JP2017174972A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＰＰ構造のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の場合、反強磁性体層の電気抵抗率がＧＭＲ膜に比べて桁違いに大きいため、磁気抵抗効果が小さくなり、スピンバルブ型のＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を大きくするのが難しいといった課題があった。
【解決手段】第一の強磁性体層と、第二の強磁性体層と、前記第一の強磁性体層と前記第二の強磁性体層との間に挟まれた非磁性金属体層とを有し、前記第一の強磁性体層および前記第二の強磁性体層がＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金を含み、前記第一の強磁性体層および前記第二の強磁性体層のＣｏ_２に対するＭｎの比率ｘのそれぞれが０．７≦ｘ≦１．７であり、前記第一の強磁性体層と前記第二の強磁性体層の組成が異なることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子に関するものである。

近年、強磁性体層／非磁性金属体層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子、及び強磁性体層／絶縁体層／強磁性体層からなるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果素子や強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子が、新しい磁界センサや不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）素子として注目されている。

巨大磁気抵抗効果素子には、面内に電流を流すタイプのＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ Ｐｌａｎｅ）構造の巨大磁気抵抗効果素子と、膜面垂直方向に電流を流すタイプのＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ）構造の巨大磁気抵抗効果素子が知られている。巨大磁気抵抗効果素子の原理は磁性体層と非磁性体層の界面におけるスピン依存散乱にあり、一般的に、ＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の方がＣＩＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子よりも磁気抵抗効果が大きい。

特開２００３−２１８４２８号公報

このような巨大磁気抵抗効果素子は、強磁性体層の一方にＩｒＭｎなどの反強磁性体層を近接させて強磁性体層のスピンを固定させるスピンバルブ型が用いられている。ＣＰＰ構造のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の場合、反強磁性体層の電気抵抗率がＧＭＲ膜に比べて桁違いに大きいため、磁気抵抗効果が小さくなり、スピンバルブ型のＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子の磁気抵抗比を大きくするのが難しいといった課題があった。

本発明の目的は、以上の点を考慮してなされたもので、素子抵抗を低くし、容易に磁気抵抗比を大きくすることが可能となる磁気抵抗効果素子を供給することである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係わる発明は、第一の強磁性体層と、第二の強磁性体層と、前記第一の強磁性体層と前記第二の強磁性体層との間に挟まれた非磁性金属体層とを有し、前記第一の強磁性体層および前記第二の強磁性体層がＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金を含み、前記第一の強磁性体層および前記第二の強磁性体層のＣｏ_２に対するＭｎの比率ｘのそれぞれが０．７≦ｘ≦１．７であり、前記第一の強磁性体層と前記第二の強磁性体層の組成が異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。

本発明の請求項２に係わる発明は、前記第一の強磁性体層または前記第二の強磁性体層のいずれかのｘの値が、１＜ｘ≦１．５の範囲内であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係わる発明は、前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層のｘの値が、それぞれ１＜ｘ≦１．５の範囲内であることを特徴とする。

本発明の請求項４に係わる発明は、前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層の厚みにおいて、薄い方の膜厚に対する厚い方の膜厚の比ｙが、１．０＜ｙ≦２．０であることを特徴とする。

本発明の請求項５に係わる発明は、前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層において、膜厚が厚い方のＣｏ_２に対するＭｎの比率ｘが小さいことを特徴とする。

本発明の請求項６に係わる発明は、前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層のＣｏ_２に対するＭｎの比率ｘの差ｚが、０＜ｚ≦０．３であることを特徴とする。

本発明の請求項７に係わる発明は、前記第二の強磁性体層が前記非磁性金属体層と酸化防止層に挟持され、前記第二の強磁性体層と前記酸化防止層との間に反強磁性体を含まないことを特徴とする。

本発明により、素子抵抗を低くし、容易に磁気抵抗比を大きくすることが可能な磁気抵抗効果素子を供給できる。

本発明における最良の実施形態を説明するための断面構造図である。 本発明における実施例１を説明するための断面構造図である。 本発明における実施例１の結果である。 本発明における実施例２を説明するための断面構造図である。 本発明における実施例３を説明するための断面構造図である。 本発明における実施例４を説明するための断面構造図である。 本発明における実施例５を説明するための断面構造図である。 本発明における実施例５の結果である。 本発明における実施例６を説明するための断面構造図である。 本発明における実施例６の結果である。

以下、本発明における実施形態を説明する。なお、以下の説明は本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。図１は、磁気抵抗効果素子の断面構造図である。図１に示すように、磁気抵抗効果素子１０は膜面垂直方向に電流を流すタイプのＣＰＰ構造の巨大磁気抵抗効果素子であって、基板１１と下地層１２と第一の強磁性体層１３と非磁性金属体層１４と第二の強磁性体層１５と酸化防止層１６とを有している。

基板１１は、ＭｇＯ基板であるが、適度な機械的強度を有し、且つアニーリング処理や微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板なども好適である。下地層１２は、基板１１上に形成され、基板１１側にＣｒ層１２ａ、その上にＡｇ層１２ｂを有するＣｒ／Ａｇ層から成っている。第一の強磁性体層（ＣＭＳ）１３は、下地層１２の上に形成され、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｉ元素の組み合わせで構成され、例えば組成式Ｃｏ_２Ｍｎ_ｘＳｉで表される。

ＣＰＰ構造のＧＭＲ素子において、磁気抵抗（ＭＲ）比を向上させるためには、強磁性体にハーフメタル特性を有する高スピン偏極率材料を用いること、および、そのハーフメタル材料と相性の良い非磁性金属体を用いることが好適である。このことから、ハーフメタルであると期待されているＣｏＭｎＳｉ合金等のホイスラー合金と、相性が良いＡｇなどの非磁性金属が有望である。

組成式Ｃｏ_２Ｍｎ_ｘＳｉのｘはＣｏ原子を２とした時にＣｏＭｎＳｉ合金を構成するＭｎの比率であり、例えばｘ＝１であればＣｏ原子が２個に対してＭｎ原子が１個の割合でＣｏＭｎＳｉ合金を構成している。ＣｏＭｎＳｉ合金の組成比はＣｏ：Ｍｎ：Ｓｉ＝２：ｘ：１に限定されず、Ｓｉに対するＣｏ比率が２以外でもよく、また、Ｆｅ、Ａｌなどを含んでいてもよい。非磁性金属体層１４は、第一の強磁性体層１３の上に形成され、Ａｇから成っている。非磁性金属体層１４は、Ａｇに限らず、たとえばＡｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、ＡｇＺｎ合金、ＡｇＭｇ合金、ＮｉＡｌ合金などを用いてもよい。

第二の強磁性体層（ＣＭＳ）１５は、第一の強磁性体層１３との間に非磁性金属体層１４を挟むよう、非磁性金属体層１４の上に形成され、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｉ元素の組み合わせで構成され組成式Ｃｏ_２Ｍｎ_ｘＳｉで表される。ｘはＣｏ原子を２とした時にＣｏＭｎＳｉ合金を構成するＭｎの比率であり、例えばｘ＝１であればＣｏ原子が２個に対してＭｎ原子が１個の割合でＣｏＭｎＳｉ合金を構成している。ＣｏＭｎＳｉ合金の組成比はＣｏ：Ｍｎ：Ｓｉ＝２：ｘ：１に限定されず、Ｓｉに対するＣｏ比率が２以外でもよく、また、Ｆｅ、Ａｌなどを含んでいてもよい。

酸化防止層１６は、第二の強磁性体層１５の上に形成され、Ｒｕから成っているが、導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属等で、例えばＭｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｉｒやこれら何れか２種類以上を含む合金なども好適である。

なお、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５の組成は異なっている。ハーフメタル強磁性体層であるＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金の組成が異なることにより保磁力Ｈｃに差が出せるため、保磁力Ｈｃの大きい層を磁化固定層とし、保磁力Ｈｃの小さい層を磁化自由層とすることにより、磁気抵抗効果を得ることができる。これにより、抵抗率の大きいＩｒＭｎなどの反強磁性体層を使用する必要がないため、素子抵抗を低くすることが可能となり、容易に磁気抵抗比を大きくすることができる。

Ｍｎの比率ｘは０．７≦ｘ≦１．７の範囲が好適である。過剰にＭｎ比率が多くなるとＭｎ_３Ｓｉ相が現れはじめ強磁性体としての特性が低下し、１．７＜ｘの範囲においては保磁力Ｈｃが確認できなくなった。

さらには、第一の強磁性体層１３または第二の強磁性体層１５のいずれかのｘの値が、１＜ｘ≦１．５の範囲であることが望ましい。Ｍｎの比率ｘがｘ≦１においては、Ｃｏ＿＜Ｍｎ＞アンチサイト（ＭｎサイトをＣｏ原子が占める欠陥）が発生し、ハーフメタル特性が損なわれる。

また、１．５＜ｘにおいては、ＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金の飽和磁化が低下し、抵抗変化量×素子面積（ΔＲＡ）が小さくなる。よって、ｘの値が、１＜ｘ≦１．５の範囲であることにより、第一の強磁性体層１３または第二の強磁性体層１５のいずれかのハーフメタル特性を損なうことがないので高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗効果素子が得られる。

さらには、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のそれぞれのｘの値が、１＜ｘ≦１．５の範囲であることが望ましい。Ｍｎの比率ｘがｘ≦１においては、Ｃｏ＿＜Ｍｎ＞アンチサイト（ＭｎサイトをＣｏ原子が占める欠陥）が発生し、ハーフメタル特性が損なわれる。

また、１．５＜ｘにおいては、ＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金の飽和磁化が低下し、抵抗変化量×素子面積（ΔＲＡ）が小さくなる。よって、ｘの値が、１＜ｘ≦１．５の範囲であることにより、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のそれぞれのハーフメタル特性を損なうことがないので高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗効果素子が得られる。

また、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５の厚みにおいて、薄い方の膜厚に対する厚い方の膜厚の比ｙが、１．０＜ｙ≦２．０であることが好ましい。これにより、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５の厚みを大きく変えなくても磁気抵抗効果が得られるので、全体の素子構成を薄くすることができる。

なお、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５の膜厚において、薄い方の膜厚に対して厚い方の膜厚比が２．０を超えると膜厚差による保磁力の影響が顕著に表れるが、磁気抵抗効果素子自体の厚みが厚くなってしまい、磁気ディスク装置等の面記録密度の向上に対応できないといった課題が発生する。

また、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５において、膜厚が厚い方のＭｎ比率ｘが小さいことが望ましい。これは、Ｍｎ比率ｘの小さい方が保磁力が大きく、また、膜厚の厚い方も保磁力が大きいので、Ｍｎ比率と膜厚の設計を組み合わせることで、容易に保磁力差を大きくすることができ、磁気抵抗効果素子を得ることができる。

また、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘの差ｚが、０＜ｚ≦０．３であることが望ましい。これにより第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のそれぞれのハーフメタル特性を損なうことがないので高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗効果素子が得られる。

これは、Ｍｎ比率ｘが１＜ｘ≦１．５の範囲内であることでハーフメタル強磁性体層におけるハーフメタル特性が得られやすいが、実際には膜内において全く均一組成に制御することは難しく、現実的には０．０５程度のばらつきは容易に起こりうる。これにより、１．０と１．５で設計しても実際には０．９５や１．５５といったハーフメタル特性を損なう領域のハーフメタル強磁性体層ができてしまうことがある。本発明においてもＭｎ比率ｘの差ｚが０．３を超えるとＭＲ比が急激に低下する傾向が確認できた。これはＭｎ比率ｘの差ｚが０．４で設計した素子でも実際には、第一の強磁性体層１３または第二の強磁性体層１５のどちらか一方、または両方が１＜ｘ≦１．５の範囲から外れてしまい、ハーフメタル特性が損なわれてしまい磁気抵抗比が小さくなってしまうためである。

更には、第二の強磁性体層１５が非磁性金属体層１４と酸化防止層１６に挟持され、第二の強磁性体層１５と酸化防止層１６との間に反強磁性体を含まないことが望ましい。これにより、抵抗率の大きい反強磁性体を使用せずに磁気抵抗効果素子１０を形成するので、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値を小さくすることができ、結果として磁気抵抗比を容易に大きくすることができる。

なお、第一の強磁性体層１３と基板１１との間に介在する層は、基板１１より第一の強磁性体層１３を含む磁気抵抗効果素子１０を構成する各層をエピタキシャル成長させるために必要であり、特に、第一の強磁性体層１３と基板１１との間に介在する層は、第一の強磁性体層１３側からの電気的な引き出し配線としての役割も担う。よって、第一の強磁性体層１３と基板１１との間に抵抗率の大きい反強磁性体を用いることは、更に磁気抵抗効果素子１０の抵抗値が大きくなり易く、その結果磁気抵抗比が更に小さくなり易く適当ではない。

磁気抵抗効果素子１０は、超高真空スパッタ装置を用いて各層を成膜することにより形成されている。第一の強磁性体層１３は、成膜後に５００℃でアニーリング処理を行っている。第二の強磁性体層１５は、成膜後に４５０℃でアニーリング処理を行っている。磁気抵抗効果素子１０は、電子線リソグラフィーおよびＡｒイオンミリングにより、磁気抵抗特性を評価可能な形状に微細加工される。

（実施例１）
実施形態に基づく、実施例１を説明する。図２は図１と同じ層構造である磁気抵抗効果素子で、Ｍｎの比率ｘを変えた時の保磁力Ｈｃを確認するために使用した磁気抵抗効果素子２１の断面構造図である。説明の便宜上、各図において同一又は対応する部材には同一の符号を用いる。

基板１１としてＭｇＯ基板を使用し、下地層１２はＣｒ層１２ａの膜厚が２０ｎｍ、Ａｇ層１２ｂの膜厚が５０ｎｍである。第一の強磁性体層１３は膜厚が３ｎｍ、非磁性金属体層１４はＡｇであり膜厚が５ｎｍ、第二の強磁性体層１５は膜厚が３ｎｍ、酸化防止層１６はＲｕを使用し膜厚を５ｎｍとした。

この磁気抵抗効果素子２１をＶＳＭ（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて、組成式Ｃｏ_２Ｍｎ_ｘＳｉで表される第一の強磁性体層１３または第二の強磁性体層１５のＭｎの比率ｘを変えた時の保磁力Ｈｃを確認した。縦軸をｘ＝０．６９のときの保磁力Ｈ_０で規格化したＨｃ／Ｈ_０、横軸をｘとしてプロットした結果を図３に示す。

図３が示す通り、過剰にＭｎ比率が多くなるとＭｎ_３Ｓｉ相が現れはじめ強磁性体としての特性が低下し、１．７＜ｘの範囲においては保磁力Ｈｃが確認できなくなった。このことより、Ｍｎの比率ｘは０．７≦ｘ≦１．７の範囲が好適であることが確認できた。

（実施例２）
実施形態に基づく、実施例２を説明する。図４は、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のそれぞれのＭｎの比率ｘを変えて磁気抵抗効果素子１０ａを作製した時の断面構造図である。基板１１はＭｇＯ基板を使用し、下地層１２はＣｒ層１２ａの膜厚が２０ｎｍ、Ａｇ層１２ｂの膜厚が５０ｎｍである。第一の強磁性体層１３は膜厚が３ｎｍ、非磁性金属体層１４はＡｇであり膜厚が５ｎｍ、第二の強磁性体層１５は膜厚が３ｎｍ、酸化防止層１６はＲｕを使用し膜厚を５ｎｍとした。

組成式Ｃｏ_２Ｍｎ_ｘＳｉで表される第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５のＭｎの比率ｘをそれぞれ変えて作製し、磁気抵抗（ＭＲ）比を測定し、後に記述する実施例３の磁気抵抗（ＭＲ）比で規格化した。その結果を表１に示す。

表１が示す通り、第一の強磁性体層１３のＭｎの比率ｘがｘ≦１、１．５＜ｘにおいて、ＭＲ比が急激に低下する傾向であることがわかる。これは、ｘ≦１においては、Ｃｏ＿＜Ｍｎ＞アンチサイト（ＭｎサイトをＣｏ原子が占める欠陥）が多く発生するためと考えられる。

また、１．５＜ｘにおいては、ＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金の飽和磁化が低下し、抵抗変化量×素子面積（ΔＲＡ）が小さくなる。これは、過剰にＭｎ比率が多くなるとＭｎ_３Ｓｉ相が現れはじめ強磁性体としての特性が低下するためと考えられる。よって、ｘの値が、１＜ｘ≦１．５の範囲であることにより、第一の強磁性体層１３のハーフメタル特性を損なうことがないので高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗効果素子が得られることが確認できた。

さらに、表１が示す通り、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のＭｎの比率ｘが１＜ｘ≦１．５の範囲であることにより、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のそれぞれのハーフメタル特性を損なうことがないので高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗効果素子が得られることが確認できた。

（実施例３）
実施形態に基づく、実施例３を説明する。図５の通り実施例３の磁気抵抗効果素子は、実施例２に類似した磁気抵抗効果素子１００ａで、実施例２の磁気抵抗効果素子１０ａの第二の強磁性体層１５と酸化防止層１６との間に、反強磁性体層１７としてＩｒＭｎを５ｎｍのみ追加した構造である。また、この磁気抵抗効果素子１００ａの第一の強磁性体層１３のＭｎの比率ｘを１．３とし、第二の強磁性体層１５のＭｎの比率ｘを１．１とした。

この磁気抵抗効果素子１００ａの磁気抵抗比の結果を表２に示す。なお、実施例３のＭＲ比を基準に１とした時の実施例２のＭＲ比を記載した。反強磁性体層１７を有さない実施例２の磁気抵抗効果素子１０ａにおいて、同じ第一の強磁性体層１３のＭｎの比率ｘが１．３、第二の強磁性体層１５のＭｎの比率ｘが１．１の結果と比べて、反強磁性体層１７を有する実施例３の磁気抵抗効果素子１００ａは磁気抵抗比が小さい結果となった。これは、抵抗率の高い反強磁性体層であるＩｒＭｎを追加したことにより、素子抵抗が上昇し、その結果磁気抵抗比が小さくなってしまったためである。

よって、本発明における実施例２の磁気抵抗効果素子１０ａは、抵抗率の高い反強磁性体層を使用する必要がないため、容易に磁気抵抗比を大きくできることが確認できた。

（実施例４）
実施形態に基づく、実施例４を説明する。図６は、図４で示した実施例２に類似した磁気抵抗効果素子１０ｂで、第一の強磁性体層１３の膜厚は変えずに、第二の強磁性体層１５の膜厚を変化させて作製した時の断面構造図である。基板１１はＭｇＯ基板を使用し、下地層１２はＣｒ層１２ａの膜厚が２０ｎｍ、Ａｇ層１２ｂの膜厚が５０ｎｍである。第一の強磁性体層１３は膜厚が３ｎｍ、非磁性金属体層１４はＡｇであり膜厚が５ｎｍ、第二の強磁性体層１５は膜厚が３〜９ｎｍ、酸化防止層１６はＲｕを使用し膜厚を５ｎｍとした。

この磁気抵抗効果素子１０ｂを使用して、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５の保磁力差を確認した。なお、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５の膜厚において、薄い方の膜厚に対する厚い方の膜厚の比をｙとした。

１．０＜ｙ≦２．０の範囲においては、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５の厚みが略同じなので、全体の素子構成を薄くすることができる。一方で、膜厚比が２．０を超える値にした場合、膜厚差による保磁力の影響が顕著に表れるが、磁気抵抗効果素子自体の厚みが厚くなってしまい、磁気ディスク装置等の面記録密度の向上に対応できないといった課題が発生する。よって、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５の膜厚を同程度とし磁気抵抗効果素子を薄くすることが必要である。

実施例４より、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５の膜厚において、薄い方の膜厚に対する厚い方の膜厚の比ｙが、１．０＜ｙ≦２．０とすることが好ましい。これにより、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５の厚みを大きく変えなくても磁気抵抗効果が得られるので、全体の素子構成を薄くすることができる。

（実施例５）
実施形態に基づく、実施例５を説明する。図７は、図４で示した実施例２に類似した磁気抵抗効果素子１０ｃで、第一の強磁性体層１３の膜厚を５ｎｍとし、第二の強磁性体層１５の膜厚を７ｎｍとした時の断面構造図である。また、第一の強磁性体層１３のＭｎ比率ｘを０．９〜１．６の範囲で変え、第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘは１．１で固定し、磁気抵抗効果素子１０ｃを作製した。

基板１１はＭｇＯ基板を使用し、下地層１２はＣｒ層１２ａの膜厚が２０ｎｍ、Ａｇ層１２ｂの膜厚が５０ｎｍである。第一の強磁性体層１３は膜厚が５ｎｍ、非磁性金属体層１４はＡｇであり膜厚が５ｎｍ、第二の強磁性体層１５は膜厚が７ｎｍ、酸化防止層１６はＲｕを使用し膜厚を５ｎｍとした。この素子を使用して、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５の保磁力差を確認した。

その結果を図８に示す。なお、第一の強磁性体層１３の保磁力をＨｃ１、第二の強磁性体層１５の保持力をＨｃ２とし、第一の強磁性体層１３のＭｎの比率が１．１の時の保持力差Ｈｃ３で縦軸を規格化した。また、横軸は第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘから第一の強磁性体層１３のＭｎ比率を引いた値αである。

α＝０の時、即ち第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘがそれぞれ１．１で同じである時、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５の保磁力差は最も小さくなった。これは、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５の組成が略同じであるため、膜厚の違いによる保磁力差のみが現れた結果と考えらえる。

α＜０の時、即ち膜厚の厚い第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘが小さい場合、保磁力差は増加傾向であり、Ｍｎ組成ｘによる効果と、膜厚の違いによる効果が組み合わさったことで、磁気抵抗効果が増加傾向であると考えられる。なお、α≦−０．４になると減少傾向に変わるが、これは、過剰にＭｎ比率が多くなることによりＭｎ_３Ｓｉ相が現れはじめ強磁性体としての特性が低下し始めたためと考えらえる。

なお、０＜αの時、即ち膜厚の厚い第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘが大きい場合、保磁力差は小さい結果となった。

これは、一般的に膜厚が厚くなると保磁力も大きくなる傾向があり、また、図３に示す通り、Ｍｎ比率ｘの小さい方が保磁力は大きくなる傾向があるので、膜厚による影響と、Ｍｎ比率ｘによる影響が保磁力差を打ち消し合うことで、保磁力差が小さくなってしまっていると考えられる。

よって、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５において、膜厚が厚い方のＭｎ比率ｘを小さくすることで、容易に保磁力差を大きくすることができ、磁気抵抗効果素子を得ることができる。

（実施例６）
実施形態に基づく、実施例６を説明する。図９は、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のそれぞれのＭｎの比率ｘを変えて磁気抵抗効果素子１０ｄを作製した時の断面構造図である。なお第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１３のハーフメタル特性を維持する理由から、Ｍｎの比率ｘは１≦ｘ≦１．５の範囲とした。

基板１１はＭｇＯ基板を使用し、下地層１２はＣｒ層１２ａの膜厚が２０ｎｍ、Ａｇ層１２ｂの膜厚が５０ｎｍである。第一の強磁性体層１３は膜厚が１０ｎｍ、非磁性金属体層１４はＡｇであり膜厚が５ｎｍ、第二の強磁性体層１５は膜厚が１０ｎｍ、酸化防止層１６はＲｕを使用し膜厚を５ｎｍとした。

この素子を使用して、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘと磁気抵抗比を確認した。なお、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘの差をｚとした。その結果を図１０に示す。なお、縦軸はｚ＝０．１の時の磁気抵抗（ＭＲ）比であるＭＲ_０値で規格化を行った。

まず、Ｍｎの比率ｘは１≦ｘ≦１．５の範囲としたため、ｚ＝０．５が最大値となる。この場合、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５は一方がｘ＝１．０、もう一方がｘ＝１．５である。理論的にはハーフメタル特性を損なうことがない範囲であるが、実際には均一な膜質を得ることが難しく、ｘ＝１．０を設定してもｘ＝０．０５程度の増減は容易に起こりうる。

よって、実際にはハーフメタル特性を損なうｘ＜１．０の領域も含まれた膜質となっておりハーフメタル特性が劣化しているものと考えられる。また、同様な理由によりｘ＝１．５を設定してもハーフメタル特性を損なうｘ＜１．５の領域も含まれた膜質となっておりハーフメタル特性が劣化しているものと考えらえる。以上より、ｚ＝０．５においては、磁気抵抗比が低い値となってしまったと推測できる。

またｚ＝０．４の場合も同様に考えることができる。この場合、第一の強磁性体層１３と第二の強磁性体層１５は一方をｘ＝１．０とするともう一方がｘ＝１．４である。また、一方をｘ＝１．１とするともう一方がｘ＝１．５である。さらには、一方をｘ＝１．０５とし、もう一方をｘ＝１．４５とすることができる。理論的にはハーフメタル特性を損なうことがない範囲であるが、実際には均一な膜質を得ることが難しく、Ｍｎ比率ｘの設計値に対してｘ＝０．０５程度の増減は容易に起こりうる。

よって、実際にはハーフメタル特性を損なうｘ＜１．０、ｘ＜１．５の領域を含む膜質となっている可能性が高く、第一の強磁性体層１３または第二の強磁性体層１５のどちらか一方、または両方のハーフメタル特性が劣化しているものと考えらえる。以上より、ｚ＝０．４においても、磁気抵抗比が低い値となってしまったと推測できる。

またｚ＝０．３の場合も同様に考えることができる。この場合、ｘ＝０．０５程度の増減があっても設計値に余裕があるため、ハーフメタル特性を損なうことがない領域で膜質を均一にすることができる。例えば第一の強磁性体層１３のＭｎ比率を１．１とした場合は、第二の強磁性体層１５のＭｎ比率ｘを１．４とすることができので、ハーフメタル特性を損なう可能性があるｘ＜１．０、１．５＜ｘといったＭｎ比率の近傍を回避することができる。

以上より、０＜ｚ≦０．３にすることで、第一の強磁性体層１３及び第二の強磁性体層１５のどちらもハーフメタル特性を損なうことがないので高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗効果素子が得られる。

以上の通り、ハーフメタル強磁性体層であるＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金の組成が異なることにより保磁力Ｈｃに差が出るため、磁化固定層で使用される反強磁性体層を用いることなく磁気抵抗効果を得ることができる。これにより、抵抗率が大きいＩｒＭｎなどの反強磁性体層を使用する必要がないため、素子抵抗を低くすることが可能となり、容易に磁気抵抗比を大きくすることができることを示した。

本発明は、スピン分極率の大きい磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に好適である。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１００ａ、２１ 磁気抵抗効果素子
１１ 基板
１２ 下地層
１２ａ Ｃｒ層
１２ｂ Ａｇ層
１３ 第一の強磁性体層
１４ 非磁性金属体層
１５ 第二の強磁性体層
１６ 酸化防止層（Ｒｕ層）
１７ 反強磁性体層（ＩｒＭｎ層）

Claims (7)

1. 第一の強磁性体層と、第二の強磁性体層と、前記第一の強磁性体層と前記第二の強磁性体層との間に挟まれた非磁性金属体層とを有し、前記第一の強磁性体層および前記第二の強磁性体層がＣｏＭｎＳｉ合金からなるホイスラー合金を含み、前記第一の強磁性体層および前記第二の強磁性体層のＣｏ_２に対するＭｎの比率ｘのそれぞれが０．７≦ｘ≦１．７であり、前記第一の強磁性体層と前記第二の強磁性体層の組成が異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第一の強磁性体層または前記第二の強磁性体層のいずれかのｘの値が、１＜ｘ≦１．５の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層のｘの値が、それぞれ１＜ｘ≦１．５の範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層の厚みにおいて、薄い方の膜厚に対する厚い方の膜厚の比ｙが、１．０＜ｙ≦２．０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層において、膜厚が厚い方のＣｏ_２に対するＭｎの比率ｘが小さいことを特徴とする請求項１〜４に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第一の強磁性体層及び前記第二の強磁性体層のＣｏ_２に対するＭｎの比率ｘの差ｚが、０＜ｚ≦０．３であることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記第二の強磁性体層が前記非磁性金属体層と酸化防止層に挟持され、前記第二の強磁性体層と前記酸化防止層との間に反強磁性体を含まないことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

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