特許 6962103 積層体、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ及び発振素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6962103

(24)【登録日】2021年10月18日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】積層体、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ及び発振素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20211025BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20211025BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20211025BHJP

   G11B 5/39 20060101ALI20211025BHJP

   G11B 5/31 20060101ALI20211025BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20211025BHJP

   H03B 15/00 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/10

   H01L43/08 Z

   H01L43/08 M

   H01L29/82 Z

   G11B5/39

   G11B5/31 A

   G01R33/09

   H03B15/00

【請求項の数】13

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2017-184943(P2017-184943)

(22)【出願日】2017年9月26日

(65)【公開番号】特開2019-62060(P2019-62060A)

(43)【公開日】2019年4月18日

【審査請求日】2020年4月17日

(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】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124062

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 敬史

(72)【発明者】

【氏名】犬伏 和海

(72)【発明者】

【氏名】中田 勝之

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１１２０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１１６７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１１４１６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｇ１１Ｂ ５／３１

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｈ０３Ｂ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非磁性金属層上に位置する積層体であって、
強磁性層と、
前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に介在する中間層と、
を備え、
前記中間層は、
下記一般式（１）：
Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３ …（１）、
［Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす］
で表されるＮｉＡｌＸ合金層を含み、
γ３の値は、面内方向又は厚み方向に沿って変化する、
積層体。

【請求項2】

非磁性金属層上に位置する積層体であって、
強磁性層と、
前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に介在する中間層と、
を備え、
前記中間層は、
下記一般式（１）：
Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３ …（１）、
［Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす］
で表されるＮｉＡｌＸ合金層を含み、
前記強磁性層は、
Ｌを、Ｍｎ及びＦｅからなる群から選択される１以上の元素とし、
Ｍを、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ及びＧｅからなる群より選択される１以上の元素とし、
α及びβを正の値とした場合に、
下記一般式（２）：
Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β …（２）、
で表されるホイスラー合金を含む、
積層体。

【請求項3】

非磁性金属層上に位置する積層体であって、
強磁性層と、
前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に介在する中間層と、
を備え、
前記中間層は、
下記一般式（１）：
Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３ …（１）、
［Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす］
で表されるＮｉＡｌＸ合金層を含み、
γ３の値は、前記強磁性層から、その厚み方向に沿って離れるに従って減少する、
積層体。

【請求項4】

前記非磁性金属層は、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ及びＮｉＡｌからなる群から選択される１以上の元素を含む、
請求項１〜３いずれか一項に記載の積層体。

【請求項5】

前記ＮｉＡｌＸ合金層におけるＸは、
Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＺｒからなる群より選択される１以上の元素である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層体。

【請求項6】

前記一般式（１）において、
０＜γ＜０．３を満たす、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層体。

【請求項7】

前記ＮｉＡｌＸ合金層の厚さをｔ１としたとき、
０．２ｎｍ≦ｔ１≦１０ｎｍを満たす、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層体。

【請求項8】

前記一般式（２）で表されるホイスラー合金において、
α及びβは、以下の関係式（２−１）、（２−２）、（２−３）：
０．７＜α＜１．６ …（２−１）、
０．６５＜β＜１．３５ …（２−２）、
２＜α＋β＜２．６ …（２−３）、
を満たす、
請求項２に記載の積層体。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか一項に記載の積層体を備えた磁気抵抗効果素子。

【請求項10】

請求項９に記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド。

【請求項11】

請求項９に記載の磁気抵抗効果素子を備えたセンサ。

【請求項12】

請求項９に記載の磁気抵抗効果素子を備えた高周波フィルタ。

【請求項13】

請求項９に記載の磁気抵抗効果素子を備えた発振素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層体、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ及び発振素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、強磁性層／非磁性金属層の多層膜からなる巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、及び強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が、各種デバイスの基本機能素子として注目されている。ＴＭＲ素子は、強磁性スピントンネル接合素子（ＭＴＪ素子）などに利用される。これらの素子は、新しい磁界センサや、不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）素子などにも適用することができ、スピン注入素子などへの適用も期待されている。スピン注入素子は、テラビット級の面記録密度を持つハードディスクに関し、高分解能かつ高出力が期待されるスピン蓄積効果を利用した素子である。特許文献１に記載のＴＭＲ素子は、非磁性金属層と、強磁性層との間に、障壁層としてのＭｇＯ層を介在させている。また、非特許文献１に記載のように、強磁性層間に非磁性金属層を配置したＧＭＲ素子において、非磁性金属層としてＣｕを用いるものが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５４１６７８１号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ ８１， １８４４３１ （２０１０）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の構造の場合、比較的高いスピン注入効率を有するが、さらにスピン注入効率を高めることが可能な構造が期待されている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子に適用した場合には、スピン注入効率を高めることが可能な積層体、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ及び発振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】

【0006】

本願発明者が鋭意検討を行ったところ、非磁性金属層と強磁性層とを直接接合した場合には、磁気的に作用しないデッドレイヤー（Ｄｅａｄ Ｌａｙｅｒ）が大きくなり、スピン注入効率が向上しない旨を発見した。更に、非磁性金属層と強磁性層との間に、ＮｉＡｌＸ合金層（Ｘは所定の金属又は半導体）を用いることで、スピン注入効率を高めることができる旨を発見した。非磁性金属層及び強磁性層間の格子不整合が緩和可能なＮｉＡｌＸ合金層を用いることで、これらの結晶品質を向上させ、磁気的に作用しないデッドレイヤーの領域を小さくし、磁気抵抗効果素子に適用した場合には、スピン注入効率を高めることが可能となる。

【0007】

上述の課題を解決するため、第１の積層体は、非磁性金属層上に位置する積層体であって、強磁性層と、前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に介在する中間層と、を備え、前記中間層は、下記一般式（１）：Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３ …（１）、［Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす］で表されるＮｉＡｌＸ合金層を含み、γ３の値は、面内方向又は厚み方向に沿って変化する。

【0008】

この積層体では、強磁性層のみで非磁性金属層と積層される場合に比べて、強磁性層と非磁性金属層との間の格子不整合が小さくなるように、当該一般式（１）で表されるＮｉＡｌＸ合金を有する積層体とする。そのため、この積層体によれば、強磁性層と非磁性金属層におけるデッドレイヤーが小さくなる。

【0009】

この場合、中間層の存在により、非磁性金属層と強磁性層との間の格子不整合が緩和され、これらの結晶性が改善することにより、デッドレイヤーの領域が小さくなる。したがって、磁気的に作用する領域が大きくなるため、スピン注入効率を高めることができる。特に、γが上記範囲内にある場合には、デッドレイヤーの領域が特に小さくなる。

【0010】

上記のように、γ３の値は、面内方向又は厚み方向に沿って変化する。すなわち、局所的な格子不整合の度合に応じて、上記格子不整合が緩和するように、γ３の値を設定し、Ｘ元素濃度を変化させることで、結果的に強磁性層及び非磁性金属層の品質の改善効果が期待される。

【0011】

また、第２の積層体は、非磁性金属層上に位置する積層体であって、強磁性層と、前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に介在する中間層と、を備え、前記中間層は、下記一般式（１）：Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３ …（１）、［Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす］で表されるＮｉＡｌＸ合金層を含み、前記強磁性層は、Ｌを、Ｍｎ及びＦｅからなる群から選択される１以上の元素とし、Ｍを、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ及びＧｅからなる群より選択される１以上の元素とし、α及びβを正の値とした場合に、下記一般式（２）：Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β…（２）、で表されるホイスラー合金を含む。強磁性層がホイスラー合金である場合には、スピン分極率が高くなり、スピン注入効率が高くなる。

【0012】

なお、Ｌ、Ｍが上記の元素の場合、強磁性層であるホイスラー合金は、一般式（１）で表されるＮｉＡｌＸ合金層と近い格子定数対応基準値を有する。なお、上記元素の数は１つでなく、１以上であってもＮｉＡｌＸ合金層と近い格子定数を有することが容易に推測されるため、強磁性層の結晶性と磁性の品質を良好に保持することができる。その結果、強磁性層と非磁性金属層におけるデッドレイヤーをさらに小さくできる。なお、ここでの格子定数対応基準値とは、それぞれ結晶面が０度傾いて整合するときは、格子定数ａ、又はａを２倍した値のどちらか一方の値であり、４５度傾いて整合するときは、ａに２の平方根を掛けた値を意味する。

【0013】

第３の積層体は、非磁性金属層上に位置する積層体であって、強磁性層と、前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に介在する中間層と、を備え、前記中間層は、下記一般式（１）：Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３ …（１）、［Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす］で表されるＮｉＡｌＸ合金層を含み、γ３の値は、前記強磁性層から、その厚み方向に沿って離れるに従って減少する。この積層体では、強磁性層のみで積層される場合に比べて、一般式（１）で表されるＮｉＡｌＸ合金層において、強磁性層側でＸ元素濃度が高いため、強磁性層と非磁性金属層との間の格子不整合がより小さくなる。また、非磁性金属層側でＸ元素濃度が低いため、強磁性層と非磁性金属層との間の格子不整合がより小さくなる。そのため、この積層体によれば、強磁性層及び非磁性金属層におけるデッドレイヤーの領域がさらに小さくなる。

【0014】

第４の積層体においては、前記非磁性金属層は、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ及びＮｉＡｌからなる群から選択される１以上の元素を含む。この非磁性金属層によれば、Ｘ元素が非磁性金属層に拡散するのを容易に抑えることができる。Ｘ元素に対する拡散定数が小さい元素は、１つである必要はなく、１以上であれば拡散抑制効果が得られると考えられる。

【0015】

第５の積層体においては、前記ＮｉＡｌＸ合金層におけるＸは、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＺｒからなる群より選択される１以上の元素である。この積層体では、強磁性層の格子定数対応基準値≦ＮｉＡｌＸ合金層の格子定数対応基準値≦非磁性金属層の格子定数対応基準値、又は、強磁性層の格子定数対応基準値≧ＮｉＡｌＸ合金層の格子定数対応基準値≧非磁性金属層の格子定数対応基準値の関係を成立させることが可能なので、強磁性層と非磁性金属層との間の格子不整合が緩和される。なお、ここでの格子定数対応基準値とは、それぞれ結晶面が０度傾いて整合するときは、格子定数ａ、又はａを２倍した値のどちらか一方の値であり、４５度傾いて整合するときは、ａに２の平方根を掛けた値を意味する。そのため、この積層体によれば、強磁性層及び非磁性金属層におけるデッドレイヤーが小さくなる。上記の格子定数対応基準値間の関係は、元素数が１以上であっても成立することが可能である。

【0016】

第６の積層体においては、一般式（１）において、０＜γ＜０．３を満たす。γが上記範囲内にある場合には、デッドレイヤーの領域が更に小さくなる。なお、この積層体では、ＮｉＡｌＸ合金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、強磁性層と非磁性金属層の間の格子不整合を緩和し、デッドレイヤーの領域を小さくすることができる。

【0017】

第７の積層体においては、前記ＮｉＡｌＸ合金層の厚さをｔ１としたとき、０．２ｎｍ≦ｔ１≦１０ｎｍを満たす。この積層体によれば、ｔ１≦１０ｎｍのときには、強磁性層から移動する／または強磁性層へ移動する電子において、スピン散乱がより減少する。また、０．２ｎｍ≦ｔ１のときには、強磁性層と非磁性金属層との間において格子不整合がより減少する。その結果、強磁性層及び非磁性金属層におけるデッドレイヤーが小さくなる。

【0018】

第８の積層体においては、前記一般式（２）で表されるホイスラー合金において、α及びβは、以下の関係式（２−１）、（２−２）、（２−３）：０．７＜α＜１．６ …（２−１）、０．６５＜β＜１．３５ …（２−２）、２＜α＋β＜２．６ …（２−３）を満たす。この積層体によれば、０．７＜α＜１．６かつ０．６５＜β＜１．３５であるので、強磁性層であるホイスラー合金は、化学量論的組成を有する場合に近い格子定数を有し、格子整合性が良好となる。また、２＜α＋β＜２．６であるので、強磁性層であるホイスラー合金がハーフメタル特性を維持しやすくなり、大きな磁気抵抗効果（ＭＲ比）を得ることができる。

【0019】

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、上述のいずれかの積層体を備え、本発明に係る磁気ヘッドは、センサ、高周波フィルタ及び発振素子は、それぞれ上述の磁気抵抗効果素子を備える。

【0020】

なお、電子スピンを利用できるものであれば、デッドレイヤーの領域が小さくなるため、積層体は、磁気抵抗効果素子以外の用途（スピンホール効果／逆スピンホール効果、スピン移行トルクといった技術）にも適用可能である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、スピン注入効率を高めることが可能な積層体、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ及び発振素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】実施例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの正面図である。

【図2】比較例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの正面図である。

【図3】ＮｉＡｌＸ合金からなる中間層おけるγとデッドレイヤーとの関係を示す図表である。

【図4】各種材料を用いた場合の磁気抵抗効果素子（比較例、実施例１〜５）におけるデッドレイヤー厚み等を示す図表である。

【図5】実施例Ａ群において、中間層の厚みｔ１（ｎｍ）とデッドレイヤーの厚みｔ２（ｎｍ）との関係を示す図表である。

【図6】実施例Ａ群において、中間層の厚みｔ１（ｎｍ）とデッドレイヤーの厚みｔ２（ｎｍ）との関係を示すグラフである。

【図7】実施例Ｂ群において、強磁性層（Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β）における各種パラメータ（α＋β、α、β）と、ＭＲ比（％）との関係（βは一定）を示す図表である。

【図8】実施例Ｃ群において、強磁性層（Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β）における各種パラメータ（α＋β、α、β）と、ＭＲ比（％）との関係（αは一定）を示す図表である。

【図9】実施例Ｂ群及び実施例Ｃ群において、α＋βとＭＲ比（％）との関係を示すグラフである。

【図10】Ａｇ及びＮｉＡｌＸ合金の格子定数、構造タイプ、ピアソン記号を示す図表である。

【図11】Ａｇ及びＮｉＡｌＸ合金の格子定数、構造タイプ、ピアソン記号を示す図表である。

【図12】各種ホイスラー合金の格子定数を示す図表である。

【図13】Ａｇ又はＮｉＡｌＸ合金と、各種ホイスラー合金との格子不整合率を示す図表である。

【図14】Ａｇ又はＮｉＡｌＸ合金と、各種ホイスラー合金との格子不整合率を示す図表である。

【図15】Ａｇ又はＮｉＡｌＸ合金と、各種ホイスラー合金との格子不整合率を示す図表である。

【図16】Ａｇ又はＮｉＡｌＸ合金と、各種ホイスラー合金との格子不整合率を示す図表である。

【図17】磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドの再生部の断面構成を示す図である。

【図18】磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドの断面構成を示す図である。

【図19】複数の磁気抵抗効果素子を有する電流センサの構造を示す図である。

【図20】複数の磁気抵抗効果素子を有する高周波フィルタの構造を示す図である。

【図21】図１の変形を行った場合の材料、格子定数、膜厚、ＭＲ比（％）を示す図表である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は、省略する。三次元直交座標系を用いる場合には、各層の厚み方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直な２つの直交軸をＸ軸及びＹ軸とする。

【0024】

図１は、実施例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの正面図である。

【0025】

磁気抵抗効果素子ＭＲは、第1基材層１上に、第１非磁性金属層２、第２非磁性金属層３を順次備えており、この上に、磁化固定層としての第１の強磁性層４と、非磁性スペーサ層５と、磁化自由層としての第２の強磁性層６とが、順次積層されている。第２の強磁性層６上には、キャップ用非磁性金属層７と、コンタクト用金属層８とが、順次形成されているが、キャップ用非磁性金属層７は省略することもできる。下部に位置する第1非磁性金属層２、または第２非磁性金属層３と、上部に位置するコンタクト用金属層８との間にバイアスを印加して、特定の向きのスピンを有する電子を膜面に垂直な方向に流すことができる。

【0026】

磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが同一の方向（例：＋Ｘ方向，＋Ｘ方向）の場合（平行）、スピンの向きがこれに等しい電子が、膜面を垂直方向に通過する。磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが互いに逆方向（例：＋Ｘ方向，−Ｘ軸方向）の場合（反平行）、磁化の向きと反対の向きのスピンを有する電子は反射され、膜面を通過しない。

【0027】

第１の強磁性層４（磁化固定層）の磁化の向きは固定されており、第２の強磁性層６（磁化自由層）の磁化の向きは、外部磁界によって変更することができるので、外部磁界の大きさに応じて通過電子量が変化する。通過電子量が多ければ抵抗は低く、通過電子量が少なければ抵抗は高い。磁化固定層としての第１の強磁性層４は、第２の強磁性層６の厚みよりも大きく、第１の強磁性層４よりも外部磁界によって磁化の向きが変更されにくいため、実質的に磁化の向きが固定された磁化固定層として機能する。なお、磁気抵抗効果素子の性能を評価する指標としてＭＲ比がある。ＭＲ比は、［（磁化の向きが反平行の場合の素子の抵抗値−磁化の向きが平行な場合の素子の抵抗値）／磁化の向きが平行な場合の素子の抵抗値］で与えられる。

【0028】

なお、図１では、理解を容易とするため、使用される代表的な材料名を、各層内に表記しているが、各層には、この他の材料も適用可能である。

【0029】

第１の強磁性層４と第２の強磁性層６との間には、非磁性スペーサ層５が設けられている。非磁性スペーサ層５は、Ａｇからなる非磁性金属層５Ｂと、非磁性金属層５Ｂの下面に設けられる第１の中間層５Ａ及び当該非磁性金属層５Ｂの上面に設けられる第２の中間層５Ｃの少なくとも一つとを有している。すなわち、第１の中間層５Ａ及び第２の中間層５Ｃの一方を省略し、中央の非磁性金属層５Ｂが、上下いずれかの強磁性層と接触する構造とすることもできる。

【0030】

第１の中間層５Ａ及び第２の中間層５Ｃは、下記一般式（１）で表わされるＮｉＡｌＸ合金層を含んでいる。

【0031】

一般式（１）：Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３ …（１）。

【0032】

ここで、Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす。

【0033】

すなわち、Ｎｉ−Ａｌ−Ｓｉ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｓｃ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｕ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｚｒ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｎｂ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｔａなどの組み合わせからなるＮｉＡｌＸ合金の他、これらと電気的な性質及び結晶構造上の格子定数が近いＶ−Ｎｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｇｅ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｓｂ、Ｈｆ−Ｎｉ−ＡｌなどのＮｉＡｌＸ合金も、用いることが可能である。

【0034】

この場合、ＮｉＡｌＸ合金層を含むいずれかの中間層（第１の中間層５Ａ，第２の中間層５Ｃ）と、Ｃｕ又はＡｇ等を含む非磁性金属層５Ｂとの間の格子整合性が高くなり、また、中間層（第１の中間層５Ａ，第２の中間層５Ｃ）とこの外側に位置する強磁性層（第１の強磁性層４，第２の強磁性層６）との格子整合性も高めることが可能なので、上述のデッドレイヤーの領域を小さくし、スピン注入効率を改善することができる。

【0035】

なお、好適例としての各層の材料及び厚み（好適範囲）は、以下の通りである。
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ、５ｎｍ、（３ｎｍ以上８ｎｍ以下）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ、５ｎｍ、（３ｎｍ以上８ｎｍ以下）
・第２の強磁性層６：ＣＭＳ（コバルトマンガンシリコン合金）、５ｎｍ、（３ｎｍ以上２０ｎｍ以下）
・第２の中間層５Ｃ：ＮｉＡｌＸ合金（上記のＮｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３）１ｎｍ、（０．１ｎｍ以上１５ｎｍ以下）
・非磁性金属層５Ｂ： Ａｇ、５ｎｍ、（３ｎｍ以上１０ｎｍ以下）
・第１の中間層５Ａ：ＮｉＡｌＸ合金（上記のＮｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３）、１ｎｍ、（０．１ｎｍ以上１５ｎｍ以下）
・第１の強磁性層４：ＣＭＳ（コバルトマンガンシリコン合金）、１０ｎｍ、（３ｎｍ以上２０ｎｍ以下）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ、５０ｎｍ、（２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ、２０ｎｍ、（１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下）
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ（０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下）

【0036】

なお、上述の各層の厚みは、磁気抵抗効果素子に用いる場合でなければ、上述の範囲に限定されなくてもよい。

【0037】

次に、磁気抵抗効果素子を構成する各層の材料例について、更に説明する。

【0038】

コンタクト用金属層８としては、好適にはＲｕを用いることができるが、その他、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。

【0039】

キャップ用非磁性金属層７としては、好適にはＡｇを用いることができるが、その他、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。

【0040】

第２の強磁性層６としては、好適にはホイスラー合金であるＣＭＳ（Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β）を用いることができるが、その他、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｎ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＣｒＡｌ、Ｃｏ_２ＶＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＧａＳｎ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧａＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅＳｉ、Ｃｏ_２ＣｒＩｎ、Ｃｏ_２ＣｒＳｎ等のホイスラー合金又は、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＣｒＯ_２、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。なお、Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_βは、Ｃｏの原子数を２とした場合において、この合金全体を構成するＬの原子数の比率がα、Ｍの原子数の比率がβであることを示している。

【0041】

第１の強磁性層４としては、好適にはホイスラー合金であるＣＭＳ（Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β）を用いることができるが、その他、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｎ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＣｒＡｌ、Ｃｏ_２ＶＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＧａＳｎ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧａＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅＳｉ、Ｃｏ_２ＣｒＩｎ、Ｃｏ_２ＣｒＳｎ等のホイスラー合金又は、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＣｒＯ_２、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。

【0042】

第２非磁性金属層３としては、好適にはＡｇを用いることができるが、その他、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み、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合金なども含まれる。

【0043】

第１非磁性金属層２としては、好適にはＣｒを用いることができるが、その他、上部の層の結晶配向を制御するための例えば、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み、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合金なども含まれる。

【0044】

第1基材層１としては、好適にはＭｇＯを用いることができるが、その他、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、及びガラスなど、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。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。

【0045】

次に、上記の構造の比較例に対する優位性について説明する。

【0046】

図２は、比較例に係る磁気抵抗効果素子ＭＲの正面図である。

【0047】

比較例に係る磁気抵抗効果素子の基本構造は、図１に示したものから、ＮｉＡｌＸ合金からなる中間層（第１の中間層５Ａ，第２の中間層５Ｃ）を取り除いたものであり、その他の構造は、図１に示したものと同一である。

【0048】

図３は、上記実施例の構造（好適例の構造）において、一般式（１）：Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３からなる中間層において、γとデッドレイヤーの厚み（ｎｍ）との関係を示す図表である。

【0049】

図３は、図１の構造において、非磁性金属層５Ｂ、中間層５Ｃ、第２の強磁性層６のみを第１基材層１に形成してなる積層体で、第２の強磁性層６としてＣｏ_２Ｍｎ_１．０Ｓｉ_１．０、を用いた場合（実施例Ｒとする）である。すなわち、第１基材層１上に、直接、非磁性金属層５Ｂ、中間層５Ｃ、第２の強磁性層６を順次形成したものである。各層の材料と厚みは、以下の通りである。

【0050】

・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｍｎ_１．０Ｓｉ_１．０、１０ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３、１０ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、１００ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0051】

なお、比較例Ａとして、実施例Ｒから中間層のみを除いたものを用意した。材料及び厚みは、以下の通りである。

【0052】

・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｍｎ_１．０Ｓｉ_１．０、１０ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：なし
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、１００ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0053】

以上のように、実施例Ｒにおいては、Ｘ＝Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａのいずれを用いた場合も、比較例Ａでは、デッドレイヤーが０．８ｎｍであったが、デッドレイヤーの厚みが小さくなっている。実施例Ｒの積層体は、強磁性層と非磁性金属層が直接接触する場合（比較例Ａ）に比べて、強磁性層６と非磁性金属層５Ｂとの間の格子不整合が小さくなるように、上記の一般式（１）で表されるＮｉＡｌＸ合金を有する。そのため、この積層体によれば、強磁性層と非磁性金属層におけるデッドレイヤーが小さくなる。この場合、中間層５Ｃの存在により、非磁性金属層５Ｂと強磁性層６との間の格子不整合が緩和され、これらの結晶性が改善することにより、デッドレイヤーの領域が小さくなる。したがって、磁気的に作用する領域が大きくなるため、ＭＲ比、スピン注入効率を高めることができる。特に、γが上記範囲（０＜γ＜０．５）内にある場合には、デッドレイヤーの領域が特に小さくなる。

【0054】

また、γが上記範囲（０＜γ＜０．３）内にある場合には、デッドレイヤーの領域がさらに小さくなり、ＭＲ比、スピン注入効率を高めることができる。なお、この積層体では、ＮｉＡｌＸ合金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、強磁性層と非磁性金属層の間の格子不整合を緩和し、デッドレイヤーの領域を小さくすることができる。

【0055】

なお、中間層（ＮｉＡｌＸ合金層）におけるＸが、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＺｒからなる群より選択される元素である場合、強磁性層の格子定数対応基準値≦ＮｉＡｌＸ合金層の格子定数対応基準値≦非磁性金属層の格子定数対応基準値、又は、強磁性層の格子定数対応基準値≧ＮｉＡｌＸ合金層の格子定数対応基準値≧非磁性金属層の格子定数対応基準値の関係を成立させることが可能なので、強磁性層と非磁性金属層との間の格子不整合が緩和される。なお、ここでの格子定数対応基準値とは、それぞれ結晶面が０度傾いて整合するときは、格子定数ａ、又はａを２倍した値のどちらか一方の値であり、４５度傾いて整合するときは、ａに２の平方根を掛けた値を意味する。そのため、この積層体によれば、強磁性層及び非磁性金属層におけるデッドレイヤーが小さくなる。また、上記の格子定数間の関係は、選択される元素数が１以上であっても成立することが可能である。

【0056】

その他、中間層と強磁性層を変更した場合のデッドレイヤーの厚みについて検討を行った。

【0057】

図４は、各種材料を用いた場合の磁気抵抗効果素子（比較例１、実施例１〜５）におけるデッドレイヤー厚み等を示す図表である。

【0058】

実施例１〜実施例５は、図１の構造において、非磁性金属層５Ｂ、中間層５Ｃ、第２の強磁性層６のみを第1基材層１に形成してなる積層体である。すなわち、第１基材層１上に、直接、非磁性金属層５Ｂ、中間層５Ｃ、第２の強磁性層６を順次形成したものである。各層の材料と厚みは、以下の通りである。

【0059】

（実施例１）
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２ＴｉＳｎ、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：ＮｂＮｉ_２Ａｌ、５０ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ｃｕ、５０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0060】

（実施例２）
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｍｎ_１．３Ｓｉ_０．９５、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：ＮｂＮｉ_２Ａｌ、５０ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ｃｕ、５０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0061】

（実施例３）
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｍｎ_１．３Ｓｉ_０．９５、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：ＮｂＮｉ_２Ａｌ、５０ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、５０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0062】

（実施例４）
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｍｎ_１．３Ｓｉ_０．９５、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：Ｃｒ_０．６６Ｎｉ_０．６７Ａｌ_０．６７、５０ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、５０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0063】

（実施例５）
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｍｎ_１．３Ｓｉ_０．９５、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：ＣｒＮｉ_２Ａｌ、５０ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、５０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0064】

比較例１は、図２の構造において、非磁性金属層５Ｂ、第２の強磁性層６のみを第1基材層１に形成してなる積層体である。すなわち、第１基材層１上に、直接、非磁性金属層５Ｂ、第２の強磁性層６を順次形成したものである。各層の材料と厚みは、以下の通りである。

【0065】

（比較例１）
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２ＴｉＳｎ、５ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ｃｕ、５０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0066】

図４の結果から、以下のことが分かる。

【0067】

実施例１のデッドレイヤーの厚みｔ２は、比較例１のデッドレイヤーの厚みｔ２よりも小さく、中間層を用いることで、結晶品質が向上している。

【0068】

実施例２のデッドレイヤーの厚みｔ２は、実施例１のデッドレイヤーの厚みｔ２と同じであり、比較例１よりも小さく、結晶品質が優れている。

【0069】

実施例３のデッドレイヤーの厚みｔ２は、非磁性金属層をＮｉＡｌＸ合金層の格子定数に近いＡｇとすることにより、デッドレイヤーの厚みｔ２が、実施例２よりも格段に小さくなることを示している。

【0070】

実施例４のデッドレイヤーの厚みｔ２は、実施例３のデッドレイヤーの厚みｔ２よりも小さく、中間層の材料を変更することで、結晶品質が向上している。

【0071】

実施例５のデッドレイヤーの厚みｔ２は、実施例４のデッドレイヤーの厚みｔ２よりも小さく、中間層の材料の組成を変更することで、さらに結晶品質が向上している。

【0072】

次に、中間層５Ｃの厚みｔ１について検討を行った。

【0073】

図５は、実施例Ａ群において、中間層５Ｃの厚みｔ１（ｎｍ）とデッドレイヤーの厚みｔ２（ｎｍ）との関係を示す図表であり、図６は、実施例Ａ群において、中間層５Ｃの厚みｔ１（ｎｍ）とデッドレイヤーの厚みｔ２（ｎｍ）との関係を示すグラフである。

【0074】

実施例Ａ群は、中間層５Ｃの厚みｔ１を変更した以外は、実施例５と同様の構造を有し、以下の材料と厚みを有している。

【0075】

（実施例Ａ群）
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｍｎ_１．３Ｓｉ_０．９５、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：ＣｒＮｉ_２Ａｌ（０．１ｎｍ〜５０ｎｍ）
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、５０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0076】

この積層体においては、中間層５Ｃ（ＮｉＡｌＸ合金層）の厚さをｔ１としたとき、ｔ１は以下の関係式を満たすことが好ましい。

【0077】

０．２ｎｍ≦ｔ１≦１０ｎｍ

【0078】

すなわち、ｔ１≦１０ｎｍのときには、強磁性層から移動する／または強磁性層へ移動する電子において、スピン散乱が、より減少する。また、０．２ｎｍ≦ｔ１のときには、強磁性層と非磁性金属層との間において格子不整合がより減少し、その結果、強磁性層及び非磁性金属層におけるデッドレイヤーの厚みｔ２が小さくなる。

【0079】

次に、強磁性層（４，６）の組成（α、β）について検討を行った。

【0080】

図７は、実施例Ｂ群において、強磁性層（４，６）を構成するＣｏ_２Ｌ_αＭ_β（Ｌ＝Ｍｎ、Ｍ＝Ｓｉ）における各種パラメータ（α＋β、α、β）と、ＭＲ比（％）との関係（β＝０．９５）を示す図表である。

【0081】

実施例Ｂ群は、図１の構造を有し、強磁性層の組成を変更した以外は、以下の材料と厚みを有している。βは０．９５の固定値であり、αは０．５〜１．８まで変化させた。
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ、５ｎｍ
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ、５ｎｍ
・第２の強磁性層６：Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β（Ｌ＝Ｍｎ、Ｍ＝Ｓｉ）、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：ＣｒＮｉ_２Ａｌ、１ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、５ｎｍ
・第１の中間層５Ａ：ＣｒＮｉ_２Ａｌ、１ｎｍ
・第１の強磁性層４：Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β（Ｌ＝Ｍｎ、Ｍ＝Ｓｉ）、１０ｎｍ
・第２非磁性金属層３：Ａｇ、５０ｎｍ
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ、２０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0082】

図８は、実施例Ｃ群において、強磁性層（Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β）における各種パラメータ（α＋β、α、β）と、ＭＲ比（％）との関係（α＝１．３）を示す図表である。

【0083】

実施例Ｃ群は、図１の構造を有し、強磁性層の組成を変更した以外は、実施例Ｂ群と同一の材料と厚みを有している。αは１．３の固定値であり、βは０．５５〜１．４５まで変化させた。

【0084】

強磁性層（４，６）は、ＬをＭｎとし、ＭをＳｉとし、α及びβを正の値とした場合に、下記一般式（２）で表されるホイスラー合金を含んでいる。

【0085】

Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β …（２）

【0086】

強磁性層（４，６）がホイスラー合金である場合には、ＮｉＡｌＸ合金の格子定数が近くなるため、結晶性が高くなり、スピン注入効率が高くなる。

【0087】

図９は、実施例Ｂ群及び実施例Ｃ群において、α＋βとＭＲ比（％）との関係を示すグラフである。

【0088】

図９から以下のことが分かる。

【0089】

一般式（２）で表されるホイスラー合金において、α及びβは、以下の関係式（２−１）、（２−２）、（２−３）を満たすことが好ましい。
０．７＜α＜１．６ …（２−１）、
０．６５＜β＜１．３５ …（２−２）、
２＜α＋β＜２．６ …（２−３）。

【0090】

この積層体によれば、０．７＜α＜１．６かつ０．６５＜β＜１．３５であるので、強磁性層（４，６）であるホイスラー合金は、化学量論的組成を有する場合に近い格子定数を有し、ＮｉＡｌＸ合金との格子整合性が良好となる。また、２＜α＋β＜２．６であるので、強磁性層ＮｉＡｌＸ合金であるホイスラー合金がハーフメタル特性を維持しやすくなり、大きな磁気抵抗効果（ＭＲ比）を得ることができる。

【0091】

なお、強磁性層（４，６）は、Ｌを、Ｍｎ及びＦｅからなる群から選択される１以上の元素とし、Ｍを、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ及びＧｅからなる群より選択される１以上の元素とし、α及びβを正の値とした場合に、一般式（２）：Ｃｏ_２Ｌ_αＭ_β …（２）で表されるホイスラー合金を含むことができる。上記のように、強磁性層（４，６）がホイスラー合金である場合には、結晶性が高くなり、スピン注入効率が高くなる。

【0092】

なお、Ｌ、Ｍが上記の元素の場合、強磁性層であるホイスラー合金は、一般式（１）で表されるＮｉＡｌＸ合金層と近い格子定数対応基準値を有する。なお、上記元素の数は１つでなく、１以上であってもＮｉＡｌＸ合金層と近い格子定数を有することが容易に推測されるため、強磁性層の結晶性と磁性の品質を良好に保持することができる。その結果、強磁性層と非磁性金属層におけるデッドレイヤーをさらに小さくできる。なお、ここでの格子定数対応基準値とは、それぞれ結晶面が０度傾いて整合するときは、格子定数ａ、又はａを２倍した値のどちらか一方の値であり、４５度傾いて整合するときは、ａに２の平方根を掛けた値を意味する。
なお、上記と同様の観点から、以下の範囲が更に好ましい。

【0093】

０．８≦α≦１．５ …（２−１’）、
０．７５≦β≦１．２５ …（２−２’）、
２．０５≦α＋β≦２．５５ …（２−３’）。

【0094】

次に、各層の格子定数について考察する。

【0095】

図１に示した非磁性金属層５ＢはＡｇであり、第１の中間層５Ａ及び第２の中間層５Ｃは、ＮｉＡｌＸ合金であるが、Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される元素である。Ｘは、これらの中の１つの元素、又は、２以上の元素（Ｘ１、Ｘ２）を含んでもよく、この場合の格子定数は、近似的には、例えば、Ｘ１を用いた場合の格子定数と、Ｘ２を用いた場合の格子定数の中間値をとることができる。また、γの値は、０＜γ＜０．５の範囲をとる。

【0096】

図１０及び図１１においては、ＮｉＡｌＳｉ、ＮｉＡｌ_０．７５Ｓｉ_０．２５、ＳｃＮｉ_２Ａｌ、ＴｉＮｉ_２Ａｌ、ＴｉＮｉ_０．２５Ａｌ_２．７５、ＣｒＮｉ_２Ａｌ、Ｃｒ_０．６６Ｎｉ_０．６７Ａｌ_０．６７、ＭｎＮｉ_２Ａｌ、Ｍｎ_０．５Ｎｉ_０．５Ａｌ、Ｆｅ_２ＮｉＡｌ、Ｃｏ_０．５Ｎｉ_０．５Ａｌ、Ｃｕ_０．４Ｎｉ_０．６Ａｌ、ＺｒＮｉ_２Ａｌ、ＺｒＮｉ_０．４８Ａｌ_２．５２、ＮｂＮｉ_２Ａｌ、ＴａＮｉ_２Ａｌの格子定数ａ、２ａ、ａに２の平方根を掛けた値、結晶の構造タイプ、ピアソン記号（Ｐｅａｒｓｏｎ Ｓｙｍｂｏｌ）が示されている。中間層（５Ａ、５Ｃ）が、これに隣接する強磁性層（４、６）の鉛直方向の結晶軸に対して４５°回転して成長する場合には、ａに２の平方根を掛けた値が、強磁性層の格子定数に近くなる。また、中間層の格子定数の２倍（２ａ）が、強磁性層の格子定数に近くなる場合もある。同図中の（＊）印は、隣接する強磁性層（４、６）に格子定数が近くなる値であり、格子整合をとるため、（＊）印のついたａ、２ａ、又は、ａに２の平方根を掛けた値が選択される。

【0097】

図１２は強磁性層（４、６）（各種ホイスラー合金）の格子定数を示す図表である。

【0098】

同図中では、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｎ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＣｒＡｌ、Ｃｏ_２ＶＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＧａ_０．５Ｓｎ_０．５、Ｃｏ_２ＦｅＧｅＧａの格子定数ａが示されている。

【0099】

図１３、図１４、図１５及び図１６は、Ａｇ（非磁性金属層）又はＮｉＡｌＸ合金（中間層）と、各種ホイスラー合金（強磁性層）との格子不整合率を示す図表である。

【0100】

なお、格子不整合率＝［（Ａｇ又は中間層の格子定数ａ、２ａ又はａに２の平方根を掛けた値−強磁性層の格子定数）／強磁性層の格子定数］である。

【0101】

これらの材料の組み合わせの中で、格子不整合率が小さいものは、ＭＲ比を大きくすることができる。具体的には、格子不整合率が、Ａｇ（非磁性金属層）と各種ホイスラー合金（強磁性層）との格子不整合率よりも小さいＮｉＡｌＸ合金（中間層）を設けることで、デッドレイヤーを小さくし、ＭＲ比を向上させることができる。異種物質の接合であるため、格子不整合率の絶対値はゼロよりも大きい。なお、格子定数は室温（３００Ｋ）における値を意味している。

【0102】

なお、非磁性金属層５Ｂは、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ及びＮｉＡｌからなる群から選択される１以上の元素を含むことができる。この非磁性金属層によれば、Ｘ元素が非磁性金属層に拡散するのを容易に抑えることができる。Ｘ元素に対する拡散定数が小さい元素は、１つである必要はなく、１以上であれば拡散抑制効果が得られると考えられる。また、これらの材料は、格子定数を中間層に近くすることも可能である。

【0103】

図１７は磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドの再生部の断面構成を示す図である。

【0104】

この磁気ヘッドは、図１に示した磁気抵抗効果素子ＭＲを備えている。詳細には、磁気ヘッドは、下部磁気シールド２１と、磁気シールド上に固定された磁気抵抗効果素子ＭＲと、磁気抵抗効果素子ＭＲの上部に固定された上部磁気シールド２２と、上部磁気シールド２２の周囲に固定された側部磁気シールド２３とを備えている。磁気シールドは、ＮｉＦｅなどから構成される。このような構造の磁気ヘッドは、公知であり、米国特許５，６９５，６９７号に記載されるので、これを参照することができる。

【0105】

図１８は磁気抵抗効果素子ＭＲを有する磁気ヘッドの断面構成を示す図である。

【0106】

この磁気記録ヘッドは、主磁極６１と、環流磁極６２と、主磁極６１に併置されたスピントルク発振子（発振素子）１０とを備えている。スピントルク発振子１０は、上述の磁気ヘッドと同様の構造であり、磁気抵抗効果素子ＭＲの上下に下部磁気シールド２１及び上部磁気シールド２２を電極として配置した構造となっている。

【0107】

主磁極６１の基端部にはコイル６３が巻かれているので、電流源Ｉ_Ｒに駆動電流を供給すると、主磁極６１の周囲に書き込み磁界が発生する。発生した磁界は磁極を通って閉磁路を構成する。

【0108】

磁気抵抗効果素子ＭＲを含むスピントルク発振子１０の上下の電極間に直流電流を通電すると、スピン注入層によって生じたスピントルクにより、強磁性共鳴が生じ、スピントルク発振子１０から高周波磁界が発生する。主磁極６１による記録磁界と、スピントルク発振子１０による高周波磁界とが重畳した部分のみで、これらに対向する磁気記録媒体８０に対して、高密度磁気記録が行われる。このような構造の磁気記録ヘッドは、公知であり、特許第５１７３７５０号に記載されているので、これを参照することができる。

【0109】

図１９は複数の磁気抵抗効果素子を有する電流センサの構造を示す図である。

【0110】

この電流センサは、複数の磁気抵抗効果素子ＭＲを電気的に接続してなるブリッジ回路から構成される。同図では、４つの磁気抵抗効果素子ＭＲによって、ブリッジ回路が構成されており、グランド電位と電源電位Ｖｄｄとの間には、直列に２つの磁気抵抗効果素子ＭＲが接続されてなる回路列が、２つ並列に接続されている。それぞれの２つの磁気抵抗効果素子ＭＲの接続点が、それぞれ第１出力端子Ｏｕｔ１、第２出力端子Ｏｕｔ２となり、これらの間の電圧が出力信号となる。

【0111】

被測定対象の電線は、Ｚ軸方向に沿って延びているとすると、電線の周囲には磁界が発生し、磁界の大きさに応じて、磁気抵抗効果素子ＭＲの抵抗値が変化する。出力信号の大きさは、磁界の大きさ、すなわち、電線を流れる電流量に従うので、この装置は、電流センサとして機能することができる。なお、この装置は、直接的には、磁界の大きさを検出する磁気センサとしても機能している。

【0112】

図２０は複数の磁気抵抗効果素子を有する高周波フィルタの構造を示す図である。

【0113】

高周波フィルタは、複数の磁気抵抗効果素子ＭＲを電気的に並列に接続したものである。すなわち、磁気抵抗効果素子ＭＲの上部電極（シールド電極又はコンタクト電極）同士を接続し、又は、共通化すると共に、磁気抵抗効果素子ＭＲの下部電極（シールド電極又は第１非磁性金属層）同士を接続し、又は、共通化する。

【0114】

複数の磁気抵抗効果素子ＭＲは、水平断面積（ＸＹ平面内断面積）がそれぞれ異なるため、共鳴周波数が異なる。入力端子Ｉｎから高周波信号が入力されると、入力された高周波信号のうち、各磁気抵抗効果素子ＭＲは、各自の共鳴周波数と同じ周波数の信号成分を吸収し、残りの高周波信号成分が出力端子Ｏｕｔから出力される。したがって、この装置は、高周波フィルタとして機能する。このような構造の装置は、公知であり、例えば、国際公開ＷＯ２０１１／０３３６６４号公報に記載されているので、これを参照することができる。

【0115】

なお、図１の磁気抵抗効果素子は、以下のように製造することができる。

【0116】

まず、第1基材層１上に、第１非磁性金属層２、第２非磁性金属層３、第１の強磁性層４、非磁性スペーサ層５と、第２の強磁性層６、キャップ用非磁性金属層７、コンタクト用金属層８を順次堆積する。なお、非磁性スペーサ層５は、第１の強磁性層４上に、第１の中間層５Ａ、非磁性金属層５Ｂ、第２の中間層５Ｃを堆積して形成する。

【0117】

この堆積には、公知の技術であるスパッタ法にて堆積した。本実施例では、各層の構成材料からなるスパッタ用のターゲットを用い、超高真空スパッタ装置を用いて、各層を室温にて成膜することにより形成したが、２つ以上のスパッタ用ターゲットを同時に用いることもできる。すなわち、異なる材料ＡとＢの２つ（以上）のターゲットを用いて、ターゲットを同時スパッタすることで、ＡとＢの合金膜や、各層の材料組成を調整することも可能である。例えば、ＮｉＡｌのターゲットと他金属Ｘのターゲットを一緒に（同時に）スパッタすることで、合金膜を成膜することができる。また、基板材料に関しては市販品を使うことができ、上記の第１基材層としては市販品のＭｇＯを使用した。なお、第１の強磁性層４は、成膜後に５００℃でアニーリング処理を行っている。第２の強磁性層６は、成膜後に４５０℃でアニーリング処理を行っている。磁気抵抗効果素子は、電子線リソグラフィーおよびＡｒイオンミリングにより、磁気抵抗特性を評価可能な形状に微細加工される。なお、スパッタ装置を用いたＣＭＳ等の作製方法は、例えば、米国特許出願公開２００７／０２３００７０号公報、米国特許出願公開２０１３／０２２９８９５号公報、米国特許出願公開２０１４／００６３６４８号公報、米国特許出願公開２００７／０２１１３９１号公報、米国特許出願公開２０１３／０３３５８４７号公報などに記載されている。

【0118】

図２１は、実施例６として、図１の変形を行った場合の材料、格子定数、膜厚、ＭＲ比（％）を示す図表であり、説明に示されない構造は、図１の場合と同一である。
第１の中間層５Ａ及び第２の中間層５Ｃを、ＮｉＡｌ合金及びＮｉＡｌＸ合金の積層構造としたものである。なお、非磁性金属層５Ｂと接するようにＮｉＡｌ合金、ＮｉＡｌ合金と強磁性層との間にＮｉＡｌＸ合金が積層されている。第１の強磁性層４及び第２の強磁性層６として、Ｃｏ_２Ｍｎ_１．０Ｓｉ_０．９５を用いた場合であり、その他の材料及び膜厚は以下の通りである。
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ、５ｎｍ
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ、５ｎｍ
・第２の強磁性層６：ＣＭＳ（コバルトマンガンシリコン合金）、５ｎｍ
・第２の中間層５Ｃ：ＮｉＡｌ合金とＮｉＡｌＸ合金の積層（非磁性金属層５Ｂ側にＮｉＡｌ合金）、各０．５ｎｍで合計１ｎｍ
・非磁性金属層５Ｂ：Ａｇ、５ｎｍ
・第１の中間層５Ａ：ＮｉＡｌ合金とＮｉＡｌＸ合金の積層（非磁性金属層５Ｂ側にＮｉＡｌ合金）、各０．５ｎｍで合計１ｎｍ
・第１の強磁性層４：ＣＭＳ（コバルトマンガンシリコン合金）、１０ｎｍ
・第２非磁性金属層３：Ａｇ、５０ｎｍ
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ、２０ｎｍ
・第1基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ

【0119】

図２１の通り、厚み方向に従って中間層の組成が変化した場合、ＭＲ比が１０．１％から１２．３％へ向上した。ここで、強磁性層ＣＭＳ（コバルトマンガンシリコン合金）の格子定数（対応基準値）が０．５６０６ｎｍ、中間層ＣｒＮｉ_２Ａｌの格子定数（対応基準値）が０．５７３７ｎｍ、非磁性金属層Ａｇの格子定数（対応基準値）が０．５７９８であり、γ＝０であるＮｉＡｌＸ合金（即ち、ＮｉＡｌ合金）の格子定数（対応基準値）が０．５７６０である。よって、格子定数の大小関係からγ＝０であるＮｉＡｌＸ合金、即ち、γが小さいＮｉＡｌＸ合金を非磁性金属層とＮｉＡｌＸ合金との間に介在させることで、中間層の厚み方向にしたがって連続的に格子定数（対応基準値）の変化がおこるため、より強磁性層と非磁性金属層との結晶品質を向上させることが出来る。これにより、ＭＲ比を向上させることができた。なお、ここでの格子定数対応基準値とは、それぞれ結晶面が０度傾いて整合するときは、格子定数ａ、又はａを２倍した値のどちらか一方の値であり、４５度傾いて整合するときは、ａに２の平方根を掛けた値を意味する。

【0120】

よって、γ３の値は、強磁性層（４，６）から、その厚み方向に沿って離れるに従って減少することができる。この積層体では、強磁性層のみで積層される場合に比べて、一般式（１）で表される中間層（５Ａ，５Ｃ）（ＮｉＡｌＸ合金層）において、強磁性層側でＸ元素濃度が高いため、強磁性層（４，６）と非磁性金属層５Ｂとの間の格子不整合がより小さくなる。また、非磁性金属層５Ｂ側でＸ元素濃度が低いため、強磁性層（４，６）と非磁性金属層４Ｂとの間の格子不整合がより小さくなる。そのため、この積層体によれば、強磁性層及び非磁性金属層におけるデッドレイヤーの領域がさらに小さくなり、ＭＲ比を低減することができる。なお、γ３の値は、面内方向又は厚み方向に沿って変化することもできる。局所的な格子不整合の度合に応じて、上記格子不整合が緩和するように、γ３の値を設定し、Ｘ元素濃度を変化させることで、結果的に強磁性層及び非磁性金属層の品質の改善効果が期待される。

【0121】

以上、説明したように、上述の積層体及び磁気抵抗効果素子は、非磁性金属層５Ｂ上に位置する積層体であって、強磁性層６と、非磁性金属層５Ｂと強磁性層６との間に介在する中間層５Ｃと、を備え、中間層５Ｃは、一般式（１）：Ｎｉ_γ１Ａｌ_γ２Ｘ_γ３…（１）、［Ｘは、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群より選択される１以上の元素を表し、γ＝γ３／（γ１＋γ２＋γ３）とした場合に、０＜γ＜０．５を満たす］で表されるＮｉＡｌＸ合金層を含み、デッドレイヤーを小さくすることができ、高いＭＲ比を得ることができる。上記いずれかの磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ又は発振素子は、磁気抵抗効果が大きいため、これに起因する優れた特性を発揮することができる。

【0122】

なお、上述の構造における磁気抵抗効果素子のスピンに対する挙動は、原理的には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のみでなく、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子（面内通電型ＧＭＲ素子）においても、同様に生じると考えられるため、上述の構造は、ＭＲ比の向上という観点から、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子においても有効であると考えられる。なお、磁性が利用できるものであれば、デッドレイヤーの領域が小さくなるため、積層体は、磁気抵抗効果素子以外の用途（スピンホール効果／逆スピンホール効果、スピン移行トルクといった技術）にも適用可能である。

【符号の説明】

【0123】

４…第１の強磁性層、６…第２の強磁性層、５…非磁性スペーサ層、５Ｂ…非磁性金属層、５Ａ…第１の中間層、５Ｃ…第２の中間層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】