(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂ２０結晶構造を有するＭx Ｓｉ（０．７≦ｘ≦０．９７、Ｍ：Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ及びＭｎの少なくとも一種）の組成を有する非磁性膜を磁性膜上に有し、前記非磁性膜が積層される前記磁性膜面はｆｃｃ構造の（１１１）面若しくはｂｃｃ構造の（１１０）面が配向していることを特徴とする積層膜。
【請求項２】
Ｂ２０結晶構造を有するＭx Ｓｉ（０．７≦ｘ≦０．９７、Ｍ：Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ及びＭｎの少なくとも一種）の組成を有する非磁性膜を介して対向する磁性膜を有し、前記非磁性膜が積層される前記磁性膜面はｆｃｃ構造の（１１１）面若しくはｂｃｃ構造の（１１０）面が配向していることを特徴とする磁気素子。
【請求項３】
Ｂ２０結晶構造を有するＭx Ｓｉ（０．７≦ｘ≦０．９７、Ｍ：Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ及びＭｎの少なくとも一種）の非磁性膜を介して対向する磁性膜を備えた積層膜と、この積層膜の膜面垂直に電流を流すように配置された電極を具備し、前記非磁性膜が積層される前記磁性膜面はｆｃｃ構造の（１１１）面若しくはｂｃｃ構造の（１１０）面が配向していることを特徴とする磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性膜と非磁性膜との積層膜、及びこの積層膜を具備した磁気素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
遷移金属とＳｉとの１：１の化合物はバルクではＢ２０構造をとることが知られている。しかしながら５０ｎｍ以下程度の薄膜状態では下地層の影響により準安定相のＣｓＣｌ構造を取り易い。
【０００３】
例えばＦｅとＦｅＳｉの積層膜を作成するとＦｅＳｉ層はＣｓＣｌ構造をとることが報告されている（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７３、６３３５（１９９３）、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５３，５１１２（１９９６）、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５３（１４），Ｒ８８２４（１９９６））。
【０００４】
ＣｓＣｌ構造のＦｅＳｉは金属的伝導を示し、Ｂ２０構造のＦｅＳｉは半導体である。従って磁性金属であるＦｅと半導体ＦｅＳｉの薄膜での積層膜（金属／半導体）は非常に得にくいのが現状である。
【０００５】
またこのような積層膜を用いた磁気素子としては、磁気抵抗効果素子が挙げられる。例えば非磁性層を介して積層された磁性膜間の磁気スピンの向きによって電気抵抗が変化するというものである。このような磁気素子においては磁性層／非磁性層の膜厚が薄いため、非磁性金属としてＣｕなどの金属を使用した場合、出力電圧が小さいため、一般には膜面内方向に電流を流す構造を採る。
【０００６】
しかしながら、例えばメモリ等への応用を考えた場合は、素子の膜面方向に電流を流す構造の方が集積度があがるため有効である。また強磁性トンネル素子も基本的には磁性層／絶縁体層／磁性層の構造を採る。
【０００７】
しかしながら、絶縁層を介した接合ではトンネル抵抗が高く、微小素子では数ＭΩと大きくなってしまい、応答速度が遅くなってしまう問題がある。この絶縁体層を半導体若しくは半金属で実現できれば抵抗値は低くなり有効であるが、前述のごとく磁性層／半導体層の積層膜の形成は困難であった。
【０００８】
また磁性層／半導体層間は原子の拡散が生じ易く、これも良好な磁性層／半導体層の積層膜の実現を妨げる一因となっている。
さらに半導体層を介した磁性層の積層膜は光誘起磁性にも用いられる。光誘起磁性は、磁性層間の半導体層に励起されるキャリアにより、磁性層間の交換結合状態が変化する現象である（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７１，１８５（１９９３））。例えば強磁性から反強磁性、またその逆などである。この場合も良好な磁性層／半導体層の積層膜の実現が重要である。
【０００９】
またＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７１，１８５（１９９３）で実現された中間層はＣｓＣｌ構造若しくはｂｃｃ構造の金属層であることが分かっており（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５３（１４），１（１９９６））、磁性層上にＢ２０構造を有する非磁性層が形成された積層膜はいまだ得られていない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように磁性層／半導体層若しくは半金属層の積層膜への要求は大きいものの、いまだ実現されていないのが現状である。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、磁性金属層と半導体層若しくは半金属層との薄膜の積層膜，およびこれを用いた磁気素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、金属／半導体の積層膜をＦｅ／ＦｅＳｉで実現することに関し鋭意研究を進めた。その結果、ＦｅとＳｉの組成比を１：１に比べＳｉリッチ側にずらすことで、薄膜状態でもＢ２０構造，すなわち半導体特性を有するＦｅＳｉ化合物膜を得ることができることを見出した。
【００１２】
本発明はこの知見をもとになされたもので、Ｂ２０結晶構造を有するＭx Ｓｉ（０．７≦ｘ≦０．９７、Ｍ：Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ及びＭｎの少なくとも一種）の組成を有する非磁性膜を磁性下地膜上に有することを特徴とする積層膜、である。
【００１３】
この非磁性膜は組成により半導体若しくは半金属的特性を示すが、いずれにしてもＢ２０構造の格子を組んでいるため、接する磁性層との間での原子拡散が少なく、良好な非磁性（半導体，半金属）／磁性体の接合が実現できる。
【００１４】
このような非磁性膜は、作成基板の温度をＢ２０構造が実現できる様な高い温度に設定することで実現できることができる。この温度は非磁性膜が形成される下地磁性膜の膜厚に依存する。
【００１５】
Ｂ２０構造の半導体（若しくは半金属）膜は、下地磁性層表面がｂｃｃ（１１０）配向面、若しくはｆｃｃ（１１１）配向面であるとき良好に形成され易いため、半導体膜の下地となる磁性膜表面はｂｃｃ（１１０）若しくはｆｃｃ（１１１）配向面であることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の積層膜を構成する非磁性層はＭ1-x Ｓｉ（０．５≦ｘ＜１．０、Ｍ：Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ及びＭｎの少なくとも一種）の組成を有し、結晶構造はＢ２０構造（ε相）である。
【００１７】
Ｍシリサイド中にはＧｅ，Ｍｏ，Ｂ，Ｃなどの他の元素の添加も可能であるが１０ａｔ％以下程度までである。
基板としては特に規定されることはなく、Ｓｉ，ＳｉＯ2 表面層を有するＳｉ，アルミナ，スピネル，ＭｇＯ，ＧａＡｓ，Ｇｅなど各種の基板を用いることができる。
【００１８】
また基板表面にはＣｏＺｒＮｂ非晶質層，Ｔａ層などのバッファー層を形成してもよい。ｆｃｃ磁性下地層を形成する場合（１１１）配向を高めたり、基板の表面平滑性を高めたりする効果がある。
【００１９】
本発明は膜面垂直方向に電流を流す磁気抵抗効果素子に適している。例えば図１に示すように、基板１上に下部電極６を配置し、積層膜５（下部磁性膜２／非磁性膜（半導体膜）３／上部磁性膜４）を配置し、その上に上部電極７を配置する構造を採る。その場合には、基板表面にＡｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｌなどの電極を形成することになる。電極の基板との密着性向上などのため電極下地層としてＴａ，Ｃｒ等を形成することもできる。ただし膜面垂直方向に電流を流す構造に限定されるものではない。
【００２０】
積層膜の製造には、各種スパッタ法，蒸着法，ＭＢＥなど各種の方法を採用することができる。
なお積層膜を構成する磁性層、半導体層の膜厚は特に限定されるものではないが、夫々０．５〜５０ｎｍ、１〜５０ｎｍ程度が好ましい。特に非磁性層が形成される下地となる磁性層は半導体層の結晶系に大きな影響を与えるため、１０ｎｍ以下、更には１〜５ｎｍ程度が好ましい。
【００２１】
この非磁性膜／磁性膜の積層構造は、これを単位として繰り返し積層することも可能であるし（図２）、非磁性膜３を介した磁性膜２，４の積層膜構造５に反強磁性膜（ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ及びＰｔＭｎ合金など）などの磁化固着層８を付与し、非磁性膜を介して対向する一方の磁性膜をピン層４とし、他方の磁性膜５の磁化を自由に回転させる、いわゆるスピンバルブ構造を実現することもできる（図３）。
なお素子最上面には素子加工時の積層膜へのダメージを抑制するためＴａ等の保護膜を形成することも可能である。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
Ｆｅx Ｓｉの組成比ｘを変化させて温度−比抵抗特性を調べた。その結果を図４に示す。磁性金属下地膜はＦｅ３ｎｍとし、Ｆｅx Ｓｉ膜の厚さは４０ｎｍとした。比抵抗測定は積層膜を対象としたものであるが、下地磁性膜は金属伝導を示すもののシリサイド膜厚が下地膜に比べ十分厚いため、積層膜の伝導特性の変化は非磁性膜（シリサイド膜）の特性変化に支配されることになる。
【００２３】
ｘを０．５から１．０２まで変化させたところ、０．５≦ｘ＜１．０の範囲でで半導体（若しくは半金属）的挙動（温度低下とともに抵抗値が上昇）を示すことが分かる。これはシリサイド層がε相（Ｂ２０構造）となっているためであり、特にｘ＝１．０とｘ＝０．９７との間の変化は急激であり、０．７≦ｘ≦０．９７で良好な抵抗値を示す半導体膜が得られていることが分かる。このようにＳｉリッチの組成にすることが膜特性に大きく影響を与えており、Ｍ元素を他の元素に変えても同様の傾向が見られる。
【００２４】
（実施例２）
サファイア基板（１１−２０）面（ａ面）上にＦｅ（ｂｃｃ相）の磁性下地膜をスパッタ法で形成した基板上に、膜厚４５ｎｍのＦｅ０．９４Ｓｉの非磁性膜を形成した。なお成膜後は高温相安定化のため、１．５℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で室温まで急冷した。
【００２５】
図５（ａ）に磁性下地膜の膜厚が３ｎｍ、基板温度を３２５℃にした場合の積層膜の温度−比抵抗特性を示すが、同図より明らかなように半導体的挙動を示している。また図５（ｂ）には基板温度を２８０℃にした場合を示すが、金属伝導的挙動を示していることが分かる。
【００２６】
同様に図６（ａ）に磁性下地膜の膜厚が１０ｎｍで基板温度を５００℃にした場合の積層膜の温度−比抵抗特性を示すが、同図より明らかなように半導体的挙動を示している。また図６（ｂ）には基板温度を４００℃にした場合を示すが、金属伝導的挙動を示していることが分かる。
【００２７】
このようにε相を得るのに基板温度、下地膜厚が重要な要因であることが分かる。またＡＦＭ観察によれば、基板温度の低い図５（ａ）の方が図６（ａ）に比べ、表面の平滑性は良好であった。
【００２８】
図５（ａ）及び図６（ａ）に示した高抵抗の積層膜は、ＲＨＥＥＤ観察によりｂｃｃ構造のＦｅ（１１０）面上に、Ｂ２０構造を有するＦｅシリサイドの（２１０）面の成長が確認された。
【００２９】
磁性下地層膜厚を変化させ、同様の条件で非磁性膜を作成した場合の、非磁性膜がＢ２０構造（ε相）となる基板温度を図７にプロットした。同じ磁性下地層膜厚では、その基板温度以下では非磁性膜はｂｃｃ構造を有する（１１０）面が成長しており金属的伝導を示し、半導体特性は得られなかった。
【００３０】
また図７より明らかなように、下地膜厚減少とともにε相生成温度は低下する。特に下地磁性膜の膜厚を１０ｎｍ以下としたときはε相生成温度は４５０℃以下と顕著に低下する。膜成長温度の低下とともに成膜後の表面性（平滑性）は良好となり、ピンホールの発生も抑制することができることから、基板温度は４５０℃以下とすることが好ましい。また磁性下地膜の膜厚は１０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３１】
（実施例３）
積層膜の構成をＣｏシリサイド／Ｆｅ６Ｃｏ４（ｂｃｃ），Ｎｉシリサイド／Ｆｅ７Ｃｏ２Ｎｉ１（ｂｃｃ），Ｍｎシリサイド／Ｆｅ９５Ｎｉ５（ｂｃｃ）とし、実施例２と同様に作成した積層膜でのε相生成基板温度と磁性下地膜膜厚の関係を図７に併せて示す。Ｆｅシリサイド／Ｆｅ（ｂｃｃ）と同様の傾向を示すことが分かる。
【００３２】
（実施例４）
磁性下地膜をＮｉＦｅ合金などのｆｃｃ構造を有する膜に変え、磁性下地層膜厚の変化に伴う、非磁性膜がＢ２０構造（ε相）となる基板温度を図８にプロットした。基板としては、熱酸化Ｓｉ基板上にＮｉＦｅ磁性層，ＣｏＺｒＮｂ非晶質磁性層をバッファ層として有するものを用いた。
【００３３】
Ｃｏシリサイド／Ｃｏ（ｆｃｃ），Ｆｅシリサイド／Ｃｏ９Ｆｅ（ｆｃｃ），Ｎｉシリサイド／Ｃｏ６Ｎｉ３Ｆｅ１（ｆｃｃ），Ｍｎシリサイド／Ｎｉ８Ｆｅ２（ｆｃｃ）の組合わせの場合の基板温度との関係（ε相形成温度）を図８に併せて示す。
【００３４】
ε相生成の基板温度は磁性下地膜厚にはほとんど依存せず、１５０℃以下程度の基板温度で、良好な表面性を有した非磁性半導体層（ε相）／磁性層の積層膜を得ることができる。基板温度が低い分、ｂｃｃ構造の下地を用いた場合に比べ表面性は良好であった。
【００３５】
ｆｃｃ下地，ｂｃｃ下地とも磁場中成膜，成膜後の磁場中熱処理などで一軸磁気異方性を付与すると反強磁性結合が安定化するとともに、磁化困難軸方向に磁場を印加すると磁化回転モードになり良好な磁気素子を提供できる。
【００３６】
（実施例５）
基板上にｂｃｃＦｅ層／εＦｅシリサイド層／ｂｃｃＦｅ層のサンドイッチ構造を作成した。εＦｅシリサイド層の組成はＦｅ０．９４Ｓｉであり、基板温度３５０℃で作成した後、急冷することで作成したものである。なおｂｃｃＦｅ層の膜厚は上下とも３ｎｍとした。
【００３７】
Ｆｅシリサイドの膜厚ｔを変化させたときのサンドイッチ膜の残留磁化のｔ依存性を図９に示す。サンドイッチ膜には一軸磁気異方性を付与し、磁化容易軸方向と困難軸方向での残留磁化／飽和磁化の値を併せて示した。
【００３８】
同図から、ｔ＝２．３ｎｍ近傍でＦｅシリサイド層を介して対向した磁性層（Ｆｅ層）が反強磁性的に交換結合していることが分かる。図１０にｔ＝２．３ｎｍのときのサンドイッチ膜の磁化曲線を示す。同図（ａ）は磁化容易軸方向に、同図（ｂ）は磁化困難軸方向に磁界を印加した場合の磁化曲線である。
【００３９】
このサンドイッチ構造をサファイア基板上に形成したＣｒ５ｎｍ／Ａｕ１５０ｎｍの電極上に作成し、上部電極としてＡｕ膜を付与し、２０μｍ角の磁気抵抗効果素子とした。
【００４０】
上下電極間、すなわち膜面垂直方向に電流を流し磁気抵抗効果を測定したところ、磁気抵抗変化率は１２％と大きく、比抵抗の絶対値も４２０μΩ−ｃｍと大きく、優れた磁気抵抗効果素子を得ることができた。
【００４１】
またＡｒレーザーをサンドイッチ膜に照射したとき、残留磁化が増加し、光誘起磁性を示した。更にｔ＝２．５ｎｍの強磁性的交換相互作用を呈するサンドイッチ膜においてもＡｒレーザーを照射した際に残留磁化の減少が見られ、やはり光誘起磁性を示した。
【００４２】
同様の結果はＦｅ／Ｆｅシリサイドの積層を繰り返した場合でも得ることができ、また他のｂｃｃ磁性層、たとえばＦｅ−Ｃｏ，Ｆｅ−Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金を用いた場合でも同様の優れた磁気抵抗効果を得ることができる。
【００４３】
（実施例６）
ＣｏＺｒＮｂ非晶質磁性バッファ層が形成された熱酸化Ｓｉ基板上に、ｆｃｃＮｉＦｅ合金層を２ｎｍ成膜した後、ｆｃｃＣｏ層／εＣｏシリサイド層／ｆｃｃＣｏ層のサンドイッチ構造を作成した。εＣｏシリサイド層（Ｂ２０構造）は基板温度３２５℃で作成した後、急冷することで作成したものである。なおｆｃｃＣｏ層の膜厚は上下とも３ｎｍとした。最上層にはＦｅＭｎ反強磁性膜を形成し、いわゆるスピンバルブ膜構造とした。上下磁性層には夫々一軸磁気異方性が付与されている。この場合上下のＣｏ層間には実質的に交換結合は存在しない。上下Ｃｏ層は従って反強磁性層により磁化が固着されたＣｏ層（ピン層）は外部磁界では実質的に磁化回転が起こらず、他方のＣｏ層（フリー層）が外部磁界により回転することで、上下Ｃｏ層間の磁化の角度が変化し磁気抵抗効果を生じる。
【００４４】
図１１にフリー層の磁化容易軸に対し直交方向の磁化を印加した場合の磁化曲線を示す。飽和磁場が２０Ｏｅ程度と小さく、また広い磁界範囲で磁化が可逆的に変化している。
【００４５】
このスピンバルブ構造を実施例５と同様にして２０μｍ角の磁気抵抗効果素子とし、膜面垂直方向に電流を流し磁気抵抗効果を測定したところ、磁気抵抗変化率は１１％と大きく、比抵抗の絶対値も３７０μΩ−ｃｍと大きく、優れた磁気抵抗効果素子を得ることができた。
【００４６】
同様の結果は他のｆｃｃ磁性層、たとえばＦｅ−Ｃｏ，Ｆｅ−Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金を用いた場合でも同様の優れた磁気抵抗効果を得ることができる。またＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｃｏ／ＣｏＳｉ／Ｃｏ／ＮｉＦｅ／Ｃｏ／ＣｏＳｉ／Ｃｏ／ＦｅＭｎのような積層構造でも同様の結果を得ることができる。
（実施例７）
実施例６と同様にして下記の各種組合わせでサンドイッチ膜を形成した。
（１）Ｃｏ８ＦｅＮｉ（５ｎｍ）／ε−Ｎｉシリサイド（３ｎｍ）／Ｃｏ８ＦｅＮｉ（３ｎｍ）
（２）Ｃｏ８Ｆｅ（１０ｎｍ）／ε−Ｎｉシリサイド（５ｎｍ）／Ｃｏ８Ｆｅ（５ｎｍ）
（３）Ｎｉ８Ｆｅ（３ｎｍ）／ε−Ｎｉシリサイド（１０ｎｍ）／Ｎｉ８Ｆｅ（７ｎｍ）
（４）Ｎｉ８Ｃｏ５Ｆｅ（５ｎｍ）／ε−Ｍｎシリサイド（４ｎｍ）／Ｎｉ８Ｃｏ５Ｆｅ（２ｎｍ）
（５）Ｃｏ８Ｆｅ（１０ｎｍ）／ε−Ｃｒシリサイド（１５ｎｍ）／Ｆｅ（５ｎｍ）
（６）Ｎｉ９Ｆｅ（７ｎｍ）／ε−Ｃｒシリサイド（２ｎｍ）／Ｆｅ（１０ｎｍ）
各サンドイッチ膜の膜面垂直方向の磁気抵抗効果を測定したところ、（１）１４％；（２）１２％；（３）１０％；（４）１１％；（５）９．５％；（６）１０％  と良好な値を示した。
また比抵抗（μΩ−ｃｍ）も、（１）４１０；（２）４４５；（３）５００；（４）４５５；（５）５１０；（６）３１０  と良好な値を示した。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば半導体特性，若しくは半金属特性を有する非磁性膜と磁性膜との積層膜を得ることができる。従って磁気センサ，磁気抵抗効果メモリ，スピントランジスタ，磁気ヘッドなどの磁気抵抗効果素子或いは光誘起磁性膜と、各種磁気素子として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の概略断面図。
【図２】  本発明の概略断面図。
【図３】  本発明の概略断面図。
【図４】  温度−比抵抗特性図。
【図５】  温度−比抵抗特性図。
【図６】  温度−比抵抗特性図。
【図７】  Ｂ２０構造（ε相）となる基板温度と磁性膜の膜厚との関係図。
【図８】  Ｂ２０構造（ε相）となる基板温度と磁性膜の膜厚との関係図。
【図９】  サンドイッチ膜の残留磁化のシリサイド膜厚依存性を示す特性図。
【図１０】  サンドイッチ膜の磁化曲線図。
【図１１】  スピンバルブ膜の磁化曲線図。
【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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