(57)【要約】【課題】高いＭＲ比を実現できる磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】この磁気抵抗効果素子は、下地層と、第一の強磁性金属層と、トンネルバリア層と、第二の強磁性金属層と、がこの順に積層された積層体を有し、前記下地層は、窒化物で構成され、前記トンネルバリア層は、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ及びγ−Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択されるいずれかにより構成され、前記トンネルバリア層の格子定数と前記下地層がとりうる結晶構造の格子定数との格子整合度が５％以内である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、
第一の強磁性金属層と、
トンネルバリア層と、
第二の強磁性金属層と、がこの順に積層された積層体を有し、
前記下地層は、窒化物で構成され、
前記トンネルバリア層は、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ及びγ−Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択されるいずれかにより構成され、
前記トンネルバリア層の格子定数と前記下地層がとりうる結晶構造の格子定数との格子整合度が５％以内である、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記下地層がとりうる結晶構造が、正方晶構造である請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記トンネルバリア層がＭｇＡｌ２Ｏ４またはＺｎＡｌ２Ｏ４であり、
前記下地層がＴｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物である請求項１又は２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記トンネルバリア層がＭｇＯであり、
前記下地層がＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ及びＭｏからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物である請求項１又は２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記トンネルバリア層がγ−Ａｌ２Ｏ３であり、
前記下地層がＶ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物である請求項１又は２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記下地層の電気抵抗率が２００μΩ・ｃｍ以下である請求項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】
前記第一の強磁性金属層及び前記第二の強磁性金属層が、ＦｅとＣｏの少なくも一方を主成分とする強磁性体により構成されている請求項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】
前記第一の強磁性金属層の厚みが３ｎｍ以下である請求項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】
前記下地層の厚みが１．０ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下である請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第二の強磁性金属層のトンネルバリア層側とは反対側の表面に、キャップ層がさらに積層されている請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記キャップ層は、原子番号がイットリウム以上の非磁性金属により構成されている請求項１０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ものである。
【背景技術】
【０００２】
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高いものの、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。そのため、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）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。
【０００３】
ＴＭＲ素子は、電子のトンネル伝導のメカニズムの違いによって２種類に分類することができる。一つは、強磁性層間の波動関数の滲み出し効果（トンネル効果）のみを利用したＴＭＲ素子である。もう一つは、トンネル効果を生じた際にトンネルする非磁性絶縁層の特定の軌道の伝導を利用したコヒーレントトンネル（特定の波動関数の対称性を有する電子のみがトンネルする）が支配的なＴＭＲ素子である。コヒーレントトンネルが支配的なＴＭＲ素子は、トンネル効果のみを利用したＴＭＲ素子と比較して、大きいＭＲ比が得られることが知られている。
【０００４】
磁気抵抗効果素子において、コヒーレントトンネル効果を得るためには、二つの強磁性金属層とトンネルバリア層が互いに結晶質であり、二つの強磁性金属層とトンネルバリア層の界面が結晶学的に連続になっている必要がある。
【０００５】
コヒーレントトンネル効果を得ることができるトンネルバリア層としては、ＭｇＯが広く知られている。またＭｇＯに代わる材料の検討も進められている。例えば、特許文献１には、ＭｇＯに代わる材料としてスピネル構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４が報告されている。また特許文献２には、不規則化したスピネル構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４をトンネルバリア層に用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５５８６０２８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７５６１５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】国立研究開発法人物質・材料研究機構、”AtomWork”、［平成２８年８月２３日検索］、インターネット <URL:http://crystdb.nims.go.jp/>.
【非特許文献２】Yibin Xu, Masayoshi Yamazaki, and Pierre Villars. Inorganic Materials Database for Exploring the Nature of Material. Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 11RH02.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これらのトンネルバリア層と強磁性層の格子整合性が良いからと言って、量産にそのまま適用できるわけではない。例えば、磁気ヘッドでは磁気抵抗効果素子の下部に磁気シールドを設置する必要がある。また、ＭＲＡＭでは磁気抵抗効果素子の下部に半導体回路を設置する必要がある。すなわち、量産化にあたり材料選定に制限がかかる場合がある。このような制限を避けるために、結晶化しやすく磁気抵抗効果素子の構成元素の結晶構造に適したシード層材料を使用する方法もあるが、シード層の結晶性を確保するために膜厚を厚くする必要があるなど、量産上の課題がある。このような課題が存在する中で、トンネルバリア層を構成する材料をＭｇＯからその他の材料に変更すると、十分なＭＲ比が得られない場合があった。
【０００９】
例えば、特許文献１及び２では、トンネルバリア層と強磁性層との格子ミスマッチを低減し、ＭＲ比を高めている。しかしながら、トンネルバリア層と強磁性層との格子整合を行っても、十分なＭＲ比が得られない場合があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高いバイアス電圧下において従来のトンネルバリアを用いたＴＭＲ素子よりも高いＭＲ比を生じる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】
【００１１】
本発明者らは、鋭意検討の結果、トンネルバリア層を構成する材料の結晶の格子定数と下地層を構成する窒化物がとりうる結晶の格子定数との差が小さいほど、ＭＲ比が大きくなっていることを見出した。
【００１２】
これは従来の常識を覆す結果である。一般に、反応性スパッタ法によって成膜される窒化物膜はアモルファスであると言われている。そうすると、反応性スパッタ法によって成膜された下地層はアモルファスであるということになる。実際に下地層は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像や電子線回折像でも結晶性は確認されない。
【００１３】
下地層が完全なアモルファスであるならば、その上の層との結晶学的相関はないはずである。これに対し、検討の結果得られるＭＲ比は、下地層との相関関係がある。この理由を推測するに、下地層は、完全に結晶化しているということではないが、完全にアモルファスでもないのではないかと考えられる。すなわち下地層は、ＴＥＭや電子顕微鏡で像を得られるほど原子が規則的に配列していないが、局所的に結晶的な部分を有していたり、結晶構造の名残を残す緩やかな規則性を有しているという描像が現実に近いのではないかと考えられる。反応性スパッタ法によって成膜される下地層はアモルファスであるとしていた現状に対して、下地層とトンネルバリア層の関係を調整するということは、磁気抵抗効果素子のＭＲ比向上の新しい方向性を開くものである。
【００１４】
（１）本発明の一態様にかかる磁気抵抗効果素子は、下地層と、第一の強磁性金属層と、トンネルバリア層と、第二の強磁性金属層と、がこの順に積層された積層体を有し、前記下地層は、窒化物で構成され、前記トンネルバリア層は、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ及びγ−Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択されるいずれかにより構成され、前記トンネルバリア層の格子定数と前記下地層がとりうる結晶構造の格子定数との格子整合度が５％以内である。
【００１５】
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記下地層がとりうる結晶構造が、正方晶構造である。
【００１６】
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＡｌ２Ｏ４またはＺｎＡｌ２Ｏ４であり、前記下地層がＴｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であってもよい。
【００１７】
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がＭｇＯであり、前記下地層がＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ及びＭｏからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であってもよい。
【００１８】
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層がγ−Ａｌ２Ｏ３であり、前記下地層がＶ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であってもよい。
【００１９】
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記下地層の電気抵抗率が２００μΩ・ｃｍ以下であってもよい。
【００２０】
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性金属層及び前記第二の強磁性金属層が、ＦｅとＣｏの少なくも一方を主成分とする強磁性体により構成されていてもよい。
【００２１】
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性金属層の厚みが３ｎｍ以下であってもよい。
【００２２】
（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記下地層の厚みが、１．０ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下であってもよい。
【００２３】
（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第二の強磁性金属層のトンネルバリア層側とは反対側の表面に、キャップ層がさらに積層されていてもよい。
【００２４】
（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記キャップ層は、原子番号がイットリウム以上の非磁性金属により構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、高いＭＲ比を生じる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】
【００２６】
【図１】本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
【図２】スピネルの結晶構造の図である。
【図３】規則性スピネル及びスケネル構造の構成単位を示す図である。
【図４】トンネルバリア層と強磁性金属層が格子整合している部分の一例である。
【図５】トンネルバリア層３の積層方向に平行な方向を含む断面の構造模式図である。
【図６】本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を備える磁気抵抗効果デバイスの側面模式図である。
【図７】磁気抵抗効果デバイスを積層方向から平面視した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２８】
「磁気抵抗効果素子」
図１は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、基板１１上に設けられている。図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、基板１１側から下地層４、第一の強磁性金属層１、トンネルバリア層３、第二の強磁性金属層２、キャップ層５の順に積層されている。キャップ層５は必須の層ではなく、除いてもよい。
【００２９】
まず、磁気抵抗効果素子１０を構成する各層の構成について具体的に説明する。
【００３０】
（第一の強磁性金属層、第二の強磁性金属層）
第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料が適用される。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの群から選択される金属を１種以上含む合金、又は、これらのから選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが例示できる。
【００３１】
また第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の材料として、Ｃｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることができる。ホイスラー合金はスピン分極率が高く、高いＭＲ比を実現できる。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素である。Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒまたＴｉ族の遷移金属であり、Ｘの元素種をとることもできる。Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００３２】
第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、強磁性材料を３ｎｍ以下とすることが好ましい。トンネルバリア層３との界面で、第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の膜厚は薄い方が好ましい。
【００３３】
また、第一の強磁性金属層１よりも保磁力を大きくするために、第二の強磁性金属層２と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いても良い。さらに、第二の強磁性金属層２の漏れ磁場を第一の強磁性金属層１に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としても良い。
【００３４】
第二の強磁性金属層２の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。第二の強磁性金属層２は例えば、［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることで、磁化の向きを垂直にすることができる。
【００３５】
一般的に、第一の強磁性金属層１は磁化の向きが第一の強磁性金属層１よりも容易に外部磁場やスピントルクによって可変することができるため、自由層と呼ばれる。また、第二の強磁性金属層２は、磁化の向きが固定される構造となっており、第一の強磁性金属層１は固定層と呼ばれる。
【００３６】
（トンネルバリア層）
トンネルバリア層３は非磁性絶縁材料からなる。トンネルバリア層３の膜厚は、一般的に３ｎｍ以下の厚さである。金属材料によってトンネルバリア層３を挟み込むと金属材料の原子が持つ電子の波動関数がトンネルバリア層３を超えて広がるため、回路上に絶縁体が存在するにも関わらず電流が流れる。磁気抵抗効果素子１０は、トンネルバリア層３を強磁性金属材料（第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２）で挟み込む構造であり、挟み込んだ強磁性金属のそれぞれの磁化の向きの相対角によって抵抗値が決定される。
【００３７】
磁気抵抗効果素子１０には、通常のトンネル効果を利用したものとトンネル時の軌道が限定されるコヒーレントトンネル効果が支配的なものがある。通常のトンネル効果では強磁性材料のスピン分極率によって磁気抵抗効果が得られるが、コヒーレントトンネルではトンネル時の軌道が限定される。そのため、コヒーレントトンネルが支配的な磁気抵抗効果素子では、強磁性金属材料のスピン分極率以上の効果が期待できる。コヒーレントトンネル効果を発現するためには、強磁性金属材料及びトンネルバリア層３が結晶化し、特定の方位で接合することが好ましい。
【００３８】
トンネルバリア層３は、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ及びγ−Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択されるいずれかにより構成されている。なお、ここで示す組成式は理論式として示しており、実際にはこの組成式から比率がずれる範囲も含まれる。例えば、酸素欠損が生じＭｇＡｌ２Ｏ４−α（αは実数）となる場合や、ＭｇとＡｌの比率が変化しＭｇ１−βＡｌ２＋βＯ４（βは実数）となる場合等を含む。
【００３９】
トンネルバリア層３は、スピネル構造又は岩塩型構造を有する。ＭｇＯは岩塩型構造をとり、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４及びγ−Ａｌ２Ｏ３はスピネル構造をとる。岩塩型構造はいわゆるＮａＣｌ型構造であり、Ｍｇイオンと酸素イオンが交互に配列する。一方で、ここで言うスピネル構造とは、規則性スピネル構造とスケネル構造のいずれも含む概念である。
【００４０】
図２は、スピネル型結晶構造を模式的に示した図である。スピネル構造は、陽イオンと酸素イオンにより構成された結晶構造である。スピネル構造において陽イオンが配置される部分は、酸素が４配位するＡサイトと、酸素が６配位するＢサイトがある。図２において、符号Ｏは酸素イオン、符号ＡはＡサイト、符号ＢはＢサイト、符号ａｓｐｉｎｅｌはスピネル構造の格子定数を意味する。
【００４１】
スケネル構造は、スピネル構造の陽イオンが不規則化した構造である。スケネル構造は、酸素イオンの配列はスピネルとほぼ同等の最密立方格子を取っているものの、陽イオンの原子配列が乱れている。規則性スピネル構造では、酸素イオンの四面体空隙及び八面体空隙に陽イオンは規則正しく配列する。これに対し、スケネル構造では陽イオンがランダムに配置され、本来では占有されない酸素原子の四面体位置及び八面体位置に陽イオンが位置する。その結果、スケネル構造は結晶の対称性が変わり、規則性スピネル構造に対して実質的に格子定数が半減した構造となっている。
【００４２】
図３は、規則性スピネル及びスケネル構造の構成単位を示す図である。規則性スピネル及びスケネル構造は、図３（ａ）〜（ｅ）に示す５つの構成単位を取ることが可能である。図３（ａ）〜（ｃ）はＦｍ−３ｍの空間群の対称性を有し、図３（ｄ）及び（ｅ）はＦ−４３ｍの空間群の対称性を有する。スケネル構造は、これらの構造のいずれかにより構成されてもよいし、これらが混ざり合って構成されていてもよい。図３（ａ）〜（ｅ）において、符号Ｏは酸素イオン、符号Ｃは陽イオンが入るサイト、符号ａｓｐｉｎｅｌ／２はスピネル構造の格子定数の半分を意味し、スケネル構造の格子定数を意味する。陽イオンが入るサイトは、図２におけるＡサイト又はＢサイトのいずれかに対応する。
【００４３】
例えば、トンネルバリア層３がＭｇＡｌ２Ｏ４またはＺｎＡｌ２Ｏ４からなる場合、Ａサイトが非磁性の二価の陽イオンであるＭｇまたはＺｎであり、ＢサイトがＡｌとなる。トンネルバリア層３がγ―Ａｌ２Ｏ３の場合、ＣサイトにＡｌが入り、一部が欠損する。
【００４４】
トンネルバリア層３の格子構造の繰返しの単位が変わると、強磁性金属層を構成する材料との電子構造（バンド構造）との組み合わせが変化し、コヒーレントトンネル効果による大きなＴＭＲエンハンスが現れる。例えば、非磁性のスピネル材料であるＭｇＡｌ２Ｏ４の空間群はＦｄ−３ｍであるが、格子定数が半減した不規則化したスピネル構造の空間群はＦｍ−３ｍもしくはＦ−４３ｍに変化する。
【００４５】
岩塩型構造、規則性スピネル構造及びスケネル構造は、全体としては立方晶に分類される。そのため、原則的にはトンネルバリア層３も立方晶の結晶構造となる。一方で、トンネルバリア層３は、単体のバルクとして存在する訳ではなく、薄膜として形成されている。またトンネルバリア層３は、単層で存在する訳ではなく、複数の層が積層された積層体の一部である。そのため、トンネルバリア層３は、立方晶が部分的に歪んだ結晶構造も取りうる。一般的に、トンネルバリア層３の立方晶からのずれはわずかであり、構造を評価する測定方法の精度に依存する。
【００４６】
（下地層）
下地層４は、窒化物で構成される。例えば下地層４を構成する材料として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｇａ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｅからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物等が挙げられる。
【００４７】
下地層４は、完全な結晶状態とアモルファスの間のような状態を有していると考えられる。下地層４は、一般に反応性スパッタ法により成膜される。反応性スパッタ法は結晶成長を行うものではないため、一般に下地層はアモルファスであると考えられていた。その一つの証明として、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像や電子線回折像でも結晶性は確認されてなかった。
【００４８】
一方で検討の結果、下地層４とトンネルバリア層３を適切に選択すると磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が高まることが見出された。下地層４が完全なアモルファスであるならば、その上の層との結晶学的相関はないはずであり、下地層４が何らかの結晶性を有していると考えないと、説明がつかない現象が確認された。
【００４９】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像や電子線回折像は、電子線を対象に照射して、透過する電子線の強弱や干渉像を用いて、原子の空間分布を把握している。そのため、ある程度の原子が存在しないと、十分な結晶構造を確認することができない。つまり、下地層４は、ＴＥＭや電子顕微鏡で像を得られるほど原子が規則的に配列していないが、局所的に結晶的な部分を有していたり、結晶構造の名残を残す緩やかな規則性を有しているという描像を有していると考えられる。
【００５０】
下地層４は、導電性が高いものが好ましい。具体的には、下地層４の電気抵抗率は２００μΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００５１】
スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して磁化反転を行う場合、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流を流す。そのため、基板１１と下地層４の間に金属層を形成し、金属層を介して電流を流す場合がある。下地層４の導電性が高い材料からなれば、下地層４が電流の流れを阻害することが避けられる。
【００５２】
なお、下地層４の厚みが十分薄くトンネル電流を流すことができる場合や、金属配線を第一の強磁性金属層１の側面に接続する場合は、下地層４が絶縁層でもよい。
【００５３】
また下地層４の膜厚は１．０ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下であることが好ましい。
下地層の膜厚がこの範囲にあることによって、トンネルバリア層の結晶サイズの均一性および配向性を確実に向上させることが可能となる。また、一般的に窒化物は金属に比べて電気抵抗率が高いため、下地層として窒化物を用いる場合には窒化物の膜厚が薄い方が好ましい。窒化物の膜厚を薄くすることで磁気抵抗効果素子を含む回路の抵抗が下がり、実効的な磁気抵抗比を増大させることができる。
【００５４】
（キャップ層）
また第二の強磁性金属層２のトンネルバリア層３と反対側の面には、キャップ層５が形成されていることが好ましい。キャップ層５は、第二の強磁性金属層２から元素の拡散を抑制することができる。またキャップ層５は、磁気抵抗効果素子１０の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層５を設けることで、磁気抵抗効果素子１０の第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の磁性の安定化し、磁気抵抗効果素子１０を低抵抗化することができる。
【００５５】
キャップ層５には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。またキャップ層５は、原子番号がイットリウム以上の非磁性金属により構成されていることが好ましい。当該非磁性金属によりキャップ層５が構成されていると、第二の強磁性金属層２にスピンが蓄積されやすくなり、高いＭＲ比を実現可能となる。
【００５６】
キャップ層５の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて、ｆｃｃ構造、ｈｃｐ構造またはｂｃｃ構造から適宜設定することが好ましい。キャップ層５の厚みは、歪み緩和効果が得られ、さらにシャントによるＭＲ比の低下が見られない範囲であればよく、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【００５７】
キャップ層５の上にスピン軌道トルク配線を形成してもよい。
ここで、スピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に対して交差する方向に延在し、該スピン軌道トルク配線に磁気抵抗効果素子１０の積層方向に対して直交する方向に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、磁気抵抗効果素子１０に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。
【００５８】
スピン軌道トルク配線は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなるものである。ここで、スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
【００５９】
（基板）
磁気抵抗効果素子１０は基板１１上に形成される。基板１１は、平坦性に優れた材料を用いることが好ましい。基板１１は目的とする製品によって異なる。例えば、ＭＲＡＭの場合、磁気抵抗効果素子の下にはＳｉ基板で形成された回路を用いることができる。あるいは、磁気ヘッドの場合、加工しやすいＡｌＴｉＣ基板を用いることができる。
【００６０】
次いで、磁気抵抗効果素子１０を構成する各層の関係性について具体的に説明する。
【００６１】
（トンネルバリア層と下地層との関係）
下地層４は、トンネルバリア層３の格子定数に対して下地層４がとりうる結晶構造の格子定数の格子整合度が５％以内となるように選択され、３％以内となるように選択されることが好ましい。
【００６２】
トンネルバリア層３に対して下地層４を選択すると、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が向上する。上述のように、反応性スパッタ法によって成膜される下地層４はアモルファスと考えられていた。そのため、トンネルバリア層３の結晶構造と下地層４がとりうる結晶構造との整合性が、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比向上に影響を及ぼすことは、新たな発見である。
【００６３】
ここで、「下地層４がとりうる結晶構造」とは、下地層４を構成する材料をバルクにした際にとりうる結晶構造であり、下地層４が有していると考えられる結晶構造を意味する。上述のように、下地層４は完全な結晶状態とアモルファスの中間のような状態を有していると考えられる。そのため、下地層４の結晶構造がどのような構造であるということは明確に定義できない。一方で、現実の下地層４の結晶構造が、下地層４を構成する材料をバルクにした際にとりうる結晶構造と著しく異なっているとは考えられない。下地層４がとりうる結晶構造としては、正方晶構造がある。
【００６４】
また格子整合度は、以下のように定義される。
【００６５】
【数１】
2018056388.tif 000003
【００６６】
上記式（１）において、Ａはトンネルバリア層３の格子定数であり、Ｂは下地層４がとりうる結晶構造の格子定数である。ｎは、正整数又は１／正整数である。トンネルバリア層３がスピネル構造の場合、Ａは図２のａｓｐｉｎｅｌに対応し、トンネルバリア層３がスケネル構造の場合、Ａは図３のａｓｐｉｎｅｌ／２に対応する。
【００６７】
トンネルバリア層３がＭｇＡｌ２Ｏ４またはＺｎＡｌ２Ｏ４の場合、下地層４はＴｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましく、Ｖ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることがより好ましい。また下地層４が導電性を有するという観点からは、下地層４は、Ｖ又はＡｌのいずれかを含む窒化物であることがさらに好ましい。
【００６８】
トンネルバリア層３がＭｇＯの場合、下地層４はＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ及びＭｏからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ及びＭｏからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることがより好ましい。また下地層４が導電性を有するという観点からは、下地層４は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ及びＴａからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることがさらに好ましい。
【００６９】
トンネルバリア層３がγ−Ａｌ２Ｏ３の場合、下地層４はＶ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましく、下地層４はＧａまたはＡｌのいずれかを含む窒化物であることが好ましい。また下地層４が導電性を有するという観点からは、下地層４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であることがさらに好ましい。
【００７０】
（トンネルバリア層と第一の強磁性金属層及び第二の強磁性金属層との関係）
トンネルバリア層３は、第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２とも格子整合していることが好ましい。第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２は、トンネルバリア層３と隣接しており、トンネルバリア層３の結晶構造に与える影響が大きい。
【００７１】
トンネルバリア層３は、第一の強磁性金属層１と第二の強磁性金属層２の両方と格子整合している格子整合部分が部分的に存在することが好ましい。一般的には、トンネルバリア層３は、第一の強磁性金属層１と第二の強磁性金属層２の両方と全てが格子整合している方が良い。しかしながら、全てが格子整合しているとトンネルバリア層３を通過する際のスピン偏極した電子がお互いに干渉し、トンネルバリア層３を電子が通過しにくくなる。
【００７２】
格子整合している格子整合部分が部分的に存在すると、格子整合していない部分でトンネルバリア層３を通過する際のスピン偏極した電子の干渉が適度に切断され、スピン偏極した電子がトンネルバリア層３を通過しやすくなる。トンネルバリア層３全体の体積に対する、トンネルバリア層３における格子整合部分の体積比は７０〜９５％であることが好ましい。トンネルバリア層３における格子整合部分の体積比が７０％以下である場合には、コヒーレントトンネルの効果が減少するためにＭＲ比が減少してしまう。また、トンネルバリア層３における格子整合部分の体積比が９５％を超える場合には、トンネルバリア層３を通過する際のスピン偏極した電子がお互いに干渉する効果を弱められず、スピン偏極した電子がトンネルバリア層３を通過する効果の増大が観測されない。
【００７３】
トンネルバリア層３全体の体積における格子整合部分（格子整合部）の体積比は、例えば、ＴＥＭ像から見積られる。まず、トンネルバリア層３と第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の一部分をフーリエ変換して電子線回折像を得る。フーリエ変換して得られた電子線回折像において、積層方向以外の電子線回折スポットを除去する。その図を逆フーリエ変換すると積層方向のみの情報を有する像が得られる。この逆フーリエ像における格子線において、トンネルバリア層３が第一の強磁性金属層１および第二の強磁性金属層２の両方に連続的に繋がっている部分を格子整合部とする。また、格子線において、トンネルバリア層３が第一の強磁性金属層１および第二の強磁性金属層２のうちの少なくとも一方に連続的に繋がっていないか、格子線が検出されない部分を格子不整合部とする。
【００７４】
格子整合部は、逆フーリエ像における格子線において、第一の強磁性金属層１からトンネルバリア層３を介して第二の強磁性金属層２まで連続的に繋がっているため、ＴＥＭ像から格子整合部の幅（ＬＣ）を計測できる。一方、同様に、格子不整合部は逆フーリエ像における格子線において、連続的に繋がっていないため、ＴＥＭ像から格子不整合部の幅（ＬＩ）を計測できる。格子整合部の幅（ＬＣ）を分子とし、格子整合部分の幅（ＬＣ）と格子整合されていない部分の幅（ＬＩ）の和を分母とすることで、トンネルバリア層全体の体積に対する格子整合部の体積比が求められる。なお、ＴＥＭ像は断面像であるが、奥行きを含んだ情報を含んでいる。よって、ＴＥＭ像から見積られた領域は体積に比例すると考えることができる。
【００７５】
図４はトンネルバリア層と強磁性金属層が格子整合している部分の一例である。図４（ａ）は高分解能の断面ＴＥＭ像の例であり、図４（ｂ）は電子線回折像において積層方向以外の電子線回折スポットを除去した後に逆フーリエ変換を行って得られ像の例である。図４（ｂ）では積層方向と垂直な成分は除去され、積層方向に格子線が観測できる。トンネルバリア層と強磁性金属層が界面で途切れることなく、連続的に繋がっていることを示している。
【００７６】
図５はトンネルバリア層３の積層方向に平行な方向を含む断面の構造模式図である。図５に示すように、トンネルバリア層３の格子整合している部分の膜面に対して平行方向の大きさ（幅：Ｌｃ）は、いずれの部分でも３０ｎｍ以下であることが好ましい。３０ｎｍはおよそ第一の強磁性金属層１及び第二の強磁性金属層２の材料であるＣｏＦｅ合金の格子定数の約１０倍であり、コヒーレントトンネルの前後においてトンネルする方向と垂直な方向のスピン偏極電子の相互干渉が格子定数の約１０倍程度を目途に増強されると考えることができる。
【００７７】
（素子の形状、寸法）
磁気抵抗効果素子１０を構成する第一の強磁性金属層１、トンネルバリア層３及び第二の強磁性金属層２からなる積層体は柱状の形状である。積層体を平面視した形状は、円形、四角形、三角形、多角形等の種々の形状をとることができるが、対称性の面から円形であることが好ましい。すなわち、積層体は円柱状であることが好ましい。
【００７８】
積層体が円柱状である場合、平面視の直径が８０ｎｍ以下であることが好ましく、６０ｎｍ以下であることがより好ましく、３０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。直径が８０ｎｍ以下であると、強磁性金属層中にドメイン構造ができにくくなり、強磁性金属層におけるスピン分極と異なる成分を考慮する必要が無くなる。さらに、３０ｎｍ以下であると、強磁性金属層中に単一ドメイン構造となり、磁化反転速度や確率が改善する。また小型化された磁気抵抗効果素子において、特に低抵抗化の要望が強い。
【００７９】
（使用時の構成）
図６は、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を備える磁気抵抗効果デバイスの側面模式図である。また図７は、磁気抵抗効果デバイスを積層方向から平面視した模式図である。磁気抵抗効果デバイス２０は、図１に示すキャップ層６の第二の強磁性金属層２と反対側の面には、電極層１２が形成されている。下地層４は導電性を有し、電極層１２と交差して配設されている。下地層４と電極層１２の間には、電源１３と電圧計１４が設けられている。下地層４と電源１３及び電圧計１４はコンタクト電極１５により接続されている。電源１３により下地層４と電極層１２に電圧を印加することにより、第一の強磁性金属層１、トンネルバリア層３及び第二の強磁性金属層２からなる積層体の積層方向に電流が流れる。この際の印加電圧は電圧計１４でモニターされる。
【００８０】
（評価方法）
磁気抵抗効果素子の評価方法について、図６と図７を例に説明する。上述のように、図７に示すように電源１３と電圧計１４を配置し、一定の電流、あるいは、一定の電圧を磁気抵抗効果素子に印可する。電圧、あるいは電流を外部から磁場を掃引しながら測定することによって、磁気抵抗効果素子の抵抗変化が観測される。
【００８１】
ＭＲ比は、一般的に以下の式で表される。
ＭＲ比（％）＝（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰ×１００
ＲＰは第一の強磁性金属層１と第二の強磁性金属層２の磁化の向きが平行の場合の抵抗であり、ＲＡＰは第一の強磁性金属層１と第二の強磁性金属２の磁化の向きが反平行の場合の抵抗である。
【００８２】
（その他）
本実施形態では、磁気抵抗効果素子１０として、第一の強磁性金属層１を磁化自由層とし、第二の強磁性金属層２を磁化固定層としている、いわゆるトップピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子１０の構造は特に限定されるものではない。
【００８３】
磁化固定層は複数の層で構成されるのが通常なので、第一の強磁性金属層１を磁化固定層としてしまうと、下地層４とトンネルバリア層３との間に多くの層を挟むことにより、下地層４がトンネルバリア層３に与える影響が小さくなってしまう。これに対して、トップピン構造の場合には、第一の強磁性金属層１の保磁力は小さくなるが、下地層４とトンネルバリア層３との間に単層である磁化自由層を挟むだけであり、下地層４がトンネルバリア層３に与える影響が大きくなる。そのため、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比をより増大することが可能である。磁気抵抗効果素子１０の構造は、第一の強磁性金属層１が磁化固定層とされ、第二の強磁性金属層２が磁化自由層とされている、いわゆるボトムピン構造であってもよい。
【００８４】
磁気センサとして磁気抵抗効果素子を活用するためには、外部磁場に対して抵抗変化が線形に変化することが好ましい。一般的な強磁性層の積層膜では磁化の方向が形状異方性によって積層面内に向きやすい。この場合、例えば外部から磁場を印可して、第一の強磁性金属層１と第二の強磁性金属層２の磁化の向きを直交させることによって外部磁場に対して抵抗変化を線形に変化させる。但し、この場合、磁気抵抗効果素子の近くに磁場を印可させる機構が必要となるため、集積を行う上で望ましくない。強磁性金属層自体が垂直な磁気異方性を持っている場合、外部から磁場を印可するなどの方法が必要なく、集積を行う上で有利である。
【００８５】
本実施形態を用いた磁気抵抗効果素子は磁気センサやＭＲＡＭなどのメモリとして使用することが可能である。特に、従来の磁気センサで利用されているバイアス電圧よりも高いバイアス電圧で使用する製品において、本実施形態は効果的である。
【００８６】
（製造方法）
磁気抵抗効果素子１０を構成する下地層４、第一の強磁性金属層１、トンネルバリア層３、第二の強磁性金属層２およびキャップ層５は、例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成される。
【００８７】
下地層４は公知の方法で作製することができる。例えば、スパッタガスとしてＡｒと窒素とを含む混合ガスを用いた反応性スパッタ法により作製することができる。
【００８８】
トンネルバリア層３は公知の方法で作製することができる。例えば、第一の強磁性金属層１上に金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法など通常の薄膜作製法を用いることもできる。
【００８９】
第一の強磁性金属層１、第二の強磁性金属層２、キャップ層５は、それぞれ公知の方法で作製きる。
【００９０】
下地層４、第一の強磁性金属層１、トンネルバリア層３、第二の強磁性金属層２およびキャップ層５は、この順で成膜して積層する。得られた積層膜は、アニール処理することが好ましい。反応性スパッタで形成した層は、アモルファスであり結晶化する必要がある。例えば、強磁性金属層としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる場合は、Ｂの一部がアニール処理により抜けて結晶化する。
【００９１】
アニール処理して製造した磁気抵抗効果素子１０は、アニール処理しないで製造した磁気抵抗効果素子１０と比較して、ＭＲ比が向上する。アニール処理によって、下地層４が部分的に結晶化し、これによりトンネルバリア層３のトンネルバリア層の結晶サイズの均一性および配向性が向上するためであると考えられる。
【００９２】
アニール処理としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度で、５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。
【実施例】
【００９３】
（下地層の格子定数の決定）
下地層の格子定数は非特許文献１のサイトを用いて求めた。なお、非特許文献１のサイトは非特許文献２に基づいて作成されている。本実施例の窒化物を用いた下地層はアモルファス構造であり、結晶構造解析ができない。トンネルバリア層と下地層の結晶格子の関係を検証するために、非特許文献１のサイトよりそれぞれの窒化物において、結晶構造がＮａＣｌ構造であり、空間群がＦｍ−３ｍである結果の格子定数を表１とした。
【００９４】
（トンネルバリア層の格子定数の決定）
トンネルバリア層の構造分析として、結晶構造と格子定数を評価した。
結晶構造は、透過型電子線を用いた電子回折像によって評価した。ＭｇＯ以外のスピネル材料を用いた場合、この手法によってバリア層の構造を調べたところ、規則スピネル構造で現れる｛０２２｝面からの反射がない場合は、このバリア層は立方晶の陽イオンが不規則化したスピネル構造（スケネル構造）であるとした。
【００９５】
トンネルバリア層の格子定数は４軸Ｘ線回折装置を用いて評価を行った。格子定数の評価において、実施例のトンネルバリア層の膜厚では格子定数を決定することが困難である。
【００９６】
そのため予備的測定として、格子定数を求めるために熱酸化膜付きＳｉ基板上にトンネルバリア層（厚み１００ｎｍ）を形成した基板を用いた。熱酸化膜付きＳｉ基板は表面がアモルファスのＳｉＯｘであり、トンネルバリア層を形成する際の影響を受けにくい。また、トンネルバリア層（厚み１００ｎｍ）は基板による格子歪みの影響が十分緩和される膜厚であり、十分な構造解析のためのＸ線強度を得ることができる膜厚である。
【００９７】
さらに、実施例では下地層／第一の強磁性金属層／トンネルバリア層の順に形成する。この場合、下地層の結晶格子の影響は第一の強磁性金属層を介してトンネルバリア層に影響を及ぼす。したがって、第一の強磁性金属層が下地層からの結晶格子の影響を受けないと、トンネルバリア層に影響を及ぼさない。本実施例では少なくとも第一の強磁性金属層の膜厚を１０ｎｍ以下とし、下地層の結晶格子の影響を第一の強磁性金属層を介してトンネルバリア層に影響させる膜厚とした。具体的には、トンネルバリア層の膜厚を５ｎｍとした。
【００９８】
したがって、実施例で得られる膜厚は予備的測定と完全に一致しないが、下地層からの影響と膜厚が異なる以外の条件は一致させており、予備的測定から求めた格子定数を実施例で得られた格子定数と見なすことができる。トンネルバリア層はＭｇＯの場合は岩塩型構造、その他のＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４及びγ―Ａｌ２Ｏ４の場合はスケネル構造として格子定数を求めた。
【００９９】
【表１】
2018056388.tif 000004
【０１００】
表１に示す格子定数の結果から、下地層とトンネルバリア層の格子整合度を求めた。その結果を表２に示す。
【０１０１】
【表２】
2018056388.tif 000005
【０１０２】
次いで、実際に磁気抵抗効果素子を作製し、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を測定した。実際のＭＲ比の測定は、上記のトンネルバリア層と下地層の組合せのうち一部を行った。
【０１０３】
（実施例１）
トンネルバリア層をＭｇＯとし、下地層をＴｉＮとする磁気抵抗効果素子を作製した。以下、具体的に実施例１の磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
【０１０４】
熱酸化珪素膜が設けられた基板１１上に、マグネトロンスパッタ法を用いて各層を成膜した。先ず、基板の上面に、下地層としてＴｉＮを４０ｎｍ成膜した。その後、ＣＭＰ法を用いて下地層を研磨し、下地層が１０ｎｍ程度となるようにした。下地層は、ターゲットとしてＴｉＮターゲットを使用し、スパッタガスとしてＡｒと窒素とを体積比１対１で含む混合ガスを用いた反応性スパッタ法により形成した。その後、下地層上に第一の強磁性金属層としてＣｏ７４Ｆｅ２６を５ｎｍ、トンネルバリア層としてＭｇＯを８．５ｎｍ成膜した。
【０１０５】
そしてトンネルバリア層上に、第二の強磁性金属層７としてＣｏＦｅ  ７ｎｍ／Ｒｕ  ０．８ｎｍ／ＣｏＦｅ  １０ｎｍ／ＩｒＭｎ  １２ｎｍを順に形成した。さらに、キャップ層５としてＲｕ  ３ｎｍ／Ｔａ  ５ｎｍを形成した。
【０１０６】
上記積層膜をアニール装置に設置し、Ａｒ中で４５０℃の温度で１０分処理した後、８ｋＯｅを印加した状態で２８０℃の温度で６時間処理した。
【０１０７】
次に図６、７に示す構成の素子を作製した。まず、キャップ層５の上に、電極層１２を形成した。次いで、電極層１２の９０度回転した向きになるように電子線描画を用いてフォトレジストの形成を行った。イオンミリング法によってフォトレジスト下以外の部分を削り取り、基板である熱酸化珪素膜を露出させ、下地層４の形状を形成した。さらに、下地層４の形状の括れた部分に、電子線描画を用いて８０ｎｍの円柱状になる様にフォトレジストを形成し、イオンミリング法によってフォトレジスト下以外の部分を削り取り、下地層４を露出させた。その後、ＳｉＯｘを絶縁層としてイオンミリングによって削られた部分に形成した。８０ｎｍの円柱状のフォトレジストはここで除去した。図６、７のコンタクト電極１５の部分だけ、フォトレジストが形成されないようにし、イオンミリング法によって絶縁層を除去し、下地層４を露出させた。その後、Ａｕを形成し、コンタクト電極１５を形成した。
【０１０８】
（トンネルバリア層の構造分析）
トンネルバリア層の構造解析は透過型電子線を用いた電子回折像によって評価した。この手法によってバリア層の構造を調べたところ、空間群Ｐｍ３ｍの対称性に起因した指数付けを行うことができ、このトンネルバリア層はＮａＣｌ構造からなることがわかった。
【０１０９】
（実施例２）
下地層をＭｏＮとした点以外は実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１１０】
（比較例１）
下地層をＣｅＮとした点以外は実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１１１】
（比較例２）
下地層をＣｕとした点以外は実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１１２】
（実施例３）
トンネルバリア層をＭｇＡｌ２Ｏ４とし、下地層をＴｉＮとした点以外は実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。バリア層の構造を調べたところ、規則スピネル構造で現れる｛０２２｝面や｛１１１｝面からの反射がないことが判明し、このトンネルバリア層は立方晶の陽イオンが不規則化したスピネル構造（スケネル構造）からなることがわかった。
【０１１３】
（実施例４）
下地層をＶＮとした点以外は実施例３と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１１４】
（比較例３）
下地層をＴａＮとした点以外は実施例３と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１１５】
（実施例５）
トンネルバリア層をＺｎＡｌ２Ｏ４とし、下地層をＴｉＮとした点以外は実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。バリア層の構造を調べたところ、規則スピネル構造で現れる｛０２２｝面からの反射がないことが判明し、このトンネルバリア層は立方晶の陽イオンが不規則化したスピネル構造（スケネル構造）からなることがわかった。
【０１１６】
（実施例６）
下地層をＶＮとした点以外は実施例５と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１１７】
（比較例４）
下地層をＴａＮとした点以外は実施例５と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１１８】
（実施例７）
トンネルバリア層をγ―Ａｌ２Ｏ３とし、下地層をＶＮとした点以外は実施例１と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。バリア層の構造を調べたところ、規則スピネル構造で現れる｛０２２｝面からの反射がないことが判明し、このトンネルバリア層は立方晶の陽イオンが不規則化したスピネル構造（スケネル構造）からなることがわかった。
【０１１９】
（比較例５）
下地層をＴａＮとした点以外は実施例７と同様に磁気抵抗効果素子を作製した。
【０１２０】
上述の評価方法に準じて、得られた磁気抵抗効果素子の面積抵抗値（ＲＡ）及びＭＲ比を測定した。そして、測定されたＭＲ比と格子整合度の関係を表３に示す。
【０１２１】
なお、ＲＡは、印加されるバイアス電圧を磁気抵抗効果素子の積層方向に流れた電流で割ることで得られる抵抗値を、各層が接合される面の面積で割り、単位面積における抵抗値に規格化したものであり、単位はΩ・μｍ２である。印加するバイアス電圧及び磁気抵抗効果素子の積層方向に流れる電流値を電圧計及び電流計で計測し、求めることができる。
【０１２２】
【表３】
2018056388.tif 000006
【０１２３】
実施例１〜３及び比較例１を比較すると格子整合度が高くなると、ＭＲ比が向上していることが分かる。なお、実施例２のＴａＮは電気抵抗率が１３５μΩ・ｃｍであり、導電性が低いため、ＭＲ比が低下した。また実施例３〜７に示すように、トンネルバリア層を変更しても格子整合度とＭＲ比は同様の関係があることが分かる。すなわち、上記表１において格子整合度が５％以下であれば高いＭＲ比を実現することができ、格子整合度が３％以下であれば非常に高いＭＲ比を実現することができることが分かる。
【符号の説明】
【０１２４】
１…第一の強磁性金属層、２…第二の強磁性金属層、３…トンネルバリア層、４…下地層、５…キャップ層、１０…磁気抵抗効果素子、１１…基板、１２…電極層、１３…電源、１４…電圧計、１５…コンタクト電極、２０…磁気抵抗効果デバイス
【図１】
2018056388.tif 000007
【図２】
2018056388.tif 000008
【図３】
2018056388.tif 000009
【図４】
2018056388.tif 000010
【図５】
2018056388.tif 000011
【図６】
2018056388.tif 000012
【図７】
2018056388.tif 000013