WO2018159129A1 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

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ferromagnetic layer
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magnetoresistive effect
nonmagnetic spacer
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和海 犬伏
勝之 中田
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Tdk株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive element.
  • the magnetoresistive effect element described in Patent Document 1 includes a first half metal ferromagnetic layer, a second half metal ferromagnetic layer, and a first half metal ferromagnetic layer and a second half metal ferromagnetic layer.
  • At least one of the first half metal ferromagnetic layer and the second half metal ferromagnetic layer is made of a Heusler alloy, and the nonmagnetic metal layer is made of Ag.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a magnetoresistive effect element having a large magnetoresistive effect.
  • a magnetoresistive element includes a first ferromagnetic layer as a magnetization fixed layer, a second ferromagnetic layer as a magnetization free layer, a first ferromagnetic layer, and a second ferromagnetic layer.
  • the nonmagnetic spacer layer includes an Ag alloy represented by the general formula (1), whereby the nonmagnetic spacer layer, the first ferromagnetic layer, and / or Alternatively, the magnetoresistive element is such that the lattice mismatch with the second ferromagnetic layer is smaller than the lattice mismatch when the nonmagnetic spacer layer is made of Ag.
  • X represents one element selected from the group consisting of Al, Cu, Ga, Ge, As, Y, La, Sm, Yb, and Pt, and ⁇ is 0 ⁇ ⁇ 1.
  • the nonmagnetic spacer layer, the first ferromagnetic layer and / or the second ferromagnetic layer are compared with the nonmagnetic spacer layer compared to when the nonmagnetic spacer layer is made of Ag.
  • An Ag alloy represented by the general formula (1) is included so that the lattice mismatch between and Therefore, according to this magnetoresistive effect element, since the crystallinity of the first ferromagnetic layer and / or the second ferromagnetic layer and the nonmagnetic spacer layer is improved, a large magnetoresistive effect can be exhibited. .
  • the crystal structure of the Ag alloy represented by the general formula (1) may have a face-centered cubic lattice structure.
  • the magnetoresistive element since the crystal structure of the Ag alloy can have a face-centered cubic lattice structure, the nonmagnetic spacer layer, the first ferromagnetic layer, and the second ferromagnetic layer have high crystal quality. Are stacked. Further, due to this high crystal quality, the magnetoresistive element according to the present invention can exhibit a large magnetoresistive effect.
  • the crystal structure of the nonmagnetic spacer layer can stably take a face-centered cubic lattice structure.
  • the nonmagnetic spacer layer, the first ferromagnetic layer, and the second ferromagnetic layer can be stacked with higher crystal quality, so that a greater magnetoresistance effect is exhibited.
  • At least one of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer may include a Heusler alloy represented by the general formula (2).
  • L is at least one element of Mn and Fe
  • M represents one or more elements selected from the group consisting of Si, Al, Ga, and Ge, and 0.7 ⁇ ⁇ 1 .6, and 0.65 ⁇ ⁇ 1.35.
  • the Heusler alloys of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are: It has a lattice constant close to that of a stoichiometric composition. As a result, the lattice mismatch between the first ferromagnetic layer and / or the second ferromagnetic layer and the nonmagnetic spacer layer can be further reduced.
  • X may be one element selected from the group consisting of Y, La, Sm, Yb, and Pt.
  • the element contained in the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and the element contained in the nonmagnetic spacer layer are mutually in the same group and period in the periodic table of elements. Does not belong to. Therefore, diffusion of elements contained in the first and second ferromagnetic layers and the nonmagnetic spacer layer is suppressed.
  • the Heusler alloy contained in the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer can easily maintain the half-metal characteristics.
  • a magnetoresistive effect element having a large magnetoresistive effect can be provided.
  • Part (a) of FIG. 3 is a diagram showing the relationship between ⁇ and the normalized MR ratio
  • part (b) of FIG. 3 is a diagram showing the relationship between ⁇ and the normalized MR ratio
  • Part (c) of FIG. 3 is a diagram showing the relationship between ⁇ + ⁇ and the normalized MR ratio.
  • FIG. 1 is a view showing a cross section of a magnetoresistive element according to an embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 1 includes a substrate 10, a crystal orientation layer 15, an underlayer 20, a magnetoresistive layer 30, and a cap layer 40 in this order.
  • the magnetoresistive layer 30 includes a first ferromagnetic layer 31 as a magnetization free layer, a second ferromagnetic layer 32 as a magnetization fixed layer, and between the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32.
  • the second ferromagnetic layer 32 is provided on the nonmagnetic spacer layer 33, and the antiferromagnetic material layer 34 is provided on the second ferromagnetic layer 32.
  • the magnetoresistive effect element 1 is manufactured by laminating the layers from the crystal orientation layer 15 to the cap layer 40 on the substrate 10 by a manufacturing method such as sputtering or vapor deposition.
  • the magnetoresistive effect element 1 is a magnetoresistive effect element having a CPP (Current Perpendicular to Plane) structure in which a detection current flows along a stacking direction (a direction perpendicular to the film surface of each layer).
  • the substrate 10 includes, for example, a metal oxide single crystal, a silicon single crystal, a silicon single crystal with a thermal oxide film, a sapphire single crystal, a ceramic, quartz, and glass.
  • the material included in the substrate 10 is not particularly limited as long as it has an appropriate mechanical strength and is suitable for heat treatment and fine processing.
  • the metal oxide single crystal include an MgO single crystal, and an epitaxial growth film can be easily formed according to a substrate including the MgO single crystal. This epitaxial growth film can exhibit a large magnetoresistance characteristic.
  • the underlayer 20 can serve as an electrode for flowing a detection current, and includes, for example, at least one metal element of Ag, Au, Cu, Cr, V, Al, W, and Pt.
  • the underlayer 20 may include an alloy of these metal elements or a laminate of materials made of two or more of these metal elements. Examples of metal element alloys include cubic AgZn alloys, AgMg alloys, and NiAl alloys.
  • a crystal orientation layer 15 for controlling the crystal orientation of the upper layer may be provided between the base layer 20 and the substrate 10 as necessary.
  • the crystal orientation layer 15 includes, for example, at least one of MgO, TiN, and NiTa alloy.
  • the nonmagnetic spacer layer 33 includes an Ag alloy represented by the general formula (1).
  • X is one element selected from the group consisting of Al, Cu, Ga, Ge, As, Y, La, Sm, Yb, and Pt, and ⁇ is 0 ⁇ ⁇ 1.
  • the thickness of the nonmagnetic spacer layer 33 is, for example, 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the first ferromagnetic layer 31 functioning as a magnetization free layer is made of a soft magnetic material, and the magnetization direction is not substantially fixed. Therefore, when an external magnetic field is applied to the measurement object, the magnetization direction easily changes in that direction.
  • the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 32 functioning as a magnetization fixed layer is less likely to change than the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 31 with respect to an external magnetic field.
  • the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 32 is substantially fixed with respect to the external magnetic field to be measured and does not substantially change with respect to the external magnetic field to be measured.
  • the antiferromagnetic material layer 34 is provided on the surface of the second ferromagnetic layer 32 opposite to the nonmagnetic spacer layer 33 side.
  • the antiferromagnetic layer 34 exchange-couples with the second ferromagnetic layer 32, and imparts unidirectional anisotropy to the second ferromagnetic layer 32, thereby causing the direction of magnetization of the second ferromagnetic layer 32. Is used for practical fixing.
  • Examples of the material of the antiferromagnetic layer 34 include an FeMn alloy, a PtMn alloy, a PtCrMn alloy, a NiMn alloy, an IrMn alloy, NiO, and Fe 2 O 3 .
  • the thickness of the first ferromagnetic layer 31 is 1 nm to 20 nm
  • the thickness of the second ferromagnetic layer 32 is 1 nm to 20 nm
  • the thickness of the antiferromagnetic material layer 34 is 5 nm to 15 nm.
  • the coercive force of the second ferromagnetic layer 32 is changed by, for example, a technique such as changing the thickness of the layers.
  • the antiferromagnetic layer 34 is not necessarily required. May not be provided.
  • one of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 may be a magnetization free layer and the other may be a magnetization fixed layer.
  • the pinned layer and the second ferromagnetic layer 32 may be a magnetization free layer.
  • the antiferromagnetic material layer 34 is provided on the surface of the second ferromagnetic layer 32 opposite to the nonmagnetic spacer layer 33 side.
  • At least one of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 can include a Heusler alloy represented by the general formula (2), and is preferably substantially made of the Heusler alloy.
  • L is at least one element of Mn and Fe
  • M is one or more elements selected from the group consisting of Si, Al, Ga, and Ge. Further, 0.7 ⁇ ⁇ 1.6 and 0.65 ⁇ ⁇ 1.35.
  • the magnetoresistive element 1 is preferable because it can exhibit a large magnetoresistive effect. Further, since the conditions of 0.7 ⁇ ⁇ 1.6 and 0.65 ⁇ ⁇ 1.35 are satisfied, the Heusler alloy of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 has a stoichiometric amount. It has a lattice constant close to that of a theoretical composition. Therefore, the effect described later that the lattice mismatch between the first ferromagnetic layer 31 and / or the second ferromagnetic layer 32 and the nonmagnetic spacer layer 33 is reduced is particularly remarkable. However, in the Heusler alloy, the conditions of 0.7 ⁇ ⁇ 1.6 and 0.65 ⁇ ⁇ 1.35 may not be satisfied.
  • the crystal structure of the Heusler alloy can have a A2 structure, B2 structure or L2 1 structure.
  • B2 structure Heusler alloy preferably has a high spin polarization than Heusler alloy A2 structure, Heusler alloy L2 1 structure is more preferable because it has a high spin polarization than Heusler alloy B2 structure.
  • Table 1 is a table showing literature values of the spin polarizabilities P of some Heusler alloys, Fe and Co that satisfy the general formula (2). It is shown that the spin polarizability P of the Heusler alloy satisfying the general formula (2) is larger than the spin polarizability 46% of Fe and the spin polarizability 45% of Co.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 can include Heusler alloys such as Co 2 CrIn and Co 2 CrSn, or ferromagnetic materials such as Fe 3 O 4 , CrO 2 , and CoFeB. Or it can consist essentially of the ferromagnetic material.
  • the cap layer 40 is provided to protect the magnetoresistive layer 30.
  • the cap layer 40 is made of, for example, one or more metal elements of Ru, Ag, Al, Cu, Au, Cr, Mo, Pt, W, Ta, Pd, and Ir, alloys of these metal elements, or of these metal elements A laminate of two or more types of materials may be included.
  • heat treatment is performed as necessary. Further, a magnetic field application process is performed as necessary, and magnetic anisotropy such as uniaxial magnetic anisotropy is imparted to the first ferromagnetic layer 31 and / or the second ferromagnetic layer 32.
  • the magnetic field application process may be performed together with the heat treatment.
  • the nonmagnetic spacer layer 33 includes an Ag alloy represented by the general formula (1), whereby the nonmagnetic spacer layer 33 and the first ferromagnetic layer are included.
  • the lattice mismatch between 31 and / or the second ferromagnetic layer 32 is smaller than the lattice mismatch when the nonmagnetic spacer layer 33 is assumed to be made of Ag.
  • the lattice mismatch between the nonmagnetic spacer layer 33 made of Ag ⁇ Ga 1- ⁇ satisfying the general formula (1) and the first ferromagnetic layer 31 and / or the second ferromagnetic layer 32 is: This is smaller than the assumed lattice mismatch between the nonmagnetic spacer layer 33 assumed to be made of Ag and the first ferromagnetic layer 31 and / or the second ferromagnetic layer 32. Therefore, according to the magnetoresistive effect element 1 of the present embodiment, the crystallinity of the first ferromagnetic layer 31 and / or the second ferromagnetic layer 32 and the nonmagnetic spacer layer 33 is improved. A resistance effect can be exhibited.
  • the crystal structure of the Ag alloy of the nonmagnetic spacer layer 33 may have a face-centered cubic lattice structure (fcc structure). Since the crystal structure of the Ag alloy can have an fcc structure, the nonmagnetic spacer layer 33, the first ferromagnetic layer 31, and the second ferromagnetic layer 32 are stacked with high crystal quality. Further, due to this high crystal quality, the magnetoresistive effect element according to the present embodiment can exhibit a large magnetoresistive effect. These effects are particularly remarkable when the crystal structures of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are also fcc structures.
  • the magnetoresistive effect element 1 of the above-described embodiment 0.75 ⁇ ⁇ 1 may be satisfied for the Ag alloy included in the nonmagnetic spacer layer 33.
  • the crystal structure of the nonmagnetic spacer layer 33 can be more stably taken to have an fcc structure, the nonmagnetic spacer layer 33, the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are more It can be laminated with high crystal quality. This effect is particularly remarkable when the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 also have an fcc structure.
  • the Ag alloy of the nonmagnetic spacer layer 33 may not satisfy 0.75 ⁇ ⁇ 1.
  • the magnetoresistive effect element 1 of the present embodiment described above in the Ag alloy contained in the nonmagnetic spacer layer 33, ⁇ ⁇ 0.98 is preferable, and ⁇ ⁇ 0.96 is more preferable. Further, ⁇ ⁇ 0.90 is preferable, and ⁇ ⁇ 0.85 is more preferable.
  • ⁇ has these values in the Ag alloy, the proportion of Ag contained in the nonmagnetic spacer layer 33 is reduced.
  • the nonmagnetic spacer layer 33 in which the Ag ratio is reduced is different from the nonmagnetic spacer layer 33 made of Ag in that the nonmagnetic spacer layer 33, the first ferromagnetic layer 31 and / or the second ferromagnetic layer 32. In particular, the lattice mismatch can be reduced.
  • X may be one element selected from the group consisting of Y, La, Sm, Yb, and Pt.
  • the element included in the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 and the element included in the nonmagnetic spacer layer 33 do not belong to the same group and period in the periodic table of elements. . Therefore, diffusion of elements contained in the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 and the nonmagnetic spacer layer 33 is suppressed. This suppression of diffusion increases the magnetoresistive effect.
  • X may be one element selected from the group consisting of La, Sm, Yb, and Pt.
  • Tables 2 to 4 are tables for showing examples of lattice mismatch of the magnetoresistive effect element.
  • Table 2 shows examples of materials (first to 28th examples) and Ag (29th example) that can constitute the nonmagnetic spacer layer 33 of this embodiment, and those materials have an fcc structure. It is a table
  • Table 3 shows examples of materials (alloy A to alloy G) that can constitute the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 of the present embodiment, and literature values of lattice constants of these materials. It is a table.
  • Table 4 is a table showing lattice mismatch rates of Alloy A to Alloy G shown in Table 3 for each of the first to 29th examples shown in Table 2.
  • the lattice mismatch rate in Table 4 is expressed as a percentage, and is obtained by the following equation (3).
  • Lattice mismatch rate (%) ((a ⁇ ⁇ 2 ⁇ b) / b) ⁇ 100 (%) (3)
  • a represents the lattice constants of the first to 29th examples shown in Table 2
  • b represents the lattice constants of Alloy A to Alloy G shown in Table 3.
  • ⁇ 2 means the square root of 2.
  • Equation (3) the lattice mismatch ratio between the [110] direction of each (001) plane of Examples 1 to 29 and the [100] direction of each (001) plane of Alloy A to Alloy G Is calculated.
  • Table 4 also shows the evaluation results of the first to 28th examples.
  • the examples showing the lattice mismatch rate smaller than the lattice mismatch rate in the 29th example with respect to six or more of the alloys A to G are “particularly good”. "A” meaning "”.
  • the example showing the lattice mismatch rate smaller than the lattice mismatch rate in the 29th example is “good”. Evaluates to mean “B”.
  • the evaluation is “A” or “B”.
  • ⁇ is 0.75 ⁇ ⁇ 1 (first to fourth examples, seventh to eleventh examples, fourteenth to twenty-fourth examples, twenty-seventh example, and twenty-eighth example) In Example), it is evaluated as “A”. If the material of the example of evaluation B is used as the nonmagnetic spacer layer 33 of this embodiment, the crystallinity of the first ferromagnetic layer 31 and / or the second ferromagnetic layer 32 and the nonmagnetic spacer layer 33 is improved.
  • Table 5 shows a nonmagnetic spacer layer Ag alloy, first ferromagnetic layer, and second ferromagnetic layer Heusler alloy in magnetoresistive elements according to Examples 1 to 25 and Comparative Example 1 prepared as described below.
  • the magnetoresistance ratio (MR ratio) in the magnetoresistive effect element is estimated from the magnitude of the measured magnetoresistance.
  • the MR ratio is expressed as a percentage and is determined by the following equation (4).
  • MR ratio (%) ((R AP ⁇ R P ) / R P ) ⁇ 100 (%) (4)
  • RAP is the magnitude of the resistance of the magnetoresistive element when the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are antiparallel.
  • RP is the magnitude of resistance of the magnetoresistive element when the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer are parallel.
  • Table 5 shows the normalized MR ratio of each example and comparative example 1 obtained from the MR ratio of each example and comparative example 1 measured according to the above definition.
  • the standardized MR ratio means a value calculated by dividing the MR ratio in each example and comparative example 1 by the MR ratio in comparative example 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing a magnetoresistive device capable of evaluating the MR ratio of the magnetoresistive effect element.
  • the magnetoresistive device 50 includes a first electrode layer 51 and a second electrode layer 52 that sandwiches the magnetoresistive effect element 1 together with the first electrode layer 51.
  • the magnetoresistive effect element 1 is finely processed into a shape suitable for measurement of magnetoresistive characteristics.
  • the first electrode layer 51 is connected to the substrate 10 of the magnetoresistive effect element 1
  • the second electrode layer 52 is connected to the cap layer 40 of the magnetoresistive effect element 1.
  • the magnetoresistive device further includes a power source 53 and a voltmeter 54, and both the power source 53 and the voltmeter 54 are connected to the first electrode layer 51 and the second electrode layer 52.
  • a current is applied to the magnetoresistive effect element 1 by the power source 53 in the stacking direction, and the voltage applied to the magnetoresistive effect element 1 at this time can be monitored by the voltmeter 54.
  • the resistance change of the resistive element 1 can be measured.
  • the MR ratio of the magnetoresistive effect element 1 can be calculated from the measurement result of the resistance change. With such a magnetoresistive device 50, the MR ratios of Examples 1 to 25 and Comparative Example 1 prepared as described later were measured.
  • Example 1 The magnetoresistive effect element of Example 1 was prepared as follows. In the above embodiment, Ag 0.7 Al 0.3 is used as the material of the nonmagnetic spacer layer, and Co 0.5 Fe 0.5 is used as the material of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. A magnetoresistive effect element corresponding to the magnetoresistive effect element 1 was produced. The thickness of the nonmagnetic spacer layer was 5 nm. The thickness of the first ferromagnetic layer was 3 nm, and the thickness of the second ferromagnetic layer was 3 nm. MgO single crystal was used for the substrate, and Ag was used for the underlayer. Ru was used for the cap layer.
  • Each layer on the substrate was produced by sputtering. After the magnetoresistive effect element was formed, heat treatment in a magnetic field was performed to impart uniaxial magnetic anisotropy to the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer.
  • the heat treatment temperature in this heat treatment in a magnetic field was 300 ° C., and the strength of the applied magnetic field was 5 kOe (399 kA / m).
  • Examples 2 to 25 As shown in Table 5, with respect to Example 1, after changing the material of the nonmagnetic spacer layer, the first ferromagnetic layer, and the material of the second ferromagnetic layer, According to the estimation procedure, the magnetoresistive effect element was manufactured and the MR ratio was estimated. The materials of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer were the same.
  • Example 1 As shown in Table 5, implementation was performed except that Ag was used as the material of the nonmagnetic spacer layer and Co 0.5 Fe 0.5 was used as the material of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. The magnetoresistance effect element was manufactured and the MR ratio was estimated by the same manufacturing and estimation procedure as in Example 1.
  • FIG. 3 (a) is a diagram showing the relationship between ⁇ and the normalized MR ratio in Examples 5 to 15.
  • ⁇ is fixed at 0.95, and ⁇ is changed between 0.4 and 1.7.
  • FIG. 3A the normalized MR ratio when 0.65 ⁇ ⁇ 1.35 is surrounded by a broken line.
  • Part (b) of FIG. 3 is a diagram showing the relationship between ⁇ and the normalized MR ratio in Examples 16 to 25.
  • ⁇ is fixed at 1.3 and ⁇ is changed between 0.55 and 1.45.
  • FIG. 3B the normalized MR ratio when 0.65 ⁇ ⁇ 1.35 is surrounded by a broken line.
  • Part (c) of FIG. 3 is a diagram showing the relationship between ⁇ + ⁇ and the normalized MR ratio in Examples 5 to 15 and Examples 16 to 25.
  • ⁇ + ⁇ is changed between 1.35 and 2.65
  • ⁇ + ⁇ is changed between 1.85 and 2.75.
  • FIG. 3C the normalized MR ratio when 2 ⁇ + ⁇ ⁇ 2.6 is surrounded by a broken line.
  • the magnetoresistive effect elements according to all the examples have a larger standardized MR ratio than the magnetoresistive effect element according to the comparative example.
  • the magnetoresistance effect according to the example when 0.7 ⁇ ⁇ 1.6 and 0.65 ⁇ ⁇ 1.35, the magnetoresistance effect according to the example is achieved.
  • the element has a larger standardized MR ratio.
  • the standardized MR ratio of the magnetoresistive effect element according to the example exceeds 10. This is because the Heusler alloy of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer has a stoichiometric composition when 0.7 ⁇ ⁇ 1.6 and 0.65 ⁇ ⁇ 1.35. It shows that the lattice mismatch with the Ag alloy (Ag ⁇ X 1- ⁇ , 0.75 ⁇ ⁇ 1) which has a close lattice constant and is contained in the nonmagnetic spacer layer is particularly small.
  • the magnetoresistive element in such a case includes a high-quality first ferromagnetic layer, nonmagnetic spacer layer, and second ferromagnetic layer, and exhibits a large magnetoresistive effect.
  • the magnetoresistive effect element according to the embodiment can have a normalized MR ratio exceeding 10.
  • This large normalized MR ratio shows that when a Heusler alloy has 2 ⁇ + ⁇ ⁇ 2.6, it tends to have half-metal characteristics, and the result of the Heusler alloy having this half-metal characteristic having a large magnetoresistance effect. It is.
  • the magnetoresistive effect element 1 of the above embodiment can have a CIP (Current In Plane) structure in which a detection current flows along the direction of the laminated surface, instead of the CPP structure.
  • CIP Current In Plane
  • a magnetoresistive effect element having a large magnetoresistive effect is provided.
  • SYMBOLS 1 Magnetoresistance effect element, 10 ... Substrate, 20 ... Underlayer, 30 ... Magnetoresistive layer, 31 ... First ferromagnetic layer, 32 ... Second ferromagnetic layer, 33 ... Nonmagnetic spacer layer, 40 ... Cap layer.

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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、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、非磁性スペーサ層がＡｇからなるときの格子不整合に比べて小さくなる。　ＡｇγＸ１－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。

Description

磁気抵抗効果素子
　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、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。
　ＡｇγＸ１－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。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、当該非磁性スペーサ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。
　Ｃｏ２ＬαＭβ　…（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、非磁性スペーサ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３の（ｃ）部は、α＋β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。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は、一般式（１）で表わされるＡｇ合金を含む。
　ＡｇγＸ１－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。非磁性スペーサ層３３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。
　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の磁化の方向を実施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、Ｆｅ２Ｏ３が挙げられる。第一の強磁性層３１の厚さは、１ｎｍ～２０ｎｍであり、第二の強磁性層３２の厚さは、１ｎｍ～２０ｎｍである。反強磁性体層３４の厚さは、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。
　Ｃｏ２ＬαＭβ　…（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Ｌ２１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、Ｌ２１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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２は、Ｃｏ２ＣｒＩｎ、Ｃｏ２ＣｒＳｎ等のホイスラー合金又は、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｒＯ２、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、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ＡｇγＧａ１－γからなる非磁性スペーサ層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、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と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、非磁性スペーサ層３３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、非磁性スペーサ層３３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、非磁性スペーサ層３３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、非磁性スペーサ層３３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、非磁性スペーサ層３３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、非磁性スペーサ層３３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非磁性スペーサ層３３は、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、非磁性スペーサ層３３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、非磁性スペーサ層３３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。
　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、本実施形態の非磁性スペーサ層３３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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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（ＡｇγＸ１－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非磁性スペーサ層３３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非磁性スペーサ層３３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１～２５及び比較例１に係る磁気抵抗効果素子における非磁性スペーサ層のＡｇ合金、第一の強磁性層及び第二の強磁性層のホイスラー合金（Ｃｏ２ＬαＭβ）、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（％）＝（（ＲＡＰ－ＲＰ）／ＲＰ）×１００（％）　…（４）
この式（４）において、ＲＡＰ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、ＲＰ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１～２５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。非磁性スペーサ層の材料にＡｇ０．７Ａｌ０．３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Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５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。非磁性スペーサ層の厚さは、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２～２５］
　表５に示すように、実施例１に対して、非磁性スペーサ層の材料、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。第一の強磁性層及び第二の強磁性層の材料は同一とした。
　［比較例１］
　表５に示すように、非磁性スペーサ層の材料に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Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５を用いた以外は、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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　図３の（ａ）部は、実施例５～実施例１５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５～実施例１５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、０．６５＜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３の（ｂ）部は、実施例１６～実施例２５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１６～実施例２５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３の（ｃ）部は、実施例５～実施例１５と実施例１６～実施例２５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５～実施例１５では、α＋βを１．３５～２．６５の間で変化させており、実施例１６～実施例２５では、α＋βを１．８５～２．７５の間で変化させている。図３の（ｃ）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３の（ａ）部～（ｃ）部に示されるように、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、非磁性スペーサ層に含まれるＡｇ合金（ＡｇγＸ１－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３の（ｃ）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。
　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、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、４０…キャップ層。

Claims (6)

  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、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。
    　ＡｇγＸ１－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. 　前記一般式（１）において、０．７５＜γ＜１である、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　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１～３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
    　Ｃｏ２ＬαＭβ　…（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。］
  5. 　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４に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記一般式（２）において、２＜α＋β＜２．６である、請求項４又は５に記載の磁気抵抗効果素子。
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