JPWO2019131394A1 - トンネル磁気抵抗効果膜ならびにこれを用いた磁気デバイス - Google Patents

トンネル磁気抵抗効果膜ならびにこれを用いた磁気デバイス Download PDF

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Abstract

高温環境、高磁場環境などにおいても適切に動作しうるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子１１は、固定磁性層３の少なくとも一部である第１強磁性層３１と第１強磁性層３１に積層された反強磁性層２とを有する交換結合膜１０を備え、反強磁性層２は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ−Ｍｎ）層を備え、Ｘ（Ｃｒ−Ｍｎ）層は、第１強磁性層３１に相対的に近位な第１領域Ｒ１と、第１強磁性層３１から相対的に遠位な第２領域Ｒ２とを有し、第１領域Ｒ１におけるＭｎの含有量は、第２領域Ｒ２におけるＭｎの含有量よりも高い。

Description

本発明はトンネル磁気抵抗効果膜ならびにこれを用いた磁気デバイスに関する。
固定磁性層およびフリー磁性層が絶縁障壁層を介して積層された構造を有するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は、磁気抵抗比（ＭＲ比）が巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子よりも大きいため、磁気ヘッド、磁気メモリ、磁気センサといった様々な磁気デバイスに用いられている（例えば特許文献１参照）。
特開２００９−４６９２号公報
このような磁気デバイスが各種機器に用いられると、高温環境、高磁場環境など過酷な環境においても適切に動作することが求められている。
本発明は、高温環境、高磁場環境などにおいても適切に動作しうるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子およびかかるＴＭＲ素子を備える磁気デバイスを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、強磁性層を有する固定磁性層およびフリー磁性層が絶縁障壁層を介して積層された構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とは交換結合膜を構成し、前記反強磁性層は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ−Ｍｎ）層を備え、前記Ｘ（Ｃｒ−Ｍｎ）層は、前記強磁性層に相対的に近位な第１領域と、前記強磁性層から相対的に遠位な第２領域とを有し、前記第１領域におけるＭｎの含有量は、前記第２領域におけるＭｎの含有量よりも高いことを特徴とする磁界印加バイアス膜である。
図１は、本発明に係る交換結合膜の磁化曲線のヒステリシスループを説明する図である。通常、軟磁性体のＭ−Ｈ曲線（磁化曲線）が作るヒステリシスループは、Ｈ軸とＭ軸との交点（磁界Ｈ＝０Ａ／ｍ、磁化Ｍ＝０Ａ／ｍ）を中心として対称な形状となるが、図１に示されるように、本発明に係る交換結合膜のヒステリシスループは、反強磁性層と交換結合する強磁性層に対して交換結合磁界Ｈｅｘが作用するため、交換結合磁界Ｈｅｘの大きさに応じてＨ軸に沿ってシフトした形状となる。交換結合膜の強磁性層は、この交換結合磁界Ｈｅｘが大きいほど外部磁界が印加されても磁化の向きが反転しにくいため、交換結合膜の強磁性層を固定磁性層の少なくとも一部として備えるトンネル磁気抵抗効果素子は、良好な強磁場耐性を有することができる。
このＨ軸に沿ってシフトしたヒステリシスループの中心（この中心の磁界強度が交換結合磁界Ｈｅｘに相当する。）とヒステリシスループのＨ軸切片との差によって定義される保磁力Ｈｃが交換結合磁界Ｈｅｘよりも小さい場合には、外部磁場が印加されて交換結合膜の固定磁性層がその外部磁場に沿った方向に磁化されたとしても、外部磁場の印加が終了すれば、保磁力Ｈｃよりも相対的に強い交換結合磁界Ｈｅｘによって、強磁性層の磁化の方向を揃えることが可能となる。すなわち、交換結合磁界Ｈｅｘと保磁力Ｈｃとの関係がＨｅｘ＞Ｈｃである場合には、交換結合膜を有する固定磁性層を備えるトンネル磁気抵抗効果素子は良好な強磁場耐性を有する。
しかも、上記の交換結合膜が備える反強磁性膜は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎといった従来の反強磁性材料から形成された反強磁性膜よりもブロッキング温度Ｔｂが高いため、例えば３００℃程度の環境に置かれて強磁場が印加されても、交換結合磁界Ｈｅｘを維持することができる。したがって、上記の交換結合膜を有する固定磁性層を備えるトンネル磁気抵抗効果素子は、高温環境下での安定性に優れ、強磁場耐性を有する。
上記のトンネル磁気抵抗効果素子の交換結合膜において、前記第１領域が前記強磁性層に接していてもよい。
上記のトンネル磁気抵抗効果素子の交換結合膜において、前記第１領域は、Ｍｎの含有量のＣｒの含有量に対する比であるＭｎ／Ｃｒ比が０．３以上の部分を有していてもよい。この場合において、前記第１領域は、前記Ｍｎ／Ｃｒ比が１以上である部分を有することが好ましい。
上記のトンネル磁気抵抗効果素子の交換結合膜の具体的な一態様として、前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層と、前記ＰｔＣｒ層よりも前記強磁性層に近位なＸ０Ｍｎ層（ただし、Ｘ０は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とが積層されてなるものであってもよい。
上記の交換結合膜の具体例として、前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層とＰｔＭｎ層とがこの順番で前記ＰｔＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層されてなるものであってもよい。この場合において、前記ＰｔＭｎ層よりも前記強磁性層に近位にさらにＩｒＭｎ層が積層されてもよい。この構成において上記のＸ０Ｍｎ層はＰｔＭｎ層とＩｒＭｎ層とからなる。
上記のトンネル磁気抵抗効果素子は基板上に形成されたものであって、前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも、近位になるように積層されていてもよい（ボトムタイプ）し、遠位になるように積層されていてもよい（トップタイプ）。本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子では、トップタイプであっても、ボトムタイプと同様に高い抵抗変化率ΔＭＲが得られる。
本発明は、他の一態様として、強磁性層を有する固定磁性層およびフリー磁性層が絶縁障壁層を介して積層された構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、前記強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とは交換結合膜を構成し、前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層（ただし、Ｘ１は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とＸ２Ｍｎ層（ただし、Ｘ２は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、Ｘ１と同じでも異なっていてもよい）とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子を提供する。
上記のトンネル磁気抵抗効果素子の交換結合膜において、前記Ｘ１がＰｔであり、前記Ｘ２がＰｔまたはＩｒであってもよい。
前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層とＸ２Ｍｎ層とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有していてもよい。この場合において、前記ユニット積層部における、前記Ｘ１Ｃｒ層および前記Ｘ２Ｍｎ層は、それぞれ同じ膜厚であり、前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚が、前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚よりも大きくてもよい。このとき、前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚と前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚との比が、５：１〜１００：１であることが好ましい場合がある。
上記のトンネル磁気抵抗効果素子は基板上に形成されたものであって、前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも、近位になるように積層されていてもよい（ボトムタイプ）し、遠位になるように積層されていてもよい（トップタイプ）。本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子では、トップタイプであっても、ボトムタイプと同様に高い抵抗変化率ΔＭＲが得られる。
本発明は、別の一態様として、上記のトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気デバイスを提供する。この磁気デバイスの具体例として、前記トンネル磁気抵抗効果素子を読み取り素子として有する磁気ヘッド、前記トンネル磁気抵抗効果素子を記録素子として有する磁気メモリ、および前記トンネル磁気抵抗効果素子を検知素子として有する磁気センサが挙げられる。こうした磁気デバイスは、上記のトンネル磁気抵抗効果素子が高温環境下での安定性に優れ、強磁場耐性を有するため、過酷な環境においても使用可能である。
本発明は、また別の一態様として、上記の磁気検出素子を備える機器を提供する。機器の具体例として、電子機器、輸送機器、通信機器、医療機器、生産設備、インフラ機器などが挙げられる。
本発明によれば、高温環境下においても強磁場耐性に優れるトンネル磁気抵抗効果素子が提供される。したがって、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いれば、高温環境下において強磁場が印加される場合であっても安定な磁気デバイスとすることが可能であり、様々な機器に搭載することが可能である。
本発明に係る磁界印加バイアス膜の磁化曲線のヒステリシスループを説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 デプスプロファイルの一例である。 図３のデプスプロファイルの一部を拡大したプロファイルである。 図４に基づき求めたＭｎの含有量に対するＣｒの含有量の比（Ｍｎ／Ｃｒ比）を、図４と横軸の範囲を等しくして示したグラフである。 本発明の第１の実施形態の第１変形例（反強磁性層がＩｒＭｎ層をさらに備える構成）に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の第２変形例（トップタイプ）に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の第３変形例（拡散防止層を備えるボトムタイプ）に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の第４変形例（拡散防止層を備えるトップタイプ）に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す説明図である。 （ａ）本発明の一実施形態に係る磁気デバイスの一例である磁気センサの構造を説明するための平面図、（ｂ）図１２（ａ）のＶ１−Ｖ１線断面図である。 実施例および比較例の抵抗変化率ΔＭＲを示すグラフである。 交換結合磁界Ｈｅｘの強度の温度依存性を示すグラフである。
＜第１の実施形態に係る磁気検出素子＞
図２は、本発明の第１の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子の構造を概念的に示す説明図である。
図２に示されるように、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）１１は基板ＳＢ上に形成された下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２の間に設けられる。基板ＳＢは例えば、表面にアルミナが積層されたＳｉ基板から構成される。下部電極Ｅ１は例えば、ＣｕとＴａとの積層体から構成される。上部電極Ｅ２は、例えばＲｕとＴａとの積層体から構成される。
基板ＳＢのアルミナが積層された面上に形成された下部電極Ｅ１の上に、ＴＭＲ素子１１は、下から、シード層１、反強磁性層２、固定磁性層３、絶縁障壁層４、フリー磁性層５の順に積層されて構成される。すなわち、ＴＭＲ素子１１は、強磁性層を有する固定磁性層３およびフリー磁性層５が絶縁障壁層４を介して積層された構造を有する。反強磁性層２と固定磁性層３の一部である第１強磁性層３１とが交換結合膜１０を構成する。ＴＭＲ素子１１の上には上部電極Ｅ２が形成される。
シード層１は、その上に形成される各層の結晶配向性を整えるために用いられ、ＲｕやＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ等で形成される。
反強磁性層２は、第１強磁性層３１に近位な側からＰｔＭｎ層２ＡおよびＰｔＣｒ層２Ｂがこの順番で積層されてなる。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。なお、ＰｔＭｎ層２Ａなど合金層を成膜する際には、合金を形成する複数種類の金属（ＰｔＭｎ層２Ａの場合にはＰｔおよびＭｎ）を同時に供給してもよいし、合金を形成する複数種類の金属を交互に供給してもよい。前者の具体例として合金を形成する複数種類の金属の同時スパッタが挙げられ、後者の具体例として異なる種類の金属膜の交互積層が挙げられる。合金を形成する複数種類の金属の同時供給が交互供給よりも交換結合磁界Ｈｅｘを高めることにとって好ましい場合がある。
反強磁性層２は、成膜後、アニール処理されることにより規則化し、第１強磁性層３１と交換結合して、第１強磁性層３１に交換結合磁界Ｈｅｘが発生する。反強磁性層２のブロッキング温度Ｔｂは、従来技術に係るＩｒＭｎからなる反強磁性層やＰｔＭｎからなる反強磁性層のブロッキング温度Ｔｂよりも高いため、高温環境においても交換結合膜１０は交換結合磁界Ｈｅｘを高く維持することができる。なお、上記のアニール処理により反強磁性層２を構成する各層の原子は相互拡散する。
本実施形態に係る交換結合膜１０が備える反強磁性層２は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ−Ｍｎ）層を有する。図２に示される積層構造から得られる反強磁性層２は、元素ＸがＰｔであるから、Ｐｔ（Ｃｒ−Ｍｎ）層となる。このＰｔ（Ｃｒ−Ｍｎ）層は、第１強磁性層３１に相対的に近位な第１領域と、第１強磁性層３１から相対的に遠位な第２領域とを有し、第１領域におけるＭｎの含有量は、第２領域におけるＭｎの含有量よりも高い。このような構造を有するＰｔ（Ｃｒ−Ｍｎ）層は、積層されたＰｔＭｎ層２ＡおよびＰｔＣｒ層２Ｂがアニール処理を受けることにより形成される。スパッタリングしながら表面分析を行うことにより、構成元素の深さ方向の含有量分布（デプスプロファイル）を得ることができる。
図３は、本実施形態に係る交換結合膜１０と同様の構成を備える交換結合膜を含む積層体のデプスプロファイルの一例である。この積層体における交換結合膜は、固定磁性層と反強磁性層とからなる。図３に示されるデプスプロファイルは、以下の構成を備えた膜に対して、１５ｋＯｅの磁場中において３５０℃で２０時間アニール処理した膜から得られたものである。（）内の数値は膜厚（Å）を示す。
基板／下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４０）／非磁性材料層：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（２０）］／固定磁性層：Ｃｏ４０ａｔ％Ｆｅ６０ａｔ％（２０）／反強磁性層［ＩｒＭｎ層：Ｉｒ２２ａｔ％Ｍｎ７８ａｔ％（１０）／ＰｔＭｎ層：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１６）／ＰｔＣｒ層：Ｐｔ５１ａｔ％Ｃｒ４９ａｔ％（３００）］／保護層：Ｔａ（１００）
図３のデプスプロファイルは、具体的には、保護層側からアルゴンスパッタリングしながらオージェ電子分光装置により表面分析を行うことによって得られた、深さ方向におけるＰｔ，Ｉｒ，ＣｒおよびＭｎの含有量分布からなる。アルゴンによるスパッタ速度はＳｉＯ２換算で求め、１．１ｎｍ／分であった。
図４は、図３の一部を拡大したものである。図３および図４のいずれについても、固定磁性層および非磁性材料層の深さ位置を確認するために、Ｃｏ（固定磁性層の構成元素の１つ）の含有量分布およびＲｕ（非磁性材料層の反強磁性層側を構成する元素）の含有量分布についてもデプスプロファイルに含めてある。
図３に示されるように、反強磁性層の厚さは３０ｎｍ程度であって、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸとしてのＰｔおよびＩｒとＭｎおよびＣｒとを含有するＸ（Ｃｒ−Ｍｎ）層を備え、具体的には（Ｐｔ−Ｉｒ）（Ｃｒ−Ｍｎ）層からなるものである。そして、Ｘ（Ｃｒ−Ｍｎ）層（（Ｐｔ−Ｉｒ）（Ｃｒ−Ｍｎ）層）は、固定磁性層に相対的に近位な第１領域Ｒ１と、固定磁性層から相対的に遠位な第２領域Ｒ２とを有し、および第１領域Ｒ１におけるＭｎの含有量は、第２領域Ｒ２におけるＭｎの含有量よりも高い。このような構造は、ＸＣｒからなる層およびＸＭｎからなる層などを適宜積層して多層積層体を形成し、この多層積層体に対して上記のようなアニール処理を行うことにより得ることができる。
図５は、デプスプロファイルにより求められた各深さのＭｎの含有量およびＣｒの含有量に基づき算出された、Ｍｎの含有量のＣｒの含有量に対する比（Ｍｎ／Ｃｒ比）を、図４と横軸の範囲を等しくして示したグラフである。図５に示される結果に基づき、本明細書において、Ｍｎ／Ｃｒ比が０．１となる深さを第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界とする。すなわち、反強磁性層において、固定磁性層に近位な領域でＭｎ／Ｃｒ比が０．１以上の領域を第１領域Ｒ１と定義し、反強磁性層における第１領域以外の領域を第２領域と定義する。この定義に基づくと、図３に示されるデプスプロファイルにおいて第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界は深さ４４．５ｎｍ程度に位置する。
Ｍｎ／Ｃｒ比が大きいことは交換結合磁界Ｈｅｘの大きさに影響を与えるのみならず、Ｍｎ／Ｃｒ比が大きいほど、Ｈｅｘ／Ｈｃの値が正の値で絶対値が大きくなりやすい。具体的には、第１領域Ｒ１は、Ｍｎ／Ｃｒ比が０．３以上の部分を有することが好ましく、Ｍｎ／Ｃｒ比が０．７以上の部分を有することがより好ましく、Ｍｎ／Ｃｒ比が１以上の部分を有することが特に好ましい。
このように第１領域Ｒ１にＭｎを相対的に多く含有するため、交換結合膜１０は高い交換結合磁界Ｈｅｘを発生させることができる。一方、第２領域Ｒ２においてＭｎの含有量が低く、相対的にＣｒの含有量が高いため、反強磁性層２は、高いブロッキング温度Ｔｂを有する。このため、交換結合膜１０は高温環境下に置かれても高い交換結合磁界Ｈｅｘを維持することができる。なお、上記の説明では、ＰｔＣｒ層に対して強磁性層側に積層される層はＰｔＭｎ層であったが、これに限定されない。ＰｔＣｒ層よりも強磁性層に近位なＸ０Ｍｎ層（ただし、Ｘ０は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）が積層されてもよい。
固定磁性層３は、図２に示すように下から第１強磁性層３１、非磁性中間層３２、第２強磁性層３３の順に積層された積層フェリ構造である。第１強磁性層３１は、上記のとおり反強磁性層２との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）や第１強磁性層３１と第２強磁性層３３間で生じるＲＫＫＹ相互作用により、磁化が一方向（図２ではＸ１−Ｘ２方向Ｘ１側の向き）に固定される。一方、第２強磁性層３３の磁化は、第１強磁性層３１の磁化方向に対して逆方向（図２ではＸ１−Ｘ２方向Ｘ２側の向き）に固定される。第１強磁性層３１は、強磁性の材料、例えばＣｏＦｅ合金（コバルト・鉄合金）から形成される。ＣｏＦｅ合金は、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力Ｈｃが高くなる。第１強磁性層３１の膜厚は、１２Å以上３０Å以下であることが好ましい場合がある。非磁性中間層３２は、例えばＲｕで形成される。第２強磁性層３３は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層、およびＣｏ−Ｆｅ層の積層構造で形成される。
絶縁障壁層４はＭｇ−Ｏで形成される。Ｍｇの組成比は４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下の範囲内であることが好ましい。Ｍｇ５０ａｔ％Ｏ５０ａｔ％であることがより好ましい。
フリー磁性層５は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ層とＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層との積層構造で構成される。フリー磁性層５の磁化方向は固定されておらず、外部磁場に応じてＸ−Ｙ面内で磁化変動可能である。図２では、外部磁場が印加されていない状態で第２強磁性層３３の磁化方向（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２側の向き）に揃った向きにフリー磁性層５の磁化方向が向いている状態を示している。この状態が下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間の抵抗が最も小さくなる。一方、フリー磁性層５の磁化方向が第２強磁性層３３の磁化方向が反平行（Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ１側の向き）の状態になると、下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間の抵抗が最も大きくなる。
上記したＴＭＲ素子１１の層構成や材質は一例である。例えば、図６に示されるＴＭＲ素子１１Ａのように、反強磁性層２が、第１強磁性層３１に近位な側からＩｒＭｎ層２Ｃ，ＰｔＭｎ層２ＡおよびＰｔＣｒ層２Ｂが積層されてなるものであってもよい。あるいは、ＴＭＲ素子１１では、基板ＳＢおよびこの基板ＳＢの上に形成された下部電極Ｅ１からみて、下から反強磁性層２、固定磁性層３、絶縁障壁層４およびフリー磁性層５の順に積層される、いわゆるボトムタイプであるが、図７に示されるＴＭＲ素子１１Ｂのように、基板ＳＢおよびこの基板ＳＢの上に形成された下部電極Ｅ１からみて、下からフリー磁性層５、絶縁障壁層４、固定磁性層３および反強磁性層２の順に積層される、いわゆるトップタイプであってもよい。
また、Ｔａなどの拡散防止層３Ｘが設けられていてもよい。図８に示されるＴＭＲ素子１１Ｃでは、第２強磁性層３３の上側（上部電極Ｅ２側）に拡散防止層３Ｘが設けられ、その上に強磁性層３Ａが積層されてから絶縁障壁層４が積層されている。図９に示されるＴＭＲ素子１１Ｄでは、絶縁障壁層４の上側（上部電極Ｅ２側）に強磁性層３Ａが積層されてから、拡散防止層３Ｘが設けられ、その上に第２強磁性層３３が積層されている。
固定磁性層３は上記のような積層フェリ構造を有していなくてもよく、磁性層の単層構造や他の積層構造であってもよい。フリー磁性層５は単層構造であってもよい。
＜第２の実施形態に係る磁気検出素子＞
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の構造を概念的に示す説明図である。本実施形態では、図２に示すＴＭＲ素子１１と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
第２の実施形態に係るＴＭＲ素子１１１は、基板ＳＢの上に形成された下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２の間に各層が設けられることや、下から、シード層１、反強磁性層２、固定磁性層３、絶縁障壁層４、フリー磁性層５の順に積層されて構成されること、さらには反強磁性層２と固定磁性層３の一部である第１強磁性層３１とが交換結合膜１０１を構成することなど、基本構成はＴＭＲ素子１１と共通する。第２の実施形態に係るＴＭＲ素子１１１は、反強磁性層２の構造が第１の実施形態に係るＴＭＲ素子１１と異なっている。
第２の実施形態に係るＴＭＲ素子１１１の反強磁性層２は、Ｘ１Ｃｒ層２１ＡとＸ２Ｍｎ層２１Ｂとが交互に三層積層された交互積層構造（ただし、Ｘ１およびＸ２はそれぞれ白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であり、Ｘ１とＸ２とは同じでも異なっていてもよい）である。これら各層は、例えばスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜される。反強磁性層２は、成膜後、アニール処理されることにより規則化し、第１強磁性層３１と交換結合して、第１強磁性層３１に交換結合磁界Ｈｅｘが発生する。
図１０には、Ｘ１Ｃｒ層２１ＡとＸ２Ｍｎ層２１Ｂとが三層以上積層された交互積層構造の一態様として、Ｘ１Ｃｒ層２１Ａ／Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂ／Ｘ１Ｃｒ層２１Ａの三層構造であってＸ１Ｃｒ層２１Ａが第１強磁性層３１に接する反強磁性層２を示した。しかし、Ｘ１Ｃｒ層２１ＡとＸ２Ｍｎ層２１Ｂとを入れ替えた、Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂ／Ｘ１Ｃｒ層２１Ａ／Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂの三層構造としてもよい。この三層構造の場合、Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂが第１強磁性層３１に接する。反強磁性層２に係る層数が４以上である場合の形態については、後述する。
Ｘ１Ｃｒ層２１Ａが第１強磁性層３１に最近位である場合には、シード層１側のＸ１Ｃｒ層２１Ａの膜厚Ｄ１を、第１強磁性層３１に接するＸ１Ｃｒ層２１Ａの膜厚Ｄ３よりも大きくすることが、交換結合磁界Ｈｅｘを高くする観点から好ましい。また、反強磁性層２１のＸ１Ｃｒ層２１Ａの膜厚Ｄ１は、Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂの膜厚Ｄ２よりも大きいことが好ましい。膜厚Ｄ１と膜厚Ｄ２の比（Ｄ１：Ｄ２）は、５：１〜１００：１がより好ましく、１０：１〜５０：１がさらに好ましい。膜厚Ｄ１と膜厚Ｄ３の比（Ｄ１：Ｄ３）は、５：１〜１００：１がより好ましく、１０：１〜５０：１がさらに好ましい。
なお、Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂが第１強磁性層３１に最近位であるＸ２Ｍｎ層２１Ｂ／Ｘ１Ｃｒ層２１Ａ／Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂの三層構造の場合には、第１強磁性層３１に最近位なＸ２Ｍｎ層２１Ｂの膜厚Ｄ３とシード層１側のＸ２Ｍｎ層２１Ｂの膜厚Ｄ１とを等しくしてもよい。
交換結合磁界Ｈｅｘを高くする観点から、Ｘ１Ｃｒ層２１ＡのＸ１はＰｔが好ましく、Ｘ２Ｍｎ層２１ＢのＸ２は、ＰｔまたはＩｒが好ましく、Ｐｔがより好ましい。Ｘ１Ｃｒ層２１ＡをＰｔＣｒ層とする場合には、ＰｔＸＣｒ１００ａｔ％−Ｘ（Ｘは４５ａｔ％以上６２ａｔ％以下）であることが好ましく、Ｘ１ ＸＣｒ１００ａｔ％−Ｘ（Ｘは５０ａｔ％以上５７ａｔ％以下）であることがより好ましい。同様の観点から、Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂは、ＰｔＭｎ層が好ましい。
図１１に本発明の第２の実施形態の変形例に係るＴＭＲ素子１１２の膜構成を示す説明図が示されている。本例では、図１０に示すＴＭＲ素子１１１と機能が等しい層に同じ符号を付して、説明を省略する。ＴＭＲ素子１１２においては、第１強磁性層３１と反強磁性層２２とが交換結合膜１０２を構成する。
図１１に示すＴＭＲ素子１１２が図１０のＴＭＲ素子１１１と相違している点は、反強磁性層２２に係る層数が４以上であり、Ｘ１Ｃｒ層２１ＡとＸ２Ｍｎ層２１Ｂ（図１１参照）とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有する点である。図７では、Ｘ１Ｃｒ層２１Ａ１とＸ２Ｍｎ層２１Ｂ１とからなるユニット積層部２Ｕ１からＸ１Ｃｒ層２１ＡｎとＸ２Ｍｎ層２１Ｂｎとからなるユニット２Ｕｎまで、ｎ層積層されたユニット積層部２Ｕ１〜２Ｕｎを有している（ｎは２以上の整数）。
ユニット積層部２Ｕ１〜２Ｕｎにおける、Ｘ１Ｃｒ層２Ａ１、・・・Ｘ１Ｃｒ層２１Ａｎは、それぞれ同じ膜厚Ｄ１であり、Ｘ２Ｍｎ層２Ｂ１、・・・Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂｎも、それぞれ同じ膜厚Ｄ２である。同じ構成のユニット積層部２Ｕ１〜２Ｕｎを積層し、得られた積層体をアニール処理することにより、交換結合膜１０２の第１強磁性層３１に高い交換結合磁界Ｈｅｘを発生させるとともに、反強磁性層２２の高温安定性を高めることが実現される。
なお、図１１の反強磁性層２２は、ユニット積層部２１Ｕ１〜２１ＵｎとＸ１Ｃｒ層２１Ａとからなり、Ｘ１Ｃｒ層２１Ａが第１強磁性層３１に接しているが、ユニット積層部２１Ｕ１〜２１Ｕｎのみからなるものであってもよい。ユニット積層部２１Ｕ１〜２１Ｕｎのみからなる積層体から形成された反強磁性層２２は、Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂｎが第１強磁性層３１に接する。
ユニット積層部２１Ｕ１〜２１Ｕｎの積層数は、反強磁性層２２、膜厚Ｄ１および膜厚Ｄ２の大きさに応じて、設定することができる。例えば、膜厚Ｄ１が５〜１５Å、膜厚Ｄ１が３０〜４０Åの場合、高温環境下における交換結合磁界Ｈｅｘを高くするために、積層数は、３〜１５が好ましく、５〜１２がより好ましい。
上記の本発明の実施形態に係るＴＭＲ素子１１、１１１、１１２は、高温環境や強磁場環境に置かれても、反強磁性層２、２１、２２がその機能を適切に果たすことができるため、ＴＭＲ素子１１、１１１、１１２を備える磁気デバイスは過酷な環境においても適切に動作することができる。
上記の磁気デバイスの具体例として、ＴＭＲ素子１１、１１１、１１２を読み取り素子として有する磁気ヘッド、ＴＭＲ素子１１、１１１、１１２を記録素子として有する磁気メモリ、およびＴＭＲ素子１１、１１１、１１２を検知素子として有する磁気センサが挙げられる。
図１２（ａ）は、磁気デバイスの一例である磁気センサの構造を説明するための平面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＶ１−Ｖ１線断面図である。
図１２に示されるように、磁気センサ１００は、下部電極Ｅ１のＹ１−Ｙ２方向Ｙ１側に２つのＴＭＲ素子１１、１１がＸ１−Ｘ２方向に並んで配置されている。２つのＴＭＲ素子１１、１１はそれぞれ、異なった上部電極Ｅ２、Ｅ２に接続されている。図１２（ａ）には表示を省略したが、図１２（ｂ）に示されるように、２つのＴＭＲ素子１１、１１の周囲には絶縁層Ｍ１が設けられ、２つの上部電極Ｅ２、Ｅ２のそれぞれの周囲にも絶縁層Ｍ２が設けられている。
したがって、２つの上部電極Ｅ２のそれぞれを外部配線と接続することにより、２つのＴＭＲ素子１１、１１が直列に接続してなり、外部磁場に応じて抵抗値が変動する回路を構成することができる。磁気センサ１００の抵抗値に関する電気信号に基づいて外部磁場の強度や向きを測定してもよいし、磁気センサ１００を感磁スイッチとして用いてもよい。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、上記の交換結合膜では、ＰｔＭｎ層２Ａが第１強磁性層３１に接している、すなわち、積層された第１強磁性層３１の上に直接的にＰｔＭｎ層２Ａが積層されているが、ＰｔＭｎ層２Ａと第１強磁性層３１との間にＭｎを含有する他の層（Ｍｎ層およびＩｒＭｎ層が例示される。）が積層されてもよい。また、上記の実施形態では、反強磁性層２、２１、２２が第１強磁性層３１よりもシード層１に近位に位置するように積層されているが、第１強磁性層３１が反強磁性層２、２１、２２よりもシード層１に近位に位置するように積層されてもよい。
上記の磁気デバイスを備える機器は、上記のとおり、ＴＭＲ素子１１、１１１、１１２が耐熱性や強磁場耐性を有するため、強磁場環境や高温環境など様々な環境においても信頼性高く使用できる。機器の具体例として、コンピュータ、タブレット端末等の電子機器、車両、航空機、船舶等の輸送機器、携帯電話、スマートフォン、通信設備等の通信機器、検査装置等の医療機器、ロボット等の生産設備、発電機等のインフラ機器などが挙げられる。
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
（実施例１）
以下の膜構成を備えた積層体を製造した。以下の実施例および比較例では（）内の数値は膜厚（Å）を示す。
基板ＳＢ：表面にアルミナが積層されたＳｉ基板／下部電極Ｅ１：［Ｔａ（３０）／Ｃｕ（２００）／Ｔａ（３０）／Ｃｕ（２００）／Ｔａ（１５０）］／シード層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／反強磁性層２：［ＰｔＣｒ層２Ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｃｒ５０ａｔ％（３００）／ＰｔＭｎ層２Ａ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１４）／ＩｒＭｎ層：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％（８）］／固定磁性層３：｛第１強磁性層３１：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（４０）／非磁性中間層３２：Ｒｕ（８）／第２強磁性層３３：［Ｆｅ６０ａｔ％Ｃｏ４０ａｔ％（１４）／Ｃｏ３５ａｔ％Ｆｅ３５ａｔ％Ｂ３０ａｔ％（１０）／Ｆｅ５０ａｔ％Ｃｏ５０ａｔ％（６）］｝／絶縁障壁層４：Ｍｇ５０ａｔ％Ｏ５０ａｔ％（２０）／フリー磁性層５：［Ｆｅ５０ａｔ％Ｃｏ５０ａｔ％（１０）／Ｃｏ３５ａｔ％Ｆｅ３５ａｔ％Ｂ３０ａｔ％（３０）］／上部電極Ｅ２：［Ｒｕ（５０）／Ｔａ（１００）／Ｒｕ（７０）］
実施例１に係る積層体の構成を表１に示す。
この積層体から、または次の熱処理を経て、ＴＭＲ素子１１Ａを得た。
実施例１−１：熱処理を実施しなかった（熱処理未実施）。
実施例１−２：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で４時間アニールする熱処理を行った（４時間処理）。
実施例１−３：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で２０時間アニールする熱処理を行った（２０時間処理）。
実施例１−４：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行った（１０時間処理）。
（実施例２）
以下の膜構成を備えた積層体を製造した。
基板ＳＢ：表面にアルミナが積層されたＳｉ基板／下部電極Ｅ１：［Ｔａ（３０）／Ｃｕ（２００）／Ｔａ（３０）／Ｃｕ（２００）／Ｔａ（１５０）］／シード層１：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／反強磁性層２：［ＰｔＣｒ層２Ｂ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｃｒ５０ａｔ％（３００）／ＰｔＭｎ層２Ａ：Ｐｔ５０ａｔ％Ｍｎ５０ａｔ％（１４）／ＩｒＭｎ層：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％（８）］／固定磁性層３：｛第１強磁性層３１：Ｃｏ９０ａｔ％Ｆｅ１０ａｔ％（４０）／非磁性中間層３２：Ｒｕ（８）／第２強磁性層３３：Ｆｅ６０ａｔ％Ｃｏ４０ａｔ％（１６）／拡散防止層３Ｘ：Ｔａ（３）／強磁性層３Ａ：［Ｃｏ３５ａｔ％Ｆｅ３５ａｔ％Ｂ３０ａｔ％（１０）／Ｆｅ５０ａｔ％Ｃｏ５０ａｔ％（６）］｝／絶縁障壁層４：Ｍｇ５０ａｔ％Ｏ５０ａｔ％（２０）／フリー磁性層５：［Ｆｅ５０ａｔ％Ｃｏ５０ａｔ％（１０）／Ｃｏ３５ａｔ％Ｆｅ３５ａｔ％Ｂ３０ａｔ％（３０）］／上部電極Ｅ２：［Ｒｕ（５０）／Ｔａ（１００）／Ｒｕ（７０）］
実施例２に係る積層体の構成を表２に示す。
この積層体から、または次の熱処理を経て、ＴＭＲ素子１１Ｃを得た。
実施例２−１：熱処理を実施しなかった（熱処理未実施）。
実施例２−２：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で４時間アニールする熱処理を行った（４時間処理）。
実施例２−３：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で２０時間アニールする熱処理を行った（２０時間処理）。
実施例２−４：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行った（１０時間処理）。
（比較例１）
実施例１における積層体において、反強磁性層２が厚さ８０ÅのＩｒＭｎ層：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％からなる積層体を製造した（表３参照）。得られた積層体から、または次の熱処理を経て、ＴＭＲ素子を得た。
比較例１−１：熱処理を実施しなかった（熱処理未実施）。
比較例１−２：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で４時間アニールする熱処理を行った（４時間処理）。
比較例１−３：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で２０時間アニールする熱処理を行った（２０時間処理）。
比較例１−４：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行った（１０時間処理）。
（比較例２）
実施例２における積層体において、反強磁性層２が厚さ８０ÅのＩｒＭｎ層：Ｉｒ２０ａｔ％Ｍｎ８０ａｔ％からなる積層体を製造した（表４参照）。得られた積層体から、または次の熱処理を経て、ＴＭＲ素子を得た。
比較例２−１：熱処理を実施しなかった（熱処理未実施）。
比較例２−２：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で４時間アニールする熱処理を行った（４時間処理）。
比較例２−３：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で２０時間アニールする熱処理を行った（２０時間処理）。
比較例２−４：１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行った（１０時間処理）。
実施例１および実施例２ならびに比較例１および比較例２に係るＴＭＲ素子について、抵抗変化率ΔＭＲ（単位：％）を測定した。その結果を表５および図１３に示す。
表５および図１３に示されるように、実施例に係るＴＭＲ素子では、熱処理を行って第１強磁性層３１に交換結合磁界Ｈｅｘを発生させることにより、抵抗変化率ΔＭＲが高くなることが確認された。また、抵抗変化率ΔＭＲは熱処理時間を延ばすほど大きくなることも確認された。これに対し、比較例に係るＴＭＲ素子では、拡散防止層３Ｘを有しない場合（比較例１）には、熱処理を行うことにより抵抗変化率ΔＭＲは低下し、２０時間処理（比較例１−３）によって抵抗変化率ΔＭＲは実質的に認められなくなった。拡散防止層３Ｘを有する場合（比較例２）であっても、熱処理時間が長くなるにつれて抵抗変化率ΔＭＲが低下する傾向がみられた。したがって、本発明に係る交換結合膜を備えるＴＭＲ素子は、従来の反強磁性層を用いた交換結合を備えるＴＭＲ素子よりも高温かつ強磁場の環境において抵抗変化率ΔＭＲが高く、耐熱性に優れるとともに強磁場耐性をも有していることが確認された。
（実施例３）
交換結合磁界Ｈｅｘの強度と環境温度との関係を確認するために、次の構成の積層膜を作製した。
基板ＳＢ：表面にアルミナが積層されたＳｉ基板／下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／反強磁性層／固定磁性層：９０ＣｏＦｅ（１００）／保護層：Ｔａ（９０）
本例では、反強磁性層の積層構成を、下地層に近位な側から、５１ＰｔＣｒ（２８０）／５０ＰｔＭｎ（２０）として、得られた積層膜を１ｋＯｅの磁場中において３５０℃で５時間アニール処理し、固定磁性層と反強磁性層の磁化を固定して交換結合膜を得た。
（実施例４）
実施例３の積層膜に対して、１ｋＯｅの磁場中において４００℃で５時間アニール処理を実施し、固定磁性層と反強磁性層の磁化を固定して交換結合膜を得た。
（実施例５）
実施例４の反強磁性層の積層構成を、下地層に近位な側から、５４ＰｔＣｒ（２８０）／５０ＰｔＭｎ（１０）として積層膜を形成し、実施例４と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
（実施例６）
実施例４の反強磁性層の積層構成を、下地層に近位な側から、５４ＰｔＣｒ（２８０）／５０ＰｔＭｎ（２０）として積層膜を形成し、実施例４と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
（比較例３）
実施例４の反強磁性層の積層構成を、２０ＩｒＭｎ（８０）として積層膜を形成し、実施例４と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
（実施例７）
交換結合磁界Ｈｅｘの強度と環境温度との関係を確認するために、次の構成の積層膜を作製した。
基板ＳＢ：表面にアルミナが積層されたＳｉ基板／下地層：ＮｉＦｅＣｒ（４２）／固定磁性層：［Ｃｕ（４０）／Ｒｕ（２０）／９０ＣｏＦｅ（１００）］／反強磁性層／保護層：Ｔａ（９０）
本例では、反強磁性層の積層構成を、固定磁性層に近位な側から、２２ＩｒＭｎ（６）／５０ＰｔＣｒ（１２）／５１ＰｔＭｎ（３００）として、得られた積層膜を１ｋＯｅの磁場中において３５０℃で５時間アニール処理し、固定磁性層と反強磁性層の磁化を固定して交換結合膜を得た。
（実施例８）
実施例７の反強磁性層の積層構成を、固定磁性層に近位な側から、５１ＰｔＣｒ（６）／ユニット積層部（積層数：７）：［４８ＰｔＭｎ（６）／５１ＰｔＣｒ（３４）］として積層膜を形成し、実施例７と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
ＶＳＭ（振動試料型磁力計）を用いて、実施例１ならびに比較例１および比較例２に係る磁界印加バイアス膜１２Ａの磁化曲線を、環境温度（単位：℃）を変化させながら測定し、得られたヒステリシスループから、各温度の交換結合磁界Ｈｅｘ（単位：Ｏｅ）を求めた。各温度の交換結合磁界Ｈｅｘ、および各温度の交換結合磁界Ｈｅｘを室温での交換結合磁界Ｈｅｘで規格化した値（室温規格化の交換結合磁界）を表６から表１２に示すとともに、室温規格化の交換結合磁界と測定温度との関係を示すグラフを図１４に示す。






表６から表１２に示されるように、実施例に係る交換結合膜では比較例に係る交換結合膜に比べて２倍以上の強度の交換結合磁界Ｈｅｘが発生した。また、図１４に示されるように、交換結合磁界Ｈｅｘは環境温度が高くなるほど低下する傾向を示すが、実施例に係る交換結合膜では、交換結合磁界Ｈｅｘの低下傾向が鈍く、結果、ブロッキング温度Ｔｂは４００℃以上であった。これに対し、比較例に係る交換結合膜では交換結合磁界Ｈｅｘが低下しやすく、ブロッキング温度Ｔｂは３００℃程度であった。これらの結果から、本発明に係る交換結合膜を有するＴＭＲ素子は耐熱性に優れることが示された。
（実施例１１）
表１３に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
得られた積層体に対して、１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行って、ＴＭＲ素子１１Ｄを得た。
（実施例１２）
表１４に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
得られた積層体に対して、１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行って、ＴＭＲ素子１１Ｄを得た。
（実施例１３）
表１５に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
得られた積層体に対して、１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行って、ＴＭＲ素子１１Ｂを得た。
（実施例１４）
表１６に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
得られた積層体に対して、１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行って、ＴＭＲ素子１１Ｂを得た。
（比較例１１）
表１７に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
得られた積層体に対して、１５ｋＯｅの磁場環境にて３５０℃で１０時間アニールする熱処理を行って、ＴＭＲ素子１１Ｂを得た。
実施例１−１および実施例１−２、比較例１−１および比較例１−２、実施例１１から実施例１３ならびに比較例１に係るＴＭＲ素子について、抵抗変化率ΔＭＲ（単位：％）を測定した。その結果を表１８に示す。
表１８に示されるように、実施例１１から実施例１４に係るＴＭＲ素子１１Ｄ，１１Ｂは、絶縁障壁層４の上に固定磁性層３が形成された、いわゆるトップタイプであっても、実施例１−４および実施例２−４に係るＴＭＲ素子１１Ａ，１１Ｃのような、絶縁障壁層４の下に固定磁性層３が形成された、いわゆるボトムタイプと同様に、高い抵抗変化率ΔＭＲが得られることが確認された。
Ｈｅｘ 交換結合磁界
Ｈｃ 保磁力
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１１，１１２ トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）
Ｅ１ 下部電極
Ｅ２ 上部電極
１ シード層
２，２１，２２ 反強磁性層
２Ａ ＰｔＭｎ層
２Ｂ ＰｔＣｒ層
２Ｃ ＩｒＭｎ層
２１Ａ，２１Ａ１，２１Ａｎ Ｘ１Ｃｒ層
２１Ｂ，２１Ｂ１，２１Ｂｎ Ｘ２Ｍｎ層
２Ｕ１，２Ｕｎ ユニット積層部
３ 固定磁性層
３１ 第１強磁性層
３２ 非磁性中間層
３３ 第２強磁性層
３Ａ 強磁性層
３Ｘ 拡散防止層
４ 絶縁障壁層
５ フリー磁性層
１０，１０１，１０２ 交換結合膜
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域
Ｄ１，Ｄ３ Ｘ１Ｃｒ層２１Ａの膜厚
Ｄ２ Ｘ２Ｍｎ層２１Ｂの膜厚
１００ 磁気センサ
Ｍ１，Ｍ２ 絶縁層
ＳＢ 基板

Claims (21)

  1. 強磁性層を有する固定磁性層およびフリー磁性層が絶縁障壁層を介して積層された構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、
    前記強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とは交換結合膜を構成し、
    前記反強磁性層は、白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素ＸならびにＭｎおよびＣｒを含有するＸ（Ｃｒ−Ｍｎ）層を備え、
    前記Ｘ（Ｃｒ−Ｍｎ）層は、前記強磁性層に相対的に近位な第１領域と、前記強磁性層から相対的に遠位な第２領域とを有し、
    前記第１領域におけるＭｎの含有量は、前記第２領域におけるＭｎの含有量よりも高いこと
    を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  2. 前記第１領域が前記強磁性層に接している、請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  3. 前記第１領域は、Ｍｎの含有量のＣｒの含有量に対する比であるＭｎ／Ｃｒ比が０．３以上の部分を有する、請求項１または２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  4. 前記第１領域は、前記Ｍｎ／Ｃｒ比が１以上である部分を有する、請求項３に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  5. 前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層と、前記ＰｔＣｒ層よりも前記強磁性層に近位なＸ０Ｍｎ層（ただし、Ｘ０は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とが積層されてなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  6. 前記反強磁性層は、ＰｔＣｒ層とＰｔＭｎ層とがこの順番で前記ＰｔＭｎ層が前記強磁性層に近位になるように積層されてなる、請求項１から４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  7. 前記ＰｔＭｎ層よりも前記強磁性層に近位にさらにＩｒＭｎ層が積層された、請求項６に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  8. 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
    前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも近位になるように積層されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  9. 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
    前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも遠位になるように積層されている、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  10. 強磁性層を有する固定磁性層およびフリー磁性層が絶縁障壁層を介して積層された構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、
    前記強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とは交換結合膜を構成し、
    前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層（ただし、Ｘ１は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素）とＸ２Ｍｎ層（ただし、Ｘ２は白金族元素およびＮｉからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、Ｘ１と同じでも異なっていてもよい）とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  11. 前記Ｘ１がＰｔであり、前記Ｘ２がＰｔまたはＩｒである、請求項１０に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  12. 前記反強磁性層は、Ｘ１Ｃｒ層とＸ２Ｍｎ層とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有する、請求項１０または請求項１１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  13. 前記ユニット積層部における、前記Ｘ１Ｃｒ層および前記Ｘ２Ｍｎ層は、それぞれ同じ膜厚であり、前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚が、前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚よりも大きい、請求項１２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  14. 前記Ｘ１Ｃｒ層の膜厚と前記Ｘ２Ｍｎ層の膜厚との比が、５：１〜１００：１である、請求項１３に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  15. 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
    前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも近位になるように積層されている、請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  16. 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
    前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも遠位になるように積層されている、請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
  17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気デバイス。
  18. 前記トンネル磁気抵抗効果素子を読み取り素子として有する磁気ヘッドからなる、請求項１７に記載の磁気デバイス。
  19. 前記トンネル磁気抵抗効果素子を記録素子として有する磁気メモリからなる、請求項１７に記載の磁気デバイス。
  20. 前記トンネル磁気抵抗効果素子を検知素子として有する磁気センサからなる、請求項１７に記載の磁気デバイス。
  21. 請求項１７から請求項２０のいずれか１項に記載の磁気デバイスを備える機器。
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