JP6438636B1 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

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、Ａｇ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及び第二の非磁性挿入層は、Ａｇ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、非磁性スペーサ層全体がＡｇからなるときの格子不整合に比べて小さくなる。

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関する。

特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子は、第１のハーフメタル強磁性体層、第２のハーフメタル強磁性体層、及び第１のハーフメタル強磁性体層と第２のハーフメタル強磁性体層との間に挟まれた非磁性金属体層（非磁性スペーサ層）を有する。これらの３つの層は、磁気抵抗層を構成する。第１のハーフメタル強磁性体層及び第２のハーフメタル強磁性体層のうち少なくとも一方が、ホイスラー合金から成っており、非磁性金属体層が、Ａｇから成っている。

特開２０１２−１９０９１４号公報

特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子では、強磁性体層がホイスラー合金から成るため、当該強磁性体層と、Ａｇから成る非磁性金属体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体層と非磁性金属体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、Ａｇ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及び第二の非磁性挿入層は、一般式（１）で表わされるＡｇ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、非磁性スペーサ層全体がＡｇ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。
Ａｇ_γＸ_１−γ …（１）
式中、Ｘは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及びＰｔからなる群より選択される一の元素を表し、γは、０＜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全体がＡｇ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Ａｇ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）で表されるＡｇ合金の結晶構造は、面心立方格子構造を有してもよい。

この磁気抵抗効果素子によれば、Ａｇ合金の結晶構造が面心立方格子構造を有することができるので、非磁性スペーサ層と第一の強磁性層及び第二の強磁性層とが高い結晶品質で積層される。また、この高い結晶品質によって、本発明に係る磁気抵抗効果素子は大きな磁気抵抗効果を発揮できる。

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、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層の結晶構造が安定して面心立方格子構造を取ることができる。その結果、非磁性スペーサ層と第一の強磁性層及び第二の強磁性層とをより高い結晶品質で積層することができるため、より大きな磁気抵抗効果が発揮される。

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及びＦｅの少なくとも一以上の元素であり、Ｍは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅ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、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及び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、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入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。 図３の（ａ）部は、αと規格化ＭＲ比との関係を示す図であり、図３の（ｂ）部は、βと規格化ＭＲ比との関係を示す図である。 図４の（ａ）部は、α＋βと規格化ＭＲ比との関係を示す図であり、図４の（ｂ）部は、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。非磁性スペーサ層３３は、非磁性金属層３５、非磁性金属層３５の下面３５ａ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３５ｂに設けられる第二の非磁性挿入層３７を有する。

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。

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。必要に応じて、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、ＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金の少なくとも一種類を含む。

非磁性スペーサ層３３に含まれる非磁性金属層３５は、Ａｇからなる。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）で表わされるＡｇ合金を含む。
Ａｇ_γＸ_１−γ …（１）
この一般式（１）において、Ｘは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及びＰｔからなる群より選択される一の元素であり、γは、０＜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。非磁性スペーサ層３３は、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７の一方のみを有してもよい。

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、例えば１ｎｍ〜２０ｎｍであり、第二の強磁性層３２の厚さは、例えば１ｎｍ〜２０ｎｍである。反強磁性体層３４の厚さは、例えば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及びＦｅの少なくとも一以上の元素であり、Ｍは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅ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_２ＣｒＩｎ、Ｃｏ_２ＣｒＳｎ等の一般式（２）以外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では、非磁性スペーサ層３３は、Ａｇからなる非磁性金属層３５と、当該非磁性金属層３５の下面３５ａに設けられる第一の非磁性挿入層３６及び当該非磁性金属層３５の上面３５ｂに設けられる第二の非磁性挿入層３７の少なくとも一つとを有し、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）で表わされるＡｇ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の全体がＡｇ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Ａｇ_γＧａ_１−γからなる第一の非磁性挿入層３６及び／又は第二の非磁性挿入層３７を含む非磁性スペーサ層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、全体がＡｇ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、上述の本実施形態の磁気抵抗効果素子１においては、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７のＡｇ合金の結晶構造は、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）を有してもよい。Ａｇ合金の結晶構造がｆｃｃ構造を有することができるので、非磁性スペーサ層３３と、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２とが高い結晶品質で積層される。また、この高い結晶品質によって、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は大きな磁気抵抗効果を発揮できる。これらの効果は、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の結晶構造もｆｃｃ構造を取る場合に、特に顕著となる。

上述の本実施形態の磁気抵抗効果素子１において、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Ａｇ合金では、０．７５＜γ＜１であってもよい。これにより、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７の結晶構造がより安定してｆｃｃ構造を取ることができるので、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とをより高い結晶品質で積層することができる。この効果は、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２もｆｃｃ構造を取る場合に、特に顕著となる。ただし、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７のＡｇ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において、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Ａｇ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＜０．９０であることが好ましく、γ＜０．８５であることがより好ましい。Ａｇ合金においてγがこれらの値を有することにより、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Ａｇの割合が低減される。Ａｇの割合が低減された第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７を含む非磁性スペーサ層３３は、全体がＡｇ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では、一般式（１）において、Ｘは、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及び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、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、第一の非磁性挿入層３６及び第二の非磁性挿入層３７に含まれる元素とが、互いに、元素の周期表において同じ族及び周期に属さない。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、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では、一般式（１）において、Ｘは、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及び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、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。

上述の本実施形態の磁気抵抗効果素子１では、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Ａｇ合金は、純金属であるＡｇ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、非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層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。

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、本実施形態の第一の非磁性挿入層３６及び／又は第二の非磁性挿入層３７を構成し得る材料の例（第１例〜第２８例）及びＡｇ（第２９例）と、それらの材料がｆｃｃ構造を有する場合の格子定数の文献値とを示す表である。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Ｇ）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２９例のそれぞれに対する、表３に示す合金Ａ〜合金Ｇ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）によって求められる。
格子不整合率（％）＝（（ａ×√２−ｂ）／ｂ）×１００（％） …（３）
この式（３）において、ａは、表２に示す第１例〜第２９例の格子定数、ｂは、表３に示す合金Ａ〜合金Ｇの格子定数を示す。また、√２は、２の平方根を意味する。式（３）によって、第１例〜第２９例のそれぞれの（００１）面の［１１０］方向と、合金Ａ〜合金Ｇのそれぞれの（００１）面の［１００］方向との格子不整合率を算出している。

表４には、第１例〜第２８例の評価結果も示されている。表４では、第１例〜第２８例のうち、合金Ａ〜合金Ｇの６つ以上に対して、第２９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、「特に良好」を意味する「Ａ」と評価している。また、第１例〜第２８例のうち、合金Ａ〜合金Ｇの１つ以上５つ以下において、第２９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、Ａｇ合金（Ａｇ_γＸ_１−γ）のγが０＜γ＜１であるときの例（第１例〜第２８例）では、「Ａ」又は「Ｂ」と評価されており、γが０．７５＜γ＜１であるときの例（第１例〜第４例、第７例〜第１１例、第１４例〜第２４例、第２７例、及び第２８例）では、「Ａ」と評価されている。評価「Ｂ」の例の材料を本実施形態の第一の非磁性挿入層３６及び／又は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第一の非磁性挿入層３６及び／又は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。

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１〜３５及び比較例１に係る磁気抵抗効果素子における第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層のＡｇ合金、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層の厚さ（挿入層厚）、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）、α、β、α＋βの値、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（４）によって求められる。
ＭＲ比（％）＝（（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐ）×１００（％） …（４）
この式（４）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２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を挟む第２電極層５２とを備える。磁気抵抗効果素子１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の基板１０に接続され、第２電極層５２が磁気抵抗効果素子１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に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１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１〜３５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。表５に示すように、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層のＡｇ合金の材料に共にＡｇ_０．７Ａｌ_０．３を用い、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の材料に共にＣｏ_０．５Ｆｅ_０．５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。第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層の厚さは、共に０．５ｎｍとした。非磁性金属層の材料にＡｇを用い、非磁性金属層の厚さは、５ｎｍとした。第一の強磁性層の厚さは、３ｎｍとし、第二の強磁性層の厚さは、３ｎｍとした。基板にはＭｇＯ単結晶を用い、下地層にはＡｇを用いた。キャップ層にはＲｕを用いた。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、第一の強磁性層及び第二の強磁性層に対して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（３９９ｋＡ／ｍ）とした。

［実施例２〜３５］
表５に示すように、実施例１に対して、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層の材料、第一の強磁性層及び第二の強磁性層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。第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層の材料は互いに同一であり、非磁性金属層の材料はＡｇとした。第一の強磁性層及び第二の強磁性層の材料は互いに同一とした。非磁性金属層、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の厚さは、それぞれ、実施例１の各層の厚さと同一とした。

［比較例１］
非磁性金属層の材料にＡｇを用い、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の材料に共にＣｏ_０．５Ｆｅ_０．５を用いた。また、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層を共に設けないで、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。非磁性金属層、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の厚さは、それぞれ、実施例１の各層の厚さと同一とした。

図３の（ａ）部は、実施例１５〜実施例２５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１５〜実施例２５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３の（ａ）部では、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３の（ｂ）部は、実施例２６〜実施例３５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２６〜実施例３５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３の（ｂ）部では、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４の（ａ）部は、実施例１５〜実施例２５と実施例２６〜実施例３５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１５〜実施例２５では、α＋βを１．３５〜２．６５の間で変化させており、実施例２６〜実施例３５では、α＋βを１．８５〜２．７５の間で変化させている。図４の（ａ）部では、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の（ｂ）部は、実施例５〜実施例１４におけ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。実施例５〜実施例１４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４の（ｂ）部では、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３の（ａ）部及び（ｂ）部と、図４の（ａ）部及び（ｂ）部とに示されるように、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３の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、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１０を超えている。これは、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、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、第一の非磁性挿入層及び第二の非磁性挿入層に含まれるＡｇ合金（Ａｇ_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、非磁性スペーサ層及び第二の強磁性層を備え、大きな磁気抵抗効果を発揮する。

また、図４の（ａ）部に示されるように、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１０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。

また、図４の（ｂ）部に示されるように、０．２ｎｍ＜ｔ１（ｔ２）＜１０ｎｍであるとき、実施例に係る磁気抵抗効果素子は大きな規格化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低減し、また、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。

本実施形態によれば、磁気抵抗効果が大きい磁気抵抗効果素子が提供される。

１…磁気抵抗効果素子、１０…基板、１５…結晶配向層、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、Ａｇ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及び前記第二の非磁性挿入層は、一般式（１）で表わされるＡｇ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全体がＡｇからなるときの格子不整合に比べて小さくなり、
   前記一般式（１）において、０．７５＜γ＜１である、磁気抵抗効果素子。
   Ａｇ_γＸ_１−γ …（１）
   ［式中、Ｘは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及びＰｔからなる群より選択される一の元素を表し、γは、０＜γ＜１である。］
2. 前記一般式（１）で表される前記Ａｇ合金の結晶構造は、面心立方格子構造を有する、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又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
   Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β …（２）
   ［式中、Ｌは、Ｍｎ及びＦｅの少なくとも一以上の元素であり、Ｍは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅ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。］
4. 前記一般式（１）において、前記Ｘは、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及びＰｔからなる群より選択される一の元素である、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 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、Ａｇ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及び前記第二の非磁性挿入層は、一般式（１）で表わされるＡｇ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全体がＡｇからなるときの格子不整合に比べて小さくなり、
   Ａｇ _γ Ｘ _１−γ …（１）
   ［式中、Ｘは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及びＰｔからなる群より選択される一の元素を表し、γは、０＜γ＜１である。］
   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み、
   Ｃｏ _２ Ｌ _α Ｍ _β …（２）
   ［式中、Ｌは、Ｍｎ及びＦｅの少なくとも一以上の元素であり、Ｍは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、及びＧｅ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。］
   前記一般式（１）において、前記Ｘは、Ｙ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、及びＰｔからなる群より選択される一の元素である、磁気抵抗効果素子。
6. 前記一般式（１）で表される前記Ａｇ合金の結晶構造は、面心立方格子構造を有する、請求項５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３〜６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１〜７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

Images