JP2020155434A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果が大きい磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層と、磁化自由層としての第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層と、を備え、非磁性スペーサ層は、一般式（１）で表されるＣｒ合金を含み、それにより非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層との間の格子不整合は、非磁性スペーサ層がＣｒからなるときの格子不整合に比べて小さくなる。ＣｒγＸ１−γ…（１）式中、Ｘは、Ｂｅ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素を表し、γは、０．５＜γ＜１である。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関する。

非特許文献１には、強磁性層（Ｃｏ_２ＭｎＳｉ）と非磁性スペーサ層（Ｃｒ）について、第一原理計算により伝導特性について開示さている。

ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ ８４， １３４４３２ （２０１１）

非特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子では、強磁性層がホイスラー合金から成るため、当該強磁性層と、Ｃｒから成る非磁性金属体層（非磁性スペーサ層）との間の格子不整合が大きい。このように磁気抵抗層における強磁性層と非磁性金属体層（非磁性スペーサ層）との間の格子不整合が大きい磁気抵抗効果素子では、これらの層の結晶性を向上させることが難しいので、磁気抵抗効果を十分に向上させることは困難である。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果が大きい磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層と、磁化自由層としての第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層と、を備え、非磁性スペーサ層は、一般式（１）で表わされるＣｒ合金を含み、それにより非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層との間の格子不整合は、非磁性スペーサ層がＣｒからなるときの格子不整合に比べて小さくなる、磁気抵抗効果素子。
Ｃｒ_γＸ_１−γ …（１）
式中、Ｘは、Ｂｅ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素を表し、γは、０．５＜γ＜１である。

この磁気抵抗効果素子によれば、非磁性スペーサ層は、当該非磁性スペーサ層がＣｒからなるときに比べて当該非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層との間の格子不整合が小さくなるように、一般式（１）で表わされるＣｒ合金を含む。そのため、この磁気抵抗効果素子によれば、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層と、非磁性スペーサ層の結晶性が向上するので、大きな磁気抵抗効果を発揮することができる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子では、非磁性スペーサ層は、Ｃｒからなる非磁性金属層と、当該非磁性金属層の下面に設けられる第一の非磁性挿入層及び当該非磁性金属層の上面に設けられる第二の非磁性挿入層の少なくとも一つとを有し、第一の非磁性挿入層または第二の非磁性挿入層が、一般式（１）で表されるＣｒ合金を含んでもよい。

この磁気抵抗効果素子によれば、非磁性スペーサ層は、当該非磁性スペーサ層全体がＣｒからなるときに比べて、当該非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層との間の格子不整合が小さくなるように、一般式（１）で表わされるＣｒ合金を含む第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層の少なくとも一つとを有する。そのため、この磁気抵抗効果素子によれば、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層と、非磁性スペーサ層の結晶性が向上するので、大きな磁気抵抗効果を発揮することができる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子では、一般式（１）において、０．７５＜γ＜１であってもよい。

この磁気抵抗効果素子によれば、非磁性スペーサ層は、当該非磁性スペーサ層がＣｒからなるときに比べて当該非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層との間の格子不整合をより小さくできる。そのため、この磁気抵抗効果素子によれば、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層と、非磁性スペーサ層の結晶性が向上するので、さらに大きな磁気抵抗効果を発揮することができる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子では、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の少なくとも一つは、一般式（２）で表されるホイスラー合金を含んでもよい。
Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β…（２）
式中、Ｌは、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの少なくとも一以上の元素であり、Ｍは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎからなる群より選択される一以上の元素を表し、０．７＜α＜１．６であり、０．６５＜β＜１．３５である。

この磁気抵抗効果素子によれば、０．７＜α＜１．６かつ０．６５＜β＜１．３５であるので、第一の強磁性層及び第二の強磁性層のホイスラー合金は、化学量論的組成を有する場合に近い格子定数を有する。その結果、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層と、非磁性スペーサ層との間の格子不整合をより低減できる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子では、一般式（１）において、Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素であってもよい。

この磁気抵抗効果素子によれば、一般式（１）におけるＸが、イットリウム以上の原子番号を有する重金属元素であるため重く、動き難い。そのため、これら重金属元素を含んだ一般式（１）で表わされるＣｒ合金は、第一の強磁性層及び第二の強磁性層を構成する元素が拡散してくるの阻害する。よって、第一の強磁性層及び第二の強磁性層と、非磁性スペーサ層との間において、それらに含まれる元素の拡散が抑制される。

本発明に係る磁気抵抗効果素子では、一般式（１）において、Ｘは、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素であってもよい。

この磁気抵抗効果素子によれば、第一の強磁性層及び第二の強磁性層に含まれる元素と、非磁性スペーサ層に含まれる元素とが、互いに、元素の周期表において同じ族及び／又は周期に属さない。そのため、第一の強磁性層及び第二の強磁性層と、非磁性スペーサ層との間において、それらに含まれる元素の拡散が抑制される。

本発明に係る磁気抵抗効果素子では、一般式（２）において、２＜α+β＜２．６であってもよい。

この磁気抵抗効果素子によれば、第一の強磁性層及び第二の強磁性層に含まれるホイスラー合金が、ハーフメタル特性を維持し易くなる。

本発明に係る磁気抵抗効果素子では、第一の非磁性挿入層の厚さをｔ１としたとき、０．２ｎｍ＜ｔ１＜１０ｎｍであり、第二の非磁性挿入層の厚さをｔ２としたとき、０．２ｎｍ＜ｔ２＜１０ｎｍであってもよい。

この磁気抵抗効果素子によれば、ｔ１＜１０ｎｍ及び／又はｔ２＜１０ｎｍのときには、第一の強磁性層から第二の強磁性層に移動する電子においてスピン散乱がより減少する。また、０．２ｎｍ＜ｔ１及び／又は０．２ｎｍ＜ｔ２のときには、非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層との間において格子不整合がより低減する。その結果、磁気抵抗効果が特に大きくなる。

本発明によれば、磁気抵抗効果が大きい磁気抵抗効果素子を提供することができる。

実施形態に係る磁気抵抗効果素子１の断面を示す図である。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子１ａの断面を示す図である。 実施例に係る磁気抵抗デバイスを示す図である。 αと規格化ＭＲ比との関係を示す図である。 βと規格化ＭＲ比との関係を示す図である。 α＋βと規格化ＭＲ比との関係を示す図である。 実施例に係る第一の非磁性挿入層の厚さｔ１又は第二の非磁性挿入層の厚さｔ２と、規格化ＭＲ比との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。

図１は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子１の断面を示す図である。磁気抵抗効果素子１は、基板１０、結晶配向層１５、下地層２０、磁気抵抗層３０、及びキャップ層４０をこの順に備える。磁気抵抗層３０は、磁化自由層としての第一の強磁性層３１、磁化固定層としての第二の強磁性層３２、第一の強磁性層３１と第二の強磁性層３２との間に設けられた非磁性スペーサ層３３、及び反強磁性体層３４を有する。第二の強磁性層３２は、非磁性スペーサ層３３の上に設けられ、反強磁性体層３４は、第二の強磁性層３２の上に設けられる。磁気抵抗効果素子１は、例えば、スパッタ法、蒸着法といった製造方法によって基板１０上に結晶配向層１５からキャップ層４０までの各層を積層することにより作製される。磁気抵抗効果素子１は、積層方向（各層の膜面に垂直な方向）に沿って検出用電流が流されるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）構造の磁気抵抗効果素子である。

この磁気抵抗効果素子１において、非磁性スペーサ層３３は、当該非磁性スペーサ層３３がＣｒからなるときに比べて当該非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間の格子不整合が小さくなるように、一般式（１）で表わされるＣｒ合金を含む。そのため、この磁気抵抗効果素子１によれば、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３の結晶性が向上するので、大きな磁気抵抗効果を発揮することができる。

また、図２に示す通り、非磁性スペーサ層３３は、Ｃｒからなる非磁性金属層３５と、非磁性金属層３５の下面に設けられる第一の非磁性挿入層３６及び非磁性金属層３５の上面に設けられる第二の非磁性挿入層３７を有する構造とすることもできる。これにより、非磁性スペーサ層３３は、非磁性スペーサ層３３全体がＣｒからなるときに比べて、非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間の格子不整合が小さくなるように、一般式（１）で表わされるＣｒ合金を含む第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７の少なくとも一つとを有する。そのため、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３の結晶性が向上するので、大きな磁気抵抗効果を発揮することができる。

基板１０は、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、熱酸化膜付シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミック、石英、及びガラスを含む。基板１０に含まれる材料は、適度な機械的強度を有し、且つ熱処理や微細加工に適した材料であれば、特に限定されない。金属酸化物単結晶としては、例えば、ＭｇＯ単結晶が挙げられ、ＭｇＯ単結晶を含む基板によれば、容易にエピタキシャル成長膜が形成される。このエピタキシャル成長膜は、大きな磁気抵抗特性を示すことができる。

下地層２０は、検出用電流を流すための電極となることができて、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含む。下地層２０は、これらの金属元素の合金、又はこれら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでもよい。金属元素の合金には、例えば、立方晶系のＡｇＺｎ合金、ＡｇＭｇ合金及びＮｉＡｌ合金が含まれる。

また、下地層２０と基板１０との間に、上部の層の結晶配向を制御するための結晶配向層１５が設けられてもよい。結晶配向層１５は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素や、ＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金、及び強磁性材料であるＣｏＦｅ合金などの少なくとも一種類を含む。

非磁性スペーサ層３３は、一般式（１）で表わされるＣｒ合金を含む。
Ｃｒ_γＸ_１−γ …（１）
この一般式（１）において、Ｘは、Ｂｅ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素であり、γは、０．５＜γ＜１である。非磁性スペーサ層３３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。

また、非磁性スペーサ層３３は、Ｃｒからなる非磁性金属層３５と、非磁性金属層３５の下面に設けられる第一の非磁性挿入層３６及び非磁性金属層３５の上面に設けられる第二の非磁性挿入層３７を有する構造とすることもできる。この時、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７は一般式（１）で表されるＣｒ合金を含む。この一般式（１）において、Ｘは、Ｂｅ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素であり、γは、０．５＜γ＜１である。非磁性金属層３５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。

なお、上述の第一の非磁性挿入層３６の厚さをｔ１としたとき、０．２ｎｍ＜ｔ１＜１０ｎｍであり、第二の非磁性挿入層３７の厚さをｔ２としたとき、０．２ｎｍ＜ｔ２＜１０ｎｍであることが、以下のような理由に基づき好ましい。即ち、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７に含まれるＣｒ合金は、純金属であるＣｒに比べてスピン拡散長が短い。そのため、ｔ１＜１０ｎｍ及び／又はｔ２＜１０ｎｍのときには、第一の強磁性層３１と第二の強磁性層３２との間を移動する電子が、その移動中に第一の非磁性挿入層３６及び／又は第二の非磁性挿入層３７においてスピン散乱されることを十分に抑制できるので、磁気抵抗効果が特に大きくなる。さらに、０．２ｎｍ＜ｔ１及び／又は０．２ｎｍ＜ｔ２のときには、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７の厚さが十分に大きくなるので、非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間における格子不整合を十分に低減させることができる。その結果、非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２とが高い結晶品質で積層されるので、磁気抵抗効果が特に大きくなる。

磁化自由層として機能する第一の強磁性層３１は、軟磁性材料で構成され、磁化方向が実質的に固定されていない。そのため、測定対象に外部磁界が印加されると、その方向に磁化方向が容易に変化する。磁化固定層として機能する第二の強磁性層３２の磁化方向は、外部磁界に対して第一の強磁性層３１の磁化方向よりも変化し難い。好ましくは、第二の強磁性層３２の磁化方向は、測定対象の外部磁界に対して実質的に固定されており、測定対象の外部磁界に対して実質的に変化しない。磁気抵抗層３０に外部磁場が印加され、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の相対的な磁化方向が変化することによって、磁気抵抗層３０の抵抗値が変化して磁気抵抗効果を発揮する。

反強磁性体層３４は、第二の強磁性層３２の非磁性スペーサ層３３側とは反対側の面上に設けられている。反強磁性体層３４は、第二の強磁性層３２と交換結合し、第二の強磁性層３２に一方向異方性を付与することによって、第二の強磁性層３２の磁化の方向を実質的に固定させるために使用される。反強磁性体層３４の材料としては、例えば、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３が挙げられる。第一の強磁性層３１の厚さは、１ｎｍ〜２０ｎｍであり、第二の強磁性層３２の厚さは、１ｎｍ〜２０ｎｍである。反強磁性体層３４の厚さは、５ｎｍ〜１５ｎｍである。第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２について、例えば、それらの層の厚さを変えるなどの手法によって、第二の強磁性層３２の保磁力が、第一の強磁性層３１の保磁力より大きく、かつ、第二の強磁性層３２の磁化方向が測定対象の外部磁場に対して実質的に固定される程度の大きさを有するときは、必ずしも反強磁性体層３４は設けられなくてもよい。

磁気抵抗層３０では、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の一方が磁化自由層であり、他方が磁化固定層であればよいため、第一の強磁性層３１が磁化固定層であり、第二の強磁性層３２が、磁化自由層であってもよい。この場合、反強磁性体層３４は、第一の強磁性層３１の非磁性スペーサ層３３側とは反対側の面上に設けられる。

第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の少なくとも一つは、一般式（２）で表されるホイスラー合金を含むことができ、好ましくは実質的に当該ホイスラー合金からなる。
Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β …（２）
一般式（２）において、Ｌは、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの少なくとも一以上の元素であり、Ｍは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎからなる群より選択される一以上の元素である。また、０．７＜α＜１．６であり、０．６５＜β＜１．３５である。

一般式（２）で表されるホイスラー合金は、高いスピン分極率を有するので、磁気抵抗効果素子１（１ａ）が大きな磁気抵抗効果を発揮できて好ましい。また、０．７＜α＜１．６かつ０．６５＜β＜１．３５という条件が満たされるため、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２のホイスラー合金は、化学量論的組成を有する場合に近い格子定数を有する。そのため、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３との間の格子不整合が小さくなるという後述の効果が特に顕著となる。ただし、当該ホイスラー合金においては、０．７＜α＜１．６かつ０．６５＜β＜１．３５という条件が満たされなくてもよい。

当該ホイスラー合金の結晶構造は、Ａ２構造、Ｂ２構造、又はＬ２_１構造を有することができる。Ｂ２構造のホイスラー合金は、Ａ２構造のホイスラー合金よりも高いスピン分極率を有するので好ましく、Ｌ２_１構造のホイスラー合金は、Ｂ２構造のホイスラー合金よりも高いスピン分極率を有するので更に好ましい。

表１は、一般式（２）を満たすいくつかのホイスラー合金、Ｆｅ及びＣｏのスピン分極率Ｐの文献値を示す表である。一般式（２）を満たすホイスラー合金のスピン分極率Ｐは、Ｆｅのスピン分極率４６％及びＣｏのスピン分極率４５％よりも大きいことが示される。

第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２は、Ｃｏ_２ＶＡｌ、Ｃｏ_２ＣｒＩｎ、Ｃｏ_２ＣｒＳｎ等のホイスラー合金又は、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＣｒＯ_２、ＣｏＦｅＢ等の強磁性材料を含むことができ、又は実質的に当該強磁性材料から成ることができる。

キャップ層４０は、磁気抵抗層３０を保護するために設けられる。キャップ層４０は、例えば、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、及びＩｒの一以上の金属元素、これら金属元素の合金、又は、これら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでよい。

磁気抵抗効果素子１（１ａ）の作製工程では、必要に応じて、熱処理が行われる。また、必要に応じて、磁場印加処理が行われ、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２に対して一軸磁気異方性といった磁気異方性が付与される。磁場印加処理は、熱処理と共に行われてもよい。

上述のような本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）では、非磁性スペーサ層３３は、一般式（１）で表わされるＣｒ合金を含み、それにより非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間の格子不整合は、非磁性スペーサ層３３がＣｒからなると想定した場合の格子不整合に比べて小さい。例えば、一般式（１）を満たすＣｒ_γＺｎ_１−γからなる非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間の格子不整合は、Ｃｒからなると想定された非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間の想定される格子不整合に比べて小さい。そのため、本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）によれば、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３との結晶性が向上するので、大きな磁気抵抗効果を発揮することができる。

上述の本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）において、非磁性スペーサ層３３に含まれるＣｒ合金では、０．７５＜γ＜１であってもよい。これにより、非磁性スペーサ層３３は、非磁性スペーサ層３３がＣｒからなるときに比べて非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間の格子不整合をより小さくできる。そのため、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３の結晶性が向上するので、さらに大きな磁気抵抗効果を発揮することができる。ただし、非磁性スペーサ層３３のＣｒ合金においては、０．７５＜γ＜１が満たされなくてもよい。

また、上述の本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）において、非磁性スペーサ層３３に含まれるＣｒ合金では、γ≦０．９８であることが好ましく、γ≦０．９６であることがより好ましい。さらには、γ≦０．９４であることが好ましく、γ≦０．９０であることがより好ましい。Ｃｒ合金においてγがこれらの値を有することにより、非磁性スペーサ層３３に含まれるＣｒの割合が低減される。Ｃｒの割合が低減された非磁性スペーサ層３３は、Ｃｒからなる非磁性スペーサ層３３に比べて、非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間の格子不整合を特に小さくできる。

上述の本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）では、一般式（１）において、Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素であってもよい。この場合、一般式（１）におけるＸが、イットリウム以上の原子番号を有する重金属元素であるため重く、動き難い。そのため、これら重金属元素を含んだ一般式（１）で表わされるＣｒ合金は、第一の強磁性層及び第二の強磁性層を構成する元素が拡散してくるの阻害する。よって、第一の強磁性層及び第二の強磁性層と、非磁性スペーサ層との間において、それらに含まれる元素の拡散が抑制される。この拡散の抑制は、磁気抵抗効果を増大させる。

上述の本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）では、一般式（１）において、Ｘは、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素であってよい。この場合、元素の周期表において、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２に含まれる元素が属する周期と、非磁性スペーサ層３３に含まれる元素が属する周期とが、互いに、２周期以上ずれている。そのため、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３との間において、それらに含まれる元素の拡散が更に抑制される。この拡散の抑制は、磁気抵抗効果をさらに増大させる。

一般式（２）において、２＜α＋β＜２．６であってよい。一般式（２）で表されるホイスラー合金では、ＣｏがＬ、Ｍサイトに置換されるとスピン分極率が低下するが、Ｌ、Ｍサイトの元素がＣｏサイトに置換された場合は、スピン分極率への影響は少ないことが理論的に示されている。そのため、２＜α＋βであれば、ＣｏがＬ、Ｍサイトに置換されることが抑制されるので、元素置換に起因するスピン分極率の低下が抑制される。一方、２．６≦α＋βのときには、ホイスラー合金の磁化量が低下する。そのため、当該ホイスラー合金において、２＜α＋β＜２．６の条件が満たされると、ハーフメタル特性が維持され易くなって、より大きな磁気抵抗効果が得られる。ただし、当該ホイスラー合金においては、２＜α＋β＜２．６の条件が満たされなくてもよい。

表２〜表４は、磁気抵抗効果素子の格子不整合の例を示すための表である。具体的には、表２は、本実施形態の非磁性スペーサ層３３、又は第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７を構成し得る材料の例（第１例〜第１７例）及びＣｒ（第１８例）の格子定数の文献値を示す表である。表３は、本実施形態の第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２を構成し得る材料の例（合金Ａ〜合金Ｊ）と、それらの材料の格子定数の文献値を示す表である。

表４は、表２に示す第１例〜第１８例のそれぞれに対する、表３に示す合金Ａ〜合金Ｊのそれぞれの格子不整合率を示す表である。表４における格子不整合率は、百分率で示され、下記の式（３）又は式（４）によって求められる。第１例〜第１８例のそれぞれの（００１）面の［１１０］方向と、合金Ａ〜合金Ｊのそれぞれの（００１）面の［１００］方向とが格子整合する場合は式（３）により格子不整合率が求められる。第１例〜第１８例のそれぞれの（００１）面の［１００］方向と、合金Ａ〜合金Ｊのそれぞれの（００１）面の［１００］方向とが格子整合する場合は式（４）により格子不整合率が求められる。また、式（３）又は式（４）において、ａは、表２に示す第１例〜第１８例の格子定数、ｂは、表３に示す合金Ａ〜合金Ｊの格子定数を示す。また、√２は、２の平方根を意味する。
格子不整合率（％）＝（（ａ×√２−ｂ）／ｂ）×１００（％） …（３）
格子不整合率（％）＝（（２×ａ−ｂ）／ｂ）×１００（％） …（４）

表４には、第１例〜第１７例の評価結果も示されている。表４では、第１例〜第１７例のうち、合金Ａ〜合金Ｊの６つ以上に対して、第１８例における格子不整合率よりも小さい格子不整合率を示す例について、「極めて良好」を意味する「ＡＡ」と評価している。また、第１例〜第１７例のうち、合金Ａ〜合金Ｊの３つ以上に対して、第１８例における格子不整合率よりも小さい格子不整合率を示す例について、「非常に良好」を意味する「Ａ」と評価している。さらに、第１例〜第１７例のうち、合金Ａ〜合金Ｊの１つ以上２つ以下において、第１８例における格子不整合率よりも小さい格子不整合率を示す例について、「良好」を意味する「Ｂ」と評価している。

表４に示すように、Ｃｒ合金（Ｃｒ_γＸ_１−γ）のγが０．５≦γ＜１であるときの例（第１例〜第１７例）では、「ＡＡ」が４つ、「Ａ」が９つ、「Ｂ」が４つと評価されている。また、γが０．５＜γ＜１であるときの例（第１例、第４例〜第５例、第８例〜第１０例、第１２例〜第１３例、及び第１５例〜第１６例）では、「ＡＡ」が３つ、「Ａ」が６つ、「Ｂ」が１つと評価されている。また、γが０．７５＜γ＜１であるときの例（第１例、第５例、第８例〜第１０例、第１２例〜第１３例、及び第１５例〜第１６例）では、「ＡＡ」が３つ、「Ａ」が５つと評価されている。評価Ｂの例の材料を本実施形態の非磁性スペーサ層３３、及び第一の非磁性挿入層３６、第二の非磁性挿入層３７として用いれば、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３の結晶性が向上し、大きな磁気抵抗効果を発揮すると考えられ、評価Ａの例の材料を本実施形態の非磁性スペーサ層３３、及び第一の非磁性挿入層３６、第二の非磁性挿入層３７として用いれば、当該結晶性がさらに向上し、さらに大きな磁気抵抗効果を発揮すると考えられ、評価ＡＡの例の材料を本実施形態の非磁性スペーサ層３３、及び第一の非磁性挿入層３６、第二の非磁性挿入層３７として用いれば、当該結晶性がさらに向上し、さらに大きな磁気抵抗効果を発揮すると考えられる。

また、表４に示す評価結果に加え、本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）では、一般式（１）において、Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素とすることにより、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２に含まれる元素と、非磁性スペーサ層３３に含まれる元素とが、互いに、元素の周期表において同じ族及び／又は周期に属さない。そして、一般式（１）におけるＸが、イットリウム以上の原子番号を有する重金属元素であるため重く動き難く、これら重金属元素を含んだ一般式（１）で表わされるＣｒ合金は、第一の強磁性層及び第二の強磁性層を構成する元素が拡散してくるの阻害する。そのため、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３との間において、それらに含まれる元素の拡散が抑制される。この拡散の抑制は、さらに大きな磁気抵抗効果を発揮すると考えられる。

また、表４に示す評価結果に加え、本実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）では、一般式（１）において、Ｘは、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素とすることにより、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２に含まれる元素が属する周期と、非磁性スペーサ層３３に含まれる元素が属する周期とが、互いに、２周期以上離れる。そのため、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２と、非磁性スペーサ層３３との間において、それらに含まれる元素の拡散が更に抑制される。この拡散の抑制は、さらに大きな磁気抵抗効果を発揮すると考えられる。

以下、本発明の実施例および比較例により、さらに磁気抵抗効果素子について説明するが、本発明は下記例に制限されない。

表５は、後述のように作成した実施例１〜２６及び比較例１に係る磁気抵抗効果素子における非磁性スペーサ層のＣｒ合金、第一の強磁性層及び第二の強磁性層のホイスラー合金（Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β）における、α、β、α＋βの値、及び規格化ＭＲ比をまとめて示す表である。

表６は、後述のように作成した実施例２７〜３６及び比較例１に係る磁気抵抗効果素子における非磁性スペーサ層の非磁性金属層、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層のＣｒ合金、第一の非磁性挿入層の厚さｔ１、第二の非磁性挿入層の厚さｔ２、第一の強磁性層及び第二の強磁性層のホイスラー合金（Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β）、及び規格化ＭＲ比をまとめて示す表である。

磁気抵抗効果素子における磁気抵抗比（ＭＲ比）は、測定された磁気抵抗の大きさから見積もられる。ＭＲ比は、百分率で示され、下記の式（５）によって求められる。
ＭＲ比（％）＝（（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐ）×１００（％） …（５）
この式（５）において、Ｒ_ＡＰは、第一の強磁性層の磁化の向きと第二の強磁性層の磁化の向きとが反平行であるときの磁気抵抗効果素子の抵抗の大きさである。また、Ｒ_Ｐは、第一の強磁性層の磁化の向きと第二の強磁性層の磁化の向きとが平行であるときの磁気抵抗効果素子の抵抗の大きさである。

表５及び表６において、上述の定義に従って測定した各実施例及び比較例１のＭＲ比から求めた、各実施例及び比較例１の規格化ＭＲ比を示している。規格化ＭＲ比とは、各実施例及び比較例１におけるＭＲ比を、比較例１におけるＭＲ比で割ることによって算出した値を意味する。

図３は、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を評価可能な、磁気抵抗デバイスを示す図である。磁気抵抗デバイス５０は、第１電極層５１と、当該第１電極層５１と共に磁気抵抗効果素子１（１ａ）を挟む第２電極層５２とを備える。磁気抵抗効果素子１（１ａ）は、磁気抵抗特性の測定に適する形状に微細加工されている。第１電極層５１が磁気抵抗効果素子１（１ａ）の基板１０上に積層された下地層２０に接続され、第２電極層５２が磁気抵抗効果素子１（１ａ）のキャップ層４０に接続されている。磁気抵抗デバイスは、電源５３と電圧計５４とを更に備え、電源５３及び電圧計５４が、共に、第１電極層５１及び第２電極層５２に接続されている。電源５３によって磁気抵抗効果素子１（１ａ）に積層方向に電流を印加し、この際の磁気抵抗効果素子１（１ａ）への印加電圧を電圧計５４によってモニターすることができる。磁気抵抗効果素子１（１ａ）に積層方向に一定電流を流した状態で、外部から磁気抵抗効果素子１（１ａ）に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１（１ａ）への印加電圧を電圧計５４によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子１（１ａ）の抵抗変化を測定することができる。そして、この抵抗変化の測定結果から、磁気抵抗効果素子１（１ａ）のＭＲ比を算出することができる。このような磁気抵抗デバイス５０によって、後述のように作成した実施例１〜３６及び比較例１のＭＲ比の測定を行った。

［実施例１］
実施例１の磁気抵抗効果素子を以下のように作成した。非磁性スペーサ層３３の材料にＣｒ合金であるＣｒ_０．６Ｚｎ_０．４を用い、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の材料に共にＦｅを用いて上記実施形態の磁気抵抗効果素子１に対応する磁気抵抗効果素子を作製した。非磁性スペーサ層３３の厚さは、５ｎｍとした。第一の強磁性層３１の厚さは、３ｎｍとし、第二の強磁性層３２の厚さは、３ｎｍとした。基板１０にはＭｇＯ単結晶を用い、下地層２０にはＡｇを用い、厚さは１００ｎｍとした。また、結晶配向層１５にはＣｒを用い、厚さは２０ｎｍとした。反強磁性体層３４にはＩｒＭｎを用い、厚さは１０ｎｍとした。キャップ層４０にはＲｕを用い、厚さを５ｎｍとした。基板上の各層の作製は、スパッタ法により行った。この磁気抵抗効果素子の形成後に磁場中熱処理を行い、磁気抵抗効果素子１の膜面内方向に一軸磁気異方性を付与した。この磁場中熱処理における熱処理温度を３００℃とし、印加磁場の強度を５ｋＯｅとした。

［実施例２〜２６］
表５に示すように、実施例１に対して、非磁性スペーサ層３３の材料、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の材料を変更した上で、実施例１と同様の作製及び見積もり手順によって、磁気抵抗効果素子の作製及びＭＲ比の見積もりを行った。第一の強磁性層及び第二の強磁性層の材料は同一とした。

［実施例２７〜３６］
実施例２７〜３６の磁気抵抗効果素子を以下のように作成した。非磁性スペーサ層３３は、Ｃｒからなる非磁性金属層３５と、Ｃｒ_０．９５Ｔａ_０．０５からなる非磁性挿入層３６及び非磁性挿入層３７を用いた構成とした。また、第一の非磁性挿入層３６の厚さ（ｔ１）と第二の非磁性挿入層３７の厚さ（ｔ２）を同じとし、０．１ｎｍ〜１５ｎｍまで変えて作製した。第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の材料は、共にＣｏ_２Ｍｎ_１．３Ｓｎ_０．９５を用いて上記実施形態の磁気抵抗効果素子１ａに対応する磁気抵抗効果素子を作製した。非磁性金属層３５の厚さは、５ｎｍとした。第一の強磁性層３１の厚さは、３ｎｍとし、第二の強磁性層３２の厚さは、３ｎｍとした。基板にはＭｇＯ単結晶を用い、下地層２０にはＡｇを用い、厚さは１００ｎｍとした。また、結晶配向層１５にはＣｒを用い、厚さは２０ｎｍとした。反強磁性体層３４にはＩｒＭｎを用い、厚さは１０ｎｍとした。キャップ層４０にはＲｕを用い、厚さを５ｎｍとした。基板上の各層の作製は、スパッタ法により行った。この磁気抵抗効果素子の形成後に磁場中熱処理を行い、磁気抵抗効果素子１ａに一軸磁気異方性を付与した。この磁場中熱処理における熱処理温度を３００℃とし、印加磁場の強度を５ｋＯｅとした。

［比較例１］
表５、表６に示すように、非磁性スペーサ層の材料にＣｒを用い、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の材料に共にＦｅを用いた以外は、実施例１と同様の作製及び見積もり手順によって、磁気抵抗効果素子の作製及びＭＲ比の見積もりを行った。

図４は、実施例６〜実施例１６におけるαと規格化ＭＲ比との関係を示す図である。実施例６〜実施例１６では、βを０．９５に固定し、αを０．４〜１．７の間で変化させている。図４では、０．７＜α＜１．６であるときの規格化ＭＲ比が破線で囲まれている。

図５は、実施例１７〜実施例２６におけるβと規格化ＭＲ比との関係を示す図である。実施例１７〜実施例２６では、αを１．３に固定し、βを０．５５〜１．４５の間で変化させている。図５では、０．６５＜β＜１．３５であるときの規格化ＭＲ比が破線で囲まれている。

図６は、実施例６〜実施例１６と実施例１７〜実施例２６とにおけるα＋βと規格化ＭＲ比との関係を示す図である。実施例６〜実施例１６では、α＋βを１．３５〜２．６５の間で変化させており、実施例１７〜実施例２６では、α＋βを１．８５〜２．７５の間で変化させている。図６では、２＜α＋β＜２．６であるときの規格化ＭＲ比が破線で囲まれている。

図４〜図６に示されるように、全ての実施例に係る磁気抵抗効果素子は、比較例に係る磁気抵抗効果素子より大きな規格化ＭＲ比を有している。

また、図４及び図５に示されるように、０．７＜α＜１．６かつ０．６５＜β＜１．３５であるとき、実施例に係る磁気抵抗効果素子は、より大きな規格化ＭＲ比を有しており、具体的には、実施例に係る磁気抵抗効果素子の規格化ＭＲ比は５を超えている。これは、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２のホイスラー合金は、０．７＜α＜１．６かつ０．６５＜β＜１．３５であるとき、化学量論的組成に近い格子定数を有し、非磁性スペーサ層３３に含まれるＣｒ合金（Ｃｒ_γＸ_１−γ、０．７５＜γ＜１）との格子不整合が特に小さくなることを示している。このような場合の磁気抵抗効果素子は、良質な第一の強磁性層３１、非磁性スペーサ層３３及び第二の強磁性層３２を備え、大きな磁気抵抗効果を発揮する。

また、図６に示されるように、２＜α＋β＜２．６であるとき、実施例に係る磁気抵抗効果素子は６を超える規格化ＭＲ比を有することができる。この大きな規格化ＭＲ比は、ホイスラー合金は、２＜α＋β＜２．６であるとき、ハーフメタル特性を有し易くなり、このハーフメタル特性を有するホイスラー合金が、大きな磁気抵抗効果を示した結果である。

図７は、実施例２７〜実施例３６における第一の非磁性挿入層３６の厚さｔ１又は第二の非磁性挿入層３７の厚さｔ２と規格化ＭＲ比との関係を示す図である。実施例２７〜実施例３６では、ｔ１とｔ２とが互いに等しく、ｔ１（ｔ２）を０．１ｎｍ〜１５ｎｍの間で変化させている。図７では、０．２ｎｍ＜ｔ１（ｔ２）＜１０ｎｍであるときの規格化ＭＲ比が破線で囲まれている。

図７に示されるように、０．２ｎｍ＜ｔ１（ｔ２）＜１０ｎｍであるとき、実施例に係る磁気抵抗効果素子１ａは８を超える規格化ＭＲ比を有することができる。この大きな規格化ＭＲ比は、非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との間において格子不整合が低減し、また、第一の強磁性層３１から第二の強磁性層３２に移動する電子においてスピン散乱が減少した結果である。

以上、実施形態及び実施例によって本発明を説明してきたが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上記実施形態の磁気抵抗効果素子１（１ａ）は、ＣＰＰ構造ではなく、積層面方向に沿って検出用電流が流されるＣＩＰ（Current In Plane）構造を有することができる。

また、本実施形態を満たす磁気抵抗効果素子によれば、高いＭＲ比を得ることができ、上記の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ又は発振素子は、磁気抵抗効果が大きいため、これに起因する優れた特性を発揮することができる。

１（１ａ）…磁気抵抗効果素子、１０…基板、２０…下地層、３０…磁気抵抗層、３１…第一の強磁性層、３２…第二の強磁性層、３３…非磁性スペーサ層、３４…反強磁性体層、３５…非磁性金属層、３６…第一の非磁性挿入層、３７…第二の非磁性挿入層、４０…キャップ層。

Claims (8)

1. 磁化固定層としての第一の強磁性層と、
   磁化自由層としての第二の強磁性層と、
   前記第一の強磁性層と前記第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層と、
   を備え、
   前記非磁性スペーサ層は、一般式（１）で表されるＣｒ合金を含み、それにより前記非磁性スペーサ層と、前記第一の強磁性層及び／又は前記第二の強磁性層との間の格子不整合は、前記非磁性スペーサ層がＣｒからなるときの格子不整合に比べて小さくなる、磁気抵抗効果素子。
   Ｃｒ_γＸ_１−γ …（１）
   ［式中、Ｘは、Ｂｅ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素を表し、γは、０．５＜γ＜１である。］
2. 前記非磁性スペーサ層は、
   Ｃｒからなる非磁性金属層と、当該非磁性金属層の下面に設けられる第一の非磁性挿入層及び当該非磁性金属層の上面に設けられる第二の非磁性挿入層の少なくとも一つとを有し、前記第一の非磁性挿入層または前記第二の非磁性挿入層が、一般式（１）で表されるＣｒ合金を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記一般式（１）において、０．７５＜γ＜１である、請求項１から２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第一の強磁性層及び前記第二の強磁性層の少なくとも一つは、一般式（２）で表されるホイスラー合金を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
   Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β…（２）
   [式中、Ｌは、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｒの少なくとも一以上の元素であり、Ｍは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎからなる群より選択される一以上の元素を表し、０．７＜α＜１．６であり、０．６５＜β＜１．３５である。］
5. 前記一般式（１）において、前記Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素である請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記一般式（１）において、Ｘは、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｔからなる群より選択される一の元素である請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記一般式（２）において、２＜α+β＜２．６である請求項４から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記第一の非磁性挿入層の厚さをｔ１としたとき、０．２ｎｍ＜ｔ１＜１０ｎｍであり、前記第二の非磁性挿入層の厚さをｔ２としたとき、０．２ｎｍ＜ｔ２＜１０ｎｍである、請求項２から７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

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