特開 2025-11895 トンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法

(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】P2025011895

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】トンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20250117BHJP

   H10N 50/20 20230101ALI20250117BHJP

   H10N 50/01 20230101ALI20250117BHJP

   H01F 10/16 20060101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

H10N50/10 M

H10N50/20

H10N50/01

H01F10/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023114308

(22)【出願日】2023-07-12

(71)【出願人】

【識別番号】519062764

【氏名又は名称】スピンセンシングファクトリー株式会社

(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】中野 貴文

(72)【発明者】

【氏名】藤原 耕輔

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 静似

(72)【発明者】

【氏名】大兼 幹彦

【テーマコード（参考）】

5E049

5F092

【Ｆターム（参考）】

5E049AA01

5E049AA04

5E049BA16

5F092AA08

5F092AA11

5F092AB01

5F092AC12

5F092BB04

5F092BB10

5F092BB17

5F092BB23

5F092BB36

5F092BB43

5F092BC07

5F092BC08

5F092BC18

5F092BE06

5F092BE25

5F092CA25

5F092CA26

(57)【要約】

【課題】耐熱性を向上させることができ、ＴＭＲ比および感度をより高めることができるトンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】磁化方向が固定されている固定層１５と、磁化方向が変化可能な自由層１３と、非磁性体を含み、固定層１５と自由層１３との間に配置された障壁層１４とを有している。自由層１３は、障壁層１４の側に配置された第１強磁性層２３と、不純物が添加された軟磁性体から成る軟磁性層２１とを有している。第１強磁性層２３は、ＣｏＦｅＢから成り、軟磁性層２１は、母材のＣｏＦｅＳｉＢに、不純物としてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗのうちの少なくとも１つ以上が添加された軟磁性体から成ることが好ましい。トンネル磁気抵抗センサ１０は、固定層１５と障壁層１４と自由層１３とを成膜した後、325℃乃至425℃で熱処理を行うことにより製造される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
非磁性体を含み、前記固定層と前記自由層との間に配置された障壁層とを有し、
前記自由層は、前記障壁層側に配置された強磁性層と、前記強磁性層の前記障壁層とは反対側に配置され、不純物が添加された軟磁性体から成る軟磁性層とを有することを
特徴とするトンネル磁気抵抗センサ。

【請求項2】

前記強磁性層は、ＣｏＦｅＢから成り、
前記軟磁性層は、母材のＣｏＦｅＳｉＢに、前記不純物としてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗのうちの少なくとも１つ以上が添加された軟磁性体から成ることを
特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗センサ。

【請求項3】

前記軟磁性層は、前記母材に対して、前記不純物を２０ａｔ％以下で含んでいることを特徴とする請求項２記載のトンネル磁気抵抗センサ。

【請求項4】

前記固定層は、ＣｏＦｅＢから成り、
前記障壁層は、ＭｇＯから成ることを
特徴とする請求項２記載のトンネル磁気抵抗センサ。

【請求項5】

前記軟磁性層は、アモルファス構造を成していることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗センサ。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗センサを製造するためのトンネル磁気抵抗センサの製造方法であって、
前記固定層と前記障壁層と前記自由層とを成膜した後、325℃乃至425℃で熱処理を行うことを
特徴とするトンネル磁気抵抗センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気抵抗効果素子を利用した磁気センサとして、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子のＴＭＲ効果等を利用したトンネル磁気抵抗センサ（ＴＭＲセンサ）があり、その一つとして、例えば、CoFeB/MgO/CoFeBの三層構造から成る磁気トンネル接合（MTJ）素子を、優れた軟磁気特性を示すCoFeSiB層と組み合わせたトンネル磁気抵抗センサが、本発明者等により開発されている（例えば、非特許文献１、２、特許文献１、２参照）。このトンネル磁気抵抗センサは、MTJ素子の大きなＴＭＲ比とCoFeSiB層の小さな異方性磁界とが同時に得られるため、人間の生体磁場を検出可能な程に高い感度を有している（例えば、非特許文献３乃至６参照）。

【0003】

また、従来、GIGSセンサのヨークに利用する軟磁性材料であるアモルファスCoFeSiB薄膜に、不純物元素としてTa、Hfを添加したとき、その結晶化温度が向上し、熱処理後にも軟磁気特性が維持されることが報告されている（例えば、非特許文献７参照）。また、アモルファスCoFeB薄膜に、Ta、Hfを添加しても、その結晶化温度が向上することが報告されている（例えば、非特許文献８乃至１０参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】D. Kato, M. Oogane, K. Fujiwara, T. Nishikawa, H. Naganuma, and Y. Ando, “Fabrication of Magnetic Tunnel Junctions with Amorphous CoFeSiB Ferromagnetic Electrode for Magnetic Field Sensor Devices”, Appl. Phys. Express, 2013, 6, 103004

【非特許文献2】T. Nakano, K. Fujiwara, S. Kumagai, Y. Ando, and M. Oogane, “TaFeB spacer for soft magnetic composite free layer in CoFeB/MgO/CoFeB-based magnetic tunnel junction”, Appl. Phys. Lett. 2023, 122, 072405

【非特許文献3】K. Fujiwara, M. Oogane, A. Kanno, M. Imada, J. Jono, T. Terauchi, T. Okuno, Y. Aritomi, M. Morikawa, M. Tsuchida, N. Nakasato, and Y. Ando, “Magnetocardiography and magnetoencephalography measurements at room temperature using tunnel magneto-resistance sensors”, Appl. Phys. Express, 2018, 11, 023001

【非特許文献4】M. Oogane, K. Fujiwara, A. Kanno, T. Nakano, H. Wagatsuma, T. Arimoto, S. Mizukami, S. Kumagai, H. Matsuzaki, N. Nakasato, and Y. Ando, “Sub-pT magnetic field detection by tunnel magneto-resistive sensors”, Appl. Phys. Express, 2021, 14, 123002

【非特許文献5】A. Kanno, N. Nakasato, M. Oogane, K. Fujiwara, T. Nakano, T. Arimoto, H. Matsuzaki, and Y. Ando, “Scalp attached tangential magnetoencephalography using tunnel magneto-resistive sensors”, Sci. Rep., 2022, 12, 6106

【非特許文献6】K. Kurashima, M. Kataoka, T. Nakano, K. Fujiwara, S. Kato, T. Nakamura, M. Yuzawa, M. Masuda, K. Ichimura, S. Okatake, Y. Moriyasu, K. Sugiyama, M. Oogane, Y. Ando, S. Kumagai, H. Matsuzaki, and H. Mochizuki, “Development of Magnetocardiograph without Magnetically Shielded Room Using High-Detectivity TMR Sensors”, Sensors, 2023, 23, 646

【非特許文献7】M. Jimbo, Y. Fujiwara, and T. Shimizu, “Improvement of thermal stability of amorphous CoFeSiB thin films”, J. Appl. Phys., 2015, 117, 17A313

【非特許文献8】J.P. Pellegren and V.M. Sokalski, “Thickness and Interface-Dependent Crystallization of CoFeB Alloy Thin Films”, IEEE Trans. Magn., 2015, 51, 3400903

【非特許文献9】Y. Choi, T. Nakatani, J.C. Read, M.J. Carey, D.A. Stewart, and J.R. Childress, “Enhancement of current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistance by insertion of amorphous ferromagnetic underlayer in Heusler alloy-based spin-valve structures”, Appl. Phys. Express, 2017, 10, 013006

【非特許文献10】M. Rasly, T. Nakatani, J. Li, H. Sepehri-Amin, H. Sukegawa, and Y. Sakuraba, “Magnetic, magnetoresistive and low-frequency noise properties of tunnel magnetoresistance sensor devices with amorphous CoFeBTa soft magnetic layers”, J. Phys. D. Appl. Phys., 2021, 54, 095002

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１３６５５１号公報

【特許文献2】特開２０２０－１３６５５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

トンネル磁気抵抗センサでは、製造時の熱処理温度を高くすると、例えばMTJ素子のCoFeB/MgOの界面における固相エピタキシーが促進されるため、ＴＭＲ比が高くなると共に、センサの感度も高くなることが期待できる。しかしながら、非特許文献１乃至６や、特許文献１および２に記載のトンネル磁気抵抗センサでは、製造時に、CoFeSiB層にその結晶化温度（～300℃）を超える高温の熱処理を施すと、軟磁気特性を失い、異方性磁界が増大して、センサの感度が低下してしまうため、熱処理温度を高くするのには限界があるという課題があった。

【0007】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、耐熱性を向上させることができ、ＴＭＲ比および感度をより高めることができるトンネル磁気抵抗センサおよびそ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】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、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、非磁性体を含み、前記固定層と前記自由層との間に配置された障壁層とを有し、前記自由層は、前記障壁層側に配置された強磁性層と、前記強磁性層の前記障壁層とは反対側に配置され、不純物が添加された軟磁性体から成る軟磁性層とを有することを特徴とする。

【0009】

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、自由層の軟磁性層に不純物を添加することにより、軟磁性層の結晶化温度を高めることができ、耐熱性を向上させることができる。このため、製造時の熱処理温度を高めることができ、固定層と障壁層との界面や、障壁層と自由層との界面の固相エピタキシーを促進して、ＴＭＲ比をより高めることができる。また、自由層の軟磁性層の異方性磁界を低減して、軟磁気特性をさらに向上させることができるため、感度をより高めることができる。

【0010】

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサで、前記強磁性層は、ＣｏＦｅＢから成り、前記軟磁性層は、母材のＣｏＦｅＳｉＢに、前記不純物としてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗのうちの少なくとも１つ以上が添加された軟磁性体から成ることが好ましい。この場合、ＴＭＲ比および感度を特に高めることができる。また、この場合、軟磁性層は、不純物を多く含むほど、ＴＭＲ比および感度が高くなるため、母材に対して、不純物を１０ａｔ％以下で含んでいてもよく、１５ａｔ％以下で含んでいてもよく、さらに２０ａｔ％以下で含んでいてもよい。

【0011】

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサで、前記固定層は、ＣｏＦｅＢから成り、前記障壁層は、ＭｇＯから成ることが好ましい。また、本発明に係るトンネル磁気抵抗センサで、前記軟磁性層は、アモルファス構造を成していることが好ましい。これらの場合にも、ＴＭＲ比および感度を特に高めることができる。

【0012】

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサの製造方法は、本発明に係るトンネル磁気抵抗センサを製造するためのトンネル磁気抵抗センサの製造方法であって、前記固定層と前記障壁層と前記自由層とを成膜した後、325℃乃至425℃で熱処理を行うことを特徴とする。

【0013】

本発明に係るトンネル磁気抵抗センサの製造方法は、自由層の軟磁性層に不純物が添加されているため、不純物が添加されていない軟磁性層の結晶化温度よりも高い325℃乃至425℃で熱処理を行うことができる。このため、固定層と障壁層との界面や、障壁層と自由層との界面の固相エピタキシーを促進することができ、トンネル磁気抵抗センサのＴＭＲ比をより高めることができる。また、自由層の軟磁性層の異方性磁界を低減して、軟磁気特性をさらに向上させることができるため、トンネル磁気抵抗センサの感度をより高めることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、耐熱性を向上させることができ、ＴＭＲ比および感度をより高めることができるトンネル磁気抵抗センサおよびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサの縦断面図である。

【図2】本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサの、自由層の軟磁性層(CoFeSiB)_1-xTa_xに対し、（ａ）ｘ＝0.0 at.％のときの熱処理温度ごとの磁化曲線、（ｂ）ｘ＝4.1 at.％のときの熱処理温度ごとの磁化曲線、（ｃ）ｘ＝7.9 at.％のときの熱処理温度ごとの磁化曲線、（ｄ）飽和磁化Ｍ_ｓとｘとの関係を示すグラフ、（ｅ）異方性磁場Ｈ_ｋとｘとの関係を示すグラフ、（ｆ）一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕと飽和磁化Ｍ_ｓとの関係を示すグラフである。

【図3】本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサの、自由層の軟磁性層の(CoFeSiB)_1-xTa_xに対し、（ａ）ｘ＝0.0 at.％の熱処理前（As depo.）および500℃での熱処理後のＸＲＤスペクトル、（ｂ）ｘ＝7.9 at.％の熱処理前（As depo.）および500℃での熱処理後のＸＲＤスペクトル、（ｃ）ｘ＝7.9 at.％の熱処理前のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像である。

【図4】本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサに対し、（ａ）自由層の軟磁性層(CoFeSiB)_1-xTa_xのｘが、ｘ＝0.0 at.％のときの熱処理温度ごとの磁気抵抗曲線、（ｂ）ｘ＝2.8 at.％のときの熱処理温度ごとの磁気抵抗曲線、（ｃ）ｘ＝0.0 at.％の熱処理温度が325℃のとき、および、ｘ＝2.8, 4.1, 5.9 at.％の熱処理温度が400℃のときの磁気抵抗曲線、（ｄ） （ｃ）から求めた感度Ｓおよび、その最大値Ｓ_ｍａｘ（挿入図）を示すグラフである。

【図5】本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサに対し、（ａ）ｘ＝0.0 at.％の熱処理温度が400℃のときの走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）像、（ｂ）ｘ＝2.8 at.％の熱処理温度が400℃のときのＳＴＥＭ像、（ｃ） （ａ）の一部を拡大したＳＴＥＭ像および、（ａ）のアスタリスクの位置でのＮＢＤパターン（挿入図）、（ｄ） （ｂ）の一部を拡大したＳＴＥＭ像および、（ｂ）のアスタリスクの位置でのＮＢＤパターン（挿入図）である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図５は、本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサ（ＴＭＲセンサ）を示している。
図１に示すように、トンネル磁気抵抗センサ１０は、基板１１と下部電極層１２と自由層１３と障壁層１４と固定層１５と上部電極層１６とを有している。

【0017】

トンネル磁気抵抗センサ１０は、物理蒸着法であるスパッタリングや分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）などにより、基板１１の上に、下部電極層１２、自由層１３、障壁層１４、固定層１５、上部電極層１６の順番で成膜して形成されている。

【0018】

基板１１は、Ｓｉウエハや熱酸化膜付きＳｉウエハから成っている。下部電極層１２は、基板１１の表面に設けられている。下部電極層１２は、導電性の材料であれば、いかなるものから成っていてもよい。下部電極層１２は、例えば、Ｃｕ、Ｔａ、Ｒｕや、それらの積層構造から成っている。図１に示す具体的な一例では、下部電極層１２は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｔａから成っている。

【0019】

自由層１３は、下部電極層１２の基板１１とは反対側の表面に設けられている。自由層１３は、下部電極層１２の上に、軟磁性層２１と第１非磁性層２２と第１強磁性層２３とを、この順番で積層した構造を有している。軟磁性層２１は、外部からの磁束の影響を受けて磁化方向が変化可能になっている。軟磁性層２１は、不純物が添加されたアモルファス構造の軟磁性体から成り、３０ｎｍ～２００ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。図１に示す具体的な一例では、軟磁性層２１は、母材のＣｏＦｅＳｉＢに、不純物としてＴａが添加された軟磁性体から成り、層厚が１００ｎｍである。なお、不純物は、Ｔａに限らず、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗであってもよい。また、不純物は、母材に対して、２０ａｔ％以下で含んでいることが好ましい。

【0020】

第１非磁性層２２は、軟磁性層２１と第１強磁性層２３とを磁気的に結合すると共に、軟磁性層２１を第１強磁性層２３の結晶構造から切り離すために設けられている。第１非磁性層２２は、例えば、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕなどの非磁性体や、それらを含む合金の非磁性体から成り、０．２～１ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。図１に示す具体的な一例では、第１非磁性層２２は、Ｔａから成り、層厚が０．２ｎｍである。

【0021】

第１強磁性層２３は、外部からの磁束の影響を受けて磁化方向が変化可能になっている。第１強磁性層２３は、例えば、ＣｏＦｅＢなどの強磁性体から成り、１～５ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。図１に示す具体的な一例では、第１強磁性層２３は、ＣｏＦｅＢから成り、層厚が３ｎｍである。

【0022】

障壁層１４は、自由層１３の下部電極層１２とは反対側の表面、すなわち自由層１３の第１強磁性層２３の第１非磁性層２２とは反対側の表面に設けられている。障壁層１４は、例えば、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ、ＡｌＯｘ等の絶縁材料から成っており、１ｎｍ～５ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。図１に示す具体的な一例では、障壁層１４は、ＭｇＯから成っている。

【0023】

固定層１５は、障壁層１４の自由層１３とは反対側の表面に、自由層１３との間に障壁層１４を挟むよう設けられている。固定層１５は、障壁層１４の上に、第２強磁性層２４と第２非磁性層２５と第３強磁性層２６と固定化促進層２７とを、この順番で積層した構造を有している。第２強磁性層２４は、磁化方向が固定されている。第２強磁性層２４は、例えば、ＣｏＦｅＢなどの強磁性体から成り、１ｎｍ～５ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。図１に示す具体的な一例では、第２強磁性層２４は、ＣｏＦｅＢから成り、層厚が３ｎｍである。

【0024】

第２非磁性層２５は、第２強磁性層２４と第３強磁性層２６とを磁気的に結合すると共に、第２強磁性層２４を第３強磁性層２６の結晶構造から切り離すために設けられている。第２非磁性層２５は、例えば、ＩｒやＲｕなどの非磁性体から成り、０．２～１ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。また、第２非磁性層２５は、例えば、第２強磁性層２４の上部にＴａ、Ｍｏ、Ｗ等からなる非磁性層を設け、その上にＣｏＦｅ等の強磁性層を配置し、さらにその上にＩｒやＲｕなどの非磁性層を設けた構造であってよい。図１に示す具体的な一例では、第２非磁性層２５は、Ｒｕから成り、層厚が０．９ｎｍである。

【0025】

第３強磁性層２６は、磁化方向が固定されている。第３強磁性層２６は、例えば、ＣｏＦｅなどの強磁性体から成り、１ｎｍ～５ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。図１に示す具体的な一例では、第３強磁性層２６は、ＣｏＦｅから成り、層厚が２ｎｍである。

【0026】

固定化促進層２７は、第３強磁性層２６の固定化を促進するために設けられている。固定化促進層２７は、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性体から成り、５ｎｍ～２０ｎｍ程度の層厚を有している。図１に示す具体的な一例では、固定化促進層２７は、ＩｒＭｎから成り、層厚が１０ｎｍである。

【0027】

上部電極層１６は、固定化促進層２７の第３強磁性層２６とは反対側の表面に設けられている。上部電極層１６は、導電性の材料であれば、いかなるものから成っていてもよい。上部電極層１６は、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔや、それらの積層構造から成っている。図１に示す具体的な一例では、上部電極層１６は、Ｔａ／Ｒｕから成っている。

【0028】

トンネル磁気抵抗センサ１０は、本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗センサの製造方法により、所望の結晶構造を得るために、各層の成膜後に熱処理を行っている。熱処理温度は、不純物が添加されていない軟磁性層の結晶化温度よりも高い、325℃乃至425℃である。

【0029】

次に、作用について説明する。
トンネル磁気抵抗センサ１０は、自由層１３の軟磁性層２１に不純物を添加することにより、軟磁性層２１の結晶化温度を高めることができ、耐熱性を向上させることができる。このため、製造時の熱処理温度を高めることができ、固定層１５と障壁層１４との界面や、障壁層１４と自由層１３との界面の固相エピタキシーを促進して、ＴＭＲ比をより高めることができる。また、自由層１３の軟磁性層２１の異方性磁界を低減して、軟磁気特性をさらに向上させることができるため、感度をより高めることができる。

【実施例0030】

自由層１３の軟磁性層２１の(CoFeSiB)_1-xTa_x （以下では、「CoFeSiB(Ta)」ともいう）を製造して、磁気特性等を調べた。試験試料として、基板１１として熱酸化されたＳｉ（１００）基板を用い、その上に、スパッタリング法により、Ta (5)/CoFeSiB(Ta) (30)/Ta (2) の順に各層を成膜した。なお、括弧内の数字は、膜厚（単位；ｎｍ）である。また、軟磁性層２１CoFeSiB(Ta)を成膜する際には、ターゲットとしてCo_70.5Fe_4.5Si₁₅B₁₀を用いたコスパッタ法により、Taの含有率ｘを変えたものを５種類製造した。製造した各試験試料は、ｘ＝0.0, 2.8, 4.1, 5.9, 7.9 at.％である。また、各層を成膜後、一軸の磁気異方性を誘導するために、300℃～500℃で磁場中熱処理を行った。

【0031】

各試験試料について、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）により、磁化困難軸に平行な面内磁場での磁化曲線（Ｍ－Ｈ曲線）を求めた。ｘ＝0.0, 4.1, 7.9 at.％の各試験試料の、熱処理温度が300℃および400℃のときの磁化曲線を、それぞれ図２（ａ）～（ｃ）に示す。図２（ａ）に示すように、ｘ＝0.0 at.％の試験試料では、熱処理温度が300℃のとき、保磁力Ｈ_ｃが0.7 Oe、異方性磁場Ｈ_ｋが9.3 Oeであり、軟磁気特性を有していたが、熱処理温度が400℃のときには、保磁力が690 Oeとなり、軟磁気特性が失われていることが確認された。

【0032】

図２（ｂ）に示すように、ｘ＝4.1 at.％の試験試料では、熱処理温度が300℃のとき、異方性磁場Ｈ_ｋが2.6 Oeと小さくなっており、また、熱処理温度が400℃のとき、異方性磁場Ｈ_ｋが10 Oe程度であるが、保磁力が小さくなっており、いずれも軟磁気特性を有していることが確認された。図２（ｃ）に示すように、ｘ＝7.9 at.％の試験試料では、熱処理温度にかかわらず、異方性磁場Ｈ_ｋが1 Oe以下で非常に小さくなっており、磁気異方性がほとんど消滅していることが確認された。

【0033】

各試験試料の磁化曲線から、飽和磁化Ｍ_ｓ、異方性磁場Ｈ_ｋ、および一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕ（＝Ｍ_ｓ×Ｈ_ｋ／２）を求め、図２（ｄ）～（ｆ）に示す。図２（ｄ）に示すように、飽和磁化Ｍ_ｓは、熱処理温度にかかわらず、Taの含有率ｘが大きくなるのに従って、直線状に低下していくことが確認された。図２（ｅ）に示すように、異方性磁場Ｈ_ｋも、熱処理温度にかかわらず、Taの含有率ｘが大きくなるのに従って、低下していくことが確認された。また、その低下速度は、熱処理温度が400℃のときの方が、300℃のときよりも大きいことから、Taの増加と共に、急速に耐熱性が向上していくことが確認された。また、図２（ｆ）に示すように、一軸磁気異方性定数Ｋ_ｕは、熱処理温度にかかわらず、飽和磁化Ｍ_ｓが低下するのに従って、対数スケールで直線状に小さくなっていくことが確認された。

【0034】

次に、ｘ＝0.0 at.％および7.9 at.％の試験試料の、熱処理前（As depo.）、500℃での熱処理後のものに対して、Ｘ線回折法による測定を行った。それぞれのＸＲＤスペクトルを、図３（ａ）および（ｂ）に示す。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、Taを含んでいないもの（ｘ＝0.0 at.％）と、Taを含んでいるもの（ｘ＝7.9 at.％）との間には、明確な違いは認められなかった。また、Taの含有率ｘの値や熱処理温度にかかわらず、２θ＝44°～49°の間に、ブロードなピークが認められていることから、軟磁性層２１のCoFeSiB(Ta)は、アモルファスまたはナノ結晶質の構造を有していると考えられる。

【0035】

ｘ＝7.9 at.％の熱処理前の試験試料のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像を、図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）に示すように、軟磁性層２１CoFeSiB(Ta)の表面は、非常になめらかであり、算術平均表面粗さ（Ｒ_ａ）および二乗平均平方根表面粗さ（Ｒ_ｑ）は、それぞれ0.16 nmおよび0.20 nmであることが確認された。この値は、Taを含んでいない試験試料（ｘ＝0.0 at.％）の表面粗さと、ほぼ同じ値である。

【実施例0036】

図１に示すトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサを製造して、磁気特性等を調べた。ＴＭＲセンサの試験試料として、基板１１として熱酸化されたＳｉ（１００）基板を用い、その上に、スパッタリング法により、以下の構造の各層を成膜した。なお、括弧内の数字は、膜厚（単位；ｎｍ）である。

Ta (5)/Ru (40)/Ta (5)/CoFeSiB(Ta) (100)/Ta (0.2)/Co₄₀Fe₄₀B₂₀ (3)/MgO/Co₄₀Fe₄₀B₂₀ (3)/Ta₈₀B₂₀ (0.1)/Co₇₅Fe₂₅ (0.8)/Ru (0.8)/Co₇₅Fe₂₅ (3)/Ir₂₂Mn₇₈ (10)/Ta (2)/Ru (7)

【0037】

また、実施例１と同様に、軟磁性層２１CoFeSiB(Ta)を成膜する際には、ターゲットとしてCo_70.5Fe_4.5Si₁₅B₁₀を用いたコスパッタ法により、Taの含有率ｘを変えたものを４種類製造した。製造した各試験試料は、ｘ＝0.0, 2.8, 4.1, 5.9 at.％である。また、各層を成膜後、325℃～425℃で熱処理を行った。

【0038】

各試験試料について、磁化困難軸に平行な面内磁場での磁気抵抗曲線の測定を行った。ｘ＝0.0 at.％の試験試料の、熱処理温度が325℃、350℃、375℃のときの磁気抵抗曲線を、図４（ａ）に、ｘ＝2.8 at.％の試験試料の、熱処理温度が325℃、350℃、375℃、400℃、425℃のときの磁気抵抗曲線を、図４（ｂ）に示す。図４（ａ）に示すように、ｘ＝0.0 at.％の試験試料では、熱処理温度が325℃のとき、磁界に対してＴＭＲ比が線形に変化していることが確認された。しかしながら、熱処理温度が350℃以上のとき、保磁力Ｈ_ｃが大きくなっており、軟磁気特性が消滅していることが確認された。

【0039】

図４（ｂ）に示すように、ｘ＝2.8 at.％の試験試料では、全ての熱処理温度で、磁界に対してＴＭＲ比が線形に変化していることが確認された。このことから、少なくとも熱処理温度が425℃までは、軟磁気特性が維持されており、Taの添加により耐熱性が向上することが確認された。また、熱処理温度が高くなるに従って、ＴＭＲ比が、183％から228％まで増加することも確認された。これは、CoFeB/MgOの界面での固相エピタキシーが促進されているためであると考えられる。

【0040】

ｘ＝0.0 at.％の試験試料の、熱処理温度が325℃のときの磁気抵抗曲線（図４（ａ）の曲線と同じもの）、および、ｘ＝2.8, 4.1, 5.9 at.％の試験試料の、熱処理温度が400℃のときの磁気抵抗曲線を、図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）に示すように、Taを含んでいるものは、Taを含んでいないもの（ｘ＝0.0 at.％）と比べて、ＴＭＲ比が大きくなっていることが確認された。これは、熱処理温度を高くすることができたためであると考えられる。また、Taの含有率ｘが大きくなるに従って、磁気抵抗曲線の傾斜が急になることが確認された。これは、Taの含有率ｘが大きくなるに従って、異方性磁場Ｈ_ｋが小さくなっていくためであると考えられる（図２（ｅ）参照）。

【0041】

図４（ｃ）の各試験試料の磁気抵抗曲線の傾斜から各ＴＭＲセンサの感度Ｓを求め、図４（ｄ）に示す。図４（ｄ）に示すように、ＴＭＲセンサの自由層１３が磁化反転している途中（磁化反転の真ん中付近）で、感度Ｓの最大値Ｓ_ｍａｘが得られることが確認された。その感度Ｓの最大値Ｓ_ｍａｘを、Taの含有率ｘに対してプロットし、図４（ｄ）の挿入図に示す。図４（ｄ）に示すように、Taを含んでいないもの（ｘ＝0.0 at.％）では、感度Ｓの最大値Ｓ_ｍａｘが15 ％／Oeであったが、Taの含有率ｘが大きくなるに従って、感度Ｓの最大値Ｓ_ｍａｘが高くなり、ｘ＝5.9 at.％のＴＭＲセンサでは、感度Ｓの最大値Ｓ_ｍａｘが50 ％／Oeになることが確認された。

【0042】

ｘ＝0.0, 2.8 at.％の試験試料の、熱処理温度が400℃のものについて、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）による断面観察を行った。それぞれのＳＴＥＭ像を、図５（ａ）および（ｂ）に示す。図５（ａ）に示すように、Taを含んでいないもの（ｘ＝0.0 at.％）の軟磁性層２１のCoFeSiBは、アモルファス構造の中に直径が数１０ｎｍの結晶粒を含んでいることが確認された。これに対し、図５（ｂ）に示すように、Taを含んでいるもの（ｘ＝2.8 at.％）の軟磁性層２１のCoFeSiB(Ta)は、均一なアモルファス構造を成していることが確認された。

【0043】

図５（ａ）および（ｂ）を拡大したＳＴＥＭ像を、それぞれ図５（ｃ）および（ｄ）に示す。また、ナノビーム回折法（ＮＢＤ）による、図５（ａ）および（ｂ）のアスタリスクの位置でのＮＢＤパターンを、それぞれ図５（ｃ）および（ｄ）の挿入図に示す。図５（ｃ）に示すように、Taを含んでいないもの（ｘ＝0.0 at.％）の軟磁性層２１のCoFeSiBには、結晶粒界（図中の点線）が認められ、その結晶粒界の一方の側（図中の点線の左側）が格子模様を示し、他方の側（図中の点線の右側）が等方的な迷路状のパターン（maze pattern）を示していることが確認された。ＮＢＤパターンから、格子模様を示している側は、格子定数が0.336 nmの面心立方格子（fcc）構造の結晶であることが確認された。

【0044】

図５（ｄ）に示すように、Taを含んでいるもの（ｘ＝2.8 at.％）の軟磁性層２１のCoFeSiB(Ta)は、等方的な迷路状のパターン（maze pattern）を示していることが確認された。また、そのＮＢＤパターンが環状であることから、多数の面心立方格子のナノ結晶がランダムな方向を向いている構造を有していることが確認された。また、そのナノ結晶は、格子定数が0.336 nmであることも確認された。これらの結果から、軟磁性層２１にTaを添加することにより、結晶化温度を少なくとも400℃以上にすることができるといえる。