(57)【要約】【課題】スピネル構造を有するトンネルバリア層を含む磁気抵抗効果素子であって、磁気抵抗効果が大きな磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】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設けられたトンネルバリア層とを備え、トンネルバリア層は本体領域と第一の界面領域とを有し、本体領域はＬＭ２Ｏ４で表される第一のスピネル構造の酸化物材料を有し、第一の界面領域は本体領域と第一の強磁性層との間に設けられ、第一の界面領域は、価数２の元素及びＡｌを除く価数３の元素からなる群より選択される少なくとも一つの元素Ｘを有すると共に、ＤＧ２Ｏ４（ＤはＭｇ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表し、ＧはＡｌ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表す。）で表される第二のスピネル構造の酸化物材料を有し、第一の界面領域に含まれる元素Ｘの含有量は、本体領域に含まれる元素Ｘの含有量より大きい。【選択図】図１
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【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設けら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、本体領域と第一の界面領域とを有し、
前記本体領域は、一般式ＬＭ２Ｏ４（式中、Ｌは、Ｍｇを含む一種以上の元素を表し、Ｍは、Ａｌを含む一種以上の元素を表す。）で表される第一のスピネル構造の酸化物材料を有し、
前記第一の界面領域は、前記本体領域と前記第一の強磁性層との間に設けられ、
前記第一の界面領域は、価数２の元素及びＡｌを除く価数３の元素からなる群より選択される少なくとも一つの元素Ｘを有すると共に、一般式ＤＧ２Ｏ４（式中、Ｄは、Ｍｇ又は前記元素Ｘを含む一種以上の元素を表し、Ｇは、Ａｌ又は前記元素Ｘを含む一種以上の元素を表す。）で表される第二のスピネル構造の酸化物材料を有し、
前記第一の界面領域に含まれる前記元素Ｘの含有量は、前記本体領域に含まれる前記元素Ｘの含有量より大きい、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層は、第二の界面領域を更に有し、
前記第二の界面領域は、前記本体領域と前記第二の強磁性層との間に設けられ、
前記第二の界面領域は、前記元素Ｘを有すると共に、前記一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第三のスピネル構造の酸化物材料を有し、
前記第二の界面領域に含まれる前記元素Ｘの含有量は、前記本体領域に含まれる前記元素Ｘの含有量より大きい、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記元素Ｘは、２族又は１３族に属する元素である、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記元素Ｘは、Ｍｇ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記元素Ｘは、Ｇａ又はＩｎを含む、請求項３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及び前記第二の強磁性層の少なくとも一つは、Ｃｏ及びＦｅの少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第一の界面領域の第二のスピネル構造の前記酸化物材料の少なくとも一部は、不規則化スピネル構造を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第一の界面領域の第二のスピネル構造の前記酸化物材料の少なくとも一部は、規則化スピネル構造を有し、前記第二のスピネル構造の前記酸化物材料において、前記元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第二の界面領域の第三のスピネル構造の前記酸化物材料の少なくとも一部は、不規則化スピネル構造を有する、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第二の界面領域の第三のスピネル構造の前記酸化物材料の少なくとも一部は、規則化スピネル構造を有し、前記第三のスピネル構造の前記酸化物材料において、前記元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されている、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、スピネルバリアを用いた磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子を開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. Sukegawa et.al.,“Enhanced tunnelmagnetoresistance in a spinel oxide barrier with cation-site disorder”, Phys. Rev. B86, 184401 (2012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＴＪ素子は、一般に、第一の強磁性層と、第二の強磁性層と、これら二つの強磁性層に挟まれたトンネルバリア層とを備える。ＭＴＪ素子においては、第一の強磁性層の磁化の向きと第二の強磁性層の磁化の向きとが平行であるときの抵抗と、反平行であるときの抵抗との差を利用する。この抵抗の差が大きなＭＴＪ素子は、大きな磁気抵抗（ＭＲ：Magnetoresistance）比を示すことができる。
【０００５】
ＭＴＪ素子のトンネルバリア層を構成する材料として、スピネル構造のＭｇＡｌ２Ｏ４などが、大きなＭＲ比を示し得る材料として知られている。しかしながら、この材料を含むトンネルバリア層を備えるＭＴＪ素子においても、例えば、トンネルバリア層の格子定数と、第一及び第二の強磁性層の格子定数との差が約２倍になるときに、いわゆるバンド折り畳み効果（Band-folding effect）によってＭＲ比が減少することがある。この効果が生じると、第一の強磁性層の磁化の向きと第二の強磁性層の磁化の向きが反平行である状態のコンダクタンスが増加し、その結果、ＭＲ比が減少する。
【０００６】
非特許文献１では、スピネル構造のＭｇＡｌ２Ｏ４を不規則化することによって、トンネルバリア層の格子定数を第一及び第二の強磁性層の格子定数に近づけてバンド折り畳み効果を抑制し、ＭＲ比を増大させている。しかしながら、ＭＲ比の増大は、まだ十分とは言えず、より大きな磁気抵抗効果を得るためには、不規則化スピネルの導入に替えた手法による改善を進めることが必要である。
【０００７】
本発明は、これらに鑑みてなされたものであり、スピネル構造を有するトンネルバリア層を含む磁気抵抗効果素子であって、磁気抵抗効果が大きな磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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設けられたトンネルバリア層と、を備え、トンネルバリア層は、本体領域と第一の界面領域とを有し、本体領域は、一般式ＬＭ２Ｏ４（式中、Ｌは、Ｍｇを含む一種以上の元素を表し、Ｍは、Ａｌを含む一種以上の元素を表す。）で表される第一のスピネル構造の酸化物材料を有し、第一の界面領域は、本体領域と第一の強磁性層との間に設けられ、第一の界面領域は、価数２の元素及びＡｌを除く価数３の元素からなる群より選択される少なくとも一つの元素Ｘを有すると共に、一般式ＤＧ２Ｏ４（式中、Ｄは、Ｍｇ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表し、Ｇは、Ａｌ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表す。）で表される第二のスピネル構造の酸化物材料を有し、第一の界面領域に含まれる元素Ｘの含有量は、本体領域に含まれる元素Ｘの含有量より大きい。
【０００９】
この磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層の第一の界面領域は、上記一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第二のスピネル構造を有し、本体領域は、上記一般式ＬＭ２Ｏ４で表される第一のスピネル構造の酸化物材料を有する。第一の界面領域が元素Ｘを有するとき、バンド折り畳み効果が抑制されることを本願発明者らは見出した。また、トンネルバリア層の本体領域では、第一の界面領域に比べて元素Ｘの含有量が低いので、第一のスピネル構造のＬＭ２Ｏ４が、その組成をＭｇＡｌ２Ｏ４又はその近傍に維持しやすいため、本体領域が、大きなＭＲ比を実現するためのトンネルバリア層としての機能を十分に発揮できる。そのため、この磁気抵抗効果素子は、大きな磁気抵抗効果を示すことができる。
【００１０】
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、第二の界面領域を更に有し、第二の界面領域は、本体領域と第二の強磁性層との間に設けられ、第二の界面領域は、元素Ｘを有すると共に、上記一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第三のスピネル構造の酸化物材料を有し、第二の界面領域に含まれる元素Ｘの含有量は、本体領域に含まれる元素Ｘの含有量より大きくてもよい。
【００１１】
この磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層が第一の界面領域に加えて、第二の界面領域を有する。第一の界面領域と同様の理由に基づき、第二の界面領域によっても、バンド折り畳み効果が抑制され得る。この磁気抵抗効果素子は、より大きな磁気抵抗効果を示すことができる。
【００１２】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、元素Ｘは、２族又は１３族に属する元素であってもよい。
【００１３】
この磁気抵抗効果素子によれば、元素Ｘは、Ｍｇと同じ２族又はＡｌと同じ１３族に属する元素であることができるので、トンネルバリア層の界面領域は、安定した構造をとり易くなる。
【００１４】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、元素Ｘは、Ｍｇ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含んでもよい。
【００１５】
この磁気抵抗効果素子によれば、元素Ｘは、Ｍｇ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含むので、トンネルバリア層の界面領域は、Ａｌと元素周期の近い元素Ｘを含む構造を有し、より安定した構造をとり易くなる。
【００１６】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、元素Ｘは、Ｇａ又はＩｎを含んでもよい。
【００１７】
この磁気抵抗効果素子によれば、元素Ｘは、Ａｌと元素周期が近い上に、Ａｌと同じ３価であり、Ａｌと同じ１３族に属するＧａ又はＩｎを含むことができるので、トンネルバリア層の界面領域は、より安定した構造をとり易くなり、磁気抵抗効果素子の面積抵抗値を低減させることができる。
【００１８】
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、Ｃｏ及びＦｅの少なくとも一つを含んでもよい。
【００１９】
この磁気抵抗効果素子によれば、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、Ｃｏ及びＦｅの少なくとも一つを含むことができるので、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、トンネルバリア層との格子不整合率を低減させることができる。その結果、より大きな磁気抵抗効果が実現される。
【００２０】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、第一の界面領域の第二のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部は、不規則化スピネル構造を有してもよい。
【００２１】
この磁気抵抗効果素子によれば、第一の界面領域の第二のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部が、不規則化スピネル構造を有することができるので、第一の界面領域の格子定数が第一の強磁性層の格子定数に近づくことができる。その結果、バンド折り畳み効果がより抑制されるため、より大きな磁気抵抗効果が実現される。
【００２２】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、第一の界面領域の第二のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部は、規則化スピネル構造を有し、第二のスピネル構造の酸化物材料において、元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されていてもよい。
【００２３】
この磁気抵抗効果素子によれば、第一の界面領域は、規則化スピネル型のスピネル構造に含まれるＡｌを元素Ｘに置換した構造を有することで、元素Ｘの当該少なくとも一部は、第一の強磁性層に直接接触し易くなる。その結果、上述のバンド折り畳み効果がより抑制されるため、より大きな磁気抵抗効果が実現される。
【００２４】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、第二の界面領域の第三のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部は、不規則化スピネル構造を有してもよい。
【００２５】
この磁気抵抗効果素子によれば、第二の界面領域の第三のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部が、不規則化スピネル構造を有することができるので、第二の界面領域の格子定数が第二の強磁性層の格子定数に近づくことができる。その結果、バンド折り畳み効果がより抑制されるため、より大きな磁気抵抗効果が実現される。
【００２６】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、第二の界面領域の第三のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部は、規則化スピネル構造を有し、第三のスピネル構造の酸化物材料において、元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されていてもよい。
【００２７】
この磁気抵抗効果素子によれば、第二の界面領域は、規則化スピネル型のスピネル構造に含まれるＡｌを元素Ｘに置換した構造を有することで、元素Ｘの当該少なくとも一部は、第二の強磁性層に直接接触し易くなる。その結果、上述のバンド折り畳み効果がより抑制されるため、より大きな磁気抵抗効果が実現される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、スピネル構造を有するトンネルバリア層を含む磁気抵抗効果素子であって、磁気抵抗効果が大きな磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。
【図２】図２は、第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。
【図３】図３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。
【図４】図４の（ａ）部は、比較例１に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。図４の（ｂ）部は、比較例２に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。
【図５】図５の（ａ）部は、実施例１に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。図５の（ｂ）部は、実施例２に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。
【図６】図６の（ａ）部は、実施例３に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。図６の（ｂ）部は、実施例５に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。
【図７】図７の（ａ）部は、比較例１に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。図７の（ｂ）部は、比較例２に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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、図２、及び図４に対して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。
【００３１】
図１は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の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、スピンバルブ層３０、及びキャップ層４０をこの順に備える。
【００３２】
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、且つアニール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。
【００３３】
下地層２０は、スピンバルブ層３０の結晶性の向上に設けられ、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なることができる。下地層２０は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｖ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｍｏ及びＷの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、ＮｉＴａ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。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。結晶配向層の第１の例として、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層が挙げられる。結晶配向層の第２の例として、ＡＢＯ３からなる（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層が挙げられる。ここで、サイトＡは、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。結晶配向層の第３の例として、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層が挙げられる。
【００３４】
スピンバルブ層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４５とを備える。トンネルバリア層３３は、第一の強磁性層３１と第二の強磁性層３２との間に設けられる。反強磁性層４５は、第一の強磁性層３１のトンネルバリア層３３側とは反対側に設けられる。第一の強磁性層３１は、例えば、下地層２０上に設けられ、第一の強磁性層３１、トンネルバリア層３３、及び第二の強磁性層３２は、この順に配列することができる。第一の強磁性層３１及び反強磁性層４５は、共同して磁化固定層として機能し、第二の強磁性層３２は、磁化自由層として機能する。
【００３５】
磁化固定層として機能する第一の強磁性層３１の磁化方向は、磁化自由層として機能する第二の強磁性層３２の磁化方向に比べて、外部磁界に対して変化し難い。第一の強磁性層３１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、このような第一の強磁性層３１の磁化方向の態様を、反強磁性層４５と第一の強磁性層３１とを交換結合させて、第一の強磁性層３１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４５を用いずに実現することも可能であるため、スピンバルブ層３０は反強磁性層４５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二の強磁性層３２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、スピンバルブ層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。スピンバルブ層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、スピンバルブ層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。
【００３６】
第一の強磁性層３１は、強磁性材料で構成される。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、Ｃｒ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。第一の強磁性層３１は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ合金及びＣｏ−Ｆｅ−Ｂ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。また、第一の強磁性層３１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第一の強磁性層３１としてＣｏとＰｔとの積層膜を用いることができる。
【００３７】
反強磁性層４５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。
【００３８】
第一の強磁性層３１の積層方向（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５０ｎｍ以下の範囲である。
【００３９】
磁化自由層として機能する第二の強磁性層３２は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−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。
【００４０】
第二の強磁性層３２の積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上、かつ１０ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、０．８ｎｍ以上、かつ８ｎｍ以下の範囲である。
【００４１】
反強磁性層４５の積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲である。
【００４２】
本実施形態の磁化固定層は、合成反強磁性（synthesized anti-ferro magnetic）構造（ＳＡＦ構造）と呼ばれる構造を有していてもよい。この場合、スピンバルブ層３０は、磁化固定層として、第一の強磁性層３１及び反強磁性層４５に加えて、反強磁性層４５と第一の強磁性層３１との間に設けられた第三の強磁性層と、第一の強磁性層３１と第三の強磁性層との間に設けられた磁気結合層をさらに有する。第一の強磁性層３１と第三の強磁性層は、磁気結合層を介した交換結合磁界によって反強磁性的に結合している。第三の強磁性層は、第一の強磁性層３１と同様の構成を有することができる。当該磁気結合層は、例えばＲｕ、Ｒｈ、又はＩｒ等の非磁性金属で構成され、その積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の範囲である。
【００４３】
スピンバルブ層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が磁化自由層として機能し、第二の強磁性層３２が磁化固定層として機能してもよい。この場合、反強磁性層４５は、第二の強磁性層３２のトンネルバリア層３３側とは反対側に設けられ、第二の強磁性層３２に一方向磁気異方性を付与する。
【００４４】
トンネルバリア層３３は、本体領域３４と第一の界面領域３５とを有する。第一の界面領域３５は、本体領域３４と第一の強磁性層３１との間に設けられ、第一の強磁性層３１に直接接する。第一の界面領域３５は、本体領域３４と第一の強磁性層３１との間に設けられるほか、第一の界面領域３５は、本体領域３４と第二の強磁性層３２との間に設けられてもよい。
【００４５】
本体領域３４は、絶縁材料で構成され、一般式ＬＭ２Ｏ４で表される第一のスピネル構造を有する酸化物材料を含む。このＬＭ２Ｏ４において、Ｌは、Ｍｇを含む一種以上の元素を表す。例えば、Ｌは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｈｇ、Ｖを含む一種以上の元素を表す。Ｍは、Ａｌを含む一種以上の元素を表す。例えば、Ｍは、Ａｌ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｏを含む一種以上の元素を表す。また、ＬまたはＭ、もしくはＬとＭの両方に後述の元素Ｘが含まれていてもよい。また、ＬＭ２Ｏ４において、Ｏは酸素を表す。尚、Ｌ、Ｍ、及びＯの組成比は、必ずしも化学量論組成比のＬ：Ｍ：Ｏ＝１：２：４である必要はなく、Ｌ1−αＭαＯβ（αの範囲は０＜α≦１、βの範囲は０．３５≦β≦１．７）としても良い。
【００４６】
第一のスピネル構造は、正スピネル構造又は逆スピネル構造であることができる。例えば一般式ＬＭ２Ｏ４で表されるスピネル構造において、Ｌサイトに含まれる元素ＡとＭサイトに含まれる元素Ｂとについて、正スピネル構造では、Ｌサイトに元素Ａが、Ｍサイトに元素Ｂが配置されるのに対して、逆スピネル構造では、Ｌサイトに元素Ｂが、Ｍサイトに元素Ａと元素Ｂとが同数程度配置される。
【００４７】
本体領域３４において、第一のスピネル構造を有する酸化物材料は、ＭｇＡｌ２Ｏ４であることができる。このとき、本体領域３４が、大きなＭＲ比を実現するためのトンネルバリア層としての機能を十分に発揮できる。
【００４８】
第一の界面領域３５は、価数２の元素及びＡｌを除く価数３の元素からなる群より選択される少なくとも一つの元素Ｘを有すると共に、一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第二のスピネル構造を有する。このＤＧ２Ｏ４において、Ｄは、Ｍｇ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表し、Ｇは、Ａｌ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表す。元素Ｘは、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｈｇ、Ｓｃ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｂ、Ｇａ、及びＩｎといった元素である。尚、Ｄ、Ｇ、及びＯの組成比は、必ずしも化学量論組成比のＤ：Ｇ：Ｏ＝１：２：４である必要はなく、Ｄ1−ηＧηＯθ（ηの範囲は０＜η≦１、θの範囲は０．３５≦θ≦１．７）としても良い。第二のスピネル構造は、正スピネル構造又は逆スピネル構造であることができる。
【００４９】
第一の界面領域３５は、一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第二のスピネル構造において、Ｄサイト及びＧサイトに、元素Ｘを含有することができるが、このような元素Ｘの含有態様に加えて、又は代えて、他の態様によって元素Ｘを含んでもよい。例えば、第一の界面領域３５は、格子間不純物、一部欠損したＯサイトへの侵入などの態様によって元素Ｘを含んでもよい。
【００５０】
トンネルバリア層３３において、本体領域３４は、Ｌサイト及びＭサイトに、元素Ｘを含有することができる。また、このような元素Ｘの含有態様に加えて、又は代えて、本体領域３４は、第一の界面領域３５と同様の態様によって元素Ｘを含んでもよい。
【００５１】
本体領域３４において、第一のスピネル構造を有する酸化物材料は、ＭｇＡｌ２Ｏ４に対して、Ａｌ元素又はＭｇ元素の一部を元素Ｘに置換したもの、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４に対して、格子間不純物、一部欠損したＯサイトへの侵入などの態様で元素Ｘが追加されたものであることができる。このとき、本体領域３４は、ＭｇＡｌ２Ｏ４ベースの酸化物材料となるため、大きなＭＲ比を実現するためのトンネルバリア層としての機能を十分に発揮できる。ただし、大きなＭＲ比を実現する観点からは、本体領域３４は、元素Ｘを実質的に含まないことが好ましい。
【００５２】
第一の界面領域３５に含まれる元素Ｘの含有量は、本体領域３４に含まれる元素Ｘの含有量より大きい。本実施形態では、第一の界面領域３５に含まれる元素Ｘの含有量、例えば、Ｉｎの含有量は、５原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＩｎの含有量は、例えば、０原子％以上、３７原子％以下である。また、第一の界面領域３５に含まれる他の元素Ｘの含有量、例えば、Ｇａの含有量は、５原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＧａの含有量は、例えば、０原子％以上、３７原子％以下である。また、第一の界面領域３５に含まれる他の元素Ｘの含有量、例えば、Ｍｇの含有量は、１０原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＭｇの含有量は、例えば、５原子％以上、５０原子％以下である。より好ましくは、第一の界面領域３５に含まれる元素Ｘの含有量は、本体領域３４に含まれる元素Ｘの含有量の１１０％以上である。
【００５３】
本実施形態では、第一の界面領域３５に含まれるＡｌの含有量は、０原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＡｌの含有量は、５原子％以上、７４原子％以下である。
【００５４】
磁気抵抗効果素子１は、スピンバルブ層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、スピンバルブ層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に積層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。
【００５５】
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、必要に応じてアニール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、例えば、積層方向（各層の膜面に垂直な方向）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。
【００５６】
上述のような磁気抵抗効果素子１によれば、トンネルバリア層３３の第一の界面領域３５は、上記一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第二のスピネル構造を有し、本体領域３４は、上記一般式ＬＭ２Ｏ４で表される第一のスピネル構造の酸化物材料を有する。第一の界面領域３５が元素Ｘを有するとき、バンド折り畳み効果が抑制されることを本願発明者らは見出した。また、トンネルバリア層３３の本体領域３４では、第一の界面領域３５に比べて元素Ｘの含有量が低いので、第一のスピネル構造のＬＭ２Ｏ４が、その組成をＭｇＡｌ２Ｏ４又はその近傍に維持しやすいため、本体領域３４が、大きなＭＲ比を実現するためのトンネルバリア層としての機能を十分に発揮できる。そのため、この磁気抵抗効果素子１は、大きな磁気抵抗効果を示すことができる。
【００５７】
第一の強磁性層３１の材料は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＦｅＡｌ合金などであることができる。この場合、仮に第一の強磁性層３１が、元素Ｘを含まないスピネル構造の酸化物材料からなるトンネルバリア層、特に、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなるトンネルバリア層と積層されると、上述のバンド折り畳み効果が生じ易い。そのため、第一の強磁性層３１の材料が上述の材料であるとき、本体領域３４と第一の強磁性層３１との間に第一の界面領域３５を介在させることによってバンド折り畳み効果を抑制し、大きなＭＲ比を実現するという本実施形態の磁気抵抗効果素子１の上記効果が、特に有効に発揮される。
【００５８】
磁気抵抗効果素子１では、元素Ｘは、２族又は１３族に属する元素であってもよい。具体的には、元素Ｘは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｇａ、及びＩｎといった価数２又は価数３の元素であることができる。
【００５９】
この磁気抵抗効果素子１によれば、元素Ｘは、Ｍｇと同じ２族又はＡｌと同じ１３族に属する元素であることができるので、トンネルバリア層３３の第一の界面領域３５は、安定した構造をとり易くなる。
【００６０】
また、磁気抵抗効果素子１では、元素Ｘは、Ｍｇ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含んでもよい。この場合、トンネルバリア層３３の第一の界面領域３５は、Ａｌと元素周期の近い元素Ｘを含む構造を有し、より安定した構造をとり易くなる。
【００６１】
また、磁気抵抗効果素子１では、元素Ｘは、Ｇａ又はＩｎを含んでもよい。この磁気抵抗効果素子１によれば、元素Ｘは、Ａｌと元素周期が近い上に、Ａｌと同じ３価であり、Ａｌと同じ１３族に属するＧａ又はＩｎを含むことができるので、トンネルバリア層３３の第一の界面領域３５は、より安定した構造をとり易くなり、磁気抵抗効果素子１の面積抵抗値を低減させることができる。
【００６２】
また、本実施形態では、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２の少なくとも一つは、Ｃｏ及びＦｅの少なくとも一つを含むことが好ましい。この場合、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、トンネルバリア層３３との格子不整合率を低減させることができる。
【００６３】
本実施形態では、トンネルバリア層３３の積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．２５ｎｍ以上、かつ５ｎｍ以下の範囲であることができる。また、この厚さは、例えば、０．７ｎｍ以上、かつ３．０ｎｍ以下の範囲であることができる。
【００６４】
トンネルバリア層３３のうち、本体領域３４の積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．１５ｎｍ以上、かつ４．９ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、０．６ｎｍ以上、かつ１．４ｎｍ以下の範囲である。
【００６５】
第一の界面領域３５の積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．０５ｎｍ以上、かつ０．５ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上、かつ０．３ｎｍ以下の範囲であることができる。
【００６６】
本実施形態では、第一の界面領域３５の厚さは、例えば、トンネルバリア層３３全体の厚さの１％以上、４０％以下である。
【００６７】
第一の界面領域３５の第二のスピネル構造の酸化物材料は、全体が規則化スピネル構造を有してもよいし、全体又は一部が、不規則化スピネル構造を有してもよい。後者の場合、第一の界面領域３５の格子定数が第一の強磁性層３１の格子定数に近づくことができるため、バンド折り畳み効果をより抑制し、より大きな磁気抵抗効果を実現することができる。なお、規則化スピネル構造とは、スピネル構造において２種類の陽イオンが規則的に配列した構造を意味し、不規則化スピネル構造とは、規則化スピネル構造の酸化物材料と構成元素が同じであるが、スピネル構造における２種類の陽イオンが不規則に配列した結晶構造を意味する。
【００６８】
本体領域３４の第一のスピネル構造の酸化物材料は、全体が規則化スピネル構造を有していてもよく、全体又は一部が不規則化スピネル構造を有してもよい。
【００６９】
磁気抵抗効果素子１においては、第一の界面領域３５の第二のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部が、規則化スピネル構造を有するとき、第二のスピネル構造の酸化物材料において、元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されていてもよい。例えば、第一の界面領域３５は、規則化スピネル型のスピネル構造のＧサイトに含まれるＡｌを、元素Ｘに置換した構造を有することができる。第一の界面領域３５の第二のスピネル構造において、エネルギー的な観点から、一般式ＤＧ２Ｏ４におけるＧサイトの原子は、Ｄサイトの原子よりも界面に出やすい。そのため、元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されていると、元素Ｘの当該少なくとも一部は、第一の強磁性層３１に直接接触し易くなる。その結果、上述のバンド折り畳み効果がより抑制されるため、より大きな磁気抵抗効果が実現される。
【００７０】
図２は、第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。磁気抵抗効果素子１ｐは、例えば、基板１０、下地層２０、スピンバルブ層３０ｐ、及びキャップ層４０をこの順に備える。本実施形態の磁気抵抗効果素子１ｐは、トンネルバリア層の構成において、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１と異なる。具体的には、本実施形態の磁気抵抗効果素子１ｐは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１のスピンバルブ層３０とは異なるスピンバルブ層３０ｐを有し、本実施形態のスピンバルブ層３０ｐのトンネルバリア層３３ｐは、第二の界面領域３６を更に有する点において第１の実施形態におけるトンネルバリア層３３と異なる。第二の界面領域３６は、本体領域３４と第二の強磁性層３２との間に設けられ、第二の強磁性層３２と直接接する。
【００７１】
磁気抵抗効果素子１ｐは、磁気抵抗効果素子１と同様の基板１０、下地層２０、及びキャップ層４０を備えることができる。磁気抵抗効果素子１ｐは、例えば、磁気抵抗効果素子１と同様に、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。
【００７２】
図２に示されるように、スピンバルブ層３０ｐにおいては、反強磁性層４５、第一の強磁性層３１、第一の界面領域３５、本体領域３４、第二の界面領域３６、及び第二の強磁性層３２がこの順に積層される。本実施形態においても、第１の実施形態における場合と同様に、磁化固定層はＳＡＦ構造を有していてもよい。
【００７３】
本実施形態の他の変形例として、第１の実施形態の上記変形例と同様に、第一の強磁性層３１が磁化自由層として機能し、第二の強磁性層３２が磁化固定層として機能してもよい。この場合、反強磁性層４５は、第二の強磁性層３２のトンネルバリア層３３側とは反対側に設けられ、第二の強磁性層３２に一方向磁気異方性を付与する。
【００７４】
第二の界面領域３６は、元素Ｘを有すると共に、一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第三のスピネル構造を有する。第二の界面領域３６のＤＧ２Ｏ４において、Ｄは、Ｍｇ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表し、Ｇは、Ａｌ又は元素Ｘを含む一種以上の元素を表す。元素Ｘは、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｈｇ、Ｓｃ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｂ、Ｇａ、及びＩｎといった元素である。尚、Ｄ、Ｇ、及びＯの組成比は、必ずしも化学量論組成比のＤ：Ｇ：Ｏ＝１：２：４である必要はなく、Ｄ1−δＧδＯφ（δの範囲は０＜δ≦１、φの範囲は０．３５≦φ≦１．７）としても良い。第三のスピネル構造は、正スピネル構造又は逆スピネル構造であることができる。
【００７５】
第二の界面領域３６は、一般式ＤＧ２Ｏ４で表される第三のスピネル構造において、Ｄサイト及びＧサイトに、元素Ｘを含有することができるが、このような元素Ｘの含有態様に加えて、又は代えて、他の態様によって元素Ｘを含んでもよい。例えば、第二の界面領域３６は、格子間不純物、一部欠損したＯサイトへの侵入などの態様によって元素Ｘを含んでもよい。
【００７６】
第二の界面領域３６に含まれる元素Ｘの含有量は、本体領域３４に含まれる元素Ｘの含有量より大きい。本実施形態では、第二の界面領域３６に含まれる元素Ｘの含有量、例えば、Ｉｎの含有量は、５原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＩｎの含有量は、例えば、０原子％以上、３７原子％以下である。また、第二の界面領域３６に含まれる他の元素Ｘの含有量、例えば、Ｇａの含有量は、５原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＧａの含有量は、例えば、０原子％以上、３７原子％以下である。また、第二の界面領域３６に含まれる他の元素Ｘの含有量、例えば、Ｍｇの含有量は、１０原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＭｇの含有量は、例えば、５原子％以上、５０原子％以下である。より好ましくは、第二の界面領域３６に含まれる元素Ｘの含有量は、本体領域３４に含まれる元素Ｘの含有量の１１０％以上である。
【００７７】
本実施形態では、第二の界面領域３６に含まれるＡｌの含有量は、０原子％以上、７４原子％以下である。本体領域３４に含まれるＡｌの含有量は、５原子％以上、７４原子％以下である。
【００７８】
この磁気抵抗効果素子１ｐによれば、トンネルバリア層３３ｐが第一の界面領域３５に加えて、第二の界面領域３６を有する。第一の界面領域３５と同様の理由に基づき、第二の界面領域３６によっても、バンド折り畳み効果が抑制され得るため、この磁気抵抗効果素子１ｐは、より大きな磁気抵抗効果を示すことができる。
【００７９】
磁気抵抗効果素子１ｐでは、元素Ｘは、２族又は１３族に属する元素であってもよい。具体的には、元素Ｘは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ｇａ、及びＩｎといった価数２又は価数３の元素であることができる。
【００８０】
この磁気抵抗効果素子１ｐによれば、元素Ｘは、Ｍｇと同じ２族又はＡｌと同じ１３族に属する元素であることができるので、トンネルバリア層３３ｐの第二の界面領域３６は、安定した構造をとり易くなる。
【００８１】
また、磁気抵抗効果素子１ｐでは、元素Ｘは、Ｍｇ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含んでもよい。この場合、トンネルバリア層３３ｐの第二の界面領域３６は、Ａｌと元素周期の近い元素Ｘを含む構造を有し、より安定した構造をとり易くなる。
【００８２】
また、磁気抵抗効果素子１ｐでは、元素Ｘは、Ｇａ又はＩｎを含んでもよい。この磁気抵抗効果素子１ｐによれば、元素Ｘは、Ａｌと元素周期が近い上に、Ａｌと同じ３価であり、Ａｌと同じ１３族に属するＧａ又はＩｎを含むことができるので、トンネルバリア層３３ｐの第二の界面領域３６は、より安定した構造をとり易くなり、磁気抵抗効果素子１ｐの面積抵抗値を低減させることができる。
【００８３】
本実施形態では、トンネルバリア層３３ｐの積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．２５ｎｍ以上、かつ５.０ｎｍ以下の範囲であることができる。また、この厚さは、例えば、０．７ｎｍ以上、かつ３．０ｎｍ以下の範囲であることができる。
【００８４】
トンネルバリア層３３ｐのうち、本体領域３４の積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．１５ｎｍ以上、かつ４．９ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、０．６ｎｍ以上、かつ１．４ｎｍ以下の範囲である。
【００８５】
第二の界面領域３６の積層方向（Ｚ軸方向）の厚さは、例えば、０．０５ｎｍ以上、かつ０．５ｎｍ以下の範囲である。また、この厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上、かつ０．３ｎｍ以下の範囲であることができる。
【００８６】
本実施形態では、第二の界面領域３６の厚さは、例えば、トンネルバリア層３３ｐ全体の厚さの１％以上、４０％以下である。
【００８７】
磁気抵抗効果素子１ｐにおいては、第二の界面領域３６の第二のスピネル構造の酸化物材料は、全体が規則化スピネル構造を有してもよいし、全体又は一部が、不規則化スピネル構造を有してもよい。後者の場合、第二の界面領域３６の格子定数が第二の強磁性層３２の格子定数に近づくことができるため、バンド折り畳み効果をより抑制し、より大きな磁気抵抗効果を実現することができる。
【００８８】
磁気抵抗効果素子１ｐにおいては、第二の界面領域３６の第三のスピネル構造の酸化物材料の少なくとも一部が、規則化スピネル構造を有するとき、第三のスピネル構造の酸化物材料において、元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されていてもよい。例えば、第二の界面領域３６は、規則化スピネル型のスピネル構造のＧサイトに含まれるＡｌを、元素Ｘに置換した構造を有することができる。第二の界面領域３６の第三のスピネル構造において、エネルギー的な観点から、一般式ＤＧ２Ｏ４におけるＧサイトの原子は、Ｄサイトの原子よりも界面に出やすい。そのため、元素Ｘの少なくとも一部が、Ｇサイトに配置されていると、元素Ｘの当該少なくとも一部は、第二の強磁性層３２に直接接触し易くなる。その結果、上述のバンド折り畳み効果がより抑制されるため、より大きな磁気抵抗効果が実現される。
【実施例】
【００８９】
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。
【００９０】
（実施例１）
実施例１として、図２に示す第２の実施形態の磁気抵抗効果素子１ｐ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１ｐ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２〜４においても、同様に援用する。
【００９１】
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１ｐを作製した。各層の形成時の温度は、温度を明記した場合を除いて、室温とした（実施例２以降の実施例及び比較例についても同様である）。初めに、基板１０上に、下地層２０としてのバッファ層を形成した。基板１０に熱酸化膜付Ｓｉを用い、また、基板１０上に、スパッタ法によってバッファ層を形成した。バッファ層は、Ｔａ層（厚さ５ｎｍ）及びＲｕ層（厚さ３ｎｍ）からなる積層体とした。
【００９２】
続いて、スパッタ法によってスピンバルブ層３０ｐを形成した。スピンバルブ層３０ｐは、ＳＡＦ構造の磁化固定層、トンネルバリア層３３ｐ、及び磁化自由層としての第二の強磁性層３２をこの順に有する。スピンバルブ層３０ｐの形成工程では、初めに、磁化固定層を形成した。磁化固定層は、反強磁性層４５としてのＩｒＭｎ層（厚さ５ｎｍ）、第三の強磁性層（図示せず）としてのＣｏＦｅ層（厚さ１０ｎｍ）、磁気結合層（図示せず）としてのＲｕ層（厚さ０．８ｎｍ）、及び、第一の強磁性層３１としてのＣｏＦｅＢ層（厚さ５ｎｍ）及びＣｏＦｅ層（厚さ１ｎｍ）からなる２層積層体を含む多層積層体とした。
【００９３】
続いて、第一の強磁性層３１上に、トンネルバリア層３３ｐを形成した。トンネルバリア層３３ｐは、第一の界面領域３５、本体領域３４、及び第二の界面領域３６を有する。トンネルバリア層３３ｐの形成工程は、第一の界面領域３５の形成から始めた。具体的には、第一の強磁性層３１上に、第一の界面領域３５の一部の元素を供給するためのＩｎ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。続いて、このＩｎ２Ｏ３層上に、本体領域３４の一部の元素を供給するためのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ０．９ｎｍ）を形成した。続いて、このＭｇＡｌ２Ｏ４層上に、第二の界面領域３６の一部の元素を供給するためのＩｎ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。
【００９４】
次に、トンネルバリア層３３ｐ上に、スパッタ法によって、磁化自由層としての第二の強磁性層３２を形成した。第二の強磁性層３２は、ＣｏＦｅ層（厚さ１ｎｍ）及びＣｏＦｅＢ層（厚さ５ｎｍ）からなる２層積層体とした。第二の強磁性層３２の形成によって、スピンバルブ層３０ｐが作製された。
【００９５】
スピンバルブ層３０ｐの作製後、スピンバルブ層３０ｐ上に、キャップ層４０を形成した。具体的には、スパッタ法によって、スピンバルブ層３０ｐの第二の強磁性層３２上に、キャップ層４０を形成した。キャップ層４０は、Ｔａ層（厚さ５ｎｍ）及びＲｕ層（厚さ２０ｎｍ）を含む積層体とした。
【００９６】
キャップ層４０の形成後に、磁場中熱処理を行い、第三の強磁性層としてのＣｏＦｅ層及び第一の強磁性層３１としてのＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる２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ける熱処理温度を３００℃とし、印加磁場の強度を１０ｋＯｅ（７９８ｋＡ／ｍ）とした。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１ｐの形成が完了した。
【００９７】
実施例１では、上記磁場中熱処理によって、トンネルバリア層３３ｐ（Ｉｎ２Ｏ３層、ＭｇＡｌ２Ｏ４層及びＩｎ２Ｏ３層）において層間の原子拡散及びスピネル構造への結晶化を促進し、第一の界面領域３５としてのＭｇ（Ａｌα１Ｉｎ１−α１）２Ｏ４層、本体領域３４としてのＭｇ（Ａｌα２Ｉｎ１−α２）２Ｏ４層、及び第二の界面領域３６としてのＭｇ（Ａｌα３Ｉｎ１−α３）２Ｏ４層を形成した。これらの層において、α１及びα３の大きさは、α２の大きさより小さい。このα１、α２及びα３の大小関係は、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６における元素Ｘ（実施例１ではＩｎ）の含有量が、本体領域３４における元素Ｘの含有量より大きいことを意味する。
【００９８】
（ＭＲ比の評価）
図３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。磁気抵抗デバイス５０は、４端子法によりＭＲ比を評価できるデバイスであり、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１ｐを挟む第２電極層５２とを備える。磁気抵抗効果素子１ｐ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１ｐ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１ｐ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１ｐに積層方向に電流を印加し、この際の磁気抵抗効果素子１ｐ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１ｐ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１ｐに磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１ｐ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１ｐの抵抗変化を測定した。
【００９９】
本実施例では、４端子法によって磁気抵抗効果素子１ｐのＭＲ比を評価したが、ＭＲ比の評価方法は４端子法に限定されない。例えば、Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ（ＣＩＰＴ）法によっても、磁気抵抗効果素子１ｐのＭＲ比を評価することができる。
【０１００】
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１ｐのＭＲ比を算出した。
ＭＲ比は、百分率で示され、下記の式（１）によって算出できる。
ＭＲ比（％）＝（（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰ）×１００（％）  …（１）
この式（１）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１ｐ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１ｐの抵抗の大きさである。
【０１０１】
（面積抵抗の評価）
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１ｐ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１ｐの面積抵抗を評価した。本実施例では、磁気抵抗効果素子１ｐの平面視形状の面積をＡとしたとき、式（１）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１ｐ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。
【０１０２】
（エネルギー分散型Ｘ線分析）
本実施例では、磁気抵抗効果素子１ｐに対してエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を行い、磁気抵抗効果素子１ｐの組成を分析した。初めに、磁気抵抗効果素子１ｐを積層方向に沿う面に沿って集束イオンビームを用いて切断し、トンネルバリア層３３ｐの薄片試料を作製した。次に、この薄片試料に対して、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を行った。このＴＥＭを用いたＥＤＳ（ＴＥＭ−ＥＤＳ）による分析結果は、Ｍｇ、Ａｌ、及び酸素（Ｏ）といった測定元素について、それらのバックグラウンド信号を差し引いた評価結果である。
【０１０３】
本実施例では、磁気抵抗効果素子１ｐの組成を分析する手法は、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）によったが、磁気抵抗効果素子１ｐの組成を分析する手法は、ＥＤＳに限定されない。例えば、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、アトムプローブ法、又は電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）によっても、磁気抵抗効果素子１ｐの組成を分析することができる。
【０１０４】
（実施例２）
実施例２として、トンネルバリア層３３以外の各層については実施例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。
【０１０５】
実施例２のトンネルバリア層３３ｐの形成では、初めに、第一の強磁性層３１上に、第一の界面領域３５の一部の元素を供給するためのＧａ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。このＧａ２Ｏ３層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。続いて、このＧａ２Ｏ３層上に、本体領域３４の一部の元素を供給するためのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ０．９ｎｍ）を形成した。ＭｇＡｌ２Ｏ４層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。続いて、このＭｇＡｌ２Ｏ４層上に、第二の界面領域３６の一部の元素を供給するためのＧａ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。このＧａ２Ｏ３層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。
【０１０６】
実施例２では、上記Ｇａ２Ｏ３層、ＭｇＡｌ２Ｏ４層及びＧａ２Ｏ３層の形成後のアニール処理によって、これらの層において層間の原子拡散及びスピネル構造への結晶化を促進し、第一の界面領域３５としてのＭｇ（Ａｌα１Ｇａ１−α１）２Ｏ４層、本体領域３４としてのＭｇ（Ａｌα２Ｇａ１−α２）２Ｏ４層、及び第二の界面領域３６としてのＭｇ（Ａｌα３Ｇａ１−α３）２Ｏ４を形成した。これらの層において、α１及びα３の大きさは、α２の大きさより小さい。このα１、α２及びα３の大小関係は、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６における元素Ｘ（実施例２ではＧａ）の含有量が、本体領域３４における元素Ｘの含有量より大きいことを意味する。
【０１０７】
実施例２では、キャップ層４０の形成後、実施例１と同様に、磁場中熱処理を行い、第三の強磁性層としてのＣｏＦｅ層及び第一の強磁性層３１としてのＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる２層積層体に対して一方向磁気異方性を付与した。また、実施例２では、実施例１と同様に、磁気抵抗効果素子に対して、ＭＲ比の評価、面積抵抗の評価、及びエネルギー分散型Ｘ線分析を行った。
【０１０８】
（実施例３）
実施例３として、トンネルバリア層３３以外の各層については実施例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。
【０１０９】
実施例３のトンネルバリア層３３ｐの形成では、初めに、第一の強磁性層３１上に、第一の界面領域３５の一部の元素を供給するためのＭｇＯ層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。このＭｇＯ層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。続いて、このＭｇＯ層上に、本体領域３４の一部の元素を供給するためのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ０．９ｎｍ）を形成した。ＭｇＡｌ２Ｏ４層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。続いて、このＭｇＡｌ２Ｏ４層上に、第二の界面領域３６の一部の元素を供給するためのＭｇＯ層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。このＭｇＯ層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。
【０１１０】
実施例３では、上記ＭｇＯ層、ＭｇＡｌ２Ｏ４層及びＭｇＯ層の形成後のアニール処理によって、これらの層において層間の原子拡散及びスピネル構造への結晶化を促進し、第一の界面領域３５としてのＭｇ（Ａｌα１Ｍｇ１−α１）２Ｏ４、本体領域３４としてのＭｇ（Ａｌα２Ｍｇ１−α２）２Ｏ４、及び第二の界面領域３６としてのＭｇ（Ａｌα３Ｍｇ１−α３）２Ｏ４を形成した。これらの層において、α１及びα３の大きさは、α２の大きさより小さい。このα１、α２及びα３の大小関係は、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６における元素Ｘ（実施例３ではＭｇ）の含有量が、本体領域３４における元素Ｘの含有量より大きいことを意味する。
【０１１１】
実施例３では、キャップ層４０の形成後、実施例１と同様に、磁場中熱処理を行い、第三の強磁性層としてのＣｏＦｅ層及び第一の強磁性層３１としてのＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる２層積層体に対して一方向磁気異方性を付与した。また、実施例３では、実施例１と同様に、磁気抵抗効果素子に対して、ＭＲ比の評価、面積抵抗の評価、及びエネルギー分散型Ｘ線分析を行った。
【０１１２】
（実施例４）
実施例４として、図２に示す第２の実施形態の上記変形例（第一の強磁性層３１が磁化自由層として機能し、第二の強磁性層３２が磁化固定層として機能する変形例）の磁気抵抗効果素子１ｐ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４では、基板１０にＭｇＯを用いた。このＭｇＯ基板に対しては、アニール処理（温度８００℃）を６０分間行った。基板１０としてのＭｇＯの（００１）面上に、スパッタ法によって、下地層２０としてのバッファ層を形成した。バッファ層は、Ｃｒ層（厚さ４０ｎｍ）を有する。バッファ層の形成後に、アニール処理（温度８００℃）を６０分間行った。
【０１１３】
続いて、スパッタ法によってスピンバルブ層３０ｐを形成した。スピンバルブ層３０ｐ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、Ｆｅ層（厚さ５０ｎｍ）とした。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。
【０１１４】
続いて、第一の強磁性層３１上に、トンネルバリア層３３ｐを形成した。トンネルバリア層３３ｐの形成工程では、初めに、第一の強磁性層３１上に、第一の界面領域３５の一部の元素を供給するためのＩｎ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。このＩｎ２Ｏ３層の形成後に、アニール処理（温度４５０℃）を１５分間行った。続いて、このＩｎ２Ｏ３層上に、本体領域３４の一部の元素を供給するためのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ０．９ｎｍ）を形成した。ＭｇＡｌ２Ｏ４層の形成後に、アニール処理（温度４５０℃）を１５分間行った。続いて、このＭｇＡｌ２Ｏ４層上に、第二の界面領域３６の一部の元素を供給するためのＩｎ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。このＩｎ２Ｏ３層の形成後に、アニール処理（温度４５０℃）を１５分間行った。
【０１１５】
実施例４では、上記Ｉｎ２Ｏ３層、ＭｇＡｌ２Ｏ４層及びＩｎ２Ｏ３層の形成後のアニール処理によって、これらの層において層間の原子拡散及びスピネル構造への結晶化を促進し、第一の界面領域３５としてのＭｇ（Ａｌα１Ｉｎ１−α１）２Ｏ４層、本体領域３４としてのＭｇ（Ａｌα２Ｉｎ１−α２）２Ｏ４層、及び第二の界面領域３６としてのＭｇ（Ａｌα３Ｉｎ１−α３）２Ｏ４層を形成した。これらの層において、α１及びα３の大きさは、α２の大きさより小さい。このα１、α２及びα３の大小関係は、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６における元素Ｘ（実施例４ではＩｎ）の含有量が、本体領域３４における元素Ｘの含有量より大きいことを意味する。
【０１１６】
次に、トンネルバリア層３３ｐ上に、スパッタ法によって、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６０ｎｍ）及び反強磁性層としてのＩｒＭｎ層（厚さ１０ｎｍ）を含む積層体とした。Ｆｅ層の形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。磁化固定層の形成によって、スピンバルブ層３０ｐが作製された。
【０１１７】
次に、スピンバルブ層３０ｐ上に、キャップ層４０を形成した。キャップ層４０は、Ｒｕ層（厚さ２０ｎｍ）とした。
【０１１８】
キャップ層４０の形成後に、磁場中熱処理を行い、第二の強磁性層３２としての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２００℃とし、印加磁場の強度を１０ｋＯｅ（７９８ｋＡ／ｍ）とした。磁場中熱処理によって、実施例４に係る磁気抵抗効果素子１ｐの形成が完了した。
【０１１９】
実施例４では、実施例１と同様に、磁気抵抗効果素子に対して、ＭＲ比の評価、面積抵抗の評価、及びエネルギー分散型Ｘ線分析を行った。
【０１２０】
（実施例５）
実施例５として、図１に示す第１の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５においては、トンネルバリア層３３は、実施例１〜実施例４と異なり、第二の界面領域を有しない。実施例５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。
【０１２１】
実施例５では、基板１０にＭｇＯを用いた。このＭｇＯ基板に対しては、アニール処理（温度８００℃）を６０分間行った。基板１０としてのＭｇＯの（００１）面上に、スパッタ法によって、下地層２０としてのバッファ層を形成した。バッファ層は、Ｃｒ層（厚さ４０ｎｍ）を有する。バッファ層の形成後に、アニール処理（温度８００℃）を６０分間行った。
【０１２２】
続いて、スパッタ法によって、スピンバルブ層３０を形成した。実施例５に係るスピンバルブ層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。初めに、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５０ｎｍ）とした。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。
【０１２３】
続いて、第一の強磁性層３１上に、スパッタ法によって、トンネルバリア層３３を形成した。トンネルバリア層３３の形成工程においては、初めに、第一の強磁性層３１上に、第一の界面領域３５の一部の元素を供給するためのＩｎ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。このＩｎ２Ｏ３層の形成後に、アニール処理（温度４５０℃）を１５分間行った。続いて、このＩｎ２Ｏ３層上に、本体領域３４の一部の元素を供給するためのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ０．９ｎｍ）を形成した。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。
【０１２４】
実施例５では、上記Ｉｎ２Ｏ３層及びＭｇＡｌ２Ｏ４層の形成後のアニール処理によって、これらの層において層間の原子拡散及びスピネル構造への結晶化を促進し、第一の界面領域３５としてのＭｇ（Ａｌα４Ｉｎ１−α４）２Ｏ４層及び本体領域３４としてのＭｇ（Ａｌα５Ｉｎ１−α５）２Ｏ４層が形成された。これらの層において、α４の大きさは、α５の大きさより小さい。このα４及びα５の大小関係は、第一の界面領域３５における元素Ｘ（実施例５ではＩｎ）の含有量が、本体領域３４における元素Ｘの含有量より大きいことを意味する。
【０１２５】
次に、実施例４と同様に、トンネルバリア層３３上に磁化固定層を形成し、スピンバルブ層３０上にキャップ層４０を形成した。キャップ層４０の形成後に、実施例４と同様に、磁場中熱処理を行い、第二の強磁性層３２としてのＦｅ層に対して一方向磁気異方性を付与した。
【０１２６】
実施例５では、実施例１と同様に、磁気抵抗効果素子に対して、ＭＲ比の評価、面積抵抗の評価、及びエネルギー分散型Ｘ線分析を行った。
【０１２７】
（比較例１）
図４の（ａ）部は、比較例１に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。比較例１は、実施例１に係る磁気抵抗効果素子と同様の基板１０を備える。また、比較例１に係る磁気抵抗効果素子１ａは、実施例１と同様の方法によって形成され同様の構成を有する下地層２０及びキャップ層４０を備える。比較例１のトンネルバリア層３３ａは、本体領域を有する一方で、第一の界面領域及び第二の界面領域を有しない。
【０１２８】
比較例１では、スパッタ法によって、下地層２０上にスピンバルブ層３０ａを形成した。スピンバルブ層３０ａの形成工程では、初めに、磁化固定層３１ａを形成した。比較例１の磁化固定層３１ａは、実施例１の上記ＳＡＦ構造の磁化固定層と同様の方法によって形成され同様の構成を有する。
【０１２９】
次に、磁化固定層３１ａ上に、スパッタ法によって、トンネルバリア層３３ａを形成した。トンネルバリア層３３ａの形成においては、磁化固定層上に、本体領域としてのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ１．２ｎｍ）を形成した。
【０１３０】
次に、トンネルバリア層３３ａ上に、スパッタ法によって、磁化自由層としての第二の強磁性層３２を形成した。比較例１の第二の強磁性層３２は、実施例１の第二の強磁性層３２と同様の方法によって形成され同様の構成を有する。
【０１３１】
比較例１では、キャップ層４０の形成後、実施例１と同様に、磁場中熱処理を行い、第三の強磁性層としてのＣｏＦｅ層及び第一の強磁性層３１としてのＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる２層積層体に対して一方向磁気異方性を付与した。
【０１３２】
比較例１では、実施例１と同様に、磁気抵抗効果素子１ａに対して、ＭＲ比の評価、面積抵抗の評価、及びエネルギー分散型Ｘ線分析を行った。
【０１３３】
（比較例２）
図４の（ｂ）部は、比較例２に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。比較例２は、実施例１に係る磁気抵抗効果素子と同様の基板１０を備える。また、比較例２に係る磁気抵抗効果素子１ｂは、実施例１と同様の方法によって形成され同様の構成を有する下地層２０及びキャップ層４０を備える。
【０１３４】
比較例２では、スパッタ法によって、下地層２０上にスピンバルブ層３０ｂを形成した。スピンバルブ層３０ｂの形成工程では、初めに、比較例１の磁化固定層３１ａと同様に、磁化固定層３１ｂを形成した。
【０１３５】
次に、磁化固定層３１ｂ上に、スパッタ法によって、トンネルバリア層３３ｂを形成した。トンネルバリア層３３ｂの形成工程においては、初めに、磁化固定層３１ｂ上に、第一の界面領域３５ｂの一部の元素を供給するためのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ０．５０ｎｍ）を形成した。第一の界面領域３５ｂの形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。続いて、第一の界面領域３５ｂ上に、本体領域３４ｂの一部の元素を供給するためのＩｎ２Ｏ３層（厚さ０．１５ｎｍ）を形成した。本体領域３４ｂの形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。続いて、本体領域３４ｂ上に、第二の界面領域３６ｂとしてのＭｇＡｌ２Ｏ４層（厚さ０．５０ｎｍを形成した。第二の界面領域３６ｂの形成後に、アニール処理（温度３００℃）を１５分間行った。
【０１３６】
比較例２では、上記ＭｇＡｌ２Ｏ４層、Ｉｎ２Ｏ３層及びＭｇＡｌ２Ｏ４層の形成後のアニール処理によって、これらの層において層間の原子拡散及びスピネル構造への結晶化を促進し、第一の界面領域３５ｂとしてのＭｇ（Ａｌα６Ｉｎ１−α６）２Ｏ４層、本体領域３４ｂとしてのＭｇ（Ａｌα７Ｉｎ１−α７）２Ｏ４層、及び第二の界面領域３６ｂとしてのＭｇ（Ａｌα８Ｉｎ１−α８）２Ｏ４層を形成した。これらの層において、α６及びα８の大きさは、α７の大きさより大きい。このα６、α７及びα８の大小関係は、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６における元素Ｘ（比較例２ではＩｎ）の含有量が、本体領域３４における元素Ｘの含有量より小さいことを意味する。
【０１３７】
トンネルバリア層３３ｂ上に、スパッタ法によって、磁化自由層としての第二の強磁性層３２を形成した。比較例２の第二の強磁性層３２は、実施例１の第二の強磁性層３２と同様の方法によって形成され同様の構成を有する。
【０１３８】
比較例２では、キャップ層４０の形成後、実施例１と同様に、磁場中熱処理を行い、第三の強磁性層としてのＣｏＦｅ層及び第一の強磁性層３１としてのＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層からなる２層積層体に対して一方向磁気異方性を付与した。
【０１３９】
比較例２では、実施例１と同様に、磁気抵抗効果素子１ｂに対して、ＭＲ比の評価、面積抵抗の評価、及びエネルギー分散型Ｘ線分析を行った。
【０１４０】
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材料、ＭＲ比の評価結果、及び面積抵抗の評価結果を示す表である。表２は、実施例４及び実施例５に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の材料、ＭＲ比の評価結果、及び面積抵抗の評価結果を示す表である。表３は、比較例１及び比較例２に係る磁気抵抗効果素子に含まれる各層の材料、ＭＲ比の評価結果、及び面積抵抗の評価結果を示す表である。
【０１４１】
表１〜表３において、ＭＲ比の評価結果は、比較例１に係るＭＲ比の大きさを「１」としたときの相対値によって示されている。同様に、面積抵抗の評価結果は、比較例１に係るＲＡの大きさを「１」としたときの相対値によって示されている。
【０１４２】
【表１】
2020107835.tif 000003
【０１４３】
【表２】
2020107835.tif 000004
【０１４４】
【表３】
2020107835.tif 000005
【０１４５】
表１〜表３に示されるように、実施例１〜実施例５のＭＲ比は、比較例１及び比較例２に比べて大きくなっている。また、実施例１、実施例２、実施例４及び実施例５のＲＡは、比較例１に比べて小さくなっている。
【０１４６】
図５の（ａ）部は、実施例１に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。図５の（ｂ）部は、実施例２に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。
【０１４７】
図６の（ａ）部は、実施例３に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。図６の（ｂ）部は、実施例５に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。実施例４に係るエネルギー分散型Ｘ線分析は、実施例１に係るエネルギー分散型Ｘ線分析と同様の分析結果となったので、実施例４に係る分析結果は、図示を省略している。
【０１４８】
図７の（ａ）部は、比較例１に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。図７の（ｂ）部は、比較例２に係るエネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果を示す図である。
【０１４９】
図５の（ａ）部から図７の（ｂ）部までの各図は、スピンバルブ層３０ｐに含まれる各層に含まれる各元素の含有量を示している。図中、横軸は、スピンバルブ層３０ｐ内の所定の原点からの距離を示し、単位はｎｍである。横軸では、さらに、スピンバルブ層３０ｐ内の各層の範囲と示すために、例えば、第一の界面領域３５の「３５」といった符号が付されている。縦軸は、エネルギー分散型Ｘ線分析の分析結果から求めた各元素の含有量を示し、単位は％である。図５の（ａ）部から図７の（ｂ）部までの各図では、トンネルバリア層３３ｐを主に構成する元素のみが図示されており、第一の強磁性層３１及び第二の強磁性層３２に主に含まれる元素、具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＢといった元素の分析結果は図示されていない。
【０１５０】
実施例１〜実施例３に係る磁気抵抗効果素子において、各々のトンネルバリア層３３は、第一の界面領域３５、本体領域３４、及び第二の界面領域３６を有している。
【０１５１】
図５の（ａ）部に示されるように、実施例１に係る磁気抵抗効果素子において、Ａｌの原子（％）は、本体領域３４内にピークを有する一方で、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６に近づくに従って減少した。これと対照的に、Ｉｎの原子（％）は、第一の界面領域３５内と第二の界面領域３６内とにピークを有する一方で、本体領域３４に近づくに従って減少した。なお、実施例４に係る磁気抵抗効果素子において、図５の（ａ）部と同様の結果が得られた。
【０１５２】
図５の（ｂ）部及び図６の（ａ）部に示されるように、実施例２及び実施例３に係る磁気抵抗効果素子において、Ａｌの原子（％）は、共に、本体領域３４内にピークを有する一方で、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６に近づくに従って減少した。これと対照的に、実施例２では、Ｇａの原子（％）が、第一の界面領域３５内と第二の界面領域３６内とにピークを有する一方で、本体領域３４に近づくに従って減少した。実施例３では、Ｍｇの原子（％）が、第一の界面領域３５内と第二の界面領域３６内とにピークを有する一方で、本体領域３４に近づくに従って減少した。
【０１５３】
実施例５に係る磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層３３は、第一の界面領域３５と本体領域３４とを有し、第二の界面領域３６を有しない。
【０１５４】
図６の（ｂ）部に示されるように、実施例５に係る磁気抵抗効果素子において、Ａｌの原子（％）は、本体領域３４内にピークを有する一方で、第一の界面領域３５及び第二の界面領域３６に近づくに従って減少している。Ｉｎの原子（％）は、第一の界面領域３５内のみにピークを有し、ピークは、本体領域３４に近づくに従って減少した。
【０１５５】
比較例１に係る磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層３３ａは、第一の界面領域及び第二の界面領域に該当する領域を有しない。比較例２に係る磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層３３ｂは、第一の界面領域３５ｂ及び第二の界面領域３６ｂに、ＭｇＡｌ２Ｏ４層を含み、本体領域３４ｂに、Ｉｎ２Ｏ３層を含む。
【０１５６】
図７の（ａ）部に示されるように、比較例１に係る磁気抵抗効果素子１ａにおいて、Ａｌの原子（％）は、トンネルバリア層３３ａ内にピークを有した。Ｉｎなどの原子に基づく原子（％）のピークは見られなかった。
【０１５７】
図７の（ｂ）部に示されるように、比較例２に係る磁気抵抗効果素子１ｂにおいて、Ａｌの原子（％）は、トンネルバリア層３３ａ内にピークを有した。また、Ａｌの原子（％）のピークは、本体領域３４ｂ内で窪みを示した。本体領域３４ｂ内では、Ｉｎの原子（％）のピークが見られた。
【０１５８】
以上、実施形態及び実施例によって本発明を説明してきたが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本実施形態によれば、スピネル構造を有するトンネルバリア層を含む磁気抵抗効果素子であって、磁気抵抗効果が大きな磁気抵抗効果素子が提供される。
【符号の説明】
【０１６０】
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、３４…本体領域、３５…第一の界面領域、３６…第二の界面領域。
【図１】
2020107835.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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