CN112993148A - 磁阻效应元件 - Google Patents

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CN112993148A CN202011422090.5A CN202011422090A CN112993148A CN 112993148 A CN112993148 A CN 112993148A CN 202011422090 A CN202011422090 A CN 202011422090A CN 112993148 A CN112993148 A CN 112993148A
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犬伏和海
中田胜之
市川心人
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Abstract

本发明提供能够降低磁致伸缩的磁阻效应元件。该磁阻效应元件包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层，所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层中的至少一者包括具有结晶区域和非晶区域的霍伊斯勒合金层。

Description

磁阻效应元件
技术领域
本发明涉及磁阻效应元件。
背景技术
磁阻效应元件是层叠方向上的电阻值会因磁阻效应而变化的元件。磁阻效应元件具有2个铁磁性层和被它们夹着的非磁性层。在非磁性层中使用导体的磁阻效应元件被称为巨磁阻(GMR)元件，在非磁性层中使用绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的磁阻效应元件被称为隧道磁阻(TMR)元件。磁阻效应元件能够应用于磁传感器、高频零件、磁头及非易失性随机存取存储器(MRAM)等多种用途。
专利文献1中记载了具有霍伊斯勒合金层和Co系非晶金属层的磁读出头。专利文献1中记载了Co系非晶金属层降低磁阻效应元件中产生的磁致伸缩，且记载了通过霍伊斯勒合金层和Co系非晶金属层磁耦合，能够实现高的MR比。磁致伸缩是磁读出头的噪声的原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-146650号公报。
发明内容
发明所要解决的问题
但是，专利文献1中记载的磁读出头由磁化自由层为霍伊斯勒合金层和Co系非晶金属层之类的不同的2层的层叠体构成。当层叠不同的层时，在这些层的界面中产生原子扩散等。例如，当从其它层中向霍伊斯勒合金扩散硼等时，霍伊斯勒合金的自旋极化率降低，磁阻效应元件的MR比降低。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种能够降低磁致伸缩的磁阻效应元件。
用于解决问题的技术手段
本发明为了解决上述问题，提供以下的技术手段。
(1)第一方式的磁阻效应元件包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层，所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层中的至少一者包括具有结晶区域和非晶区域的霍伊斯勒合金层。
(2)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述霍伊斯勒合金层的所述结晶区域和所述非晶区域混在一起。
(3)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，在所述霍伊斯勒合金层中的与所述非磁性层相接的第一界面，所述结晶区域的比例比所述非晶区域的比例多。
(4)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述霍伊斯勒合金层中的与所述非磁性层相接的第一界面由所述结晶区域构成。
(5)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述第一铁磁性层为磁化固定层，所述第二铁磁性层为磁化自由层，所述第二铁磁性层具有所述霍伊斯勒合金层。
(6)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述第一铁磁性层为磁化固定层，所述第二铁磁性层为磁化自由层，所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层均具有所述霍伊斯勒合金层，与所述第二铁磁性层中的所述霍伊斯勒合金层相比，所述第一铁磁性层中的所述霍伊斯勒合金层的所述结晶区域的比例多。
(7)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，还包括基板，所述第一铁磁性层位于比所述第二铁磁性层靠近所述基板的位置。
(8)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述结晶区域由多个晶粒构成，所述多个晶粒中的至少一个晶粒的晶轴的方向与其它晶粒的晶轴的方向不同。
(9)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述霍伊斯勒合金层中的与所述非磁性层相接的第一界面的所述结晶区域的比例，比与所述第一界面相反一侧的第二界面的所述结晶区域的比例多。
(10)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述结晶区域的比例随着从所述第一界面去往所述第二界面而减少。
(11)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，构成所述霍伊斯勒合金层的霍伊斯勒合金由Co2YαZβ表示，所述Y为选自由Fe、Mn、Cr构成的组中的1种以上的元素，所述Z为选自由Si、Al、Ga、Ge构成的组中的1种以上的元素，满足α+β＞2。
(12)上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，还包括第三铁磁性层，所述第三铁磁性层与所述霍伊斯勒合金层的与所述非磁性层相对的面的相反侧的面相接，所述第三铁磁性层包含Co－Fe－B－A合金，所述第三铁磁性层中所含的A元素为选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任一种以上的元素。
(13)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述第三铁磁性层的至少一部分被晶化，所述第三铁磁性层的结晶区域的至少一部分与所述霍伊斯勒合金层的结晶区域晶格匹配。
(14)上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，还包括第四铁磁性层，所述第四铁磁性层位于所述霍伊斯勒合金层与所述非磁性层之间，所述第四铁磁性层包含Co－Fe－B－A合金，所述第四铁磁性层中所含的A元素为选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任一种以上的元素。
(15)在上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，所述第四铁磁性层的膜厚为构成所述第四铁磁性层的材料的自旋扩散长度以下。
(16)上述方式的磁阻效应元件中，也可以是，还包括第二非磁性层，所述第二非磁性层与所述第三铁磁性层的与所述非磁性层相对的面的相反侧的面相接，所述第二非磁性层包含B和选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任意元素。
发明效果
本发明的磁阻效应元件降低了磁致伸缩。
附图说明
图1是第一实施方式的磁阻效应元件的剖视图。
图2A～图2F是表示霍伊斯勒合金的结晶结构的图。
图3是用于说明第一实施方式的磁阻效应元件的制造方法的剖视图。
图4是第一变形例的磁阻效应元件的剖视图。
图5是第二变形例的磁阻效应元件的剖视图。
图6是第三变形例的磁阻效应元件的剖视图。
图7是应用例1的磁记录元件的剖视图。
图8是应用例2的磁记录元件的剖视图。
图9是应用例3的磁记录元件的剖视图。
图10是应用例4的磁畴壁移动元件的剖视图。
图11是应用例5的高频器件的剖视图。
附图标记的说明
1…第一铁磁性层，1a、2a…第一面，1b、2b…第二面，2…第二铁磁性层，3、13…非磁性层，4…第三铁磁性层，5…第四铁磁性层，6…第二非磁性层，8…自旋轨道矩配线，10、15、16、17…磁阻效应元件，11、12A、12B…铁磁性层，21…电阻测定器，22…电源，23…测定部，24…第一磁化固定层，25…第二磁化固定层，26…直流电源，27…感应器，28…电容器，29…输出端口，30、31…配线，100、101、102…磁记录元件，103…磁畴壁移动元件，104…高频器件，DW…磁畴壁，MD1…第一磁区，MD2…第二磁区，Sub…基板。
具体实施方式
以下，适当参照附图对本实施方式进行详细说明。以下的说明中使用的附图中，为了容易理解本实施方式的特征，方便起见有时放大表示成为特征的部分，各结构要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限定于这些，在不变更其宗旨的范围内能够适当变更实施。
(第一实施方式)
图1是第一实施方式的磁阻效应元件的剖视图。首先，对方向进行定义。有时将各层所层叠的方向称为层叠方向。另外，有时将与层叠方向交叉且各层所扩展的方向称为面内方向。
图1所示的磁阻效应元件10包括第一铁磁性层1、第二铁磁性层2和非磁性层3。非磁性层3位于第一铁磁性层1与第二铁磁性层2之间。以下，在不相互区分第一铁磁性层1及第二铁磁性层2的情况下，有时单独称为铁磁性层。
磁阻效应元件10将第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化的相对角的变化作为电阻值变化来输出。第二铁磁性层2的磁化例如比第一铁磁性层1的磁化更容易移动。在施加规定的外力的情况下，第一铁磁性层1的磁化的方向没有变化(被固定)，第二铁磁性层2的磁化的方向变化。第二铁磁性层2的磁化的方向相对于第一铁磁性层1的磁化的方向变化，从而磁阻效应元件10的电阻值变化。该情况下，第一铁磁性层1有时称为磁化固定层，第二铁磁性层2有时称为磁化自由层。为了提高磁化的稳定性，第一铁磁性层1优选比第二铁磁性层2更位于成为基底的基板侧。
以下，将第一铁磁性层1作为磁化固定层，将第二铁磁性层2作为磁化自由层进行说明，但其关系也可以相反。另外，由于将第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化的相对角的变化作为电阻值变化来输出，因此，磁阻效应元件10也可以为第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化均移动的结构(即，第一铁磁性层1和第二铁磁性层2均为磁化自由层)。
施加了规定的外力时的第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化的移动容易性的差由于第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的矫顽力的不同而产生。例如，如果使第二铁磁性层2的厚度比第一铁磁性层1的厚度薄，则第二铁磁性层2的矫顽力比第一铁磁性层1的矫顽力小。另外，例如，也可以在第一铁磁性层1的与非磁性层3相反侧的面隔着间隔层设置反铁磁性层。第一铁磁性层1、间隔层、反铁磁性层成为合成反铁磁性结构(SAF结构)。合成反铁磁性结构由夹着间隔层的2个磁性层构成。通过第一铁磁性层1和反铁磁性层进行反铁磁性耦合，相较于不具有反铁磁性层的情况，第一铁磁性层1的矫顽力变大。反铁磁性层例如为IrMn、PtMn等。间隔层例如包含选自由Ru、Ir、Rh构成的组中的至少一者。
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2包含铁磁性体。图1所示的磁阻效应元件10的第一铁磁性层1例如包含：选自由Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属；含有一个以上这些金属的合金；含有这些金属及B、C和N中至少一种元素的合金。例如，第一铁磁性层1为Co－Fe、Co－Fe－B。第一铁磁性层1也可以由霍伊斯勒合金构成。
图1所示的磁阻效应元件10的第二铁磁性层2(磁化自由层)包括含有霍伊斯勒合金的霍伊斯勒合金层。霍伊斯勒合金层例如由霍伊斯勒合金构成。另外，第二铁磁性层2例如由霍伊斯勒合金层构成。
霍伊斯勒合金为具有XYZ或X2YZ的化学组成的金属间化合物。由X2YZ表示的铁磁性的霍伊斯勒合金称为全霍伊斯勒合金，由XYZ表示的铁磁性的霍伊斯勒合金被称为半霍伊斯勒合金。半霍伊斯勒合金为全霍伊斯勒合金的X位点的原子的一部分成为空格子的合金。典型而言，均为以bcc结构为基本的金属间化合物。
图2A～图2F为霍伊斯勒合金的结晶结构的一例。图2A～图2C为全霍伊斯勒合金的结晶结构的一例，图2D～图2F为半霍伊斯勒合金的结晶结构的一例。
图2A称为L21结构。L21结构固定有进入X位点的元素、进入Y位点的元素和进入Z位点的元素。图2B称为源自L21结构的B2结构。B2结构的进入Y位点的元素和进入Z位点的元素混在一起，并固定有进行X位点的元素。图2C称为源自L21结构的A2结构。A2结构的进入X位点的元素、进入Y位点的元素、进入Z位点的元素混在一起。
图2D称为Clb结构。Clb结构固定有进入X位点的元素、进入Y位点的元素和进入Z位点的元素。图2E称为源自Clb结构的B2结构。B2结构的进入Y位点的元素和进入Z位点的元素混在一起，并固定有进入X位点的元素。图2F称为源自Clb结构的A2结构。A2结构的进入X位点的元素、进入Y位点的元素、进入Z位点的元素混在一起。
在全霍伊斯勒合金中，结晶性按L21结构＞B2结构＞A2结构的顺序提高，在半霍伊斯勒合金中，结晶性按Clb结构＞B2结构＞A2结构的顺序提高。这些结晶结构在结晶性良好方面有所不同，但均为结晶。非晶的霍伊斯勒合金也可以没有确认上述任一结晶结构，但化学计量组成式满足XYZ或X2YZ。
在此，X在周期表上为Co、Fe、Ni、或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y为Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或X的元素种类，Z为III族～V族的典型元素。全霍伊斯勒合金例如为Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2FeAl、Co2FeGexGa1－x、Co2MnGexGa1－x、Co2MnSi、Co2MnGe、Co2MnGa、Co2MnSn、Co2MnAl、Co2CrAl、Co2VAl、Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b等。半霍伊斯勒合金例如为NiMnSe、NiMnTe、NiMnSb、PtMnSb、PdMnSb、CoFeSb、NiFeSb、RhMnSb、CoMnSb、IrMnSb、NiCrSb。
霍伊斯勒合金层中所含的霍伊斯勒合金例如由Co2YαZβ表示。Y例如为选自由Fe、Mn、Cr构成的组中的1种以上的元素，Z例如为选自由Si、Al、Ga、Ge构成的组中的1种以上的元素，满足α+β＞2。Y特别优选Fe。α例如为0.5＜α＜1.9，优选为0.8＜α＜1.33，更优选为0.9＜α＜1.2。β例如为α＜β＜2α，为α＜β＜1.5α。
化学计量组成的全霍伊斯勒合金由Co2YZ表示。当满足α+β＞2时，Co组成比相对于Y位点的元素较少。如果Co组成比相对于Y位点的元素较少，则能够避免Y位点的元素取代为X位点(Co进入的位点)的元素的反位点。反位点使霍伊斯勒合金的费米能级变动。如果费米能级变动，则霍伊斯勒合金的半金属性降低，自旋极化率降低。自旋极化率的降低成为磁阻效应元件10的MR比降低的原因。
另外，更优选满足α+β＞2.3。通过满足α+β＞2.3，Co组成比相对于Y位点的元素相对更少。如果Co组成比相对于Y位点的元素相对更少，则能够避免Y位点的元素取代为X位点(Co进入的位点)的元素的反位点。反位点使霍伊斯勒合金的费米能级变动。如果费米能级变动，则霍伊斯勒合金的半金属性降低，自旋极化率降低。自旋极化率的降低成为磁阻效应元件10的MR比降低的原因。
霍伊斯勒合金层具有结晶区域和非晶区域。霍伊斯勒合金层例如结晶区域和非晶区域混在一起。结晶区域及非晶区域的一部分也可以呈层状存在。霍伊斯勒合金层的结晶区域可以散在非晶区域内，非晶区域也可以散在结晶区域内。
结晶区域为具有原子被规则地排列的结晶结构的区域。非晶区域为没有确认原子的规则的排列的区域。结晶区域例如也可以由多个晶粒构成。多个晶粒中至少一个晶粒的晶轴的方向例如与其它晶粒的晶轴的方向不同。另外，例如，多个晶粒各自的晶轴的方向也可以不同。由于在晶界中产生晶界电阻，因此，当结晶区域由多个晶粒构成时，霍伊斯勒合金层整体的电阻值增加。当铁磁性层的电阻增加时，磁阻效应元件的MR比变大。
霍伊斯勒合金是否晶化能够通过透射型电子显微镜(TEM)图像(例如扫描透射电子显微镜高角环形暗场像：HAADF－STEM像)或使用了透射型电子束的电子束衍射图像来判断。如果霍伊斯勒合金晶化，则例如能够在通过TEM拍摄的HAADF－STEM像中确认原子规则地排列的状态。更详细而言，在HAADF－STEM像的傅立叶变换图像中出现源自霍伊斯勒合金的结晶结构的斑点。另外，如果霍伊斯勒合金晶化，则在电子束衍射图像中能够确认来自(001)面、(002)面、(110)面、(111)面中至少一个面的衍射斑点。在通过至少任一种手段确认晶化的情况下，可以说霍伊斯勒合金的至少一部分晶化。
另外，霍伊斯勒合金的结晶结构能够通过XRD(X射线衍射法)、RHEED(反射高速电子衍射法)等来测定。例如，在XRD的情况下，在霍伊斯勒合金为L21结构的情况下，显示(200)及(111)的峰值，但在B2结构的情况下，显示(200)峰值，但不显示(111)峰值。例如，在RHEED的情况下，在霍伊斯勒合金为L21结构的情况下，显示(200)条纹及(111)条纹，但在B2结构的情况下，显示(200)条纹，但不显示(111)条纹。
构成磁阻效应元件的各层的组成分析能够使用能量分散型X射线分析(EDS)来进行。另外，如果进行EDS射线分析，则例如能够确认各材料的膜厚方向的组成分布。
另外，霍伊斯勒合金的组成能够通过XRF(荧光X射线法)、ICP(电感耦合等离子体)发射光谱分析法、SIMS(二次离子质谱法)、AES(俄歇电子能谱法)等来测定。
如果霍伊斯勒合金层具有非晶区域，则使铁磁性层中产生的磁致伸缩降低。磁致伸缩是由于铁磁性体的磁化的变化而在形状中产生应变的现象。由于磁化的方向的变化，自旋间的相互作用变化，随此，通过弹性能量变化，产生磁致伸缩。通常，结晶性越高，磁致伸缩越大。通过非晶区域缓和磁致伸缩，降低霍伊斯勒合金层整体的磁致伸缩。
霍伊斯勒合金层与非磁性层3相接。以下，将霍伊斯勒合金层中与非磁性层3相接的面称为第一界面，将与第一界面相反侧的面称为第二界面。在第二铁磁性层2由霍伊斯勒合金层构成的情况下，第二铁磁性层2的第一面2a为第一界面，第二面2b为第二界面。
第一界面例如也可以由结晶区域构成，结晶区域的比例比非晶区域的比例多。第一界面中的结晶区域和非晶区域的比例从将磁阻效应元件10沿着层叠方向切割的截面的TEM图像中来判断。具体而言，按以下的顺序来判断。首先，在任意10个部位切割磁阻效应元件10，选择各个第一界面中的TEM图像。在各个TEM图像中，根据上述的判断基准，求出结晶区域和非晶区域的比例。在10张TEM图像中6张以上的结晶区域的比例比非晶区域的比例多的情况下，认为第一界面中的结晶区域的比例比非晶区域的比例多。另外，在10张TEM图像所有的第一界面中仅确认结晶区域的情况下，认为第一界面由结晶区域构成。
如果第一界面中的结晶区域的比例提高，则磁阻效应元件10的MR比提高。如果第一铁磁性层1及第二铁磁性层2的自旋极化率高，则磁阻效应元件10的MR比提高。霍伊斯勒合金具备具有高的自旋极化率的这一特征。霍伊斯勒合金的结晶性越高，霍伊斯勒合金越显示出接近理论值的高的自旋极化率。如果与非磁性层3相邻的第一界面的结晶性高，则霍伊斯勒合金高的自旋极化率在第一界面中被维持，且磁阻效应元件10的MR比提高。
另外，结晶区域的电阻值比非晶区域的电阻值低。用于测定磁阻效应元件10的MR比的读出电流沿磁阻效应元件10的层叠方向流动。在结晶区域的比例比非晶区域的比例多的情况下，在第一界面中自旋极化率高的结晶区域集中读出电流，从而，被输出的磁阻效应元件10的MR比变大。
另外，第一界面例如比第二界面的结晶区域的比例高。例如，结晶区域的比例随着从第一界面朝向第二界面而减少。磁阻效应元件10将夹着非磁性层3的2个铁磁性层的磁化的相对角的差异输出为电阻值。与非磁性层3相接的第一界面中的磁化的变化给予磁阻效应元件的MR比的影响，比远离非磁性层3的第二界面中的磁化的变化大。与非磁性层相接的第一界面的结晶性高的磁阻效应元件10在费米面附近的自旋极化率高，且显示出大的MR比。
第一界面中的结晶区域的比例为上述10张TEM图像各自的第一界面中的结晶区域的比例的平均值，第二界面中的结晶区域的比例为上述的10张TEM图像各自的第二界面中的结晶区域的比例的平均值。
非磁性层3例如由非磁性的金属构成。非磁性层3例如为包含选自由Cu、Au、Ag、Al、Cr构成的组中的任一种元素的金属或合金。非磁性层3例如包含选自由Cu、Au、Ag、Al、Cr构成的组中的任一种元素作为主要的结构元素。主要的结构元素是指在组成式中，Cu、Au、Ag、Al、Cr所占的比例成为50％以上。非磁性层3优选包含Ag，优选包含Ag作为主要的结构元素。Ag的自旋扩散长度长，因此，使用了Ag的磁阻效应元件10显示出大的MR比。
非磁性层3例如厚度在1nm以上10nm以下的范围内。非磁性层3妨碍第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁耦合。
非磁性层3也可以为绝缘体或半导体。非磁性的绝缘体例如为Al2O3、SiO2、MgO、MgAl2O4、及它们的Al、Si、Mg的一部分取代为Zn、Be等的材料。这些材料的带隙大，且绝缘性优异。在非磁性层3由非磁性的绝缘体构成的情况下。非磁性层3为隧道势垒层。非磁性的半导体例如为Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In、Ga)Se2等。
接着，对磁阻效应元件10的制造方法进行说明。图3是用于说明第一实施方式的磁阻效应元件10的制造方法的示意图。首先，准备成为成膜的基底的基板。基板可以为结晶性，也可以为非晶。作为具备结晶性的基板，例如，具有金属氧化物单晶、单晶硅、蓝宝石单晶、陶瓷。作为非晶的基板，例如有带热氧化膜的单晶硅、玻璃、石英。
接着，在基板上成膜铁磁性层11。铁磁性层11例如通过溅射法进行成膜。铁磁性层11由与第一铁磁性层1同样的材料构成。铁磁性层11在成膜后退火。以下，将铁磁性层11的退火称为第一退火。通过第一退火，铁磁性层11晶化，成为第一铁磁性层1。第一退火的温度例如为比300℃高的温度。
接着，在铁磁性层11上成膜非磁性层13及铁磁性层12A。铁磁性层12A在成膜后退火。以下，将铁磁性层12A的退火称为第二退火。第二退火的温度比第一退火的温度低。第二退火的温度例如为300℃。通过第二退火，铁磁性层12A的一部分晶化。第二退火的温度比第一退火的温度低，在铁磁性层12A中残留有未晶化的非晶的区域。
接着，在铁磁性层12A上成膜铁磁性层12B。铁磁性层12B在成膜后退火。以下，将铁磁性层12B的退火称为第三退火。第三退火的温度比第二退火的温度低。第三退火的温度例如为200℃以上且低于300℃，例如为250℃。通过第三退火，铁磁性层12B的一部分晶化。第三退火的温度比第二退火的温度低，铁磁性层12B的结晶性比铁磁性层12A的结晶性低。
通过上述的顺序，铁磁性层11成为第一铁磁性层1，非磁性层13成为非磁性层3，铁磁性层12A及铁磁性层12B成为第二铁磁性层2，制作磁阻效应元件10。铁磁性层12A的结晶性比铁磁性层12B的结晶性高，第一界面中的结晶区域的比例比第二界面高。另外，第一界面中的结晶区域的比例能够根据第二退火的温度自由地控制。
本实施方式的磁阻效应元件10通过第二铁磁性层2具有包含非晶区域的霍伊斯勒合金层，能够降低磁致伸缩。磁致伸缩成为磁传感器的噪声的原因，因此，根据本实施方式的磁阻效应元件10，能够得到感度高的磁传感器。另外，第二铁磁性层2在霍伊斯勒合金层中含有非晶区域，因此，其它层的原子不会由于制造时的退火等通过扩散而侵入。来自其它层的原子扩散成为霍伊斯勒合金的自旋极化率的降低的原因。本实施方式的磁阻效应元件10中，霍伊斯勒合金层显示出高的自旋极化率，且显示出大的MR比。
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细描述，但各实施方式中的各结构及这些组合等为一例，在不从本发明的宗旨脱离的范围内，能够进行结构的附加、省略、替换、及其它的变更。
上述磁阻效应元件例示了仅第二铁磁性层2具有霍伊斯勒合金层的情况，但第一铁磁性层1也可以具有霍伊斯勒合金层。在第一铁磁性层1由霍伊斯勒合金层构成的情况下，第一铁磁性层1的第一面1a为第一界面，第二面1b为第二界面。第一面1a为第一铁磁性层1的非磁性层3侧的面，第二面1b为第一铁磁性层1的与第一面1a相反侧的面。
磁化方向变化的磁化自由层(第二铁磁性层2)容易产生磁致伸缩。与此相对，磁化方向难以变化的磁化固定层(第一铁磁性层1)难以产生磁致伸缩。但是，即使为磁化固定层，也并不是完全不会产生磁致伸缩。因此，通过第一铁磁性层1具有霍伊斯勒合金层，磁阻效应元件10的磁致伸缩降低。
另外，第一铁磁性层1及第二铁磁性层2也可以均具有霍伊斯勒合金层。该情况下，第一铁磁性层1(本实施方式中磁化固定层)中的霍伊斯勒合金层例如与第二铁磁性层(本实施方式中磁化自由层)中的霍伊斯勒合金层相比，优选结晶区域的比例多。磁化固定层由于磁化的方向没有变化，因此，难以产生磁致伸缩。与此相对，磁化自由层由于磁化的方向变化，因此，容易产生磁致伸缩。通过增加容易产生磁致伸缩的磁化自由层中的霍伊斯勒合金层的非晶区域的比例，在非晶区域内有效地缓和磁致伸缩，能够降低作为磁阻效应元件10整体的磁致伸缩。
在第一铁磁性层1具有霍伊斯勒合金层的情况下，通过低地设定第一退火的温度，能够在第一铁磁性层1内形成非晶区域。另外，在将铁磁性层11成膜后，通过对表面照射激光等，能够增加第一铁磁性层1的第一界面中的结晶区域的比例。
图4是第一变形例的磁阻效应元件15的剖视图。磁阻效应元件15还具有第三铁磁性层4这一点与磁阻效应元件10不同。第三铁磁性层4与霍伊斯勒合金层的与非磁性层3相对的面的相反侧的面相接。图4是第二铁磁性层2为霍伊斯勒合金层时的例子，在第二铁磁性层2的与非磁性层3相对的面的相反侧的面上具有第三铁磁性层4。另外，在第一铁磁性层1为霍伊斯勒合金层的情况下，在第一铁磁性层1的与非磁性层3相对的面的相反侧具有第三铁磁性层4。
第三铁磁性层4为Co－Fe－B－A合金。Co－Fe－B－A只要为包含钴、铁、硼、及A元素的合金，各自的组成比就没有问题。A元素为选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任一种以上的元素。A元素可以侵入CoFeB的结晶结构内，也可以取代为CoFeB的结晶中任意元素。A元素优选为由Ti、Ru、Ta构成的组中的任意元素，特别优选为Ta。
Co－Fe－B－A合金在成膜时为非晶。Co－Fe－B－A合金通过成膜后的退火，一部分晶化，但包含非晶的区域。通过包含非晶的区域的第三铁磁性层4与霍伊斯勒合金层相接，能够更加抑制磁阻效应元件15整体的磁致伸缩。
第三铁磁性层4中晶化的区域(下称为结晶区域)的至少一部分例如与霍伊斯勒合金层的结晶区域晶格匹配。晶格匹配是指在不同的层的界面上，原子沿层叠方向连续地排列。不同的层的界面中的晶格匹配度例如为5％以内。晶格匹配度为以一层的晶格常数为基准时的另一层的晶格常数的错位的程度。如果第三铁磁性层4和霍伊斯勒合金层晶格匹配，则界面中的电子散射减少，能够降低磁阻效应元件15的寄生电阻。
另外，A元素具有吸引硼的性质。A元素中Ti、Ru、Ta特别是其性质强。如果第三铁磁性层4包含A元素，则在退火时抑制在第三铁磁性层4中所含的硼扩散到霍伊斯勒合金层。
图5是第二变形例的磁阻效应元件16的剖视图。磁阻效应元件16还具有第四铁磁性层5的这一点与磁阻效应元件15不同。第四铁磁性层5与霍伊斯勒合金层的与非磁性层3相对的面相接。图5是第二铁磁性层2为霍伊斯勒合金层时的例子，在第二铁磁性层2和非磁性层3之间具有第四铁磁性层5。另外，在第一铁磁性层1为霍伊斯勒合金层的情况下，在第一铁磁性层1与非磁性层3之间具有第四铁磁性层5。
第四铁磁性层5包含Co－Fe－B－A合金，由与第三铁磁性层4同样的材料构成。第四铁磁性层5增大霍伊斯勒合金层与非磁性层3之间的界面电阻，并增大磁阻效应元件16的MR比。第四铁磁性层5的膜厚例如为构成第四铁磁性层5的材料的自旋扩散长度以下。磁阻效应元件16的MR比根据夹着非磁性层3的2个铁磁性层的磁化的相对角来决定。如果第四铁磁性层5的膜厚厚，则第四铁磁性层5有助于磁阻效应元件16的MR比的比例提高，但第四铁磁性层5足够薄，从而能够提高自旋极化率高的第二铁磁性层2(霍伊斯勒合金层)的贡献。
图6是第三变形例的磁阻效应元件17的剖视图。磁阻效应元件17还具有第二非磁性层6这一点与磁阻效应元件15不同。第二非磁性层6与第三铁磁性层4的与霍伊斯勒合金层相对的面的相反侧的面相接。图6是第二铁磁性层2为霍伊斯勒合金层时的例子，在第三铁磁性层4的与第二铁磁性层2相反侧的面上具有第二非磁性层6。
第二非磁性层6包含硼和选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任一种元素。Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au与上述的A元素相同。但是，第二非磁性层6中所含的A元素和第三铁磁性层4中所含的A元素不需要相同。
第二非磁性层6例如为非磁性的金属。第二非磁性层6例如为在由A元素构成的金属或合金中添加有硼的非磁性层。第二非磁性层6优选包含选自A元素中由Ti、Ru、Ta构成的组中的任意元素。第二非磁性层6例如为在包含选自由Ti、Ru、Ta构成的组中的任意元素的金属或合金中添加有硼或碳的非磁性层。
第二非磁性层6例如在成膜工序时不包含硼。即，退火工序前的第二非磁性层6例如为A元素的金属或合金。如上述，A元素具有吸引硼的性质。第二非磁性层6在退火时，A元素吸引硼，含有硼。
第二非磁性层6在退火时抑制硼扩散到霍伊斯勒合金层(例如，第二铁磁性层2)及非磁性层3。如果霍伊斯勒合金层包含硼，则霍伊斯勒合金层的结晶性降低，磁阻效应元件17的MR比降低。另外，如果非磁性层3包含硼，则非磁性层3的结晶性降低，磁阻效应元件17的MR比降低。即，第二非磁性层6防止第三铁磁性层4中所含的硼扩散到霍伊斯勒合金层及非磁性层3，抑制磁阻效应元件17的MR比的降低。
第一变形例～第三变形例各自的结构(第三铁磁性层4、第四铁磁性层5、第二非磁性层6)可以单独使用，也可以组合使用。另外，第一铁磁性层1及第二铁磁性层2分别包含霍伊斯勒合金层的情况下也可以分别为2层以上。
上述磁阻效应元件10、15、16、17能够用于各种用途。磁阻效应元件10、15、16、17例如能够应用于磁头、磁传感器、磁存储器、高频滤波器等。
接着，对本实施方式的磁阻效应元件的应用例进行说明。此外，在以下的应用例中，使用磁阻效应元件10作为磁阻效应元件，但磁阻效应元件不限定于此。
图7是应用例1的磁记录元件100的剖视图。图7是沿着层叠方向将磁阻效应元件10切断的剖视图。
如图7所示，磁记录元件100具有磁头MH和磁记录介质W。图7中，将磁记录介质W延伸的一方向设为X方向，将与X方向垂直的方向设为Y方向。XY面为磁记录介质W的主面平行。将连结磁记录介质W和磁头MH的方向，即相对于XY平面垂直的方向设为Z方向。
磁头MH的空气轴承面(Air Bearing Surface：介质相对面)S与磁记录介质W的表面相对。磁头MH在从磁记录介质W远离一定的距离的位置，沿着磁记录介质W的表面，向箭头+X和箭头－X的方向移动。磁头MH具有作为磁传感器起作用的磁阻效应元件10和磁记录部(未图示)。电阻测定器21测定磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值。
磁记录部对磁记录介质W的记录层W1施加磁场，决定记录层W1的磁化的方向。即，磁记录部进行磁记录介质W的磁记录。磁阻效应元件10读取通过磁记录部写入的记录层W1的磁化的信息。
磁记录介质W具有记录层W1和背衬层W2。记录层W1为进行磁记录的部分，背衬层W2是使写入用的磁束再次回流到磁头MH的磁路(磁束的通路)。记录层W1将磁信息记录为磁化的方向。
磁阻效应元件10的第二铁磁性层2例如为磁化自由层。因此，在空气轴承面S上露出的第二铁磁性层2受到相对的磁记录介质W的记录层W1中所记录的磁化的影响。例如，在图7中，受到朝向记录层W1的+Z方向的磁化的影响，第二铁磁性层2的磁化的方向朝向+Z方向。该情况下，作为磁化固定层的第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化的方向成为平行。
在此，第一铁磁性层1与第二铁磁性层2的磁化的方向为平行时的电阻不同于第一铁磁性层1与第二铁磁性层2的磁化的方向为反平行时的电阻。平行时的电阻值与反平行时的电阻值的差越大，磁阻效应元件10的MR比越大。本实施方式的磁阻效应元件10包含晶化的霍伊斯勒合金，因此，MR比较大。因此，通过电阻测定器21能够正确地读出记录层W1的磁化的信息作为电阻值变化。
磁头MH的磁阻效应元件10的形状没有特别限制。例如，为了避免磁记录介质W的泄漏磁场相对于磁阻效应元件10的第一铁磁性层1的影响，也可以在远离磁记录介质W的位置设置第一铁磁性层1。
图8是应用例2的磁记录元件101的剖视图。图8是沿着层叠方向切断磁记录元件101的剖视图。
如图8所示，磁记录元件101具有磁阻效应元件10、电源22、测定部23。电源22在磁阻效应元件10的层叠方向上施加电位差。电源22例如为直流电源。测定部23测定磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值。
当通过电源22在第一铁磁性层1与第二铁磁性层2之间产生电位差时，电流在磁阻效应元件10的层叠方向上流动。电流在通过第一铁磁性层1时进行自旋极化，成为自旋极化流动。自旋极化流动经由非磁性层3直至第二铁磁性层2。第二铁磁性层2的磁化受到自旋极化流动引起的自旋转移矩(STT)而磁化反转。通过第一铁磁性层1的磁化的方向和第二铁磁性层2的磁化的方向的相对角变化，磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值变化。磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值通过测定部23来读出。即，图8所示的磁记录元件101为自旋转移矩(STT)型的磁记录元件。
图8所示的磁记录元件101因为第二铁磁性层2包含非晶的霍伊斯勒合金，且降低磁致伸缩，所以数据的稳定性优异。
图9是应用例3的磁记录元件102的剖视图。图9是沿着层叠方向切断磁记录元件102的剖视图。
如图9所示，磁记录元件102具有磁阻效应元件10、自旋轨道矩配线8、电源22、测定部23。自旋轨道矩配线8例如与第二铁磁性层2相接。自旋轨道矩配线8沿面内方向的一方向延伸。电源22与自旋轨道矩配线8的第一端和第二端连接。第一端和第二端俯视时夹着磁阻效应元件10。电源22使写入流动沿着自旋轨道矩配线8流动。测定部23测定磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值。
当通过电源22在自旋轨道矩配线8的第一端与第二端之间产生电位差时，电流沿自旋轨道矩配线8的面内方向流动。自旋轨道矩配线8具有通过电流流动时的自旋霍尔效应产生自旋流的功能。自旋轨道矩配线8例如包含具有通过电流流动时的自旋霍尔效应来产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中任一种。例如配线在最外壳包含具有d电子或f电子且具有原子编号39以上的原子编号的非磁性金属。
当电流沿自旋轨道矩配线8的面内方向流动时，通过自旋轨道相互作用产生自旋霍尔效应。自旋霍尔效应是移动的自旋在与电流的流动方向正交的方向上弯曲的现象。自旋霍尔效应在自旋轨道矩配线8内产生自旋的不均，在自旋轨道矩配线8的厚度方向上引起自旋流。自旋通过自旋流从自旋轨道矩配线8注入到第二铁磁性层2。
注入到第二铁磁性层2的自旋施加第二铁磁性层2的磁化自旋轨道矩(SOT)。第二铁磁性层2受到自旋轨道矩(SOT)，而磁化反转。通过第一铁磁性层1的磁化的方向和第二铁磁性层2的磁化的方向的相对角变化，磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值变化。磁阻效应元件10的层叠方向的电阻值通过测定部23读出。即，图9所示的磁记录元件102为自旋轨道矩(SOT)型的磁记录元件。
图9所示的磁记录元件102因为第二铁磁性层2包含非晶的霍伊斯勒合金，且降低磁致伸缩，所以数据的稳定性优异。
图10是应用例4的磁畴壁移动元件(磁畴壁移动型磁记录元件)的剖视图。磁畴壁移动元件103具有磁阻效应元件10、第一磁化固定层24和第二磁化固定层25。磁阻效应元件10由第一铁磁性层1、第二铁磁性层2和非磁性层3构成。图10中，将第二铁磁性层2延伸的方向设为X方向，将与X方向垂直的方向设为Y方向，将相对于XY平面垂直的方向设为Z方向。
第一磁化固定层24及第二磁化固定层25与第二铁磁性层2的第一端和第二端连接。第一端和第二端在X方向上夹着第一铁磁性层1及非磁性层3。
第二铁磁性层2是能够通过内部的磁的状态的变化来磁记录信息的层。第二铁磁性层2在内部具有第一磁区MD1和第二磁区MD2。第二铁磁性层2中与第一磁化固定层24或第二磁化固定层25在Z方向上重叠的位置的磁化固定成一方向。与第一磁化固定层24在Z方向上重叠的位置的磁化例如固定成+Z方向，与第二磁化固定层25在Z方向上重叠的位置的磁化例如固定成－Z方向。其结果，在第一磁区MD1和第二磁区MD2的边界形成磁畴壁DW。第二铁磁性层2能够在内部具有磁畴壁DW。图10所示的第二铁磁性层2中，第一磁区MD1的磁化MMD1在+Z方向上取向，第二磁区MD2的磁化MMD2在－Z方向上取向。
磁畴壁移动元件103能够根据第二铁磁性层2的磁畴壁DW的位置，多值或连续地记录数据。第二铁磁性层2中记录的数据在施加读出电流时，读出为磁畴壁移动元件103的电阻值变化。
如果磁畴壁DW移动，则第二铁磁性层2中的第一磁区MD1和第二磁区MD2的比率变化。第一铁磁性层1的磁化M1例如为与第一磁区MD1的磁化MMD1相同的方向(平行)，与第二磁区MD2的磁化MMD2相反方向(反平行)。当磁畴壁DW沿+X方向移动，从Z方向俯视时，与第一铁磁性层1重叠的部分的第一磁区MD1的面积扩大时，磁畴壁移动元件103的电阻值变低。相反，当磁畴壁DW沿－X方向移动，从Z方向俯视与第一铁磁性层1重叠的部分的第二磁区MD2的面积扩大时，磁畴壁移动元件103的电阻值变高。
通过沿第二铁磁性层2的X方向流经写入电流、或施加外部磁场，磁畴壁DW移动。例如，当沿第二铁磁性层2的+X方向施加写入电流(例如，电流脉冲)时，电子沿与电流相反的－X方向流动，因此，磁畴壁DW沿－X方向移动。在电流从第一磁区MD1朝向第二磁区MD2流动的情况下，在第二磁区MD2中自旋极化的电子使第一磁区MD1的磁化MMD1磁化反转。通过第一磁区MD1的磁化MMD1磁化反转，磁畴壁DW沿－X方向移动。
图10所示的磁畴壁移动元件103因为第二铁磁性层2包含非晶的霍伊斯勒合金，且降低磁致伸缩，所以数据的稳定性优异。
图11是应用例5的高频器件104的示意图。如图11所示，高频器件104具有磁阻效应元件10、直流电源26、感应器27、电容器28、输出端口29和配线30、31。
配线30连接磁阻效应元件10和输出端口29。配线31从配线30分支，经由感应器27和直流电源26直至地线G。直流电源26、感应器27、电容器28能够使用公知的部件。感应器27切断电流的高频成分，使电流的不变成分通过。电容器28使电流的高频成分通过，截止电流的不变成分。感应器27配设于要抑制高频电流的流动的部分，电容器28配设于要抑制直流电流的流动的部分。
当对磁阻效应元件10中所含的铁磁性层施加交流电流或交流磁场时，第二铁磁性层2的磁化进行前行运动。第二铁磁性层2的磁化在施加于第二铁磁性层2的高频电流或高频磁场的频率在第二铁磁性层2的铁磁性谐振频率的附近的情况下强烈地振动，在远离第二铁磁性层2的铁磁性谐振频率的频率下几乎不振动。将该现象成为铁磁性谐振现象。
磁阻效应元件10的电阻值根据第二铁磁性层2的磁化的振动而变化。直流电源26对磁阻效应元件10施加直流电流。直流电流沿磁阻效应元件10的层叠方向流动。直流电流通过配线30、31、磁阻效应元件10，流到地线G。磁阻效应元件10的电位根据欧姆定律而变化。根据磁阻效应元件10的电位的变化(电阻值的变化)，从输出端口29输出高频信号。
图11所示的高频器件104因为第二铁磁性层2包含非晶的霍伊斯勒合金，且降低磁致伸缩，所以能够发送噪声少的特定的频率的高频信号。

Claims (16)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于：
包括第一铁磁性层、第二铁磁性层、位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层，
所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层中的至少一者包括具有结晶区域和非晶区域的霍伊斯勒合金层。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述霍伊斯勒合金层的所述结晶区域和所述非晶区域混在一起。
3.根据权利要求1或2所述的磁阻效应元件，其特征在于：
在所述霍伊斯勒合金层中的与所述非磁性层相接的第一界面，所述结晶区域的比例比所述非晶区域的比例多。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述霍伊斯勒合金层中的与所述非磁性层相接的第一界面由所述结晶区域构成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述第一铁磁性层为磁化固定层，所述第二铁磁性层为磁化自由层，
所述第二铁磁性层具有所述霍伊斯勒合金层。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述第一铁磁性层为磁化固定层，所述第二铁磁性层为磁化自由层，
所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层均具有所述霍伊斯勒合金层，
与所述第二铁磁性层中的所述霍伊斯勒合金层相比，所述第一铁磁性层中的所述霍伊斯勒合金层的所述结晶区域的比例多。
7.根据权利要求5或6所述的磁阻效应元件，其特征在于：
还包括基板，
所述第一铁磁性层位于比所述第二铁磁性层靠近所述基板的位置。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述结晶区域由多个晶粒构成，
所述多个晶粒中的至少一个晶粒的晶轴的方向与其它晶粒的晶轴的方向不同。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述霍伊斯勒合金层中的与所述非磁性层相接的第一界面的所述结晶区域的比例，比与所述第一界面相反一侧的第二界面的所述结晶区域的比例多。
10.根据权利要求9所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述结晶区域的比例随着从所述第一界面去往所述第二界面而减少。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
构成所述霍伊斯勒合金层的霍伊斯勒合金由Co2YαZβ表示，
所述Y为选自由Fe、Mn、Cr构成的组中的1种以上的元素，
所述Z为选自由Si、Al、Ga、Ge构成的组中的1种以上的元素，
满足α+β＞2。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
还包括第三铁磁性层，
所述第三铁磁性层与所述霍伊斯勒合金层的与所述非磁性层相对的面的相反侧的面相接，
所述第三铁磁性层包含Co－Fe－B－A合金，
所述第三铁磁性层中所含的A元素为选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任一种以上的元素。
13.根据权利要求12所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述第三铁磁性层的至少一部分被晶化，
所述第三铁磁性层的结晶区域的至少一部分与所述霍伊斯勒合金层的结晶区域晶格匹配。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于：
还包括第四铁磁性层，
所述第四铁磁性层位于所述霍伊斯勒合金层与所述非磁性层之间，
所述第四铁磁性层包含Co－Fe－B－A合金，
所述第四铁磁性层中所含的A元素为选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任一种以上的元素。
15.根据权利要求14所述的磁阻效应元件，其特征在于：
所述第四铁磁性层的膜厚为构成所述第四铁磁性层的材料的自旋扩散长度以下。
16.根据权利要求12或13所述的磁阻效应元件，其特征在于：
还包括第二非磁性层，
所述第二非磁性层与所述第三铁磁性层的与所述非磁性层相对的面的相反侧的面相接，
所述第二非磁性层包含B和选自由Ti、V、Cr、Cu、Zn、Zr、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au构成的组中的任意元素。
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