特開 2022-94518 ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜およびＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法、ならびに、磁気センサおよび磁気センサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022094518

(43)【公開日】2022-06-27

(54)【発明の名称】ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜およびＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法、ならびに、磁気センサおよび磁気センサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 10/12 20060101AFI20220620BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20220620BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20220620BHJP

   H01F 41/18 20060101ALI20220620BHJP

   H01F 41/22 20060101ALI20220620BHJP

   H01F 1/147 20060101ALI20220620BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20220620BHJP

【ＦＩ】

H01F10/12

H01L43/08 M

H01F10/32

H01F41/18

H01F41/22

H01F1/147 191

G01R33/09

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020207446

(22)【出願日】2020-12-15

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ・ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０６３／１．５１２９９５３ ウェブサイトの掲載日：２０２０年（令和２年）１月３日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 戦略的イノベーション創出推進プログラム スピン流を用いた新機能デバイス実現に向けた技術開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100143834

【弁理士】

【氏名又は名称】楠 修二

(72)【発明者】

【氏名】大兼 幹彦

(72)【発明者】

【氏名】赤松 昇馬

(72)【発明者】

【氏名】安藤 康夫

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 静似

【テーマコード（参考）】

2G017

5E041

5E049

5F092

【Ｆターム（参考）】

2G017AA01

2G017AD55

2G017AD63

2G017AD65

5E041AA04

5E041CA01

5E041HB06

5E041HB11

5E041NN01

5E041NN06

5E041NN18

5E049AA01

5E049BA06

5E049BA16

5E049DB04

5E049DB12

5E049DB14

5E049EB01

5E049EB06

5E049GC01

5E049JC01

5F092AA01

5F092AB01

5F092AC12

5F092AD03

5F092BB09

5F092BB10

5F092BB12

5F092BB17

5F092BB22

5F092BB36

5F092BB43

5F092BB53

5F092BC03

5F092BC07

5F092BC13

5F092CA02

5F092CA25

(57)【要約】

【課題】良好な軟磁気特性を有し、ＭＴＪ素子の自由層に使用可能なＦｅＳｉＡｌ合金薄膜およびＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法、ならびに、ＭＴＪ素子の自由層にＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含む磁気センサおよび磁気センサの製造方法を提供する。
【解決手段】ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍである。磁気センサは、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、固定層と自由層との間に配置された絶縁層とを有する磁気トンネル接合素子を利用した磁気センサであって、自由層はＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含んでいる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍであることを特徴とするＦｅＳｉＡｌ合金薄膜。

【請求項2】

スパッタリングにより基板上に、Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍの薄膜を成膜した後、３５０℃以上５００℃以下の温度で熱処理を行うことを特徴とするＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法。

【請求項3】

磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置された絶縁層とを有する磁気トンネル接合素子を利用した磁気センサであって、
前記自由層はＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含むことを
特徴とする磁気センサ。

【請求項4】

前記ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、請求項１記載のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜であることを特徴とする請求項３記載の磁気センサ。

【請求項5】

請求項３または４に記載の磁気センサの製造方法であって、
スパッタリングにより基板上に、前記自由層と前記絶縁層と前記固定層とを、この順番またはこれとは反対の順番で形成した後、２７５℃以上３７５℃以下の温度で熱処理を行うことを
特徴とする磁気センサの製造方法。

【請求項6】

前記自由層を形成するとき、スパッタリングにより、Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍの薄膜を成膜した後、３５０℃以上５００℃以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項５記載の磁気センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜およびＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法、ならびに、磁気センサおよび磁気センサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高感度を示す磁気センサとして、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用したＴＭＲセンサがある。ＭＴＪ素子は、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、固定層と自由層との間に配置された絶縁層とを有しており、自由層の磁気異方性を制御することにより、磁気センサの特性を制御することができる。このような磁気センサは、心臓や脳などの生体から発生する微弱な磁場を検出することが可能であり、室温で動作する生体磁気計測装置に利用することができる。また、非接触での電流の測定も可能であり、消費電力も小さく、感度も高いため、例えば、電気自動車のバッテリーの蓄電残量検知などに効果的に利用することができる。さらに、コンクリート構造物中の鉄筋などの破断や劣化を検知するための、非破壊検査用磁気センサとしても利用できる。

【0003】

従来、磁気センサに利用可能なＭＴＪ素子として、例えば、自由層にＮｉＦｅ合金を用いたもの（例えば、非特許文献１参照）や、ＣｏＦｅＢ合金を用いたもの（例えば、非特許文献２参照）、ＣｏＦｅＳｉＢ合金を用いたもの（例えば、非特許文献３参照）などが開発されている。

【0004】

ここで、磁気センサの感度は、ＭＴＪ素子の自由層の磁気抵抗比をＴＭＲ比、異方性磁場をＨ_ｋとすると、ＴＭＲ比／２Ｈ_ｋによって表すことができる。この式から、ＴＭＲ比が大きく、異方性磁場Ｈ_ｋが小さいほど、感度が高くなることがわかる。また、結晶磁気異方性定数をＫ_１、飽和磁化の大きさをＭ_ｓとすると、異方性磁場Ｈ_ｋは、Ｈ_ｋ＝２×Ｋ_１／Ｍ_ｓで定義される。このように、異方性磁場Ｈ_ｋは結晶磁気異方性定数Ｋ_１に比例することから、結晶磁気異方性定数Ｋ_１を小さくしても、磁気センサの感度は高くなる。

【0005】

従来の磁気センサよりも感度を高めるために、自由層に使用する合金として、非特許文献１乃至３に記載のような合金とは異なり、これまで自由層に使用されていなかった合金にまで対象を広げることも効果的であると考えられる。これまで自由層に使用されていなかった合金として、例えば、６ｗｔ％～１２ｗｔ％のＳｉと、３ｗｔ％～１０ｗｔ％のＡｌと、残部のＦｅとを主成分とするＦｅＳｉＡｌ合金（センダスト）がある（例えば、特許文献１参照）。

【0006】

ＦｅＳｉＡｌ合金（センダスト）は、その中心組成（Ｆｅ_８５Ａｌ_５．３８Ｓｉ_９．６２；数字はｗｔ％）で、透磁率が３００００以上となることが知られている（例えば、非特許文献４参照）。また、ＦｅＳｉＡｌ合金（センダスト）は、その中心組成でＫ_１および飽和磁歪定数λ_ｓがゼロとなり、軟磁性特性を発現することや、その軟磁性特性が組成や製造時の熱処理温度に非常に敏感であることが知られている（例えば、非特許文献５参照）。また、製造時の熱処理温度が高くなるほど、原子規則度が高くなることも知られている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Kosuke Fujiwara, Mikihiko Oogane, Saeko Yokota, Takuo Nishikawa, Hiroshi Naganuma, and Yasuo Ando, “Fabrication of magnetic tunnel junctions with a bottom synthetic antiferro-coupled free layers for high sensitive magnetic field sensor devices”, J. Appl. Phys., 2012, Vol. 111, 07C710

【非特許文献2】K. Ishikawa, M. Oogane, K. Fujiwara, J. Jono, M. Tsuchida, and Y. Ando, “Investigation of magnetic sensor properties of magnetic tunnel junctions with superparamagnetic free layer at low frequencies for biomedical imaging applications”, Jpn. J. Appl. Phys., 2016, Vol. 55, 123001

【非特許文献3】Daiki Kato, Mikihiko Oogane, Kosuke Fujiwara, Takuo Nishikawa, Hiroshi Naganuma, and Yasuo Ando, “Fabrication of Magnetic Tunnel Junctions with Amorphous CoFeSiB Ferromagnetic Electrode for Magnetic Field Sensor Devices”, Applied Physics Express, 2013, Vol. 6, 103004

【非特許文献4】増本量、山本達治、「新合金「センダスト」及びFe-Si-Al系合金の磁気的並に電気的性質に就て」、日本金属学会誌、1937年、第１巻、第３号、p.127-135

【非特許文献5】高橋研、諏訪部繁和、成田隆之、脇山徳雄、「Fe-Si-Alスパッタ薄膜の磁気特性」、日本応用磁気学会誌、1986年、Vol.10、No.2、p.307-310

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第１２０００６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

非特許文献１乃至３に記載の合金は、ＭＴＪ素子の自由層の材料として使用されてきたが、磁気センサの感度をさらに高めることを目的として、これまで自由層に使用されていなかった合金で、従来の合金に匹敵する良好な軟磁気特性を有し、自由層に使用可能なものを見出すことが期待されている。

【0010】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、良好な軟磁気特性を有し、ＭＴＪ素子の自由層に使用可能なＦｅＳｉＡｌ合金薄膜およびＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法、ならびに、ＭＴＪ素子の自由層にＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含む磁気センサおよび磁気センサの製造方法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】

【0011】

本発明者等は、これまで製造できなかった、ナノメートルオーダー（１００ｎｍ以下）の厚みを有するセンダストの薄膜の製造に初めて成功し、そのセンダスト薄膜の磁気特性を調べたところ、組成を調整することによって良好な軟磁気特性を有することを見出し、本発明に至った。

【0012】

すなわち、本発明に係るＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍであることを特徴とする。

【0013】

本発明に係るＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法は、スパッタリングにより基板上に、Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍの薄膜を成膜した後、３５０℃以上５００℃以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする。

【0014】

本発明に係るＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、本発明に係るＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法により好適に製造することができる。本発明に係るＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、例えば、非特許文献１に記載のＮｉＦｅ合金や非特許文献３に記載のＣｏＦｅＳｉＢ合金と比べて、同等程度またはより小さい異方性磁場Ｈ_ｋを有しており、良好な軟磁気特性を有している。このため、ＭＴＪ素子の自由層に使用することにより、良好な感度を有する磁気センサを得ることができる。また、ＮｉＦｅ合金やＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＳｉＢ合金と比べて安価に製造することができる。

【0015】

本発明に係る磁気センサは、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置された絶縁層とを有する磁気トンネル接合素子を利用した磁気センサであって、前記自由層はＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含むことを特徴とする。

【0016】

本発明に係る磁気センサは、自由層がＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含んでおり、これまでには無い、新たな構成の磁気センサである。本発明に係る磁気センサで、自由層に含まれるＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、本発明に係るＦｅＳｉＡｌ合金薄膜であることが好ましい。この場合、特に良好な感度を有している。

【0017】

本発明に係る磁気センサの製造方法は、本発明に係る磁気センサを製造するための方法であって、スパッタリングにより基板上に、前記自由層と前記絶縁層と前記固定層とを、この順番またはこれとは反対の順番で形成した後、２７５℃以上３７５℃以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする。

【0018】

本発明に係る磁気センサの製造方法は、自由層にＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含む、これまでには無い、新たな構成の磁気センサを得ることができる。本発明に係る磁気センサの製造方法は、前記自由層を形成するとき、スパッタリングにより、Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍの薄膜を成膜した後、３５０℃以上５００℃以下の温度で熱処理を行うことが好ましい。この場合、本発明に係るＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含む自由層を形成することができる。このため、特に良好な感度を有する磁気センサを得ることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、良好な軟磁気特性を有し、ＭＴＪ素子の自由層に使用可能なＦｅＳｉＡｌ合金薄膜およびＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の製造方法、ならびに、ＭＴＪ素子の自由層にＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含む磁気センサおよび磁気センサの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の、磁気特性等を調べるための試料を示す縦断面図である。

【図2】本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の、各熱処理温度Ｔ_ａでの（ａ）試料１のＸＲＤスペクトル、（ｂ）試料２のＸＲＤスペクトル、（ｃ）試料１のＸＲＤ φスキャンパターン、（ｄ）試料２のＸＲＤ φスキャンパターンである。

【図3】本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の、（ａ）試料１および２の平均表面粗さ（Ｒ_ａ）と熱処理温度Ｔ_ａとの関係を示すグラフ、（ｂ）試料２の熱処理温度Ｔ_ａが４００℃のときのＡＦＭ像である。

【図4】本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の、試料３の熱処理温度Ｔ_ａが４００℃のときの（ａ）ＸＲＤスペクトル、（ｂ）ＡＦＭ像である。

【図5】本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の、（ａ）試料１、（ｂ）試料２の各熱処理温度Ｔ_ａでの磁化曲線（Ｍ－Ｈ曲線）である。

【図6】本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の、試料３の熱処理温度Ｔ_ａが４００℃のときの磁化曲線（Ｍ－Ｈ曲線）である。

【図7】本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜の、試料２および５の（ａ）異方性磁場Ｈ_ｋと熱処理温度Ｔ_ａとの関係を示すグラフ、（ｂ）結晶磁気異方性定数Ｋ_１と熱処理温度Ｔ_ａとの関係を示すグラフである。

【図8】本発明の実施の形態の磁気センサの、ＴＭＲ比およびセンサ感度を求める磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の各試料（ａ）～（ｃ）を示す縦断面図である。

【図9】（ａ） 図８（ａ）、（ｂ） 図８（ｂ）、（ｃ） 図８（ｃ）に示す磁気トンネル接合素子の、各熱処理温度Ｔ_ＭＴＪでの磁気抵抗曲線である。

【図10】図８（ａ）～（ｃ）に示す磁気トンネル接合素子のセンサ感度と熱処理温度Ｔ_ＭＴＪとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、実施例に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１０は、本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜および磁気センサを示している。

【0022】

本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、Ｓｉを７ｗｔ％～１０ｗｔ％、Ａｌを４ｗｔ％～８ｗｔ％含み、残部がＦｅおよび不可避不純物から成り、膜厚が２０ｎｍ～１００ｎｍである。

【0023】

また、本発明の実施の形態の磁気センサは、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、固定層と自由層との間に配置された絶縁層とを有する磁気トンネル接合素子を利用した磁気センサであって、自由層はＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を含んでいる。ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜は、本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜であることが好ましい。

【実施例0024】

本発明の実施の形態のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を製造し、その磁気特性等を調べた。図１に示すように、マグネトロンスパッタリングにより、ＭｇＯ基板１１の上に、厚さ２０ｎｍのＭｇＯ層１２と、厚さ３０ｎｍのＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３と、厚さ５ｎｍのＴａ層１４とを、この順序で積層して試料１～５を作製した。各試料のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３は、成膜後、３００～５００℃の温度（Ｔ_ａ）で、１時間の熱処理を行った。各試料のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の組成を、表１に示す。なお、ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の組成は、誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma；ＩＣＰ）分析により求めた。

【0025】

【表1】

【0026】

試料１～３のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３に対して、Ｘ線回折法による測定およびＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による表面観察を行った。試料１および２のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の、熱処理前、熱処理温度Ｔ_ａが３００℃、４００℃、５００℃のときのＸＲＤスペクトルを、それぞれ図２（ａ）および（ｂ）に、ＸＲＤ φスキャンパターンを、それぞれ図２（ｃ）および（ｄ）に示す。また、試料１および２のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の、熱処理前、熱処理温度Ｔ_ａが３００℃、４００℃、５００℃のときのＡＦＭ観察により求められた平均表面粗さ（Ｒ_ａ）を、図３（ａ）に、試料２の熱処理温度Ｔ_ａが４００℃のときのＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３のＡＦＭ像を、図３（ｂ）に示す。また、試料３の熱処理温度Ｔ_ａが４００℃のときのＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３のＸＲＤスペクトルおよびＡＦＭ像を、それぞれ図４（ａ）および（ｂ）に示す。

【0027】

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、試料１および２のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３では、３００～５００℃のいずれの熱処理温度でも、Ａ２の構造を示す（００４）ピーク、および、Ｂ２の構造を示す（００２）ピークが認められた。また、図４（ａ）に示すように、試料３の熱処理温度Ｔ_ａが４００℃のときのＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３でも、Ａ２の構造を示す（００４）ピーク、および、Ｂ２の構造を示す（００２）ピークが認められた。また、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、試料１および２のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３では、４００～５００℃の熱処理温度のとき、Ｄ０_３規則構造を示すピークが認められた。これらの結果から、ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３は、熱処理温度Ｔ_ａが３００℃のときには、Ａ２およびＢ２の構造が混在しており、熱処理温度Ｔ_ａが４００～５００℃のときには、Ａ２、Ｂ２、およびＤ０_３の構造が混在していると考えられる。

【0028】

また、図３（ａ）、（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、試料１～３のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３では、３００～５００℃のいずれの熱処理温度でも、平均表面粗さ（Ｒ_ａ）は、０．１～０．６ｎｍ程度であり、膜厚（３０ｎｍ）と比較すると表面粗さは非常に小さいことが確認された。

【0029】

次に、試料１～３のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の磁化曲線（Ｍ－Ｈ曲線）を求めた。試料１および２のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の、熱処理前、熱処理温度Ｔ_ａが３００℃、４００℃、５００℃のときの磁化曲線を、それぞれ図５（ａ）および（ｂ）に示す。また、試料３の熱処理温度Ｔ_ａが４００℃のときのＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の磁化曲線を、図６に示す。各磁化曲線は、［１００］方向（面内方向）に沿って測定したものである。

【0030】

図５に示すように、試料１および２の熱処理後のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３は、保磁力（Ｈ_ｃ）が６Ｏｅ以下であり、試料１の熱処理温度が５００℃のものを除くと、保磁力（Ｈ_ｃ）が４Ｏｅ以下であることが確認された。また、図６に示すように、試料３の熱処理温度が４００℃のものは、保磁力（Ｈ_ｃ）が約１．６Ｏｅであることが確認された。これらの保磁力の値は、非特許文献１のＮｉＦｅ系合金や非特許文献３のＣｏＦｅＳｉＢ系合金の保磁力の値と同程度であり、ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３は良好な軟磁気特性を有しているといえる。

【0031】

次に、試料２および５のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３の、熱処理前、熱処理温度Ｔ_ａが３００～５００℃のものに対して、室温で振動試料型磁力計（ＶＳＭ）による測定を行い、その測定結果から、各試料の異方性磁場Ｈ_ｋを求めた。さらに、その異方性磁場Ｈ_ｋから、Ｈ_ｋ＝２×Ｋ_１／Ｍ_ｓ（Ｍ_ｓ：飽和磁化の大きさ）の式を用いて、結晶磁気異方性定数Ｋ_１を求めた。異方性磁場Ｈ_ｋおよび結晶磁気異方性定数Ｋ_１と、熱処理温度Ｔ_ａとの関係を、それぞれ図７（ａ）および（ｂ）に示す。なお、図７（ａ）には、非特許文献１のＮｉＦｅ系合金および非特許文献３のＣｏＦｅＳｉＢ系合金の異方性磁場Ｈ_ｋの値も示している。

【0032】

図７（ａ）に示すように、ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３は、熱処理温度Ｔ_ａが３５０℃～５００℃のとき、ＮｉＦｅ系合金やＣｏＦｅＳｉＢ系合金と比べて、同等程度またはより小さい異方性磁場Ｈ_ｋを有していることが確認された。また、図７（ｂ）に示すように、ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３は、熱処理温度Ｔ_ａが３５０℃～５００℃のとき、結晶磁気異方性定数Ｋ_１がゼロ近傍に集中しており、Ｋ_１の大きさが非常に小さい値になっていることが確認された。この結果から、ＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３は良好な軟磁気特性を有しているといえる。

【実施例0033】

図８（ａ）～（ｃ）に示すように、表１に示す試料３のＦｅＳｉＡｌ合金薄膜１３を自由層に用いた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を３つ作製し、ＴＭＲ比およびセンサ感度を求めた。作製した各ＭＴＪ素子は、下層から上層に向かって、以下の構造を有している。

図８（ａ）：ＭｇＯ－ｓｕｂ．／ＭｇＯ（２０）／ＦｅＳｉＡｌ（３０）／ＭｇＯ（２．０）／Ｃｏ_２５Ｆｅ_７５（５）／ＩｒＭｎ（１０）／Ｔａ（５）／Ｒｕ（１０）

図８（ｂ）：ＳｉＯ_２－ｓｕｂ．／Ｔａ（５）／ＣｏＦｅＢ（５）／ＭｇＯ（２０）／ＦｅＳｉＡｌ（３０）／ＣｏＦｅＢ（１．０）／ＭｇＯ（２．０）／ＣｏＦｅＢ（３）／Ｒｕ（０．８５）／ＣｏＦｅ（５）／ＩｒＭｎ（１０）／Ｔａ（５）／Ｒｕ（１０）

図８（ｃ）：ＳｉＯ_２－ｓｕｂ．／Ｔａ（５）／ＣｏＦｅＢ（５）／ＭｇＯ（２０）／ＦｅＳｉＡｌ（３０）／ＭｇＯ（２．０）／ＣｏＦｅＢ（３）／Ｒｕ（０．８５）／ＣｏＦｅ（５）／ＩｒＭｎ（１０）／Ｔａ（５）／Ｒｕ（１０）

なお、括弧内の数字は膜厚で、単位はｎｍである。

【0034】

各ＭＴＪ素子は、平面形状が面積２０×４０～４０×８０μｍ^２の長方形であり、ＤＣ／ＲＦマグネトロンスパッタ法により各層を成膜した後、１０ｋＯｅの磁場中で、２５０℃～４２５℃の熱処理温度（Ｔ_ＭＴＪ）で熱処理を行って作製した。各ＭＴＪ素子の基板（ｓｕｂ．）２１とＦｅＳｉＡｌ（３０）層との間の層は、下地層２２であり、基板２１の表面の粗さを整え、ＦｅＳｉＡｌ（３０）層の結晶の配向性を高めるために設けられている。図８（ｂ）および（ｃ）の下地層２２のＭｇＯ（２０）は、成膜後、６００℃の熱処理温度Ｔ_ＭｇＯで熱処理して形成されている。

【0035】

下地層２２の上部の、図８（ａ）および（ｃ）のＦｅＳｉＡｌ（３０）層、ならびに、図８（ｂ）のＦｅＳｉＡｌ（３０）／ＣｏＦｅＢ（１．０）層は、自由層２３であり、磁化方向が変化可能である。自由層２３のＦｅＳｉＡｌ（３０）層は、成膜後、４００℃の熱処理温度Ｔ_ａで熱処理して形成されている。自由層２３の上部のＭｇＯ（２．０）層は、絶縁層２４である。絶縁層２４の上部の、図８（ａ）のＣｏ_２５Ｆｅ_７５（５）層、ならびに、図８（ｂ）および（ｃ）のＣｏＦｅＢ（３）／Ｒｕ（０．８５）／ＣｏＦｅ（５）層は、固定層２５であり、磁化方向が固定されている。固定層２５の上部のＩｒＭｎ（１０）は、反強磁性層２６である。反強磁性層２６の上部のＴａ（５）／Ｒｕ（１０）層は、キャップ層２７である。

【0036】

様々な熱処理温度Ｔ_ＭＴＪで作製した図８（ａ）～（ｃ）の各ＭＴＪ素子に対して、直流４端子法により、面内方向の磁場Ｈを－１０００Ｏｅ～＋１０００Ｏｅまでスイープしたときの磁気抵抗曲線を求めた。その結果を、それぞれ図９（ａ）～（ｃ）に示す。図９（ａ）に示すように、図８（ａ）に示すＭＴＪ素子は、熱処理温度Ｔ_ＭＴＪが３２５～３７５℃のとき、５５％以上のＴＭＲ比を有することが確認された。図９（ｂ）に示すように、図８（ｂ）に示すＭＴＪ素子は、熱処理温度Ｔ_ＭＴＪが２５０～３５０℃で３０％以上のＴＭＲ比を有し、熱処理温度Ｔ_ＭＴＪが３００℃のとき、最大ＴＭＲ比５１．０％を示すことが確認された。また、図９（ｂ）の挿入図に示すように、軟磁気特性を反映した小さい反転磁界が確認された。図９（ｃ）に示すように、図８（ｃ）に示すＭＴＪ素子は、熱処理温度Ｔ_ＭＴＪが３００℃のとき、ＴＭＲ比が３０％以上となり、最大ＴＭＲ比３５．９％を示すことが確認された。また、図９（ｃ）の挿入図に示すように、３５０℃以下で、軟磁気特性を反映した小さい反転磁界が確認された。図９（ｂ）と図９（ｃ）とを比較すると、自由層２３にＣｏＦｅＢ（１．０）層を挿入することにより、ＴＭＲ比が向上していることが確認された。

【0037】

図９に示す各結果から、様々な熱処理温度Ｔ_ＭＴＪで作製した図８（ａ）～（ｃ）の各ＭＴＪ素子のセンサ感度を求め、図１０に示す。なお、図１０には、非特許文献１のＮｉＦｅ系合金を用いたＭＴＪ素子のセンサ感度も示している。図１０に示すように、各ＭＴＪ素子は、熱処理温度Ｔ_ＭＴＪが３７５℃以下のとき、高いセンサ感度を有することが確認された。特に、図８（ａ）に示すＭＴＪ素子では、ＮｉＦｅ系合金を利用したＭＴＪ素子と同等程度のセンサ感度を有していることが確認された。このことから、ＭＴＪ素子の自由層にＦｅＳｉＡｌ合金薄膜を使用することにより、良好な感度を有する磁気センサを得ることができるといえる。