磁阻效应元件
阅读：120发布：2020-05-11
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 提供一种在高的 偏压 下产生比使用了现有的隧道势垒的TMR元件更高的MR比的 磁阻效应 元件。本发明的磁阻效应元件，其特征在于，具备层叠体，该层叠体按顺序层叠有：基底层、第一 铁 磁性 金属层、隧道势垒层、以及第二 铁磁性 金属层，所述基底层由NbN、TaN或它们的混晶构成，所述隧道势垒层由具有阳离子排列不规则的 尖晶石 结构的、下述组成式(1)表示的化合物构成，(1)：AxB2Oy，式中，A表示2种以上的非磁性元素的二价阳离子，B表示 铝 离子，x表示满足0＜x≤2的数，y表示满足0＜y≤4的数。，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，
具备层叠体，所述层叠体按顺序层叠有：
基底层、
第一铁磁性金属层、
隧道势垒层、以及
第二铁磁性金属层，
所述基底层由VN、TiN或它们的混晶构成，
所述隧道势垒层由下述组成式(1)表示的化合物构成，所述化合物具有阳离子排列不规则的尖晶石结构，
(1)：AxB2Oy
式中，A表示2种以上的非磁性元素的二价阳离子，
B表示铝离子，
x表示满足0＜x≤2的数，y表示满足0＜y≤4的数。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
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这两者晶格匹配；
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。
3.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层的所述晶格匹配部平行于膜面方向的大小为30nm以下。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在所述非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有所述非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中具有最大离子半径的元素。
5.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在所述非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有所述非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中具有最大离子半径的元素。
6.根据权利要求3所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在所述非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有所述非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中具有最大离子半径的元素。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层以立方晶为基本结构。
8.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层以立方晶为基本结构。
9.根据权利要求3所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层以立方晶为基本结构。
10.根据权利要求4所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层以立方晶为基本结构。
11.根据权利要求5所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层以立方晶为基本结构。
12.根据权利要求6所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层以立方晶为基本结构。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述非磁性元素的二价阳离子为选自Mg、Zn、Cd、Ag、Pt及Pb中的任意元素的阳离子。
14.根据权利要求1～12中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述第二铁磁性金属层的矫顽力比所述第一铁磁性金属层的矫顽力大。
15.根据权利要求1～12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。
16.根据权利要求1～12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。
17.根据权利要求1～12中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述隧道势垒层的膜厚为1.7nm以上且3.0nm以下。
18.根据权利要求1～12中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述基底层的膜厚为1.0nm以上且20.0nm以下。
磁阻效应元件
技术领域
[0001] 本发明涉及磁阻效应元件。
背景技术
[0002] 已知由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨大磁阻(GMR)元件，及在非磁性层使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件(专利文献1～2、非专利文献1～3)。一般而言，TMR元件的元件电阻比GMR元件的元件电阻高，但TMR元件的磁阻(MR)比比GMR元件的MR比大。TMR元件能够分类成两种。第一种是利用了铁磁性层间的波动函数的浸出效应的仅利用了隧道效应的TMR元件。第二种是在产生上述的隧道效应时利用了挖隧道的非磁性绝缘层的特定的轨道的传导的利用了相干隧道的TMR元件。已知利用了相干隧道的TMR元件可得到比仅利用了隧道的TMR元件更大的MR比。由于引起该相干隧道效应，因此，铁磁性层和非磁性绝缘层相互为结晶，产生铁磁性层与非磁性绝缘层的界面结晶学性地连续的情况。
[0003] 磁阻效应元件在各种用途中使用。例如，作为磁传感器，已知有磁阻效应型磁传感器，硬盘驱动器的再生功能中，磁阻效应元件决定其特性。磁阻效应型磁传感器是将磁阻效应元件的磁化方向根据来自外部的磁场而变化的效果作为磁阻效应元件的电阻变化进行检测的磁传感器。今后期待的设备是磁阻变化型随机存取存储器(MRAM)。MRAM是使双层铁磁性的磁方向适当变化成平行和反平行，而将磁阻读入成0和1的数字信号的存储器。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1：专利第5586028号公报
[0007] 专利文献2：日本特开2013-175615号公报
[0008] 非专利文献
[0009] 非专利文献1：Hiroaki Sukegawa,Huixin Xiu,Tadakatsu Ohkubo,Takao Furubayashi,Tomohiko Niizeki,Wenhong Wang,Shinya Kasai,Seiji Mitani,Koichiro Inomata,and Kazuhiro Hono,APPLIED PHYSICS LETTERS 96,212505(2010)
[0010] 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)
[0011] 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
[0012] 发明所要解决的课题
[0013] 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比大幅减少的课题。
[0014] 今后的磁传感器或MRAM等的设备中，需要即使在高的偏压下，也可得到充分的MR比。对于偏压下的MR比的减少的一个指标为VhalfoVhalf是指，以低偏压为基准，相对于施加低偏压时的MR比，MR比进行减半的偏压。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得到的最佳的低偏压不同，因此，低偏压只要至少为Vhalf的十分之一以下的电压即可。
[0015] 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。以往，为了实现高灵敏度，不仅需要MR比，而且还需要增大输出电压或输出电流，且需要高的偏压下的驱动。在MRAM时写入的动作中需要高的电压驱动。自旋转移力矩型(STT)MRAM中，需要将铁磁性层的磁化方向越变化而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偏极电流作用于铁磁性层的自旋的效果。
[0016] 更新电流与MR比一样，由于强的自旋偏极电流而产生，因此，即使是STT-MRAM，在同样高的偏压下也需要高的MR比。
[0017] 专利文献1及非专利文献1中报告了，作为代替MgO的材料，尖晶石结构的隧道势垒是有效的。已知以MgAl2O4的组成式表示的尖晶石隧道势垒可以得到与MgO同等的MR比，同时在高的偏压下，得到比MgO更高的MR比。另外，专利文献2、非专利文献2及非专利文献3中记载了，为了得到高的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，O原子的排列采取与尖晶石大致同等的最密立方晶格，但具有Mg和Al的原子排列混乱的结构，作为整体为立方晶的结构。原有的尖晶石中，Mg和Al在氧离子的四面体空隙及八面体空隙中正规地排列。但是，在不规则的尖晶石结构中，它们随机地配置，因此，结晶的对称性变化，实际上成为晶格常数从MgAl2O4的约0.808nm进行减半的结构。此外，专利文献2中，作为制作不规则的尖晶石结构的Mg-Al-O氧化物膜的方法，记载有连续成膜Mg膜和Mg-Al合金膜，然后，导入氧实施等离子体氧化处理，在真空中进行热处理的方法。专利文献2的实施例中，使用该方法连续成膜Mg膜和Mg17-Al83合金膜，并成膜尖晶石结构的组成比中过量地含有Mg的Mg-Al-O氧化物膜。
[0018] 本发明是鉴于上述情况而研发的，其目的在于，提供一种磁阻效应元件，在高的偏压下产生比使用了现有的隧道势垒的TMR元件更高的MR比。
[0019] 用于解决课题的手段
[0020] 为了解决所述课题，本发明所涉及的磁阻效应元件，其特征在于，具备层叠体，所述层叠体按顺序层叠有：基底层、第一铁磁性金属层、隧道势垒层、以及第二铁磁性金属层，所述基底层由VN、TiN或它们的混晶构成，所述隧道势垒层由具有阳离子排列不规则的尖晶石结构的、下述组成式(1)表示的化合物构成。
[0021] (1)：AxB2Oy
[0023] 所述本发明的磁阻效应元件中，构成隧道势垒层的组成式(1)的化合物成为在尖晶石结构的A位点配置2种以上的二价阳离子的结构，由此，成为A位点的阳离子不规则的尖晶石结构，晶格常数成为通常的尖晶石结构的约一半的大小。另外，由于在B位点配置有铝离子，因此，晶格常数a成为0.4～0.5nm，与含有作为普通的铁磁性体的铁或钴等元素的合金的晶格常数一致，高的偏压下的MR比变大。
[0024] 另外，认为通过设为基底层由VN、TiN或它们的混晶构成的结构，高的偏压下的MR比更大。其原因不明确，但发明人发现，构成隧道势垒层的材料的结晶的晶格常数与将构成基底层的氮化物可采用的结晶的晶格常数设为n倍的数(n为自然数或1/自然数)之差越小，MR比越大。因此，不得不考虑基底层对隧道势垒层的结晶性造成的影响。这是推翻现有的常识的结果。一般可以说，通过反应性溅射法成膜的氮化物膜为非晶。于是，实施例中使用的通过反应性溅射法成膜的VN膜或TiN膜为非晶。但是，如果基底层为完全的非晶，则应没有与其上的层的结晶学的相关，发明人得到的所述结果是推翻现有的常识的结果。推测其原因时认为，对于本发明的基底层，即使通过TEM进行观察，也得不到原子图像，因此，不是完全结晶化，但另一方面，这不是完全非晶，不是通过TEM得到原子图像，但局部具有结晶性的部分成像不接近现实。相对于通过反应性溅射法成膜的氮化物膜为非晶的现状，本发明开启磁阻效应元件的MR比提高的新的方向性。
[0025] 此外，所述结果如后述的实施例叙述那样，能够通过对比根据构成磁阻效应元件的基底层的氮化物(VN、TiN、及它们的混晶)可采用的结晶的晶格定数及隧道势垒层的晶格常数求得的晶格非匹配度与MR比进行说明。VN、TiN、及它们的混晶可采用的结晶结构一般为四方晶结构(NaCl结构)，空间群为Fm-3m的结晶结构，具有该结构的结晶的晶格常数在例如“国立研究开发法人物质·材料研究机构、“AtomWork”、[平成28年8月23日检索]、因特网〈URL：http：//crystdb.nims.go.jp/〉.”中公开。
[0026] 另外，VN及TiN还具有导电性，因此，通过利用这些氮化物构成基底层，能够经由基底层对磁阻效应元件施加电压，简单地形成元件的结构。
[0027] 所述磁阻效应元件中，所述隧道势垒层也可以具有：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这两者晶格匹配；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。
[0028] 一般而言，隧道势垒层也可以全部与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层这两者进行晶格匹配。但是，全部进行晶格匹配时，通过隧道势垒层时的自旋偏极的电子相互干扰，因此，难以通过隧道势垒层。相反，隧道势垒层存在与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层这两者晶格匹配的晶格匹配部、和与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的至少一者不晶格匹配的晶格不匹配部时，在不晶格匹配的部分，通过隧道势垒层时的自旋偏极的电子的干扰被适当切断，自旋偏极的电子容易通过隧道势垒层。
[0029] 所述磁阻效应元件中，所述隧道势垒层的所述晶格匹配部平行于膜面方向的大小也可以为30nm以下。
[0030] 所述磁阻效应元件中，在所述非磁性元素的二价阳离子中也可以以12.5～90％的比例含有所述非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中具有最大离子半径的元素。
[0031] 如果是在非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中最大离子半径的元素的隧道势垒层时，非磁性元素的二价阳离子容易不规则，磁阻比变大。另外，通过B为铝离子，晶格常数容易与含有作为普通的铁磁性体的铁或钴等的元素的合金的晶格常数一致，能够实现高的电压下的MR比增大。
[0032] 所述磁阻效应元件中，所述隧道势垒层也可以以立方晶为基本结构。
[0033] 通过隧道势垒层成为立方晶，特定的隧道轨道以外的帮助减少，MR比增大。隧道势垒层即使从立方晶稍微偏离，也发挥特性，但显示比为立方晶的情况更高的MR比。
[0034] 所述磁阻效应元件中，所述非磁性元素的二价阳离子也可以为选自Mg、Zn、Cd、Ag、Pt及Pb中的任意元素的阳离子。
[0035] 这些非磁性元素为二价是稳定状态，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。
[0036] 所述磁阻效应元件中，所述第二铁磁性金属层的矫顽力也可以比所述第一铁磁性金属层的矫顽力大。
[0037] 通过第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层的矫顽力不同，作为自旋阀发挥作用，能够进行设备应用。
[0039] 在作为MRAM或高频设备进行使用的情况下，不会施加偏置磁场，因此，能够进行设备的缩小化。另外，具有高的抗热干扰性，因此，能够作为记录元件发挥作用。
[0040] 所述磁阻效应元件中，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也可以为Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b(0≦a≦1、0≦b≦1)。
[0041] Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b为自旋极化率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。
[0042] 所述磁阻效应元件中，所述隧道势垒层的膜厚也可以为1.7nm以上3.0nm以下。
[0043] 所述磁阻效应元件中，所述基底层的膜厚也可以为1.0nm以上20.0nm以下。
[0044] 通过基底层的膜厚处于该范围，能够可靠地提高隧道势垒层的结晶大小的均匀性及取向性。另外，一般而言，由于氮化物的电阻率比金属的电阻率高，因此，在使用氮化物作为基底层的情况下，氮化物的膜厚越薄越好。通过减薄氮化物的膜厚，能够降低包含磁阻效应元件的电路的电阻，增大实效的磁阻比。
[0045] 发明效果
[0047] 图1是说明本发明的一个方式的磁阻效应元件的层叠结构的主要部分放大剖面图；
[0048] 图2是尖晶石的结晶结构的示意图；
[0049] 图3是本发明的一个方式的磁阻效应元件的构成隧道势垒层的不规则尖晶石的结晶结构的一例的示意图；
[0050] 图4是本发明的一个方式的磁阻效应元件的构成隧道势垒层的不规则尖晶石的结晶结构的另一例的示意图；
[0051] 图5是本发明的一个方式的磁阻效应元件的构成隧道势垒层的不规则尖晶石的结晶结构的又一例的示意图；
[0052] 图6是本发明的一个方式的磁阻效应元件的构成隧道势垒层的不规则尖晶石的结晶结构的又一例的示意图；
[0053] 图7是本发明的一个方式的磁阻效应元件的构成隧道势垒层的不规则尖晶石的结晶结构的又一例的示意图；
[0054] 图8是具备本发明的一个方式的磁阻效应元件的磁阻效应设备的平面图；
[0055] 图9是图8的IX-IX射线剖面图；
[0056] 图10是隧道势垒层和铁磁性金属层晶格匹配的部分的一例，(A)是高分辨率的截面TEM，(B)是进行反傅里叶解析的图；
[0057] 图11是隧道势垒层的包含与层叠方向平行的方向的截面的结构图。
[0058] 符号说明
[0060] 以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。此外，附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。
[0061] (第一实施方式)
[0062] 以下，对第一实施方式的磁阻效应元件100进行说明。磁阻效应元件100具备层叠体，该层叠体按顺序层叠有：基底层2、第一铁磁性金属层6、隧道势垒层3、以及第二铁磁性金属层7。基底层2由VN、TiN或它们的混晶构成。隧道势垒层3的特征在于，由下述的组成式(1)表示的化合物构成，所述化合物具有阳离子排列不规则的尖晶石结构。
[0063] (1)：AxB2Oy
[0064] 式中，A表示2种以上的非磁性元素的二价阳离子，B表示铝离子，x表示满足0＜x≤2的数，y表示满足0＜y≤4的数。
[0065] (基本结构)
[0066] 图1所示的例子中，磁阻效应元件100是设于基板1上，且从基板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、及覆盖层4的层叠结构。
[0067] (基底层)
[0068] 基底层2由VN、TiN或它们的混晶构成。在此，“混晶”这样的用语为了方便而使用，但不是指基底层成为结晶，仅仅是指组合使用VN及TiN进行成膜的膜。也可以称为VN及TiN的混合膜。VN及TiN分别是指由V和N构成的材料、由Ti和N构成的材料，不需要金属元素和N的原子比为1：1。优选金属元素和N的原子比处于1：0.5～1：2(＝金属元素：N)的范围。
[0069] (隧道势垒层)
[0070] 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1.7nm以上3.0nm以下的厚度，利用金属材料夹住隧道势垒层时，金属材料的原子具有的电子的波动函数超过隧道势垒层3而扩大，因此，尽管在电路上存在绝缘体，也能够流过电流。磁阻效应元件100为利用铁磁性金属材料(第一铁磁性金属层6及第二铁磁性金属层7)夹住隧道势垒层
3的结构，根据夹住的铁磁性金属各自的磁化方向的相对角决定电阻值。磁阻效应元件100中，具有通常的隧道效应和限定隧道时的轨道的相干隧道效应。通常的隧道效应中，根据铁磁性材料的自旋极化率得到磁阻效应。另一方面，相干隧道中，限定隧道时的轨道，因此，能够期待铁磁性材料的自旋极化率以上的效果。因此，为了体现相干隧道效应，需要铁磁性材料与隧道势垒层3结晶化，且在特定的方位进行接合。
3的结构，根据夹住的铁磁性金属各自的磁化方向的相对角决定电阻值。磁阻效应元件100中，具有通常的隧道效应和限定隧道时的轨道的相干隧道效应。通常的隧道效应中，根据铁磁性材料的自旋极化率得到磁阻效应。另一方面，相干隧道中，限定隧道时的轨道，因此，能够期待铁磁性材料的自旋极化率以上的效果。因此，为了体现相干隧道效应，需要铁磁性材料与隧道势垒层3结晶化，且在特定的方位进行接合。
[0071] (尖晶石结构)
[0072] 图2中表示有尖晶石结构。存在氧与阳离子进行4配位的A位点和氧与阳离子进行6配位的B位点。这里的指示阳离子不规则的尖晶石结构的Sukenel结构是，在规则尖晶石的氧原子位置几乎没有改变的状态下，具有规则尖晶石结构的一半的晶格常数，阳离子位于原本未占有的氧原子的四面体位置及八面体位置的结构。此时，全部中具有图3～图7所示的5个结构的可能性，但只要是这些结构的任意种，或它们混合的结构即可。
[0073] (不规则的尖晶石结构的定义)
[0074] 本说明书中，有时将阳离子不规则的尖晶石结构称为Sukenel结构。Sukenel结构是指，O原子的排列采取与尖晶石大致同等的最密立方晶格，但具有阳离子的原子排列混乱的结构，作为整体为立方晶的结构。原有的尖晶石中，阳离子在氧离子的四面体空隙及八面体空隙中正规地排列。但是，在Sukenel结构中，它们随机地配置，因此，结晶的对称性变化，实际上成为晶格常数减半的结构。通过改变该晶格重复的单位，与铁磁性金属层材料的电子结构(能带结构)的组合进行变化，因此，出现由相干隧道效应引起的大的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的尖晶石结构的空间群变化成Fm-3m或F-43m，也可以全部中具有5个结构(非专利文献2)，也可以是它们某一结构。
[0075] 另外，本说明书中，Sukenel结构未必需要为立方晶。层叠结构中，结晶结构受到基底的材料的结晶结构的影响，晶格局部应变。各个的材料具有块的结晶结构，但在设为薄膜的情况下，可采取以块的结晶结构为基本，局部应变的结晶结构。特别是本发明中的隧道势垒层为非常薄的结构，容易受到与隧道势垒层相接的层的结晶结构的影响。但是，Sukenel结构的块的结晶结构为立方晶，本说明书中的Sukenel结构包含在Sukenel结构不是立方晶时也稍微偏离立方晶的结构。一般而言，本说明书中的从Sukenel结构的立方晶的偏离极小，依赖于评价结构的测定方法的精度。
[0076] B位点为铝离子。
[0077] A位点为2种以上的非磁性元素的二价阳离子。在此，优选二价阳离子的元素数低于铝离子的元素数的一半。通过将非磁性元素的构成元素数设为低于铝离子的元素数的一半，在阳离子中产生空孔，空孔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比进一步增大。另外，该Vhalf为1V以上，高灵敏度的磁传感器、逻辑存储器及MRAM等的施加高的偏压的设备中也能够利用磁阻效应元件。
[0078] 非磁性元素的二价阳离子优选为Mg、Zn、Cd、Ag、Pt及Pb的任意种元素的离子。这些非磁性元素为二价是稳定状态，这些2种以上非磁性元素成为隧道势垒层的构成元素时，促进不规则，相干隧道增大，MR比增大。
[0079] 2种以上的非磁性元素的二价阳离子的离子半径的差优选为 以下。离子半径的差小时，阳离子难以有序，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，促进不规则，MR比进一步增大。
[0080] 作为非磁性元素的二价阳离子的元素数的上述的组成式(1)的x优选为满足0＜x＜1的数，更优选为满足0.15≦x≦0.85的数，特别优选为满足0.30≦x≦0.75的数。通过非磁性元素的二价阳离子的原子数处于该范围，有效地引起阳离子的不规则，相对于偏压，抑制Vhalf的减少。另外，该Vhalf为1V以上，高灵敏度的磁传感器、逻辑存储器及MRAM等的施加高的偏压的设备中也能够利用磁阻效应元件。
[0081] 优选在非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中具有最大离子半径的元素。通过在非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有，有效地引起阳离子的不规则，相对于偏压抑制Vhalf的现象。另外，该Vhalf为1V以上，高灵敏度的磁传感器、逻辑存储器及MRAM等的施加高的偏压的设备中也能够利用磁阻效应元件。
[0082] 隧道势垒层优选局部存在与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层这两者晶格匹配的晶格匹配部分。一般而言，隧道势垒层也可以全部与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层这两者进行晶格匹配。
[0083] 但是，全部进行晶格匹配时，通过隧道势垒层时的自旋偏极的电子相互干扰，因此，难以通过隧道势垒层。相反，局部存在晶格匹配的晶格匹配部分时，在不晶格匹配的部分，通过隧道势垒层时的自旋偏极的电子的干扰被适当切断，自旋偏极的电子容易通过隧道势垒层。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优选为70～95％。隧道势垒层中的晶格匹配部分的体积比低于70％的情况下，相干隧道的效应减少，因此，MR比可能减少。另外，隧道势垒层中的晶格匹配部分的体积比超过95％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扰的效果，可能不能充分得到自旋偏极的电子通过隧道势垒层的效果的增大。
[0084] (基底层与隧道势垒层的关系)
[0085] 基底层2和隧道势垒层3优选晶格常数之差小。即，优选基底层2可采用的结晶结构的晶格常数与隧道势垒层3的晶格常数之差小。具体而言，以由下式定义的晶格非匹配度成为5％以内的方式选择，优选以成为3％以内的方式选择。
[0086] 晶格非匹配度(％)＝(C-nD)的绝对值/nD×100
[0087] 在此，C为隧道势垒层3的晶格常数，D为基底层2可采用的结晶结构的晶格常数。n为自然数或1/自然数，通常为1、1/2或2的任意项。
[0088] “基底层2可采用的结晶结构”是将构成基底层2的VN、TiN或它们的混晶设为块时可采用的结晶结构，是指认为基底层2具有的结晶结构。如上述，认为基底层2具有完全的结晶状态和非晶的中间那样的状态。因此，基底层2的结晶结构为哪种结构不能明确地定义。另一方面，不认为现实的基底层2的结晶结构与将构成基底层2的材料设为块时可采用的结晶结构显著不同。作为基底层2可采用的结晶结构，具有四方晶结构。
[0089] 基底层2与隧道势垒层3的晶格常数之差变小时，磁阻效应元件100的MR比提高。如上述，认为通过反应性溅射法成膜的基底层2为非晶。因此，隧道势垒层3的结晶结构与基底层2可采用的结晶结构的匹配性对磁阻效应元件100的MR比提高造成影响是新的发现。
[0090] (第一铁磁性金属层)
[0091] 作为第一铁磁性金属层6的材料，可应用铁磁性材料，特别是应用软磁性材料，例如可举出选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属、含有一种以上的上述组的金属、或含有选自上述组的1个或多个金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，能够示例Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
[0092] 在将第一铁磁性金属层6的磁化方向相对于层叠面设为垂直的情况下，优选将铁磁性材料设为2.5nm以下。在第一铁磁性金属层6与隧道势垒层3的界面，能够对第一铁磁性金属层6附加垂直磁各向异性。另外，垂直磁各向异性由于增厚第一铁磁性金属层6的膜厚，而效果衰减，因此，第一铁磁性金属层6的膜厚越薄越好。
[0093] (第二铁磁性金属层)
[0094] 作为第二铁磁性金属层7的材料，例如可举出：选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属；含有1种以上的上述组的金属且显示铁磁性的合金。进一步可举出含有选自上述组的1个或多个金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，能够示例Co-Fe或Co-Fe-B。另外，为了得到高的输出，优选为Co2FeSi等的霍伊斯勒合金。霍伊斯勒合金含有具有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贵族金属元素，Y能够采用Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属即X的元素类型，Z为从III族到V族的典型元素。例如可举出Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。另外，为了使矫顽力比第一铁磁性金属层6大，作为与第二铁磁性金属层7相接的材料，也可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。另外，为了使第二铁磁性金属层7的漏磁场不影响第一铁磁性金属层6，也可以设为合成铁磁性耦合的结构。
[0095] 在将第二铁磁性金属层7的磁化方向相对于层叠面设为垂直的情况下，优选使用Co与Pt的层叠膜。第二铁磁性金属层7设为例如FeB(1.0nm)/Ta(0.2nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6，由此，能够将磁化方向设为垂直。
[0096] 一般而言，第一铁磁性金属层6的磁化方向与第二铁磁性金属层7相比，能够更容易根据外部磁场或自旋扭矩(spin torque)而可变，因此，称为自由层。另外，第二铁磁性金属层7成为固定磁化方向的结构，第一铁磁性金属层6称为固定层。
[0097] (基板)
[0098] 也可以将本发明的磁阻效应元件形成于基板上。
[0099] 在该情况下，优选基板1使用平坦性优异的材料。基板1根据设为目的的产品不同而各异。例如，在MRAM的情况下，能够使用在磁阻效应元件下以Si基板形成的电路。或在磁头的情况下，能够使用容易加工的AlTiC基板。
[0100] (覆盖层)
[0101] 本发明的磁阻效应元件中，也可以在第二铁磁性金属层7的隧道势垒层3侧的相反侧的表面(图1中，第二铁磁性金属层7的上表面)形成覆盖层。
[0102] 覆盖层4设置于第二铁磁性金属层7的层叠方向的上部，用于控制第二铁磁性金属层7的结晶取向性、结晶粒径等的结晶性及元素的扩散。在第二铁磁性金属层7的结晶结构为bcc结构的情况下，覆盖层4的结晶结构也可以是fcc结构、hcp结构或bcc结构的任意项。在第二铁磁性金属层7的结晶结构为fcc结构的情况下，覆盖层4的结晶结构也可以是fcc结构、hcp结构或bcc结构的任意项。覆盖层4的膜厚只要是可得到应变缓和效果，进而看不到分路(shunt)引起的MR比的减少的范围即可。覆盖层4的膜厚优选为1nm以上30nm以下。
[0103] 也可以在覆盖层上形成自旋轨道力矩配线。
[0104] 在此，自旋轨道力矩配线按照相对于磁阻效应元件的层叠方向交叉的方向延伸，且与按照相对于磁阻效应元件的层叠方向直交的方向向该自旋轨道力矩配线流过电流的电源电连接，与该电源一起作为向磁阻效应元件注入纯自旋流的自旋注入装置发挥作用。
[0105] 自旋轨道力矩配线由流过电流时，通过自旋霍尔效应生成纯自旋流的材料构成。在此，自旋霍尔效应是，在向材料流过电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，按照与电流的方向直交的方向诱发纯自旋流的现象。
[0106] (元件的形状、尺寸)
[0107] 由构成本发明的第一铁磁性金属层6、隧道势垒层3及第二铁磁性金属层7构成的层叠体为柱状的形状，俯视层叠体的形状能够采用圆形、四边形、三角形、多边形等各种形状，但从对称性的方面来看，优选为圆形。即，层叠体优选为圆柱状。
[0108] 在层叠体为圆柱状的情况下，优选俯视的圆的直径为80nm以下，更优选为60nm以下，进一步优选为30nm以下。
[0109] 直径为80nm以下时，难以在铁磁性金属层中形成域结构，不需要考虑与铁磁性金属层中的自旋极化不同的成分。另外，为30nm以下时，铁磁性金属层中成为单一域结构，磁化反转速度及概率改善。另外，小型化的磁阻效应元件中，特别是低电阻化的期望较强。
[0110] (使用时的结构)
[0111] 图8及图9中示例具备本实施方式的磁阻效应元件的磁阻效应设备。
[0112] 图8是磁阻效应设备200的平面图(从层叠方向俯视磁阻效应设备200的图)，图9是图8的IX-IX射线剖面图。图8及图9所示的磁阻效应设备200中，在磁阻效应元件100的覆盖层4的上部形成有沿x方向延伸的电极层5。基底层2以按照z方向超过第一铁磁性金属层6的端部的方式延长，在其延长部分的上部形成有电极焊盘8。在电极层5与电极焊盘8之间具备电流源71和电压计72。通过利用电流源71对基底层2和电极层5施加电压，在由第一铁磁性金属层6、隧道势垒层3及第二铁磁性金属层7构成的层叠体的层叠方向上流过电流。此时的施加电压利用电压计72监视。
[0113] (评价方法)
[0114] 磁阻效应元件100能够以图8和图9所记载的结构进行评价。例如，如图8和图9，配置电流源71和电压计72，对磁阻效应元件100施加一定的电流或一定的电压，一边从外部扫描磁场一边测定电压或电流，由此，能够观测磁阻效应元件100的电阻变化。
[0115] MR比通常由下式表示。
[0116] MR比(％)＝(RAP-RP)/RP×100
[0117] RP为第一铁磁性金属层6与第二铁磁性金属7的磁化方向平行时的电阻，RAP为第一铁磁性金属层6与第二铁磁性金属7的磁化方向反平行时的电阻。
[0118] Vhalf通过测定例如1mV的低偏压施加时的MR比，一边增大偏压一边特定MR比减半的电压而求得。
[0119] 面积电阻(RA)为通过施加的偏压除以沿磁阻效应元件的层叠方向流过的电流得到的电阻值，除以各层接合的面的面积，并标准化成单位面积中的电阻值的值。能够利用电压计及电流计测量求得施加的偏压及沿磁阻效应元件的层叠方向流过的电流值。
[0120] 磁阻效应元件100中流过强的电流时，由于STT的效果，引起磁化的旋转，磁阻效应元件100的电阻值急剧地变化。该电阻值急剧地变化的电流值称为反转电流值(Jc)。
[0121] (其它)
[0122] 本实施方式中，作为磁阻效应元件100，举出了将第一铁磁性金属层6设为磁化自由层，将第二铁磁性金属层7设为磁化固定层的所谓的顶针结构的例子，但磁阻效应元件100的结构没有特别限定。磁化固定层通常由多个层构成，但将第一铁磁性金属层6设为磁化固定层时，通过在基底层2与隧道势垒层3之间夹持多个层，本发明的效果变小。与之相对，在顶针结构的情况下，第一铁磁性金属层6的矫顽力变小，但仅在基底层2和隧道势垒层
3之间夹持单层的磁化自由层，本发明的效果充分变大，能够进一步增大MR比。磁阻效应元件100的结构也可以是将第一铁磁性金属层6设为磁化固定层，将第二铁磁性金属层7设为磁化自由层的所谓的底针结构。
3之间夹持单层的磁化自由层，本发明的效果充分变大，能够进一步增大MR比。磁阻效应元件100的结构也可以是将第一铁磁性金属层6设为磁化固定层，将第二铁磁性金属层7设为磁化自由层的所谓的底针结构。
[0123] 为了利用磁阻效应元件作为磁传感器，优选电阻变化相对于外部磁场进行线形地变化。普通的铁磁性层的层叠膜中，磁化方向容易根据形状各向异性而朝向层叠面内。在该情况下，例如从外部施加磁场，通过使第一铁磁性金属层6与第二铁磁性金属层7的磁化方向进行直交，使电阻变化相对于外部磁场进行线形地变化。但是，在该情况下，需要对磁阻效应元件的附近施加磁场的机构，因此，不期望进行集成。在铁磁性金属层本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，在进行集成上是有利的。
[0124] 使用了本实施方式的磁阻效应元件能够用作磁传感器或MRAM等的存储器。特别是在现有的磁传感器中利用的比偏压更高的偏压下使用的产品中，本实施方式是有效果的。
[0125] (制造方法)
[0127] 基底层2能够通过公知的方法制作。例如能够通过使用含有Ar和氮的混合气体作为溅射气体的反应性溅射法进行制作。
[0128] 隧道势垒层3能够通过公知的方法制作。例如，在第一铁磁性金属层6上溅射金属薄膜，通过等离子体氧化或氧导入进行自然氧化，并通过之后的热处理而形成。作为成膜法，除了磁控溅射法以外，也能够使用蒸镀法、激光烧蚀法、MBE法等通常的薄膜制作法。
[0129] 第一铁磁性金属层6、第二铁磁性金属层7、覆盖层4分别能够通过公知的方法制作。
[0130] 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及覆盖层4按照该顺序成膜并层叠。得到的层叠膜优选进行退火处理。通过反应性溅射成膜的由VN、TiN或它们的混晶构成的氮化物的层(基底层2)通常为非晶。进行退火处理而制造的磁阻效应元件100与不进行退火处理而制造的磁阻效应元件100相比，MR比提高。认为是由于通过退火处理，基底层2局部结晶化，由此，隧道势垒层3的隧道势垒层的结晶大小的均匀性及取向性提高。作为退火处理，优选在Ar等的惰性氛围中，以300℃以上500℃以下的温度加热5分钟以上100分钟以下的时间后，在施加2kOe以上10kOe以下的磁场的状态下，以100℃以上500℃以下的温度，加热1小时以上10小时以下的时间。
[0131] (第二实施方式)
[0132] 第二实施方式的磁阻效应元件中，构成隧道势垒层3的化合物由AxB2Oy(x＝1，0＜y≦4)的组成式表示，是阳离子排列不规则的尖晶石结构，A为2种以上的非磁性元素的二价阳离子，是在非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中具有最大离子半径的元素的隧道势垒层3，B为铝离子。
[0133] 通过在非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有具有最大离子半径的元素，有效地引起阳离子的不规则，相对于偏压抑制Vhalf的现象。另外，该Vhalf为1V以上，高灵敏度的磁传感器、逻辑存储器及MRAM等的施加高的偏压的设备中也能够利用磁阻效应元件。
[0134] (第三实施方式)
[0135] 第三实施方式的磁阻效应元件中，构成隧道势垒层3的化合物由AxB2Oy(x＝1，0＜y≦4)的组成式表示，为阳离子排列不规则的尖晶石结构，且组成式中的A位点含有2种以上的非磁性元素的阳离子，B位点为铝。
[0136] (第四实施方式)
[0137] 第四实施方式的磁阻效应元件中，构成隧道势垒层3的化合物由AxB2Oy(x＝1，0＜y≦4)的组成式表示，局部存在与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层这两者晶格匹配的晶格匹配部分(晶格匹配部)，为阳离子排列不规则的尖晶石结构，A为2种以上的非磁性元素的二价阳离子，B为铝。X也可以是满足0.15≦x≦0.85的数，还可以是满足0.30≦x≦0.75的数。
[0138] 隧道势垒层中的上述晶格匹配部分(晶格匹配部)相对于隧道势垒层整体的体积的体积比也可以为70～95％。
[0139] (第五实施方式)
[0140] 第五实施方式的磁阻效应元件中，构成隧道势垒层的化合物由AxB2Oy(x＝1，0＜y≦4)的组成式表示，隧道势垒层中局部存在与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层这两者晶格匹配的晶格匹配部分(晶格匹配部)，A为2种以上的非磁性元素的二价阳离子，在非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有非磁性元素的二价阳离子中所含的元素中具有最大离子半径的元素，B为铝离子。
[0141] 隧道势垒层中的上述晶格匹配部分(晶格匹配部)相对于隧道势垒层整体的体积的体积比也可以为70～95％。
[0142] 在非磁性元素的二价阳离子中以12.5～90％的比例含有，由此，有效地引起阳离子的不规则，相对于偏压抑制Vhalf的现象。
[0143] 另外，该Vhalf为1V以上，高灵敏度的磁传感器、逻辑存储器及MRAM等的施加高的偏压的设备中也能够利用磁阻效应元件。
[0144] (第六实施方式)
[0145] 第六实施方式的磁阻效应元件中，构成隧道势垒层的化合物由AxB2Oy(x＝1，0＜y≦4)的组成式表示，隧道势垒层中局部存在与第一铁磁性金属层和第二铁磁性金属层这两者晶格匹配的晶格匹配部分(晶格匹配部)，为阳离子排列不规则的尖晶石结构，且组成式中的A位点包含2种以上的非磁性元素的阳离子，B位点为铝。
[0146] 隧道势垒层中的上述晶格匹配部分(晶格匹配部)相对于隧道势垒层整体的体积的体积比也可以为70～95％。
[0147] (制造方法)
[0148] 第四实施方式中，仅隧道势垒层3的形成方法与第一实施方式不同。第五实施方式中，仅隧道势垒层3的形成方法与第二实施方式不同。第六实施方式中，仅隧道势垒层3的形成方法与第二实施方式不同。这些隧道势垒层3的形成方法的差异共同，因此，仅对第四实施方式进行说明。
[0149] 第一实施方式中，隧道势垒层3是重复金属膜的形成、氧化、金属膜的形成、氧化而形成。第四实施方式中，在氧化的工序中，将基板温度冷却至-70～-30度之后，进行氧化。通过冷却基板，在基板和真空之间，或基板与等离子体之间产生温度梯度。首先，当氧与基板表面接触时，与金属材料反应而氧化，但温度低，因此，不会进行氧化。由此，容易调整隧道势垒层3的氧量。另外，通过形成温度梯度，容易调整外延生长(晶格匹配的生长)。结晶生长根据温度梯度进行，因此，当充分冷却基板的温度时，容易进行外延生长。另外，当基板温度上升时，形成域，在面内形成多个结晶核，结晶核分别独立地外延生长，因此，在结晶生长的域彼此接触的部分，形成晶格不匹配的部分。
[0150] (晶格匹配部的体积比的算出方法)
[0151] 隧道势垒层3整体的体积中的晶格匹配部分(晶格匹配部)的体积比能够根据例如TEM图像进行估计。是否进行晶格匹配的有无在截面TEM图像中，将隧道势垒层3、第一铁磁性金属层6、第二铁磁性金属层7的部分进行傅里叶变换，得到电子衍射图像。进行傅里叶变换而得到的电子衍射图像中，除去层叠方向以外的电子束衍射点。当将该图进行反傅里叶变换时，成为得到仅层叠方向的信息的图像。该反傅里叶图像中的晶格线中，将隧道势垒层与第一铁磁性金属层6及第二铁磁性金属层7这两者连续地连接的部分设为晶格匹配部。另外，晶格线中，将隧道势垒层3与第一铁磁性金属层6及第二铁磁性金属层7中的至少一者不连续地连接，或未检测到晶格线的部分设为晶格不匹配部。晶格匹配部在反傅里叶图像的晶格线中，从第一铁磁性金属层6经由隧道势垒层连续地连接至第二铁磁性金属层7，因此，能够根据TEM图像测量晶格匹配部的宽度(LC)。另一方面，同样，晶格不匹配部在反傅里叶图像的晶格线中未连续地连接，因此，能够根据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)设为分子，将晶格匹配部分的宽度(LC)和不晶格匹配的部分的宽度(LI)的和设为分母，能够求得晶格匹配部相对于隧道势垒层整体的体积的体积比。此外，TEM图像为截面图像，含有包含进深的信息。因此，能够认为根据TEM图像估计的区域与体积成比例。
[0152] 图10是隧道势垒层与铁磁性金属层晶格匹配的部分的一例。图10(a)是高分辨率的截面TEM图像的例子，图10(b)是在电子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反傅里叶变换而得到的图像的例子。图10(b)中，与层叠方向垂直的成分被除去，在层叠方向上能够观测晶格线。隧道势垒层和铁磁性金属层不会在界面中断，而显示连续地连接。
[0153] 图11是隧道势垒层3的包含与层叠方向平行的方向的截面的结构示意图。
[0154] 如图11所示，隧道势垒层3的晶格匹配的部分的相对于膜面平行方向的大小(宽度：Lc)优选即使在任意部分均为30nm以下。30nm大致是作为第一铁磁性金属层6及第二铁磁性金属层7的材料的CoFe合金的晶格常数的约10倍，能够认为，在相干隧道的前后与挖隧道的方向垂直的方向的自旋偏极电子的相互干扰以晶格常数的约10倍程度为目标来增强。
[0155] 实施例
[0156] (实施例1)
[0157] 以下，说明第一实施方式的磁阻效应元件的制造方法的一例。在设有热氧化硅膜的基板1上，使用磁控溅射法进行成膜。首先，在基板1的上表面，形成VN 40nm作为基底层2，然后，使用CMP法研磨基底层2，将基底层2的膜厚设为10nm。基底层2通过使用V靶材作为靶材，使用以体积比1对1含有Ar和氮的混合气体作为溅射气体的反应性溅射法而形成。接着，在基底层2上，作为第一铁磁性金属层6，形成Co74Fe26 5nm。
[0158] 接着，在第一铁磁性金属层6上形成隧道势垒层3。表示隧道势垒层3的形成方法。溅射Mg、Al及Mg0.15Zn0.25Al2合金组成的靶材，成膜Mg 0.1nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm/Al
0.15nm。然后，使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，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对25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Mg 0.1nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm。进一步使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，导入Ar和氧，进行自然氧化及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对20，总气压为
0.08Pa。
0.15nm。然后，使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，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对25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Mg 0.1nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm。进一步使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，导入Ar和氧，进行自然氧化及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对20，总气压为
0.08Pa。
[0159] 将上述层叠膜再次移动至成膜室，作为第二铁磁性金属层7，依次形成CoFe 7nm/Ru 0.8nm/CoFe 10nm/IrMn 12nm。另外，作为覆盖层4，形成Ru 3nm/Ta 5nm。
[0160] 将上述层叠膜设置于退火装置中，在Ar中以450℃的温度处理10分钟后，在施加了8kOe的状态下，以280℃的温度处理6小时。
[0161] 接着，制作图8、9所示的结构的磁阻效应设备。首先，在覆盖层4上形成电极层5。接着，以成为电极层5的90度旋转的方向的方式，使用电子束光刻进行光致抗蚀层的形成。通过离子研磨法削掉光致抗蚀层下以外的部分，使作为基板的热氧化硅膜露出，形成基底层2的形状。另外，在基底层2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致抗蚀层，通过离子研磨法削掉光致抗蚀层下以外的部分，使基底层2露出。然后，以SiOx为绝缘层形成于通过离子研磨削去的部分。80nm的圆柱状的光致抗蚀层在此除去。仅图8、9的电极焊盘的部分，以不形成光致抗蚀层的方式，通过离子研磨法除去绝缘层，使基底层2露出。然后，形成Au。该电极焊盘8作为与上述层叠膜的基底层的接触电极发挥作用。接着，如成为图8、9的电极层那样，通过光致抗蚀层和离子研磨法形成形状，并形成Au。其作为与上述层叠膜的电极层的接触电极发挥作用。
[0162] 如下述评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。
[0163] (特性评价)
[0164] 依据上述的评价方法，测定得到的磁阻效应元件的MR比及面积电阻(RA)。此外，MR比在偏压为1V的条件下测定。
[0165] (隧道势垒层的组成分析)
[0166] 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。
[0167] 隧道势垒层的组成通过将Al的含量(原子个数)设为2，并测定二价阳离子(Mg、Zn、Cd、Pb)的相对量而决定。此外，O的含量测定困难。但是，一般而言，氧化物中，即使O的量偏离定量比，也能够维持结晶结构。
[0168] (隧道势垒层的结构分析)
[0169] 作为隧道势垒层的结构分析，评价结晶结构和晶格常数。
[0170] 结晶结构通过使用了透射型电子束的电子衍射图像进行评价。通过该方法调查势垒层的结构，结果，来自以规则尖晶石结构出现的{022}面的反射消失时，该势垒层为立方晶的阳离子不规则的尖晶石结构(Sukenel结构)。
[0171] 晶格常数使用四轴X射线衍射装置进行了评价。晶格常数的评价中，难以通过实施例的隧道势垒层的膜厚决定晶格常数。
[0172] 因此，为了求得隧道势垒层的晶格常数，使用了在带热氧化膜的Si基板上形成有隧道势垒层(厚度100nm)的基板。带热氧化膜的Si基板的表面为非晶的SiOx，难以受到形成隧道势垒层时的影响。
[0173] 另外，隧道势垒层(厚度100nm)为充分缓和基板产生的晶格应变的影响的膜厚，是能够得到用于充分的结构解析的X射线强度的膜厚。
[0174] (实施例2)
[0175] 作为基底层2，形成TiN 40nm，然后，使用CMP法研磨基底层2，并将基底层2的膜厚设为10nm，除此以外，与实施例1同样地制作磁阻效应元件，评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。基底层通过使用Ti靶材作为靶材，且使用以体积比1对1含有Ar和氮的混合气体作为溅射气体的反应性溅射法而形成。
[0176] (实施例3)
[0177] 作为基底层2，形成以V与Ti的原子比计以0.6：0.4的比例含有VN和TiN的混晶40nm，然后，使用CMP法研磨基底层2，并将基底层2的膜厚设为10nm，除此以外，与实施例1同样地制作磁阻效应元件，评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。基底层通过使用V0.6Ti0.4合金靶材作为靶材，且使用以体积比1对1含有Ar和氮的混合气体作为溅射气体的反应性溅射法而形成。
[0178] (实施例4)
[0179] 除了如下述那样形成隧道势垒层3以外，与实施例1同样地制作磁阻效应元件，评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。
[0180] 溅射Mg、Al、Cd及Mg0.15Zn0.25Al2合金组成的靶材，成膜Mg0.05nm/Cd 0.05nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm/Al 0.15nm。然后，使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，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对25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Mg 0.05nm/Cd 0.05nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm。
进一步使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，导入Ar和氧，进行自然氧化及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对20，总气压为0.08Pa。
进一步使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，导入Ar和氧，进行自然氧化及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对20，总气压为0.08Pa。
[0181] (实施例5)
[0182] 除了如下述那样形成隧道势垒层3以外，与实施例1同样地制作磁阻效应元件，评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。
[0183] 溅射Mg、Al、Pb及Mg0.15Zn0.25Al2合金组成的靶材，成膜Mg 0.05nm/Pb 0.05nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm/Al 0.15nm。然后，使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，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对25，总气压为0.05Pa。然后，返回成膜室，成膜Mg 0.05nm/Pb 0.05nm/Mg0.15Zn0.25Al2 0.2nm。
进一步使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，导入Ar和氧，进行自然氧化及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对20，总气压为0.08Pa。
进一步使上述试样移动至保持在超高真空1×10-8Pa以下的氧化室中，导入Ar和氧，进行自然氧化及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对20，总气压为0.08Pa。
[0184] (实施例6)
[0185] 除了如下述那样形成第二铁磁性金属层7以外，与实施例4同样地制作磁阻效应元件，评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。
[0186] 在隧道势垒层3上，作为第二铁磁性金属层7，依次形成Co2Mn0.7Fe0.3Si0.66Al0.36 5nm/CoFe 2nm/Ru 0.8nm/CoFe 10nm/IrMn 12nm。但是，仅在成膜Co2Mn0.7Fe0.3Si0.66Al0.36合金组成时，将基板加热至450度而形成。另外，在形成下面的CoFe 2nm之前，将基板的热充分放热，将基板温度降低至室温程度后，实施之后的成膜工艺。
[0187] (比较例1)
[0188] 作为基底层2，形成TaN 40nm，然后，使用CMP法研磨基底层2，并将基底层2的膜厚设为10nm，除此以外，与实施例1同样地制作磁阻效应元件，评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。基底层通过使用Ta靶材作为靶材，且使用以体积比1对1含有Ar和氮的混合气体作为溅射气体的反应性溅射法而形成。
[0189] (比较例2)
[0190] 作为基底层2，形成NbN 40nm，然后，使用CMP法研磨基底层2，并将基底层2的膜厚设为10nm，除此以外，与实施例1同样地制作磁阻效应元件，评价得到的磁阻效应元件的物性、隧道势垒层的组成、结构。基底层通过使用Nb靶材作为靶材，且使用以体积比1对1含有Ar和氮的混合气体作为溅射气体的反应性溅射法而形成。
[0191] (实施例与比较例的比较)
[0192] 表1中表示构成实施例1～6和比较例1～2中制作的磁阻效应元件的各层的组成、构成基底层2的氮化物的晶格常数、构成隧道势垒层3的化合物的晶格常数、基底层2和隧道势垒层3的晶格非匹配度、MR比、面积电阻(RA)。此外，氮化物的晶格常数是结晶结构为四方晶结构(NaCl结构)且空间群为Fm-3m时的值。另外，晶格非匹配度是使用上述的计算式，将n设为1算出的值。
[0193] 此外，实施例1～6及比较例1～2中制作的磁阻效应元件的隧道势垒层3均是不规则的尖晶石结构(Sukenel结构)。
[0194] [表1]
[0195]
[0196] 实施例1～6中制作的磁阻效应元件与比较例1～2中制作的磁阻效应元件相比，1V的偏压下的MR比提高。认为这是由于，实施例1～6的磁阻效应元件与比较例1～2的磁阻效应元件相比，构成隧道势垒层的Sukenel的结晶的晶格常数与构成基底层的氮化物可采用的结晶的晶格常数的晶格非匹配度小。
[0197] 因此，根据实施例的结果可确认到，根据本发明，可得到在高的偏压下产生比使用现有的隧道势垒的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 | 2020-05-15 | 552 |
| 磁阻效应器件,磁阻头及制造磁阻效应器件的方法 | 2020-05-20 | 660 |
| 磁阻效应器件 | 2020-05-12 | 558 |
| 磁阻效应装置以及磁阻效应模块 | 2020-05-17 | 822 |
| 磁阻效应元件 | 2020-05-13 | 599 |
| 磁阻效应元件单元及磁阻效应元件装置 | 2020-05-18 | 242 |
| 磁阻效应元件和具有该磁阻效应元件的磁存储器 | 2020-05-19 | 265 |
| 磁阻效应元件 | 2020-05-12 | 156 |
| 磁阻效应器件 | 2020-05-15 | 926 |
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