JP2023013057A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
磁気抵抗効果素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023013057A JP2023013057A JP2021116965A JP2021116965A JP2023013057A JP 2023013057 A JP2023013057 A JP 2023013057A JP 2021116965 A JP2021116965 A JP 2021116965A JP 2021116965 A JP2021116965 A JP 2021116965A JP 2023013057 A JP2023013057 A JP 2023013057A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- alloy
- ferromagnetic layer
- ferromagnetic
- magnetoresistive element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 219
- 229910000929 Ru alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 175
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 91
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 52
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 48
- 229910001291 heusler alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 25
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 19
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 claims 1
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 12
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 529
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 74
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 23
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 17
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 12
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 12
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 12
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 9
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 101100291433 Arabidopsis thaliana MMD1 gene Proteins 0.000 description 4
- 101150060453 LIA1 gene Proteins 0.000 description 4
- 201000001085 Miyoshi muscular dystrophy 1 Diseases 0.000 description 4
- 208000009376 Miyoshi myopathy Diseases 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- CNQCVBJFEGMYDW-UHFFFAOYSA-N lawrencium atom Chemical compound [Lr] CNQCVBJFEGMYDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N nobelium Chemical compound [No] ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 230000005350 ferromagnetic resonance Effects 0.000 description 3
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002515 CoAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015372 FeAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000943 NiAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000849798 Nita Species 0.000 description 1
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
- G11B5/37—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices using Hall or Hall-related effect, e.g. planar-Hall effect or pseudo-Hall effect
- G11B5/372—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices using Hall or Hall-related effect, e.g. planar-Hall effect or pseudo-Hall effect in magnetic thin films
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
- H03B15/006—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
- H10N50/85—Magnetic active materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Magnetic Heads (AREA)
Abstract
【課題】比較的低い温度で作製可能で、 ＭＲ比（磁気抵抗変化率）が大きい磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】第１Ｒｕ合金層と、第１強磁性層と、非磁性金属層と、第２強磁性層と、をこの順に有し、前記第１Ｒｕ合金層は、下記の一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含み、ＲｕαＸ１－α・・・（１）ただし、一般式（１）において、Ｘは、Ｂｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を表し、αは、０．５＜α＜１を満足する数を表し、前記第１強磁性層は、ホイスラー合金を含み、前記第２強磁性層は、ホイスラー合金を含む、磁気抵抗効果素子。【選択図】図１
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子に関する。
磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果により積層方向の抵抗値が変化する素子である。磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層とこれらに挟まれた非磁性金属層とを備える。非磁性金属層に導体が用いられた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子と言われ、非磁性金属層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）が用いられた磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子と言われる。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の様々な用途への応用が可能である。
非特許文献１には、Ｒｕ層、アモルファスＣｏＦｅＢＴａ層、ＣｏＭｎＦｅＧｅ層をこの順で積層した構成を有する磁気抵抗効果素子が開示されている。非特許文献１によると、この磁気抵抗効果素子は、比較的低い温度で作製可能とされている。
Ｙｏｕｎｇ－ｓｕｋ Ｃｈｏｉ ｅｔ ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，１０，０１３００６（２０１７）
非特許文献１の磁気抵抗効果素子は、アモルファスＣｏＦｅＢＴａ層の上にホイスラーＣｏＭｎＦｅＧｅを成膜している。しかしながら、アモルファス層ＣｏＦｅＢＴａ層は、ホイスラー合金との原子相互拡散が多い。このため、磁気抵抗効果を十分に向上させることは困難である。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、比較的低い温度で作製可能で、ＭＲ比（磁気抵抗変化率）が大きい磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、特定のＲｕ合金を含むＲｕ合金層の上に、第１強磁性層と、非磁性金属層と、第２強磁性層と、をこの順に積層した磁気抵抗効果素子は、比較的低い温度で作製可能で、各層間で原子相互拡散が起こりにくく、磁気抵抗効果が大きくなることを見出した。従って、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
［１］第１Ｒｕ合金層と、第１強磁性層と、非磁性金属層と、第２強磁性層と、をこの順に有し、前記第１Ｒｕ合金層は、下記の一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含み、
ＲｕαＸ１－α・・・（１）
ただし、前記一般式（１）において、Ｘは、Ｂｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を表し、αは、０．５＜α＜１を満足する数を表し、前記第１強磁性層は、ホイスラー合金を含み、前記第２強磁性層は、ホイスラー合金を含む、磁気抵抗効果素子。
ＲｕαＸ１－α・・・（１）
ただし、前記一般式（１）において、Ｘは、Ｂｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を表し、αは、０．５＜α＜１を満足する数を表し、前記第１強磁性層は、ホイスラー合金を含み、前記第２強磁性層は、ホイスラー合金を含む、磁気抵抗効果素子。
［２］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記一般式（１）の前記Ｘが、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＯｓおよびＩｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を表す構成とされていてもよい。
［３］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１Ｒｕ合金層に含まれる前記Ｒｕ合金のＲｕ含有量が、前記第１Ｒｕ合金層の面内方向又は積層方向に沿って変化している構成とされていてもよい。
［４］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１Ｒｕ合金層に含まれる前記Ｒｕ合金のＲｕ含有量が、前記第１Ｒｕ合金層の積層方向に沿って連続的に変化している構成とされていてもよい。
［５］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１Ｒｕ合金層に含まれる前記Ｒｕ合金のＲｕ含有量が、前記第１Ｒｕ合金層の第１強磁性層側の表面から、前記第１Ｒｕ合金層の第１強磁性層側とは反対側の表面に向かって増加している構成とされていてもよい。
［６］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層に含まれる前記ホイスラー合金および前記第２強磁性層に含まれる前記ホイスラー合金のうち少なくとも一方は、下記の一般式（２）で表されるホイスラー合金を１種以上含む構成とされていてもよい。
Ｃｏ２（Ｆｅ１－β，Ｍ１β）Ｍ２・・・（２）
ただし、前記一般式（２）において、Ｍ１は、ＭｎもしくはＴｉを表し、Ｍ２は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、ＧｅおよびＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素を表し、βは、０≦β≦１を満足する数を表す。
Ｃｏ２（Ｆｅ１－β，Ｍ１β）Ｍ２・・・（２）
ただし、前記一般式（２）において、Ｍ１は、ＭｎもしくはＴｉを表し、Ｍ２は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、ＧｅおよびＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素を表し、βは、０≦β≦１を満足する数を表す。
［７］上記［６］に記載の態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金は、Ｃｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）、Ｃｏ２（ＭｎＦｅ）ＧｅおよびＣｏ２（ＦｅＭｎ）（ＧａＧｅ）からなる群より選ばれる１種以上の合金である構成とされていてもよい。
［８］上記［６］または［７］に記載の態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層は前記一般式（２）で表されるホイスラー合金を含み、前記第１強磁性層の前記第１Ｒｕ合金層側の表面に含まれているホイスラー合金は、前記第１Ｒｕ合金層側とは反対側の表面に含まれているホイスラー合金と比較して、ＣｏとＦｅの含有率が大きい構成とされていてもよい。
［９］上記［６］～［８］に記載の態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性層は前記一般式（２）で表されるホイスラー合金を含み、前記第２強磁性層の前記非磁性金属層側とは反対側の界面に含まれているホイスラー合金は、前記第２強磁性層の前記非磁性金属層側の界面に含まれているホイスラー合金と比較して、ＣｏとＦｅの含有率が大きい構成とされていてもよい。
［１０］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層と前記第１Ｒｕ合金層との間に、ＣｏＦｅＢ層もしくはＣｏＦｅ層を有する構成とされていてもよい。
［１１］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性層の前記非磁性金属層側とは反対側の表面に、第２Ｒｕ合金層を有し、前記第２Ｒｕ合金層は、前記一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含む構成とされていてもよい。
［１２］上記［１１］に記載の態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性層と前記第２Ｒｕ合金層との間に、ＣｏＦｅＢ層もしくはＣｏＦｅ層を有する構成とされていてもよい。
［１３］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性金属層は、ＡｇまたはＡｇ合金を含む構成とされていてもよい。
本発明によれば、比較的低い温度で作製可能で、ＭＲ比が大きい磁気抵抗効果素子を提供することが可能となる。
以下、本発明について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。まず方向について定義する。各層が積層されている方向を、積層方向という場合がある。また積層方向と交差し、各層が広がる方向を面内方向という場合がある。図１は、各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面図である。
図１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。まず方向について定義する。各層が積層されている方向を、積層方向という場合がある。また積層方向と交差し、各層が広がる方向を面内方向という場合がある。図１は、各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面図である。
図１に示す磁気抵抗効果素子１０１は、基板１０の上に、下地層２０と、第１Ｒｕ合金層３０と、第１強磁性層４０と、非磁性金属層５０と、第２強磁性層６０と、キャップ層８０とがこの順で積層された積層体である。
（基板）
基板１０は、磁気抵抗効果素子１０１の土台となる部分である。基板１０は、結晶性を有する基板でも、アモルファスの基板でもよい。結晶性を有する基板は、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミックである。アモルファスの基板は、例えば、熱酸化膜付シリコン単結晶、ガラス、石英である。基板１０がアモルファスだと、基板１０の結晶構造が積層体の結晶構造に与える影響を低減できる。磁気抵抗効果素子１０１は、基板１０を除いて用いてもよい。
基板１０は、磁気抵抗効果素子１０１の土台となる部分である。基板１０は、結晶性を有する基板でも、アモルファスの基板でもよい。結晶性を有する基板は、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミックである。アモルファスの基板は、例えば、熱酸化膜付シリコン単結晶、ガラス、石英である。基板１０がアモルファスだと、基板１０の結晶構造が積層体の結晶構造に与える影響を低減できる。磁気抵抗効果素子１０１は、基板１０を除いて用いてもよい。
（下地層）
下地層２０は、基板１０と第１強磁性層４０との間に位置している。下地層２０は、基板１０の上に、第１下地層２１と、第２下地層２２とが積層された２層構造の積層体とされている。下地層２０は、単層でもあってもよいし、複数層でもあってもよい。下地層２０は、検出用電流を流すための電極として利用してもよい。
下地層２０は、基板１０と第１強磁性層４０との間に位置している。下地層２０は、基板１０の上に、第１下地層２１と、第２下地層２２とが積層された２層構造の積層体とされている。下地層２０は、単層でもあってもよいし、複数層でもあってもよい。下地層２０は、検出用電流を流すための電極として利用してもよい。
第１下地層２１は、第１下地層２１の上に積層される上部の層の結晶性を高めるシード層として機能する。第１下地層２１は、ＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金の少なくとも一種類を含む層であってもよい。また、第１下地層２１は、ＣｏとＦｅとを含む合金層であってもよい。ＣｏとＦｅとを含む合金は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂである。また、第１下地層２１は、金属元素、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む層であってもよい。第１下地層２１の厚みは、例えば、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
第２下地層２２は、第１下地層２１と第１Ｒｕ合金層３０との格子不整合を緩和するバッファ層として機能する。第２下地層２２は、検出用電流を流すための電極として利用できるものであってもよい。第２下地層２２は、金属元素、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む層であってもよい。また、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む層であってもよい。さらに、例えば、（００１）配向した正方晶構造又は立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層であってもよい。第２下地層２２は、これらの金属元素の合金、又はこれら金属元素の２種以上を含む材料の積層体であってもよい。金属元素の合金には、例えば、立方晶系のＡｇＺｎ合金、ＡｇＭｇ合金、ＣｏＡｌ合金、ＦｅＡｌ合金及びＮｉＡｌ合金が含まれる。第２下地層２２の厚みは、例えば、２ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
（第１Ｒｕ合金層）
第１Ｒｕ合金層３０は、下記の一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含む層である。第１Ｒｕ合金層は、Ｒｕ合金のみからなる層であってもよい。
ＲｕαＸ１－α・・・（１）
第１Ｒｕ合金層３０は、下記の一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含む層である。第１Ｒｕ合金層は、Ｒｕ合金のみからなる層であってもよい。
ＲｕαＸ１－α・・・（１）
一般式（１）において、Ｘは、Ｂｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を表す。Ｘは、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＯｓおよびＩｒからなる群より選ばれる１種以上の元素であってもよい。
αは、０．５＜α＜１を満足する数を表す。すなわち、第１Ｒｕ合金層３０に含まれるＲｕ合金は、Ｒｕの含有量が５０ａｔｍ％を超えて、１００ａｔｍ％未満であり、Ｘ元素の含有量（Ｘ元素が２種以上である場合はその合計含有量）が０ａｔｍ％を超えて５０ａｔｍ％未満の範囲内にある。αは、０．５＜α＜０．９５を満足する数であってもよいし、０．６＜α＜０．９５を満足する数であってもよい。
第１Ｒｕ合金層３０に含まれるＲｕ合金のＲｕ含有量は、均一であってもよいし、第１Ｒｕ合金層３０の面内方向又は積層方向に沿って変化していてもよい。例えば、第１Ｒｕ合金層３０に含まれるＲｕ合金のＲｕ含有量は、第１Ｒｕ合金層３０の積層方向に沿って連続的に変化していてもよい。また、第１Ｒｕ合金層３０に含まれるＲｕ合金のＲｕ含有量は、第１Ｒｕ合金層３０の第１強磁性層４０側の表面から、第１Ｒｕ合金層３０の第１強磁性層４０側とは反対側（すなわち、基板１０側）の表面に向かって増加していてもよい。第１Ｒｕ合金層３０の厚みは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
（第１強磁性層、第２強磁性層）
第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０は磁性体である。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層４０の磁化と第２強磁性層６０の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０は磁性体である。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層４０の磁化と第２強磁性層６０の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
第２強磁性層６０の磁化は、例えば、第１強磁性層４０の磁化より動きやすい。所定の外力を加えた場合に、第１強磁性層４０の磁化の向きは変化せず（固定され）、第２強磁性層６０の磁化の向きは変化する。第１強磁性層４０の磁化の向きに対して第２強磁性層６０の磁化の向きが変化することで、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値は変化する。この場合、第１強磁性層４０は磁化固定層と言われ、第２強磁性層６０は磁化自由層と呼ばれる場合がある。以下、第１強磁性層４０が磁化固定層、第２強磁性層６０が磁化自由層の場合を例にとって説明をするが、この関係は反対でもよい。また磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層４０の磁化と第２強磁性層６０の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力するため、第１強磁性層４０の磁化と第２強磁性層６０の磁化がいずれも動く構成（すなわち、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０がいずれも磁化自由層）でもよい。
所定の外力を印加した際の第１強磁性層４０の磁化と第２強磁性層６０の磁化との動きやすさの差は、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０との保磁力の違いにより生じる。例えば、第２強磁性層６０の厚みを第１強磁性層４０の厚みより薄くすると、第２強磁性層６０の保磁力が第１強磁性層４０の保磁力より小さくなる。また例えば、第１強磁性層４０の非磁性金属層５０と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を設ける。第１強磁性層４０、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、スペーサ層を挟む２つの磁性層を含む。第１強磁性層４０と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第１強磁性層４０の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。厚みにより保磁力差を生み出す方法は、反強磁性層等の寄生抵抗の原因となりうる追加の層が不要である。一方で、ＳＡＦ構造により保磁力差を生み出す方法は、第１強磁性層４０の磁化の配向性を高めることができる。
第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０はそれぞれ、ホイスラー合金を含む。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０はそれぞれ、ホイスラー合金のみからなる層であってもよい。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０は１種のホイスラー合金を含んでいてもよいし、２種以上のホイスラー合金を含んでいてもよい。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０に含まれているホイスラー合金の組成は同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０はそれぞれ単層であってもよいし、複数層であってもよい。
ホイスラー合金は、合金中を流れる電流を担う電子が上向き又は下向きのスピンのみを有し、スピン分極率が理想的には１００％を示すハーフメタルである。第１強磁性層４０に含まれるホイスラー合金および第２強磁性層６０に含まれるホイスラー合金のうち少なくとも一方は、下記の一般式（２）で表されるホイスラー合金を１種以上含んでいてもよい。下記の一般式（２）で表されるホイスラー合金は、第１強磁性層４０および第２強磁性層６０の両方に含まれていてもよい。
Ｃｏ２（Ｆｅ１－β，Ｍ１β）Ｍ２・・・（２）
Ｃｏ２（Ｆｅ１－β，Ｍ１β）Ｍ２・・・（２）
一般式（２）において、Ｍ１は、ＭｎもしくはＴｉを表し、Ｍ２は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、ＧｅおよびＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素を表す。
βは、０≦β≦１を満足する数を表す。
βは、０≦β≦１を満足する数を表す。
第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０は厚みが同じであってもよい。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の厚みは、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
（非磁性金属層）
非磁性金属層５０は、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０との磁気的な結合を阻害する。非磁性金属層５０は、非磁性の金属を含む。非磁性金属層５０は、非磁性の金属からなる層であってもよい。非磁性金属層５０は、主成分としてＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を含むことが好ましい。主の構成元素とは、組成式において、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒが占める割合が５０％以上となることを意味する。非磁性金属層５０は、Ａｇを含むことが好ましく、主の構成元素としてＡｇを含むことが好ましい。Ａｇはスピン拡散長が長いため、Ａｇを用いた磁気抵抗効果素子１０１は、ＭＲ比がより大きくなる。
非磁性金属層５０の厚みは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
非磁性金属層５０は、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０との磁気的な結合を阻害する。非磁性金属層５０は、非磁性の金属を含む。非磁性金属層５０は、非磁性の金属からなる層であってもよい。非磁性金属層５０は、主成分としてＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を含むことが好ましい。主の構成元素とは、組成式において、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒが占める割合が５０％以上となることを意味する。非磁性金属層５０は、Ａｇを含むことが好ましく、主の構成元素としてＡｇを含むことが好ましい。Ａｇはスピン拡散長が長いため、Ａｇを用いた磁気抵抗効果素子１０１は、ＭＲ比がより大きくなる。
非磁性金属層５０の厚みは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
（キャップ層）
キャップ層８０は、磁気抵抗効果素子１０１の基板１０と反対側に位置する。キャップ層８０は、第２強磁性層６０を保護する。キャップ層８０は、第２強磁性層６０からの原子の拡散を抑制する。また、キャップ層８０は、磁気抵抗効果素子１０１の各層の結晶配向性にも寄与する。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の磁化は、キャップ層８０によってより安定化し、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比が向上する。キャップ層８０は、単層であってもよいし、複数層でもあってもよい。キャップ層８０は、検出用電流を流すための電極として利用してもよい。
キャップ層８０は、磁気抵抗効果素子１０１の基板１０と反対側に位置する。キャップ層８０は、第２強磁性層６０を保護する。キャップ層８０は、第２強磁性層６０からの原子の拡散を抑制する。また、キャップ層８０は、磁気抵抗効果素子１０１の各層の結晶配向性にも寄与する。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の磁化は、キャップ層８０によってより安定化し、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比が向上する。キャップ層８０は、単層であってもよいし、複数層でもあってもよい。キャップ層８０は、検出用電流を流すための電極として利用してもよい。
キャップ層８０は、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂ、Ｃ、Ｔｉ、Ｔａからなる群から選択される１つ以上の元素を含んでいてもよい。キャップ層８０は、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔｅ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される１つ以上の元素と、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｔｉ、Ｔａからなる群から選択される１つ以上の元素と、を含んでいてもよい。キャップ層８０は、例えば、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、及びＩｒから選択される１つ以上の元素を含んでもよい。
キャップ層８０の厚みは、例えば、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
キャップ層８０の厚みは、例えば、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
磁気抵抗効果素子を構成する各層の組成分析は、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を用いて行うことができる。また、ＥＤＳ分析を行えば、例えば、各材料の膜厚方向の組成分布を確認することができる。
本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、例えば、基板１０の上に、下地層２０（第１下地層２１、第２下地層２２）、第１Ｒｕ合金層３０、第１強磁性層４０、非磁性金属層５０、第２強磁性層６０、キャップ層８０をこの順に積層することによって製造することができる。各層の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いることができる。
以上のような構成とされた本実施形態の磁気抵抗効果素子１０１は、第１Ｒｕ合金層３０の上に第１強磁性層４０と、非磁性金属層５０と、第２強磁性層６０とが積層され、第１Ｒｕ合金層３０は、上記の一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含み、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０は、ホイスラー合金を含むので、比較的低い温度で作製可能で、かつＭＲ比が向上する。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
磁気抵抗効果素子１０１の変形例を、図２～図５に示す。
図２は、第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
図２に示す磁気抵抗効果素子１０２は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図２においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
図２は、第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
図２に示す磁気抵抗効果素子１０２は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図２においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
第１ＣｏＦｅＢ層９１は、ＣｏとＦｅとＢを含有する。第１ＣｏＦｅＢ層９１は、ＦｅとＣｏとＢのみからなる層であってもよい。第１ＣｏＦｅＢ層９１の厚みは、例えば、０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
第１ＣｏＦｅＢ層９１の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いることができる。
第１ＣｏＦｅＢ層９１の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いることができる。
第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０２は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されているので、ＭＲ比がさらに向上する。第１ＣｏＦｅＢ層９１の代わりに、ＣｏとＦｅとを含有するＣｏＦｅ層を設けてもよい。
図３は、第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
図３に示す磁気抵抗効果素子１０３は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されている点と、第２強磁性層６０の非磁性金属層５０側とは反対側（キャップ層８０側）に、第２Ｒｕ合金層７０を有する点と、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２が配置されている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図３においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
図３に示す磁気抵抗効果素子１０３は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されている点と、第２強磁性層６０の非磁性金属層５０側とは反対側（キャップ層８０側）に、第２Ｒｕ合金層７０を有する点と、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２が配置されている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図３においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
第２Ｒｕ合金層７０は、第１Ｒｕ合金層３０と同様に一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含む。第２Ｒｕ合金層７０は、一般式（１）で表されるＲｕ合金のみからなる層であってもよい。なお、第２Ｒｕ合金層７０に含まれるＲｕ合金と、第１Ｒｕ合金層３０に含まれるＲｕ合金とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、第２Ｒｕ合金層７０を有する場合、キャップ層８０を省略してもよい。第２Ｒｕ合金層７０の厚みは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
第２ＣｏＦｅＢ層９２は、ＣｏとＦｅとＢを含有する。第２ＣｏＦｅＢ層９２は、ＦｅとＣｏとＢのみからなる層であってもよい。第２ＣｏＦｅＢ層９２の厚みは、例えば、０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
第２Ｒｕ合金層７０及び第２ＣｏＦｅＢ層９２の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いることができる。
第２Ｒｕ合金層７０及び第２ＣｏＦｅＢ層９２の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いることができる。
第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０３は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置され、第２Ｒｕ合金層７０を有し、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２が配置されているので、ＭＲ比がさらに向上する。第１ＣｏＦｅＢ層９１及び第２ＣｏＦｅＢ層９２の代わりに、ＣｏとＦｅとを含有するＣｏＦｅ層を設けてもよい。
図４は、第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
図４に示す磁気抵抗効果素子１０４は、第１Ｒｕ合金層３０が、積層方向にＲｕ合金のＲｕ含有量が異なる２層構造の積層体とされている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図４においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
図４に示す磁気抵抗効果素子１０４は、第１Ｒｕ合金層３０が、積層方向にＲｕ合金のＲｕ含有量が異なる２層構造の積層体とされている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図４においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
第１Ｒｕ合金層３０の積層方向における下側（基板１０側）の下側第１Ｒｕ合金層３１は、積層方向における上側（第１強磁性層４０側）の上側第１Ｒｕ合金層３２と比較して、Ｒｕ含有量が相対的に多く、Ｘ元素の含有量が相対的に少なくなっている。下側第１Ｒｕ合金層３１と上側第１Ｒｕ合金層３２は、例えば、ＲｕターゲットとＸ元素のターゲットを用いた共スパッタ法を用い、下側第１Ｒｕ合金層３１と上側第１Ｒｕ合金層３２とでスパッタリング装置のスパッタンリング速度を変えることによって成膜することができる。下側第１Ｒｕ合金層３１の厚みは、例えば、０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。上側第１Ｒｕ合金層３２の厚みは、例えば、０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内にあってもよい。
第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０４は、第１Ｒｕ合金層３０が、下側第１Ｒｕ合金層３１と上側第１Ｒｕ合金層３２の２層構造の積層体とされていて、下側第１Ｒｕ合金層３１は上側第１Ｒｕ合金層３２と比較して、Ｒｕ含有量が相対的に多く、Ｘ元素の含有量が相対的に少なくなっているので、ＭＲ比がさらに向上する。
図５は、第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
図５に示す磁気抵抗効果素子１０５は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されている点、第２強磁性層６０の非磁性金属層５０側とは反対側（キャップ層８０側）に、第２Ｒｕ合金層７０を有する点、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２が配置されている点、第１Ｒｕ合金層３０及び第２Ｒｕ合金層７０が、積層方向にＲｕ合金のＲｕ含有量が異なる２層構造の積層体とされている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図５においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
図５に示す磁気抵抗効果素子１０５は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されている点、第２強磁性層６０の非磁性金属層５０側とは反対側（キャップ層８０側）に、第２Ｒｕ合金層７０を有する点、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２が配置されている点、第１Ｒｕ合金層３０及び第２Ｒｕ合金層７０が、積層方向にＲｕ合金のＲｕ含有量が異なる２層構造の積層体とされている点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図５においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
第１ＣｏＦｅＢ層９１は、第１変形例の磁気抵抗効果素子１０２の場合と同じである。第２ＣｏＦｅＢ層９２は、第２変形例の磁気抵抗効果素子１０３の場合と同じである。第１Ｒｕ合金層３０の下側第１Ｒｕ合金層３１及び上側第１Ｒｕ合金層３２は、第３変形例の磁気抵抗効果素子１０４の場合と同じである。
第２Ｒｕ合金層７０の積層方向における下側（第２強磁性層６０側）の下側第２Ｒｕ合金層７１は、積層方向における上側（キャップ層８０側）の上側第２Ｒｕ合金層７２と比較して、Ｒｕ含有量が相対的に少なく、Ｘ元素の含有量が相対的に多くなっている。下側第２Ｒｕ合金層７１及び上側第２Ｒｕ合金層７２の厚さや成膜方法は、下側第１Ｒｕ合金層３１及び上側第１Ｒｕ合金層３２の場合と同じとすることができる。
第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０５は、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１が配置されていて、第２Ｒｕ合金層７０を有し、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２が配置され、下側第１Ｒｕ合金層３１は上側第１Ｒｕ合金層３２と比較して、Ｒｕ含有量が相対的に多く、Ｘ元素の含有量が相対的に少なくなっていて、下側第２Ｒｕ合金層７１は上側第２Ｒｕ合金層７２と比較して、Ｒｕ含有量が相対的に小さく、Ｘ元素の含有量が相対的に多くなっているので、ＭＲ比がさらに向上する。
上記の磁気抵抗効果素子１０１～１０５は、様々な用途に用いることができる。磁気抵抗効果素子１０１～１０５は、例えば、磁気ヘッド、磁気センサ、磁気メモリ、高周波フィルタなどに適用できる。次に、磁気抵抗効果素子の適用例を、磁気抵抗効果素子として、磁気抵抗効果素子１０１を用いた場合を例にとって説明する。
図６は、適用例１にかかる磁気記録素子２０１の断面図である。図６は、積層方向に沿って磁気記録素子２０１を切断した断面図である。
図６に示すように、磁気記録素子２０１は、磁気ヘッドＭＨと磁気記録媒体Ｗとを有する。図６において、磁気記録媒体Ｗが延在する一方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とする。ＸＹ面は、磁気記録媒体Ｗの主面と平行である。磁気記録媒体Ｗと磁気ヘッドＭＨとを結ぶ方向であって、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
磁気ヘッドＭＨは、エアベアリング面（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）Ｓが磁気記録媒体Ｗの表面と対向している。磁気ヘッドＭＨは、磁気記録媒体Ｗから一定の距離で離れた位置にて、磁気記録媒体Ｗの表面に沿って、矢印＋Ｘと矢印－Ｘの方向に移動する。磁気ヘッドＭＨは、磁気センサとして作用する磁気抵抗効果素子１０１と磁気記録部（不図示）とを有する。抵抗測定器２２０は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値を測定する。
磁気記録部は、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に磁場を印加し、記録層Ｗ１の磁化の向きを決定する。すなわち、磁気記録部は、磁気記録媒体Ｗの磁気記録を行う。磁気抵抗効果素子１０１は、磁気記録部によって書き込まれた記録層Ｗ１の磁化の情報を読み取る。
磁気記録媒体Ｗは、記録層Ｗ１と裏打ち層Ｗ２とを有する。記録層Ｗ１は磁気記録を行う部分であり、裏打ち層Ｗ２は書込み用の磁束を再び磁気ヘッドＭＨに還流させる磁路（磁束の通路）である。記録層Ｗ１は、磁気情報を磁化の向きとして記録している。
磁気抵抗効果素子１０１の第２強磁性層６０は、例えば、磁化自由層である。このため、エアベアリング面Ｓに露出した第２強磁性層６０は、対向する磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に記録された磁化の影響を受ける。例えば、図６においては、記録層Ｗ１の＋Ｚ方向に向いた磁化の影響を受けて、第２強磁性層６０の磁化の向きが＋Ｚ方向を向く。この場合、磁化固定層である第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが平行となる。
ここで、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが平行の場合の抵抗と、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗とは異なる。平行の場合の抵抗値と反平行の場合の抵抗値の差が大きいほど、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比は大きくなる。本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、ＭＲ比が大きい。したがって、抵抗測定器２２０によって、記録層Ｗ１の磁化の情報を抵抗値変化として正確に読み出すことができる。
磁気ヘッドＭＨの磁気抵抗効果素子１０１の形状は特に制限はない。例えば、磁気抵抗効果素子１０１の第１強磁性層４０に対する磁気記録媒体Ｗの漏れ磁場の影響を避けるために、第１強磁性層４０を磁気記録媒体Ｗから離れた位置に設置してもよい。
図７は、適用例２にかかる磁気記録素子２０２の断面図である。図７は、積層方向に沿って磁気記録素子２０２を切断した断面図である。
図７に示すように、磁気記録素子２０２は、磁気抵抗効果素子１０１と電源２３０と測定部２４０とを有する。電源２３０は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に電位差を与える。電源２３０は、例えば、直流電源である。測定部２４０は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値を測定する。
電源２３０により第１強磁性層４０と第２強磁性層６０との間に電位差が生じると、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に電流が流れる。電流は、第１強磁性層４０を通過する際にスピン偏極し、スピン偏極電流となる。スピン偏極電流は、非磁性金属層５０を介して、第２強磁性層６０に至る。第２強磁性層６０の磁化は、スピン偏極電流によるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を受けて磁化反転する。第１強磁性層４０の磁化の向きと第２強磁性層６０の磁化の向きとの相対角が変化することで、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値は、測定部２４０で読み出される。すなわち、図７に示す磁気記録素子２０２は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）型の磁気記録素子である。
図８は、適用例３にかかる磁気記録素子２０３の断面図である。図８は、積層方向に沿って磁気記録素子２０３を切断した断面図である。図８に示す磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層４０が磁化自由層であり、第２強磁性層６０が磁化固定層である。
図８に示すように、磁気記録素子２０３は、第２下地層２２がスピン軌道トルク配線ｗＳＯＴとされている。第１下地層２１と第２下地層２２との間にスピン軌道トルク配線を配置してもよい。第２下地層２２（スピン軌道トルク配線ｗＳＯＴ）は、面内方向の一方向に延びる。電源２３０は、第２下地層２２の第１端と第２端とに接続されている。第１端と第２端とは、平面視で磁気抵抗効果素子１０１を挟む。電源２３０は、第２下地層２２に沿って書き込み電流を流す。測定部２４０は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値を測定する。
電源２３０により第２下地層２２の第１端と第２端との間に電位差を生み出すと、第２下地層２２の面内方向に電流が流れる。第２下地層２２は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する。第２下地層２２は、例えば、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。例えば、第２下地層２２は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号を有する非磁性金属を含む。
第２下地層２２の面内方向に電流が流れると、スピン軌道相互作用によりスピンホール効果が生じる。スピンホール効果は、移動するスピンが電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる現象である。スピンホール効果は、スピン軌道トルク配線ｗＳＯＴ内にスピンの偏在を生み出し、第２下地層２２の厚み方向にスピン流を誘起する。スピンは、スピン流によって第２下地層２２から第１Ｒｕ合金層３０を介して第１強磁性層４０に注入される。
第１強磁性層４０に注入されたスピンは、第１強磁性層４０の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層４０は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて、磁化反転する。第２強磁性層６０の磁化の向きと第１強磁性層４０の磁化の向きとの相対角が変化することで、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値は、測定部２４０で読み出される。すなわち、図８に示す磁気記録素子２０３は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）型の磁気記録素子である。
図９は、適用例４にかかる磁壁移動素子（磁壁移動型磁気記録素子）の断面図である。
磁壁移動素子２０４は、磁気抵抗効果素子１０１と第１磁化固定層２５１と第２磁化固定層２５２とを有する。下地層２０及び第１Ｒｕ合金層３０は、例えば、第１磁化固定層２５１と第２磁化固定層２５２との間にあり、第２強磁性層６０と重なる位置にある。図９において、第１強磁性層４０が延びる方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
磁壁移動素子２０４は、磁気抵抗効果素子１０１と第１磁化固定層２５１と第２磁化固定層２５２とを有する。下地層２０及び第１Ｒｕ合金層３０は、例えば、第１磁化固定層２５１と第２磁化固定層２５２との間にあり、第２強磁性層６０と重なる位置にある。図９において、第１強磁性層４０が延びる方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
第１磁化固定層２５１及び第２磁化固定層２５２は、第１強磁性層４０の第１端と第２端に接続されている。第１端と第２端は、Ｘ方向に第２強磁性層６０及び非磁性金属層５０を挟む。
第１強磁性層４０は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。第１強磁性層４０は、内部に第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２とを有する。第１強磁性層４０のうち第１磁化固定層２５１又は第２磁化固定層２５２とＺ方向に重なる位置の磁化は、一方向に固定される。第１磁化固定層２５１とＺ方向に重なる位置の磁化は例えば＋Ｚ方向に固定され、第２磁化固定層２５２とＺ方向に重なる位置の磁化は例えば－Ｚ方向に固定される。その結果、第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２との境界に磁壁ＤＷが形成される。第１強磁性層４０は、磁壁ＤＷを内部に有するができる。図９に示す第１強磁性層４０は、第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１が＋Ｚ方向に配向し、第２磁区ＭＤ２の磁化ＭＭＤ２が－Ｚ方向に配向している。
磁壁移動素子２０４は、第１強磁性層４０の磁壁ＤＷの位置によって、データを多値又は連続的に記録できる。第１強磁性層４０に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁壁移動素子２０４の抵抗値変化として読み出される。
第１強磁性層４０における第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２との比率は、磁壁ＤＷが移動すると変化する。第２強磁性層６０の磁化Ｍ２は、例えば、第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１と同じ方向（平行）であり、第２磁区ＭＤ２の磁化ＭＭＤ２と反対方向（反平行）である。磁壁ＤＷが＋Ｘ方向に移動し、Ｚ方向からの平面視で第２強磁性層６０と重畳する部分における第１磁区ＭＤ１の面積が広くなると、磁壁移動素子２０４の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁ＤＷが－Ｘ方向に移動し、Ｚ方向からの平面視で第２強磁性層６０と重畳する部分における第２磁区ＭＤ２の面積が広くなると、磁壁移動素子２０４の抵抗値は高くなる。
磁壁ＤＷは、第１強磁性層４０のＸ方向に書込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、第１強磁性層４０の＋Ｘ方向に書込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の－Ｘ方向に流れるため、磁壁ＤＷは－Ｘ方向に移動する。第１磁区ＭＤ１から第２磁区ＭＤ２に向って電流が流れる場合、第２磁区ＭＤ２でスピン偏極した電子は、第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１を磁化反転させる。第１磁区ＭＤ１の磁化ＭＭＤ１が磁化反転することで、磁壁ＤＷが－Ｘ方向に移動する。
図１０は、適用例５にかかる高周波デバイス２０５の模式図である。図１０に示すように、高周波デバイス２０５は、磁気抵抗効果素子１０１と直流電源２６０とインダクタ２６１とコンデンサ２６２と出力ポート２６３と配線２６４、２６５を有する。
配線２６４は、磁気抵抗効果素子１０１と出力ポート２６３とを繋ぐ。配線２６５は、配線２６４から分岐し、インダクタ２６１及び直流電源２６０を介し、グラウンドＧへ至る。直流電源２６０、インダクタ２６１、コンデンサ２６２は、公知のものを用いることができる。インダクタ２６１は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。コンデンサ２６２は、電流の高周波成分を通し、電流の不変成分をカットする。インダクタ２６１は高周波電流の流れを抑制したい部分に配設し、コンデンサ２６２は直流電流の流れを抑制したい部分に配設する。
磁気抵抗効果素子１０１に含まれる強磁性層に交流電流または交流磁場を印加すると、第１強磁性層４０の磁化は歳差運動する。第１強磁性層４０の磁化は、第１強磁性層４０に印加される高周波電流又は高周波磁場の周波数が、第１強磁性層４０の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に強く振動し、第１強磁性層４０の強磁性共鳴周波数から離れた周波数ではあまり振動しない。この現象を強磁性共鳴現象という。
磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値は、第１強磁性層４０の磁化の振動により変化する。直流電源２６０は、磁気抵抗効果素子１０１に直流電流を印加する。直流電流は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に流れる。直流電流は、配線２６４、２６５、磁気抵抗効果素子１０１を通りグラウンドＧへ流れる。磁気抵抗効果素子１０１の電位は、オームの法則に従い変化する。磁気抵抗効果素子１０１の電位の変化（抵抗値の変化）に応じて高周波信号が出力ポート２６３から出力される。
（実施例１－１～８０、比較例１－１～４８）
図１に示す磁気抵抗効果素子１０１を作製した。各層の構成は、以下のとおりとした。
基板１０：熱酸化膜付シリコン単結晶基板、厚み０．６２５ｍｍ
下地層２０：
第１下地層２１：Ｃｒ層、厚み１０ｎｍ
第２下地層２２：Ａｇ層、厚み１００ｎｍ
第１Ｒｕ合金層３０：ＲｕαＸ１－α層（Ｘは、Ｂｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｎｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒであり、αは、１、０．９５、０．９０，０．８０、０．７５、０．６０、０．５０、０．２５である。）、厚み５ｎｍ
第１強磁性層４０：Ｃｏ２ＭｎＧｅ層、厚み１０ｎｍ
非磁性金属層５０：Ａｇ層、厚み５ｎｍ
第２強磁性層６０：Ｃｏ２ＭｎＧｅ層、厚み７ｎｍ
キャップ層８０：Ｒｕ層、厚み５ｎｍ
図１に示す磁気抵抗効果素子１０１を作製した。各層の構成は、以下のとおりとした。
基板１０：熱酸化膜付シリコン単結晶基板、厚み０．６２５ｍｍ
下地層２０：
第１下地層２１：Ｃｒ層、厚み１０ｎｍ
第２下地層２２：Ａｇ層、厚み１００ｎｍ
第１Ｒｕ合金層３０：ＲｕαＸ１－α層（Ｘは、Ｂｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｎｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒであり、αは、１、０．９５、０．９０，０．８０、０．７５、０．６０、０．５０、０．２５である。）、厚み５ｎｍ
第１強磁性層４０：Ｃｏ２ＭｎＧｅ層、厚み１０ｎｍ
非磁性金属層５０：Ａｇ層、厚み５ｎｍ
第２強磁性層６０：Ｃｏ２ＭｎＧｅ層、厚み７ｎｍ
キャップ層８０：Ｒｕ層、厚み５ｎｍ
磁気抵抗効果素子１０１は、下記の手順で作製した。
まず、熱酸化膜付シリコン単結晶基板の熱酸化膜上に、第１下地層２１をスパッタリング法により成膜した。次いで、第１下地層２１の上に第２下地層２２（Ａｇ層）をスパッタリング法により成膜して、下地層２０を形成した。下地層２０を形成した基板１０を３００℃で１５分間加熱し、その後、室温まで放冷した。
まず、熱酸化膜付シリコン単結晶基板の熱酸化膜上に、第１下地層２１をスパッタリング法により成膜した。次いで、第１下地層２１の上に第２下地層２２（Ａｇ層）をスパッタリング法により成膜して、下地層２０を形成した。下地層２０を形成した基板１０を３００℃で１５分間加熱し、その後、室温まで放冷した。
放冷後、基板１０に成膜した下地層２０の上に第１Ｒｕ合金層３０（ＲｕαＸ１－α層）を、ＲｕターゲットとＸ元素のターゲットを用いた共スパッタリング法により成膜した。第１Ｒｕ合金層３０のＸ元素の含有量は、スパッタリング装置のスパッタンリング速度によって調整した。
次いで、第１Ｒｕ合金層３０の上に、第１強磁性層４０、非磁性金属層５０、第２強磁性層６０を、この順にスパッタリング法により成膜した。第２強磁性層６０を成膜した基板１０を、５００℃で１５分間加熱し、その後、室温まで放冷した。放冷後、第２強磁性層６０の上に、キャップ層８０（Ｒｕ層）を電子ビーム蒸着法により成膜した。
作製した磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比を測定した。その結果を、下記の表１Ａ～１Ｄ及び図１１に示す。
ＭＲ比は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に一定電流を流した状態で、外部から磁気抵抗効果素子１０１に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１０１への印加電圧を電圧計によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値変化を測定した。第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが平行の場合の抵抗値と、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値とを測定し、得られた抵抗値から下記の式より算出した。ＭＲ比の測定は、３００Ｋ（室温）で行った。
ＭＲ比（％）＝（ＲＡＰ－ＲＰ）／ＲＰ×１００
ＲＰは、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが平行の場合の抵抗値であり、ＲＡＰは、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値である。
ＭＲ比は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に一定電流を流した状態で、外部から磁気抵抗効果素子１０１に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１０１への印加電圧を電圧計によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値変化を測定した。第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが平行の場合の抵抗値と、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値とを測定し、得られた抵抗値から下記の式より算出した。ＭＲ比の測定は、３００Ｋ（室温）で行った。
ＭＲ比（％）＝（ＲＡＰ－ＲＰ）／ＲＰ×１００
ＲＰは、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが平行の場合の抵抗値であり、ＲＡＰは、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値である。
表１Ａ～１Ｄ及び図１１のグラフの結果から、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０がホイスラー合金を含み、第１Ｒｕ合金層３０のＲｕ合金が所定のＸ元素を本発明の範囲で含む実施例１－１～１－８０の磁気抵抗効果素子１０１はＭＲ比が向上することがわかる。ＭＲ比が向上した理由は必ずしも明確ではないが、Ｘ元素を本発明の範囲で含む第１Ｒｕ合金層３０はｈｃｐ構造（六方最密充填構造）を有し、そのｈｃｐ構造の膜面と平行な［０００１］面と表される等価な結晶面が主配向しているためであると考えられる。すなわち、ＭＲ比が向上した理由として、第１Ｒｕ合金層３０がｈｃｐ構造を有することによって、第２下地層２２と第１強磁性層４０との間の原子相互拡散が抑制されることが考えられる。また、第２に、第１Ｒｕ合金層３０が［０００１］面と表される等価な結晶面に主配向することによって、第１Ｒｕ合金層３０の上に形成される第１強磁性層４０との格子整合が良好になるため、第１強磁性層４０（ホイスラー合金）の結晶性が高まることが考えられる。
また、表１Ａ～１Ｄ及び図１１のグラフの結果から、Ｘ元素が、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＯｓおよびＩｒである場合にＭＲ比が顕著に向上することがわかる。この理由としては、これらの元素は、第１強磁性層４０のホイスラー合金に含まれる金属元素よりも融点が高いため、第２下地層２２と第１強磁性層４０との間の原子相互拡散がより抑制されるためであると考えられる。
（実施例２－１～５５、比較例２－１～２２）
第１強磁性層４０を、Ｃｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）層（厚み１０ｎｍ）とし、第２強磁性層６０を、Ｃｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）層（厚み７ｎｍ）としたこと、第１Ｒｕ合金層３０（ＲｕαＸ１－α層）のＸを、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒとし、αを、０．９５、０．９０、０．８０、０．７５、０．６０、０．５０、０．２５としたこと以外は、実施例１－１～８０と同様にして、磁気抵抗効果素子１０１を作製し、そのＭＲ比を測定した。その結果を、下記の表２Ａ～２Ｃ及び図１２に示す。
第１強磁性層４０を、Ｃｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）層（厚み１０ｎｍ）とし、第２強磁性層６０を、Ｃｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）層（厚み７ｎｍ）としたこと、第１Ｒｕ合金層３０（ＲｕαＸ１－α層）のＸを、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒとし、αを、０．９５、０．９０、０．８０、０．７５、０．６０、０．５０、０．２５としたこと以外は、実施例１－１～８０と同様にして、磁気抵抗効果素子１０１を作製し、そのＭＲ比を測定した。その結果を、下記の表２Ａ～２Ｃ及び図１２に示す。
表２Ａ～２Ｃ及び図１２のグラフの結果から、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０に含まれるホイスラー合金がＣｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）である場合であっても、第１Ｒｕ合金層３０が所定のＸ元素を本発明の範囲で含む実施例２－１～２－５５の磁気抵抗効果素子１０１はＭＲ比が向上することが確認された。また、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０に含まれるホイスラー合金がＣｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）である場合は、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０に含まれるホイスラー合金がＣｏ２ＭｎＧｅである場合と比較してＭＲ比が向上することが確認された。このＭＲ比が向上する理由としては、Ｆｅを含んだＣｏ基ホイスラー合金は比較的融点が高いため、第２下地層２２と第１強磁性層４０との間の原子相互拡散がより抑制されることが考えられる。
［実施例３－１～１１］
実施例１－８、１３、２３、２８、３３、３８、５８、６３、６８、７３、７８において、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１（厚み１ｎｍ）を設けたこと以外は同様にして、磁気抵抗効果素子１０２を作製し、そのＭＲ比を測定した。第１ＣｏＦｅＢ層９１は、スパッタリング法により成膜した。その結果を、下記の表３に示す。
実施例１－８、１３、２３、２８、３３、３８、５８、６３、６８、７３、７８において、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１（厚み１ｎｍ）を設けたこと以外は同様にして、磁気抵抗効果素子１０２を作製し、そのＭＲ比を測定した。第１ＣｏＦｅＢ層９１は、スパッタリング法により成膜した。その結果を、下記の表３に示す。
表３の結果から、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１を設けることによって、ＭＲ比が向上することが確認された。このＭＲ比が向上する理由としては、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１を介在させることによって、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間の原子相互拡散が抑制されることが考えられる。
［実施例４－１～１１］
第２強磁性層６０の非磁性金属層５０側とは反対側（キャップ層８０側）に、第２Ｒｕ合金層７０（厚み３ｎｍ）を設け、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２（厚み１ｎｍ）を配置したこと以外は、実施例３－１～１１と同様にして、磁気抵抗効果素子１０３を作製し、そのＭＲ比を測定した。第２Ｒｕ合金層７０は、第１Ｒｕ合金層３０と同様にして成膜し、第２ＣｏＦｅＢ層９２は、第１ＣｏＦｅＢ層９１と同様にして成膜した。その結果を、下記の表４に示す。
第２強磁性層６０の非磁性金属層５０側とは反対側（キャップ層８０側）に、第２Ｒｕ合金層７０（厚み３ｎｍ）を設け、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２（厚み１ｎｍ）を配置したこと以外は、実施例３－１～１１と同様にして、磁気抵抗効果素子１０３を作製し、そのＭＲ比を測定した。第２Ｒｕ合金層７０は、第１Ｒｕ合金層３０と同様にして成膜し、第２ＣｏＦｅＢ層９２は、第１ＣｏＦｅＢ層９１と同様にして成膜した。その結果を、下記の表４に示す。
表４の結果から、第２Ｒｕ合金層７０を設け、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２を配置することによって、ＭＲ比が向上することが確認された。このＭＲ比が向上する理由としては、第２Ｒｕ合金層７０を設けることによって、第２強磁性層６０とキャップ層８０との間の原子相互拡散が抑制され、さらに、第２強磁性層６０と第２Ｒｕ合金層７０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２を介在させることによって、第２強磁性層６０と第２Ｒｕ合金層７０との間の原子相互拡散が抑制されることが考えられる。
［実施例５－１～１１］
実施例１－８、１３、２３、２８、３３、３８、５８、６３、６８、７３、７８において、第１Ｒｕ合金層３０を積層方向に組成が異なる２層構造の積層体とし、下側第１Ｒｕ合金層３１（厚み３ｎｍ）の元素の含有量を１０ａｔｍ％とし、上側第１Ｒｕ合金層３２（厚み２ｎｍ）の元素の含有量を３０ａｔｍ％としたこと以外は同様にして、磁気抵抗効果素子１０４を作製し、そのＭＲ比を測定した。その結果を、下記の表５に示す。
実施例１－８、１３、２３、２８、３３、３８、５８、６３、６８、７３、７８において、第１Ｒｕ合金層３０を積層方向に組成が異なる２層構造の積層体とし、下側第１Ｒｕ合金層３１（厚み３ｎｍ）の元素の含有量を１０ａｔｍ％とし、上側第１Ｒｕ合金層３２（厚み２ｎｍ）の元素の含有量を３０ａｔｍ％としたこと以外は同様にして、磁気抵抗効果素子１０４を作製し、そのＭＲ比を測定した。その結果を、下記の表５に示す。
表５の結果から、第１強磁性層４０側の上側第１Ｒｕ合金層３２のＸ元素の含有量を多くすることによって、ＭＲ比が向上することが確認された。このＭＲ比が向上する理由としては、上側第１Ｒｕ合金層３２のＸ元素の含有量が多くなることによって、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間の格子不整合がより小さくなることが考えられる。
［実施例６－１～１１］
実施例４－１～１１において、第１Ｒｕ合金層３０を積層方向に組成が異なる２層構造の積層体とし、下側第１Ｒｕ合金層３１（厚み３ｎｍ）の元素の含有量を１０ａｔｍ％とし、上側第１Ｒｕ合金層３２（厚み２ｎｍ）の元素の含有量を３０ａｔｍ％としたこと、第２Ｒｕ合金層７０を積層方向に組成が異なる２層構造の積層体とし、下側第２Ｒｕ合金層７１（厚み２ｎｍ）の元素の含有量を３０ａｔｍ％とし、上側第２Ｒｕ合金層７２（厚み３ｎｍ）の元素の含有量を１０ａｔｍ％としたこと以外は同様にして、磁気抵抗効果素子１０５を作製し、そのＭＲ比を測定した。その結果を、下記の表６に示す。
実施例４－１～１１において、第１Ｒｕ合金層３０を積層方向に組成が異なる２層構造の積層体とし、下側第１Ｒｕ合金層３１（厚み３ｎｍ）の元素の含有量を１０ａｔｍ％とし、上側第１Ｒｕ合金層３２（厚み２ｎｍ）の元素の含有量を３０ａｔｍ％としたこと、第２Ｒｕ合金層７０を積層方向に組成が異なる２層構造の積層体とし、下側第２Ｒｕ合金層７１（厚み２ｎｍ）の元素の含有量を３０ａｔｍ％とし、上側第２Ｒｕ合金層７２（厚み３ｎｍ）の元素の含有量を１０ａｔｍ％としたこと以外は同様にして、磁気抵抗効果素子１０５を作製し、そのＭＲ比を測定した。その結果を、下記の表６に示す。
表６の結果から、第１Ｒｕ合金層３０と第１強磁性層４０との間に第１ＣｏＦｅＢ層９１を配置し、第２Ｒｕ合金層７０を有し、第２Ｒｕ合金層７０と第２強磁性層６０との間に第２ＣｏＦｅＢ層９２を配置し、第１Ｒｕ合金層３０は第１強磁性層４０側の上側第１Ｒｕ合金層３２のＸ元素の含有量を多くし、第２Ｒｕ合金層７０は第２強磁性層６０側の下側第２Ｒｕ合金層７１のＸ元素の含有量を多くすることによって、ＭＲ比がさらに向上することが確認された。
１０…基板、２０…下地層、２１…第１下地層、２２…第２下地層、３０…第１Ｒｕ合金層、３１…下側第１Ｒｕ合金層、３２…上側第１Ｒｕ合金層、４０…第１強磁性層、５０…非磁性金属層、６０…第２強磁性層、７０…第２Ｒｕ合金層、７１…下側第２Ｒｕ合金層、７２…上側第２Ｒｕ合金層、８０…キャップ層、９１…第１ＣｏＦｅＢ層、９２…第２ＣｏＦｅＢ層、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５…磁気抵抗効果素子、２０１、２０２、２０３…磁気記録素子、２０４…磁壁移動素子、２０５…高周波デバイス、２２０…抵抗測定器、２３０…電源、２４０…測定部、２５１…第１磁化固定層、２５２…第２磁化固定層、２６０…直流電源、２６１…インダクタ、２６２…コンデンサ、２６３…出力ポート、２６４…配線、２６５…配線
Claims (13)
- 第１Ｒｕ合金層と、第１強磁性層と、非磁性金属層と、第２強磁性層と、をこの順に有し、
前記第１Ｒｕ合金層は、下記の一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含み、
ＲｕαＸ１－α・・・（１）
ただし、前記一般式（１）において、Ｘは、Ｂｅ、Ｂ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を表し、αは、０．５＜α＜１を満足する数を表し、
前記第１強磁性層は、ホイスラー合金を含み、
前記第２強磁性層は、ホイスラー合金を含む、磁気抵抗効果素子。 - 前記一般式（１）の前記Ｘが、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＯｓおよびＩｒからなる群より選ばれる１種以上の元素を表す、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１Ｒｕ合金層に含まれる前記Ｒｕ合金のＲｕ含有量が、前記第１Ｒｕ合金層の面内方向又は積層方向に沿って変化している、請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１Ｒｕ合金層に含まれる前記Ｒｕ合金のＲｕ含有量が、前記第１Ｒｕ合金層の積層方向に沿って連続的に変化している、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１Ｒｕ合金層に含まれる前記Ｒｕ合金のＲｕ含有量が、前記第１Ｒｕ合金層の第１強磁性層側の表面から、前記第１Ｒｕ合金層の第１強磁性層側とは反対側の表面に向かって増加している、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１強磁性層に含まれる前記ホイスラー合金および前記第２強磁性層に含まれる前記ホイスラー合金のうち少なくとも一方は、下記の一般式（２）で表されるホイスラー合金を１種以上含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
Ｃｏ２（Ｆｅ１－β，Ｍ１β）Ｍ２・・・（２）
ただし、前記一般式（２）において、Ｍ１は、ＭｎもしくはＴｉを表し、Ｍ２は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、ＧｅおよびＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素を表し、βは、０≦β≦１を満足する数を表す。 - 前記ホイスラー合金は、Ｃｏ２Ｆｅ（ＧａＧｅ）、Ｃｏ２（ＭｎＦｅ）ＧｅおよびＣｏ２（ＦｅＭｎ）（ＧａＧｅ）からなる群より選ばれる１種以上の合金である、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１強磁性層は前記一般式（２）で表されるホイスラー合金を含み、前記第１強磁性層の前記第１Ｒｕ合金層側の表面に含まれているホイスラー合金は、前記第１Ｒｕ合金層側とは反対側の表面に含まれているホイスラー合金と比較して、ＣｏとＦｅの含有率が大きい、請求項６または７に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第２強磁性層は前記一般式（２）で表されるホイスラー合金を含み、前記第２強磁性層の前記非磁性金属層側とは反対側の界面に含まれているホイスラー合金は、前記第２強磁性層の前記非磁性金属層側の界面に含まれているホイスラー合金と比較して、ＣｏとＦｅの含有率が大きい、請求項６～８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１強磁性層と前記第１Ｒｕ合金層との間に、ＣｏＦｅＢ層もしくはＣｏＦｅ層を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第２強磁性層の前記非磁性金属層側とは反対側の表面に、第２Ｒｕ合金層を有し、前記第２Ｒｕ合金層は、前記一般式（１）で表されるＲｕ合金を１種以上含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第２強磁性層と前記第２Ｒｕ合金層との間に、ＣｏＦｅＢ層もしくはＣｏＦｅ層を有する、請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性金属層は、ＡｇまたはＡｇ合金を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021116965A JP2023013057A (ja) | 2021-07-15 | 2021-07-15 | 磁気抵抗効果素子 |
| US17/858,200 US11944018B2 (en) | 2021-07-15 | 2022-07-06 | Magnetoresistance effect element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021116965A JP2023013057A (ja) | 2021-07-15 | 2021-07-15 | 磁気抵抗効果素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023013057A true JP2023013057A (ja) | 2023-01-26 |
Family
ID=84976768
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021116965A Pending JP2023013057A (ja) | 2021-07-15 | 2021-07-15 | 磁気抵抗効果素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11944018B2 (ja) |
| JP (1) | JP2023013057A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11925124B2 (en) * | 2021-01-12 | 2024-03-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Insertion layers for perpendicularly magnetized Heusler layers with reduced magnetic damping |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007180470A (ja) * | 2005-11-30 | 2007-07-12 | Fujitsu Ltd | 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、および磁気メモリ装置 |
| JP2012190914A (ja) | 2011-03-09 | 2012-10-04 | Tohoku Univ | 磁気抵抗効果素子および磁気デバイス |
| JP6137577B2 (ja) | 2013-04-05 | 2017-05-31 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 電流垂直型磁気抵抗効果素子 |
| FR3009420B1 (fr) * | 2013-08-01 | 2016-12-23 | Thales Sa | Dispositif a memoire, comprenant au moins un element spintronique et procede associe |
| JP6419825B2 (ja) * | 2014-08-01 | 2018-11-07 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 磁気抵抗素子、当該磁気抵抗素子を用いた磁気ヘッド及び磁気再生装置 |
| FR3025655B1 (fr) * | 2014-09-09 | 2016-10-14 | Thales Sa | Systeme de generation de skyrmions |
| JP6754108B2 (ja) | 2015-12-04 | 2020-09-09 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 単結晶磁気抵抗素子、その製造方法及びその使用方法 |
-
2021
- 2021-07-15 JP JP2021116965A patent/JP2023013057A/ja active Pending
-
2022
- 2022-07-06 US US17/858,200 patent/US11944018B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11944018B2 (en) | 2024-03-26 |
| US20230025589A1 (en) | 2023-01-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2018073934A (ja) | スピン軌道トルク型磁化反転素子及び磁気メモリ | |
| JP6806199B1 (ja) | 磁気抵抗効果素子およびホイスラー合金 | |
| JP6806200B1 (ja) | 磁気抵抗効果素子およびホイスラー合金 | |
| JP6806939B1 (ja) | 磁気抵抗効果素子およびホイスラー合金 | |
| JP7380743B2 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| WO2018101028A1 (ja) | スピン流磁化反転素子とその製造方法、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ | |
| JP2017191841A (ja) | 磁気センサ素子及び磁気センサ | |
| US20230337549A1 (en) | Magnetoresistive effect element | |
| JP2023013057A (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| JP2021125551A (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| WO2021199233A1 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| JP7435057B2 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| WO2021186693A1 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| US20220013140A1 (en) | Magnetoresistance effect element | |
| JP7375858B2 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| WO2023228308A1 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| WO2023079762A1 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| JP2021103771A (ja) | 磁気抵抗効果素子 |