CN1340867A - 磁阻元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供包括中间层和夹持该中间层的一对磁性层,磁性层中的自由磁性层或者固定磁性层是至少由1层非磁性体层,夹持上述非磁性体层的磁性体层构成的多层膜,而且作为垂直于膜面流过的电流通过的上述中间层的面积所规定的元件面积是1000μm2以下的磁阻元件。

Description

磁阻元件
本发明所属技术领域
本发明涉及在信息通信终端等中使用的磁随机存取存储器(MRAM)等中广泛应用的磁阻元件及制造方法。
已有技术
在以强磁性体/中间层/强磁性体为基本结构的多层膜中横穿过中间层流过电流时，已知在中间层是隧道绝缘层时产生自旋隧道效应，或者在中间层是Cu等导电性金属时产生基于CPP(电流垂直平面)-GMR效应的磁阻效应。在任一种磁阻效应中，都依赖于夹持中间层的磁性体之间的磁化相对角的大小，前者通过在2个磁性体之间流动的隧道电子的迁移概率根据相对角发生变化，后者通过自旋依存散射方式变化产生磁阻效应。
在把这样的TMR元件使用在磁头或者MRAM时，通过把夹持中间层的2层磁性体的一方与称为FeMn或IrMn的反强磁性材料叠层，作为对于外部磁场难以磁化旋转的固定磁性层，把剩余的一方作为对于外部磁场容易磁化旋转自由磁性层(电子管型元件)。
把这些垂直电流型磁阻元件例如用于磁头或者存储元件时，从高记录密度，高安装密度的要求出发，例如作为磁带媒体的再生元件，需要把电流流过的中间层的面积(元件面起)做成数1000μm2以下。特别是在HDD，MRAM等中要求数μm2以下的元件面积。在元件面积比较大时，易于在自由磁性层内形成磁畴。因此，作为再生元件由磁畴壁移动引起的巴克好森噪声，以及作为MRAM存储器的动作转换磁化的不稳定性均成为问题。另一方面，在对于元件面积不可以忽视自由磁性层的膜厚的区域中，由于加大由形状各向异性产生的反转磁场，因此特别是在用作为再生磁头时，伴随抗磁力的增大而产生的再生灵敏度下降是一个问题。另外，在用作为MRAM存储器的情况下，反转磁场的增大是一个问题。
为了抑制反磁场，可以减薄自由磁性层的膜厚。但是在亚微细粒以下，用于反磁场抑制所需要的磁性层的膜厚成为1nm以下，降低到了磁性体的物理膜厚界限以下。
在把TMR元件作为MRAM时，在半导体工艺的氢烧结或者钝化制做工艺中，进行400℃左右的热处理。但是已经报告了在配置成把以往的IrMn或者FeMn与磁性层连接的固定层中，在300℃左右以上，由于Mn的扩散，磁性层的自旋极化率降低，以及由于反强磁性体的成分偏移引起的磁场降低，MR降低(S.Cardoso等人J.Appl.Phys.87，6058(2000))。
在以往所考虑的非易失性MRAM元件的读出方法中，为了读出对于与开关元件以及电极串联连接的磁阻元件的全部磁阻的磁阻元件的磁阻变化，如果元件电阻或者开关元件、电极电阻的分散性大则读出困难。为了提高S/N，还考虑出以与基准元件的动作电压读出的方法，但是在这种情况下，由于需要基准元件，因此元件的高集成化是一个问题(日本应用磁学会  第112次研究会资料37页)。
本发明所要解决的课题
本发明的一个方案包括中间层和夹持上述中间层的一对磁性层，上述磁性层的一方是比另一方的磁性层对于外部磁场易于磁化旋转的自由磁性层，上述自由磁性层具有由至少1层非磁性体层和夹持上述非磁性体层的磁性体层构成的多层膜，而且与上述多层膜的膜面垂直地流过的电流通过的元件面积是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。这里，元件面积规定为与膜面垂直流过的电流通过的中间层的面积。
通过把自由磁性层取为磁性体层与非磁性体层的多层构造，能够抑制伴随着元件面积的减小而增大的反磁场。这里，磁性体层、非磁性体层既可以是单层也可以是多层。自由磁性层对于具有使另一方的磁性层(通常是固定磁性层)磁化旋转的大小的外部磁场，最好以500e(大约4kA/m)以上的小值磁化旋转。特别是，在把元件用作为存储器时，能够以10-5000e以下的值进行磁化旋转。
另外磁性层是至少在与中间层的界面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系列微晶体材料，③从Fe，Co，Ni中选择出的金属强磁性元素的磁性体，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等强磁性或者稀薄磁性合金，最好是还包含50wt％以上的④FeN，FeTiN，FeAlN，FeSiN，FeTaN，FeCoN，FeCoTiN，FeCoAlN，FeCoSiN，FeCoTaN等氮化物，⑤Fe3O4，⑥XMnSb(X是从Ni，Cu，Pt中选出的至少一种)，LaSrMnO，LaCaSrMnO，CrO2等半金属，⑦MeO3型氧化物，MnZn铁素体，NiZn铁素体等尖晶石型氧化物，⑧拓榴石型氧化物等的强磁性体或者铁磁性体。在本说明书中括号内的元素或者层是任意的元素(层)。
自由磁性层的面积最好比元件面积宽大。在自由磁性层的面积与元件面积几乎相等的情况下，由于在自由磁性层的边缘部分发生的磁畴构造的紊乱影响MR降低。对于元件面积，如果加大自由磁性层的面积，而且制做成使得自由磁性层充分覆盖元件面，则由于自由磁性层的边缘部分从元件面积脱离，因此能够保持提供磁阻的自由磁性层内的磁化方向的均匀性。
最好包括厚度d是2.6nm≤d＜10nm范围的非磁性体。这是由于能够容易地进行自磁化旋转。这考虑为由于通过在位于非磁性体层两侧的磁性体层中间，根据形状各向异性发生的磁极之间相互静磁耦合，从而使反磁场能量减少。通过把自由磁性层采用上述构造，能够得到磁畴单纯的高MR。如果d成为10nm以上则磁性体层之间的静磁耦合减弱，抗磁力增大。如果d小于2.6nm则交换耦合成为支配性的。这种情况下，作为磁性体层的厚度最好是能够进行适度静磁耦合的1nm以上100nm以下。作为非磁性体层，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为代表，只要是非磁性，则金属，氧化物，氮化物，碳化物等任一种均可，更理想的，可以是在200℃～400℃的热处理中难以与磁性体层引起相互扩散的材料。
构成自由磁性层的磁性体层静磁耦合时，如果把从中间层一侧配置在第m(m＝1，2，…)个的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm和平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则m是奇数的Mm×dm的总和实质上与m是偶数的Mm×dm的总和相等。这是因为通过阻断来自磁性体层的漏磁场，使磁畴单纯，提高对于外部磁场的磁响应性，可以得到具有高MR的磁阻元件。这里，所谓实质上相等允许有±10％的误差。
另外，作为本说明书中的饱和磁化，意指构成自由磁性层的各个磁性体层在加入了具有元件使用条件下大小的外部磁场时能够实效地取得的磁化的值。即，与由材料成分所决定的饱和磁化不同。特别是在1层的厚度为数nm左右的磁性体层中，这是由于根据基底的种类，或者根据其磁性体层的生长过程变化的实质膜密度、膜构造或者膜厚能够取得的磁畴形态等不同。
在构成自由磁性层的磁性体层静磁耦合时，m是奇数的Mm×dm的总和与m是偶数的Mm×dm的总和也可以不同。如果实质上相同，则主要通过静磁耦合，闭合构成自由磁性层的磁性体层之间的漏磁通。从而，即使实施加工使得在自由磁性层上具有形状各向异性，也难以实现在单层的磁性膜中通常可以见到的磁化的2稳定状态。因此例如难以在把自由磁性层作为存储器的器件中应用。但是，通过使m是奇数的Mm×dm的总和与m是偶数的Mm×dm的总和不同(即，实质上不同)，能够实现磁化反转容易，易于保持磁化的2稳定状态的磁阻元件。
在上述元件中最好包括厚度d为0.3nm＜d＜2.6nm范围的非磁性体。通过非磁性体层的厚度位于这样的范围，能够容易地进行自由层的磁化旋转。这是考虑为与非磁性体层邻接的磁性体层之间通过进行反强磁性耦合，使得反磁场能量减少的缘故。通过把自由磁性层采用上述构造，能够得到磁畴单纯的高MR。如果d低于0.3nm则热稳定性恶化。另外如果d在2.6nm以上则静磁耦合成为支配性的。另外，在伴随260℃以上的热处理的情况下，d最好是0.8nm-2.6nm。这种情况下，作为磁性体层的厚度，最好是能够进行适度反强磁性耦合的0.5nm～100nm左右。
作为非磁性体，可以是具有导电性的金属或者金属化合物，而理想的是Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os。另外，也可以是这些金属的合金，或者以50wt％以上包含有这些金属元素的合金或者化合物。这样的合金或者化合物的热稳定性出色，特别是用作为CPP-GMR时，将提高元件磁阻。
构成自由磁性层的磁性体层反强磁性耦合时，如果把从中间层一侧配置在第m(m＝1，2，……)个的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm和平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则m是奇数的Mm×dm的总和最好与m是偶数的Mm×dm的总和不同。在奇数号的层与偶数号的层相同时，由于磁性体层之间进行反强磁性耦合，因此如果外部磁场弱则难以进行磁化旋转。通过设置不增大反磁场程度的差(例如0.5～2Tnm)对于外部磁场能够进一步磁化旋转，能够实现具有低反转磁场和高MR的磁阻元件。
上述元件的自由磁性层包括从中间层一侧开始顺序叠层了的第1磁性体层，第2非磁性体层，第2磁性体层，如果把上述第1磁性体层的平均膜厚记为d11，平均饱和磁化记为M1，在上述第2磁性体层的平均膜厚记为d2，平均饱和磁化记为M2，则
1.1＜(M1×d1+M2×d2)/S＜20(这里S是M1×d1-M2×d2的绝对值)，而且
在①M1×d1-M2×d2＞0时，把第1磁性体层的实效膜厚d11取为
d11＝(M1×d1-M2×d2)/M1在②M1×d1-M2×d2＜0时，把第2磁性体层的实效膜厚d22取为
d22＝(M2×d2-M1×d1)/M2
如果把从上述实效膜厚d11或者d22和自由磁性层面形状求出的外部磁场加入方向的上述自由磁性层面内的反磁场系数记为Nm，则Nm最好是Nm＜0.02。如果(M1×d1+M2×d2)/S的值为1.1以下，则磁畴的单纯化效果减弱，如果为20以上则抗磁力的增长显著。另外，自由磁性层的面形状(例如圆形或者矩形)与从实效膜厚d11或者d22求出的施加磁场方向的反磁场系数Nm为0.02以上，则将引起磁畴形状的紊乱或者磁化旋转所需要的能量增大。
在M2×d2＞M1×d2时，构成第2磁性体层的磁性材料是软磁性材料或硬磁性材料，构成第1磁性体层的磁性材料最好是至少在与中间层的界面中的高自旋极化率材料。软磁性材料的M2×d2如果比高自旋极化材料的M1×d1大，则能够实现对于外部磁场的磁化旋转容易而且磁畴紊乱少，并且具有高MR的磁阻元件。磁化旋转容易的磁阻元件可以用作为磁传感器，而在把自由磁性层用作为存储器时，通过在自由磁性层的膜面内带来适度的形状各向异性，还能够用作为稳定的磁存储器。另一方面，通过硬磁性材料的M2×d2比高自旋极化材料的M1×d1大，能够实现对于外部磁场的磁化旋转困难，而且磁畴紊乱少，并且具有高MR的磁阻元件。通过使用硬磁性材料，即使减小形状各向异性，也能够作为稳定的磁存储器。这里作为高自旋极化材料，最好是自旋极化率为0.45以上，特别是0.5以上的材料。
作为硬磁性材料，例如最好是CoPt，FePt，CoCrPt，CoTaPt，FeTaPt，FeCrPt。。
作为软磁性材料，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微晶体材料，或者MnZn铁素体，NiZn铁素体等氧化物材料等。
作为高自旋极化率材料，最好是以50wt％以上包含
①从Fe，Co，Ni中选择出的金属强磁性元素的磁性体，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等强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是从Ni，Cu，Pt中选择出的至少一种)，LaSrMnO，LaCaSrMnO，CrO2的半金属强磁体，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层包括从中间层一侧顺序叠层了的第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，如果把上述第1磁性体层的平均膜厚记为d1，平均饱和磁化记为M1，把上述第2磁性体层的平均膜厚记为d2，平均饱和磁化记为M2，则M2×d2＞M1×d1，对于外部磁场的变化，即使减小磁阻值也能够做成可以获得一个极大值或者极小值的磁阻元件。这里，构成自由磁性层的2个磁性体层通过非磁性层反强磁性地或者静止耦合地耦合，使得相互的磁化方向反平行并且稳定。如果对于外部磁场大小的磁化旋转的动作不同，则中间层的两侧都可以用作为可磁化旋转的磁性层(自由磁性层)。即使在夹持中间层配置了2个自由磁性层的情况下，至少一方的自由磁性层(最好是更容易磁化旋转的自由磁性层)从中间层一侧开始，包括第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，如果满足M2×d2＞M1×d1的关系，则对于外部磁场的变化，磁阻值至少可以得到一个极大值或者极小值。
如果加入外部磁场，则首先第2磁性体层沿着外部磁场方向旋转。第1磁性体层与第2磁性体层进行反强磁性耦合或者静磁耦合的耦合，对于外部磁场朝向几乎相反方向。进而，如果加入大的外部磁场则发生自旋双稳反转(以下，强耦合时的静磁耦合的反转也称为自旋双稳)，每一个磁性层都朝向外部磁场方向。从而，对于外部磁场的变化，如果把夹持中间层的其它磁性层的磁化方向视为几乎恒定，则在自旋双稳前后，磁阻值取得极大值或者极小值。假如是M2×d2＜M1×d1，则这些极大值或者极小值并不明确地表现。夹持中间层的两个磁性层每一个都包括从中间层一侧顺序叠层了的第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，如果把上述第1磁性体层的平均膜厚记为d1，平均饱和磁化记为M1，把上述第2磁性体层的平均膜厚记为d2，把平均饱和磁化记M2，则满足M2×d2＞M1×d1的关系，如果对于外部磁场的各个矫顽磁力或者自旋双稳磁场不同，则能够取得2值以上的极大值或者极小值。
对于外部磁场的极大值或者极小值能够进行对于外部磁场的磁阻的多值响应。沿着自由磁性层引起自旋双稳磁场的方向加入磁场时，如果去除外部磁场则可逆地返回，如果利用这一点，则至少能够把沿着上述磁场方向被存储了的第2磁性体层的磁化方向作为外部磁场加入时的磁阻的变化非破坏地读出。
自旋双稳磁场的大小能够用磁性体层的种类和膜厚，非磁性体层的种类和膜厚控制。矫顽磁力能够通过材料结晶粒尺寸，材料自身的结晶磁各向异性能量，作为元件形状、膜厚和饱和磁化的函数的形状磁各向异性能量的控制容易地进行调整。
上述元件的自由磁性层包括从中间层一侧顺序叠层了的第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，第2非磁性体层，第3磁性体层，如果把上述磁性体层的平均膜厚记为dn，平均饱和磁化记为Mn(n＝1，2，3)，则是M3×d3＞M1×d1以及M3×d3＞M2×d2，对于外部磁场的变化，第1磁性体层与第2磁性体层的耦合磁场大小可以比第3磁性体层的存储器反转磁场小。该元件根据通过沿着第3磁性体层的磁化的存储方向加入上述存储器反转磁场以下而且上述耦合磁场以上的磁场而产生的磁阻的变化进行检测。
这里，作为存储器层的第3磁性体层在构成自由磁性层的磁性体层中，矫顽磁力或者磁化反转磁场最高，进而通过与第2磁性体层的反强磁性耦合，强磁性耦合或者静磁耦合地耦合。另外第2磁性体层与第1磁性体以反强磁性地或者静磁耦合地进行耦合。另外对于自由磁性层，夹持中间层的相对的其它强磁性体层比第3磁性体层的磁化反转磁场还高，实质上最好视为固定磁性层。如果以第3磁性体层与第2磁性体层，第2磁性体层与第1磁性体层相互反强磁性地进行耦合的情况为例，则沿着存储了第3磁性体层的磁化方向相同的方向加入外部磁场的过程①中，不久在第1磁性体层与第2磁性体层之间产生自旋双稳，第2磁性体层的磁化变化成与外部磁场平行。在该过程①中，几乎不发生固定磁性层与第1磁性体层的磁化相对角的变化。另外如果去除外部磁场则第2磁性体层的磁化返回到初始状态。当然在第1磁性体层与第2磁性体层之间也可以使用不引起自旋双稳程度的磁场。另一方面，在沿着与存储了第3磁性体层的磁化方向反平行方向加入外部磁场的过程②中，第1磁性体层使磁化方向变化成与外部磁场平行，固定磁性层与第1磁性体层的磁化相对角产生变化。
这里，如果外部磁场的大小是使得第3磁性体层不进行反转程度的大小，则在该过程②中如果去除外部磁场，则第1磁性体层的磁化方向返回到初始状态。通过加入分别与过程①以及过程②相当的外部磁场，检测这时的磁阻变化部分，则能够非破坏地判断第3磁性体层的磁化的存储状态。通常，垂直电流型磁阻元件检测包括布线电阻的元件阻值，检测磁化状态，而由于元件电阻的分散性或者布线电阻的分散性等，如果没有比较大的磁阻变化则不能够进行判断。为了克服这一缺点，还提出了读取与基准元件的动作电压的方法，但是将带来布线的复杂化或者降低集成度。另外，还有通过加入外部磁场改变存储方向，检测存储器的方法，但是将破坏存储器。本发明能够在非破坏的状态下检测磁阻元件的存储状态。
上述元件的自由磁性层具有被2层中间层夹持的结构，上述自由磁性层还可以构成为磁性体层与非磁性体层交互叠层的结构。还可以对于自由磁性层，进而在2个中间层的外侧使2个难以磁化旋转的磁性层(固定磁性层)相对。在被2个固定磁性层夹持的自由磁性层中，根据与它们的磁耦合，将显著地损坏自由磁性层的柔软性或者对于外部磁场响应的对称性。如果把自由磁性层取为进行静磁耦合或者反强磁性耦合的多层构造，则能够减少来自固定磁性层的漏磁场的影响。另外，通过自由磁性层具有多层构造，还具有抑制伴随着微细化而产生的自由磁性层的反磁场的效果。
上述元件的自由磁性层具有被2层中间层夹持的结构，上述自由磁性层还可以构成为2n层(n＝1，2，…)的磁性体层与(2n-1)层的非磁性体层相互叠层的结构。还可以对于自由磁性层，进而在2个中间层的外侧使2个难以磁化旋转的磁性层(固定磁性层)相对。
形成自由磁性层的磁性体层之间的耦合比较弱时，对于外部磁场的磁化响应性良好。这是考虑为2n层磁性体层使反磁场能量适度降低那样，在各个磁化平缓束缚的基础上进行磁化旋转的缘故。另一方面，夹持非磁性体层的磁耦合强的情况下，在改善2n层的磁性体层的磁畴构造或者抑制反磁场方面具有效果。另外，叠层了的磁性体层之间的静磁耦合或者反强磁性耦合等磁耦合的强度由非磁性体层的种类和膜厚控制。
实质上也可以把2个磁阻元件串联连接。串联连接的2个元件为了表示出最高的磁阻变化，需要各个元件的磁阻的最大值和最小值的磁化方向相同。如果使2个磁阻元件的极性(夹持中间层的磁性体层相互平行时磁阻低，反平行时磁阻高，或者夹持中间层的磁性体层相互平行时磁阻高，反平行时磁阻低)相互相等，则对于外部磁场的变化，各个元件在取相同磁化排列时可以得到最大的磁阻变化。
在磁性体层是2n，而且构成自由磁性层的磁性体层之间的磁耦合比外部磁场充分弱时，2n层的磁性体都易于与外部磁场方向一致。这时，如果2个磁阻元件的极性相等，则在2个固定磁性层的磁化方向平行时磁阻变化能够取得最大值。
在磁性体层是2n，构成自由磁性层的磁性体层之间的磁耦合比外部磁场充分强时，相邻的磁性体层的磁化朝向相互反平行时，如果2个磁阻元件的极性相等，则2个固定磁性层的磁化方向相互反平行时磁阻变化能够取得最大值。固定磁性层的磁化方向通过改变叠层铁构造的层数能够进行控制。
上述元件至少具有顺序叠层了第1固定磁性层，第1中间层，第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，第2中间层，第2固定磁性层的结构，如果把上述磁性体层n的平均膜厚记为dn，把平均饱和磁化记为Mn(n＝1，2)，则也可以是M2×d2≠M1×d1。这里，第1磁性体层与第2磁性体层也可以进行反强磁性耦合或者静磁耦合使得相互的磁化成为反平行。通过成为相互反平行，将产生把M2×d2以及M1×d1的差作为实效的磁性层的磁化反转。
如果以用第1固定磁性层、第1中间层、第1磁性体层构成的磁阻元件与用第2磁性体层、第2中间层、第2固定磁性层构成的磁阻元件的极性相等为例，则第1固定磁性层与第2固定磁性层的磁化方向最好相互反平行。
第1固定磁性层与第2固定磁性层的磁化方向例如如果把第1固定磁性层做成与第1反强磁性体连接的单层的强磁性体，把第2固定磁性层做成具有由与第2反强磁性体连接的强磁性体/非磁性体/强磁性体构成的结构的叠层铁构造，在能够使相互的固定磁化方向成为反平行。这里举出1例，而通过分别改变固定磁性层的叠层铁片构造的层数，改变自由磁性层的层数，或者用极性不同的磁阻元件构成也可以得到相同的效果，这些在概念上是相同的。
上述元件的至少1层的自由磁性层具有被2层中间层夹持的结构，上述自由磁性层也可以构成为(2n+1)层(n＝1，2，…)的磁性体层与2n层的非磁性体层相互叠层的结构。还可以对于自由磁性层，进而在2个中间层的外侧使2个难以磁化旋转的磁性层(固定磁性层)相对。
在形成自由磁性层的磁性体层之间的耦合比较弱时，对于外部磁场的磁化响应良好。这是考虑为(2n+1)层的磁性体层使反磁场能量适度地下降那样在各个磁化返回到平缓束缚的基础上进行磁化旋转的缘故。另一方面，在夹持非磁性体的磁耦合强时，在改善(2n+1)层的磁性体层的磁畴构造，或者抑制反磁场方面具有效果。另外，叠层了的磁性体层之间的静磁耦合或者反强磁性耦合等磁耦合的强度能够通过非磁性体的种类和膜厚控制。
磁性体层是2n+1，而且构成自由磁性层的磁性体层之间的磁耦合比外部磁场充分弱时，(2n+1)层的磁性体每一个都易于与外部磁场方向一致。这时，如果2个磁阻元件的极性相等，则在2个固定磁性层的磁化方向平行时磁阻变化可以取得最大值。
另外，同样，磁性体层是2n+1，构成自由磁性层的磁性体层之间的磁耦合比外部磁场充分强，相邻的磁性体层的磁化朝向相互反平行时，如果2个磁阻元件的极性相等，则在2个固定磁性层的磁化方向平行时，磁阻变化可以取得最大值。
另外上述元件至少具有按照第1固定磁性层、第1中间层、第1磁性体层、第1非磁性体层、第2磁性体层、第2非磁性体层、第3磁性体层、第2中间层、第2固定磁性层的顺序形成的结构，如果把上述磁性体层n的平均膜厚记为dn，把平均饱和磁化记为Mn(n＝1，2，3)，则也可以成为M3×d3+M1×d1≠M2×d2。
这里，第1磁性体层、第2磁性体层、第3磁性体层进行反强磁性耦合或者静磁耦合使得相互的磁化成为反平行，在M3×d3+M1×d1＞M2×d2的关系成立时，第1磁性体层和第3磁性体层对于外部磁场作用为实效的磁性层。另外这时第2磁性体层由于第1磁性体层与第3磁性体层的磁耦合，对于外部磁场外观上不起到磁性层的作用，在第1磁性体层和第3磁性体层对于外部磁场进行磁化旋转时，与各个磁性层保持反强磁性耦合或者静磁耦合的同时进行磁化旋转。另一方面，在M3×d3+M1×d1＜M2×d2的关系成立时，第2磁性体层对于外部磁场起到实效的磁性层的作用。这时第1磁性体层与第3磁性体层由于与第2磁性体层的磁耦合因此外观上不起到磁性层的作用，在第2磁性体层对于外部磁场进行磁化旋转时几乎同时进行磁化旋转。
在用第1固定磁性层，第1中间层、第1磁性体层构成的磁阻元件与用第3磁性体层、第2中间层、第2固定磁性层构成的磁阻元件的极性相等时，在第1固定磁性层与第2固定磁性层的磁化方向相同时可以得到最大的磁阻变化。而通过改变固定磁性层的叠层铁构造的层数，或者改变自由磁性层的层数，或者用极性不同的磁阻元件构成，也可以得到相同的效果，这些在概念上是相同的。
另外上述元件中，可以做成为构成自由层磁性层的磁性体层中至少1层具有与其余的磁性体层的任一个不同大小的矫顽磁力或者饱和磁化的磁阻元件。
例如，考虑自由磁性层由磁性体层和非磁性体层的多层膜构成，如果把从中间层一侧观看，配置在第m(m＝1，2，…)个的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm与平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则m是奇数的Mm×dm的总和实质上与m是偶数的Mm×dm的总和相等，另外磁性体层之间进行反强磁性耦合或者静磁耦合的情况。在该结构中，在微细加工时，所有的磁性体层通过材料、膜厚等的选择如果是相同的矫顽磁力，则容易进行自由磁性层的磁化旋转，另一方面，却难以进行磁化状态的存储。但是，如果在磁性体层的一个中使用比其它的磁性体层矫顽磁力高的材料，则能够抑制微细型化时所产生的反磁场效果，而且能够在自由磁性层内产生存储磁化状态的适度的矫顽磁力。该结构与基于利用了形状各向异性的单轴各向异性的存储器过大地依赖于元件微细化的精度，而且在微细化时易于过渡地进行矫顽磁力化的情况相比较，具有可以得到稳定的适度矫顽磁力的优点。
另外例如，考虑在构成自由磁性层的磁性体层的内部，如果把从中间层一侧配置在第m(m＝1，2，…)个的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm与平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则m是奇数的Mm×dm的总和与m是偶数的Mm×dm的总和不同，磁性体层之间进行反强磁性耦合或者强静磁耦合的情况。微细化了的元件的反转磁场几乎与奇数层与偶数层中的差成比例。为了适度地保持微细加工元件中的反转磁场，可以控制Mm或者dm。但是在被微细加工到亚微细粒的元件中，在实际膜厚的控制中将产生技术上的界限，产生反转磁场的分散性。从而，如果在决定反转磁场的磁性体层中进行设计使得选择M小的材料，则能够抑制大面积中的元件的反转磁场的分散性。
另外，自由磁性层至少由第1磁性体层、第1非磁性体层、第2磁性体层这3层构成，把M2×d2＞M1×d1磁阻元件记为元件A，把从中间层开始具有第3磁性体层和第4磁性体层，而且具有M3×d3＞M4×d4的自由磁性层的磁阻元件记为元件B，上述元件A以及上述元件B可以组合用作为垂直电流型元件，使得对于相同的外部磁场进行响应，而且把上述元件A以及上述元件B的相互的输出进行加法或者减法运算。
如果依据该结构，则在元件A中第1磁性体层，在元件B中第2磁性体层分别朝向与外部磁场相同的方向。从而与中间层相对的第1磁性体层在元件A和元件B中朝向不同的方向。元件A和元件B的固定层如果都是相同的朝向，则对于同一方向的外部磁场，元件A取得最大阻值的状态与元件B取得最大阻值时的外部磁场的朝向相互不同。用作为器件时，除去磁阻元件的阻值以外，还要乘上周边的电路电阻值，因此不能够充分地获得S/N，而如上述那样把A、B这2个元件组合起来，通过抵消基本阻值(电路阻值+元件低阻时的阻值)，能够得到高S/N。
本发明的另一个方案是提供垂直电流型磁阻元件，该磁阻元件的特征是包括中间层和夹持上述中间层的一对磁性层，上述磁性层的一方是比另一方的磁性层对于外部磁场难以磁化旋转的固定磁性层，而且上述固定磁性层与基底层或者反强磁性体层连接，而且电流流过的元件面积(中间层的面积)为1000μm2以下，最好是10mμ2以下，更理想的是0.1μm2以下。该固定磁性层至少具有由一层非磁性体层，夹持上述非磁性体层的磁性体层构成的多层构造，上述非磁性体层的厚度d是0.3nm＜d＜2.6nm的范围。
固定磁性层对于外部磁场最好是比另一方的磁性层(自由磁性层)难以进行50Oe以上磁化旋转。
通过采用这样的结构，非磁性体层与磁性体层进行反强磁性耦合，使磁畴单纯，能够得到高MR。这时，如果d成为0.3nm以下则热稳定性恶化。在d为2.6nm以上时，前述的静磁耦合成为支配性的。伴随着300℃以上的热处理的情况下，d最好是0.7nm～2.6nm的范围。作为磁性体层的厚度，最好是可以进行强反强磁性耦合的0.3nm～10nm左右。
作为非磁性体，只要是具有导电性的金属或者金属化合物则任一种均可，特别最好是Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os。另外，还可以是这些金属的合金或者以50wt％以上包含这些金属元素的合金或者化合物。
在构成固定磁性层的磁性体层内，如果把从中间层一侧配置为第m(m＝1，2，…)个的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm与平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则通过m是奇数的Mm×dm的总和实质上与m是偶数的Mm×dm的总和相等，能够使对于外部磁场的磁化旋转困难。
但是，自由磁性层在通过偏置磁场进行磁畴控制时，或者根据所谓的瓣形效应等，进行与中间层等的正耦合时，以矫正该磁场偏移为目的，也可以通过使m是奇数的Mm×dm的总和与m是偶数的Mm×dm的总和稍稍偏离，发生偏置。其中该微小偏移量的上限由磁化饱和×膜厚表示，最好是2nmT以下。
把固定磁性层从中间层一侧交互叠层了2n层的磁性体层与(2n-1)层的非磁性体层的磁阻元件作为元件A，把固定磁性层从中间层一侧交互叠层了(2n+1)层的磁性体层与2n层的非磁性体层的磁阻元件作为元件B(n＝1，2，3，…)，可以把1对或者2对以上的元件组合使用，使得上述元件A以及上述元件B的自由磁性层对于相同的外部磁场进行应答，而且把上述元件A以及上述元件B的相互的输出进行加法或者减法运算。这里，构成各个固定磁性层的磁性体层之间最好通过反强磁性耦合或者静磁耦合使得相互的磁化方向反平行。
如果依据该结构，则元件A与元件B的极性相同(夹持中间层的磁性体层之间的磁化方向平行时阻值低(或者高)，或者磁化方向相互反平行时阻值高(或者低))时，对于来自同一方向的外部磁场，元件A取得最大阻值的状态与元件B取得最大阻值时的外部磁场的朝向相互不同。用作为器件时，除去磁阻元件的阻值以外，由于还加入周边的电路阻值，因此不能够充分得到S/N，而如上述那样，把A、B两个元件组合，能够抵消基本阻值(电路的阻值+元件的低阻时的阻值)，能够得到高S/N。
如果把构成自由磁性层内的非磁性体，或者构成固定磁性层内的非磁性体层的至少一部分取为从氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物选择出的至少一种化合物，则耐热性将提高。这是由于这些化合物比与磁性体层相互扩散时的能量值，作为化合物状态的能量值更稳定。其中，非磁性体层作为总体最好是导电体，是充分低的阻值。
作为非磁性体的一部分是上述化合物的形态之一，可以举出非磁性体层是由从氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中选择出的至少一个构成的至少1层非磁性体与至少1层非磁性金属的多层膜。例如，能够通过把上述的非磁性金属X(X＝Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os)与从氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中选择出的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)做成两层以上的多层膜，也将提高耐热性。
如果使用包括从IVa～VIa，VIII(但是除去Fe，Co，Ni)以及Cu选择出的至少一种的基底层，特别是固定层是磁性体层与非磁性体层的多层膜时，即使不使用IrMn，FeMn等反强磁性材料，在刚刚成膜以后，也将产生强反强磁性耦合。另外，由于不使用含有Mn的反强磁性材料，因此能够抑制热处理时由于Mn扩散引起的MR降低。
基底层与磁性体层连接，上述基底层与上述磁性体层如果是从fcc或fcp构造选择出的至少一种晶体构造，或者每一种都是bcc构造，则将特别增强固定层内的磁性体层之间的反强磁性耦合。
反强磁性体层如果是从Mn，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au，Al选择出的至少一种与Cr的合金，则能够得到出色的耐热性。其中，在合金中也可以在10at％以下的范围包含有上述以外的元素。
特别是，反强磁性体层由组成式CrX100-MMeX(Me是从Re，Ru以及Rh中选择出的至少一种)表示，如果是1≤X≤20的范围，则可以得到出色的耐热性。
另外，特别是反强磁性体层由组成式Mn100-XMeX(Me是从Pd以及Pt中选择出的至少一种)表示，如果是40≤X≤55的范围，则可以得到出色的耐热性。这是考虑为与IrMn，FeMn相比较，由于贵金属的含有量高的缘故。在该MnMe组成中，进而还可以在含有量为10at％以下的范围含有Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au，Al等其它的元素。
进而，反强磁性体层形成在基底层上，如果上述基底层和上述反强磁性体层是从fcc，fct，fcp以及hct构造中选择出的至少一种晶体构造，或者上述基底层和上述反相磁性体层都是bcc构造，则将提高耐热性。这考虑为通过基底层促进反强磁性体的晶体生长，减少畸变，抑制构成反强磁性体的元素的扩散的缘故。
特别是，反强磁性体层用Mn100-XMeX(Me是从Pd以及Pt中选择出的至少一种)表示，是40≤X≤55的范围，如果基底层是NiFe或NiFeCr，则将提高反强磁性体层的结晶性。这种情况下可以看到在300℃以上的热处理中耐热性的显著提高。
这考虑为减少由于结晶性的提高引起的畸变，进而，抑制热处理时的晶粒生长的效果。
与反强磁性体连接的磁性体层如果是Co，则能够特别抑制与反强磁性体的相互扩散。
上述元件中，也可以把与从反强磁性体层以及非磁性体层中选择出的至少一方连接的磁性体层的至少一部分取为包含有从氧、氮以及碳中选择出的至少一种元素的强磁性体。通过使用对于热相对稳定的物质，能够抑制基于热处理时的层间扩散的恶化。该磁性体层可以是①金属反强磁性体/含有氧、氮或者碳的强磁性体/金属反强磁性体的3层构造，②含有氧、氮或者碳的强磁性体/金属强磁性体的2层构造或者③磁性体层全部是含有氧或者氮的强磁性体。作为含有氧的反强磁性体，例如最好是从Fe3O4，MnZn铁素体，NiZn铁素体等的铁素体材料为代表的尖晶石型氧化物，拓榴石型氧化物，MFeO3氧化物，TMO(从T＝Fe，Co以及Ni中选择出的至少一种，从M＝Al，Si，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr以及Mg中选择出的至少一种)等表示的氧化物强磁性体。作为含有氮的强磁性体，最好是TN，TMN(这里，T，M与上述相同)等的氮化物反强磁性体。另外作为含有碳的强磁性体，最好是TMC(这里，T，M与上述相同)等的碳化物强磁性体。
上述元件中，也可以把与从反强磁性体层以及非磁性体层中选择出的至少一方连接的磁性体层的至少一部分取名为非晶型强磁性体。这是因为可以抑制热处理时的层间扩散。作为非晶型材料，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，如果把固定磁性层的膜厚记为df，反强磁性体的厚度记为da，则最好是取
2nm≤df≤50nm
5nm≤da≤100nm
0.1≤df/da≤5的范围。如果固定磁性层的厚度比2nm薄，则有时通过反强磁性材料的扩散将引起固定层的磁恶化。另外如果比50nm厚，则有时将加大基于微细形状的膜面内的反磁场，产生磁畴的紊乱，或者不能够得到基于反强磁性材料的充分的固定磁场。如果反强磁性体的厚度比5nm薄，则有时不能够得到充分的固定磁场。如果比100nm厚，则有时通过层间扩散将促进固定层的磁恶化。特别是在350℃以上的热处理以后，MR的恶化减少的理想的df与da的比是0.1≤df/da≤5。如果比0.1小，则易于引起层间扩散，另外如果比5大，则将易于减弱基于反强磁性体的固定磁场，或者由于反磁场加大磁畴的紊乱。
上述元件形成在下部电极上，可以把上述下部电极做成金属多层膜。在元件中流过电流的下部电极为了抑制基于形状效果的特性分散性，需要较厚地形成为数十nm左右到数百nm左右。由此根据热处理温度不能够忽视晶粒生长，将特别地产生分散性。为了抑制晶粒生长通过把下部电极取为不同材料的多层构造能够提高耐热性。
作为金属多层膜，最好是从Ag，Au，Al中选择出的至少一种为主成分(50wt％以上)的高导电性金属层与由①从IVa～VIa(Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mn，Mo)以及VIII(Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Re，Os，Ir)中选择出的至少一种成分为主成分的金属以及②从导电性氧化物，导电性氮化物以及导电性碳化物中选择出的材料的某一种构成的晶粒生长抑制层的多层膜。作为高导电性金属层的厚度，最好是数nm～100nm左右，而最为作为晶粒生长抑制层最好是数nm～数nm左右，在本说明书中所谓主成分指的是占50wt％以上的成分。
如果把中间层做成包含从氧、氮、碳以及硼中选择出的至少一种元素的绝缘体或者半导体，则构成利用了隧道磁阻效应的垂直电流型磁阻元件。作为理想的中间层的材料，可以举出例如SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C，DLC(钻石类碳)，C60，或者上述化合物的混合物。
另一方面，如果把从中间层做成从迁移金属中选择出的至少一种构成的金属，或者迁移金属与从氧、氮以及碳中选择出的至少一种导电性化合物材料，就可以制做具有低矫顽磁力以及高耐热性的利用了CPP-GMR效果的垂直电流型磁阻元件。在该CPP-GMR元件中，元件面积最好是0.01μm2以下。
元件面积在0.01μm2以下，则能够谋求提高元件阻值，同时能够通过上述磁阻元件解决微细化产生的抗磁力恶化，耐热性恶化的课题。
作为中间层，即使是迁移金属，最好也是特别地从V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re以及Os中选择出的一种。通过使用这些元素在不失去导电性的程度上的氧化、氮化或者碳化了的导电性化合物，或者上述迁移金属X与从氧化物、氮化物、碳化物、硼化物中选择出的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那样2层以上的多层膜能够提高元件阻值以及提高耐热性。
如果把夹持中间层的磁性层的至少一方的至少一部分做成含有氧、氮或者碳的强磁性体，或者非晶型强磁性体，则能够提高基于CPP-GMR的效果的垂直电流型磁阻元件的元件阻值。作为含有氧的反强磁性体，例如最好是以Fe3O4，MnZn铁素体，NiZn铁素体的铁素体材料为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)等的氧化物强磁性体。作为含氮的强磁性体，最好是TN，TMN(这里，T，M与上述相同)等的氮化物强磁性体。另外作为含有碳的强磁性体，最好是TMC(这里，T，M与上述相同)等。作为非晶型材料，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。
如果把垂直电流型磁阻元件的自由磁性层作为磁存储器层，则能够用作为具有高S/N，低功耗的存储器元件。
另外垂直电流型磁阻元件还可以具备磁通导向体，特别是通过把自由磁性层的至少一部分用作为磁通导向体，能够减少巴克好森噪声，用作为高S/N的磁再生元件。
如果把自由磁性的元件形状的最长宽度记为a，最短宽度记为b，则通过a/b为5＜a/b＜10以下，能够制做存储稳定性高的磁阻元件，或者再生灵敏度高的磁阻元件。
另外，在把垂直电流型磁阻元件进行300℃～450℃的热处理后，实施200℃～400℃的磁场中热处理，则能够得到出色的MR特性。这里，300℃～450℃的热处理也可以是氢烧结或者钝化膜的形成等的所谓的过程热处理。在尼耳温度或者闭塞温度附近的热处理以后，通过实施磁场中热处理，特别地同样决定反强磁性体的磁场方向。
特别是在使用了反强磁性体的元件中，通过实施300℃～450℃的磁场中热处理，能够进一步得到强固定磁场。
在把本发明的垂直电流型磁阻元件与半导体器件等混合搭载的情况下，例如在形成了CMOS等半导体元件和伸出电极的基板形成了至少由1层反强磁性体层、固定磁性层、中间层以及自由磁性层构成的多层膜以后，在200℃～50℃的温度下进行磁场中热处理，在反强磁性体、自由磁性层等中进行单轴各向异性形成工艺。
该工艺最好是反磁场的影响最少，并且在磁性多层膜的微细化之前进行。在进行元件微细加工，电极布线等过程中，进而在还原电极等的氧化物，使布线阻抗为低阻抗的目的下，可以在300℃～450℃的还原气氛中，例如含有氢的气氛中，进行热处理。在还原气氛中的热处理以后进而在磁场中进行热处理，将有效提高元件特性，而如果考虑电极等的氧化，则预先实施磁场中热处理的过程在工业方面是有用的。作为反强磁性材料，特别地最好是PtMn，PtPdMn。
另外，也可以做成搭载多个垂直电流型磁阻元件，而且把基于电磁波的通信信息保存在上述垂直电流型磁阻元件的自由磁性层中的便携装置。该装置中，除去MRAM的非易失性而且高速的特征以外，还由于实现低矫顽磁力低功耗，因此在便携装置中，能够用作为图像、声音等的大容量，高速写入、读出所需要的存储器。
另外，也可以做成具有至少顺序地形成了第1固定磁性层，第1中间层，第1自由磁性层，非磁性导电层，第2自由磁性层，第2中间层、第2固定磁性层的结构，而且上述第1自由磁性层或者上述第2自由磁性层中至少一方具有交互叠层了磁性体层和非磁性体层的结构的磁阻元件。
通过非磁性导电层，把第1固定磁性层，第1中间层，第1自由磁性层以及第2自由磁性层，第2中间层，第2固定磁性层电串联连接，例如在中间层是使用隧道效果的绝缘体的情况下，能够减轻同一偏置中的磁阻的恶化程度。另外，例如，在中间层是使用CPP-GMR效果的导电体时，通过串联连接，能够提高元件阻值。2个自由磁性层通过位于2个中间层所夹的区域中，能够抑制由于外部磁场的分布引起的磁化旋转的分散性。自由磁性层中，至少一层通过具有交互叠层了磁性体层和非磁性体层的结构，能够减轻微细化引起的反磁场。
另外，也可以做成经过非磁性导线层邻接的磁性体层的磁化方向相互反平行的磁阻元件。经过非磁性体邻接的磁性体层的磁化方向是相互平行时，经过非磁性导电层，由于相邻的磁化的静磁能量高，因此将产生对与外部磁场的非对称性。为此，即使2个自由磁性层存在于中间层相同的区域一侧，其结果仍然使对于外部磁场的磁阻变化的响应性恶化。通过相互成为反平行状态，能够把静磁能量的增长减小到最小，能够提高微细化时的元件驱动稳定性。
另外，也可以做成非磁性导电层的厚度是2.6nm-50nm的磁阻元件。如果非磁性导电层厚度比2.6nm薄，则由于反强磁性交换耦合或者强磁性交换耦合增强因此不理想。如果比50nm厚，则不能够忽视外部磁场分布的影响，2个自由磁性层感应的磁场的大小不同。作为在非磁性导电层中使用的材料，虽然没有特别的限制，可以是电阻率1000Ωcm以下。例如，可以是Cu，Al，TiN，TiWN，CuAl，CuAlTi，Ag，Au，Pt等作为通常导电性电极材料使用的非磁性体。
另外，在由4层固定磁性层，2层自由磁性层，四层中间层构成的磁阻元件中，可以做成自由磁性层的至少一方是交互叠层了磁性体层和非磁性体层结构的磁阻元件。
上述结构的代表例是第1反强磁性体层/第1固定磁性层/第1中间层/第1自由磁性层/第2中间层/第2固定磁性/第2反强磁性体层/第3固定磁性层/第3中间层的/第2自由磁性层/第4中间层/第4固定磁性层/第3反强磁性体层。固定磁性层在由具有高矫顽磁力的磁性体构成的情况下，或者由叠层铁构成的情况下，不一定需要反强磁性体。通过采用上述结构，能够把具有4层中间层的TMR元件或者CPP-GMR元件的总体厚度减少到最小，因此能够实现具有4层中间层的器件的小型化。进而，在TMR元件中，能够显著地改善偏置的依赖性。在CPP-GMR元件中，能够实行高阻化。自由磁性层通过把磁性体层和非磁性体层多层化，能够抑制反磁场引起的特性恶化。固定磁性层通过把磁性体层与非磁性体层多层化，能够改善自由磁性层的磁非对称。
另外，可以做成至少具有叠层了固定磁性层，中间层，自由磁性层的结构，上述自由磁性层与缓冲层连接，在上述缓冲器与上述缓冲层邻接的磁性体组成中，包含10wt％～50wt％的非磁性元件，而且饱和磁化为0.2T以下的组成的磁阻元件。自由磁性层由于抑制反磁场、因此在薄膜化到2nm以下时，由于薄膜化引起的结晶构造的紊乱或者制做时的界面反应等磁特性将恶化。作为与自由磁性层连接的缓冲层，通过使用在构成自由磁性层的磁性体成分中加入了非磁性元件的材料，例如在把缓冲层用作为自由磁性层的基底时具有自由磁性层的结晶性提高或者在自由磁性层的上部使用时具有抑制由界面反应引起的磁恶化的效果。自由磁性层既可以是单层，另外也可以是把磁性体层与非磁性体层多层膜化的多层。在后者的情况下，缓冲层最好与磁性体层连接。
为了抑制反磁场缓冲层的饱和磁化最好是0.2T以下。另外从缓冲层的结晶构造维持以及饱和磁化的抑制出发，加入到磁性体成分中的非磁性元素最好是10wt％-50wt％。
另外，可以做成包含在缓冲层中的非磁性元件中，包含有至少从Cr，Mo以及W中选择出的一种的磁阻元件。这些材料例如通过与Fe，Ni，Co，FeNi，FeCo，CoFeNi合金，在自由磁性层的薄膜化中显示出出色的效果。另外，在这些材料中，特别是最好把磁性体层做成NiFe的NiFeCr，最好是(NiFe)61Cr39的组成附近。
另外，还可以做成自由磁性层至少由1层非磁性体层和把上述非磁性体层夹持在中间的磁性体层构成，上述磁性体层的膜厚的总计至少是4nm的磁阻元件。通过把自由磁性层采用磁性体层与非磁性体层的多层构造，能够抑制伴随着元件等微细化的抗磁力的增长。例如在把自由磁性层用作为存储器时，例如使用电流发生磁场进行存储器反转时，具有降低功耗的优点。但是，另一方面，在用KuV/kBT(Ku是单轴各向异性能量，V是体积，kBT是玻尔兹曼常数以及绝对温度)所表示的热稳定性指标中，由于减小Ku(抗磁力＝2Ku/M；M是磁化)，存储器的热稳定性强恶化。但是，通过加大包含在多层膜化时的存储器(自由磁性层)内的磁性体层的体积V，能够提高热稳定性。磁性体层的全部膜厚最好是4nm，更好的是8nm以上。
本发明的磁阻元件的最单纯的基本结构可以是在把中间层夹持在中间的至少2层磁性层之间通过中间层流过电流的形状。在最单纯的结构中，在绝缘基板或者导电基板上使用气相成膜法形成下部电极/(基底层或者反强磁性层)/固定磁性层/中间层/自由磁性层。也可以形成下部电极(基底层)/自由磁性层/中间层/固定磁性层(反强磁性体层)。在把该多层膜加工成台面型，在用层间绝缘体覆盖了侧面以后，形成上部电极，在下部电极与上部电极之间流过电流，读出对应于磁性层之间的磁化相对角的变化的电压变化。
形成各个磁性体，反强磁性体，层间绝缘层，电极，中间层等的气相成膜法是使户离子束沉积(IBD)，簇型离子束，RF，DC，ECR，螺旋形极化天线(ハリユニ)，ICP，相对阴极等的溅射法，MBE，离子喷镀法等通常在薄膜形成中使用的PVD制做。在层间绝缘层或者中间层的制做中也可以使用CVT。进而，各个层是氧化物，氮化物，碳化物，硼化物等的情况下，也可以使用化学束外延附生法，气源MBE，反应性蒸镀，反应性溅射制做。用气相成膜法形成以后，通过控制适当的分压，反应温度、时间等，使反应元素的原子，分子，离子(等离子)，基反应后进行制做。在等离子或者基的制做中，能够通过ECR放电，辉光放电，RF放电，螺旋形极化天线或者ICP等发生。
另外，本发明的磁阻元件的台面型加工能够使用在通常的微细加工过程中使用的离子磨碎，RIE，EB，FIB等物理的或化学的刻蚀法，使用了根据需要的线宽的光刻技术进行制做。另外，为了下部电极的平坦化，通过使用CMP法，簇型离子束刻蚀法等也能够有效地提高MR。
附图简述
图1是本发明的垂直电流型磁阻元件的剖面图。
图2示出实施例1的样品①的曲线。
图3示出实施例1的样品②的曲线。
图4示出实施例1的样品③的曲线。
图5示出对于自由磁性层内的外部磁场的磁化响应。
图6示出元件宽度与抗磁力的关系。
图7是本发明的垂直电流型磁阻元件的剖面图。
图8是本发明的垂直电流型磁阻元件的剖面图。
图9是使用了本发明的磁通导向体的磁传感器的剖面图。
图10是使用了本发明的磁通导向体的磁传感器的动作原理图。
图11示出MR的热处理特性。
图12(A)示出使用了本发明的垂直电流型磁阻元件的存储器，图(B)使用宽度a，b示出自由磁性层的元件形状。
图13是使用了本发明的磁通导向体的磁传感器的剖面图。
图14示出改变了自由磁性层的膜厚结构的MR曲线。
图15是本发明的非破坏读出磁阻元件的动作原理图。
图16是本发明的非破坏读出磁阻元件的动作原理图。
图17示出本发明的非破坏读出存储器的结构。
实施例
实施例1
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的MR元件。图1示出该元件的主要的层。
(样品1)
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(8)/Ta(3)
(样品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)
(样品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)(括号内是膜厚，单位是nm；膜结构从基板一侧开始表示；以下相同)
这里Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)是基板104上的下部电极兼基底层103，PtMn是反强磁性体，CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)是固定磁性层107，Al2O3是中间层106，其余的是自由磁性层105(最表面Ta(3)是保护膜)。
热处理条件是在240℃下在5kOe磁场中进行1.5小时。使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积体成为2～10μm的方形。在形成了层间绝缘膜以后，形成上部电极101做成垂直电流型磁阻元件。如图所示，自由磁性层的电流流过的面积作成为与中间层中电流流过的元件面积相比较稍小的大小。通过四端子法在室温下测定加工了的元件的MR。图2～图4中示出样品1～3的MR曲线例(5×5μm2)。RA(归一化接合电阻)每一个都是60～70Ωμm2左右。在样品1、样品2中，示出通常的电子管型的MR曲线，分别是24％以及30％左右。另一方面，在样品3中MR是25％左右，在400Oe附近可以看到特征的MR值的弯曲。这考虑为在样品3中作为磁性体层的NiFe之间随着外部磁场加大，自旋双稳化，该变化观测为磁阻的变化的缘故。即，如果在图5中模式的示出的自由磁性层内的对于外部磁场的磁化响应那样，在样品1、样品2中，随着外部磁场增强，自由磁性层的磁化方向接近于与外部磁场方向相同的方向。另一方面，在样品3中，膜厚厚的磁性体层(中间层一侧记磁性体层)由于对于外部磁场一起朝向相同方向，因此MR成为最大(在本实施例中夹持中间层的上下的磁化方向反平行)，是400Oe左右，这考虑是由于夹持自由磁性层的非磁性体层的上下的磁性层暂时进行自旋双稳(图5，a)，因此夹持中间层的磁化的反平行状态崩溃，MR降低的缘故。然后，为了把构成自由磁性层的磁性体层的每一个对于外部磁场都成为相同，再次开始增大MR。
其次，从这些样品中的50Oe的曲线的形状，观察到在样品1中抗磁力大，而且矩形形状差。在样品2中抗磁力最小，而且形状也比较好。另外在样品3中矩形形状最好，但是抗磁力比较大。
图6示出各个样品对于元件宽度的抗磁力的变化。在样品1中随着元件尺寸成为微细，可以见到考虑为起因于反磁场的抗磁力的增大。另外在样品3中，与样品1相比较对于元件宽度的减少的抗磁力的增长平缓，在2×2μm2的元件中可以看到比样品1下降的倾向。这考虑是通过在磁性体层中采用与设置了膜厚差的非磁性体层的多层构造，使得实质上受反磁场影响的磁性层的膜厚成为2nm左右的缘故。另一方面，在样品2中，几乎看不到对于元件宽度的抗磁力增大。这考虑为来自夹持作为非磁性体层的Ta层的，具有相同膜厚的2层的NiFe的漏磁场通过静磁耦合抑制了反磁场的结果。
在样品2中，改变作为被NiFe夹持的非磁性体层Ta的厚度，了解抗磁力的变化。元件尺寸取为2×2μm2。其结果，在厚度为2.6～10nm的范围中可以得到比样品1低的抗磁力。作为非磁性磁性体层，除去Ta以外，对于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等调查的结果，非磁性的金属，氧化物，氮化物，碳化物等每一种都具有与Ta相同的效果。
其次，对于样品2，把元件尺寸取为2×2μm2，调查了夹持Ta的2层的NiFe厚度。首先，把2层的厚度取为相同，使厚度改变的结果，可以确认在1nm～100nm内抗磁力减少。在该膜厚的范围内，制做成使得夹持Ta层的2层的NiFe的厚度不同的结果，与相同膜厚时相比较可以看到抗磁力增加的倾向。进而对于自由磁性层
样品a：NiFe(X)/Ta(3)/NiFe(Y)/Ta(3)/NiFe(Z)
样品b：NiFe(X)/Ta(3)/CoFe(Y)/Ta(3)/NiFe(Z)
样品c：NiFe(X)/Ta(3)/NiFe(Y)/Ta(3)/CoFe(Z)通过使X，Y，Z进行各种变化，调查该磁性体层的膜厚差的关系。其结果，在样品a中，在X+Y+Z的厚度一定的条件下，在X+Z＝Y的条件下可以得到低抗磁力，进而在X＝Z时几乎得到最小值。另外在样品b中，在X+Y+Z的厚度一定的条件下，如果把NiFe的饱和磁化记为Ms1，把CoFe的饱和磁化记为Ms2，则在Ms1×(X+Z)＝Ms2×Y的条件下可以得到低抗磁力，最小值是x＝Z的时候。进而在样品c中，在Ms1×X+Ms2×Z＝Ms1×Y时得到低抗磁力。从以上可知，在把构成自由磁性层的磁性体层的内部，从中间层一侧配置为第m(m＝1，2，……)个的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm与上述平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则m是奇数的Mm×dm的总和与偶数时的Mm×dm的总和实质上相同时可以做成得到低抗磁力的磁阻元件。
另外，对于样品3，作为被NiFe夹持的非磁性体层，使用V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Re，Ru，Os，Rh，Ir，Cu，Ag或者Au调查了抗磁力的变化。元件尺寸是2×2μm2。与样品3相同，抗磁力的值比样品1小的非磁性体层厚度在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，在比大约1nm小的区域中示出了最小值。另外，随着非磁性体层厚度的增加，每一个一旦抗磁力达到与样品1相等则增大，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，能够确认再次减少到1.5～2.6nm。另外，由于把每一个非磁性体层厚度从成膜速度换算，因此与实际的膜厚存在多少误差。另外，在2.6nm以上可以确认抗磁力减少，但是与样品2相同，不能够观测到自旋双稳。本实施例的非磁性体层除去单元素以外，也可以是从这些元素中选出的合金，或者把这些元素的一部分与氮、氧等发生反应的混合物。
其次，在样品3以及样品1是相同结构，把元件尺寸做成2×2μm2垂直电流型磁阻元件中，把自由磁性层的结构取为
样品d：NiFe(2×X)
样品e：NiFe(5/4×X)/Ru(0.7)/NiFe(3/4×X)(括号内的公式是NiFe的厚度，单位是nm)
通过改变X调查磁性体层的膜厚依赖性，其结果，在0.5nm～100nm内，在样品b的结构中可以确认抗磁力减少。对于100nm以上由于难以进行元件加工因此没有进行测定，但是认为能够期待同样的效果。
在该膜厚的范围内，制做成使得夹持Ru层的2层的NiFe厚度相同的结果，与不同膜厚时相比较MR减少。进而，把自由磁性层做成
样品：NiFe(X)/Ru(0.7)/NiFe(Y)/Ru(0.7)/NiFe(Z)
样品：NiFe(X)/Ru(0.7)/CoFe(Y)/Ru(0.7)/NiFe(Z)
样品：NiFe(X)/Ru(0.7)/NiFe(Y)/Ru(0.7)/CoFe(Z)通过使X，Y，Z进行种种变化，调查该磁性体层的膜厚差的关系。其结果，在样品下，在X+Y+Z的厚度一定的条件下，在X+Z＝Y的条件下MR小，进而在X＝Z时几乎成为最小值。另外在样品g中，在X+Y+Z的厚度一定的条件下，如果把NiFe的饱和磁化记为Ms1，把CoFe的饱和磁化记为Ms2，则在Ms1×(X+Z)＝Ms2×Y的条件MR小，最小值是X＝Z时。进而在样品h中，在Ms1×X+Ms2×Z＝Ms1×Y时MR成为最小值。
通过以上可知，如果把构成自由磁性层的磁性体层内，从中间层一侧配置在第m(m＝1，2，……)个的磁性体层作为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm与平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则m是视奇数时的Mm×dm的总和与m是偶数时的Mm×dm的总和不同的垂直电流型磁阻元件中可以做成具有高MR的磁阻元件。
以上，作为自由磁性层的磁性体层以及固定磁性层的中间层附近的磁性体层，使用了NiFe或者CoFe，而使用上述例示的磁性材料也能够得到同样的效果。
实施例2
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(32)/Al2O3(X)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)这里，所谓*4意味反复4次制做(CoFe(4)/Ta(3)/CoFe(4))层。
使用光刻法，把多层膜微细加工成台面型，使得各个元件面积成为2×5，10×25，20×50，40×100μm2，形成层间绝缘体膜后，形成上部电极，做成具有图7以及图8所示剖面的垂直电流型磁阻元件。这些元件中与图1不同，在基板一侧配置着自由磁性层105。另外，作为样品1～3的中间层的Al2O3膜厚在各个元件面积中，调整膜厚使得测定值成为100μm左右。微细加工以后，在300℃，5kOe的磁场中进行1.5小时热处理。
在微细加工成图7形状的样品1～3中，比较各个的抗磁力与MR的结果。其结果示于(表1)。在元件面积为2×5～20×50μm2大小的样品中，样品2，3分别比样品1示出低抗磁力和高MR。另一方面，在元件面积是40×100μm2时，样品2，样品3虽然MR都高，但是样品3的抗磁力比样品2上升。【表1】
  元件形状     样品1MR(％)/抗磁力(Oe)     样品2MR(％)/抗磁力(Oe)     样品3MR(％)/抗磁力(Oe)
  2×5     39/49     46/40     46/3
  10×25     40/18     46/16     47/3
  20×50     41/15     48/15     49/2
  40×100     37/9     45/10     45/3
另外，把相同的样品微细加工成图8的形状，把自由磁性层的面积做成比元件面积大的结果，MR分别上升1～2％，改善了滞后形状矩形。
实施例3
使用磁控管溅射法在Si热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，把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2μm的方形，形成层间绝缘膜以后，形成上部电极，制做了具有图1所示的剖面的垂直电流型磁阻元件。热处理条件在260℃，5kOe的磁场中进行1.5小时。在±200Oe外加磁场中把所制做的元件测定MR，了解在比较小的外部磁场中MR的变化。结果示于(表2)。另外，这里，CoFe的饱和磁化M1是2.15T，NiFe的饱和磁化M2是1T，在该组成中，CoFe是更高自旋极化率。表中Nm是根据d22＝(M2×d2-M1×d1)/M2计算出相应于外部磁场的实效膜厚d22，求出了外加磁场方向中的膜面内的反磁场系数的值。S是M1×d1-M2×d2的绝对值。【表2】
    d1(nm)     d2(nm)     (M1×d1+M2×d2)/S     (M2×d2-M1×d1)/M2     Nm  MR(％)
 2  4.5  44  0.2  0.00008  40
 2  4.8  18.2  0.5  0.0002  46
 2  5  13.28571429  0.7  0.003  47
 2  10  2.50877193  5.7  0.004  49
 2  20  1.547770701  15.7  0.008  43
 2  30  1.33463035  25.7  0.012  41
 2  50  1.188183807  45.7  0.019  40
 2  100  1.089864159  95.7  0.036  30
从(表2)可知，(M1×d1+M2×d2)/S的值比1大比20小，而且在Nm比0.02小的区域中能够得到高MR。这考虑为在Nm大时，产生磁畴紊乱，MR减少，另外，在(M1×d1+M2×d2)/S大时，由于强烈地受到反强磁性耦合的影响，抗磁力增大，难以进行旋转磁化。
另外，在本实施例中，作为软磁性材料，把Ni81Fe19作为高自旋极化率材料，分别使用FeCo，而使用上述例示的材料也能够得到同样的效果。
实施例4
制做了图9所示的磁通导向体型的传感器。
在用镀NiFe构成的下部屏蔽层201上作为基底层兼磁分离层202成膜了Ta，作为固定磁性层207成膜了PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)，作为中间层206成膜了Al2O3，作为第1磁性体层205成膜了CoFe(1)/NiFe(4)，作为保护层成膜了Ta(2)以后，实施微细加工做成台面型，形成层间绝缘膜203以后，用ECR去除Ta，接着形成了用作为第2磁性体层NiFe构成的磁通导向体210以后，形成作为非磁性体层/第3磁性体层215的Ru(0.7)/CoFe(2)，作为中间层216的Al2O3，作为固定磁性层217的CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(20)和保护层以后，进行台面加工使得残留磁通导向体后，形成层间绝缘膜213，设置磁分离层212和上部屏蔽层211。
另外，多层膜的结构成为以下那样的结构。
下部屏蔽层201/磁分离层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)/磁分离层212/上部屏蔽层211。
其次，把该传感器在260℃的磁场中进行热处理，使固定磁性层207和固定磁性层217的磁化固定在相同方向。磁性体层205与磁性体210进行强磁性耦合，另外磁性体210与磁性体215进行反强磁性耦合。从而在通过磁通导向体插入的外部磁场中，夹持非磁性层的磁性体层的磁化方向分别示出不同的极性。从上部电极(上部屏蔽层)向下部电极(下部屏蔽层)流过电流，把下部电极(下部屏蔽层)与磁通导向体的电位取为V1，把大磁通导向体与上部电极间的电位取为V2，如图10那样获得各个电位的差，得到S/N高的传感器输出。这里，β是放大率。
另外，除去本实施例以外，即使在把自由磁性层作为存储器的MRAM中，也能够得到高S/N。
实施例5
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/(CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3))/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)/O(6)/Ta(3)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)。
这里，(CoFe(Y)/Ru(0.7)/CoFe(Y))*10意味反复10次制做。另外，使用CoFe的饱和磁化是2T，NiFe是1T的材料。
使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2×5，10×25，20×50，40×100μm2，形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。另外，作为样品1～3的中间层的Al2O3膜厚在各个元件面积中，调整膜厚使得测定值成为100Ω左右。在微细加工后，在330℃，5kOe的磁场中进行1.5小时热处理。
在5000e下测定各个MR的结果示于(表3)。
【表3】
  元件形状(μm)     样品1MR(％)     样品2MR(％)     样品3MR(％)
    2×5     25     30     18
    10×25     27     32     18
    20×50     26     31     22
    40×100     17     22     10
在样品1以及2中，即使没有反强磁性体也示出了电子管型元件的MR，与此相对，在样品3中示出了矫顽磁力差型的MR特性。在元件面积是40×100μm2大小的样品中，样品1～3中MR的降低度增大。这考虑为元件面积增大，在超过了1000μm2时，固定磁性层内的磁畴的多轴化显著。另外在任一种元件形状中，样品1或2示出高MR。样品3中MR的降低考虑为是从作为固定磁性层的(CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(3))*10层中产生漏磁场，在作为自由磁性层的磁畴中产生紊乱，MR降低的缘故。另外，与样品1相比较，样品2的MR高，考虑为由于非磁性体层与磁性体层的层数更多，因此作为稳定的固定磁性层发生作用。
这样，如果在把构成固定磁性层的磁性体层内，从中间层一侧配置在第m(m＝1，2，……)个的磁性体层作为磁性体层m，把上述磁性体层m的平均饱和磁化Mm与平均膜厚dm的积记为Mm×dm，则可知通过m是奇数的Mm×dm的总和与是偶数的Mm×dm的总和实质上相等，能够实现高MR。
另外，对于样品2，作为被CoFe夹持的非磁性体层，对V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Re，Ru，Os，Rh，Ir，Cu，Ag或Au调查了MR的变化。热处理温度取为200～450℃。元件尺寸取为2×2μm2。与样品2相同，可以得到高MR的非磁性体层厚度是0.3nm～2.6nm的范围。另外，伴随着热处理温度升高，特别是在0.6nm以下膜厚尺寸的样品中，MR的降低显著。作为非磁性体层，即使是上述金属元素的合金或者以50wt％以上包含这些金属元素的合金或者化合物，可以确认也具有相同的效果。
另外，作为磁性体层的厚度是0.3nm～10nm时，能够实现高MR。
实施例6
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Al2O3(0.25)/CoFe(3)/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/CoFe(3)/RuAlO(0.8)/Ru(0.35)/CoFe(3)/Al2O3(X)/CoFe(1)/NiFe(4)/Ta(3)
这里，使用CoFe的饱和磁化是2.2T，NiFe是1T的材料。
使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2×2μm2，形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做了具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。另外，作为样品1～4的中间层的Al2O3的膜厚在各个元件面积中做成RA成为100Ωμm2左右。
微细加工后，在300℃以及400℃中，在5kOe的磁场中进行了1.5小时热处理。
在500Oe下测定了各个MR的结果示于(表4)。【表4】
温度(℃)   样品1MR(％)   样品2MR(％)   样品3MR(％)   样品4MR(％)
 300     48     43     35     30
 400     2     15     13     11
如(表4)所示，在作为固定磁性层的非磁性体层使用了Ru的样品1中，虽然在300℃的热处理中示出了最高的MR，但是在400℃的热处理后MR的降低最大。这考虑为由于与其它的样品相比较，固定磁场的恶化最大，因此CoFe磁性体层与Ru的层构造由于热处理而紊乱，或者引起相互扩散的缘故。在其它的样品中，在400℃的热处理后固定磁场也很强。样品2～4中的400℃下的MR的降低考虑为包括作为本实施例样品中的中间层的Al2O3的氧化条件不充分的原因。
另外，从其它的试验出发，作为非磁性体层，通过把从金属X(X＝Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re，Os)和氧化物，氮化物，碳化物，硼化物中选择出的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)多层化为2层以上或者采用金属X与氧化物R的混合物，也发现了耐热性的提高。
实施例7
使用磁控管溅射法在单轴磁场中在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/X(3)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Fe3O4(0.25)/Al2O3(X)/Fe3O4(0.25)/NiFe(4)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/Cu(500)/X(3)/Co(3)/Ru(0.7)/Co(3)/Fe3O4(0.25)/Al2O3(X)/Fe3O4(0.25)/NiFe(4)/Ta(3)
这里，X选择Hf(bcc)，Nb(bcc)，Ta(bcc)，Ru(hcp)，Pt(fcc)，Cu(fcc)，CoFe选择成为bcc构造的组成。
使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2×2μm2，形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做了具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。另外，作为样品1、2中的中间层的Al2O3的膜厚X使得在各个元件面积中，RA成为100Ωμm2左右。测定了刚成膜后的MR的结果示于(表5)。
【表5】
X 结晶构造   样品1 bccMR(％)     样品2 hcpMR(％)
    Mn     bcc     3     2
    Ag     fcc     3     5
    Hf     bcc     15     10
    Ta     bcc     15     11
    Nb     bcc     13     8
    Cr     bcc     15     16
    Ru     hcp     7     13
    Pt     fcc     7     14
    Cu     fcc     8     21
其它试验的结果，在固定磁性层是磁性体层与非磁性体层的多层膜的情况下，作为基底层，通过选择从IVa～VIa，VIII以及Cu中选择出的至少一种元素，可知即使不使用反强磁性体材料，也具有刚刚成膜后，产生强反强磁性耦合的作用。另外，使用了这些基底的MR与使用FeMn的反强磁性体相比较，可以确认直到高温下MR的恶化很少。特别是，该基底层和与该基底层连接的磁性体层是从fcc或者fcp构造中选择出的至少一种晶体构造或者每一种都是bcc构造，由此特别加强固定层内的磁性体层之间的反强磁性耦合，具有得到高MR的作用。另外，把这些样品与代替基底层使用了FeMn或者IrMn的样品在300～450℃的磁场中热处理后的MR比较的结果，使用了本实施例的基底是垂直磁阻效应元件显示出高MR。
实施例8
使用磁控管溅射法在单轴磁场中在Si热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)
这里，X是Cr基的反强磁性体材料或者Mn基的反强磁性材料。
使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2×2μm2，形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做了具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。在350℃的磁场中测定了热处理后的MR的结果示于(表6)。
另外，关于分析了表中成分的部分也记为成分比。【表6】
    反强磁性体     MR(％)
    *IrMn     6
    *FeMn     7
    Cr80Mn20     25
    Cr50Mn50     27
    CrTc     10
    *Cr99.5Ru0.5     3
    CR99Ru1     20
    Cr95Ru5     25
    Cr80Ru20     24
    *Cr75Ru25     2
    *Cr99.5Rh0.5     4
    Cr99Rh1     23
    Cr90Rh10     27
    Cr80Rh20     25
    *Cr75Rh25     7
    *Cr99.5Re0.5     6
    Cr99Re1     14
    Cr90Re10     25
    Cr80Re20     17
    *Cr75Re25     5
    CrOs     12
    CrIr     19
    Cr50Pd50     12
    CrPt     13
    CrAg     11
    Cr50Au50     19
    Cr95A15     13
    Cr76A124     22
    Cr70A130     20
    CrPtRu     18
    CrPdRu     17
    CrPtRe     16
    CrPdRe     18
    CrPtRh     15
    CrPdRh     13
*非理想的例子
如(表6)所示，在反强磁性体层是从Mn，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au以及Al中选择出的至少一种合金时，可以得到出色的耐热性。从其它的实验可知，即使以10％以下作为限度包含上述成分以外的添加元素也具有相同的效果。
实施例9
使用磁控管溅射法在单轴磁场中在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/X(30)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(2)/X(30)/CoFe(3)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)
样品3
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(2)/X(30)/Co(2)/CoFe(1)/Al2O3(1)/NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/Ta(3)
这里，X是Mn基的反强磁性材料。
使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2×2μm2，形成层间绝缘后，形成上部电极，制做了具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。在5kOe的磁场中以350℃的热处理后的MR值的结果示于(表7)。
另外，有关分析了表中成分的部分也记为成分比。【表7】
反强磁性体   样品1MR(％)   样品2MR(％)   样品3MR(％)
    *IrMn     6     7     9
    *FeMn     7     8     10
    *Pt35Mn65     1     1     1
    Pt40Mn60     18     24     25
    Pt48Mn52     26     29     31
    Pt55Mn45     17     19     22
    *Pt60Mn40     2     2     2
    *Pd35Mn65     1     1     1
    Pd40Mn60     11     14     15
    Pd50Mn50     16     18     20
    Pd55Mn45     12     15     16
    *Pd60Mn40     1     1     1
   *(PtPd)35Mn65     1     1     1
    (PtPd)40Mn60     15     17     21
    (PtPd)Mn     23     26     29
    (PtPd)Mn     16     18     20
     *(PtPd)Mn     1     1     1
    *非理想的例子
根据(表7)，在包含有Pt或Pd的反强磁性材料中，在特定的组成范围内，即使在350℃的热处理温度中，也示出IrMn，FeMn以上的耐热性。另外，对于这些实施例的样品以VSM调查了磁化曲线的结果，在450℃的热处理后，从350℃开始固定磁场进一步上升，几乎没有发现固定磁性层的饱和磁化的减少。另一方面，在使用了IrMn或者FeMn的元件中，在450℃的热处理后固定磁性层的磁化饱和显著减小，这考虑为是失去固定磁场，引起相互扩散的缘故。
作为样品1的基底，在使用了NiFeCr的样品2中，进一步提高耐热性。同样的效果在具有以Cu等为代表的fcc构造的基底层或者具有hcp，hct构造的基底层中也可以确认。X射线折射的分析结果，通过设置实施例那样的基底，能够增强反强磁性膜的(111)面取向。另外在上述的实施例8中记述的Cr基反强磁性膜中，基底层成为bcc构造时，能够进一步提高耐热性。
进而，如样品3那样通过在反强磁性体中设置Co层，可知将进一步提高耐热性。这考虑为是Co与CoFe相比较难以引起相互扩散的缘故。
从以上可知，反强磁性体层以组成式Mn100-XMeX(Me是从Pd，Pt中选择出的至少一种)表示，在40≤X≤55(原子量％)范围时可以得到最佳的耐热性。这可以考虑为与IrMn，FeMn相比较，由于贵金属含有量多的缘故。从其它的实验示出，在该组成中，进而以10at％为限度的含有量包含Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au，Al等也示出出色的耐热性。
在基底层上形成反强磁性体层，当基底层和反强磁性体层是从fcc或者fcp构造选择出的至少一种晶体构造或者基底层和反强磁性体层都是bcc构造时，将提高耐热性。这考虑为反强磁性体层的结晶生长通过基底层促进，减少畸变，抑制构成反强磁性体的元素的扩散的缘故。
另外至少与反强磁性体连接的磁性体层是Co时，耐热性特别高。
实施例10
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/X(0.5)/CoFe(3)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(1.5)/X(0.5)/CoFe(1.5)/Al2O3(1)/CoFe(3)/Ta(3)
这里，X是构成固定磁性层一部分的强磁性体。
使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成2×2μm2，形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。测定了在350℃的磁场中热处理后的MR值的结果示于(表8)。
另外，有关分析了表中成分的部分也记为成分比。【表8】
  样品1MR(％)   样品2MR(％)
    *CoFe     23     23
    Fe3O4     30     34
 MnZnフエライト     32     33
    FeAlO     36     38
    FeTaN     32     34
    FeHfN     32     35
    FeTaC     33     36
    FeHfC     33     36
    CoFeB     37     38
    CoTaZr     38     40
    CoTaNb     33     35
    *非理想的例子
从(表8)可知，至少反强磁性体层以及与非磁性体层的至少一方连接的磁性体层的至少一部分通过使用含有从氧、氮以及碳中选择出的至少一种元素的强磁性体，将显著地提高耐热性。
这考虑为通过强磁性体层的至少一部分由氧化物、氮化物或者碳化物的比较热稳定的物质构成，能够抑制基于热处理时的层间扩散的MR的恶化。该结构如本实施例那样，磁性体层在其层内，可以是含有①金属强磁性体/含氧、氮或者碳的强磁性体/金属强磁性体这样的3层构造，②含氧、氮或碳的强磁性体/金属强磁性体这样的2层构造，或者进而③磁性体层全部含有氧、氮或者碳的强磁性体。
作为含氧的强磁性体，除去本实施例的Fe3O4，MnZn铁素体以外，即使是NiZn等铁素体材料为代表的尖晶石氧化物，柘榴石型氧化物或者MFeO3型氧化物等也确认具有效果。另外，即使像本实施例的FeAlO那样的TMO(T＝Fe，Co，Ni；M＝Al，Si，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Cr，Mg)等氧化物强磁性体也确认具有同样的效果。作为含氮的强磁性体，除去本实施例的FeTaN，FeHfN以外，使用TN，TMN(这里，T，M与上述相同)氮化物强磁性体，作为含碳的强磁性体，除去本实施例的以外，使用化物强磁性体，也确认了同样的效果。
另外通过磁性体层的至少一部是非晶型强磁性体，能够抑制热处理时的层间扩散。作为非晶型材料虽然没有特别的限制，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等可以确认高耐热性的效果。
实施例11
通过磁控管溅射Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(da)/CoFe(df)/Al2O3(Y)/CoFe(1)/NiFe(5)/Ta(3)
把df以及da进行种种变化制做了的各个多层膜用光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为2×2μm2，形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件磁阻元件。测定了在350℃的磁场中热处理后的MR值的结果示于(表9)。另外Al2O3的膜厚Y取为100Ωμm左右的膜厚。【表9】(去除左边一列)
      df(nm)       da(nm)       df/da     样品1MR(％)
    *1     *3       0.33     6
      2     *3       0.66     8
      10     *3       3.3     7
      50     *3     *17     6
    *60     *3     *20     3
    *1       5       0.2     9
      2       5       0.4     18
      10       5       2     13
      50       5     *10     7
    *60       5     *12     5
    *1       10       0.1     9
      2       10       0.2     24
      10       10       1     32
      50       10       5     21
    *60       10     *6     9
    *1       20     *0.03     8
      2       20       0.1     23
      10       20       0.5     29
      50       20       2.5     19
    *60       20       3     8
    *1       100     *0.01     2
      2       100     *0.02     4
      10       100       0.1     17
      50       100       0.5     21
    *60       100       0.6     9
      1     *200     *0.005     1
      2     *200     *0.01     3
      10     *200     *0.05     6
      50     *200       0.25     9
    *60     *200       0.3     7
    *非理想的例子
把各个微细加工前的样品在260℃，350℃，400℃，450℃的磁场中热处理以后，使用VSM调查了磁化曲线。总体上固定磁性层的厚度越厚，反强磁性体的厚度越薄，热处理后的固定磁场越强，具有维持磁性体构造的倾向，如果反强磁性体过薄，则具有固定磁场减少的倾向。另外，如果磁性体层的厚度过薄，则可以看到固定磁场的减少。伴随着热处理温度上升，虽然观察到热应力或者认为由中间层界面紊乱的抗磁力的增大，但是固定磁场本身逐渐增强，通过使用热处理温度350℃～400℃和高温处理，明显地具有反强磁性膜的固定磁场增大的效果。这一点在MR曲线中也被确认。
作为其一个例子，图11中示出在260℃和400℃下进行的热处理的MR曲线。
其中，样品形状是
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(300)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ta(3)
虽然观测到认为是由于图中没有把中间层最佳化，或者FeCo(3)/PtMn(30)的比例是0.1比较小而引起的扩散影响的MR的降低，但是在400℃的热处理后，观察到明显的固定磁场的增大。另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成为100Ωμm左右的膜厚。
在本实施例中，在最出色的样品中，在450℃的热处理后也可以得到15％以上的MR。由于MR值依赖于中间层的制造状态，因此实质上在本实施例的范围，即如果把固定磁性层的层厚度记为df，反强磁性体的厚度记为da，则已知可以在
2nm≤df≤50nm，5nm≤da≤100nm，0.1≤df/da≤5的范围内，得到出色的耐热性。
另外在本实施例中作为反强磁性体使用了PtMn，而在其它的反强磁性体中能够确认在350℃～450℃下可以得到热稳定性的范围几乎相同。
实施例12
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(6)/Al2O3(1.8)/CoFe(1)/NiFe(5)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/(Cu(250)/Ta(3))*2/PtMn(20)/CoFe(6)/Al2O3(1.8)/CoFe(1)/NiFe(5)/Ta(3)
样品3
Ta(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)多层化10次。
使用光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2×2μm2，形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。在300℃，350℃，400℃，450℃中的磁场中热处理后的MR值示于(表10)。
【表10】
 热处理温度(℃)   样品1MR(％)   样品2MR(％)   样品3MR(％)
    300     45     46     47
    350     25     32     37
    400     12     20     25
    450     8     15     20
根据(表10)，在300℃的热处理中样品1～3每一个都示出相同程度的MR，而与此不同，伴随着热处理温度的上升，像样品2或者样品3那样基底电极被多层化了的一方MR的恶化少。
由于把同样的下部电极多层化而引起的热处理特性的提高这一点，除去Cu与Ta的组合以外，如果是从Ag，Au，Al以及Cu中选择出的至少一种为主成分的高导电性金属层与从IVa～VIa族以及VIII族中选择出的至少一种为主成分的元素，或者从导电性氧化物，导电性氮化物以及导电性碳化物中选择出的晶粒生长抑制层的多层膜，也能够确认可以得到同样的效果。这些多层膜电极由于具有抑制热处理引起的电极的晶粒生长，减少层构造紊乱的功能，因此耐热性提高。另外，作为高导电性金属层的厚度，从晶粒生长的抑制这一点出发，最好是5nm～100nm左右，作为晶粒生长抑制层最好是0.7nm～5nm左右。
在以上的实施例1～12中，记述了使用隧道磁阻效应的元件。该隧道磁阻效应在中间层是包含从氧、氮、碳以及硼中选择的至少一种元素的绝缘体或者半导体时产生。作为具体的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物或者半导体，可以举出SiO2，SiC，Si3N4，Al2O3，AlN，Cr2O3，TiC，HfO2，HfN，HfC，Ta2O5，TaN，TaC，BN，B4C，DLC，C6O等。在这些中间层内，即使以20％以下包括Cu，Ag，Au，Pt，Pd，Rh，Rh，Ir，Ru等元素，只要是充分高电阻就可以得到同样的效果。作为中间层的形态，既可以是绝缘物与导电物的多层构造，也可以是导电元素被绝缘体覆盖的构造。
其次，记述中间层是非绝缘体，根据GMR效应显示磁阻效应的情况。
实施例13
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(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)
样品6
Ta(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光刻法把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为0.1×0.1μm2，形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有图1所示剖面的垂直电流型磁阻元件。另外，被微细化了元件的厚度每一个都相同。
磁场中热处理后的MR值和电阻值示于(表11)。
【表11】
样品     阻值(Ω) MR(％)
    1     0.6     2
    2     0.5     10
    3     1     12
    4     1.1     15
    5     0.8     12
    6     1.5     8
从样品1和样品2可以看到通过自由磁性层成为本发明的结构，MR上升。这考虑为根据本发明的自由磁性层磁畴构造变化，以及减少通过微细化增大了的反磁场的缘故。另外，像样品3以及样品4那样，通过做成作为高电阻的非磁性体层与迁移金属的多层膜，电阻增大，而且MR提高。同样的这一点即使在像样品5那样的高电阻非磁性体层和迁移金属的化合物中也可以看到。另外像样品6那样，通过把磁性体层做成高电阻的氮化物或者非晶型强磁性体，虽然MR稍有下降，但是可知电阻增大。
如以上那样，中间层的特征在于是从迁移金属中选择出的至少一种元素，或者从迁移金属和氧、氮或者碳中选择出的至少一种化合物导电材料，而且元件面积是0.01μm2以下，能够制做高MR，具有高电阻的利用了GMR效果的垂直电流型磁阻效应元件。
元件面积是0.01μm2以下在为了提高元件电阻方面是必要的，而且由微细化引起的抗磁力的恶化通过上述的本发明的磁阻元件能够解决。
作为中间层，除去本实施例的Cu以外，使用在迁移金属中，特别是从V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Cu，Ag，Au，Ru，Rh，Ir，Re以及Os中选择出的至少一种也可以得到同样的效果。
另外，通过使用RuAlO化合物或者Ru/Al2O3/Ru，Ru/Al2O3的多层膜那样，在这些元素失去了导电性的程度上进行氧化、氮化或者碳化的导电性化合物，或者从迁移金属X和氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中选择出的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那样2层以上的多层膜，可以确认能够提高元件电阻或者提高耐热性。
另外，作为夹持中间层的磁性体层，除去本实施例的CoFeB以外，通过至少一个磁性层的至少一部分是含有氧、氮或者碳的强磁性体，或者非晶型强磁性体，能够提高基于CPP-GMR效应的垂直电流型磁阻元件的元件电阻。具体地讲，作为含氧的强磁性体，在Fe3O4、MnZa铁素体，NiZn铁素体等铁素体材料为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)等氧化物强磁性体也可以发现同样的效果。作为含氮的强磁性体，在TN，TMN(这里，T，M与上述相同)等的氮化物强磁性体中可以看到同样的效果。作为含碳的强磁性体，在TMC(这里，T，M与上述相同)等中可以看到同样的效果。作为非晶型材料，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等中可以确认同样的效果。
实施例14
在MOS基板上，使用磁控管溅射实施下部电极布线，在加入了CMP的MOS的基板上制做了以下的多层膜。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(1)/FeCo(1)/Al2O3(Y)/CoFe(10)/PtMn(20)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(2)/Ta(3)/NiFe(1)/FeCo(1)/Al2O3(Y)/CoFe(10)/PtMn(20)/Ta(3)
样品3
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(3)/Ru(0.7)/FeCo(1)/Al2O3(Y)/CoFe(10)/PtMn(20)/Ta(3)
使用溅射法把各个膜的元件形状进行台面型加工，使得成为以a为长轴，b为短轴的大致椭圆形(图12B)，在各个多层膜中，制做a/b成为1，1.5，5，10，12比例的元件。另外，所有a的长度取为1000nm，元件的字线以及读出线的宽度做成2000nm。微细加工后，形成上部布线，进行了400℃的氢烧结以后，做成图12A所示存储区元件。把该存储器在240℃的真空中，加入10kOe的磁场，决定固定磁性层的磁化方向。另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成为1kΩμm左右的膜厚。
在MOS是OFF的状态下，在字线以及读出线中流过电流，根据所发生的交叉磁场在自由磁性层中进行写入。其次，在MOS是ON的状态下，在各个元件中流过读出电流，把自由磁性层对于固定磁性层，磁化是平行时和反平行时的输出进行比较。对于功耗(表12)以及输出值(表13)分别示出把在各个元件中所需要的写入功耗和输出值进行了归一化的。
【表12】
  a/b   样品1   样品2   样品3
 1  1  0.01  0.04
 1.5  1.4  0.08  0.3
 5  1.7  2  2.3
 10  14.6  8.6  9.2
 12  19.6  12  13
【表13】
a/b  样品1 样品2 样品3
1  1  1.2  1.1
1.5  1.1  1.3  1.2
5  1.2  1.5  1.4
10  1.3  1.4  1.2
12  0.9  1.1  1
从(表12)以及(表13)可知，在本实施例的样品2以及样品3中，可以同时得到低功耗和高输出。另外，元件形状在a/b是1.5＜a/b＜10时可以得到最高的输出。
实施形态15
在AlTiC基板上形成了磁传感器(图13)。
样品1
下部屏蔽层301/磁分离层302/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.5)/CoFe(1)/NiFe(3)
样品2
下部屏蔽层301/磁分离层302/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.5)/CoFe(1)/NiFe(3)NiFe(4)/Ta(3)/NiFe(4)/磁分离层312/上部屏蔽层311
样品3
下部屏蔽层301/磁分离层302/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al2O3(1.5)/CoFe(1)/NiFe(3)NiFe(5)/Ru(0.7)/NiFe(3)/磁分离层312/上部屏蔽层311
这里，NiFe/Ta/NiFe以及NiFe/Ru/NiFe相当于(图13)的磁通导向体310。PtMn是反强磁性层，CoFe/Ru/CoFe是固定磁性层307，Al2O3是非磁性体层306，CoFe/NiFe是自由磁性层305。把这些层与绝缘层303一起形成。热处理在沿着磁通导向体方向以280℃，1.5小时，5kOe进行了以后，与磁通导向体垂直地(垂直于图13的纸面)，在1800℃，1.5小时，5kOe的磁场中进行。
把使用3种传感器，记录道密度为90kTPI(磁道/每英寸)，线记录密度为550kBPI(位/每英寸)所记录的HDD记录媒体以数据传送速度211M/比特秒进行了再生试验。记录头的上浮量为20nm。记录头的误码率在样品1是1×10-7，样品2是1×10-8，样品3是1×10-8.5。
如以上的实施例那样，使用了本发明的自由磁性层的磁传感器能够实现高BER。
实施例16
使用磁控管溅射法在单轴磁场中在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(2)/CoFe(1)/NiFe(1)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFe(4)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(2)/CoFe(1)/NiFe(1)/Ta(3)
样品3
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(2)/Ru(0.7)/CoFe(2)/Al2O3(2)/CoFe(1)/NiFe(1)/Ta(3)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(3)/Cu(500)/NiFe(1)/CoFe(1)/Al2O3(2)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Co30Fe70/PtMn(15)/Ta(3)
样品6
Ta(3)/Cu(500)/NiFe(1)/CoFe(1)/Al2O3(2)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Co50Fe50(3)/PtMn(15)/Ta(3)
样品7
Ta(3)/Cu(500)/NiFe(1)/CoFe(1)/Al2O3(2)/CoFe(3)/Ru(0.7)/Co90Fe10(3)/PtMn(15)/Ta(3)
样品8
Ta(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，把各个多层膜微细加工成台面型使得元件面积成为2×6μm2，形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有图1或者图7所示剖面的垂直电流型磁阻元件。测定了在5kOe磁场中以300～400℃的热处理以后的MR值的结果示于(表14)。
另外，在样品1～8中，记录为CoFe的部分是Co76Fe24成分。
【表14】
  样品 MR(％)300℃ MR(％)350℃ MR(％)400℃
    1     48     22     9
    2     49     48     39
    3     50     48     43
    4     50     49     46
    5     45     18     6
    6     44     28     8
    7     47     35     30
    8     43     38     35
从(表14)可知，把膜下部分作为固定磁性层的样品1-4中，与样品1相比较，使用了NiFe或者NiFeCr基底的样品2以及样品3的耐热性出色。另外在把样品3的基底电极多层化了的样品4中，可以确认耐热性进一步提高。另一方面，在把膜上部分作为固定磁性层的样品5-8中，随着PtMn下部分的CoFe成分Co丰富，或者成为NiFe，可以见到耐热性的提高。
另外，通过X射线折射可知，伴随着Co的增加，从bcc向fpt或者fcc构造变化。另外，本实施例的高耐热性比其它的实施例更为出色，不仅是构造的最佳化，而且还依赖于Al2O3层的最佳制做。
把PtMn替换为PtPdMn的情况下，也同样确认了出色的高耐热性。
另外这时理想的组成是反强磁性体层用Mn100-XMeX(Me是从Pd，Pt中选择出的至少一种)表示，并且是40≤X≤55(原子量％)的范围。
实施例17
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(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)
样品6
Ta(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)
构成样品5和样品6的自由磁性层的CoFe(4)以及NiFe(9)把膜厚×饱和磁化取为几乎相等的值。另外，样品1，3，5的各个自由磁性层主要通过作为非磁性体层的Ta(3)进行静磁耦合，样品2，4，6主要是通过Ru(0.9)进行反强磁性耦合的样品。
把这些多层膜在5kOe磁场中，在280℃下进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.1×0.3，0.3×0.3以及1×3μm2。这里，进行加工使得元件的长度方向和热处理方向平行。形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有图1或者图7所示剖面的垂直电流型磁阻元件。
首先，对于元件形状是1×3μm2的元件进行了调查。各个样品加入±200Oe时的MR在样品2为5％左右，其它任一种都是30％左右。其次，加入200Oe的外部磁场，使得沿着元件的长度方向在自由磁性层进行磁化方向的存储。为了调查样品1以及样品3-6的元件的存储稳定性，进行了在250℃，1小时的热稳定性实验以及大约50e的旋转磁场中的外磁场稳定性试验。其结果，在样品3-6中，在各个实验以后都没有发现阻值发生变化。另一方面，在样品1中，观察到元件电阻的减少。由此可知，在样品3-6的结构中，能够在自由磁性层上沿着磁化方向稳定地存储。
在0.1×0.3μm2的元件中进行了同样条件的实验，其结果，在样品3以及4中，由于反转磁场增大，因此不能够充分地进行200Oe下的磁化反转。另一方面，在样品5以及样品6中，能够确认与1×3μm2相同的存储稳定性。
对于0.3×0.3μm2的元件进行了同样条件的试验，其结果，在样品3-6的每一个中虽然可以进行磁化反转，但是能够确认存储稳定性的样品仅是样品5以及6。
从以上可知，通过自由磁性层是膜厚×饱和磁化不同的磁性体层与非磁性体的多层膜，或者膜厚×饱和磁化相等时矫顽磁力不同，能够具有存储效果，特别是，在膜厚×饱和磁化相等的元件中，存储效果对于元件尺寸以及形状的依赖性小。
实施例18
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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成为100Ωμm左右的膜厚。把各个多层膜在5kOe磁场中，在240℃下进行热处理，使用光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为3×3μm2。形成层间绝缘膜，形上部电极，制做具有图1以及图7所示剖面的垂直电流型磁阻元件。图14是示出样品1以及样品2的MR曲线以及作为自由磁性层的NiFe/Ru/NiFe层的磁化状态。可知样品1，样品2都是膜厚比厚的磁性层对于外部磁场进行响应。另外样品1，样品2都与通常的电子管型元件TMR不同，对于外部磁场可以观察到磁阻的最大值，特别是，自由磁性层内，接近于中间层的磁性体层薄的样品2中示出显著的极大值。在样品1，样品2的每一个中，沿着正方向增加外部磁场时，自由磁性层内的磁化状态进行b’→c’或b→c的变化，这些由于是伴随着自旋双稳的磁化过程，因此在去除了外部磁场时是可逆的，并不丢失最初的自由磁性层的磁化状态。另外，在该过程中特别是在样品2中，MR很大地变化。如果利用这一点，采用类似于样品2的结构，则通过测定对于外部磁场变化的磁阻值，能够不破坏磁化状态，读取磁化状态。
另外，所谓类似样品2的结构，指的是至少一层自由磁性层由中间层一侧开始，由第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层的至少3层构成，如果把上述第1磁性体层的平均膜厚记为d1，平均饱和磁化记为M1，把上述第2磁性体层的平均膜厚记为d2，平均饱和磁化记为M2，则M2×d2＞M1×d1，对于外部磁场的变化，指的是磁阻值至少能够取得一个极大值或者极小值的磁阻元件。
实施例19
使用磁控管溅射法在Si热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成为100Ωμm左右的膜厚。把该多层膜在5kOe的磁场中，在280℃下进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.5×1.5μm2。形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有图1或者图7所示剖面的垂直电流型磁阻元件。把该元件沿着长度方向加入500Oe的磁场，使最上层的NiFe(7)磁化反转以后，去除磁场，加入±100Oe的外部磁场时的磁化层的磁化状态示于图15的模式图中。图15中，固定磁性层401中仅记述了最接近中间层402的从CoFe开始以上的结构。图15中，B是磁化稳定状态，在加入了第2非磁性体层406上第3磁性体层(存储层407)的磁化反转磁场以下的外部磁场时，将产生A或者C那样磁化状态的变化。另外，在该图为了动作说明的简单，没有示出自旋双稳状态。由于第1磁性体层403与第2磁性体层405经过非磁性体层404进行反强磁性耦合，因此如果比部磁场比较小则返回到原来的B的状态。这时，磁阻的变化以B→A的变化增加到最大。另外图16中示出使磁性层407的磁化状态反转时的状况。图16中磁化稳定状态是B，能够确认在B→A的变化下磁阻的显著减小。
利用该原理，能够进行本实施例的磁阻元件的存储状态的检测。图17中示出元件结构。
在形成CMOS和下部布线的基板上形成了与前面结构顺序相反地成膜了的多层膜。把该多层膜在5kOe的磁场中，在280℃下进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.5×1.5μm2，形成层间绝缘膜后，形成上部电极，形成图17A，B所示的MRAN元件。
通过使用了字线和位线上电流一致写入，在第3磁性体层中存储磁化状态。读入时，把与元件串联连接的CMOS的开关置为ON，流过读出电流。这时，通过在字线中流过读出写入电流，发生读取磁场，读取元件之间加入的电压的变化。图17B中由于读取磁场与中间层的磁化方向一致，因此几乎看不到对于读取磁场的电压变化，显示出能够判别磁化是与固定磁场磁性层的磁化方向平行的状态。
如以上那样，通过把自由磁性层多层化，可知能够制造在非破坏下可以读取存储器的磁化状态的MRAM元件。
实施例20
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(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)
样品6
Ta(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成为300Ωμm左右的膜厚。把该多层膜在5kOe的磁场中，在280℃下进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.1×0.3μm2。形成层间绝缘膜，形成上部电极，做成具有2个中间层的垂直电流型磁阻元件。沿着这些元件的长度方向加入磁场测定了MR的结果，除去样品2以外，所有的元件在最佳磁场下得到30％左右的磁阻变化。在样品2中由于NiFe层比较薄因此不能够得到充分的柔性，磁阻变化是10％左右。元件的矫顽磁力除去样品2，样品1最高，与其它元件相比较考虑为是反磁场的影响高的缘故。另外，样品1的MR曲线的非对称性最大。还有，在样品3-样品5中，形成固定磁性层的磁性体层内的层数对于中间层设置成非对称是因为外部磁场比较弱时构成自由磁性层的2个磁性体层相互反平行的原因。在加入了充分大的外部磁场时，这些固定自由磁性层也可以是对于中间层对称的结构。另外，在样品3的结构中，如果外部磁场适当增强则MR值几乎减到一半，在样品4的结构中，如果外部磁场适当增强则MR值几乎增加一倍。
在以上的实施例中，示出了自由磁性层具有被2层中间层夹持的结构，自由磁性层是2层磁性体层与1层非磁性体层交互叠层的结构，而在自由磁性层具有把2n(n＝1，2，……)层的磁性体层与(2n-1)层的非磁性体层交互叠层了的结构的情况下也可以得到同样的效果。
实施例21
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(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)
样品6
Ta(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成为300Ωμm左右的膜厚。把这样的多层膜5kOe的磁场中，在280℃下进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.1×0.3μm2。形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做具有2个中间层的垂直电流型磁阻元件。沿着这些元件的长度方向加入磁场测定了MR的结果，所有的元件在最佳磁场中得到30％左右的磁阻变化。其中，在样品3中，在低磁场下MR的上升减小，在样品6中抗磁力最大。另外，在样品2中，得到类似于图14的左图，另外在样品4以及样品5中得到类似于图15的右图的MR曲线。把样品3与样品4比较时，样品3的自由磁性层结构是NiFe(3)/Rn(0.9)/NiFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(3)，另外样品4的自由磁性层的结构是NiFe(3)/Ru(0.9)/NiFe(6)/Ru(0.9)/NiFe(3)。如果各个磁性体层完全进行反强磁性耦合，则从结构出发在样品4中在自由磁性层中进行完全的磁闭锁，对于低磁区的外部磁场的响应差。但是，使用VSM测定了把基底取为Al2O3以及Ru，改变了膜厚的NiFe的实效饱和磁化(到达测定MR磁场电平的饱和磁化)的结果，了解到NiFe的膜厚越薄，实效的饱和磁化越小。根据该实效的饱和磁化，如果把样品3与样品4的膜厚×饱和磁化进行比较，则在样品3中，第1层与第3层的膜厚×饱和磁化的值之和几乎与第2层的膜厚×饱和磁化相等，另一方面在样品4中，与第1层和第3层的和相比较，第2层的值大。从以上认识出发，可知考虑把基底与磁性层膜厚考虑在内的实效的饱和磁化等的膜结构是重要的。
在以上的实施例中，叙述了按照第1固定磁性层，第1中间层，第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，第2非磁性体层，第3磁性体层，第2中间层，第2固定磁性层的顺序形成的结构的磁阻元件，其中，如果把磁性体层n的平均膜厚记为dn，把平均饱和磁化记为Mn(n＝1，2，3)，则M3×d3+M1×d1≠M2×d2的，而自由磁性层如果是具有(2n+1)层(N＝1，2，……)的磁性体层与2n层的非磁性体层交互叠层了的结构时也具有同样的效果。
实施例22
使用磁控管溅射法在6英寸大小的Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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成为1kΩμm左右的膜厚。另外这里Ru基底上的CoFe(5)与NiFe(7)各个的磁化饱和×膜厚几乎相同。把该多层膜在10kOe的磁场中以280℃进行热处理，使用I线分挡器微细加工成台面型使得元件面积成为0.2×0.6μm2。形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做垂直电流型磁阻元件。把这些元件遍布6英寸晶片总体测定了MR的结果，样品1中的抗磁力的分散性为10％左右，样品2中的抗磁力的分散性为5％左右。6英寸晶片内的CoFe，NiFe的膜厚分布每种都是3％左右，不能够简单地说明上述的分散性。作为抗磁力的分散性原因之一，考虑为实效饱和磁化的膜厚依赖性。实际上，分别改变Ru基底上CoFe和NiFe的膜厚，求实效的饱和磁化的结果，5nm的CoFe薄膜的膜厚变化1nm时实效的饱和磁化的变化是20％，NiFe的情况下是5％。另外，同样对于膜厚的CoFe单层以及NiFe单层的矫顽磁力的变动在CoFe时为15％左右，NiFe时为2％。从以上可以说，为了抑制大面积时的抗磁力的分散性，在具有多层构造的自由磁性层中使用饱和磁化不同的磁性体层，或者矫顽磁力不同的磁性体层是有效的。
实施例23
使用磁控管溅射法在6英寸尺寸的Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(5)/Ru(0.9)/NiFe(5)/Ta(3)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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成为1kΩμm左右的膜厚。把这些多层膜在10kOe的磁场中以280℃进行热处理，使用光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.2×0.6μm2。形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做垂直电流型磁阻元件。对于热处理方向使得外部磁场加入方向成为恒定，测定各个元件的MR。样品1以及样品3每一个都相同，加入磁场的正负与获得MR的最大值以及最小值的方向一致，在样品2中示出与它们相反的磁场特性。把样品1以及样品2，或者样品2与样品3组合起来，如图10所示那样，测定了2个元件的动作输出的结果，在样品1与样品3的组合中，在低磁场区，输出电压成为非对称。这考虑为由于在样品1中固定磁性层不是叠层铁构造，因此将产生非对称成分。从而，为了得到在磁头或者MRAM等所希望的对称性出色的动作输出，把固定磁性层从中间层一侧把2n层的磁性体层与(2n-1)层的非磁性体层交互叠层了的磁阻元件，与固定磁性层从中间层一侧把(2n+1)层的磁性体层与2n的非磁性体层交互叠层了的磁阻元件组合起来可以说是非常重要的。
实施例24
使用磁控管溅射法在CMOS基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/PtMn(15)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/CoFe(5)/Ta(3)/CoFe(3)
样品2
Ta(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成为1kΩμm左右的膜厚。把这些多层膜在10kOe的磁场中以260℃进行热处理，使用光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.2×0.6μm2。形成层间绝缘膜，形成上部电极，制做垂直电流型磁阻元件。测定它们的MR以后，接着在5％的氢气氛中在无磁场条件下，进行400℃，30分钟的热处理以后，测定MR0
在样品1中，刚刚完成元件加工后的MR是30％，在400℃的第1次热处理中减少到12％，在400℃的第2次热处理中降低到10％左右。另一方面，在样品2中，在刚刚加工完元件后的RM是30％，在400℃的第1次热处理中减少到20％，在400℃的第2次热处理中降低到19％左右。在固定磁场层的单轴各向异性形成热处理以后，还与在高温下无磁场中的热处理无关，每种样品都显示出出色的耐热性。另外特别是在反强磁性体的基底层中使用了NiFeCr的样品2中，MR恶化少。进行了各种样品调查的结果，在还原气氛而且无磁场中热处理下的耐热性是450℃左右。另外，调查了元件的布线电阻的结果，在通常的磁场中热处理以后，通过实施氢气氛中的再次热处理，能够显著地降低布线电阻。
实施例25
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上从基板一侧制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(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，所谓Al(0.4)-O/Al(0.3)-O指的是把Al成膜0.4nm以后，以100mTorr，1分钟的氧气氛中氧化以后，进而把Al成膜0.3nm成膜后，以100mTorr，1分钟的氧气氛中氧化形成的Al2O3(隧道绝缘层)。另外，Al(0.4)-O/Al(0.35)-O也同样，把各个膜厚的Al成膜后以100mTorr氧化。另外，这些氧化条件在氧化时间是1分钟的情况下，从10mTorr到600mTorr的压力之间没有发现很大的差别。
把这些多层膜在5kOe的磁场中以280℃进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.8×1.2μm2。形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做垂直电流型磁阻元件。
沿着这些元件的长度方向加入磁场测定了MR的结果，在所有的元件中在最佳磁场下，如果以1mV左右的元件偏置进行测定，则样品1示出40％，样品2示出43％，样品3，样品4以及样品5分别示出39％，40％，42％左右的MR。另外，以500mV左右的元件偏置进行测定，则样品1为23％，样品2为20％，对于偏置的依赖性几乎减少一半。另一方面，样品3，4以及5是35％，36％，35％。各RA在样品1中是30Ωμm2，样品2是70Ωμm2，样品3，4，5是60Ωμm2。样品3，4以及5的RA与样品1相比较示出多一倍的值。进而，可以看到500mV高偏置下的MR的显著改善。这考虑为样品3，4以及5是串联连接的2个隧道绝缘层的关系。进而，对于样品3，4以及样品5的对外部磁场的非对称性调查的结果，按照样品5，样品4，样品3的顺序对称性高低排列。这是对于外部磁场进行响应的Al2O3附近的磁性体层在样品3中互相邻接，而且在保持平行的状态下进行磁化旋转，而与此不同，在样品4中根据非磁性导电层，对于外部磁场进行应答的磁性体层之间的距离拉开，另外在样品5中经过非磁性体导电层相互邻接的磁化相互保持反平行的状态下进行旋转磁化，因此能够减少静磁能量的原因。另外，在样品4或者样品5的结构中，进行图17所示的2个电流一致方式的写入实验，结果，在同一写入电流下，获得高MR的Cu的厚度是2.6nm-50nm。另外除去Cu以外，如果是作为Al，TiN，TiWN，CuAl，CuAlTi，Ag，Au，Pt等通常导电性电极材料而使用的非磁性体，则能够得到同样的结果。
实施例26
使用磁控管溅射法在Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(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)
这里，CoFe使用了Co90Fe10，NiFe使用了Ni60Fe40。另外，NiFeCr使用了Ni49Fe12Cr39，PtMn使用了Pt50Mn50。
把这些多层膜在5kOe的磁场中，以280℃进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.5×0.5μm2。形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做垂直电流型磁阻元件。
沿着这些元件的长度方向加入磁场测定了MR的结果，所有的元件在最佳磁场中，如果以1mV左右的元件偏置进行测定，则样品1示出28％左右的MR，样品2示出15％左右的MR，样品3，样品4以及样品5分别示出49％，47％；42％左右的MR。调查样品3，4以及5对于外部磁场的非对称性的结果，了解到按照样品5，样品4，样品3的顺序对称性高低排列。
实施例27
使用磁控管溅射法在Si热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)
这里，CoFe使用了Co760Fe24，NiFe使用了Ni60Fe40。另外，NiFeCr使用了Ni49Fe12Cr39，PtMn使用了Pt50Mn50。还有，Al2O3的膜厚Y做成RA为1kΩμm左右的膜厚。
把这些多层膜在5kOe的磁场中以280℃进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.5×0.5μm2。形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做垂直电流型磁阻元件。
沿着这些元件的长度方向加入磁场测定了MR的结果，所有的元件在最佳磁场中，如果以1mV左右的元件偏置进行测定，则样品1是41％，500mV下的测定是40％，1V下的测定是37％，可知显著地改善了偏置依赖性。
实施例28
样品1
Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(2)/Ta(3)
样品2
Ta(3)/Cu(50)/Ta(3)/NiFe(2)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)
样品3
Ta(3)/Cu(50)/Ta(a)/NiFeCr(4)/PtMn(15)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/Al2O3(Y)/NiFe(2)/NiFeCr(4)/Ta(3)
样品4
Ta(3)/Cu(50)/Ta(a)/NiFeCr(4)/NiFe(2)/Al2O3(Y)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(15)/Ta(3)
这里，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为1kΩμm左右。
把这些多层膜在5kOe的磁场中以280℃进行热处理，使用EB以及光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.3×0.9μm2。形成层间绝缘膜后，形成上部电极，制做垂直电流型磁阻元件。
沿着这些元件的长度方向加入磁场测定了MR的结果，在样品1以及样品2中没有观测到电子管型的MR，这考虑为基于薄膜化的NiFe层的磁化的缘故。另一方面，在样品2以及样品3中可以得到30％左右的MR。其次，调查了在(Ni81Fe19)100-XCrX下使X变化的结果，得到电子管型MR的是X为50以下的时候。其中，在X为10以下时抗磁力的增大显著，这是由于随着NiFeCr的磁化增大反磁场增大的原因。该边界下的NiFCr的饱和磁化是大约0.2T。另外X是25时饱和磁化几乎为零。同样的效果除去Cr以外，在Mo，W中也能见到。另外，本实施例中自由磁性层是单层，示出了成分是Ni81Fe19的情况，然而在Ni60Fe40中，具有从(Ni60Fe40)100-X(Cr，Mo，W)X，或者在Co75Fe25中从(Co75Fe25)100-X(Cr，Mo，W)X中选择出的成分的缓冲层，也可以看到各个自由磁性层在薄膜化时(4-1nm左右)的MR特性的提高。
实施例29
使用磁控管溅射法从Si热氧化基板上制做了以下的元件。
样品1
Ta(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)
样品2
Ta(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)
样品3
Ta(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)
样品4
Ta(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)
样品5
Ta(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)
这里CoFe使用了Co75Fe25。
另外，Al2O3的膜厚Y做成RA成为100Ωμm左右的膜厚。把这些多层膜在5kOe的磁场中以280℃进行热处理，使用EB和光刻法微细加工成台面型使得元件面积成为0.1×0.2μm2。形成层间绝缘膜后，形成上部电极，进而形成保护膜，制做垂直电流型磁阻元件。
所制做的元件数对于一个多层膜取为10个元件。沿着这些元件的长度方向加入磁场测定了MR的结果，任一个元件的磁化反转磁场(抗磁力)都几乎相同。把这些元件沿着MR成为最大的方向进行磁化反转，在惰性气体中，使元件温度上升到200℃以及300℃，放置24小时，调查了在各个温度下的存储稳定性。其结果，在200℃下在样品1中，2成的元素失去了最初的存储性，而其它的样品保持最初的存储性。其次，在350℃下，虽然在样品1中4成的元件，在样品2中l成的元件失去了存储性，但是在其它的样品保持最初的存储性。
从以上可知，构成自由磁性层的磁性体层厚度的总计至少需要4nm以上。另外，在本实验中在磁性体层中使用了CoFe，而在使用了NiFe的实验中至少需要7nm以上，进而在使用了Fe3O4时至少需要10nm以上。
所有的元件在最佳磁场中，如果以1mV左右的元件偏置进行测定，则样品1示出40％，样品2示出43％，样品3，样品4以及样品5分别示出39％，40％，42％左右的MR。另外，如果以500mY左右的元件偏置进行测定，则样品1为23％，样品2为20％，根据偏置依赖性几乎减少到一半。另一方面，样品3，4以及5是35％，36％，35％。各RA在样品1中是30Ωμm2，样品2是70Ωμm2，样品3，4，5是60Ωμm2。样品3，4以及5的RA与样品1相比较示出多一倍的值。进而，在500mV的高偏置中的MR上可以见到显著的改善。这考虑为样品3，4以及5与2个隧道绝缘层串联连接的缘故。进而调查了样品3，4以及5对于外部磁场的非对称性的结果，按照样品5，样品4，样品3的顺序对称性高低排列。这考虑为对应外部磁场响应的Al2O3附近的磁性体层在样品3中相互邻接，而且在保持平行的状态下进行磁化旋转，与此不同，在样品4中通过非磁性导电层，对于外部磁场进行响应的磁性体层之间的距离拉开，另外在样品5中经过非磁性体层导电层相互邻接的磁化保持相互反平行的状态下能够进行的磁化反转，因此静磁能量减少。另外，在样品4或者样品5的结构中，进行了图17所示的基于2电流一致方式的写入实验，其结果，用同一写入电流获得高MR的是Cu的厚度为50nm以下的情况。
从以上可知，构成自由磁性层的磁性体层厚度总计至少需要4nm以上。另外，在本实验中在磁性体层中使用了CoFe，而在使用了NiFe的实验中至少需要7nm以上，进而在使用了Fe3O4时至少需要10nm以上。
发明效果
根据本发明的垂直电流型磁阻元件，能够实现以往困难的低抗磁力，高MR和高耐热性。高MR具有提高磁传感器的灵敏度，低抗磁力具有降低MRAM等磁存储器的写入功耗，进而高耐热性具有提高控制制做MRAM的CMOS或者布线的特性分散性的温度的效果。其结果，具有提高HDD，光盘，DDS的磁记录媒体的记录密度，降低误比特率的效果，进而，在MRAM的高密度化和MRAM的低功耗化方面具有效果。另外，使用了本发明的垂直电流型磁阻元件的MRAM作为低功耗而且大容量存储器，具有能够搭载在便携设备等上的显著效果。

Claims (56)

1.一种磁阻元件，特征在于：
包括中间层，把夹持上述中间层在的一对磁性层，上述磁性层的一方是比另一方的磁性层对于外部磁场更易于磁化旋转的自由磁性层，上述自由磁性层是至少由一层非磁性体层和夹持上述非磁性体层夹的磁性体层构成的多层膜，而且作为垂直于膜面流动的电流通过的上述中间层的面积所规定的元件面积是1000μm2以下。
2.如权利要求1中所述的磁阻元件，特征在于：
自由磁性层的面积比元件面积宽大。
3.如权利要求1中所述的磁阻元件，特征在于：
在自由磁性层中，把从中间层一侧配置为第m个(m是1以上的整数)的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层的平均饱和磁化表示为Mm，平均膜厚表示为dm时，m是奇数的层的Mm×dm总和实质上与m是偶数的层的Mm×dm总和相等。
4.如权利要求3中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性层的厚度在2.6nm≤d＜10nm的范围内。
5.如权利要求1中所述的磁阻元件，特征在于：
在自由磁性层中，把从中间层一侧配置为第m个(m是1以上的整数)的磁性体层记为磁性体层m，把上述磁性体层的平均饱和磁化表示为Mm，平均膜厚表示为dm时，m是奇数的层的Mm×dm总和实质上与m是偶数的层的Mm×dm总和不相等。
6.如权利要求5中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性层的厚度在2.6nm≤d＜10nm的范围内。
7.如权利要求5中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性层的厚度在0.3＜d＜2.6nm的范围内。
8.如权利要求5中所述的磁阻元件，特征在于：
自由磁性层包括从中间层一侧顺序叠层的第1磁性体层，非磁性体层，第2磁性体层，当把上述第1磁性体层的平均膜厚表示为d1，平均饱和磁化表示为M1，把上述第2磁性体层的平均膜厚表示为d2，平均饱和磁化表示为M2时，
1.1＜(M1×d1+M2×d2)/S＜20
成立(其中，S是M1×d1-M2×d2的绝对值)，而且，
当①M1×d1-M2×d2＞0时，把上述第1磁性体层的实效膜厚d11取为d11＝(M1×d1-M2×d2)/M1，
当②(M1×d1-M2×d2)＜0时，把上述第2磁性体层的实效膜厚d22取为d22＝(M2×d2-M1×d1)/M2
如果把从上述实效膜厚d11或者d22与上述自由磁性层的面形状求出的，在外部磁场的加入方向中的上述自由磁性层的面内的反磁场系数记为Nm，则是Nm＜0.02。
9.如权利要求5中所述的磁阻元件，特征在于：
自由磁性层包括从中间层一侧顺序叠层的第1磁性体层，非磁性体层，第2磁性体层，当把上述第1磁性体层的平均膜厚表示为d1，平均饱和磁化表示为M1，把上述第2磁性体层的平均膜厚表示为d2，平均饱和磁化表示为M2时，
M2×d2＞M1×d1成立，
而且，上述第2磁性体层由软磁性材料或者硬磁性材料构成，上述第1磁性体层至少在与中间层的界面上由高自旋极化率材料构成。
10.如权利要求5中所述的磁阻元件，特征在于：
自由磁性层包括从中间层一侧顺序叠层的第1磁性体层，非磁性体层，第2磁性体层，当把上述第1磁性体层的平均膜厚表示为d1，平均饱和磁化表示为M1，把上述第2磁性体层的平均膜厚表示为d2，平均饱和磁化表示为M2时，
M2×d2＞M1×d1成立
而且，对于外部磁化的变化，磁阻值至少示出一个极大值或者极小值。
11.如权利要求5中所述的磁阻元件，特征在于：
自由磁性层包括从中间层一侧顺序叠层的第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，第2非磁性体层，第3磁性体层，当把上述磁性体层n的平均膜厚表示为dn，平均饱和磁化表示为Mn(n是1，2或者3)时，
M3×d3＞M1×d1以及M3×d3＞M2×d2成立
而且，上述第1磁性体层与上述第2磁性体层的耦合磁场的大小比上述第3磁性体层的存储反转磁场小，通过沿着上述第3磁性体层的磁化的存储方向加入上述存储反转磁场以下而且上述耦合磁场以上的磁场，检测上述第3磁性体层的磁化状态。
12.如权利要求5中所述的磁阻元件，特征在于：
由多层膜组成的自由磁性层包括由2层中间层夹持的结构。
13.如权利要求12中所述的磁阻元件，特征在于：
由多层膜构成的自由磁性层具有2n层(n是1以上的整数)磁性体层与(2n-1)层非磁性体层交互叠层的结构。
14.如权利要求13中所述的磁阻元件，特征在于：
包括按照第1固定磁性层，第1中间层，自由磁性层，第2中间层，第2固定磁性层的顺序叠层了的结构，上述自由磁性层是从上述第1固定磁性层一侧开始，按照第1磁性体层，非磁性体层，第2磁性体层的顺序叠层了的多层膜，如果把上述磁性体层n(n是1或者2)的平均膜厚记为dn，平均饱和磁化记为Mn，则M2×d2≠M1×d1。
15.如权利要求12中所述的磁阻元件，特征在于：
由多层膜构成的自由磁性层具有交互叠层了(2n+1)层(n是1以上的整数)的磁性体层和2n层的非磁性体层的结构。
16.如权利要求15中所述的磁阻元件，特征在于：
包括按照第1固定磁性层，第1中间层，自由磁性层，第2中间层，第2固定磁性层的顺序叠层了的结构，上述自由磁性层是从上述第1固定磁性层一侧开始，按照第1磁性体层，第1非磁性体层，第2磁性体层，第2非磁性体层，第3磁性体层的顺序叠层了的多层膜，如果把上述磁性体层n(n是1，2或者3)的平均膜厚记为dn，把平均饱和磁化记为Mn，则是M3×d3+M1×d1≠M2×d2。
17.如权利要求1中所述的磁阻元件，特征在于：
没有包含在自由磁性层中的磁性体层的至少1层具有与其余的磁性体层的至少1个不同大小的矫顽磁力或者饱和磁化。
18.一种磁阻元件，特征在于：
包含有权利要求5中所述的磁阻元件A和磁阻元件B，
其中，磁阻元件A的自由磁性层包括从中间层一侧开始顺序叠层的第1磁性体层、非磁性体层、第2磁性体层，并且在把上述第1磁性体层的平均膜厚表示为d1，平均饱和磁化表示为M1，把上述第2磁性体层的平均膜厚表示为d2，平均饱和磁化表示为M2时，具有如下的关系
M2×d2＞M1×d1，
磁阻元件B的自由磁性层包括从中间一侧开始的第3磁性体层和第4磁性体层，在把上述第3磁性体层的平均膜厚表示为d3，平均饱和磁化表示为M3，把上述第4磁性体层的平均膜厚表示为d4，平均饱和磁化表示为M4时，具有如下的关系
M3×d3＞M4×d4，
上述磁阻元件A以及上述磁阻元件B对应于相同的外部磁场进行响应，而且把上述磁阻元件A以及上述磁阻元件B的相互的输出进行加法或者减法运算。
19.一种磁阻元件，特征在于：
包括中间层和夹持上述中间层夹的一对磁性层，上述磁性层的一方是比另一方的磁性层对于外部磁场难以磁化旋转的固定磁性层，上述固定磁性层是至少由一层非磁性体层和夹持上述非磁性体层的磁性体层构成的多层膜，上述非磁性体层的厚度d处于0.3nm＜d＜2.6nm的范围内，上述固定磁性层与基底层或者反强磁性体层相连接，而且作为垂直于膜面流过的电流通过的上述中间层的面积所规定的元件面积是1000μm2以下。
20.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
把在固定磁性层中，从中间层一侧开始配置为第m(m是1以上的整数)个的磁性体层表示为磁性体层m，把上述磁性体层的平均饱和磁化表示为Mm，平均膜厚表示为dm时，m为奇数的Mm×dm的总和实质上与m为偶数的Mm×dm的总和相等。
21.一种磁阻元件，特征在于：
包含磁阻元件A和磁阻元件B，
其中磁阻元件A具有从中间层一侧开始，交互地叠层了2n层(n是1以上的整数)的磁性体层和(2n-1)层的非磁性体层的固定磁性层，
磁阻元件B具有从中间层一侧开始，交互地叠层了(2n+1)层的磁性体层和2n层的非磁性体层的固定磁性层，
上述元件A以及上述元件B的至少一方是权利要求19中所述的磁阻元件，
上述元件A以及上述元件B对于相同的外部磁场进行响应，而且把上述元件A以及上述元件B的相互的输出进行加法或者减法运算。
22.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性体层是包含从氧化物，氮化物，碳化物以及硼化物中选择出的至少一种导电体。
23.如权利要求22中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性体层是至少从氧化物，氮化物，碳化钨以及硼化物中选择出的至少1层非磁性体层与至少1层非磁性金属的多层膜。
24.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
具有基底层，上述基底层由IVa～VIa族以及VIII族(但是，除去Fe，Co以及Ni)以及从Cu中选择出的至少一种元素构成。
25.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
具有与磁性体层连接的基底层，上述基底层与上述磁性体层都包括从fcc以及hcp选择出的至少一种晶体构造，或者上述基底层和上述磁性体层都包括bcc构造。
26.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
具有反强磁性体层，上述反强磁性体层包括从Mn，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir，Pd，Pt，Ag，Au以及Al选择出的至少一种和Cr。
27.如权利要求26中所述的磁阻元件，特征在于：
反强磁性体层具有由公式Cr100-xMex(Me是从Re，Ru以及Rh中选择出的至少一种，0.1≤X≤20)表示的成分。
28.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
具有反强磁性体层，上述反强磁性体层具有由公式Mn100-xMex(Me是从Pd以及Pt中选择出的至少一种，40≤X≤55)表示的成分。
29.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
包括反强磁性体层以及基底层，在上述基底层上形成上述反强磁性体层，上述基底层和上述反强磁性体层都包括从fcc，fct，hcp以及hct中选择出的至少一种晶体构造，或者上述基底层和上述反强磁性体层都包括bcc构造。
30.如权利要求29中所述的磁阻元件，特征在于：
基底层由NiFe或者NiFeCr构成，经过至少300℃以上的热处理形成。
31.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
具有与磁性体层连接的反强磁性体层，上述磁性体层是Co。
32.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
与从反强磁性体层以及非磁性体层选择出的至少一方连接的磁性体层的至少一个是包含有从氧、氦以及碳选择出的至少一种的强磁性体层。
33.如权利要求19中所述磁阻元件，特征在于：
与从反强磁性体层以及非磁性体层选择出的至少一方连接磁性体层的至少一个是非晶型强磁性体。
34.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
具有反强磁性体层，如果把固定磁性层的厚度记为df，把上述反强磁性体层的厚度记为da，则以下关系成立
2nm≤df≤50nm
5nm≤da≤100nm
0.1≤df/da≤5。
35.如权利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于：
磁阻元件形成在由多层膜构成的下部电极层上。
36.如权利要求35中所述的磁阻元件，特征在于：
多层膜具有把从Ag，Au，Al以及Cu选择出的至少一种为主成分的高导电性金属层，从IVa～VIa族以及VIII族选择出的至少一种元素为主要成分的金属，或者从导电性氧化物，导电性氮化物以及导电性碳化物中选择出的化合物构成的晶粒生长抑制层的多层构造。
37.如权利要求19中所述的磁阻元件，特征在于：
中间层是包含从氧、氮、碳以及硼中选择出的至少一种绝缘体或者半导体。
38.如权利要求1或19中记述磁阻元件，特征在于：
中间层由从迁移金属选择出的至少一种元素构成的金属，或者迁移金属与从氧、氮以及碳中选择出的一种导电性化合物构成，元件面积是0.01μm2以下。
39.如权利要求38中所述的磁阻元件，特征在于：
夹持中间层的磁性层的至少一方包括含有氧、氮或者碳的强磁性体或者非晶型强磁性体。
40.如权利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于：
把对于外部磁场易于磁化旋转的自由磁性层作为磁存储层。
41.如权利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于：
进而还具有磁通导向体。
42.如权利要求41中所述的磁阻元件，特征在于：
把自由磁性层的至少一部分作为磁通导向体。
43.如权利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于：
如果把自由磁性层的元件形状的最长宽度记为a，最短宽度记为b，则1.5＜a/b＜10成立。
44.一种磁阻元件的制造方法，该方法是权利要求1或19中所述的磁阻元件的制造方法，特征在于：
在300℃～450℃的热处理以后，在200℃～400℃下实施磁场中热处理。
45.一种磁阻元件的制造方法，该方法是权利要求1或19中所述的磁阻元件的制造方法，特征在于：
实施300℃～450℃的磁场中热处理。
46.一种磁阻元件的制造方法，该方法是权利要求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强磁性体层、固定磁性层、中间层以及自由磁性层的多层膜，通过在200℃～350℃下进行磁场中热处理提供单轴各向异性，在300℃～450℃的还原氛围中进行热处理。
47.一种信息通信终端，特征在于：
搭载了权利要求1或19中所述的磁阻元件，而且把基于电磁波的通信信息保存在磁阻元件的自由磁性层中。
48.如权利要求12中所述的磁阻元件，特征在于：
包括按照第1固定磁性层、第1中间层、第1自由磁性层、非磁性导电层、第2自由磁性层、第2中间层，第2固定磁性层的顺序叠层的结构，上述第1自由磁性层以及上述第2自由磁性层的至少一方具有交互叠层了磁性体层与非磁性体层的结构。
49.如权利要求48中所述的磁阻元件，特征在于：
与非磁性导电层连接的磁性体层的磁化方向相互反平行。
50.如权利要求48中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性导电层的厚度是2.6nm～50nm。
51.如权利要求12中所述的磁阻元件，特征在于：
包括4层固定磁性层，2层自由磁性层和4层中间层，上述自由磁性层的至少一方具有交互叠层了磁性体层与非磁性体层的结构。
52.如权利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于：
包括按照固定磁性层、中间层以及自由磁性层的顺序叠层了的多层结构，上述自由磁性层与缓冲层连接，上述缓冲层是在与上述缓冲层连接的磁性体成分中添加了10wt％～50wt％的非磁性元素的成分，而且上述成分的饱和磁化是0.2T以下。
53.如权利要求52中所述的磁阻元件，特征在于：
在缓冲层中包括从Cr，Mo以及W中选择的至少一种。
54.如权利要求1或19中所述的磁阻元件，特征在于：
自由磁性层包括至少1层非磁性体层和夹持上述非磁性体层的磁性体层，上述磁性体层的膜厚总计是4nm以上。
55.如权利要求1中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性体层是包括从氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中选择出的至少一种导电体。
56.如权利要求把55中所述的磁阻元件，特征在于：
非磁性体层是至少从氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物中选择出的至少1层磁性体与至少1层非磁性金属的多层膜。
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