WO2018230466A1 - 強磁性トンネル接合体、それを用いたスピントロニクスデバイス、及び強磁性トンネル接合体の製造方法 - Google Patents

強磁性トンネル接合体、それを用いたスピントロニクスデバイス、及び強磁性トンネル接合体の製造方法 Download PDF

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裕章 介川
イクティアル
伸哉 葛西
和博 宝野
先東 徐
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    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors

Definitions

  • [2] Consists of at least one element selected from the group of Co and Fe between one or both of the tunnel barrier layer and the first magnetic layer or between the tunnel barrier layer and the second magnetic layer
  • [5] The ferromagnetic tunnel junction according to any one of [1] to [4], which exhibits a tunnel magnetoresistance of 120% or more and 34000% or less at room temperature.
  • a barrier layer made of Mg—Al—O having a small lattice mismatch with CoFeB is provided, and as a result, for example, an MTJ element capable of obtaining a large TMR ratio and a manufacturing method thereof are provided.
  • a large TMR ratio means that a TMR ratio of 120% or more can be obtained at room temperature.
  • the thickness of the second insulating layer 12 is not limited when crystallizing, but a thickness of 3 nm or less is preferable in order to obtain a practical area resistance (resistance R ⁇ area A, RA value) as an MTJ element. Is more preferred.
  • the film thickness of the second insulating layer 12 is the first insulating layer.
  • the layer 11 is preferably equal to or greater than the layer thickness.
  • the total thickness of the laminated film of the first insulating layer and the second insulating layer is preferably 0.6 nm to 3 nm.
  • the lower structure of the first magnetic layer 1 and the upper structure of the second magnetic layer 2 in the MTJ film first form 101 are shown. Is newly provided.
  • the substrate 21 is provided, and the base structure layer 22 is provided thereon.
  • An MTJ film first form 101 is provided thereon.
  • the upper structural layer 23 is provided on the MTJ film first form 101.
  • the substrate 21 is desired to be flat and homogeneous.
  • a magnetic layer may be included between the electrode layer and the first magnetic layer 1, for example, a Co—Fe alloy, a Co—Fe—Tb alloy, a Mn—Ga alloy, a Mn—Ge alloy, a Mn—Ga— N, an Fe—Pt alloy, a Co—Pt alloy, or the like, or a laminated film thereof may be used.
  • a Co-based Heusler alloy represented by Co 2 YZ Y, Fe, Mn, Ti, V, Cr, etc., Z, Al, Si, Sn, Ga, Ge, etc.
  • a Ta / CoFe / Ta / Ru structure and a W / [Co / Pd] multilayer film / Ta / Ru structure.
  • a thin oxide layer such as MgO may be included, for example, a Ta / Co—Fe—B / MgO / Ta / Ru structure.
  • a new magnetic layer is formed between the first magnetic layer 1 and the first insulating layer 11 in the MTJ film third form 301.
  • the insertion layer 3 is provided.
  • the second MTJ film form 201 it is a layer made of a CoFe alloy and has the effect of promoting crystallization of the first insulating layer 11 and the second insulating layer 12.
  • FIG. 3B shows an X-ray diffraction pattern obtained by scanning in the in-plane direction of the multilayer film structure of each CoFe insertion layer thickness. Peaks originating from MgAl 2 O 4 (400) and CoFe (110) were observed. Since this peak also increases in strength by increasing the thickness of the CoFe insertion layer, it can be confirmed that there is an effect of promoting crystallization of MgAl 2 O 4 by the insertion of the CoFe layer. Note that no spinel ordered structure of the Mg—Al—O layer was observed in any of the samples whose X-ray diffraction patterns were measured. Therefore, it can be said that it has a cation irregular spinel structure having a lattice constant half that of MgAl 2 O 4 .
  • FIG. 4B shows the calculated crystal lattice volume.
  • MgAl 2 —O x has a value close to a bulk value (1/8 unit cell) converted to a value when the lattice constant of MgAl 2 O 4 is regarded as half.
  • Mg 2 Al—O x has a value close to the average value of the MgO bulk value and the MgAl 2 O 4 bulk converted value. Therefore, it is suggested that the crystal lattice volume can be continuously controlled by adjusting the Mg—Al composition. It can also be seen that in-plane lattice matching can be realized even when the Mg-rich composition originally has lattice mismatch by introducing tetragonal strain without difficulty.
  • the MTJ element of the present invention even if amorphous Co—Fe—B is used as a magnetic layer by providing an ultrathin template layer mainly composed of MgO below the Mg—Al—O layer, High TMR ratio that could not be achieved can be used at room temperature, and good bias voltage dependency can be achieved at the same time.
  • an amorphous magnetic layer can be used together with an Mg—Al—O barrier layer means that a barrier layer with good lattice matching can be incorporated into an MTJ element without limiting the type of substrate or underlying structure. It is possible. Therefore, it can be utilized for various applications using the MTJ element.
  • a head slider 120 that records and reproduces information stored in the medium disk 110 is attached to the tip of a thin-film suspension 152.
  • the head slider 120 has, for example, the magnetic head according to the embodiment mounted near the tip thereof.
  • the medium facing surface (ABS) of the head slider 120 is held with a predetermined flying height from the surface of the medium disk 110.
  • ABS medium facing surface
  • a so-called “contact traveling type” in which the slider contacts the medium disk 110 may be used.
  • the suspension 152 is connected to one end of an actuator arm 154 having a bobbin portion (not shown) for holding a drive coil.
  • a voice coil motor 130 which is a kind of linear motor, is provided at the other end of the actuator arm 154.
  • the voice coil motor 130 includes a drive coil (not shown) wound around the bobbin portion of the actuator arm 154, and a magnetic circuit (not shown) composed of a permanent magnet and a counter yoke arranged to face each other so as to sandwich the coil. ).
  • the actuator arm 154 is held by a ball bearing (not shown) provided on the spindle 140 and can be freely slid and rotated by the voice coil motor 130.
  • FIG. 12 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the actuator arm 154 as viewed from the disk side. That is, the magnetic head assembly 150 includes an actuator arm 154 having a bobbin portion that holds a drive coil, for example, and a suspension 152 is connected to one end of the actuator arm 154. A head slider 120 having a magnetic head shown in FIG. 13 is attached to the tip of the suspension 152. The suspension 152 has a lead wire 158 for writing and reading signals, and the lead wire 158 and each electrode of the magnetic head incorporated in the head slider 120 are electrically connected.
  • reference numeral 156 denotes an electrode pad of the magnetic head assembly 150.
  • FIG. 13 is a configuration diagram schematically showing a cross section of the magnetic head reproducing sensor.
  • the reproduction sensor 180 is provided between the upper magnetic shield 160 and the lower magnetic shield 170.
  • the reproduction sensor 180 includes a base layer 182 made of a nonmagnetic conductive layer, a first magnetic layer 184, an intermediate layer 186 (nonmagnetic insulating layer), a second magnetic layer 188, a cap layer 190 made of a nonmagnetic conductive layer, and a lower magnetic layer.
  • the shield 170 is laminated in order from the upper magnetic shield 160 side.
  • the reproduction sensor 180 is provided between the left and right magnetic domain control films 194 made of a permanent magnet material with an insulating layer 192 interposed therebetween.
  • the MTJ film first form 101 to the fourth form 401 described above can be used for the laminated structure of the base layer 182 to the cap layer 190.
  • the underlayer 182 is the underlayer structure layer 22
  • the first magnetic layer 184 is the first magnetic layer 1
  • the intermediate layer 186 is a laminated film including the first insulating layer 11 and the second insulating layer 12
  • the second magnetic layer 188 is the second magnetic layer.
  • the upper structural layer 23 corresponds to the layer 2 and the cap layer 190, for example.
  • the layer thickness of the intermediate layer 186 is desirably 0.6 to 3 nm in total for the first insulating layer 11 and the second insulating layer 12.

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Abstract

第１磁性層と第２磁性層との間に設けられたトンネルバリア層であって、前記トンネルバリア層は第１絶縁層と第２絶縁層の積層構造からなる配向した結晶体であって、前記第１絶縁層はＭｇ１－ｘＸｘ（０≦ｘ≦０．１５）の酸化物からなり、ＸはＡｌ、Ｔｉの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素から構成され、前記第２絶縁層はＭｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉの群から選ばれた少なくとも２つ以上の元素から構成される合金の酸化物からなり、前記第１磁性層と前記第２磁性層がいずれも、ＣｏとＦｅの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素とＢから構成される合金からなる強磁性トンネル接合体。

Description

強磁性トンネル接合体、それを用いたスピントロニクスデバイス、及び強磁性トンネル接合体の製造方法
　本発明の実施形態は強磁性トンネル接合体、それを用いたスピントロニクスデバイス（磁気抵抗効果素子及び磁気記憶装置）、及び強磁性トンネル接合体の製造方法に関する。
　強磁性層／絶縁体層（バリア層）／強磁性層の三層構造からなる強磁性トンネル接合体（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）は例えばハードディスク装置の磁気ヘッドや不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏ－ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）の情報記録セルとして用いられている。また、小型の高感度磁気センサーとしても利用される。ＭＴＪ素子は２つの強磁性層の相対磁化角度に対してバリア層を介したトンネル抵抗値が変化するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を示す。このような応用分野では、磁気抵抗変化比（ＴＭＲ比）が高いこと、作製が容易であること、幅広い基板上に作製可能なことが望まれる。
　強磁性層としてコバルト－鉄－ホウ素（ＣｏＦｅＢ）、バリア層として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなるＭＴＪ素子が広く用いられている。その主な理由として、ＣｏＦｅＢは非晶質であるため、幅広い下地構造の上に直接ＭＴＪ素子構造を作製可能であること、室温において１００％を超える高いＴＭＲ比が比較的容易に得られることなど、幅広い素子応用に好ましい特長を有するためである。とりわけ高いＴＭＲ比は、ＭｇＯバリア層からＣｏＦｅＢ層の結晶化が進行することに起因する。非晶質ＣｏＦｅＢ層上にスパッタなどを用いて成膜したＭｇＯは（００１）配向成長した層として得られ、２００～５００℃程度の熱処理によって、ＣｏＦｅＢ層がＭｇＯ層側界面から結晶化が進展し、結果として高品位な界面結晶構造が実現される。そのため、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ構造を有するＭＴＪ素子は、熱処理によってこの３層すべてが（００１）結晶配向を持つ積層構造が実現されるためＴＭＲ比の大きな増大が観察される（非特許文献１）。この高いＴＭＲ比はＭｇＯ（００１）のΔ１バンドを介したコヒーレントトンネル効果によってもたらされる。
　一方、ＭｇＯとＣｏＦｅＢとの間には３～４％程度の格子不整合があることから、この界面にはミスフィット転位欠陥が多数導入されるという問題がある。そのため、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ構造ではＴＭＲ比の向上には限界がある。また、強磁性層としてＣｏＦｅＢ以外に利用が期待される材料群とＭｇＯとの格子不整合は一般的にさらに大きい。例えば、高スピン偏極材料であるＣｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉなどのＣｏ基ホイスラー合金では３～６％、垂直磁化材料であるＦｅＰｔやＭｎＧａなどでは８～１０％の大きな格子不整合のため、ＭｇＯをバリア層としてこれらの強磁性層を用いてコヒーレントトンネル効果を顕著に示すＭＴＪ素子を作製することが困難である。
　このような大きな格子不整合を低減し、より高品質なＭＴＪ素子を作製する方法としてバリア層としてＭｇＡｌ２Ｏ４を用いる方法がある（特許文献１）。ＭｇＡｌ２Ｏ４は格子定数が約０．８０９ｎｍのスピネル構造を安定構造として持つ。その結晶格子間隔は岩塩構造を有するＭｇＯに比べて約４％小さいため、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ基ホイスラー合金、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＧａ、ＭｎＧｅなど、幅広い強磁性体と格子整合性がよい。また、スピネル構造の陽イオン位置がランダムに配置された構造（陽イオン不規則化スピネル構造）も準安定構造として得ることが可能である（特許文献２）。さらに、ＭｇＡｌ２Ｏ４では、ＭｇとＡｌの比率は化学量論比である１：２である必要はなく、ＭｇとＡｌ比率の調整によって格子定数を連続的に変化させることができるため、強磁性層と格子整合性をより高めることができる。そのため、ＭｇＡｌ２Ｏ４のより一般的な表現として（Ｍｇ１－ｘＡｌｘ）－Ｏｘ（０＜ｘ＜１）として記述できる。ＭｇＡｌ２Ｏ４バリア層を用いた場合にもコヒーレント効果が現れ、室温において３００％を超える大きなＴＭＲ比が実現されている（特許文献２）。また、ＭＴＪ素子ではバイアス電圧の印加によってＴＭＲ比が低下する問題が知られており、実用上問題となる（バイアス電圧依存性）。ＭｇＡｌ２Ｏ４バリア層の導入により格子不整合が低減されると、このＴＭＲ比の低下の度合いを軽減できることも知られている（特許文献１）。さらに、ＭｇＡｌ２Ｏに接した極薄の強磁性層には強い垂直磁気異方性を付加することができることが知られており、この効果によってＭＲＡＭの大容量化に適した垂直磁化型ＭＴＪ素子も構成することができる（特許文献３）。
　しかし、高い室温ＴＭＲ比や良好なバイアス電圧特性などを示す高性能なＭＴＪ素子を作製するためには、結晶質のＭｇＡｌ２Ｏ４バリア層を得る必要があり、そのためには単結晶の強磁性層、例えばＦｅ、ＣｏＦｅ合金、Ｃｏ２ＦｅＡｌ合金、の下地構造が必要であった。このため、利用可能な基板や下地材質は極めて限定されるという応用上の問題があった。とりわけ、非晶質ＣｏＦｅＢ上にＭｇＡｌ２Ｏ４層を成膜すると非晶質として得られるため、ＭＴＪ素子の結晶化を実現できないことから、コヒーレントトンネル効果は得られず、ＣｏＦｅＢ層とＭｇＡｌ２Ｏ４バリア層を用いて１００％を超えるような高いＴＭＲ比は実現できないという問題があった（非特許文献２、非特許文献３）。
特許５５８６０２８号公報 特許５９８８０１９号公報 特開２０１７－０４１６０６号公報
D.D. Djayaprawira, K. Tsunekawa, M. Nagai, H. Maehara, S. Yamagata, N. Watanabe, S. Yuasa, Y. Suzuki, and K. Ando, Appl. Phys. Lett., Vol. 86, p. 092502 (2005). M. Tsunoda, R. Chiba, and K. Kabara, J. Appl. Phys., Vol. 117, p. 17D703 (2015). H. Liu, Q. Ma, S. Rizwan, D. Liu, S. Wang, and X. Han, IEEETrans. Magn., Vol. 47, p. 2716 (2011).
　本発明は、このような実情に鑑み、従来の単結晶下地を用いずに、ＣｏＦｅＢ層とＭｇＡｌ２Ｏ４バリア層を有するＭＴＪ素子を実現することによって、高いＴＭＲ比を達成することを課題としている。また、ＴＭＲ比のバイアス電圧依存性を抑制することも課題としている。
　本発明者らはＭｇＡｌ２Ｏ４をバリア層として用いたＭＴＪ素子に関する研究を行っている過程で、ＣｏＦｅＢ層上に非常に薄いＭｇＯを形成した後に、ＭｇＡｌ２Ｏ４膜を形成することによってＭｇＡｌ２Ｏ４層の結晶化が起こるとともに、ＭｇＯ／ＭｇＡｌ２Ｏ４積層膜が（００１）成長した配向膜として得られることを見出した。その結果、発明者らはＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＭｇＡｌ２Ｏ４／ＣｏＦｅＢ構造からなる積層膜が熱処理によって全層が結晶化することで高いＴＭＲ比が実現されるＭＴＪ素子として機能することを見出した。さらに、ＭｇＯ／ＭｇＡｌ２Ｏ４積層バリア層は、ＣｏＦｅＢとの格子不整合が小さいという効果によって、バイアス電圧依存性が改善することも同時に見いだしたことで、本発明に至っている。
　［１］第１磁性層と第２磁性層との間に設けられたトンネルバリア層を有する強磁性トンネル接合体であって、前記トンネルバリア層は第１絶縁層と第２絶縁層の積層構造からなる配向した結晶体であって、前記第１絶縁層はＭｇ１－ｘＸｘ（０≦ｘ≦０．１５）の酸化物からなり、ＸはＡｌ、Ｔｉの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素から構成され、前記第２絶縁層はＭｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉの群から選ばれた少なくとも２つ以上の元素から構成される合金の酸化物からなり、前記第１磁性層と前記第２磁性層がいずれも、ＣｏとＦｅの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素とＢから構成される合金からなる強磁性トンネル接合体。
　［２］トンネルバリア層と第１磁性層との間、又は前記トンネルバリア層と第２磁性層との間の一方又は両方にＣｏとＦｅの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素から構成される層がさらに設けられた［１］に記載の強磁性トンネル接合体。
　［３］前記第１絶縁層がＭｇＯからなる［１］又は［２］に記載の強磁性トンネル接合体。
　［４］前記第２絶縁層がＭｇ１－ｙＡｌｙ（０．２≦ｙ≦０．８）の酸化物からなる［１］乃至［３］の何れかに記載のトンネル接合体。
　［５］室温において１２０％以上３４０００％以下のトンネル磁気抵抗を示す［１］乃至［４］の何れかに記載の強磁性トンネル接合体。
　［６］［１］乃至［５］の何れかに記載の強磁性トンネル接合体を備えたスピントロニクスデバイス。
　［７］前記スピントロニクスデバイスは、ハードディスク用磁気ヘッド、スピントルク書換え型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）、３端子型ＭＲＡＭ、電圧駆動型ＭＲＡＭ、スピントルク発振素子、スピン共鳴トンネル素子の何れかであることを特徴とする［６］に記載のスピントロニクスデバイス。
　［８］基板（例えばＳｉ）をスパッタ装置に導入する工程と、この基板に第１磁性層（例えば、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ層）を成膜する工程と、この第１磁性層に重ねて第１絶縁層（例えば、ＭｇＯ膜）を成膜する工程と、この第１絶縁層に重ねて第２絶縁層（例えば、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層）を成膜する工程と、この第２絶縁層に重ねて第２磁性層（例えば、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０層）を成膜する工程と、作製した多層膜構造を３００℃から５００℃の温度範囲で１分乃至６０分間真空中熱処理を行なう工程とを備えることを特徴とする強磁性トンネル接合体の製造方法。
　［９］　前記基板に下地構造膜（例えば、Ｔａ）を成膜してから、前記第１磁性層成膜工程を行うことを特徴とする［８］記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
　［１０］　前記第１磁性層成膜工程と前記第１絶縁層成膜工程との間に、この第１磁性層に重ねて第２磁性挿入層（例えば、ＣｏＦｅ膜）を成膜する工程を行うことを特徴とする［８］又は［９］記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
　［１１］　前記第２絶縁層成膜工程と前記第２磁性層成膜工程との間に、この第２絶縁層に重ねて第２磁性挿入層（例えば、ＣｏＦｅ膜）を成膜する工程を行うことを特徴とする［８］乃至［１０］の何れかに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
　［１２］　前記第２磁性層と前記熱処理工程との間に、前記第２磁性層に重ねて上部構造膜（例えば、Ｔａ）を成膜する工程を行うことを特徴とする［８］乃至［１１］の何れかに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
　本発明では、ＣｏＦｅＢと格子不整合が小さいＭｇ－Ａｌ－Ｏからなるバリア層を提供し、その結果として例えば大きなＴＭＲ比が得られるＭＴＪ素子とその作製方法を提供する。ここで大きなＴＭＲ比とは室温で１２０％以上のＴＭＲ比が得られるということである。またＴＭＲ比のバイアス電圧依存性が改善でき、その指標としてＴＭＲ比が半減するバイアス電圧Ｖｈａｌｆを用いるとＶｈａｌｆ＝１Ｖを超える値を実現できる。このためＭＴＪ素子の電気的出力を向上することが可能である。本発明のＭＴＪ素子はハードディスク用磁気ヘッドやスピントルク書換え型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）に応用できるほか、３端子型ＭＲＡＭ、電圧駆動型ＭＲＡＭ、スピントルク発振素子、スピン共鳴トンネル素子など多くのスピントロニクスデバイスに利用することができる。
図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る強磁性トンネル接合体（ＭＴＪ）素子膜の模式図断面である。 図２（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子膜の別の例の模式断面図である。 図３は、Ｔａ／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ／ＣｏＦｅ／ＭｇＯ（０．２５ｎｍ）／Ｍｇ２Ａｌ－Ｏｘ（１０ｎｍ）／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ／Ｔａの多層膜構造において、ＣｏＦｅ層厚を変えた場合のＸ線回折パターンを示している。（Ａ）は膜面内方向スキャン結果、（Ｂ）は膜面直方向スキャン結果である。 図４は、Ｔａ／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ／ＣｏＦｅ／ＭｇＯ（０．２５ｎｍ）／Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ（１０ｎｍ）／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ／Ｔａの多層膜構造において、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層として、Ｍｇ２Ａｌ－ＯｘおよびＭｇＡｌ２－Ｏｘそれぞれについて、Ｘ線回折パターンから求めた（Ａ）結晶格子間隔および（Ｂ）結晶格子体積とのＣｏＦｅ挿入層厚の関係を示す図である。 図５は、ＣｏＦｅ膜厚０．１６ｎｍ及び０．９２ｎｍとして作製したＭＴＪ素子のＴＭＲ比とＭｇＯ層厚との関係を示すものである。（Ａ）はＭｇ２Ａｌ－Ｏｘを用いた結果であり、（Ｂ）はＭｇＡｌ２－Ｏｘを用いた結果である。 図６は、ゼロ電圧の値で規格化したＴＭＲ比のバイアス電圧依存性を示す図である。（Ａ）はＭｇ２Ａｌ－Ｏｘを用いた結果であり、（Ｂ）はＭｇＡｌ２－Ｏｘを用いた結果である。 図７は、Ｍｇ２Ａｌ－Ｏｘを用い、５００℃で熱処理を行ったＭＴＪ素子の電気抵抗及びＴＭＲ比の外部磁場依存性を測定した図である。 図８（Ａ）は、ＭｇＯ（０．７ｎｍ）／ＭｇＡｌ２－Ｏｘ（１．２ｎｍ）積層バリア層を持ち、５００℃で熱処理を行った素子の断面電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を示している。図８（Ｂ）はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）法による元素分析結果を示している。 図９は、ＭｇＯ単一バリア層を持つＭＴＪ素子とＭｇＯ／Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ積層バリア層を持つＭＴＪ素子のバイアス電圧依存性を示す図である。 図１０は、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ／Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ構造のＭＴＪ膜（３００℃熱処理後）のＴＭＲ比と面積抵抗（ＲＡ）の関係を示す図である 本発明のＭＴＪ素子が搭載される磁気記録再生装置の一例を示す概略図である。 本発明のＭＴＪ素子が搭載される磁気ヘッドアセンブリの一例を示す概略図である。 本発明のＭＴＪ素子が搭載される磁気ヘッド再生センサーの断面を模式的に示す構成図である。
　以下、図１及び図２を参照して、本実施形態のトンネルバリアとそれを用いたＭＴＪ素子の実施形態について説明する。
　本実施形態のＭＴＪ素子は、基板の上に、第１磁性層、第１絶縁層、第２絶縁層、及び第２磁性層がこの順で積層されたものである。前記第１絶縁層及び第２絶縁層は酸化物からなる。例として第１磁性層、第２磁性層はＣｏＦｅＢからなり、また第１絶縁層及び第２絶縁層はそれぞれＭｇＯ及びＭｇＡｌ２Ｏ４を主体とする。
　このとき、第２絶縁層ではＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇ：Ａｌ比率は、１：２である必要はなく、幅広い比率の組成が使用できる（以降、一般表記Ｍｇ－Ａｌ－Ｏと記載）。またＭｇ－Ａｌ－Ｏの結晶構造として、スピネル構造および陽イオン不規則化スピネル構造の両方を用いることができる。またＭｇ、Ａｌ以外のスピネル構造を形成する元素、例えばＬｉ、Ｚｎを含む酸化物から構成されていても良い。また第１絶縁層はＭｇＯの他、金属Ｍｇ層／ＭｇＯ層の積層構造や、ＡｌもしくはＴｉを少量含んだ構造でも良い。また第１磁性層と第１絶縁層との間、第２磁性層と第２絶縁層との間にＣｏＦｅ合金が挿入されている構造においても効果を発揮する。
　（第１実施形態）
　図１（Ａ）に第１実施形態の基本構造であるＭＴＪ膜第１形態１０１を示している。ＭＴＪ膜第１形態１０１は多層膜構造であり、下から第１磁性層１、第１絶縁層１１、第２絶縁層１２、第２磁性層２、の順番に積層されている。第１磁性層１と第２磁性層２はいずれが磁化固定層または磁化自由層であってもよい。また磁化方向は膜面内方向でも膜面垂直方向のいずれでも良い。以下にこのＭＴＪ膜第１形態１０１の構造による効果と作製法について述べる。
　第１磁性層１は例えばスパッタ法や蒸着法などの物理的気相成長法で成膜されたＣｏ－Ｆｅ－Ｂからなる層である。このＣｏ－Ｆｅ－Ｂはこの段階ではアモルファス構造を持つ。ＣｏおよびＦｅの組成はＣｏ１－ｎＦｅｎ（０≦ｎ≦１）であれば良く、ＣｏＢおよびＦｅＢを含む組成である。Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ中のＢ組成は、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ層が強磁性を持ちアモルファスを保つ範囲であれば良く、例えば１５～２５原子％程度である。この層の厚さとして例えば０．８～５ｎｍであるが、第１磁性層１の下部層構造との兼ね合いで決定される。また、１．５ｎｍ程度以下の厚さと非常に薄くすることで、この層を垂直磁化した層として得ることもできる。
　次に第１絶縁層１１は、ＭｇＯを主体とする酸化物からなる層である。酸素量としては多少の欠損、過剰であってもよく、ＭｇＯ１＋δ（－０．２≦δ≦０．２）の範囲であれば効果を示す。この層はＭｇに対して１５原子％程度までのＡｌもしくはＴｉを含んでいても結晶層として得られるため利用できる。また、この第１絶縁層１１はその上に形成する第２絶縁層１２の結晶化を促進する効果を持ち、おおむね（００１）をもって成長した結晶膜であるが、この段階ではアモルファスや多結晶体が部分的に含まれていても良い。第１絶縁層１１の結晶構造を制御するために、この層の形成後に例えば１００～４００℃程度の範囲で真空中熱処理をすることもできる。
　次に第１絶縁層１１の上に第２絶縁層１２を形成する。第２絶縁層１２はＭｇ－Ａｌ－Ｏを主成分とする複合酸化物層である。この層は、立方晶の結晶体を持つことができる。また、スピネル構造が安定構造となる組成を含む。ＭｇとＡｌの組成としてＭｇ１－ｙＡｌｙ（０.２≦ｙ≦０．８）を用いることができる。ここで、ｙが０．２以上としたのは、第１磁性体１および第２磁性体２との格子不整合を３％程度以下に小さくできることから、Ｖｈａｌｆが向上するという効果が得られるためである。またｙが０．８以下としたのは、Ａｌリッチ組成になる効果によってＭｇ－Ａｌ－Ｏの結晶化が難しくなるためである。また、この層の酸素量として化学量論組成から欠損や過剰があっても効果を示し、例えば一般式として、Ｍｇ１－ｘＡｌｘＯ１．５－ｘ／２＋δ’（－０．２≦δ’≦０．２）の範囲で利用できる。また、スピネル構造を安定化させ、絶縁特性および素子抵抗の調整や、ＴＭＲ比の向上を目的として、ＭｇおよびＡｌの一部をＺｎ、Ｌｉに置換してもよい。これは、Ｚｎ、Ｌｉを含むＡｌ酸化物、ＺｎＡｌ２Ｏ４およびＬｉＡｌ２．５Ｏ４は、ＭｇＡｌ２Ｏ４と同程度の格子定数のスピネル構造結晶を有する絶縁体であるためである。これらの材質の類似した特長から、ＭｇＡｌ２Ｏ４とは連続的に固溶体を作ることができるため、Ｚｎ、Ｌｉを含んでいても本実施形態において効果を発揮する。また第２絶縁層１２の結晶構造を制御するために、この層の形成後に例えば１００～４００℃の範囲で真空中熱処理をすることもできる。
　これらの第１絶縁層１１および第２絶縁層１２の作製は既知の種々の方法を用いることができる。例えば、酸化物からなるターゲット材からの高周波スパッタ、酸素ガスを用いた反応性蒸着や反応性スパッタ、ＭｇやＭｇ１－ａＡｌａ（０＜ａ≦１）合金からなる金属層の成膜後に酸化する方法（後酸化）、また、多段後酸化法、及びこれらを組み合わせた手法である。これらの手法は、平坦性を悪化させない範囲の温度において、基板加熱を行いながら行っても良い。
　第１絶縁層１１の厚さとして、例えば０．０５～１.２ｎｍの範囲が好ましい。より好ましくは０．１～１．０ｎｍである。さらに好ましくは０．２～０．８ｎｍである。０．０５ｎｍはＭｇＯ（００１）の１原子面の１／４程度の厚さに対応しており、この厚さ以上において第２絶縁層１２を結晶層として得るための結晶テンプレートとして機能させることができる。第１絶縁層１１膜厚の上昇に伴い結晶テンプレート効果が向上し、より低い熱処理温度で第２絶縁層１２の結晶化を実現できる。一方、ＭｇＯとＣｏ－Ｆｅ－Ｂとは４％程度の格子不整合があることから、第１絶縁層１１膜厚をむやみに増やすことは第１磁性層１と第１絶縁層１１との格子不整合の影響を大きくさせることにつながるため、Ｖｈａｌｆが低下するおそれがある。
　第２絶縁層１２を結晶化させる上で厚さの制限はないが、ＭＴＪ素子として実用的な面積抵抗（抵抗Ｒ×面積Ａ、ＲＡ値）とするため３ｎｍ以下の厚さが好ましく、２ｎｍ以下の厚さがさらに好ましい。また、第１磁性層１及び第２磁性層２と積層絶縁層との間の格子不整合を有効に低減し、高いＶｈａｌｆを得るためには、第２絶縁層１２膜厚は第１絶縁層１１層厚と同等以上であることが好ましい。以上のことを踏まえると、ＭＴＪ素子の目的では第１絶縁層と第２絶縁層の積層膜の合計の厚さとして、０．６ｎｍ～３ｎｍが好ましい。
　また、第１磁性層１と第１絶縁層１１の間、第２絶縁層１２と第２磁性層２の間にＭｇ１－ｂＡｌｂ（０≦ｂ≦１）からなる極薄の金属膜を例えば１ｎｍ以下の厚さで挿入することで、界面結晶構造の制御や垂直磁気異方性の調整をすることもできる。
　次に第２絶縁層１２の上に第２磁性層２を形成する。第２磁性層２も第１磁性層１と同様にアモルファス構造を持つＣｏ－Ｆｅ－Ｂを主体とする層である。作製法も第１磁性層１とおなじ手法を用いることができる。
　上記の多層膜構造を形成後に、例えば２００～５００℃程度の温度範囲において、１分～６０分間、真空中で熱処理を行うことによって、全体として立方晶を持つ構造に変化するとともに、おおむね（００１）配向した結晶多層膜となる。第１絶縁層１１と第２絶縁層１２は熱処理条件の調整によって、部分的もしくは全体的に相互原子拡散を促進させることができ、一体のＭｇ－Ａｌ－Ｏバリア層として得ることもできる。この効果によって格子整合が良いＣｏ－Ｆｅ－Ｂ／Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ積層構造を得ることが可能になり、既知の単層ＭｇＯバリア素子と同等の高いＴＭＲ比を実現しながら、より高いＶｈａｌｆを得ることができる。例えば、本発明によれば、室温において１２０％以上３４０００％以下のトンネル磁気抵抗を示す強磁性トンネル接合体が作製される。
（第２実施形態）
　第２実施形態を図１（Ｂ）にＭＴＪ膜第２形態２０１として示し説明する。ＭＴＪ膜第２形態２０１では、ＭＴＪ膜第１形態１０１における第１磁性層１と第１絶縁層１１の間に新たに磁性挿入層３を設けたものである。それ以外の構造、組成、製造方法はＭＴＪ膜第１形態１０１と同等のものを用いることができる。この磁性挿入層３は、Ｃｏ１－ｍＦｅｍ（０＜ｍ≦１）からなる薄い挿入層である。磁性挿入層３は第１絶縁層１１と第２絶縁層１２の両方の結晶化を促進させる効果があり、ＴＭＲ比の向上につながる。この層の膜厚は第１磁性層１よりも薄いことが好ましく、例えば０．１～１．５ｎｍである。磁性挿入層３はスパッタ法や真空蒸着法などＣｏ－Ｆｅ－Ｂと同じ手法で作製することができる。磁性挿入層３は平坦性の向上のために、１００～３００℃の温度において真空中熱処理してもよい。また、第２絶縁層１２と第２磁性層２との間にもＣｏＦｅ合金層を磁性挿入層３と同様の手法を用いて挿入してもよい。
　（第３実施形態）
　第３実施形態は、図２（Ａ）にＭＴＪ膜第３形態３０１として代表的に示すように、ＭＴＪ膜第１形態１０１における第１磁性層１の下部構造と第２磁性層２の上部構造を新たに設けたものである。まず基板２１が設けられ、その上に下地構造層２２が設けられる。その上にＭＴＪ膜第１形態１０１が設けられる。また、ＭＴＪ膜第１形態１０１の上に、上部構造層２３が設けられる。
　基板２１として、平坦であり均質であることが望まれる。材料として例えば、Ｓｉ、熱酸化膜付きＳｉ（Ｓｉ／ＳｉＯ２）、ＳｉＮ、ＳｉＣなどＳｉベースのもの、ＧａＡｓなどの化合物半導体、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４、サファイアなどの酸化物結晶を用いることができる。
　下地構造層２２は基板２１と第１磁性層１の間に設けられ、下部側の電極層となるとともに、第１磁性層の磁気特性や結晶構造を制御するために用いられる。この下地構造層２２には既知の多層構造を利用することができる。例えば電極層としてＴａ、ＴａＮ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＡｌＴｉＣ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、ＮｉＡｌ、ＮｉＦｅ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎからなる群から選択される少なくとも一つを含む層を用いることができる。また電極層と基板２１との間にはＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＡｌＯｘ、ＳｉＯｘ、ＳｒＴｉＯ３などの酸化物層を有していても良い。これらの酸化物層は電極層の結晶方位を制御するために用いることができる。
　電極層と第１磁性層１との間には、磁性層を含んでいてもよく、例えばＣｏ－Ｆｅ合金、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｔｂ合金、Ｍｎ－Ｇａ合金、Ｍｎ－Ｇｅ合金、Ｍｎ－Ｇａ－Ｎ、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金などやこれらの積層膜を用いても良い。また、Ｃｏ２ＹＺ（ＹとしてＦｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒなど、ＺとしてＡｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｇｅなど）と表されるＣｏ基ホイスラー合金を用いることもできる。また、（Ｃｏ，Ｆｅ）から選ばれた少なくとも１つの元素を含む層と（Ｐｔ，Ｐｄ）から選ばれた少なくとも１つの元素を含む層とを多層積層とした構造でもよい。これら磁性体を含む層は、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｉｒなどの非磁性層が挿入されていても良い。これらの各層は真空中熱処理を行うこともできる。
　下地構造層２２の積層化の例として、下から、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２ｎｍ）構造、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（３ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２ｎｍ）／Ｐｔ（０．４ｎｍ）］多層膜／Ｃｏ（０．２ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２ｎｍ）／Ｐｔ（０．４ｎｍ）］多層膜／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／Ｔａ（０．２ｎｍ）構造、ＭｇＯ（７ｎｍ）／Ｃｒ（４０ｎｍ）／Ｃｏ２ＦｅＡｌ（５ｎｍ）構造である。ここで（）内は膜厚である。
　第２磁性層２の上には上部構造膜２３が設けられる。この上部構造膜２３は例えば上部電極となるとともに、強磁性トンネル接合体膜の保護膜としても機能する。例えばＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１５ｎｍ）を用いることができる。ＴａはＣｏ－Ｆｅ－Ｂの上に直接設けられることで、熱処理中にＣｏ－Ｆｅ－ＢのＢの一部を吸収する性質があり、結果としてＣｏ－Ｆｅ－Ｂ層の結晶化を促進させる効果もある。さらに、第２磁性層２の磁気特性や結晶構造を制御するために、下地構造層２２で示す磁性体を含む構造を含んでも良い。例えば、下から、Ｔａ／ＣｏＦｅ／Ｔａ／Ｒｕ構造や、Ｗ／［Ｃｏ／Ｐｄ］多層膜／Ｔａ／Ｒｕ構造である。さらに、ＭｇＯなどの薄い酸化物層を含んでも良く、例えばＴａ／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ／ＭｇＯ／Ｔａ／Ｒｕ構造である。
　（第４実施形態）
　第４実施形態は、図２（Ｂ）にＭＴＪ膜第４形態４０１として代表的に示すように、ＭＴＪ膜第３形態３０１における第１磁性層１と第１絶縁層１１の間に新たに磁性挿入層３を設けたものである。ＭＴＪ膜第２形態２０１で示すとおり、ＣｏＦｅ合金からなる層であり、第１絶縁層１１及び第２絶縁層１２の結晶化を促進する効果がある。
　以上は、本発明の実施形態の代表例を記述したものであり、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲内に記載された要旨に適合する範囲内によって変形が可能であるのは当然である。
　以下、図３乃至図８を参照して、本実施形態のトンネルバリアとそれを用いたＭＴＪ素子の実施例について説明する。
＜実施例１＞
　図３及び図４を用いて実施例１を以下に説明する。基板を熱酸化膜付Ｓｉ基板とし、イソプロピルアルコールを用いて洗浄した後スパッタ装置へ導入した。マグネトロンスパッタを用いて室温においてＴａ（５ｎｍ）／Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ（５ｎｍ）を成膜した。Ｔａは下地構造膜であり、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ層は第１磁性層である。Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ層の成膜に用いたターゲットの組成はＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０である。次に磁性挿入層としてＣｏＦｅ膜を０（挿入層なし）、０．３、０．６、０．９ｎｍをスパッタ成膜した。用いたターゲットはＣｏ７５Ｆｅ２５組成である。次に第１絶縁層としてＭｇＯ焼結ターゲットを用いてＭｇＯ（０．２５ｎｍ）を高周波スパッタにより成膜した。引き続きＭｇ－Ａｌ－Ｏ層（１０ｎｍ）を２つの異なる組成のターゲットを用いて高周波スパッタにより成膜した。
　１つ目の組成はＭｇリッチの（Ｍｇ０．６７Ａｌ０．３３）－Ｏｘターゲットを用い、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層中のＭｇとＡｌの実組成は、誘導結合プラズマ組成分析法を用いてＭｇ０．７２Ａｌ０．２８であった。以後、便宜上この組成をＭｇ２Ａｌ－Ｏｘと呼称する。
　２つ目の組成はＡｌリッチの（Ｍｇ０．３３Ａｌ０．６７）－Ｏｘターゲットを用いており、ＭｇとＡｌの実組成はＭｇ０．３９Ａｌ０．６１であった。以後、便宜上この組成をＭｇＡｌ２－Ｏｘと呼称する。次に、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層の上に第２磁性層としてＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（５ｎｍ）、さらにその上に上部構造膜としてＴａ（５ｎｍ）を成膜した。その後、作製した多層膜構造は３００℃において３０分真空中熱処理を行った。
　図３（Ａ）はＭｇリッチＭｇ２Ａｌ－Ｏｘを用いた場合における多層膜構造の膜面直方向にスキャンして得たＸ線回折パターンを示している。各ＣｏＦｅ挿入層厚さについて別々に示す。いずれのＣｏＦｅ膜厚においても４２°近傍にＭｇＡｌ２Ｏ４（００４）に対応するピークが観察されている。このピークの他には、基板とＴａ層以外のピークのみであることがわかる。このことはＭｇ２Ａｌ－Ｏｘ層が結晶化し、（００１）成長が実現されたことを示している。ＭｇＡｌ２Ｏ４（００４）ピーク強度はＣｏＦｅ挿入厚さが厚くなるにつれ大きくなることもわかる。したがって、ＣｏＦｅ層の挿入がＭｇＡｌ２Ｏ４の結晶化を促進することを示している。
　同様に、図３（Ｂ）には各ＣｏＦｅ挿入層厚さの多層膜構造の膜面内方向にスキャンして得たＸ線回折パターンを示している。ＭｇＡｌ２Ｏ４（４００）とＣｏＦｅ（１１０）を起源とするピークが観察された。このピークもＣｏＦｅ挿入層厚さを増やすことで強度が増すことから、ＣｏＦｅ層挿入によるＭｇＡｌ２Ｏ４の結晶化促進効果があることが確認できる。なおＸ線回折パターンを測定した試料のいずれも、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層のスピネル規則構造化は観察されていない。そのため、ＭｇＡｌ２Ｏ４本来の半分の格子定数をもつ陽イオン不規則スピネル構造になっているといえる。
　同様のＭｇ－Ａｌ－Ｏ層の結晶化はＭｇＡｌ２－Ｏｘ組成においてもＸ線回折パターンから確認された。観測されたＸ線ピーク、ＭｇＡｌ２Ｏ４（００４）および（４００）位置から、形成されたＭｇ－Ａｌ－Ｏの膜面内および膜面直方向の結晶格子間隔を見積もった。
　図４（Ａ）にＭｇ２Ａｌ－ＯｘおよびＭｇＡｌ２－Ｏｘそれぞれについて、結晶格子間隔のＣｏＦｅ挿入層厚の関係を示す。この図から、いずれの組成においても格子間隔はＣｏＦｅ膜厚にほとんど影響されないことがわかる。また、膜面内方向の格子間隔は膜面直方向の間隔よりも小さいこともわかる。面内格子間隔はいずれの組成においても０．４０５～０．４０８ｎｍの範囲となった。この値はＭｇＡｌ２Ｏ４バルク値（０．４０４５ｎｍ）に近く、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ層と良好な面内格子整合が実現されるように膜面直方向に結晶が伸びている（正方晶歪みの導入）ことを示唆している。さらに、Ｍｇ－Ａｌ組成によって膜面直方向の格子定数は異なることがわかる。
　図４（Ｂ）には結晶格子体積を算出したものである。ＭｇＡｌ２－Ｏｘでは、ＭｇＡｌ２Ｏ４の格子定数を半分と見なした場合の値に換算したバルク値（１／８ユニットセル）に近い値を持つ。一方、Ｍｇ２Ａｌ－ＯｘではＭｇＯバルク値とＭｇＡｌ２Ｏ４バルク換算値との平均値に近い値を持つことがわかる。したがって、Ｍｇ－Ａｌ組成の調整によって結晶格子体積の連続的な制御が可能であることも示唆している。本来は格子不整合があるＭｇリッチ組成においても、正方晶歪みが無理なく導入されることで、面内格子整合が実現されることもわかる。以上からＭｇ－Ａｌ－Ｏ層とＣｏ－Ｆｅ－Ｂ層の間に、極薄ＭｇＯを挿入することでＭｇ－Ａｌ－Ｏ層が結晶化し、ＣｏＦｅ層挿入でさらにその結晶性が向上することが確認された。また、Ｍｇ－Ａｌの広い組成においてＣｏ－Ｆｅ－Ｂ層と面内格子整合状態を実現できることもわかった。
＜実施例２＞
　次に図５及び図６を用いて実施例２を説明する。実施例１と同等の方法を用いて熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）の下地構造膜を作製した。次に、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（５ｎｍ）の第１磁性層を成膜した後に、Ｃｏ７５Ｆｅ２５膜を磁性挿入層としてスパッタ成膜した。Ｃｏ７５Ｆｅ２５層の膜厚は０．１～１．０ｎｍの範囲で変化させた。次に第１絶縁層としてＭｇＯ層を０．１～０．８ｎｍの膜厚として変化させて成膜した。引き続き、第２絶縁層としてＭｇ２Ａｌ－ＯｘもしくはＭｇＡｌ２－Ｏｘを１．２ｎｍの厚さで高周波スパッタ成膜した。その後Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）を成膜した。多層膜作製後に電子線リソグラフィ、フォトリソグラフィー、イオンエッチング装置を用いて４００ｎｍ×２００ｎｍサイズの楕円形状に微細加工を行い、ＭＴＪ素子構造を形成させた。また、測定用電極としてＡｕを用いた。その後、ＭＴＪ素子を４００℃において３０分真空中で熱処理を行った。次に、直流四端子法によって外部磁場およびバイアス電圧に対するＭＴＪ素子の電気抵抗の変化を室温において測定した。上下磁性層の磁化配列が反平行時の抵抗値をＲＡＰ、平行時の抵抗値をＲＰとして、ＴＭＲ比（％）は１００×（ＲＡＰ－ＲＰ）／ＲＰで定義した。
　図５（Ａ）は、Ｍｇ２Ａｌ－Ｏｘを用い、ＣｏＦｅ膜厚＝０．１６ｎｍ及び０．９２ｎｍと固定した場合の、ＴＭＲ比とＭｇＯ層厚との関係を示すものである。この例では、最大で約２００％のＴＭＲ比が得られている。これは非晶質のバリア層では実現が期待できない高い値であり、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層が結晶化し、高品位な（００１）配向膜が達成されたことによって、コヒーレントトンネル効果が顕著に現れたことを示している。ＭｇＯ挿入層厚が増えるとともにＴＭＲ比が向上し、最終的に飽和する傾向があることがわかる。特に、ＣｏＦｅ層厚が厚い０．９２ｎｍを用いた場合、ＭｇＯは０．１５ｎｍ程度あれば十分な効果を発揮する。また、０．０５ｎｍの薄いＭｇＯ領域においても１３０％程度の比較的高い値が実現されている。一方、ＣｏＦｅ層が薄い０．１６ｎｍの場合は、ＴＭＲ比が全体的に低く、高いＴＭＲ比を得るためには比較的厚いＭｇＯ層挿入が必要であることもわかる。したがって、ＣｏＦｅ挿入層厚さもＭｇ－Ａｌ－Ｏ層の結晶化に強い影響を与えていることが見て取れる。
　図５（Ｂ）は、ＭｇＡｌ２－Ｏｘを用いた場合の結果を示している。最大で１６０％程度のＴＭＲ比が実現された。しかし、１００％を超えるＴＭＲ比を得るためにはＭｇ２Ａｌ－Ｏｘ組成と比べ、より厚い０．３ｎｍ程度のＭｇＯ挿入が必要である。これはＡｌがより多い組成を用いたため、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層の結晶化のためにより強いテンプレート効果が必要となったためであると考えられる。
　次に、ゼロバイアス電圧の値で規格化したＴＭＲ比のバイアス電圧依存性について、Ｍｇ２Ａｌ－Ｏｘ組成による結果を図６（Ａ）に、ＭｇＡｌ２－Ｏｘ組成による結果を図６（Ｂ）にそれぞれ示す。これらの図では、ＭｇＯ厚を０．４５ｎｍに固定し、異なるＣｏＦｅ挿入層膜厚についての結果をそれぞれ示している。また、下部層から上部層へ電子トンネルする方向である正電圧方向として定義した。これらの図から、どちらのＭｇ－Ａｌ組成においてもほぼ同等の振る舞いが見られる。すなわち、正電圧方向において、ＴＭＲ比のバイアス電圧依存性が小さいことがわかる。特にＣｏＦｅ層厚が増えると依存性がより小さくなる。一方、負電圧方向ではＣｏＦｅ膜厚依存性が小さい。
　規格化ＴＭＲ＝０．５となるバイアス電圧はＶｈａｌｆを意味し、バイアス電圧依存性の簡便な指標となる。正電圧方向（Ｖｈａｌｆ＋）はいずれのＭｇ－Ａｌ組成においてもＣｏＦｅ層挿入厚０．９２ｎｍのときに約１．４Ｖと非常に大きい値を示す。これは正電圧方向では上部バリア界面の状態を強く反映しており、高いＶｈａｌｆ＋はＭｇ－Ａｌ－Ｏ層と上部Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ層が接する界面の格子不整合欠陥の少なさに起因していると考えられる。
　負電流方向（Ｖｈａｌｆ－）はいずれの条件においてもおおよそ０．８Ｖ程度であり、正電圧方向より小さい。ＣｏＦｅ挿入層とＭｇＯ層との界面に格子不整合が残存していることや過酸化などによるダメージによる影響がその可能性として考えられる。また、Ｖｈａｌｆは一般的に磁性層組成によっても大きな影響を受け、Ｃｏ－Ｆｅ－（Ｂ）系の場合Ｃｏ組成上昇とともに低下する。したがって、挿入層にＣｏリッチ組成のＣｏ７５Ｆｅ２５を用いたこともＶｈａｌｆ－低下の要因といえる。
＜実施例３＞
　次に図７を用いて実施例３を説明する。実施例２と同等の方法を用いて熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（５ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．４ｎｍ）／Ｍｇリッチ組成Ｍｇ２Ａｌ－Ｏｘ（１．２ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）を成膜し、微細加工を行った。その後５００℃において３０分真空中で熱処理を行った。素子抵抗及びＴＭＲ比の外部磁場依存性の測定結果を図７に示す。この図から分かるようにＴＭＲ比＝２４２％が得られ、この値は４００℃熱処理時の最大値（～２００％）よりも高い値が得られた。これはより高い温度で熱処理を行ったことで各層の結晶化が効果的に進行したためである。
＜実施例４＞
　次に図８を用いて実施例４を説明する。実施例２及び３と同等の方法を用いて熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（５ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）／Ａｌリッチ組成ＭｇＡｌ２－Ｏｘ（１．２ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）を成膜した後、５００℃において３０分真空中で熱処理を行った。この多層膜試料のＴＭＲ比は２２０％であった。図８（Ａ）には、この多層膜の断面電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）、図８（Ｂ）にはエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）法によるＭｇ、Ａｌ、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｏの各元素の組成プロファイルの結果を示している。
　断面ＳＴＥＭ像から、上下磁性層及び積層バリア層が結晶化していることがわかる。また、これらの層すべてが（００１）に成長していることがわかった。また、ＭｇＯ／ＭｇＡｌ２－Ｏｘ積層バリア層内に明確な境界は見られず、一体にみえることもわかる。ＥＤＳ元素プロファイルからも、ＭｇＯ／ＭｇＡｌ２－Ｏｘ積層バリア層内でＭｇとＡｌが相互拡散し、おおむね均一なＭｇ－Ａｌ濃度となっており、上下磁性層の間に結晶化したＭｇ－Ａｌ－Ｏバリアが実現されている。Ｃｏ－Ｆｅ－（Ｂ）層との界面も極めて平滑であり、面内格子不整合もほとんど見られないことから高品位な格子整合界面が実現されていることがわかる。また、比較的厚いＭｇＯ挿入層を用いたため、バリア層はＭｇがＡｌより多い組成を持つこともわかる。
　したがって、本実施形態の構造と製造方法によって高品位なＭｇ－Ａｌ－Ｏ結晶層が達成でき、高いＴＭＲ比と高いＶｈａｌｆを併せ持つＭＴＪ素子が構成できる。このことは高い素子電圧出力を実現可能であり、様々な用途に適した高性能ＭＴＪ素子を提供できることを示している。
　以下、図９及び図１０を参照して、本実施形態のＭＴＪ素子との比較例について説明する。
＜比較例１＞
　次に、図９を用いて比較例１としてＭｇＡｌ２Ｏ４層を持たない、ＭｇＯ単一バリアのバイアス電圧依存性を測定した結果を説明する。実施例２乃至４と同等の方法を用いて熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（５ｎｍ）／ＭｇＯ（約１．４ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）を成膜した後、微細加工を行い、４００℃において３０分真空中で熱処理を行った。ゼロバイアス電圧でのＴＭＲ比は２５０％であった。図９にこのＭＴＪ試料の規格化ＴＭＲ比のバイアス電圧依存性を示す。比較として、ＭｇＯ（０．４５ｎｍ）／ＭｇＡｌ２－Ｏｘ（１．２ｎｍ）およびＭｇＯ（０．４５ｎｍ）／Ｍｇ２Ａｌ－Ｏｘ（１．２ｎｍ）を用いた試料も示す（いずれも０．９ｎｍのＣｏＦｅ挿入層を使用）。図９から明らかなとおり、正電圧方向においてＭｇ－Ａｌ－Ｏを用いたバリアと比べＭｇＯ単一バリアのＶｈａｌｆが小さいことがわかる。
＜比較例２＞
　次に、図１０を用いて比較例２としてＭｇ－Ａｌ－Ｏ単一バリアのＴＭＲ比を測定した結果を説明する。実施例１乃至３と同等の方法を用いて熱酸化膜付Ｓｉ基板上にＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２０ｎｍ）／Ｉｒ２０Ｍｎ８０（５ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（１．１ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（５ｎｍ）／Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ（０．８－１．２ｎｍ）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（８ｎｍ）を成膜した後、３００℃において３０分真空中において５ｋＯｅの磁場中で熱処理を行った。Ｍｇ－Ａｌ－Ｏとして、Ｍｇ２Ａｌ－Ｏｘ、ＭｇＡｌ２－Ｏｘの両方を用いた。図１０は、作製したＭＴＪ膜試料のＴＭＲ比とＲＡの関係を示している。いずれの組成の試料においてもＲＡの大小に関わらずＴＭＲ比は１０～３０％程度の小さい値であった。したがって、ＭｇＯ挿入層を用いない場合、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ層の結晶化が不十分なため、コヒーレントトンネル効果が有効に働かないことを示している。
＜本発明の効果＞
　本発明のＭＴＪ素子によれば、ＭｇＯを主体とする極薄のテンプレート層をＭｇ－Ａｌ－Ｏ層の下部に設けることで、非晶質Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂを磁性層として用いても、従来は達成不可能だった高いＴＭＲ比を室温で利用できることができる上、良好なバイアス電圧依存性を同時に達成することが可能になる。非晶質磁性層をＭｇ－Ａｌ－Ｏバリア層とともに用いることができることが意味することは、格子整合性が良いバリア層を、基板や下地構造の種類を制限することなくＭＴＪ素子に組み込むことが可能であることである。したがって、ＭＴＪ素子を利用する様々な用途に活用できることが見込まれる。
　本発明のＭＴＪ素子によれば、非潮解性のＭｇ－Ａｌ－Ｏをバリア層に用いることで、微細素子作製時などに用いられるウェットプロセスによるダメージを最小限にすることが可能である。加えて、格子整合バリア界面が得られることから、高い信頼性をもつＭＴＪ素子の達成も期待できる。
＜本発明のＭＴＪ膜が搭載されるデバイスの例＞
　図１１は、本発明のＭＴＪ膜が搭載される磁気ヘッドを搭載可能な磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。図１１において、磁気記録再生装置１００は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク１１０は、スピンドル１４０に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気記録再生装置１００は、複数の媒体ディスク１１０を備えたものとしてもよい。
　媒体ディスク１１０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダー１２０は、薄膜状のサスペンション１５２の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダー１２０は、例えば、実施の形態にかかる磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
　媒体ディスク１１０が回転すると、ヘッドスライダー１２０の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク１１０の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク１１０と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
　サスペンション１５２は、駆動コイルを保持するボビン部（図示せず）などを有するアクチュエータアーム１５４の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５４の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１３０が設けられている。ボイスコイルモータ１３０は、アクチュエータアーム１５４のボビン部に巻き上げられた駆動コイル（図示せず）と、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路（図示せず）とから構成される。
　アクチュエータアーム１５４は、スピンドル１４０に設けられたボールベアリング（図示せず）によって保持され、ボイスコイルモータ１３０により回転摺動が自在にできるようになっている。
　図１２は、アクチュエータアーム１５４から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１５０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５４を有し、アクチュエータアーム１５４の一端にはサスペンション１５２が接続されている。
　サスペンション１５２の先端には、図１３に示す磁気ヘッドを具備するヘッドスライダー１２０が取り付けられている。サスペンション１５２は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１５８を有し、このリード線１５８とヘッドスライダー１２０に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１５６は磁気ヘッドアセンブリ１５０の電極パッドである。
　図１３は、磁気ヘッド再生センサーの断面を模式的に示す構成図である。図１３に示すように、再生センサー１８０は、上部磁気シールド１６０と下部磁気シールド１７０との間に設けられている。再生センサー１８０は、非磁性導電層からなる下地層１８２、第１磁性層１８４、中間層１８６（非磁性絶縁層）、第２磁性層１８８、非磁性導電層からなるキャップ層１９０を、下部磁気シールド１７０側から上部磁気シールド１６０側に順に積層して構成されている。なお、第１磁性層１８４、中間層１８６、第２磁性層１８８の順に積層したが、第２磁性層、中間層、第１磁性層の順に積層してもよい。再生センサー１８０は絶縁層１９２を介して永久磁石材料からなる左右の磁区制御膜１９４の間に設けられている。
　下地層１８２からキャップ層１９０の積層構造には、前述したＭＴＪ膜第１形態１０１から第４形態４０１を利用できる。下地層１８２は下地構造層２２、第１磁性層１８４は第１磁性層１、中間層１８６は第１絶縁層１１と第２絶縁層１２からなる積層膜、第２磁性層１８８は第２磁性層２、キャップ層１９０は上部構造層２３が例えば対応する。中間層１８６の層厚は、第１絶縁層１１と第２絶縁層１２を合わせて０．６から３ｎｍとすることが望ましい。これにより第１磁性層層１８４と第２磁性層１８８との交換結合と、中間層１８６の抵抗値を最適な値に調節することが可能となる。
　本発明のＭＴＪ素子によれば、これをメモリセルとして用いた、不揮発ランダムアクセス磁気メモリＭＲＡＭに利用できる。
　また、本発明のＭＴＪ素子は、磁気記録再生装置の磁気ヘッド、大容量な次期ロジック回路に利用できる。さらに、超小型の高感度センサーやスピントルク発振素子にも利用できる。
１　第１磁性層
２　第２磁性層
３　磁性挿入層
１１　第１絶縁層
１２　第２絶縁層
２１　基板
２２　下地構造層
２３　上部構造層
１０１　ＭＴＪ膜第１形態
２０１　ＭＴＪ膜第２形態
３０１　ＭＴＪ膜第３形態
４０１　ＭＴＪ膜第４形態

Claims (12)

  1. 　第１磁性層と第２磁性層との間に設けられたトンネルバリア層を有する強磁性トンネル接合体であって、
    　前記トンネルバリア層は第１絶縁層と第２絶縁層の積層構造からなる配向した結晶体であって、
    　前記第１絶縁層はＭｇ１－ｘＸｘ（０≦ｘ≦０．１５）の酸化物からなり、ＸはＡｌ、Ｔｉの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素から構成され、
    　前記第２絶縁層はＭｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉの群から選ばれた少なくとも２つ以上の元素から構成される合金の酸化物からなり、
    　前記第１磁性層と前記第２磁性層がいずれも、ＣｏとＦｅの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素とＢから構成される合金からなる強磁性トンネル接合体。
  2. 　前記トンネルバリア層と第１磁性層との間、又は前記トンネルバリア層と第２磁性層との間の一方又は両方にＣｏとＦｅの群から選ばれた少なくとも１つ以上の元素から構成される層がさらに設けられたことを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合体。
  3. 　前記第１絶縁層がＭｇＯからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の強磁性トンネル接合体。
  4. 　前記第２絶縁層がＭｇ１－ｙＡｌｙ（０．２≦ｙ≦０．８）の酸化物からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の強磁性トンネル接合体。
  5. 　室温において１２０％以上３４０００％以下のトンネル磁気抵抗を示す請求項１乃至４の何れか１項に記載の強磁性トンネル接合体。
  6. 　請求項１乃至５の何れか１項に記載の強磁性トンネル接合体を備えたスピントロニクスデバイス。
  7. 　前記スピントロニクスデバイスは、ハードディスク用磁気ヘッド、スピントルク書換え型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）、３端子型ＭＲＡＭ、電圧駆動型ＭＲＡＭ、スピントルク発振素子、スピン共鳴トンネル素子の何れかであることを特徴とする請求項６に記載のスピントロニクスデバイス。
  8. 　基板をスパッタ装置に導入する工程と、
    　この基板に第１磁性層を成膜する工程と
    　この第１磁性層に重ねて第１絶縁層を成膜する工程と、
    　この第１絶縁層に重ねて第２絶縁層を成膜する工程と、
    　この第２絶縁層に重ねて第２磁性層を成膜する工程と、
    　作製した多層膜構造を３００℃から５００℃の温度範囲で１分乃至６０分間真空中熱処理を行なう工程と、
    　を備えることを特徴とする強磁性トンネル接合体の製造方法。
  9. 　前記基板に下地構造膜であるＴａを成膜してから、前記第１磁性層成膜工程を行うことを特徴とする請求項８記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
  10. 　前記第１磁性層成膜工程と前記第１絶縁層成膜工程との間に、この第１磁性層に重ねて第１磁性挿入層を成膜する工程を行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
  11. 　前記第２絶縁層成膜工程と前記第２磁性層成膜工程との間に、この第２絶縁層に重ねて第２磁性挿入層を成膜する工程を行うことを特徴とする請求項８乃至１０に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
  12. 　前記第２磁性層と前記熱処理工程との間に、前記第２磁性層に重ねて上部構造膜としてＴａを成膜する工程を行うことを特徴とする請求項８乃至１１の何れかに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
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