特許 6103123 磁気抵抗効果素子、磁気センサ及び磁気メモリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6103123

(24)【登録日】2017年3月10日

(45)【発行日】2017年3月29日

(54)【発明の名称】磁気抵抗効果素子、磁気センサ及び磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20170316BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20170316BHJP

   H01L 21/8246 20060101ALI20170316BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20170316BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20170316BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20170316BHJP

   H01F 10/30 20060101ALI20170316BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/10

   H01L43/08 M

   H01L43/08 Z

   H01L27/10 447

   H01L29/82 Z

   G01R33/06 R

   H01F10/30

【請求項の数】20

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2016-171995(P2016-171995)

(22)【出願日】2016年9月2日

【審査請求日】2016年9月2日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100169694

【弁理士】

【氏名又は名称】荻野 彰広

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 智生

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／１５８９２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／１３６９６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／０１６０６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−０９０８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０７４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Christian Sterwerf ,他3名，High TMR ratio Co2FeSi and Fe2CoSi based magnetic tunnel junctions，IEEE Transactions on Magnetics，米国，２０１３年 ８月 ９日，Vol.49, No.7，p.4386-4389

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｈ０１Ｆ １０／３０

Ｈ０１Ｌ ２１／８２４６

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層との間に設けられたトンネルバリア層とを有し、
前記トンネルバリア層は立方晶の結晶構造を有し、
前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層は、Ｆｅ_２ＣｏＳｉで表される立方晶の結晶構造を有する材料により構成され、
前記トンネルバリア層と前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層のうちＦｅ_２ＣｏＳｉにより構成される強磁性層との結晶界面の少なくとも一部において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記Ｆｅ_２ＣｏＳｉにより構成される強磁性層を構成する結晶の結晶面とが、０°又は４５°傾いて整合し、
前記トンネルバリア層と前記Ｆｅ_２ＣｏＳｉにより構成される強磁性層との格子整合度が１０％以下である、磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記トンネルバリア層がＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、γ−Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４またはこれらの混晶材料のいずれかにより構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合している請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記トンネルバリア層がＭｇＯにより構成されている、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記トンネルバリア層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４により構成されている、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

前記トンネルバリア層がγ−Ａｌ_２Ｏ_３により構成されている、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項6】

前記トンネルバリア層がＺｎＡｌ_２Ｏ_４により構成されている、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項7】

前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４またはこれらの混晶材料のいずれかにより構成されている、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項8】

前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項9】

前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項10】

前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している部分と４５°傾いて整合している部分とが混在している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項11】

前記トンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項12】

前記トンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項13】

前記トンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している部分と４５°傾いて整合している部分とが混在している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項14】

前記トンネルバリア層がＣｄＡｌ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項15】

前記トンネルバリア層がＣｄＡｌ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項16】

前記トンネルバリア層がＣｄＡｌ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している部分と４５°傾いて整合している部分とが混在している請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項17】

前記トンネルバリア層がＣｄＧａ_２Ｏ_４により構成され、
前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項18】

前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層の少なくとも一方が、前記結晶界面に対して垂直な磁気異方性を有している請求項１〜１７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項19】

請求項１〜１８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ。

【請求項20】

請求項１〜１８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気センサ及び磁気メモリに関するものである。

【背景技術】

【0002】

強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高いものの、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。

【0003】

磁気抵抗効果素子の強磁性層として、ＦｅとＣｏの少なくも一方を主成分とする強磁性体が一般に広く用いられている（例えば、特許文献１）。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等が知られている。

【0004】

また強磁性層にＸ_２ＹＺで表記されるホイスラー合金を用いる検討もされている（例えば、特許文献２）。Ｃｏ_２ＦｅＳｉは、Ｃｏ系で最も高いキュリー温度を示し、高い分極率を示すことが知られており、注目されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６−１０５３４０号公報

【特許文献2】特許第５５８６０２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

強磁性材料を探索したところＦｅ_２ＣｏＳｉは軟磁性であることが確認された。すなわち、Ｆｅ_２ＣｏＳｉは磁気センサ、メモリセンサ、ＭＲＡＭ等の磁気抵抗効果素子の自由層に適用できる材料であり、今後の発展が期待される。一方で、Ｆｅ_２ＣｏＳｉはまだ十分な検討が進められていない材料である。そのため、Ｆｅ_２ＣｏＳｉを磁気抵抗効果素子に用いた場合に、どのような問題が発生するかについて十分な報告がされていない。
このような背景のもと、自由層にＦｅ_２ＣｏＳｉを用いる検討を行ったところ、十分なＭＲ比が得られない場合があった。

【0007】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、軟磁性材料であるＦｅ_２ＣｏＳｉを含み、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者らは、鋭意検討の結果、トンネルバリア層と強磁性層を積層する際の格子の整合状態を設定することで、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子が得られることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0009】

（１）本発明の一態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層との間に設けられたトンネルバリア層とを有し、前記トンネルバリア層は立方晶の結晶構造を有し、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層は、Ｆｅ_２ＣｏＳｉで表される立方晶の結晶構造を有する材料により構成され、前記トンネルバリア層と前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層との結晶界面の少なくとも一部において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°又は４５°傾いて整合している。

【0010】

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、γ−Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４またはこれらの混晶材料のいずれかにより構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合していてもよい。

【0011】

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＯにより構成されていてもよい。

【0012】

（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４により構成されていてもよい。

【0013】

（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がγ−Ａｌ_２Ｏ_３により構成されていてもよい。

【0014】

（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＺｎＡｌ_２Ｏ_４により構成されていてもよい。

【0015】

（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４またはこれらの混晶材料のいずれかにより構成されていてもよい。

【0016】

（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合していてもよい。

【0017】

（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合していてもよい。

【0018】

（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している部分と４５°傾いて整合している部分とが混在していてもよい。

【0019】

（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合していてもよい。

【0020】

（１２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合していてもよい。

【0021】

（１３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している部分と４５°傾いて整合している部分とが混在していてもよい。

【0022】

（１４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＣｄＡｌ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合していてもよい。

【0023】

（１５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＣｄＡｌ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合していてもよい。

【0024】

（１６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＣｄＡｌ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している部分と４５°傾いて整合している部分とが混在していてもよい。

【0025】

（１７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＣｄＧａ_２Ｏ_４により構成され、前記結晶界面において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合していてもよい。

【0026】

（１８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層の少なくとも一方が、前記結晶界面に対して垂直な磁気異方性を有していてもよい。

【0027】

（１９）本発明の一態様にかかる磁気センサは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を用いたものである。

【0028】

（２０）本発明の一態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を用いたものである。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、軟磁性材料であるＦｅ_２ＣｏＳｉを含み、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子をえることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。

【図2】スピネルの結晶構造の図である。

【図3】規則性スピネル及びスケネル構造の構成単位を示す図である。

【図4】トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している場合を模式的に示した斜視図である。

【図5】トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している場合を模式的に示した平面図である。

【図6】トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合している場合を模式的に示した斜視図である。

【図7】トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、４５°傾いて整合している場合を模式的に示した平面図である。

【図8】本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を備える磁気抵抗効果デバイスの側面模式図である。

【図9】磁気抵抗効果デバイスを積層方向から平面視した模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0032】

「磁気抵抗効果素子」
図１は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、基板１１上に設けられている。図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、基板１１側から下地層４、第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３、第２強磁性金属層２、キャップ層５の順に積層されている。下地層４及びキャップ層５は必須の層ではなく、除いてもよい。

【0033】

（第１強磁性金属層、第２強磁性金属層）
第１強磁性金属層１は、第２強磁性金属層２より保磁力が大きい。すなわち、第１強磁性金属層１の磁化が一方向に固定され、第２強磁性金属層２の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子１０として機能する。第１強磁性金属層１は固定層または参照層と呼ばれ、第２強磁性金属層２は自由層または記録層と呼ばれる。

【0034】

第１強磁性金属層１には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。

【0035】

またより高い出力を得るためにはＣｏ_２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂなどが挙げられる。

【0036】

また、第１強磁性金属層１の第２強磁性金属層２に対する保磁力をより大きくするために、第１強磁性金属層１と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いても良い。さらに、第１強磁性金属層１の漏れ磁場を第２強磁性金属層２に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としても良い。

【0037】

さらに第１強磁性金属層１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第１強磁性金属層１は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］_６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］_４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。

【0038】

第２強磁性金属層２の材料として、Ｆｅ_２ＣｏＳｉが用いられる。Ｆｅ_２ＣｏＳｉは軟磁性材料である。そのため、第１強磁性金属層１より第２強磁性金属層２のスピンは磁化反転しやすく、自由層として最適である。またＦｅ_２ＣｏＳｉは立方晶の結晶構造を有する。また、Ｆｅ_２ＣｏＳｉはこの組成比に必ずしも限定されない。ＦｅとＣｏは互いに、元素の位置を交換することができるため、Ｆｅが２よりも大きく成りえる。同様に、Ｃｏが１よりも大きくなりえる。軟磁性材料としての機能は少なくともＦｅがＣｏよりも多い場合に生じる。

【0039】

第２強磁性金属層２の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第２強磁性金属層２の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第２強磁性金属層２とトンネルバリア層の界面で、第２強磁性金属層２に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第２強磁性金属層２の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第２強磁性金属層２の膜厚は薄い方が好ましい。

【0040】

磁気センサとして磁気抵抗効果素子を活用させるためには、外部磁場に対して抵抗変化が線形に変化することが好ましい。一般的な強磁性層の積層膜では磁化の方向が形状異方性によって積層面内に向きやすい。この場合、例えば外部から磁場を印可して、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層の磁化の向きを直交させることによって外部磁場に対して抵抗変化が線形に変化する。しかしながらこの場合、磁気抵抗効果素子の近くに磁場を印可させる機構が必要であり、集積を行う上で望ましくない。そのため強磁性金属層自体が垂直な磁気異方性を持つことが好ましい。

【0041】

ここでは、磁気抵抗効果素子１０として、第１強磁性金属層１を磁化固定層とし、第２強磁性金属層２を磁化自由層としている、いわゆるボトムピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子１０の構造は特に限定されるものではない。第１強磁性金属層１を磁化自由層とし、第２強磁性金属層を磁化固定層としたトップピン構造としてもよい。この場合、第１強磁性金属層１を構成する材料が、Ｆｅ_２ＣｏＳｉとなる。

【0042】

（トンネルバリア層）
トンネルバリア層３は非磁性絶縁材料からなる。トンネルバリア層３の膜厚は、一般的に３ｎｍ以下の厚さである。金属材料によってトンネルバリア層３を挟み込むと金属材料の原子が持つ電子の波動関数がトンネルバリア層３を超えて広がるため、回路上に絶縁体が存在するにも関わらず電流が流れる。磁気抵抗効果素子１０は、トンネルバリア層３を強磁性金属材料（第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２）で挟み込む構造であり、挟み込んだ強磁性金属のそれぞれの磁化の向きの相対角によって抵抗値が決定される。

【0043】

磁気抵抗効果素子１０には、通常のトンネル効果を利用したものとトンネル時の軌道が限定されるコヒーレントトンネル効果が支配的なものがある。通常のトンネル効果では強磁性材料のスピン分極率によって磁気抵抗効果が得られるが、コヒーレントトンネルではトンネル時の軌道が限定される。そのため、コヒーレントトンネルが支配的な磁気抵抗効果素子では、強磁性金属材料のスピン分極率以上の効果が期待できる。コヒーレントトンネル効果を発現するためには、強磁性金属材料及びトンネルバリア層３が結晶化し、特定の方位で接合することが好ましい。

【0044】

トンネルバリア層３は立方晶の結晶構造を有する。ここで「立方晶の結晶構造」とは、立方晶が部分的に歪んだ結晶構造も含む。トンネルバリア層３は、単体のバルクとして存在する訳ではなく、薄膜として形成されている。またトンネルバリア層３は、単層で存在する訳ではなく、複数の層が積層された積層体の一部として存在する。そのため、トンネルバリア層３は、立方晶が部分的に歪んだ結晶構造も取りうる。一般的に、トンネルバリア層３の立方晶からのずれはわずかであり、構造を評価する測定方法の精度に依存する。

【0045】

トンネルバリア層３は、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、γ−Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４及びＣｄＧａ_２Ｏ_４からなる群から選択されるいずれか、又は、これらの混晶により構成されていることが好ましい。なお、ここで示す組成式は理論式として示しており、実際にはこの組成式から比率がずれる範囲も含まれる。例えば、酸素欠損が生じＭｇＡｌ_２Ｏ_４−α（αは実数）となる場合や、ＭｇとＡｌの比率が変化しＭｇ_１−βＡｌ_２＋βＯ_４（βは実数）となる場合や、Ｍｇのサイトが欠損したＭｇ_１−γＡｌ_２Ｏ_４（γは実数）となる場合等を含む。

【0046】

ＭｇＯは岩塩型構造をとり、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、γ−Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４及びＣｄＧａ_２Ｏ_４はスピネル構造をとる。岩塩型構造もスピネル構造も立方晶に含まれる。そのため、いずれの材料も立方晶であり、Ｆｅ_２ＣｏＳｉからなる強磁性金属層と整合することができる。なお、ここで言うスピネル構造とは、規則性スピネル構造とスケネル構造のいずれも含む概念である。

【0047】

図２は、スピネル型結晶構造を模式的に示した図である。スピネル構造は、陽イオンと酸素イオンにより構成された結晶構造である。スピネル構造において陽イオンが配置される部分は、酸素が４配位するＡサイトと、酸素が６配位するＢサイトがある。図２において、符号Ｏは酸素イオン、符号ＡはＡサイト、符号ＢはＢサイト、符号ａ_{ｓｐｉｎｅｌ}はスピネル構造の格子定数を意味する。

【0048】

スケネル構造は、スピネル構造の陽イオンが不規則化した構造である。スケネル構造は、酸素イオンの配列はスピネルとほぼ同等の最密立方格子を取っているものの、陽イオンの原子配列が乱れている。規則性スピネル構造では、酸素イオンの四面体空隙及び八面体空隙に陽イオンは規則正しく配列する。これに対し、スケネル構造では陽イオンがランダムに配置され、本来では占有されない酸素原子の四面体位置及び八面体位置に陽イオンが位置する。その結果、スケネル構造は結晶の対称性が変わり、規則性スピネル構造に対して実質的に格子定数が半減した構造となっている。

【0049】

図３は、規則性スピネル及びスケネル構造の構成単位を示す図である。規則性スピネル及びスケネル構造は、図３（ａ）〜（ｅ）に示す５つの構成単位を取ることが可能である。図３（ａ）〜（ｃ）はＦｍ−３ｍの空間群の対称性を有し、図３（ｄ）及び（ｅ）はＦ−４３ｍの空間群の対称性を有する。スケネル構造は、これらの構造のいずれかにより構成されてもよいし、これらが混ざり合って構成されていてもよい。図３（ａ）〜（ｅ）において、符号Ｏは酸素イオン、符号Ｃは陽イオンが入るサイト、符号ａ_{ｓｐｉｎｅｌ}／２はスピネル構造の格子定数の半分を意味し、スケネル構造の格子定数を意味する。陽イオンが入るサイトは、図２におけるＡサイト又はＢサイトのいずれかに対応する。

【0050】

例えば、トンネルバリア層３がＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４及びＣｄＧａ_２Ｏ_４からなる場合、Ａサイトが非磁性の二価の陽イオンであるＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄのいずれかとなり、ＢサイトがＡｌ、Ｇａのいずれかとなる。トンネルバリア層３がγ―Ａｌ_２Ｏ_３の場合、ＣサイトにＡｌが入り、一部が欠損する。

【0051】

トンネルバリア層３の格子構造の繰返しの単位が変わると、強磁性金属層を構成する材料との電子構造（バンド構造）との組み合わせが変化し、コヒーレントトンネル効果による大きなＴＭＲエンハンスが現れる。例えば、非磁性のスピネル材料であるＭｇＡｌ_２Ｏ_４の空間群はＦｄ−３ｍであるが、格子定数が半減した不規則化したスピネル構造の空間群はＦｍ−３ｍもしくはＦ−４３ｍに変化する。

【0052】

（下地層）
基板１１の第１強磁性金属層１側の面には、下地層４が形成されていてもよい。下地層４を設けると、基板１１上に積層される第１強磁性金属層１を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。

【0053】

下地層４は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層４に通電する場合は導電性材料を用いることが好ましい。
例えば１つの例として、下地層４には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。

【0054】

別の例として、下地層４にはＡＢＯ_３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。

【0055】

別の例として、下地層４には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。

【0056】

別の例として、下地層４には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。

【0057】

また下地層４は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層４の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子１０の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。

【0058】

（キャップ層）
また第２強磁性金属層２のトンネルバリア層３と反対側の面には、キャップ層５が形成されていることが好ましい。キャップ層５は、第２強磁性金属層２から元素の拡散を抑制することができる。またキャップ層５は、磁気抵抗効果素子１０の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層５を設けることで、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２の磁性の安定化し、磁気抵抗効果素子１０を低抵抗化することができる。

【0059】

キャップ層５には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。またキャップ層５は、原子番号がイットリウム以上の非磁性金属により構成されていることが好ましい。当該非磁性金属によりキャップ層５が構成されていると、第２強磁性金属層２にスピンが蓄積されやすくなり、高いＭＲ比を実現可能となる。

【0060】

キャップ層５の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて適宜設定することが好ましい。キャップ層５の厚みは、歪み緩和効果が得られ、さらにシャントによるＭＲ比の低下が見られない範囲であればよく、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。

【0061】

キャップ層５の上にスピン軌道トルク配線を形成してもよい。
ここで、スピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に対して交差する方向に延在し、該スピン軌道トルク配線に磁気抵抗効果素子１０の積層方向に対して直交する方向に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、磁気抵抗効果素子１０に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。

【0062】

スピン軌道トルク配線は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなるものである。ここで、スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。

【0063】

（基板）
磁気抵抗効果素子１０は基板１１上に形成される。基板１１は、平坦性に優れた材料を用いることが好ましい。基板１１は目的とする製品によって異なる。例えば、ＭＲＡＭの場合、磁気抵抗効果素子の下にはＳｉ基板で形成された回路を用いることができる。あるいは、磁気ヘッドの場合、加工しやすいＡｌＴｉＣ基板を用いることができる。

【0064】

次いで、磁気抵抗効果素子１０を構成する各層の関係性について具体的に説明する。

【0065】

（トンネルバリア層と第１強磁性金属層又は第２強磁性金属層との関係）
トンネルバリア層３と軟磁性材料を含む第１強磁性金属層１又は第２強磁性金属層２との結晶界面の少なくとも一部において、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面と、第１強磁性金属層１又は第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面とが、０°又は４５°傾いて整合している。

【0066】

ここで整合しているのは、Ｆｅ_２ＣｏＳｉにより構成される強磁性層とトンネルバリア層３である。以下、上記と同様に、第２強磁性金属層２がＦｅ_２ＣｏＳｉにより構成されているものとし、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の整合について説明する。

【0067】

まず、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面と、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面とが、０°傾いて整合している場合について説明する。

【0068】

図４は、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとが、０°傾いて整合している場合を模式的に示した斜視図である。理解を容易にするために、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとを離して図示している。またトンネルバリア層３を構成する結晶の単位格子Ｕ_３と第２強磁性金属層２を構成する結晶の単位格子Ｕ_２を拡大して図示している。

【0069】

トンネルバリア層３は単位格子Ｕ_３が密に配列して構成されている。トンネルバリア層３の単位格子Ｕ_３は、＜ａ_３、ｂ_３、ｃ_３＞の基本ベクトルを有する。トンネルバリア層３は立方晶であるため、基本ベクトルａ_３、ｂ_３、ｃ_３はそれぞれ直交し、基本ベクトルａ_３、ｂ_３、ｃ_３の大きさはそれぞれ等しい。

【0070】

同様に、第２強磁性金属層２は単位格子Ｕ_２が密に配列して構成されている。第２強磁性金属層２の単位格子Ｕ_２は、＜ａ_２、ｂ_２、ｃ_２＞の基本ベクトルを有する。第２強磁性金属層２も立方晶であるため、基本ベクトルａ_２、ｂ_２、ｃ_２はそれぞれ直交し、基本ベクトルａ_２、ｂ_２、ｃ_２の大きさはそれぞれ等しい。

【0071】

トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとが、０°傾いて整合しているということは、以下の２つの条件を満たす。

【0072】

第１の条件は、結晶面３Ａを構成する基本ベクトルａ_３、ｂ_３の向きと、結晶面２Ａを構成する基本ベクトルａ_２、ｂ_２の向きと、が一致することである。

【0073】

第２の条件は、結晶面３Ａを構成する基本ベクトルａ_３、ｂ_３の大きさが、結晶面２Ａを構成する基本ベクトルａ_２、ｂ_２の大きさの正整数倍又は１／正整数倍であることである。すなわち、｜ａ_３｜＝ｎ｜ａ_２｜（ｎは正整数又は１／正整数である）・・・（１）を満たすことである。なお、単位格子の基本ベクトルの大きさは等しいため、一般式（１）を満たせば、｜ｂ_３｜＝ｎ｜ｂ_２｜を満たす。

【0074】

第１の条件を満たすと、二つの結晶面２Ａ、３Ａを構成する単位格子Ｕ_２、Ｕ_３の辺の向きが一致する。その結果、図４に示すように、第２強磁性金属層２の立方晶の単位格子Ｕ_２上に、トンネルバリア層３の立方晶の単位格子Ｕ_３が辺を揃えて形成される（以下、ＣｏＣ（Ｃｕｂｉｃ ｏｎ Ｃｕｂｉｃ）と言うことがある。）。

【0075】

また第２の条件を満たすと、図５に示すように、磁気抵抗効果素子１０の積層方向から見て単位格子Ｕ_２と単位格子Ｕ_３との頂点の位置が、少なくとも数周期に１回揃う。図５は、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとが、０°傾いて整合している場合を模式的に示した平面図である。

【0076】

立方晶の結晶構造において単位格子の頂点の位置には、原子が配置される。そのため、単位格子Ｕ_２と単位格子Ｕ_３との頂点の位置が少なくとも数周期に１回揃うと、積層方向から見て第２強磁性金属層２の原子とトンネルバリア層３の原子が重畳する位置に配設される。そのため、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の結晶界面において、積層方向に重畳する位置同士の原子が接続し、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３が格子歪を生じることなく整合する。

【0077】

ここで、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の整合の度合いを格子整合度と言う指標で表すことができる。格子整合度は、以下のように定義できる。

【0078】

【数1】

【0079】

一般式（２）において、｜ａ_３｜はトンネルバリア層３の基本ベクトルの大きさ（単位格子の大きさ）、すなわち格子定数であり、｜ａ_２｜は第２強磁性金属層２の基本ベクトルの大きさ（単位格子の大きさ）、すなわち格子定数である。ｎは正整数又は１／正整数である。

【0080】

第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の格子整合度は、１０以内となることが好ましく、５以内となることがより好ましい。またｎ＝１であることが好ましい。ｎ＝１であれば、単位格子Ｕ_２と単位格子Ｕ_３との頂点の位置が１対１で対応する。

【0081】

次いで、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとが、４５°傾いて整合している場合について説明する。

【0082】

図６は、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとが、４５°傾いて整合している場合を模式的に示した斜視図である。理解を容易にするために、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとを離して図示している。またトンネルバリア層３を構成する結晶の単位格子Ｕ_３と第２強磁性金属層２を構成する結晶の単位格子Ｕ_２を拡大して図示している。

【0083】

トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとが、４５°傾いて整合しているということは、以下の２つの条件を満たす。

【0084】

第１の条件は、結晶面３Ａを構成する基本ベクトルａ_３、ｂ_３の向きと、結晶面２Ａを構成する基本ベクトルａ_２、ｂ_２の向きと、積層方向を軸に４５°傾いていることである。

【0085】

第２の条件は、結晶面３Ａを構成する基本ベクトルａ_３、ｂ_３の大きさが、結晶面２Ａを構成する基本ベクトルａ_２、ｂ_２の大きさに２^１／２を乗じた値の正整数倍又は１／正整数倍であることである。すなわち、｜ａ_３｜＝ｎ｜２^１／２・ａ_２｜（ｎは正整数又は１／正整数である）・・・（３）を満たすことである。なお、単位格子の基本ベクトルの大きさは等しいため、一般式（３）を満たせば、｜ｂ_３｜＝ｎ｜２^１／２・ｂ_２｜を満たす。

【0086】

第１の条件を満たすと、結晶面３Ａを構成する単位格子面に対し、結晶面２Ａを構成する単位格子面が積層方向を軸に４５°回転する。すなわち、図７に示すように、結晶面２Ａを構成する単位格子面の対角線の向きと、結晶面３Ａを構成する単位格子面の辺の向きが一致する。図７は、トンネルバリア層３を構成する結晶の結晶面３Ａと、第２強磁性金属層２を構成する結晶の結晶面２Ａとが、４５°傾いて整合している場合を模式的に示した平面図である。

【0087】

その結果、図６に示すように、第２強磁性金属層２の立方晶の単位格子Ｕ_２上に、トンネルバリア層３の立方晶の単位格子Ｕ_３が積層方向を軸に４５°傾いて積層される（以下、Ｒ４５（Ｒｏｔａｔｉｏｎ ４５°）と言うことがある。）。

【0088】

また第２の条件を満たすと、図７に示すように、磁気抵抗効果素子１０の積層方向から見て単位格子Ｕ_２の対角線方向の頂点の位置と単位格子Ｕ_３の辺方向の頂点の位置が、少なくとも数周期に１回揃う。

【0089】

上述のように、立方晶の結晶構造において単位格子の頂点の位置には、原子が配置される。そのため、単位格子Ｕ_２と単位格子Ｕ_３との頂点の位置が少なくとも数周期に１回揃うと、積層方向から見て第２強磁性金属層２の原子とトンネルバリア層３の原子が重畳する位置に配設される。そのため、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の結晶界面において、積層方向に重畳する位置同士の原子が接続し、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３が格子歪を生じることなく整合する。

【0090】

ここまで、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の結晶界面において、第２強磁性金属層２の単位格子Ｕ_２とトンネルバリア層３の単位格子Ｕ_３とがＣｏｎＣで積層している場合、Ｒ４５で積層している場合について説明した。しかしながら、図４及び図６に示す結晶界面の描像は、あるミクロな一点を模式化したものである。そのため、よりマクロな視点では、結晶界面のある部分はＣｏｎＣで積層し、別の部分はＲ４５で積層している場合もある。すなわち、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の結晶界面において、０°傾いて整合している部分と４５°傾いて整合している部分とが混在していてもよい。

【0091】

トンネルバリア層３を構成する具体的な材料に対して、Ｆｅ_２ＣｏＳｉからなる第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３がとりうる好ましい結晶界面の積層状態について説明する。

【0092】

トンネルバリア層３がＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、γ−Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４またはこれらの混晶材料のいずれかにより構成される場合、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３はＲ４５の関係を満たすことが好ましい。この関係を満たすことで、格子整合度が１０％以内となる。

【0093】

またトンネルバリア層がＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４またはこれらの混晶材料のいずれかにより構成されている場合、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３はＣｏｎＣの関係を満たしても、Ｒ４５の関係を満たしても、これらが混在した関係を満たし得てもよい。この関係を満たすことで、格子整合度が１０％以内となる。
またトンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４またはこれらの混晶材料のいずれかにより構成され、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３がＣｏｎＣの関係を満たす場合は、格子整合度が５％以内となり、特に好ましい。

【0094】

さらに、トンネルバリア層がＣｄＧａ_２Ｏ_４により構成されている場合、第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３はＣｏｎＣの関係を満たすことが好ましい。この関係を満たすことで、格子整合度が１０％以内となる。

【0095】

上述のように、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０は、トンネルバリア層３と軟磁性材料を含む第１強磁性金属層１又は第２強磁性金属層２との結晶界面の少なくとも一部において、ＣｏｎＣ、Ｒ４５、又はこれらが混在した状態で、単位格子が積層している。そのため、格子整合度が小さくなり、磁気抵抗効果素子１０内の格子歪が小さくなる。その結果、軟磁性材料であるＦｅ_２ＣｏＳｉを含み、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子１０が得られる。

【0096】

（素子の形状、寸法）
磁気抵抗効果素子１０を構成する第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３及び第２強磁性金属層２からなる積層体は柱状の形状である。積層体を平面視した形状は、円形、四角形、三角形、多角形等の種々の形状をとることができるが、対称性の面から円形であることが好ましい。すなわち、積層体は円柱状であることが好ましい。

【0097】

積層体が円柱状である場合、平面視の直径が８０ｎｍ以下であることが好ましく、６０ｎｍ以下であることがより好ましく、３０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。直径が８０ｎｍ以下であると、強磁性金属層中にドメイン構造ができにくくなり、強磁性金属層におけるスピン分極と異なる成分を考慮する必要が無くなる。さらに、３０ｎｍ以下であると、強磁性金属層中に単一ドメイン構造となり、磁化反転速度や確率が改善する。また小型化された磁気抵抗効果素子において、特に低抵抗化の要望が強い。

【0098】

（使用時の構成）
図８は、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を備える磁気抵抗効果デバイスの側面模式図である。また図９は、磁気抵抗効果デバイスを積層方向から平面視した模式図である。磁気抵抗効果デバイス２０は、図１に示すキャップ層５の第２強磁性金属層２と反対側の面には、電極層１２が形成されている。下地層４は導電性を有し、電極層１２と交差して配設されている。下地層４と電極層１２の間には、電源１３と電圧計１４が設けられている。下地層４と電源１３及び電圧計１４はコンタクト電極１５により接続されている。電源１３により下地層４と電極層１２に電圧を印加することにより、第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３及び第２強磁性金属層２からなる積層体の積層方向に電流が流れる。この際の印加電圧は電圧計１４でモニターされる。

【0099】

（評価方法）
磁気抵抗効果素子の評価方法について、図８と図９を例に説明する。上述のように、図９に示すように電源１３と電圧計１４を配置し、一定の電流、あるいは、一定の電圧を磁気抵抗効果素子に印可する。電圧、あるいは電流を外部から磁場を掃引しながら測定することによって、磁気抵抗効果素子の抵抗変化が観測される。

【0100】

ＭＲ比は、一般的に以下の式で表される。
ＭＲ比（％）＝（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐ×１００
Ｒ_Ｐは第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２の磁化の向きが平行の場合の抵抗であり、Ｒ_ＡＰは第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２の磁化の向きが反平行の場合の抵抗である。

【0101】

このように、本実施形態を用いた磁気抵抗効果素子は磁気センサやＭＲＡＭなどのメモリとして使用することが可能である。

【0102】

（製造方法）
磁気抵抗効果素子１０を構成する下地層４、第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３、第２強磁性金属層２およびキャップ層５は、例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成される。

【0103】

下地層４は公知の方法で作製することができる。例えば、スパッタガスとしてＡｒと窒素とを含む混合ガスを用いた反応性スパッタ法により作製することができる。

【0104】

トンネルバリア層３は公知の方法で作製することができる。例えば、第１強磁性金属層１上に金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法など通常の薄膜作製法を用いることもできる。

【0105】

ついで、トンネルバリア層３上にＦｅ_２ＣｏＳｉからなる第２強磁性金属層２を成膜する。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法など通常の薄膜作製法を用いることもできる。

【0106】

この際、トンネルバリア層３と第２強磁性金属層２の接合界面をＲ４５の整合状態にする場合は、第２強磁性金属層２の成膜時の温度を少なくとも３００度以上で行う。また接合界面をＣｏｎＣの整合状態にする場合も、第２強磁性金属層２の成膜時の温度を少なくとも３００度以上で行う。さらに、接合界面をＲ４５とＣｏｎＣの混在状態にする場合は、第２強磁性金属層２の成膜時の温度を少なくとも３００度未満で行う。成膜時の温度を調整することによって、それぞれの接合状態を変えることが可能である。

【0107】

得られた第２強磁性金属層２上にキャップ層５を公知の方法で作製する。そして、下地層４、第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３、第２強磁性金属層２およびキャップ層５が順に積層された積層膜が得られる。

【0108】

得られた積層膜は、アニール処理することが好ましい。反応性スパッタで形成した層は、アモルファスであり結晶化する必要がある。例えば、強磁性金属層としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる場合は、Ｂの一部がアニール処理により抜けて結晶化する。

【0109】

アニール処理して製造した磁気抵抗効果素子１０は、アニール処理しないで製造した磁気抵抗効果素子１０と比較して、ＭＲ比が向上する。アニール処理によって、下地層４が部分的に結晶化し、これによりトンネルバリア層３のトンネルバリア層の結晶サイズの均一性および配向性が向上するためであると考えられる。

【0110】

アニール処理としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度で、５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。

【実施例】

【0111】

（格子整合度）
第２強磁性金属層として機能するＦｅ_２ＣｏＳｉと、トンネルバリア層として機能するＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、γ−Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＣｄＡｌ_２Ｏ_４及びＣｄＧａ_２Ｏ_４の格子定数を求め、ＣｏＣで整合した場合と、Ｒ４５で整合した場合の格子整合度を求めた。求めた結果を表１に示す。

【0112】

Ｆｅ_２ＣｏＳｉ及びトンネルバリア層の格子定数は４軸Ｘ線回折装置を用いて評価を行った。格子定数の評価において、実施例の第２強磁性金属層及びトンネルバリア層の膜厚では格子定数を決定することが困難である。

【0113】

そのため予備的測定として、格子定数を求めるために熱酸化膜付きＳｉ基板上にトンネルバリア層（厚み１００ｎｍ）を形成した基板を用いた。熱酸化膜付きＳｉ基板は表面がアモルファスのＳｉＯｘであり、トンネルバリア層を形成する際の影響を受けにくい。また、トンネルバリア層（厚み１００ｎｍ）は基板による格子歪みの影響が十分緩和される膜厚であり、十分な構造解析のためのＸ線強度を得ることができる膜厚である。

【0114】

実施例で得られる膜厚は予備的測定と完全には一致しないが、同等の値を示し、予備的測定から求めた格子定数を実施例で得られた格子定数と見なすことができる。トンネルバリア層はＭｇＯの場合は岩塩型構造、その他の材料の場合はスケネル構造として格子定数を求めた。

【0115】

【表1】

【0116】

次いで、実際に磁気抵抗効果素子を作製し、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を測定した。実際のＭＲ比の測定は、上記のトンネルバリア層と結晶界面の整合状態の組合せのうち一部を行った。

【0117】

（実施例１）
熱酸化珪素膜が設けられた基板上に、マグネトロンスパッタ法を用いた成膜により、磁気抵抗効果素子の各層を作製した。
まず、下地層として、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）を成膜した。その後、下地層上に第１強磁性金属層として、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１０ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（７ｎｍ）を順に積層した。

【0118】

次いで、第１強磁性金属層上に、トンネルバリア層としてＭｇＯ、第２強磁性金属層としてＦｅ_２ＣｏＳｉを積層した。トンネルバリア層の厚みは表２に記載の厚みとし、Ｆｅ_２ＣｏＳｉの厚みは、３ｎｍとした。トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態はＲ４５であった。トンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態がＲ４５とするために、成膜時の基板の温度を３５０度として成膜を行った。

【0119】

さらに、第２強磁性金属層上に、キャップ層としてＲｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を形成し積層体を得た。得られた積層体をアニール装置に設置し、Ａｒ中で４５０℃の温度で１０分処理した後、８ｋＯｅを印加した状態で２８０℃の温度で６時間処理した。

【0120】

次に図８、９に示す構成の素子を作製した。まず、キャップ層５の上に、電極層１２を形成した。次いで、電極層１２の９０度回転した向きになるように電子線描画を用いてフォトレジストの形成を行った。イオンミリング法によってフォトレジスト下以外の部分を削り取り、基板である熱酸化珪素膜を露出させ、下地層４の形状を形成した。さらに、下地層４の形状の括れた部分に、電子線描画を用いて８０ｎｍの円柱状になる様にフォトレジストを形成し、イオンミリング法によってフォトレジスト下以外の部分を削り取り、下地層４を露出させた。その後、ＳｉＯｘを絶縁層としてイオンミリングによって削られた部分に形成した。８０ｎｍの円柱状のフォトレジストはここで除去した。図６、７のコンタクト電極１５の部分だけ、フォトレジストが形成されないようにし、イオンミリング法によって絶縁層を除去し、下地層４を露出させた。その後、Ａｕを形成し、コンタクト電極１５を形成した。

【0121】

（比較例１）
トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態をＣｏｎＣとしたこと以外は実施例１と同様にした。成膜時の基板の温度を２５０度として成膜することによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をエピタキシャル成長しない状態とした。エピタキシャル成長しない状態とはトンネルバリア層と第２強磁性金属層の界面がそろっていない状態であり、Ｒ４５、ＣｏｎＣ、及びＲ４５とＣｏｎＣの混在状態のいずれの状態でもない。第２強磁性金属層はトンネルバリア層に対して決まった方位を持っていない多結晶の状態である。これはトンネルバリア層上に第２強磁性金属層が成膜される際に、第２強磁性金属層が十分な熱エネルギーが与えられなかったためトンネルバリア層上で結晶方位の再構成が出来なかったためと理解することができる。

【0122】

（参考例１）
第２強磁性金属層をＦｅとしたこと以外は実施例１と同様にした。Ｆｅの格子定数は、４．０５３であり、整合状態がＲ４５で格子整合度は３．９であった。

【0123】

（実施例２）
トンネルバリア層をＭｇＡｌ_２Ｏ_４としたこと以外は、実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。成膜時の基板の温度を３８０度として成膜することによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＲ４５とした。

【0124】

（比較例２）
トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態をＣｏｎＣとしたこと以外は実施例２と同様にした。成膜時の基板の温度を２８０度として成膜することによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＣｏｎＣとした。

【0125】

（実施例３）
トンネルバリア層をＺｎＧａ_２Ｏ_４としたこと以外は、実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。成膜時の基板の温度を２８０度として成膜した後、３６０度に昇温し、３０分保持した後、高温したことによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＲ４５とした。

【0126】

（実施例４）
トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態をＣｏｎＣとしたこと以外は実施例３と同様にした。成膜時の基板の温度を３６０度として成膜することによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＣｏｎＣとした。

【0127】

（実施例５）
トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態をＣｏｎＣとＲ４５の混在状態としたこと以外は実施例３と同様にした。成膜時の基板の温度を２８０度として成膜すること によりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＣｏｎＣとＲ４５の混在状態とした。整合状態がＣｏｎＣとＲ４５の場合、混在状態の割合によって格子整合度は変化する。そのため、具体的な格子整合度は算出しなかった。

【0128】

（実施例６）
トンネルバリア層をＭｇＧａ_２Ｏ_４とＺｎＧａ_２Ｏ_４の混晶であるＭｇ_０．５Ｚｎ_０．５Ｇａ_２Ｏ_４としたこと以外は、実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。成膜時の基板の温度を２８０度として成膜した後、３６５度に昇温し、３０分保持した後、高温したことによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＲ４５とした。

【0129】

（実施例７）
トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態をＣｏｎＣとしたこと以外は実施例６と同様にした。成膜時の基板の温度を３６５度として成膜することによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＣｏｎＣとした。

【0130】

（実施例８）
トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態をＣｏｎＣとＲ４５の混在状態としたこと以外は実施例６と同様にした。成膜時の基板の温度を２８０度として成膜することによりトンネルバリア層と第２強磁性金属層の間の整合状態をＣｏｎＣとＲ４５の混在状態とした。

【0131】

実施例１〜８、比較例１及び２、参考例１において、トンネルバリア層と第２強磁性金属層の整合状態が、Ｒ４５、ＣｏｎＣ、又はこれらの混在状態のいずれに該当するかは、電子線回折測定によって確認した。

【0132】

なお、電子線回折測定だけでなく、Ｘ線回折測定でも確認することができる。電子線回折測定の場合は膜厚の全ての回折パターンを同時に観測するため、Ｒ４５、ＣｏｎＣ、又はこれらの混在状態を回折パターンのシミュレーション結果と比較することで容易に確認することができる。Ｘ線回折測定の場合も同様であるが、シミュレーション結果に基づいた比較をするためには多くの測定時間が必要である。また、積層方向から観測する場合、表面に近い層は強度が強くなり、表面から遠い層は強度が弱くなるため、評価が見誤る可能性がある。しかしながら、X線回折測定の場合は格子歪みによる格子定数の変化も検出できるという利点がある。

【0133】

上述の評価方法に準じて、得られた磁気抵抗効果素子の面積抵抗値（ＲＡ）及びＭＲ比を測定した。ＭＲ比はバイアス電圧１Ｖを印加した場合のＭＲ比である。そして、測定されたＭＲ比と格子整合度の関係を表２に示す。

【0134】

なお、ＲＡは、印加されるバイアス電圧を磁気抵抗効果素子の積層方向に流れた電流で割ることで得られる抵抗値を、各層が接合される面の面積で割り、単位面積における抵抗値に規格化したものであり、単位はΩ・μｍ^２である。印加するバイアス電圧及び磁気抵抗効果素子の積層方向に流れる電流値を電圧計及び電流計で計測し、求めることができる。

【0135】

【表2】

【0136】

実施例１と比較例１を比較すると、トンネルバリア層がＭｇＯの場合、Ｒ４５でＦｅ_２ＣｏＳｉと整合することで格子整合度が小さくなり（すなわち、格子整合性が高まり）、ＭＲ比が高くなっている。そのＭＲ比は、強磁性層にＦｅを用いた場合（参考例１）と同等である。また実施例２及び比較例２に示すように、トンネルバリア層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４の場合も同様の傾向が確認された。

【0137】

一方、トンネルバリア層がＺｎＧａ_２Ｏ_４の場合、Ｒ４５（実施例３）、ＣｏｎＣ（実施例４）、及びこれらの混在状態（実施例５）のいずれにおいても格子整合度が１０％以下であり、高いＭＲ比を実現できている。またトンネルバリア層が混晶の場合でも同様の結果が確認された。

【0138】

すなわち、上記表１において格子整合度が１０％以下であれば高いＭＲ比を実現することができ、格子整合度が５％以下であれば非常に高いＭＲ比を実現することができることが分かる。

【符号の説明】

【0139】

１…第１強磁性金属層、２…第２強磁性金属層、２Ａ…結晶面、３…トンネルバリア層、３Ａ…結晶面、４…下地層、５…キャップ層、１０…磁気抵抗効果素子、１１…基板、１２…電極層、１３…電源、１４…電圧計、１５…コンタクト電極、２０…磁気抵抗効果デバイス、Ｕ_２、Ｕ_３…単位格子

【要約】

【課題】軟磁性材料であるＦｅ_２ＣｏＳｉを含み、高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】この磁気抵抗効果素子は、第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層との間に設けられたトンネルバリア層とを有し、前記トンネルバリア層は立方晶の結晶構造を有し、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層は、Ｆｅ_２ＣｏＳｉで表される立方晶の結晶構造を有する材料により構成され、前記トンネルバリア層と前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層との結晶界面の少なくとも一部において、前記トンネルバリア層を構成する結晶の結晶面と、前記第１強磁性金属層又は前記第２強磁性金属層を構成する結晶の結晶面とが、０°又は４５°傾いて整合している。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】