磁阻效应元件
阅读：979发布：2020-05-14
专利汇可以提供磁阻效应元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 所提供的 磁阻效应 元件中，具有第一 铁 磁性 金属层、第二 铁磁性 金属层、以及夹持于上述第一铁磁性金属层及第二铁磁性金属层的隧道势垒层，上述隧道势垒层由化学式AB2Ox表示，是阳离子排列不规则的 尖晶石 结构，并且A为二价阳离子，为Mg或Zn的任一者，B为三价阳离子，包含选自Al、Ga及In中的多种元素。，下面是磁阻效应元件专利的具体信息内容。
1.一种磁阻效应元件，其特征在于，具有：
第一铁磁性金属层、
第二铁磁性金属层、以及
夹持于所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层的隧道势垒层，
所述隧道势垒层由化学式AB2Ox表示，是阳离子排列不规则的尖晶石结构，且，A为二价阳离子，为Mg或Zn的任一者，
B为三价阳离子，包含选自Al、Ga及In中的多种元素，
0＜x≤4，
所述隧道势垒层具有：
晶格匹配部，其与所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层两者晶格匹配；和晶格不匹配部，其与所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层的至少一者晶格不匹配，
在通过将包含所述隧道势垒层与所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层的界面的截面TEM图像进行傅里叶变换，除去层叠方向以外的电子束衍射点，进行逆傅里叶变换而得到的逆傅里叶图像的晶格线中，
所述晶格匹配部是所述晶格线在宽度方向连续，并且从所述第一铁磁性金属层经由所述隧道势垒层连续地连接至所述第二铁磁性金属层的部分，
所述晶格不匹配部是所述晶格线在宽度方向连续，并且与所述第一铁磁性金属层及所述第二铁磁性金属层中的至少一者不连续地连接的部分、或者是所述晶格线在宽度方向连续，而未检测到连续地连接至所述第一铁磁性金属层及所述第二铁磁性金属层中的至少一者的晶格线的部分。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述晶格匹配部的体积相对于所述隧道势垒层整体的体积的比为65～95％。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述三价阳离子的多种元素的离子半径之差为 以下。
4.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述三价阳离子的多种元素的离子半径之差为 以下。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述二价阳离子在晶胞中的构成元素数少于所述三价阳离子的一半。
6.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述二价阳离子在晶胞中的构成元素数少于所述三价阳离子的一半。
7.根据权利要求3所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述二价阳离子在晶胞中的构成元素数少于所述三价阳离子的一半。
8.根据权利要求4所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述二价阳离子在晶胞中的构成元素数少于所述三价阳离子的一半。
9.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在室温下，在施加1V以上的偏压下，磁阻比为100％以上。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述第一铁磁性金属层的矫顽力比所述第二铁磁性金属层的矫顽力大。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层的至少任一者具有相对于层叠方向垂直的磁各向异性。
12.根据权利要求1～9中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述第一铁磁性金属层和所述第二铁磁性金属层的至少任一者为Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b，其中，0≤a≤1，0≤b≤1。
13.根据权利要求1～9中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在所述三价阳离子中，作为主成分的Al、Ga或In的任一种元素为85％以上且低于
100％。
磁阻效应元件
技术领域
[0001] 本发明涉及磁阻效应元件。
[0002] 本申请主张基于2015年3月31日在日本申请的特愿2015-071410号的优先权，并在此引用其内容。
背景技术
[0003] 已知有由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件和将绝缘层(隧道势垒层、势垒层)用于非磁性层的隧道磁阻(TMR)元件。通常虽然TMR元件与GMR元件相比元件电阻较高，但是TMR元件的磁阻(MR)比比GMR元件的MR比大。TMR元件可以分类为2类。第一类是仅利用了使用铁磁性层间的波函数的渗透效应的隧道效应的TMR元件。第二类是利用了在产生上述的隧道效应时利用产生隧道的非磁性绝缘层的特定的轨道的传导的相干隧道的TMR元件。已知利用了相干隧道的TMR元件相比仅利用了隧道的TMR元件，可以得到更大的MR比。为了引起该相干隧道效应，铁磁性层和非磁性绝缘层相互为结晶质，从而产生铁磁性层与非磁性绝缘层的界面成为结晶学连续的情况。
[0004] 在各种用途中使用磁阻效应元件。例如，作为磁传感器，已知有磁阻效应型磁传感器，在硬盘驱动器的播放功能中磁阻效应元件确定该特性。在磁传感器中，是检测磁阻效应元件的磁化方向根据来自外部的磁场发生变化的效应作为磁阻效应元件的电阻变化的方法。以后期待的设备是磁阻变化型随机存取存储器(MRAM)。MRAM是使二层的铁磁性的磁方向平行和反平行地适当变化，将磁阻读入为0和1的数字信号的存储器。
[0005] 现有技术文献
[0007] 专利文献1：日本专利第5586028号公报
[0008] 专利文献2：日本特开2013-175615号公报
[0009] 非专利文献
[0010] 非专利文献1：Hiroaki Sukegawa,a[1]Huixin Xiu,Tadakatsu Ohkubo,Takao Furubayashi,Tomohiko Niizeki,Wenhong Wang,Shinya Kasai,Seiji Mitani,Koichiro Inomata,and Kazuhiro Hono,APPLIED PHYSICS LETTERS 96,212505[1](2010)
[0011] 非专利文献2：Thomas Scheike,Hiroaki Sukegawa,Takao Furubayashi,Zhenchao Wen,Koichiro Inomata,Tadakatsu Ohkubo,Kazuhiro Hono and Seiji Mitani,Applied Physics Letters,105,242407(2014)
[0012] 非专利文献3：Yoshio Miura,Shingo Muramoto,Kazutaka Abe,and Masafumi Shirai，Physical Review B 86，024426(2012)
发明内容
[0013] 发明所要解决的技术问题
[0014] 近年来，为了产生该相干隧道，需要使用MgO作为非磁性绝缘层。但是，在将MgO用作非磁性绝缘层的情况下，存在施加于TMR元件的偏压变高时，MR比大幅减小的技术问题。
[0015] 今后的磁传感器或MRAM等设备中，需要即使在较高的偏压下，也可以得到充分的MR比。与偏压下的MR比的减小相关的一个指标为Vhalf。Vhalf是指以低偏压为基准，相对于施加低偏压时的MR比，MR比减半的偏压。低偏压为例如1mV。另外，根据磁阻效应元件的电阻值等的条件所得到的最佳的低偏压不同，因此，低偏压只要至少为比Vhalf小十分之一以下的电压即可。
[0016] 磁传感器中，为了观测地磁或生物磁等微小的磁场，必须放大在电路上作为电阻变化而得到的电信号。一直以来，为了实现高灵敏度，不仅需要增大MR比，还需要增大输出电压或输出电流，需要较高的偏压下的驱动。在MRAM时写入的动作中需要较高的电压驱动。自旋转移力矩型(STT)MRAM中，铁磁性层的磁化方向越发生变化，则需要将越高的电流密度施加于磁阻效应元件。铁磁性层的磁化方向是自旋极化电流作用于铁磁性层的自旋的效果。重写电流与MR比同样是由强自旋极化电流而产生，因此，STT-MRAM也同样地需要在高偏压下的高MR比。
[0017] 在专利文献1和非专利文献1中，报道了作为替代MgO的材料，尖晶石结构的隧道势垒是有效的。已知以MgAl2Ox(0＜x≤4)的组成式表示的尖晶石隧道势垒可以得到与MgO同等的MgO比，同时在高偏压下可以得到比MgO高的MR比。另外，在专利文献2以及非专利文献2和非专利文献3中记载了为了得到高MR比，需要MgAl2O4为不规则的尖晶石结构。这里所说的不规则的尖晶石结构是指具有虽然O原子的排列采取与尖晶石大致同等的密排立方晶格，但是Mg和Al的原子排列混乱的结构，作为整体是立方晶的结构。在本来的尖晶石中，氧离子的四面体空隙和八面体空隙中有规则地排列Mg和Al。然而，不规则的尖晶石结构中这些被任意配置，因此，结晶的对称性改变，实质上成为晶格常数由MgAl2O4的约0.808nm减半的结构。
[0018] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种在较高的偏压下产生比使用了现有的尖晶石隧道势垒的TMR元件更高的MR比的磁阻效应元件。
[0019] 用于解决技术问题的方案
[0020] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁阻效应元件，具有：第一铁磁性金属层、第二铁磁性金属层、以及夹持于第一磁性金属层和第二铁磁性金属层的隧道势垒层，所述隧道势垒层由化学式AB2Ox表示，是阳离子排列不规则的尖晶石结构，且，A为二价阳离子，为Mg或Zn的任一者，B为三价阳离子，包含选自Al、Ga及In中的多种元素。
[0021] 通过在隧道势垒层的尖晶石结构的三价阳离子的位点配置不同的非磁性元素，基本晶格常数成为现有的尖晶石结构的一半，MR比增大。
[0022] 上述磁阻效应元件中，隧道势垒层也可以具有：晶格匹配部，其与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层两者晶格匹配；和晶格不匹配部，其与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的至少一者晶格不匹配。
[0023] 上述磁阻效应元件中，隧道势垒层中的晶格匹配部分相对于隧道势垒层整体的体积的体积比也可以为65～95％。
[0024] 在隧道势垒层中的晶格匹配部分的体积比为65％以下的情况下，相干隧道的效果减少，因此，MR比减少。另外，隧道势垒层中的晶格匹配部分的体积比为95％以上的情况下，不会减弱通过隧道势垒层时的自旋偏极的电子相互干涉的效果，不会观测到自旋偏极的电子通过隧道势垒层的效果的增大。通过将非磁性元素的构成元素数设为少于铝离子的元素数的一半，从而在阳离子中产生空位，空位和2种以上的非磁性元素占据阳离子，晶格的周期性打乱，因此，MR比进一步增大。
[0025] 在上述磁阻效应元件中，构成B的三价阳离子的多种元素的离子半径之差也可以为 以下。离子半径之差较小时，阳离子难以有序化，成为比普通的尖晶石结构的晶格常数小的晶格常数，因此，在离子半径接近的两种以上的元素的情况下，MR比进一步增大。
[0026] 在上述磁阻效应元件中，二价阳离子在晶胞中的构成元素数也可以少于三价阳离子的一半。通过将非磁性元素的构成元素数设为少于三价阳离子的一半，从而在阳离子中产生空位，空位和两种以上的非磁性元素占有阳离子，晶格的周期性混乱，因此，MR比增大。
[0027] 在上述磁阻效应元件中，在室温下，在施加1V以上的电压下，磁阻比也可以为100％以上。高灵敏度的磁传感器、逻辑存储器及MRAM等的施加较高的偏压的设备中也能够利用磁阻效应元件。
[0029] 在上述磁阻效应元件中，第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的至少任一者也可以具有相对于层叠方向垂直的磁各向异性。由于不需要施加偏磁场，因此，能够进行设备的缩小化。另外，具有较高的抗热干扰性，因此，能够作为记录元件发挥作用。
[0030] 在上述磁阻效应元件中，第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的至少任一者也可以为Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b(0≤a≤1，0≤b≤1)。Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b为自旋极化率较高的铁磁性金属材料，能够得到比使用其它铁磁性金属材料时更高的MR比。
[0031] 在上述磁阻效应元件中，在上述三价阳离子中，作为主成分的Al、Ga或In的任一种元素也可以为85％以上且低于100％。在作为主成分的Al、Ga或In的任一种元素为85％以上且低于100％的区域内，RA成为比主成分为100％时低的RA。这能够认为是，被置换的元素在晶格中产生畸变，并产生有助于传导的成分。或者可认为，被置换的元素在能带隙中形成杂质能级，有助于传导。
[0032] 发明的效果
[0034] 图1是磁阻效应元件的层叠结构。
[0035] 图2是尖晶石的晶体结构的图。
[0036] 图3是具有有以规则尖晶石结构和本发明的隧道势垒层估计的晶格常数的Fm-3m的对称性的不规则尖晶石结构的示意图。
[0037] 图4是具有有以规则尖晶石结构和本发明的隧道势垒层估计的晶格常数的Fm-3m的对称性的不规则尖晶石结构的示意图。
[0038] 图5是具有有以规则尖晶石结构和本发明的隧道势垒层估计的晶格常数的Fm-3m的对称性的不规则尖晶石结构的示意图。
[0039] 图6是具有有以规则尖晶石结构和本发明的隧道势垒层估计的晶格常数的F-43m的对称性的不规则尖晶石结构的示意图。
[0040] 图7是具有有以规则尖晶石结构和本发明的隧道势垒层估计的晶格常数的F-43m的对称性的不规则尖晶石结构的示意图。
[0041] 图8是从层叠方向的垂直方向观察实施方式中的磁阻效应元件的评价结构得到的图。
[0042] 图9是从层叠方向观察实施方式的元件结构得到的图。
[0043] 图10是评价了实施例1的磁阻效应元件的磁阻效应的图。
[0044] 图11是评价了实施例1的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0045] 图12是评价了实施例2的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0046] 图13是评价了实施例3的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0047] 图14是评价了实施例4的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0048] 图15是评价了实施例5的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0049] 图16是评价了实施例6的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0050] 图17是评价了实施例7的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0051] 图18是绘制根据实施例8的磁阻效应的测定结果求得的RA和根据EDS求得的三价阳离子中的Ga的量的图。
[0052] 图19是评价了比较例1的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0053] 图20是评价了比较例2的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
[0054] 图21是铁磁性金属层与隧道势垒层晶格匹配的部分的一个例子，图21(A)是高分辨率的截面TEM，图21(B)是进行过逆傅里叶分析的图的例子。
[0055] 图22是实施例9的包含与层叠方向平行的方向的截面的结构图。
[0056] 图23是表示实施例9的隧道势垒层与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层两者晶格匹配的晶格匹配部分的比例和元件的特性的图。图23(A)是表示第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的磁化方向平行时的元件电阻(Rp)的图。图23(B)是表示第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的磁化方向反平行时的元件电阻(Rap)的图。图23(C)是表示元件的磁阻比的图。
[0057] 符号说明
[0059] 以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行详细地说明。另外，在附图的说明中，对同一要素赋予同一符号，并省略重复的说明。
[0060] (第一实施方式)
[0061] 以下，作为第一实施方式的磁阻效应元件，具有：第一铁磁性金属层6、第二铁磁性金属层7和夹持于上述第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的隧道势垒层3，隧道势垒层3由化学式AB2Ox(0＜x≤4)表示，是阳离子的排列不规则的尖晶石结构，并且，二价的阳离子为Mg或Zn的任一者，三价阳离子含有选自Al、Ga及In中的多种元素，对该情况进行说明。
[0062] (基本结构)
[0063] 图1所示的例子中，磁阻效应元件100设于基板1上，是从基板1起依次具备基底层2、第一铁磁性金属层6、隧道势垒层3、第二铁磁性金属层7以及保护层4的层叠结构。
[0064] (隧道势垒层)
[0065] 隧道势垒层3由非磁性绝缘材料构成。一般而言，隧道势垒层的膜厚为3nm以下的厚度，利用金属材料夹住隧道势垒层时，由于金属材料的原子所具有的电子的波函数扩散到隧道势垒层3以外，因此，尽管在电路上存在绝缘体，电流也可以流通。磁阻效应元件100是用铁磁性金属材料夹持隧道势垒层3的结构，可以通过夹持的铁磁性金属的各自的磁化方向的相对角来决定电阻值。在磁阻效应元件100中，有通常的隧道效应和隧穿时的轨道被限定的相干隧道效应。通常的隧道效应时，可以通过铁磁性材料的自旋极化率来得到磁阻效应。另一方面，相干隧道中限定了隧穿时的轨道，因此，可以期待铁磁性材料的自旋极化率以外的效果。因此，为了表现相干隧道效应，需要铁磁性材料和隧道势垒层3结晶化，并以特定的方位接合。
[0066] (尖晶石结构)
[0067] 在图2中示出尖晶石结构。存在氧4配位于阳离子的A位点和氧6配位于阳离子的B位点。这里指的阳离子不规则化的尖晶石结构的Sukenel结构是规则尖晶石的氧原子位置几乎不发生变化地具有规则尖晶石结构的一半的晶格常数，并且阳离子位于本来未占有的氧原子的四面体位置和八面体位置的结构。此时，全部存在图3～图7所示的5种结构的可能性，但是只要是这些结构的任一种或这些结构混合而成的结构即可。
[0068] (不规则的尖晶石结构的定义)
[0069] 本说明书中有时将阳离子不规则化的尖晶石结构称为Sukenel结构。Sukenel结构是指具有O原子的排列采取与尖晶石大致同等的密排立方晶格，但是阳离子的原子排列打乱的结构，作为整体是立方晶的结构。本来的尖晶石中，在氧离子的四面体空隙和八面体空隙规则地排列阳离子。然而，在Sukenel结构中这些随机地配置，因此，结晶的对称性改变，实质上成为晶格常数减半的结构。通过该晶格重复单元改变，从而与铁磁性层材料的电子结构(能带结构)的组合发生变化，因此，出现由于相干隧道效应而产生的大的TMR增强。例如，已知作为非磁性的尖晶石材料的MgAl2O4的空间群为Fd-3m，但晶格常数减半的不规则尖晶石结构的空间群变化为Fm-3m或F-43m，一共有5种结构(非专利文献2)，可以是这些的任意结构。
[0070] 另外，在本说明书中，Sukenel结构不一定需要为立方晶。在层叠结构中，晶体结构受到基底的材料的晶体结构的影响，部分晶格变形。各个材料具有块状晶体结构，但在制成薄膜的情况下，能够取得以块状晶体结构为基本且部分变形的晶体结构。特别是本发明中的隧道势垒层是非常薄的结构，容易受到与隧道势垒层接触的层的晶体结构的影响。但是，Sukenel结构的块状晶体结构为立方晶，对于本说明书中的Sukenel结构，在Sukenel结构不是立方晶的情况下，也包括稍微偏离立方晶的结构。通常本说明书中的Sukenel结构由立方晶偏离一点点，依赖于评价结构的测定方法的精度。
[0071] 隧道势垒层的非磁性元素中，二价的阳离子(A位点)为镁或锌的任一者。这些非磁性元素的二价为稳定状态，在成为隧道势垒层的构成元素的情况下，能够实现相干隧道，MR比增大。
[0072] 隧道势垒层的非磁性元素中，三价阳离子(B位点)含有选自铝、镓及铟中的至少两种元素。这些非磁性元素的三价为稳定状态，在成为隧道势垒层的构成元素的情况下，能够实现相干隧道，MR比增大。
[0073] 隧道势垒层的多个非磁性元素的三价阳离子的离子半径之差也可以为0.2A以下。离子半径之差较小时，阳离子难以有序化，成为比通常的尖晶石结构的晶格常数小的晶格常数，因此，在离子半径接近的两种以上的元素的情况下，MR比进一步增大。
[0074] 隧道势垒层的三价阳离子中，作为主成分的Al、Ga或In的任一种元素也可以为85％以上且低于100％。在作为主成分的Al、Ga或In的任一种元素为85％以上且低于100％的区域中，RA成为比主成分为100％时低的RA。这能够认为，置换的元素在晶格中赋予畸变，并赋予有助于传导的成分。或可认为，置换的元素在能带隙中形成杂质能级，有助于传导。
[0075] (第一铁磁性金属层)
[0076] 作为第一铁磁性金属层6的材料，例如可以列举选自Cr、Mn、Co、Fe以及Ni中的金属、包含1种以上的上述金属的合金、或者包含选自上述的1种或多种的金属与B、C和N的至少1种以上的元素的合金。具体来说，可以列举Co-Fe或Co-Fe-B。进一步，为了得到高输出，优选为Co2FeSi等的Heusler合金。Heusler合金包含具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X为周期表上Co、Fe、Ni或Cu族的过渡金属元素或者贵金属元素，Y为Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属，并且也可以采取X的元素种类，Z为III～V族的典型元素。例如，可以列举Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。另外，为了相比第二铁磁性金属层7具有更大矫顽力，作为与第一铁磁性金属层6接触的材料，也可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。进一步，为了使第一铁磁性金属层6的漏磁场不影响第二铁磁性金属层7，也可以制成合成铁磁性耦合的结构。
[0077] 在使第一铁磁性金属层6的磁化方向相对于层叠面垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。通过使第一铁磁性金属层6为例如[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)，可以将磁化方向设定为垂直。
[0078] (第二铁磁性金属层)
[0079] 作为第二铁磁性金属层7的材料，可以使用铁磁性材料，特别是软磁性材料，例如可以列举选自Cr、Mn、Co、Fe以及Ni中的金属、包含1种以上的上述金属的合金、或者包含选自上述中的1种或多种的金属与B、C和N的至少1种以上的元素的合金。具体来说，可以列举Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
[0080] 在使第二铁磁性金属层7的磁化方向相对于层叠面垂直的情况下，优选将铁磁性材料设定为2.5nm以下。可以在第二铁磁性金属层7与隧道势垒层3的界面对第二铁磁性金属层7附加垂直磁各向异性。另外，对于垂直磁各向异性，由于通过加厚第二铁磁性金属层7的膜厚，效果会减弱，因此，优选第二铁磁性金属层7的膜厚越薄越好。
[0081] 通常第一铁磁性金属层6成为磁化方向被固定的结构，第一铁磁性金属层6被称为固定层。另外，由于第二铁磁性金属层7的磁化方向比第一铁磁性金属层6更容易通过外部磁场或自旋转矩而变化，因此，被称为自由层。
[0082] (基板)
[0083] 也可以将本发明所涉及的磁阻效应元件形成于基板上。
[0084] 在该情况下，基板1优选使用平坦性优异的材料。基板1根据目标的产品而不同。例如，在MRAM的情况下，可以在磁阻效应元件下使用以Si基板形成的电路。或者，在磁头的情况下，可以使用容易加工的AlTiC基板。
[0085] (基底层)
[0086] 在基板上形成本发明所涉及的磁阻效应元件的情况下，也可以在基板上首先形成基底层。
[0087] 在该情况下，为了控制第一铁磁性金属层6和比第一铁磁性金属层6更上的层的结晶取向性、晶体粒径等的结晶性，可以使用基底层2。因此，基底层2的材料的选择变得重要。在以下对基底层2的材料以及结构进行说明。另外，作为基底层，可以是导电性和绝缘性的任一种，在对基底层进行通电的情况下，优选使用导电性材料。首先，作为基底层2的第1例，可以列举具有(001)取向的NaCl结构并且含有选自Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中的至少1种元素的氮化物的层。作为基底层2的第2例，可以列举由ABO3构成的(002)取向的钙钛矿系导电性氧化物的层。在此，位点A包含选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中的至少1种元素，位点B含有选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中的至少一种元素。作为基底层2的第三例，可举出具有(001)取向的NaCl结构，且含有选自Mg、Al、Ce中的至少一种元素的氧化物的层。作为基底层2的第四例，可以列举具有(001)取向的四方晶结构或立方晶结构，并且含有选自Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中的至少1种元素的层。作为基底层2的第5例，可以列举组合上述第1～第4例的任意层并层叠2层以上的层叠结构。这样，通过设计基底层的结构，从而可以控制铁磁性层2和较铁磁性层2更上的层的结晶性，并且能够改善磁特性。
[0088] (保护层)
[0089] 也可以在本发明所涉及的磁阻效应元件的第二铁磁性金属层上形成保护层。
[0090] 保护层4设置于第二铁磁性金属层7的层叠方向的上部，用于控制结晶取向性、晶体粒径等的结晶性和元素的扩散。在形成bcc结构的自由层的情况下，保护层的晶体结构可以是fcc结构、hcp结构或bcc结构的任一种。在形成fcc结构的自由层的情况下，保护层的晶体结构可以是fcc结构、hcp结构或bcc结构的任一种。保护层的膜厚只要可以得到变形缓和效果，并且进一步是没有发现由分流器而造成的MR比的降低的范围即可。保护层的膜厚优选为1nm以上且30nm以下。
[0091] (元件的形状、尺寸)
[0092] 构成本发明的由第一铁磁性金属层、隧道势垒层以及第二铁磁性金属层2构成的层叠体为柱状的形状，俯视层叠体得到的形状可以取得圆形、四方形、三角形、多边形等各种形状，从对称性的方面出发，优选为圆形。即，层叠体优选为圆柱状。
[0093] 在图8和图9中例示磁阻效应元件的形状和尺寸。
[0094] 图8是从磁阻效应元件100的层叠方向的侧面观察得到的结构图。图8的磁阻效应元件100在图1所记载的保护层4的上部形成有电极层5。图9是从磁阻效应元件100的层叠方向观察得到的结构图。另外，在图9中也图示有电流源71和电压计72。
[0095] 如图8和图9所记载的，磁阻效应元件100被加工成80nm以下的圆柱状，施加配线。通过将磁阻效应元件100的大小设定为80nm以下的柱状，从而在铁磁性金属层中难以制成域的结构，不需要考虑与铁磁性金属层的自旋极化不同的成分。在图9中，磁阻效应元件100配置于基底层2与电极层5的交叉的位置。
[0096] (评价方法)
[0097] 磁阻效应元件100可以用图8和图9所记载的结构进行评价。例如，如图9那样配置电流源71和电压计72，通过对磁阻效应元件100施加一定的电流或者一定的电压，从外部一边扫描磁场一边测定电压或电流，由此可以观测磁阻效应元件100的电阻变化。
[0098] MR比通常以以下的式子表示。
[0099] MR比(％)＝{(RAP-RP)/RP}×100
[0100] RP为第一铁磁性金属层6和第二铁磁性金属层7的磁化方向平行的情况下的电阻，RAP为第一铁磁性金属层6和第二铁磁性金属层7的磁化方向反平行的情况下的电阻。
[0101] 如果磁阻效应元件100中流通强电流，则通过STT的效应发生磁化的旋转，磁阻效应元件100的电阻值急剧变化。该电阻值急剧变化的电流值被称为反转电流值(Jc)。
[0102] (其它)
[0103] 在本实施例中列举了矫顽力大的第一铁磁性金属层6为下面的结构的例子，但不限定于该结构。在矫顽力大的第一铁磁性金属层6为上面的结构的情况下，与第一铁磁性金属层6为下面的结构的情况相比，矫顽力变小，但由于发挥基板的结晶性可以形成隧道势垒层3，因此，可以使MR比增大。
[0104] 为了有效地利用磁阻效应元件作为磁传感器，优选电阻相对于外部磁场线性变化。在通常的铁磁性层的层叠膜中，磁化方向根据形状各向异性容易朝向层叠面内。在该情况下，例如，通过从外部施加磁场，使第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的磁化方向正交，从而使电阻变化相对于外部磁场线性变化。但是，在该情况下，由于需要在磁阻效应元件的附近施加磁场的机构，因此，在进行集聚方面不优选。在铁磁性金属层自身具有垂直的磁各向异性的情况下，不需要从外部施加磁场等的方法，在进行集聚方面有利。
[0105] 使用了本实施方式的磁阻效应元件可以作为磁传感器或MRAM等的存储器使用。特别地，在以比现有的磁传感器中利用的偏压更高的偏压下使用的产品中，本实施方式有效。
[0106] (制造方法)
[0107] 磁阻效应元件100例如可以使用磁控管溅射装置形成。
[0108] 隧道势垒层3可以利用公知的方法制作。例如，在第一铁磁性金属层6上溅射金属薄膜，进行等离子体氧化或通过氧导入的自然氧化，其后通过热处理而形成。作为成膜法，除了磁控管溅射法以外，还可以使用蒸镀法、激光烧蚀法、MBE法等通常的薄膜制作法。
[0109] 基底层、第一铁磁性金属层、第二铁磁性金属层、保护层可以分别用公知的方法制作。
[0110] (第二实施方式)
[0111] 第二实施方式中，仅隧道势垒层的形成方法与第一实施方式不同。在第一实施方式中，反复进行金属膜的形成、氧化、金属膜的形成、氧化来形成隧道势垒层。在第二实施方式中，在氧化工序中将基板温度冷却至-70～-30度之后，进行氧化。通过将基板冷却，在基板与真空之间或基板与等离子体之间产生温度梯度。首先，如果氧接触基板表面，则与金属材料反应发生氧化，但由于温度较低，因此，氧化不发展。由此，容易调整隧道势垒层的氧量。另外，通过形成温度梯度，从而容易调整外延生长(晶格匹配后的生长)。由于晶体生长通过温度梯度而进行，因此，如果将基板的温度充分冷却，则容易进行外延生长。另外，如果基板温度上升，则形成了域在面内形成了多个晶核，晶核各自独立进行外延生长，因此，在晶体生长后的域彼此接触的部分形成了晶格不匹配的部分。
[0112] 隧道势垒层优选部分存在与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层两者晶格匹配的晶格匹配部分。通常隧道势垒层可以与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层两者全部晶格匹配。然而，如果全部晶格匹配，则通过隧道势垒层时的发生了自旋极化的电子相互干涉，因此，变得难以通过隧道势垒层。相反地，如果部分存在晶格匹配的晶格匹配部分，则在晶格不匹配的部分通过隧道势垒层时的发生了自旋极化的电子的干涉被适度切断，从而发生了自旋极化的电子变得容易通过隧道势垒层。相对于隧道势垒层整体的体积，隧道势垒层中晶格匹配部分的体积比优选为65～95％。在隧道势垒层中晶格匹配部分的体积比为65％以下的情况下，由于相干隧道的效应降低，因此，MR比降低。另外，在隧道势垒层中晶格匹配部分的体积比为95％以上的情况下，减弱了通过隧道势垒层时的发生了自旋极化的电子相互干涉的效果，从而不能观察到自旋极化后的电子通过隧道势垒层的效果的增大。
[0113] (晶格匹配部的体积比的计算方法)
[0114] 隧道势垒层整体的体积中晶格匹配部分(晶格匹配部)的体积比例如，可以根据TEM图像估计。对于是否存在晶格匹配，截面TEM图像中，将隧道势垒层、第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的部分进行傅里叶变换，得到电子束衍射图像。在进行傅里叶变换而得到的电子束衍射图像中，除去层叠方向以外的电子束衍射点。如果对该图进行逆傅里叶变换，则成为仅得到了层叠方向的信息的图像。在该逆傅里叶图像的晶格线中，将隧道势垒层连续地连接第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层两者的部分作为晶格匹配部。另外，在晶格线中，将隧道势垒层不连续地连接第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层中至少一者或者没有检测出晶格线的部分作为晶格不匹配部。晶格匹配部在逆傅里叶图像的晶格线中，从第一铁磁性金属层开始经由隧道势垒层连续地连接至第二铁磁性金属层，因此，可以根据TEM图像测量晶格匹配部的宽度(LC)。另一方面，同样地晶格不匹配部在逆傅里叶图像的网格线中没有连续地连接，因此，可以根据TEM图像测量晶格不匹配部的宽度(LI)。通过将晶格匹配部的宽度(LC)作为分子，将晶格匹配部分的宽度(LC)与晶格不匹配的部分的宽度(LI)之和作为分母，可以求得晶格匹配部的体积相对于隧道势垒层整体的体积之比。另外，TEM图像是截面图像，但包括包含纵深的信息。因此，可以认为根据TEM图像估算的区域与体积成比例。
[0115] 图21是隧道势垒层和铁磁性金属层晶格匹配的部分的一例。图21(A)是高分辨率的截面TEM图像的例子，图21(B)是在电子束衍射图像中除去了层叠方向以外的电子束衍射点之后进行逆傅里叶变换而得到的图像的例子。图21(B)中，除去了与层叠方向垂直的成分，可以在层叠方向观测到晶格线。显示隧道势垒层和铁磁性金属层在界面没有中断而连续地连接。
[0116] 实施例
[0117] (实施例1)
[0118] 以下针对第一实施方式所涉及的磁阻效应元件的制造方法的一个例子进行说明。在设置有热氧化硅膜的基板上使用磁控溅射法进行成膜。依次形成了作为基底层的Ta
5nm/Ru 3nm、作为第一铁磁性金属层的IrMn 12nm/CoFe 10nm/Ru 0.8nm/CoFe 7nm。接下来，表示隧道势垒层的形成方法。溅射Mg及Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9合金组成的靶材，从而成膜Mg
0.1nm/Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:
25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Mg 0.05nm/Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9 0.3nm/Mg
0.05nm。进一步使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行了自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar和氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
5nm/Ru 3nm、作为第一铁磁性金属层的IrMn 12nm/CoFe 10nm/Ru 0.8nm/CoFe 7nm。接下来，表示隧道势垒层的形成方法。溅射Mg及Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9合金组成的靶材，从而成膜Mg
0.1nm/Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:
25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Mg 0.05nm/Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9 0.3nm/Mg
0.05nm。进一步使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行了自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar和氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0119] 将上述层叠膜再次移动至成膜腔室，形成5nm的CoFe作为第二铁磁性金属层7。进一步，形成Ru 3nm/Ta 5nm作为保护层4。
[0120] 将上述层叠膜设置于退火装置中，在Ar中以450℃的温度下处理10分钟后，在施加了8kOe的状态下以280℃的温度处理6小时。
[0121] 接着，如图9那样进行元件形成。首先，以成为图9的电极层的旋转了90度的方向的方式使用电子束光刻进行了光刻胶的形成。通过离子铣削法削去光刻胶下以外的部分，使作为基板的热氧化硅膜露出。形成基底层2的形状。进一步，在基底层的形状的中间变细的部分使用电子束光刻以成为80nm的圆柱状的方式形成光刻胶，通过离子铣削法削去光刻胶下以外的部分，使基底层露出。其后，将SiOx作为绝缘层形成于被离子铣削法削去的部分。在此除去80nm的圆柱状的光刻胶。仅在图9的电极垫的部分没有形成光刻胶，通过离子铣削法除去绝缘层，使基底层露出。其后，形成了Au。该电极垫8作为与上述层叠膜的基底层的接触电极起作用。接着，以成为图9的电极层的方式，通过光刻胶和离子铣削法形成形状，形成了Au。其作为与上述层叠膜的电极层的接触电极起作用。
[0122] (实施例1的特性评价)
[0123] 磁阻元件的评价方法根据通常进行的磁阻元件的评价方法。如图9所示，将电流源和电压计分别连接于电极垫和电极层，进行通过四端子法的测定。使由电压计施加的偏压适当变化为10～1500mV，以电流源测定电流，由此求得电阻值。通过从外部对磁阻效应元件施加磁场，观测变化的电阻值。图10是评价实施例1的磁阻效应元件的磁阻效应的图。横轴为磁场，纵轴为元件的电阻。施加的偏压为1V，并设为电子从第一铁磁性金属层流向第二铁磁性层7的方向。根据图10可知，MR比为79.0％，元件的面积电阻(RA)为0.75Ω·μm2。图11是评价实施例1的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。可知实施例1的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图11可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1V。
[0124] (实施例1的结构分析)
[0125] 隧道势垒层的结构分析通过使用了透射电子束的电子衍射图像评价。通过该方法研究了势垒层的结构，结果明确了没有在规则尖晶石结构中出现的来自{022}面或{111}面的反射，可知该势垒的尖晶石结构由不规则的立方晶结构构成。
[0126] (实施例1的组成分析)
[0127] 隧道势垒层的组成分析使用能量色散型X射线分析(EDS)进行。作为组成比的基准，将Al、Ga、In的含量之和定义为2，比较Mg与Zn的相对量，结果，Mg:Al:Ga:In＝1.0:0.67:0.73:0.6。此外，O的定量评价困难，因此，忽略了O的定量性。但是，通常在氧化物中即使O的量偏离定量比，也可以维持晶体结构。
[0128] (实施例2)
[0129] 制作方法与实施例类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。溅射Zn及Zn0.5Al1.0Ga1.1In0.9合金组成的靶材，以成膜Zn0.1nm/Zn0.5Al1.0Ga1.1In0.9 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Zn
0.05nm/Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9 0.3nm/Zn 0.05nm。进一步使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行了自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar和氧的分压比为1:20，总气压为
0.08Pa。
0.05nm/Mg0.5Al1.0Ga1.1In0.9 0.3nm/Zn 0.05nm。进一步使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行了自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar和氧的分压比为1:20，总气压为
0.08Pa。
[0130] (实施例2的特性)
[0131] 磁阻效应的测定结果可知，在偏压1V的情况下，MR比为85.6％，元件的面积电阻2
(RA)为0.72Ω·μm。图12是评价实施例2的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
可知实施例2的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图12可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1.1V。使用EDS比较相对量，结果为Zn:Al:Ga:In＝1.05:0.65:0.75:0.6。另外，根据电子束衍射图像得知，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
(RA)为0.72Ω·μm。图12是评价实施例2的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
可知实施例2的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图12可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1.1V。使用EDS比较相对量，结果为Zn:Al:Ga:In＝1.05:0.65:0.75:0.6。另外，根据电子束衍射图像得知，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
[0132] (实施例3)
[0133] 制作方法与实施例1类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。溅射Mg及Mg0.5Al1.9Ga1.1合金组成的靶材，成膜Mg 0.1nm/Mg0.5Al1.9Ga1.1 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，成膜Mg 0.05nm/Mg0.5Al1.9Ga1.1 0.3nm/Mg 0.05nm。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为
30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0134] (实施例3的特性)
[0135] 磁阻效应的测定结果得知，在偏压1V的情况下，MR比为128.5％，元件的面积电阻(RA)为0.69Ω·μm2。图13是评价实施例3的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。可知，实施例2的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图13可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1.35V。使用EDS比较相对量，结果为Mg:Al:Ga＝1.0:1.35:0.65。另外，根据电子束衍射图像确认到，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
[0136] (实施例4)
[0137] 制作方法与实施例1类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。溅射Mg及Mg0.5Al1.9In1.1合金组成的靶材，成膜Mg 0.1nm/Mg0.5Al1.9In1.1 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，成膜了Mg 0.05nm/Mg0.5Al1.9In1.1 0.3nm/Mg 0.05nm。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0138] (实施例4的特性)
[0139] 磁阻效应的测定结果得知，在偏压1V的情况下，MR比为70％，元件的面积电阻(RA)为0.67Ω·μm2。图14是评价实施例4的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。可知，实施例4的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图14可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1V。使用EDS比较相对量，结果为Mg:Al:In＝1.0:1.4:0.58。另外，根据电子束衍射图像确认到，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
[0140] (实施例5)
[0141] 制作方法与实施例1类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。溅射Mg及Mg0.5Ga1.5In1.5合金组成的靶材，成膜Mg 0.1nm/Mg0.5Ga1.5In1.5 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，并导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，成膜Mg 0.05nm/Mg0.5Ga1.5In1.5 0.3nm/Mg 0.05nm。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0142] (实施例5的特性)
[0143] 磁阻效应的测定结果得知，在偏压1V的情况下，MR比为132％，元件的面积电阻(RA)为0.65Ω·μm2。图15是评价实施例5的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。可知实施例5的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图15可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1.5V。使用EDS比较相对量，结果为Mg:Ga:In＝1.0:1.1:0.9。另外，根据电子束衍射图像确认到，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
[0144] (实施例6)
[0145] 制作方法与实施例1类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。溅射Mg及Mg0.5Ga1.5In1.5合金组成的靶材，成膜Mg 0.05nm/Mg0.5Ga1.5In1.5 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Mg0.05nm/Mg0.5Ga1.5In1.5 0.3nm/Mg 0.05nm。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0146] (实施例6的特性)
[0147] 磁阻效应的测定结果得知，在偏压1V的情况下，MR比为146％，元件的面积电阻(RA)为0.62Ω·μm2。图16是评价实施例6的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。可知实施例6的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图16可知MR比减半的电压(Vhalf)为1.5V。使用EDS比较相对量，结果为Mg:Ga:In＝0.83:1.05:0.96。另外，根据电子束衍射图像确认到，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
[0148] (实施例7)
[0149] 制作方法与实施例6类似，仅第一铁磁性金属层的形成材料不同。代替CoFe，成膜Co2Mn0.7Fe0.3Si0.66Al0.36合金组成。作为第一铁磁性金属层，依次形成IrMn 12nm/CoFe 10nm/Ru 0.8nm/CoFe 2nm/Co2Mn0.7Fe0.3Si0.66Al0.36 5nm。但是，仅在成膜Co2Mn0.7Fe0.3Si0.66Al0.36 合金组成时，将基板加热形成为450度。另外，在形成隧道势垒层之前，将基板的热充分散热，将基板温度降低至室温程度后，实施之后的成膜工艺。
[0150] (实施例7的特性)
[0151] 磁阻效应的测定结果得知，在偏压1V的情况下，MR比为182％，元件的面积电阻2
(RA)为0.65Ω·μm。图17是评价实施例7的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
可知实施例5的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图17可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1.25V。另外，根据电子束衍射图像确认到，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
(RA)为0.65Ω·μm。图17是评价实施例7的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。
可知实施例5的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图17可知，MR比减半的电压(Vhalf)为1.25V。另外，根据电子束衍射图像确认到，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。
[0152] (实施例8)
[0153] 制作方法与实施例类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。同时溅射Mg0.9Al2及Mg0.9Ga2合金组成的靶材，成膜0.5nm。此时，以Al和Ga成为任意的组成比的方式进行调整。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，同时溅射Mg0.9Al2及Mg0.9Ga2合金组成的靶材，成膜0.4nm。此时，以Al和Ga成为任意的组成比的方式进行调整。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0154] (实施例8的特性)
[0155] 图18是绘制根据实施例8的磁阻效应的测定结果求得的RA和根据EDS求得的三价阳离子中的Ga的量的图。此外，得知即使是在任意的组成比下，Al相对于Mg与Zn之和的组成比也为0.9:2。偏压为1V。另外，根据电子束衍射图像确认到，尖晶石结构为不规则的立方晶结构。根据图18可知，在Mg0.9(Al1-xGax)2O4的组成比中，在Ga的浓度x超过0且为0.2以下的区域和为0.85以上的区域的情况下存在RA急剧地减少的区域。另外，可知，Ga的浓度x在0.06和0.93显示最小值。作为主成分的Al、Ga或In的任一种元素为85％以上且低于100％的区域中，RA成为比主成分为100％时低的RA。这能够认为，被置换的元素在晶格中赋予畸变，并赋予有助于传导的成分。或者可以认为，被置换的元素在能带隙中形成杂质能级，有助于传导。
[0156] (实施例9)
[0157] 制作方法与实施例3类似，仅隧道势垒层的形成方法不同。在设有热氧化硅膜的基板上，使用磁控溅射法进行成膜。溅射Mg及Mg0.5Al1.9Ga1.1合金组成的靶材，成膜Mg 0.1nm/Mg0.5Al1.9Ga1.1 0.4nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，将基板冷却至-70～-30度之后，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，成膜Mg 0.05nm/Mg0.5Al1.9Ga1.1 0.3nm/Mg 0.05nm。进一步使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，将基板冷却至-70～-30度之后，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0158] (实施例9的截面分析)
[0159] 如上所述，使用截面TEM(透射型电子显微镜)图像、和在将TEM图像傅里叶变换得到的电子束衍射图像中除去了层叠方向以外的电子束衍射点之后通过逆傅里叶变换所得到的图像，算出隧道势垒层整体的体积中晶格匹配部分(晶格匹配部)的体积比。
[0160] 图22是实施例9的包含与层叠方向平行的方向的截面的结构示意图。根据实施例9中得到的高分辨率的截面TEM的图可知，隧道势垒层的发生晶格匹配的部分的平行于膜面方向的大小(宽度)在任意部分都为30nm以下。另外，30nm大约是作为第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的材料的CoFe合金的晶格常数的约10倍，可以认为在相干隧道的前后与发生隧穿的方向垂直的方向的自旋极化电子的相互干涉目标增强晶格常数的约10倍左右。
[0161] 图23是表示实施例9的隧道势垒层整体的体积中的晶格匹配部分(晶格匹配部)的体积比与元件的特性的图。图23(A)是表示第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的磁化方向平行时的元件电阻(Rp)的图。图23(B)是表示第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的磁化方向反平行时的元件电阻(Rap)的图。图23(C)是表示元件的磁阻比的图。在隧道势垒层中与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层两者晶格匹配的晶格匹配部分的比例为65～95％的范围中，可以看到有Rp减小的倾向。这被认为由于如果全部晶格匹配，则通过隧道势垒层时的自旋极化后的电子相互发生干涉，因此，变得难以通过隧道势垒层，相对于此，如果部分存在晶格匹配的晶格匹配部分，则在晶格不匹配的部分通过隧道势垒层时的自旋极化后的电子的干涉被适度地切断，从而自旋极化后的电子变得容易通过隧道势垒层。作为其结果，认为观测到了Rp减小的倾向。同时，在晶格匹配部分的比例为65～95％的范围观测到了Rap稍微增大的倾向。这表明即使在第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的磁化方向反平行时，各个区域间的干涉也被缓和，可知通过隧道势垒层的自旋极化电子发生了磁散射。
[0162] (比较例1)
[0163] 制作方法与实施例1类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。溅射Mg的靶材，成膜0.45nm的Mg。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，成膜0.4nm的Mg。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为
30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1:20，总气压为0.08Pa。
[0164] (比较例1的特性)
[0165] 磁阻效应的测定结果得知，在偏压1V的情况下，MR比为27％，元件的面积电阻(RA)为0.6Ω·μm2。图19是评价比较例1的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。可知，比较例1的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图19可知，MR比减半的电压(Vhalf)为0.45V。另外，根据电子束衍射图像确认为尖晶石结构。
[0166] (比较例2)
[0167] 制作方法与实施例1类似，仅隧道势垒层的形成材料不同。溅射Mg、Al及Mg0.5Zn0.5Al2合金组成的靶材，成膜Mg 0.05nm/Zn 0.05nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.25nm/Al
0.1nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，成膜0.05nm/Zn 0.05nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm/Al 0.1nm。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1∶20，总气压为0.08Pa。
0.1nm。然后，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化。自然氧化的时间为10秒，Ar与氧的分压比为1:25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜腔室，成膜0.05nm/Zn 0.05nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm/Al 0.1nm。进一步，使上述试样移动到保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化腔室中，导入Ar和氧进行自然氧化和电感耦合等离子体氧化。自然氧化的时间为30秒，电感耦合等离子体氧化的时间为5秒，Ar与氧的分压比为1∶20，总气压为0.08Pa。
[0168] (比较例2的特性)
[0169] 磁阻效应的测定结果得知，在偏压1V的情况下，MR比为46％，元件的面积电阻(RA)为0.8Ω·μm2。图20是评价比较例2的磁阻效应元件的磁阻效应的偏压依赖性的图。可知，实施例2的磁阻效应元件随着偏压的增大而MR比减少。根据图20得知，MR比减半的电压(Vhalf)为0.7V。使用EDS比较相对量，结果为Mg∶Zn∶Al＝0.5∶0.5∶2。另外，根据电子束衍射图像确认为尖晶石结构。
[0170] (实施例与比较例的比较)
[0171] 表1中表示实施例和比较例。
[0172] [表1]
[0173] 实施例 RA[Ω·μm2] MR比[％] Vhalf[V]实施例1 0.75 79 1.0
实施例2 0.72 85 1.1
实施例3 0.69 128 1.35
实施例4 0.67 69 1.0
实施例5 0.65 132 1.5
实施例6 0.62 146 1.5
实施例7 0.62 182 1.25
比较例
比较例1 0.59 27 0.45
比较例2 0.80 46 0.70
实施例2 0.72 85 1.1
实施例3 0.69 128 1.35
实施例4 0.67 69 1.0
实施例5 0.65 132 1.5
实施例6 0.62 146 1.5
实施例7 0.62 182 1.25
比较例
比较例1 0.59 27 0.45
比较例2 0.80 46 0.70
[0174] 比较实施例和比较例时可知，实施例中MR比及Vhalf均显示良好的特性。特别地，与比较例2的使用了MgMg2O4作为隧道势垒层的情况相比，在实施例中，Vhalf改善至2倍程度。另外，通过利用镓或铟置换Al3+的一部分，可观察到RA降低且MR比改善的倾向。
[0175] 实施例能够分类成两种。一种是用镓和铟置换三价阳离子的一部分的实施例。另一种是用镓或铟置换三价阳离子的一部分，或用铟置换Ga3+的一部分的实施例。其分类之一具有如下倾向，与用镓和铟置换三价阳离子的一部分的实施例相比，用镓或铟置换Al3+的一部分，或用铟置换Ga3+的一部分的实施例的MR比较高，Vhalf也较高。另外，实施例4的情况下呈现MR比较低的值。在此，将三价阳离子的离子半径示于表2中。
[0176] [表2]
[0177]
[0178] 此外，离子半径的值从非专利文献2引用。实施例1、2、4中，隧道势垒层中所含的三价阳离子的离子半径具有最大 的差，但实施例3、5、6、7中，三价阳离子的离子半径为最大 的差。离子半径之差较小时，在晶体结构上可看作大致等价，因此，周期性地排列的原因消失，在晶体中随机地配置三价阳离子。离子半径之差越大时，为了在晶格中尽可能缓和，因此，在周期性地排列的情况下，晶格稳定化。即，三价阳离子容易周期性地排列。根据这些得知，多个非磁性元素的二价的阳离子的离子半径之差为 以下时的特性变高。
[0179] 产业上的可利用性
[0180] 本发明能够适用于在较高的偏压下产生比使用了现有的尖晶石隧道势垒的TMR元件更高的MR比的磁阻效应元件。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 磁阻效应元件 | 2020-05-14 | 979 |
| 磁阻效应元件 | 2020-05-16 | 708 |
| 磁阻效应元件和具有该磁阻效应元件的磁存储器 | 2020-05-20 | 322 |
| 磁阻效应元件 | 2020-05-13 | 788 |
| 磁阻效应元件制造方法和用于制造磁阻效应元件的多腔设备 | 2020-05-19 | 282 |
| 磁阻效应元件制造方法和用于制造磁阻效应元件的多腔设备 | 2020-05-19 | 797 |
| 磁阻效应薄膜和磁阻效应磁头 | 2020-05-16 | 292 |
| 交换耦联薄膜及制造方法,磁阻效应装置及磁阻效应头 | 2020-05-19 | 409 |
| 磁阻效应元件 | 2020-05-11 | 120 |
| 磁阻效应器件 | 2020-05-15 | 426 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈