JP6806939B1 - 磁気抵抗効果素子およびホイスラー合金 - Google Patents
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Abstract
Description
Co2FeαXβ ・・・(1)
(式(1)中、Xは、Mn、Cr、Si、Al、Ga及びGeからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α及びβは、2.3≦α+β、α<β、且つ0.5<α<1.9を満足する数を表す。)
Co2FeαGaγYβ−γ ・・・(2)
(式(2)中、Yは、Mn、Cr、Si、Al及びGeからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びγは、2.3≦α+β、α<β、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γを満足する数を表す。)
Co2FeαGeδZβ−δ ・・・(3)
(式(3)中、Zは、Mn、Cr、Si、Al及びGaからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びδは、2.3≦α+β、α<β、且つ0.5<α<1.9、0.1≦δを満足する数を表す。)
Co2FeαGaγGeδ ・・・(4)
(式(4)中、α、γ及びδは、2.3≦α+γ+δ、α<γ+δ、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δを満足する数を表す。)
Co2FeαGaγGeδMnε・・・(5)
(式(5)中、α、γ、δ及びεは、2.3≦α+γ+δ+ε、α<γ+δ+ε、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δ、0.1≦εを満足する数を表す。)
Co2FeαXβ ・・・(1)
(式(1)中、Xは、Mn、Cr、Si、Al、Ga及びGeからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α及びβは、2.3≦α+β、α<β、且つ0.5<α<1.9を満足する数を表す。)
図1は、本発明の第1実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。図1は、磁気抵抗効果素子101の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子101を切断した断面図である。磁気抵抗効果素子101は、基板10の上に、下地層20と、第1強磁性層30と、第1NiAl層40と、非磁性層50と、第2NiAl層60と、第2強磁性層70と、キャップ層80とがこの順で積層された積層体である。非磁性層50は、第1強磁性層30と第2強磁性層70との間に位置している。第1NiAl層40は、第1強磁性層30と非磁性層50との間に位置し、第2NiAl層60は、非磁性層50と第2強磁性層70との間に位置している。
基板10は、磁気抵抗効果素子101の土台となる部分である。基板10は、平坦性に優れた材料を用いることが好ましい。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単結晶が挙げられる。MgO単結晶を含む基板は、例えば、スパッタリング法を用いて容易にエピタキシャル成長膜が形成できる。このエピタキシャル成長膜を用いた磁気抵抗効果素子は、大きな磁気抵抗特性を示す。基板10の種類は目的とする製品によって異なる。
製品がMRAMの場合、基板10は、例えば、回路構造を有するSi基板である。製品が磁気ヘッドの場合、基板10は、例えば、加工しやすいAlTiC基板である。
下地層20は、基板10と第1強磁性層30との間に位置している。下地層20は、基板10の上に、第1下地層21、第2下地層22、第3下地層23がこの順で積層された3層構造の積層体とされている。
第1強磁性層30及び第2強磁性層70は磁性体である。第1強磁性層30及び第2強磁性層70は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子101は、第1強磁性層30の磁化と第2強磁性層70の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
Co2FeαXβ ・・・(1)
(式(1)中、Xは、Mn、Cr、Si、Al、Ga及びGeからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α及びβは、2.3≦α+β、α<β、且つ0.5<α<1.9を満足する数を表す。)
Co2FeαGaγYβ−γ ・・・(2)
(式(2)中、Yは、Mn、Cr、Si、Al及びGeからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びγは、2.3≦α+β、α<β、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γを満足する数を表す。)
Co2FeαGeδZβ−δ ・・・(3)
(式(3)中、Zは、Mn、Cr、Si、Al及びGaからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びδは、2.3≦α+β、α<β、且つ0.5<α<1.9、0.1≦δを満足する数を表す。)
このため、一般式(3)のホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子101はRAがより大きくなる。
Co2FeαGaγGeδ ・・・(4)
(式(4)中、α、γ及びδは、2.3≦α+γ+δ、α<γ+δ、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δを満足する数を表す。)
Co2FeαGaγGeδMnε・・・(5)
(式(5)中、α、γ、δ及びεは、2.3≦α+γ+δ+ε、α<γ+δ+ε、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δ、0.1≦εを満足する数を表す。)
第1NiAl層40及び第2NiAl層60は、NiAl合金を含む層である。第1NiAl層40は、第1強磁性層30と非磁性層50との格子不整合を緩和するバッファ層として、第2NiAl層60は、非磁性層50と第2強磁性層70との格子不整合を緩和するバッファ層として機能する。この第1NiAl層40及び第2NiAl層60の機能によって、磁気抵抗効果素子101のMR比がより向上する。
非磁性層50は、非磁性の金属を含む。非磁性層50は、非磁性の金属からなることが好ましい。ただし、非磁性層は、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、非磁性層50以外の他の層を構成する元素を含む。非磁性層50の材料は、例えば、Cu、Au、Ag、Al、Cr等である。非磁性層50は、主の構成元素としてAg、Cu、Au、Ag、Al、Crからなる群より選ばれる一以上の元素を含むことが好ましい。主の構成元素とは、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50は、Agを含むことが好ましく、主の構成元素として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101は、MR比がより大きくなる。
キャップ層80は、磁気抵抗効果素子101の基板10と反対側に位置する。キャップ層80は、第2強磁性層70を保護するために設けられる。キャップ層80は、第2強磁性層70からの原子の拡散を抑制する。またキャップ層80は、磁気抵抗効果素子101の各層の結晶配向性にも寄与する。キャップ層80を有すると、第1強磁性層30及び第2強磁性層70の磁化が安定化し、磁気抵抗効果素子101のMR比を向上させることができる。
図3は、本発明の第2実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。磁気抵抗効果素子102は、第1NiAl層40と第2NiAl層60とを有しない点において、図1に示す磁気抵抗効果素子101と異なる。このため、図3においては、図1と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
図4は、本発明の第3実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。磁気抵抗効果素子103は、下地層20が第4下地層24を有する点において、図1に示す磁気抵抗効果素子101と異なる。このため、図4においては、図1と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
CoとFeとを含む合金は、例えば、Co−Fe、Co−Fe−Bである。
図8は、適用例4にかかるスピン流磁化回転素子の断面図である。
スピン流磁化回転素子300は、図7に示す磁気記録素子203から第1NiAl層40、非磁性層50、第2NiAl層60、第2強磁性層70及びキャップ層80を除いたものである。スピン流磁化回転素子300において、第1強磁性層30は、上記の一般式(1)で表されるホイスラー合金である。
図9は、適用例5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。
磁壁移動型磁気記録素子400は、第1強磁性層401と第2強磁性層402と非磁性層403と第1磁化固定層404と第2磁化固定層405とを有する。なお、図9において、第1強磁性層401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404及び第2磁化固定層405は、X方向に第2強磁性層402及び非磁性層403を挟む位置で、第1強磁性層401に接続されている。
図9に示す第1強磁性層401は、第1磁区401Aの磁化M401Aが+Z方向に配向し、第2磁区401Bの磁化M401Bが−Z方向に配向している。
図10は、適用例6にかかる磁壁移動素子(磁性細線装置)の断面図である。
磁性細線装置500は、図10に示すように、磁気記録媒体510と、磁気記録ヘッド520と、パルス電源530とを備える。磁気記録ヘッド520は、磁気記録媒体510上の所定の位置に設けられる。パルス電源530は、磁気記録媒体510の面内方向にパルス電流を印加できるように、磁気記録媒体510に接続される。なお、図10において、磁気記録媒体510が延びる一方向を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。
図11は、適用例7にかかる磁壁移動素子(磁壁移動型空間光変調器)の斜視図である。
磁壁移動型空間光変調器600は、図11に示すように、第1磁化固定層610と第2磁化固定層620と光変調層630とを有する。なお、図11において、光変調層630が延びる一方向を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。
重畳領域636の磁化M636は、第2磁化固定層620からの漏れ磁場の影響を受けて、例えば−Z方向に固定される。
図1に示す磁気抵抗効果素子101を下記のようにして作製した。各層の構成は、以下のとおりとした。
基板10:MgO単結晶基板、厚み0.5mm
下地層20:
第1下地層21:MgO層、厚み10nm
第2下地層22:CoFe層、厚み10nm
第3下地層23:Ag層、厚み100nm
第1強磁性層30:Co2Fe1.03Ga0.41Ge0.86層、厚み10nm
第1NiAl層40:厚み0.21nm
非磁性層50:Ag層、厚み5nm
第2NiAl層60:厚み0.21nm
第2強磁性層70:Co2Fe1.03Ga0.41Ge0.86層、厚み8nm
キャップ層80:Ru層、厚み5nm
第1強磁性層30及び第2強磁性層70の組成を、下記の表1に示す組成に変えたこと以外は実施例1と同様にして、磁気抵抗効果素子101を作製した。なお、第1強磁性層30及び第2強磁性層70の組成は、Geターゲットの共スパッタリング法により調整した。
実施例1〜3及び比較例1で作製した磁気抵抗効果素子のMR比(磁気抵抗変化率)とRA(面抵抗)をそれぞれ測定した。その結果を、下記の表1に示す。
MR比(%)=(RAP−RP)/RP×100
RPは、第1強磁性層30と第2強磁性層70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30と第2強磁性層70の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値である。
第1NiAl層40と第2NiAl層60を設けなかったこと以外は、実施例1と同様にして、図3に示す磁気抵抗効果素子102を作製した。
第1強磁性層30及び第2強磁性層70の組成を、下記の表2に示す組成に変えたこと以外は実施例4と同様にして、磁気抵抗効果素子102を作製した。なお、第1強磁性層30及び第2強磁性層70の組成は、Geターゲットの共スパッタリング法により調整した。
実施例4〜5及び比較例2で作製した磁気抵抗効果素子のMR比とRAをそれぞれ上記の方法により測定した。その結果を、下記の表2に示す。
下地層20に第4下地層として、CoFe層、厚み10nmを設けたこと、第1強磁性層30及び第2強磁性層70を、Co2Fe1.02Ga0.40Ge0.22Mn0.76層としたこと、第2強磁性層70の厚みを5nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、図4に示す磁気抵抗効果素子103を作製した。
第1強磁性層30及び第2強磁性層70の成膜は、ターゲットとして、Co2Fe1Ga0.5Ge0.5合金ターゲットとMnターゲットを用いた共スパッタリング法により行った。
第1強磁性層30及び第2強磁性層70の組成を、下記の表3に示す組成に変えたこと以外は実施例6と同様にして、磁気抵抗効果素子103を作製した。なお、第1強磁性層30及び第2強磁性層70の組成は、Mnターゲットの共スパッタリング法により調整した。
実施例6及び比較例3で作製した磁気抵抗効果素子のMR比とRAをそれぞれ上記の方法により測定した。その結果を、下記の表3に示す。
図13に示す磁気抵抗効果素子104を、下記のようにして作製した。磁気抵抗効果素子104の各層の構成は、以下のとおりである。
基板10:MgO単結晶基板、厚み0.5mm
下地層20:
第2下地層22:Cr層、厚み10nm
第3下地層23:Ag層、厚み100nm
第1挿入層91:Ni層、厚み0.21nm
第1強磁性層30
基板側第1強磁性層30B:Co2Fe1.03Ga0.41Ge0.86層、厚み7nm
非磁性層側第1強磁性層30A:Co2Fe1.13Ga0.41Ge0.76層、厚み3nm
第1NiAl層40:厚み0.21nm
非磁性層50:Ag層、厚み5nm
第2NiAl層60:厚み0.21nm
第2強磁性層70
非磁性層側第2強磁性層70A:Co2Fe1.03Ga0.41Ge0.86層、厚み4nm
キャップ層側第2強磁性層70B:Co2Fe1.03Ga0.41Ge0.86層、厚み4nm
第2挿入層92:Ni層、厚み0.21nm
キャップ層80:Ru層、厚み5nm
図14において、(a)は、磁気抵抗効果素子104の断面図であり、(b)磁気抵抗効果素子104の切断面のFe、Co、Ga、Ge、Ru、Agの分布図であって、(c)は、磁気抵抗効果素子104の切断面のNiとAlの分布図である。(b)及び(c)の分布図において、横軸は、第3下地層23のある点を始点0とした積層方向の距離である。縦軸は原子%である。図13の元素の分布図から、第3下地層23からキャップ層80に向かって、Agを含む層(第3下地層23)、Niを含む層(第1挿入層91)、Co、Fe、Ga、Geを含む層(第1強磁性層30)、AlをNiよりも多く含むNiAl層(第1NiAl層40)、Agを含む層(非磁性層50)、NiをAlよりも多く含むNiAl層(第2NiAl層60)、Co、Fe、Ga、Geを含む層(第2強磁性層70)、Niを含む層(第2挿入層92)、Ruを含む層(キャップ層80)が成膜されていることが確認された。また、第1強磁性層30の非磁性層側第1強磁性層30Aは、基板側第1強磁性層30Bと比較して、Ge濃度が低く、Fe濃度が高いことが確認された。また、第1強磁性層30の非磁性層側第1強磁性層30Aは非磁性層50の近傍にてGa濃度が増加する傾向が見られた。また、第2強磁性層70の非磁性層側第2強磁性層70Aについても、非磁性層50の近傍にてGa濃度が増加する傾向が見られた。
Claims (27)
- 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強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備え、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とのうち少なくとも一方は、下記の一般式(2)で表されるホイスラー合金を含む、磁気抵抗効果素子。
Co 2 Fe α Ga γ Y β−γ ・・・(2)
(式(2)中、Yは、Mn、Cr、Si、Al及びGeからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びγは、2.3≦α+β、α<β<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γを満足する数を表す。) - 前記一般式(2)のβとγが、2×γ<βを満足する数を表す、請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 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強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備え、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とのうち少なくとも一方は、下記の一般式(3)で表されるホイスラー合金を含む磁気抵抗効果素子。
Co2FeαGeδZβ−δ ・・・(3)
(式(3)中、Zは、Mn、Cr、Si、Al及びGaからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びδは、2.3≦α+β、α<β<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦δを満足する数を表す。) - 前記一般式(3)のβとδが、2×δ>βを満足する数を表す、請求項3に記載の磁気抵抗効果素子。
- 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強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備え、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とのうち少なくとも一方は、下記の一般式(4)で表されるホイスラー合金を含む磁気抵抗効果素子。
Co2FeαGaγGeδ ・・・(4)
(式(4)中、α、γ及びδは、2.3≦α+γ+δ、α<γ+δ<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δを満足する数を表す。) - 前記一般式(4)のγとδが、γ<δを満足する数を表す、請求項5に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記一般式(4)のα、γ及びδが、2.3≦α+γ+δ<2.66を満足する数を表す、請求項5又は6に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記一般式(4)のα、γ及びδが、2.45<α+γ+δ<2.66を満足する数を表す、請求項7に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記一般式(4)のδが、0.63<δ<1.26を満足する数を表す、請求項5〜8のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記一般式(4)のδが、0.84<δ<1.26を満足する数を表す、請求項9に記載の磁気抵抗効果素子。
- 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強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備え、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とのうち少なくとも一方は、下記の一般式(5)で表されるホイスラー合金を含む磁気抵抗効果素子。
Co2FeαGaγGeδMnε・・・(5)
(式(5)中、α、γ、δ及びεは、2.3≦α+γ+δ+ε、α<γ+δ+ε<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δ、0.1≦εを満足する数を表す。) - 前記一般式(5)のδとεが、δ<εを満足する数を表す、請求項11に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記一般式(5)のεが、0.38<ε<0.76を満足する数を表す、請求項11又は12に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性層はAgを含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1強磁性層と前記非磁性層との間及び前記第2強磁性層と前記非磁性層との間のそれぞれに、NiAl合金を含むNiAl層が備えられている、請求項1〜14のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記NiAl層の厚みtが、0<t≦0.63nmである、請求項15に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記NiAl合金が、NiをAlよりも多く含む、請求項15又は16に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記NiAl合金が、AlをNiよりも多く含む、請求項15又は16に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層のうちの少なくとも一方は、二層以上の強磁性層を含む積層体であり、前記二層以上の強磁性層のうちの前記非磁性層と接する前記強磁性層は、前記非磁性層側とは反対側の前記強磁性層よりもFe濃度が高い、請求項1〜18のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層のうちの少なくとも一方は、二層以上の強磁性層を含む積層体であり、前記二層以上の強磁性層はそれぞれGeを含み、かつ前記二層以上の強磁性層のうちの前記非磁性層と接する前記強磁性層は、前記非磁性層側とは反対側の前記強磁性層よりもGe濃度が低い、請求項1〜19のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層のうちの少なくとも一方は、二層以上の強磁性層を含む積層体であり、前記二層以上の強磁性層はそれぞれGaを含み、かつ前記二層以上の強磁性層のうちの前記非磁性層と接する前記強磁性層は、前記非磁性層側とは反対側の前記強磁性層よりもGa濃度が高い、請求項1〜20のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層のうちの少なくとも一方は、二層以上の強磁性層を含む積層体であり、前記二層以上の強磁性層のうちの前記非磁性層と接する前記強磁性層は、前記非磁性層側とは反対側の前記強磁性層よりも規則度が高い、請求項1〜21のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層のうちの少なくとも一方は、前記非磁性層側とは反対側にNiを含む層が備えられている、請求項1〜22のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 下記の一般式(2)で表されるホイスラー合金。
Co 2 Fe α Ga γ Y β−γ ・・・(2)
(式(2)中、Yは、Mn、Cr、Si、Al及びGeからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びγは、2.3≦α+β、α<β<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γを満足する数を表す。) - 下記の一般式(3)で表されるホイスラー合金。
Co 2 Fe α Ge δ Z β−δ ・・・(3)
(式(3)中、Zは、Mn、Cr、Si、Al及びGaからなる群より選ばれる一以上の元素を表し、α、β及びδは、2.3≦α+β、α<β<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦δを満足する数を表す。) - 下記の一般式(4)で表されるホイスラー合金。
Co 2 Fe α Ga γ Ge δ ・・・(4)
(式(4)中、α、γ及びδは、2.3≦α+γ+δ、α<γ+δ<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δを満足する数を表す。) - 下記の一般式(5)で表されるホイスラー合金。
Co 2 Fe α Ga γ Ge δ Mn ε ・・・(5)
(式(5)中、α、γ、δ及びεは、2.3≦α+γ+δ+ε、α<γ+δ+ε<2×α、且つ0.5<α<1.9、0.1≦γ、0.1≦δ、0.1≦εを満足する数を表す。)
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