JP2013247259A - 磁気抵抗効果素子、磁界検出器および物理量検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易であり、かつ大きな磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】基板２０の上方に形成されるＣｏＦｅＢ膜２と、ＣｏＦｅＢ膜２上に形成されるＭｇＯ膜３と、ＭｇＯ膜３の上方に形成される、自由層であるホイスラー合金４と、ホイスラー合金４上に形成される非磁性層５と、固着層４１と、を備える。ホイスラー合金は、３種類以上の元素で示されるＡ_２ＢＣまたはＡ_２Ｂ（Ｃ_ＸＤ_１−Ｘ）（０≦Ｘ≦１）から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関し、特に、巨大磁気抵抗効果またはトンネル磁気抵抗効果を利用する磁気抵抗効果素子、磁界検出器および物理量検出器に関する。

近年、強磁性体を用いた素子として、ＧＭＲ（Giant Magneto-resistance）素子およびＴＭＲ（Tunneling Magneto-resistance）素子のメモリおよび磁気ヘッドなどへの応用が進められている。ＧＭＲ素子は、大きな抵抗変化率が得られる巨大磁気抵抗効果を発現する素子である。ＴＭＲ素子は、トンネル磁気抵抗効果を発現する素子である。

ＧＭＲ素子は、強磁性層、金属層および強磁性層からなる３層構造が用いられる。ＴＭＲ素子は、強磁性層、絶縁層および強磁性層からなる３層構造が用いられる。これらのＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子においては、外部磁界やスピンが偏極した電子が注入されることによって、２つの強磁性層のスピンが互いに平行あるいは反平行に設定される。これにより、ＧＭＲ素子では、強磁性と金属層との界面での電子の散乱確率に依存して膜面方向若しくは膜面垂直方向の抵抗が変化することが利用される。

ＴＭＲ素子では、膜面垂直方向の電子のトンネル確率に依存して、絶縁層を流れるトンネル電流の大きさが変化することが利用されている。これらのＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子の抵抗変化により、２層の強磁性層の相対的な磁化方向を検出することが可能である。

これらのＧＭＲ素子やＴＭＲ素子においては、スピンバルブ型構造が用いられる。スピンバルブ型構造とは、固着層と、自由層とを有する構造である。固着層は、一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、その強磁性層の磁化方向が固定された層である。自由層は、他方の強磁性層の磁化方向を、外部磁界やスピン偏極電子で容易に反転することのできる層である。

スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子は、高感度な磁界検出器として用いることが可能である。スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子に外部から磁界が印加されると、固着層の磁化方向は理想的には完全に固定されているために、自由層の磁化方向のみが外部印加磁界に応じて回転する。これにより、磁気抵抗効果素子において２つの強磁性層の磁化方向の相対角が変化し、磁気抵抗効果により素子抵抗が変化する。この抵抗値の変化を、たとえば、磁気抵抗効果素子に定電流を流した状態で電圧の変化として検出する。この電圧変化が印加された磁界に応じて変化する信号として読出され、高感度の磁界検出が可能となる。

また、スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子において、自由層の磁化のヒステリシスを利用することにより、その磁化方向を用いて情報を記憶することが可能となる。この場合は、書き込み用の配線を流れる電流によって発生する磁界、または、膜面垂直方向の電流によって自由層の磁化の方向（向き）を平行若しくは反平行とする。これにより、磁気抵抗効果素子に“０”若しくは“１”の情報の書き込みを行う。また、磁気抵抗効果素子において、磁界検出と同様に磁気抵抗効果素子の抵抗変化を検出することで“０”若しくは“１”の情報を読み出す。

これらの磁気抵抗効果素子の工業応用においては、自由層の磁化方向を正確に検出するために、磁気抵抗効果素子から大きな出力信号を得る必要がある。このためには、より大きな抵抗変化率が必要となる。

たとえば、特許文献１には、１００％を越える大きな抵抗変化率を得る技術（以下、従来技術Ａともいう）が開示されている。従来技術Ａでは、ＴＭＲ素子のトンネル絶縁膜として、従来用いられてきた非晶質であるＡｌ_２Ｏ_３膜に換えて結晶質であるＭｇＯ膜を適用する。また、従来技術Ａでは、強磁性膜としてＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜を適用する。

なお、これらの磁気抵抗効果素子を形成する膜は、一般的に、酸化膜を有するＳｉ基板やガラス基板上に、素子の配線や下部電極を形成した後に、スパッタリング法により形成される。

ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子において大きな抵抗変化率を得るためには、強磁性膜として、フェルミ準位近傍での電子のスピン分極率が１００％であるハーフメタルを用いることが有効であると予測されている。ハーフメタルにおける課題は、キュリー温度が低く、室温での動作が困難な点である。なお、３種類の元素でＸ_２ＹＺからなるＬ２_１規則化構造を有するホイスラー合金は、室温より高いキュリー温度を有することが知られている。

Ｌ２_１規則化構造は、体心立方格子の体心位置をＹとＺが占める構造である。この結晶構造（Ｌ２_１規則化構造）は、例えばＭｇＯやサファイア等の単結晶基板上に、エピタキシャル成長させ、一般的に４００℃以上の熱処理を用いることで形成が可能である。ＭｇＯ基板上では例えば（００１）面上に上記結晶構造が形成される。

特開２００７−０９５７５０号公報

従来のフルホイスラー合金を適用した磁気抵抗効果素子では、その結晶性を確保するために、下地基板や形成方法に制約があり、大きな抵抗変化率と製造の容易さを両立することは困難であった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、製造が容易であり、かつ大きな磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、基板の上方に形成される第１のＣｏＦｅＢ膜と、前記第１のＣｏＦｅＢ膜上に形成される第１のＭｇＯ膜と、前記第１のＭｇＯ膜の上方に形成される、自由層である第１のホイスラー合金と、前記第１のホイスラー合金上に形成される第１の非磁性層または金属層である特定層と、前記特定層の上方に形成される固着層と、を備え、前記固着層は、磁化方向が固着された強磁性層および反強磁性層を含み、前記第１のホイスラー合金は、３種類以上の元素で示されるＡ_２ＢＣまたはＡ_２Ｂ（Ｃ_ＸＤ_１−Ｘ）（０≦Ｘ≦１）から構成される。

本発明によれば、下地層に、第１のＣｏＦｅＢ膜と、当該第１のＣｏＦｅＢ膜上に形成される第１のＭｇＯ膜とを利用する。非晶質の第１のＣｏＦｅＢ膜上に形成される第１のＭｇＯ膜の結晶は、（００１）面へと配向する。そのため、第１のＭｇＯ膜は、ＭｇＯ単結晶基板と同様な機能を有する。そのため、第１のＣｏＦeＢ膜の下方に設けられる基板は、任意の基板を使用することができる。すなわち、基板を構成する材料の制約をなくすことができる。その結果、磁気抵抗効果素子の製造を容易にすることができる。

また、ホイスラー合金は、Ａ_２ＢＣまたはＡ_２Ｂ（Ｃ_ＸＤ_１−Ｘ）（０≦Ｘ≦１）からなる。すなわち、ホイスラー合金は、Ｌ２_１規則化構造を有する。そのため、ホイスラー合金における電子のスピン分極率が大きいため、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を、Ｌ２_１規則化構造のホイスラー合金を用いない構成よりも、大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子は、製造が容易であり、かつ大きな磁気抵抗効果を有する。

本発明の実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態１の変形例１における磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態１の変形例２に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態４に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態５に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態６に係る磁界検出器の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態６に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 磁界が印加された場合における磁気抵抗効果素子の上面図を示す。 本発明の実施の形態６の変形例に係る磁界検出器の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態６の変形例に係る磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態６の変形例に係る物理量検出器の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。

なお、実施の形態において例示される各構成要素の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるものであり、本発明はそれらの例示に限定されるものではない。また、各図における各構成要素の寸法は、実際の寸法と異なる場合がある。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気抵抗効果素子１００の断面構造を示す概略図である。

図１に示すように、磁気抵抗効果素子１００は、下部電極２２上に形成される。下部電極２２は、Ｔａ（タンタル）で形成される。磁気抵抗効果素子１００は、ＴＭＲ素子である。

なお、磁気抵抗効果素子１００は、下部電極２２を含む構成であってもよい。

下部電極２２は、ＤＣ（直流）マグネトロンスパッタリングによりＳｉＯ_２膜２１上に形成される。下部電極２２の厚さは、一例として、５０ｎｍである。ＳｉＯ_２膜２１は、基板２０上に形成される。すなわち、磁気抵抗効果素子１００は、基板２０の上方に形成される。

基板２０は、Ｓｉで形成されるＳｉ基板である。なお、基板２０は、Ｓｉに限定されず、他の材料で形成されてもよい。他の材料は、例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ガラスなどである。

磁気抵抗効果素子１００は、ＣｏＦｅＢ膜２と、ＭｇＯ膜３と、ホイスラー合金４と、非磁性層５と、固着層４１と、上部電極１１とを備える。

ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３は、下地層として使用される。

ＣｏＦｅＢ膜２は、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより下部電極２２上に形成される。すなわち、ＣｏＦｅＢ膜２は、基板２０の上方に形成される。ＣｏＦｅＢ膜２の形成直後の状態は非晶質である。ＣｏＦｅＢ膜２の膜厚は、例えば、１．５ｎｍである。

ＭｇＯ膜３は、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタリングによりＣｏＦｅＢ膜２上に形成される。ＭｇＯ膜３の膜厚は、例えば、０．７ｎｍである。ＭｇＯ膜３が非晶質のＣｏＦeＢ膜２上に形成された場合、ＭｇＯ膜３の結晶は、（００１）面へと配向する。そのため、第１のＭｇＯ膜は、ＭｇＯ単結晶基板と同様な機能を有する。これにより、ＭｇＯ単結晶基板を用いた場合と同様に、ＭｇＯ膜３は、Ｌ２_１規則化構造を形成するためのテンプレートとして作用する効果を得ることが可能である。

なお、ＭｇＯ膜３の形成方法は上記方法に限定されず、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより、Ｍｇ膜を形成した後に、当該Ｍｇ膜を酸化雰囲気に曝すことにより、ＭｇＯ膜３を形成してもよい。

なお、磁気抵抗効果素子１００（例えば、ＣｏＦｅＢ膜２）の形成前に、下地層であるＳｉＯ_２膜２１と、下部電極２２との両方または一方を、ＣＭＰ（化学的機械研磨）、プラズマ処理、薬液処理等により平坦化しておく。これにより、より平坦な下地層が得られる。

ホイスラー合金４は、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより、ＭｇＯ膜３上に形成される。すなわち、ホイスラー合金４は、ＭｇＯ膜３の上方に形成される。なお、ホイスラー合金４の形成の際、基板２０は２００℃に加熱される。ホイスラー合金４の膜厚は、例えば、１０ｎｍである。

ホイスラー合金４は、磁界等により磁化方向を変更可能な自由層である。ホイスラー合金４は、例えば、Ｃｏ_２Ｆe（Ａｌ_０．５Ｓｉ_０．５）膜で構成される。なお、ホイスラー合金４を構成する材料は、Ｃｏ_２Ｆe（Ａｌ_０．５Ｓｉ_０．５）に限定されない。ホイスラー合金４は、Ｌ２_１規則化構造を有する、３種類以上の元素で示されるＡ_２ＢＣまたはＡ_２Ｂ（Ｃ_ＸＤ_１−Ｘ）（０≦Ｘ≦１）から構成される合金であればよい。

ホイスラー合金４は、固着層４１より基板２０側に形成される。そのため、ホイスラー合金４は、反強磁性膜等の下地膜に起因する膜の粗さの影響が小さいという特徴を有する。このため、ホイスラー合金４は、より規則化した結晶構造が得られる。

非磁性層５は、トンネル絶縁膜である。非磁性層５は、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、ホイスラー合金４上に形成される。非磁性層５は、ホイスラー合金４上に形成される特定層である。

非磁性層５は、ＭｇＯ膜である。また、非磁性層５の厚さは、例えば、１．１ｎｍである。なお、非磁性層５の形成方法は、上記に限定されず、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより、Ｍｇ膜を形成した後に、当該Ｍｇ膜を酸化雰囲気に曝すことでＭｇＯ膜を形成してもよい。

固着層４１は、特定層である非磁性層５の上方に形成される。固着層４１は、非磁性層５上に形成される。固着層４１は、ホイスラー合金６と、強磁性層７と、非磁性層８と、強磁性層９と、反強磁性層１０とを含む。固着層４１は、ホイスラー合金６、強磁性層７、非磁性層８、強磁性層９および反強磁性層１０が、この順で積層されることにより、形成される。

ホイスラー合金６は、ホイスラー合金４と同様、Ｌ２_１規則化構造を有するＣｏ_２Ｆe（Ａｌ_０．５Ｓｉ_０．５）膜で構成される。ホイスラー合金６は、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより、非磁性層５上に形成される。

なお、ホイスラー合金６の形成の際、基板２０は２００℃に加熱される。ホイスラー合金４の膜厚は、例えば、３．０ｎｍである。

ホイスラー合金６は、ホイスラー合金４と同様にＭｇＯ膜上に形成される。そのため、後述する熱処理によりＬ２_１規則化構造が得られる。

ホイスラー合金６を形成した後、４００℃での熱処理が実施される。これにより、ホイスラー合金４およびホイスラー合金６の結晶がＬ２_１構造へと規則化する。

次に、強磁性層７、非磁性層８、強磁性層９、反強磁性層１０、上部電極１１を連続的にＤＣマグネトロンスパッタリングにより、形成する。以上により、磁気抵抗効果素子１００が形成される。

強磁性層７は、例えば、ＣｏＦｅ膜である。強磁性層７は、当該強磁性層７における磁化方向が固着された層である。強磁性層７の厚さは、例えば、１．５ｎｍである。非磁性層８は、例えば、Ｒｕ膜である。非磁性層８の厚さは、例えば、０．８ｎｍである。

強磁性層９は、ＣｏＦｅ膜である。強磁性層９の厚さは、例えば、３．５ｎｍである。反強磁性層１０は、当該反強磁性層１０における磁化方向が固着された層である。反強磁性層１０は、ＩｒＭｎ膜である。反強磁性層１０の厚さは、例えば、２０ｎｍである。

上部電極１１の厚さは、例えば、３０ｎｍである。上部電極１１は、Ｔａ（タンタル）で形成される。

磁気抵抗効果素子１００では、自由層であるホイスラー合金４は、外部磁界やスピン偏極電子で、容易にその磁化方向を変化させる。これに対して、固着層４１において、反強磁性層１０が、強磁性層９の磁化方向を固着する。

強磁性層９は、非磁性層８を介して、強磁性層７と反強磁性結合することにより、強磁性層９および強磁性層７の各々の磁化方向が反平行になって結合している。ホイスラー合金６は強磁性層７と接している。そのため、ホイスラー合金６および強磁性層７は、強磁性的に、当該ホイスラー合金６および強磁性層７の各々の磁化方向が同一方向になって結合する。

ここでは、ホイスラー合金６の磁化と強磁性層７の磁化との和と、強磁性層９の磁化とが概ね一致するように設定されている。その結果、固着層４１は、２層の強磁性層の磁化を打消すように構成される。これにより、固着層４１は、自由層（ホイスラー合金４）への漏洩磁界の影響を抑制し、且つ、外部磁界から受けるトルクの影響を抑制している。

なお、下部電極２２を除く、一連の磁気抵抗効果素子１００の各積層膜の形成については、全て大気に曝されることなく連続的に実施されることが好ましい。これは、各積層膜の結晶構造を制御し各界面の清浄度を得るために、膜表面の酸化や水分子等の大気に存在する分子が吸着することを抑制するためである。

なお、積層膜が大気に曝される場合は、成膜前に例えばＡｒプラズマ処理により、表面の酸化膜の除去や吸着分子の除去等の清浄化のための処理を実施する必要がある。

また、上記の磁気抵抗効果素子１００の製造の際、膜の形成後に磁界中での熱処理が実施される。具体的には、固着層４１の磁化を飽和する１０ｋＯｅの磁界中で、３００℃の熱処理が１時間保持される。これにより、固着層４１に磁気異方性が付与される。

なお、前述したように、ホイスラー合金６の形成後に、４００℃の熱処理を実施している。しかしながら、上記の３００℃の熱処理を実施するため、上記の４００℃の熱処理を省略してもよい。

その後に、リソグラフィー工程および反応性イオンエッチングによるパターニングが実施され、磁気抵抗効果素子１００を分離し、磁気抵抗効果素子１００の形状が決定される。

更に、下部電極２２をパターニングすることにより、磁気抵抗効果素子１００の下部に形成される下部電極２２への配線の接続を可能とする。なお、上記の反応性イオンエッチングの代わりにＡｒイオンミリングが行われてもよい。

なお、磁気抵抗効果素子１００の各構成要素を構成する材料は、上記材料に限定されない。例えば、ホイスラー合金４，６を構成する材料は、Ｃｏ_２Ｆe（Ａｌ_０．５Ｓｉ_０．５）に限定されない。ホイスラー合金４，６は、Ｌ２_１規則化構造を有する、３種類以上の元素で示されるＡ_２ＢＣまたはＡ_２Ｂ（Ｃ_ＸＤ_１−Ｘ）（０≦Ｘ≦１）から構成される合金であればよい。また、ホイスラー合金４，６の各々の厚さも、適宜調整されてもよい。

また、非磁性層８は、Ｒｕ膜に限定されない。非磁性層８は、例えば、Ｒｔ、Ｒｂ等の主に白金族からなる遷移金属の非磁性膜であってもよい。この構成においても、同様な効果を得ることが可能である。前述したように、非磁性層８の厚さは、０．８ｎｍである。なお、非磁性層８の厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。なお、Ｒｕ膜は不可避不純物を含んでいる。

また、強磁性層７は、ＣｏＦｅ膜に限定されず、Ｆｅ、Ｃｏ等のＣｏ、ＮｉおよびＦｅの少なくともいずれかを主成分とする強磁性層であればよい。また、強磁性層７は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅを積層した強磁性層であっても同様な効果を得ることが可能である。前述したように、強磁性層７の厚さは、１．５ｎｍである。なお、強磁性層７の厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、Ｃｏ−Ｆｅ合金膜は不可避不純物を含んでいる。

また、反強磁性層１０は、ＩｒＭｎ膜に限定されず、例えば、ＰｔＭｎ膜、ＦｅＭｎ膜、ＮｉＭｎ膜等であってもよい。この構成においても、同様な効果を得ることが可能である。また、前述したように、反強磁性層１０の厚さは、２０ｎｍである。なお、反強磁性層１０の厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、Ｉｒ−Ｍｎ合金膜は不可避不純物を含んでいる。

また、下部電極２２および上部電極１１は、Ｔａ膜に限定されない。下部電極２２および上部電極１１の各々は、例えば、Ｒｕ膜等の他の金属であってもよい。

なお、各膜の膜形成方法は、上記の方法に限定されず、ＣＶＤ（化学気相堆積）法など他の方法であってもよい。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。

本実施の形態の磁気抵抗効果素子１００に適用したホイスラー合金では、電子のスピン分極率が大きい。これにより、大きな抵抗変化率が得られる。したがって、磁界検出器においては大きな出力信号が得られ、高感度化が可能となる。

また、磁気抵抗効果素子１００をメモリに用いた場合、読出し信号が大きくなる。これにより、信頼性の向上や高速化が可能である。したがって、磁気抵抗効果素子１００において、スピン偏極電子で情報を書き込む場合は低消費電力化が可能となる。

なお、従来のＬ２_１規則化構造からなるホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子は、例えば、ＭｇＯ、サファイア等の主に単結晶基板上に形成されてきた。

一方、本実施の形態では、下地層に、非晶質のＣｏＦｅＢ膜２と、ＣｏＦｅＢ膜２上に形成されるＭｇＯ膜３とを利用する。非晶質で形成されたＣｏＦｅＢ膜２上に形成されたＭｇＯ膜３の結晶は、（００１）面へと配向する。すなわち、ＭｇＯ膜３の結晶は、（００１）方位に良質な結晶を形成する。

そのため、ＭｇＯ膜３は、ＭｇＯ単結晶基板と同様な機能を有する。すなわち、ＭｇＯ膜３は、ＭｇＯ単結晶基板と同様な効果を得る。そのため、ＣｏＦeＢ膜２の下方に設けられる基板２０は、任意の基板を使用することができる。すなわち、基板を構成する材料の制約をなくすことができる。その結果、磁気抵抗効果素子１００の製造を容易にすることができる。

また、以上により、良好な結晶性を有するＬ２_１規則化構造を有するホイスラー合金を、基板や下地を選ぶこと無く、容易に形成することが可能である。したがって、信号処理回路などの半導体集積回路と同一の基板上に、大きな抵抗変化率を有する磁気抵抗効果素子を形成することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、Ｌ２_１規則化構造のホイスラー合金の形成を容易にすることで、従来に対して大きな抵抗変化率が得られる。

また、磁気抵抗効果素子１００は、自由層と固着層の両方にＬ２_１規則化構造のホイスラー合金を備える。これにより、より大きな抵抗変化が得られる。

ＭｇＯ膜３は、ＭｇＯ単結晶基板と同様な機能を有することにより、下部電極２２は、抵抗が低く、かつ、厚い下部電極を適用することが可能となる。これにより、磁気抵抗効果素子と、基板側の電極との接続も容易になる。

したがって、図２に示すように、磁気抵抗効果素子のパターニング工程における、下部電極２２の過度のエッチングに対しても、裕度を確保することが可能である。

すなわち、本実施の形態の構成によれば、磁気抵抗効果素子のパターニング工程におけるエッチングの停止が容易となる。その結果、磁気抵抗効果素子の基板側の電極への電気的な接続が容易となる。

なお、ＭｇＯ膜３は、磁気抵抗効果素子１００に直列接続された抵抗とみなされる。しかしながら、トンネル絶縁膜である非磁性層５よりも、ＭｇＯ膜３の厚さを２〜３Å程度薄くする。これにより、ＭｇＯ膜３は、値が１桁小さい抵抗となる。すなわち、本実施の形態では、ＭｇＯ膜３を非磁性層５よりも薄くする。ＭｇＯ膜３は、非磁性層５（ＭｇＯ膜）よりも薄いという構成により、ＭｇＯ膜３の抵抗の影響を小さく（抑制）することが可能である。

更に、前述のように、磁気抵抗効果素子１００を形成するための基板の制約が小さいため、例えば、信号処理回路の直上に磁気抵抗効果素子を設置することが可能となる。これにより、大きな出力信号が得られる高集積な素子を使用することが可能となる。

また、本実施の構成によれば、従来の磁気抵抗効果素子に用いていたスパッタリングにより、磁気抵抗効果素子１００を形成することが可能である。そのため、特殊な工程を追加することもなく、磁気抵抗効果素子１００の製造も容易に行うことができる。

＜実施の形態１の変形例１＞
図３は、本発明の実施の形態１の変形例１における磁気抵抗効果素子１００Ａの断面構造を示す概略図である。

図３に示すように、磁気抵抗効果素子１００Ａは、図１の磁気抵抗効果素子１００と比較して、金属層１２をさらに備える点が異なる。磁気抵抗効果素子１００Ａのそれ以外の構成は、磁気抵抗効果素子１００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

金属層１２は、Ｃｒ膜である。金属層１２は、ホイスラー合金４と、ＭｇＯ膜３との間に設けられる。金属層１２は、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより形成される。金属層１２の膜厚は、例えば、１０ｎｍである。なお、金属層１２は、Ｃｒ膜の代わりに、Ｔａ膜またはＲｕ膜であってもよい。

＜実施の形態１の変形例２＞
図４は、本発明の実施の形態１の変形例２に係る磁気抵抗効果素子１００Ｂの断面構造を示す概略図である。

図４に示すように、磁気抵抗効果素子１００Ｂは、図１の磁気抵抗効果素子１００と比較して、固着層４１の代わりに固着層４１ａを備える点が異なる。磁気抵抗効果素子１００Ｂのそれ以外の構成は、磁気抵抗効果素子１００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

固着層４１ａは、図１の固着層４１と比較して、ホイスラー合金６を含まない点が異なる。固着層４１ａのそれ以外の構成は、固着層４１と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

固着層４１ａが、ホイスラー合金６を含まない構成とした場合においても、実施の形態１の変形例２に係る磁気抵抗効果素子１００Ｂは、従来の磁気抵抗効果素子よりも大きな抵抗変化率が得られる。なお、図４の固着層４１ａの構成においては、強磁性層７の厚さは、強磁性層９の厚さと同じとされる。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２に係る磁気抵抗効果素子１００Ｃの断面構造を示す概略図である。

図５に示すように、磁気抵抗効果素子１００Ｃは、図１の磁気抵抗効果素子１００と比較して、ＣｏＦｅＢ膜１２ａおよび非磁性層１２ｂをさらに備える点が異なる。磁気抵抗効果素子１００Ｃのそれ以外の構成は、磁気抵抗効果素子１００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

ＣｏＦｅＢ膜１２ａおよび非磁性層１２ｂは、ＣｏＦｅＢ膜２と下部電極２２との間に形成される。非磁性層１２ｂおよびＣｏＦｅＢ膜１２ａは、ＣｏＦｅＢ膜２の下部に形成される。また、ＣｏＦｅＢ膜１２ａは、下部電極２２上に形成される。非磁性層１２ｂは、ＣｏＦｅＢ膜１２ａ上に形成される。

非磁性層１２ｂは、Ｒｕ膜である。

ここで、実施の形態１におけるＣｏＦｅＢ膜２は、強磁性層（強磁性膜）である。そのため、ＣｏＦｅＢ膜２は、厳密には磁化を有している。本実施の形態では、この磁化を打消すために、ＣｏＦｅＢ膜２の磁化方向とＣｏＦｅＢ膜１２ａの磁化方向とが、反平行になるように、ＣｏＦｅＢ膜２を、非磁性層１２ｂを介して、ＣｏＦｅＢ膜１２ａと結合させている。

すなわち、ＣｏＦｅＢ膜２の磁化の方向と、ＣｏＦｅＢ膜１２ａの磁化の方向とは、反平行である。また、ＣｏＦｅＢ膜２は、非磁性層１２ｂを介して、ＣｏＦｅＢ膜１２ａと結合される。

言い換えれば、ＣｏＦｅＢ膜２を、非磁性層１２ｂを介して、ＣｏＦｅＢ膜１２ａと、反強磁性的に逆向きになるよう結合させている。これによって、ＣｏＦｅＢ膜２とＣｏＦｅＢ膜１２ａとにおける見掛け上の磁化を０としている。これにより、ＣｏＦｅＢ膜２の磁気的な影響を抑制し、磁気特性を改善することができる。

なお、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、実施の形態１の変形例１と同様に、ホイスラー合金４とＭｇＯ膜３との間に金属層１２（Ｃｒ膜）を設ける構成であってもよい。この場合、実施の形態１と同等な出力信号を得ながら、ＣｏＦｅＢ膜２の磁化の影響を抑制することができる。その結果、磁気抵抗効果素子１００Ｃの磁気特性を改善することが可能である。

＜実施の形態３＞
図６は、本発明の実施の形態３に係る磁気抵抗効果素子１００Ｄの断面構造を示す概略図である。

図６に示すように、磁気抵抗効果素子１００Ｄは、図１の磁気抵抗効果素子１００と比較して、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３の大きさが異なる。磁気抵抗効果素子１００Ｄのそれ以外の構成は、磁気抵抗効果素子１００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

具体的には、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３の各々の水平方向の大きさが、下部電極２２の水平方向の大きさほぼ等しい。すなわち、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３の水平方向の面積は、下部電極２２の水平方向の面積とほぼ等しい。

本実施の形態においては、ＣｏＦｅＢ膜２の水平方向の面積は、ホイスラー合金４の水平方向の面積より大きい。具体的には、ＣｏＦｅＢ膜２の幅は、自由層であるホイスラー合金４の幅より、十分に大きい。すなわち、ＣｏＦｅＢ膜２の端部と、ホイスラー合金４の端部とは、ホイスラー合金４がＣｏＦｅＢ膜２からの漏れ磁界の影響を受けない程度に、十分に離れるよう構成される。

これにより、ホイスラー合金４が、強磁性膜であるＣｏＦｅＢ膜２の端部からの漏れ磁界の影響を受けることを抑制することが可能である。すなわち、実施の形態２と同様な効果を得ることが可能である。

すなわち、本実施の形態においても、実施の形態１と同等な出力信号を得ながら、ＣｏＦｅＢ膜２の磁化の影響を抑制することができる。その結果、磁気抵抗効果素子１００Ｄの磁気特性を改善することが可能である。

なお、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３の形成は以下のようにして行われる。磁気抵抗効果素子１００Ｄのパターニングにおいて、反応性イオンエッチングの際に、ＭｇＯ膜３でエッチングを停止する。次に、下部電極２２のパターニングにおいてＭｇＯ膜３およびＣｏＦｅＢ膜２の分離も実施する。これにより、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３が形成される。

なお、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、実施の形態１の変形例１と同様に、ホイスラー合金４とＭｇＯ膜３との間に金属層１２（Ｃｒ膜）を設ける構成であってもよい。

＜実施の形態４＞
図７は、本発明の実施の形態４に係る磁気抵抗効果素子１００Ｅの断面構造を示す概略図である。磁気抵抗効果素子１００Ｅは、ＧＭＲ効果を用いるＧＭＲ素子である。

図７に示すように、磁気抵抗効果素子１００Ｅは、図６の磁気抵抗効果素子１００Ｄと比較して、非磁性層５の代わりに金属層１３を備える点と、金属層１４をさらに備える点とが異なる。磁気抵抗効果素子１００Ａのそれ以外の構成は、磁気抵抗効果素子１００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

金属層１３は、Ｃｕ膜である。金属層１３の厚さは、例えば、２．０ｎｍである。

金属層１４は、Ｃｒ膜である。金属層１４は、ＭｇＯ膜３上に形成される。

また、本実施の形態では、金属層１４、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３の各々の水平方向の大きさが、下部電極２２の水平方向の大きさほぼ等しい。すなわち、金属層１４の水平方向の面積は、金属層１３の水平方向の面積より大きい。

本実施の形態の構造においては、ＧＭＲ効果を用いている。一般的に、ＧＭＲ素子はＴＭＲ素子に対して低抵抗である。そのため、ＭｇＯ膜３による抵抗が問題となる。

そこで、本実施の形態では、ＭｇＯ膜３の面積が、金属層１３の面積よりも十分に大きい構成とする。そのため、ＭｇＯ膜３による抵抗の影響を抑制することが可能である。また、ＣｏＦｅＢ膜２の磁化の影響を抑制することができる。その結果、磁気抵抗効果素子１００Ｅの磁気特性を改善することが可能である。

なお、金属層１４、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３の形成は以下のようにして行われる。磁気抵抗効果素子１００Ｅのパターニングにおいて、反応性イオンエッチングの際に、金属層１４でエッチングを停止する。次に、下部電極２２のパターニングにおいて、金属層１４、ＭｇＯ膜３およびＣｏＦｅＢ膜２の分離も実施する。

以上の構成により、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１００Ｅは、従来のＧＭＲ素子よりも大きな出力信号を得ることが可能である。

＜実施の形態５＞
図８は、本発明の実施の形態５に係る磁気抵抗効果素子１００Ｆの断面構造を示す概略図である。

図８に示すように、磁気抵抗効果素子１００Ｆは、図１の磁気抵抗効果素子１００と比較して、側壁２３をさらに備える点が異なる。磁気抵抗効果素子１００Ｆのそれ以外の構成は、磁気抵抗効果素子１００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

側壁２３は、Ｔａを主成分とする導電性の部材である。側壁２３は、ＣｏＦｅＢ膜２およびＭｇＯ膜３の外周を取り囲むように形成される。側壁２３は、ホイスラー合金４と下部電極２２とを短絡するように設けられる。

側壁２３の形成は、以下のようにして行われる。磁気抵抗効果素子１００Ｆのパターニングにおいてイオンミリングを行う。そして、下部電極２２の途中までミリングする際における再付着膜により側壁２３が形成される。なお、下部電極２２のミリング時に、イオンの入射角を９０°とする。

その他の形成法として、磁気抵抗効果素子をエッチング後に、導電性の膜を全面に成膜し、全面をエッチバックすることにより、側壁２３を形成することが可能である。

本実施の形態では、ＭｇＯ膜３の上下の層が側壁２３によって短絡されている。そのため、ＭｇＯ膜３による抵抗の影響を抑制することが可能である。

＜実施の形態６＞
次に、本発明の実施の形態６に係る磁界検出器１０００の構成について説明する。

図９は、本発明の実施の形態６に係る磁界検出器１０００の構成を示す概略図である。

図９に示すように、磁界検出器１０００は、磁気抵抗効果素子２００と、直流電源３１と、電圧計３２とを備える。

磁気抵抗効果素子２００は、前述の磁気抵抗効果素子１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｆ等である。

磁気抵抗効果素子２００の上部電極１１は、配線３３により、直流電源３１および電圧計３２に電気的に接続される。磁気抵抗効果素子２００の下部電極２２は、配線３４により、直流電源３１および電圧計３２の接地ノードと電気的に接続される。

直流電源３１は、磁気抵抗効果素子２００に所定の定電流を供給する。電圧計３２は、磁気抵抗効果素子２００の下部電極２２と上部電極１１との間の電圧を検出する。

なお、図９においては、外部からの磁界Ｈｅｘを磁気抵抗効果素子２００に印加する機構は、図示されていないが、たとえば配線３３，３４に電流を流すことにより磁界Ｈｅｘを磁気抵抗効果素子２００に印加するように構成されていてもよい。

磁界検出時に、直流電源３１から、配線３３，３４を利用して、磁気抵抗効果素子２００に一定電流Ｉが供給される。磁気抵抗効果素子２００に対して外部から磁界Ｈｅｘが印加されると、外部からの磁界Ｈｅｘの印加方向に応じて磁気抵抗効果素子２００の抵抗値が変化する。

この外部からの磁界Ｈｅｘの印加方向に応じた磁気抵抗効果素子２００の抵抗値の変化により、直流電源３１から供給される一定電流Ｉに対して、磁気抵抗効果素子２００の下部電極２２と上部電極１１との間の電圧が変化する。この電圧変化が電圧計３２で検出されることにより、外部からの磁界Ｈｅｘが検出される。

なお、磁気抵抗効果素子２００の抵抗変化を検出することで外部磁界Ｈｅｘを検出している。そのため、図９では図示しないが、一定電圧を磁気抵抗効果素子２００に印加し、その際の電流値を電流計で検出しても、外部磁界Ｈｅｘを検出可能である。

ここで、磁気抵抗効果素子２００は、磁気抵抗効果素子１００であるとする。この場合、図１０のように、自由層であるホイスラー合金４の無磁界における磁化方向は、固着層４１のホイスラー合金６の磁化方向と、磁気抵抗効果素子２００内において直交している。

この磁化方向の制御は、ここでは自由層の形状を、長尺状とすることにより実施している。なお、外部から紙面の垂直方向にバイアス磁界を印加しても、同様な効果を得ることができる。

図１１は、磁界が印加された場合における磁気抵抗効果素子の上面図を示す。図１１に示すように、外部磁界によりホイスラー合金４の磁化が回転し、固着層４１内のホイスラー合金６の磁化との相対角が変化する。これにより、磁界に依存して磁気抵抗効果素子２００に流れる電流が変化する。

前述したように、磁気抵抗効果素子２００は大きな抵抗変化率を有する。そのため、微小な磁界に対しても大きな出力信号を得ることが可能である。すなわち、磁界検出器１０００は、磁気抵抗効果素子２００を用いて、高感度な磁界検出が可能である。また、実施の形態１で説明したように、磁気抵抗効果素子１００の下部電極２２として、厚い電極膜を使用することが可能である。そのため、下部電極２２は、配線３４による電気的な接続も容易である。

＜実施の形態６の変形例＞
図１２は、本発明の実施の形態６の変形例に係る磁界検出器１０００Ａの構成を示す概略図である。

磁界検出器１０００Ａは、磁界検出器１０００と比較して、磁気抵抗効果素子２００の代わりに磁気抵抗効果素子２００Ａを含む点と、直流電源３１および電圧計３２と、磁気抵抗効果素子２００Ａとの接続方法が異なる。磁界検出器１０００Ａのそれ以外の構成は、磁界検出器１０００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

磁気抵抗効果素子２００Ａは、ＧＭＲ素子である。

磁気抵抗効果素子２００Ａは、図１の磁気抵抗効果素子１００と比較して、非磁性層５の代わりに金属層１３を備える点が異なる。磁気抵抗効果素子２００Ａのそれ以外の構成は、磁気抵抗効果素子１００と同様なので詳細な説明は繰り返さない。

金属層１３は、Ｃｕ膜である。金属層１３の厚さは、例えば、２．０ｎｍである。

磁気抵抗効果素子２００Ａの上部は、配線３３により、直流電源３１および電圧計３２に電気的に接続される。

磁界検出器１０００Ａは、磁気抵抗効果素子２００Ａを用いて磁界を検出する。具体的には、磁界検出器１０００Ａは、磁気抵抗効果素子２００Ａの膜面内方向の電流により、ＧＭＲ効果により磁界を検出する。そのため、磁気抵抗効果素子２００Ａ自体が配線状の形状をしている。

なお、磁気抵抗効果素子２００Ａにおける磁化の配置は図１１と同様である。すなわち、自由層であるホイスラー合金４における磁化方向は、固着層４１のホイスラー合金６の磁化方向と、磁気抵抗効果素子２００Ａ内において直交している。

上記の構成を用いた場合、読出し時の電流は主にＭｇＯ膜３の上面を流れるため、スピンが偏極した電子は、金属層１３の上下の界面で効率的に散乱される。その結果、膜面内方向に電流を流した磁気抵抗効果素子２００Ａにおいても、大きな抵抗変化率が得られる。したがって、ＭｇＯ膜３による抵抗を積極的に利用することが可能であり、厚い膜を用いても問題ない。

実施の形態６の変形例の構成では、磁気抵抗効果素子２００Ａの下部に電極を形成する必要がない。そのため、磁気抵抗効果素子２００Ａは、磁気抵抗効果素子のパターニング工程と、配線の接続工程のみで形成が可能である。

なお、磁界検出器１０００および磁界検出器１０００Ａを応用することで、位置検出や回転検出、角度検出、電流検出等の種々の物理量の検出が可能である。

なお、図１４に示すように、磁界検出器１０００または磁界検出器１０００Ａを用いて物理量を検出する物理量検出器２０００を構成してもよい。

また、磁界やスピン偏極した電子の注入により、自由層の磁化を制御することによって、メモリへの適用も可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態、各実施の形態の変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態、各実施の形態の変形例を適宜、変形、省略することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、製造が容易であり、かつ大きな磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子として、利用することができる。

２，１２ａ ＣｏＦｅＢ膜、３ ＭｇＯ膜、４，６ ホイスラー合金、７，９ 強磁性層、５，８，１２ｂ 非磁性層、１０ 反強磁性層、１１ 上部電極、１２，１３，１４ 金属層、２１ ＳｉＯ_２膜、２２ 下部電極、２３ 側壁、４１，４１ａ 固着層、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，２００，２００Ａ 磁気抵抗効果素子、１０００，１０００Ａ 磁界検出器、２０００ 物理量検出器。

Claims (8)

1. 基板の上方に形成される第１のＣｏＦｅＢ膜と、
   前記第１のＣｏＦｅＢ膜上に形成される第１のＭｇＯ膜と、
   前記第１のＭｇＯ膜の上方に形成される、自由層である第１のホイスラー合金と、
   前記第１のホイスラー合金上に形成される第１の非磁性層または金属層である特定層と、
   前記特定層の上方に形成される固着層と、を備え、
   前記固着層は、
   磁化方向が固着された強磁性層および反強磁性層を含み、
   前記第１のホイスラー合金は、３種類以上の元素で示されるＡ_２ＢＣまたはＡ_２Ｂ（Ｃ_ＸＤ_１−Ｘ）（０≦Ｘ≦１）から構成される
   磁気抵抗効果素子。
2. 前記特定層は、前記第１の非磁性層であり、
   前記第１の非磁性層は、第２のＭｇＯ膜であり、
   前記固着層は、さらに、３種類以上の元素で示されるＡ_２ＢＣまたはＡ_２Ｂ（Ｃ_ＸＤ_１−Ｘ）（０≦Ｘ≦１）から構成される第２のホイスラー合金を含む
   請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１のＭｇＯ膜は、前記第２のＭｇＯ膜よりも薄い
   請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記磁気抵抗効果素子は、さらに、
   前記第１のＣｏＦｅＢ膜の下部に形成された第２の非磁性層および第２のＣｏＦｅＢ膜を備え、
   前記第１のＣｏＦｅＢ膜の磁化の方向と、前記第２のＣｏＦｅＢ膜の磁化の方向とは、反平行であり、
   前記第１のＣｏＦｅＢ膜は、前記第２の非磁性層を介して、前記第２のＣｏＦｅＢ膜と結合される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第１のＣｏＦｅＢ膜の面積は、前記第１のホイスラー合金の面積より大きい
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記特定層は、前記金属層であり、
   前記磁気抵抗効果素子は、さらに、
   前記ＭｇＯ膜上に形成された金属層を備え、
   前記ＭｇＯ膜上に形成された前記金属層の面積は、前記特定層の面積より大きい
   請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の前記磁気抵抗効果素子を用いて磁界を検出する
   磁界検出器。
8. 請求項７に記載の前記磁界検出器を用いて物理量を検出する
   物理量検出器。

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