁場的響應差。但是，使用VSM測定了把基底取為Al2O3以及Ru，改變了膜厚的NiFe的實效飽和磁化(到達測定MR磁場電平的飽和磁化)的結果，了解到NiFe的膜厚越薄，實效的飽和磁化越小。根據該實效的飽和磁化，如果把樣品3與樣品4的膜厚×飽和磁化進行比較，則在樣品3中，第1層與第3層的膜厚×飽和磁化的值之和幾乎與第2層的膜厚×飽和磁化相等，另一方面在樣品4中，與第1層和第3層的和相比較，第2層的值大。從以上認識出發，可知考慮把基底與磁性層膜厚考慮在內的實效的飽和磁化等的膜結構是重要的。
在以上的實施例中，敘述了按照第1固定磁性層，第1中間層，第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，第2非磁性體層，第3磁性體層，第2中間層，第2固定磁性層的順序形成的結構的磁阻元件，其中，如果把磁性體層n的平均膜厚記為dn，把平均飽和磁化記為Mn(n＝1，2，3)，則M3×d3+M1×d1≠M2×d2的，而自由磁性層如果是具有(2n+1)層(N＝1，2，……)的磁性體層與2n層的非磁性體層交互疊層了的結構時也具有同樣的效果。
實施例22使用磁控管濺射法在6英寸大小的Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(5)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(7)/Ta(3)另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為1kΩμm左右的膜厚。另外這里Ru基底上的CoFe(5)與NiFe(7)各個的磁化飽和×膜厚幾乎相同。把該多層膜在10kOe的磁場中以280℃進行熱處理，使用I線分擋器微細加工成臺面型使得元件面積成為0.2×0.6μm2。形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做垂直電流型磁阻元件。把這些元件遍布6英寸晶片總體測定了MR的結果，樣品1中的抗磁力的分散性為10％左右，樣品2中的抗磁力的分散性為5％左右。6英寸晶片內的CoFe，NiFe的膜厚分布每種都是3％左右，不能夠簡單地說明上述的分散性。作為抗磁力的分散性原因之一，考慮為實效飽和磁化的膜厚依賴性。實際上，分別改變Ru基底上CoFe和NiFe的膜厚，求實效的飽和磁化的結果，5nm的CoFe薄膜的膜厚變化1nm時實效的飽和磁化的變化是20％，NiFe的情況下是5％。另外，同樣對于膜厚的CoFe單層以及NiFe單層的矯頑磁力的變動在CoFe時為15％左右，NiFe時為2％。從以上可以說，為了抑制大面積時的抗磁力的分散性，在具有多層構造的自由磁性層中使用飽和磁化不同的磁性體層，或者矯頑磁力不同的磁性體層是有效的。
實施例23使用磁控管濺射法在6英寸尺寸的Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Ta(3)
樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.9)/CoFe(3.5)/Ru(0.9)/CoFe(2)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Ta(3)另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為1kΩμm左右的膜厚。把這些多層膜在10kOe的磁場中以280℃進行熱處理，使用光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.2×0.6μm2。形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做垂直電流型磁阻元件。對于熱處理方向使得外部磁場加入方向成為恒定，測定各個元件的MR。樣品1以及樣品3每一個都相同，加入磁場的正負與獲得MR的最大值以及最小值的方向一致，在樣品2中示出與它們相反的磁場特性。把樣品1以及樣品2，或者樣品2與樣品3組合起來，如圖10所示那樣，測定了2個元件的動作輸出的結果，在樣品1與樣品3的組合中，在低磁場區，輸出電壓成為非對稱。這考慮為由于在樣品1中固定磁性層不是疊層鐵構造，因此將產生非對稱成分。從而，為了得到在磁頭或者MRAM等所希望的對稱性出色的動作輸出，把固定磁性層從中間層一側把2n層的磁性體層與(2n-1)層的非磁性體層交互疊層了的磁阻元件，與固定磁性層從中間層一側把(2n+1)層的磁性體層與2n的非磁性體層交互疊層了的磁阻元件組合起來可以說是非常重要的。
實施例24使用磁控管濺射法在CMOS基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(5)/Ta(3)/CoFe(3)樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(5)/Ta(3)/CoFe(3)另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為1kΩμm左右的膜厚。把這些多層膜在10kOe的磁場中以260℃進行熱處理，使用光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.2×0.6μm2。形成層間絕緣膜，形成上部電極，制做垂直電流型磁阻元件。測定它們的MR以后，接著在5％的氫氣氛中在無磁場條件下，進行400℃，30分鐘的熱處理以后，測定MR0在樣品1中，剛剛完成元件加工后的MR是30％，在400℃的第1次熱處理中減少到12％，在400℃的第2次熱處理中降低到10％左右。另一方面，在樣品2中，在剛剛加工完元件后的RM是30％，在400℃的第1次熱處理中減少到20％，在400℃的第2次熱處理中降低到19％左右。在固定磁場層的單軸各向異性形成熱處理以后，還與在高溫下無磁場中的熱處理無關，每種樣品都顯示出出色的耐熱性。另外特別是在反強磁性體的基底層中使用了NiFeCr的樣品2中，MR惡化少。進行了各種樣品調查的結果，在還原氣氛而且無磁場中熱處理下的耐熱性是450℃左右。另外，調查了元件的布線電阻的結果，在通常的磁場中熱處理以后，通過實施氫氣氛中的再次熱處理，能夠顯著地降低布線電阻。
實施例25使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上從基板一側制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al(0.4)-O/Al(0.3)-O/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al(0.4)-O/Al(0.35)-O/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al(0.4)-O/Al(0.3)-O./NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(6)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Al(0.4)-O/Al(0.3)-O/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al(0.4)-O/Al(0.3)-O./NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Cu(5)/NiFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(5)/Al(0.4)-O/Al(0.3)-O./CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品5Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al(0.4)-O/Al(0.3)-O./NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Cu(5)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Al(0.4)-O/Al(0.3)-O./NiFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)在此CoFe采用Co75Fe25，NiFe采用Ni60Fe40。另外，NiFeCr采用Ni49Fe12Cr39， PtMn采用Pt50Mn50。
另外，所謂Al(0.4)-O/Al(0.3)-O指的是把Al成膜0.4nm以后，以100mTorr，1分鐘的氧氣氛中氧化以后，進而把Al成膜0.3nm成膜后，以100mTorr，1分鐘的氧氣氛中氧化形成的Al2O3(隧道絕緣層)。另外，Al(0.4)-O/Al(0.35)-O也同樣，把各個膜厚的Al成膜后以100mTorr氧化。另外，這些氧化條件在氧化時間是1分鐘的情況下，從10mTorr到600mTorr的壓力之間沒有發現很大的差別。
把這些多層膜在5kOe的磁場中以280℃進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.8×1.2μm2。形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做垂直電流型磁阻元件。
沿著這些元件的長度方向加入磁場測定了MR的結果，在所有的元件中在最佳磁場下，如果以1mV左右的元件偏置進行測定，則樣品1示出40％，樣品2示出43％，樣品3，樣品4以及樣品5分別示出39％，40％，42％左右的MR。另外，以500mV左右的元件偏置進行測定，則樣品1為23％，樣品2為20％，對于偏置的依賴性幾乎減少一半。另一方面，樣品3，4以及5是35％，36％，35％。各RA在樣品1中是30Ωμm2，樣品2是70Ωμm2，樣品3，4，5是60Ωμm2。樣品3，4以及5的RA與樣品1相比較示出多一倍的值。進而，可以看到500mV高偏置下的MR的顯著改善。這考慮為樣品3，4以及5是串聯連接的2個隧道絕緣層的關系。進而，對于樣品3，4以及樣品5的對外部磁場的非對稱性調查的結果，按照樣品5，樣品4，樣品3的順序對稱性高低排列。這是對于外部磁場進行響應的Al2O3附近的磁性體層在樣品3中互相鄰接，而且在保持平行的狀態下進行磁化旋轉，而與此不同，在樣品4中根據非磁性導電層，對于外部磁場進行應答的磁性體層之間的距離拉開，另外在樣品5中經過非磁性體導電層相互鄰接的磁化相互保持反平行的狀態下進行旋轉磁化，因此能夠減少靜磁能量的原因。另外，在樣品4或者樣品5的結構中，進行圖17所示的2個電流一致方式的寫入實驗，結果，在同一寫入電流下，獲得高MR的Cu的厚度是2.6nm-50nm。另外除去Cu以外，如果是作為Al，TiN，TiWN，CuAl，CuAlTi，Ag，Au，Pt等通常導電性電極材料而使用的非磁性體，則能夠得到同樣的結果。
實施例26使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Cu(5)/CoFe(1)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Cu(10)/CoFe(1)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Cu(5)/CoFe(1)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(6)/Ru(0.9)/NiFe(3)/CoFe(1)/Cu(5)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Cu(5)/CoFe(1)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Cu(5)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(5)/CoFe(1)/Cu(5)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)
樣品5Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Cu(5)/CoFe(1)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Cu(5)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/CoFe(1)/Cu(5)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)這里，CoFe使用了Co90Fe10，NiFe使用了Ni60Fe40。另外，NiFeCr使用了Ni49Fe12Cr39，PtMn使用了Pt50Mn50。
把這些多層膜在5kOe的磁場中，以280℃進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.5×0.5μm2。形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做垂直電流型磁阻元件。
沿著這些元件的長度方向加入磁場測定了MR的結果，所有的元件在最佳磁場中，如果以1mV左右的元件偏置進行測定，則樣品1示出28％左右的MR，樣品2示出15％左右的MR，樣品3，樣品4以及樣品5分別示出49％，47％；42％左右的MR。調查樣品3，4以及5對于外部磁場的非對稱性的結果，了解到按照樣品5，樣品4，樣品3的順序對稱性高低排列。
實施例27使用磁控管濺射法在Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(O.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)這里，CoFe使用了Co760Fe24，NiFe使用了Ni60Fe40。另外，NiFeCr使用了Ni49Fe12Cr39，PtMn使用了Pt50Mn50。還有，Al2O3的膜厚Y做成RA為1kΩμm左右的膜厚。
把這些多層膜在5kOe的磁場中以280℃進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.5×0.5μm2。形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做垂直電流型磁阻元件。
沿著這些元件的長度方向加入磁場測定了MR的結果，所有的元件在最佳磁場中，如果以1mV左右的元件偏置進行測定，則樣品1是41％，500mV下的測定是40％，1V下的測定是37％，可知顯著地改善了偏置依賴性。
實施例28樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(2)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFe(2)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(50)/Ta(a)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(2)/NiFeCr(4)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(50)/Ta(a)/NiFeCr(4)/NiFe(2)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)這里，CoFe使用了Co760Fe24，NiFe使用了Ni81Fe19。另外，NiFeCr使用了(Ni81Fe19)100-XCrX，PtMn使用了Pt50Mn50。另外，Al2O3的膜厚Y做成RA為1kΩμm左右。
把這些多層膜在5kOe的磁場中以280℃進行熱處理，使用EB以及光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.3×0.9μm2。形成層間絕緣膜后，形成上部電極，制做垂直電流型磁阻元件。
沿著這些元件的長度方向加入磁場測定了MR的結果，在樣品1以及樣品2中沒有觀測到電子管型的MR，這考慮為基于薄膜化的NiFe層的磁化的緣故。另一方面，在樣品2以及樣品3中可以得到30％左右的MR。其次，調查了在(Ni81Fe19)100-XCrX下使X變化的結果，得到電子管型MR的是X為50以下的時候。其中，在X為10以下時抗磁力的增大顯著，這是由于隨著NiFeCr的磁化增大反磁場增大的原因。該邊界下的NiFCr的飽和磁化是大約0.2T。另外X是25時飽和磁化幾乎為零。同樣的效果除去Cr以外，在Mo，W中也能見到。另外，本實施例中自由磁性層是單層，示出了成分是Ni81Fe19的情況，然而在Ni60Fe40中，具有從(Ni60Fe40)100-X(Cr，Mo，W)X，或者在Co75Fe25中從(Co75Fe25)100-X(Cr，Mo，W)X中選擇出的成分的緩沖層，也可以看到各個自由磁性層在薄膜化時(4-1nm左右)的MR特性的提高。
實施例29使用磁控管濺射法從Si熱氧化基板上制做了以下的元件。
樣品1Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(1.25)/Ru(0.8)/CoFe(2.25)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)樣品2Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(1.5)/Ru(0.8)/CoFe(2.5)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)樣品3Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(2)/Ru(0.8)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)樣品4Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(2)/Ru(0.8)/CoFe(4)/Ru(0.8)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)樣品5Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(5)/Ru(0.8)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)這里CoFe使用了Co75Fe25。
另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成為100Ωμm左右的膜厚。把這些多層膜在5kOe的磁場中以280℃進行熱處理，使用EB和光刻法微細加工成臺面型使得元件面積成為0.1×0.2μm2。形成層間絕緣膜后，形成上部電極，進而形成保護膜，制做垂直電流型磁阻元件。
所制做的元件數對于一個多層膜取為10個元件。沿著這些元件的長度方向加入磁場測定了MR的結果，任一個元件的磁化反轉磁場(抗磁力)都幾乎相同。把這些元件沿著MR成為最大的方向進行磁化反轉，在惰性氣體中，使元件溫度上升到200℃以及300℃，放置24小時，調查了在各個溫度下的存儲穩定性。其結果，在200℃下在樣品1中，2成的元素失去了最初的存儲性，而其它的樣品保持最初的存儲性。其次，在350℃下，雖然在樣品1中4成的元件，在樣品2中l成的元件失去了存儲性，但是在其它的樣品保持最初的存儲性。
從以上可知，構成自由磁性層的磁性體層厚度的總計至少需要4nm以上。另外，在本實驗中在磁性體層中使用了CoFe，而在使用了NiFe的實驗中至少需要7nm以上，進而在使用了Fe3O4時至少需要10nm以上。
所有的元件在最佳磁場中，如果以1mV左右的元件偏置進行測定，則樣品1示出40％，樣品2示出43％，樣品3，樣品4以及樣品5分別示出39％，40％，42％左右的MR。另外，如果以500mY左右的元件偏置進行測定，則樣品1為23％，樣品2為20％，根據偏置依賴性幾乎減少到一半。另一方面，樣品3，4以及5是35％，36％，35％。各RA在樣品1中是30Ωμm2，樣品2是70Ωμm2，樣品3，4，5是60Ωμm2。樣品3，4以及5的RA與樣品1相比較示出多一倍的值。進而，在500mV的高偏置中的MR上可以見到顯著的改善。這考慮為樣品3，4以及5與2個隧道絕緣層串聯連接的緣故。進而調查了樣品3，4以及5對于外部磁場的非對稱性的結果，按照樣品5，樣品4，樣品3的順序對稱性高低排列。這考慮為對應外部磁場響應的Al2O3附近的磁性體層在樣品3中相互鄰接，而且在保持平行的狀態下進行磁化旋轉，與此不同，在樣品4中通過非磁性導電層，對于外部磁場進行響應的磁性體層之間的距離拉開，另外在樣品5中經過非磁性體層導電層相互鄰接的磁化保持相互反平行的狀態下能夠進行的磁化反轉，因此靜磁能量減少。另外，在樣品4或者樣品5的結構中，進行了圖17所示的基于2電流一致方式的寫入實驗，其結果，用同一寫入電流獲得高MR的是Cu的厚度為50nm以下的情況。
從以上可知，構成自由磁性層的磁性體層厚度總計至少需要4nm以上。另外，在本實驗中在磁性體層中使用了CoFe，而在使用了NiFe的實驗中至少需要7nm以上，進而在使用了Fe3O4時至少需要10nm以上。
發明效果根據本發明的垂直電流型磁阻元件，能夠實現以往困難的低抗磁力，高MR和高耐熱性。高MR具有提高磁傳感器的靈敏度，低抗磁力具有降低MRAM等磁存儲器的寫入功耗，進而高耐熱性具有提高控制制做MRAM的CMOS或者布線的特性分散性的溫度的效果。其結果，具有提高HDD，光盤，DDS的磁記錄媒體的記錄密度，降低誤比特率的效果，進而，在MRAM的高密度化和MRAM的低功耗化方面具有效果。另外，使用了本發明的垂直電流型磁阻元件的MRAM作為低功耗而且大容量存儲器，具有能夠搭載在便攜設備等上的顯著效果。
權利要求
1.一種磁阻元件，特征在于包括中間層，把夾持上述中間層在的一對磁性層，上述磁性層的一方是比另一方的磁性層對于外部磁場更易于磁化旋轉的自由磁性層，上述自由磁性層是至少由一層非磁性體層和夾持上述非磁性體層夾的磁性體層構成的多層膜，而且作為垂直于膜面流動的電流通過的上述中間層的面積所規定的元件面積是1000μm2以下。
2.如權利要求1中所述的磁阻元件，特征在于自由磁性層的面積比元件面積寬大。
3.如權利要求1中所述的磁阻元件，特征在于在自由磁性層中，把從中間層一側配置為第m個(m是1以上的整數)的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層的平均飽和磁化表示為Mm，平均膜厚表示為dm時，m是奇數的層的Mm×dm總和實質上與m是偶數的層的Mm×dm總和相等。
4.如權利要求3中所述的磁阻元件，特征在于非磁性層的厚度在2.6nm≤d＜10nm的范圍內。
5.如權利要求1中所述的磁阻元件，特征在于在自由磁性層中，把從中間層一側配置為第m個(m是1以上的整數)的磁性體層記為磁性體層m，把上述磁性體層的平均飽和磁化表示為Mm，平均膜厚表示為dm時，m是奇數的層的Mm×dm總和實質上與m是偶數的層的Mm×dm總和不相等。
6.如權利要求5中所述的磁阻元件，特征在于非磁性層的厚度在2.6nm≤d＜10nm的范圍內。
7.如權利要求5中所述的磁阻元件，特征在于非磁性層的厚度在0.3＜d＜2.6nm的范圍內。
8.如權利要求5中所述的磁阻元件，特征在于自由磁性層包括從中間層一側順序疊層的第1磁性體層，非磁性體層，第2磁性體層，當把上述第1磁性體層的平均膜厚表示為d1，平均飽和磁化表示為M1，把上述第2磁性體層的平均膜厚表示為d2，平均飽和磁化表示為M2時，1.1＜(M1×d1+M2×d2)/S＜20成立(其中，S是M1×d1-M2×d2的絕對值)，而且，當①M1×d1-M2×d2＞0時，把上述第1磁性體層的實效膜厚d11取為d11＝(M1×d1-M2×d2)/M1，當②(M1×d1-M2×d2)＜0時，把上述第2磁性體層的實效膜厚d22取為d22＝(M2×d2-M1×d1)/M2如果把從上述實效膜厚d11或者d22與上述自由磁性層的面形狀求出的，在外部磁場的加入方向中的上述自由磁性層的面內的反磁場系數記為Nm，則是Nm＜0.02。
9.如權利要求5中所述的磁阻元件，特征在于自由磁性層包括從中間層一側順序疊層的第1磁性體層，非磁性體層，第2磁性體層，當把上述第1磁性體層的平均膜厚表示為d1，平均飽和磁化表示為M1，把上述第2磁性體層的平均膜厚表示為d2，平均飽和磁化表示為M2時，M2×d2＞M1×d1成立，而且，上述第2磁性體層由軟磁性材料或者硬磁性材料構成，上述第1磁性體層至少在與中間層的界面上由高自旋極化率材料構成。
10.如權利要求5中所述的磁阻元件，特征在于自由磁性層包括從中間層一側順序疊層的第1磁性體層，非磁性體層，第2磁性體層，當把上述第1磁性體層的平均膜厚表示為d1，平均飽和磁化表示為M1，把上述第2磁性體層的平均膜厚表示為d2，平均飽和磁化表示為M2時，M2×d2＞M1×d1成立而且，對于外部磁化的變化，磁阻值至少示出一個極大值或者極小值。
11.如權利要求5中所述的磁阻元件，特征在于自由磁性層包括從中間層一側順序疊層的第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，第2非磁性體層，第3磁性體層，當把上述磁性體層n的平均膜厚表示為dn，平均飽和磁化表示為Mn(n是1，2或者3)時，M3×d3＞M1×d1以及M3×d3＞M2×d2成立而且，上述第1磁性體層與上述第2磁性體層的耦合磁場的大小比上述第3磁性體層的存儲反轉磁場小，通過沿著上述第3磁性體層的磁化的存儲方向加入上述存儲反轉磁場以下而且上述耦合磁場以上的磁場，檢測上述第3磁性體層的磁化狀態。
12.如權利要求5中所述的磁阻元件，特征在于由多層膜組成的自由磁性層包括由2層中間層夾持的結構。
13.如權利要求12中所述的磁阻元件，特征在于由多層膜構成的自由磁性層具有2n層(n是1以上的整數)磁性體層與(2n-1)層非磁性體層交互疊層的結構。
14.如權利要求13中所述的磁阻元件，特征在于包括按照第1固定磁性層，第1中間層，自由磁性層，第2中間層，第2固定磁性層的順序疊層了的結構，上述自由磁性層是從上述第1固定磁性層一側開始，按照第1磁性體層，非磁性體層，第2磁性體層的順序疊層了的多層膜，如果把上述磁性體層n(n是1或者2)的平均膜厚記為dn，平均飽和磁化記為Mn，則M2×d2≠M1×d1。
15.如權利要求12中所述的磁阻元件，特征在于由多層膜構成的自由磁性層具有交互疊層了(2n+1)層(n是1以上的整數)的磁性體層和2n層的非磁性體層的結構。
16.如權利要求15中所述的磁阻元件，特征在于包括按照第1固定磁性層，第1中間層，自由磁性層，第2中間層，第2固定磁性層的順序疊層了的結構，上述自由磁性層是從上述第1固定磁性層一側開始，按照第1磁性體層，第1非磁性體層，第2磁性體層，第2非磁性體層，第3磁性體層的順序疊層了的多層膜，如果把上述磁性體層n(n是1，2或者3)的平均膜厚記為dn，把平均飽和磁化記為Mn，則是M3×d3+M1×d1≠M2×d2。
17.如權利要求1中所述的磁阻元件，特征在于沒有包含在自由磁性層中的磁性體層的至少1層具有與其余的磁性體層的至少1個不同大小的矯頑磁力或者飽和磁化。
18.一種磁阻元件，特征在于包含有權利要求5中所述的磁阻元件A和磁阻元件B，其中，磁阻元件A的自由磁性層包括從中間層一側開始順序疊層的第1磁性體層、非磁性體層、第2磁性體層，并且在把上述第1磁性體層的平均膜厚表示為d1，平均飽和磁化表示為M1，把上述第2磁性體層的平均膜厚表示為d2，平均飽和磁化表示為M2時，具有如下的關系M2×d2＞M1×d1，磁阻元件B的自由磁性層包括從中間一側開始的第3磁性體層和第4磁性體層，在把上述第3磁性體層的平均膜厚表示為d3，平均飽和磁化表示為M3，把上述第4磁性體層的平均膜厚表示為d4，平均飽和磁化表示為M4時，具有如下的關系M3×d3＞M4×d4，上述磁阻元件A以及上述磁阻元件B對應于相同的外部磁場進行響應，而且把上述磁阻元件A以及上述磁阻元件B的相互的輸出進行加法或者減法運算。
19.一種磁阻元件，特征在于包括中間層和夾持上述中間層夾的一對磁性層，上述磁性層的一方是比另一方的磁性層對于外部磁場難以磁化旋轉的固定磁性層，上述固定磁性層是至少由一層非磁性體層和夾持上述非磁性體層的磁性體層構成的多層膜，上述非磁性體層的厚度d處于0.3nm＜d＜2.6nm的范圍內，上述固定磁性層與基底層或者反強磁性體層相連接，而且作為垂直于膜面流過的電流通過的上述中間層的面積所規定的元件面積是1000μm2以下。
20.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于把在固定磁性層中，從中間層一側開始配置為第m(m是1以上的整數)個的磁性體層表示為磁性體層m，把上述磁性體層的平均飽和磁化表示為Mm，平均膜厚表示為dm時，m為奇數的Mm×dm的總和實質上與m為偶數的Mm×dm的總和相等。
21.一種磁阻元件，特征在于包含磁阻元件A和磁阻元件B，其中磁阻元件A具有從中間層一側開始，交互地疊層了2n層(n是1以上的整數)的磁性體層和(2n-1)層的非磁性體層的固定磁性層，磁阻元件B具有從中間層一側開始，交互地疊層了(2n+1)層的磁性體層和2n層的非磁性體層的固定磁性層，上述元件A以及上述元件B的至少一方是權利要求19中所述的磁阻元件，上述元件A以及上述元件B對于相同的外部磁場進行響應，而且把上述元件A以及上述元件B的相互的輸出進行加法或者減法運算。
22.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于非磁性體層是包含從氧化物，氮化物，碳化物以及硼化物中選擇出的至少一種導電體。
23.如權利要求22中所述的磁阻元件，特征在于非磁性體層是至少從氧化物，氮化物，碳化鎢以及硼化物中選擇出的至少1層非磁性體層與至少1層非磁性金屬的多層膜。
24.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于具有基底層，上述基底層由IVa～VIa族以及VIII族(但是，除去Fe，Co以及Ni)以及從Cu中選擇出的至少一種元素構成。
25.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于具有與磁性體層連接的基底層，上述基底層與上述磁性體層都包括從fcc以及hcp選擇出的至少一種晶體構造，或者上述基底層和上述磁性體層都包括bcc構造。
26.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于具有反強磁性體層，上述反強磁性體層包括從Mn，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au以及Al選擇出的至少一種和Cr。
27.如權利要求26中所述的磁阻元件，特征在于反強磁性體層具有由公式Cr100-xMex(Me是從Re，Ru以及Rh中選擇出的至少一種，0.1≤X≤20)表示的成分。
28.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于具有反強磁性體層，上述反強磁性體層具有由公式Mn100-xMex(Me是從Pd以及Pt中選擇出的至少一種，40≤X≤55)表示的成分。
29.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于包括反強磁性體層以及基底層，在上述基底層上形成上述反強磁性體層，上述基底層和上述反強磁性體層都包括從fcc，fct，hcp以及hct中選擇出的至少一種晶體構造，或者上述基底層和上述反強磁性體層都包括bcc構造。
30.如權利要求29中所述的磁阻元件，特征在于基底層由NiFe或者NiFeCr構成，經過至少300℃以上的熱處理形成。
31.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于具有與磁性體層連接的反強磁性體層，上述磁性體層是Co。
32.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于與從反強磁性體層以及非磁性體層選擇出的至少一方連接的磁性體層的至少一個是包含有從氧、氦以及碳選擇出的至少一種的強磁性體層。
33.如權利要求19中所述磁阻元件，特征在于與從反強磁性體層以及非磁性體層選擇出的至少一方連接磁性體層的至少一個是非晶型強磁性體。
34.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于具有反強磁性體層，如果把固定磁性層的厚度記為df，把上述反強磁性體層的厚度記為da，則以下關系成立2nm≤df≤50nm5nm≤da≤100nm0.1≤df/da≤5。
35.如權利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于磁阻元件形成在由多層膜構成的下部電極層上。
36.如權利要求35中所述的磁阻元件，特征在于多層膜具有把從Ag，Au，Al以及Cu選擇出的至少一種為主成分的高導電性金屬層，從IVa～VIa族以及VIII族選擇出的至少一種元素為主要成分的金屬，或者從導電性氧化物，導電性氮化物以及導電性碳化物中選擇出的化合物構成的晶粒生長抑制層的多層構造。
37.如權利要求19中所述的磁阻元件，特征在于中間層是包含從氧、氮、碳以及硼中選擇出的至少一種絕緣體或者半導體。
38.如權利要求1或19中記述磁阻元件，特征在于中間層由從遷移金屬選擇出的至少一種元素構成的金屬，或者遷移金屬與從氧、氮以及碳中選擇出的一種導電性化合物構成，元件面積是0.01μm2以下。
39.如權利要求38中所述的磁阻元件，特征在于夾持中間層的磁性層的至少一方包括含有氧、氮或者碳的強磁性體或者非晶型強磁性體。
40.如權利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于把對于外部磁場易于磁化旋轉的自由磁性層作為磁存儲層。
41.如權利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于進而還具有磁通導向體。
42.如權利要求41中所述的磁阻元件，特征在于把自由磁性層的至少一部分作為磁通導向體。
43.如權利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于如果把自由磁性層的元件形狀的最長寬度記為a，最短寬度記為b，則1.5＜a/b＜10成立。
44.一種磁阻元件的制造方法，該方法是權利要求1或19中所述的磁阻元件的制造方法，特征在于在300℃～450℃的熱處理以后，在200℃～400℃下實施磁場中熱處理。
45.一種磁阻元件的制造方法，該方法是權利要求1或19中所述的磁阻元件的制造方法，特征在于實施300℃～450℃的磁場中熱處理。
46.一種磁阻元件的制造方法，該方法是權利要求1或19中所述的磁阻元件的制造方法，特征在于在基板上形成包含反強磁性體層、固定磁性層、中間層以及自由磁性層的多層膜，通過在200℃～350℃下進行磁場中熱處理提供單軸各向異性，在300℃～450℃的還原氛圍中進行熱處理。
47.一種信息通信終端，特征在于搭載了權利要求1或19中所述的磁阻元件，而且把基于電磁波的通信信息保存在磁阻元件的自由磁性層中。
48.如權利要求12中所述的磁阻元件，特征在于包括按照第1固定磁性層、第1中間層、第1自由磁性層、非磁性導電層、第2自由磁性層、第2中間層，第2固定磁性層的順序疊層的結構，上述第1自由磁性層以及上述第2自由磁性層的至少一方具有交互疊層了磁性體層與非磁性體層的結構。
49.如權利要求48中所述的磁阻元件，特征在于與非磁性導電層連接的磁性體層的磁化方向相互反平行。
50.如權利要求48中所述的磁阻元件，特征在于非磁性導電層的厚度是2.6nm～50nm。
51.如權利要求12中所述的磁阻元件，特征在于包括4層固定磁性層，2層自由磁性層和4層中間層，上述自由磁性層的至少一方具有交互疊層了磁性體層與非磁性體層的結構。
52.如權利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于包括按照固定磁性層、中間層以及自由磁性層的順序疊層了的多層結構，上述自由磁性層與緩沖層連接，上述緩沖層是在與上述緩沖層連接的磁性體成分中添加了10wt％～50wt％的非磁性元素的成分，而且上述成分的飽和磁化是0.2T以下。
53.如權利要求52中所述的磁阻元件，特征在于在緩沖層中包括從Cr，Mo以及W中選擇的至少一種。
54.如權利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于自由磁性層包括至少1層非磁性體層和夾持上述非磁性體層的磁性體層，上述磁性體層的膜厚總計是4nm以上。
55.如權利要求1中所述的磁阻元件，特征在于非磁性體層是包括從氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中選擇出的至少一種導電體。
56.如權利要求把55中所述的磁阻元件，特征在于非磁性體層是至少從氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中選擇出的至少1層磁性體與至少1層非磁性金屬的多層膜。
全文摘要
本發明提供包括中間層和夾持該中間層的一對磁性層,磁性層中的自由磁性層或者固定磁性層是至少由1層非磁性體層,夾持上述非磁性體層的磁性體層構成的多層膜,而且作為垂直于膜面流過的電流通過的上述中間層的面積所規定的元件面積是1000μm
文檔編號H01F41/30GK1340867SQ01137079
公開日2002年3月20日 申請日期2001年8月21日 優先權日2000年8月21日
發明者平本雅祥, 松川望, 小田川明弘, 飯島賢二, 榊間博 申請人:松下電器產業株式會社