CN1190856C - 磁阻效应型元件及用它制作的磁存储元件和磁头 - Google Patents

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Abstract

本发明的元件含有具有以式L2(A1-zRz)2An-1MnO3n+3+x表示的组成，结晶构造内具有(L-O)2层的层状钙钛矿型氧化物、和夹持着层状钙钛矿型氧化物并与该氧化物连接形成的一对强磁性体，通过上述(L-O)2层施加偏磁，实现了磁阻隧道效应。其中A表示从Ca、Sr和Ba中选出的至少1种碱土类元素、L表示从Bi、Tl和Pb中选出的至少1种元素、M表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni、Mn、Co、Fe和Cr中选出的至少1种元素、R表示稀土类元素，n为1，2或3，X，Z分别为-1≤x≤1，0≤z≤1中的值。

Description

磁阻效应型元件及用它制作 的磁存储元件和磁头
技术领域
本发明是关于形成在低磁场下也能获得具有高磁场感度磁装置的单元零件，具有隧道效应的磁阻效应型元件，及用该元件制作的磁存储元件和磁头。
背景技术
作为使用MR膜的固体装置，已提出有磁传感器、存储元件、磁头等。从到目前的研究知道，在GMR(巨大磁阻效应)膜中，垂直膜面通入电流时的MR效应(CPPMR)比在膜面内通入电流时的MR效应(CIPMR)大。能够从阻抗高的TMR(隧道型GMR)膜获得更大的输出。
最近，作为磁极化率高的材料，报导有具有钙钛矿结构的Mn氧化物(Y.Luet al.：Phys.Rev.Lett 54(1996)R8357.)。
在使用这种氧化物形成TMR时，最重要的是叠层的材料之间的相性。这是因为在阻挡层界面处的骤然变化性极大地控制着TMR特性。特别是在使用这种钙钛矿型Mn氧化物的复杂氧化物时，很难确保阻挡层界面处的骤然变化性。
发明内容
本发明的目的是鉴于这种事实，使用钙钛矿型氧化物，实现良好的隧道接合，提供一种在低磁场中能实现大磁阻效应的可实用的磁阻效应型元件。本发明的再一目的是提供一种使用这种元件的装置。
根据本发明的一种磁阻效应型元件，含有以式L2(A1-zRz)2An-1MnO3n+3+x表示的组成，在结晶构造内具有(L-O)2层的层状钙钛矿型氧化物和夹持着上述氧化物并与上述氧化物连接形成的一对强磁性体，
其特征是，上述一对强磁性体中的一个由钙钛矿型氧化物形成，另一个是金属强磁性体。
其中A表示从Ca、Sr和Ba中至少选出的1种元素、L表示从Bi、Tl和Pb中至少选出的1种元素，M表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni、Mn、Co、Fe和Cr中选出的至少1种元素，R表示稀土类元素(最好从La(镧)、Pr(镨)、Nd(钕)、和Sn(钐)中至少选出一种)，n为1，2或3，X，Z分别为-1≤x≤1，0≤z≤1的范围中的值。
上述层状钙钛矿型氧化物，含有(L-O)2阻挡层，其自身内包有与磁阻隧道接合的阵列。在本发是中，与这种氧化连接，进一步配置强磁性体，制作成认为能应用于各种装置的实用元件。
如下面所述，本发明的一种形态中，将强磁性体中至少一个作为钙钛矿型氧化物，通过将氧化物电极体接合在这种复合氧化物强磁性体上，作为整体可实现良好的接触。在本发明的另一种形态中，将强磁性体的一个作为钙钛矿型氧化物，另一个作为金属磁性体。进而，在本发明的又一种形态中，与强磁性体中的一个连接，配置反强磁性体。
这样，本发明利用上述层状钙钛矿型氧化物实现了阻挡层界面中的骤然变化性，同时，根据需要配置与该氧化物相适应的强磁性、反强磁性体、氧化物电极体等，从而提供适用于各种装置(例如磁头、磁存储元件)的高感度磁阻效应型元件。
另外，据本发明的一种磁存储元件，是含有磁阻效应型元件的磁存储元件，其特征是上述磁阻效应型元件含有具有由式L2(A1-zRz)2An-1MnO3n+3+x表示的组成并在结晶构造内具有(L-O)2层的层状钙钛矿型氧化物和夹持着上述氧化物并与该氧化物连接形成的一对强磁性体，
上述一对强磁性体中的至少一个由钙钛矿型氧化物形成，
含有与由上述钙钛矿型氧化物形成的强磁性体连接形成的氧化物电极体，
其中A表示从Ca、Sr和Ba中选出的至少1种元素、L表示从Bi、Tl和Pb中选出的至少1种元素，M表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni、Mn、Co、Fe和Cr中选出的至少1种元素，R表示稀土类元素，n为1，2或3，x、z分别为-1≤x≤1、0≤z≤1范围内的值。
另外，据本发明的一种磁头，是含有磁阻效应型元件的磁头，其特征是，
上述磁阻效应型元件含有具有以式L2(A1-zRz)2An-1MnO3n+3+x表示的组成并结晶构造内具有(L-O)2层的层状钙钛矿型氧化物和夹持着上述氧化物并与该氧化物连接形成的一对强磁性体，
上述一对强磁性体中的至少1个由钙钛矿型氧化物形成，
还含有与由上述钙钛矿型氧化物形成的强磁性体连接形成的氧化物电极体，
其中，A表示从Ca、Sr和Ba中选出的至少1种元素，L表示从Bi、Tl和Pb中选出的至少1种元素，M表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni、Mn、Co、Fe和Cr中选出的至少1种元素，R表示稀土类元素，n为1，2或3、x、z分别为-1≤x≤1、0≤z≤1范围内的值。
附图说明
图1(a)～图1(c)分别是制作本发明磁阻效应型元件工序一例的说明断面图。
图2是表示本发明磁阻效应型元件的一种实例的部分剖切的斜视图。
图3(a)和图3(b)分别是表示本发明一种实例中制作的磁阻效应型元件的MR特性的曲线图。
图4是本发明磁阻效应型元件的一种实例中，接合部附近结晶结构的示意图。
图5是本发明磁阻效应型元件的另一种实例中，接合部附近结晶结构的示意图。
图6(a)是本发明磁阻效应型元件的一种实例断面图，图6(b)是同一元件的部分平面图、图6(c)是同一元件的另一种实例断面图。
图7(a)是使用本发明元件制作的磁头构成简要示意斜视图、图7(b)是同一磁头的断面图。
图8(a)是使用图7(a)和(b)所示磁头制作的一种磁装置实例的示意平面图，图8(b)是同一装置的断面图。
图9是使用本发明磁阻效应型元件制作的磁存储元件的断面图。
图10(a)和(b)分别是使用本发明磁阻效应型元件制作的磁存储元件配线示意平面图。
图11(a)是本发明磁存储元件中的配线示意图，图11(b)是使用同一元件构成磁存储装置的一例示意图。
具体实施方式
以下对本发明最佳实施例进行说明。
强磁性体最好和层状钙钛矿型氧化物的膜厚方向达到良好的接触，并具有优良的导电性。对于材料最好是两者具有很好的相性，且易于制作。因此，强磁性体中至少一个最好是钙钛矿型氧化物，具体讲，最好是以式((R1-pLp)1-yAy)mMOm+2-d)表示的复合氧化物。
其中，A、R、M、L分别表示和上述相同的元素，m为1或2，d、p、y分别为0≤d≤1，o≤p≤1、0≤y≤1中的数值。
这种钙钛矿型氧化物强磁性体，至少与层状钙钛矿型氧化物的上下一侧连接，特别是与两侧连接形成时，可提高接合面处的适应性。在将任何一个强磁性体取作钙钛矿型氧化物的实例中，最好将下部一侧(基板侧)的强磁性体取作钙钛矿型氧化物。
一对强磁性体的最好组合方式之一是将由钙钛矿型氧化物形成的强磁性体和金属强磁性体组合。这种组合方式，虽然比将两个强磁性体取为钙钛矿型复合氧化物时，在接合面处的适应性差，但对于金属强磁性体来说，优质的软磁性材料很多，并能根据元件的特性，很容易分别使用软质或硬质的磁性材料。
在本发明元件的最佳实施例中，在基板上形成的多层膜，包括上述层状钙钛矿型氧化物和夹持着该层状钙钛矿型氧化物并与该氧化物连接形成的一对强磁性体，这对强磁性体基板侧的强磁性体由钙钛矿型氧化物形成，而另一个强磁性体(与基板相对侧的强磁性体)是金属强磁性体。
这对强磁性体，可以由保磁力互不相同的形成，也可由厚度互不相同的形成。与任何一个连接形成反强磁性体也可以。与钙钛矿型氧化物强磁性体连接形成反强磁性体时，该反强磁性体也可以是钙钛矿型氧化物。
本发明元件的另一个最佳实施例中，在基板上形成的多层膜，包括上述层状钙钛矿型氧化物和夹持该层状钙钛矿型氧化物并与该氧化物连接形成的一对强磁性体，这对强磁性体中的一个(最好是基板侧的强磁性体)由钙钛矿型氧化物形成，与该钙钛矿型氧化物强磁性体连接形成反强磁性体，进而与该反强磁性连接，形成下述的氧化物电极体。
当上述强磁性体中含有元素L时(0＜p≤1)，可以抑制元素L从层钙钛矿型氧化物中蒸发。具体讲，p的最佳范围为0＜p≤0.3。从同样的观点考虑，强磁性中的至少一个和层状钙钛矿型氧化物，作为元素L，含有同一种类的元素更好。
当考虑到实现MR效果时，上述式中钙钛矿型强磁性氧化物和层状钙钛矿型氧化物分别最好为0.05≤y≤0.55、0.55≤1-z≤0.55。为了更好地保持两种氧化物的相性，最好成立0.8(1-z)≤y≤1.2(1-z)的关系。
为很好地保持上述一连串材料和电极材料的相性，最好是获得良好的MR特性。具体讲，在由钙钛矿型氧化物形成的强磁性体中，最好配置与其连接的氧化物电极体。将该氧化物电极体取为钙钛矿型氧化物更好。
这时，氧化物电极体最好是选取具有比由钙钛矿型氧化物形成的强磁性更高电导率的钙钛矿型氧化物。
由钙钛矿型氧化物形成的氧化物电极体，具体组成可由式(A1-yRy)j(X1-rTr)Oj+2-q表示。
其中，A、B表示和上述相同的元素、T是和与该电极体连接的强磁性体中所含上述元素M同种(形成共通)的元素，X表示从Ti(钛)、V(钒)、Cu(铜)、Ru(钌)、Ni(镍)和Cr(铬)中至少选出的1种元素(但是除去T元素)。j为1或2，q、r、v分别为0≤q≤1、0≤r≤1、0≤v≤1范围内的值。
当强磁性体和电极体中含有共通元素时(0＜r≤1)，两者很容易保持良好的接合。从同样的观点考虑，取为0.8y≤1-v≤1.2y更好。
作为强磁性体中含有的元素M，虽然Mn、Co、Fe适宜，但作为氧化物电极中含有元素T和X的元素，当考虑到导电性时，最适宜的是Ru、Ti、V、Cu。
以下参照附图更详细地说明本发明的实施例。
实施例1
作为目标材料，使用Bi2.4(La0.65Sr0.35)2Mn1.2O6.9、La0.65Sr0.35Mn1.1O3.1、(La0.65Sr0.35)RuO3，在同一真空槽内利用喷溅法制作磁阻效应型元件。喷溅的实施是在混合了20％氧的0.5Pa氩气环境中，用50W放电电力进行，在加热到约600℃的基板上成膜。
图1(a)～图1(c)中表示元件形成工序图。在SrTiO3(100)平面基板11上，依次堆积20nm的(La0.65Sr0.35)MnO3的缓冲层12、50nm的下部氧化物电极(La0.65Sr0.35)RuO3薄膜13、堆积成用(La0.65Sr0.35)MnO3薄膜20、22从上下夹持着Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6薄膜21的磁阻隧道接合层14、再堆积成20nm的上部氧化物电极(La0.65Sr0.35)RuO3薄膜15(图1(a))。Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO621的膜厚，用堆积速度换算，在0.4nm～100nm范围内变动。利用X射线衍射和断面结构剖析可以确认，这些薄膜全部的C轴方位与基板面垂直定向成长。接着在氧、氮混合环境中约500～800℃下进行退火。
接着，在元件上以形状比1∶2.5形成描画出元件宽0.2μm到10μm的光致抗蚀膜16后，用氩离子进行腐蚀，切割出接合部分17(图1(b))，为了增加强磁性层磁化的一轴性，元件形状最好为1.5以上(1∶1.5以上)。另外，用作存储器元件时，考虑集成度，可以在5以下(1∶5以下)，在转角部为圆形元件时，磁化容易旋转。随后，形成绝缘分隔层18(Al2O3、SiO2或CaF2)，作为引出电极19，使金(Au)与氧化物电极体接触形成配线，制成元件(图1(c))。图2表示所制作的接合部分剖切斜视图。
测定该元件的4.2K的磁阻(MR)特性，研究和元件内隧道接合层厚度的关系。图3(a)中，表示出各接合层厚度为(La0.65Sr0.35)MnO3(20nm)/Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6(1.5nm)/(La0.65Sr0.35)MnO3(15nm)时的MR特性。这种MR特性，在接合层中的Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6层的厚度在1nm-10nm范围内，可获得良好的再现性。
作为MR材料(La0.65Sr0.35)的MnO3的整体结晶，其清晰的MR效应认为大致在10000G量级，所制作元件的MR效应，以数10G的低磁场就可获得。可以确认，即使在室温下，这种MR效应也能降低。可以认为，这反映出作为(La1-ySry)MnO3的整体结晶，大致在0.18≤y≤0.6中，其居里温度达到室温以上的特性。
在4.2K中的测定中，可以确认强磁性层为(La1-ySry)MnO3(但，0.1≤y≤0.55)时的MR效应。这时，即使在Bi2(LazSr1-z)2MnO6中，当控制在0.1≤1-z≤0.55的范围内时，就实现MR效应更是有效的。在0.8(1-z)≤y≤1.2z的范围内可获得稳定的MR效应。
以上虽然是A(碱土类元素)＝Sr的情况，在A＝Ba时，在相同的4.2K测量下，强磁性层中的y在0.05≤y≤0.5范围内，A＝Ca时，在0.18≤y≤0.5范围内，可以确认各自具有明确的MR效应。
如上述，在所用强磁性层中含有Mn时(M＝Mn)，电极层氧化物(La，Sr)RuO3的Ru(X)部位用一部分Mn(M)置换，将这种氧化物的组成式取为(La，Sr)(Ru，Mn)O3时，可以确认成膜后经过退火工序也能抑制特性恶化。对于Ru，Mn的置换率最好为0.01～5％。
在该元件中，在(La，Sr)(Ru，Mn)O3上堆积(La，Sr)(Ru，Mn)O3/(La，Sr)MnO3/Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6/(La，Sr)MnO3/(La，Sr)(Ru，Mn)O3。在电极层氧化物中，碱土类元素(A)、稀土类元素(R)也和强磁性层的元素A，R相同。在缓冲层中也含有这些元素。
和上述一样，作为接合部分，制作(La，Sr)(Mn，M’)O3/Bi2(La0.65Sr0.35)2(Mn，M’)O6/(La，Sr)(Mn，M’)O3时，(M’为除Mn元素的M)，接合界面保持骤然性，这利用透过型电子显微镜等观察接合部分的断面就可知道。对于强磁性层(La，Sr)(Mn，M’)O3中的Mn，M’的置换率最好为0.01～5％。另一方面，在层状钙钛矿型氧化物Bi2(La0.65Sr0.35)2(Mn，M’)O6中，M’的置换率在0-100％的范围内都得到良好的接合界面。
将强磁性层取作(La，Bi，Sr)MnO3，在(La，Sr)(Ru，Mn)O3/(La，Bi，Sr)MnO3/Bi2(La，Sr)2MnO6/(La，Br，Sr)MnO3/(La，Sr)(Ru，Mn)O3的构成中，确认具有更有效的抑制效果。认为这是在由热处理诱发的层界面处抑制了元素L(此处的Bi)的相互扩散。元素L比其他构成元素容易蒸发、容易扩散。在强磁性层中L对La(R)部位的置换率为0.1-30％，达到20％时特别好。
在上述元件中之所以获得高感度特性，认为是在结晶自身中存在阻挡层，锰氧化物和阻挡层的相性很好，进而磁阻隧道接合层和氧化物电极层的相性很好所致。特别是在上述元件中，由于其构成是在基板上，通过缓冲层和氧化物电极层，配置了磁阻隧道接合层，比不使用这些层的元件，得到了具有更高感度的MR特性。
图4中表示上述元件中，对于磁阻隧道接合层的氧化物电极层的接合界面附近结晶结构的模式图。图5作为另一实例，表示由Bi2(La，Sr)2MnO6薄膜(阻挡层21)、(La，Sr)2MnO4薄膜(强磁性层20，22)、(La，Sr)2RuO4薄膜(氧化物电极13、15)的组合形成接合界面附近结晶构造的模式图。如图所示，磁阻隧道接合层和氧化物电极层，及强磁性层和阻挡层的界面结晶结构适宜良好，所以认为这种良好的接合，有可能实现高感度的磁阻隧道接合元件。
进而在本实施例中，与由Y.Lu等表示的(La0.67Sr0.33)MnO3/SrTiO3(6nm)/(La0.67Sr0.33)MO3的接合特性结果(上述Y.Lu et al.：Phys.Rev Lett 54(1996)R8357)相比，实现了在更低磁场中的MR特性。认为这种情况的起因是由于图4、图5所示的平滑结构的连续性，实现了骤然变化的接合界面。
在上述中，作为氧化物电极，虽然使用了(La，Sr)RuO3，但使用(La，Sr)RuO4、(La，Sr)CuO4、(La，Sr)VO3等以上述式(R1-vAv)；XOj+2-q表示的钙钛型复合氧化物时，确认也能构成磁阻元件，并能工作。将Sr2RuO4和SrVO3作为氧化物电极时(V＝1)，确认元件也能工作，如上述，虽然用稀土类元素置换了一部分Sr(A)(O＜V＜1)，从元件结构的稳定性看，很好。在使用缓冲层时，鉴于和含有强磁性层的接合层的相性，也可在基板上直接配置氧化物电极层。
实施例2
作为目标材料，使用(La0.65Sr0.35)Mn1.2O3.1、Bi2.4(La0.65Sr0.35)2CaCu2.4O8、La0.85Sr0.15)2CuO4，在同一真空槽内利用喷溅法制作磁阻效应型元件。喷溅的实施是在混合了20％氧的0.5Pa氩环境中，以50W电力进行放电，在加热到约600℃的基板上成膜。
具体讲，在SrTiO3(100)平面基板上堆积50nm(La0.85Sr0.15)2CuO4薄膜后，再依次堆积50nm(La0.65Sr0.35)MnO3薄膜、Bi2(La0.65Sr0.35)2CaCu2O8薄膜、50nmLa0.65Sr0.35MnO3薄膜、20nm(La0.85Sr0.15)2CuO4薄膜。Bi2(La0.65Sr0.35)2CaCu2O8薄膜的厚度，以堆积速度换算，可在0.4nm～50nm范围内变动。可以确认这些薄膜全部的C轴方位垂直于基板面进行定向成长。
接着，在元件上以形状比1∶2.5形成描画成元件宽0.2～10μm的光致抗蚀膜后，用氩离子进行腐蚀，切出接合部分。随后，形成Al2O3薄膜的层间绝缘分隔层，使用Cu和Pt形成引出电极，制成元件。制作的接合形状和图1～图2一样。
对于该元件，测定4.2K中的磁阻(MR)特性时，认为具有明确的MR效应。图3(b)中表示Bi2(La0.65Sr0.35)2CaCu2O8薄膜的厚度为3nm时的MR特性。这种MR特性，Bi2(La0.65Sr0.35)2CaCu2O8薄膜的厚度在1.5nm-10nm范围内可获得良好的再现性。
Bi2(La0.65Sr0.35)2CaCu2O8，作为整体在70K以下是实现超导性的材料。即使作为缓冲层，具有功能的氧化物电极体(La0.85Sr0.15)2CuO4也作为整体约在30K以下显示超导性。为此，在4.2K以下，对于以4端子构成进行评价的TMR特性，不再现电极阻抗，能够评价接合自身的特性。为了获得超导性，在氧化物电极体为(La1-xSrx)2CuO4中，最好取为0.05≤x≤0.3。为了在层状钙钛矿型复合氧化物中获得超导体，Bi2(Sr，Ca)3-xLaxCu2O8中，最好取为0≤x≤0.5。
实施例3
作为目标材料，使用(La0.85Sr0.15)2Cu1.2O4.2、Tl2Ba2Ca2Mn3O12、Tl2Mn3O7，在同一真空槽内，利用激光烧蚀法，制作磁阻效应型元件。将目标烧蚀在5-70Pa的氧环境中用1-5J/cm2的激光能量进行，在加热到600-700℃的基板上实施成膜。
在SrTiO3(100)平面基板上依次堆积20nm的LaCuO3缓冲层，50nm的下部氧化物电极(La0.85Sr0.15)2CuO4薄膜，再堆积由(La0.8Sr0.2)MnO3薄膜、Tl2Ba2Ca2Mn3O12薄膜、Tl2M3O7薄膜形成的接合层，再堆积20nm的上部氧化物电极(La0.85Sr0.15)2CuO4薄膜。接合层的膜厚取为(La0.8Sr0.2)MnO3(20nm)/Tl2BaCa2Mn3O12(4.5nm)/Tl2Mn3O7(25nm)，确认这些薄膜全部的C轴方位垂直于基板面定向成长。Tl2Mn3O7是黄绿石型氧化物。
以元件的形状比1∶2.5形成了描画成元件宽0.2-10μm光致抗蚀膜后，用氩离子进行腐蚀，切割出接合部分。随后形成CaF2薄膜的绝缘分隔层，用金形成引出电极配线，制成元件。制作的接合形状与图1～图2相同。
对于该元件测定135K中的磁阻(MR)特性，认为具有明确的MR效应。使用Bi1.4Tl0.6Sr2Ca2Mn3O12代替Tl2Ba2Ca2Mn3O12时，确认也具有MR特性。
在上述各例中，使用其他稀土类元素(R)时，确认也具有同样的MR特性，特别是使用La、Pr、Nd、Sm时也可获得良好的再现性。
实施例4
利用和上述相同的喷溅法，在SrTiO3(100)平面基板上，依次堆积50nm的SrRuO3薄膜、50nm的LaFeO3薄膜，接着堆积由5nm(La0.6Bi0.05Sr0.35)MnO3薄膜、3nm Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6薄膜、10nm(La0.6Bi0.05Sr0.35)MnO3薄膜形成的接合层。此时的喷溅是在混合了20％氧的0.5Pa氩环境中以50W电力放电进行，基板温度约为650℃。
Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6薄膜的厚度，以堆积速度换算可在0.4nm～10nm范围内变动。可以确认这些薄膜的C轴方位垂直于基板面定向成长。接着在氧、氮混合环境中500～800℃下进行退火。
之后，将基板温度降至室温，堆积50nm的Ni-Co-Fe薄膜、10nm的Ni0.8Fe0.2薄膜、10nm的Ta薄膜。
接着形成了描画成元件面积0.35μm×7μm的光致抗蚀膜后，用氩离子进行腐蚀，切出接合部分。之后，形成SiO2薄膜的绝缘分隔层，形成引出电极，制成元件。
在该元件中，SrRuO3薄膜作为缓冲层也是具有功能的下部氧化物电极，LaFeO3薄膜是反强磁性体，通过这种反强磁性体，与其连接的(La0.6Bi0.05Sr0.35)MnO3薄膜形成固定强磁性层。LaFeO3薄膜也是钙钛矿型氧化物。另一方面，Ni-Co-Fe薄膜，与其连接的(La0.6Bi0.05Sr0.35)MnO3薄膜同时也形成自由强磁性层，Ni0.81Fe0.19薄膜形成上部电极。Ta薄膜是为形成配线电极材料(此处主要是不是Cu)的底膜。
这时的Ni-Fe-Co薄膜的组成，以NixCoyFez表示，可以形成0.6≤x≤0.9、0≤y≤0.4、0≤z≤0.3的Ni浓厚磁性膜，或者形成0≤x≤0.4、0.2≤y≤0.95、0≤z≤0.5的Co浓厚磁性膜(其中x+y+z＝1)。
测定该元件在4.2K中的磁阻(MR)特性时，认为Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6薄膜的厚度在1.2nm～10nm，具有良好的再现性和明确的MR效应。这种MR效应在数G的低磁场中也可获得。
LaFeO3作为整体在测定温度下显示反强磁性。用R’FeO3(R’＝Y、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er)代替LaFeO3时，也能观测到和上述相同的特性。
在上述各例中，作为基板虽然使用了立方晶体的SrTiO3(100)，但是，也可以使用LaSrGaO4(001)等正方晶体、LaAlO3(001)、YAlO3(001)、Nd:YAlO3(001)、LaGaO3(001)等斜方晶体，及其他的立方晶体(例如MgO)。例如，使用Nd:SrTiO3(100)时，也可将电极体用作基板。
实施例5
在本例中，利用图6所示倾斜型基板制作面内型的磁阻元件。
作为基板43，使用[100]方向上具有约1°倾斜的SrTiO3(001)平面基板。在该基板表面上存在平台面。在基板上依次形成1nm～20nm的(La0.65Sr0.35)MnO3薄膜、1.5nm～10nm的Bi2(La0.6Sr0.4)CaMnO6薄膜、1nm～20nm的(La0.65Sr0.35)MnO3薄膜、5nm～100nm的SrRuO3薄膜，形成含有接合层的叠层体41。成膜是利用喷溅法，在混合了20％氧的0.5Pa氩气环境中以50W电力放电，将基板加热到约650℃下进行。
根据使用逐次移动式曝光装置或电子束的曝光技术，通过亚微米加工实现图6(a)、图6(b)所示的元件构造。堆积在基板的倾斜基板面47上的叠层体41，一边形成台阶状一边成长。这就反映出基板材料的结晶成长性。在对于台阶状的不匹配部分44处形成异相物质。
这时，在图6(a)中可以确认，相对于基板所有的台阶47形成3倍周期的积层体41台阶，并不仅限于此，典型地在见到3-10倍周期的台阶之处形成元件。
在用金(Au)形成的引出电极42间形成的偏置通路46，如箭头所示，在台阶部分，沿着膜厚方向通过积层体41。两个引出电极42与叠层体上部的氧化物电极体SrRuO3连接。为了抑制元件劣化，作为覆盖层45，形成Al2O3薄膜，覆盖在元件上。元件加工部分以50nm(W)×100nm(L)形成(图6(b))。确认在数10G的低磁场中也能获得所制作的元件的MR效应。
此处虽然使用了约1°的倾斜基板，但使用0.1～10°的倾斜基板也能实现同样的元件。基板材料也不仅限于SrTiO3(001)平面基板。
上述元件中确认具有MR效应的材料如表1所示。表1中，膜A相当于上述实例中的SrRuO3薄膜、膜B相当于上述实例中的(La0.65Sr0.35)2MnO3薄膜。其他的薄膜和上述一样，接合部分的尺寸如图6(b)中表示的(L×W)。
(表1)
    膜A     膜B     MR值     接合部(nm)
 Bi2(La0.65Sr0.35)2CuO6 (La0.65Sr0.35)2MnO4   68％(20K)     50×30
 Bi2(La0.65Sr0.35)2RuO6 (La0.65Sr0.35)2MnO4   34％(室温)     80×40
 Bi2(La0.65Sr0.35)2RuO6 NiMnSb   28％(室温)     70×40
作为基板也可使用图6(c)所示的设计成台阶形状的加工基板。使用这种台阶形状基板，在和上述一样制作的元件中(接合部尺寸取为50nm×50nm)，确认具有同样的MR效应。与使用倾斜基板比较，在使用台阶形形加工基板时，认为元件的阻抗有增高的趋势。可根据所需要的元件特性，两者分开使用。
实施例6
以下使用磁阻元件制作磁头。
所制作的磁阻效应型磁头的结构如图7(a)、图7(b)所示。对于各层成膜使用喷溅法。
在该磁头中，作为基板81使用SrTiO3单晶体，作为下部屏蔽层82使用(La0.65Sr0.35)RuO3薄膜，上部屏蔽层83，和配置在线圈87上下的记录磁极85、86使用了NiFe合金薄膜。两个屏蔽层的膜厚分别为100nm，两个记录磁极的膜厚分别为3μm。各层间的隔离层使用了SrTiO3薄膜。隔离层的膜厚，在屏蔽层和磁阻元件84之间为0.1μm，在记录磁极之间为0.2μm。再生磁头和记录磁头之间的间隙约4μm，对于该隔离层使用Al2O3薄膜形成。磁阻元件84通过绝缘部分95和磁头表面88隔离开，不能直接暴露于该表面。引出电极89以Cu为主的材料，引出电极91使用(La0.65Sr0.35)2RuO3构成。对于线圈使用了膜厚3μm的Cu薄膜。对于绝缘部分95使用了SrTiO3。
磁阻元件84的构成按以下顺序形成叠层，即，作为下部强磁性层，形成20nm的(La0.65Sr0.35)2MnO4薄膜或(La0.65Sr0.35)MnO3薄膜；作为接合层，形成3nm的Bi2(La0.65Sr0.35)2MnO6薄膜；作为上部强磁性层，形成50nm的Ni-Fe-Co薄膜。Ni-Fe-Co薄膜的组成，如以上说明的，最好形成富Ni薄膜或富Co薄膜。对于和上部强磁性层连接的磁性层90，使用了Ni0.81Fe0.19或和上部强磁性体相同组成的薄膜(50nm)。
该磁阻元件84中的2个强磁性层，以磁化方向相互垂直交叉的方式形成。这样，在电极89、91之间通入偏置电流时，通过磁性层90，由导入的磁场产生的上部强磁性层的磁化方向变位以磁阻变化进行读取，并再生成信号。
图8(a)和图8(b)示出使用磁头的磁盘装置的一例。磁头96安装在磁头支撑部分98的端部，由支撑部分另一端的磁头驱动部分99进行驱动。如图8(b)所示，磁头96和磁盘97，在盘厚度方向形成数层而使用。磁道宽度，例如最好5μm。作为磁盘97，例如可使用Co-Ni-Pt-Ta系合金。
由于磁阻元件84比过去的CIPMR元件GMR型的磁阻元件，阻抗变化率高，所以再生输出高，作为再生用磁头非常好。使用上述制作元件84制作磁盘装置时，根据磁记录介质中记录的信号，可高感度地检测出电压变化。
在本实例中说明的磁头具有的结构，即以夹持上述层状钙钛矿型氧化物的方式配置一对强磁性体，一个强磁性层形成自由强磁性层，而另一个强磁性层是与反强磁性层接触而形成固定强磁性层，施加电流偏置时，通入磁阻隧道电流。固定强磁性层和自由强磁性层沿着相互垂直的方向预先磁化。这样，伴随着来自磁记录介质之外的磁场引起自由强磁性层磁化方向的旋转，根据两个强磁性层磁化方向的相对变化，由变化的电阻抗检测出外部磁界。这样，读取出相应的磁记录数据。
实施例7
以下使用磁阻元件，将元件作为存储单元按矩阵状配置，制作成磁存储元件的MRAM装置。此处也使用喷溅法。
对于磁存储元件中的信息记录或读取，有利用矫顽力差的方法，和利用组合自由层和固定层的方法。前者中，在矫顽力相对大的层上存储磁化方向，施加比最初施加磁场小的外部磁场，使矫顽力相对小的层磁化反转，通过两层中磁化方向的平行·反平行引起元件的阻抗变化，读取记录信息。后者中，使一个强磁性层与反强磁性体邻接，固定其磁化方向，通过将另一个强磁性层形成利用外部磁场容易反转磁化的自由层，根据固定层和自由层磁化方向的平行、反平行引起元件的阻抗变化，记录或读取存储信息。
本发明的磁阻效应元件，虽然适用于使用固定层和自由层的存储元件，但此处使用矫顽力差型的结构进行证实。
如图9所示，在作为基板181的SrTiO3单晶体上，堆积作为缓冲层兼下部氧化物电极182的50nm(La0.65Sr0.35)RuO3薄膜，进而作为非对称电特性层183，堆积(La0.85Sr0.15)MnO3(50nm)/SrTiO3(100nm)/(La0.95Sr0.05)TiO3(50nm)多层膜，或者(Li0.01Ni0.99)O(50nm)/SrTiO3(100nm)/(La0.95Sr0.05)TiO3(50nm)多层膜。这些多层膜对于电特性，具有很强的非对称性，显示出二极管的特性。
以下，作为磁阻效应元件184，依次叠层20nm的下部强磁性层La1.4Ca1.6Mn2O7薄膜、2nm的(Bi0.95Pb0.05)2(Sr0.75Ca0.25)2CaMn2O9薄膜、20nm的上部强磁性层(La0.7Ca0.3)MnO3薄膜。进而作为氧化物电极体，堆积20nm的(La0.65Sr0.35)RuO3薄膜，用Au形成引出电极185。此处La1.4Ca1.6Mn2O7表示成(La，Ca)3Mn2O7，(La，Ca)MnO3和(La，Ca)2MnO4是具有周期叠层构造的类似化合物。对于层间绝缘膜186使用Al2O3、CaF2、SiO2。
引出电极185与构成位线188的电极体连接，缓冲层182与构成读出线189的电极体连接。研究这样制作的矫顽力差型磁阻元件单体的电流电压特性时，可以确认显示出很强的非对称性和良好的磁阻效应特性。
使用和上述相同的磁阻元件，如图10(a)所示，排列成矩阵状排列结构的磁阻元件，各元件由层间绝缘膜分隔开，在和下部电极直交方向上配置上部电极部分。上下电极用作MRAM的位线188、读出线189。如图10(b)所示，若在下部电极(读出线189)上制作磁阻元件184时，读出线可共用作产生磁场用的配线。
进而，与读出线直交配置字线187，构成MRAM的基本结构。对于读出线用导电膜使用AuCr或Cu，对于字线用导电膜使用Au或Cu，对于存储元件和字线的绝缘使用Al2O3。这样构成了256×256的矩阵型存储器。
这种矩阵型存储器，如图11(a)所示，配置读出线111，位线112和字线113、114。在读出线和位线之间配置构成存储单元的磁阻元件116。此处，为了提高写入选择性，用了2个字线。各配线的连接点便利地利用圆点115表示。
如图11(b)所示，在MRAM装置中，进一步配置了指定地址用的开关部分(118：读出线用、119：位线用、117、120：字线用)、接受地址指定并以On/Off进行可/不可写入·读取的信号总线晶体管部分123、信号阻抗检出部分121、字线用信号检出部分122，进行信息的记录·再生。进行存储，是使电流脉冲分别流入行要素和列要素的字线中，利用产生的磁场，只对特定元件改变磁化状态。
对这样制作的某种存储状态下的MRAM装置的工作确认如下。首先，通过第1地址指定用开关部分进行选择，对于某特定地址的存储元件，一边监测以读出线选择的存储元件的阻抗，一边同时通过第2地址指定用开关部分进行选择，仅对同一特定地址的存储元件，用行要素或列要素的字线流入产生磁场的电流脉冲，以便使该元件一个矫顽力低的强磁性膜的磁化方向进行反转。这时，根据已经蓄积在一个矫顽力高的强磁性层中的存储情报“0”、“1”的变化形成脉冲，通过信号阻抗检出部分可检测出。在这时，因为在矫顽力高的强磁性层中仍保持着磁化方向。即仍保存着存储状态，因此可确认是存储信息的非破坏读取工作。这样确认MRAM的基本工作。若使用上述磁存储元件，可实现更高集成密度的MRAM。
本例中说明的磁记录元件，配置了在偏置施加时实现了磁阻隧道效应的夹持着上述层状钙钛型氧化物的一对强磁性体、和与该强磁性体不是电连接的至少1个产生外部磁场用的非磁性导电层，将强磁性体的一个形成自由强磁性层，另一个形成固定磁性层。这样经过以下过程进行工作，即
①通过沿着强磁性层的定向方向设定磁化方向，实现近似于磁化方向的平等、反平等状态，具有这2种磁化状态的变化，以“0”或“1”进行存储，设定1位信号的过程、
②向非磁性导电层内通入电流脉冲，沿着强磁性层的上述2个定向方向，改变磁化方向的1位信号输入的过程、
③根据2个磁化状态的不同，读取产生阻抗变化值的过程。
实施例8
利用喷溅法制作薄膜，将下述多层膜在同一真空槽内进行叠层。将基板加热到600～800℃，在SrTiO3(100)平面基板上形成50nm的SrVO3，作为缓冲层兼氧化物电极层，再堆积20nm的(Sr1-xCax)2FeMO6(X＝0、0.25、0.5、0.75、1；M＝Mo、Re)、3nm的Bi2Sr2CaMn2O9-δ、作为氧化的强磁性层堆积20nm的La1-4(Sr1-yCay)1.6Mn2O7(y＝0、0.25、0.5、0.75、1)、作为上部电极堆积Sr2RuO4。确认这些薄膜，全部的C轴方位垂直于基板面定向成长。
此处所用的(Sr，Ca)2FMO6叫作双钙钛矿型，是由AB1O3、AB2O3二种类型钙钛矿型氧化物构成的材料。此处，A＝Sr，Ca、B1＝Fe、B2＝Mo、Re。La1.4(Sr1-yCay)1.6Mn2O7是(La，Sr，Ca)2MnO4、(La，Sr，Ca)MnO3的二种类型钙钛矿型类似化合的构成的材料。以元件的形状比1∶2.5形成描画成元件宽0.2μm～10μm的光致抗蚀膜后，用氩离子进行腐蚀，切割出接合部分，随后形成CaF2薄膜的绝缘分隔层，形成引出金电极配线，制成元件。在约20K的测定结果，在任何组成中观测到MR特性。但是，在Ca2FeMO6中，由于电传导性近似于半导体，作为强磁性电极体的阻抗过大，所以在(Sr1-xCax)2FeMO6中，X最好小于1。
和上述一样，在SrTiO3(100)平面基板上形成下述多层膜。首先，形成50nm的SrVO3作为缓冲层兼氧化物电极层，再堆积20nm的(Sr1-xCax)2FeMO6(X＝0、0.25、0.5、0.75；M＝Mo、Re)、3nm的Bi2Sr2CaMn2O9-δ，20nm作为氧化物强磁性层的(Sr1-xCax)2FeMO6(X＝0、0.25、0.5、0.75；M＝Mo、Re)，作为上部电极的Sr2RuO4。确认这些薄膜，全部的C轴方位垂直于基板面定向成长。
以元件的形状比1∶2.5形成描画成元件宽0.2μm～10μm的光致抗蚀膜后，用氩离子进行腐蚀，切割出接合部分，随后形成CaF2薄膜的绝缘分隔层，形成引出金电极配线，制成元件。在约20K中的测定结果，任何一个组成中都能观测到MR特性。
如以上说明，根据本发明，在低磁场内，不仅在低温下，而且在室温下，使用内包可工作的层状钙钛矿型氧化物的绝缘层，实现了具有高感度磁阻隧道接合特性的元件。本发明提供了磁装置的基本要素零件，所以大大促进了磁装置的发展。

Claims (19)

1、一种磁阻效应型元件，含有以式L2(A1-zRz)2An-1MnO3n+3+x表示的组成，在结晶构造内具有(L-O)2层的层状钙钛矿型氧化物和夹持着上述氧化物并与上述氧化物连接形成的一对强磁性体，
其特征是，上述一对强磁性体中的一个由钙钛矿型氧化物形成，另一个是金属强磁性体，
其中A表示从Ca、Sr和Ba中至少选出的1种元素、L表示从Bi、Tl和Pb中至少选出的1种元素，M表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni、Mn、Co、Fe和Cr中选出的至少1种元素，R表示稀土类元素，n为1，2或3，X，Z分别为-1≤x≤1，0≤z≤1的范围中的值。
2、根据权利要求1记载的磁阻效应型元件，其特征是，还含有与由上述钙钛矿型氧化物形成的强磁性体连接形成的氧化物电极体。
3、根据权利要求2记载的磁阻效应型元件，其特征是，由钙钛矿型氧化物形成的强磁性体，具有以式((R1-pLp)1-yAy)mMOm+2-d表示的组成，其中A、L、M、R分别表示和上述相同的元素，m为1或2，d、p、y分别表示0≤d≤1、0≤p≤1、0≤y≤1的范围中的值。
4、根据权利要求3记载的磁阻效应型元件，其特征是，p为由0＜p≤1表示范围内的值。
5、根据权利要求4记载的磁阻效应型元件，其特征是，由钙钛矿型氧化物形成的强磁性体和层状钙钛矿型氧化物，作为元素L，含有同一种类的元素。
6、根据权利要求3记载的磁阻效应型元件，其特征是，0.05≤y≤0.55，而且0.05≤1-z≤0.55。
7、根据权利要求3记载的磁阻效应型元件，其特征是，成立0.8(1-z)≤y≤1.2(1-z)的关系。
8、根据权利要求2记载的磁阻效应型元件，其特征是，氧化物电极体由钙钛矿型氧化物形成。
9、根据权利要求8记载的磁阻效应型元件，其特征是，由钙钛矿型氧化物形成的氧化物电极体具有以式(A1-yRy)j(X1-rTr)Oj+2-q表示的组成，
其中，A、R表示与上述相同的元素，T是和在与上述氧化物电极体连接的强磁性体中所含元素M同种类的元素，X表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni和Cr中选出的除T以外的至少1种元素，j为1或2，q、r、v分别由0≤q≤1、0≤r≤1、0≤v≤1表示范围内的值。
10、根据权利要求9记载的磁阻效应型元件，其特征是，0＜r≤1。
11、根据权利要求1记载的磁阻效应型元件，其特征是，上述金属强磁性体含有以式NixCoyFez表示的强磁性体，
其中，x、y、z为满足以①和②中任一个，和x+y+z＝1的确定数值，
①0.6≤x≤0.9、0≤y≤0.4、0≤z≤0.3
②0≤x≤0.4、0.2≤y≤0.95、0≤z≤0.5。
12、根据权利要求1记载的磁阻效应型元件，其特征是，上述金属强磁性体含有ZMnSb合金强磁性体，其中，Z为Ni、Pt和Pd中的至少1种元素。
13、根据权利要求1记载的磁阻效应型元件，其特征是，上述一对强磁性体的矫顽力大小彼此不同。
14、根据权利要求1记载的磁阻效应型元件，其特征是，上述一对强磁性体的厚度彼此不同。
15、根据权利要求1记载的磁阻效应型元件，其特征是，还含有与上述一对强磁性体中任一个连接形成的反强磁性体。
16、根据权利要求15记载的磁阻效应型元件，其特征是，上述反强磁性体和与反强磁性体连接的强磁性体都是由钙钛矿型氧化物形成。
17、根据权利要求1记载的磁阻效应型元件，其特征是，上述稀土类元素是从La、Pr、Nd和Sm中选出的至少一种。
18、一种磁存储元件，是含有磁阻效应型元件的磁存储元件，其特征是，上述磁阻效应型元件含有具有由式L2(A1-zRz)2An-1MnO3n+3+x表示的组成并在结晶构造内具有(L-O)2层的层状钙钛矿型氧化物和夹持着上述氧化物并与该氧化物连接形成的一对强磁性体，
上述一对强磁性体中的至少一个由钙钛矿型氧化物形成，
还含有与由上述钙钛矿型氧化物形成的强磁性体连接形成的氧化物电极体，
其中A表示从Ca、Sr和Ba中选出的至少1种元素、L表示从Bi、Tl和Pb中选出的至少1种元素，M表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni、Mn、Co、Fe和Cr中选出的至少1种元素，R表示稀土类元素，n为1，2或3，x、z分别为-1≤x≤1、0≤z≤1范围内的值。
19、一种磁头，是含有磁阻效应型元件的磁头，其特征是，
上述磁阻效应型元件含有具有以式L2(A1-zRz)2An-1MnO3n+3+x表示的组成并结晶构造内具有(L-O)2层的层状钙钛矿型氧化物和夹持着上述氧化物并与该氧化物连接形成的一对强磁性体，
上述一对强磁性体中的至少1个由钙钛矿型氧化物形成，
还含有与由上述钙钛矿型氧化物形成的强磁性体连接形成的氧化物电极体，
其中，A表示从Ca、Sr和Ba中选出的至少1种元素，L表示从Bi、Tl和Pb中选出的至少1种元素，M表示从Ti、V、Cu、Ru、Ni、Mn、Co、Fe和Cr中选出的至少1种元素，R表示稀土类元素，n为1，2或3、x、z分别为-1≤x≤1、0≤z≤1范围内的值。
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