(57)【要約】【課題】ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを有する磁気抵抗効果素子、及びそのような磁気抵抗効果素子を製造する方法を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る磁気抵抗効果素子は、第一の強磁性層と、第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に積層されたトンネルバリア層と、を備え、トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、トンネルバリア層の上面の最大高さ粗さ及び下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをＲｚとし、トンネルバリア層の厚さをｔとしたとき、Ｒｚ／ｔ＜１であり、トンネルバリア層は、少なくとも一つのアモルファス領域を含む。【選択図】図１
2020113655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の強磁性層と、
第二の強磁性層と、
前記第一の強磁性層と前記第二の強磁性層との間に積層されたトンネルバリア層と、
を備え、
前記トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、
前記トンネルバリア層の前記上面の最大高さ粗さ及び前記下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをＲｚとし、前記トンネルバリア層の厚さをｔとしたとき、Ｒｚ／ｔ＜１であり、
前記トンネルバリア層は、少なくとも一つのアモルファス領域を含む、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層は、少なくとも一つの結晶化領域を更に含み、
積層方向に沿った断面において、前記トンネルバリア層全体の面積に占める前記少なくとも一つの結晶化領域の面積の割合は、５％より大きく、かつ、６５％より小さい、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記少なくとも一つの結晶化領域は、前記積層方向に（００１）面が配向した結晶構造を有する、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記少なくとも一つの結晶化領域は、前記トンネルバリア層の面内方向に沿った幅を有し、
前記幅の最大値は、８ｎｍ未満である、請求項２又は３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記少なくとも一つの結晶化領域の少なくとも一部は、前記第一の強磁性層及び前記第二の強磁性層の少なくとも一つと格子整合している、請求項２〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第一の強磁性層、前記第二の強磁性層、及び前記トンネルバリア層の少なくとも一つは、双晶を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記双晶は面心立方格子構造を有し、その双晶面は、（１１１）面である、又は前記双晶は体心立方格子構造を有し、その双晶面は、（１１２）面である、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記トンネルバリア層は、式（１）で表されるスピネル構造を有する酸化物材料を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
Ａ１−ｘＢｘＯｙ  …（１）
[式中、Ａは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｈｇ、及びＶからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、Ｂは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｇｅ、及びＣｏからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、０＜ｘ≦１、及び、０．３５≦ｙ≦１．７である。]
【請求項９】
前記式（１）において、Ａは、Ｍｇを表し、Ｂは、Ａｌを表す、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記式（１）において、０＜ｘ＜０．５である、請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第一の強磁性層及び前記第二の強磁性層の少なくとも一つは、前記トンネルバリア層と接するＣｏｚＦｅ１００−z（０＜ｚ＜８０）からなる領域を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
第一の強磁性層を形成する工程と、
前記第一の強磁性層上にＭｇＡｌ合金層を形成する工程と、
前記ＭｇＡｌ合金層を酸化して、少なくとも一つのアモルファス領域と、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯｙ（０＜ｘ≦１、０．３５≦ｙ≦１．７）で表されるスピネル構造からなる少なくとも一つの結晶化領域とを含むトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層上に第二の強磁性層を形成する工程と、
を備え、
前記トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、
前記トンネルバリア層の前記上面の最大高さ粗さ及び前記下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをＲｚとし、前記トンネルバリア層の厚さをｔとしたとき、Ｒｚ／ｔ＜１である、磁気抵抗効果素子を製造する方法。
【請求項１３】
前記ＭｇＡｌ合金層を酸化する前記工程は、ラジカル酸化、プラズマ酸化、オゾン酸化、及び自然酸化の少なくとも一つによって前記ＭｇＡｌ合金層を酸化する工程を含む、請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子は、大きな磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を示すことができるので、近年、磁気ヘッドや不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）といった磁気デバイスに用いられている。ＭＴＪ素子は、例えば、二つの強磁性層と、当該二つの強磁性層の間に設けられたトンネルバリア層とから構成される。強磁性層は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ合金、Ｆｅ合金、ＣｏＦｅ合金及びＣｏ基ホイスラー合金を含み、トンネルバリア層は、例えば、スピネル構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４を含む。これにより、コヒーレントトンネル効果を生み出し、その結果、大きなＭＲ比を実現している。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２は、共に、強磁性トンネル接合体とそれを用いた磁気抵抗効果素子並びにスピントロニクスデバイスを開示する。また、特許文献１は、トンネルバリア層がスピネル構造のＭｇＡｌ２Ｏ４を含む強磁性トンネル接合体を開示し、特許文献２は、トンネルバリア層が不規則スピネル構造の（Ｍｇ１−ｘＡｌｘ）−Ｏ（０＜ｘ≦１）を含む強磁性トンネル接合体を開示する。いずれの特許文献においても、強磁性トンネル接合体は、スピネル構造の結晶質酸化物のトンネルバリア層を二つの強磁性層で直接挟んだ構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５８６０２８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７５６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁気ヘッドやＭＲＡＭといった磁気デバイスに用いられるＭＴＪ素子では、当該ＭＴＪ素子の単位面積当たりの抵抗値である面積抵抗 (ＲＡ）を小さくするための膜開発が行われている。一方、新しいタイプの磁界センサや磁壁移動を利用したアナログメモリといった磁気デバイスに用いられるＭＴＪ素子では、当該ＭＴＪ素子のＲＡを高くすることが望まれている。ＭＴＪ素子のＲＡを高くする手法としては、トンネルバリア層の厚さを大きくする手法が知られている。しかし、この手法によると、ＲＡが高くなるものの、トンネルバリア層のなかにピンホールが混入する等の理由によってＭＲ比が低減するといった問題が生じる。そのため、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、ＭＴＪ素子のＲＡを高くすることが困難であった。
【０００６】
本発明は、これらに鑑みてなされたものであり、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを有する磁気抵抗効果素子、及びそのような磁気抵抗効果素子を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、第一の強磁性層と、第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に積層されたトンネルバリア層と、を備え、トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、トンネルバリア層の上面の最大高さ粗さ及び下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをＲｚとし、トンネルバリア層の厚さをｔとしたとき、Ｒｚ／ｔ＜１であり、トンネルバリア層は、少なくとも一つのアモルファス領域を含む。
【０００８】
この磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層が、その上面及び／又は下面に大きさがＲｚの最大高さ粗さを有すると共に、少なくとも一つのアモルファス領域を含むため、高いＲＡを実現することができる。また、トンネルバリア層においてＲｚ／ｔ＜１が満たされるため、トンネルバリア層の厚さに対して当該最大高さ粗さが過剰となることに起因するＭＲ比の低減を防止できる。
【０００９】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層は、少なくとも一つの結晶化領域を更に含み、積層方向に沿った断面において、トンネルバリア層全体の面積に占める少なくとも一つの結晶化領域の面積の割合は、５％より大きく、かつ、６５％より小さくてもよい。
【００１０】
この磁気抵抗効果素子によれば、積層方向に沿った断面において、結晶化領域の当該割合が５％より大きいので、アモルファス領域の割合が過大となることに基づくＭＲ比の低減を抑制できる。また、結晶化領域の割合が６５％より小さいので、アモルファス領域の割合が十分に大きくなるため、トンネルバリア層の一部を結晶化させるためのプロセス処理により生じるおそれのある強磁性層の劣化によるＭＲ比の低減が防止されると共に、ＲＡが十分に高くなる。
【００１１】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、少なくとも一つの結晶化領域は、積層方向に（００１）面が配向した結晶構造を有してもよい。
【００１２】
この磁気抵抗効果素子によれば、この（００１）面が配向した結晶化領域によって、高いコヒーレントトンネル効果を得ることができる。この磁気抵抗効果素子は、高いＭＲ比を有することができる。
【００１３】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、少なくとも一つの結晶化領域は、トンネルバリア層の面内方向に沿った幅を有し、この幅の最大値は、８ｎｍ未満であってもよい。
【００１４】
この磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層の結晶化領域において、トンネルバリア層と、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の少なくとも一つとの格子不整合が生じた場合も、格子不整合が生じる領域を小さくすることができる。その結果、この磁気抵抗効果素子は、より高いＭＲ比を有することができる。
【００１５】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、少なくとも一つの結晶化領域の少なくとも一部は、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の少なくとも一つと格子整合してもよい。
【００１６】
この磁気抵抗効果素子によれば、高いコヒーレントトンネル効果を得ることができる。この磁気抵抗効果素子は、より高いＭＲ比を有することができる。
【００１７】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、第一の強磁性層、第二の強磁性層、及びトンネルバリア層の少なくとも一つは、双晶を含んでもよい。
【００１８】
この磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層の上面及び下面が粗さを有することに起因してこれらの層の界面近傍に生じ得る歪を、この双晶によって緩和することができる。その結果、トンネルバリア層と、第一及び／又は第二の強磁性層との界面における格子歪が緩和される。
【００１９】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、上記双晶は面心立方格子構造を有し、その双晶面は、（１１１）面である、又は上記双晶は体心立方格子構造を有し、その双晶面は、（１１２）面であってもよい。
【００２０】
この磁気抵抗効果素子によれば、上記双晶が、当該双晶の結晶構造の種類に応じて適切な双晶面を有することができるので、トンネルバリア層と、第一及び第二の強磁性層との界面における格子歪がさらに緩和される。この磁気抵抗効果素子は、より高いＭＲ比を有することができる。
【００２１】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層は、式（１）で表されるスピネル構造を有する酸化物材料を含んでもよい。
Ａ１−ｘＢｘＯｙ  …（１）
式（１）中、Ａは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｈｇ、及びＶからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、Ｂは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｇｅ、及びＣｏからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、０＜ｘ≦１、及び、０．３５≦ｙ≦１．７である。
【００２２】
この磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層の結晶化領域において、第一及び第二の強磁性層との格子不整合をより小さくすることができる。
【００２３】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、式（１）において、Ａは、Ｍｇを表し、Ｂは、Ａｌを表してもよい。
【００２４】
この磁気抵抗効果素子によれば、この構成によって、トンネルバリア層が大きなＭＲ比を実現するための機能を十分に発揮できる。
【００２５】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、式（１）において、０＜ｘ＜０．５であってもよい。
【００２６】
この磁気抵抗効果素子によれば、式（１）において、トンネルバリア層が大きなＭＲ比を実現するための機能を更に十分に発揮できる。
【００２７】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、第一の強磁性層及び第二の強磁性層の少なくとも一つは、トンネルバリア層と接するＣｏｚＦｅ１００−z（０＜ｚ＜８０）からなる領域を有してもよい。
【００２８】
この磁気抵抗効果素子によれば、当該領域のスピン分極率が高くなると共に、当該領域とトンネルバリア層との間の格子不整合を小さくすることができる。
【００２９】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を作製する方法は、第一の強磁性層を形成する工程と、第一の強磁性層上にＭｇＡｌ合金層を形成する工程と、ＭｇＡｌ合金層を酸化して、少なくとも一つのアモルファス領域と、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯｙ（０＜ｘ≦１、０．３５≦ｙ≦１．７）で表されるスピネル構造からなる少なくとも一つの結晶化領域とを含むトンネルバリア層を形成する工程と、トンネルバリア層上に第二の強磁性層を形成する工程と、を備え、トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、トンネルバリア層の上面の最大高さ粗さ及び下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをＲｚとし、トンネルバリア層の厚さをｔとしたとき、Ｒｚ／ｔ＜１である。
【００３０】
この磁気抵抗効果素子を作製する方法によれば、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを有する磁気抵抗効果素子を製造できる。
【００３１】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を作製する方法では、ＭｇＡｌ合金層を酸化する工程は、ラジカル酸化、プラズマ酸化、オゾン酸化、及び自然酸化の少なくとも一つによってＭｇＡｌ層を酸化する工程を含んでもよい。
【００３２】
この磁気抵抗効果素子を作製する方法によれば、上述のような所定の態様のトンネルバリア層を効率よく形成することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを有する磁気抵抗効果素子、及びそのような磁気抵抗効果素子を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子の積層方向に沿った断面を示す図である。
【図２】図２は、図１に示される領域Ｅ１の一例を拡大して示す図である。
【図３】図３は、図１に示される領域Ｅ１の他の例を拡大して示す図である。
【図４】図４は、実施例１に係る磁気抵抗効果素子のＭＲ比を評価できる磁気抵抗デバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。本実施形態では、図１から図３に対して直交座標系に基づくＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を設定しているが、これらの各軸は、説明のために便宜的に設定されており、磁気抵抗効果素子の積層方向にＺ軸が設定される。
【００３６】
図１は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子の積層方向に沿った断面を示す図である。磁気抵抗効果素子１は、例えば、基板１０、下地層２０、磁気抵抗層３０、及びキャップ層４０をこの順に備える。図１では、分かりやすく記載するために、積層方向（Ｚ軸方向）における各層の厚さを拡大して磁気抵抗効果素子１を描いている。
【００３７】
基板１０は、例えば、シリコン単結晶、金属酸化物単結晶、熱酸化珪素膜付シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミック、石英、及びガラスを含む。基板１０に含まれる材料は、適度な機械的強度を有し、且つ熱処理や微細加工に適した材料であれば、特に限定されない。金属酸化物単結晶としては、例えば、ＭｇＯ単結晶が挙げられ、ＭｇＯ単結晶を含む基板によれば、例えば、スパッタ法を用いて容易にエピタキシャル成長膜が形成される。
【００３８】
下地層２０は、磁気抵抗層３０の結晶性を向上させるために設けられ、また、磁気抵抗効果素子１の磁気抵抗特性を測定するための電極として利用することができる。下地層２０は、例えば、電極のための下部電極層２１と、当該下部電極層２１上に設けられたバッファ層２２とを含む。
【００３９】
下部電極層２１は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｖ、及びＷのうち少なくとも一つの金属元素を含み、これらの金属元素の合金、又はこれら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでもよい。金属元素の合金には、例えば、立方晶系のＡｇＺｎ合金、ＡｇＭｇ合金及びＮｉＡｌ合金が挙げられる。金属元素の２種類以上からなる材料の積層体には、例えば、ＴａとＲｕとを含む材料の積層体が挙げられる。具体的には、下部電極層２１は、Ｔａ、Ｒｕ、及びＴａからなる３層積層体を含むことができる。
【００４０】
下部電極層２１は上面２１ａを有し、上面２１ａに対しては、ＣＭＰ研磨（Chemical Mechanical Polishing）を施すことができる。ＣＭＰ研磨は、例えば、ＣＭＰ装置を用いて、下部電極層２１の上面２１ａが所望の粗さになるように当該上面２１ａを研磨する。ＣＰＭ研磨の研磨時間によって、上面２１ａの粗さを制御すること可能である。一例では、ＣＰＭ研磨の研磨時間が長くすることに従って、上面２１ａの粗さを低減させることができる。ＣＰＭ研磨のためのスラリーには、例えば、アルミナが用いられる。
【００４１】
下部電極層２１のＺ軸方向の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上、かつ１０００ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、３０ｎｍ以上、かつ１５０ｎｍ以下の範囲である。
【００４２】
研磨後の下部電極層２１は上面２１ａ上にバッファ層２２を積層することができて、バッファ層２２は、例えば、下部電極層２１と同様に、金属元素を含む。金属元素は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｖ、及びＷの少なくとも一つであり、バッファ層２２は、これらの金属元素の合金、又はこれら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでもよい。金属元素の合金は、例えば、立方晶系のＡｇＺｎ合金、ＡｇＭｇ合金及びＮｉＡｌ合金である。バッファ層２２は、具体的には、Ｔａ及びＲｕからなる２層積層体を含むことができる。
【００４３】
バッファ層２２のＺ軸方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、かつ１０ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、２ｎｍ以上、かつ５ｎｍ以下の範囲である。
【００４４】
下地層２０と基板１０との間には、必要に応じて、上部の層の結晶配向を制御するための結晶配向層が設けられてもよい。結晶配向層は、例えば、ＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金の少なくとも一種類を含む。
【００４５】
磁気抵抗層３０は、第一の強磁性層３１と、第二の強磁性層３２と、トンネルバリア層３３と、反強磁性層３４と、第三の強磁性層３５と、磁気結合層３６とを備える。トンネルバリア層３３は、絶縁材料で構成され、第一の強磁性層３１と第二の強磁性層３２との間に積層される。反強磁性層３４は、第二の強磁性層３２のトンネルバリア層３３側とは反対側に配置され、本実施形態では第三の強磁性層３５上に積層される。第一の強磁性層３１は、例えば、下地層２０上に積層され、第一の強磁性層３１、トンネルバリア層３３、第二の強磁性層３２、磁気結合層３６、及び第三の強磁性層３５は、この順に配列する。第一の強磁性層３１は、磁化自由層として機能し、また、第二の強磁性層３２、磁気結合層３６、第三の強磁性層３５及び反強磁性層３４は、共同して磁化固定層として機能することができる。
【００４６】
磁化自由層として機能する第一の強磁性層３１は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ及び強磁性のホイスラー合金等の軟磁気特性を有する強磁性材料で構成される。
【００４７】
第一の強磁性層３１のＺ軸方向の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上、かつ１００ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、０．８ｎｍ以上、かつ２０ｎｍ以下の範囲である。
【００４８】
本実施形態において、磁化固定層は、合成反強磁性（synthesized anti-ferro magnetic）構造（ＳＡＦ構造）と呼ばれる構造を有する。即ち、磁気抵抗層３０は、磁化固定層として、第二の強磁性層３２及び反強磁性層３４に加えて、第二の強磁性層３２と反強磁性層３４との間に設けられた第三の強磁性層３５と、第二の強磁性層３２と第三の強磁性層３５との間に設けられた磁気結合層３６を更に有する。第二の強磁性層３２と第三の強磁性層３５とは、磁気結合層３６を介した交換結合によって、互いに反強磁性的に結合している。第三の強磁性層３５は、第二の強磁性層３２と同様の構成を有することができる。磁気結合層３６は、例えばＲｕ、Ｒｈ、又はＩｒ等の非磁性金属で構成され、そのＺ軸方向の厚さは、例えば、０．３ｎｍ以上、かつ２ｎｍ以下の範囲である。本実施形態において、磁化固定層は、必要に応じて、ＳＡＦ構造を有しなくてもよい。この場合、磁化固定層は、磁気結合層３６及び第三の強磁性層３５を有さず、反強磁性層３４は第二の強磁性層３２の上に直接積層される。
【００４９】
磁化固定層の第二の強磁性層３２及び第三の強磁性層３５の磁化方向は、磁化自由層として機能する第一の強磁性層３１の磁化方向に比べて、外部磁界に対して変化し難い。第二の強磁性層３２及び第三の強磁性層３５の磁化方向は、測定対象の外部磁界等の使用中に印加され得る外部磁界に対して実質的に固定されており、当該外部磁界に対して実質的に変化しないことが好ましい。本実施形態では、このような第二の強磁性層３２及び第三の強磁性層３５の磁化方向の態様を、反強磁性層３４と第三の強磁性層３５とを交換結合させて、第三の強磁性層３５に直接的に、第二の強磁性層３２に間接的に一方向磁気異方性を付与することによって実現している。当該磁化方向の態様は、反強磁性層３４を用いずに実現することも可能であるため、磁気抵抗層３０は反強磁性層３４を有していなくてもよい。磁化固定層がＳＡＦ構造を有さない場合も、同様の理由で磁気抵抗層３０は反強磁性層３４を有していなくてもよい。一方、磁化自由層として機能する第一の強磁性層３１は、例えば、軟磁性材料で構成され、磁化方向が実質的に固定されていない。そのため、磁気抵抗層３０に外部磁界が印加されると、その方向に磁化方向が容易に変化する。磁気抵抗層３０に外部磁場が印加され、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の相対的な磁化方向が変化することによって、磁気抵抗層３０の抵抗値が変化して、磁気抵抗効果素子１が磁気抵抗効果を発揮する。
【００５０】
第二の強磁性層３２及び第三の強磁性層３５は、強磁性材料で構成されることができる。磁化固定層のための強磁性材料としては、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｉｒ、及びＣｏのうち少なくとも一種の元素を有する金属または合金が挙げられる。合金の具体例としては、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｂ合金又はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金等が挙げられる。Ｃｏ−Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｇｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金、及びＣｏ−Ｆｅ−Ｇａ−Ｇｅ合金といったホイスラー合金が挙げられる。第二の強磁性層３２は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金及びＣｏ−Ｆｅ合金などの多層膜が繰り返し積層された構造を有することができる。
【００５１】
第二の強磁性層３２のＺ軸方向の厚さは、例えば、２ｎｍ以上、かつ１０ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、３ｎｍ以上、かつ７ｎｍ以下の範囲である。第三の強磁性層３５のＺ軸方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、かつ８ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、２ｎｍ以上、かつ６ｎｍ以下の範囲である。
【００５２】
反強磁性層３４は、例えば、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３等の反強磁性材料で構成される。
【００５３】
反強磁性層３４のＺ軸方向の厚さは、例えば、５ｎｍ以上、かつ２０ｎｍ以下の範囲である。
【００５４】
磁気抵抗層３０においては、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の一方が磁化自由層として機能し、他方が磁化固定層の一部として機能すればよい。このため、本実施形態の変形例として、第一の強磁性層３１が磁化固定層の一部として機能し、第二の強磁性層３２が単独で磁化自由層として機能してもよい。この場合、反強磁性層３４は、第一の強磁性層３１のトンネルバリア層３３側とは反対側に直接又はＳＡＦ構造を構成するように磁気結合層３６及び第三の強磁性層３５を介して設けられ、第一の強磁性層３１に直接的又は間接的に一方向磁気異方性を付与する。
【００５５】
磁気抵抗効果素子１は、磁気抵抗層３０上にキャップ層４０を備えることができる。キャップ層４０は、磁気抵抗層３０を保護するために設けられる。キャップ層４０は、例えば、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、及びＩｒの一以上の金属元素、これら金属元素の合金、又は、これら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでよい。必要に応じて、キャップ層４０上には、磁気抵抗効果素子１にＺ軸方向に沿って電流を流すための上部電極を設けてもよい。
【００５６】
図２は、図１に示される領域Ｅ１の一例を拡大して示す図であり、磁気抵抗層３０の積層方向（Ｚ軸方向）に沿った断面のうちの一つの例を示す図である。図２に示されるように、トンネルバリア層３３は、上面３３ａと、上面３３ａの反対側に位置する下面３３ｂとを有する。上面３３ａは、第二の強磁性層３２側に位置し、下面３３ｂは、第一の強磁性層３１側に位置することができる。トンネルバリア層３３の上面３３ａは、表面粗さを有する。上面３３ａは、当該表面粗さに起因して、例えば、一つ又は複数の突起３３ｃと一つ又は複数の窪み３３ｄとを有する。
【００５７】
トンネルバリア層３３の上面３３ａは、上記表面粗さとしての最大高さ粗さＲｚ１を有する。この最大高さ粗さＲｚ１は、ＪＩＳＢ ０６０１：２０１３規格によって規定される。この規格に従い、上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１は、上面３３ａの粗さ曲線のうちの基準長さＬｒ１の範囲内において、平均線Ａｖ１（基準長さＬｒ１の範囲内における上面３３ａの粗さ曲線の算術平均高さ）から最も高い突起３３ｃの高さＲｐ１と、平均線Ａｖ１から最も低い窪み３３ｄの深さＲｖ１との和の値として定義される。上面３３ａの上記粗さ曲線は、例えば、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）、ＳＴＥＭ（走査型透過電子顕微鏡）、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）又はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定される。基準長さＬｒ１は、磁気抵抗層３０の面内方向（ＸＹ面内方向）に沿った方向の所定の長さであり、例えば、４ｎｍ、８ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、又は３０ｎｍである。
【００５８】
トンネルバリア層３３の下面３３ｂは、上面３３ａと同様に、表面粗さを有し、当該表面粗さに起因して、例えば、一つ又は複数の突起３３ｆと一つ又は複数の窪み３３ｇとを有する。下面３３ｂの最大高さ粗さＲｚ２は、上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１と同様に、ＪＩＳＢ ０６０１：２０１３規格によって規定される。最大高さ粗さＲｚ２は、下面３３ｂの粗さ曲線のうちの基準長さＬｒ２の範囲内において、平均線Ａｖ２から最も高い突起３３ｆの高さＲｐ２と、平均線Ａｖ２から最も低い窪み３３ｇの深さＲｖ２との和の値として定義される。下面３３ｂの上記粗さ曲線も、ＴＥＭなどによって測定され、基準長さＬｒ２は、磁気抵抗層３０の面内方向に沿って、例えば、４ｎｍ、８ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、又は３０ｎｍである。図２は、基準長さＬｒ１が基準長さＬｒ２と同じ長さである例を図示しているが、基準長さＬｒ１は、基準長さＬｒ２と異なる長さであってもよい。
【００５９】
磁気抵抗効果素子１においては、トンネルバリア層３３の上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１及び下面３３ｂの最大高さ粗さＲｚ２のうち、より大きな最大高さ粗さをＲｚとすることができる。トンネルバリア層３３の上面３３ａが最大高さ粗さＲｚを有してもよいし、下面３３ｂが最大高さ粗さＲｚを有してもよい。上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１が下面３３ｂの最大高さ粗さＲｚ２と同じであるときには、上面３３ａ及び下面３３ｂが、共に最大高さ粗さＲｚを有してもよい。トンネルバリア層３３の上面３３ａ及び／又は下面３３ｂが最大高さ粗さＲｚを有する。図２では、下面３３ｂよりも上面３３ａの方がより大きな最大高さ粗さＲｚを有する場合を示している。
【００６０】
トンネルバリア層３３のＺ軸方向の厚さをｔとしたとき、Ｚ軸方向に沿った磁気抵抗層３０の断面のうちの少なくとも１つの断面において、Ｒｚ／ｔ＜１である。トンネルバリア層３３のＺ軸方向の厚さｔは、上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１が、最大高さ粗さＲｚであるときには、例えば、基準長さＬｒ１の範囲内においてトンネルバリア層３３のＺ軸方向の厚さを算術平均することによって求められる。トンネルバリア層３３のＺ軸方向の厚さｔは、例えば、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）、ＳＴＥＭ（走査型透過電子顕微鏡）又はＳＥＭ（走査電子顕微鏡）によって測定される。トンネルバリア層３３のＺ軸方向の厚さｔは、下面３３ｂの最大高さ粗さＲｚ２が、最大高さ粗さＲｚであるときには、例えば、基準長さＬｒ２の範囲内においてトンネルバリア層３３のＺ軸方向の厚さを算術平均することによって求められる。
【００６１】
本実施形態では、磁気抵抗層３０のＺ軸方向に沿った断面のうち、少なくとも互いに直交する２つの断面においてＲｚ／ｔ＜１であることが好ましく、磁気抵抗層３０のＺ軸方向に沿った実質的に全ての断面においてＲｚ／ｔ＜１であることがさらに好ましい。
【００６２】
トンネルバリア層３３の上面３３ａ及び下面３３ｂの表面粗さは、磁気抵抗効果素子１のトンネルバリア層３３よりも下方の要素の上面（例えば、下部電極層２１の上面２１ａ（図１参照））の表面粗さにも起因する。そのため、トンネルバリア層３３の最大高さ粗さＲｚの大きさは、当該要素の上面（例えば上面２１ａ）の表面粗さ（例えば最大高さ粗さ）を制御することによって、所定の大きさに制御することができる。トンネルバリア層３３の最大高さ粗さＲｚの大きさは、当該要素の上面の最大高さ粗さの大きさと比較して、同程度であってもよいし、大きくてもよいし、小さくてもよい。
【００６３】
トンネルバリア層３３の最大高さ粗さＲｚは、例えば０．２ｎｍ以上、３．２ｎｍ以下であることが好ましく、０．６ｎｍ以上、１．８ｎｍ以下であることがさらに好ましい。トンネルバリア層３３のＺ軸方向の厚さは、例えば１ｎｍ以上、３．２ｎｍ以下であることが好ましく、１．６ｎｍ以上、２．２ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００６４】
図２に示されるように、トンネルバリア層３３は、少なくとも一つのアモルファス領域６１と、少なくとも一つの結晶化領域６２とを含む。アモルファス領域６１と結晶化領域６２とは、互いに、例えば、境界３３ｅによって区分けされることができる。トンネルバリア層３３は、実質的に少なくとも一つのアモルファス領域６１と少なくとも一つの結晶化領域６２のみで構成されてもよい。アモルファス領域６１と結晶化領域６２は、実質的に同じ組成を有するが、実質的に異なる組成を有していてもよい。
【００６５】
アモルファス領域６１は、トンネルバリア層３３内に少なくとも一つ含まれる。アモルファス領域６１の数は、トンネルバリア層３３全体の中において、例えば、２であってよく、また、５であってもよい。結晶化領域６２は、トンネルバリア層３３内に少なくとも一つ含まれる。結晶化領域６２の数は、トンネルバリア層３３全体の中において、例えば、２であってよく、また、５であってもよい。トンネルバリア層３３全体の中において、アモルファス領域６１の数と、結晶化領域６２の数とは、互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。
【００６６】
トンネルバリア層３３の結晶構造の特定には、ＴＥＭおよびＳＴＥＭを使った局所電子回折法を用いることができる。局所電子回折法は、ナノメートルスケールまで電子線を絞った場合はナノビーム電子回折法、サブナノメートルスケールまで電子線を絞った場合はオングストローム電子回折法と呼ばれることもある。トンネルバリア層３３の局所的な領域が結晶化している場合、対応する電子回折像はスポットパターンとなり、トンネルバリア層３３の局所的な領域がアモルファスの場合は、対応する電子回折像はハローパターンとなる。そのため、局所電子回折法によれば、トンネルバリア層３３の局所的な領域が結晶化しているか、又はアモルファス化しているかを判別することができる。
【００６７】
上述のような磁気抵抗効果素子１においては、トンネルバリア層３３の上面３３ａ及び／又は下面３３ｂが最大高さ粗さＲｚを有する。そのため、上面３３ａ及び／又は下面３３ｂが実質的に平坦である場合と比較して、上面３３ａ及び／又は下面３３ｂの面積が増加するため、磁気抵抗効果素子１のＲＡ（ＸＹ平面における単位面積当たりの抵抗値）が高くなる。さらに、トンネルバリア層３３が、少なくとも一つのアモルファス領域６１を含むため、当該領域が結晶化している場合と比較して、磁気抵抗効果素子１のＲＡが高くなる。また、トンネルバリア層３３においてＲｚ／ｔ＜１が満たされるため、トンネルバリア層３３の厚さｔに対して上面３３ａの最大高さ粗さＲｚが過剰となることに起因するＭＲ比の低減を防止できる。これにより、本実施形態の磁気抵抗効果素子１によれば、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを実現することができる。
【００６８】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１のトンネルバリア層３３において、０．１＜Ｒｚ／ｔであることが好ましく、０．３２＜Ｒｚ／ｔであることがさらに好ましい。これにより、上面３３ａの面積が十分に増加するため、磁気抵抗効果素子１のＲＡを十分に高くすることができる。このＲｚ／ｔの下限値に関する条件は、上述のＲｚ／ｔの上限値に関する条件と同様に、Ｚ軸方向に沿った磁気抵抗層３０の断面のうちの少なくとも１つの断面において満たされればよく、磁気抵抗層３０のＺ軸方向に沿った断面のうち、少なくとも互いに直交する２つの断面において満たされることが好ましく、磁気抵抗層３０のＺ軸方向に沿った実質的に全ての断面において満たされることがさらに好ましい。
【００６９】
図２では、トンネルバリア層３３内において、アモルファス領域６１と結晶化領域６２とが、トンネルバリア層３３の概ね面内方向（ＸＹ面内方向）に並んだ例が示されているが、アモルファス領域６１と結晶化領域６２とは、積層方向（Ｚ軸方向）に並んでもよい。例えば、トンネルバリア層３３内において、アモルファス領域６１の上に結晶化領域６２が並んでいてもよく、例えば、アモルファス領域６１、結晶化領域６２、及びアモルファス領域６１がこの順に積層方向に並んでいてもよい。
【００７０】
トンネルバリア層３３のＺ軸方向に沿った断面のうちの少なくとも１つの断面（好ましくはトンネルバリア層３３のＺ軸方向に沿った断面のうち、少なくとも互いに直交する２つの断面、さらに好ましくはトンネルバリア層３３のＺ軸方向に沿った実質的に全ての断面）において、トンネルバリア層３３全体の面積に占める少なくとも一つの結晶化領域６２の面積の割合は、５％より大きく、かつ、６５％より小さいことが好ましく、２０％より大きく、かつ、５０％より小さいことがさらに好ましい。
【００７１】
当該面積割合が５％（好ましくは２０％）より大きい場合、アモルファス領域６１の割合が過大となることに基づくＭＲ比の低減を抑制できる。また、当該面積の割合が６５％（好ましくは５０％）より小さい場合、アモルファス領域６１の割合が十分に大きくなるため、トンネルバリア層３３の一部を結晶化させるためのプロセス処理により生じるおそれのある第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の少なくとも一つの劣化によるＭＲ比の低減が防止されると共に、ＲＡが十分に高くなる。少なくとも１つの結晶化領域６２の当該面積の割合は、例えば、トンネルバリア層３３を形成する際に行うアニール工程のアニール温度によって制御されることができ、少なくとも１つのアモルファス領域６１の当該面積の割合に比べて、大きくてもよく、ほぼ等しくてもよく、また、小さくてもよい。
【００７２】
面内方向に沿った少なくとも１つの断面においても、トンネルバリア層３３全体の面積に占める少なくとも一つのアモルファス領域６１の面積の割合は、トンネルバリア層３３全体の面積に占める少なくとも一つの結晶化領域６２の面積の割合に比べて、大きくてもよく、ほぼ等しくてもよく、また、小さくてもよい。本実施形態では、少なくとも一つの結晶化領域６２の当該面積の割合は、５％より大きく、かつ、６５％より小さいことが好ましく、２０％より大きく、かつ、５０％より小さいことがさらに好ましい。
【００７３】
少なくとも一つのアモルファス領域６１は、トンネルバリア層３３の面内方向に沿った幅Ｗ６１を有し、少なくとも一つの結晶化領域６２は、トンネルバリア層３３の面内方向に沿った幅Ｗ６２を有する。アモルファス領域６１の幅Ｗ６１は、例えば、１ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であり、結晶化領域６２の幅Ｗ６２は、例えば、０．１５ｎｍ以上、８ｎｍ未満である。本実施形態において、幅Ｗ６１及び幅Ｗ６２は、共に、面内方向（ＸＹ面内方向）に沿って規定される幅の最大値を示す。図２は、幅Ｗ６１及び幅Ｗ６２が、共にＸ軸方向に沿った幅の最大値である例を示している。
【００７４】
磁気抵抗効果素子１では、結晶化領域６２の幅Ｗ６２が８ｎｍ未満であってもよいので、トンネルバリア層３３の結晶化領域６２において、トンネルバリア層３３と、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の少なくとも一つとの格子不整合が生じた場合も、格子不整合が生じる領域を小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子１は、より高いＭＲ比を有することができる。当該効果は、結晶化領域６２の幅Ｗ６２が５ｎｍ未満であるとき、より顕著に発揮される。
【００７５】
少なくとも一つのアモルファス領域６１は、Ｚ軸方向に沿った高さＨ６１を有し、少なくとも一つの結晶化領域６２は、Ｚ軸方向に沿った高さＨ６２を有する。アモルファス領域６１の高さＨ６１は、例えば、０．２ｎｍ以上、３ｎｍ以下であり、結晶化領域６２の高さＨ６２は、例えば、０．２ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。
【００７６】
本実施形態では、少なくとも一つの結晶化領域６２は、Ｚ軸方向に（００１）面が配向した結晶構造を有してもよい。磁気抵抗効果素子１は、この（００１）面が配向した結晶化領域６２によって、高いコヒーレントトンネル効果を得ることができて、その結果、高いＭＲ比を有することができる。この効果は、結晶化領域６２が、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、γ−アルミナで構成されるときに、特に顕著に発揮される。
【００７７】
少なくとも一つの結晶化領域６２の少なくとも一部は、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の少なくとも一つと格子整合してもよい。これにより、高いコヒーレントトンネル効果を得ることができる。磁気抵抗効果素子１は、より高いＭＲ比を有することができる。磁気抵抗効果素子１において、結晶化領域６２が第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２と格子整合していることは、例えば、構造観察によって得られた格子像を逆フーリエ変換した像によって確認できる。
【００７８】
トンネルバリア層３３は、次の式（１）で表されるスピネル構造を有する酸化物材料を含むことができる。
Ａ１−ｘＢｘＯｙ  …（１）
式（１）中、Ａは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｈｇ、及びＶからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、Ｂは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｇｅ、及びＣｏからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表す。また、０＜ｘ≦１、及び、０．３５≦ｙ≦１．７であり、Ｏは酸素を表す。尚、上記スピネル構造には、式（１）のＡとＢとの原子配列が不規則化した不規則化スピネル構造も含まれる。
【００７９】
この場合、トンネルバリア層３３の結晶化領域６２において、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２との格子不整合をより小さくすることができる。何故なら、トンネルバリア層３３の結晶化領域６２の格子定数と、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の格子定数とのミスマッチを小さくすることができるからである。
【００８０】
式（１）において、Ａは、Ｍｇを表し、Ｂは、Ａｌを表してもよい。この構成によって、トンネルバリア層３３が大きなＭＲ比を実現するための機能を十分に発揮できる。
【００８１】
また、式（１）において、０＜ｘ＜０．５であってもよい。これにより、トンネルバリア層３３が大きなＭＲ比を実現するための機能を更に十分に発揮できる。
【００８２】
また、式（１）において、０＜ｘ＜０．５、及び、１≦ｙ≦１．３３であってもよい。この場合、トンネルバリア層３３が大きなＭＲ比を実現するための機能を更に十分に発揮できる。
【００８３】
トンネルバリア層３３は、上述の式（１）で表されるスピネル構造を有する酸化物材料の他に、ＭｇＯまたはγ−アルミナで構成されることができる。
【００８４】
磁気抵抗層３０では、第一の強磁性層３１、第二の強磁性層３２、及びトンネルバリア層３３の少なくとも一つは、双晶を含んでもよい。これにより、トンネルバリア層３３の上面３３ａ及び下面３３ｂが粗さを有することに起因してこれらの層の界面近傍に生じ得る歪を、この双晶によって緩和することができる。その結果、トンネルバリア層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との界面における格子歪が緩和される。
【００８５】
上記双晶は、面心立方格子構造を有し、その双晶面は、（１１１）面である、又は上記双晶は体心立方格子構造を有し、その双晶面は、（１１２）面であってもよい。双晶が、当該双晶の結晶構造の種類に応じて適切な双晶面を有することができるので、トンネルバリア層３３と、第一の強磁性層３１及び／又は第二の強磁性層３２との界面における格子歪がさらに緩和される。磁気抵抗効果素子１は、より高いＭＲ比を有することができる。
【００８６】
第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の少なくとも一つは、トンネルバリア層３３と接するＣｏｚＦｅ１００−z（０＜ｚ＜８０）からなる領域を有してもよい。これにより、当該領域のスピン分極率が高くなると共に、当該領域とトンネルバリア層３３との間の格子不整合を小さくすることができる。
【００８７】
図３は、図１に示される領域Ｅ１の他の例を拡大して示す図であり、磁気抵抗層３０の積層方向（Ｚ軸方向）に沿った断面のうちの一つの他の例を示す図である。
【００８８】
図３に示すトンネルバリア層３３は、アモルファス領域６１と結晶化領域６２との間に介在領域６３をさらに有する点において、図２に示すトンネルバリア層３３と異なる。介在領域６３は、トンネルバリア層３３を構成する材料のうち、結晶化もアモルファス化もしていない材料で構成される。アモルファス領域６１と介在領域６３とは、互いに、例えば、境界６１ａによって区分けされ、結晶化領域６２と介在領域６３とは、互いに、例えば、境界６２ａによって区分けされることができる。
【００８９】
図３のトンネルバリア層３３は、アモルファス領域６１と結晶化領域６２との間に介在領域６３を有することを除いて、図２のトンネルバリア層３３と同様の構造を有することができる。図３のトンネルバリア層３３は、上面３３ａと、上面３３ａの反対側に位置する下面３３ｂとを有する。トンネルバリア層３３の上面３３ａは、表面粗さとしての最大高さ粗さＲｚ１を有する。上面３３ａは、当該表面粗さに起因して、例えば、一つ又は複数の突起３３ｃと一つ又は複数の窪み３３ｄとを有する。トンネルバリア層３３の下面３３ｂは、上面３３ａと同様に、表面粗さを有し、当該表面粗さに起因して、例えば、一つ又は複数の突起３３ｆと一つ又は複数の窪み３３ｇとを有する。
【００９０】
本実施形態において、磁気抵抗効果素子１は、例えば、スパッタ法及び電子ビーム蒸着法といった製造方法によって基板１０上に下地層２０からキャップ層４０までの各層を形成することにより作製される。各層の形成時には、必要に応じて熱処理を行っても良いし、また、さらに必要に応じて、一方向磁気異方性を付与するための磁場印加処理を行っても良い。磁場印加処理の際には適宜熱処理を同時に行っても良い。また、磁気抵抗効果素子１は、電子線等を用いたリソグラフィーおよびＡｒイオン等を用いたドライエッチングにより、磁気抵抗特性を評価可能な形状に微細加工されてもよい。磁気抵抗効果素子１は、積層方向（各層の膜面に垂直な方向、Ｚ軸方向）に沿って検出用電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造の磁気抵抗効果素子である。
【００９１】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子を製造する方法は、下地層２０上に第一の強磁性層３１を形成する工程と、第一の強磁性層３１上にトンネルバリア層３３を形成する工程と、トンネルバリア層３３上に第二の強磁性層３２を形成する工程とを有する。
【００９２】
第一の強磁性層３１を形成する工程は、スパッタ法によって実行することができて、この工程では、下地層２０上に、例えば、ＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる２層積層体が形成される。
【００９３】
トンネルバリア層３３を形成する工程は、例えばスパッタ法によって、第一の強磁性層３１上にＭｇＡｌ合金層を形成する工程と、このＭｇＡｌ合金層を酸化して、少なくとも一つのアモルファス領域６１と、例えばＭｇ１−ｘＡｌｘＯｙ（０＜ｘ≦１、０．３５≦ｙ≦１．７）で表されるスピネル構造からなる少なくとも一つの結晶化領域６２とを含むトンネルバリア層３３を形成する工程とを含む。この工程によって形成されたトンネルバリア層３３において、その上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１及び下面３３ｂの最大高さ粗さＲｚ２のうち、より大きな最大高さ粗さをＲｚとし、トンネルバリア層３３の厚さをｔとしたとき、積層方向に沿った断面において、Ｒｚ／ｔ＜１である。
【００９４】
また、上記ＭｇＡｌ合金層を酸化する工程は、ラジカル酸化、プラズマ酸化、オゾン酸化、及び自然酸化の少なくとも一つによって上記ＭｇＡｌ層を酸化する工程を含むことができる。この場合、上述のような所定の態様のトンネルバリア層３３を効率よく形成することができる。
【００９５】
第二の強磁性層を形成する工程は、例えば、スパッタ法によって行われ、この工程では、トンネルバリア層３３上に、例えば、ＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる３層積層体が形成される。
【００９６】
この磁気抵抗効果素子を作製する方法によれば、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを有する磁気抵抗効果素子１を製造できる。
【実施例】
【００９７】
以下、本発明の実施例および比較例により、さらに磁気抵抗効果素子について説明するが、本発明は下記例に制限されない。
【００９８】
（実施例１）
実施例１として、図１に示す実施形態の磁気抵抗効果素子１と同様の構成を有する磁気抵抗効果素子を作製した。実施例１に係る説明では、磁気抵抗効果素子１に係る説明のために用いられた符号を援用する。なお、実施例２以降の実施例、及び比較例においても、同様に、磁気抵抗効果素子１に係る説明のために用いられた符号を援用する。
【００９９】
実施例１では、以下のような手順によって磁気抵抗効果素子１を作製した。初めに、Ｓｉからなる基板１０を準備した。基板１０上には、熱酸化珪素膜を設けた。熱酸化珪素膜が設けられた基板１０を、マグネトロンスパッタ装置内に設置し、下地層２０の下部電極層２１を形成した。下部電極層２１は、Ｔａ層（厚さ５ｎｍ）、Ｒｕ層（厚さ１００ｎｍ）、及びＴａ層（厚さ３０ｎｍ）をこの順に積層した３層積層体からなる。下部電極層２１の形成時の温度は、室温とした。
【０１００】
下部電極層２１を形成した基板１０をマグネトロンスパッタ装置から取り出して、ＣＭＰ装置に設置した。ＣＭＰ装置を用いて、下部電極層２１の上面が所望の粗さになるように、当該上面を研磨した。研磨のためのスラリーには、アルミナを用いた。研磨時間は、６０秒とした。
【０１０１】
ＣＭＰ研磨の後、基板１０をマグネトロンスパッタ装置内に再び設置し、スパッタ法によって、研磨後の下部電極層２１上にバッファ層２２を形成した。バッファ層２２は、Ｔａ層（厚さ２ｎｍ）及びＲｕ層（厚さ２ｎｍ）からなる２層積層体とした。バッファ層２２の形成時の温度は、室温とした。
【０１０２】
次に、下地層２０のバッファ層２２上に、スパッタ法によって磁気抵抗層３０を形成した。磁気抵抗層３０の形成では、初めに、磁化自由層としての第一の強磁性層３１を形成した。第一の強磁性層３１は、ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）及びＣｏＦｅ層（厚さ１ｎｍ）からなる２層積層体とした。第一の強磁性層３１の形成時の温度は、室温とした。第一の強磁性層３１を形成した後の熱処理は行わなかった。
【０１０３】
続いて、第一の強磁性層３１上に、トンネルバリア層３３を形成した。トンネルバリア層３３の形成では、初めに、第一の強磁性層３１上にＭｇＡｌ合金層を形成し、続いて、ＭｇＡｌ合金層を酸化した。ＭｇＡｌ合金層の形成は、スパッタ法によって行い、ＭｇＡｌ合金層の酸化は、自然酸化によった。アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った後、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなるトンネルバリア層３３が作製された。トンネルバリア層３３の厚さｔは、１．８０ｎｍとした。
【０１０４】
次に、トンネルバリア層３３上に、ＳＡＦ構造の磁化固定層を形成した。磁化固定層は、第二の強磁性層３２としてのＣｏＦｅ層（厚さ１ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）及びＣｏＦｅ層（厚さ１ｎｍ）からなる３層積層体、磁気結合層３６としてのＲｕ層（厚さ０．８ｎｍ）、第三の強磁性層３５としてのＣｏＦｅ層（厚さ３ｎｍ）、及び反強磁性層３４としてのＩｒＭｎ層（厚さ８ｎｍ）からなる多層積層体とした。磁化固定層の形成時の温度は、室温とした。磁化固定層を形成した後の熱処理は行わなかった。磁化固定層の形成によって、磁気抵抗層３０が作製された。
【０１０５】
磁気抵抗層３０の作製後、磁気抵抗層３０の磁化固定層上に、キャップ層４０を形成した。キャップ層４０は、Ｒｕ層（厚さ３ｎｍ）及びＴａ層（厚さ５ｎｍ）を含む２層積層体とした。キャップ層４０の形成時の温度は、室温とした。キャップ層４０を形成した後の熱処理は行わなかった。
【０１０６】
キャップ層４０の形成後に、磁場中熱処理を行い、反強磁性層３４としてのＩｒＭｎ層と第三の強磁性層３５とを交換結合させることにより、第三の強磁性層３５としてのＣｏＦｅ層及び第二の強磁性層３２としてのＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる３層積層体に対して一方向磁気異方性を付与した。この磁場中熱処理においては、熱処理温度を３００℃とし、熱処理時間を３時間とし、印加磁場の強度を１０ｋＯｅ（７９８ｋＡ／ｍ）とした。この磁場中熱処理によって、実施例１に係る磁気抵抗効果素子１の作製が完了した。
【０１０７】
（ＭＲ比の測定）
図４は、実施例１に係る磁気抵抗効果素子のＭＲ比を測定できる磁気抵抗デバイスを示す図である。磁気抵抗デバイス５０は、第１電極層５１と、当該第１電極層５１と共に磁気抵抗効果素子１を挟む第２電極層５２とを備える。磁気抵抗効果素子１は、磁気抵抗特性の測定に適する形状に微細加工した。第１電極層５１が磁気抵抗効果素子１の基板１０上の下地層２０に接続され、第２電極層５２が磁気抵抗効果素子１のキャップ層４０に接続されている。磁気抵抗デバイス５０は、電源５３と電圧計５４とを更に備え、電源５３及び電圧計５４が、共に、第１電極層５１及び第２電極層５２に接続されている。電源５３によって磁気抵抗効果素子１に積層方向に電流を印加し、この際の磁気抵抗効果素子１への印加電圧を電圧計５４によってモニターすることができる。本実施例では、磁気抵抗効果素子１に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１に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１への印加電圧を電圧計５４によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子１の抵抗変化を測定した。
【０１０８】
本実施例では、抵抗変化の測定結果から、磁気抵抗効果素子１のＭＲ比を算出した。ＭＲ比は、百分率で示され、下記の式（ｉ）によって算出できる。
ＭＲ比（％）＝（（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰ）×１００（％）  …（ｉ）
この式（ｉ）において、ＲＡＰは、第一の強磁性層３１の磁化の向きと第二の強磁性層３２の磁化の向きとが反平行であるときの磁気抵抗効果素子１の抵抗の大きさである。また、ＲＰは、第一の強磁性層３１の磁化の向きと第二の強磁性層３２の磁化の向きとが平行であるときの磁気抵抗効果素子１の抵抗の大きさである。後述の他の実施例及び比較例においても、同様にＭＲ比の測定を行った。
【０１０９】
（ＲＡの測定）
実施例１では、磁気抵抗デバイス５０を用いて、磁気抵抗効果素子１の抵抗変化を測定し、その測定結果から、磁気抵抗効果素子１のＲＡ（面積抵抗）を測定した。本実施例では、磁気抵抗効果素子１の平面視形状の面積をＡとしたとき、式（ｉ）のＲｐに対して、Ａを乗じたＲｐＡをＲＡ（面積抵抗）と規定した。ＲＡは、印加されるバイアス電圧を磁気抵抗効果素子１の積層方向に流れた電流で割ることによって得られる抵抗値を、各層が接合される面の面積の逆数で割り、単位面積における抵抗値に規格化した数値である。ＲＡ（面積抵抗）の値は、３％以内の測定誤差を含む。後述の他の実施例及び比較例においても、同様にＲＡの測定を行った。
【０１１０】
（最大高さ粗さＲｚの測定）
本実施例では、積層方向に沿った断面のＴＥＭ観察によって、トンネルバリア層３３の上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１及び下面３３ｂの最大高さ粗さＲｚ２を測定した。これらの最大高さ粗さＲｚ１及び最大高さ粗さＲｚ２の測定は、ＪＩＳＢ ０６０１：２０１３規格に従って行い、基準長さＬｒ１及び基準長さＬｒ２は、共に、２０ｎｍとした。本実施例では、トンネルバリア層３３の上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１及び下面３３ｂの最大高さ粗さＲｚ２のうち、上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１がより大きな最大高さ粗さを示したので、上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１を最大高さ粗さＲｚとした。後述の他の実施例及び比較例においても、同様に最大高さ粗さＲｚの測定を行った。これら他の実施例及び比較例においても、上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１がより大きな最大高さ粗さを示したので、上面３３ａの最大高さ粗さＲｚ１を最大高さ粗さＲｚとした。
【０１１１】
（結晶化領域の割合の見積り）
本実施例では、積層方向に沿った断面のＴＥＭ観察によって、トンネルバリア層３３における結晶化領域６２の割合を見積もった。後述の他の実施例及び比較例においても、同様に結晶化領域６２の割合の測定を行った。
【０１１２】
（実施例２）
実施例２では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨した研磨時間を３０秒としたこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．８１ｎｍとしたことを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１１３】
（実施例３）
実施例３では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨した研磨時間を１５秒としたこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．７９ｎｍとしたことを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１１４】
（実施例４）
実施例４では、トンネルバリア層３３の厚さｔを２．００ｎｍとしたことを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１１５】
（実施例５）
実施例５では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨した研磨時間を３０秒としたこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを２．０１ｎｍとしたことを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１１６】
（実施例６）
実施例６では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨した研磨時間を１５秒としたこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．９６ｎｍとしたことを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１１７】
（実施例７）
実施例７では、トンネルバリア層３３の材料と厚さとが異なることを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１１８】
トンネルバリア層３３の形成は、初めに、第一の強磁性層３１上にＭｇ層を形成し、続いて、当該Ｍｇ層を酸化した。Ｍｇ層の形成は、スパッタ法によって行い、Ｍｇ層の酸化は、自然酸化によって行った。アニール処理（温度２５０℃）を１５分間行った後、ＭｇＯからなるトンネルバリア層３３を作製した。トンネルバリア層３３の厚さｔは、１．７９ｎｍとした。
【０１１９】
（実施例８）
実施例８では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨した研磨時間を３０秒としたこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．８２ｎｍとしたことを除いて、実施例７と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１２０】
（実施例９）
実施例９では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨した研磨時間を１５秒としたこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．８１ｎｍとしたことを除いて、実施例７と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。
【０１２１】
（実施例１０）
実施例１０では、トンネルバリア層３３の厚さｔを１．８３ｎｍとしたこと、及びトンネルバリア層３３のアニール条件（温度と処理時間）を除いて、実施例３と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。アニール温度は、３８０℃とし、アニール時間は、１５分間とした。本実施例では、実施例３と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域６２の割合を変更した。
【０１２２】
（実施例１１）
実施例１１では、トンネルバリア層３３の厚さｔを１．８２ｎｍとしたこと、及びトンネルバリア層３３のアニール条件（温度と処理時間）を除いて、実施例３と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。アニール温度は、３５０℃とし、アニール時間は、１５分間とした。本実施例では、実施例３と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域６２の割合を変更した。
【０１２３】
（実施例１２）
実施例１２では、トンネルバリア層３３の厚さｔを１．８１ｎｍとしたこと、及びトンネルバリア層３３のアニール条件（温度と処理時間）を除いて、実施例３と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。アニール温度は、３３０℃とし、アニール時間は、１５分間とした。本実施例では、実施例３と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域６２の割合を変更した。
【０１２４】
（実施例１３）
実施例１３では、トンネルバリア層３３の厚さｔを１．８３ｎｍとしたこと、及びトンネルバリア層３３のアニール条件（温度と処理時間）を除いて、実施例３と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。アニール温度は、２６０℃とし、アニール時間は、１５分間とした。本実施例では、実施例３と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域６２の割合を変更した。
【０１２５】
（実施例１４）
実施例１４では、トンネルバリア層３３の厚さｔを１．８４ｎｍとしたこと、及びトンネルバリア層３３のアニール条件（温度と処理時間）を除いて、実施例３と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子１を作製した。アニール温度は、２２０℃とし、アニール時間は、１５分間とした。本実施例では、実施例３と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域６２の割合を変更した。
【０１２６】
（比較例１）
比較例１では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨しなかったこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．８２ｎｍとしたことを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２７】
（比較例２）
比較例２では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨しなかったこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．９８ｎｍとしたことを除いて、実施例１と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２８】
（比較例３）
比較例３では、下部電極層２１の上面をＣＭＰ研磨しなかったこと、及びトンネルバリア層３３の厚さｔを１．８４ｎｍとしたことを除いて、実施例７と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２９】
（比較例４）
比較例４では、エピタキシャル法によって、磁気抵抗効果素子を作製した。初めに、ＭｇＯ単結晶からなる基板１０を、エピタキシャル装置内に設置し、下地層２０を形成した。本比較例では、下地層２０は、Ｃｒ層（厚さ４０ｎｍ）の一層からなる。下地層２０の形成後に、熱処理（温度８００℃）を６０分間行った。
【０１３０】
次に、下地層２０上に、磁気抵抗層３０を形成した。磁気抵抗層３０は、磁化自由層としての第一の強磁性層３１、トンネルバリア層３３、及び磁化固定層をこの順に有する。本比較例では、磁化固定層はＳＡＦ構造を有しない。
【０１３１】
初めに、磁化自由層としての第一の強磁性層３１を形成した。第一の強磁性層３１は、Ｆｅ層（厚さ３０ｎｍ）からなる。第一の強磁性層３１の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を６０分間行った。第一の強磁性層３１上には、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなるトンネルバリア層３３を作製した。トンネルバリア層３３の厚さｔは、１．８０ｎｍとした。このＭｇＡｌ２Ｏ４層の形成後に、アニール処理（温度４５０℃）を１５分間行った。
【０１３２】
続いて、トンネルバリア層３３上に、磁化固定層を形成した。磁化固定層は、第二の強磁性層３２としてのＦｅ層（厚さ６ｎｍ）及び反強磁性層３４としてのＩｒＭｎ層（厚さ１２ｎｍ）からなる多層積層体とした。尚、Ｆｅ層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。磁化固定層を形成した後の熱処理は行わなかった。磁化固定層の形成によって、磁気抵抗層３０が作製された。
【０１３３】
磁気抵抗層３０の作製後、磁気抵抗層３０の磁化固定層上に、Ｒｕ層（厚さ１０ｎｍ）からなるキャップ層４０を形成した。また、キャップ層４０の形成後に、磁場中熱処理を行い、反強磁性層３４としてのＩｒＭｎ層と第二の強磁性層３２としてのＦｅ層とを交換結合させることにより、当該Ｆｅ層に対して一方向磁気異方性を付与した。この磁場中熱処理における熱処理温度を３００℃とし、熱処理時間を３時間とした。印加磁場の強度は、１０ｋＯｅ（７９８ｋＡ／ｍ）とした。磁場中熱処理によって、本比較例に係る磁気抵抗効果素子１の形成が完了した。
【０１３４】
表１は、実施例１〜実施例３に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の構成、作製条件、及び、ＲＡなどの測定結果を示す表である。表２は、実施例４〜実施例６に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の構成、作製条件、及び、ＲＡなどの測定結果を示す表である。表３は、実施例７〜実施例９に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の構成、作製条件、及び、ＲＡなどの測定結果を示す表である。表４は、実施例１０〜実施例１２に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の構成、作製条件、及び、ＲＡなどの測定結果を示す表である。表５は、実施例１３及び実施例１４に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の構成、作製条件、及び、ＲＡとＭＲ比との評価結果を示す表である。表６は、比較例１〜比較例３に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の構成、作製条件、及び、ＲＡなどの測定結果を示す表である。表７は、比較例４に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の構成、作製条件、及び、ＲＡなどの測定結果を示す表である。
【０１３５】
【表１】
2020113655.tif 000003
【０１３６】
【表２】
2020113655.tif 000004
【０１３７】
【表３】
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【０１３８】
【表４】
2020113655.tif 000006
【０１３９】
【表５】
2020113655.tif 000007
【０１４０】
【表６】
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【０１４１】
【表７】
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【０１４２】
表１〜表７に示されるように、実施例１〜実施例１４のＲｚ／ｔは、Ｒｚ／ｔ＜１となっており、比較例１〜比較例４のＲｚ／ｔは、Ｒｚ／ｔ＞１となっている。実施例１〜実施例１４は、比較例１〜比較例４と比較して、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを有することが示された。また、実施例１〜９及び１１〜１３（結晶化領域の割合が５％超かつ６５％未満）は、実施例１０、１４（結晶化領域の割合が５％以下又は６５％以上）と比較して、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、特に高いＲＡを有することが示された。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本実施形態によれば、ＭＲ比の低減を抑制しつつ、高いＲＡを有する磁気抵抗効果素子、及びそのような磁気抵抗効果素子を製造する方法が提供される。
【符号の説明】
【０１４４】
１…磁気抵抗効果素子、３１…第一の強磁性層、３２…第二の強磁性層、３３…トンネルバリア層、３３ａ…上面、３３ｂ…下面、６１…アモルファス領域、６２…結晶化領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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