(57)【要約】【課題】高いバイアスを印加してもＭＲ比が減少しにくい磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層との間に設けられたトンネルバリア層とを有し、前記トンネルバリア層は、組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯ（Ａは２価の陽イオン、Ａ’は３価の陽イオン）で表される立方晶の結晶構造を有する非磁性酸化物からなり、前記結晶構造の空間群は、Ｐｍ３ｍ、Ｉ−４３ｍ及びＰｍ−３ｍからなる群から選択されるいずれかであり、前記結晶構造の基本格子中におけるＡイオンの数が、Ａ’イオンの数より多い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層との間に設けられたトンネルバリア層とを有し、
前記トンネルバリア層は、組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯ（Ａは２価の陽イオン、Ａ’は３価の陽イオン）で表される立方晶の結晶構造を有する非磁性酸化物からなり、
前記結晶構造の空間群は、Ｐｍ３ｍ、Ｉ−４３ｍ及びＰｍ−３ｍからなる群から選択されるいずれかであり、
前記結晶構造の基本格子中におけるＡイオンの数が、Ａ’イオンの数より多い磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記組成式におけるＡが、ベリリウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一種である請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記組成式におけるＡ’が、ボロン、アルミニウム及びガリウムからなる群から選択される少なくとも一種である請求項１または２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記組成式におけるＡ’がボロンであり、
前記組成式におけるｘが０．０５＜ｘ≦０．２を満たす請求項１または２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記組成式におけるＡ’がアルミニウムであり、
前記組成式におけるｘが０＜ｘ＜０．５を満たす請求項１または２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記組成式におけるＡ’がガリウムであり、
前記組成式におけるｘが０＜ｘ＜０．５を満たす請求項１または２のいずれか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。
【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。また特許文献１及び２には、ＭｇＯのＭｇの一部をＺｎに置換した（ＭｇＺｎ）Ｏにおいてもコヒーレントトンネル効果を得ることができることが記載されている。
またこの他にも、特許文献３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。特許文献４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】米国特許出願公開第２００８／０１３８６６０号
【特許文献２】特開２０１２−２０４３４８号公報
【特許文献３】特許第５５８６０２８号公報
【特許文献４】特開２０１３−１７５６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び２に記載された材料を用いたトンネルバリア層では、ＴＭＲ素子に印加されるバイアス電圧が高くなるとＭＲ比が大きく低下するという問題がある。
【０００８】
今後の磁気センサやＭＲＡＭ等のデバイスにおいて、高いバイアス電圧下でも十分なＭＲ比を得ることができるＴＭＲ素子のニーズが大きく、特許文献１及び２に記載された磁気抵抗効果素子では、このようなニーズに対応することができない。
【０００９】
例えば磁気センサにおいては、地磁気や生体磁気等の微小な磁場を観測できるものが求められている。このように微小な磁場を観測するためには、回路上で抵抗変化として得られる電気信号を増幅する必要がある。増幅処理を行わずに高感度な観測を行うためには、出力電圧または出力電流を増大させる必要があり、高いバイアス電圧下でも十分なＭＲ比を得ることができるＴＭＲ素子が求められている。
【００１０】
また例えばＭＲＡＭにおいては、書き込み動作において高い電圧駆動が必要である。書き込み動作は磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の向きを変化させることで行う。強磁性層の磁化の向きは、スピン偏極電流が強磁性層のスピンに作用することで変化する。すなわち、書き込み動作を行うためには、強磁性層のスピンの向きを変化させることができるだけの高い電流密度を磁気抵抗効果素子に印加する必要があり、高いバイアス電圧下でも十分なＭＲ比を得ることができるＴＭＲ素子が求められている。
【００１１】
また特許文献３及び４には、ＭｇＡｌ２Ｏ４で表記されるスピネル構造のトンネルバリア層において格子不整合を低減することで、高いバイアス電圧下でも高いＭＲ比を得られることが記載されている。しかしながら、ＭｇＯに代表されるＮａＣｌ構造に近い結晶構造を有するトンネルバリア層を用いて、高いバイアス電圧下でも高いＭＲ比を得ることができるＴＭＲ素子は知られていない。ＢＣＣ構造の強磁性材料と組み合わせる場合、ＮａＣｌ構造に近い結晶構造を有するトンネルバリア層である方が高いＭＲ比を得ることができる。これはコヒーレントトンネルがバンドの対称性によって生じているからである。結晶の対称性が下がると、電子のバンドが形成されてコヒーレントトンネルを生じさせる電子の数が減少し、ＭＲ比の減少につながる。スピネル構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４の場合、ＮａＣｌ構造に近い結晶構造を有するトンネルバリア層よりもＭＲ比が減少するが、その減少幅が小さいことが知られている。しかしながら、高いバイアス電圧を必要としないデバイスではＭＲ比が少しでも高いことが好ましい。また、スピネル構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４の場合は強磁性材料に合わせた任意の格子定数に調整することができるため、印可電圧のバイアス依存性が高いと考えられる。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高いバイアス電圧下でも高いＭＲ比を維持でき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】
【００１３】
本発明者らは、バイアス電圧が高くなるとＭＲ比が大きく低下する理由が２つの強磁性金属層とトンネルバリア層の格子不整合に伴う結晶構造の歪みに起因していると考え、トンネルバリア層の組成及び構造を所定の組成及び構造とすることで、高いバイアス電圧下でも高いＭＲ比を維持できる磁気抵抗効果素子を提供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。
【００１４】
（１）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層との間に設けられたトンネルバリア層とを有し、前記トンネルバリア層は、組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯ（Ａは２価の陽イオン、Ａ’は３価の陽イオン）で表される立方晶の結晶構造を有する非磁性酸化物からなり、前記結晶構造の空間群は、Ｐｍ３ｍ、Ｉ−４３ｍ及びＰｍ−３ｍからなる群から選択されるいずれかであり、前記結晶構造の基本格子中におけるＡイオンの数が、Ａ’イオンの数より多い。
【００１５】
（２）上記（１）に記載の磁気抵抗効果素子において、前記組成式におけるＡが、ベリリウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一種であってもよい。
【００１６】
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子において、前記組成式におけるＡ’が、ボロン、アルミニウム及びガリウムからなる群から選択される少なくとも一種であってもよい。
【００１７】
（４）上記（１）または（２）のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子において、前記組成式におけるＡ’がボロンであり、前記組成式におけるｘが０．０５＜ｘ≦０．２を満たしてもよい。
【００１８】
（５）上記（１）または（２）のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子において、前記組成式におけるＡ’がアルミニウムであり、前記組成式におけるｘが０＜ｘ＜０．５を満たしてもよい。
【００１９】
（６）上記（１）または（２）のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子において、前記組成式におけるＡ’がガリウムであり、前記組成式におけるｘが０＜ｘ＜０．５を満たしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一態様に係るスピントロニクス素子によれば、高いバイアス電圧下でも高いＭＲ比を維持できる磁気抵抗効果素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
【図２】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装置の側面模式図である。
【図３】磁気抵抗効果装置を積層方向から平面視した模式図である。
【図４】実施例１の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。
【図５】実施例２の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。
【図６】トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＡｌの比を変更した際の格子定数の変化を示した図である。
【図７】トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＡｌの比を変更した際のＶｈａｌｆの変化を示した図である。
【図８】トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＧａの比を変更した際の格子定数の変化を示した図である。
【図９】トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＧａの比を変更した際のＶｈａｌｆの変化を示した図である。
【図１０】トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＢの比を変更した際の格子定数の変化を示した図である。
【図１１】トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＢの比を変更した際のＶｈａｌｆの変化を示した図である。
【図１２】比較例１の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。
【図１３】比較例２の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。
【図１４】実施例１、比較例１及び比較例２の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比を、０，００１Ｖを印加した場合のＭＲ比で規格化した測定結果を示す。
【図１５】実施例１、比較例１及び比較例２の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比をの測定結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１は、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子の断面模式図である。本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１と、第２強磁性金属層２と、トンネルバリア層３とを有する。また図１に示すように、第１強磁性金属層１は、基板４上に設けられた下地層５上に形成されていてもよく、第２強磁性金属層２のトンネルバリア層３と接する面と反対側の面にはキャップ層６を有していてもよい。
【００２４】
（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１強磁性金属層１及び第２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。
【００２５】
磁気抵抗効果素子には、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必要がある。
【００２６】
トンネルバリア層３の結晶構造は立方晶であり、Ｐｍ３ｍ、Ｉ−４３ｍ及びＰｍ−３ｍからなる群から選択されるいずれかの空間群を有する。
空間群Ｐｍ３ｍの対称性を有する立方晶構造はＮａＣｌ構造であり、空間群Ｉ−４３ｍ及びＰｍ−３ｍの対称性を有する立方晶構造はＮａＣｌ構造から歪んだ構造である。
ＮａＣｌ構造は、従来からトンネルバリア層３に用いられているＭｇＯと同様の結晶構造を有する。そのため、ＮａＣｌ構造を有するトンネルバリア層３が第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２の間に挟持されることで、コヒーレントトンネル効果を生み出す。またＮａＣｌ構造から僅かに歪んだ空間群Ｉ−４３ｍ及びＰｍ−３ｍの対称性を有する立方晶構造においても、コヒーレントトンネル効果が発現することを確認した。トンネル現象がコヒーレントトンネル効果であるか、否かの区別はＭＲ比から推測することができる。鉄などの一般的な強磁性材料を用いたＴＭＲの場合、ＭＲ比は８０％程度が上限と考えられている。したがって、ＭＲ比が８０％程度を超えた場合、コヒーレントトンネル効果が発現していると考えることができる。
【００２７】
またトンネルバリア層３は、組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯ（Ａは２価の陽イオン、Ａ’は３価の陽イオン、０＜ｘ＜０．５）で表される。なお、本明細書において表記される組成式は、トンネルバリア層３の化学量論的組成式を示したものであり、発明の効果を奏する範囲の組成のずれは許容される。例えば、一般に生じる酸素欠損等が生じた組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯ１−δも、組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯの範囲に含まれる。
【００２８】
組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯで表記されるトンネルバリア層は、トンネルバリア層として広く用いられているＭｇＯと比較すると、２価のイオン（Ａイオン：例えば、Ｍｇ２＋）の一部が、３価のイオン（Ａ’イオン）によって置換されている点が異なる。
【００２９】
一般に、強磁性金属層がＦｅからなり、トンネルバリア層がＭｇＯからなる場合、それぞれの格子定数は３％程度異なることが知られている。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。しかしながら、酸素欠損による格子定数の違いはわずかであり、充分に強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子不整合を低減することができない。
【００３０】
これに対して、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子１０におけるトンネルバリア層３では、２価のイオン（Ａイオン：例えば、Ｍｇ２＋）の一部が、３価のイオン（Ａ’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ると、トンネルバリア層３を構成する結晶の格子定数は大きく変化する。その結果、後述する第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の間の格子不整合を低減することができる。また置換量及び置換するイオン種を変えることで、自由にトンネルバリア層３を構成する結晶の格子定数を制御することができ、より簡便に強磁性金属層（第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２）とトンネルバリア層の間の格子定数の不整合を低減することができる。
【００３１】
強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子定数の不整合が低減された磁気抵抗効果素子１０は、高いバイアス電圧下でも十分なＭＲ比を得ることができる。これは、強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子定数の不整合が低減されることで、これらの界面における結晶の連続性が高まり、スピンの散乱量が減少するためである。
強磁性金属層とトンネルバリア層の間に格子定数の不整合が存在すると、これらの界面においてスピンが散乱する。高いバイアス電圧印加時には磁気抵抗効果素子１０内を伝搬するスピンの量が多くなるため、この影響は顕著になる。
【００３２】
上述のように、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子１０によれば、強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子定数の不整合を低減し、これらの界面におけるスピンの散乱を抑制し、高いバイアス電圧下でも十分なＭＲ比を得ることができる。その結果、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子１０を高感度の磁気センサ、ロジックインメモリ及びＭＲＡＭなどの高いバイアス電圧が印加されるデバイスに用いることができる。
【００３３】
バイアス電圧印加時におけるＭＲ比の減少量の多寡は、Ｖｈａｌｆという指標で表すことができる。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。また、磁気抵抗効果素子の抵抗値などの条件により得られる最適な低バイアス電圧は異なるため、低バイアス電圧とは少なくともＶｈａｌｆよりも１０分の１以下の電圧であれば良い。
【００３４】
また２価のイオン（Ａイオン：例えば、Ｍｇ２＋）の一部を、３価のイオン（Ａ’イオン）によって置換することは、磁気抵抗効果素子１０の面積抵抗ＲＡを下げるという効果も生み出す。すなわち、低抵抗な磁気抵抗効果素子を得ることができる。
ここで、特許文献３及び４に記載されたＭｇＡｌ２Ｏ４は、スピネル構造のＡサイト及びＢサイトにＭｇ，Ａｌが導入されたものであり、価数の異なるイオンを置換するものではないため、面積抵抗ＲＡを下げるという効果を十分得ることはできない。
【００３５】
２価のイオンのサイトに別の価数のイオンを導入すると、トンネルバリア層３の電子状態（バンド構造）が変化する。具体的には、本来存在する２価のイオンのサイトに別の価数のイオンが導入されることで、バンド構造内に不純物準位が形成される。不純物準位が形成されると、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の間の電子状態におけるバリア障壁の高さ（バリアハイト）が低くなる。その結果、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３の間において、電子が伝導しやすくなり、磁気抵抗効果素子１０が低抵抗化する。
【００３６】
この際、バリアハイトが低くなることにより、ＭＲ比の最大値は同時に低下する。しかしながら、ＭＲ比の低下はわずかであり、ＭＲ比が高く、低抵抗な磁気抵抗効果素子を得ることができる。このような低抵抗な磁気抵抗効果素子１０は、例えば小型化された磁気ヘッド等の狭い領域内における高周波応答、ノイズの低減等を実現するために強いニーズがある。
なお、ここでいうＭＲ比の最大値とは磁気抵抗効果素子が通常動作時に得ることができるＭＲ比の最大値のことを意味し、高いバイアス電圧を印加した際にＭＲ比を高く維持できることとは意味が異なる。
【００３７】
トンネルバリア層３の組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯにおいて、Ａは２価の陽イオン、Ａ’は３価の陽イオンである。
【００３８】
Ａは非磁性の２価の陽イオンであることが好ましく、ベリリウム、マグネシウム及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一種を含むことがより好ましく、マグネシウムを少なくとも有することがより好ましい。
二価のイオンがベリリウム及び亜鉛のみからなる場合も準安定の結晶構造が同一であるため、コヒーレントトンネルを有するトンネルバリア層を得ることができる。また、２価のイオンとしてマグネシウムを含むものは、コヒーレントトンネルを安定的に得ることができ、ＭＲ比を高めることができる。
【００３９】
Ａ’は非磁性の３価の陽イオンであることが好ましく、ボロン、アルミニウム及びガリウムからなる群から選択される少なくとも一種を含むことがより好ましい。
【００４０】
具体的には、例えば、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯ、Ｂｅ１−ｘＡｌｘＯ、Ｚｎ１−ｘＡｌｘＯ、（Ｍｇ，Ｚｎ）１−ｘＡｌｘＯ、（Ｍｇ，Ｂｅ）１−ｘＡｌｘＯ及びこれらのアルミニウムサイトの少なくとも一部をボロン及びガリウムで置換したもの等を用いることができる。
構成元素が複数になるほど、不純物準位が形成されやすくなり、低抵抗化が進む。一方で、構成元素が複数になるほど、バリアハイトが低下するため、ＭＲ比は低下する。用途に応じて、それぞれの材料を使い分けることができる。
【００４１】
トンネルバリア層３の組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯにおいて、基本格子を構成するＡイオンの数は、Ａ’イオンの数より多い。すなわち、組成式Ａ１−ｘＡ’ｘＯにおいて、置換量は０＜ｘ＜０．５である。置換量がこの範囲内であれば、結晶構造を変化させることなく、格子定数を適宜調整することができる。その結果、後述する第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２との結晶構造の整合性を高めることができ、磁気抵抗効果素子１０が高いバイアス電圧下でも十分なＭＲ比を維持できる。
【００４２】
置換されるＡ’としては上述のものを用いることができるが、置換されるＡ’のイオン半径によって置換量の好ましい範囲は異なる。
【００４３】
例えば、置換される元素がボロンの場合は、０．０５＜ｘ≦０．２であることが好ましく、０．０５＜ｘ＜０．１であることがより好ましい。
【００４４】
例えば、置換される元素がアルミニウムの場合は、０＜ｘ＜０．５であることが好ましく、０．１＜ｘ＜０．４であることがより好ましく、０．３＜ｘ＜０．４であることがさらに好ましい。
【００４５】
例えば、置換される元素がガリウムの場合は、０＜ｘ＜０．５であることが好ましく、０．１＜ｘ＜０．４であることがより好ましく、０．２５＜ｘ＜０．３５であることがさらに好ましい。
【００４６】
それぞれの置換元素における置換量がこの範囲内であれば、ＭＲ比を大きく低下させることなく、低抵抗な磁気抵抗効果素子１０を得ることができる。また後述する第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２との結晶構造の整合性をより高めることができ、磁気抵抗効果素子１０が高いバイアス電圧下でもより十分なＭＲ比を維持できる。
【００４７】
（第１強磁性金属層、第２強磁性金属層）
第１強磁性金属層１は、第２強磁性金属層２より保持力が大きい。すなわち、第１強磁性金属層１の磁化が一方向に固定され、第２強磁性金属層２の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子１０として機能する。第１強磁性金属層１は固定層または参照層と呼ばれ、第２強磁性金属層２は自由層または記録層と呼ばれる。
【００４８】
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、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
【００４９】
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。
【００５０】
また、第１強磁性金属層１の第２強磁性金属層２に対する保磁力をより大きくするために、第１強磁性金属層１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１強磁性金属層１の漏れ磁場を第２強磁性金属層２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。
【００５１】
さらに第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、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第１強磁性金属層１は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。
【００５２】
第２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、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
【００５３】
第２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、第２強磁性金属層２の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第２強磁性金属層２とトンネルバリア層の界面で、第２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２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２強磁性金属層２の膜厚は薄い方が好ましい。
【００５４】
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可して、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可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。
【００５５】
（基板、下地層）
基板４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、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。例えば、ＭＲＡＭの場合、Ｓｉ基板で形成された回路が必要となる。そのため、ＭＲＡＭとして磁気抵抗効果素子１０を用いる場合は、Ｓｉ基板を用いることが好ましい。また、磁気ヘッドとして磁気抵抗効果素子を用いる場合は、加工しやすいＡｌＴｉＣ基板を用いることが好ましい。
【００５６】
基板１の第１強磁性金属層１側の面には、下地層５が形成されていてもよい。下地層５を設けると、基板４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。
【００５７】
下地層５は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層５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５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。
【００５８】
別の例として、下地層５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。
【００５９】
別の例として、下地層５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。
【００６０】
別の例として、下地層５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。
【００６１】
また下地層５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５の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子１０の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。
【００６２】
（キャップ層）
また第２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６が形成されていることが好ましい。キャップ層６は、第２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６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６を設けることで、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性金属層１及び第２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。
【００６３】
キャップ層６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。キャップ層６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６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比の減少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。
【００６４】
（使用時の構成）
図２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装置の側面模式図である。また図３は、磁気抵抗効果装置を積層方向から平面視した模式図である。磁気抵抗効果装置２０は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０におけるキャップ層６の第２強磁性金属層２と反対側の面に電極層１１が形成されている。また電極層１１と下地層５に設けた電極層１２の間には、電源１３と電圧計１４が設けられている。電源１３により電極層１１と下地層５に電圧を印加することにより、第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３及び第２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でモニターすることができる。
【００６５】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果装置２０においては、第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３及び第２強磁性金属層２の結晶格子の不整合が低減されている。そのため、第１強磁性金属層１からトンネルバリア層３のコヒーレントトンネルを通過して第２強磁性金属層２へ至る際に、スピンが散乱することを防ぐことができる。すなわち、ＭＲ比を高めることができると共に、Ｖｈａｌｆの低減を抑制することができる。
【００６６】
（素子の形状、寸法）
図２に示す、第１強磁性金属層１、トンネルバリア層３及び第２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。
【００６７】
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、６０      ｎｍ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。
【００６８】
（評価方法）
磁気抵抗効果素子の評価方法について、図２と図３を例に説明する。上述のように、図３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を観測することができる。
【００６９】
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２の磁化の向きが平行の場合の抵抗であり、ＲＡＰは第１強磁性金属層１と第２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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
また印加されるバイアス電圧と、磁気抵抗効果素子の積層方向に流れた電流の電流密度から求められる電気伝導特性を、ＷＫＢ近似に基づいたＳｉｍｍｏｎｓの公式に当てはまるように最小自乗法でフィッティングすることで、トンネル障壁の高さ（バリアハイト）を算出することもできる。
【００７２】
（その他）
上述の例では保磁力の大きい第１強磁性金属層１がトンネルバリア層３に対して基板４側に設けられた例を挙げたが、この構成に限定されない。保磁力の大きい第１強磁性金属層１がトンネルバリア層３に対して基板４と反対側となる構造の場合には第１強磁性金属層１がトンネルバリア層３に対して基板４側となる構造の場合と比べて保磁力は小さくなるが、基板の結晶性を生かしてトンネルバリア層３を形成できるため、ＭＲ比を増大させることが可能である。
【００７３】
上述のように、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子によれば、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２とトンネルバリア層３との結晶格子の整合性を高めることができ、高いバイアス電圧下でも十分なＭＲ比を維持できる。また、異なる価数のイオンにより２価のイオンの一部を置換することにより、磁気抵抗効果素子を低抵抗化することができる。そのため、本発明の一態様に係る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、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は効果的である。
【００７４】
（製造方法）
磁気抵抗効果素子は、例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成することができる。トンネルバリア層３は第１強磁性金属層１上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のアルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる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法等の薄膜作成法を用いることができる。
【００７５】
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】
【００７６】
（実施例１）
熱酸化珪素膜が設けられた基板上に、マグネトロン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。
まず、下地層として、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）を成膜した。その後、下地層上に第１強磁性金属層として、ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１０ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（７ｎｍ）を順に積層した。
【００７７】
次いで、得られた第１強磁性金属層上に、トンネルバリア層を以下の手順で作製した。まずＭｇのターゲットとＭｇ０．９８５Ａｌ０．０１５Ｏｘ合金組成のターゲットを用いて、Ｍｇ（０．１５ｎｍ）／Ｍｇ０．９８５Ａｌ０．０１５Ｏｘ（０．５ｎｍ）／Ｍｇ（０．１５ｎｍ）となるように順に積層した。そして、１．０×１０−８Ｐａ以下の超高真空に保持された酸化チャンバー内に、上述の積層体が形成された試料を移動し、酸化チャンバー内にＡｒと酸素を導入することで、酸化処理を行った。酸化処理は自然酸化により行い、自然酸化の条件は１０秒、Ａｒと酸素の分圧比は１：１０、全ガス圧は０．０５Ｐａとした。
【００７８】
再度成膜チャンバーに試料を戻し、酸化処理後の試料に再びＭｇ（０．１５ｎｍ）／Ｍｇ０．９８５Ａｌ０．０１５Ｏｘ（０．５ｎｍ）／Ｍｇ（０．１５ｎｍ）となるように順に積層した。そして、１．０×１０−８Ｐａ以下の超高真空に保持された酸化チャンバー内で、再積層後の試料に酸化処理を行った。酸化処理は、自然酸化と誘導結合プラズマ酸化により行った。自然酸化の時間は３０秒、誘導結合プラズマ酸化の条件は５秒とし、Ａｒと酸素の分圧比は１：２０、全ガス圧は０．０８Ｐａとした。
【００７９】
このようにして、所定のトンネルバリア層が形成された試料を再度成膜チャンバーに移動し、第２強磁性金属層としてＣｏＦｅ（５ｎｍ）、キャップ層としてＲｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を成膜した。
そして、各層が積層された試料をアニール装置に移し、Ａｒ雰囲気、４５０度の環境下で１０分加熱した。その後、８ｋＯｅを印加した状態で、６時間２８０度で加熱処理し、磁気抵抗効果素子を作製した。
【００８０】
（構造解析）
実施例１で作製した磁気抵抗効果素子におけるトンネルバリア層の構造は、電子線回折及びエックス線回折測定により行った。磁気抵抗効果素子中におけるトンネルバリア層は、上下に強磁性金属層が形成されており、直接測定できないため、第２強磁性金属層を積層する前の段階で測定した。またトンネルバリア層の下の層の影響を除去するために、Ｍｇ（０．１５ｎｍ）／Ｍｇ０．９８５Ａｌ０．０１５Ｏｘ（０．５ｎｍ）／Ｍｇ（０．１５ｎｍ）となるように順にスパッタする成膜工程と、酸化工程を１０回繰り返し行い、充分な膜厚を確保してから行った。
【００８１】
エックス線回折測定の結果から主なピークにＭｇＯの結晶構造である空間群Ｐｍ３ｍの対称性に起因した指数付けを行うことができ、ＭｇＯと同様の構造であることが確認された。また電子線回折測定では、ＭｇＯの構造で指数付けされたピーク以外に、弱いピークが確認された。この新たに確認された弱いピークの強度を含めて再度構造解析を行ったところ、トンネルバリア層の結晶構造は、ＮａＣｌ構造から歪んだ空間群Ｉ−４３ｍまたはＰｍ−３ｍを有することが分かった。またエックス線回折測定の結果から仮定したＭｇＯの結晶構造の空間対称性から格子定数を見積もった所、０．４２０２ｎｍ（４．２０２Å）であった。
【００８２】
（組成分析）
アトムプローブ法を用いて、トンネルバリア層の組成比を決定した。ここでは、アトムプローブ法を用いたが、この他、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）を用いて行うこともできる。分析の結果、Ｍｇ：Ａｌ＝０．９６：０．０４であった。
【００８３】
図４は、実施例１の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。バイアス電圧０．００１Ｖを印加した場合のＭＲ比は２１４％であり、バイアス電圧１Ｖを印加した場合のＭＲ比は５１．５％であった。図４に示すように、０，００１Ｖを印加した場合のＭＲ比を１として規格化した所、Ｖｈａｌｆは、０．５５Ｖであった。なお、このとき磁気抵抗効果素子の直径は０．１μｍであった。
【００８４】
（実施例２）
実施例２では、トンネルバリア層を作製する際に用いるターゲットを変更し、トンネルバリア層の組成を変更した点のみが実施例１と異なる。
【００８５】
実施例２では、トンネルバリア層を作製する際のターゲットとして、Ｍｇ０．８Ｚｎ０．２のターゲットとＭｇ０．４Ｚｎ０．１Ａｌ０．５Ｏｘの組成の合金ターゲットを用いた。そして、１回の成膜工程で、Ｍｇ０．８Ｚｎ０．２（０．１５ｎｍ）／Ｍｇ０．４Ｚｎ０．１Ａｌ０．５Ｏｘ（０．５ｎｍ）／Ｍｇ０．８Ｚｎ０．２（０．１５ｎｍ）となるようにスパッタした。そして、Ａｒと酸素の分圧比は１：２５として自然酸化を行った。その後、再度成膜工程を行い、自然酸化及び誘導結合プラズマ酸化を行った。１回目の自然酸化の条件（Ａｒと酸素の分圧比を除く）、２回目の成膜工程及び酸化工程の条件は、実施例１と同一とした。
【００８６】
（構造解析）
実施例２で作製した磁気抵抗効果素子におけるトンネルバリア層の構造は、電子線回折及びエックス線回折測定により行った。実施例２においても実施例１と同様に、成膜工程と、酸化工程を１０回繰り返し行い、充分な膜厚を確保してから行った。
【００８７】
エックス線回折測定の結果から主なピークにＭｇＯの結晶構造である空間群Ｐｍ３ｍの対称性に起因した指数付けを行うことができ、ＭｇＯと同様の構造であることが確認された。また電子線回折測定では、ＭｇＯの構造で指数付けされたピーク以外に、弱いピークが確認された。この新たに確認された弱いピークの強度を含めて再度構造解析を行ったところ、トンネルバリア層の結晶構造は、ＮａＣｌ構造から歪んだ空間群Ｉ−４３ｍまたはＰｍ−３ｍを有することが分かった。またエックス線回折測定の結果から仮定したＭｇＯの結晶構造の空間対称性から格子定数を見積もった所、０．４２１３ｎｍ（４．２１３Å）であった。
【００８８】
（組成分析）
実施例１と同様の分析方法で分析した結果、Ｍｇ：Ｚｎ：Ａｌ＝０．４：０．１：０．４５であった。
【００８９】
図５は、実施例２の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。バイアス電圧０．００１Ｖを印加した場合のＭＲ比は２０５％であり、バイアス電圧１Ｖを印加した場合のＭＲ比は４４．１％であった。図５に示すように、０，００１Ｖを印加した場合のＭＲ比を１として規格化した所、Ｖｈａｌｆは、０．５Ｖであった。なお、このとき磁気抵抗効果素子の直径は０．１μｍであった。
【００９０】
（実施例３）
実施例３では、トンネルバリア層を作製する際に用いるターゲットを変更し、組成比におけるＭｇとＡｌの比を変更させて、格子定数の変化とＶｈａｌｆの変化を測定した。ターゲットを変更する以外の作製条件は、実施例１と同様にした。
【００９１】
図６は、トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＡｌの比を変更した際の格子定数の変化を示した図である。また図７は、トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＡｌの比を変更した際のＶｈａｌｆの変化を示した図である。実施例３における磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層の組成式は、Ｍｇ１−ｘＡｌｘＯとし、０＜ｘ＜０．６の範囲で測定した。
【００９２】
図６に示すように、Ａｌの置換量ｘが増えると格子定数が直線的に減少している。一方で、ｘ＝０．５を超える辺りから、格子定数の変化が見られなくなっている。これは、ＭｇＯを基本とする構造においては、Ａｌの置換量が０．５前後であることを示す。またＶｈａｌｆについても、ｘ＝０．５付近で急激に減少しており、ｘ＞０．５以上のＡｌを置換すると、Ａｌがスピンの散乱体になっていることが分かる。
【００９３】
（実施例４）
実施例４では、トンネルバリア層を作製する際に用いるターゲットを変更し、成膜するトンネルバリア層の組成をＭｇ１−ｘＧａｘＯとし、０＜ｘ＜０．６の範囲で測定した。この際、組成比におけるＭｇとＧａの比を変更させて、格子定数の変化とＶｈａｌｆの変化を測定した。ターゲットを変更する以外の作製条件は、実施例１と同様にした。
【００９４】
図８は、トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＧａの比を変更した際の格子定数の変化を示した図である。また図９は、トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＧａの比を変更した際のＶｈａｌｆの変化を示した図である。
【００９５】
図８に示すように、Ｇａの置換量ｘが増えると格子定数が直線的に減少している。一方で、ｘ＝０．５を超える辺りから、格子定数の変化が見られなくなっている。これは、ＭｇＯを基本とする構造においては、Ｇａの置換量が０．５前後であることを示す。またＶｈａｌｆについても、ｘ＝０．５付近で急激に減少しており、ｘ＞０．５以上のＧａを置換すると、Ｇａがスピンの散乱体になっていることが分かる。
【００９６】
（実施例５）
実施例５では、トンネルバリア層を作製する際に用いるターゲットを変更し、成膜するトンネルバリア層の組成をＭｇ１−ｘＢｘＯとし、０＜ｘ＜０．６の範囲で測定した。この際、組成比におけるＭｇとＢの比を変更させて、格子定数の変化とＶｈａｌｆの変化を測定した。ターゲットを変更する以外の作製条件は、実施例１と同様にした。
【００９７】
図１０は、トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＢの比を変更した際の格子定数の変化を示した図である。また図１１は、トンネルバリア層の組成比におけるＭｇとＢの比を変更した際のＶｈａｌｆの変化を示した図である。
【００９８】
図１０に示すように、Ｇａの置換量ｘが増えると格子定数が直線的に減少している。一方で、ｘ＝０．２を超える辺りから、格子定数の変化が見られなくなっている。これは、ＭｇＯを基本とする構造においては、Ｂの置換量が０．２前後であることを示す。またＶｈａｌｆについても、ｘ＝０．２付近で急激に減少しており、ｘ＞０．２以上のＢを置換すると、Ｂがスピンの散乱体になっていることが分かる。
【００９９】
（比較例１）
比較例１は、トンネルバリア層をＭｇＯとした点が実施例１と異なる。すなわち、実施例１の成膜工程において、ターゲットをＭｇＯからなるターゲットを用いて、１回のスパッタ工程でＭｇＯ（０．８ｎｍ）のみを作製した。その他の条件は、実施例１と同じとした。
【０１００】
（構造解析）
比較例１で作製した磁気抵抗効果素子におけるトンネルバリア層の構造は、電子線回折及びエックス線回折測定により行った。比較例１においても実施例１と同様に、スパッタ工程と、酸化処理工程を１０回繰り返し行い、充分な膜厚を確保してから行った。
【０１０１】
エックス線回折測定の結果から主なピークにＭｇＯの結晶構造である空間群Ｐｍ３ｍの対称性に起因した指数付けを行うことができ、ＭｇＯと同様の構造であることが確認された。また電子線回折測定では、ＭｇＯの構造で指数付けされたピーク以外のピークは確認されなかった。このことからトンネルバリア層としてＭｇＯが作製されたことが分かる。
【０１０２】
図１２は、比較例１の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。バイアス電圧０．００１Ｖを印加した場合のＭＲ比は２３０％であり、バイアス電圧１Ｖを印加した場合のＭＲ比は２７．１％であった。図１２に示すように、０，００１Ｖを印加した場合のＭＲ比を１として規格化した所、Ｖｈａｌｆは、０．４５Ｖであった。
【０１０３】
（比較例２）
比較例２は、トンネルバリア層をスピネル構造のＭｇＡｌ２Ｏ４とした点が比較例１と異なる。その他の条件は比較例１と同様にし、構造解析の結果ＭｇＡｌ２Ｏ４が作製されていることを確認した。
【０１０４】
図１３は、比較例２の磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の測定結果を示す。バイアス電圧０．００１Ｖを印加した場合のＭＲ比は１４８％であり、バイアス電圧１Ｖを印加した場合のＭＲ比は７９％であった。図１２に示すように、０，００１Ｖを印加した場合のＭＲ比を１として規格化した所、Ｖｈａｌｆは、１．１Ｖであった。
【０１０５】
図１４及び図１５は、実施例１、比較例１及び比較例２の結果を比較したグラフである。図１４は、磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比を、０，００１Ｖを印加した場合のＭＲ比で規格化した測定結果の比較であり、図１５は、磁気抵抗効果素子に印加するバイアス電圧を増大させながら測定したＭＲ比の実際の測定結果の比較である。
【０１０６】
図１４に示すように、Ｖｈａｌｆは比較例２＞実施例１＞比較例１の順で大きく、トンネルバリア層がＭｇＡｌ２Ｏ４からなる比較例２が最も大きく、トンネルバリア層がＭｇＯからなる比較例１が最も小さい。これに対し、図１５に示すＭＲ比は、Ｖｈａｌｆ以下の領域では、実施例１及び比較例１の方が比較例２よりも大きい。すなわち、トンネルバリア層がＭｇＯ構造又はＭｇＯ構造に近い構造であることで、トンネルバリア層がスピネル構造である場合より、Ｖｈａｌｆ以下の領域でのＭＲ比の低下を抑制することができる。したがって、少なくともＶｈａｌｆ以下の領域で使用する場合は、トンネルバリア層はＭｇＯに近い構造の方がスピネル構造よりも好ましい。またＭｇＯ構造に近い構造において２価の元素の一部を３価に置換することで、ＭｇＯよりもＶｈａｌｆを大きくすることができる。
【０１０７】
また上述のトンネルバリア層がＭｇＯ構造に近い構造である実施例１〜５と比較例１を比較すると、２価のイオンの一部を３価のイオンで置換することによって、格子定数が変化し、格子不整合が減少することが分かる。またその結果、高いＶｈａｌｆ値を得ることができ、高いバイアス電圧下でもＭＲ比が低下しにくい磁気抵抗効果素子が得られた。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…磁気抵抗効果素子、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…基板、５…下地層、６…キャップ層、２０…磁気抵抗効果装置、１１，１２…電極層、１３…電源、１４…電圧計
【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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【図１４】
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【図１５】
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