(57)【要約】【課題】均一なトンネルバリア層を有する強磁性トンネル接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】この強磁性トンネル接合体の製造方法は、第１強磁性金属層を積層する工程と、前記第１強磁性金属層の一面側に、非磁性金属酸化物層を積層する工程と、前記非磁性金属酸化物層の前記第１強磁性金属層と反対側に、第２強磁性金属層を積層する工程とを有し、前記非磁性金属酸化物層を積層する工程は、酸素含有雰囲気下で行われ、前記非磁性金属酸化物層を積層する工程中に積層空間内に供給される酸素流量は、希ガス流量より少ない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性金属層を積層する工程と、
前記第１強磁性金属層の一面側に、非磁性金属酸化物層を積層する工程と、
前記非磁性金属酸化物層の前記第１強磁性金属層と反対側に、第２強磁性金属層を積層する工程とを有し、
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程は、酸素含有雰囲気下で行われ、
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程中に積層空間内に供給される酸素流量は、希ガス流量より少ない、強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項２】
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程において、前記非磁性金属酸化物層を成膜時の単位ターゲット面積当たりの印加電力（Ｗ／ｍ２）を横軸とし、前記非磁性金属酸化物層の成膜レート（Å／ｓ）を縦軸とした場合の単位ターゲット面積当たりの単位電力成膜レートの傾きが、２×１０−６｛（Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）｝より大きい、請求項１に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項３】
前記単位ターゲット面積当たりの単位電力成膜レートの傾きが、４×１０−６｛（Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）｝以上である、請求項２に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項４】
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程において、前記酸素流量を前記希ガス流量の１／１０以下とし、前記非磁性金属酸化物層の成膜時に用いるターゲット印加電力を１２５Ｗ以上とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項５】
前記非磁性金属酸化物層の組成がＭｇ１−ｘＡｌｘＯα（０＜ｘ≦１、０．３５≦α＜１．７）である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項６】
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程と、前記第１強磁性金属層を積層する工程との間に、第１強磁性金属層への酸素の拡散を抑制する金属挿入層を積層する工程をさらに有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項７】
前記金属挿入層を積層する工程を希ガス雰囲気下で行う、請求項６に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項８】
前記金属挿入層の組成がＭｇ１−ｙＡｌｙ（０≦ｙ≦１）である、請求項６または７のいずれかに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項９】
前記金属挿入層を積層する工程において、積層する前記金属挿入層の厚みを０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記非磁性金属酸化物層を積層した後に、熱処理を加える請求項１〜９のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
【請求項１１】
第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層の間に挟まれるトンネルバリア層とを有し、
面積抵抗が１０２Ω・μｍ２以上１０５Ω・μｍ２以下の領域において、磁気抵抗（ＭＲ）比が平均値を基準に±２０％以内である、強磁性トンネル接合体。
【請求項１２】
第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層の間に挟まれるトンネルバリア層とを有し、
面積抵抗が１０３Ω・μｍ２以上１０４Ω・μｍ２以下の領域において、磁気抵抗（ＭＲ）比が平均値を基準に±１０％以内である、強磁性トンネル接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性トンネル接合体の製造方法及び強磁性トンネル接合体に関する。
【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】
コヒーレントトンネル効果を引き起こすためには、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が知られている。また、二つの強磁性金属層とトンネルバリア層の格子不整合をより小さくする目的で、トンネルバリア層にＭｇ−Ａｌ−Ｏが用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。非特許文献１に記載のＭｇ−Ａｌ−Ｏ層は、ＭｇＡｌ合金を積層した後に、積層された層を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）酸化や自然酸化を用いて外表面側から酸化して作製される。
【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】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，１０５，０９２４０３（２０１４）．
【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、非特許文献１に記載の手法では、積層されたＭｇＡｌ合金の膜厚と、外表面から酸化される酸化膜厚との整合性を得ることが難しい。また酸素の拡散により酸化を行うため、均一なトンネルバリア層を作製することが難しい。トンネルバリア層の厚みは、面積抵抗（ＲＡ）に影響を与える。そのためＲＡが変化すると、ＭＲ比の値が変動するという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、均一なトンネルバリア層を有する強磁性トンネル接合体及びその製造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】
【００１０】
本発明者らは、所定の酸素雰囲気中で非磁性金属酸化物を成膜することで、成膜レートを確保しながら、均一なトンネルバリア層を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、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。
【００１１】
（１）本発明の一態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法は、第１強磁性金属層を積層する工程と、前記第１強磁性金属層の一面側に、非磁性金属酸化物層を積層する工程と、前記非磁性金属酸化物層の前記第１強磁性金属層と反対側に、第２強磁性金属層を積層する工程とを有し、前記非磁性金属酸化物層を積層する工程は、酸素含有雰囲気下で行われ、前記非磁性金属酸化物層を積層する工程中に積層空間内に供給される酸素流量は、希ガス流量より少ない。
【００１２】
（２）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法の前記非磁性金属酸化物層を積層する工程において、前記非磁性金属酸化物層を成膜時の単位ターゲット面積当たりの印加電力（Ｗ／ｍ２）を横軸とし、前記非磁性金属酸化物層の成膜レート（Å／ｓ）を縦軸とした場合の単位ターゲット面積当たりの単位電力成膜レートの傾きが、２×１０−６{(Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）}より大きくてもよい。
【００１３】
（３）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記単位ターゲット面積当たりの単位電力成膜レートの傾きが、４×１０−６{(Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）}以上でもよい。
【００１４】
（４）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法の前記非磁性金属酸化物層を積層する工程において、前記酸素流量を前記希ガス流量の１／１０以下とし、前記非磁性金属酸化物層の成膜時に用いるターゲット印加電力を１２５Ｗ以上としてもよい。
【００１５】
（５）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記非磁性金属酸化物層の組成がＭｇ１−ｘＡｌｘＯα（０＜ｘ≦１、０．３５≦α＜１．７）であってもよい。
【００１６】
（６）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記非磁性金属酸化物層を積層する工程と、前記第１強磁性金属層を積層する工程との間に、第１強磁性金属層への酸素の拡散を抑制する金属挿入層を積層する工程をさらに有してもよい。
【００１７】
（７）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記金属挿入層を積層する工程を希ガス雰囲気下で行ってもよい。
【００１８】
（８）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記金属挿入層の組成がＭｇ１−ｙＡｌｙ（０≦ｙ≦１）であってもよい。
【００１９】
（９）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法の前記金属挿入層を積層する工程において、積層する前記金属挿入層の厚みを０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下としてもよい。
【００２０】
（１０）上記態様にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記非磁性金属酸化物層を積層した後に、熱処理を加えてもよい。
【００２１】
（１１）本発明の一態様にかかる強磁性トンネル接合体は、第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層の間に挟まれるトンネルバリア層とを有し、面積抵抗が１０２Ω・μｍ２以上１０５Ω・μｍ２以下の領域において、磁気抵抗（ＭＲ）比が平均値を基準に±２０％以内である。
【００２２】
（１２）本発明の一態様にかかる強磁性トンネル接合体は、第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層の間に挟まれるトンネルバリア層とを有し、面積抵抗が１０３Ω・μｍ２以上１０４Ω・μｍ２以下の領域において、磁気抵抗（ＭＲ）比が平均値を基準に±１０％以内である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の製造方法によれば、均一なトンネルバリア層を容易に得ることができる。
【００２４】
本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体は、トンネルバリア層が均一に形成されているため、ＲＡが変動してもＭＲ比を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の断面模式図である。
【図２】本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の別の例の断面模式図である。
【図３】磁気抵抗効果素子を積層方向から平面視した模式図である。
【図４】実施例１及び比較例１の磁気抵抗効果素子のＲＡに対するＭＲ比の変動を示したグラフである。
【図５】実施例１の磁気抵抗効果素子のＭＲ比の印加電圧依存性を示すグラフである。なお正のバイアス電圧は第１強磁性層から第２強磁性層へ電子が流れる方向である。
【図６】比較例１の磁気抵抗効果素子のＭＲ比の印加電圧依存性を示すグラフである。
【図７】実施例２及び実施例３の磁気抵抗効果素子のＲＡに対するＭＲ比の変動を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明について、図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。
【００２７】
本実施形態にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法は、第１強磁性金属層を積層する工程と、非磁性金属酸化物層を積層する工程と、第２強磁性金属層を積層する工程とを有する。これらの工程の前後又は間には、その他の層を形成する工程を有していてもよい。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る強磁性トンネル接合体の断面模式図である。先に積層される強磁性金属層を第１強磁性金属層１とし、後に積層される強磁性金属層を第２強磁性金属層２とする。
【００２９】
第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２は、それぞれ強磁性の金属を有し、いずれか一方はもう一方より大きい保磁力を有する。保磁力が大きい側の強磁性金属層は固定層または参照層と呼ばれ、保磁力が小さい側の強磁性金属層は自由層または記録層と呼ばれる。固定層の磁化は一方向に固定され、自由層の磁化の向きが固定層の磁化の向きに対して相対的に変化する。
【００３０】
以下、図１を基に本実施形態にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法について説明する。第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２は、いずれが固定層又は自由層であってもよい。以下、簡単のため、後に積層する第２強磁性金属層２を固定層として説明する。
【００３１】
（第１強磁性金属層の作製）
まず、基板上に第１強磁性金属層１を積層する。
基板は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＡｌＴｉＣ、ＭｇＯ単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶等を用いることができる。
【００３２】
例えば、強磁性トンネル接合体１０をＭＲＡＭもしくは磁気センサとして用いる場合、Ｓｉ基板で形成された回路が必要であり、Ｓｉ基板を用いることが好ましい。また、磁気ヘッドとして強磁性トンネル接合体１０を用いる場合は、加工しやすいＡｌＴｉＣ基板を用いることが好ましい。また、強磁性トンネル接合体１０を（００１）配向させることを重視する場合は、ＭｇＯ単結晶基板、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶基板、Ｓｉ基板を用いることが好ましい。
【００３３】
第１強磁性金属層１には、コヒーレントトンネルを形成することができる公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、ＦｅやＣｏ−Ｆｅ等が挙げられる。
【００３４】
またより高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。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み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、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。
【００３５】
第１強磁性金属層１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第１強磁性金属層１の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第１強磁性金属層とトンネルバリア層の界面で、第１強磁性金属層１に垂直磁気異方性が付与される。また、垂直磁気異方性は第１強磁性金属層１の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層１の膜厚は薄い方が好ましい。
【００３６】
第１強磁性金属層１の積層方法は、公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタ装置を用いた成膜方法等を用いることができる。またこのほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の薄膜作成法を用いることができる。
【００３７】
基板と第１強磁性金属層１との間には、下地層を形成してもよい。下地層を設けると、基板上に積層される第１強磁性金属層１を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。下地層は、第１強磁性金属層１と同様の方法で積層することができる。
【００３８】
下地層は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層に通電する場合は導電性材料を用いることが好ましい。
例えば１つの例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、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を用いることができる。
【００３９】
別の例として、下地層にはＡＢＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。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。
【００４０】
別の例として、下地層には（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を用いることができる。
【００４１】
別の例として、下地層には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。
【００４２】
また下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより強磁性トンネル接合体１０の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。
【００４３】
（非磁性金属酸化物層の作製）
次いで、積層された第１強磁性金属層１上に非磁性金属酸化物層３を積層する。
【００４４】
非磁性金属酸化物層３は、トンネルバリア層そのものとなる場合と、トンネルバリア層の一部を構成する場合がある。後述する金属挿入層を設けない場合は、非磁性金属酸化物層３は、トンネルバリア層そのものとなる。一方で、後述する金属挿入層を設ける場合は、非磁性金属層と、金属挿入層の酸化された部分と、が合わさってトンネルバリア層となる。
【００４５】
絶縁性のトンネルバリア層を挟んで、第１強磁性金属層１の磁化と第２強磁性金属層２の磁化との相対角が変化することで磁気抵抗効果が生じる。磁気抵抗効果の大きさは、ＭＲ比で表される。
【００４６】
強磁性トンネル接合体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に関与する電子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場合がある。コヒーレントトンネル効果は、強磁性金属材料及びトンネルバリア層が結晶化し、特定の方位で接合すると発現する。
【００４７】
そのためトンネルバリア層は、第１強磁性金属層１との格子不整合度が４％以下であることが好ましい。製造過程で見ると、非磁性金属酸化物層３は、第１強磁性金属層１との格子不整合度が４％以下であることが好ましい。ここで、「格子不整合度」は、結晶界面において二つの結晶の不整合状態の指標である。格子不整合度が大きくなればなるほど、互いの結晶が整合しておらず、結晶界面で互いの結晶格子が歪む。一般に、格子不整合度が４％以下であると、結晶界面を有していても下の層の結晶構造に合わせたエピタキシャル成長が起き、コヒーレントトンネル効果が広範囲で得られると言われている。
【００４８】
第１強磁性金属層１とトンネルバリア層の間の格子不整合度Ｆ（％）は、第１強磁性金属層１の格子定数に基づいて決定される膜面方向の周期単位ａ１と、トンネルバリア層の格子定数に基づいて決定される膜面方向の周期単位ａ３から以下の一般式（１）で求められる。一般式（１）においてｎは、自然数又はその逆数である。
Ｆ＝（１−ｎａ３／ａ１）×１００  ・・・（１）
【００４９】
例えば、強磁性金属層に広く用いられるＦｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅ及びＣｏ２ＦｅＳｉと、トンネルバリア層に広く用いられるＭｇＯとは、（００１）方位に成長した場合に、格子不整合度は４％程度であることが知られている。そのため、コヒーレントトンネル効果が局所的に低減する場合がある。
【００５０】
なお、トンネルバリア層がＭｇＯからなる場合は、酸素欠損により強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子定数の違いを多少緩和することができる。ただし、酸素欠損による格子定数の違いはわずかであり、強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子不整合を充分に低減することは難しい。
【００５１】
そこで、トンネルバリア層の製造過程に対応する非磁性金属酸化物層３は、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯα（０＜ｘ≦１、０．３５≦α＜１．７）で表される組成を有することが好ましい。
【００５２】
当該組成の非磁性金属酸化物層３は、２価のイオン（Ｍｇ２＋）の一部が、３価のイオン（Ａｌ３＋イオン）によって置換されている。所定のイオンが異なるイオン半径を有するイオンに置換され、元の状態から変化すると、非磁性金属酸化物層３を構成する結晶の格子定数は大きく変化する。また置換量を変えることで、自由に非磁性金属酸化物層３を構成する結晶の格子定数を制御することができる。その結果、第１強磁性金属層１と非磁性金属酸化物層３の間の格子不整合を低減することができ、コヒーレントトンネル効果を広範囲に得ることができる。
【００５３】
より優れたコヒーレントトンネル効果を得るためには、非磁性金属酸化物層３の結晶構造はスピネル構造であってもよい。好ましくは、非磁性金属酸化物層３の結晶構造は不規則スピネル構造であることが好ましい。ここで不規則スピネル構造とは、Ｏ原子の配列はスピネル構造とほぼ同等の最密立方格子を取っているものの、ＭｇとＡｌの原子配列が乱れた構造を持ち、全体として立方晶である構造を指す。また非磁性金属酸化物層３の結晶構造は、（００１）方向に配向していることが好ましい。
【００５４】
トンネルバリア層の膜厚は、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を超えて広がり、絶縁体が存在するにも関わらず電流が流れる。そのため、非磁性金属酸化物層３は３ｎｍ以下の厚みで成膜することが好ましい。
【００５５】
非磁性金属酸化物層３は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の公知の薄膜作成法を用いて積層できる。
【００５６】
本実施形態において非磁性金属酸化物層３は、酸素含有雰囲気下で成膜する。すなわち、非磁性金属酸化物層３を積層する工程において、非磁性金属酸化物層３を構成する金属又は合金は、酸化されながら積層される。
【００５７】
従来、トンネルバリア層は、ＭｇＡｌ等の合金を積層した後に、酸素をもちいた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）や自然酸化を用いて積層された外表面側から酸化して作製している。しかしながら、一度ＭｇＡｌ等の合金を形成すると、酸素はＭｇＡｌ等の合金の基板とは反対側の面からしか導入できない。その結果、酸素の拡散の制御が困難になり、トンネルバリア層が不均一になる。また酸化力が弱い場合、十分に酸素を基板側に供給することができない。一方、酸化力が強い場合、第１強磁性金属層１まで酸化が進むことによってＭＲが著しく低下することから、トンネルバリア層の厚みに制限が生まれる。
【００５８】
これらの不均一性は、強磁性トンネル接合体のＭＲ比、Ｖｈａｌｆに影響を及ぼす。上述のようにトンネルバリア層は３ｎｍ以下と非常に薄い層であるが、この薄い層内であっても均一性の違いがＭＲ比及びＶｈａｌｆに影響を及ぼす。
【００５９】
なお、Ｖｈａｌｆは、バイアス電圧印加時におけるＭＲ比の減少量の多寡を示す指標である。Ｖｈａｌｆは低バイアス電圧を基準として、低バイアス電圧印加時のＭＲ比に対してＭＲ比が半減するバイアス電圧を指す。低バイアス電圧とは例えば１ｍＶである。
【００６０】
本実施形態における非磁性金属酸化物層３は、積層過程において酸化されながら成膜している。そのため、成膜初期から積層膜に酸化源である酸素を供給することができる。すなわち、非磁性金属酸化物層３の成長初期から酸化（酸素を含有）することができ、得られるトンネルバリア層の均一性が高まる。
【００６１】
また成膜初期から積層膜に酸化源である酸素を供給することで、トンネルバリア層全体の厚みを厚くすることができる。トンネルバリア層全体として充分な厚みの非磁性酸化膜が得られると、スピンに依存しないリーク電流モードが排除され、高いＭＲ比が得られる。
【００６２】
以下はスパッタによる積層による場合を中心に表記する。ここで本実施形態における非磁性金属酸化物層３の積層工程では、積層空間内に供給する酸素流量を希ガス流量より少なくする。すなわち、成膜空間内の酸素分圧を希ガス分圧より少なくする。ここで希ガスとしてはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンおよびその混合体を用いることができる。
【００６３】
成膜空間中には成膜する材料等と反応するガスは、一般に導入しない。そのため、成膜空間は希ガスで満たすことが通常である。なお、電子線蒸着法やその類似する手法では希ガスの導入は不要である。本実施形態では、酸化しながら成膜を行う反応性スパッタを用いているため、同時に酸素を成膜空間中に供給する。
【００６４】
酸化しながら成膜を行うという観点からは、酸素の供給量を多くすることが好ましいと考えられる。しかしながら、酸素の供給量が多すぎると、原料となるターゲット材の表面が酸化されてしまい、成膜レートが著しく低下する。成膜レートが低下すると、十分な絶縁性を有するトンネルバリア層を得ることができない。
【００６５】
非磁性金属酸化物層３を積層する工程において５０．８ｍｍ直径の円形ターゲット材を用いた場合、非磁性金属酸化物層３を成膜時の印加電力（Ｗ）を横軸とし、非磁性金属酸化物層３の成膜レート（Å／ｓ）を縦軸とした場合の単位電力成膜レート（Å／（ｓ・Ｗ））の傾きは、１×１０−３（Å／（ｓ・Ｗ））より大きいことが好ましく、２×１０−３（Å／（ｓ・Ｗ））以上であることがより好ましい。
【００６６】
ここで「単位電力成膜レートの傾き」は、今回新たに見出された指標である。非磁性金属酸化物層３の成膜において、成膜時の印加電力と成膜時のターゲットの状態は、成膜レートに大きな影響を及ぼす。例えば、成膜時のターゲットの状態が酸化されておらず、メタルの状態であれば、印加電力が低くても充分に成膜レートを得ることができる。これに対し、成膜時のターゲットが酸化されていると、大きな印加電力を印加しないと十分な成膜レートを得ることができない。
【００６７】
単位電力成膜レート（Å／（ｓ・Ｗ））の傾きが当該範囲内であれば、非磁性金属酸化物層３を充分均一に積層することができる。その結果、均質なトンネルバリア層が形成され、広いＲＡの範囲で強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比を一定に保つことができる。当該範囲内で作製されたトンネルバリア層は、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯβ（０＜ｘ≦１、０．３５≦β＜１．７）で表される組成となる。
【００６８】
なお、ターゲットが酸化された状態でスパッタされる反応性（酸化）モードでなければ、印加電力をよほど小さくしない限り、単位電力成膜レート（Å／（ｓ・Ｗ））の傾きは、１×１０−３（Å／（ｓ・Ｗ））より大きくなる。またターゲットがメタルのままでスパッタされる金属モードであれば、印加電力をよほど小さくしない限り、単位電力成膜レート（Å／（ｓ・Ｗ））の傾きは、２×１０−３（Å／（ｓ・Ｗ））以上となる。
【００６９】
印加電力はターゲットサイズに影響を受ける値である。そのため、単位ターゲット面積当たりの印加電圧（Ｗ／ｍ２）に換算することで、単位電力成膜レート（Å／（ｓ・Ｗ））をより一般化することができる。以下、単位ターゲット面積当たりの単位電力成膜レートを、「単位電力密度成膜レート」という。
【００７０】
非磁性金属酸化物層３を成膜時の単位ターゲット面積当たりの印加電力（Ｗ／ｍ２）を横軸とし、非磁性金属酸化物層３の成膜レート（Å／ｓ）を縦軸とした場合の単位電力密度成膜レート｛（Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）｝の傾きは、２×１０−６｛（Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）｝より大きいことが好ましく、４×１０−６｛（Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）｝より大きいことがより好ましい。
【００７１】
またより具体的な非磁性金属酸化物層３の成膜条件としては、酸素流量を希ガス流量の１／１０以下とし、非磁性金属酸化物層３の成膜時に用いるターゲットの印加電力を１２５Ｗ以上としてもよい。
【００７２】
当該範囲のように、酸素流量が希ガスの流量に対して十分小さい領域であっても、非磁性金属酸化物層３を充分均一に積層することができ、広いＲＡの範囲で強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比を一定に保つことができる。
【００７３】
（第２強磁性金属層の作製）
非磁性金属酸化物層３を作製した後に、第２強磁性金属層２を積層する。
第２強磁性金属層２は、第１強磁性金属層１と同様に、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の公知の薄膜作成法を用いて積層する。
【００７４】
第２強磁性金属層２の材料として、強磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ等が挙げられる。
【００７５】
第２強磁性金属層２の第１強磁性金属層１に対する保磁力をより大きくするために、第２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２強磁性金属層２の漏れ磁場を第１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。さらに、第２強磁性金属層２に一軸磁気異方性を付与するための磁場中熱処理を行ってもよい。
【００７６】
磁気センサとして磁気抵抗効果素子を活用させるためには、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加して、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層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が線形に変化する。しかしながらこの場合、磁気抵抗効果素子の近くに磁場を印加させる機構が必要であり、集積を行う上で望ましくない。そのため強磁性金属層自体が垂直な磁気異方性を持つことが好ましい。
【００７７】
（熱処理）
熱処理は、非磁性金属酸化物層３を積層した後に行う。熱処理は、第２強磁性金属層２の積層前に行ってもよいし、積層後に行ってもよい。熱処理を行うことで、非磁性金属酸化物層３内での酸素拡散が促進される。また熱処理は、非磁性金属酸化物層３の結晶化を進める効果も有する。
【００７８】
なお熱処理は、非磁性金属酸化物層３の作製工程に限らず、必要に応じて下地層、第１強磁性金属層１、第２強磁性金属層２、後述する電極層１２（図３参照）および電極層１３（図３参照）の各作製工程に適用してもよいし、磁気抵抗効果素子を構成するすべての層を積層した後に一括で行ってもよい。
【００７９】
結晶化の観点からは、熱処理は第２強磁性金属層２を積層する前に行うことが好ましい。第２強磁性金属層２が積層されると、非磁性金属酸化物層３は第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層によって挟持され、非磁性金属酸化物層３内の結晶化の自由度が低下する。第２強磁性金属層２を積層する前に、熱処理を行うことで、第１強磁性金属層１と非磁性金属酸化物層３との間の格子の整合性を高めることができる。
【００８０】
上述のように、本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の製造方法によれば、トンネルバリア層の厚み方向内部まで充分酸化できる。そのため、トンネルバリア層の均一性を高め、トンネルバリア層の厚みを厚くすることができる。その結果、広いＲＡの範囲で強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比を一定に保つことができる。またリーク電流モードを排除でき、高いＭＲ比を有する強磁性トンネル接合体を作製することができる。
【００８１】
（金属挿入層）
本実施形態にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、非磁性金属酸化物層を積層する工程と、第１強磁性金属層を積層する工程との間に、第１強磁性金属層への酸素の拡散を抑制する金属挿入層を積層する工程をさらに有してもよい。
【００８２】
図２は、金属挿入層４を有する強磁性トンネル接合体１１の断面模式図である。図２に示すように、強磁性トンネル接合体１１は、第１強磁性金属層１と非磁性金属酸化物層３の間に、金属挿入層４を有する。
【００８３】
金属挿入層４は、第１強磁性金属層１へ酸素が拡散することを抑制する。第１強磁性金属層１が酸化されると、酸化された部分は強磁性特有のスピン偏極が見られず、ＭＲ比が低減する。金属挿入層４は、トンネルバリア層３から酸素が基板側に拡散してきた場合に自身が酸化されることで、第１強磁性金属層１を保護する。酸化された部分は、トンネルバリア層の一部となる。
【００８４】
そのため金属挿入層４は、酸化されていない金属又は合金であることが好ましい。すなわち、金属挿入層は、希ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
【００８５】
金属挿入層４は、酸化された際に非磁性金属酸化物層３と類似の組成となることが好ましい。すなわち金属挿入層４の組成は、Ｍｇ１−ｙＡｌｙ（０≦ｙ≦１）であることが好ましい。
【００８６】
金属層を構成するマグネシウムとアルミニウムを比較すると、酸化物の標準生成自由エネルギーの関係からマグネシウム原子の方が酸化されやすい。そのため、金属挿入層４のマグネシウム濃度が高いと、非磁性金属酸化物層３から金属挿入層４への酸素の拡散がより促される。
【００８７】
最終的なトンネルバリア層の厚みを確保したい場合は、金属挿入層４のマグネシウム濃度を高めることが好ましい。金属挿入層４と非磁性金属酸化物層３の組成及び結晶構造を一致させるためには、マグネシウム濃度とアルミニウム濃度を適宜調整することが好ましい。
【００８８】
金属挿入層４の厚みは、０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下であることが好ましい。金属挿入層４の厚みが薄すぎると、均質な膜を作製することが難しくなる。一方で、金属挿入層４の厚みが厚すぎると、非磁性金属酸化物層３からの酸素拡散のみでは金属挿入層４が充分酸化されず、強磁性トンネル接合体１１の中に不要な層が挿入されることとなる。
【００８９】
（強磁性トンネル接合体）
上記の製造方法によって作製された強磁性トンネル接合体１０は、第１強磁性金属層１と、第２強磁性金属層２と、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２の間に挟まれるトンネルバリア層とを有する。トンネルバリア層は、図１における非磁性金属酸化物層３のみからなる場合と、図２における非磁性金属酸化物層３と金属挿入層４の酸化された部分とからなる場合がある。
【００９０】
本実施形態にかかる強磁性トンネル接合体１０は、トンネルバリア層の酸化度が厚み方向に均質である。そのため、広いＲＡの範囲で強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比が一定である。
【００９１】
より具体的には、本実施形態にかかる強磁性トンネル接合体１０は、ＲＡが１０２Ω・μｍ２以上１０５Ω・μｍ２以下の領域において、ＭＲ比が平均値を基準に±２０％以内である。また本実施形態にかかる強磁性トンネル接合体１０は、ＲＡが１０３Ω・μｍ２以上１０４Ω・μｍ２以下の領域において、ＭＲ比が平均値を基準に±１０％以内でもよい。
【００９２】
強磁性トンネル接合体１０のＲＡは、積層されるトンネルバリア層の厚みと相関関係を有する。強磁性トンネル接合体１０におけるトンネルバリア層以外の層は金属からなり、トンネルバリア層が強磁性トンネル接合体１０の抵抗の主の部分を担うためである。
【００９３】
トンネルバリア層に用いる材料によって多少ばらつきはあるが、トンネルバリア層の厚みが１．０ｎｍ程度の場合の強磁性トンネル接合体１０のＲＡは１０３Ω・μｍ２程度であり、トンネルバリア層の厚みが１．５ｎｍ程度の場合の強磁性トンネル接合体１０のＲＡは１０４〜１０５Ω・μｍ２程度である。
【００９４】
強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比の変化率が上記範囲を満たすか否かは、非磁性金属酸化物層３と同等の条件で６０分間成膜した後の被成膜体の表面状態からも判断できる。通常のトンネルバリア層は３ｎｍ以下と薄く判断がつかないため、非磁性金属酸化物層３と同等の条件で６０分間成膜し、違いが確認できる条件で判断を行う。６０分間成膜を続ければ、印加パワーが小さい場合でも、ターゲットが酸化した反応性（酸化）モードで成膜を行った場合でも、被成膜体の表面に十分な厚みのトンネルバリア層と同等の層が作製される。
【００９５】
被成膜体上に成膜された膜がメタリックな光沢を有する場合は、強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比の変化率が上記範囲を満たすことが実験的に確認されている。成膜された膜がメタリックな光沢を有するということは、積層された膜は完全な酸化膜として存在するのではなく、酸素を含有しながらも金属的な状態を維持していると考えられる。すなわち、非磁性金属酸化物層３の成膜は、酸化しながら成膜されるといういわゆる反応性スパッタとは少し異なり、酸素を含有しながら成膜が進行していると考えられる。
【００９６】
一方、被成膜体上に成膜された膜が透明な膜の場合は、強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比の変化率がメタリックな光沢を有する場合と比較して大きくなる。この膜が形成される条件の場合、ただちに強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比の変化率が上記範囲を満たさないという訳ではないが、メタリックな光沢を有する場合の条件程、広いＲＡの範囲で強磁性トンネル接合体１０のＭＲ比が一定であるトンネルバリア層を得ることはできない。
【００９７】
上述のように、本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体は、トンネルバリア層が均質であり、広いＲＡの範囲でＭＲ比を一定に保つことができる。またトンネルバリア層の厚みを厚くすることが可能で、高いＭＲ比を得ることができる。そのため、この強磁性トンネル接合体を用いた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）用の素子として優れた特性を示す。
【００９８】
（使用時の構成）
図３は、磁気抵抗効果素子を積層方向から平面視した模式図である。磁気抵抗効果素子２０は、強磁性トンネル接合体１０と、二つの電極層１２、１３と、電源１４と、電圧計１５とからなる。強磁性トンネル接合体１０は、二つの電極層１２、１３の間に配置される。電極層１２は図１に示す強磁性トンネル接合体１０の第２強磁性金属層２に接続され、電極層１３は図１に示す強磁性トンネル接合体１０の第１強磁性金属層１に接続されている。二つの電極層１２、１３は、電源１４と電圧計１５に接続されている。電源１４が電圧を印加すると、強磁性トンネル接合体１０の積層方向（図３の紙面に垂直な方向）に電流が流れ、この際の印加電圧は電圧計１５でモニターされる。
【００９９】
電極層１２は第２強磁性金属層２の保護層としての機能も兼ね備えることができる。また、電極層１３は第１強磁性金属層１の下地層としての機能も兼ね備えることができる。
【０１００】
二つの電極層１２、１３として、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕの群から選択される少なくとも１つの元素を含む導電層を用いることができる。
【０１０１】
また二つの電極層１２、１３は一層に限られず、上述の層を複数層積層してもよい。
【０１０２】
（評価方法）
磁気抵抗効果素子の評価方法について、図３を例に説明する。電源１４から一定の電流を磁気抵抗効果素子に印加する。電圧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を電圧計１５で観測する。磁気抵抗効果素子の他の評価方法として、１２端子プローブを用いたＣｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ（ＣＩＰＴ）法を用いることができる。
【０１０３】
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１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２の磁化の向きが平行の場合のトンネル抵抗であり、ＲＡＰは第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２の磁化の向きが反平行の場合のトンネル抵抗である。
【０１０４】
Ｖｈａｌｆは、例えば１ｍＶの低バイアス電圧印加時のＭＲ比を測定し、バイアス電圧を大きくしながらＭＲ比が半減する電圧を特定することで求める。
【０１０５】
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掛け合わせ、単位面積における抵抗値に規格化したものである。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。
【０１０６】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【０１０７】
（実施例１）
まず基板となるＭｇＯ（００１）基板を準備した。ＭｇＯ（００１）基板は、純水及びアルコールにより洗浄し、７００℃で６０分加熱した。その上に、スパッタ法を用いた成膜により、磁気抵抗効果素子の各層を作製した。
【０１０８】
まず、下地層（電極層１２）としてＣｒを４０ｎｍ積層した。その後、７００℃６０分で積層膜を加熱し、下地層を構成するＣｒ原子を規則化させた。
【０１０９】
下地層の上に、第１強磁性金属層としてＦｅを３０ｎｍ積層した。第１強磁性金属層も下地層と同様に、原子を規則化させるために、熱処理を行った。熱処理の条件は、３００℃１５分とした。
【０１１０】
第１強磁性金属層の上に、金属挿入層と、非磁性金属酸化物層を順に成膜した。金属挿入層は、希ガスとしてＡｒをもちい、このＡｒ雰囲気中で、Ｍｇを０．２ｎｍ成膜した。非磁性金属酸化物層は、５０．８ｍｍ径のＭｇＡｌターゲットに印加する電力を１５０Ｗ、成膜空間中に導入するガス量をＡｒ：２０ｓｃｃｍ、Ｏ２：２ｓｃｃｍとして成膜した。トンネルバリア層の成膜レート（Å／ｓ）を印加電力で割った単位電力成膜レート（Å／（ｓ・Ｗ））の傾きは、４．６×１０-３であった。単位電力密度成膜レート｛（Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）｝は、９．２３×１０−６であった。そして、成膜された金属挿入層及び非磁性金属酸化物層を、４００℃で１５分加熱した。
【０１１１】
加熱により得られたトンネルバリア層の上に、第２強磁性層、反強磁性層、保護層を順に積層した。第２強磁性層はＦｅを６ｎｍ、反強磁性層はＩｒＭｎを１２ｎｍ、保護層はＲｕを２０ｎｍ積層した。第２強磁性層を積層後には、３００℃で１５分熱処理を行った。
【０１１２】
最後に積層された磁気抵抗効果素子に外部磁場５ｋＯｅを印加しながら１７５℃で熱処理し、第２強磁性層の磁化を面内方向に固定した。
【０１１３】
上記のような手順で、トンネルバリア層の厚みの異なる磁気抵抗効果素子を複数作製した。トンネルバリア層の厚みは、おおよそ０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの間で段階的な厚みとした。
【０１１４】
作製した試料のＲＡ（Ω・μｍ２）、ＭＲ比（％）、ＭＲ比の印加電圧依存性をそれぞれ測定した。測定した結果を図４及び図５に示す。図５では、ゼロバイアスのＭＲ値を１として規格化した。
【０１１５】
（比較例１）
比較例１は、トンネルバリア層の成膜工程のみが実施例１と異なる。その他の工程は、実施例１と同様とした。
【０１１６】
比較例１のトンネルバリア層は以下のようにして作製した。まず、トンネルバリア層の母材となる金属としてＭｇＡｌを金属挿入層上に積層し、積層した母材となる金属を圧力５Ｐａで１０分間酸化した。酸化により母材となる金属中には酸素が拡散し、トンネルバリア層が形成された。
【０１１７】
比較例１においても、トンネルバリア層の厚みの異なる磁気抵抗効果素子を複数作製した。トンネルバリア層の厚みは、おおよそ０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの間で段階的な厚みとした。
【０１１８】
作製した試料のＲＡ（Ω・μｍ２）、ＭＲ比（％）、ＭＲ比の印加電圧依存性をそれぞれ測定した。測定した結果を図４及び図６に示す。図６の結果は、非特許文献２の図４（ｂ）の結果と対応する。図６では、ゼロバイアスのＭＲ値を１として規格化した。
【０１１９】
図４に示すように、比較例１の磁気抵抗効果素子はＲＡが１０Ω・μｍ２付近でＭＲ比のピークを有し、ＭＲ比はそれ以上のＲＡの領域で徐々に小さくなっている。これに対し、実施例１の磁気抵抗効果素子は、ＲＡが１０Ω・μｍ２以上の領域でＭＲ比の変動が少なく、ＲＡが大きくなってもＭＲ比を一定に保っている。
【０１２０】
磁気抵抗効果素子のＲＡは主としてトンネルバリア層が担うため、磁気抵抗効果素子のＲＡはトンネルバリア層の厚みに対応する。ＲＡ＝１０Ω・μｍ２は、おおよそトンネルバリア層の厚み０．８ｎｍ〜１．０ｎｍに対応する。
【０１２１】
実施例１の磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層の厚みがおおよそ０．８ｎｍ〜１．０ｎｍ以上の領域で均質なトンネルバリア層が形成され、ＭＲ比の変動バラツキが抑制されている。比較例１の磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層の厚みがおおよそ０．８ｎｍ〜１．０ｎｍ以上の領域で供給される酸素に対して金属量が多くなり、厚み方向及び面内方向に均一に酸素が拡散せず、ＭＲ比が徐々に低下していると考えられる。
【０１２２】
また図５と図６に示すＭＲ比の印加電圧依存性を見ると以下のようなことが分かる。実施例１の磁気抵抗効果素子（図５）及び比較例１の磁気抵抗効果素子（図６）は、いずれも印加電圧を大きくするに従い、ＭＲ比が小さくなっていく点で一致する。これは、印加電圧を大きくするに伴い、自由層の磁化が徐々に反転し、ＭＲ比が変動しているためである。
【０１２３】
一方で、実施例１の磁気抵抗効果素子（図５）は、印加電圧に対するＭＲ比の変動具合がトンネルバリア層の厚みが異なる試料毎に一定であるのに対し、比較例１の磁気抵抗効果素子（図６）は、印加電圧が大きい領域（グラフの裾の部分）においてＭＲ比の変動量がトンネルバリア層の厚みが異なる試料毎にばらついている。すなわち、Ｖｈａｌｆの値がトンネルバリア層の厚み毎に大きくばらついている。
【０１２４】
実施例１の磁気抵抗効果素子はトンネルバリア層が均質であり、膜厚の異なるそれぞれの試料において十分な絶縁性を維持することができていると考えられる。その結果、実施例１の磁気抵抗効果素子はＭＲ比の変動が少ない。これに対し、比較例１の磁気抵抗効果素子はトンネルバリア層が均質でなく、面内方向の一部で電流パスが生まれ、ＭＲ比の変動量が多くなっていると考えられる。
【０１２５】
（実施例２）
実施例１よりトンネルバリア層の膜厚が厚い領域における検討を実施例２として行った。実施例２の磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層の厚みをおおよそ１．０ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲で段階的な試料を作製し、試料のＲＡ（Ω・μｍ２）及びＭＲ比（％）を測定した。実施例２は、金属挿入層の厚みを０．４５ｎｍとした点、トンネルバリア層の厚みを変化させた点以外は実施例１と同様の条件で作製した。実施例２の試料のＲＡ（ｌｏｇ（ＲＡ））に対するＭＲ比（％）の変化を図７に示す。ｌｏｇ（ＲＡ）はトンネルバリア層の膜厚におおよそ比例する。
【０１２６】
（実施例３）
実施例３では、非磁性金属酸化物層を成膜する際にターゲットへ印加する電力を１７５Ｗとした点のみが実施例２と異なる。非磁性金属酸化物層の成膜レート（Å／ｓ）を印加電力で割った単位電力成膜レート（Å／（ｓ・Ｗ））の傾きは、５．４×１０−３であった。単位電力密度成膜レート｛（Å／ｓ）／（Ｗ／ｍ２）｝は、１．０９×１０−５であった。
【０１２７】
実施例３においてもトンネルバリア層の厚みをおおよそ１．０ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲で段階的な試料を作製し、試料のＲＡ（Ω・μｍ２）及びＭＲ比（％）を測定した。実施例３の試料のＲＡに対するＭＲ比（％）の変化を図７に示す。
【０１２８】
図７に示すように、実施例２及び３の磁気抵抗効果素子は、いずれもＲＡが大きくなってもＭＲ比が一定に保たれていた。ＲＡの対数値はトンネルバリア層の膜厚にほぼ比例して変化するため、この結果は幅広いトンネルバリア膜厚においてＭＲ比が一定であることを同時に示している。実施例２及び実施例３の磁気抵抗効果素子は、いずれもＲＡが１０２Ω・μｍ２以上１０５Ω・μｍ２以下の領域においてＭＲ比が平均値を基準に±２０％以内であり、ＲＡが１０３Ω・μｍ２以上１０４Ω・μｍ２以下の領域においてＭＲ比が平均値を基準に±１０％以内であった。
【０１２９】
（参考例）
またＲＡが大きくなってもＭＲ比が一定に保つことができる磁気抵抗効果素子を作製する条件は、トンネルバリア層の成膜条件と同様の条件で作製した被成膜体の表面状態から確認できる。被成膜体の成膜は、実際のトンネルバリア層の成膜条件と成膜時間のみが異なる。被成膜体が充分な厚みを有すると判断が容易となるためである。成膜条件を変えた場合の被成膜体の表面状態の違いを表１に示す。
【０１３０】
【表１】
2018129423.tif 000003
【０１３１】
表１に示すように、実施例１〜３の条件で被成膜体を成膜すると、いずれも被成膜体の表面がメタリック光沢を示した。これは実施例１〜３の成膜条件は、いずれもターゲットから被成膜体に原子が比較的金属に近い状態で供給されていることを示す。すなわち、完全な酸化膜として成膜されるのではなく、酸素を内包して成膜されていると考えられる。
【０１３２】
実施例１〜３の条件と同様に被成膜体の表面がメタリックになると、磁気抵抗効果素子のＲＡが大きくなっても（トンネルバリア層の厚みが厚くなっても）、ＭＲ比が一定に保たれていることを確認した。
【０１３３】
一方で、被成膜体が透明の場合は、ただちに磁気抵抗効果素子のＲＡが大きくなった際に、ＭＲ比が一定に保たれてないという訳ではないが、その傾向が強いことを確認した。
【符号の説明】
【０１３４】
１０、１１…強磁性トンネル接合体、１…第１強磁性金属層、２…第２強磁性金属層、３…トンネルバリア層、４…金属挿入層、２０…磁気抵抗効果素子、１２，１３…電極層、１４…電源、１５…電圧計
【図１】
2018129423.tif 000004
【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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