JP7400560B2 - Tunnel barrier layer, magnetoresistive element, method for manufacturing tunnel barrier layer, and insulating layer - Google Patents

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本発明は、トンネルバリア層、磁気抵抗効果素子、トンネルバリア層の製造方法及び絶縁層に関するものである。 The present invention relates to a tunnel barrier layer, a magnetoresistive element, a method for manufacturing a tunnel barrier layer, and an insulating layer.

強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子、及び、非磁性層に絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子が知られている。一般に、TMR素子はGMR素子と比較して、素子抵抗は高いが、磁気抵抗(MR)比は大きい。磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ(MRAM)用の素子として、TMR素子に注目が集まっている。 Giant magnetoresistive (GMR) elements consisting of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, and tunnel magnetoresistive (TMR) elements using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the nonmagnetic layer are known. There is. Generally, a TMR element has a higher element resistance than a GMR element, but a higher magnetoresistance (MR) ratio. TMR elements are attracting attention as elements for magnetic sensors, high-frequency components, magnetic heads, and nonvolatile random access memories (MRAM).

TMR素子は、電子のトンネル伝導のメカニズムの違いによって2種類に分類することができる。一つは、強磁性層間の波動関数の滲み出し効果(トンネル効果)のみを利用したTMR素子である。もう一つは、波動関数の対称性が保たれるコヒーレントトンネル(特定の波動関数の対称性を有する電子のみがトンネルする)が支配的なTMR素子である。コヒーレントトンネルが支配的なTMR素子は、トンネル効果のみを利用したTMR素子と比較して、大きいMR比が得られる。 TMR elements can be classified into two types depending on the mechanism of electron tunnel conduction. One is a TMR element that utilizes only the seepage effect (tunnel effect) of a wave function between ferromagnetic layers. The other is a TMR element in which coherent tunneling (only electrons having a specific wave function symmetry tunnel) that maintains the symmetry of the wave function is dominant. A TMR element in which coherent tunneling is dominant can obtain a larger MR ratio than a TMR element that uses only tunneling effects.

MgOは、コヒーレントトンネル現象が生じるトンネルバリア層の一例である。またMgOに代わる材料として、例えば、Mg、Al、Oからなる3元系酸化物(Mg-Al-O)も検討されている。Mg-Al-Oは、MgOに比べ強磁性体と格子整合性が向上しており、高電圧を印加しても従来のMgOよりもMR比が低下しにくい。 MgO is an example of a tunnel barrier layer in which coherent tunneling occurs. Furthermore, as a material to replace MgO, for example, a ternary oxide consisting of Mg, Al, and O (Mg-Al-O) is being considered. Mg-Al-O has improved lattice matching with ferromagnetism compared to MgO, and its MR ratio is less likely to decrease than conventional MgO even when a high voltage is applied.

例えば、特許文献1にはスピネル型の結晶構造を持つMgAl2O4をトンネルバリア層に用いた例が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes an example in which MgAl2O4 having a spinel type crystal structure is used for a tunnel barrier layer.

また特許文献2には、スピネル構造の半分の格子定数を持つ立方晶結晶(不規則スピネル構造)をもつ3元系酸化物(Mg-Al-O)が記載されている。不規則スピネル構造は準安定な構造であるため、スピネル型構造の化学量論組成に限定されずにトンネルバリア層を構成できる。不規則スピネル構造は、Mg-Al組成比を調整することによって格子定数を連続的に変化させることができる。また特許文献2には、不規則スピネル構造のトンネルバリア層とBCC型Co-Fe系強磁性層とを組み合わせた磁気抵抗効果素子が記載されている。不規則スピネル構造のトンネルバリア層とBCC型Co-Fe系強磁性層とを組み合わせると、バンド折りたたみ効果が抑制され、磁気抵抗効果素子は大きなMR比を安定して示す。 Further, Patent Document 2 describes a ternary oxide (Mg-Al-O) having a cubic crystal (irregular spinel structure) having a lattice constant half that of a spinel structure. Since the irregular spinel structure is a metastable structure, the tunnel barrier layer can be constructed without being limited to the stoichiometric composition of the spinel structure. The lattice constant of the irregular spinel structure can be continuously changed by adjusting the Mg--Al composition ratio. Further, Patent Document 2 describes a magnetoresistive element that combines a tunnel barrier layer with an irregular spinel structure and a BCC type Co--Fe based ferromagnetic layer. By combining a tunnel barrier layer with an irregular spinel structure and a BCC type Co--Fe ferromagnetic layer, the band folding effect is suppressed, and the magnetoresistive element stably exhibits a large MR ratio.

特許第5586028号公報Patent No. 5586028 特許第5988019号公報Patent No. 5988019

特許文献1に記載の規則スピネル構造のトンネルバリア層は、十分大きなMR比を得ることができない。また特許文献2に記載の不規則スピネル構造のトンネルバリア層は、高電圧を印加した際に、MR比が低下しやすい。磁気抵抗効果素子の出力電圧を向上させるためには、大きなMR比と高い電圧耐性とが求められる。 The tunnel barrier layer having an ordered spinel structure described in Patent Document 1 cannot obtain a sufficiently large MR ratio. Further, the tunnel barrier layer having an irregular spinel structure described in Patent Document 2 tends to have a reduced MR ratio when a high voltage is applied. In order to improve the output voltage of a magnetoresistive element, a large MR ratio and high voltage resistance are required.

本発明は、このような実情に鑑み、出力電圧を向上できる磁気抵抗効果素子を提供することを課題としている。 In view of these circumstances, it is an object of the present invention to provide a magnetoresistive element that can improve the output voltage.

本発明者らは、トンネルバリア層に規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に導入した。本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The present inventors introduced both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure into the tunnel barrier layer. The present invention provides the following means to solve the above problems.

(1)第1の態様にかかるトンネルバリア層は、非磁性酸化物を含み、結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含む。 (1) The tunnel barrier layer according to the first aspect includes a nonmagnetic oxide, and has a crystal structure including both an ordered spinel structure and a disordered spinel structure.

(2)上記態様にかかるトンネルバリア層において、前記不規則スピネル構造の格子定数は、前記規則スピネル構造の格子定数の略半分であってもよい。 (2) In the tunnel barrier layer according to the above aspect, the lattice constant of the irregular spinel structure may be approximately half of the lattice constant of the regular spinel structure.

(3)上記態様にかかるトンネルバリア層は、透過型電子顕微鏡を用いたナノ電子回折において、第1電子線パターンを示す第1部分と、第2電子線パターンを示す第2部分と、疑似第1電子線パターンを示す第3部分と、のうち少なくとも2つを含んでもよい。 (3) The tunnel barrier layer according to the above aspect has a first part showing the first electron beam pattern, a second part showing the second electron beam pattern, and a pseudo pattern in nanoelectron diffraction using a transmission electron microscope. and a third portion showing one electron beam pattern.

(4)上記態様にかかるトンネルバリア層は、透過型電子顕微鏡を用いたナノ電子回折において、疑似第1電子線パターンを示す第3部分のみからなってもよい。 (4) The tunnel barrier layer according to the above aspect may consist only of a third portion that shows a pseudo first electron beam pattern in nanoelectron diffraction using a transmission electron microscope.

(5)上記態様にかかるトンネルバリア層において、前記規則スピネル構造の割合が10%以上90%以下であってもよい。 (5) In the tunnel barrier layer according to the above aspect, the proportion of the ordered spinel structure may be 10% or more and 90% or less.

(6)上記態様にかかるトンネルバリア層において、前記規則スピネル構造の割合が20%以上80%以下であってもよい。 (6) In the tunnel barrier layer according to the above aspect, the proportion of the ordered spinel structure may be 20% or more and 80% or less.

(7)上記態様にかかるトンネルバリア層において、前記非磁性酸化物は、Mgと、AlとGaとのうち少なくとも一方と、を含んでもよい。 (7) In the tunnel barrier layer according to the above aspect, the nonmagnetic oxide may contain Mg and at least one of Al and Ga.

(8)上記態様にかかるトンネルバリア層において、MgとGaとを含む酸化物と、MgとAlとを含む酸化物とを有し、前記MgとGaとを含む酸化物は、前記規則スピネル構造であり、前記MgとAlとを含む酸化物は、前記不規則スピネル構造であってもよい。 (8) The tunnel barrier layer according to the above aspect includes an oxide containing Mg and Ga, and an oxide containing Mg and Al, and the oxide containing Mg and Ga has the ordered spinel structure. The oxide containing Mg and Al may have the irregular spinel structure.

(9)上記態様にかかるトンネルバリア層は、結晶の配向方向が(001)配向であってもよい。 (9) In the tunnel barrier layer according to the above aspect, the crystal orientation direction may be (001) orientation.

(10)第2の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層を厚み方向に挟む第1強磁性層及び第2強磁性層と、を含む。 (10) A magnetoresistive element according to a second aspect includes the tunnel barrier layer according to the above aspect, and a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer sandwiching the tunnel barrier layer in the thickness direction.

(11)第2の態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層の少なくとも一方がFe元素を含んでもよい。 (11) In the magnetoresistive element according to the second aspect, at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer may contain Fe element.

(12)第3の態様にかかる磁気抵抗効果素子の製造方法は、規則スピネル構造を形成するのに十分な酸素を供給する第1条件と、前記第1条件より酸素供給量の少ない第2条件とを含む。 (12) The method for manufacturing a magnetoresistive element according to the third aspect includes a first condition in which sufficient oxygen is supplied to form an ordered spinel structure, and a second condition in which the amount of oxygen supplied is smaller than the first condition. including.

(13)第4の態様にかかる絶縁層は、非磁性酸化物を含み、結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含む。 (13) The insulating layer according to the fourth aspect includes a nonmagnetic oxide, and has a crystal structure including both an ordered spinel structure and a disordered spinel structure.

本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、出力電圧が向上する。 The magnetoresistive element according to one embodiment of the present invention has improved output voltage.

実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。1 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to an embodiment. 規則スピネル構造を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ電子回折(NBD)を行った結果である。This is the result of performing nanoelectron diffraction (NBD) on an ordered spinel structure using a transmission electron microscope (TEM). 不規則スピネル構造を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ電子回折(NBD)を行った結果である。These are the results of nanoelectron diffraction (NBD) of an irregular spinel structure using a transmission electron microscope (TEM). 規則スピネル構造の結晶構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a crystal structure of an ordered spinel structure. 不規則スピネル構造の結晶構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a crystal structure of an irregular spinel structure. トンネルバリア層の結晶構造の一例を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a crystal structure of a tunnel barrier layer. トンネルバリア層の結晶構造の別の例を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing another example of the crystal structure of a tunnel barrier layer. トンネルバリア層の結晶構造の別の例を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing another example of the crystal structure of a tunnel barrier layer. 磁気抵抗効果素子の適用例1にかかる磁気記録素子の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a magnetic recording element according to Application Example 1 of a magnetoresistive element. 磁気抵抗効果素子の適用例2にかかる磁気記録素子の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic recording element according to Application Example 2 of a magnetoresistive element.

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following explanation, characteristic parts of the present invention may be shown enlarged for convenience in order to make it easier to understand, and the dimensional ratio of each component may differ from the actual one. be. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and can be implemented with appropriate changes within the scope of the invention.

「磁気抵抗効果素子」
図1は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。図1は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子10を切断した断面図である。磁気抵抗効果素子10は、第1強磁性層1と第2強磁性層2とトンネルバリア層3とを有する。磁気抵抗効果素子10は、これらの層以外にキャップ層、下地層等を有していてもよい。トンネルバリア層3は、絶縁層の一例である。
"Magnetoresistance effect element"
FIG. 1 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element according to this embodiment. FIG. 1 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 10 taken along the lamination direction of each layer of the magnetoresistive element. The magnetoresistive element 10 includes a first ferromagnetic layer 1 , a second ferromagnetic layer 2 , and a tunnel barrier layer 3 . The magnetoresistive element 10 may have a cap layer, a base layer, etc. in addition to these layers. Tunnel barrier layer 3 is an example of an insulating layer.

(第1強磁性層、第2強磁性層)
第1強磁性層1及び第2強磁性層2は磁性体である。第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子10は、第1強磁性層1の磁化と第2強磁性層2の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
(First ferromagnetic layer, second ferromagnetic layer)
The first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are magnetic materials. The first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 each have magnetization. The magnetoresistive element 10 outputs a change in the relative angle between the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 as a change in resistance value.

第2強磁性層2の磁化は、例えば、第1強磁性層1の磁化より動きにくい。所定の外力を加えた場合に、第2強磁性層2の磁化の向きは変化せず(固定され)、第1強磁性層1の磁化の向きは変化する。第2強磁性層2の磁化の向きに対して第1強磁性層1の磁化の向きが変化することで、磁気抵抗効果素子10の抵抗値は変化する。この場合、第2強磁性層2は磁化固定層と言われ、第1強磁性層1は磁化自由層と呼ばれる場合がある。以下、第1強磁性層1が磁化自由層、第2強磁性層2が磁化固定層の場合を例に説明をする。 The magnetization of the second ferromagnetic layer 2 is, for example, more difficult to move than the magnetization of the first ferromagnetic layer 1. When a predetermined external force is applied, the direction of magnetization of the second ferromagnetic layer 2 does not change (fixed), and the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer 1 changes. As the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer 1 changes with respect to the direction of magnetization of the second ferromagnetic layer 2, the resistance value of the magnetoresistive element 10 changes. In this case, the second ferromagnetic layer 2 is sometimes called a magnetization fixed layer, and the first ferromagnetic layer 1 is sometimes called a magnetization free layer. Hereinafter, a case where the first ferromagnetic layer 1 is a magnetization free layer and the second ferromagnetic layer 2 is a magnetization fixed layer will be described as an example.

第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、強磁性体を含む。第1強磁性層1及び第2強磁性層2を構成する強磁性体は、例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金である。第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、例えば、Fe元素を含む。Fe元素を含む第1強磁性層1及び第2強磁性層2はスピン分極率が高く、磁気抵抗効果素子10のMR比が大きくなる。第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、例えば、Fe、Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Feである。 The first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 contain ferromagnetic material. The ferromagnetic material constituting the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 is, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, or an alloy containing one or more of these metals. , an alloy containing these metals and at least one or more elements of B, C, and N. The first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 contain, for example, Fe element. The first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 containing the Fe element have high spin polarization, and the MR ratio of the magnetoresistive element 10 increases. The first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are, for example, Fe, Co--Fe, Co--Fe-B, or Ni--Fe.

第1強磁性層1及び第2強磁性層2は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、XYZ又はXYZの化学組成をもつ金属間化合物であり、Xは周期表上でCo、Fe、Ni、Cu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、YはMn、V、Cr、Ti族の遷移金属又はXの元素種であり、ZはIII族からV族の典型元素である。ホイスラー合金は、例えば、CoFeSi、CoFeGe、CoFeGa、CoMnSi、CoMn1-aFeAlSi1-b、CoFeGe1-cGa等である。 The first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 may be Heusler alloys. Heusler alloys are half metals and have high spin polarizability. Heusler alloy is an intermetallic compound with a chemical composition of XYZ or It is an elemental species of Cr, a transition metal of the Ti group, or X, and Z is a typical element of groups III to V. Examples of the Heusler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , Co 2 FeGe 1-c Ga c , and the like.

第1強磁性層1及び第2強磁性層2の厚みは、例えば、3nm以下である。第1強磁性層1及び第2強磁性層2の厚みが薄いと、第1強磁性層1及び第2強磁性層2とトンネルバリア層3との界面で、界面磁気異方性が生じ、第1強磁性層1及び第2強磁性層2の磁化の向きが積層面に対して垂直方向に配向しやすくなる。 The thickness of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 is, for example, 3 nm or less. When the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are thin, interfacial magnetic anisotropy occurs at the interface between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 and the tunnel barrier layer 3. The magnetization directions of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are easily oriented perpendicular to the lamination plane.

第2強磁性層2のトンネルバリア層3と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を設けてもよい。第2強磁性層2、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造(SAF構造)となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第2強磁性層2と反強磁性層とが反強磁性カップリングするとことで、反強磁性層を有さない場合より第2強磁性層2の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、IrMn,PtMn等である。スペーサ層は、例えば、Ru、Ir、Rhからなる群から選択される少なくとも一つを含む。 An antiferromagnetic layer may be provided on the surface of the second ferromagnetic layer 2 opposite to the tunnel barrier layer 3 with a spacer layer interposed therebetween. The second ferromagnetic layer 2, the spacer layer, and the antiferromagnetic layer have a synthetic antiferromagnetic structure (SAF structure). A synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching a nonmagnetic layer. Due to the antiferromagnetic coupling between the second ferromagnetic layer 2 and the antiferromagnetic layer, the coercive force of the second ferromagnetic layer 2 becomes larger than that in the case without the antiferromagnetic layer. The antiferromagnetic layer is, for example, IrMn, PtMn, or the like. The spacer layer includes, for example, at least one selected from the group consisting of Ru, Ir, and Rh.

(トンネルバリア層)
トンネルバリア層3は、非磁性酸化物を含む。非磁性酸化物は、例えば、Mgと、AlとGaとのうち少なくとも一方と、を含む酸化物である。非磁性酸化物は、例えば、Mg-(Al,Ga)-Oで表記される。非磁性酸化物の組成表記は、MgとAl又はGaとの比率が決定されないため、添え字を用いず、上記のように表記されることが多い。
(Tunnel barrier layer)
Tunnel barrier layer 3 includes nonmagnetic oxide. The nonmagnetic oxide is, for example, an oxide containing Mg and at least one of Al and Ga. The nonmagnetic oxide is expressed as, for example, Mg-(Al, Ga)-O. Since the ratio of Mg to Al or Ga is not determined, the composition of nonmagnetic oxides is often written as described above without using subscripts.

トンネルバリア層3は、結晶構造として規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを有する。規則スピネル構造を構成する酸化物と不規則スピネル構造を構成する酸化物の組成は、同じでも異なってもよい。例えば、規則スピネル構造を構成する酸化物がMgとGaとを含む酸化物(Mg-Ga-O)であり、不規則スピネル構造を構成する酸化物がMgとAlとを含む酸化物(Mg-Al-O)でもよい。 The tunnel barrier layer 3 has a regular spinel structure and an irregular spinel structure as crystal structures. The compositions of the oxides constituting the ordered spinel structure and the oxides constituting the disordered spinel structure may be the same or different. For example, an oxide constituting an ordered spinel structure is an oxide containing Mg and Ga (Mg-Ga-O), and an oxide constituting an irregular spinel structure is an oxide containing Mg and Al (Mg-Ga-O). Al--O) may also be used.

図2は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて規則スピネル構造の結晶に対してナノ電子回折(NBD)を行った結果である。また図3は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて不規則スピネル構造の結晶に対してナノ電子回折(NBD)を行った結果である。ナノ電子回折は、電子パターンを計測する。電子線パターンは、磁気抵抗効果素子10を薄片化した薄片試料に1nm径程度に絞った電子線を照射し、電子線を透過回折して得られる電子像である。図2及び図3は、薄片試料の[100]方位に電子線を入射した結果である。以下、図2に示す電子線パターンを第1電子線パターンと称し、図3に示す電子線パターンを第2電子線パターンと称する。 FIG. 2 shows the results of nanoelectron diffraction (NBD) performed on a crystal with an ordered spinel structure using a transmission electron microscope (TEM). Further, FIG. 3 shows the results of nanoelectron diffraction (NBD) performed on a crystal with an irregular spinel structure using a transmission electron microscope (TEM). Nanoelectron diffraction measures electronic patterns. The electron beam pattern is an electron image obtained by irradiating a thin sample obtained by cutting the magnetoresistive element 10 into thin pieces with an electron beam focused to a diameter of about 1 nm, and transmitting and diffracting the electron beam. 2 and 3 show the results of an electron beam incident on a thin sample in the [100] direction. Hereinafter, the electron beam pattern shown in FIG. 2 will be referred to as a first electron beam pattern, and the electron beam pattern shown in FIG. 3 will be referred to as a second electron beam pattern.

図2及び図3に示す白い部分は、回折光が検出された回折スポットであり、規則的に配列している。回折スポットの大きさの違いは、入射光の中心軸からの距離、回折点である原子の回折しやすさ等によるものである。第1電子線パターン(図2)と第2電子線パターン(図3)とは、異なる。第1電子線パターン(図2)は、第2電子線パターン(図3)と比較して、点線で囲む領域内にみられるスポットS1、S2、S3、S4(以下、総称して第1オーダースポットという場合がある)が増えている。第1電子線パターンは、スポットS1~S4の輝度が等しい。電子線パターンによっては、スポットS1~S4の輝度が異なる場合や、スポットS1~S4の中にスポットが見えない場合がある。スポットS1~S4の輝度が異なる場合の電子線パターン及び見られないスポットがある電子線パターンを疑似第1電子線パターンという。 The white parts shown in FIGS. 2 and 3 are diffraction spots where diffracted light was detected, and are regularly arranged. Differences in the size of the diffraction spots are due to the distance from the central axis of the incident light, the ease of diffraction of atoms serving as diffraction points, and other factors. The first electron beam pattern (FIG. 2) and the second electron beam pattern (FIG. 3) are different. Compared to the second electron beam pattern (FIG. 3), the first electron beam pattern (FIG. 2) has spots S1, S2, S3, and S4 (hereinafter collectively referred to as first order (sometimes referred to as spots) are increasing. In the first electron beam pattern, the spots S1 to S4 have equal brightness. Depending on the electron beam pattern, the brightness of the spots S1 to S4 may differ or the spots may not be visible among the spots S1 to S4. An electron beam pattern in which the spots S1 to S4 have different luminances and an electron beam pattern in which there are invisible spots are referred to as pseudo first electron beam patterns.

電子線パターンは、結晶格子をフーリエ変換したものと見なすことができ、有効的な格子定数の変化や結晶対称性の変化を観察している。規則スピネル構造と不規則スピネル構造の電子線パターンの違いは、規則スピネル構造と不規則スピネル構造の結晶構造の違いに起因する。 The electron beam pattern can be regarded as a Fourier transform of a crystal lattice, and changes in effective lattice constants and crystal symmetry are observed. The difference in the electron beam pattern between the ordered spinel structure and the disordered spinel structure is due to the difference in the crystal structure between the ordered spinel structure and the disordered spinel structure.

図4は、規則スピネル構造の結晶構造を示す図である。規則スピネル構造は、A元素がイオン化して入るサイトとB元素がイオン化して入るサイトが固定されており、これらの元素の配列は規則的である。A元素は、例えばMgとZnからなる群から選択される1種以上の元素であり、B元素は、Al、InおよびGaからなる群から選択される1種以上の元素である。A元素は、例えばMgであり、B元素は例えばAl又はGaである。MgとGaの酸化物(Mg-Ga-O)は規則スピネル構造となりやすい。 FIG. 4 is a diagram showing a crystal structure of an ordered spinel structure. In the ordered spinel structure, the site where element A is ionized and enters and the site where element B is ionized and enter are fixed, and the arrangement of these elements is regular. The A element is, for example, one or more elements selected from the group consisting of Mg and Zn, and the B element is one or more elements selected from the group consisting of Al, In, and Ga. The A element is, for example, Mg, and the B element is, for example, Al or Ga. An oxide of Mg and Ga (Mg-Ga-O) tends to have an ordered spinel structure.

図5は不規則スピネル構造の結晶構造を示す図である。不規則スピネル構造の場合、イオン化したA元素又はB元素は、酸素に対して四面体配位するサイト及び八面体配位するサイトのいずれにも存在しうる。A元素又はB元素がいずれのサイトに入るかはランダムである。原子半径の異なるA元素とB元素とがランダムにこれらのサイトに入ることで、結晶構造が不規則化する。不規則スピネル構造は、例えば、Fm-3mの空間群の対称性、又は、F-43mの空間群の対称性を有する。MgとAlの酸化物(Mg-Al-O)は不規則スピネル構造となりやすい。 FIG. 5 is a diagram showing a crystal structure of an irregular spinel structure. In the case of a disordered spinel structure, the ionized A element or B element can be present at either a site that coordinates tetrahedrally or a site that coordinates octahedrally with respect to oxygen. Which site the A element or B element enters is random. Element A and element B, which have different atomic radii, randomly enter these sites, making the crystal structure disordered. The irregular spinel structure has, for example, a space group symmetry of Fm-3m or a space group symmetry of F-43m. An oxide of Mg and Al (Mg-Al-O) tends to have an irregular spinel structure.

不規則スピネル構造の有効的な格子定数(a/2)は、規則スピネル構造の有効的な格子定数(a)の略半分である。例えば、規則スピネル構造の結晶の実質的な格子定数は0.808nmであり、不規則スピネル構造の結晶の実質的な格子定数は0.404nmである。ここで「実質的な格子定数」とは、酸素欠損などで格子定数が多少変動する場合があり、スピネルまたは不規則スピネルとして結晶化した際に許容される格子定数である。ここで「実質的な」とは、結晶性が失われない程度の格子のずれ量で、上記の格子定数の値を基準に3%程度のずれを含むことを意味する。また「略半分」とは、規則化したスピネル構造の格子定数(a)の半分の値を中心に4%のずれを含む。 The effective lattice constant (a/2) of the irregular spinel structure is approximately half the effective lattice constant (a) of the ordered spinel structure. For example, the substantial lattice constant of a crystal with an ordered spinel structure is 0.808 nm, and the substantial lattice constant of a crystal with a disordered spinel structure is 0.404 nm. Here, the term "substantive lattice constant" refers to a lattice constant that is allowed when crystallized as spinel or disordered spinel, although the lattice constant may vary somewhat due to oxygen vacancies and the like. Here, "substantial" refers to the amount of lattice misalignment that does not cause loss of crystallinity, and includes a misalignment of about 3% based on the value of the above-mentioned lattice constant. Moreover, "approximately half" includes a deviation of 4% around the half value of the lattice constant (a) of the regularized spinel structure.

規則スピネル構造と不規則スピネル構造との有効的な格子定数の違いは、規則スピネル構造と不規則スピネル構造との電子線パターンの違いの原因となる。第2電子線パターン(図3)は、心立方(FCC)格子からの基本反射を観察している。第1電子線パターン(図2)は、心立方(FCC)格子からの基本反射に加えて、{220}面からの反射を観察している。{220}面からの反射が第1オーダースポットに対応する。規則スピネル構造と不規則スピネル構造が混在すると、電子線回折強度が弱くなり、オーダースポットの輝度が一部だけ弱くなる。 The difference in effective lattice constant between an ordered spinel structure and an irregular spinel structure causes a difference in electron beam pattern between an ordered spinel structure and an irregular spinel structure. The second electron beam pattern (FIG. 3) observes fundamental reflections from a face- centered cubic (FCC) lattice. In the first electron beam pattern (FIG. 2), in addition to the fundamental reflection from the face-centered cubic (FCC) lattice, reflection from the {220} plane is observed. The reflection from the {220} plane corresponds to the first order spot. When an ordered spinel structure and an irregular spinel structure coexist, the electron beam diffraction intensity becomes weaker, and the brightness of an ordered spot becomes weaker only in part.

トンネルバリア層3の厚みは、例えば、3nm以下である。トンネルバリア層3の厚みを3nm以下とすると、第1強磁性層1及び第2強磁性層2の波動関数がトンネルバリア層3を超えて重なりやすくなり、強磁性層間の波動関数のトンネル効果及びコヒーレントトンネル効果が得やすくなる。 The thickness of the tunnel barrier layer 3 is, for example, 3 nm or less. When the thickness of the tunnel barrier layer 3 is set to 3 nm or less, the wave functions of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 tend to overlap beyond the tunnel barrier layer 3, resulting in a tunneling effect and a wave function of the wave function between the ferromagnetic layers. It becomes easier to obtain a coherent tunnel effect.

図6及び図7は、トンネルバリア層3の結晶構造の一例を示した図である。トンネルバリア層3は上述のように例えば3nm以下であり、例えば格子定数が0.808nmの規則スピネル構造の場合、トンネルバリア層3は数レイヤーの単位格子からなる。図6は、トンネルバリア層3を構成する単位格子が1レイヤーの場合であり。図7は、トンネルバリア層3を構成する単位格子が複数レイヤーの場合である。 6 and 7 are diagrams showing an example of the crystal structure of the tunnel barrier layer 3. As described above, the tunnel barrier layer 3 has a thickness of, for example, 3 nm or less, and in the case of a regular spinel structure with a lattice constant of 0.808 nm, for example, the tunnel barrier layer 3 consists of several layers of unit lattices. FIG. 6 shows a case where the tunnel barrier layer 3 has one layer of unit cells. FIG. 7 shows a case where the unit cell forming the tunnel barrier layer 3 is a plurality of layers.

図6に示すトンネルバリア層3は、規則スピネル構造C1と不規則スピネル構造C2とを有する。図6に示すトンネルバリア層3において、規則スピネル構造C1のみからなる領域を第1領域R1と称し、不規則スピネル構造C2のみからなる領域を第2領域R2と称する。第1領域R1は第1部分の一例であり、第2領域R2は第2部分の一例である。第1領域R1は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ電子回折(NBD)において、第1電子線パターンを示す。第2領域R2は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ電子回折(NBD)において、第2電子線パターンを示す。 The tunnel barrier layer 3 shown in FIG. 6 has a regular spinel structure C1 and an irregular spinel structure C2. In the tunnel barrier layer 3 shown in FIG. 6, a region consisting only of the regular spinel structure C1 is referred to as a first region R1, and a region consisting only of the irregular spinel structure C2 is referred to as a second region R2. The first region R1 is an example of the first portion, and the second region R2 is an example of the second portion. The first region R1 shows a first electron beam pattern in nanoelectron diffraction (NBD) using a transmission electron microscope (TEM). The second region R2 shows a second electron beam pattern in nanoelectron diffraction (NBD) using a transmission electron microscope (TEM).

また図7に示すトンネルバリア層3も、規則スピネル構造C1と不規則スピネル構造C2とを有する。図7に示すトンネルバリア層3において、積層方向に規則スピネル構造C1のみからなる領域を第1領域R1と称し、積層方向に不規則スピネル構造C2のみからなる領域を第2領域R2と称し、規則スピネル構造C1、不規則スピネル構造C2の順で積層された領域を第3領域R3と称し、不規則スピネル構造C2、規則スピネル構造C1の順で積層された領域を第4領域R4と称する。また規則スピネル構造C1、不規則スピネル構造C2、規則スピネル構造C1、の順で積層された領域を第5領域R5と称し、不規則スピネル構造C2、規則スピネル構造C1、不規則スピネル構造C2の順で積層された領域を第6領域R6と称する。第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6は、第3部分の一例である。結晶は積層方向に成長するため、異なる結晶構造が積層された第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6が生じる確率は、第1領域R1及び第2領域R2が生じる確率と比較して低い。第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6は、規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを含む混晶である。尚、トンネルバリア層3は、第1領域R1と、第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6から選択される少なくとも1つの領域と、からなっていてもよく、第2領域R2と、第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6から選択される少なくとも1つの領域と、からなっていてもよい。また、図8に別の例を示すよう、トンネルバリア層3は、第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6から選択される少なくとも1つの領域からなっていてもよい。 Further, the tunnel barrier layer 3 shown in FIG. 7 also has a regular spinel structure C1 and an irregular spinel structure C2. In the tunnel barrier layer 3 shown in FIG. 7, a region consisting only of the ordered spinel structure C1 in the stacking direction is called a first region R1, a region consisting only of the irregular spinel structure C2 in the stacking direction is called a second region R2, and a region consisting only of the ordered spinel structure C1 in the stacking direction is called a second region R2. The region where the spinel structure C1 and the irregular spinel structure C2 are stacked in this order is called a third region R3, and the region where the irregular spinel structure C2 and the regular spinel structure C1 are stacked in that order is called a fourth region R4. Further, a region in which the ordered spinel structure C1, irregular spinel structure C2, and ordered spinel structure C1 are stacked in this order is referred to as a fifth region R5, and the region in which the ordered spinel structure C2, ordered spinel structure C1, and irregular spinel structure C2 are stacked in this order. The layered region is referred to as a sixth region R6. The third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6 are examples of the third portion. Since crystals grow in the stacking direction, the probability that the third region R3, fourth region R4, fifth region R5, and sixth region R6 in which different crystal structures are stacked is the same as that of the first region R1 and the second region R2. It is low compared to the probability of occurrence. The third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6 are mixed crystals containing an ordered spinel structure and an irregular spinel structure. Note that the tunnel barrier layer 3 may consist of a first region R1 and at least one region selected from a third region R3, a fourth region R4, a fifth region R5, and a sixth region R6. It may consist of the second region R2 and at least one region selected from the third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6. Further, as shown in another example in FIG. 8, the tunnel barrier layer 3 may include at least one region selected from a third region R3, a fourth region R4, a fifth region R5, and a sixth region R6. good.

第1領域R1は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ電子回折(NBD)において、第1電子線パターンを示す。第2領域R2は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ電子回折(NBD)において、第2電子線パターンを示す。第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ電子回折(NBD)において、疑似第1電子線パターンを示す。第1領域R1は第1部分の一例である。第2領域R2は第2部分の一例である。第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6は第3部分の一例である。 The first region R1 shows a first electron beam pattern in nanoelectron diffraction (NBD) using a transmission electron microscope (TEM). The second region R2 shows a second electron beam pattern in nanoelectron diffraction (NBD) using a transmission electron microscope (TEM). The third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6 show a pseudo first electron beam pattern in nanoelectron diffraction (NBD) using a transmission electron microscope (TEM). The first region R1 is an example of the first portion. The second region R2 is an example of the second portion. The third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6 are examples of the third portion.

第1電子線パターンにおける第1オーダースポット(図2における点線で囲まれたスポット)は、有効的な格子定数が不規則スピネル構造の略2倍である規則スピネル構造に起因して生じる。第1部分は、電子線パターンに第1オーダースポットが生じ、第1電子線パターンとなる。第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6は、規則スピネル構造C1を含むため、オーダースポットを示す。しかしながら、第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6は、ピーク強度が位置によって異なるため疑似第1電子線パターンとなる。 The first order spots in the first electron beam pattern (spots surrounded by dotted lines in FIG. 2) are generated due to the ordered spinel structure whose effective lattice constant is approximately twice that of the irregular spinel structure. In the first portion, a first order spot is generated in the electron beam pattern, resulting in a first electron beam pattern. The third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6 include the ordered spinel structure C1, and thus represent ordered spots. However, the third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6 have a pseudo first electron beam pattern because the peak intensity differs depending on the position.

規則スピネル構造のみからなる第1領域R1は、一部に規則スピネル構造を有する第3領域R3及び第4領域R4と比較し、輝度が高くかつ均等な第1オーダースポットを示す。上述の通り、第3領域R3、第4領域R4、第5領域R5及び第6領域R6に電子線が照射されて得られるスポットは、第1領域R1に電子線が照射されて得られる第1オーダースポットより薄い(電子線の回折強度が弱い)場合や、第1オーダースポットの一部が見られない場合がある。 The first region R1 consisting only of a regular spinel structure exhibits a first order spot with high brightness and uniformity, compared to the third region R3 and the fourth region R4, which partially have a regular spinel structure. As mentioned above, the spots obtained by irradiating the third region R3, the fourth region R4, the fifth region R5, and the sixth region R6 with the electron beam are the same as the spots obtained by irradiating the first region R1 with the electron beam. It may be thinner than the order spot (the electron beam diffraction intensity is weak), or a part of the first order spot may not be seen.

トンネルバリア層3において規則スピネル構造が占める割合は、好ましくは10%以上90%以下であり、より好ましくは20%以上80%以下である。トンネルバリア層3において第2電子線パターンが得られる不規則スピネル構造が占める割合は、好ましくは0%より大きく10%以下又は90%以上100%未満であり、より好ましくは0%より大きく20%以下又は80%以上100%未満である。 The proportion of the ordered spinel structure in the tunnel barrier layer 3 is preferably 10% or more and 90% or less, more preferably 20% or more and 80% or less. The proportion of the irregular spinel structure from which the second electron beam pattern can be obtained in the tunnel barrier layer 3 is preferably greater than 0% and less than 10%, or greater than 90% and less than 100%, and more preferably greater than 0% and less than 20%. or less than or equal to or greater than 80% and less than 100%.

トンネルバリア層3における規則スピネル構造の割合は以下のようにして求める。まず集束イオンビームを用いて磁気抵抗効果素子10を積層方向に沿う面で切断し、磁気抵抗効果素子10の薄片試料を作製する。次いで、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、薄片試料のトンネルバリア層3の異なる10箇所に電子線を照射し、それぞれの箇所でナノ電子回折(NBD)を行う。電子線を照射する10箇所は、例えば、トンネルバリア層3を面内の一方向に等間隔に11区分し、隣接する区分の間の位置のそれぞれとする。そして、10箇所のそれぞれから得られた電子線パターンを、スポットの有無から第1電子線パターン及び疑似第1電子線パターンと、第2電子線パターンと、に分ける。次いで、10箇所のそれぞれから得られた電子線パターンについて、スポットS1~S4の輝度を測定する。10箇所のそれぞれの試料について、スポットS1~S4のうち、最も輝度の高いスポットの輝度を100としたときのスポットS1~S4の輝度の平均(輝度平均)を求める。10箇所のそれぞれの試料において、4つのスポットS1~S4の輝度平均が当該試料の規則スピネル構造の割合である。また、10箇所の電子線パターンにおける規則スピネル構造の割合の平均が、トンネルバリア層3における規則スピネル構造の割合である。 The proportion of the regular spinel structure in the tunnel barrier layer 3 is determined as follows. First, a thin sample of the magnetoresistive element 10 is prepared by cutting the magnetoresistive element 10 along a plane along the stacking direction using a focused ion beam. Next, ten different locations on the tunnel barrier layer 3 of the thin sample are irradiated with an electron beam using a transmission electron microscope (TEM), and nanoelectron diffraction (NBD) is performed at each location. The 10 locations to which the electron beam is irradiated are, for example, the positions of the tunnel barrier layer 3 divided into 11 sections equally spaced in one direction within the plane, and between adjacent sections. Then, the electron beam patterns obtained from each of the ten locations are divided into a first electron beam pattern, a pseudo first electron beam pattern, and a second electron beam pattern based on the presence or absence of spots. Next, the brightness of spots S1 to S4 is measured for the electron beam pattern obtained from each of the 10 locations. For each of the 10 samples, the average brightness (brightness average) of the spots S1 to S4 is determined, assuming that the brightness of the spot with the highest brightness among the spots S1 to S4 is 100. In each of the ten samples, the average brightness of the four spots S1 to S4 is the proportion of the ordered spinel structure of the sample. Further, the average ratio of the ordered spinel structure in the ten electron beam patterns is the ratio of the ordered spinel structure in the tunnel barrier layer 3.

またトンネルバリア層3は、(001)配向していることが好ましい。トンネルバリア層3は、(001)配向した単結晶でもよいし、(001)配向した結晶を主として含む多結晶でもよい。トンネルバリア層3が(001)配向すると、第1強磁性層1及び第2強磁性層2との格子整合性が高まり、コヒーレントトンネル効果を得やすくなる。特に第1強磁性層1又は第2強磁性層2がFe元素を含む、Fe、Co-Fe、Co基ホイスラー合金等の場合に格子整合性が高まる。 Further, the tunnel barrier layer 3 is preferably (001) oriented. The tunnel barrier layer 3 may be a (001) oriented single crystal or a polycrystalline material mainly containing (001) oriented crystals. When the tunnel barrier layer 3 is (001) oriented, lattice matching with the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 increases, making it easier to obtain a coherent tunnel effect. In particular, lattice matching is enhanced when the first ferromagnetic layer 1 or the second ferromagnetic layer 2 contains Fe element, such as Fe, Co--Fe, Co-based Heusler alloy.

磁気抵抗効果素子10は、例えば、柱状である。磁気抵抗効果素子10は積層方向からの平面視で、例えば、円形、楕円形、四角形、三角形、多角形である。磁気抵抗効果素子10の積層方向からの平面視形状は、対称性の観点から円形、楕円形であることが好ましい。 The magnetoresistive element 10 is, for example, columnar. The magnetoresistive element 10 has, for example, a circular shape, an elliptical shape, a quadrangular shape, a triangular shape, or a polygonal shape when viewed in plan from the stacking direction. The shape of the magnetoresistive element 10 in plan view from the stacking direction is preferably circular or elliptical from the viewpoint of symmetry.

磁気抵抗効果素子10の積層方向からの平面視における長辺の長さは、80nm以下であることが好ましく、60nm以下であることがより好ましく、30nm以下であることがさらに好ましい。長辺の長さが80nm以下であると、強磁性中にドメイン構造ができにくくなり、強磁性金属層におけるスピン分極と異なる成分を考慮する必要が無くなる。さらに、長辺の長さが30nm以下であると、強磁性層中に単一ドメイン構造となり、磁化反転速度や確率が改善する。また小型化された磁気抵抗効果素子は、特に低抵抗化の要望が強い。 The length of the long side of the magnetoresistive element 10 in plan view from the stacking direction is preferably 80 nm or less, more preferably 60 nm or less, and even more preferably 30 nm or less. When the length of the long side is 80 nm or less, it becomes difficult to form a domain structure in the ferromagnetism, and there is no need to consider a component different from the spin polarization in the ferromagnetic metal layer. Furthermore, when the length of the long side is 30 nm or less, a single domain structure is formed in the ferromagnetic layer, and the magnetization reversal speed and probability are improved. In addition, there is a strong demand for reduced resistance of magnetoresistive elements that have been miniaturized.

次いで、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子10の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子10は、第1強磁性層1、トンネルバリア層3、第2強磁性層2を順に積層して得られる。各層の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル(MBE)法である。 Next, a method for manufacturing the magnetoresistive element 10 according to this embodiment will be explained. The magnetoresistive element 10 is obtained by laminating a first ferromagnetic layer 1, a tunnel barrier layer 3, and a second ferromagnetic layer 2 in this order. The method for forming each layer is, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, a laser ablation method, or a molecular beam epitaxial (MBE) method.

トンネルバリア層3は、第1条件と第2条件との成膜条件を含む。トンネルバリア層3は、例えば、第1条件で成膜した後に第2条件で成膜する。またトンネルバリア層3は、例えば、第2条件で成膜した後に第1条件で成膜してもよい。 The tunnel barrier layer 3 includes film formation conditions of a first condition and a second condition. For example, the tunnel barrier layer 3 is formed under the first condition and then under the second condition. Further, the tunnel barrier layer 3 may be formed under the first condition after being formed under the second condition, for example.

第1条件は、規則スピネル構造を形成するのに十分な酸素をトンネルバリア層3となる層に供給する成膜条件である。例えば、合金を積層し、その合金を十分に酸化すると、トンネルバリア層3が得られる。酸化は、例えば、プラズマ酸化、酸素導入による酸化である。トンネルバリア層3は、酸素が十分に供給されると規則スピネル構造となる。 The first condition is a film forming condition in which enough oxygen is supplied to the layer that will become the tunnel barrier layer 3 to form an ordered spinel structure. For example, the tunnel barrier layer 3 can be obtained by laminating an alloy and sufficiently oxidizing the alloy. The oxidation is, for example, plasma oxidation or oxidation by introducing oxygen. The tunnel barrier layer 3 becomes an ordered spinel structure when oxygen is sufficiently supplied.

イオン化したA元素とB元素とが、酸素に対して四面体配位するサイト及び八面体配位するサイトのいずれに入るかは、エネルギーポテンシャルによる影響が大きい。十分な酸素がトンネルバリア層3に供給される場合、エネルギーポテンシャルの観点から、イオン化したA元素及びB元素のそれぞれが安定化するサイトが固定され、規則スピネル構造が安定となる。 Whether the ionized elements A and B enter a site that coordinates tetrahedrally or octahedrally with respect to oxygen is largely influenced by the energy potential. When sufficient oxygen is supplied to the tunnel barrier layer 3, from the viewpoint of energy potential, sites where each of the ionized elements A and B are stabilized are fixed, and the ordered spinel structure becomes stable.

規則スピネル構造を形成するのに十分な酸素量は、組成式から理論的に取り込まれる酸素量から求められる。例えば、組成式から理論的に取り込まれる酸素量より過剰な酸素を酸化処理室内に供給すると、規則スピネル構造を形成するのに十分な酸素がトンネルバリア層3となる層に取り込まれる。トンネルバリア層3となる層に取り込まれる酸素量は、例えば、酸化処理室内に導入する酸素の流量、酸化処理室の圧力、酸化時間、ターゲット合金の組成に対する酸素量を調整することで自由に制御できる。例えば、第1条件では、酸化処理室の圧力を100Paとする。 The amount of oxygen sufficient to form an ordered spinel structure can be determined from the amount of oxygen theoretically taken in from the compositional formula. For example, if oxygen is supplied into the oxidation treatment chamber in excess of the amount of oxygen that can be theoretically taken in based on the compositional formula, enough oxygen to form an ordered spinel structure will be taken into the layer that will become the tunnel barrier layer 3. The amount of oxygen taken into the layer that will become the tunnel barrier layer 3 can be freely controlled by, for example, adjusting the flow rate of oxygen introduced into the oxidation chamber, the pressure of the oxidation chamber, the oxidation time, and the amount of oxygen relative to the composition of the target alloy. can. For example, under the first condition, the pressure in the oxidation treatment chamber is set to 100 Pa.

第2条件は、第1条件よりトンネルバリア層3となる層への酸素供給量が少ない条件である。トンネルバリア層3は、酸素の供給量が不十分だと不規則化スピネル構造となる。 The second condition is a condition in which the amount of oxygen supplied to the layer that will become the tunnel barrier layer 3 is smaller than the first condition. The tunnel barrier layer 3 becomes a disordered spinel structure when the amount of oxygen supplied is insufficient.

トンネルバリア層3が酸素欠損すると、酸素は結晶格子を担う元素の一つであり、結晶構造が乱れる。結晶構造が乱れると、酸素に対して四面体配位するサイト及び八面体配位するサイトにおけるエネルギー状態も乱れる。エネルギー状態が乱れると、酸素に対して四面体配位するサイトにおいて安定化するはずのA元素が酸素に対して八面体配位するサイトで安定化したり、その逆が生じたりする。そのため、A元素及びB元素がいずれのサイトに入るかが全体的にランダムなものとなり、結果としてより不規則化したスピネル構造で安定化し易くなる。 When the tunnel barrier layer 3 is deficient in oxygen, oxygen is one of the elements responsible for the crystal lattice, and the crystal structure is disturbed. When the crystal structure is disturbed, the energy states at sites that coordinate tetrahedrally and octahedrally with respect to oxygen are also disturbed. When the energy state is disturbed, element A, which should be stabilized at a site that coordinates tetrahedrally to oxygen, becomes stabilized at a site that coordinates octahedrally to oxygen, or vice versa. Therefore, which site the A element and the B element enter is entirely random, and as a result, it becomes easier to stabilize the spinel structure with a more disordered structure.

第2条件は、一例として、酸化処理室内に導入する酸素の流量を第1条件より減らす。第2条件は、別の例として、酸化処理室の圧力を第1条件より低くする。第2条件は、別の例として、酸化時間を第1条件より短くする。第2条件は、別の例として、ターゲット合金の組成に対する酸素量を少なくする。例えば、第2条件では、酸化処理室の圧力を1Paとする。 In the second condition, for example, the flow rate of oxygen introduced into the oxidation treatment chamber is reduced compared to the first condition. As another example, the second condition makes the pressure in the oxidation treatment chamber lower than the first condition. As another example, the second condition makes the oxidation time shorter than the first condition. Another example of the second condition is to reduce the amount of oxygen relative to the composition of the target alloy. For example, in the second condition, the pressure in the oxidation treatment chamber is set to 1 Pa.

トンネルバリア層3は薄いため、第1条件と第2条件を順に行っても、規則スピネル構造と不規則スピネル構造とはトンネルバリア層3内で混在する。トンネルバリア層3は、成膜後に加熱してもよい。 Since the tunnel barrier layer 3 is thin, the regular spinel structure and the irregular spinel structure coexist within the tunnel barrier layer 3 even if the first condition and the second condition are performed in order. The tunnel barrier layer 3 may be heated after being formed.

次いで、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子10の適用例について説明する。磁気抵抗効果素子10は、例えば、磁気センサ、MRAMなどのメモリ等に利用できる。 Next, an application example of the magnetoresistive element 10 according to this embodiment will be explained. The magnetoresistive element 10 can be used, for example, as a magnetic sensor, a memory such as an MRAM, and the like.

図9は、適用例1にかかる磁気記録素子100の断面図である。図9は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子10を切断した断面図である。図9に示す磁気記録素子100は、磁気抵抗効果素子10の適用例の一例である。 FIG. 9 is a cross-sectional view of the magnetic recording element 100 according to Application Example 1. FIG. 9 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 10 taken along the lamination direction of each layer of the magnetoresistive element. A magnetic recording element 100 shown in FIG. 9 is an example of an application of the magnetoresistive element 10.

磁気記録素子100は、磁気抵抗効果素子10と第1電極11と第2電極12と電源13と測定部14とを有する。第1電極11は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の第1面に接続されている。第2電極12は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の第2面に接続されている。第1電極11及び第2電極12は導体であり、例えば、Cuである。電源13及び測定部14は、第1電極11と第2電極12とのそれぞれに接続されている。電源13は、磁気抵抗効果素子10の積層方向に電位差を与える。測定部14は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の抵抗値を測定する。 The magnetic recording element 100 includes a magnetoresistive element 10 , a first electrode 11 , a second electrode 12 , a power source 13 , and a measuring section 14 . The first electrode 11 is connected to the first surface of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction. The second electrode 12 is connected to the second surface of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction. The first electrode 11 and the second electrode 12 are conductors, and are made of, for example, Cu. The power source 13 and the measuring section 14 are connected to the first electrode 11 and the second electrode 12, respectively. The power supply 13 applies a potential difference in the stacking direction of the magnetoresistive element 10. The measurement unit 14 measures the resistance value of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction.

電源13により第1電極11と第2電極12との間に電位差を生み出すと、磁気抵抗効果素子10の積層方向に電流が流れる。電流は、第2強磁性層2を通過する際にスピン偏極し、スピン偏極電流となる。スピン偏極電流は、トンネルバリア層3を介して、第1強磁性層1に至る。第1強磁性層1の磁化は、スピン偏極電流によるスピントランスファートルク(STT)を受けて磁化反転する。第1強磁性層1の磁化の向きと第2強磁性層2の磁化の向きとが変化することで、磁気抵抗効果素子10の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子10の積層方向の抵抗値は、測定部14で読み出される。すなわち、図9に示す磁気記録素子100は、スピントランスファートルク(STT)型の磁気記録素子である。 When a potential difference is generated between the first electrode 11 and the second electrode 12 by the power source 13, a current flows in the stacking direction of the magnetoresistive element 10. The current becomes spin-polarized when passing through the second ferromagnetic layer 2, and becomes a spin-polarized current. The spin-polarized current reaches the first ferromagnetic layer 1 via the tunnel barrier layer 3. The magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is reversed in response to spin transfer torque (STT) caused by a spin-polarized current. By changing the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 2, the resistance value of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction changes. The resistance value of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction is read out by the measurement unit 14. That is, the magnetic recording element 100 shown in FIG. 9 is a spin transfer torque (STT) type magnetic recording element.

図10は、適用例2にかかる磁気記録素子101の断面図である。図10は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子10を切断した断面図である。図10に示す磁気記録素子101は、磁気抵抗効果素子10の適用例の一例である。 FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetic recording element 101 according to Application Example 2. FIG. 10 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 10 taken along the stacking direction of each layer of the magnetoresistive element. A magnetic recording element 101 shown in FIG. 10 is an example of an application of the magnetoresistive element 10.

磁気記録素子101は、磁気抵抗効果素子10と第1電極21と第1配線22と電源23と測定部24とを有する。第1電極21は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の第1面に接続されている。第1配線22は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の第2面に接続されている。第1電極21は導体であり、例えば、Cuである。第1配線22は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。第1配線22は、例えば、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号を有する非磁性金属である。電源23は、第1配線22の第1端と第2端に接続されている。測定部24は、第1電極21と第1配線22とに接続され、磁気抵抗効果素子10の積層方向の抵抗値を測定する。 The magnetic recording element 101 includes a magnetoresistive element 10 , a first electrode 21 , a first wiring 22 , a power source 23 , and a measuring section 24 . The first electrode 21 is connected to the first surface of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction. The first wiring 22 is connected to the second surface of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction. The first electrode 21 is a conductor, for example, Cu. The first wiring 22 includes any one of a metal, an alloy, an intermetallic compound, a metal boride, a metal carbide, a metal silicide, and a metal phosphide, which have the function of generating a spin current by the spin Hall effect when current flows. . The first wiring 22 is, for example, a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more and having d electrons or f electrons in its outermost shell. The power supply 23 is connected to the first end and the second end of the first wiring 22 . The measuring section 24 is connected to the first electrode 21 and the first wiring 22 and measures the resistance value of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction.

電源23により第1配線22の第1端と第2端との間に電位差を生み出すと、第1配線22に沿って電流が流れる。第1配線22に沿って電流が流れると、スピン軌道相互作用によりスピンホール効果が生じる。スピンホール効果は、移動するスピンが電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる現象である。スピンホール効果は、第1配線22内にスピンの偏在を生み出し、第1配線22の厚み方向にスピン流を誘起する。スピンは、スピン流によって第1配線22から第1強磁性層1に注入される。 When a potential difference is generated between the first end and the second end of the first wiring 22 by the power supply 23, a current flows along the first wiring 22. When a current flows along the first wiring 22, a spin Hall effect occurs due to spin-orbit interaction. The spin Hall effect is a phenomenon in which moving spins are bent in a direction perpendicular to the direction of current flow. The spin Hall effect produces uneven distribution of spins within the first interconnect 22 and induces a spin current in the thickness direction of the first interconnect 22. Spin is injected from the first wiring 22 into the first ferromagnetic layer 1 by a spin current.

第1強磁性層1に注入されたスピンは、第1強磁性層1の磁化にスピン軌道トルク(SOT)を与える。第1強磁性層1は、スピン軌道トルク(SOT)を受けて、磁化反転する。第1強磁性層1の磁化の向きと第2強磁性層2の磁化の向きとが変化することで、磁気抵抗効果素子10の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子10の積層方向の抵抗値は、測定部14で読み出される。すなわち、図10に示す磁気記録素子101は、スピン軌道トルク(SOT)型の磁気記録素子である。 The spins injected into the first ferromagnetic layer 1 give spin-orbit torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 . The first ferromagnetic layer 1 receives spin-orbit torque (SOT) and undergoes magnetization reversal. By changing the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 2, the resistance value of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction changes. The resistance value of the magnetoresistive element 10 in the stacking direction is read out by the measurement unit 14. That is, the magnetic recording element 101 shown in FIG. 10 is a spin-orbit torque (SOT) type magnetic recording element.

本実施形態に係る磁気抵抗効果素子10は、例えばトンネルバリア層3が規則スピネル構造のみからなる場合より、大きな出力電圧を出力できる。磁気抵抗効果素子の出力電圧を向上させるためには、大きなMR比と高い電圧耐性とが求められる。規則スピネル構造は、不規則スピネル構造より結晶構造が安定なため、大きな電圧を印加してもMR比が低下しにくい。一方で、不規則スピネル構造は、規則スピネル構造と比較して、MR比を高めることができる。不規則スピネル構造は、規則スピネル構造と比較して有効的な格子定数が半減し、第1強磁性層1及び第2強磁性層2との格子整合性を高めやすいためである。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子10は、規則スピネル構造と不規則スピネル構造とが混在しているため、それぞれの構造が持つ特徴を両立できる。したがって、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子10は、大きなMR比と高い電圧耐性とを有し、出力電圧が向上する。 The magnetoresistive element 10 according to this embodiment can output a larger output voltage than, for example, when the tunnel barrier layer 3 is made of only an ordered spinel structure. In order to improve the output voltage of a magnetoresistive element, a large MR ratio and high voltage resistance are required. Since the crystal structure of the ordered spinel structure is more stable than that of the irregular spinel structure, the MR ratio is less likely to decrease even when a large voltage is applied. On the other hand, a disordered spinel structure can increase the MR ratio compared to an ordered spinel structure. This is because the irregular spinel structure has an effective lattice constant halved compared to the regular spinel structure, and can easily improve lattice matching with the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2. Since the magnetoresistive element 10 according to the present embodiment has both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure, it is possible to achieve both the characteristics of each structure. Therefore, the magnetoresistive element 10 according to this embodiment has a large MR ratio and high voltage tolerance, and the output voltage is improved.

(実施例1)
図1に示す磁気抵抗効果素子10をMgO(001)単結晶基板上に作製した。まず基板上に下地層としてCrを40nm積層し800℃1時間の熱処理を行った。第1強磁性層1としてFeを30nm積層し300℃15分の熱処理をおこなった。
(Example 1)
A magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1 was fabricated on an MgO (001) single crystal substrate. First, 40 nm of Cr was laminated as an underlayer on a substrate, and heat treatment was performed at 800° C. for 1 hour. As the first ferromagnetic layer 1, Fe was laminated to a thickness of 30 nm and heat treated at 300° C. for 15 minutes.

次いで、第1強磁性層1上に、Mg0.33Al0.67で表記される合金を0.5nm成膜し、自然酸化を行った。自然酸化は圧力100Paの空気中に600秒曝した(第1条件)。その後、Mg0.33Al0.67で表記される合金を0.5nm成膜し、自然酸化を圧力1Paの空気中に600秒曝すことで行った(第2条件)。その後、積層膜を、真空中で400℃15分熱処理を行い、トンネルバリア層3(Mg-Al-O層)を得た。 Next, a 0.5 nm film of an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was formed on the first ferromagnetic layer 1, and natural oxidation was performed. Natural oxidation was performed by exposing the sample to air at a pressure of 100 Pa for 600 seconds (first condition). Thereafter, a film of 0.5 nm of an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was formed, and natural oxidation was performed by exposing it to air at a pressure of 1 Pa for 600 seconds (second condition). Thereafter, the laminated film was heat-treated at 400° C. for 15 minutes in vacuum to obtain tunnel barrier layer 3 (Mg--Al--O layer).

次いで、トンネルバリア層3上に、第2強磁性層2としてFeを6nm積層し350℃15分熱処理をおこない、強磁性トンネル接合を得た。次いで、反強磁性層としてIrMnを12nm成膜し、キャップ層としてRuを20nm成膜し、磁気抵抗効果素子10を得た。最後に5kOeの磁場を印加しながら175℃の温度で30分熱処理し、第2強磁性層2に一軸磁気異方性を付与した。磁気抵抗効果素子10は、直径80nmの円柱状とした。 Next, 6 nm of Fe was laminated as the second ferromagnetic layer 2 on the tunnel barrier layer 3 and heat treated at 350° C. for 15 minutes to obtain a ferromagnetic tunnel junction. Next, a 12 nm thick IrMn film was formed as an antiferromagnetic layer, and a 20 nm thick Ru film was formed as a cap layer, to obtain the magnetoresistive element 10. Finally, heat treatment was performed at a temperature of 175° C. for 30 minutes while applying a magnetic field of 5 kOe to impart uniaxial magnetic anisotropy to the second ferromagnetic layer 2. The magnetoresistive element 10 had a cylindrical shape with a diameter of 80 nm.

集束イオンビームを用いて作製した磁気抵抗効果素子10を積層方向に沿う面で切断し、トンネルバリア層3の薄片試料を作製した。そして透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて薄片試料のナノ電子回折(NBD)を行った。具体的には、薄片試料に1nm径程度に絞った電子線を照射し、透過回折した電子線パターンを計測した。次いで、スポットが観測される電子線パターンに対して、画像解析ソフトウェアを用いてスポットの輝度を測定した。電子線は、トンネルバリア層3の10箇所に照射した。電子線を照射した10箇所は、トンネルバリア層3を面内の一方向に等間隔に11区分し、隣接区分の間の位置のそれぞれに対応する。電子線は、Mg-Al-O[100]方位に入射した。 The magnetoresistive element 10 produced using a focused ion beam was cut along a plane along the stacking direction to produce a thin sample of the tunnel barrier layer 3. Then, nanoelectron diffraction (NBD) of the thin sample was performed using a transmission electron microscope (TEM). Specifically, a thin sample was irradiated with an electron beam focused to a diameter of about 1 nm, and the electron beam pattern resulting from transmission diffraction was measured. Next, the brightness of the spot was measured using image analysis software for the electron beam pattern in which the spot was observed. Ten locations on the tunnel barrier layer 3 were irradiated with the electron beam. The 10 locations irradiated with the electron beam correspond to the positions of the tunnel barrier layer 3 divided into 11 sections equally spaced in one direction within the plane, and between adjacent sections. The electron beam was incident in the Mg-Al-O [100] direction.

10箇所のそれぞれで測定された電子線パターンのうち5つが第1電子線パターンであり、残りの5つが第2電子線パターンであった。トンネルバリア層3において規則スピネル構造及び不規則スピネル構造が占める割合は、それぞれ50%であった。 Five of the electron beam patterns measured at each of the ten locations were the first electron beam pattern, and the remaining five were the second electron beam patterns. The proportions of the ordered spinel structure and the irregular spinel structure in the tunnel barrier layer 3 were 50%, respectively.

(実施例2~5)
実施例2~5は、トンネルバリア層3の製造条件を実施例1から変更した点が、実施例1と異なる。その他の条件は同様にして、電子線パターンを10か所で測定した。
(Examples 2 to 5)
Examples 2 to 5 differ from Example 1 in that the manufacturing conditions for the tunnel barrier layer 3 were changed from Example 1. Electron beam patterns were measured at 10 locations under the same conditions.

実施例2は、第1条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金を0.1nm、第2条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金の膜厚を0.9nmとした点が実施例1とことなる。10箇所のそれぞれで測定された電子線パターンのうち1つが第1電子線パターンであり、残りの9つが第2電子線パターンであった。トンネルバリア層3において規則スピネル構造が占める割合は10%であり、不規則スピネル構造が占める割合は90%であった。 In Example 2, an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was naturally oxidized under the first condition to a thickness of 0.1 nm, and an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was naturally oxidized under the second condition. This example differs from Example 1 in that the film thickness was 0.9 nm. One of the electron beam patterns measured at each of the 10 locations was the first electron beam pattern, and the remaining nine were the second electron beam patterns. In the tunnel barrier layer 3, the proportion occupied by the ordered spinel structure was 10%, and the proportion occupied by the irregular spinel structure was 90%.

実施例3は、第1条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金を0.2nm、第2条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金の膜厚を0.8nmとした点が実施例1とことなる。10箇所のそれぞれで測定された電子線パターンのうち2つが第1電子線パターンであり、残りの8つが第2電子線パターンであった。トンネルバリア層3において規則スピネル構造が占める割合は20%であり、不規則スピネル構造が占める割合は80%であった。 In Example 3, an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was naturally oxidized under the first condition to a thickness of 0.2 nm, and an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was naturally oxidized under the second condition. This example differs from Example 1 in that the film thickness was 0.8 nm. Two of the electron beam patterns measured at each of the ten locations were the first electron beam pattern, and the remaining eight were the second electron beam patterns. In the tunnel barrier layer 3, the proportion occupied by the ordered spinel structure was 20%, and the proportion occupied by the irregular spinel structure was 80%.

実施例4は、第1条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金を0.8nm、第2条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金の膜厚を0.2nmとした点が実施例1とことなる。10箇所のそれぞれで測定された電子線パターンのうち8つが第1電子線パターンであり、残りの2つが第2電子線パターンであった。トンネルバリア層3において規則スピネル構造が占める割合は80%であり、不規則スピネル構造が占める割合は20%であった。 In Example 4, an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 which was naturally oxidized under the first condition was 0.8 nm, and an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was naturally oxidized under the second condition. This example differs from Example 1 in that the film thickness was 0.2 nm. Eight of the electron beam patterns measured at each of the ten locations were the first electron beam pattern, and the remaining two were the second electron beam patterns. In the tunnel barrier layer 3, the proportion occupied by the ordered spinel structure was 80%, and the proportion occupied by the irregular spinel structure was 20%.

実施例5は、第1条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金を0.9nm、第2条件で自然酸化したMg0.33Al0.67で表記される合金の膜厚を0.1nmとした点が実施例1とことなる。10箇所のそれぞれで測定された電子線パターンのうち9つが第1電子線パターンであり、残りの1つが第2電子線パターンであった。トンネルバリア層3において規則スピネル構造が占める割合は90%であり、不規則スピネル構造が占める割合は10%であった。 In Example 5, an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 which was naturally oxidized under the first condition was 0.9 nm, and an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was naturally oxidized under the second condition. This example differs from Example 1 in that the film thickness was 0.1 nm. Nine of the electron beam patterns measured at each of the ten locations were the first electron beam pattern, and the remaining one was the second electron beam pattern. In the tunnel barrier layer 3, the proportion occupied by the ordered spinel structure was 90%, and the proportion occupied by the irregular spinel structure was 10%.

(比較例1)
比較例1は、トンネルバリア層3を積層する際、Mg0.33Al0.67で表記される合金を1.0nm成膜し、自然酸化を行った。自然酸化は圧力1Paの空気中に600秒曝した。比較例1は、合金の成膜及び自然酸化を一回で行った点が実施例1と異なる。10箇所のそれぞれで測定された電子線パターンのうち全てが第2電子線パターンであった。トンネルバリア層3において規則スピネル構造が占める割合は0%であり、不規則スピネル構造が占める割合は100%であった。
(Comparative example 1)
In Comparative Example 1, when stacking the tunnel barrier layer 3, a 1.0 nm thick film of an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was formed and natural oxidation was performed. Natural oxidation was performed by exposing the sample to air at a pressure of 1 Pa for 600 seconds. Comparative Example 1 differs from Example 1 in that alloy film formation and natural oxidation were performed at one time. All of the electron beam patterns measured at each of the 10 locations were the second electron beam pattern. In the tunnel barrier layer 3, the proportion occupied by the ordered spinel structure was 0%, and the proportion occupied by the irregular spinel structure was 100%.

(比較例2)
比較例2は、トンネルバリア層3を積層する際、Mg0.33Al0.67で表記される合金を1.0nm成膜し、自然酸化を行った。自然酸化は圧力100Paの空気中に600秒曝した。比較例1は、合金の成膜及び自然酸化を一回で行った点が実施例1と異なる。10箇所のそれぞれで測定された電子線パターンのうち全てが第1電子線パターンであった。トンネルバリア層3において規則スピネル構造が占める割合は100%であり、不規則スピネル構造が占める割合は0%であった。
(Comparative example 2)
In Comparative Example 2, when stacking the tunnel barrier layer 3, a 1.0 nm thick film of an alloy expressed as Mg 0.33 Al 0.67 was formed and natural oxidation was performed. Natural oxidation was performed by exposing the sample to air at a pressure of 100 Pa for 600 seconds. Comparative Example 1 differs from Example 1 in that alloy film formation and natural oxidation were performed at one time. All of the electron beam patterns measured at each of the 10 locations were the first electron beam pattern. In the tunnel barrier layer 3, the proportion occupied by the ordered spinel structure was 100%, and the proportion occupied by the irregular spinel structure was 0%.

実施例1~5及び比較例1、比較例2の磁気抵抗効果素子のMR比をそれぞれ測定した。測定は、300K(室温)で行った。また実施例1~5及び比較例1、比較例2の磁気抵抗効果素子の出力電圧も求めた。MR比及び出力電圧は、以下の式に基づき求めた。出力電圧はMR比が半減する電圧(Vhalf)を印加した際のMR比及び印加電圧にて求めた。
「MR比(%)」=(RAP-R)/R×100
「出力電圧」=1/2Vbias(TMR(V)/1+TMR(V))
は第1強磁性層1と第2強磁性層2の磁化の向きが平行の場合の抵抗であり、RAPは第1強磁性層1と第2強磁性層2の磁化の向きが反平行の場合の抵抗である。TMRは(RAP-R)/Rである。
biasは、印加電圧であり、MR比が半減する電圧(Vhalf)とした。TMR(V)は電圧を印加した際のMR比である。電圧特性は、まず1mVの低電圧印加時のMR比を測定し、印加電圧を大きくしながら求めた。その結果を以下の表1にまとめた。
The MR ratios of the magnetoresistive elements of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 were measured. The measurement was performed at 300K (room temperature). The output voltages of the magnetoresistive elements of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 were also determined. The MR ratio and output voltage were determined based on the following equations. The output voltage was determined based on the MR ratio and the applied voltage when a voltage (V half ) that halved the MR ratio was applied.
“MR ratio (%)” = (R AP - R P )/R P ×100
"Output voltage" = 1/2V bias (TMR(V)/1+TMR(V))
R P is the resistance when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are parallel, and R AP is the resistance when the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are parallel. This is the resistance in the antiparallel case. TMR is (R AP - R P )/R P.
V bias is an applied voltage, and was set to a voltage at which the MR ratio was halved (V half ). TMR (V) is the MR ratio when voltage is applied. The voltage characteristics were determined by first measuring the MR ratio when a low voltage of 1 mV was applied, and increasing the applied voltage. The results are summarized in Table 1 below.

Figure 0007400560000001
Figure 0007400560000001

表1から分かるように、実施例1~5に示す磁気抵抗効果素子は、比較例1及び2に示す磁気抵抗効果素子と比較して、出力電圧が優れていた。 As can be seen from Table 1, the magnetoresistive elements shown in Examples 1 to 5 had better output voltages than the magnetoresistive elements shown in Comparative Examples 1 and 2.

1 第1強磁性層
2 第2強磁性層
3 トンネルバリア層
10 磁気抵抗効果素子
11、21 第1電極
12 第2電極
22 第1配線
13、23 電源
14、24 測定部
1 First ferromagnetic layer 2 Second ferromagnetic layer 3 Tunnel barrier layer 10 Magnetoresistive elements 11, 21 First electrode 12 Second electrode 22 First wiring 13, 23 Power supply 14, 24 Measuring section

Claims (15)

非磁性酸化物を含み、
結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含
透過型電子顕微鏡を用いたナノ電子回折において、
第1電子線パターンを示す第1部分と、第2電子線パターンを示す第2部分と、疑似第1電子線パターンを示す第3部分と、のうち少なくとも2つを含む、トンネルバリア層。
Contains non-magnetic oxides,
The crystal structure includes both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure,
In nanoelectron diffraction using a transmission electron microscope,
A tunnel barrier layer including at least two of a first portion showing a first electron beam pattern, a second portion showing a second electron beam pattern, and a third portion showing a pseudo first electron beam pattern.
非磁性酸化物を含み、
結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含
透過型電子顕微鏡を用いたナノ電子回折において、疑似第1電子線パターンを示す第3部分のみからなる、トンネルバリア層。
Contains non-magnetic oxides,
The crystal structure includes both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure,
A tunnel barrier layer consisting of only a third portion showing a pseudo first electron beam pattern in nanoelectron diffraction using a transmission electron microscope .
非磁性酸化物を含み、
結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含
MgとGaとを含む酸化物と、MgとAlとを含む酸化物とを有し、
前記MgとGaとを含む酸化物は、前記規則スピネル構造であり、
前記MgとAlとを含む酸化物は、前記不規則スピネル構造である、トンネルバリア層。
Contains non-magnetic oxides,
The crystal structure includes both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure,
It has an oxide containing Mg and Ga and an oxide containing Mg and Al,
The oxide containing Mg and Ga has the ordered spinel structure,
The oxide containing Mg and Al is a tunnel barrier layer having the irregular spinel structure .
前記不規則スピネル構造の格子定数は、前記規則スピネル構造の格子定数の略半分である、請求項1~3のいずれか一項に記載のトンネルバリア層。 4. The tunnel barrier layer according to claim 1 , wherein the lattice constant of the irregular spinel structure is approximately half the lattice constant of the ordered spinel structure. 前記規則スピネル構造の割合が10%以上90%以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載のトンネルバリア層。 The tunnel barrier layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the proportion of the ordered spinel structure is 10% or more and 90% or less. 前記規則スピネル構造の割合が20%以上80%以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載のトンネルバリア層。 The tunnel barrier layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the proportion of the ordered spinel structure is 20% or more and 80% or less. 前記非磁性酸化物は、Mgと、AlとGaとのうち少なくとも一方と、を含む、請求項1~6のいずれか一項に記載のトンネルバリア層。 The tunnel barrier layer according to any one of claims 1 to 6, wherein the nonmagnetic oxide contains Mg and at least one of Al and Ga. MgとGaとを含む酸化物と、MgとAlとを含む酸化物とを有し、
前記MgとGaとを含む酸化物は、前記規則スピネル構造であり、
前記MgとAlとを含む酸化物は、前記不規則スピネル構造である、請求項1又は2に記載のトンネルバリア層。
It has an oxide containing Mg and Ga and an oxide containing Mg and Al,
The oxide containing Mg and Ga has the ordered spinel structure,
The tunnel barrier layer according to claim 1 or 2 , wherein the oxide containing Mg and Al has the irregular spinel structure.
結晶の配向方向が(001)配向である、請求項1~8のいずれか一項に記載のトンネルバリア層。 The tunnel barrier layer according to any one of claims 1 to 8, wherein the crystal orientation direction is (001) orientation. 請求項1~9のいずれか一項に記載のトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層を厚み方向に挟む第1強磁性層及び第2強磁性層と、
を含む、磁気抵抗効果素子。
A tunnel barrier layer according to any one of claims 1 to 9,
a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer sandwiching the tunnel barrier layer in the thickness direction;
A magnetoresistance effect element including.
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層の少なくとも一方がFe元素を含む、請求項10に記載の磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive element according to claim 10, wherein at least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer contains Fe element. 規則スピネル構造を形成するのに十分な酸素を供給する第1条件と、前記第1条件より酸素供給量の少ない第2条件とを含む、請求項1~9のいずれか一項に記載のトンネルバリア層を製造する、トンネルバリア層の製造方法。 The tunnel according to any one of claims 1 to 9 , comprising a first condition in which sufficient oxygen is supplied to form an ordered spinel structure, and a second condition in which the amount of oxygen supplied is smaller than the first condition. A tunnel barrier layer manufacturing method for manufacturing a barrier layer. 非磁性酸化物を含み、
結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含
透過型電子顕微鏡を用いたナノ電子回折において、
第1電子線パターンを示す第1部分と、第2電子線パターンを示す第2部分と、疑似第1電子線パターンを示す第3部分と、のうち少なくとも2つを含む、絶縁層。
Contains non-magnetic oxides,
The crystal structure includes both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure,
In nanoelectron diffraction using a transmission electron microscope,
An insulating layer including at least two of a first portion showing a first electron beam pattern, a second portion showing a second electron beam pattern, and a third portion showing a pseudo first electron beam pattern.
非磁性酸化物を含み、
結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含
透過型電子顕微鏡を用いたナノ電子回折において、疑似第1電子線パターンを示す第3部分のみからなる、絶縁層。
Contains non-magnetic oxides,
The crystal structure includes both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure,
An insulating layer consisting of only a third portion exhibiting a pseudo first electron beam pattern in nanoelectron diffraction using a transmission electron microscope .
非磁性酸化物を含み、
結晶構造が規則スピネル構造と不規則スピネル構造とを共に含
MgとGaとを含む酸化物と、MgとAlとを含む酸化物とを有し、
前記MgとGaとを含む酸化物は、前記規則スピネル構造であり、
前記MgとAlとを含む酸化物は、前記不規則スピネル構造である、絶縁層。
Contains non-magnetic oxides,
The crystal structure includes both an ordered spinel structure and an irregular spinel structure,
It has an oxide containing Mg and Ga and an oxide containing Mg and Al,
The oxide containing Mg and Ga has the ordered spinel structure,
The oxide containing Mg and Al has the irregular spinel structure .
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