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JP2020068214A - 強磁性多層膜、磁気抵抗効果素子、及び強磁性多層膜を製造する方法 - Google Patents

強磁性多層膜、磁気抵抗効果素子、及び強磁性多層膜を製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】２つの強磁性層を含み、これらの層間の反強磁性的な交換結合磁界が大きな強磁性多層膜等を提供する。
【解決手段】本発明の強磁性多層膜１０は、第一磁化固定層７、第一介在層９、第二介在層１１、磁気結合層１３、及び第二磁化固定層１５を備える。第一磁化固定層７と第二磁化固定層１５とは、第一介在層９、第二介在層１１、及び磁気結合層１３を介した交換結合によって、反強磁性的に結合しており、磁気結合層１３の主元素は、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒであり、第一介在層９の主元素は、磁気結合層１３の主元素と同一であり、第二介在層１１の主元素は、磁気結合層１３の主元素と異なり、第一介在層９の厚さは、第一介在層９の主元素の原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、第二介在層１１の厚さは、第二介在層１１の主元素の原子半径の１．５倍以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、強磁性多層膜、磁気抵抗効果素子、及び強磁性多層膜を製造する方法に関する。
磁化固定層としての強磁性層、非磁性スペーサ層、及び磁化自由層としての強磁性層をこの順に積層させた構成を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子、及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。近年、このような磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、磁気ヘッド、及び磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等に利用される素子として注目されている。
磁気抵抗効果素子における磁化固定層の磁化方向は、当該素子の使用時において実質的に変化しないように固定されている。そのため、磁化固定層の磁化方向は、当該素子の使用時に磁化固定層に印加され得る外部磁場（例えば磁気センサにおける測定対象の磁場）及びスピントルク（例えばＭＲＡＭにおけるスピン注入磁化反転によるスピントルク）によって実質的に変化しない。しかしながら、何らかの原因で磁化固定層の磁化方向の固定が弱まって所定の方向からのずれが生じると、磁気抵抗効果比（ＭＲ比）の低下や外部磁場に対する出力信号の対称性の低下といった問題が生じる。
磁化固定層の磁化方向を強固に固定するための技術として、合成反強磁性（synthesized anti-ferro magnetic）構造（以下、「ＳＡＦ構造」という）と呼ばれる強磁性多層膜が知られている（特許文献１、２、非特許文献１、２参照）。ＳＡＦ構造は、強磁性材料からなる第一磁化固定層と、強磁性材料からなる第二磁化固定層と、これらの層間に介在する非磁性金属からなる磁気結合層で構成される。第一磁化固定層と第二磁化固定層は、磁気結合層を介した交換結合磁界ＨＥＸによって反強磁性的に結合している。これにより、第一磁化固定層から生じる磁束と第二磁化固定層から生じる磁束が、全体として還流経路を形成するように分布する。そして、ＳＡＦ構造においては、交換結合磁界ＨＥＸがなるべく大きくなるように、磁化結合層の材料及び膜厚が選択される。これにより、第一磁化固定層及び第二磁化固定層の磁化方向は、外部磁場やスピントルクによって容易には変化しなくなるため、当該磁化方向を強固に固定することが可能となる。
米国特許第５４６５１８５号明細書 米国特許第６１７５４７６号明細書
ＳＡＦ構造における交換結合磁界ＨＥＸは、第一磁化固定層又は第二磁化固定層と、磁化結合層との間の界面の状態の影響を強く受け、この界面が急峻である程、大きな交換結合磁界ＨＥＸが得られることが知られている。しかしながら、この界面近傍において第一磁化固定層又は第二磁化固定層と磁化結合層との間で元素の拡散が生じると、界面が非急峻となってしまう。その結果、交換結合磁界ＨＥＸが小さくなり、第一及び第二磁化固定層の磁化方向の固定が弱くなってしまう。このような界面における元素の拡散は、例えばＳＡＦ構造を構成する各層をスパッタ法で形成する際のプラズマに起因する界面領域の活性化や、ＳＡＦ構造、磁気抵抗効果素子又は磁気抵抗効果素子を含むデバイスの製造工程においてアニール処理に起因する界面領域の活性化などによって生じ得るため、完全に防ぐことは難しい。そのため、従来のＳＡＦ構造を有する強磁性多層膜及び当該強磁性多層膜を含む磁気抵抗効果素子においては、磁化固定層の磁化方向の固定が弱くなってしまうことがあった。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、２つの強磁性層を含み、これらの層間の反強磁性的な交換結合磁界が大きな強磁性多層膜、及び、そのような強磁性多層膜を含む磁気抵抗効果素子等を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係る強磁性多層膜は、第一強磁性層と、第一強磁性層上に積層された第一介在層と、第一介在層上に積層された第二介在層と、第二介在層上に積層された磁気結合層と、磁気結合層上に積層された第二強磁性層と、を備え、第一強磁性層と第二強磁性層とは、第一介在層、第二介在層、及び磁気結合層を介した交換結合によって、第一強磁性層と第二強磁性層の磁化方向が互いに反平行となるように磁気的に結合しており、磁気結合層の主元素は、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒであり、第一介在層の主元素は、磁気結合層の主元素と同一であり、第二介在層の主元素は、磁気結合層の主元素と異なり、第一介在層の厚さは、第一介在層の主元素の原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、第二介在層の厚さは、当該第二介在層の主元素の原子半径の１．５倍以下である。
本発明に係る強磁性多層膜においては、第一強磁性層を構成する元素が磁気結合層に拡散すること、及び、磁気結合層を構成する元素が第一強磁性層に拡散することが、第二介在層の存在によって抑制される。また、第一介在層及び第二介在層の厚さ及び配置は、それらの層が第一強磁性層及び第二強磁性層間の交換結合に与える影響が実質的に無いように又は十分に小さくなるように決められている。そのため、本発明に係る強磁性多層膜によれば、第一強磁性層及び第二強磁性層間の反強磁性的な交換結合磁界が大きくなる。
さらに、本発明に係る強磁性多層膜において、第二介在層の主元素は、第一強磁性層の主元素と同一であることができる。この場合、第一強磁性層の主元素と同一の元素が第一強磁性層と磁気結合層との間の領域に存在するため、当該領域に異なる元素が存在する場合と比較して、第一強磁性層の主元素に関するエントロピーが大きくなる。そのため、当該領域に異なる元素が存在する場合と比較して、第一強磁性層の主元素は、熱力学的に磁気結合層に向かって拡散し難くなる。その結果、第一強磁性層及び第二強磁性層間の反強磁性的な交換結合磁界がより大きくなる。
さらに、本発明に係る強磁性多層膜において、第二介在層の主元素は、例えばＭｏ又はＷであることができる。この場合、強磁性多層膜の耐熱性を向上させることができる。
さらに、本発明に係る強磁性多層膜において、第二介在層の主元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｐｔ、又はＡｕであることができる。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｐｔ、及びＡｕは、２つの強磁性層間の磁気結合層に含まれていても、当該２つの強磁性層間の交換結合に殆ど影響を与えないことが知られている。そのため、この場合、本発明に係る複数の強磁性多層膜間において、第一強磁性層及び第二強磁性層間の反強磁性的な交換結合磁界の大きさがばらつくことを抑制することができる。
さらに、本発明に係る強磁性多層膜において、第一強磁性層の厚さは、第二強磁性層の厚さよりも厚いことができる。この場合、従来の構成であれば、第二強磁性層から磁気結合層への元素拡散よりも、第一強磁性層から磁気結合層への元素拡散の方が生じ易くなる。そのため、この場合、第二介在層の存在によって第一強磁性層を構成する元素が磁気結合層に拡散することを抑制するという本願発明の強磁性多層膜の効果が、特に有効に発揮される。
さらに、本発明に係る強磁性多層膜は、磁気結合層と第二強磁性層との間に積層された第三介在層と、第三介在層と第二強磁性層との間に積層された第四介在層と、をさらに備え、第四介在層の主元素は、磁気結合層の主元素と同一であり、第三介在層の主元素は、磁気結合層の主元素と異なり、第四介在層の厚さは、第四介在層の主元素の原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、第三介在層の厚さは、当該第三介在層の主元素の原子半径の１．５倍以下であることができる。この場合、上述のような第一介在層及び第二介在層によって第一強磁性層を構成する元素が磁気結合層に拡散すること、及び、磁気結合層を構成する元素が第一強磁性層に拡散することを抑制することが可能な理由と同様の理由に基づき、第三介在層及び第四介在層によって第二強磁性層を構成する元素が磁気結合層に拡散すること、及び、磁気結合層を構成する元素が第二強磁性層に拡散することを抑制することができる。その結果、第一強磁性層及び第二強磁性層間の反強磁性的な交換結合磁界がより大きくなる。
また、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、上述のいずれかの強磁性多層膜と、第二強磁性層に積層された非磁性スペーサ層と、非磁性スペーサ層上に積層された強磁性材料からなる磁化自由層と、を備え、第一強磁性層及び第二強磁性層は、磁化固定層として機能する。これにより、磁気抵抗効果素子は、上述のような第一強磁性層及び第二強磁性層間の反強磁性的な交換結合磁界が大きい強磁性多層膜を含むため、磁化固定層の磁化方向の固定が弱まることに起因する磁気抵抗効果比（ＭＲ比）の低下及び外部磁場に対する出力信号の対称性の低下といった問題が生じることを抑制することができる。
また、本発明に係る磁気センサは、上述の磁気抵抗効果素子を備え、本発明に係る磁気メモリは、上述の磁気抵抗効果素子を備える。
また、本発明に係る強磁性多層膜を製造する方法は、基板上に、上記第一強磁性層、上記第一介在層、上記第二介在層、上記磁気結合層、及び上記第二強磁性層をこの順に形成する工程を含む。本発明に係る強磁性多層膜を製造する方法では、磁気結合層よりも先に第一強磁性層が形成される。これにより、第一強磁性層の形成時に、スパッタ法で形成する際のプラズマ等に起因して第一強磁性層を構成する元素が活性化しても、その際に当該元素が磁気結合層に拡散することはない。そのため、第一強磁性層及び第二強磁性層間の反強磁性的な交換結合磁界が特に大きな強磁性多層膜を得ることができる。
本発明によれば、２つの強磁性層を含み、これらの層間の反強磁性的な交換結合磁界が大きな強磁性多層膜、及び、そのような強磁性多層膜を含む磁気抵抗効果素子等を提供することができる。
実施形態に係る強磁性多層膜を含む磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。 強磁性多層膜の製造方法を示すための強磁性多層膜の要素の断面を示す図である。 強磁性多層膜の製造方法を示すための強磁性多層膜の要素の断面を示す図である。 実施形態の磁気センサを模式的に示す図である。 実施形態に係る磁気メモリの模式的な斜視図である。 実施形態に係る磁気メモリの１つのメモリセルの電気接続構成を示す図である。 実施形態の変形例に係る強磁性多層膜を含む磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。 実施例１〜３、比較例１〜３の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。 実施例４〜８、比較例１、４〜６の交換バイアス磁界ＨＥＸの第一介在層の膜厚依存性を示す図である。 実施例９〜１３、比較例１、７の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。 実施例１５〜１９、比較例１、８の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。 比較例のエネルギー分散型X線分析の測定結果を示す図である。 実施例のエネルギー分散型X線分析の測定結果を示す図である。 実施例のエネルギー分散型X線分析の測定結果を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
（強磁性多層膜及び磁気抵抗効果素子の構成）
図１は、実施形態に係る強磁性多層膜を含む磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、強磁性多層膜１０と、強磁性多層膜１０上に積層された非磁性スペーサ層２１と、非磁性スペーサ層２１上に積層された磁化自由層２３と、磁化自由層２３上に積層されたキャップ層２５を備える。磁気抵抗効果素子１は、積層方向（各層の膜面に垂直な方向）に沿って検出用電流が流されるＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）構造の磁気抵抗効果素子である。本実施形態の強磁性多層膜１０は、基板３、基板３の主面上に積層された結晶配向層５、結晶配向層５上に積層された下地層６、下地層６上に積層された第一強磁性層としての第一磁化固定層７、第一磁化固定層７上に積層された第一介在層９、第一介在層９上に積層された第二介在層１１、第二介在層１１上に積層された磁気結合層１３、磁気結合層１３上に積層された第二強磁性層としての第二磁化固定層１５を備える。
基板３は、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、又はガラスからなる。基板３に含まれる材料は、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。金属酸化物単結晶としては、例えば、ＭｇＯ単結晶が挙げられ、ＭｇＯ単結晶を含む基板によれば、当該基板上に容易にエピタキシャル成長膜が形成される。
結晶配向層５は、上部の層の結晶配向を制御するための層であり、例えばＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金の少なくとも１つを含む。強磁性多層膜１０は結晶配向層５を備えていなくてもよい。
下地層６は、検出用電流を流すための下部電極として機能し、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属からなる。下地層２０は、これらの金属の合金、又はこれら金属の２種類以上からなる材料の積層体を含んでもよい。
第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５は、それぞれＣｏ、Ｃｏ-Ｆｅ合金、Ｃｏ-Ｆｅ-Ｂ合金等の強磁性材料からなる。第一磁化固定層７の厚さは、例えば２ｎｍ以上、４ ｎｍ以下であり、第二磁化固定層１５の厚さは、例えば１ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。第一磁化固定層７の厚さは、第二磁化固定層１５の厚さよりも厚いことが好ましい。
第一介在層９は、第一磁化固定層７と接するように第一磁化固定層７及び磁気結合層１３間に設けられている。第一介在層９の主元素は、磁気結合層１３の主元素と同一である。第一介在層９の主元素とは、第一介在層９を構成する元素のうち原子数比で最も多い元素を意味し、第一介在層９が実質的に単一元素からなる場合は、当該単一元素自体となる。以下の説明において、他の層の主元素について言及する場合も同様である。また、第一介在層９の主元素と磁気結合層１３の主元素が同一である場合とは、第一介在層９と磁気結合層１３が実質的に同一の材料からなる場合を含む。以下の説明において、他の組み合わせの２つの層について、それぞれの主元素が同一であると表現した場合も同様である。また、後述のように、磁気結合層１３の主元素はＲｕ、Ｒｈ、又はＩｒであるため、第一介在層９の主元素もＲｕ、Ｒｈ、又はＩｒである。
第一介在層９の厚さは、第一介在層９の主元素の原子半径の１．５倍以上（好ましくは１．６５倍以上）、３．２倍以下である。例えば第一介在層９がＩｒからなる場合、Ｉｒの原子半径は０．１２７ｎｍであるため、第一介在層９の厚さは、０．１９１ｎｍ以上、０．４０６ｎｍ以下となる。第一介在層９の厚さが第一介在層９の主元素の原子半径の２倍未満の場合、当該厚さは主元素の原子１個分の厚さ未満となる。この場合、第一介在層９は膜面方向において連続した形状を有することができず、例えば複数の島状等の膜面方向おいて不連続な形状を有する。また、この場合、第一介在層９の厚さは、ＥＤＳなどの元素分析によって評価することができる。
第二介在層１１は、磁気結合層１３と接するように第一磁化固定層７及び磁気結合層１３間に設けられている。第二介在層１１の主元素は、磁気結合層１３の主元素（Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒ）とは異なる。第二介在層１１の厚さは、第二介在層１１の主元素の原子半径の１．５倍以下である。例えば第二介在層１１がＣｏからなる場合、Ｃｏの原子半径は０．１１６ｎｍであるため、第二介在層１１の厚さは０．１７４ｎｍ以下となる。第二介在層１１の厚さは、第二介在層１１の主元素の原子半径の１．５倍以下であるため、当該厚さは主元素の原子１個分の厚さ未満となる。そのため、磁気結合層１３の下面の第二介在層１１が形成されている領域において、第二介在層１１は膜面方向に連続した形状を有しておらず、例えば複数の島状等の膜面方向に不連続な形状を有する。また、この場合、第二介在層１１の厚さは、ＥＤＳなどの元素分析によって評価することができる。
磁気結合層１３は、非磁性の導電材料からなる。磁気結合層１３の主元素は、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒである。第一磁化固定層７と第二磁化固定層１５とは、第一介在層９、第二介在層１１、及び磁気結合層１３を介した交換結合（ＲＫＫＹ相互作用による交換結合と考えられている）によって、反強磁性的に、即ち、第一磁化固定層７の磁化方向７Ｍと第二磁化固定層１５の磁化方向１５Ｍが互いに反平行となるように磁気的に結合している。そのため、強磁性多層膜１０の第一磁化固定層７から第二磁化固定層１５までの積層構造は、ＳＡＦ構造である。
第一磁化固定層７の磁化の大きさと磁気結合層１３の磁化の大きさは、同じであってもよいし異なっていてもよい。磁気結合層１３の厚さは、上述のように第一磁化固定層７と第二磁化固定層１５とが反強磁性的に結合するように選択されるが、例えば０．３ｎｍ以上、４．０ｎｍ以下とすることができる。反強磁性的に結合する最適な厚さは磁気結合層１３の材料に依存し、決定される。
第一介在層９及び磁気結合層１３は、上述のような厚さ及び配置に決められているため、それらの層が第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の反強磁性的な交換結合に与える影響が実質的に無い又は十分に小さい。即ち、磁気結合層を介した２つの強磁性層間の交換結合は、一般的に当該磁気結合層と当該強磁性層との界面の状態に大きく影響を受ける。そのため、仮に第一磁化固定層７が磁気結合層１３の主元素とは異なる元素を主元素とする層と接していると、交換結合に大きな影響を与えてしまう可能性がある。しかし、本実施形態では、磁気結合層１３の主元素と同一の元素を主元素とする第一介在層９が、主元素の原子半径の１．５倍以上の厚さを有した状態で第一磁化固定層７と接しており、また、第二介在層１１は第一介在層９と磁気結合層１３との間に設けられている。そのため、そのような問題は生じない、又は、僅かにしか生じない。
また、仮に第一介在層９の厚さが厚すぎると、第一磁化固定層７と第二磁化固定層１５との距離が大きくなってしまうため、これらの層間の交換結合が弱くなってしまう可能性がある。しかし、本実施形態では、第一介在層９の厚さは第一介在層９の主元素の原子半径の３．２倍以下である。そのため、そのような問題は生じない、又は、僅かにしか生じない。
また、仮に第二介在層１１の膜厚が、膜面方向おいて連続的になる程度に厚いと、第一磁化固定層７と第二磁化固定層１５との間の交換結合を弱めてしまう可能性がある。しかし、本実施形態では第二介在層１１の厚さは第二介在層１１の主元素の原子半径の１．５倍以下であるため、膜面方向に不連続な形状を有する。そのため、第一磁化固定層７と第二磁化固定層１５の間に第二介在層１１が介在しない複数の領域が存在するため、第二介在層１１によって当該交換結合を弱めてしまうことを防止、又は、抑制することができる。
第一磁化固定層７の磁化方向７Ｍと第二磁化固定層１５の磁化方向１５Ｍは、後述の磁化自由層２３の磁化方向２３Ｍに比べて変化し難く、好ましくは磁気抵抗効果素子１の使用時に第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５に印加され得る外部磁界及びスピントルクに対して実質的に固定されている。このような実施的な固定は、例えば第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５を硬質磁性材料で構成することによって実現することができる。
また、第一磁化固定層７の磁化方向７Ｍと第二磁化固定層１５の磁化方向１５Ｍをより強固に固定するために、第一磁化固定層７の磁気結合層１３側とは反対側の面上（本実施形態では下地層６と第一磁化固定層７の間）に反強磁性体層（図示せず）を設け、当該反強磁性層と第一磁化固定層７とを交換結合によって磁気的に結合させてもよい。これにより、当該反強磁性層によって第一磁化固定層７に一軸磁気異方性が付与される。当該反強磁性層の材料としては、例えば、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３が挙げられる。当該反強磁性層の厚さは、例えば４．０ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下とすることができる。
非磁性スペーサ層２１は、第二磁化固定層１５と磁化自由層２３との間に設けられている。非磁性スペーサ層２１が、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｌ，ＮｉＡｌ，Ｓｉ，Ｇｅ及び非磁性のホイスラー合金等の導電性の非磁性材料からなる場合、磁気抵抗効果素子１はＧＭＲ効果素子となり、非磁性スペーサ層２１の厚さは、例えば２．０ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下とすることができる。非磁性スペーサ層２１が、例えばＭｇＯ，ＭｇＡｌ２Ｏ４及び非磁性のスピネル材料等の絶縁性の非磁性材料からなる場合、磁気抵抗効果素子１は、ＴＭＲ効果素子となり、非磁性スペーサ層２１の厚さは、例えば０．８ｎｍ以上、４．０ｎｍ以下とすることができる。
磁化自由層２３は、Ｆｅ、Ｃｏ-Ｆｅ、Ｃｏ-Ｆｅ-Ｂ及び強磁性のホイスラー合金等の軟磁気特性を有する強磁性材料で構成される。磁化自由層２３の磁化方向２３Ｍは、実施的に固定されていない。そのため、磁化自由層２３に測定対象の外部磁界やスピントルク等が印加されると、その方向に磁化方向２３Ｍが容易に変化する。磁化自由層２３に測定対象の外部磁界やスピントルク等が印加され、第二磁化固定層１５の磁化方向１５Ｍと磁化自由層２３の磁化方向２３Ｍの相対的な角度が変化することによって、磁気抵抗効果素子１の抵抗値が変化して磁気抵抗効果を発揮する。
キャップ層２５は、磁気抵抗効果素子１の各層を保護するために設けられる。キャップ層２５は、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からなる。
（強磁性多層膜及び磁気抵抗効果素子の効果）
上述のような本実施形態の強磁性多層膜１０においては、第一磁化固定層７を構成する元素が磁気結合層１３に拡散すること、及び、磁気結合層１３を構成する元素が第一磁化固定層７に拡散することが、第二介在層１１の存在によって抑制される。また、第一介在層９及び第二介在層１１の厚さ及び配置は、上述のようにそれらの層が第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の交換結合に与える影響が実質的に無いように又は十分に小さくなるように決められている。そのため、本実施形態に係る強磁性多層膜１０によれば、第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の反強磁性的な交換結合磁界が大きくなる。
また、上述のような第二介在層１１の存在による第一磁化固定層７及び磁気結合層１３間相互の元素拡散を抑制する効果を十分に発揮させる観点から、第二介在層１１は、第二介在層１１の主元素の原子半径の１倍以上であることが好ましい。
また、上述のような本実施形態に係る強磁性多層膜１０において、第二介在層１１の主元素は、第一磁化固定層７の主元素と同一であることが好ましい。この場合、第一磁化固定層７の主元素と同一の元素が第一磁化固定層７と磁気結合層１３との間の領域に存在するため、当該領域に異なる元素が存在する場合と比較して、第一磁化固定層７の主元素に関するエントロピーが大きくなる。そのため、当該領域に異なる元素が存在する場合と比較して、第一磁化固定層７の主元素は、熱力学的に磁気結合層１３に向かって拡散し難くなる。また、第二介在層１１が存在しているにも関わらず、磁気結合において第二介在層１１が機能を有さず、あたかも第二介在層１１が存在していないと見なすことができる。その結果、第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の反強磁性的な交換結合磁界をより大きくすることができる。
また、上述のような本実施形態に係る強磁性多層膜１０において、第二介在層１１の主元素は、Ｍｏ又はＷであることが好ましい。Ｍｏ又はＷを含ませた材料は、耐熱性が向上することが知られている。そのため、この場合、強磁性多層膜１０の耐熱性を向上させることができる。
また、上述のような本実施形態に係る強磁性多層膜１０において、第二介在層１１の主元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｐｔ、又はＡｕであることが好ましい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｐｔ、及びＡｕは、２つの強磁性層間の磁気結合層に含まれていても、当該２つの強磁性層間の交換結合に殆ど影響を与えないことが知られている。そのため、この場合、本実施形態に係る複数の強磁性多層膜間において、第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の反強磁性的な交換結合磁界の大きさがばらつくことを抑制することができる。
また、上述のような本実施形態に係る強磁性多層膜１０において、第一磁化固定層７の厚さは、第二磁化固定層１５の厚さよりも厚いことが好ましい。この場合、従来の構成（即ち、第一磁化固定層７と磁気結合層１３との間に第一介在層９及び第二介在層１１が存在しない構成）であれば、第二磁化固定層１５から磁気結合層１３への元素拡散よりも、第一磁化固定層７から磁気結合層１３への元素拡散の方が生じ易くなる。そのため、この場合、第二介在層１１の存在によって第一磁化固定層７を構成する元素が磁気結合層１３に拡散することを抑制するという強磁性多層膜１０の効果が、特に有効に発揮される。ただし、第一磁化固定層７の厚さが、第二磁化固定層１５の厚さと同じでもよいし、第二磁化固定層１５の厚さよりも薄くてもよい。
また、上述のような本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、上述のような第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の反強磁性的な交換結合磁界が大きい強磁性多層膜１０を含むため、第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５の磁化方向７Ｍ、１５Ｍの固定が弱まることに起因する磁気抵抗効果比（ＭＲ比）の低下及び外部磁場に対する出力信号の対称性の低下といった問題が生じることを抑制することができる。
なお、上述のように本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、ＣＰＰ構造の磁気抵抗効果素子であるが、各層の膜面に沿って検出用電流が流れるＣＩＰ（Current In Plane）構造の磁気抵抗効果素子であってもよい。その場合であっても、磁気抵抗効果素子１は、上述のような効果を同様に発揮する。
（強磁性多層膜及び磁気抵抗効果素子の製造方法）
次に、本実施形態の強磁性多層膜及び磁気抵抗効果素子を製造する方法について説明する。図２及び図３は、強磁性多層膜の製造方法を示すための強磁性多層膜の要素の断面を示す図である。本実施形態の強磁性多層膜を製造する方法は、基板３上に、結晶配向層５、下地層６、第一磁化固定層７、第一介在層９、第二介在層１１、磁気結合層１３、及び第二磁化固定層１５をこの順に形成する工程を含む。
具体的には、当該工程では、まず図２に示すように、基板３を準備する。そして、基板３の主面上に、例えばスパッタ法、蒸着法等の成膜方法によって、結晶配向層５、下地層６、第一磁化固定層７をこの順に積層する。続いて、図３に示すように、第一磁化固定層７上に、同様の成膜方法によって、第一介在層９、第二介在層１１、磁気結合層１３、第二磁化固定層１５をこの順に形成する。これにより、強磁性多層膜１０を構成する各要素が形成される。その後、第二磁化固定層１５上に、同様の成膜方法によって非磁性スペーサ層２１、磁化自由層２３、キャップ層２５をこの順に形成することによって、図１に示すような磁気抵抗効果素子１の各要素が形成される。その後、必要に応じて、各要素の結晶化、及び第一磁化固定層７、第二磁化固定層１５、及び磁化自由層２３への一軸磁気異方性の付与等のために、強磁性多層膜１０を含む磁気抵抗効果素子１に対して磁場中熱処理を行ってもよい。
上述のような強磁性多層膜を製造する方法では、磁気結合層１３よりも先に第一磁化固定層７が形成される。これにより、第一磁化固定層７の形成時に、スパッタ法で形成する際のプラズマ等に起因して第一磁化固定層７を構成する元素が活性化しても、その際に当該元素が磁気結合層１３に拡散することはない。そのため、第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の反強磁性的な交換結合磁界が特に大きな強磁性多層膜１０を得ることができる。
（磁気センサ）
次に、本実施形態に係る磁気センサについて説明する。図４は、本実施形態の磁気センサを模式的に示す図である。図４に示すように、本実施形態の磁気センサ５０は、上述の磁気抵抗効果素子１と、上部電極３１と、電圧計４１と、電源４３を備える。上部電極３１は、キャップ層２５上に設けられており、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属からなる。キャップ層２５は、これらの金属の合金、又はこれら金属の２種類以上からなる材料の積層体を含んでもよい。
電圧計４１及び電源４３は、それぞれ、上部電極３１と、下部電極として機能する下地層６との間に電気的に接続されている。電源４３によって磁気抵抗効果素子１に積層方向に電流を印加し、この際の磁気抵抗効果素子１への印加電圧値を電圧計４１によってモニターすることができる。動作時には、電源４３によって磁気抵抗効果素子１に積層方向に一定電流を流した状態で、測定対象である外部磁場を磁化自由層２３に印加し、印加前後の磁気抵抗効果素子１への印加電圧値を電圧計４１によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子１の抵抗変化を測定することができる。そして、この抵抗変化の測定結果から、外部磁場の強度が算出される。
（磁気メモリ）
次に、本実施形態に係る磁気メモリについて説明する。図５は、本実施形態に係る磁気メモリの模式的な斜視図であり、図６は、本実施形態に係る磁気メモリの１つのメモリセルの電気接続構成を示す図である。本実施形態に係る磁気メモリ６０は、平面視で格子状に配線された複数のワード線６１と複数のビット線６３との交点に複数の磁気抵抗効果素子１を格子状に配置した構成を有する。これにより、複数のメモリセルが格子状に配置される。記憶データに応じて記憶層としての磁化自由層２３の磁化方向が設定される。磁気抵抗効果素子１の上端は、上部電極３１を介してビット線６３に接続され、磁気抵抗効果素子１の下端は、選択用のトランジスタ６５のドレインに接続されている。ワード線６１は、トランジスタ６５のゲートに接続され、トランジスタ６５のソースは、グラウンドに接続されている。
各メモリセルにデータを書き込む場合は、対応するワード線６１に選択電圧を印加してトランジスタ６５をオンし、書き込むデータ（ＨまたはＬ）に応じて、ビット線６３とグラウンドの間に極性の異なる電流を流すように電圧を印加する。これにより、書き込むデータに応じて、磁化自由層２３の磁化方向が設定され、磁気抵抗効果素子１は、書き込まれたデータに対応した抵抗値を有する。各メモリセルからデータを読み出す場合は、対応するワード線６１に選択電圧（Ｈ）を印加してトランジスタ６５をオンし、ビット線６３とグラウンドの間に、磁化自由層２３の磁化方向を変化させない程度の小さい電圧を印加する。これにより、トランジスタ６５および磁気抵抗効果素子１を介して、ビット線６３とグラウンドの間に電流が流れるが、当該電流の値は、磁気抵抗効果素子１の抵抗値に応じた大きさとなるため、メモリセルに記憶されているデータを検出することができる。
（強磁性多層膜及び磁気抵抗効果素子の変形例）
次に、実施形態の強磁性多層膜及び磁気抵抗効果素子の変形例について説明する。図７は、実施形態の変形例に係る強磁性多層膜を含む磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。本変形例の磁気抵抗効果素子７０は、強磁性多層膜の構成において、上述の磁気抵抗効果素子１と異なる。本変形例の強磁性多層膜１０Ｘは、第三介在層１７と、第四介在層１９とをさらに備える点において、上述の強磁性多層膜１０と異なる。
第三介在層１７は、磁気結合層１３上に積層されており、第四介在層１９は第三介在層１７上に積層されている。そのため、第三介在層１７は、磁気結合層１３と第二磁化固定層１５との間に積層されており、第四介在層１９は、第三介在層１７と第二磁化固定層１５との間に積層されている。
第三介在層１７は、第二介在層１１に対応した構成を有する。即ち、第三介在層１７は、磁気結合層１３と接するように第二磁化固定層１５及び磁気結合層１３間に設けられている。第三介在層１７の主元素は、磁気結合層１３の主元素（Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒ）とは異なる。第三介在層１７の厚さは、第三介在層１７の主元素の原子半径の１．５倍以下である。第三介在層１７の厚さは、第三介在層１７の主元素の原子半径の１．５倍以下であるため、当該厚さは主元素の原子１個分の厚さ未満となる。そのため、磁気結合層１３の上面の第三介在層１７が形成されている領域において、第三介在層１７は膜面方向に連続した形状を有しておらず、例えば複数の島状等の膜面方向に不連続な形状を有する。また、この場合、第三介在層１７の厚さは、第三介在層１７を磁気結合層１３の上面全体において算術平均化することによって第三介在層１７が均一な厚さを有すると仮定した場合の厚さとして定義される。
第四介在層１９は、第一介在層９に対応した構成を有する。即ち、第四介在層１９は、第二磁化固定層１５と接するように第二磁化固定層１５及び磁気結合層１３間に設けられている。第四介在層１９の主元素は、磁気結合層１３の主元素（Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒ）と同一である。
第四介在層１９の厚さは、第四介在層１９の主元素の原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下である。第四介在層１９の厚さが第四介在層１９の主元素の原子半径の２倍未満の場合、当該厚さは主元素の原子１個分の厚さ未満となる。この場合、第四介在層１９は膜面方向において連続した形状を有しておらず、例えば複数の島状等の膜面方向おいて不連続な形状を有する。また、この場合、第四介在層１９の厚さは、第四介在層１９を第二磁化固定層１５の下面全体において算術平均化することによって第四介在層１９が均一な厚さを有すると仮定した場合の厚さとして定義される。
上述のような本変形例の強磁性多層膜１０Ｘにおいては、第二磁化固定層１５を構成する元素が磁気結合層１３に拡散すること、及び、磁気結合層１３を構成する元素が第二磁化固定層１５に拡散することが、第三介在層１７の存在によって抑制される。また、第三介在層１７及び第四介在層１９の厚さ及び配置は、第一介在層９及び第二介在層１１の厚さ及び配置と同様に、それらの層が第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の交換結合に与える影響が実質的に無いように又は十分に小さくなるように決められている。そのため、本変形例に係る強磁性多層膜１０Ｘによれば、第一磁化固定層７及び第二磁化固定層１５間の反強磁性的な交換結合磁界がより大きくなる。
また、上述のような第三介在層１７の存在による第二磁化固定層１５及び磁気結合層１３間相互の元素拡散を抑制する効果を十分に発揮させる観点から、磁気結合層１３は、磁気結合層１３の主元素の原子半径の１倍以上であることが好ましい。
また、第二介在層１１と同様の理由に基づき、第三介在層１７の主元素は、第二磁化固定層１５の主元素と同一であることが好ましく、第三介在層１７の主元素は、Ｍｏ又はＷであることが好ましく、第三介在層１７の主元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｐｔ、又はＡｕであることが好ましい。
以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例および比較例を用いて説明する。
（実施例１〜３、比較例１〜３）
上記実施形態の強磁性多層膜１０に対応するように、実施例１の強磁性多層膜を以下のようにして作成した。熱酸化膜付きＳｉ基板上に、スパッタ法によって、電極層としてＴａ層を５．０ｎｍ、Ｃｕ層を２０ｎｍ、Ｔａ層を１０ｎｍ成膜し、その後ＣＭＰにて表面を平坦化した。その後、スパッタ法によって、第一磁化固定層７としてのＣｏ層を５．０ｎｍ、第一介在層９としてのＩｒ層を０．２２ｎｍ、第二介在層１１としてのＣｏ層を０．１０ｎｍ、磁気結合層１３としてのＩｒ層を０．５ｎｍ、第二磁化固定層１５としてのＣｏ層を２．０ｎｍ、この順に成膜した。そして、成膜後、２５０℃、１時間、印加磁場強度１０ｋＯｅの条件で熱処理をし、第一磁化固定層の磁化方向に沿って磁場を印加して実施例１の磁化曲線を測定し、測定した磁化曲線の磁場方向のシフト量から、第一磁化固定層と第二磁化固定層との間の反強磁性的な交換結合磁界（交換バイアス磁界ＨＥＸ）を評価した。その後、実施例１を４００℃、１時間、印加磁場強度１０ｋＯｅの条件で真空中で磁場中アニール処理を行い、上述と同様の方法で交換バイアス磁界ＨＥＸを算出した。
比較例１の強磁性多層膜については、第一介在層９としてのＩｒ層及び第二介在層１１としてのＣｏ層を成膜しなかったこと以外は、実施例１の強磁性多層膜と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。
実施例２、３、比較例２、３の強磁性多層膜については、第二介在層１１としてのＣｏ層の厚さを変更したこと以外は、実施例１の強磁性多層膜と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。実施例２、３比較例２、３の第二介在層１１としてのＣｏ層の厚さは、それぞれ０．１２ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．１８ｎｍ、０．２０ｎｍとした。
表１は、実施例１〜３、比較例１〜３の第一磁化固定層、第一介在層、第二介在層、磁気結合層、並びに第二磁化固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure 2020068214
Ｃｏ元素の原子半径は、０．１１６ｎｍであるため、実施例１、２、３においては、第二介在層の厚さは、Ｃｏ元素の原子半径の１．５倍（０．１７４ｎｍ）以下となっている。比較例２、３においては、第二介在層の厚さは、Ｃｏ元素の原子半径の１．５倍よりも厚くなっている。
図８の（ａ）は、実施例１〜３、比較例１〜３のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。図８の（ｂ）は、実施例１〜３、比較例１〜３のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。図８では、実施例を◆のプロットで示し、比較例を▲のプロットで示している。以下の図９〜図１１におけるプロットについても同様である。図８に示すように、実施例１、２、３のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較例１、２、３のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、実施例１、２、３では、比較例１よりも小さくなった。
（実施例４〜８、比較例１、４〜６）
実施例４〜８、比較例４〜６の強磁性多層膜については、第一磁化固定層７としてのＩｒ層の厚さを変更したこと以外は、実施例３の強磁性多層膜と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。実施例４〜８、比較例４〜６の第一磁化固定層７としてのＩｒ層の厚さは、それぞれ、０．１０ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．２０ｎｍ、０．２２ｎｍ、０．２５ｎｍ、０．３０ｎｍ、０．４０ｎｍ、０．４５ｎｍとした。
表２は、実施例４〜８、比較例１、４〜６の第一磁化固定層、第一介在層、第二介在層、磁気結合層、並びに第二磁化固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure 2020068214
Ｉｒ元素の原子半径は、０．１２７ｎｍであるため、実施例４〜８においては、第一介在層の厚さは、Ｉｒ元素の原子半径の１．５倍（０．１９０５ｎｍ）以上、３．２倍（０．４０６４ｎｍ）以下となっている。比較例４、５の第一介在層の厚さは、Ｉｒ元素の原子半径の１．５倍未満となっており、比較例６の第一介在層の厚さは、Ｉｒ元素の原子半径の３．２倍よりも厚くなっている。
図９の（ａ）は、実施例４〜８、比較例１、４〜６のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第一介在層の膜厚依存性を示す図である。図９の（ｂ）は、実施例４〜８、比較例１、４〜６のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第一介在層の膜厚依存性を示す図である。図９に示すように、実施例４〜８のアニール処理後ＨＥＸの値は、比較例１、６のアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、実施例４〜８では、比較例１よりも小さくなった。
（実施例９〜１３、比較例１、７）
実施例９〜１３、比較例７の強磁性多層膜については、第二磁化固定層１５としての層の構成材料及び厚さを変更したこと以外は、実施例１の強磁性多層膜と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。実施例９〜１３、比較例１、７の第二磁化固定層１５としての層の構成材料をＭｏとし、実施例９〜１３、比較例７の第二磁化固定層１５としてのＭｏ層の厚さは、それぞれ０．０５ｎｍ、０．１０ｎｍ、０．１２ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．１８ｎｍ、０．２０ｎｍとした。
表３は、実施例９〜１３、比較例１、７の第一磁化固定層、第一介在層、第二介在層、磁気結合層、並びに第二磁化固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure 2020068214
Ｍｏ元素の原子半径は、０．１３０ｎｍであるため、実施例９〜１３においては、第二介在層の厚さは、Ｍｏ元素の原子半径の１．５倍（０．１９５ｎｍ）以下となっている。比較例７においては、第二介在層の厚さは、Ｍｏ元素の原子半径の１．５倍よりも厚くなっている。
図１０の（ａ）は、実施例９〜１３、比較例１、７のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。図１０の（ｂ）は、実施例９〜１３、比較例１、７のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。図１０に示すように、実施例９〜１３のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較例１、７のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、実施例９〜１３では、比較例１よりも小さくなった。
（実施例１４、比較例１）
実施例１４の強磁性多層膜については、第二磁化固定層１５としての層の構成材料及び厚さを変更したこと以外は、実施例３の強磁性多層膜と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。実施例１４の第二磁化固定層１５としての層の構成材料をＰｄとし、実施例１４の第二磁化固定層１５としてのＭｏ層の厚さは、０．１５ｎｍとした。また、同一の作成条件で、１０００個の実施例１４及び比較例１の強磁性多層膜を作成した。そして、実施例１４及び比較例１の複数の強磁性多層膜について、それぞれ磁場中アニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）、及び、磁場中アニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの分散（標準偏差σ）を求めた。
表４は、実施例１４及び比較例１の第一磁化固定層、第一介在層、第二介在層、磁気結合層、並びに第二磁化固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure 2020068214
Ｐｄ元素の原子半径は、０．１２８ｎｍであるため、実施例１４においては、第二介在層の厚さは、Ｐｄ元素の原子半径の１．５倍（０．１９２ｎｍ）以下となっている。
表４に示すように、実施例１４のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較例１のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、実施例１４では、比較例１よりも小さくなった。また、比較例１の磁場中アニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は７．２０％、比較例１の磁場中アニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は１３．１０％であったのに対して、実施例１４の磁場中アニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は４．２０％、比較例１の磁場中アニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は１４．９０％であった。
（実施例１５〜１９、比較例１、８）
実施例１５〜１９、比較例８の強磁性多層膜については、第二磁化固定層１５としての層の構成材料及び厚さを変更したこと以外は、実施例１の強磁性多層膜と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。実施例１５〜１９、比較例８の第二磁化固定層１５としての層の構成材料をＷとし、実施例１５〜１９、比較例８の第二磁化固定層１５としてのＷ層の厚さは、それぞれ０．０６ｎｍ、０．１０ｎｍ、０．１２ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．１７ｎｍ、０．２０ｎｍとした。
表５は、実施例１５〜１９、比較例１、８の第一磁化固定層、第一介在層、第二介在層、磁気結合層、並びに第二磁化固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure 2020068214
Ｗ元素の原子半径は、０．１３０ｎｍであるため、実施例１５〜１９においては、第二介在層の厚さは、Ｗ元素の原子半径の１．５倍（０．１９５ｎｍ）以下となっている。比較例８においては、第二介在層の厚さは、Ｗ元素の原子半径の１．５倍よりも厚くなっている。
図１１の（ａ）は、実施例１５〜１９、比較例１、８のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。図１１の（ｂ）は、実施例１５〜１９、比較例１、８のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第二介在層の膜厚依存性を示す図である。図１１に示すように、実施例１５〜１９のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較例１、８のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、実施例１５〜１９では、比較例１よりも小さくなった。
また、図１２は、比較例１の強磁性多層膜の第一磁化固定層から第二磁化固定層までの領域のエネルギー分散型X線分析の測定結果を示す図であり、図１３は、実施例４の強磁性多層膜の第一磁化固定層から第二磁化固定層までの領域のエネルギー分散型X線分析の測定結果を示す図であり、図１４は、実施例１２の強磁性多層膜の第一磁化固定層から第二磁化固定層までの領域のエネルギー分散型X線分析の測定結果を示す図である。図１２〜図１４のグラフの横軸は、第一磁化固定層から第二磁化固定層に向かう方向を正としている。
図１２に示すように、比較例１の強磁性多層膜においては、第一磁化固定層及び第二磁化固定層を示すＣｏの強度プロファイルの間において、略左右対称の形状を有する磁気結合層を示すＩｒの強度プロファイルが観察された。また、図１３に示すように、実施例４の強磁性多層膜においては、第一磁化固定層及び第二磁化固定層を示すＣｏの強度プロファイルの間において、特徴的なピーク形状を示している。Ｃｏのピークは第一磁化固定層と磁気結合層の間で裾を持っている。ＥＤＳ測定において有限の空間分解能があるため、本測定ではピークとして分解できていない。しかしながら、第一磁化固定層と磁気結合層の間に第二介在層が存在しているためにＣｏのピークが裾の形状を示している。同様に、Ｉｒも一つのピーク形状ではなく、第一磁化固定層と磁気結合層の間で裾を持っている。このＣｏとＩｒのピーク形状が裾を持っていることが第一介在層と第二介在層の存在を示唆している。また、図１４に示すように、実施例１２の強磁性多層膜においては、第一磁化固定層及び第二磁化固定層を示すＣｏの強度プロファイルの間において、Ｃｏは第一磁化固定層と磁気結合層との間で裾を引いていない。これはＣｏは第一磁化固定層と磁気結合層との間に存在していないことを示している。また、Ｉｒは一つのピーク形状ではなく、第一磁化固定層と磁気結合層の間で裾を持っている。Ｍｏは第一磁化固定層と磁気結合層との間でピーク形状を示し、Ｉｒのピークの方がＭｏのピークよりも第一磁化固定層側に近い部分で、強度を失っている。これらにより、第一磁化固定層、第一介在層、第二介在層、磁気結合層、第二磁化固定層の構造になっていることがわかる。
１…磁気抵抗効果素子、７…第一磁化固定層（第一強磁性層）、９…第一介在層、１０…強磁性多層膜、１１…第二介在層、１３…磁気結合層、１５…第二磁化固定層、２１…非磁性スペーサ層、２３…磁化自由層。

Claims (10)

  1. 第一強磁性層と、前記第一強磁性層上に積層された第一介在層と、前記第一介在層上に積層された第二介在層と、前記第二介在層上に積層された磁気結合層と、前記磁気結合層上に積層された第二強磁性層と、を備え、
    前記第一強磁性層と前記第二強磁性層とは、前記第一介在層、前記第二介在層、及び前記磁気結合層を介した交換結合によって、前記第一強磁性層と前記第二強磁性層の磁化方向が互いに反平行となるように磁気的に結合しており、
    前記磁気結合層の主元素は、Ｒｕ、Ｒｈ、又はＩｒであり、
    前記第一介在層の主元素は、前記磁気結合層の主元素と同一であり、
    前記第二介在層の主元素は、前記磁気結合層の主元素と異なり、
    前記第一介在層の厚さは、当該第一介在層の主元素の原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、
    前記第二介在層の厚さは、当該第二介在層の主元素の原子半径の１．５倍以下である、強磁性多層膜。
  2. 前記第二介在層の主元素は、前記第一強磁性層の主元素と同一である、請求項１に記載の強磁性多層膜。
  3. 前記第二介在層の主元素は、Ｍｏ又はＷである、請求項１に記載の強磁性多層膜。
  4. 前記第二介在層の主元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｐｔ、又はＡｕである、請求項１に記載の強磁性多層膜。
  5. 前記第一強磁性層の厚さは、前記第二強磁性層の厚さよりも厚い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の強磁性多層膜。
  6. 前記磁気結合層と前記第二強磁性層との間に積層された第三介在層と、
    前記第三介在層と前記第二強磁性層との間に積層された第四介在層と、
    をさらに備え、
    前記第四介在層の主元素は、前記磁気結合層の主元素と同一であり、
    前記第三介在層の主元素は、前記磁気結合層の主元素と異なり、
    前記第四介在層の厚さは、当該第四介在層の主元素の原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、
    前記第三介在層の厚さは、当該第三介在層の主元素の原子半径の１．５倍以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の強磁性多層膜。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の強磁性多層膜と、
    前記第二強磁性層に積層された非磁性スペーサ層と、
    前記非磁性スペーサ層上に積層された強磁性材料からなる磁化自由層と、を備え、
    前記第一強磁性層及び前記第二強磁性層は、磁化固定層として機能する、磁気抵抗効果素子。
  8. 請求項７に記載の磁気抵抗効果素子を備える磁気センサ。
  9. 請求項７に記載の磁気抵抗効果素子を備える磁気メモリ。
  10. 基板上に、前記第一強磁性層、前記第一介在層、前記第二介在層、前記磁気結合層、及び前記第二強磁性層をこの順に形成する工程を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の強磁性多層膜を製造する方法。
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