JP2024049776A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＲ比の大きい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強磁性層と非磁性層とを備える。前記第１強磁性層は、第１層と第２層とを有する。前記第１層は、前記第２層より前記非磁性層の近くにある。前記第１層は、少なくとも一部が結晶化したＣｏを含むホイスラー合金を有する。前記第２層は、前記ホイスラー合金と異なり、少なくとも一部が結晶化した強磁性体を有する。前記第１層及び前記第２層は、添加された第１原子を有する。前記第１原子は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れかである。【選択図】図１

Description

本開示は、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、ホイスラー合金を強磁性層に用いた磁気抵抗効果素子を備える磁気センサが記載されている。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金を含む磁気センサは、出力信号が大きいと期待される。一方で、特許文献１には、高温又は所定の結晶性を有する厚い下地基板上に成膜しないと、ホイスラー合金が結晶化しにくいことが記載されている。また特許文献１には、高温での成膜や厚い下地基板は磁気センサの出力低下の原因となりえることが記載されている。特許文献１は、このような処理を避け、強磁性層を非結晶層と結晶層との積層構造とすることで、磁気センサの出力が大きくなることが記載されている。

米国特許第９４１２３９９号明細書

磁気センサの出力信号の大きさは、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）に依存する。一般に、非磁性層を挟む強磁性層の結晶性が高い方が、ＭＲ比が大きくなる傾向にある。高温での成膜や所定の結晶性を有する厚い下地基板を用いずにホイスラー合金の結晶化を容易に行うことでき、かつ、ＭＲ比の大きな磁気抵抗効果素子が求められている。特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子は、非磁性層に接する強磁性層がアモルファスであり、十分大きなＭＲ比を得ることが難しい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、大きなＭＲ比を実現できる磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、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強磁性層と非磁性層とを備える。前記第１強磁性層は、第１層と第２層とを有する。前記第１層は、前記第２層より前記非磁性層の近くにある。前記第１層は、少なくとも一部が結晶化したＣｏを含むホイスラー合金を有する。前記第２層は、前記ホイスラー合金と異なり、少なくとも一部が結晶化した強磁性体を有する。前記第１層及び前記第２層は、添加された第１原子を有する。前記第１原子は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れかである。

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性層は、第３層と第４層とを有してもよい。前記第３層は、前記第４層より前記非磁性層の近くにある。前記第３層は、少なくとも一部が結晶化したＣｏを含むホイスラー合金を有する。前記第４層は、前記ホイスラー合金と異なり、少なくとも一部が結晶化した強磁性体を有する。前記第３層及び前記第４層は、前記第１原子を有する。

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層は、第５層をさらに有してもよい。前記第１層と前記第５層とは、前記第２層を挟む。前記第５層は、前記ホイスラー合金を有する。

（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記強磁性体は、Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ－Ａで表されてもよい。ｘは０以上１以下であり、Ａは前記第１原子である。

（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記強磁性体の結晶構造は、ｂｃｃ構造又はｆｃｃ構造でもよい。

（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１層と前記第２層とは隣接していてもよい。この場合、前記第１層と前記第２層とが格子整合しており、前記第２層の格子定数を基準とした際に、前記第１層の格子定数は前記第２層の格子定数の９５％以上１０５％以下である。

（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１層の前記非磁性層側の第１面は、前記第１面と反対側の第２面より、前記第１原子の濃度が低くてもよい。

（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１層における前記第１原子の濃度は、前記第２層における前記第１原子の濃度より低くてもよい。

（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金の結晶構造は、Ｌ２_１構造又はＢ２構造でもよい。

（１０）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のＣｏ組成比は、化学量論組成比より少なくてもよい。前記ホイスラー合金は、化学量論組成でＣｏＹＺ又はＣｏ_２ＹＺで表記される。ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素、又は、貴金属元素である。ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。

（１１）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、組成式Ｃｏ_２Ｙ_αＺ_βで表記されてもよい。前記Ｙは、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群から選択された１種以上の元素であり、前記Ｚは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択された１種以上の元素であり、α＋β＞２を満たす。

（１２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１原子は、前記ホイスラー合金の結晶構造の一部を置換していてもよい。

（１３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層と前記非磁性層の間と、前記第２強磁性層と前記非磁性層の間とのうち少なくとも一方に、ＮｉＡｌ合金層をさらに備えてもよい。

（１４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＡｌ合金層の厚みは、０．６３ｎｍ以下でもよい。

（１５）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、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金でもよい。

（１６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、基板をさらに有してもよい。前記基板は、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記非磁性層が積層される下地であり、前記基板は、アモルファスである。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、大きなＭＲ比を示す。

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。 ホイスラー合金の結晶構造を示す図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための断面図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 適用例１にかかる磁気記録素子の断面図である。 適用例２にかかる磁気記録素子の断面図である。 適用例３にかかる磁気記録素子の断面図である。 適用例４にかかる磁壁移動素子の断面図である。 適用例５にかか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。

「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。また積層方向と直交し、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とを備える。非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間にある。

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又は出力電圧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。

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の厚みが第１強磁性層１の厚みより薄いと、第２強磁性層２の保磁力は第１強磁性層１の保磁力より小さくなる場合が多い。また例えば、第１強磁性層１の非磁性層３側と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を配置してもよい。第１強磁性層１、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）を形成する。シンセティック反強磁性構造は、スペーサ層を挟む２つの磁性層からなる。第１強磁性層１と反強磁性層とが反強磁性カップリングすると、反強磁性層を有さず反強磁性カップリングしない場合より第１強磁性層１の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。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。

第１強磁性層１は、強磁性体を含む。第１強磁性層１は、第１層１Ａと第２層１Ｂとを有する。第１層１Ａは、第２層１Ｂより非磁性層３の近くにある。

第１層１Ａは、Ｃｏを含むホイスラー合金を含む。第１層１Ａは、Ｃｏを含むホイスラー合金からなってもよい。ホイスラー合金は、少なくとも一部が結晶化している。ホイスラー合金は、例えば、全てが結晶化していてもよい。

ホイスラー合金が結晶化しているか否かは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像（例えば高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡像：HAADF－STEM像）又は透過型電子線を用いた電子線回折像により判断できる。ホイスラー合金が結晶化していると、例えばHAADF－STEM像で原子が規則的に配列している状態が確認できる。より詳細には、HAADF－STEM像のフーリエ変換像に、ホイスラー合金の結晶構造に由来するスポットが現れる。またホイスラー合金が結晶化していると、電子線回折像において（００１）面、（００２）面、（１１０）面、（１１１）面、（０１１）面のうち少なくとも一つの面からの回折スポットが確認できる。少なくともいずれかの手段で結晶化が確認できた場合、ホイスラー合金の少なくとも一部が結晶化していると言える。

ホイスラー合金は、例えば、（００１）又は（０１１）方向に主配向（もしくは優先配向ともいう）している。（００１）又は（０１１）方向に主配向しているとは、ホイスラー合金を構成する結晶の主の結晶方向が（００１）又は（０１１）方向であることを意味する。例えば、ホイスラー合金が複数の結晶粒からなる場合、それぞれの結晶粒の結晶方向が異なる場合がある。この場合、任意の５０個の結晶粒における結晶の配向方向の合成ベクトルの方向が（００１）方向に対して傾き２５°以内の範囲にある場合、（００１）方向に主配向していると言える。（０１１）方向についても同様である。構成する結晶の配向方向が揃ったホイスラー合金は、結晶性が高く、このホイスラー合金を含む磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比は高い。また、（００１）方向と等価と考えられる配向方向も（００１）配向に含まれるものとする。すなわち、（００１）配向には、（００１）配向、（０１０）配向、（１００）配向およびこれらと正反対の配向方向の全てが含まれるものとする。

ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物である。Ｘ_２ＹＺ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。フルホイスラー合金とハーフホイスラー合金は、いずれも典型的にはｂｃｃ構造を基本とした金属間化合物である。

図２は、ホイスラー合金の結晶構造の一例である。図２（ａ）～（ｃ）は、フルホイスラー合金の結晶構造の一例であり、図２（ｄ）～（ｆ）は、ハーフホイスラー合金の結晶構造の一例である。

図２（ａ）は、Ｌ２_１構造と言われる。Ｌ２_１構造は、Ｘサイトに入る元素、Ｙサイトに入る元素、及び、Ｚサイトに入る元素が固定されている。図２（ｂ）は、Ｌ２_１構造由来のＢ２構造と言われる。Ｂ２構造は、Ｙサイトに入る元素とＺサイトに入る元素とが混在し、Ｘサイトに入る元素が固定されている。図２（ｃ）は、Ｌ２_１構造由来のＡ２構造と言われる。Ａ２構造は、Ｘサイトに入る元素とＹサイトに入る元素とＺサイトに入る元素とが混在している。

図２（ｄ）は、Ｃ１_ｂ構造と言われる。Ｃ１_ｂ構造は、Ｘサイトに入る元素、Ｙサイトに入る元素、及び、Ｚサイトに入る元素が固定されている。図２（ｅ）は、Ｃ１_ｂ構造由来のＢ２構造と言われる。Ｂ２構造は、Ｙサイトに入る元素とＺサイトに入る元素とが混在し、Ｘサイトに入る元素が固定されている。図２（ｆ）は、Ｃ１_ｂ構造由来のＡ２構造と言われる。Ａ２構造は、Ｘサイトに入る元素とＹサイトに入る元素とＺサイトに入る元素とが混在している。

フルホイスラー合金においてはＬ２_１構造＞Ｂ２構造＞Ａ２構造の順に結晶性が高く、ハーフホイスラー合金においてはＣ１_ｂ構造＞Ｂ２構造＞Ａ２構造の順に、結晶性が高い。これらの結晶構造は結晶性の高さに違いはあるが、いずれも結晶である。第１層１Ａは、例えば、上記のいずれかの結晶構造を有する。ホイスラー合金の結晶構造は、例えば、Ｌ２_１構造またはＢ２構造であり、第１層１Ａの結晶構造は、例えば、Ｌ２_１構造またはＢ２構造である。

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。ホイスラー合金がＣｏを含む場合、ＸはＣｏである。Ｙは、例えば、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群から選択された１種以上の元素であり、Ｚは、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択された１種以上の元素である。

Ｃｏを含むホイスラー合金は、上記のＸサイトがＣｏであるホイスラー合金である。Ｃｏを含むホイスラー合金は、例えば、ＣｏＹ_αＺ_β又はＣｏ_２Ｙ_αＺ_βで表記される。化学量論組成のＣｏ基のフルホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＹＺで表記される。化学量論組成のＣｏ基のハーフホイスラー合金は、ＣｏＹＺで表記される。

ホイスラー合金のＣｏ組成比は、化学量論組成比より少ないことが好ましい。すなわち、Ｃｏ基ホイスラー合金がフルホイスラー合金の場合は、α＋β＞２を満たすことが好ましい。このときαは０．３＜α＜２．１を満たし、より好ましくは、０．４＜α＜２．０を満たし、βは０．１≦β≦２．０を満たす。Ｃｏ基ホイスラー合金がハーフホイスラー合金の場合は、α＋β＞１を満たすことが好ましい。このときαは０．３＜α＜２．１を満たし、より好ましくは、０．４＜α＜２．０を満たし、βは０．１≦β≦２．０を満たす。

Ｃｏ組成比がＹサイトの元素より相対的に少ないと、Ｙサイトの元素がＸサイト（Ｃｏが入るサイト）の元素と置換されるアンチサイトを避けることができる。アンチサイトは、ホイスラー合金のフェルミレベルを変動させる。フェルミレベルが変動すると、ホイスラー合金のハーフメタル性が低下し、スピン分極率が低下する。スピン分極率の低下は、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比の低下の原因となる。

Ｃｏを含むフルホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_ｘＧａ_１－ｘ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ_ｘＧａ_１－ｘ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｎ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＣｒＡｌ、Ｃｏ_２ＶＡｌ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ等である。Ｃｏを含むハーフホイスラー合金は、例えば、ＣｏＦｅＳｂ、ＣｏＭｎＳｂである。

第１層１Ａは、第１原子を含む。第１原子は、第１層１Ａ内に添加された原子である。第１原子は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れかである。第１原子は、好ましくはＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れかであり、より好ましくはＣｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄからなる群から選択される何れかであり、さらに好ましくはＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択される何れかであり、特に好ましくはＺｎである。製造時点で第１原子が第１層１Ａ内を移動することで、第１層１Ａの結晶化が促される。

第１層１Ａは、第１原子以外の添加原子を有してもよい。すなわち、第１層１Ａは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れか１種以上の原子を含んでもよい。

第１原子は、ホイスラー合金の結晶格子の間に侵入していても、ホイスラー合金の結晶構造を構成するいずれかの原子と置換していてもよい。また第１原子は、一部がホイスラー合金の結晶格子の間に侵入し、残りの一部がホイスラー合金の結晶構造を構成するいずれかの原子と置換していてもよい。結晶格子の間に第１原子が侵入した物質は侵入型固溶体といわれ、結晶格子を構成する一部の原子を第１原子で置換した物質を置換型固溶体といわれる。第１原子のうち少なくとも一部は、ホイスラー合金の結晶構造を構成するいずれかの原子と置換されていることが好ましい。詳細は後述するが、添加原子の大きさがホイスラー合金を構成する原子と置換するほど大きいと、第１層１Ａの結晶化を促進する効果が大きい。

第１層１Ａの非磁性層３側の第１面Ｓ１は、第１面Ｓ１と反対側の第２面Ｓ２より、第１原子の濃度が低くてもよい。当該構成を満たすと、第１原子濃度の急峻な変化を防ぎ、第１強磁性層１と非磁性層３との界面における電子散乱を抑制できる。

第２層１Ｂは、第１層１Ａと異なる強磁性体を含む。第２層１Ｂは、第１層１Ａのホイスラー合金とは、異なる強磁性体を含む。第２層１Ｂは、少なくとも一部が結晶化している。第２層１Ｂは、例えば、全てが結晶化していてもよい。

第２層１Ｂの結晶構造は、例えば、ｂｃｃ構造又はｆｃｃ構造である。第２層１Ｂがｂｃｃ構造又はｆｃｃ構造であると、第１層１Ａがｂｃｃ構造で結晶化しやすい。その結果、第１層１Ａの結晶性が高まり、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が大きくなる。

第２層１Ｂは、上述の第１原子を含む。第２層１Ｂは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れか１種以上の原子を含んでもよい。

第２層１Ｂに含まれる強磁性体は、例えば、Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ－Ａで表される。ｘは、０以上１以下であり、Ａは第１原子である。第１原子は、ＣｏＦｅの結晶構造内に侵入していていても、ＣｏＦｅの結晶のいずれかの元素と置換されていてもよい。第１原子のうち少なくとも一部は、第２層１Ｂに含まれる強磁性体の結晶構造を構成するいずれかの原子と置換されていることが好ましい。

第２層１Ｂにおける第１原子の濃度は、例えば、第１層１Ａにおける第１原子の濃度より高い。すなわち、第１層１Ａにおける第１原子の濃度は、例えば、第２層１Ｂにおける第１原子の濃度より低い。第１層１Ａにおける第１原子の濃度が低いと、第１層１Ａの結晶性が高まる。

第２層１Ｂは、例えば、第１層１Ａと隣接する。第２層１Ｂと第１層１Ａとの間には、他の層を挟んでもよい。第１層１Ａと第２層１Ｂとが隣接する場合、第１層１Ａと第２層１Ｂとが格子整合していることが好ましい。第１層１Ａと第２層１Ｂとが格子整合するとは、第１層１Ａと第２層１Ｂの界面において、原子が積層方向に連続的に配列していることを意味する。第１層１Ａと第２層１Ｂの格子整合度は、例えば、５％以内である。格子整合度は、第２層１Ｂの格子定数を基準とした際の第１層１Ａの格子定数のずれの程度である。第２層１Ｂの格子定数を基準とした際に、第１層１Ａの格子定数は、例えば、第２層１Ｂの格子定数の９５％以上１０５％以下である。第１層１Ａと第２層１Ｂが格子整合すると、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が高まる。

第２強磁性層２は、強磁性体を含む。第２強磁性層２は、第３層２Ａと第４層２Ｂとを有する。第３層２Ａは、第４層２Ｂより非磁性層３の近くにある。

第３層２Ａは、Ｃｏを含むホイスラー合金を含む。第３層２Ａは、Ｃｏを含むホイスラー合金からなってもよい。第３層２Ａは、第１層１Ａと同じ材料からなってもよい。第３層２Ａのホイスラー合金は、少なくとも一部が結晶化しており、全てが結晶化していてもよい。

第３層２Ａは、第１原子を含む。第１原子は、第３層２Ａ内に添加されている。第３層２Ａは、第１原子以外の添加原子を有してもよい。第３層２Ａは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れか１種以上の原子を含んでもよい。

第１原子は、第３層２Ａを構成するホイスラー合金の結晶格子の間に侵入していても、ホイスラー合金の結晶構造を構成するいずれかの原子と置換していてもよく、一部がホイスラー合金の結晶格子の間に侵入し、残りの一部がホイスラー合金の結晶構造を構成するいずれかの原子と置換していてもよい。

第３層２Ａの非磁性層３側の第１面Ｓ３は、第１面Ｓ３と反対側の第２面Ｓ４より、第１原子の濃度が低くてもよい。

第４層２Ｂは、第３層２Ａと異なる強磁性体を含む。第４層２Ｂは、第３層２Ａのホイスラー合金とは、異なる強磁性体を含む。第４層２Ｂは、少なくとも一部が結晶化している。第４層２Ｂは、例えば、全てが結晶化していてもよい。第４層２Ｂの結晶構造は、例えば、ｂｃｃ構造又はｆｃｃ構造である。

第４層２Ｂは、上述の第１原子を含む。第４層２Ｂは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れか１種以上の原子を含んでもよい。

第４層２Ｂに含まれる強磁性体は、例えば、Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ－Ａで表される。ｘは、０以上１以下であり、Ａは第１原子である。第１原子は、ＣｏＦｅの結晶構造内に侵入していていても、ＣｏＦｅの結晶のいずれかの元素と置換されていてもよい。第１原子のうち少なくとも一部は、第４層２Ｂに含まれる強磁性体の結晶構造を構成するいずれかの原子と置換されていることが好ましい。

第４層２Ｂにおける第１原子の濃度は、例えば、第３層２Ａにおける第１原子の濃度より高い。すなわち、第３層２Ａにおける第１原子の濃度は、例えば、第４層２Ｂにおける第１原子の濃度より低い。

第４層２Ｂは、例えば、第３層２Ａと隣接する。第４層２Ｂと第３層２Ａとの間には、他の層を挟んでもよい。第３層２Ａと第４層２Ｂとが隣接する場合、第３層２Ａと第４層２Ｂとが格子整合していることが好ましい。

非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に挟まれる。非磁性層３は、例えば、厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ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、例えば、非磁性の金属からなる。非磁性層３は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金である。これらの元素を含む金属又は合金は導電性に優れ、磁気抵抗効果素子１０の面積抵抗（以下、ＲＡと称する）を下げる。非磁性層３は、例えば、主の構成原子としてＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群より選ばれるいずれかの原子を含む。主の構成原子とは、組成式において、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒが占める割合が５０％以上となることを意味する。非磁性層３は、Ａｇを含むことが好ましく、主の構成原子としてＡｇを含むことが好ましい。Ａｇはスピン拡散長が長いため、Ａｇを用いた磁気抵抗効果素子１０は、大きなＭＲ比を示す。

非磁性層３は、絶縁体又は半導体でもよい。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。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。非磁性層３が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層３はトンネルバリア層である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等である。

磁気抵抗効果素子１０は、上述の第１強磁性層１、第２強磁性層２、非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、第１強磁性層１の非磁性層３と反対側の面に下地層を有してもよく、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面にキャップ層を有してもよい。下地層及びキャップ層は、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の結晶の配向性を高める。下地層及びキャップ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕを含む。

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。図３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の製造方法を説明するための断面図である。

まず成膜の下地となる基板Ｓｕｂ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、セラミック、石英がある。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、基板Ｓｕｂがアモルファス基板の場合でも、第１層１Ａ及び第３層２Ａが結晶化するため、基板Ｓｕｂを任意に選択できる。

次いで、基板Ｓｕｂ上に、第２層１１Ｂ、第１層１１Ａ、非磁性層１３、第３層１２Ａ、第４層１２Ｂを順に積層する。これらの層は、例えば、スパッタリング法で成膜される。第２層１１Ｂは、第２層１Ｂに対応し、第２層１Ｂと同様の材料である。第２層１１Ｂは、例えば、Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ－Ａである。第１層１１Ａは、第１層１Ａに対応し、例えば、Ｃｏを含むホイスラー合金である。第１層１１Ａは、成膜直後の時点で第１原子を含まなくてもよい。非磁性層１３は、非磁性層３に対応し、非磁性層３と同様の材料である。第３層１２Ａは、第３層２Ａに対応し、例えば、Ｃｏを含むホイスラー合金である。第３層１２Ａは、成膜直後の時点で第１原子を含まなくてもよい。第４層１２Ｂは、第４層２Ｂに対応し、第４層２Ｂと同様の材料である。第４層１２Ｂは、例えば、Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ－Ａである。

第２層１１Ｂは、成膜後の時点では、アモルファスである。第１層１１Ａは、アモルファスの下地上に成長するため、自身が成長しやすい（０１１）方向に成長する。そのため、第１層１１Ａは、成膜後の時点で、結晶性の低い結晶又はアモルファスとなる。第３層１２Ａも同様に、成膜後の時点で、結晶性の低い結晶又はアモルファスとなる。第４層１２Ｂは、成膜後の時点では、アモルファスである。

次いで、基板Ｓｕｂ上に積層した積層体をアニールする。アニールの温度は、例えば、３００℃以下であり、例えば、２５０℃以上３００℃以下である。

第２層１１Ｂに含まれる第１原子は、アニールによって第１層１１Ａ内に拡散する。同様に、第４層１２Ｂに含まれる第１原子は、アニールによって第３層１２Ａ内に拡散する。第１原子は、第１層１１Ａ又は第３層１２Ａ内を拡散する際に、これらの層内の原子をミキシングする。ミキシングされた原子は再配列し、第１層１１Ａ及び第３層１２Ａが結晶化する。

また第１層１１Ａの結晶化は、第２層１１Ｂの規則配列化と同時に進行し、第３層１２Ａの結晶化は、第４層１２Ｂの規則配列化と同時に進行する。規則配列化は、アモルファスが結晶化すること、又は、既に結晶化した原子が配列し直すことを意味する。第１層１１Ａと第２層１１Ｂとが隣接する場合、第１層１１Ａは、第２層１１Ｂの影響を受けて再配列する。同様に、第３層１２Ａと第４層１２Ｂとが隣接する場合、第３層１２Ａは、第４層１２Ｂの影響を受けて再配列する。つまり、第１層１１Ａは、第２層１１Ｂの規則配列化に引きずられて、結晶化が進むため、結晶度の高い結晶となる。同様に、第３層１２Ａは、第４層１２Ｂの規則配列化に引きずられて、結晶化が進むため、結晶度の高い結晶となる。

上述のように、積層体をアニールすることで、第１層１１Ａは結晶化することで第１層１Ａとなり、第２層１１Ｂは結晶化することで第２層１Ｂとなり、第３層１２Ａは結晶化することで第３層２Ａとなり、第４層１２Ｂは結晶化することで、第４層２Ｂとなる。また非磁性層１３は、非磁性層３となる。その結果、図１に示す磁気抵抗効果素子１０が得られる。

上述のように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の製造方法を用いると、下地の結晶構造によらず、ホイスラー合金を結晶化させることができる。ここでは、磁気抵抗効果素子１０の製造方法の過程の一つとして紹介したが、上記の方法は単体の強磁性層の結晶化の方法にも適用できる。例えば、第１原子を含む強磁性層とホイスラー合金を含む強磁性層とを積層し、これらを加熱することで、結晶性を有するホイスラー合金を得ることができる。

本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の製造方法において、第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、３００℃以下という低温で結晶化する。３００℃以下であれば、例えば磁気ヘッドの他の構成要素を作製した後に、アニールを行っても、他の構成要素（例えば、磁気シールド）への悪影響を低減できる。したがって、アニールを行うタイミングが制限されず、磁気ヘッド等の素子の製造が容易になる。

また本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層３を挟む第１層１Ａ及び第２層１Ｂが結晶化している。第１層１Ａ及び第２層１Ｂは結晶化したホイスラー合金を含むため、高いスピン分極率を示す。つまり、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、高いＭＲ比を示す。

「第２実施形態」
図４は、第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１１の断面図である。磁気抵抗効果素子１１は、第１強磁性層１、第２強磁性層２、非磁性層３を有する。磁気抵抗効果素子１１は、第１強磁性層１が第５層１Ｃを有する点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と異なる。第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

第１強磁性層１は、第１層１Ａと第２層１Ｂと第５層１Ｃとを有する。第１層１Ａと第５層１Ｃとは、第２層１Ｂを挟む。第５層１Ｃは、第１層１Ａと同様のホイスラー合金を含む。第１強磁性層１は、ホイスラー合金の内部に、第２層１Ｂに該当するホイスラー合金と異なる強磁性体を含むとみなすこともできる。第５層１Ｃは、第１原子を含む。

第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同様の効果を奏する。またホイスラー合金の内部に、結晶化を促す第１原子を含む第２層１Ｂが存在すると、アニールの際に第２層１Ｂから第１層１Ａ及び第５層１Ｃに第１原子が拡散する。第１強磁性層１の厚み方向の中央に第１原子を拡散する拡散源が存在すると、第１強磁性層１の結晶化がより促される。そのため、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、高いＭＲ比を示す。

「第３実施形態」
図５は、第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１２の断面図である。磁気抵抗効果素子１２は、第１強磁性層１、第２強磁性層２、非磁性層３を有する。磁気抵抗効果素子１２は、第２強磁性層２が単層からなる点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と異なる。第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１２において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

第３実施形態に係る第２強磁性層２は、ホイスラー合金でも、ホイスラー合金以外の強磁性層でもよい。第２強磁性層２がホイスラー合金を含む場合は、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。第２強磁性層２がホイスラー合金以外の強磁性層の場合、第２強磁性層２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の含む合金、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２強磁性層２は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂである。

第３実施形態に係る第２強磁性層２は、磁化自由層でも磁化固定層でもよい。第２強磁性層２は、第１強磁性層１より基板Ｓｕｂの近くにあってもよいし、第１強磁性層１より基板Ｓｕｂから離れた位置にあってもよい。

第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同様の効果を奏する。

「第４実施形態」
図６は、第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１３の断面図である。磁気抵抗効果素子１３は、第１強磁性層１、第２強磁性層２、非磁性層３、ＮｉＡｌ層４、ＮｉＡｌ層５を有する。磁気抵抗効果素子１３は、ＮｉＡｌ層４及びＮｉＡｌ層５を有する点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と異なる。第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１３において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

ＮｉＡｌ層４及びＮｉＡｌ層５は、それぞれＮｉＡｌ合金を含む層である。ＮｉＡｌ層４は、第１強磁性層１と非磁性層３との格子不整合を緩和するバッファ層である。ＮｉＡｌ層５は、非磁性層３と第２強磁性層２との格子不整合を緩和するバッファ層である。

ＮｉＡｌ層４及びＮｉＡｌ層５は、例えば、それぞれ厚みｔが０＜ｔ≦０．６３ｎｍである。厚みｔが厚くなりすぎると第１強磁性層１（又は第２強磁性層２）から第２強磁性層２（又は第１強磁性層１）に移動する電子においてスピン散乱されるおそれがある。厚みｔがこの範囲内にあることによって、移動する電子においてスピン散乱が抑制され、第１強磁性層１と非磁性層３との格子不整合が低減し、非磁性層３と第２強磁性層２との格子不整合が低減する。各層の格子不整合性が小さくなると、磁気抵抗効果素子１３のＭＲ比が向上する。

ここでは、磁気抵抗効果素子１３がＮｉＡｌ層４及びＮｉＡｌ層５を両方有する例を示したが、いずれか一方のみを有してもよい。

第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同様の効果を奏する。

以上、いくつかの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。

上記の磁気抵抗効果素子１０、１１、１２、１３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、１１、１２、１３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、本実施形態にかか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７は、適用例１にかかる磁気記録素子１００の断面図である。図７は、積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０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１００は、磁気ヘッドＭＨと磁気記録媒体Ｗとを有する。図７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、＋Ｘ方向又は－Ｘ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（不図示）とを有する。抵抗測定器２１は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値を測定する。

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７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、結晶化したホイスラー合金を含み、ＭＲ比が大きい。したがって、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正確に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８は、適用例２にかかる磁気記録素子１０１の断面図である。図８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８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８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８に示す磁気記録素子１０１は、結晶化したホイスラー合金を含み、ＭＲ比が大きい磁気抵抗効果素子１０を備えるため、データを正確に記録できる。

図９は、適用例３にかかる磁気記録素子１０２の断面図である。図９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９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１強磁性層１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。適用例３において、第１強磁性層１は磁化自由層であり、第２強磁性層２は磁化固定層である。

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に沿って書き込み電流を流す。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１強磁性層１に注入される。

第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層１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９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９に示す磁気記録素子１０２は、結晶化したホイスラー合金を含み、ＭＲ比が大きい磁気抵抗効果素子１０を備えるため、データを正確に記録できる。

図１０は、適用例４にかかる磁壁移動素子（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からなる。図１０において、第１強磁性層１が延びる方向を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１強磁性層１の第１端と第２端に接続されている。第１端と第２端は、Ｚ方向から見てＸ方向に第２強磁性層２及び非磁性層３を挟む。

第１強磁性層１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１強磁性層１は、内部に第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２とを有する。第１強磁性層１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１強磁性層１は、磁壁ＤＷを内部に有するができる。図１０に示す第１強磁性層１は、第１磁区ＭＤ１の磁化Ｍ_ＭＤ１が＋Ｚ方向に配向し、第２磁区ＭＤ２の磁化Ｍ_ＭＤ２が－Ｚ方向に配向している。

磁壁移動素子１０３は、第１強磁性層１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１強磁性層１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１強磁性層１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２強磁性層２の磁化Ｍ_２は、例えば、第１磁区ＭＤ１の磁化Ｍ_ＭＤ１と同じ方向（平行）であり、第２磁区ＭＤ２の磁化Ｍ_ＭＤ２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２強磁性層２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２強磁性層２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１強磁性層１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１強磁性層１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Ｍ_ＭＤ１を磁化反転させる。第１磁区ＭＤ１の磁化Ｍ_ＭＤ１が磁化反転することで、磁壁ＤＷが－Ｘ方向に移動する。

図１０に示す磁壁移動素子１０３は、結晶化したホイスラー合金を含み、ＭＲ比が大きい磁気抵抗効果素子１０を備えるため、データを正確に記録できる。

図１１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１１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３０，３１を有する。

配線３０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３０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３０，３１、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１１に示す高周波デバイス１０４は、結晶化したホイスラー合金を含み、抵抗値の変化幅が大きい磁気抵抗効果素子１０を備えるため、大きな出力の高周波信号を発信できる。

（実施例１）
実施例１として、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を作製した。まずシリコン基板上に、下地層としてＣｒ、Ａｇを順に成膜した。次いで、下地層上に、第２層１Ｂとして、（Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５）_０．９Ｍｇ_０．１を成膜した。Ｍｇは、第１原子に該当する。次いで、第１層１Ａとして、組成比はＣｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５のＣｏを含むホイスラー合金を成膜した。次いで、非磁性層３として、Ａｇを成膜した。次いで、第３層２Ａとして、組成比はＣｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５のＣｏを含むホイスラー合金を成膜した。次いで、第３層２Ａ上に、第４層２Ｂとして、（Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５）_０．９Ｍｇ_０．１を成膜した。成膜直後の時点で、第１層１Ａ及び第３層２Ａは、アモルファスだった。

次いで、積層した積層体をアニールした。アニールは、３００℃の条件で１０時間行った。アニールにより第１層１Ａ及び第３層２Ａは結晶化した。また第１層１Ａ及び第３層２Ａの結晶化に伴い、第２層１Ｂ及び第４層２Ｂの結晶性も向上した。またアニール後の第１層１Ａ及び第３層２Ａの組成分析を行い、第１層１Ａ及び第３層２Ａに第１原子としてＭｇが含まれていることを確認した。

作製した磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比とＲＡ（面抵抗）とを測定した。ＭＲ比は、磁気抵抗効果素子１０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１０に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１０への印加電圧を電圧計によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化を測定した。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比の測定は、３００Ｋ（室温）で行った。
ＭＲ比（％）＝（Ｒ_ＡＰ－Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐ×１００
Ｒ_Ｐ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、Ｒ_ＡＰ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１と第２強磁性層２の磁化の向きが平行の場合の抵抗Ｒ_Ｐと、磁気抵抗効果素子１０の面内方向の面積Ａの積により求めた。

実施例１に係る磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比は１０．８％であり、ＲＡは０．０６Ω・μｍ^２であった。

（実施例２～１５）
実施例２～１５は、第１原子を変更した点が実施例１と異なる。そして、実施例１と同様の手順で、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比及びＲＡを測定した。またアニール後の第１層１Ａ及び第３層２Ａの組成分析を行い、第１層１Ａ及び第３層２Ａに第１原子が含まれていることを確認した。
実施例２は、第１原子をＡｌとした。
実施例３は、第１原子をＣｒとした。
実施例４は、第１原子をＭｎとした。
実施例５は、第１原子をＮｉとした。
実施例６は、第１原子をＣｕとした。
実施例７は、第１原子をＺｎとした。
実施例８は、第１原子をＰｄとした。
実施例９は、第１原子をＣｄとした。
実施例１０は、第１原子をＩｎとした。
実施例１１は、第１原子をＳｎとした。
実施例１２は、第１原子をＳｂとした。
実施例１３は、第１原子をＰｔとした。
実施例１４は、第１原子をＡｕとした。
実施例１５は、第１原子をＢｉとした。

（実施例１６）
実施例１６は、作製した磁気抵抗効果素子を図４に示す磁気抵抗効果素子１１とした点が実施例１と異なる。第５層１Ｃは、第１層１Ａと同じ（Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５）_０．９Ｚｎ_０．１とした。その他の条件は、実施例１と同様にして、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比及びＲＡを測定した。またアニール後の第５層１Ｃの組成分析を行い、第５層１Ｃに第１原子としてＺｎが含まれていることを確認した。

（実施例１７）
実施例１７は、作製した磁気抵抗効果素子を図６に示す磁気抵抗効果素子１３とした点が実施例１と異なる。実施例１７では、第１強磁性層１と非磁性層３の間、及び、第２強磁性層２と非磁性層３との間のそれぞれに、ＮｉＡｌを０．２４ｎｍ厚みで成膜した。その他の条件は、実施例７と同様にして、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比及びＲＡを測定した。

（比較例１）
比較例１は、第１層１Ａ及び第３層２Ａを成膜する際に、第１原子であるＭｇを含まなかった点が実施例１と異なる。すなわち、比較例１の磁気抵抗効果素子、第１層１Ａ、第２層１Ｂ、第３層２Ａ及び第４層２Ｂのいずれにも第１原子が含まれていない。その他の条件は、実施例１と同様にして、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比及びＲＡを測定した。

実施例１～実施例１７及び比較例１の測定結果を表１に示す。

１…第１強磁性層、１Ａ…第１層、１Ｂ…第２層、１Ｃ…第５層、２…第２強磁性層、２Ａ…第３層、２Ｂ…第４層、３…非磁性層、４…ＮｉＡｌ層、５…ＮｉＡｌ層、８…スピン軌道トルク配線、１０…磁気抵抗効果素子、２１…抵抗測定器、２２…電源、２３…測定部、２６…直流電源、２７…インダクタ、２８…コンデンサ、２９…出力ポート、３０，３１…配線、１００，１０１，１０２…磁気記録素子、１０３…高周波デバイス

Claims (16)

1. 第１強磁性層と第２強磁性層と非磁性層とを備え、
   前記第１強磁性層は、第１層と第２層とを有し、
   前記第１層は、前記第２層より前記非磁性層の近くにあり、
   前記第１層は、少なくとも一部が結晶化したＣｏを含むホイスラー合金を有し、
   前記第２層は、前記ホイスラー合金と異なり、少なくとも一部が結晶化した強磁性体を有し、
   前記第１層及び前記第２層は、添加された第１原子を有し、
   前記第１原子は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択される何れかである、磁気抵抗効果素子。
2. 前記第２強磁性層は、第３層と第４層とを有し、
   前記第３層は、前記第４層より前記非磁性層の近くにあり、
   前記第３層は、少なくとも一部が結晶化したＣｏを含むホイスラー合金を有し、
   前記第４層は、前記ホイスラー合金と異なり、少なくとも一部が結晶化した強磁性体を有し、
   前記第３層及び前記第４層は、前記第１原子を有する、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１強磁性層は、第５層をさらに有し、
   前記第１層と前記第５層とは、前記第２層を挟み、
   前記第５層は、前記ホイスラー合金を有する、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記強磁性体は、Ｃｏ_ｘＦｅ_１－ｘ－Ａで表され、
   ｘは０以上１以下であり、Ａは前記第１原子である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記強磁性体の結晶構造は、ｂｃｃ構造又はｆｃｃ構造である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記第１層と前記第２層とは隣接しており、
   前記第１層と前記第２層とが格子整合しており、
   前記第２層の格子定数を基準とした際に、前記第１層の格子定数は前記第２層の格子定数の９５％以上１０５％以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記第１層の前記非磁性層側の第１面は、前記第１面と反対側の第２面より、前記第１原子の濃度が低い、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記第１層における前記第１原子の濃度は、前記第２層における前記第１原子の濃度より低い、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記ホイスラー合金の結晶構造は、Ｌ２_１構造又はＢ２構造である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記ホイスラー合金のＣｏ組成比は、化学量論組成比より少なく、
    前記ホイスラー合金は、化学量論組成でＣｏＹＺ又はＣｏ_２ＹＺで表記され、
    ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素、又は、貴金属元素であり、
    ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記ホイスラー合金は、組成式Ｃｏ_２Ｙ_αＺ_βで表記され、
    前記Ｙは、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群から選択された１種以上の元素であり、
    前記Ｚは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択された１種以上の元素であり、
    α＋β＞２を満たす、請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
12. 前記第１原子は、前記ホイスラー合金の結晶構造の一部を置換している、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
13. 前記第１強磁性層と前記非磁性層の間と、前記第２強磁性層と前記非磁性層の間とのうち少なくとも一方に、ＮｉＡｌ合金層をさらに備える、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
14. 前記ＮｉＡｌ合金層の厚みは、０．６３ｎｍ以下である、請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
15. 前記非磁性層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
16. 基板をさらに有し、
    前記基板は、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記非磁性層が積層される下地であり、
    前記基板は、アモルファスである、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

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