JP7380743B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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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、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し、磁気センサの出力信号が増加することが期待される。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。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、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。
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。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。またその磁気抵抗効果素子に用いられる強磁性層の結晶化方法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、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、積層方向のいずれかにある添加物含有層と、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、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含有し、少なくとも一部が結晶化したホイスラー合金であり、前記添加物含有層は、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方と、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの元素と、を含む非磁性層である。
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記添加物含有層が２層あり、２層の前記添加物含有層は、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層を挟んでもよい。
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記添加物含有層は、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と接してもよい。
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層において、前記非磁性層に近い側の第１面におけるボロン又はカーボンの濃度は、前記非磁性層から遠い側の第２面におけるボロン又はカーボンの濃度より薄くてもよい。
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層において、前記非磁性層に近いほどボロン又はカーボンの濃度が薄くてもよい。
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記添加物含有層は、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含み、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｔａ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ってもよい。
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記添加物含有層は、前記積層方向と交差する面内方向において不連続であってもよい。
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ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、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、前記非磁性層及び前記添加物含有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。
（１０）第２の態様にかかる強磁性層の結晶化方法は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの元素を含む吸収層と、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含むアモルファスのホイスラー合金の強磁性層とを積層する工程と、前記吸収層及び前記強磁性層を加熱する工程と、を有する。
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、大きなＭＲ比を示す。また本発明に係る強磁性層の結晶化方法によれば、下地基板によらず、低温でホイスラー合金を結晶化できる。
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と添加物含有層４，５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。添加物含有層４，５は、第１強磁性層１、非磁性層３及び第２強磁性層２を積層方向に挟む。
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。
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、第１強磁性層１の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を設けてもよい。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）となる。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ことで、反強磁性層を有さない場合より第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及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含有し、少なくとも一部が結晶化したホイスラー合金である。
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。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。
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。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２において、ホイスラー合金は少なくとも一部が結晶化している。第１強磁性層１及び第２強磁性層２において、例えば、ホイスラー合金は全てが結晶化していてもよい。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、Ｌ２１構造と言われる。Ｌ２１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、Ｌ２１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、Ｌ２１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、Ｃ１ｂ構造と言われる。Ｃ１ｂ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、Ｃ１ｂ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、Ｃ１ｂ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Ｌ２１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Ｃ１ｂ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良さに違いはあるが、いずれも結晶である。従って、第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、例えば、上記のいずれかの結晶構造を有する部分を有する。
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。
磁気抵抗効果素子を構成する各層の組成分析は、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線分析を行えば、例えば、各材料の膜厚方向の組成分布を確認することができる。
また第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含有する。ボロン又はカーボンは、結晶構造をなすいずれかの原子と置換されていてもよいし、結晶構造内に侵入していてもよい。
第１強磁性層１と第２強磁性層２のそれぞれに含まれるボロン及びカーボンの量は、少ないことが好ましい。ボロン及びカーボンは、第１強磁性層１や第２強磁性層２の結晶構造を乱す恐れがある。第１強磁性層１と第２強磁性層２のそれぞれに含まれるボロン及びカーボンの量は、例えば５ａｔｍ％以上３５ａｔｍ％以下であり、好ましくは１５ａｔｍ％以上２５ａｔｍ％以下である。
第１強磁性層１と第２強磁性層２は、非磁性層３を挟む。第１強磁性層１の非磁性層３に近い側の面を第１面１ａと称し、非磁性層３から遠い側の面を第２面１ｂと称する。第２強磁性層２の非磁性層３に近い側の面を第１面２ａと称し、非磁性層３から遠い側の面を第２面２ｂと称する。
ボロン又はカーボンの濃度は、例えば第１面１ａの方が第２面１ｂより低く、例えば第１面２ａの方が第２面２ｂより低い。上述のように、ボロン及びカーボンは、第１強磁性層１や第２強磁性層２の結晶構造を乱す恐れがある。非磁性層３に接する面の結晶性が高いほど、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比は向上する。ボロン又はカーボンの濃度が第２面１ｂ，２ｂより第１面１ａ，２ａの方が低いと、第１面１ａ，２ａの結晶性が高くなり、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が向上する。ボロン又はカーボンの濃度は、例えば第２面１ｂから第１面１ａに向かうに従って低くなってもよく、第２面２ｂから第１面２ａに向かうに従って低くなってもよい。
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。非磁性層３は、例えば、主の構成元素としてＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群より選ばれるいずれかの元素を含む。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３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１０は、大きなＭＲ比を示す。
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、絶縁体又は半導体でもよい。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、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、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
添加物含有層４，５は、非磁性層である。添加物含有層４，５は、それぞれボロンとカーボンとのうち少なくとも一方と、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの元素と、を含む。以下、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの元素を第１元素と称する。添加物含有層４，５は、例えば、第１元素により構成された金属又は合金に、ボロン又はカーボンが添加されたものである。添加物含有層４，５は、好ましくは、第１元素のうちＴｉ、Ｒｕ、Ｔａからなる群から選択されるいずれかの元素を含む。添加物含有層４，５は、例えば、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｔａ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に、ボロン又はカーボンが添加されたものである。
添加物含有層４，５に含有される第１元素は、ボロン及びカーボンを引き寄せる性質を有する。第１元素のうちＴｉ、Ｒｕ、Ｔａは、特にこの性質が強い。詳細は後述するが、添加物含有層４，５が第１元素を含むことで、加熱時にボロンとカーボンとのうち少なくとも一方が、第１元素に引き寄せられることで、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の結晶化が促進される。
図１において、添加物含有層４は第１強磁性層１に接し、添加物含有層５は第２強磁性層２に接する。添加物含有層４が第１強磁性層１に直接接すると、第１強磁性層１から添加物含有層４へのボロン又はカーボンの拡散が促進され、第１強磁性層１の結晶化が促進される。添加物含有層５が第２強磁性層２に直接接する場合も、同様に、第２強磁性層２の結晶化が促進される。
また添加物含有層４，５は、面内方向に不連続でもよい。面内方向に不連続とは、一様に均一な層ではないことを意味する。例えば面内の一部に開口を有する場合、第１元素からなる領域が面内に点在している場合は、添加物含有層４，５が面内方向に不連続である場合に該当する。添加物含有層４，５を第１強磁性層１又は第２強磁性層２と挟む位置に、別の強磁性層を積層する場合がある。この場合、添加物含有層４，５が面内方向に不連続であることで、第１強磁性層１又は第２強磁性層２と別の強磁性層とが直接接続し、これらの間の磁気的結合が強くなる。
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。磁気抵抗効果素子１０の製造方法は、各層の成膜工程と成膜後のアニール工程とを有する。アニール工程において、アモルファスのホイスラー合金が結晶化する。
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模式図である。まず成膜の下地となる基板Ｓｕｂを準備する。基板Ｓｕｂ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。
次いで、基板Ｓｕｂ上に、吸収層１４、強磁性層１１、非磁性層１３、強磁性層１２、吸収層１５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。
吸収層１４，１５は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの元素（第１元素）を含む。吸収層１４，１５は、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの元素の金属又は合金である。
強磁性層１１，１２は、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含むアモルファスのホイスラー合金を含む。強磁性層１１，１２は、例えば、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含むアモルファスのホイスラー合金である。結晶は下地の影響を受けやすく、基板がアモルファスの場合、成膜されるホイスラー合金はアモルファスとなる。また強磁性層１１，１２がボロン又はカーボンを含むと、ホイスラー合金は成膜後の時点においてアモルファスになりやすい。
非磁性層１３は、上述の非磁性層３と同様の材料からなる。
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。
積層体をアニールすると、吸収層１４，１５に含まれる第１元素が強磁性層１１，１２に含まれるボロン及びカーボンを引き寄せる。ボロン及びカーボンは、第１元素に引き寄せられ、強磁性層１１，１２から吸収層１４，１５に向って拡散する。ボロン及びカーボンは、吸収層１４，１５に向って拡散する際に、強磁性層１１，１２内を移動し、強磁性層１１，１２内の原子をミキシングする。ミキシングされた原子は強磁性層１１，１２内で再配列し、強磁性層１１，１２が結晶化する。すなわち、ボロン又はカーボンの拡散は、強磁性層１１，１２内の原子の再配列を促し、強磁性層１１，１２の結晶化を促進する。
積層体をアニールすることで、吸収層１４，１５はボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含有し、添加物含有層４，５となる。強磁性層１１，１２は、ボロン又はカーボンの拡散によりホイスラー合金の少なくとも一部が結晶化し、拡散しなかったボロン又はカーボンが残存することで、第１強磁性層１、第２強磁性層２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元素を含む吸収層と、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含むアモルファスのホイスラー合金を含む強磁性層とを積層し、吸収層及び強磁性層を加熱することで、アモルファスの強磁性層が結晶化する。
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、強磁性層は、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。
またボロン及びカーボンは、アニールの際に非磁性層１３から離れる方向に拡散する。非磁性層３に含まれるボロン又はカーボンは、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比の低下の原因となる。強磁性層１１，１２側にボロン及びカーボンを引き寄せることで、非磁性層３にボロン又はカーボンが含まれることを抑制できる。
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強磁性層１及び第２強磁性層２が結晶化している。そのため、第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、高いスピン分極率を示す。その結果、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。
以上、本発明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。
例えば、第１強磁性層１と第２強磁性層２とのうちいずれか一方のみが、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含有し、少なくとも一部が結晶化したホイスラー合金であってもよい。この場合、残りの一方の強磁性層は、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。例えば、残りの一方の強磁性層の組成は、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂである。
また例えば、磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２、非磁性層３及び添加物含有層４，５以外の層を有してもよい。
また例えば、図４に示す磁気抵抗効果素子１０Ａのように、添加物含有層は１層のみでもよい。図４では、磁気抵抗効果素子１０Ａが第１強磁性層１に隣接する添加物含有層４のみを有する例を示したが、磁気抵抗効果素子は第２強磁性層２に隣接する添加物含有層５のみを有してもよい。
上記の磁気抵抗効果素子１０、１０Ａ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、１０Ａ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１００の断面図である。図５は、積層方向に沿って磁気記録素子１００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（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５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、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７は、適用例３にかかる磁気記録素子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と電源２２と測定部２３とを有する。電源２２の接続方法が、図６に示す磁気記録素子１０１と異なる。電源２２は、平面視で磁気抵抗効果素子１０を挟む添加物含有層４の第１端と第２端の間に電流を印加する。
電源２２により添加物含有層４の第１端と第２端との間に電位差を生み出すと、添加物含有層４の面内方向に電流が流れる。添加物含有層４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。添加物含有層４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、添加物含有層４内にスピンの偏在を生み出し、添加物含有層４の厚み方向にスピン流を誘起する。スピンは、スピン流によって添加物含有層４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。この場合、第１強磁性層１が磁化自由層となり、第２強磁性層２が磁化固定層となる。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、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。
また図７に示す磁気記録素子１０２は、添加物含有層４が配線を兼ねる構成を示したが、添加物含有層４の第１強磁性層１と反対側の面に別途配線を設けてもよい。この場合、配線は、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。
図８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と添加物含有層４，５からなる。図８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。
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と添加物含有層４，５からなる。図８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、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１Ａと第２磁区１Ｂ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１Ａと第２磁区１Ｂ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８に示す第１強磁性層１は、第１磁区１Ａの磁化Ｍ１Ａが＋Ｚ方向に配向し、第２磁区１Ｂの磁化Ｍ１Ｂ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１Ａと第２磁区１Ｂ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Ｍ２は、例えば、第１磁区１Ａの磁化Ｍ１Ａと同じ方向（平行）であり、第２磁区１Ｂの磁化Ｍ１Ｂ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１Ａ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１Ｂ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１Ａから第２磁区１Ｂに向って電流が流れる場合、第２磁区１Ｂでスピン偏極した電子は、第１磁区１Ａの磁化Ｍ１Ａを磁化反転させる。第１磁区１Ａの磁化Ｍ１Ａ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、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９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。
１…第１強磁性層、１ａ，２ａ…第１面、１ｂ，２ｂ…第２面、１Ａ…第１磁区、１Ｂ…第２磁区、２…第２強磁性層、３，１３…非磁性層、４，５…添加物含有層、１０，１０Ａ…磁気抵抗効果素子、１１，１２…強磁性層、１４，１５…吸収層、２１…抵抗測定器、２２…電源、２３…測定部、２４…第１磁化固定層、２５…第２磁化固定層、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…磁壁移動素子、１０４…高周波デバイス、ＤＷ…磁壁、Ｓｕｂ…基板
Claims (8)
- 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強磁性層の前記非磁性層と反対側と、前記第２強磁性層の前記非磁性層と反対側と、のうち少なくともいずれかにある添加物含有層と、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、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含有し、少なくとも一部が結晶化したホイスラー合金であり、
前記添加物含有層は、
ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方と、
Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの元素と、を含み、
前記添加物含有層は、面内の一部に開口を有する、磁気抵抗効果素子。 - 前記添加物含有層が２層あり、
２層の前記添加物含有層は、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層を挟む、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層において、前記非磁性層に近い側の第１面におけるボロン又はカーボンの濃度は、前記非磁性層から遠い側の第２面におけるボロン又はカーボンの濃度より薄い、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層において、前記非磁性層に近いほどボロン又はカーボンの濃度が薄い、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記添加物含有層は、ボロンとカーボンとのうち少なくとも一方を含み、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｔａ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。
- 前記添加物含有層は、積層方向と交差する面内方向において不連続である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ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。
- 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、前記非磁性層及び前記添加物含有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１～７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
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