CN109560192A - 层叠结构、磁阻效应元件、磁头、传感器、高频滤波器以及振荡器 - Google Patents

层叠结构、磁阻效应元件、磁头、传感器、高频滤波器以及振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明所涉及的层叠结构为位于非磁性金属层(5B)上的层叠结构，并具备铁磁性层(6)、介于非磁性金属层(5B)与铁磁性层(6)之间的中间层(5C)，中间层(5C)包含以通式(1)所表示的NiAlX合金层。Niγ1Alγ2Xγ3……(1)[X表示选自Si、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb以及Ta中的1种以上的元素，在γ＝γ3/(γ1+γ2+γ3)的情况下，满足0＜γ＜0.5。]。

Description

层叠结构、磁阻效应元件、磁头、传感器、高频滤波器以及振 荡器
技术领域
本发明涉及层叠结构、磁阻效应元件、磁头、传感器、高频滤波器以及振荡器。
背景技术
近年来，由铁磁性层/非磁性金属层的多层膜构成的巨磁阻效应元件(GMR元件：Giant Magneto Resistance元件)、以及由铁磁性层/绝缘体层/铁磁性层构成的隧道磁阻效应元件(TMR元件：tunnel magneto resistance元件)作为各种装置的基本功能元件而被关注。TMR元件被利用于铁磁性自旋隧道接合元件(MTJ：magnetic tunnel junction磁性隧道结)等。这些元件还能够适用于新型磁场传感器、或非易失性(non volatile)随机存取磁存储器(MRAM；magnetic random access memory)元件等，也期待到自旋注入元件等中的适用。自旋注入元件相关于持有兆位级(terabit class)的表面记录密度，并且是一种利用了期待高分辨率且高输出的自旋累积效应的元件。专利文献1所记载的TMR元件中，介于非磁性金属层与铁磁性层之间，存在有作为屏障层(barrier layer)的MgO层。另外，如非专利文献1所记载的，已知有在将非磁性金属层配置于铁磁性层之间的GMR元件中，使用Cu作为非磁性金属层的技术。
现有专利文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5416781号公报
非专利文献
非专利文献1：PHYSICAL REVIEW B 81,184431(2010)
发明内容
在上述的结构的情况下，具有较高的自旋注入效率，但是还期待着能够进一步提高自旋注入效率的结构。本发明就是鉴于这样的技术问题而完成的，其目的在于，提供一种在适用于磁阻效应元件的情况下能够提高自旋注入效率的层叠结构、磁阻效应元件、磁头、传感器、高频滤波器以及振荡器。
本申请的发明人在进行专门探讨之后，发现在直接接合非磁性金属层和铁磁性层的情况下，不进行磁作用的无感层(dead layer)变大，并且自旋注入效率不会提高。进一步，还发现了通过将NiAlX合金层(X为规定金属或者半导体)用于非磁性金属层与铁磁性层之间，从而能够提高自旋注入效率。通过使用能够缓和非磁性金属层与铁磁性层之间的晶格不匹配的NiAlX合金层，从而能够提高这些的结晶品质并减小不进行磁作用的无感层的区域，在适用于磁阻效应元件的情况下能提高自旋注入效率。
为了解决上述技术问题，第1层叠结构为位于非磁性金属层上的层叠结构，并具备铁磁性层以及介于所述非磁性金属层与所述铁磁性层之间的中间层，所述中间层包含以下述通式(1)所表示的NiAlX合金层。
Niγ1Alγ2Xγ3……(1)
[X表示选自Si、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb以及Ta中的1种以上的元素，在γ＝γ3/(γ1+γ2+γ3)的情况下满足0＜γ＜0.5]
在该层叠结构中，与仅由铁磁性层来与非磁性金属层相层叠的情况相比，以铁磁性层与非磁性金属层之间的晶格不匹配变小的方式具有以该通式(1)表示的NiAlX合金的层叠结构。因此，根据该层叠结构，则铁磁性层和非磁性金属层上无感层变小。
在此情况下，由于中间层的存在而缓和了非磁性金属层与铁磁性层之间的晶格不匹配。通过这些结晶性被改善从而无感层的区域变小。因此，因为进行磁作用的区域变大，所以能够提高自旋注入效率。特别是在γ处于上述范围内的情况下，无感层的区域变得特别小。
在第2层叠结构中，γ3的值沿着面内方向或者厚度方向进行变化。即，对应于局部晶格不匹配的程度，而通过以缓和上述晶格不匹配的方式设定γ3的值并使X元素浓度变化，从而结果能够期待铁磁性层以及非磁性金属层的品质改善效果。
另外，在第3层叠结构中，在将L设定为选自Mn以及Fe中的1种以上的元素；将M设定为选自Si、Al、Ga以及Ge中的1种以上的元素；将α以及β设定为正值的情况下，所述铁磁性层包含用下述通式(2)表示的哈斯勒合金(Heusler alloy)。在铁磁性层为哈斯勒合金的情况下，自旋极化率变高，并且自旋注入效率变高。
Co2LαMβ……(2)
另外，在L、M为上述元素的情况下，作为铁磁性层的哈斯勒合金具有与通式(1)表示的NiAlX合金层相接近的晶格常数对应基准值。另外，上述元素的数量不是1，因为即使是1以上也容易推测具有与NiAlX合金层相接近的晶格常数，所以能够良好地保持铁磁性层的结晶性和磁性的品质。其结果，能够进一步减小铁磁性层和非磁性金属层中的无感层。另外，在这里的所谓晶格常数对应基准值在各个结晶面以0度倾斜进行匹配时是指晶格常数a或者2倍a的值中的任意一方的值，在以45度倾斜进行匹配时是指对a乘以2的平方根后的值。
在第4层叠结构中，γ3的值随着从所述铁磁性层沿着其厚度方向离开而减少。在该层叠结构中，与只由铁磁性层进行层叠的情况相比，在以通式(1)表示的NiAlX合金层中，在铁磁性层侧X元素浓度高，所以铁磁性层与非磁性金属层之间的晶格不匹配变得更小。另外，因为在非磁性金属层侧X元素浓度低，所以铁磁性层与非磁性金属层之间的晶格不匹配进一步变小。因此，根据该层叠结构，则铁磁性层以及非磁性金属层中的无感层的区域进一步变小。
在第5层叠结构中，所述非磁性金属层包含选自Ag、Cr、Al、Au以及NiAl中1种以上的元素。根据该非磁性金属层，能够容易地抑制X元素扩散到非磁性金属层。认为相对于X元素的扩散系数小的元素没有必要是1种，只要是1种以上的话就能够获得扩散抑制效果。
在第6层叠结构中，所述NiAlX合金层中的X是选自Si、Cr、Fe、Co及Zr中的1种以上的元素。在该层叠结构中，因为能够使铁磁性层的晶格常数对应基准值≤NiAlX合金层的晶格常数对应基准值≤非磁性金属层的晶格常数对应基准值；或者铁磁性层的晶格常数对应基准值≥NiAlX合金层的晶格常数对应基准值≥非磁性金属层的晶格常数对应基准值的关系成立，所以铁磁性层与非磁性金属层之间的晶格不匹配被缓和。另外，在这里的所谓晶格常数对应基准值在各个结晶面以0度倾斜进行匹配时是指晶格常数a或者2倍a的值中任意一方的值；在以45度倾斜进行匹配时是指a乘以2的平方根。因此，根据该层叠结构，铁磁性层以及非磁性金属层中的无感层变小。上述的晶格常数对应基准值之间的关系即使元素数为1以上也可能成立。
在第7层叠结构中，在通式(1)中，满足0＜γ＜0.3。在γ处于上述范围内的情况下，无感层的区域进一步变小。另外，在该层叠结构中，NiAlX合金层的结晶结构稳定并且能够得到面心立方晶格结构。其结果能够缓和铁磁性层与非磁性金属层之间的晶格不匹配，并且能够减小无感层的区域。
在第8层叠结构中，在将所述NiAlX合金层的厚度设定为t1的时候，满足0.2nm≤t1≤10nm。根据该层叠结构，在t1≤10nm时，对于从铁磁性层进行移动/或向铁磁性层移动的电子来说，自旋散射进一步减少。另外，在0.2nm≤t1时，在铁磁性层与非磁性金属层之间晶格不匹配进一步减少。其结果，铁磁性层以及非磁性金属层中无感层变小。
在第9层叠结构中，在以上述通式(2)表示的哈斯勒合金中，α以及β满足以下的关系式(2-1)、(2-2)、(2-3)。
0.7＜α＜1.6……(2-1)
0.65＜β＜1.35……(2-2)
2＜α+β＜2.6……(2-3)
根据该层叠结构，因为0.7＜α＜1.6并且0.65＜β＜1.35，所以铁磁性层即哈斯勒合金具有接近于具有化学计量学组成的情况下的晶格常数，并且晶格匹配性变良好。另外，因为2＜α+β＜2.6，所以铁磁性层即哈斯勒合金变得容易维持半金属特性，并且能够获得大的磁阻效应(MR比)。
本发明所涉及的磁阻效应元件具备上述的任意一种层叠结构，本发明所涉及的磁头、传感器、高频滤波器以及振荡器分别具备上述的磁阻效应元件。
另外，如果能够利用电子自旋，则因为无感层的区域变小，所以层叠结构也能够适用于磁阻效应元件以外的用途(所谓自旋霍尔效应/逆自旋霍尔效应、自旋转移力矩(spintransfer torque)的技术)。
根据本发明，能够提供一种能够提高自旋注入效率的层叠结构、磁阻效应元件、磁头、传感器、高频滤波器以及振荡器。
附图说明
图1是实施例所涉及的磁阻效应元件MR的正面图。
图2是比较例所涉及的磁阻效应元件MR的正面图。
图3是表示由NiAlX合金构成的中间层中的γ与无感层的关系的图表。
图4是表示使用了各种材料的情况下的磁阻效应元件(比较例、实施例1～5)中的无感层厚度等的图表。
图5是表示在实施例A组中，中间层的厚度t1(nm)与无感层的厚度t2(nm)的关系的图表。
图6是表示在实施例A组中，中间层的厚度t1(nm)与无感层的厚度t2(nm)的关系的图表。
图7是表示在实施例B组中，铁磁性层(Co2LαMβ)中的各种参数(α+β、α、β)与MR比(％)的关系(β为一定)的图表。
图8是表示在实施例C组中，铁磁性层(Co2LαMβ)中的各种参数(α+β、α、β)与MR比(％)的关系(α为一定)的图表。
图9是表示在实施例B组以及实施例C组中，α+β与MR比(％)的关系的图表。
图10是表示Ag以及NiAlX合金的晶格常数、结构类型、皮尔森符号(PearsonSymbol)的图表。
图11是表示Ag以及NiAlX合金的晶格常数、结构类型、皮尔森符号的图表。
图12是表示各种哈斯勒合金的晶格常数的图表。
图13是表示Ag或者NiAlX合金、各种哈斯勒合金的晶格不匹配率的图表。
图14是表示Ag或者NiAlX合金、各种哈斯勒合金的晶格不匹配率的图表。
图15是表示Ag或者NiAlX合金、各种哈斯勒合金的晶格不匹配率的图表。
图16是表示Ag或者NiAlX合金、各种哈斯勒合金的晶格不匹配率的图表。
图17是表示具有磁阻效应元件的磁头的播放部的截面结构的示意图。
图18是表示具有磁阻效应元件的磁头的截面结构的图。
图19是表示具有多个磁阻效应元件的电流传感器结构的图。
图20是表示具有多个磁阻效应元件的高频滤波器结构的图。
图21是表示进行了图1的变形的情况下的材料、晶格常数、膜厚、MR比(％)的图表。
符号说明
4……第1铁磁性层
6……第2铁磁性层
5……非磁性间隔层
5B……非磁性金属层
5A……第1中间层
5C……第2中间层
具体实施方式
以下针对实施方式所涉及的磁阻效应元件进行说明。另外，对相同要素使用相同符号，并省略重复的说明。在使用三维直角坐标系的情况下，将各层的厚度方向设定为Z轴方向，将垂直于Z轴的2个垂直轴设定为X轴以及Y轴。
图1是实施例所涉及的磁阻效应元件MR的正面图。
磁阻效应元件MR在第1基材层1上依次配备第1非磁性金属层2、第2非磁性金属层3，在这之上依次层叠作为磁化固定层的第1铁磁性层4、非磁性间隔层5、以及作为磁化自由层的第2铁磁性层6。在第2铁磁性层6上依次形成保护用非磁性金属层7、接触用金属层8，也可以省略保护用非磁性金属层7。将偏压(bias)施加于位于下部的第1非磁性金属层2或者第2非磁性金属层3与位于上部的接触用金属层8之间就能够在垂直于膜面的方向上流过具有特定方向的自旋的电子。
在磁化固定层和磁化自由层的磁化的方向为同一个方向(例如+X方向，+X方向)的情况(平行)下，自旋的方向等同于该方向的电子在垂直方向上通过膜面。磁化固定层和磁化自由层的磁化的方向为互相相反的方向(例如+X方向，-X轴方向)的情况(反平行)下，具有与磁化方向相反方向的自旋的电子被反射，并且不通过膜面。
第1铁磁性层4(磁化固定层)的磁化的方向被固定，第2铁磁性层6(磁化自由层)的磁化的方向可以由外部磁场而变更，所以通过电子量对应于外部磁场的大小进行变化。如果通过电子量多的话则电阻低，如果通过电子量少的话则电阻高。作为磁化固定层的第1铁磁性层4因为大于第2铁磁性层6的厚度，并且磁化的方向由外部磁场而比第2铁磁性层6更难以被变更，所以实质上是作为磁化的方向被固定的磁化固定层发挥功能。另外，作为评价磁阻效应元件性能的指标有MR比。MR比是由[(磁化的方向为反平行的情况下的元件的电阻值-磁化的方向为平行的情况下的元件的电阻值)/磁化的方向为平行的情况下的元件的电阻值]得到。
另外，在图1中为了容易理解而将被使用的代表性的材料名标明于各层内，在各层上也可适用其它的材料。
在第1铁磁性层4与第2铁磁性层6之间设置非磁性间隔层5。非磁性间隔层5具有由Ag构成的非磁性金属层5B、被设置于非磁性金属层5B下表面的第1中间层5A以及被设置于该非磁性金属层5B上表面的第2中间层5C中的至少一个。即，省略第1中间层5A以及第2中间层5C中的一方，中央的非磁性金属层5B也能够做成与上下任一个铁磁性层相接触的结构。
第1中间层5A以及第2中间层5C包含由下述通式(1)表示的NiAlX合金层。
通式(1)：Niγ1Alγ2Xγ3……(1)
在此，X表示选自Si、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb以及Ta中的1种以上的元素，在γ＝γ3/(γ1+γ2+γ3)的情况下满足0＜γ＜0.5。
即，除了Ni-Al-Si、Ni-Al-Sc、Ni-Al-Ti、Ni-Al-Cr、Ni-Al-Mn、Ni-Al-Fe、Ni-Al-Co、Ni-Al-Cu、Ni-Al-Zr、Ni-Al-Nb、Ni-Al-Ta等由组合构成的NiAlX合金之外，由电气性质以及结晶结构上的晶格常数与这些合金相接近的V-Ni-Al、Ni-Al-Ge、Ni-Al-Sn、Ni-Al-Sb、Hf-Ni-Al等的NiAlX合金也可以使用。
在此情况下，包含NiAlX合金层的任一种中间层(第1中间层5A、第2中间层5C)与包含Cu或者Ag等的非磁性金属层5B之间的晶格匹配性变高，另外，因为中间层(第1中间层5A、第2中间层5C)和位于其外侧的铁磁性层(第1铁磁性层4、第2铁磁性层6)的晶格匹配性也有可能会提高，所以能够减小上述的无感层的区域并且能够改善自旋注入效率。
还有，作为优选例子的各层的材料以及厚度(优选范围)如下所述。
·接触用金属层8：Ru；5nm；(3nm以上且8nm以下)
·保护用非磁性金属层7：Ag；5nm；(3nm以上且8nm以下)
·第2铁磁性层6：CMS(钴锰硅合金)；5nm；(3nm以上且20nm以下)
·第2中间层5C：NiAlX合金(上述的Niγ1Alγ2Xγ3)；1nm；(0.1nm以上且15nm以下)
·非磁性金属层5B：Ag；5nm；(3nm以上且10nm以下)
·第1中间层5A：NiAlX合金(上述的Niγ1Alγ2Xγ3)；1nm；(0.1nm以上且15nm以下)
·第1铁磁性层4：CMS(钴锰硅合金)；10nm；(3nm以上且20nm以下)
·第2非磁性金属层3：Ag；50nm；(20nm以上且100nm以下)
·第1非磁性金属层2：Cr；20nm；(10nm以上且30nm以下)
·基板1：MgO；0.5mm；(0.1mm以上且2mm以下)
另外，上述各层的厚度如果不是用于磁阻效应元件的情况则可以不限定于上述的范围。
接下来，针对构成磁阻效应元件的各层的材料例子作进一步说明。
作为接触用金属层8，能够适宜地使用Ru，但是除此之外还可以包含由例如选自Ru、Ag、Al、Cu、Au、Cr、Mo、Pt、W、Ta、Pd以及Ir中的一种以上金属元素；这些金属元素的合金；或者由这些金属元素的2种以上构成的材料的层叠结构。
作为保护用非磁性金属层7能够适宜地使用Ag，但是除此之外还可以包含由例如选自Ru、Ag、Al、Cu、Au、Cr、Mo、Pt、W、Ta、Pd以及Ir中的一种以上的金属元素；这些金属元素的合金；或者由这些金属元素的2种以上构成的材料的层叠结构。
作为第2铁磁性层6，能够适宜地使用作为哈斯勒合金的CMS(Co2LαMβ)，但是除此之外还能够包含Co2MnGe、Co2MnGa、Co2FeGa、Co2FeSi、Co2MnSn、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2CrAl、Co2VAl、Co2MnGaSn、Co2FeGeGa、Co2MnGeGa、Co2FeGaSi、Co2FeGeSi、Co2CrIn、Co2CrSn等哈斯勒合金或者Fe3O4、CrO2、CoFeB等的铁磁性材料，或者实质上能够由该铁磁材料构成。还有，对于Co2LαMβ，在Co的原子数为2的情况下，构成该合金整体的L的原子数的比率以α进行表示，M的原子数的比率以β进行表示。
作为第1铁磁性层4，能够适宜地使用作为哈斯勒合金的CMS(Co2LαMβ)，但是除此之外还能够包含Co2MnGe、Co2MnGa、Co2FeGa、Co2FeSi、Co2MnSn、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2CrAl、Co2VAl、Co2MnGaSn、Co2FeGeGa、Co2MnGeGa、Co2FeGaSi、Co2FeGeSi、Co2CrIn、Co2CrSn等哈斯勒合金或者Fe3O4、CrO2、CoFeB等铁磁性材料，或者实质上能够由该该铁磁材料构成。
作为第2非磁性金属层3，能够适宜地使用Ag，但是除此之外还可以包含例如Ag、Au、Cu、Cr、V、Al、W以及Pt中的至少一种金属元素，也可以包含这些金属元素的合金、或者由这些金属元素的2种以上构成的材料的层叠结构。在金属元素的合金中，还包含例如立方晶系的AgZn合金、AgMg合金以及NiAl合金等。
作为第1非磁性金属层2，能够适宜地使用Cr，但是除此之外还可以包含用于控制上部的层的结晶取向的例如Ag、Au、Cu、Cr、V、Al、W以及Pt中的至少一种金属元素，也可以包含这些金属元素的合金、或者由这些金属元素的2种以上构成的材料的层叠结构。在金属元素的合金中，还包含例如立方晶系的AgZn合金、AgMg合金以及NiAl合金等。
作为基板1，可以适宜地使用MgO，但是除此之外如果是例如金属氧化物单晶基板、硅单晶基板、附有热氧化膜的硅单晶基板、蓝宝石单晶基板、陶瓷、石英、以及玻璃等、具有适当的机械强度并且适合于热处理或细微加工的材料的话，则没有特别的限定。根据包含MgO单晶的基板，容易形成外延生长膜。该外延生长膜能够显示大的磁阻特性。
接下来，针对上述的结构相对于比较例的优势进行说明。
图2是比较例所涉及的磁阻效应元件MR的正面图。
比较例所涉及的磁阻效应元件的基本结构是由图1所表示的结构中去掉由NiAlX合金构成的中间层(第1中间层5A、第2中间层5C)的结构，其它结构与图1所表示的结构相同。
图3是表示在上述实施例的结构(优选例的结构)中，在由以通式(1)：Niγ1Alγ2Xγ3构成的中间层中，γ与无感层厚度(nm)的关系的图表。
图3所表示的是在图1的结构中，只将非磁性金属层5B、中间层5C、第2铁磁性层6形成于第1基材层1而构成的层叠结构，并且是使用Co2Mn1.0Si1.0作为第2铁磁性层6的情况(为实施例R)。即，是依次将非磁性金属层5B、中间层5C、第2铁磁性层6直接形成于第1基材层1上的层叠结构。各层的材料和厚度如以下所述。
·第2铁磁性层6：Co2Mn1.0Si1.0；10nm
·第2中间层5C：Niγ1Alγ2Xγ3；10nm
·非磁性金属层5B：Ag；100nm
·第1基材层1：MgO；0.5mm
另外，作为比较例A，准备了从实施例R只除去中间层的层叠结构。材料以及厚度如下所述。
·第2铁磁性层6：Co2Mn1.0Si1.0；10nm
·第2中间层5C：无
·非磁性金属层5B：Ag；100nm
·第1基材层1：MgO；0.5mm
如上所述，在比较例A中，无感层为0.8nm，而在实施例R中使用X＝Si、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb以及Ta中任一个的情况下，无感层的厚度都变小。实施例R的层叠结构与铁磁性层和非磁性金属层直接接触的情况(比较例A)相比，以铁磁性层6与非磁性金属层5B之间的晶格不匹配变小的形式具有以上述的通式(1)表示的NiAlX合金。因此，根据该层叠结构，则铁磁性层和非磁性金属层中的无感层变小。在此情况下，通过中间层5C的存在而缓和了非磁性金属层5B与铁磁性层6之间的晶格不匹配，通过这些结晶性被改善从而无感层的区域变小。因此，因为磁作用的区域变大所以能够提高MR比以及自旋注入效率。特别是在γ处于上述范围(0＜γ＜0.5)内的情况下无感层的区域变得特别小。
另外，在γ处于上述范围(0＜γ＜0.3)内的情况下，无感层的区域进一步变小，并且能够提高MR比以及自旋注入效率。另外，在该层叠结构中，NiAlX合金层的结晶结构稳定并且能够取得面心立方晶格结构。其结果能够缓和铁磁性层与非磁性金属层之间的晶格不匹配，并且能够减小无感层的区域。
另外，在中间层(NiAlX合金层)中的X为选自Si、Cr、Fe、Co以及Zr中的元素的情况下，因为可以使铁磁性层的晶格常数对应基准值≤NiAlX合金层的晶格常数对应基准值≤非磁性金属层的晶格常数对应基准值或者铁磁性层的晶格常数对应基准值≥NiAlX合金层的晶格常数对应基准值≥非磁性金属层的晶格常数对应基准值的关系成立，所以铁磁性层与非磁性金属层之间的晶格不匹配被缓和。还有，在这里的所谓晶格常数对应基准值在各个结晶面以0度倾斜进行匹配的时候是指晶格常数a或者a的2倍的值中的任意一方的值；在以45度倾斜进行匹配的时候是指a乘以2的平方根的值。因此，根据该层叠结构，则铁磁性层以及非磁性金属层中的无感层变小。另外，上述的晶格常数间的关系即使是被选择的元素数为1种以上也是能够成立的。
除此之外还针对变更了中间层和铁磁性层的情况下的无感层的厚度进行了探讨。
图4是表示使用了各种材料的情况下的磁阻效应元件(比较例1、实施例1～5)中的无感层厚度等的图表。
在图1的结构中，实施例1～实施例5是只将非磁性金属层5B、中间层5C、第2铁磁性层6形成于第1基材层1上而构成的层叠结构。即，是依次将非磁性金属层5B、中间层5C、第2铁磁性层6直接形成于第1基材层1上的层叠结构。各层的材料和厚度如以下所述。
(实施例1)
·第2铁磁性层6：Co2TiSn；5nm
·第2中间层5C：NbNi2Al；50nm
·非磁性金属层5B：Cu；50nm
·基板1：MgO；0.5mm
(实施例2)
·第2铁磁性层6：Co2Mn1.3Si0.95；5nm
·第2中间层5C：NbNi2Al；50nm
·非磁性金属层5B：Cu；50nm
·基板1：MgO；0.5mm
(实施例3)
·第2铁磁性层6：Co2Mn1.3Si0.95；5nm
·第2中间层5C：NbNi2Al；50nm
·非磁性金属层5B：Ag；50nm
·基板1：MgO；0.5mm
(实施例4)
·第2铁磁性层6：Co2Mn1.3Si0.95；5nm
·第2中间层5C：Cr0.66Ni0.67Al0.67；50nm
·非磁性金属层5B：Ag；50nm
·基板1：MgO；0.5mm
(实施例5)
·第2铁磁性层6：Co2Mn1.3Si0.95；5nm
·第2中间层5C：CrNi2Al；50nm
·非磁性金属层5B：Ag；50nm
·基板1：MgO；0.5mm
比较例1是在图2的结构中只将非磁性金属层5B、第2铁磁性层6形成于基板1而构成的层叠结构。即，是依次将非磁性金属层5B、第2铁磁性层6形成于基板1上的层叠结构。各层的材料和厚度如以下所述。
(比较例1)
·第2铁磁性层6：Co2TiSn；5nm
·非磁性金属层5B：Cu；50nm
·基板1：MgO；0.5mm
根据图4的结果可以知以下内容。
实施例1的无感层的厚度t2小于比较例1的无感层的厚度t2，通过使用中间层从而结晶品质会有所提高。
实施例2的无感层的厚度t2与实施例1的无感层的厚度t2相同，且小于比较例1，结晶品质优异。
实施例3的无感层的厚度t2表示通过将非磁性金属层设定为接近于NiAlX合金层的晶格常数的Ag，从而无感层的厚度t2变得格外小于实施例2。
实施例4的无感层的厚度t2小于实施例3的无感层的厚度t2，通过改变中间层的材料从而结晶品质提高。
实施例5的无感层的厚度t2小于实施例4的无感层的厚度t2，通过改变中间层的材料的组成从而结晶品质进一步提高。
接下来，针对中间层5C的厚度t1进行探讨。
图5是表示在实施例A组中中间层5C的厚度t1(nm)与无感层的厚度t2(nm)的关系的图表，图6是表示在实施例A组中中间层5C的厚度t1(nm)与无感层的厚度t2(nm)的关系的图表。
实施例A组中，除了改变中间层5C的厚度t1之外具有与实施例5相同的结构，并且具有以下所述的材料和厚度。
(实施例A组)
·第2铁磁性层6：Co2Mn1.3Si0.95；5nm
·第2中间层5C：CrNi2Al(0.1nm～50nm)
·非磁性金属层5B：Ag；50nm
·基板1：MgO；0.5mm
在该层叠结构中，在将中间层5C(NiAlX合金层)的厚度设定为t1的时候，t1优选满足以下的关系式。
0.2nm≤t1≤10nm
即，在t1≤10nm时，在从铁磁性层移动/或者向铁磁性层移动的电子中，自旋散射进一步减少。另外，在0.2nm≤t1时，晶格不匹配在铁磁性层与非磁性金属层之间进一步减少，其结果铁磁性层以及非磁性金属层中的无感层的厚度t2变小。
接下来，针对铁磁性层(4、6)的组成(α、β)进行探讨。
图7是表示在实施例B组中构成铁磁性层(4、6)的Co2LαMβ(L＝Mn，M＝Si)中的各种参数(α+β、α、β)与MR比(％)的关系(β＝0.95)的图表。
实施例B组具有图1的结构，除了变更铁磁性层的组成之外，具有以下的材料和厚度。β为0.95的固定值，α在0.5～1.8范围内进行变化。
·接触用金属层8：Ru；5nm
·保护用非磁性金属层7：Ag；5nm
·第2铁磁性层6：Co2LαMβ(L＝Mn，M＝Si)；5nm
·第2中间层5C：CrNi2Al；1nm
·非磁性金属层5B：Ag；5nm
·第1中间层5A：CrNi2Al；1nm
·第1铁磁性层4：Co2LαMβ(L＝Mn，M＝Si)；10nm
·第2非磁性层3：Ag；50nm
·第1非磁性金属层2：Cr；20nm
·基板1：MgO；0.5mm
图8是表示在实施例C组中铁磁性层(Co2LαMβ)中的各种参数(α+β、α、β)与MR比(％)的关系(α＝1.3)的图表。
实施例C组具有图1的结构，除了变更铁磁性层的组成之外，具有与实施例B组相同的材料和厚度。α为1.3固定值，β在0.55～1.45范围内进行变化。
铁磁性层(4、6)在将L设定为Mn；将M设定为Si；将α以及β设定为正值的情况下，包含以下述通式(2)表示的哈斯勒合金。
Co2LαMβ……(2)
在铁磁性层(4、6)为哈斯勒合金的情况下，因为NiAlX合金的晶格常数变近，所以结晶性变高，并且自旋注入效率变高。
图9是表示在实施例B组以及实施例C组中α+β与MR比(％)的关系的图表。
从图9就可了解到以下内容。
在以通式(2)进行表示的哈斯勒合金中，α以及β优选满足以下的关系式(2-1)、(2-2)、(2-3)。
0.7＜α＜1.6……(2-1)
0.65＜β＜1.35……(2-2)
2＜α+β＜2.6……(2-3)
根据该层叠结构，因为0.7＜α＜1.6并且0.65＜β＜1.35，所以作为铁磁性层(4、6)的哈斯勒合金具有接近于具有化学计量学组成的情况的晶格常数，并且与NiAlX合金的晶格匹配性变得良好。另外，因为2＜α+β＜2.6，所以作为铁磁性层NiAlX合金的哈斯勒合金变得容易维持半金属特性，并且能够获得大的磁阻效应(MR比)。
另外，铁磁性层(4、6)中，在将L设定为选自Mn以及Fe中的1种以上的元素；将M设定为选自Si、Al、Ga及Ge中的1种以上的元素；将α以及β设定为正值的情况下，能够包含由下述通式(2)：Co2LαMβ……(2)进行表示的哈斯勒合金。如上所述，在铁磁性层(4、6)为哈斯勒合金的情况下，结晶性变高，并且自旋注入效率变高。
另外，在L、M为上述的元素的情况下，作为铁磁性层的哈斯勒合金具有与用通式(1)表示的NiAlX合金层相接近的晶格常数对应基准值。另外，上述元素的数量不是1，因为即使是1以上也容易推测具有与NiAlX合金层相接近的晶格常数，所以能够良好地保持铁磁性层的结晶性和磁性的品质。其结果能够进一步减小铁磁性层和非磁性金属层中的无感层。另外，这里的所谓晶格常数对应基准值在各个结晶面以0度倾斜进行匹配时是指晶格常数a或者a的2倍的值中的任意一方的值，且在以45度倾斜进行匹配时为a乘以2的平方根的值。
另外，从与上述相同的观点出发，进一步优选以下所述的范围。
0.8≤α≤1.5……(2-1’)
0.75≤β≤1.25……(2-2’)
2.05≤α+β≤2.55……(2-3’)
接下来，针对各层的晶格常数进行考察。
图1所表示的非磁性金属层5B为Ag，第1中间层5A以及第2中间层5C为NiAlX合金，X为选自Si、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb以及Ta中的元素。X为这些元素中的1种元素，或者也可以包含2种以上的元素(X1、X2)，该情况下的晶格常数能够近似地取作例如使用了X1的情况下的晶格常数、使用了X2的情况下的晶格常数的中间值。另外，γ的值取0＜γ＜0.5的范围。
在图10以及图11中，表示了NiAlSi、NiAl0.75Si0.25、ScNi2Al、TiNi2Al、TiNi0.25Al2.75、CrNi2Al、Cr0.66Ni0.67Al0.67、MnNi2Al、Mn0.5Ni0.5Al、Fe2NiAl、Co0.5Ni0.5Al、Cu0.4Ni0.6Al、ZrNi2Al、ZrNi0.48Al2.52、NbNi2Al、TaNi2Al的晶格常数a、2a、a乘以2的平方根的值、结晶的结构类型、皮尔森符号(Pearson Symbol)。中间层(5A、5C)在相对于邻接于其的铁磁性层(4、6)的垂直方向的结晶轴旋转45°进行生长的情况下，a乘以2的平方根的值变得接近于铁磁性层的晶格常数。另外，中间层的晶格常数的2倍(2a)也有可能变得接近于铁磁性层的晶格常数。同一图中的(*)标记为晶格常数接近于邻接的铁磁性层(4、6)的值，为了取得晶格匹配，选择标注有(*)标记的a、2a、或者a乘以2的平方根的值。
图12是表示铁磁性层(4、6)(各种哈斯勒合金)的晶格常数的图表。
在同一图中表示了Co2MnSi、Co2MnGe、Co2MnGa、Co2FeGa、Co2FeSi、Co2MnSn、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2CrAl、Co2VAl、Co2MnGa0.5Sn0.5、Co2FeGeGa的晶格常数a。
图13、图14、图15以及图16是表示Ag(非磁性金属层)或者NiAlX合金(中间层)与各种哈斯勒合金(铁磁性层)的晶格不匹配率的图表。
还有，晶格不匹配率＝[(Ag或者中间层的晶格常数a、2a、或者a乘以2的平方根的值-铁磁性层的晶格常数)/铁磁性层的晶格常数]。
在这些材料的组合中，晶格不匹配率小的材料组合能够增大MR比。具体地来说，通过设置晶格不匹配率小于Ag(非磁性金属层)和各种哈斯勒合金(铁磁性层)的晶格不匹配率的NiAlX合金(中间层)，从而就能够减小无感层并且能够提高MR比。因为是不同种的物质的接合，所以晶格不匹配率的绝对值大于零。另外，晶格常数是指室温(300K)条件下的值。
另外，非磁性金属层5B能够包含选自Ag、Cr、Al、Au以及NiAl中的1种以上的元素。根据该非磁性金属层，能够容易地抑制X元素扩散到非磁性金属层。相对于X元素的扩散常数小的元素没有必要是1种，且认为如果是1种以上的话则能够获得扩散抑制效果。另外，这些材料也可能使晶格常数接近于中间层。
图17是表示具有磁阻效应元件的磁头的播放部的截面结构的图。
该磁头具备图1所表示的磁阻效应元件MR。详细地来说磁头具备下部磁屏蔽21、固定于磁屏蔽上的磁阻效应元件MR、被固定于磁阻效应元件MR上部的上部磁屏蔽22、被固定于上部磁屏蔽22周围的侧部磁屏蔽23。磁屏蔽是由NiFe等构成。因为这样的结构的磁头是公知的并且被记载于美国专利5,695,697号，所以能够进行参照。
图18是表示具有磁阻效应元件MR的磁头的截面结构的图。
该磁记录头具备主磁极61、回流磁极62、并设于主磁极61的自旋转矩振荡器(振荡器)10。自旋转矩振荡器10是与上述的磁头相同的结构，并且成为将下部磁屏蔽21以及上部磁屏蔽22作为电极来配置于磁阻效应元件MR上下的结构。
因为在主磁极61的基端部卷绕有线圈63，所以如果将驱动电流提供给电流源IR，则在主磁极61的周围发生写入磁场。所发生的磁场通过磁极构成闭磁路。
如果在包含磁阻效应元件MR的自旋转矩振荡器10的上下的电极之间流通直流电流，则通过在自旋注入层上产生的自旋转矩而发生铁磁共振，并从自旋转矩振荡器10发生高频磁场。只在由主磁极61产生的记录磁场和由自旋转矩振荡器10产生的高频磁场重叠的部分，相对于与它们相对的磁记录介质80进行高密度磁记录。因为这样的结构的磁记录头是公知的，并且被记载于日本专利第5173750号，所以能够进行参照。
图19是表示具有多个磁阻效应元件的电流传感器结构的图。
该电流传感器是由电连接于多个磁阻效应元件MR而构成的桥接电路构成。在同一图中，由4个磁阻效应元件MR构成桥接电路。2个串联连接有2个磁阻效应元件MR而构成的电路列被并联连接于接地电位与电源电位Vdd之间。2个磁阻效应元件MR的连接点各自分别成为第1输出端子Out1、第2输出端子Out2，这些之间的电压成为输出信号。
被测定对象的电线如果沿着Z轴方向进行延伸的话，则在电线周围会发生磁场，磁阻效应元件MR的电阻值对应于磁场的大小进行变化。输出信号的大小对应于磁场的大小即对应于流过电线的电流量，因此该装置能够作为电流传感器发挥功能。另外，该装置即使作为直接检测磁场大小的磁传感器也能发挥功能。
图20是表示具有多个磁阻效应元件的高频滤波器的结构的图。
高频滤波器是一种电气性地并联连接多个磁阻效应元件MR的高频滤波器。即，将磁阻效应元件MR的上部电极(屏蔽电极或者接触电极)彼此连接，或者随着共通化而将磁阻效应元件MR的下部电极(屏蔽电极或者第1非磁性金属层)彼此连接，或者进行共通化。
多个磁阻效应元件MR因为水平截面积(XY平面内截面积)各自不同，所以共振频率不同。如果高频信号从输入端子In被输入，则各个磁阻效应元件MR吸收被输入的高频信号中与各自的共振频率相同的频率的信号成分，并且从输出端子Out输出剩下的高频信号成分。因此，该装置作为高频滤波器发挥功能。因为如此结构的装置是公知的并且被记载于例如日本国际公开WO2011/033664号公报，所以能够进行参照。
另外，图1的磁阻效应元件可以以以下形式制造。
首先，依次将第1非磁性金属层2、第2非磁性金属层3、第1铁磁性层4、非磁性间隔层5、第2铁磁性层6、保护用非磁性金属层7、接触用金属层8沉积于基板1上。另外，非磁性间隔层5是通过将第1中间层5A、非磁性金属层5B、第2中间层5C沉积于第1铁磁性层4上来形成的。
对于该沉积来说，用公知的技术即溅射法来进行沉积。在本实施例中，通过使用由各层的构成材料构成的溅射用的靶材并使用超高真空溅射装置，并且在室温下对各层实行成膜来形成，但是也能够同时使用2个以上的溅射用靶材。即，通过使用不同的材料A和B的2个(以上)的靶材来同时对靶材进行溅射，从而能够调整A和B的合金膜或各层的材料组成。例如，通过一起(同时)将NiAl的靶材和其它金属X的靶材进行溅射，从而就能够对金属膜进行成膜。另外，关于基板材料可以使用市售产品，作为上述的基板1使用了日本市售产品MgO。另外，第1铁磁性层4在成膜后以500℃的温度条件进行退火处理。第2铁磁性层6在成膜后以450℃的温度条件实行退火处理。磁阻效应元件可以由电子束光刻以及Ar离子铣削而被细微加工成能够评价磁阻特性的形状。另外，使用了溅射装置的CMS等的制作方法被记载于例如美国专利申请公开2007/0230070号公报、美国专利申请公开2013/0229895号公报、美国专利申请公开2014/0063648号公报、美国专利申请公开2007/0211391号公报、美国专利申请公开2013/0335847号公报等。
图21是作为实施例6来表示进行了图1的变形的情况下的材料、晶格常数、膜厚、MR比(％)的图表，没有示于说明的结构与图1的情况相同。将第1中间层5A以及第2中间层5C做成NiAl合金以及NiAlX合金的层叠结构。另外，以与非磁性金属层5B相接触的形式将NiAlX合金层叠于NiAl合金、NiAl合金与铁磁性层之间。作为第1铁磁性层4以及第2铁磁性层6使用了Co2Mn1.0Si0.95，其他材料以及膜厚如以下所述。
·接触用金属层8：Ru；5nm
·保护用非磁性金属层7：Ag；5nm
·第2铁磁性层6：CMS(钴锰硅合金)；5nm
·第2中间层5C：NiAl合金和NiAlX合金的层叠(在非磁性金属层5B侧为NiAl合金)；各0.5nm，合计1nm
·非磁性金属层5B：Ag；5nm
·第1中间层5A：NiAl合金和NiAlX合金的层叠(在非磁性金属层5B侧为NiAl合金)；各0.5nm，合计1nm
·第1铁磁性层4：CMS(钴锰硅合金)；10nm
·第2非磁性金属层3：Ag；50nm
·第1非磁性金属层2：Cr；20nm
·基板1：MgO；0.5mm
如图21，在中间层的组成按照厚度方向进行变化的情况下，MR比从10.1％向12.3％提高。在此，铁磁性层CMS(钴锰硅合金)的晶格常数(对应基准值)为0.5606nm，中间层CrNi2Al的晶格常数(对应基准值)为0.5737nm，非磁性金属层Ag的晶格常数(对应基准值)为0.5798，γ＝0的NiAlX合金(即NiAl合金)的晶格常数(对应基准值)为0.5760。因此，从晶格常数的大小关系来说，因为通过使γ＝0的NiAlX合金即γ小的NiAlX合金介于非磁性金属层与NiAlX合金之间，从而按照中间层的厚度方向连续性地发生晶格常数(对应基准值)的变化，所以能够进一步提高铁磁性层与非磁性金属层的结晶品质。由此，就能够提高MR比。另外，在这里的所谓晶格常数对应基准值在各个结晶面以0度倾斜进行匹配时是指为晶格常数a或者a的2倍的值中任一者的值，在以45度倾斜进行匹配时为a乘以2的平方根的值。
因此，γ3的值能够随着从铁磁性层(4、6)沿着其厚度方向离开而减少。就该层叠结构而言，与只由铁磁性层进行层叠的情况相比，因为在以通式(1)表示的中间层(5A、5C)(NiAlX合金层)中，X元素浓度在铁磁性层侧高，所以铁磁性层(4、6)与非磁性金属层5B之间的晶格不匹配变得更小。另外，因为X元素浓度在非磁性金属层5B侧低，所以铁磁性层(4、6)与非磁性金属层5B之间的晶格不匹配变得更小。因此，如果由该层叠结构，则铁磁性层以及非磁性金属层中的无感层的区域变得更小，并且能够提高MR比。还有，γ3的值也能够沿着面内方向或者厚度方向进行变化。对应于局部晶格不匹配的程度，通过以缓和上述晶格不匹配的形式设定γ3的值，并改变X元素浓度，从而就能够最终期待铁磁性层以及非磁性金属层的品质的改善效果。
如以上所说明的那样，上述的层叠结构以及磁阻效应元件是位于非磁性金属层5B上的层叠结构，具备铁磁性层6、以及介于非磁性金属层5B与铁磁性层6之间的中间层5C，中间层5C包含以通式(1)：Niγ1Alγ2Xγ3……(1)[X表示选自Si、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb以及Ta中的1种以上的元素，在γ＝γ3/(γ1+γ2+γ3)的情况下，满足0＜γ＜0.5]表示的NiAlX合金层，并且能够减小无感层，获得高的MR比。具备上述任一个的磁阻效应元件的磁头、传感器、高频滤波器或者振荡器因为磁阻效应大，所以能够发挥起因于其的优异特性。
另外，从原理上来说，因为认为上述的结构中的磁阻效应元件的相对于自旋的行为不仅仅在CPP-GMR元件上而且在CIP-GMR元件(面内通电型GMR元件)上也会同样发生，所以从所谓提高MR比的观点出发，认为上述结构在CIP-GMR元件中也是有效的。另外，只要是能够利用磁性的元件，因为无感层的区域会变小，所以层叠结构也能够适用于磁阻效应元件以外的用途[自旋霍尔效应/逆自旋霍尔效应、自旋转移力矩(spin transfer torque)等技术]。

Claims (14)

1.一种层叠结构，其特征在于：
所述层叠结构是位于非磁性金属层上的层叠结构，
具备：
铁磁性层、以及
介于所述非磁性金属层与所述铁磁性层之间的中间层，
所述中间层包含以下述通式(1)所表示的NiAlX合金层，
Niγ1Alγ2Xγ3 (1)
其中，X表示选自Si、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、Nb以及Ta中的1种以上的元素，在γ＝γ3/(γ1+γ2+γ3)的情况下，满足0＜γ＜0.5。
2.如权利要求1所述的层叠结构，其特征在于：
γ3的值沿着面内方向或者厚度方向变化。
3.如权利要求1或者2所述的层叠结构，其特征在于：
在将L设定为选自Mn以及Fe中的1种以上的元素；
将M设定为选自Si、Al、Ga以及Ge中的1种以上的元素；
并将α以及β设定为正值的情况下，
所述铁磁性层包含下述通式(2)所表示的哈斯勒合金，
Co2LαMβ (2)。
4.如权利要求1～3中任一项所述的层叠结构，其特征在于：
γ3的值随着从所述铁磁性层沿着其厚度方向离开而减少。
5.如权利要求1～4中任一项所述的层叠结构，其特征在于：
所述非磁性金属层包含选自Ag、Cr、Al、Au以及NiAl中的1种以上的元素。
6.如权利要求1～5中任一项所述的层叠结构，其特征在于：
所述NiAlX合金层中的X是选自Si、Cr、Fe、Co以及Zr中的1种以上的元素。
7.如权利要求1～6中任一项所述的层叠结构，其特征在于：
在通式(1)中，满足0＜γ＜0.3。
8.如权利要求1～7中任一项所述的层叠结构，其特征在于：
在将所述NiAlX合金层的厚度设定为t1时，
满足0.2nm≤t1≤10nm。
9.如权利要求1～8中任一项所述的层叠结构，其特征在于：
在以所述通式(2)所表示的哈斯勒合金中，
α以及β满足以下关系式(2-1)、(2-2)、(2-3)：
0.7＜α＜1.6……(2-1)；
0.65＜β＜1.35……(2-2)；
2＜α+β＜2.6……(2-3)。
10.一种磁阻效应元件，其特征在于：
具备权利要求1～9中任一项所述的层叠结构。
11.一种磁头，其特征在于：
具备权利要求10所述的磁阻效应元件。
12.一种传感器，其特征在于：
具备权利要求10所述的磁阻效应元件。
13.一种高频滤波器，其特征在于：
具备权利要求10所述的磁阻效应元件。
14.一种振荡器，其特征在于：
具备权利要求10所述的磁阻效应元件。
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