CN111512455B

CN111512455B - 隧道磁阻效应膜以及使用其的磁装置

Info

Publication number: CN111512455B
Application number: CN201880083967.7A
Authority: CN
Inventors: 斋藤正路; 小池文人
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: CN111512455A; US11476413B2; JPWO2019131394A1; JP7022766B2; WO2019131394A1; US20200328344A1

Abstract

即使在高温环境、高磁场环境等中，也能够适当地动作的隧道磁阻效应(TMR)元件11，具备具有固定磁性层3的至少一部分即第1强磁性层31和在第1强磁性层31层叠的反强磁性层2的交换耦合膜10，反强磁性层2具备X(Cr‑Mn)层，该X(Cr‑Mn)层含有从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上元素X、以及Mn及C，X(Cr‑Mn)层具有：距第1强磁性层31相对较近的第1区域R1、和距第1强磁性层31相对较远的第2区域R2，第1区域R1中的Mn含有量高于第2区域R2中的Mn含有量。

Description

隧道磁阻效应膜以及使用其的磁装置

技术领域

本发明涉及一种隧道磁阻效应膜、以及使用其的磁装置。

背景技术

具有固定磁性层以及自由磁性层隔着绝缘障壁层而层叠得到的构造的隧道磁阻效应(TMR)元件的磁阻比(MR比)大于巨磁阻效应(GMR)元件，因此，用于磁头、磁存储器、磁传感器这样的各种各样的磁装置(例如参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-4692号公报

发明内容

发明要解决的课题

若将这样的磁装置用于各种设备，则要求即使在高温环境、高磁场环境等恶劣环境下也适当地动作。

本发明的目的在于，提供一种即使在高温环境、高磁场环境等中也会适当地动作的隧道磁阻效应(TMR)元件以及具备该TMR元件的磁装置。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题而提供的本发明，在一个方式中是一种磁场施加偏置膜，具有含有强磁性层的固定磁性层以及自由磁性层隔着绝缘障壁层层叠而得的构造，其特征在于，所述强磁性层和在所述强磁性层层叠的反强磁性层构成交换耦合膜，所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上元素X、以及Mn及Cr，所述X(Cr-Mn)层具有：距所述强磁性层相对较近的第1区域、和距所述强磁性层相对较远的第2区域，所述第1区域中的Mn含有量高于所述第2区域中的Mn含有量。

图1是说明本发明所涉及的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线的图。通常，软磁性体的M-H曲线(磁化曲线)所形成的磁滞回线成为以H轴与M轴的交点(磁场H＝0A/m，磁化M＝0A/m)为中心而对称的形状。如图1所示那样，由于交换耦合磁场Hex对与反强磁性层进行交换耦合的强磁性层起作用，因此，本发明所涉及的交换耦合膜的磁滞回线成为根据交换耦合磁场Hex的大小而沿着H轴偏移了的形状。对于交换耦合膜的强磁性层，该交换耦合磁场Hex越大，则即使施加了外部磁场，磁化的朝向也难以反转，因此，具备交换耦合膜的强磁性层作为固定磁性层的至少一部分的隧道磁阻效应元件能够具有良好的强磁场耐受性。

当通过沿着该H轴偏移了的磁滞回线的中心(该中心的磁场强度相当于交换耦合磁场Hex。)与磁滞回线的H轴截距的差而定义的顽磁力Hc小于交换耦合磁场Hex的情况下，即使施加外部磁场而交换耦合膜的固定磁性层在沿着该外部磁场的方向上被磁化，然而如果外部磁场的施加结束，则能够通过与顽磁力Hc相比相对较强的交换耦合磁场Hex使强磁性层的磁化的方向一致。即，在交换耦合磁场Hex和顽磁力Hc的关系是Hex＞Hc的情况下，具备具有交换耦合膜的固定磁性层的隧道磁阻效应元件具有良好的强磁场耐受性。

而且，上述交换耦合膜所具备的反强磁性膜与由IrMn、PtMn这样的以往的反强磁性材料形成的反强磁性膜相比，阻隔温度Tb高，因此，即使放置于例如300℃左右的环境来被施加强磁场，也能够维持交换耦合磁场Hex。因此，具备具有上述交换耦合膜的固定磁性层的隧道磁阻效应元件在高温环境下的稳定性优异，并具有强磁场耐受性。

还可以是，在上述隧道磁阻效应元件的交换耦合膜中，所述第1区域与所述强磁性层相接。

还可以是，在上述隧道磁阻效应元件的交换耦合膜中，所述第1区域具有Mn含有量相对于Cr含有量的比即Mn/Cr比是0.3以上的部分。该情况下，优选地，所述第1区域具有所述Mn/Cr比为1以上的部分。

还可以是，作为上述隧道磁阻效应元件的交换耦合膜的具体的一个方式，所述反强磁性层构成为层叠PtCr层、和与所述PtCr层相比距所述强磁性层近的X⁰Mn层(其中，X⁰是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素)。

还可以是，作为上述交换耦合膜的具体例，所述反强磁性层构成为PtCr层和PtMn层按该顺序被层叠以使所述PtMn层距所述强磁性层近。该情况下，还可以与所述PtMn层相比距所述强磁性层近地进一步层叠IrMn层。在该结构中，上述X⁰Mn层由PtMn层和IrMn层构成。

上述隧道磁阻效应元件是在基板上形成的，所述固定磁性层可以以从所述基板观察比所述自由磁性层近的方式来层叠(底型)，还可以以远的方式来层叠(顶型)。在本发明所涉及的隧道磁阻效应元件中，即使是顶型，也与底型同样地能得到高的电阻变化率ΔMR。

本发明作为另一个方式，提供一种隧道磁阻效应元件，具有含有强磁性层的固定磁性层以及自由磁性层隔着绝缘障壁层层叠而得的构造，其特征在于，所述强磁性层和在所述强磁性层层叠的反强磁性层构成交换耦合膜，所述反强磁性层具有：X¹Cr层(其中，X¹是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素)和X²Mn层(其中，X²是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素，能够与X¹相同或者不同)交替地层叠而得的三层以上的交替层叠构造。

还可以是，在上述隧道磁阻效应元件的交换耦合膜中，所述X¹是Pt，所述X²是Pt或者Ir。

还可以是，所述反强磁性层具有单元层叠部，该单元层叠部层叠多个由X¹Cr层和X²Mn层构成的单元。该情况下，还可以是，所述单元层叠部中的所述X¹Cr层以及所述X²Mn层分别是相同的膜厚，所述X¹Cr层的膜厚大于所述X²Mn层的膜厚。此时，有时，优选地，所述X¹Cr层的膜厚与所述X²Mn层的膜厚的比是5∶1～100∶1。

上述隧道磁阻效应元件是在基板上形成的，所述固定磁性层可以被层叠为从所述基板观察比所述自由磁性层近(底型)，还可以被层叠为从所述基板观察比所述自由磁性层远(顶型)。在本发明所涉及的隧道磁阻效应元件中，即使是顶型，也与底型同样地能得到高的电阻变化率ΔMR。

本发明作为另一个方式，提供一种具备上述隧道磁阻效应元件的磁装置。作为该磁装置的具体例，列举了具有所述隧道磁阻效应元件作为读取元件的磁头、具有所述隧道磁阻效应元件作为记录元件的磁存储器、以及具有所述隧道磁阻效应元件作为探测元件的磁传感器。这样的磁装置由于上述隧道磁阻效应元件在高温环境下的安定性优异并具有强磁场耐受性，因此，即使在恶劣的环境下也能够使用。

本发明作为另一个方式，提供一种具备上述磁检测元件的设备。作为设备的具体例，列举了电子设备、运输设备、通信设备、医疗设备、生产设备、基础设施设备等。

发明的效果

根据本发明，提供一种即使在高温环境下强磁场耐受性也优异的隧道磁阻效应元件。因此，若使用本发明的隧道磁阻效应元件，则能够设为一种即使在高温环境下施加了强磁场的情况下也稳定的磁装置，并能够搭载于各种各样的设备。

附图说明

图1是说明本发明所涉及的磁场施加偏置膜的磁化曲线的磁滞回线的图。

图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的隧道磁阻效应元件的结构的说明图。

图3是深度曲线的一例。

图4是将图3的深度曲线的一部分放大而得的曲线。

图5是使横轴的范围与图4相等地表示基于图4而求出的Cr含有量相对于Mn含有量的比(Mn/Cr比)的图表。

图6是表示本发明的第1实施方式的第1变形例(反强磁性层进一步具备IrMn层的结构)所涉及的隧道磁阻效应元件的结构的说明图。

图7是表示本发明的第1实施方式的第2变形例(顶型)所涉及的隧道磁阻效应元件的结构的说明图。

图8是表示本发明的第1实施方式的第3变形例(具备扩散防止层的底型)所涉及的隧道磁阻效应元件的结构的说明图。

图9是表示本发明的第1实施方式的第4变形例(具备扩散防止层的顶型)所涉及的隧道磁阻效应元件的结构的说明图。

图10是表示本发明的第2实施方式所涉及的隧道磁阻效应元件的结构的说明图。

图11是表示本发明的第2实施方式的变形例所涉及的隧道磁阻效应元件的结构的说明图。

图12的(a)是用于说明本发明的一实施方式所涉及的磁装置的一例即磁传感器的构造的俯视图，(b)是图12的(a)的V1-V1线剖视图。

图13是表示实施例以及比较例的电阻变化率ΔMR的图表。

图14是表示交换耦合磁场Hex的强度的温度依赖性的图表。

具体实施方式

<第1实施方式所涉及的磁检测元件>

图2是概念性地表示本发明的第1实施方式所涉及的隧道磁阻效应(TMR)元件的构造的说明图。

如图2所示那样，隧道磁阻效应元件(TMR元件)11被设置于在基板SB上形成的下部电极E1和上部电极E2之间。基板SB例如由在表面层叠氧化铝而得的Si基板构成。下部电极E1例如由Cu和Ta的层叠体构成。上部电极E2例如由Ru和Ta的层叠体构成。

在基板SB的层叠了氧化铝的面上形成的下部电极F1上，从下到上按种子层1、反强磁性层2、固定磁性层3、绝缘障壁层4、自由磁性层5的顺序层叠来构成TMR元件11。即，TMR元件11具有含有强磁性层的固定磁性层3以及自由磁性层5隔着绝缘障壁层4而层叠的构造。反强磁性层2和作为固定磁性层3的一部分的第1强磁性层31构成交换耦合膜10。在TMR元件11上形成上部电极E2。

种子层1被用于调整在其上形成的各层的结晶取向性，由Ru、Ni-Fe-Cr等形成。

反强磁性层2是从距第1强磁性层31近的侧起将PtMn层2A以及PtCr层2B按该顺序层叠而构成的。这些各层例如利用溅射工序、CVD工序来成膜。此外，当将PtMn层2A等合金层成膜时，可以同时供给形成合金的多种金属(在PtMn层2A的情况下，Pt以及Mn)，也可以交替地供给形成合金的多种金属。作为前者的具体例，列举了形成合金的多种金属的同时溅射；作为后者的具体例，列举了不同种类的金属膜的交替层叠。有时，形成合金的多种金属的同时供给相比于交替供给而言，对于提高交换耦合磁场Hex来说是优选的。

反强磁性层2在成膜后通过被退火处理而规则化，与第1强磁性层31进行交换耦合，在第1强磁性层31发生交换耦合磁场Hex。反强磁性层2的阻隔温度Tb高于现有技术所涉及的由IrMn构成的反强磁性层、由PtMn构成的反强磁性层的阻隔温度Tb，因此，即使在高温环境下，交换耦合膜10也能够较高地维持交换耦合磁场Hex。此外，通过上述退火处理，构成反强磁性层2的各层的原子相互扩散。

本实施方式所涉及的交换耦合膜10所具备的反强磁性层2具有X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有：从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素X、以及Mn及Cr。对于从图2中示出的层叠构造得到的反强磁性层2，元素X是Pt，因此，成为Pt(Cr-Mn)层。该Pt(Cr-Mn)层具有：距第1强磁性层31相对较近的第1区域、和距第1强磁性层31相对较远的第2区域，第1区域中的Mn含有量高于第2区域中的Mn含有量。具有这样的构造的Pt(Cr-Mn)层通过层叠的PtMn层2A以及PtCr层2B受到退火处理来形成。通过进行溅射并进行表面分析，能够得到构成元素的深度方向的含有量分布(深度曲线)。

图3是包含具备与本实施方式所涉及的交换耦合膜10相同的结构的交换耦合膜的层叠体的深度曲线的一例。该层叠体中的交换耦合膜由固定磁性层和反强磁性层构成。图3中示出的深度曲线是，从针对具备以下结构的膜，在15kOe的磁场中在350℃下进行20小时退火处理了的膜而得的。()内的数值表示膜厚

基板/基底层：NiFeCr(40)/非磁性材料层：[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性层：Co_40at％Fe_60at％(20)/反强磁性层[IrMn层：Ir_22at％Mn_78at％(10)/PtMn层：Pt_50at％Mn_50at％(16)/PtCr层：Pt_51at％Cr_49at％(300)]/保护层：Ta(100)

图3的深度曲线具体地是通过从保护层侧进行氩气溅射并通过俄歇电子分光装置进行表面分析而得的，由在深度方向上的Pt、Ir、Cr以及Mn的含有量分布而构成。基于氩气的溅射速度利用SiO₂换算来求取，是1.1nm/分。

图4是将图3的一部分放大了的图。关于图3以及图4的任意一个，为了确认固定磁性层以及非磁性材料层的深度位置，关于Co(固定磁性层的构成元素之一)的含有量分布以及Ru(构成非磁性材料层的反强磁性层侧的元素)的含有量分布均包含在深度曲线中。

如图3所示那样，反强磁性层的厚度是30nm左右，具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有作为从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素X的Pt以及Ir、和Mn以及Cr，具体地，由(Pt-Ir)(Cr-Mn)层构成。并且，X(Cr-Mn)层((Pt-Ir)(Cr-Mn)层)具有：距固定磁性层相对较近的第1区域R1、和距固定磁性层相对较远的第2区域R2，以及第1区域R1中的Mn含有量高于第2区域R2中的Mn含有量。这样的构造能够通过将由XCr构成的层以及由XMn构成的层等适当层叠来形成多层层叠体，并对该多层层叠体进行上述那样的退火处理而得到。

图5是使横轴的范围与图4相等地表示根据通过深度曲线而求出的各深度的Mn含有量以及Cr含有量而算出的、Mn含有量相对于Cr含有量的比(Mn/Cr比)的图表。根据图5中示出的结果，在本说明书中，将Mn/Cr比成为0.1的深度设为第1区域R1和第2区域R2的边界。即，在反强磁性层中，在距固定磁性层近的区域中，将Mn/Cr比为0.1以上的区域定义为第1区域R1；将反强磁性层中的除了第1区域以外的区域定义为第2区域。根据该定义，在图3中示出的深度曲线中，第1区域R1和第2区域R2的边界位于深度44.5nm左右。

Mn/Cr比大这一情况不仅会对交换耦合磁场Hex的大小造成影响，而且Mn/Cr比越大，则Hex/Hc的值是正的值且绝对值越容易变大。具体地，优选地，第1区域R1具有Mn/Cr比为0.3以上的部分；更优选地，具有Mn/Cr比为0.7以上的部分；特别优选地，具有Mn/Cr比为1以上的部分。

这样，由于在第1区域R1相对较多地含有Mn，因此，交换耦合膜10能够使高的交换耦合磁场Hex发生。另一方面，在第2区域R2中，由于Mn含有量低，相对地Cr含有量高，因此，反强磁性层2具有高的阻隔温度Tb。因此，交换耦合膜10即使放置于高温环境，也能够维持高的交换耦合磁场Hex。此外，在上述说明中，相对于PtCr层在强磁性层侧层叠的层是PtMn层，然而并不限定于此。还可以层叠与PtCr层相比距强磁性层近的X⁰Mn层(其中，X⁰是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素)。

固定磁性层3是如图2所示那样从下到上按第1强磁性层31、非磁性中间层32、第2强磁性层33的顺序层叠而得的层叠铁氧体构造。第1强磁性层31通过如上述在与反强磁性层2之间产生的交换耦合磁场(Hex)、在第1强磁性层31与第2强磁性层33之间产生的RKKY相互作用，将磁化固定于一个方向(在图2中，X1-X2方向X1侧的朝向)。另一方面，第2强磁性层33的磁化被固定于与第1强磁性层31的磁化方向相反的方向(在图2中，X1-X2方向X2侧的朝向)。第1强磁性层31由强磁性材料例如CoFe合金(钴铁合金)而形成。CoFe合金通过提高Fe的含有比例，顽磁力Hc变高。第1强磁性层31的膜厚有时优选地是以上且以下。非磁性中间层32例如由Ru形成。第2强磁性层33例如由Co-Fe层、Co-Fe-B层、以及Co-Fe层的层叠构造形成。

绝缘障壁层4由Mg-O形成。Mg的组成比优选地是40at％以上且60at％以下的范围内。更优选地是Mg_50at％O_50at％。

自由磁性层5例如由Co-Fe层和Co-Fe-B层的层叠构造构成。自由磁性层5的磁化方向并不固定，能够根据外部磁场在X-Y面内发生磁化变动。在图2中示出了，在未施加外部磁场的状态下，自由磁性层5的磁化方向朝向与第2强磁性层33的磁化方向(X1-X2方向X2侧的朝向)一致的朝向的状态。该状态的下部电极E1和上部电极E2之间的电阻变得最小。另一方面，若自由磁性层5的磁化方向成为第2强磁性层33的磁化方向反向平行(X1-X2方向X1侧的朝向)的状态，则下部电极E1与上部电极E2之间的电阻变得最大。

上述的TMR元件11的层结构、材质是一例。例如如图6所示的TMR元件11A那样，还可以从距第1强磁性层31近的侧起层叠IrMn层2C、PtMn层2A以及PtCr层2B来构成反强磁性层2。或者，在TMR元件11中，从基板SB以及在该基板SB上形成的下部电极E1观察，是从下到上按反强磁性层2、固定磁性层3、绝缘障壁层4以及自由磁性层5的顺序层叠的所谓的底型，然而，还可以如图7所示的TMR元件11B那样，从基板SB以及在该基板SB上形成的下部电极E1观察，是从下到上按自由磁性层5、绝缘障壁层4、固定磁性层3以及反强磁性层2的顺序层叠的所谓的顶型。

此外，还可以设置有Ta等扩散防止层3X。在图8所示的TMR元件11C中，在第2强磁性层33的上侧(上部电极E2侧)设置扩散防止层3X，并在其上层叠强磁性层3A之后层叠绝缘障壁层4。在图9所示的TMR元件11D中，在绝缘障壁层4的上侧(上部电极E2侧)层叠强磁性层3A之后，设置扩散防止层3X，并在其上层叠第2强磁性层33。

固定磁性层3也可以不具有上述那样的层叠铁氧体构造，也可以是磁性层的单层构造或其他层叠构造。自由磁性层5也可以是单层构造。

<第2实施方式所涉及的磁检测元件>

图10是概念性地表示本发明的第2实施方式所涉及的隧道磁阻效应元件(TMR元件)的构造的说明图。在本实施方式中，针对与图2中示出的TMR元件11功能相同的层，赋予相同的符号，并省略说明。

第2实施方式所涉及的TMR元件111在基板SB上形成的下部电极E1与上部电极E2之间设置各层，从下到上按种子层1、反强磁性层2、固定磁性层3、绝缘障壁层4、自由磁性层5的顺序层叠而构成，进一步地反强磁性层2和作为固定磁性层3的一部分的第1强磁性层31构成交换耦合膜101等基本结构，与TMR元件11是共同的。第2实施方式所涉及的TMR元件111的反强磁性层2的构造与第1实施方式所涉及的TMR元件11是不同的。

第2实施方式所涉及的TMR元件111的反强磁性层2是X¹Cr层21A和X²Mn层21B交替地被层叠三层而得的交替层叠构造(其中，X¹以及X²分别是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素，X¹和X²可以相同也可以不同)。这些各层例如利用溅射工序、CVD工序来成膜。反强磁性层2在成膜后通过被退火处理而规则化，与第1强磁性层31进行交换耦合，在第1强磁性层31发生交换耦合磁场Hex。

在图10中，作为X¹Cr层21A和X²Mn层21B层叠三层以上而得的交替层叠构造的一个方式，示出了X¹Cr层21A/X²Mn层21B/X¹Cr层21A的三层构造即X¹Cr层21A与第1强磁性层31相接的反强磁性层2。但是，还可以设为，将X¹Cr层21A和X²Mn层21B替换了的X²Mn层21B/X¹Cr层21A/X²Mn层21B的三层构造。在该三层构造的情况下，X²Mn层21B与第1强磁性层31相接。关于反强磁性层2所涉及的层数为4以上的情况的方式，后文描述。

在X¹Cr层21A距第1强磁性层31最近的情况下，使种子层1侧的X¹Cr层21A的膜厚D1大于与第1强磁性层31相接的X¹Cr层21A的膜厚D3，从提高交换耦合磁场Hex的观点来看是优选的。此外，反强磁性层21的X¹Cr层21A的膜厚D1优选地大于X²Mn层21B的膜厚D2。更优选地，膜厚D1与膜厚D2的比(D1∶D2)是5∶1～100∶1，进一步优选地是10∶1～50∶1。更优选膜厚D1与膜厚D3的比(D1∶D3)是5∶1～100∶1，进一步优选地是10∶1～50∶1。

此外，当X²Mn层21B距第1强磁性层31最近即X²Mn层21B/X¹Cr层21A/X²Mn层21B的三层构造的情况下，还可以使距第1强磁性层31最近的X²Mn层21B的膜厚D3和种子层1侧的X²Mn层21B的膜厚D1相等。

从提高交换耦合磁场Hex的观点来看，优选地，X¹Cr层21A的X¹是Pt；优选地，X²Mn层21B的X²是Pt或者Ir，更优选地是Pt。在将X¹Cr层21A设为PtCr层的情况下，优选地是Pt_XCr_100at％-X(X是45at％以上且62at％以下)，更优选地是X¹ _XCr_100at％-X(X是50at％以上且57at％以下)。从同样的观点来看，优选地，X²Mn层21B是PtMn层。

图11中示出了表示本发明的第2实施方式的变形例所涉及的TMR元件112的膜结构的说明图。在本例中，针对与图10中示出的TMR元件111功能相同的层，赋予相同的符号，并省略说明。在TMR元件112中，第1强磁性层31和反强磁性层22构成交换耦合膜102。

图11中示出的TMR元件112与图10的TMR元件111不同的方面是如下方面：反强磁性层22所涉及的层数是4以上，并具有由X¹Cr层21A和X²Mn层21B(参照图11)构成的单元被层叠多个而得的单元层叠部。在图7中，具有：从由X¹Cr层21A1和X²Mn层21B1构成的单元层叠部2U1到由X¹Cr层21An和X²Mn层21Bn构成的单元2Un进行n层层叠而得的单元层叠部2U1～2Un(n为2以上的整数)。

单元层叠部2U1～2Un中的X¹Cr层2A1、…X¹Cr层21An分别是相同的膜厚D1，X²Mn层2B1、…X²Mn层21Bn也分别是相同的膜厚D2。通过将相同结构的单元层叠部2U1～2Un层叠，并对得到的层叠体进行退火处理，实现了使交换耦合膜102的第1强磁性层31发生高的交换耦合磁场Hex，并且提高反强磁性层22的高温稳定性。

此外，图11的反强磁性层22由单元层叠部21U1～21Un和X¹Cr层21A构成，X¹Cr层21A与第1强磁性层31相接，然而，也可以仅由单元层叠部21U1～21Un构成。从仅由单元层叠部21U1～21Un构成的层叠体而形成的反强磁性层22的X²Mn层21Bn与第1强磁性层31相接。

单元层叠部21U1～21Un的层叠数能够根据反强磁性层22、膜厚D1以及膜厚D2的大小来设定。例如在膜厚D1是膜厚D1是的情况下，为了提高高温环境下的交换耦合磁场Hex，优选地层叠数为3～15，更优选地是5～12。

上述本发明的实施方式所涉及的TMR元件11、111、112即使放置于高温环境、强磁场环境，反强磁性层2、21、22也能够适当实现其功能，因此，具备TMR元件11、111、112的磁装置即使在恶劣环境下也能够适当动作。

作为上述磁装置的具体例，列举了具有TMR元件11、111、112作为读取元件的磁头；具有TMR元件11、111、112作为记录元件的磁存储器；以及具有TMR元件11、111、112作为探测元件的磁传感器。

图12的(a)是用于说明磁装置的一例的磁传感器的构造的俯视图。图12的(b)是图12的(a)的V1-V1线剖视图。

如图12所示那样，磁传感器100在下部电极E1的Y1-Y2方向Y1侧，在X1-X2方向上并排配置两个TMR元件11、11。两个TMR元件11、11分别与不同的上部电极E2、E2连接。尽管在图12的(a)中省略了显示，然而如图12的(b)所示那样，在两个TMR元件11、11的周围设置绝缘层M1，在两个上部电极E2、E2的每一个的周围还设置绝缘层M2。

因此，通过将两个上部电极E2的每一个与外部布线连接，两个TMR元件11、11成为串联连接，并能够构成电阻值根据外部磁场而变动的电路。可以根据与磁传感器100的电阻值相关的电信号来测定外部磁场的强度、朝向，也可以将磁传感器100用作磁敏开关。

以上说明的实施方式是为了使本发明的理解容易而记载的，并不是为了限定本发明而记载的。因此，上述实施方式中公开的各要素是也包含属于本发明的技术性范围的全部设计变更、等价物的主旨。例如，在上述的交换耦合膜中，PtMn层2A与第1强磁性层31相接，即在被层叠的第1强磁性层31上直接层叠PtMn层2A，然而还可以在PtMn层2A和第1强磁性层31之间层叠含有Mn的其他层(例示Mn层以及IrMn层。)。此外，在上述实施方式中，反强磁性层2、21、22被层叠为相比于第1强磁性层31位于距种子层1近的位置，然而第1强磁性层31还可以被层叠为相比于反强磁性层2、21、22位于距种子层1近的位置。

具备上述磁装置的设备如上述那样，TMR元件11、111、112具有耐热性、强磁场耐受性，因此，即使在强磁场环境、高温环境等各种各样的环境下也能够可靠性高地使用。作为设备的具体例，列举了计算机、平板电脑终端等电子设备；车辆、飞机、船舶等运输设备；便携式电话、智能手机、通信装置等通信设备；检查装置等医疗设备；机器人等生产设备；发电机等基础设施设备等。

实施例

以下，通过实施例等，进一步具体地说明本发明，然而本发明的范围并不被限定于这些实施例等。

(实施例1)

制造了具备以下膜结构的层叠体。在以下的实施例以及比较例中，()内的数值表示膜厚

基板SB：在表面层叠了氧化铝的Si基板/下部电极E1：[Ta(30)/Cu(200)/Ta(30)/Cu(200)/Ta(150)]/种子层1：NiFeCr(42)/反强磁性层2：[PtCr层2B：Pt_50at％Cr_50at％(300)/PtMn层2A：Pt_50at％Mn_50at％(14)/IrMn层：Ir_20at％Mn_80at％(8)]/固定磁性层3：{第1强磁性层31：Co_90at％Fe_10at％(40)/非磁性中间层32：Ru(8)/第2强磁性层33：[Fe_60at％Co_40at％(14)/Co_35at％Fe_35at％B_30at％(10)/Fe_50at％Co_50at％(6)]}/绝缘障壁层4：Mg_50at％O_50at％(20)/自由磁性层5：[Fe_50at％Co_50at％(10)/Co_35at％Fe_35at％B_30at％(30)]/上部电极E2：[Ru(50)/Ta(100)/Ru(70)]

将实施例1所涉及的层叠体的结构表示在表1中。

[表1]

从该层叠体、或者经过接下来的热处理，得到TMR元件11A。

实施例1-1：未实施热处理(热处理未实施)。

实施例1-2：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火4小时的热处理(4小时处理)。

实施例1-3：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火20小时的热处理(20小时处理)。

实施例1-4：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火10小时的热处理(10小时处理)。

(实施例2)

制造了具备以下膜结构的层叠体。

基板SB：在表面层叠了氧化铝的Si基板/下部电极E1：[Ta(30)/Cu(200)/Ta(30)/Cu(200)/Ta(150)]/种子层1：NiFeCr(42)/反强磁性层2：[PtCr层2B：Pt_50at％Cr_50at％(300)/PtMn层2A：Pt_50at％Mn_50at％(14)/IrMn层：Ir_20at％Mn_80at％(8)]/固定磁性层3：{第1强磁性层31：Co_90at％Fe_10at％(40)/非磁性中间层32：Ru(8)/第2强磁性层33：Fe_60at％Co_40at％(16)/扩散防止层3X：Ta(3)/强磁性层3A：[Co_35at％Fe_35at％B_30at％(10)/Fe_50at％Co_50at％(6)]}/绝缘障壁层4：Mg_50at％O_50at％(20)/自由磁性层5：[Fe_50at％Co_50at％(10)/Co_35at％Fe_35at％B_30at％(30)]/上部电极E2：[Ru(50)/Ta(100)/Ru(70)]

将实施例2所涉及的层叠体的结构表示在表2中。

[表2]

从该层叠体、或者经过接下来的热处理，得到TMR元件11C。

实施例2-1：未实施热处理(热处理未实施)。

实施例2-2：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火4小时的热处理(4小时处理)。

实施例2-3：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火20小时的热处理(20小时处理)。

实施例2-4：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火10小时的热处理(10小时处理)。

(比较例1)

制造了在实施例1中的层叠体中反强磁性层2由厚度的IrMn层：Ir_20at％Mn_80at％构成的层叠体(参照表3)。从得到的层叠体、或者经过接下来的热处理，得到TMR元件。

[表3]

比较例1-1：未实施热处理(热处理未实施)。

比较例1-2：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火4小时的热处理(4小时处理)。

比较例1-3：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火20小时的热处理(20小时处理)。

比较例1-4：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火10小时的热处理(10小时处理)。

(比较例2)

制造了在实施例2中的层叠体中反强磁性层2由厚度的IrMn层：Ir_20at％Mn_80at％构成的层叠体(参照表4)。从得到的层叠体、或者经过接下来的热处理，得到TMR元件。

[表4]

比较例2-1：未实施热处理(热处理未实施)。

比较例2-2：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火4小时的热处理(4小时处理)。

比较例2-3：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火20小时的热处理(20小时处理)。

比较例2-4：在15kOe的磁场环境下，在350℃下进行了退火10小时的热处理(10小时处理)。

关于实施例1及实施例2以及比较例1及比较例2所涉及的TMR元件，测定电阻变化率ΔMR(单位：％)。将其结果表示在表5以及图13中。

[表5]

	实施例1	实施例2	比较例1	比较例2
					热处理未实施	29	35	67	73
4小时处理	44	234	52	255
					20小时处理	71	289	1	199

如表5以及图13所示那样，确认出，在实施例所涉及的TMR元件中，通过进行热处理来使第1强磁性层31发生交换耦合磁场Hex，电阻变化率ΔMR变高。此外，还确认出，越延长热处理时间，则电阻变化率ΔMR变得越大。与此相对地，在比较例所涉及的TMR元件中，在不具有扩散防止层3X(比较例1)的情况下，通过进行热处理而电阻变化率ΔMR下降，通过20小时处理(比较例1-3)，电阻变化率ΔMR实质上变得无法识别。即使在具有扩散防止层3X(比较例2)的情况下，也观察到随着热处理时间变长，电阻变化率ΔMR下降的倾向。因此，确认出，相比于具备使用以往的反强磁性层的交换耦合的TMR元件，具备本发明所涉及的交换耦合膜的TMR元件在高温且强磁场的环境下电阻变化率ΔMR高，耐热性优异并且还具有强磁场耐受性。

(实施例3)

为了确认交换耦合磁场Hex的强度和环境温度的关系，制作了以下结构的层叠膜。

基板SB：在表面层叠了氧化铝的Si基板/基底层：NiFeCr(42)/反强磁性层/固定磁性层：90CoFe(100)/保护层：Ta(90)

在本例中，设反强磁性层的层叠结构为从距基底层近的侧起51PtCr(280)/50PtMn(20)而得的层叠膜，在1kOe的磁场中在350℃下进行5小时退火处理，对固定磁性层和反强磁性层的磁化进行固定而得到交换耦合膜。

(实施例4)

针对实施例3的层叠膜，在1kOe的磁场中在400℃下实施5小时退火处理，对固定磁性层和反强磁性层的磁化进行固定而得到交换耦合膜。

(实施例5)

将实施例4的反强磁性层的层叠结构设为从距基底层近的侧起作为54PtCr(280)/50PtMn(10)来形成层叠膜，进行与实施例4相同的退火处理来得到交换耦合膜。

(实施例6)

将实施例4的反强磁性层的层叠结构设为从距基底层近的侧起作为54PtCr(280)/50PtMn(20)来形成层叠膜，进行与实施例4相同的退火处理来得到交换耦合膜。

(比较例3)

将实施例4的反强磁性层的层叠结构设为20IrMn(80)来形成层叠膜，进行与实施例4相同的退火处理来得到交换耦合膜。

(实施例7)

基板SB：在表面层叠了氧化铝的Si基板/基底层：NiFeCr(42)/固定磁性层：[Cu(40)/Ru(20)/90CoFe(100)]/反强磁性层/保护层：Ta(90)

在本例中，将设反强磁性层的层叠结构为从距固定磁性层近的侧起作为22IrMn(6)/50PtCr(12)/51PtMn(300)而得的层叠膜，在1kOe的磁场中在350℃下进行5小时退火处理，对固定磁性层和反强磁性层的磁化进行固定而得到交换耦合膜。

(实施例8)

将实施例7的反强磁性层的层叠结构设为从距固定磁性层近的侧起作为51PtCr(6)/单元层叠部(层叠数：7)：[48PtMn(6)/51PtCr(34)]来形成层叠膜，进行与实施例7相同的退火处理来得到交换耦合膜。

使用VSM(振动样品型磁力计)，一边使环境温度(单位：℃)变化一边测定实施例1以及比较例1及比较例2所涉及的磁场施加偏置膜12A的磁化曲线，根据得到的磁滞回线，求出各温度的交换耦合磁场Hex(单位：0e)。在表6至表12中示出了各温度的交换耦合磁场Hex、以及利用室温下的交换耦合磁场Hex使各温度的交换耦合磁场Hex标准化而得的值(室温标准化的交换耦合磁场)，并且将表示室温标准化的交换耦合磁场和测定温度的关系的图表表示在图14中。

[表6]

[表7]

[表8]

[表9]

[表10]

[表11]

[表12]

如表6至表12所示的那样，相比于比较例所涉及的交换耦合膜，在实施例所涉及的交换耦合膜中，2倍以上的强度的交换耦合磁场Hex发生。此外，如图14所示那样，示出了环境温度变得越高则交换耦合磁场Hex越下降的倾向，然而在实施例所涉及的交换耦合膜中，交换耦合磁场Hex的下降倾向平缓，结果，阻隔温度Tb为400℃以上。与此相对地，在比较例所涉及的交换耦合膜中，交换耦合磁场Hex容易下降，阻隔温度Tb是300℃左右。从这些结果示出了，具有本发明所涉及的交换耦合膜的TMR元件耐热性优异。

(实施例11)

制造了具备表13所示的膜结构的层叠体。

[表13]

针对得到的层叠体，在15kOe的磁场环境下在350℃下进行退火10小时的热处理，得到TMR元件11D。

(实施例12)

制造了具备表14所示的膜结构的层叠体。

[表14]

(实施例13)

制造了具备表15所示的膜结构的层叠体。

[表15]

针对得到的层叠体，在15kOe的磁场环境下在350℃下进行退火10小时的热处理，得到TMR元件11B。

(实施例14)

制造了具备表16所示的膜结构的层叠体。

[表16]

(比较例11)

制造了具备表17所示的膜结构的层叠体。

[表17]

关于实施例1-1及实施例1-2、比较例1-1及比较例1-2、实施例11至实施例13以及比较例1所涉及的TMR元件，测定电阻变化率ΔMR(单位：％)。将其结果表示在表18中。

[表18]

	ΔMR(％)
		实施例1-4	64
实施例2-4	268
		比较例1-4	21
比较例2-4	208
		实施例11	274
实施例12	271
		实施例13	123
实施例14	92
		比较例11	34

如表18所示那样，确认出，即使实施例11至实施例14所涉及的TMR元件11D、11B是在绝缘障壁层4上形成了固定磁性层3的所谓的顶型，也与实施例1-4以及实施例2-4所涉及的TMR元件11A、11C那样的在绝缘障壁层4下形成了固定磁性层3的所谓的底型同样地，得到高的电阻变化率ΔMR。

符号说明

Hex 交换耦合磁场

Hc 顽磁力

11、11A、11B、11C、11D、111、112 隧道磁阻效应元件(TMR元件)

E1 下部电极

E2 上部电极

1 种子层

2、21、22 反强磁性层

2A PtMn层

2B PtCr层

2C IrMn层

21A、21A1、21An X¹Cr 层

21B、21B1、21Bn X²Mn 层

2U1、2Un 单元层叠部

3 固定磁性层

31 第1强磁性层

32 非磁性中间层

33 第2强磁性层

3A 强磁性层

3X 扩散防止层

4 绝缘障壁层

5 自由磁性层

10、101、102 交换耦合膜

R1 第1区域

R2 第2区域

D1、D3 X¹Cr层21A的膜厚

D2 X²Mn层21B的膜厚

100 磁传感器

M1、M2 绝缘层

SB 基板。

Claims

1.一种隧道磁阻效应元件，具有含有强磁性层的固定磁性层以及自由磁性层隔着绝缘障壁层被层叠的构造，该隧道磁阻效应元件的特征在于，

所述强磁性层和在所述强磁性层层叠的反强磁性层构成交换耦合膜，

所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层通过合金形成，所述合金由从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素X与Mn及Cr构成，

所述X(Cr-Mn)层具有：距所述强磁性层相对较近的第1区域、和距所述强磁性层相对较远的第2区域，

所述第1区域中的Mn含有量高于所述第2区域中的Mn含有量，

在所述交换耦合膜中，在422℃下测定的交换耦合磁场除以在22℃下测定的交换耦合磁场而得到的标准化交换耦合磁场为0.34以上。

2.根据权利要求1所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述反强磁性层构成为层叠PtCr层、和与所述PtCr层相比距所述强磁性层近的X⁰Mn层，其中，X⁰是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素。

3.根据权利要求1所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述反强磁性层构成为PtCr层和PtMn层按该顺序被层叠以使得所述PtMn层距所述强磁性层近。

4.根据权利要求3所述的隧道磁阻效应元件，其中，

与所述PtMn层相比距所述强磁性层近地进一步层叠IrMn层。

5.一种隧道磁阻效应元件，具有含有强磁性层的固定磁性层以及自由磁性层隔着绝缘障壁层被层叠的构造，该隧道磁阻效应元件的特征在于，

所述第1区域中的Mn含有量高于所述第2区域中的Mn含有量，

所述反强磁性层由PtCr层、和与所述PtCr层相比距所述强磁性层近且以与所述强磁性层相接的方式被层叠的X⁰Mn层这两层构成，其中，X⁰是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素。

6.根据权利要求5所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述反强磁性层由PtCr层和PtMn层这两层构成，所述PtMn层以与所述强磁性层相接的方式被层叠。

7.根据权利要求1或5所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述第1区域与所述强磁性层相接。

8.根据权利要求1或5所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述第1区域具有Mn含有量相对于Cr含有量的比即Mn/Cr比是0.3以上的部分。

9.根据权利要求8所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述第1区域具有所述Mn/Cr比为1以上的部分。

10.根据权利要求1或5所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述隧道磁阻效应元件是在基板上形成的，

所述固定磁性层被层叠为从所述基板观察比所述自由磁性层近。

11.根据权利要求1或5所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述隧道磁阻效应元件是在基板上形成的，

所述固定磁性层被层叠为从所述基板观察比所述自由磁性层远。

12.一种隧道磁阻效应元件，具有含有强磁性层的固定磁性层以及自由磁性层隔着绝缘障壁层被层叠的构造，其中，

所述反强磁性层具有X¹Cr层和X²Mn层被交替地层叠的三层以上的交替层叠构造，其中，所述X¹Cr层通过由元素X¹和Cr构成的合金形成，所述X²Mn层通过由元素X²和Mn构成的合金形成，X¹是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素，X²是从由铂族元素以及Ni构成的组中选择的一种或者两种以上的元素，且X²能与X¹相同或者不同，

13.根据权利要求12所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述X¹是Pt，所述X²是Pt或者Ir。

14.根据权利要求12或13所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述反强磁性层具有单元层叠部，该单元层叠部层叠多个由X¹Cr层和X²Mn层构成的单元。

15.根据权利要求14所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述单元层叠部中的所述X¹Cr层以及所述X²Mn层分别是相同的膜厚，所述X¹Cr层的膜厚大于所述X²Mn层的膜厚。

16.根据权利要求15所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述X¹Cr层的膜厚与所述X²Mn层的膜厚的比是5∶1～100∶1。

17.根据权利要求12或13所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述隧道磁阻效应元件是在基板上形成的，

18.根据权利要求12或13所述的隧道磁阻效应元件，其中，

所述隧道磁阻效应元件是在基板上形成的，

19.一种磁装置，具备权利要求1至18的任一项所述的隧道磁阻效应元件。

20.根据权利要求19所述的磁装置，其中，

由具有所述隧道磁阻效应元件作为读取元件的磁头构成。

21.根据权利要求19所述的磁装置，其中，

由具有所述隧道磁阻效应元件作为记录元件的磁存储器构成。

22.根据权利要求19所述的磁装置，其中，

由具有所述隧道磁阻效应元件作为探测元件的磁传感器构成。

23.一种具备权利要求19所述的磁装置的设备。