JP2021144988A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＲＡを低減した磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】この磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層との間または前記第２強磁性層と前記非磁性層との間の少なくとも一方に配置された挿入層と、を備え、前記非磁性層は、ＭｇおよびＧａを含む酸化物であり、前記挿入層は、Ｇａを含む強磁性体である。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関する。
磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果により積層方向の抵抗値が変化する素子である。磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層とこれらに挟まれた非磁性層とを備える。非磁性層に導体が用いられた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子と言われ、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）が用いられた磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子と言われる。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の様々な用途への応用が可能である。
特許文献１には、ＭｇＧａ２Ｏ４を含む非磁性層を用いた磁気抵抗効果素子が記載されている。特許文献１においてＧａを含む非磁性層は、逆スピネル構造を有し、面積抵抗（ＲＡ）が低いことが記載されている。
特許第６３６５９０１号公報
近年の磁気記録媒体の低電圧化、省電力化の要求に伴って、磁気ヘッドではさらなる低消費電力化が望まれている。しかしながら、特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子のように、非磁性層がＧａを含む場合でもＲＡが十分に小さくならない場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ＲＡを低減した磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、Ｇａを含む非磁性層を用いた磁気抵抗効果素子においてＧａが他の層へ拡散することで、ＲＡが十分小さくならないことを見出した。従って、本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層との間または前記第２強磁性層と前記非磁性層との間の少なくとも一方に配置された挿入層と、を備え、前記非磁性層は、ＭｇおよびＧａを含む酸化物であり、前記挿入層は、Ｇａを含む強磁性体である。
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は、ＭｇとＡｌとＧａとを含む酸化物であってもよい。
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記挿入層の厚さは、２ｎｍ以下であってもよい。
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記挿入層と前記第１強磁性層と前記第２強磁性層は、ＣｏまたはＦｅの少なくとも１つの元素を含んでいてもよい。
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記挿入層がＧａを含むホイスラー合金を含んでいてもよい。
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金は、下記の一般式（１）で表される合金であってもよい
Ｃｏ２ＦｅαＧａβＧｅγ ・・・（１）
（式（１）中、α、β及びγは、２．３≦α＋β＋γ、α≦β＋γ、かつ０．５＜α＜１．９、０．１≦β、０．１≦γを満足する数を表す）。
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記挿入層と前記第１強磁性層との間と、前記挿入層と前記第２強磁性層との間と、の少なくとも一方に金属粒子層を備え、前記金属粒子層は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏからなる群から選択されるいずれか一つの元素を含んでいてもよい。
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記金属粒子層の厚さが１ｎｍ以下であってもよい。
（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１挿入層及び前記第２挿入層のＧａ濃度は、前記非磁性層のＧａ濃度よりも小さくてもよい。
（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、積層方向のいずれかの位置に、前記挿入層と逆向きの磁歪を示す磁歪低減層をさらに備えてもよい。
（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記磁歪低減層は、前記挿入層に隣接してもよい。
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、ＲＡを低減できる。
第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。 変形例１に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。 変形例２に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。 変形例３に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。 適用例１に係る磁気記録素子の断面図である。 適用例２に係る磁気記録素子の断面図である。 適用例３に係る磁気記録素子の断面図である。 適用例４に係る磁壁移動素子の断面図である。 適用例５に係る高周波デバイスの断面図である。
以下、本実施形態について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、明細書中に記載の組成式は、化学量論組成で記載しているが、構造を維持できる範囲での化学量論組成からのブレは容認される。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。まず方向について定義する。各層が積層されている方向を積層方向という場合がある。また積層方向と交差し、各層が広がる方向を面内方向という場合がある。
図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３と第１挿入層４Ａと第２挿入層４Ｂを備える。非磁性層３は、第１挿入層４Ａと第２挿入層４Ｂとの間にある。第１強磁性層１と第２強磁性層２とは、第１挿入層４Ａ、非磁性層３及び第２挿入層４Ｂを積層方向に挟む。第１挿入層４Ａは、第１強磁性層１と非磁性層３とに挟まれる。第２挿入層４Ｂは、第２強磁性層２と非磁性層３とに挟まれる。以下、第１強磁性層１及び第２強磁性層２のそれぞれを区別しない場合に、単に強磁性層という場合がある。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。第２強磁性層２の磁化は、例えば、第１強磁性層１の磁化より動きやすい。所定の外力を加えた場合に、第１強磁性層１の磁化の向きは変化せず（固定され）、第２強磁性層２の磁化の向きは変化する。第１強磁性層１の磁化の向きに対して第２強磁性層２の磁化の向きが変化することで、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は変化する。この場合、第１強磁性層１は磁化固定層と言われ、第２強磁性層２は磁化自由層と言われる場合がある。
以下、第１強磁性層１が磁化固定層、第２強磁性層２が磁化自由層として説明するが、この関係は逆でもよい。すなわち、第１強磁性層１が磁化自由層、第２強磁性層が磁化固定層であってもよい。また磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力するため、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化がいずれも動く構成（すなわち、第１強磁性層１と第２強磁性層２がいずれも磁化自由層）でもよい。
所定の外力を印加した際の第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化との動きやすさの差は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との保磁力の違いにより生じる。例えば、第２強磁性層２の厚みを第１強磁性層１の厚みより薄くすると、第２強磁性層２の保磁力が第１強磁性層１の保磁力より小さくなる。また例えば、磁化固定層である第１強磁性層１の第１挿入層４Ａと反対側の面に、反強磁性層を設けてもよい。反強磁性層が第１強磁性層１と交換結合することにより、第１強磁性層１の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも高い保磁力を一方向に有する第１強磁性層１を得られる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。さらに、第１強磁性層１は漏れ磁場を第２強磁性層２に影響させないようにするためにスペーサ層を挟む２つの磁性層からなるシンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）としても良い。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。
（強磁性層）
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。図１に示す磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選ばれる金属、これらの金属を一以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ及びＮのうち少なくとも一種の元素とが含まれる合金を含む。第１強磁性層１は、例えばＦｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂである。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金からなっていてもよい。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、詳細を後述する挿入層と同じ金属元素を含むことが好ましい。例えば、ＣｏまたはＦｅのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。
ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物である。Ｘ２ＹＺで表記される強磁性のホイスラー合金は、フルホイスラー合金と言われ、ＸＹＺで表記される強磁性のホイスラー合金は、ハーフホイスラー合金と言われる。ハーフホイスラー合金は、フルホイスラー合金のＸサイトの原子の一部が空格子となったものである。何れも典型的にはｂｃｃ構造を基本とした金属間化合物である。
ここでＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。フルホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＧｅｘＧａ１−ｘ、Ｃｏ２ＭｎＧｅｘＧａ１−ｘ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ等である。ハーフホイスラー合金は、例えば、ＮｉＭｎＳｅ、ＮｉＭｎＴｅ、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、ＰｄＭｎＳｂ、ＣｏＦｅＳｂ、ＮｉＦｅＳｂ、ＲｈＭｎＳｂ、ＣｏＭｎＳｂ、ＩｒＭｎＳｂ、ＮｉＣｒＳｂである。
（非磁性層）
非磁性層３は、非磁性の絶縁体または半導体である。より具体的には、非磁性層３は、Ｍｇ及びＧａを含む酸化物である。非磁性層３は、例えば、ＭｇとＡｌとＧａとを含む酸化物であってもよい。非磁性層３は、例えば、ＭｇＧａ２Ｏｚ、Ｍｇ(ＡｌｘＧａ１−ｘ）２ＯＹである。ｘは０＜ｘ＜１、Ｙは０＜Ｙ≦４の範囲の数である。非磁性層３は、例えば、ＭｇＯ／Ｇａ２Ｏ３、ＭｇＯ／ＭｇＧａ２Ｏ４、ＭｇＡｌ２Ｏ４／ＭｇＧａ２Ｏ４のような積層体を含んでいてもよい。また、上記に加えて、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｉｎなどの元素が添加されていても良い。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。これらの材料は、非磁性層中にＧａを含むためＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４と比較するとバンドギャップが小さく、ＲＡの低減に有利である。
非磁性層３は、例えば、厚みが０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下の範囲内である。非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁気的な結合を阻害する。非磁性層３は、トンネルバリア層と言われる場合もある。
（挿入層）
第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂは、Ｇａを含む強磁性体である。第１挿入層４Ａは、非磁性層３に含まれるＧａが第１強磁性層１へ拡散することを抑制する。第２挿入層４Ｂは、非磁性層３に含まれるＧａが第２強磁性層２へ拡散することを抑制する。第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４ＢのＧａ濃度は、例えば、非磁性層３のＧａ濃度よりも低い。Ｇａ濃度は、例えば、非磁性層３から積層方向へ離間するに従い、小さくなる。第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４ＢのＧａ濃度が非磁性層３のＧａ濃度よりも低いと、第１挿入層４Ａから第１強磁性層１、及び第２挿入層４Ｂから第２強磁性層２へのＧａ元素の拡散を抑制できる。
第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４ＢのＧａ濃度は、例えばエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を用いて行うことができる。またＥＤＳ分析は、膜厚方向のＧａ濃度を測定することもできる。またＥＤＳ分析は、磁気抵抗効果素子を構成する他の層の組成分析、他の元素の組成分析もできる。
以下、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂのそれぞれを区別しない場合に、単に挿入層という場合がある。
挿入層は、例えば、第１強磁性層１及び第２強磁性層２と同じ金属元素を含む。挿入層と第１強磁性層１及び第２強磁性層２とが同じ元素を含むと、格子ミスマッチが抑制され、Ｖｈａｌｆ特性が向上する。例えば、挿入層はＣｏまたはＦｅのうち少なくとも１つの元素を含む。挿入層は、例えば、Ｆｅ−Ｇａ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｇａである。
挿入層は、例えば、Ｆｅ１−ｘＧａｘである。ｘは、例えば０＜ｘ＜０．２であり、０．０１≦ｘ≦０．１が好ましい。ｘの範囲が上記範囲内であれば、挿入層の磁歪が低減される。
また挿入層は、Ｇａを含むホイスラー合金でもよい。挿入層は、例えば、Ｘ２Ｙα（ＧａβＺ１γ）、ＸＹα（ＧａβＺ２γ）で表記される。α、β、γは、結晶構造を維持できる範囲で選択できる添え字である。γ＝０でもよい。また０．１≦βを満たすと、低温度でも結晶構造が規則化し、他の層への元素拡散が抑制される。
挿入層は、例えば、下記一般式（１）で表されるホイスラー合金である。
Ｃｏ２ＦｅαＧａβＧｅγ ・・・（１）
（式（１）中、α、β及びγは、２．３≦α＋β＋γ、α≦β＋γ、かつ０．５＜α＜１．９、０．１≦β、０．１≦γを満足する数を表す。）
一般式（１）のホイスラー合金は、ＧａとＧｅとの相乗効果によって、ハーフメタルとしての特性が強くなりスピン分極率が向上する。挿入層は、非磁性層３に接するため、挿入層のスピン分極率が高いと、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が高まる。
第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂの厚みは、例えば、２ｎｍ以下である。磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化は、非磁性層３に接する２つの強磁性の磁化の相対角の差で生じる。第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂの厚みが厚いと、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂが磁気抵抗変化に及ぼす影響が大きくなる。また第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂの厚さが薄いと磁歪を低減できる。
第１挿入層４Ａおよび第２挿入層４Ｂの組成及び厚さは同じであってもよく、それぞれ異なっていてもよい。
［磁気抵抗効果素子の製造方法］
次いで、磁気抵抗効果素子１０の製造方法について説明する。第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の製造方法は、まず成膜の下地となる基板を準備する。基板は、結晶性を有しても、アモルファスでもよい。結晶性を有する基板としては、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミックがある。アモルファスの基板としては、例えば、熱酸化膜付シリコン単結晶、ガラス、石英がある。
次いで、基板上に、第１強磁性層１、第１挿入層４、非磁性層３、第２挿入層４Ｂ、第２強磁性層２を順に成膜する。これらの層は、例えば、スパッタリング法で成膜される。また、これらの層はフォトリソグラフィにより所定の形に形成され、アニール処理される。
尚、基板の磁気抵抗効果素子側の面には、下地層が形成されていてもよい。下地層は例えば、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層や、ＡＢＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層や、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層や、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層である。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、ＲＡが小さい。Ｇａを含む第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂが、非磁性層３からのＧａの拡散を抑制するためと考えられる。
また非磁性層３がＭｇとＡｌとＧａとを含む酸化物の場合、非磁性層３は安定なＭｇＡｌ２Ｏ４を選択し、余ったＧａを他の層へ排出する場合がある。この場合でも、Ｇａを含む第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂが、非磁性層３からのＧａの拡散を抑制し、磁気抵抗効果素子１０のＲＡを小さくできる。
［変形例１］
図２は、変形例１に係る磁気抵抗効果素子２０の断面模式図である。磁気抵抗効果素子２０は、第１金属粒子層５Ａおよび第２金属粒子層５Ｂを有する点が磁気抵抗効果素子１０と異なる。磁気抵抗効果素子１０と同一の構成は、同一の符号を付し、説明を省略する。
第１金属粒子層５Ａは、第１強磁性層１と第１挿入層４Ａとの間にある。第２金属粒子層５Ｂは、第２強磁性層２と第２挿入層４Ｂとの間にある。第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂの厚みは、例えば１ｎｍ以下である。第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂの厚みは、面内方向の平均厚みである。平均厚みが１ｎｍ以下の場合、第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂの厚みは、均質な層となりにくい。第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂは、金属粒子が点在する層でも、金属層の一部に開口を有する層でもよい。
第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂは、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏからなる群から選択されるいずれか一つの元素を含む。
変形例１にかかる磁気抵抗効果素子２０を用いた場合であっても、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を用いた場合と同様な効果を得ることができる。また、第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂに備えられるＴａ、Ｗ、Ｍｏからなる群から選択される元素は、いずれも重金属である。そのため、上記第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂの重金属元素は、非磁性層３及び挿入層に含まれるＧａの障壁となる。すなわち、磁気抵抗効果素子２０は、非磁性層３及び挿入層のＧａが拡散することを抑制できる。
また第１金属粒子層５Ａ及び第２金属粒子層５Ｂの厚みが十分薄いことで、第１強磁性層１と第１挿入層４Ａ及び第２強磁性層２と第２挿入層４Ｂの磁気的な結合が維持される。
［変形例２］
図３は、変形例２に係る磁気抵抗効果素子３０の断面模式図である。磁気抵抗効果素子３０は、第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂを有する点が磁気抵抗効果素子１０と異なる。磁気抵抗効果素子１０と同一の構成は、同一の符号を付し、説明を省略する。以下、第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂのそれぞれを区別しない場合に、単に磁歪低減層という場合がある。
第１磁歪低減層６Ａおよび第２磁歪低減層６Ｂは、磁気抵抗効果素子３０の積層方向の任意の位置に配置される。第１磁歪低減層６Ａは、例えば、第１強磁性層１と第１挿入層４Ａとの間にある。第２磁歪低減層６Ｂは、例えば、第２強磁性層２と第２挿入層４Ｂとの間にある。
第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂは、挿入層と反対向きの磁歪を引き起こす材料が用いられる。挿入層は、例えば、Ｆｅ−Ｇａであり、正の磁歪を有する。第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂは、例えば、負の磁歪を有する。第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂは、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ、ＳｍＦｅ、ＥｒＦｅ２、ＴｍＦｅ２、ＣｏＳｉＢ等である。
変形例２にかかる磁気抵抗効果素子３０を用いた場合であっても、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を用いた場合と同様な効果を得ることができる。また第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂには、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂの磁歪と対向する向きに磁歪が生じうる。そのため、磁気抵抗効果素子３０は、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂ、第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂのそれぞれが平坦になるように力が加わり、磁歪が抑制される。磁歪は、磁気センサのノイズの原因となるため、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子３０によれば、感度の高い磁気センサを得ることができる。
［変形例３］
図４は、変形例３に係る磁気抵抗効果素子４０の断面模式図である。磁気抵抗効果素子４０は、第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂを有する点が磁気抵抗効果素子２０と異なる。磁気抵抗効果素子２０と同一の構成は、同一の符号を付し、説明を省略する。
第１磁歪低減層６Ａは、例えば第１金属粒子層５Ａと第１挿入層４Ａとの間にある。第２磁歪低減層６Ｂは、例えば第２金属粒子層５Ｂと第２挿入層４Ｂとの間にある。
変形例３にかかる磁気抵抗効果素子４０を用いた場合であっても、変形例１に係る磁気抵抗効果素子２０と同様な効果を得ることができる。また磁気抵抗効果素子４０は、第１磁歪低減層６Ａ及び第２磁歪低減層６Ｂを備えるため、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂの磁歪を抑制できる。磁歪は、磁気センサのノイズの原因となるため、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子４０によれば、感度の高い磁気センサを得ることができる。
尚、図４では第１磁歪低減層６Ａが第１金属粒子層５Ａと第１挿入層４Ａとの間にあり、第２磁歪低減層６Ｂが第２金属粒子層５Ｂと第２挿入層４Ｂとの間にある場合を例示した。しかしながら、変形例３はこの例に限定されず、第１磁歪低減層６Ａが第１強磁性層１と第１金属粒子層５Ａとの間にあってもよく、第２磁歪低減層６Ｂが第２強磁性層２と第２金属粒子層５Ｂとの間にあってもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、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。
上記では、磁気抵抗効果素子１０が第１挿入層４Ａと第２挿入層４Ｂを同時に有する例を示したが、いずれか一方のみでもよい。また第１金属粒子層５Ａと第２金属粒子層５Ｂ、第１磁歪低減層６Ａと第２磁歪低減層６Ｂも、いずれか一方のみでもよい。
上記の磁気抵抗効果素子１０、２０、３０、４０は、様々な用途に用いることができる。磁気抵抗効果素子１０、２０、３０、４０は、例えば、磁気ヘッド、磁気センサ、磁気メモリ、高周波フィルタなどに適用できる。
次に、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の適用例について説明する。なお、以下の適用例では、磁気抵抗効果素子として、磁気抵抗効果素子１０を用いているが、磁気抵抗効果素子はこれに限定されるものではない。
図５は、適用例１にかかる磁気記録素子の断面図である。図５は、積層方向に沿って磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。
図５に示すように、磁気記録素子１００は、磁気ヘッドＭＨと磁気記録媒体Ｗとを有する。図５において、磁気記録媒体Ｗが延在する一方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とする。ＸＹ面は、磁気記録媒体Ｗの主面と平行である。磁気記録媒体Ｗと磁気ヘッドＭＨとを結ぶ方向であって、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
磁気ヘッドＭＨは、エアベアリング面（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）Ｓが磁気記録媒体Ｗの表面と対向している。磁気ヘッドＭＨは、磁気記録媒体Ｗから一定の距離で離れた位置にて、磁気記録媒体Ｗの表面に沿って、矢印＋Ｘと矢印−Ｘの方向に移動する。磁気ヘッドＭＨは、磁気センサとして作用する磁気抵抗効果素子１０と磁気記録部（付図示）とを有する。抵抗測定器２１は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向と抵抗値を測定する。
磁気記録部は、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に磁場を印加し、記録層Ｗ１の磁化の向きを決定する。すなわち、磁気記録部は、磁気記録媒体Ｗの磁気記録を行う。磁気抵抗効果素子１０は、磁気記録部によって書き込まれた記録層Ｗ１の磁化の情報を読み取る。
磁気記録媒体Ｗは、記録層Ｗ１と裏打ち層Ｗ２とを有する。記録層Ｗ１は磁気記録を行う部分であり、裏打ち層Ｗ２は書込み用の磁束を再び磁気ヘッドＭＨに還流させる磁路（磁束の通路）である。記録層Ｗ１は、磁気情報を磁化の向きとして記録している。
磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性層２は、例えば、磁化自由層である。このため、エアベアリング面Ｓに露出した第２強磁性層２は、対向する磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に記録された磁化の影響を受ける。例えば、図４においては、記録層Ｗ１の＋Ｚ方向に向いた磁化の影響を受けて、第２強磁性層２の磁化の向きが＋Ｚ方向を向く。この場合、磁化固定層である第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の向きが平行となる。
ここで、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の向きが平行の場合の抵抗と、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の向きが反平行の場合の抵抗とは異なる。平行の場合の抵抗値と反平行の場合の抵抗値の差が大きいほど、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比は大きくなる。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、Ｇａを含む非磁性層３、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４Ｂを備え、ＲＡが小さい。従って、抵抗測定器２１によって、記録層Ｗ１の磁化の情報を抵抗値変化として低出力で読み出すことができる。
磁気ヘッドＭＨの磁気抵抗効果素子１０の形状は特に制限はない。例えば、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１に対する磁気記録媒体Ｗの漏れ磁場の影響を避けるために、第１強磁性層１を磁気記録媒体Ｗから離れた位置に設置してもよい。
図６は、適用例２にかかる磁気記録素子１０１の断面図である。図６は、積層方向に沿って磁気記録素子１０１を切断した断面図である。
図６に示すように、磁気記録素子１０１は、磁気抵抗効果素子１０と電源２２と測定部２３とを有する。電源２２は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電位差を与える。電源２２は、例えば、直流電源である。測定部２３は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値を測定する。
電源２２により第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に電位差が生じると、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流が流れる。電流は、第１強磁性層１を通過する際にスピン偏極し、スピン偏極電流となる。スピン偏極電流は、非磁性層３を介して、第２強磁性層２に至る。第２強磁性層２の磁化は、スピン偏極電流によるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を受けて磁化反転する。第１強磁性層１の磁化の向きと第２強磁性層２の磁化の向きとの相対角が変化することで、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値は、測定部２３で読み出される。すなわち、図６に示す磁気記録素子１０１は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）型の磁気記録素子である。
図６に示す磁気記録素子１０１は、非磁性層３、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４ＢがＧａを含むため、ＲＡが小さく、低出力でデータの読み出しが可能である。
図７は、適用例３に係る磁気記録素子１０２の断面図である。図７は、積層方向に沿って磁気記録素子１０２を切断した断面図である。
図７に示すように、磁気記録素子１０２は、磁気抵抗効果素子１０とスピン軌道トルク配線８と電源２２と測定部２３とを有する。スピン軌道トルク配線８は、例えば、第２強磁性層２に接する。スピン軌道トルク配線８は、面内方向の一方向に延びる。電源２２はスピン軌道トルク配線８の第１端と第２端とに接続されている。第１端と第２端とは、平面視で磁気抵抗効果素子１０を挟む。電源２２は、スピン軌道トルク配線８に沿って書込み電流を流す。測定部２３は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値を測定する。
電源２２によりスピン軌道トルク配線８の第１端と第２端との間に電位差を生み出すと、スピン軌道トルク配線８の面内方向に電流が流れる。スピン軌道トルク配線８は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する。スピン軌道トルク配線８は、例えば電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。例えば、配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号を有する非磁性金属を含む。
スピン軌道トルク配線８の面内方向に電流が流れると、スピン軌道相互作用によりスピンホール効果が生じる。スピンホール効果は、移動するスピンが電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる現象である。スピンホール効果は、スピン軌道トルク配線８内にスピンの偏在を生み出し、スピン軌道トルク配線８の厚み方向にスピン流を誘起する。スピンは、スピン流によってスピン軌道トルク配線８から第２強磁性層２に注入される。
第２強磁性層２に注入されたスピンは、第２強磁性層２の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第２強磁性層２は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて、磁化反転する。第１強磁性層１の磁化の向きと第２強磁性層２の磁化の向きとの相対角が変化することで、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値は、測定部２３で読み出される。すなわち、図７に示す磁気記録素子１０２は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）型の磁気記録素子である。
図７に示す磁気記録素子１０２は、非磁性層３、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４ＢがＧａを含み、ＲＡが小さいため、低出力でデータの読み出しが可能である。
図８は、適用例４に係る磁壁移動素子（磁壁移動型磁気記録素子）の断面図である。磁壁移動素子１０３は、磁気抵抗効果素子１０と第１磁化固定層２４と第２磁化固定層２５とを有する。磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３と第１挿入層４Ａと第２挿入層４Ｂとを備える。図８において、第２強磁性層２が伸びる方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
第１磁化固定層２４及び第２磁化固定層２５は、第２強磁性層２の第１端と第２端に接続されている。第１端と第２端は、Ｘ方向に第１強磁性層１及び非磁性層３を挟む。
第２強磁性層２は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。第２強磁性層２は、内部に第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２とを有する。第２強磁性層２のうち第１磁化固定層２４又は第２磁化固定層２５とＺ方向に重なる位置の磁化は、一方向に固定される。第１磁化固定層２４とＺ方向に重なる位置の磁化は例えば＋Ｚ方向に固定され、第２磁化固定層２５とＺ方向に重なる位置の磁化は例えば−Ｚ方向に固定される。その結果、第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２との境界に磁壁ＤＷが形成される。第２強磁性層２は、磁壁ＤＷを内部に有するができる。図７に示す第２強磁性層２は、第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１が＋Ｚ方向に配向し、第２磁区ＭＤ２の磁化ＭＭＤ２が−Ｚ方向に配向している。
磁壁移動素子１０３は、第２強磁性層２の磁壁ＤＷの位置によって、データを多値又は連続的に記録できる。第２強磁性層２に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁壁移動素子１０３の抵抗値変化として読み出される。
第２強磁性層２における第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２との比率は、磁壁ＤＷが移動すると変化する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、例えば、第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１と同じ方向（平行）であり、第２磁区ＭＤ２の磁化ＭＭＤ２と反対方向（反平行）である。磁壁ＤＷが＋Ｘ方向に移動し、Ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１と重畳する部分における第１磁区ＭＤ１の面積が広くなると、磁壁移動素子１０３の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁ＤＷが−Ｘ方向に移動し、Ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１と重畳する部分における第２磁区ＭＤ２の面積が広くなると、磁壁移動素子１０３の抵抗値は高くなる。
磁壁ＤＷは、第２強磁性層２のＸ方向に書込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、第２強磁性層２の＋Ｘ方向に書込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の−Ｘ方向に流れるため、磁壁ＤＷは−Ｘ方向に移動する。第１磁区ＭＤ１から第２磁区ＭＤ２に向って電流が流れる場合、第２磁区ＭＤ２でスピン偏極した電子は、第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１を磁化反転させる。第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１が磁化反転することで、磁壁ＤＷが−Ｘ方向に移動する。
図８に示す磁壁移動素子１０３は、非磁性層３、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４ＢがＧａを含むため、データの安定性が向上する。
図９は、適用例５にかかる高周波デバイス１０４の模式図である。図９に示すように、高周波デバイス１０４は、磁気抵抗効果素子１０と直流電源２６とインダクタ２７とコンデンサ２８と出力ポート２９と配線３１，３２を有する。
配線３２は、磁気抵抗効果素子１０と出力ポート２９とを繋ぐ。配線３１は、配線３２から分岐し、インダクタ２７及び直流電源２６を介し、グラウンドＧへ至る。直流電源２６、インダクタ２７、コンデンサ２８は、公知のものを用いることができる。インダクタ２７は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。コンデンサ２８は、電流の高周波成分を通し、電流の不変成分をカットする。インダクタ２７は高周波電流の流れを抑制したい部分に配設し、コンデンサ２８は直流電流の流れを抑制したい部分に配設する。
磁気抵抗効果素子１０に含まれる強磁性層に交流電流または交流磁場を印加すると、第２強磁性層２の磁化は歳差運動する。第２強磁性層２の磁化は、第２強磁性層２に印加される高周波電流又は高周波磁場の周波数が、第２強磁性層２の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に強く振動し、第２強磁性層２の強磁性共鳴周波数から離れた周波数ではあまり振動しない。この現象を強磁性共鳴現象という。
磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、第２強磁性層２の磁化の振動により変化する。直流電源２６は、磁気抵抗効果素子１０に直流電流を印加する。直流電流は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に流れる。直流電流は、配線３２，３１、磁気抵抗効果素子１０を通りグラウンドＧへ流れる。磁気抵抗効果素子１０の電位は、オームの法則に従い変化する。磁気抵抗効果素子１０の電位の変化（抵抗値の変化）に応じて高周波信号が出力ポート２９から出力される。
図９に示す高周波デバイス１０４は、非磁性層３、第１挿入層４Ａ及び第２挿入層４ＢがＧａを含むため、ＲＡが小さく、高周波信号を容易に出力できる。
［実施例１］
ＭｇＯ基板の（００１）面に、まず下地層として４０ｎｍのＣｒを成膜し、８００℃でアニールした。下地層は、磁気抵抗効果素子に接続される配線を兼ねる。次いで、下地層上に、第１強磁性層と第１挿入層を順に積層し、３００℃でアニールした。第１強磁性層は、３０ｎｍ厚みのＦｅであり、第１挿入層は１．５ｎｍ厚みのＦｅ0.9Ｇａ0.1とした。
次いで、第１挿入層上に、０．３ｎｍ厚みのＭｇと０．７ｎｍ厚みのＭｇＧａ２Ｏｘを成膜し、５００℃でアニールした。アニールにより酸素が拡散することで、Ｍｇ層とＭｇＧａ２Ｏｘ層とがまとめて非磁性層となった。
次いで、非磁性層上に、第２挿入層と第２強磁性層を成膜した。第２挿入層は１．５ｎｍ厚みのＦｅ0.9Ｇａ0.1とし、第２強磁性層は６ｎｍ厚みのＦｅとした。その後、第２強磁性層上に、反強磁性層として１２ｎｍのＩｒＭｎを積層した。最後に、キャップ層として１０ｎｍ厚みのＲｕを積層し、１５ｋＯｅの磁場中で、３００℃３時間アニールした。
実施例１の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.9（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。実施例１では、第１強磁性層が磁化自由層で、第２強磁性層が磁化固定層である。
実施例１の磁気抵抗効果素子のＭＲ比及びＲＡを測定した。
ＭＲ比は、磁気抵抗効果素子の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に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化を測定した。ＭＲ比の測定は、３００Ｋ（室温）で行った。ＭＲ比は、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の向きが平行の場合の抵抗値と、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値とを測定し、得られた抵抗値から下記の式より算出した。
ＭＲ比（％）＝（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰ×１００
ＲＰは、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の向きが平行の場合の抵抗値であり、ＲＡＰは、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値である。
ＲＡは、第１強磁性層と第２強磁性層の磁化の向きが平行の場合の抵抗ＲＰと、磁気抵抗効果素子の面内方向の面積の積により求めた。
実施例１の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は７０％であり、ＲＡは０．８２Ωμｍ２であった。
［実施例２］
実施例２は、非磁性層を成膜する際に、０．３ｎｍ厚みのＭｇと０．７ｎｍ厚みのＭｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）２Ｏｘを成膜し、５００℃でアニールした点が、実施例１と異なる。その他の構成は、実施例１と同様とした。
実施例２の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例２の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は７２％であり、ＲＡは０．９４Ωμｍ２であった。
［実施例３］
実施例３は、第２強磁性層を成膜した後に、磁歪低減層を成膜した点が実施例１と異なる。磁歪低減層は、２ｎｍのＮｉ0.85Ｆｅ0.15とした。磁歪低減層を成膜後に５００℃でアニールした。その他の構成は、実施例１と同様とした。
実施例３の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、磁歪低減層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、Ｎｉ0.85Ｆｅ0.15（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例３の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は６７％であり、ＲＡは０．８Ωμｍ２であった。
［実施例４］
実施例４は、第２強磁性層を成膜した後に、磁歪低減層を成膜した点が実施例２と異なる。磁歪低減層は、２ｎｍのＮｉ0.85Ｆｅ0.15とした。その他の構成は、実施例２と同様とした。
実施例４の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、磁歪低減層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｆｅ0.9Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、Ｎｉ0.85Ｆｅ0.15（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例４の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は７０％であり、ＲＡは０．９４Ωμｍ２であった。
［実施例５］
実施例５は、第１挿入層及び第２挿入層を成膜する際に、１．５ｎｍ厚みのＣｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5を成膜し、３００℃でアニールした点が実施例１と異なる。その他の構成は、実施例１と同様とした。
実施例５の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｃｏ2Ｆｅ0.5Ｇａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｃｏ2Ｆｅ0.5Ｇａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例５の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は９０％であり、ＲＡは０．８１Ωμｍ２であった。
［実施例６］
実施例６は、非磁性層を成膜する際に、第１挿入層及び第２挿入層を成膜する際に、１．５ｎｍ厚みのＣｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5を成膜し、３００℃でアニールした点が実施例２と異なる。その他の構成は、実施例２と同様とした。
実施例６の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例６の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は９２％であり、ＲＡは０．９３Ωμｍ２であった。
［比較例１］
比較例１は、第１挿入層及び第２挿入層を成膜しなかった点が、実施例１と異なる。その他の構成は、実施例１と同様とした。
比較例１の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
比較例１の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は８０％であり、ＲＡは１．３１Ωμｍ２であった。
［比較例２］
比較例２は、第１挿入層及び第２挿入層を成膜しなかった点が、実施例２と異なる。その他の構成は、実施例２と同様とした。
比較例２の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層、反強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、ＭｇＯ（００１）、Ｃｒ（４０ｎｍ）、Ｆｅ（３０ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｆｅ（６ｎｍ）、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
比較例２の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は８５％であり、ＲＡは１．４５Ωμｍ２であった。
上述した実施例１〜６及び比較例１、２の条件の要旨及び結果を表１にまとめる。表１には、各層の組成とあわせて各層の厚みを示す。表１に示す厚みの単位は、いずれもｎｍである。
Figure 2021144988
［実施例７］
Ｓｉ基板に、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、第１挿入層を成膜した。次いで、第１挿入層上に、０．３ｎｍ厚みのＭｇと０．７ｎｍ厚みのＭｇＧａ２Ｏｘを成膜した。次いで、この上に第２挿入層、第２強磁性層、キャップ層を成膜した。次いで、１５ｋＯｅの磁場中で、３００℃３時間アニールした。
下地層は、基板側から順に２ｎｍのＴａ及び２ｎｍのＲｕである。反強磁性層は８．５ｎｍのＩｒＭｎである。第１強磁性層は、基板側から順に厚み３ｎｍのＣｏＦｅ、厚み０．８ｎｍのＲｕ、厚み１．５ｎｍのＣｏＦｅＢである。第１挿入層は１．５ｎｍ厚みのＣｏ0.45Ｆｅ0.45Ｇａ0.1である。
第１挿入層上成膜した、０．３ｎｍ厚みのＭｇと０．７ｎｍ厚みのＭｇＧａ２Ｏｘとは、アニールにより酸素が拡散することで、Ｍｇ層とＭｇＧａ２Ｏｘ層とがまとめて非磁性層となった。
第２挿入層は１．５ｎｍ厚みのＣｏ0.45Ｆｅ0.45Ｇａ0.1とし、第２強磁性層は１．５ｎｍ厚みのＣｏＦｅＢである。キャップ層は５ｎｍ厚みのＴａ及び１０ｎｍ厚みのＲｕである。
実施例７の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｃｏ0.45Ｆｅ0.45Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ２Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｃｏ0.45Ｆｅ0.45Ｇａ0.1（１．５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。実施例７では、第１強磁性層が磁化固定層で、第２強磁性層が磁化自由層である。
実施例７の磁気抵抗効果素子のＭＲ比及びＲＡを測定した。ＭＲ比の測定及びＲＡの測定は、実施例１と同様の方法で行った。
実施例７の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は５７％であり、ＲＡは０．８８Ωμｍ２であった。
［実施例８］
実施例８は、非磁性層を成膜する際に、０．３ｎｍ厚みのＭｇと０．７ｎｍ厚みのＭｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）２Ｏｘを成膜した点が、実施例７と異なる。その他の構成は、実施例７と同様とした。
実施例８の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、ＣｏＦｅＧａ（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、ＣｏＦｅＧａ（１．５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例８の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は５７％であり、ＲＡは０．９２Ωμｍ２であった。
［実施例９］
実施例９は、第１挿入層及び第２挿入層を成膜する際に、１．５ｎｍ厚みのＣｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5を成膜した点が実施例７と異なる。その他の構成は、実施例７と同様とした。
実施例９の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ２Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例９の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は８４％であり、ＲＡは０．８７Ωμｍ２であった。
［実施例１０］
実施例１０は、第１挿入層及び第２挿入層を成膜する際に、１．５ｎｍ厚みのＣｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5を成膜した点が実施例８と異なる。その他の構成は、実施例８と同様とした。
実施例１０の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）２Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇe0.5（１．５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例１０の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は８６％であり、ＲＡは０．９２Ωμｍ２であった。
［実施例１１］
実施例１１は、第１強磁性層を成膜した後に第１金属粒子層を成膜した点、及び第２挿入層を成膜した後に、第２金属粒子層を成膜した点が実施例９と異なる。その他の構成は、実施例９と同様とした。
実施例１１の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、第１金属粒子層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２金属粒子層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｗ（０．６ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｗ（０．６ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例１１の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は９０％であり、ＲＡは０．４７Ωμｍ２であった。
［実施例１２］
実施例１２は、第１強磁性層を成膜した後に第１金属粒子層を成膜した点、及び第２挿入層を成膜した後に、第２金属粒子層を成膜した点が実施例１０と異なる。その他の構成は、実施例１０と同様とした。
実施例１２の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、第１金属粒子層、第１挿入層、非磁性層、第２挿入層、第２金属粒子層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｗ（０．６ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、Ｃｏ2ＦｅＧａ0.5Ｇｅ0.5（１．５ｎｍ）、Ｗ（０．６ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
実施例１２の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は９４％であり、ＲＡは０．５１であった。
［比較例３］
比較例３は、第１挿入層及び第２挿入層を成膜しなかった点と、第１強磁性層及び第２強磁性層の厚みを変更した点とが、実施例７と異なる。その他の構成は、実施例７と同様とした。
比較例３の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、ＭｇＧａ2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
比較例３の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は７０％であり、ＲＡは１．４１Ωμｍ２であった。
［比較例４］
比較例４は、第１挿入層及び第２挿入層を成膜しなかった点と、第１強磁性層及び第２強磁性層の厚みを変更した点とが、実施例８と異なる。その他の構成は、実施例８と同様とした。
比較例４の磁気抵抗効果素子は、基板、下地層、反強磁性層、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層、キャップ層を有する。成膜時の各層の構成は、上記の順に、Ｓｉ、Ｔａ（２ｎｍ）、Ｒｕ（２ｎｍ）、ＩｒＭｎ（８．５ｎｍ）、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）、Ｒｕ（０．８ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）、Ｍｇ（０．３ｎｍ）、Ｍｇ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）2Ｏｘ（０．７ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）である。
比較例４の磁気抵抗効果素子のＭＲ比は７３％であり、ＲＡは１．５２Ωμｍ２であった。
上述した実施例７〜１２及び比較例３、４の条件の要旨及び結果を表２にまとめる。表２には、各層の組成とあわせて各層の厚みを示す。表１に示す厚みの単位は、いずれもｎｍである。
Figure 2021144988
１：第１強磁性層、２：第２強磁性層、３：非磁性層、４Ａ：第１挿入層、４Ｂ：第２挿入層、５Ａ：第１金属粒子層、５Ｂ：第２金属粒子層、６Ａ：第１磁歪低減層、６Ｂ：第２磁歪低減層、１０，２０，３０，４０：磁気抵抗効果素子

Claims (11)

  1. 第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層との間または前記第２強磁性層と前記非磁性層との間の少なくとも一方に配置された挿入層と、を備え、
    前記非磁性層は、ＭｇおよびＧａを含む酸化物であり、
    前記挿入層は、Ｇａを含む強磁性体である、磁気抵抗効果素子。
  2. 前記非磁性層は、ＭｇとＡｌとＧａとを含む酸化物である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記挿入層の厚さは、２ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記挿入層と前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、ＣｏまたはＦｅの少なくとも１つの元素を含む、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. 前記挿入層がＧａを含むホイスラー合金を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 前記ホイスラー合金が、下記の一般式（１）で表される合金である、請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
    Ｃｏ２ＦｅαＧａβＧｅγ ・・・（１）
    （式（１）中、α、β及びγは、２．３≦α＋β＋γ、α≦β＋γ、かつ０．５＜α＜１．９、０．１≦β、０．１≦γを満足する数を表す。）
  7. 前記挿入層と前記第１強磁性層との間と、前記挿入層と前記第２強磁性層との間と、の少なくとも一方に金属粒子層を備え、
    前記金属粒子層は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏから選択されるいずれか一つの元素を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記金属粒子層の厚さが１ｎｍ以下である、請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 前記挿入層のＧａ濃度は、前記非磁性層のＧａ濃度よりも小さい、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 積層方向のいずれかの位置に、前記挿入層と逆向きの磁歪を示す磁歪低減層をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 前記磁歪低減層は、前記挿入層に隣接する、請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
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