JP7435057B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Description
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)。
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。
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。
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。
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。
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。)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (10)
- 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及び前記第2強磁性層と前記非磁性層との間の両方に配置された挿入層と、を備え、
前記非磁性層は、MgとAlとGaと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り、
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、磁気抵抗効果素子。 - 前記挿入層の厚さは、2nm以下である、請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 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又は2に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記挿入層がGaを含むホイスラー合金を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 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4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。) - 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1~5のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記金属粒子層の厚さが1nm以下である、請求項6に記載の磁気抵抗効果素子。
- 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1~7のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁歪低減層は、前記挿入層に隣接する、請求項8に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性層は、一般式Mg(AlxGa1-x)2OYで表される(xは0<x<1、Yは0<Y≦4の範囲の数である)、請求項1~9のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
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