(57)【要約】      （修正有）【課題】トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子におけるＭＲ比の向上、抵抗のバラツキの抑制を図る。【解決手段】ＴＭＲ素子の一形態では、基板とトンネル層との間に、例えばアモルファスである導電体である表面性制御層が配置される。また、別の形態では、トンネル層を挟持する一対の磁性層の少なくとも一方が、細密面以外に制御された結晶配向面を有する多結晶構造を有する。さらに別の形態では、一対の磁性層の少なくとも一方が、少なくとも１種の磁性元素と、磁性元素以外の元素とを含み、組成比から算出される平均電子数が、２３．５以上２５．５以下または２６．５以上３６以下に調整される。またさらに別の形態では、余剰元素を含有する合金または化合物を含む余剰元素捕獲層がさらに形成され、余剰元素の含有率が、一対の磁性層のいずれよりも、余剰元素捕獲層において高くなっている。【選択図】  図６
2004179668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記基板と前記トンネル層との間に導電層が配置され、前記導電層が平均結晶粒径が５ｎｍ以下の微結晶膜である磁気抵抗素子。
【請求項２】
導電層が、非磁性膜である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
導電層が、磁性膜である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
導電層の平均膜厚が１０ｎｍ以下である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
基板が多結晶体である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記一対の磁性層の少なくとも一方が、ｅ）結晶構造から算出される格子定数に対する０．１％以上５％以下の範囲で異なる格子定数差で表される格子歪み、ｆ）常温常圧下で優先的に形成される結晶構造とは異なる結晶構造、およびｇ）細密面以外に制御された結晶配向面を有する多結晶構造、から選ばれる少なくとも１種を有する磁気抵抗素子。
【請求項７】
多層膜が、ｅ）、ｆ）およびｇ）から選ばれる少なくとも１種を有する磁性層に接するように配置された結晶構造制御層をさらに含み、前記結晶構造制御層により、前記ｅ）、ｆ）およびｇ）から選ばれる少なくとも１種が前記磁性層に導入された請求項６に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
少なくともｅ）を有する磁性層が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素を含み、結晶構造制御層が、前記少なくとも１種の元素と、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ以外の元素とを含む請求項７に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
多層膜が、少なくともｆ）およびｇ）を有する磁性層を含む請求項６に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
多層膜が、ｅ）、ｆ）およびｇ）を有する磁性層を含む請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記一対の磁性層の少なくとも一方が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ以外の元素とを含み、平均電子数が、２３．５以上２５．５以下である磁気抵抗素子。
ここで、平均電子数とは、組成比から算出される原子１個あたりの電子数である。
【請求項１２】
Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ以外の元素が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯから選ばれる少なくとも１種である請求項１１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１３】
平均電子数が、２４．５以上２５．５以下である請求項１１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１４】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記一対の磁性層以外であって前記多層膜に含まれる少なくとも１つの層が、前記一対の磁性層の少なくとも一方の層における濃度が増加したときに前記少なくとも一方の層のスピン分極率が低下する余剰元素を含み、
前記多層膜が、前記余剰元素を含有する合金または化合物を含む余剰元素捕獲層をさらに含み、
前記余剰元素の含有率が、前記一対の磁性層のいずれよりも、前記余剰元素捕獲層において高い磁気抵抗素子。
【請求項１５】
多層膜が、余剰元素供給層を含み、前記余剰元素供給層における余剰元素の含有率が、余剰元素捕獲層における前記含有率以上である請求項１４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１６】
余剰元素供給層がトンネル層であり、余剰元素が、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯから選ばれる少なくとも１種である請求項１５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１７】
余剰元素捕獲層が、酸化物、窒化物、炭化物および硼化物から選ばれる化合物の生成自由エネルギーが、Ｆｅよりも低い金属の化合物を含む請求項１６に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１８】
余剰元素供給層が、反強磁性層および積層フェリから選ばれる少なくとも一方である請求項１５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１９】
余剰元素が、ＭｎおよびＲｕから選ばれる少なくとも１種である請求項１８に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２０】
多層膜の厚さ方向について、余剰元素捕獲層と一対の磁性層の少なくとも一方との距離が１０ｎｍ以下である請求項１４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２１】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記基板と前記トンネル層との間に導電層が配置され、前記導電層が、Ｃｕ膜とＣｕ以外の金属膜とを交互に積層した多層膜を含む積層体である磁気抵抗素子。
【請求項２２】
導電層が、非磁性膜である請求項２１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２３】
導電層が、磁性膜である請求項２１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２４】
基板が多結晶体である請求項２１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２５】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記基板と前記トンネル層との間に導電層が配置され、前記導電層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＰｂから選ばれる少なくとも１種からなる導電体である磁気抵抗素子。
【請求項２６】
導電層が、非磁性膜である請求項２５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２７】
導電層が、磁性膜である請求項２５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２８】
導電層の平均膜厚が１０ｎｍ以下である請求項２５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項２９】
基板が多結晶体である請求項２５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３０】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記基板と前記トンネル層との間に導電層が配置され、前記導電層がアモルファス膜である磁気抵抗素子。
【請求項３１】
導電層が、非磁性膜である請求項３０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３２】
導電層が、磁性膜である請求項３０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３３】
導電層の平均膜厚が１０ｎｍ以下である請求項３０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３４】
基板が多結晶体である請求項３０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３５】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であって、
前記一対の磁性層の少なくとも一方が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ以外の元素とを含み、平均電子数が、２６．５以上３６以下である磁気抵抗素子。
ここで、平均電子数とは、組成比から算出される原子１個あたりの電子数である。
【請求項３６】
Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ以外の元素が、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯから選ばれる少なくとも１種である請求項３５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３７】
平均電子数が、２７．５以上３２．５以下である請求項３５に記載の磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子に関する。この磁気抵抗素子は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、磁気テープのような磁気メディア用の再生ヘッド、自動車等で用いられる磁気センサー、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）に使用できる。
【背景技術】
【０００２】
近年、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が活発に研究されている。ＴＭＲ素子では、トンネル非磁性層（トンネル絶縁層）を挟持するように配置された２つの強磁性層の磁化方向がなす角度に応じてトンネル遷移確率が変化する。ＴＭＲ素子では、磁性層のフェルミ面近傍でのスピン分極率が高いほど大きなＭＲ変化が期待できる。高分極率が期待できる金属磁性材料としては、ＦｅＣｏ合金、ＮｉＦｅ合金、ハーフメタリック強磁性体が知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これまで、これらの金属磁性材料を超えるＭＲ特性を示す材料は報告されていない。
【０００４】
また、ＴＭＲ素子では、素子サイズがサブミクロンになると、多結晶基板の粒界や厚膜電極の粒成長がトンネル絶縁層の膜厚や膜質の変化による接合抵抗のバラツキをもたらす。
【０００５】
本発明は、従来よりも高いＭＲ比を示すＴＭＲ素子を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、接合抵抗のバラツキが抑制されたＴＭＲ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１のＴＭＲ素子は、基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化し、前記基板と前記トンネル層との間に導電層が配置され、前記導電層が、ａ）Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＰｂから選ばれる少なくとも１種からなる導電体、ｂ）アモルファス膜、およびｃ）平均結晶粒径が５ｎｍ以下の微結晶膜、ｄ）Ｃｕ膜とＣｕ以外の金属膜とを含む積層体、から選ばれる少なくとも１種である。
【０００７】
本発明の第２のＴＭＲ素子は、基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化し、前記一対の磁性層の少なくとも一方が、ｅ）結晶構造から算出される格子定数に対して、０．１％以上５％以下の範囲で異なる格子定数で表される格子歪み、ｆ）常温常圧（大気圧）下で優先的に形成される結晶構造とは異なる結晶構造、およびｇ）細密面以外に制御された結晶配向面を有する多結晶構造、から選ばれる少なくとも１種を有する。
【０００８】
本発明の第３のＴＭＲ素子は、基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化し、 前記一対の磁性層の少なくとも一方が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の磁性元素と、前記磁性元素以外の元素とを含み、平均電子数が、２３．５以上２５．５以下または２６．５以上３６以下である。ここで、平均電子数とは、組成に応じて算出した１原子あたりの電子数であり、膜中の原子の原子番号（電子数）を平均化することにより求めることができる。
【０００９】
本発明の第４のＴＭＲ素子は、基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、トンネル層と、前記トンネル層を挟持する一対の磁性層とを含み、前記一対の磁性層における磁化方向の相対角度に応じて抵抗値が変化し、前記一対の磁性層以外であって前記多層膜に含まれる少なくとも１つの層が、前記一対の磁性層の少なくとも一方の層における濃度が増加したときに前記少なくとも一方の層のスピン分極率が低下する余剰元素を含み、前記多層膜が、前記余剰元素を含有する合金または化合物を含む余剰元素捕獲層をさらに含み、前記余剰元素の含有率が、前記一対の磁性層のいずれよりも、前記余剰元素捕獲層において高くなっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００１１】
図１に示したように、本発明のＴＭＲ素子は、トンネル層７を、一対の磁性層６，８が挟持する基本構成を有する。トンネル層７は、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物等の絶縁体または半導体から構成されていればよい。磁性層６，８は強磁性体またはフェリ磁性体であればよい。
【００１２】
本発明のＴＭＲ素子は、いわゆるスピンバルブ型の素子としてもよい。この場合、磁性層の一方は、外部磁界に対して相対的に磁化回転しにくい固定磁性層となり、他方は相対的に磁化回転しやすい自由磁性層となる。固定層には、反強磁性層や積層フェリのような磁化回転制御層を磁気的に結合させて磁化回転を抑制するとよい。自由層には、軟磁性層を磁気的に結合させてもよい。
【００１３】
（実施形態１）
まず、本発明の第１のＴＭＲ素子について説明する。
【００１４】
この素子では、基板とトンネル層との間に、上記ａ）〜ｄ）の少なくとも１種に相当する導電層（表面性制御層）が配置される。
【００１５】
ａ）に相当する所定の元素からなる層は、サーファクタント層として作用し、トンネル層の表面性を改善する作用を奏する。ｂ）またはｃ）に相当する層（アモルファスまたは微結晶体）は、この層の上に形成される膜のラフネスやトンネル層のピンホールを抑制する作用を奏する。ｄ）に相当する積層体も、この積層体上に形成される膜のラフネス等を改善する。これらの作用により、表面性制御層は、特にサブミクロンサイズにまで微細化されたトンネル層の抵抗のバラツキを抑制し、さらにオレンジピール効果による抗磁力の増大を抑制する。
【００１６】
表面性制御層がａ）、ｂ）およびｃ）から選ばれる少なくとも１種である場合には、この層の膜厚は１０ｎｍ以下が好適である。サブミクロンサイズの素子における反磁界の影響等を抑制できるからである。表面性制御層の膜厚は、ラフネスをさらに抑制するためには０．５ｎｍ以上が好適である。
【００１７】
表面性制御層は、磁性層（磁性導電層）であっても非磁性層（非磁性導電層）であってもよいが、ａ）に相当する導電体は非磁性層であり、ｃ）に相当する微結晶体は磁性層とすることが好ましい。
【００１８】
ｂ）またはｃ）に相当する磁性導電層は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種を主成分とする磁性材料に、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、IIａ族（新ＩＵＰＡＣ表示では２族）およびVIａ族（６族）から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＰから選ばれる少なくとも１種の元素とを添加すると、作製しやすくなる。ここで、Ｂ、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＰの好ましい含有量は１０〜３０原子％である。なお、ここでは、主成分とは含有元素中で最も多い含有量の元素を指す。
【００１９】
ｄ）に相当する層において、Ｃｕ膜と積層する金属膜としては、Ｃｕ膜とは１０％以上異なる格子定数を有する金属膜、またはＣｕ膜と異なる結晶構造を有する金属膜が好ましい。Ｃｕ膜の好ましい膜厚は２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、Ｃｕ以外の金属膜の好ましい膜厚は０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、積層体の膜厚合計の好ましい範囲は５０ｎｍ以上５μｍ以下である。この積層体は、下部電極または下部電極の一部として用いてもよい。
【００２０】
磁性層である表面性制御層は、磁性層の一部を構成していてもよい。この場合、表面性制御層は、基板側（図１下方）に配置された磁性層（図１における磁性層６）に含まれることになる。
【００２１】
通常、磁性層は、ａ）〜ｄ）のいずれでもない層であるが、磁性層が表面性制御層を兼ねていてもよい。表面性制御層とは別に配置した磁性層を、アモルファス磁性体および平均結晶粒が５ｎｍ以下の微結晶磁性体から選ばれるいずれか一方としてもよい。この形態では、ＭＲ比がやや低下することがあるが、接合抵抗値のバラツキは低減する。
【００２２】
図２に示したように、表面性制御層２は磁性層６と別に配置してもよい。この場合、表面性制御層２は磁性層６に接して配置する必要はなく、図３に示したように、（トンネル層７から見て基板１と反対側９ではなく）基板１と磁性層６との間の位置５に介在するように多層膜１０に含まれていればよい。磁性層である表面性制御層は、基板側に配置された磁性層６に磁気的に接する高保磁力層や軟磁性層であってもよい。
【００２３】
このＴＭＲ素子を用いれば、例えばセラミックス多結晶基板のように、本質的にピンホールが多く、ラフネスが比較的大きい多結晶体の基板を用いても、安定した接合抵抗を得やすくなる。
【００２４】
（実施形態２）
次に、本発明の第２のＴＭＲ素子について説明する。
【００２５】
この素子では、磁性層の少なくとも一方に、ｅ）所定の格子歪み、ｆ）常温常圧下では優先的に形成されない結晶構造（結晶系）、ｇ）細密面以外の結晶配向面、から選ばれる少なくとも１種が導入され、これにより、より高いＭＲ比を得ることができる。
【００２６】
磁性層にｅ）〜ｇ）の少なくとも１種を導入するためには、例えば、この磁性層に接するように結晶構造制御層を配置するとよい。図２に示したように、結晶構造制御層２は、格子歪み等を導入する磁性層６と接するように形成するとよい。磁性層と結晶構造制御層とは、いずれか一方の上に他方をエピタキシャル成長させて形成してもよい。
【００２７】
結晶構造制御層は、格子歪みを導入する場合には、磁性層において優先的に形成される結晶系の細密結晶面に対して格子ミスマッチを有するように形成するとよい。また、結晶系または配向性を制御する場合には、細密結晶面以外の面に対して比較的格子ミスマッチが小さくなるように形成するとよい。
【００２８】
ｅ）に相当する適度な格子歪みを磁性層に導入すると、フェルミ面近傍のスピン分極率が高くなり、ＭＲ比が向上すると考えられる。
【００２９】
格子歪みを導入するための結晶構造制御層は、格子歪みを導入する磁性層が含む磁性元素（Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種）と、これら磁性元素（Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ）以外の元素（非磁性元素）とを含むとよい。例えば、格子歪みを導入する磁性層が磁性元素Ｍからなる場合、結晶構造制御層はＭ1-xＡx（Ａは磁性元素以外の元素；０＜ｘ＜１）とすることが好ましい。
【００３０】
ｆ）常温常圧下で優先的に取りうる結晶構造とは異なる結晶構造を磁性層に導入しても、ＭＲ比が向上する。
【００３１】
常温常圧下では、例えばＦｅはｂｃｃ（体心立方格子）、Ｃｏはｈｃｐ（六方最密格子）、Ｎｉはｆｃｃ（面心立方格子）の結晶構造を優先的に取る。しかし、例えばｆｃｃ−Ｆｅ、ｂｃｃ−Ｃｏ、ｂｃｃ−Ｎｉのように準安定な結晶構造を含む磁性層を用いると、より高いＭＲ比が得られる。
【００３２】
同様に、優先的にｂｃｃ構造をとる組成のＦｅＣｏ合金（例えばＦｅ50Ｃｏ50）はｈｃｐやｆｃｃとするとよく、優先的にｈｃｐまたはｆｃｃ構造をとる組成のＦｅＣｏ合金（例えばＦｅ10Ｃｏ90）はｂｃｃとするとよく、優先的にｆｃｃ構造をとる組成のＮｉＦｅ合金はｂｃｃ構造とするとよい。
【００３３】
発明者の検討によると、ＭＲ比向上の観点からは、これら準安定な結晶構造は、磁性層の結晶構造全体の３０％以上を占めていることが好ましい。また、磁性元素に非磁性元素を加えた磁性層でも、準安定な結晶構造の導入によるＭＲ比向上の効果は同様に得られる。
【００３４】
多くの場合、準安定な結晶構造には、格子歪みも同時に導入されやすい。現段階では、結晶構造の変化による影響と格子歪みによる影響とを分離して明確に説明することは困難である。しかし、いずれにしても、結晶構造の変化に伴うバンド構造の変化によるスピン分極率の上昇が、ＭＲ比の向上に寄与していると考えられる。
【００３５】
ｇ）細密面以外に制御された結晶配向面を有する多結晶体を磁性層に導入しても、ＭＲ比が向上する。
【００３６】
磁性層は、例えば結晶配向面がｂｃｃの場合は（１１１）配向成分、ｆｃｃの場合は（１００）もしくは（１１０）成分のように、細密面以外の成分が大きくなったときに、ＭＲ比が大きくなる。具体的には、例えばＸ線回折により、細密面以外に配向していると確認されたときに、ＭＲ比が大きくなる傾向がある。
【００３７】
磁性層に、少なくともｆ）およびｇ）を同時に導入すると、より高いＭＲ比が得られる。ｆ）、ｇ）とともにｅ）を導入すると、さらに高いＭＲ比を実現できる可能性がある。
【００３８】
この素子においては、ｅ）〜ｇ）の少なくとも１種を導入する磁性層の膜厚は、３ｎｍ以下が好適である。
【００３９】
（実施形態３）
引き続き、本発明の第３の素子について説明する。
【００４０】
磁性元素（Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ）同士の合金からなる磁性層では、最も高いスピン分極率はＦｅ70Ｃｏ30近傍で得られる。Ｆｅ70Ｃｏ30は、平均電子数に換算すると２６．３に対応する（Ｆｅの原子番号：２６，Ｃｏの原子番号：２７；２６×０．７＋２７×０．３＝２６．３）。しかし、少なくとも１種の磁性元素と、少なくとも１種の非磁性元素とを含む磁性層では、平均電子数を２３．５以上２５．５以下または２６．５以上３６以下とすると、ＭＲ比が向上する。
【００４１】
後述する実施例により確認されたところによると、より好ましい平均電子数は、２４．５以上２５．５以下または２７．５以上３２．５以下である。この磁性層では、磁性元素を主成分とすることが好ましい。ここでは、磁性元素の合計量が非磁性元素の合計量よりも多ければよい。
【００４２】
本発明者が確認した範囲では、適用できる非磁性元素に制限はない。好ましい非磁性元素としては、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｂ、Ｃ，ＮおよびＯから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００４３】
（実施形態４）
最後に、本発明の第４の素子について説明する。
【００４４】
この素子は、余剰元素捕獲層を含んでいる。余剰元素は、磁性層における濃度の増加が当該磁性層におけるスピン分極率の低下をもたらす元素であり、例えば、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯから選ばれる少なくとも１種が該当する。余剰元素は、素子の製造工程における熱処理中に、余剰元素供給層から素子全体に拡散し、磁性層へと拡散する。その結果、磁性層におけるスピン分極率が低下する。
【００４５】
なお、磁性層内の余剰元素は、スピン分極率とは別の要因により、磁気抵抗素子のＭＲ比を引き上げることがある。
【００４６】
余剰元素捕獲層は、余剰元素を捕獲する前には、好ましくは余剰元素と合金または化合物を形成する金属を含有しており、余剰元素を捕獲した後には、余剰元素を含有する合金または化合物を含有している。
【００４７】
トンネル層が、硼化物、炭化物、窒化物および酸化物から選ばれる少なくとも１種である場合、Ｂ、Ｃ、ＮおよびＯから選ばれる少なくとも１種が余剰元素となりうる。この場合、余剰元素捕獲層は、酸化物、窒化物、炭化物および硼化物から選ばれる少なくとも１種の化合物の生成自由エネルギーが、Ｆｅよりも低い金属を含むことが好ましい。このような金属としては、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、ＩＶａ族（４族）、Ｖａ族（５族）およびＶＩａ族（６族）元素から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００４８】
スピンバルブ型の素子における磁化回転抑制層から余剰元素が拡散することもある。磁化回転抑制層に含まれる代表的な余剰元素は、ＭｎおよびＲｕから選ばれる少なくとも１種である。Ｍｎは、例えばＭｎを含む反強磁性層から拡散し、Ｒｕは、例えばＲｕを含む非磁性膜から拡散する。この非磁性膜は、積層フェリ（磁性膜／Ｒｕ／磁性膜の積層構造）の一部として用いることができる。この積層フェリは、磁化回転制御層としてのみならず、磁性層自体として、ＴＭＲ素子に用いられることがある。磁化回転制御層からの余剰元素を捕獲するためには、余剰元素捕獲層は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｉｒ、ＰｄおよびＰｔから選ばれる少なくとも１種である金属を含むことが好ましい。
【００４９】
余剰元素は、トンネル層や磁化回転制御層のような余剰元素供給層から他の層へと拡散する。拡散の後、余剰元素の各層における含有率（濃度）には、Ｒｓ≧Ｒｃ＞Ｒｍの関係式が成立することが好ましい。ここで、Ｒｓは余剰元素供給層における余剰元素の含有率、Ｒｃは余剰元素捕獲層における余剰元素の含有率、Ｒｍは磁性層における余剰元素の含有率である。
【００５０】
図４に示したように、余剰元素捕獲層２１は、多層膜の厚さ方向について、この層と磁性層の少なくとも一方（図４では磁性層８）との距離Ｌが１０ｎｍ以下となるように配置することが好ましい。磁性層における余剰元素の濃度の低減に有効だからである。
【００５１】
以下は、各素子に共通する形態の説明である。
【００５２】
これらの素子では、例えば、磁性層の少なくとも一方が、Ｂ、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＰから選ばれる少なくとも１種の元素を０．１原子％以上１５原子％以下の範囲で含んでいてもよい。格子歪みの導入、結晶配向面の制御、平均電子数の調整等に効果があるからである。また例えば、磁性層の少なくとも一方が、Ｍｎおよび白金族元素から選ばれる少なくとも１種の元素を０．１原子％以上４０原子％以下の範囲で含んでいてもよい。
【００５３】
これらの素子の作製には、例えば真空蒸着、ＩＢＤ（イオンビームデポジション）、スパッタリング、ＭＢＥ、イオンプレーティング法のような従来から公知の各種成膜法を適用すればよい。
【００５４】
トンネル層は、化合物ターゲットを用いたスパッタリング法によって成膜してもよく、反応性蒸着法、反応性スパッタリング法、イオンアシスト等を適用してもよい。ＣＶＤ法（化学蒸着法）を用いても構わない。また、金属膜を、反応ガスを含む適当な分圧のガス、またはプラズマ雰囲気と接触させて形成してもよい。
【００５５】
これらの膜の加工には、通常の半導体プロセスで用いられるイオンミリング、ＲＩＥ、ＥＢ、ＦＩＢ、Ｉ／Ｍ等の物理的または化学的エッチング法、およびフォトグラフィー法を適用すればよい。微細プロセス中に平坦化が必要であればＣＭＰ法やクラスターイオンビームエッチング法を適用してもよい。
【００５６】
本発明の磁気抵抗素子は、各種の磁気デバイスに適用できる。図５に、自由層１８をヨークとする磁気ヘッドに応用した場合の構成例を示す。基板１１上に、下部電極１３、制御層１２、反強磁性膜１４、固定磁性層１６、トンネル層１７、自由磁性層１８、上部電極２０がこの順に積層されている。制御層１２は、例えば第１の素子における表面性制御層、第２の素子における結晶構造制御層を用いればよい。
【００５７】
この素子では、磁性層１６，１８およびトンネル層１７を挟持するように一対の電極１３，２０が配置され、これら電極の間を流れる電流がすべてトンネル層１７を通過するように、層間絶縁膜１５が配置されている。なお、１９は、硬質磁性膜または反強磁性膜である。
【実施例】
【００５８】
（実施例１）
この実施例では、本発明の第１の素子を作製した。
【００５９】
ＲＦマグネトロンスパッタと抵抗加熱による蒸着法を用い、多結晶ＡｌＴｉＣ基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【００６０】
Ta(3)/Cu(500)/表面性制御層(10)/Ta(3)/PtMn(30)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/Al(0.4; 200Torr 純酸素１min酸化)/Al(0.3; 200Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/NiFe(5)/Ta(3)
ただし、各層は基板側から順に記載されており、括弧内の数値は単位をｎｍとする各層の膜厚であり、括弧内にはＡｌの酸化条件も併せて示す（以下、同様）。
【００６１】
この膜をメサ加工した後、Ｔａをミリングで除去し、さらにNiFe(5)/CoPt(30)を成膜し、メサ構造直上のＣｏＰｔを除き、最終面にCu(500)を成膜した。こうして、図５と同様の構造を有する素子を作製した。
【００６２】
一軸方向性異方性を付与するために、ＰｔＭｎを２８０℃、５ｋOe（約３９８ｋＡ／ｍ）の磁界で熱処理を行い、さらにこの磁化方向と直交するように１００Oeの磁界を印加しながら２００℃で熱処理を施した。
【００６３】
さらに、上記多層膜におけるCu(500)/表面性制御層(10)に代えてCu(50)と表面性制御層(0.5または2.5)との２層構造を１０層重ねた積層体を用いた以外は、上記と同様にして素子を作製した。また、多結晶ＡｌＴｉＣ基板に代えてＳｉ熱酸化基板（Si/SiO2）を用いた以外は、上記と同様にして素子を作製した。比較のため、表面性制御層を形成しない素子も作製した。
【００６４】
各素子について、ＭＲ比、抗磁力、接合抵抗のバラツキを測定した。接合抵抗のバラツキは、６インチのウェハ上において３０点を測定し、その標準偏差σを採用した。結果を表１に示す。
【００６５】
【表１】
2004179668.tif 000003
【００６６】
ここで、Ａｕからなる表面性制御層としては、室温で成膜後に５００℃で熱処理した層と、室温で成膜して熱処理しない層とを記載した。その他の表面性制御層に対しては、熱処理しない層を記載した。ａ）に相当する元素では、Ｐｔ、Ｐｄは室温で成膜して熱処理しないことが好ましく、Ａｕは成膜後に４００℃以上で熱処理することが好ましく、残りの元素はいずれでもよい。
【００６７】
また、ＴｉＳｉ、ＺｒＡｌＮｉＣｕ、ＺｒＮｂＡｌＣｕおよびＣｕＳｉＢはアモルファス非磁性膜であり、ＣｏＦｅＢはアモルファス磁性膜であり、ＦｅＳｉＢは平均結晶粒が５ｎｍ以下である磁性膜である。
【００６８】
また、その他の実験から、Ｃｕ膜と交互に積層する金属膜としては、Ｃｕ膜とは１０％以上異なる格子定数を有する金属膜、またはＣｕ膜と異なる結晶構造を有する金属膜が特に効果があった。Ｃｕとの固溶率が１０％以下の金属を用いると、さらに効果があることも確認できた。Ｃｒは、これらの条件を満たす金属膜の例である。Ｐｔは、相図上では固溶するが、Ｃｕに対する拡散係数が比較的小さいために、良好な結果が得られる。
【００６９】
さらに、上記と同様の膜構成において、基板側のＣｏＦｅ膜に代えてＣｏＦｅＢ膜またはＦｅＳｉＮｂ膜を用いて素子を作製した。これらの素子では、ＭＲ比がそれぞれ１６％、１７％と低下したが、接合抵抗のバラツキはそれぞれ５％、６％となった。なお、両素子の抗磁力はともに１０Oeであった。
【００７０】
ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いた観察の結果、表面性制御層により多層膜のラフネスが抑制されることも確認できた。
【００７１】
（実施例２）
（実施例２−１）
ＲＦマグネトロンスパッタを用い、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【００７２】
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/結晶構造制御層(10)/Fe(3)/Al(0.4; 200Torr 純酸素１min酸化)/Al(0.3; 200Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(30)/Ta(3)
さらに、実施例１と同様にして、図６に示した素子を作製した。図６において、符号は、図５と同様である。
【００７３】
まず、結晶構造制御層として、Ｆｅ1-xＳｉx(110)配向（０＜ｘ＜１）を用い、Ｓｉ量を調整することにより(110)面の面間隔を変化させ、この上のＦｅ膜に格子歪みを導入した。各素子について、ＭＲ比を測定した。結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
2004179668.tif 000004
【００７５】
ここで、格子定数の伸びは、Ｘ線回折およびＲＨＥＥＤ（反射高速電子回折）により測定したＦｅ膜の格子定数の測定値と、結晶構造から算出される格子定数とから算出した。
【００７６】
（実施例２−２）
ＲＦマグネトロンスパッタを用い、ガラス基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【００７７】
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/結晶構造制御層(10)/CoFe(3)/Al(0.4; 200Torr 純酸素１min酸化)/Al(0.3; 200Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(30)/Ta(3)
さらに、実施例１と同様にして、図６と同様の素子を作製した。
【００７８】
ここでは、結晶構造制御層として、Ｆｅ1-xＡｌx(110)配向（０＜ｘ＜１）を用い、Ａｌ量を調整することにより、この上のＣｏＦｅ膜に格子歪みを導入した。各素子について、ＭＲ比を測定した。結果を表３に示す。
【００７９】
【表３】
2004179668.tif 000005
【００８０】
（実施例２−３）
ＲＦマグネトロンスパッタを用い、Ｃｕ単結晶基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【００８１】
Cu(500; 結晶構造制御層)/Fe(5ML)/Al(0.4; 200Torr 純酸素１min酸化)/Al(0.3; 200Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(30)/Ta(3)
ここで、５ＭＬとは、基本格子を５層積層したことを意味する。この厚みを有するＦｅ膜は、多結晶体であった。
【００８２】
さらに、実施例１と同様にして、図６と同様の素子を作製した。この素子では、基板および結晶構造制御層が下部電極を兼ねている。ここでは、Ｃｕ単結晶の方位を変え、Ｆｅの結晶構造を変化させた。
【００８３】
さらに、Ｃｕ単結晶基板に代えて、ＭｇＯ単結晶基板または熱酸化膜付きＳｉ基板を、結晶構造制御層としてＣｕ膜に代えてＰｔ膜を用いた以外は上記と同様にして素子を作製した。
【００８４】
これらの素子について、ＭＲ比を測定した。また、Ｆｅ膜の配向率を測定した。ここで、配向率は、Ｘ線格子回折法によるピーク高さの比により測定した。配向率とは、当該結晶面の界面での面積の割合である。厳密には、Ｘ線で観測された値とバリア界面での配向率は必ずしも同一ではないが、本実施例の範囲内では、Ｘ線回折法により測定した配向率とＭＲ比とは良い相関を示した。結果を表４に示す。
【００８５】
【表４】
2004179668.tif 000006
【００８６】
Ｆｅ膜が、常温常圧下で優先的に形成される構造（ｂｃｃ）以外の結晶構造を有する素子では、ＭＲ比が向上した。ｈｃｐ−Ｆｅにおいてもｂｃｃ−Ｆｅよりも高いＭＲ比が得られた。また、ｆｃｃ−Ｆｅ膜において、より高いＭＲ比が得られたのは、細密面（１１１）以外の結晶方位とした場合であった。
【００８７】
同様にして、ｆｃｃ−Ｆｅ膜に代えて、ｆｃｃ−Ｃｏ膜またはｂｃｃ−Ｎｉ膜を形成した場合にも、優先的に形成されるｈｃｐ−Ｃｏ膜やｆｃｃ−Ｎｉ膜と比較して同等以上のＭＲ比が得られた。これらの膜においても、細密面以外の方位において、より高いＭＲ比が得られた。
【００８８】
その他の実験から、ＭＲ比の向上には、細密面以外の配向率が６０％以上、特に８０％以上が好ましいことも確認できた。
【００８９】
（実施例２−４）
ＲＦマグネトロンスパッタを用い、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【００９０】
Cu(100)/CuAu(500;結晶構造制御層)/Fe(5ML)/Al(0.4; 200Torr 純酸素１min酸化)/Al(0.3; 200Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(30)/Ta(3)
さらに、実施例１と同様にして、図６と同様の素子を作製した。
【００９１】
ここでは、結晶構造制御層として、Ｃｕ1-xＡｕx(110)配向（０＜ｘ＜１）を用い、Ａｕ量を調整することにより、この上のｆｃｃ−Ｆｅ（１００）膜に格子歪みを導入した。各素子について、ＭＲ比を測定した。結果を表５に示す。
【００９２】
【表５】
2004179668.tif 000007
【００９３】
準安定結晶においても格子歪みを導入することでＭＲ比が向上した。
【００９４】
なお、基板から見て遠い磁性層に接して結晶構造制御層を配置した場合も、上記と同様、ＭＲ比が向上することが確認できた。
【００９５】
（実施例３）
ＲＦマグネトロンスパッタを用い、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【００９６】
Ta(3)/Cu(500)/Ta(3)/磁性層(3)/Al(0.4; 200Torr 純酸素１min酸化)/Al(0.3; 200Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(30)/Ta(3)
厚み３ｎｍの磁性層は、Ｆｅを主成分とし、タ−ゲットに添加元素を加えたり、反応性ガスを導入することにより、組成を調整した。さらに、実施例１と同様にして、図６と同様の素子を作製した。
【００９７】
各素子について、ＭＲ比を測定した。ＭＲ比は最大値を１．０として規格化した。結果を表６に示す。
【００９８】
【表６】
2004179668.tif 000008
【００９９】
表６より、磁性金属に非磁性または反磁性元素を添加すると、２領域でＭＲ比が極大値を示した。この現象は、Ｆｅに限らず、ＮｉＭｎ合金、ＦｅＣｏ合金、ＮｉＦｅＣｏ合金等においても確認された。また、添加元素も、上記に限らず、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ，Ｒｕ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｏ、Ｃ、Ｂでも同様の結果が得られた。平均電子数が２４．５のＦｅＣｒは、磁性元素（Ｆｅ）を主成分としていないため、ＭＲ比が低くなった。
【０１００】
（実施例４）
（実施例４−１）
ＲＦマグネトロンスパッタを用い、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【０１０１】
Cu(500)/余剰元素捕獲層(1-20)/NiFe(5)/CoFe(1.5)/Al(0.4; 600Torr 純酸素1min酸化)/Al(0.3; 600Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(3)/PtMn(30)/Ta(3)
さらに、実施例１と同様にして、図６と同様の素子を作製した。ただし、熱処理の最高温度は２６０℃とした。こうして得た各素子について、ＭＲ比を測定した。結果を表７に示す。
【０１０２】
【表７】
2004179668.tif 000009
【０１０３】
ＲＢＳ（ラザフォード・バック・スキャタリング）により熱処理後の磁性層内の軽元素を調べたところ、余剰元素捕獲層をＦｅ膜とした素子では、ＣｏＦｅ膜が酸化されていた。余剰元素捕獲層をＦｅＲ膜（ＲはＦｅよりも酸素親和性が高い金属；表７におけるＦｅ以外の各元素）とした素子では、余剰元素捕獲層内に酸素元素のピークが確認できた。これらの素子では、余剰元素捕獲層内に、トンネル層よりも低く磁性層よりも高い濃度で酸素が含有されていた。
【０１０４】
（実施例４−２）
ＲＦマグネトロンスパッタを用い、熱酸化膜付きＳｉ基板上に、以下の構成を有する多層膜を形成した。
【０１０５】
Cu(500)/NiFe(5)/CoFe(1.5)/Al(0.4; 600Torr 純酸素1min酸化)/Al(0.3; 600Torr純酸素1min酸化)/CoFe(3)/Ru(0.7)/CoFe(1.5)/余剰元素捕獲層Ａ(0.5-2)/CoFe(1.5)/PtMn(30)/余剰元素捕獲層Ｂ(1-5)/Ta(3)
さらに、実施例１と同様にして、図６と同様の素子を作製した。ただし、熱処理の最高温度は３５０℃とした。こうして得た各素子について、ＭＲ比を測定した。結果を表８に示す。
【０１０６】
【表８】
2004179668.tif 000010
【０１０７】
ＳＩＭＳおよびオージェにより分析したところ、ＰｔＭｎ膜に含まれるＭｎが拡散していることが確認できた。余剰元素捕獲層Ａ，Ｂを形成していない素子では、磁性層（ＣｏＦｅ膜）におけるＭｎの濃度は、最上層のＴａ膜におけるＭｎ濃度よりも高かった。
【０１０８】
一方、余剰元素捕獲層を形成した素子では、磁性層におけるＭｎ濃度は、余剰元素捕獲層におけるＭｎ濃度よりも低かった。また、余剰元素捕獲層の形成により、磁性層におけるＭｎ濃度は低下した。余剰元素捕獲層Ａを形成した素子における磁性層のＭｎ濃度は、余剰元素捕獲層Ｂを形成した素子におけるＭｎ濃度よりもさらに低くなっていた。余剰元素捕獲層は、余剰元素供給層（反強磁性層）とトンネル層との間に配置するとよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の磁気抵抗素子の基本構成を示す断面図である。
【図２】図１の基本構成に制御層を付加した形態を示す断面図である。
【図３】制御層の好ましい配置を説明するための断面図である。
【図４】余剰元素捕獲層の好ましい配置を説明するための断面図である。
【図５】本発明の磁気抵抗素子の一形態を示す断面図である。
【図６】本発明の磁気抵抗素子の別の一形態を示す断面図である。
【図１】
2004179668.tif 000011
【図２】
2004179668.tif 000012
【図３】
2004179668.tif 000013
【図４】
2004179668.tif 000014
【図５】
2004179668.tif 000015
【図６】
2004179668.tif 000016