(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果が改善される磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】  磁気抵抗効果素子ＭＲは、磁化固定層としての第一の強磁性層４と、磁化自由層としての第二の強磁性層６と、第一の強磁性層４と第二の強磁性層６との間に設けられた非磁性スペーサ層５と、を備え、非磁性スペーサ層５の下面に設けられる第一の挿入層５Ａ及び非磁性スペーサ層５の上面に設けられる第二の挿入層５Ｃの少なくとも一つと、を有し、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃは、Ｆｅ２ＴｉＳｉであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層としての第一の強磁性層と、
磁化自由層としての第二の強磁性層と、
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非磁性スペーサ層と、
を備え、
前記非磁性スペーサ層は、当該非磁性スペーサ層の下面に設けられる第一の挿入層及び当該非磁性スペーサ層の上面に設けられる第二の挿入層の少なくとも一つと、
を有し、
前記第一の挿入層及び前記第二の挿入層は、Ｆｅ２ＴｉＳｉであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第一の挿入層及び前記第二の挿入層は、厚さが３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
磁化固定層としての第一の強磁性層と、
磁化自由層としての第二の強磁性層と、
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非磁性スペーサ層と、
前記第一の強磁性層の前記非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に設けられた第三の挿入層と、
前記第二の強磁性層の前記非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に設けられた第四の挿入層と、を備え、
前記第三の挿入層及び前記第四の挿入層は、Ｆｅ２ＴｉＳｉであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第三の挿入層及び前記第四の挿入層は、厚さが１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第一の強磁性層と、前記第二の強磁性層の少なくともいずれか一方がホイスラー合金を含む強磁性材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
磁化固定層としての第一の強磁性層と、
磁化自由層としての第二の強磁性層と、
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非磁性スペーサ層と、
を備え、
前記第一の強磁性層と前記第二の強磁性層の少なくとも一方は、前記非磁性スペーサ層に接する第一ホイスラー層と、前記第一ホイスラー層と接し、前記第一ホイスラー層と組成が異なる第二ホイスラー層とを有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第一ホイスラー層はＣｏ２ＦｅＳｉである、ことを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第二ホイスラー層はＣｏ２ＭｎＳｉである、ことを特徴とする請求項６または７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記非磁性スペーサ層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含んでいることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記非磁性スペーサ層は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２或いは、スピネル構造のトンネルバリアであることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記スピネル構造のトンネルバリアは、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＧａ２Ｏ４のいずれか一つか、これらの一つを主成分とする混晶構造であることを特徴とする請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備えたセンサ。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備えた高周波フィルタ。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備えた発振素子。
【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し、これを用いた磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ及び発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層と、磁化自由層としての第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層とを備えている。すなわち、ＧＭＲ素子は、強磁性層／非磁性スペーサ層／強磁性層の構造を有している。ＧＭＲ素子においては、上下の強磁性層の磁化の向きが揃った状態で、これを通過するスピンを流すことができる。従来のＣＰＰ−ＧＭＲ（面垂直通電型ＧＭＲ）素子においては、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子に比べて、磁気抵抗効果が低いため、特許文献１に開示のＧＭＲ素子においては、強磁性層にホイスラー合金（Ｃｏ２（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｓｉ）、非磁性スペーサ層にＡｇを使用し、磁気抵抗効果の改善を試みている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１９０９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本願発明者らの知見よれば、ホイスラー合金と非磁性金属とを単に組み合わせた磁気抵抗効果素子の場合、磁気抵抗効果は十分ではない。また、ホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子の場合、低温における磁気抵抗比は高いが、温度依存性が大きいため室温における磁気抵抗比が低い。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果が改善され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】
【０００６】
上述の課題を解決するため、第１の磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層と、磁化自由層としての第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層と、を備え、非磁性スペーサ層は、当該非磁性スペーサ層の下面に設けられる第一の挿入層及び当該非磁性スペーサ層の上面に設けられる第二の挿入層の少なくとも一つと、を有し、前記第一の挿入層及び前記第二の挿入層は、Ｆｅ２ＴｉＳｉである。
【０００７】
この場合、Ｆｅ２ＴｉＳｉは非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層のいずれとも格子定数の差が十分小さくなり、界面における歪が緩和される。これにより温度依存性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【０００８】
第一の挿入層及び第二の挿入層は、厚さが３ｎｍ以下であることが好ましい。挿入層は抵抗となるために大きな磁気抵抗比を得るためには十分薄い膜である必要がある。同時に挿入層として効果を得るためには十分厚い膜である必要がある。３ｎｍ以下では挿入層の効果と磁気抵抗による出力のバランスにより、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【０００９】
第二の磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層と、磁化自由層としての第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層と、第一の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に設けられた第三の挿入層と、第二の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に設けられた第四の挿入層と、を備え、第三の挿入層及び第四の挿入層は、Ｆｅ２ＴｉＳｉである。
【００１０】
この場合、Ｆｅ２ＴｉＳｉは第一の強磁性層と第二の強磁性層のいずれとも格子定数の差が十分小さくなり、界面における歪が緩和される。また、互いが類似した構造であるため、強磁性層の電子バンドが安定化し、これにより温度依存性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【００１１】
第三の挿入層及び第四の挿入層の厚さが１ｎｍ以上である。
【００１２】
第一の強磁性層と、第二の強磁性層の少なくともいずれか一方がホイスラー合金を含む強磁性材料であることが好ましい。この場合、強磁性層がホイスラー合金以外の強磁性材料である場合よりも大きな磁気抵抗比を得ることができる。
【００１３】
第三の磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層と、磁化自由層としての第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層と、を備え、第一の強磁性層と第二の強磁性層の少なくとも一方は、非磁性スペーサ層に接する第一ホイスラー層と、第一ホイスラー層と接し、第一ホイスラー層と組成が異なる第二ホイスラー層とを有する。
【００１４】
この場合、第一ホイスラー層と第二ホイスラー層が類似した構造であるため、強磁性層の電子バンドが安定化し、これにより温度依存性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【００１５】
第一ホイスラー層は、Ｃｏ２ＦｅＳｉであることが好ましい。この場合、４００℃のアニールでも磁気抵抗比の劣化が抑えられて、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００１６】
第二ホイスラー層は、Ｃｏ２ＭｎＳｉであることが好ましい。この場合、４００℃のアニールでも磁気抵抗比の劣化が抑えられて、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００１７】
非磁性スペーサ層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含んでいてもよい。この場合、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００１８】
非磁性スペーサ層は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２或いは、スピネル構造のトンネルバリアであってもよい。この場合、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００１９】
スピネル構造のトンネルバリアは、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＧａ２Ｏ４のいずれか一つか、これらの一つを主成分とする混晶構造であってもよい。この場合、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２を用いた場合よりも、さらに大きな磁気抵抗比を得ることができる。
また、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ又は発振素子は、磁気抵抗効果が大きいため、これに起因する優れた特性を発揮することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、磁気抵抗効果を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１００の断面図である。
【図２】実施形態２に係る磁気抵抗効果素子２００の断面図である。
【図３】実施形態３に係る磁気抵抗効果素子３００の断面図である。
【図４】磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドの再生部の断面構成を示す図である。
【図５】磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドの断面構成を示す図である。
【図６】複数の磁気抵抗効果素子を有する電流センサの構造を示す図である。
【図７】複数の磁気抵抗効果素子を有する高周波フィルタの構造を示す図である。
【図８】磁気抵抗効果素子の材料とＭＲ比の関係を示す図表である。
【図９】各種材料の格子定数を示す図表である。
【図１０】各種材料の格子定数を示す図表である。
【図１１】磁気抵抗効果素子の材料とＭＲ比の関係を示す図表である。
【図１２】各種材料の格子定数と格子不整合率を示す図表である。
【図１３】磁気抵抗効果素子の材料とＭＲ比の関係を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は、省略する。三次元直交座標系を用いる場合には、各層の厚み方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直な２つの直交軸をＸ軸及びＹ軸とする。
【００２３】
図１は、実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１００の断面図である。
【００２４】
磁気抵抗効果素子１００は、第１基材層１上に、第１非磁性金属層２、第２非磁性金属層３を順次備えており、この上に、磁化固定層としての第一の強磁性層４と、非磁性スペーサ層５と、磁化自由層としての第二の強磁性層６とが、順次積層されている。第二の強磁性層６上には、キャップ用非磁性金属層７と、コンタクト用金属層８とが、順次形成されている。非磁性スペーサ層５を強磁性材料である第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６によって挟み込み、下部に位置する第１非磁性金属層２、または第２非磁性金属層３と、上部に位置するコンタクト用金属層８との間にバイアスを印加すると、特定の向きのスピンを有する電子を膜面に垂直な方向に流すことができる。
【００２５】
第一の強磁性層４（磁化固定層）の磁化の向きは固定されており、第二の強磁性層６（磁化自由層）の磁化の向きは、外部磁界によって変更することができるので、外部磁界の大きさに応じて通過電子量が変化する。通過電子量が多ければ抵抗は低く、通過電子量が少なければ抵抗は高い。磁化固定層としての第一の強磁性層４は、第二の強磁性層６の厚みよりも大きく、また、微細加工後の形状磁気異方性の違いなどから第一の強磁性層４よりも外部磁界によって磁化の向きが変更されにくいため、実質的に磁化の向きが固定された磁化固定層として機能する。
【００２６】
第１基材層１としては、好適にはＭｇＯを用いることができるが、その他、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、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、及びガラスなど、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。ＭｇＯ単結晶を含む基板によれば、容易にエピタキシャル成長膜が形成される。このエピタキシャル成長膜は、大きな磁気抵抗特性を示すことができる。
【００２７】
第１非磁性金属層２としては、好適にはＣｒを用いることができるが、その他、上部の層の結晶配向を制御するための例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含み、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合金なども含まれる。
【００２８】
第２非磁性金属層３としては、好適にはＡｇを用いることができるが、その他、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含み、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合金なども含まれる。
【００２９】
第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６としては、好適にはホイスラー合金であるＣｏ２ＭｎＳｉを用いることができるが、その他、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａＳｎ、Ｃｏ２ＦｅＧｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅＳｉ、Ｃｏ２ＣｒＩｎ、Ｃｏ２ＣｒＳｎ等のホイスラー合金又は、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｒＯ２、ＣｏＦｅＢ等の強磁性材料を含むことができ、又は実質的に当該強磁性材料から成ることができる。
【００３０】
また、強磁性材料の中でもハーフメタル特性を有するホイスラー合金が有望である。なかでも、Ｃｏ系ホイスラー合金においては、キュリー温度が非常に高いため室温においてもハーフメタル特性を発揮することが可能である。
【００３１】
第一の強磁性層４と第二の強磁性層６との間には、非磁性スペーサ層５が設けられている。非磁性スペーサ層５は、非磁性材料５Ｂと、非磁性材料５Ｂの下面に設けられる第一の挿入層５Ａ及び当該非磁性材料５Ｂの上面に設けられる第二の挿入層５Ｃの少なくとも一つとを有している。すなわち、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃの一方を省略し、中央の非磁性材料５Ｂが、上下いずれかの強磁性層と接触する構造とすることもできる。
【００３２】
第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃは、Ｆｅ２ＴｉＳｉからなる。
【００３３】
また、非磁性材料５Ｂとしては、好適にはＭｇＡｌ２Ｏ４を用いることができるが、その他に、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２或いは、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＧａ２Ｏ４のいずれか一つか、これらの一つを主成分とする混晶構造を含むことができ、さらには、非磁性金属材料として、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含む合金なども成ることができる。
【００３４】
この場合、Ｆｅ２ＴｉＳｉを含むいずれかの挿入層（第一の挿入層５Ａ，第二の挿入層５Ｃ）と、非磁性材料５Ｂとの間の格子整合性が高くなり、また、挿入層（第一の挿入層５Ａ，第二の挿入層５Ｃ）とこの外側に位置する強磁性層（第一の強磁性層４，第二の強磁性層６）との格子定数の差が十分小さくなり、界面における歪が緩和される。これにより温度依存性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【００３５】
キャップ用非磁性金属層７としては、好適にはＡｇを用いることができるが、その他、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。
【００３６】
コンタクト用金属層８としては、好適にはＲｕを用いることができるが、その他、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。
【００３７】
なお、各層の材料及び厚み（好適範囲）は、以下の通りである。
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ、５ｎｍ、（３ｎｍ以上８ｎｍ以下）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ、５ｎｍ、（３ｎｍ以上８ｎｍ以下）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（コバルトマンガンシリコン合金）、６ｎｍ、（３ｎｍ以上２０ｎｍ以下）
・第二の挿入層５Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ、１ｎｍ、（０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下）
・非磁性材料５Ｂ：ＭｇＡｌ２Ｏ４、２ｎｍ、（１ｎｍ以上１０ｎｍ以下）
・第一の挿入層５Ａ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ、１ｎｍ、（０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下）
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（コバルトマンガンシリコン合金）、１０ｎｍ、（３ｎｍ以上２０ｎｍ以下）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ、５０ｎｍ、（２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ、２０ｎｍ、（１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下）
・第１基材層１：ＭｇＯ、０．５ｍｍ（０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下）
【００３８】
次に、実施形態１の優位性について説明する。
【００３９】
磁気抵抗効果素子の性能を評価する指標としてＭＲ比がある。ＭＲ比は、［（磁化の向きが反平行の場合の素子の抵抗値−磁化の向きが平行な場合の素子の抵抗値）／磁化の向きが平行な場合の素子の抵抗値］で与えられる。
【００４０】
ＭＲ比は、強磁性層（第一の強磁性層４、第二の強磁性層６）と非磁性スペーサ層５との間の格子不整合が大きい磁気抵抗効果素子では、それらの層の結晶性を向上させることが難しく、積層界面でのキュリー温度が低下する。結果、室温におけるＭＲ比を十分に向上させることは困難である。
【００４１】
実施形態１における第一の磁気抵抗効果素子１００では、非磁性スペーサ層５は、当該非磁性スペーサ層全体が非磁性材料５Ｂのみからなるときに比べて、当該非磁性スペーサ層５と、強磁性層（第一の強磁性層４、第二の強磁性層６）との間の格子不整合が小さくなるように、Ｆｅ２ＴｉＳｉからなる第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃの少なくとも一つを有する。そのため、この磁気抵抗効果素子によれば、強磁性層（第一の強磁性層４、第二の強磁性層６）と、非磁性スペーサ層５の結晶性が向上するので、温度特性が改善し、室温においてもＭＲ比を十分に向上させることができる。
【００４２】
なお、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃは、厚さが３ｎｍ以下であることが好ましい。挿入層は抵抗となるために大きな磁気抵抗比を得るためには十分薄い膜である必要がある。同時に挿入層として効果を得るためには十分厚い膜である必要がある。３ｎｍ以下では挿入層の効果と磁気抵抗による出力のバランスにより、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００４３】
また、強磁性層（第一の強磁性層４、第二の強磁性層６）として、強磁性材料の中でもハーフメタル特性を有するホイスラー合金が有望である。なかでも、Ｃｏ系ホイスラー合金においては、キュリー温度が非常に高いため室温においてもハーフメタル特性を発揮することが可能である。
【００４４】
さらには、Ｃｏ系ホイスラー合金として、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａＳｎ、Ｃｏ２ＦｅＧｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅＳｉ、Ｃｏ２ＣｒＩｎ、Ｃｏ２ＣｒＳｎ等のホイスラー合金から成ることができる。これらは、Ｆｅ２ＴｉＳｉと格子整合性が良好であることから、室温においてもハーフメタル特性を発揮し、高いＭＲ比を得ることが可能である。
【００４５】
また、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できると考えられる。
【００４６】
また、非磁性材料５Ｂとしては、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２などが好適である。これらは、Ｆｅ２ＴｉＳｉと格子整合性が良好であることから、室温においてもハーフメタル特性を発揮し、高いＭＲ比を得ることが可能である。
【００４７】
また、非磁性材料５Ｂとしては、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＧａ２Ｏ４などが好適である。これらは、Ｆｅ２ＴｉＳｉと格子整合性が良好であることから、室温においてもハーフメタル特性を発揮し、高いＭＲ比を得ることが可能である。
【００４８】
また、非磁性材料５Ｂとしては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含んでなることが好適である。これらは、Ｆｅ２ＴｉＳｉと格子整合性が良好であることから、非磁性材料５Ｂを非磁性金属材料としたＧＭＲ素子においても同様な効果が期待でき、室温においてもハーフメタル特性を発揮し、高いＭＲ比を得ることが可能である。
【００４９】
以上の通り、実施形態１における磁気抵抗効果素子１００において、室温においても高いＭＲ比を得ることが可能である。
【００５０】
次に実施形態２について説明する。図２は、実施形態２に係る磁気抵抗効果素子２００の断面図である。実施形態２は、図１の構造において、第一の挿入層及び第二の挿入層の代わりに、第一の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に第三の挿入層を備え、第二の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に第四の挿入層を備える。第三の挿入層及び第四の挿入層は、Ｆｅ２ＴｉＳｉである。なお、その他の材料及び構造は、実施形態１で示したものと同じである。
【００５１】
実施形態２の優位性について説明する。
【００５２】
実施形態２における第二の磁気抵抗効果素子２００では、磁化固定層としての第一の強磁性層４と、磁化自由層としての第二の強磁性層６と、第一の強磁性層４と第二の強磁性層６との間に設けられた非磁性スペーサ層５と、第一の強磁性層４の非磁性スペーサ層５と接する面の反対側の面に設けられた第三の挿入層４０Ｃと、第二の強磁性層６の非磁性スペーサ層５と接する面の反対側の面に設けられた第四の挿入層６０Ｃと、を備え、第三の挿入層４０Ｃ及び第四の挿入層６０Ｃは、Ｆｅ２ＴｉＳｉである。
【００５３】
ハーフメタル特性を有するホイスラー合金において、積層界面付近では格子不整合による格子歪みや原子拡散等の原子配列の乱れにより、キュリー温度が低く電子バンドが不安定になり易い。その結果、ハーフメタル特性が損なわれ、室温での磁気抵抗比を大きくすることが難しい。
【００５４】
実施形態２における磁気抵抗効果素子２００では、第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６が、それぞれ第三の挿入層４０Ｃ及び第四の挿入層６０Ｃと接した積層構造を取る。これにより、第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６において、それぞれ片面側が、格子整合性が良い第三の挿入層４０Ｃ及び第四の挿入層６０Ｃと接するため、挿入層を有さない単層のホイスラー合金とした時に比べて、電子バンドが安定化しやすい。これにより、温度特性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【００５５】
また、第三の挿入層及び第四の挿入層であるＦｅ２ＴｉＳｉは、実施形態１で記載したＣｏ系ホイスラー合金と類似した結晶構造であるため、強磁性層の電子バンドが安定化し、これにより温度依存性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【００５６】
また、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できると考えられる。
【００５７】
さらには、第三の挿入層及び第四の挿入層の厚さが１ｎｍ以上であることが好ましい。１ｎｍ以上の厚みを有することで、効果的に強磁性層（第一の強磁性層４、第二の強磁性層６）と良好な格子整合性が実現でき、その結果、挿入層を有さない単層のホイスラー合金とした時に比べて、電子バンドが安定化しやすい。これにより、温度特性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【００５８】
次に実施形態３について説明する。図３は、実施形態３に係る磁気抵抗効果素子３００の断面図である。実施形態３は、図１の構造において、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃを設けずに、第二の強磁性層６として、非磁性スペーサ層５（５Ｂ）に接する第一ホイスラー層６０Ａと、第一ホイスラー層６０Ａと接し、第一ホイスラー層６０Ａと組成が異なる第二ホイスラー層６０Ｂとした磁気抵抗効果素子である。なお、その他の材料及び構造は、実施形態１に示したものと同じである。
【００５９】
実施形態３の優位性について説明する。
【００６０】
実施形態３における第三の磁気抵抗効果素子３００では、磁化固定層としての第一の強磁性層と、磁化自由層としての第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層と、を備え、第一の強磁性層と第二の強磁性層の少なくとも一方は、非磁性スペーサ層に接する第一ホイスラー層と、第一ホイスラー層と接し、第一ホイスラー層と組成が異なる第二ホイスラー層とを有する。
【００６１】
ここで、ハーフメタル特性を有するホイスラー合金において、積層界面付近では格子不整合による格子歪みや原子拡散等の原子配列の乱れにより、キュリー温度が低く電子バンドが不安定になり易い。その結果、ハーフメタル特性が損なわれ、室温での磁気抵抗比を大きくすることが難しい。
【００６２】
実施形態３における磁気抵抗効果素子３００では、第二の強磁性層６が第一ホイスラー層６０Ａと第二ホイスラー層６０Ｂと積層した構造を取る。これにより、第一ホイスラー層６０Ａと第二ホイスラー層６０Ｂにおいて、それぞれ片面側が類似した結晶構造を持つ第一ホイスラー層６０Ａと第二ホイスラー層６０Ｂとが接するため、強磁性層を単層のホイスラー合金とした時に比べて、強磁性層の電子バンドが安定化しやすい。これにより、温度特性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【００６３】
また、第一ホイスラー層６０Ａは、Ｃｏ２ＦｅＳｉであることが好ましい。このＣｏ２ＦｅＳｉはＣｏ系ホイスラーの中でもキュリー温度が高く、磁気抵抗効果素子の製造過程における高温処理にも耐えうる。この場合、４００℃のアニール処理を行っても磁気抵抗比の劣化が抑えられて、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００６４】
また、第二ホイスラー層６０Ｂは、Ｃｏ２ＭｎＳｉであることが好ましい。このＣｏ２ＭｎＳｉは第一ホイスラー層６０Ａと同様にＣｏ２ＦｅＳｉと同じくＣｏ系ホイスラーの中でもキュリー温度が高く、磁気抵抗効果素子の製造過程における高温処理にも耐えうる。この場合、４００℃のアニール処理を行っても磁気抵抗比の劣化が抑えられて、高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００６５】
なお、Ｃｏ２ＭｎＳｉ及び、Ｃｏ２ＦｅＳｉにおいては、４００℃の高温アニールに耐えうるものの、更に高温でのアニールを行う必要性が発生した場合、両者を比べた時に、まず初めにＣｏ２ＭｎＳｉのＭｎが拡散する可能性が考えられる。この場合、Ｃｏ２ＭｎＳｉが非磁性スペーサ層５と接していた場合には、非磁性スペーサ層へＭｎが拡散し、結果として、磁気抵抗効果が低下することが予想される。そのため、第一ホイスラー層６０ＡをＣｏ２ＦｅＳｉ、第二ホイスラー層６０ＢをＣｏ２ＭｎＳｉとすることにより、第二ホイスラー層６０ＢのＭｎが、非磁性スペーサ層５へ拡散することを防ぐことができる。即ち、第一ホイスラー層６０ＡのＣｏ２ＦｅＳｉがＭｎ拡散防止層として機能する。
【００６６】
よって、第一ホイスラー層６０ＡをＣｏ２ＦｅＳｉ、第二ホイスラー層６０ＢをＣｏ２ＭｎＳｉとすることで、磁気抵抗効果素子の製造過程における高温でのアニール処理を行っても、磁気抵抗比の劣化が抑えられて、室温でも高い磁気抵抗比を得ることができる。
【００６７】
また、Ｃｏ２ＭｎＳｉとＣｏ２ＦｅＳｉを接合させた場合も、互いの電子状態が影響しあい、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できると考えられる。
【００６８】
以上の通り、実施形態３における磁気抵抗効果素子３００において、室温においても高いＭＲ比を得ることが可能である。
【００６９】
なお、図示しないが、実施形態３において、第二の強磁性層６として、非磁性スペーサ層５（５Ｂ）に接する第一ホイスラー層６０Ａと、第一ホイスラー層６０Ａと接し、第一ホイスラー層６０Ａと組成が異なる第二ホイスラー層６０Ｂとした磁気抵抗効果素子を開示したが、第一の強磁性層４において、非磁性スペーサ層５（５Ｂ）に接する第一ホイスラー層４０Ａと、第一ホイスラー層４０Ａと接し、第一ホイスラー層４０Ａと組成が異なる第二ホイスラー層４０Ｂとすることも、実施形態３と同様な効果が期待できる。さらには、第一の強磁性層４と第二の強磁性層６の両方において第一ホイスラー層４０Ａ及び６０Ａ、第二ホイスラー層４０Ｂ及び６０Ｂを設けることも上記の理由により効果が期待できるのは言うまでもない。
【００７０】
図４は磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッドの再生部の断面構成を示す図である。
【００７１】
この磁気ヘッドは、図１に示した磁気抵抗効果素子ＭＲを備えている。詳細には、磁気ヘッドは、下部磁気シールド２１と、磁気シールド上に固定された磁気抵抗効果素子ＭＲと、磁気抵抗効果素子ＭＲの上部に固定された上部磁気シールド２２と、上部磁気シールド２２の周囲に固定された側部磁気シールド２３とを備えている。磁気シールドは、ＮｉＦｅなどから構成される。このような構造の磁気ヘッドは、公知であり、米国特許５，６９５，６９７号に記載されるので、これを参照することができる。
【００７２】
図５は磁気抵抗効果素子ＭＲを有する磁気ヘッドの断面構成を示す図である。
【００７３】
この磁気記録ヘッドは、主磁極６１と、環流磁極６２と、主磁極６１に併置されたスピントルク発振子（発振素子）１０とを備えている。スピントルク発振子１０は、上述の磁気ヘッドと同様の構造であり、磁気抵抗効果素子ＭＲの上下に下部磁気シールド２１及び上部磁気シールド２２を電極として配置した構造となっている。
【００７４】
主磁極６１の基端部にはコイル６３が巻かれているので、電流源ＩＲに駆動電流を供給すると、主磁極６１の周囲に書き込み磁界が発生する。発生した磁界は磁極を通って閉磁路を構成する。
【００７５】
磁気抵抗効果素子ＭＲを含むスピントルク発振子１０の上下の電極間に直流電流を通電すると、スピン注入層によって生じたスピントルクにより、強磁性共鳴が生じ、スピントルク発振子１０から高周波磁界が発生する。主磁極６１による記録磁界と、スピントルク発振子１０による高周波磁界とが重畳した部分のみで、これらに対向する磁気記録媒体８０に対して、高密度磁気記録が行われる。このような構造の磁気記録ヘッドは、公知であり、特許第５１７３７５０号に記載されているので、これを参照することができる。
【００７６】
図６は複数の磁気抵抗効果素子を有する電流センサの構造を示す図である。
【００７７】
この電流センサは、複数の磁気抵抗効果素子ＭＲを電気的に接続してなるブリッジ回路から構成される。同図では、４つの磁気抵抗効果素子ＭＲによって、ブリッジ回路が構成されており、グランド電位と電源電位Ｖｄｄとの間には、直列に２つの磁気抵抗効果素子ＭＲが接続されてなる回路列が、２つ並列に接続されている。それぞれの２つの磁気抵抗効果素子ＭＲの接続点が、それぞれ第１出力端子Ｏｕｔ１、第２出力端子Ｏｕｔ２となり、これらの間の電圧が出力信号となる。
【００７８】
被測定対象の電線は、Ｚ軸方向に沿って延びているとすると、電線の周囲には磁界が発生し、磁界の大きさに応じて、磁気抵抗効果素子ＭＲの抵抗値が変化する。出力信号の大きさは、磁界の大きさ、すなわち、電線を流れる電流量に従うので、この装置は、電流センサとして機能することができる。なお、この装置は、直接的には、磁界の大きさを検出する磁気センサとしても機能している。
【００７９】
図７は複数の磁気抵抗効果素子を有する高周波フィルタの構造を示す図である。
【００８０】
高周波フィルタは、複数の磁気抵抗効果素子ＭＲを電気的に並列に接続したものである。すなわち、磁気抵抗効果素子ＭＲの上部電極（シールド電極又はコンタクト電極）同士を接続し、又は、共通化すると共に、磁気抵抗効果素子ＭＲの下部電極（シールド電極又は第１非磁性金属層）同士を接続し、又は、共通化する。
【００８１】
複数の磁気抵抗効果素子ＭＲは、水平断面積（ＸＹ平面内断面積）がそれぞれ異なるため、共鳴周波数が異なる。入力端子Ｉｎから高周波信号が入力されると、入力された高周波信号のうち、各磁気抵抗効果素子ＭＲは、各自の共鳴周波数と同じ周波数の信号成分を吸収し、残りの高周波信号成分が出力端子Ｏｕｔから出力される。したがって、この装置は、高周波フィルタとして機能する。このような構造の装置は、公知であり、例えば、国際公開ＷＯ２０１１／０３３６６４号公報に記載されているので、これを参照することができる。
【００８２】
なお、図１の磁気抵抗効果素子は、以下のように製造することができる。
【００８３】
まず、第１基材層１上に、第１非磁性金属層２、第２非磁性金属層３、第一の強磁性層４、非磁性スペーサ層５と、第二の強磁性層６、キャップ用非磁性金属層７、コンタクト用金属層８を順次堆積する。なお、非磁性スペーサ層５は、第一の強磁性層４上に、第一の挿入層５Ａ、非磁性材料５Ｂ、第二の挿入層５Ｃを堆積して形成する。
【００８４】
この堆積には、公知の技術であるスパッタ法にて堆積した。本実施例では、各層の構成材料からなるスパッタ用のターゲットを用い、超高真空スパッタ装置を用いて、各層を室温にて成膜することにより形成したが、２つ以上のスパッタ用ターゲットを同時に用いることもできる。すなわち、異なる材料ＡとＢの２つ（以上）のターゲットを用いて、ターゲットを同時スパッタすることで、ＡとＢの合金膜や、各層の材料組成を調整することも可能である。なお、第一の強磁性層４は、成膜後に５００℃でアニーリング処理を行っている。第二の強磁性層６は、成膜後に４５０℃でアニーリング処理を行っている。磁気抵抗効果素子は、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーおよびＡｒイオンミリングにより、磁気抵抗特性を評価可能な形状に微細加工される。なお、スパッタ装置を用いたＣｏ２ＭｎＳｉ等の作製方法は、例えば、米国特許出願公開２００７／０２３００７０号公報、米国特許出願公開２０１３／０２２９８９５号公報、米国特許出願公開２０１４／００６３６４８号公報、米国特許出願公開２００７／０２１１３９１号公報、米国特許出願公開２０１３／０３３５８４７号公報などに記載されている。
【００８５】
以上、説明したように、本発明の磁気抵抗効果素子によれば、温度依存性が改善され室温で大きいＭＲ比を得ることができ、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ又は発振素子は、磁気抵抗効果が大きいため、これに起因する優れた特性を発揮することができる。
【００８６】
また、第一の挿入層及び／又は第二の挿入層の結晶構造は、安定して立方晶系の結晶構造を取ることができる。その結果、非磁性スペーサ層と第一の強磁性層及び／又は第二の強磁性層とをより高い結晶品質で積層することができるため、より大きな磁気抵抗効果が発揮される。なお、非磁性スペーサ層は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含んでいてもよい。この場合、高い磁気抵抗比を得ることができる。非磁性スペーサ層は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２或いは、スピネル構造のトンネルバリアであってもよい。この場合、高い磁気抵抗比を得ることができる。また、スピネル構造のトンネルバリアは、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＧａ２Ｏ４のいずれか一つか、これらの一つを主成分とする混晶構造であってもよい。この場合、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２を用いた場合よりも、さらに大きな磁気抵抗比を得ることができる。
【００８７】
次に、Ｆｅ２ＴｉＳｉを用いた場合の効果について、考察する。
【００８８】
図８は、磁気抵抗効果素子の材料とＭＲ比の関係を示す図表である。
【００８９】
上述のように、図１に示した構造の磁気抵抗効果素子は、第一の強磁性層４と、第一の挿入層５Ａと、非磁性材料５Ｂと、第二の挿入層５Ｃと、第二の強磁性層６とを備えている。実験例の材料と厚み（括弧内に示す）は、以下の通りである。
【００９０】
（実施例１）
【００９１】
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｆｅ（６ｎｍ）
・第二の挿入層５Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（Ｘｎｍ）
・非磁性材料５Ｂ：Ａｇ（２ｎｍ）
・第一の挿入層５Ａ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（Ｘｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
なお、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃの厚みをそれぞれＸｎｍとし、Ｘの値に応じて、実施例１−１（Ｘ＝１の場合）、実施例１−２（Ｘ＝３の場合）、実施例１−３（Ｘ＝５の場合）と規定する。
【００９２】
（比較例１）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｆｅ（６ｎｍ）
・第二の挿入層５Ｃ：無し
・非磁性材料５Ｂ：Ａｇ（２ｎｍ）
・第一の挿入層５Ａ：無し
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【００９３】
（比較例２）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・第二の挿入層５Ｃ：無し
・非磁性材料５Ｂ：Ａｇ（２ｎｍ）
・第一の挿入層５Ａ：無し
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【００９４】
（比較例３）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・第二の挿入層５Ｃ：無し
・非磁性材料５Ｂ：ＭｇＯ（２ｎｍ）
・第一の挿入層５Ａ：無し
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
なお、比較例１〜比較例３は、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃを備えないもので、比較例２においては、比較例１と比べて、第一及び第二の強磁性層の材料が異なり、比較例３においては、比較例２と比べて、非磁性材料５Ｂの材料が異なる。
【００９５】
（実施例２）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・第二の挿入層５Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（１ｎｍ）
・非磁性材料５Ｂ：金属材料Ｍ＊（２ｎｍ）
・第一の挿入層５Ａ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（１ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【００９６】
実施例２においては、非磁性材料５Ｂの金属材料Ｍ＊を変えており、金属材料Ｍ＊に応じて、実施例２−１（金属材料Ｍ＊＝Ａｇの場合）、実施例２−２（金属材料Ｍ＊＝Ａｕの場合）、実施例２−３（金属材料Ｍ＊＝Ｃｕの場合）、実施例２−４（金属材料Ｍ＊＝Ｃｒの場合）、実施例２−５（金属材料Ｍ＊＝Ａｌの場合）、実施例２−６（金属材料Ｍ＊＝Ｐｔの場合）、実施例２−７（金属材料Ｍ＊＝Ｖの場合）、実施例２−８（金属材料Ｍ＊＝Ｗの場合）と規定する。
【００９７】
（実施例３）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・第二の挿入層５Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（１ｎｍ）
・非磁性材料５Ｂ：金属酸化物材料Ｏ＊（２ｎｍ）
・第一の挿入層５Ａ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（１ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【００９８】
実施例３においては、非磁性材料５Ｂの金属酸化物材料Ｏ＊を変えており、金属酸化物材料Ｏ＊に応じて、実施例３−１（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＭｇＯの場合）、実施例３−２（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＴｉＯ２の場合）、実施例３−３（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＨｆＯ２の場合）と規定する。なお、これらのＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆは、いずれも第４族の遷移金属元素に属し、類似の化学的性質を有する。
【００９９】
（実施例４）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・第二の挿入層５Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（１ｎｍ）
・非磁性材料５Ｂ：１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊（２ｎｍ）
・第一の挿入層５Ａ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（１ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１００】
実施例４においては、非磁性材料５Ｂの１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊を変えており、１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊に応じて、実施例４−１（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＭｇＡｌ２Ｏ４の場合）、実施例４−２（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＺｎＡｌ２Ｏ４の場合）、実施例４−３（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝γ−Ａｌ２Ｏ３の場合）、実施例４−４（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＭｇＧａ２Ｏ４の場合）と規定する。
【０１０１】
図８では、各層間の格子不整合率Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を、ＭＲ比及び評価と共に示している。各材料の格子定数を以下のように設定する。
・第二の強磁性層６：格子定数対応基準値ａＦ
・第二の挿入層５Ｃ：格子定数対応基準値ａＩ
・非磁性材料５Ｂ：格子定数対応基準値ａＮ
・第一の挿入層５Ａ：格子定数対応基準値ａＩ
・第一の強磁性層４：格子定数対応基準値ａＦ
【０１０２】
なお、格子不整合率＝（（Ａ２−Ａ１）／Ａ１）×１００（％）であり、Ａ１は一方の格子定数対応基準であり、Ａ２は他方の格子定数対応基準値であって、格子定数対応基準値とは、それぞれ層の結晶面が０度傾いて整合するときは格子定数ａのｎ倍（ｎは正の整数）、又はａの１／ｎ倍（ｎは正の整数）であり、４５度傾いて整合するときは、ａに２の平方根を掛けた値を意味する。要するに、隣接した層が接触する場合に、各層のＸＹ平面内での原子間の距離Ｄ１と、各層のＸＹ平面内での原子間の距離Ｄ２がある場合には、Ｄ１とＤ２の差が最小となる組み合わせをとった場合の格子不整合率である。
【０１０３】
具体的には、格子不整合率Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の定義は、以下の通りである。
・Ｒ１＝（（ａＮ−ａＦ）／ａＦ）×１００（％）
・Ｒ２＝（（ａＩ−ａＦ）／ａＦ）×１００（％）
・Ｒ３＝（（ａＮ−ａＩ）／ａＩ）×１００（％）
【０１０４】
また、評価Ａ，Ｂの定義は、以下の通りである。
・評価Ａ：Ｒ１に対する格子整合率の向上があり、ＭＲ比が比較例１よりも、向上している。
・評価Ｂ：ＭＲ比が比較例１よりも、向上している。
【０１０５】
なお、ホイスラー合金を用いるなど、フェルミ面が電子バンドの中央に移動する場合には、その影響によっても、ＭＲ比は向上する。
【０１０６】
以上の実施例１〜実施例４を見るに、実施例１のＭＲ比は、比較例１よりも高いため、挿入層を用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝１．９％〜２．８％）していることが分かる。実施例１の場合、評価Ｂであり、この理由は、第一（第二）の挿入層５Ａ（５Ｃ）であるＦｅ２ＴｉＳｉにより、第一（第二）の強磁性層４（６）と非磁性材料５Ｂの電子バンドの界面性が改善されたためと考えられる。
【０１０７】
実施例２のＭＲ比は、比較例２よりも高いため、挿入層を用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝１０．１％〜１９．１％）していることが分かる。この理由は、評価Ａのものについては、格子整合率の向上に加え、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できたためと考えられる。評価Ｂのものは、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できたためと考えられる。
【０１０８】
実施例３のＭＲ比は、実施例２及び比較例３よりも高いため、挿入層に加えて、金属酸化物の非磁性材料を用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝３９％〜７４％）していることが分かる。この理由は、評価Ａのものについては、格子整合率の向上に加え、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できたためと考えられる。評価Ｂのものは、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できたためと考えられる。
【０１０９】
実施例４のＭＲ比は、実施例３よりも高いため、非磁性材料５Ｂを１３族金属含有酸化物材料に変更することで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝１．９％〜２．８％）していることが分かる。この理由は、評価Ａのものについては、格子整合率の向上に加え、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できたためと考えられる。評価Ｂのものは、Ｆｅ２ＴｉＳｉをホイスラー合金と接合させると、ホイスラー合金のハーフメタルのフェルミ面が移動し、電子バンドの中央に移動するためハーフメタル特性や出力の温度依存性が軽減できたためと考えられる。
【０１１０】
なお、実施例１−１〜実施例１−３を比較すると、挿入層が薄いほどＭＲ比が高くなっている。各挿入層の厚みが、それぞれ３ｎｍを超えた場合、ＭＲ比は下がる。なぜならば、スピン拡散が起こるためである。なお、第一の挿入層の厚みは、１ｎｍ以上であると好ましい。第一の挿入層の厚みは、ＭＲ比に影響を与え、厚いほどＭＲ比が大きくなる。この厚みが、３ｎｍを超えた場合、ＭＲ比は下がる。なぜならば、スピン拡散が起こるためだからである。なお、第二の挿入層の厚みは、１ｎｍ以上であると好ましい。第二の挿入層の厚みは、ＭＲ比に影響を与え、厚いほどＭＲ比が大きくなる。この厚みが、３ｎｍを超えた場合、ＭＲ比は下がる。なぜならば、スピン拡散が起こるためだからである。
【０１１１】
実施例２−１〜実施例２−８を比較すると、非磁性材料５ＢとしてＡｇを用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の金属もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１１２】
実施例３−１〜実施例３−３を比較すると、非磁性材料５Ｂとして、ＭｇＯを用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の金属酸化物もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１１３】
実施例４−１〜実施例４−４を比較すると、非磁性材料５Ｂとして、ＭｇＡｌ２Ｏ４を用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の１３族金属含有酸化物材料もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１１４】
なお、図９は、各種材料の格子定数ａを示す図表を示している。非磁性材料５Ｂとしては、Ａｇの他、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｖ、Ｗ、Ｆｅ２ＴｉＳｉ、Ｆｅ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、又は、ＭｇＧａ２Ｏ４を用いることができる。
【０１１５】
図１０は、各種材料の格子定数を示す図表である。第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６としては、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａ０．５Ｓｎ０．５、Ｃｏ２ＦｅＧｅＧａ、又は、Ｆｅ２ＴｉＳｉなどを用いることができる。なお、強磁性層が、隣接する挿入層と共通の元素を含む場合には、当該元素の移動量が少なくなると考えらえる。
【０１１６】
図１１は、磁気抵抗効果素子の材料とＭＲ比の関係を示す図表である。
【０１１７】
上述の図２の構造では、図１の構造において、第一の挿入層及び第二の挿入層の代わりに、第一の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に第三の挿入層４０Ｃを備え、第二の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に第四の挿入層６０Ｃを備えるものである。第三の挿入層及び第四の挿入層は、Ｆｅ２ＴｉＳｉである。
【０１１８】
実施例５〜８の材料と厚み（括弧内に示す）は、以下の通りである。
【０１１９】
（実施例５）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第四の挿入層６０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（Ｘｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｆｅ（６ｎｍ）
・非磁性材料５（５Ｂ）：Ａｇ（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第三の挿入層４０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（Ｘｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１２０】
なお、第三の挿入層４０Ｃ及び第四の挿入層６０Ｃの厚みをそれぞれＸｎｍとし、Ｘの値に応じて、実施例５−１（Ｘ＝０．２の場合）、実施例５−２（Ｘ＝０．５の場合）、実施例５−３（Ｘ＝１の場合）、実施例５−４（Ｘ＝２の場合）、実施例５−５（Ｘ＝３の場合）と規定する。
【０１２１】
（実施例６）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第四の挿入層６０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（２ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・非磁性材料５（５Ｂ）：金属材料Ｍ＊（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第三の挿入層４０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（２ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１２２】
実施例６においては、非磁性材料６Ｂの金属材料Ｍ＊を変えており、金属材料Ｍ＊に応じて、実施例６−１（金属材料Ｍ＊＝Ａｇの場合）、実施例６−２（金属材料Ｍ＊＝Ａｕの場合）、実施例６−３（金属材料Ｍ＊＝Ｃｕの場合）、実施例６−４（金属材料Ｍ＊＝Ｃｒの場合）、実施例６−５（金属材料Ｍ＊＝Ａｌの場合）、実施例６−６（金属材料Ｍ＊＝Ｐｔの場合）、実施例６−７（金属材料Ｍ＊＝Ｖの場合）、実施例６−８（金属材料Ｍ＊＝Ｗの場合）と規定する。
【０１２３】
（実施例７）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第四の挿入層６０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（２ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・非磁性材料５（５Ｂ）：金属酸化物材料Ｏ＊（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第三の挿入層４０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（２ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１２４】
実施例７においては、非磁性材料５Ｂの金属酸化物材料Ｏ＊を変えており、金属酸化物材料Ｏ＊に応じて、実施例７−１（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＭｇＯの場合）、実施例７−２（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＴｉＯ２の場合）、実施例７−３（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＨｆＯ２の場合）と規定する。なお、これらのＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆは、いずれも第４族の遷移金属元素に属し、類似の化学的性質を有する。
【０１２５】
（実施例８）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第四の挿入層６０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（２ｎｍ）
・第二の強磁性層６：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）
・非磁性材料５（５Ｂ）：１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（１０ｎｍ）
・第三の挿入層４０Ｃ：Ｆｅ２ＴｉＳｉ（２ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１２６】
実施例８においては、非磁性材料５Ｂの１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊を変えており、１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊に応じて、実施例８−１（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＭｇＡｌ２Ｏ４の場合）、実施例８−２（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＺｎＡｌ２Ｏ４の場合）、実施例８−３（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝γ−Ａｌ２Ｏ３の場合）、実施例８−４（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＭｇＧａ２Ｏ４の場合）と規定する。
【０１２７】
図１２は、各種材料の格子定数と格子不整合率を示す図表である。
【０１２８】
実施例５〜実施例８においては、挿入層Ｆｅ２ＴｉＳｉは、強磁性層に接触している。上述のように、強磁性層の材料としては、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａ０．５Ｓｎ０．５、Ｃｏ２ＦｅＧｅＧａ、又は、Ｆｅ２ＴｉＳｉなどを用いることができる。これらの材料の場合、格子不整合率の絶対値を０．０％以上〜４．２％以下に抑えることができる。
【０１２９】
図１１及び図１２では、各層間の格子不整合率Ｒ４を、記載している。
・第四の挿入層６０Ｃ：格子定数対応基準値ａＩ
・第二の強磁性層６：格子定数対応基準値ａＦ
・第一の強磁性層４：格子定数対応基準値ａＦ
・第三の挿入層４０Ｃ：格子定数対応基準値ａＩ
なお、格子不整合率＝（（Ａ２−Ａ１）／Ａ１）×１００（％）であり、Ａ１は一方の格子定数対応基準であり、Ａ２は他方の格子定数対応基準値であって、格子定数対応基準値とは、それぞれ層の結晶面が０度傾いて整合するときは格子定数ａのｎ倍（ｎは正の整数）、又はａの１／ｎ倍（ｎは正の整数）であり、４５度傾いて整合するときは、ａに２の平方根を掛けた値を意味する。要するに、隣接した層が接触する場合に、各層のＸＹ平面内での原子間の距離Ｄ１と、各層のＸＹ平面内での原子間の距離Ｄ２がある場合には、Ｄ１とＤ２の差が最小となる組み合わせをとった場合の格子不整合率である。
【０１３０】
具体的には、格子不整合率Ｒ４の定義は、以下の通りである。
・Ｒ４＝（（ａＩ−ａＦ）／ａＦ）×１００（％）
【０１３１】
以上、図１１に示した実施例５〜実施例８を見るに、実施例５のＭＲ比は、比較例１よりも高いため、挿入層を用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝１．７％〜２．６％）していることが分かる。第三の挿入層の厚みは、ＭＲ比に影響を与え、厚いほどＭＲ比が大きくなる。なお、第三の挿入層の厚みは、１ｎｍ以上であると好ましい。第四の挿入層の厚みは、ＭＲ比に影響を与え、厚いほどＭＲ比が大きくなる。なお、第四の挿入層の厚みは、１ｎｍ以上であると好ましい。
【０１３２】
実施例６のＭＲ比は、比較例２よりも高いため、挿入層を用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝９．０％〜１５．１％）していることが分かる。なお、第一の強磁性層４の材料（Ｃｏ２ＭｎＳｉ）は、ＭＲ比に影響を与える。また、第二の強磁性層６の材料（Ｃｏ２ＭｎＳｉ）は、ＭＲ比に影響を与える。これらの材料が、Ｆｅに比べて、ＭＲ比を向上させた理由は、スピン分極率の大きい材料であるからある。
【０１３３】
実施例７のＭＲ比は、実施例６及び比較例３よりも高いため、挿入層に加えて、金属酸化物の非磁性材料を用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝４０％〜５２％）していることが分かる。
【０１３４】
実施例８のＭＲ比は、実施例８−３（非磁性材料５Ｂ＝アルミナ）を除いて、実施例７のＭＲ比よりも高いため、非磁性材料５Ｂを１３族金属含有酸化物材料に変更することで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝４３％〜７４％）していることが分かる。
【０１３５】
実施例７及び実施例８に記載の非磁性材料は、酸化物であり、これらの材料の場合には、ＡｇよりもＭＲ比を向上させることができる。なぜならば、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＧａ２Ｏ４などの酸化物の場合、コヒーレント・トンネル効果が得られるからである。
【０１３６】
なお、実施例５−１〜実施例５−５を比較すると、挿入層が厚いほどＭＲ比が高くなっている。
【０１３７】
実施例６−１〜実施例６−８を比較すると、非磁性材料５ＢとしてＡｕを用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の金属もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１３８】
実施例７−１〜実施例７−３を比較すると、非磁性材料５Ｂとして、ＭｇＯを用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の金属酸化物もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１３９】
実施例８−１〜実施例８−４を比較すると、非磁性材料５Ｂとして、ＭｇＡｌ２Ｏ４を用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の１３族金属含有酸化物材料もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１４０】
図１３は、磁気抵抗効果素子の材料とＭＲ比の関係を示す図表である。上述の図３の構造では、図１の構造において、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃを設けずに、第二の強磁性層６として、非磁性スペーサ層５（５Ｂ）に接する第一ホイスラー層６０Ａと、第一ホイスラー層６０Ａと接し、第一ホイスラー層６０Ａと組成が異なる第二ホイスラー層６０Ｂとした磁気抵抗効果素子である。なお、その他の材料及び構造は、実施形態１に示したものと同じである。
【０１４１】
実施例９〜１３の材料と厚み（括弧内に示す）は、以下の通りである。
【０１４２】
（実施例９）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二ホイスラー層６０Ｂ：ＮｉＭｎＳｂ（３ｎｍ）
・第一ホイスラー層６０Ａ：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（３ｎｍ）
・非磁性材料５Ｂ：Ａｇ（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１４３】
（実施例１０）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二ホイスラー層６０Ｂ：ＮｉＭｎＳｂ（３ｎｍ）
・第一ホイスラー層６０Ａ：Ｃｏ２ＦｅＳｉ（３ｎｍ）
・非磁性材料５Ｂ：Ａｇ（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１４４】
（実施例１１）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二ホイスラー層６０Ｂ：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（３ｎｍ）
・第一ホイスラー層６０Ａ：Ｃｏ２ＦｅＳｉ（３ｎｍ）
・非磁性材料５（５Ｂ）：金属材料Ｍ＊（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１４５】
実施例１１においては、非磁性材料５Ｂの金属材料Ｍ＊を変えており、金属材料Ｍ＊に応じて、実施例１１−１（金属材料Ｍ＊＝Ａｇの場合）、実施例１１−２（金属材料Ｍ＊＝Ａｕの場合）、実施例１１−３（金属材料Ｍ＊＝Ｃｕの場合）、実施例１１−４（金属材料Ｍ＊＝Ｃｒの場合）、実施例１１−５（金属材料Ｍ＊＝Ａｌの場合）、実施例１１−６（金属材料Ｍ＊＝Ｐｔの場合）、実施例１１−７（金属材料Ｍ＊＝Ｖの場合）、実施例１１−８（金属材料Ｍ＊＝Ｗの場合）と規定する。
【０１４６】
（実施例１２）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二ホイスラー層６０Ｂ：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（３ｎｍ）
・第一ホイスラー層６０Ａ：Ｃｏ２ＦｅＳｉ（ｎｍ）
・非磁性材料５（５Ｂ）：金属酸化物材料Ｏ＊（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１４７】
実施例１２においては、非磁性材料５Ｂの金属酸化物材料Ｏ＊を変えており、金属酸化物材料Ｏ＊に応じて、実施例１２−１（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＭｇＯの場合）、実施例１２−２（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＴｉＯ２の場合）、実施例１２−３（金属酸化物材料Ｏ＊＝ＨｆＯ２の場合）と規定する。なお、これらのＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆは、いずれも第４族の遷移金属元素に属し、類似の化学的性質を有する。
【０１４８】
（実施例１３）
・コンタクト用金属層８：Ｒｕ（５ｎｍ）
・キャップ用非磁性金属層７：Ａｇ（５ｎｍ）
・第二ホイスラー層６０Ｂ：Ｃｏ２ＭｎＳｉ（３ｎｍ）
・第一ホイスラー層６０Ａ：Ｃｏ２ＦｅＳｉ（３ｎｍ）
・非磁性材料５（５Ｂ）：１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊（２ｎｍ）
・第一の強磁性層４：Ｆｅ（１０ｎｍ）
・第２非磁性金属層３：Ａｇ（５０ｎｍ）
・第１非磁性金属層２：Ｃｒ（２０ｎｍ）
・第１基材層１：ＭｇＯ（０．５ｍｍ）
【０１４９】
実施例１３においては、非磁性材料５Ｂの１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊を変えており、１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊に応じて、実施例１３−１（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＭｇＡｌ２Ｏ４の場合）、実施例１３−２（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＺｎＡｌ２Ｏ４の場合）、実施例１３−３（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝γ−Ａｌ２Ｏ３の場合）、実施例１３−４（１３族金属含有酸化物材料Ｃ＊＝ＭｇＧａ２Ｏ４の場合）と規定する。
【０１５０】
（比較例４）
【０１５１】
比較例４は、比較例１において、第二の強磁性層６をＦｅ（６ｎｍ）から、Ｃｏ２ＭｎＳｉ（６ｎｍ）に変更したものであり、その他の構成は同一である。
【０１５２】
（比較例５）
【０１５３】
比較例５は、比較例４において、非磁性材料５Ｂを、ＡｇからＭｇＯ（２ｎｍ）に変更したものであり、その他の構成は同一である。
【０１５４】
以上、図１３に示した実施例９〜実施例１３を見るに、実施例９のＭＲ比は、１種類のホイスラー層を有する比較例４よりも高いため、２種類のホイスラー層を強磁性層６として用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝４．５％）していることが分かる。この理由は、第一ホイスラー層６０Ａと第二ホイスラー層６０Ｂにおいて、それぞれ片面側が類似した結晶構造を持つ第一ホイスラー層６０Ａと第二ホイスラー層６０Ｂとが接するため、強磁性層を単層のホイスラー合金とした時に比べて、強磁性層の電子バンドが安定化しやすい。これにより、温度特性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなたためと考えられる。
【０１５５】
実施例１０のＭＲ比は、実施例９よりも高いため、ホイスラー層の材料として、Ｃｏ２ＭｎＳｉに変えて、Ｃｏ２ＦｅＳｉを用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝５．５％）していることが分かる。これは、Ｃｏ２ＦｅＳｉはＣｏ系ホイスラーの中でもキュリー温度が高く、磁気抵抗効果素子の製造過程における高温でのアニール処理を行っても、磁気抵抗比の劣化が抑えられて、室温でも高い磁気抵抗比を得ることができるためと考えられる。
【０１５６】
実施例１１のＭＲ比は、比較例４よりも高いため、非磁性材料５Ｂを別の金属に変更しても、比較例４よりは、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝６．２％〜９．５％）していることが分かる。これは、Ｃｏ２ＭｎＳｉ及び、Ｃｏ２ＦｅＳｉにおいては、４００℃の高温アニールに耐えうるものの、更に高温でのアニールを行う必要性が発生した場合、両者を比べた時に、まず初めにＣｏ２ＭｎＳｉのＭｎが拡散する可能性が考えられる。この場合、Ｃｏ２ＭｎＳｉが非磁性スペーサ層５と接していた場合には、非磁性スペーサ層へＭｎが拡散し、結果として、磁気抵抗効果が低下することが予想される。そのため、第一ホイスラー層６０ＡをＣｏ２ＦｅＳｉ、第二ホイスラー層６０ＢをＣｏ２ＭｎＳｉとすることにより、第二ホイスラー層６０ＢのＭｎが、非磁性スペーサ層５へ拡散することを防ぐことができる。即ち、第一ホイスラー層６０ＡのＣｏ２ＦｅＳｉがＭｎ拡散防止層として機能しているためと考えられる。
【０１５７】
実施例１２のＭＲ比は、実施例１１及び比較例５よりも高いため、挿入層に加えて、金属酸化物の非磁性材料５Ｂを用いることで、ＭＲ比が改善（ＭＲ比＝３１％〜３５％）していることが分かる。これは、コヒーレント・トンネル効果が得られるためと考えられる。
【０１５８】
実施例１３のＭＲ比（ＭＲ比＝２５％〜３８％）は、実施例１３−３（非磁性材料５Ｂ＝アルミナ）と実施例１３−４（非磁性材料５Ｂ＝ＭｇＧａ２Ｏ４）を除く実施例１３−１，１３−２において、実施例１２のＭＲ比よりも高いため、非磁性材料５Ｂを１３族金属含有酸化物材料に変更することで、ＭＲ比が改善していることが分かる。これは、実施例１３−１（非磁性材料５Ｂ＝ＭｇＡｌ２Ｏ４）、１３−２（非磁性材料５Ｂ＝ＺｎＡｌ２Ｏ４）と第一ホイスラー層であるＣｏ２ＦｅＳｉとの格子整合性が、実施例１３−３（非磁性材料５Ｂ＝アルミナ）と実施例１３−４（非磁性材料５Ｂ＝ＭｇＧａ２Ｏ４）よりも良好であるためと考えられる。なお、実施例１３−３、１３−４の場合も、比較例５よりは高いＭＲ比が得られている。
【０１５９】
実施例１１−１〜実施例１１−８を比較すると、非磁性材料５ＢとしてＡｕを用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の金属もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１６０】
実施例１２−１〜実施例１２−３を比較すると、非磁性材料５Ｂとして、ＭｇＯを用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の金属酸化物もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１６１】
実施例１３−１〜実施例１３−４を比較すると、非磁性材料５Ｂとして、ＭｇＡｌ２Ｏ４を用いた場合が、最もＭＲ比が高くなっているが、他の１３族金属含有酸化物材料もＭＲ比向上効果があることが分かる。
【０１６２】
上述の実験から、第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６の材料としては、ＦｅやＣｏ２ＭｎＳｉ以外であっても、図１０に記載のようなスピン分極率が大きい材料である時には、ＭＲ比の向上効果があると考えられる。
【０１６３】
以上、説明したように、実施例１〜実施例４においては、磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層４と、磁化自由層としての第二の強磁性層６と、第一の強磁性層５と第二の強磁性層６との間に設けられた非磁性スペーサ層（非磁性材料５Ｂ）と、を備え、非磁性スペーサ層は、当該非磁性スペーサ層の下面に設けられる第一の挿入層５Ａ及び当該非磁性スペーサ層の上面に設けられる第二の挿入層５Ｃの少なくとも一つと、を有し、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃは、Ｆｅ２ＴｉＳｉであり、この構造の場合、第一の挿入層５Ａと、第二の挿入層５Ｃが、非磁性材料５Ｂと強磁性層（第一の強磁性層４，第二の強磁性層６）との格子定数の差が十分小さくなり、界面における歪が緩和する緩衝層として機能し、ＭＲ比が高くなる。図１に示す構造では、この効果は、かかる原理的に基づくと、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃのいずれか一方が存在すれば、得られると考えられる。上述のように、非磁性材料の種類、挿入層の材料や厚みを変更しても、ＭＲ比の向上効果があれるが、第一の挿入層５Ａ及び第二の挿入層５Ｃは、それぞれ、厚さが３ｎｍ以下であることが好ましい。３ｎｍを超えると、スピン拡散が生じ、ＭＲ比が低下するからである。
【０１６４】
また、実施例５〜実施例８においては、磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層４と、磁化自由層としての第二の強磁性層６、第一の強磁性層と第二の強磁性層との間に設けられた非磁性スペーサ層（非磁性材料５Ｂ）と、第一の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に設けられた第三の挿入層４０Ｃと、第二の強磁性層の非磁性スペーサ層と接する面の反対側の面に設けられた第四の挿入層６０Ｃと、を備え、第三の挿入層及び前記第四の挿入層は、Ｆｅ２ＴｉＳｉである。この構造の場合、第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６が、それぞれ第三の挿入層４０Ｃ及び第四の挿入層６０Ｃと接した積層構造を取る。これにより、第一の強磁性層４及び第二の強磁性層６において、それぞれ片面側が、格子整合性が良い第三の挿入層４０Ｃ及び第四の挿入層６０Ｃと接するため、挿入層を有さない単層のホイスラー合金とした時に比べて、電子バンドが安定化しやすい。これにより、温度特性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。図２に示す構造では、双方の挿入層が存在することで、片方の挿入層が存在するときに比べて、室温でより大きな磁気抵抗比が得られる。また、上述のように、非磁性材料の種類、挿入層の材料や厚みを変更しても、ＭＲ比の向上効果があるが、第三の挿入層４０Ｃ及び第四の挿入層６０Ｃは、それぞれ、厚さが１ｎｍ以上であるが好ましい。なぜならば、１ｎｍ以上の厚みを有することで、効果的に強磁性層（第一の強磁性層４、第二の強磁性層６）と良好な格子整合性が実現でき、その結果、挿入層を有さない単層のホイスラー合金とした時に比べて、電子バンドが安定化しやすいと考えられ、これにより、温度特性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる。
【０１６５】
上述の強磁性層がホイスラー合金である場合には、スピン分極率が高くなり、ＭＲ比が高くなると考えらえる。第一の強磁性層と、第二の強磁性層の少なくともいずれか一方がホイスラー合金を含む強磁性材料であれば、ＭＲ比向上の効果が得られる。
【０１６６】
また、実施例９〜実施例１３においては、磁気抵抗効果素子は、磁化固定層としての第一の強磁性層４と、磁化自由層としての第二の強磁性層６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非磁性スペーサ層（非磁性材料５Ｂ）と、を備え、第一の強磁性層４と第二の強磁性層６の少なくとも一方は、非磁性スペーサ層に接する第一ホイスラー層６０Ａと、第一ホイスラー層６０Ａと接し、第一ホイスラー層６０Ａと組成が異なる第二ホイスラー層６０Ｂとを有しており、２種類のホイスラー層を用いることにより、第一ホイスラー層と第二ホイスラー層が類似した構造であるため、強磁性層の電子バンドが安定化し、これにより温度依存性が改善され、室温での磁気抵抗比が大きくなる（上記の実験の温度はすべて室温）。実施例９〜実施例１３においては、ホイスラー合金を構成する第一ホイスラー層はＣｏ２ＦｅＳｉであり、第二ホイスラー層はＣｏ２ＭｎＳｉであることが示され、高いＭＲ比を得ることができた。そのほかのホイスラー合金、特に、Ｃｏ系ホイスラー合金として、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２ＶＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａＳｎ、Ｃｏ２ＦｅＧｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧａＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅＳｉ、Ｃｏ２ＣｒＩｎ、Ｃｏ２ＣｒＳｎ等においても、これらの中の任意の２種類以上を選択して、積層すれば、その構造的な類似性から、強磁性層の電子バンドが安定化し、ＭＲ比が向上すると考えられる。
【０１６７】
上述の実施例２、実施例６、実施例１１では、非磁性スペーサ層として、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属元素を含んでいるものについて示したが、いずれの場合もＭＲ比の向上が観察された。
【０１６８】
また、実施例３、実施例７、実施例１２において、非磁性スペーサ層（非磁性材料５Ｂ）に関しては、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２は、スピネル構造のトンネルバリアを構成しているが、これらのいずれかの材料を用いた場合には、高いＭＲ比が得られた。実施例４、実施例８、実施例１３においては、非磁性スペーサ層（非磁性材料５Ｂ）に関しては、スピネル構造のトンネルバリアは、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＧａ２Ｏ４のいずれか一つとし、ＭＲ比の向上が観察された。この効果は、コヒーレント・トンネル効果に基づくものであると考えられるため、これらの一つを主成分とする混晶構造であっても、ＭＲ比の向上効果を奏すると考えられる。
【符号の説明】
【０１６９】
１…第１基材層、２…第１非磁性金属層、３…第２非磁性金属層、４…第一の強磁性層、６…第二の強磁性層、５…非磁性スペーサ層、５Ｂ…非磁性材料、５Ａ…第一の挿入層、５Ｃ…第二の挿入層、１０…スピントルク発振子、２１、２２、２３…磁気シールド、４０Ａ、６０Ａ…第一ホイスラー層、４０Ｂ、６０Ｂ…第二ホイスラー層、４０Ｃ…第三の挿入層、６０Ｃ…第四の挿入層、６１…主磁極、６２…還流磁極、６３…コイル、８０…磁気記録媒体、１００…第一の磁気抵抗効果素子、２００…第二の磁気抵抗効果素子、３００…第三の磁気抵抗効果素子。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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