JP2000307170A - 磁気抵抗素子及び磁気抵抗メモリ素子 - Google Patents
磁気抵抗素子及び磁気抵抗メモリ素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小さな印加磁界で動作する微細化可能な磁気
抵抗素子及び磁気抵抗メモリの提供。 【解決手段】 少なくとも磁性層／非磁性層／磁性層の
膜構成からなる多層膜であって、該二つの磁性層の保磁
力が異なっており、共に膜面法線方向に磁気異方性を有
し、大きな保磁力を有する磁性層の保磁力が、小さな保
磁力を有する磁性層の磁化飽和磁界よりも大きく、該磁
性層の少なくとも一方がガドリニウムと遷移金属を主成
分とすることを特徴とする磁気抵抗素子及び磁気抵抗メ
モリ。
抵抗素子及び磁気抵抗メモリの提供。 【解決手段】 少なくとも磁性層／非磁性層／磁性層の
膜構成からなる多層膜であって、該二つの磁性層の保磁
力が異なっており、共に膜面法線方向に磁気異方性を有
し、大きな保磁力を有する磁性層の保磁力が、小さな保
磁力を有する磁性層の磁化飽和磁界よりも大きく、該磁
性層の少なくとも一方がガドリニウムと遷移金属を主成
分とすることを特徴とする磁気抵抗素子及び磁気抵抗メ
モリ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、小さな印加磁界で
動作する微細化可能な磁気抵抗素子及び磁気抵抗メモリ
に関する。
動作する微細化可能な磁気抵抗素子及び磁気抵抗メモリ
に関する。
【０００２】
【従来の技術】強磁性層を用いた磁気抵抗素子は、現在
ハードディスクドライブの再生ヘッドに用いられ、高い
記録密度をもつハードディスクに必要不可欠なものとな
っている。またセンサーとしても用いられている他、さ
らに固体メモリ素子への応用が検討されている。再生ヘ
ッドに用いられている異方性磁気抵抗素子は、基本的に
は面内磁気異方性を持つ強磁性膜であり、この強磁性膜
の面内方向に電流Ιを流す回路および強磁性膜の抵抗変
化を検出する回路を備えるものである。図１は異方性磁
気抵抗効果の原理を示す図である。電流は磁化容易方向
に流し、磁界Ηを面内困難方向に印加するように強磁性
膜を配する。磁化方向が電流方向と平行であるときの抵
抗率を
ハードディスクドライブの再生ヘッドに用いられ、高い
記録密度をもつハードディスクに必要不可欠なものとな
っている。またセンサーとしても用いられている他、さ
らに固体メモリ素子への応用が検討されている。再生ヘ
ッドに用いられている異方性磁気抵抗素子は、基本的に
は面内磁気異方性を持つ強磁性膜であり、この強磁性膜
の面内方向に電流Ιを流す回路および強磁性膜の抵抗変
化を検出する回路を備えるものである。図１は異方性磁
気抵抗効果の原理を示す図である。電流は磁化容易方向
に流し、磁界Ηを面内困難方向に印加するように強磁性
膜を配する。磁化方向が電流方向と平行であるときの抵
抗率を
【０００３】
【外１】 磁化方向が電流方向と垂直であるときの抵抗率を
【０００４】
【外２】 とすると、磁化Μと電流のなす角がθであるときの抵抗
率ρは
率ρは
【０００５】
【外３】 の式で表すことができる。この式からわかるように、強
磁性膜の抵抗はそれに流れる電流と磁化のなす角度に依
存している。再生ヘッドでは、ハードディスクからの浮
遊磁界によって強磁性膜の磁化方向が変化し、その変化
量が抵抗の変化量として検出される。
磁性膜の抵抗はそれに流れる電流と磁化のなす角度に依
存している。再生ヘッドでは、ハードディスクからの浮
遊磁界によって強磁性膜の磁化方向が変化し、その変化
量が抵抗の変化量として検出される。
【０００６】図２は磁気抵抗素子をメモリとして用いた
ときの、磁化方向と抵抗率変化について示したものであ
る。磁化が右向きの場合を「０」、左向きの場合を
「１」とし、検出時に強磁性膜の保磁力よりも大きな右
向きの磁界を印加する。この場合、「０」が記録された
強磁性膜の磁化方向は変化しないが、「１」が記録され
た強磁性膜の磁化方向は反転する。磁化が反転するとき
磁化は電流方向に対して傾くので、上記のように抵抗率
は変化することになる。従って、「０」を検出すると抵
抗率は変化せず、「１」を検出すると抵抗率の変化が見
られ、この違いを検出することによって「０」と「１」
の情報の識別が可能である。
ときの、磁化方向と抵抗率変化について示したものであ
る。磁化が右向きの場合を「０」、左向きの場合を
「１」とし、検出時に強磁性膜の保磁力よりも大きな右
向きの磁界を印加する。この場合、「０」が記録された
強磁性膜の磁化方向は変化しないが、「１」が記録され
た強磁性膜の磁化方向は反転する。磁化が反転するとき
磁化は電流方向に対して傾くので、上記のように抵抗率
は変化することになる。従って、「０」を検出すると抵
抗率は変化せず、「１」を検出すると抵抗率の変化が見
られ、この違いを検出することによって「０」と「１」
の情報の識別が可能である。
【０００７】従来の磁気抵抗効果型メモリ素子の記録や
検出に用いられる磁界は、図３に示すように強磁性膜の
上下に導線を配し、これに電流を流すことにより強磁性
膜面内に印加される。導線に流す電流の大きさは、片側
の導線から発生する磁界のみでは磁化が反転せず、両導
線に同時に電流を流した時、上下の導線の交差する位置
にある強磁性層の磁化が反転するように決められる。記
録印加磁界の方向は、強磁性層の磁気異方性と垂直な方
向に配された導線に流れる電流の方向によって決まる。
検出に用いられる磁界は、図３に示すように強磁性膜の
上下に導線を配し、これに電流を流すことにより強磁性
膜面内に印加される。導線に流す電流の大きさは、片側
の導線から発生する磁界のみでは磁化が反転せず、両導
線に同時に電流を流した時、上下の導線の交差する位置
にある強磁性層の磁化が反転するように決められる。記
録印加磁界の方向は、強磁性層の磁気異方性と垂直な方
向に配された導線に流れる電流の方向によって決まる。
【０００８】磁気抵抗素子として使用されている強磁性
膜は、主にNi、Fe、Coやそれらの合金からなり、面内磁
気異方性を持ったフェロ磁性体である。一般に面内磁気
異方性の誘起は、強磁性膜の成膜中に磁気異方性を持た
せる方向に磁界を印加することで達成される。
膜は、主にNi、Fe、Coやそれらの合金からなり、面内磁
気異方性を持ったフェロ磁性体である。一般に面内磁気
異方性の誘起は、強磁性膜の成膜中に磁気異方性を持た
せる方向に磁界を印加することで達成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】モバイル情報機器等に
おいて音声や画像といった膨大な容量をもつデータを取
り扱う場合、データはディスクやテープに記録されてい
る。しかしそのような情報記録装置は駆動装置を必要と
するため、容量の大きな電源が必要である。また、モー
ターや大容量電源を搭載するため軽量化が困難であっ
た。あるいは記録媒体が固体メモリであるモバイル情報
機器では、十分に記録密度を高めた固体メモリは未だ実
現しておらず、容量の小さなデータしか扱うことができ
なかった。
おいて音声や画像といった膨大な容量をもつデータを取
り扱う場合、データはディスクやテープに記録されてい
る。しかしそのような情報記録装置は駆動装置を必要と
するため、容量の大きな電源が必要である。また、モー
ターや大容量電源を搭載するため軽量化が困難であっ
た。あるいは記録媒体が固体メモリであるモバイル情報
機器では、十分に記録密度を高めた固体メモリは未だ実
現しておらず、容量の小さなデータしか扱うことができ
なかった。
【００１０】高い記録密度を持つ磁気抵抗メモリを実現
するためには、強磁性膜の微細化が求められるが、強磁
性膜の磁化容易軸方向のサイズを小さくしていくと、反
磁界が増加するため磁化が不安定となり、メモリ素子の
記録保存性が悪くなるという問題である。
するためには、強磁性膜の微細化が求められるが、強磁
性膜の磁化容易軸方向のサイズを小さくしていくと、反
磁界が増加するため磁化が不安定となり、メモリ素子の
記録保存性が悪くなるという問題である。
【００１１】そこで上記のような反磁界の問題を解決す
るために、強磁性膜の磁気異方性を膜面に対して垂直方
向に向けることが考えられる。膜面積と反磁界の大きさ
の関係は、垂直磁化膜と面内磁化膜では異なり、面内磁
化膜では膜面積を小さくすると反磁界は大きくなるが、
垂直磁化膜の膜面積が小さくなると反磁界は逆に減少す
るので、磁化の方向は膜面法線方向に安定する。つま
り、磁化の安定性という点で、膜面積の小さな強磁性膜
は垂直磁気異方性を持つものが好ましい。
るために、強磁性膜の磁気異方性を膜面に対して垂直方
向に向けることが考えられる。膜面積と反磁界の大きさ
の関係は、垂直磁化膜と面内磁化膜では異なり、面内磁
化膜では膜面積を小さくすると反磁界は大きくなるが、
垂直磁化膜の膜面積が小さくなると反磁界は逆に減少す
るので、磁化の方向は膜面法線方向に安定する。つま
り、磁化の安定性という点で、膜面積の小さな強磁性膜
は垂直磁気異方性を持つものが好ましい。
【００１２】モバイル情報端末用の固体メモリとして磁
気抵抗素子を用いる場合には、導線に電流を流すことで
磁界を発生させるが、電源容量の制限から少ない電流で
動作することが好ましく、磁気抵抗素子の磁性層は小さ
な保磁力を有することが求められる。
気抵抗素子を用いる場合には、導線に電流を流すことで
磁界を発生させるが、電源容量の制限から少ない電流で
動作することが好ましく、磁気抵抗素子の磁性層は小さ
な保磁力を有することが求められる。
【００１３】これまで、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗素
子においては、その磁性層としてＣｏＣｒ合金膜、Ｃｏ
−γＦｅ2Ｏ3やＢａフェライトが提案されているが、い
ずれも保磁力が大きく、小さな磁界で動作させることが
困難である。また、膜面内方向に容易に磁化されるの
で、膜面内方向へ磁界が印加された場合、磁気抵抗効果
率の低下を招くという問題があった。さらに、膜面法線
方向に磁気異方性を誘起するために、単結晶基板の使用
や基板の加熱が必要であった。
子においては、その磁性層としてＣｏＣｒ合金膜、Ｃｏ
−γＦｅ2Ｏ3やＢａフェライトが提案されているが、い
ずれも保磁力が大きく、小さな磁界で動作させることが
困難である。また、膜面内方向に容易に磁化されるの
で、膜面内方向へ磁界が印加された場合、磁気抵抗効果
率の低下を招くという問題があった。さらに、膜面法線
方向に磁気異方性を誘起するために、単結晶基板の使用
や基板の加熱が必要であった。
【００１４】従って、本発明は小さな磁界で動作可能
な、微細磁気抵抗素子を実現することを目的をするもの
である。
な、微細磁気抵抗素子を実現することを目的をするもの
である。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するため鋭意検討を行い本発明に到達した。即
ち、本発明は、以下の発明及び実施態様を包含する。
を解決するため鋭意検討を行い本発明に到達した。即
ち、本発明は、以下の発明及び実施態様を包含する。
【００１６】 少なくとも磁性層／非磁性層／磁性層
の膜構成からなる多層膜であって、該二つの磁性層の保
磁力が異なっており、共に膜面法線方向に磁気異方性を
有し、大きな保磁力を有する磁性層の保磁力が、小さな
保磁力を有する磁性層の磁化飽和磁界よりも大きく、該
磁性層の少なくとも一方がガドリニウムとＦｅ、Ｃｏ及
びＮｉから選択された１種以上の遷移金属を主成分とす
ることを特徴とする磁気抵抗素子。
の膜構成からなる多層膜であって、該二つの磁性層の保
磁力が異なっており、共に膜面法線方向に磁気異方性を
有し、大きな保磁力を有する磁性層の保磁力が、小さな
保磁力を有する磁性層の磁化飽和磁界よりも大きく、該
磁性層の少なくとも一方がガドリニウムとＦｅ、Ｃｏ及
びＮｉから選択された１種以上の遷移金属を主成分とす
ることを特徴とする磁気抵抗素子。
【００１７】 ガドリニウムと遷移金属を主成分とす
る磁性層の組成が補償組成付近であることを特徴とする
記載の磁気抵抗素子。
る磁性層の組成が補償組成付近であることを特徴とする
記載の磁気抵抗素子。
【００１８】 ガドリニウムと遷移金属を主成分とす
る磁性層の組成ガドリウムが１７ａｔ％〜２８ａｔ％で
あることを特徴とする記載の磁気抵抗素子。
る磁性層の組成ガドリウムが１７ａｔ％〜２８ａｔ％で
あることを特徴とする記載の磁気抵抗素子。
【００１９】 〜の何れか記載の磁気抵抗素子に
おいて、前記二つの磁性層のうちの保磁力の大きな方の
磁性層をメモリ層とし、保磁力の小さな方の磁性層を検
出層とした磁気抵抗メモリ素子。
おいて、前記二つの磁性層のうちの保磁力の大きな方の
磁性層をメモリ層とし、保磁力の小さな方の磁性層を検
出層とした磁気抵抗メモリ素子。
【００２０】
【発明の実施の形態】図４に本発明の磁気抵抗素子の膜
構成の一例を示す。１０は基板、２１は第１の強磁性
層、２２は非磁性層、２３は第２の強磁性層、２４は保
護層である。
構成の一例を示す。１０は基板、２１は第１の強磁性
層、２２は非磁性層、２３は第２の強磁性層、２４は保
護層である。
【００２１】基板には通常素子基板として用いられるも
のであれば制限なく使用できるが、例えば、Ｓｉ基板や
ガラス基板等が用いられる。また、第１の強磁性層およ
び第２の強磁性層は、垂直磁気異方性を示す磁性体が用
いられる。
のであれば制限なく使用できるが、例えば、Ｓｉ基板や
ガラス基板等が用いられる。また、第１の強磁性層およ
び第２の強磁性層は、垂直磁気異方性を示す磁性体が用
いられる。
【００２２】該磁化反転する磁性層は３００（Ｏｅ）以
下の小さな保磁力を有していることが好ましく、かつ磁
化曲線の角形比は１であることが好ましく、以上の特性
を満たす材料として、ガドリウムと遷移金属の合金が挙
げられる。耐食性を向上させるためにはＣｒやＴｉ等の
元素を添加しても良いが、磁気特性や磁気抵抗特性を劣
化させないことが好ましく、添加量は１０ａｔ％以内と
することが好ましく、５ａｔ％以内にすることがさらに
好ましい。
下の小さな保磁力を有していることが好ましく、かつ磁
化曲線の角形比は１であることが好ましく、以上の特性
を満たす材料として、ガドリウムと遷移金属の合金が挙
げられる。耐食性を向上させるためにはＣｒやＴｉ等の
元素を添加しても良いが、磁気特性や磁気抵抗特性を劣
化させないことが好ましく、添加量は１０ａｔ％以内と
することが好ましく、５ａｔ％以内にすることがさらに
好ましい。
【００２３】また、磁化曲線の角形比を１にするために
は、ガドリウムと遷移金属の組成比を補償組成付近にす
ることが好ましい。
は、ガドリウムと遷移金属の組成比を補償組成付近にす
ることが好ましい。
【００２４】例えば、Ｇｄ−Ｆｅの組成物では室温にお
ける補償組成はガドリウムが約２３ａｔ％であり、磁気
特性と組成との関係は成膜条件によって若干ずれるが、
ガドリウムの組成が１５〜３１ａｔ％、即ち、補償組成
±８％では角形比が約１となった。
ける補償組成はガドリウムが約２３ａｔ％であり、磁気
特性と組成との関係は成膜条件によって若干ずれるが、
ガドリウムの組成が１５〜３１ａｔ％、即ち、補償組成
±８％では角形比が約１となった。
【００２５】印加される外部磁界範囲内において、両磁
性層の磁化は、平行と反平行の状態を実現できるもので
ある。希土類金属と遷移金属を主成分とする磁性層は、
高価な単結晶基板等を用いたり加熱処理を施したりする
ことなく、膜面法線方向に磁気異方性を容易に誘起でき
る。さらに、遷移金属には、大きな磁気抵抗変化率を生
じる元素が用いられることが好ましく、Ｆｅ、Ｃｏ及び
Ｎｉが挙げられる。また、膜厚を薄くすることによって
保磁力を小さくすることが可能であり、１００ｎｍ以下
にすると磁化曲線の角形比が１で保磁力が２００（Ｏ
ｅ）程度の磁気特性が得られ好ましい。また、２０ｎｍ
以下では、保磁力が数十Ｏｅ程度となるのでさらに好ま
しい。但し、所望の組成の磁気膜を安定して作成するた
めに、１ｎｍ以上の膜厚を有することが好ましい。
性層の磁化は、平行と反平行の状態を実現できるもので
ある。希土類金属と遷移金属を主成分とする磁性層は、
高価な単結晶基板等を用いたり加熱処理を施したりする
ことなく、膜面法線方向に磁気異方性を容易に誘起でき
る。さらに、遷移金属には、大きな磁気抵抗変化率を生
じる元素が用いられることが好ましく、Ｆｅ、Ｃｏ及び
Ｎｉが挙げられる。また、膜厚を薄くすることによって
保磁力を小さくすることが可能であり、１００ｎｍ以下
にすると磁化曲線の角形比が１で保磁力が２００（Ｏ
ｅ）程度の磁気特性が得られ好ましい。また、２０ｎｍ
以下では、保磁力が数十Ｏｅ程度となるのでさらに好ま
しい。但し、所望の組成の磁気膜を安定して作成するた
めに、１ｎｍ以上の膜厚を有することが好ましい。
【００２６】図５は本発明の磁気抵抗素子の膜面法線方
向に磁界を印加した場合に測定される磁気抵抗曲線を示
したものである。
向に磁界を印加した場合に測定される磁気抵抗曲線を示
したものである。
【００２７】非磁性層の上下に配された磁性層の相互作
用を考慮しないという条件下においては、スピン散乱型
磁気抵抗素子では、非磁性層の膜厚が薄くなると磁気抵
抗変化率は大きくなる。ところが実際には、非磁性層の
膜厚が薄くなると、その上下に配された各強磁性層の静
磁的結合力が強くなり、磁化の反平行状態が得られなく
なってしまうため磁気抵抗効果率は逆に減少してしま
う。したがって、非磁性層の膜厚が薄い場合において
も、磁化の反平行状態を実現するために、磁性層の磁化
を小さくすることが好ましい。例えば、磁性層が補償点
を持つ場合には、その補償点を動作環境温度程度とする
ことで磁化を小さくできる。ガドリニウムと遷移金属を
用いた合金薄膜においては、ガドリニウムの組成を１７
ａｔ％〜２８ａｔ％にすることが好ましく、１８ａｔ％
〜２６ａｔ％にするとさらに好ましい。
用を考慮しないという条件下においては、スピン散乱型
磁気抵抗素子では、非磁性層の膜厚が薄くなると磁気抵
抗変化率は大きくなる。ところが実際には、非磁性層の
膜厚が薄くなると、その上下に配された各強磁性層の静
磁的結合力が強くなり、磁化の反平行状態が得られなく
なってしまうため磁気抵抗効果率は逆に減少してしま
う。したがって、非磁性層の膜厚が薄い場合において
も、磁化の反平行状態を実現するために、磁性層の磁化
を小さくすることが好ましい。例えば、磁性層が補償点
を持つ場合には、その補償点を動作環境温度程度とする
ことで磁化を小さくできる。ガドリニウムと遷移金属を
用いた合金薄膜においては、ガドリニウムの組成を１７
ａｔ％〜２８ａｔ％にすることが好ましく、１８ａｔ％
〜２６ａｔ％にするとさらに好ましい。
【００２８】非磁性層には、そのフェルミ準位が、磁性
層のフェルミ準位と同等のものが用いられ、そのような
材料としてＣｕが挙げられる。非磁性層の成膜は、一般
にスパッタリングや蒸着によって行われるが、膜厚が薄
い場合には、島状になってしまう。材料や成膜条件によ
って若干異なるが、薄膜を形成するには１ｎｍ程度の膜
厚が必要である。また高い磁気抵抗変化率を得るために
は非磁性層中で、電子スピンが反転しないことが必要で
ある。電子スピンの反転は電子の衝突と関係があり、電
子の平均自由行程よりも非磁性層の膜厚が厚くなると電
子のスピンは非磁性層中で反転してしまうことになる。
例えば銅の平均自由行程は約３０ｎｍであるので、銅を
非磁性層として用いた場合、その厚さは約３０ｎｍ以下
であることが好ましい。
層のフェルミ準位と同等のものが用いられ、そのような
材料としてＣｕが挙げられる。非磁性層の成膜は、一般
にスパッタリングや蒸着によって行われるが、膜厚が薄
い場合には、島状になってしまう。材料や成膜条件によ
って若干異なるが、薄膜を形成するには１ｎｍ程度の膜
厚が必要である。また高い磁気抵抗変化率を得るために
は非磁性層中で、電子スピンが反転しないことが必要で
ある。電子スピンの反転は電子の衝突と関係があり、電
子の平均自由行程よりも非磁性層の膜厚が厚くなると電
子のスピンは非磁性層中で反転してしまうことになる。
例えば銅の平均自由行程は約３０ｎｍであるので、銅を
非磁性層として用いた場合、その厚さは約３０ｎｍ以下
であることが好ましい。
【００２９】次に本発明の磁気抵抗素子の動作について
説明する。
説明する。
【００３０】今、第１の磁性層が比較的保磁力の大きな
磁性膜であり、第２の磁性層がガドリニウムと遷移金属
を主成分とする比較的保磁力の小さな磁性膜であるとす
る。
磁性膜であり、第２の磁性層がガドリニウムと遷移金属
を主成分とする比較的保磁力の小さな磁性膜であるとす
る。
【００３１】第１の磁性層の保磁力は記録磁界より小さ
く、かつ検出磁界よりも大きく、第２の磁性層の保磁力
は、検出磁界と第１の磁性層から発生する浮遊磁界の差
よりも小さく、かつ第１の磁性層から発生する浮遊磁界
よりも小さくなければならない。但し、記録磁界は検出
磁界よりも大きく、検出磁界は第１の磁性層から発生す
る浮遊磁界よりも大きい。
く、かつ検出磁界よりも大きく、第２の磁性層の保磁力
は、検出磁界と第１の磁性層から発生する浮遊磁界の差
よりも小さく、かつ第１の磁性層から発生する浮遊磁界
よりも小さくなければならない。但し、記録磁界は検出
磁界よりも大きく、検出磁界は第１の磁性層から発生す
る浮遊磁界よりも大きい。
【００３２】第１の磁性層の磁化は図６に示すように、
下向きに向いていて印加磁界範囲内では磁化方向は反転
しないとする。膜面法線方向上向きに第２の磁性層の保
磁力よりも大きく、第１の磁性層の保磁力よりも小さな
磁界Ηａを印加した場合、第２の磁性層の磁化は上向き
になり、両磁性層の磁化は反平行になる。膜法線方向下
向きにＨａを印加した場合、第２の磁性層の磁化は下向
きになり、両磁性層の磁化は平行になる。両磁性層の磁
化が平行になったとき、磁気抵抗素子の電気抵抗は比較
的小さく、反平行になったとき電気抵抗は比較的大きく
なる。この性質を利用することにより、磁気抵抗素子に
印加された磁界方向を検出することができる。
下向きに向いていて印加磁界範囲内では磁化方向は反転
しないとする。膜面法線方向上向きに第２の磁性層の保
磁力よりも大きく、第１の磁性層の保磁力よりも小さな
磁界Ηａを印加した場合、第２の磁性層の磁化は上向き
になり、両磁性層の磁化は反平行になる。膜法線方向下
向きにＨａを印加した場合、第２の磁性層の磁化は下向
きになり、両磁性層の磁化は平行になる。両磁性層の磁
化が平行になったとき、磁気抵抗素子の電気抵抗は比較
的小さく、反平行になったとき電気抵抗は比較的大きく
なる。この性質を利用することにより、磁気抵抗素子に
印加された磁界方向を検出することができる。
【００３３】印加磁界範囲内で第２の磁性層に加えて第
１の磁性層も磁化反転可能である場合の磁化方向の変化
を図７に示す。ただし、第１の磁性層の保磁力が第２の
磁性層の保磁力よりも大きいとする。両磁性層の保磁力
よりも大きな磁界Ｈｗを印加することによって、両磁性
層の磁化はどちらもＨｗの方向に揃う。このとき両磁性
層の磁化は平行である。次に、上述したように、Ｈａを
印加すると第２の磁性層の磁化のみＨａの印加方向に揃
う。したがって、各層の磁化方向の組み合わせは４通り
となる。このような磁気特性を持つ磁気抵抗素子は、非
破壊検出可能なメモリとして用いることができる。すな
わち、第１の磁性層をメモリ層として、その磁化の向き
が下向きのときを「０」、上向きのときを「１」とす
る。記録磁化方向の検出は、第２の磁性層の磁化方向を
変化させることにより、磁気抵抗効果を用いて行われ
る。例えば、Ｈａをまず上向きに印加し、次いで下向き
に印加する。「０」が記録されている場合、Ｈａの反転
によって磁気抵抗は減少し、「１」が記録されている場
合では、逆に増加する。この磁気抵抗の変化の違いによ
り、記録情報を非破壊で検出可能である。図８はＨａと
磁気抵抗素子の電位Ｖの関係を示したタイムチャートで
ある。
１の磁性層も磁化反転可能である場合の磁化方向の変化
を図７に示す。ただし、第１の磁性層の保磁力が第２の
磁性層の保磁力よりも大きいとする。両磁性層の保磁力
よりも大きな磁界Ｈｗを印加することによって、両磁性
層の磁化はどちらもＨｗの方向に揃う。このとき両磁性
層の磁化は平行である。次に、上述したように、Ｈａを
印加すると第２の磁性層の磁化のみＨａの印加方向に揃
う。したがって、各層の磁化方向の組み合わせは４通り
となる。このような磁気特性を持つ磁気抵抗素子は、非
破壊検出可能なメモリとして用いることができる。すな
わち、第１の磁性層をメモリ層として、その磁化の向き
が下向きのときを「０」、上向きのときを「１」とす
る。記録磁化方向の検出は、第２の磁性層の磁化方向を
変化させることにより、磁気抵抗効果を用いて行われ
る。例えば、Ｈａをまず上向きに印加し、次いで下向き
に印加する。「０」が記録されている場合、Ｈａの反転
によって磁気抵抗は減少し、「１」が記録されている場
合では、逆に増加する。この磁気抵抗の変化の違いによ
り、記録情報を非破壊で検出可能である。図８はＨａと
磁気抵抗素子の電位Ｖの関係を示したタイムチャートで
ある。
【００３４】
【実施例】実施例１ チャンバー内を１×１０-5Pa以下まで真空にした後、ガ
ラス基板上にマグネトロンDCスパッタリングによって第
１の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ22
Ｃｏ78アモルファス合金薄膜を２０ｎｍ、非磁性層とし
てＣｕを６ｎｍ、第２の磁性層として遷移金属副格子磁
化優勢であるＤｙ17Ｆｅ83アモルファス合金薄膜を２０
ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜中
のＡｒガス圧は、０．３Ｐａ一定とした。
ラス基板上にマグネトロンDCスパッタリングによって第
１の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ22
Ｃｏ78アモルファス合金薄膜を２０ｎｍ、非磁性層とし
てＣｕを６ｎｍ、第２の磁性層として遷移金属副格子磁
化優勢であるＤｙ17Ｆｅ83アモルファス合金薄膜を２０
ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜中
のＡｒガス圧は、０．３Ｐａ一定とした。
【００３５】上記のようにして得られた磁気抵抗素子の
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、角形比１の磁化曲線が得られ、第１の磁性層の保磁
力は、１５０（Ｏｅ）、第２の強磁性層の交換結合膜の
保磁力は４．３（kＯｅ）であった。さらに、膜面内方
向に磁界を印加し磁化曲線の測定を行ったところ、残留
磁化は検出されなかった。
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、角形比１の磁化曲線が得られ、第１の磁性層の保磁
力は、１５０（Ｏｅ）、第２の強磁性層の交換結合膜の
保磁力は４．３（kＯｅ）であった。さらに、膜面内方
向に磁界を印加し磁化曲線の測定を行ったところ、残留
磁化は検出されなかった。
【００３６】得られた磁気抵抗素子の抵抗効果率を四端
子法によって測定したところ、±１５０（Ｏｅ）で抵抗
変化が見られ、磁性層の磁化が反平行であるときの抵抗
値は、平行であるときの抵抗値に比べて大きくなること
が確認された。ただし、印加した磁界の大きさは３００
（Ｏｅ）で、方向は膜面法線方向である。
子法によって測定したところ、±１５０（Ｏｅ）で抵抗
変化が見られ、磁性層の磁化が反平行であるときの抵抗
値は、平行であるときの抵抗値に比べて大きくなること
が確認された。ただし、印加した磁界の大きさは３００
（Ｏｅ）で、方向は膜面法線方向である。
【００３７】実施例２ 第１の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ
21Ｆｅ79アモルファス合金薄膜を５ｎｍ、非磁性層とし
てＣｕを６ｎｍ、第２の磁性層として遷移金属副格子磁
化優勢のＧｄ22Ｆｅ78アモルファス合金薄膜を５ｎｍ、
保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜条件は実
施例１と同じとした。
21Ｆｅ79アモルファス合金薄膜を５ｎｍ、非磁性層とし
てＣｕを６ｎｍ、第２の磁性層として遷移金属副格子磁
化優勢のＧｄ22Ｆｅ78アモルファス合金薄膜を５ｎｍ、
保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜条件は実
施例１と同じとした。
【００３８】上記のようにして得られた磁気抵抗素子の
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、角形比１の磁化曲線が得られ、第１の磁性層の保磁
力は２０（Ｏｅ）、第２の磁性層の保磁力は１１０（Ｏ
ｅ）であった。さらに、膜面内方向に磁界を印加し磁化
曲線の測定を行ったところ、残留磁化は検出されなかっ
た。得られた磁気抵抗素子の抵抗変化率を四端子法によ
って測定したところ、±２０（Ｏｅ）および±１１０
（Ｏｅ）で抵抗変化が見られ、磁性層の磁化が反平行で
あるときの抵抗値は、平行であるときの抵抗値に比べて
大きくなることが確認された。ただし、印加した磁界の
大きさは３００（Ｏｅ）で、方向は膜面法線方向であ
る。
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、角形比１の磁化曲線が得られ、第１の磁性層の保磁
力は２０（Ｏｅ）、第２の磁性層の保磁力は１１０（Ｏ
ｅ）であった。さらに、膜面内方向に磁界を印加し磁化
曲線の測定を行ったところ、残留磁化は検出されなかっ
た。得られた磁気抵抗素子の抵抗変化率を四端子法によ
って測定したところ、±２０（Ｏｅ）および±１１０
（Ｏｅ）で抵抗変化が見られ、磁性層の磁化が反平行で
あるときの抵抗値は、平行であるときの抵抗値に比べて
大きくなることが確認された。ただし、印加した磁界の
大きさは３００（Ｏｅ）で、方向は膜面法線方向であ
る。
【００３９】比較例１ ２００℃に加熱した石英ガラス基板上に、第１の磁性層
としてＣｏ82Ｃｒ18を１００ｎｍ、非磁性層としてＣｕ
を６ｎｍ、第２の磁性層としてＣｏ82Ｃｒ18を３０ｎ
ｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。ただし、
磁性層の成膜ガス圧力は１Ｐａで、その他の成膜条件は
実施例１と同じとした。
としてＣｏ82Ｃｒ18を１００ｎｍ、非磁性層としてＣｕ
を６ｎｍ、第２の磁性層としてＣｏ82Ｃｒ18を３０ｎ
ｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。ただし、
磁性層の成膜ガス圧力は１Ｐａで、その他の成膜条件は
実施例１と同じとした。
【００４０】上記のようにして得られた磁気抵抗素子の
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、第１の磁性層の保磁力は１．５（ｋＯｅ）、第２の
磁性層の保磁力は１．３（ｋＯｅ）で、各磁性層の角形
比はどちらも０．２程度と小さい値を示した。また、膜
面内方向に磁界を印加して磁化曲線を測定したところ、
膜面内方向に残留磁化が有り、角形比が０．３の磁化曲
線となった。
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、第１の磁性層の保磁力は１．５（ｋＯｅ）、第２の
磁性層の保磁力は１．３（ｋＯｅ）で、各磁性層の角形
比はどちらも０．２程度と小さい値を示した。また、膜
面内方向に磁界を印加して磁化曲線を測定したところ、
膜面内方向に残留磁化が有り、角形比が０．３の磁化曲
線となった。
【００４１】得られた磁気抵抗素子の抵抗変化率を四端
子法によって測定したところ、明確な抵抗変化は確認さ
れなかった。これは、両磁性層の磁化反転が同じ磁界範
囲内で徐々に起きており、上スピンを持つ電子と下スピ
ンを持つ電子の電気電動率に大きな差が生じないためで
あると思われる。ただし、印加した磁界の大きさは２ｋ
Ｏｅで、方向は、膜面法線方向である。
子法によって測定したところ、明確な抵抗変化は確認さ
れなかった。これは、両磁性層の磁化反転が同じ磁界範
囲内で徐々に起きており、上スピンを持つ電子と下スピ
ンを持つ電子の電気電動率に大きな差が生じないためで
あると思われる。ただし、印加した磁界の大きさは２ｋ
Ｏｅで、方向は、膜面法線方向である。
【００４２】比較例２ チャンバー内を１×１０-5Ｐａまで真空にした後、ガラ
ス基板上にマグネトロンDCスパッタリングによって第１
の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ16Ｆ
ｅ84アモルファス合金薄膜を２０ｎｍ、非磁性層として
Ｃｕを６ｎｍ、第２の磁性層として遷移金属副格子磁化
優勢であるＧｄ17Ｆｅ83アモルファス合金薄膜を２０ｎ
ｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜中の
Ａｒガス圧は、０．３Ｐａ一定とした。
ス基板上にマグネトロンDCスパッタリングによって第１
の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ16Ｆ
ｅ84アモルファス合金薄膜を２０ｎｍ、非磁性層として
Ｃｕを６ｎｍ、第２の磁性層として遷移金属副格子磁化
優勢であるＧｄ17Ｆｅ83アモルファス合金薄膜を２０ｎ
ｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜中の
Ａｒガス圧は、０．３Ｐａ一定とした。
【００４３】上記のようにして得られた磁気抵抗素子の
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、膜組成がＧｄ17Ｆｅ83である磁性膜の保磁力が、膜
組成がGd16Fe84である磁性膜の磁化飽和磁界よりも小さ
かった。
膜面法線方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したとこ
ろ、膜組成がＧｄ17Ｆｅ83である磁性膜の保磁力が、膜
組成がGd16Fe84である磁性膜の磁化飽和磁界よりも小さ
かった。
【００４４】得られた磁気抵抗素子の抵抗変化率を四端
子法によって測定したところ、山型の磁化抵抗曲線が確
認され、磁気抵抗変化率は実施例２の１／４程度と小さ
な値を示した。これは、両磁性層の磁化が完全な反平行
状態になっていないためであると考えられる。
子法によって測定したところ、山型の磁化抵抗曲線が確
認され、磁気抵抗変化率は実施例２の１／４程度と小さ
な値を示した。これは、両磁性層の磁化が完全な反平行
状態になっていないためであると考えられる。
【００４５】
【発明の効果】上記のように本発明の磁気抵抗素子は、
膜面法線方向に磁気異方性を有し、保磁力が小さく、か
つ作製が容易である。また、微細化しても磁化方向が不
安定になることがないので、低消費電力で駆動可能であ
る高密度メモリ素子として利用できるものである。
膜面法線方向に磁気異方性を有し、保磁力が小さく、か
つ作製が容易である。また、微細化しても磁化方向が不
安定になることがないので、低消費電力で駆動可能であ
る高密度メモリ素子として利用できるものである。
【図１】異方性磁気抵抗効果の原理を示す図
【図２】従来の磁気抵抗素子の磁化方向と抵抗率変化を
示す図
示す図
【図３】従来の磁気抵抗素子の磁界印加用導線と強磁性
膜の配置を示す図
膜の配置を示す図
【図４】本発明の磁気抵抗素子の膜構成図
【図５】本発明の磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線
【図６】本発明の磁気抵抗素子の磁化方向の変化を示す
図
図
【図７】本発明の磁気抵抗素子の磁化方向の変化を示す
図
図
【図８】印加磁界と電位の関係を示したタイムチャート
１０ 基板 ２１ 第１の磁性層 ２２ 非磁性層 ２３ 第２の磁性層 ２４ 保護層 ３１ 電極 ３２ 電極 ３３ 磁性体
Claims (4)
- 【請求項１】 少なくとも磁性層／非磁性層／磁性層の
膜構成からなる多層膜であって、該二つの磁性層の保磁
力が異なっており、共に膜面法線方向に磁気異方性を有
し、大きな保磁力を有する磁性層の保磁力が、小さな保
磁力を有する磁性層の磁化飽和磁界よりも大きく、該磁
性層の少なくとも一方がガドリニウムとＦｅ、Ｃｏ及び
Ｎｉから選択された１種以上の遷移金属を主成分とする
ことを特徴とする磁気抵抗素子。 - 【請求項２】 ガドリニウムと遷移金属を主成分とする
磁性層の組成が補償組成付近であることを特徴とする請
求項１記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項３】 ガドリニウムと遷移金属を主成分とする
磁性層の組成ガドリウムが１７ａｔ％〜２８ａｔ％であ
ることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項４】 請求項１〜３の何れか記載の磁気抵抗素
子において、前記二つの磁気層のうち、保磁力の大きな
方の磁性層をメモリ層とし、保磁力の小さな方の磁性層
を検出層とした磁気抵抗メモリ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11005099A JP3647306B2 (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | 磁気抵抗素子及び磁気抵抗メモリ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11005099A JP3647306B2 (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | 磁気抵抗素子及び磁気抵抗メモリ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000307170A true JP2000307170A (ja) | 2000-11-02 |
| JP3647306B2 JP3647306B2 (ja) | 2005-05-11 |
Family
ID=14525842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11005099A Expired - Fee Related JP3647306B2 (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | 磁気抵抗素子及び磁気抵抗メモリ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3647306B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002208681A (ja) * | 2001-01-11 | 2002-07-26 | Canon Inc | 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録方法 |
| JP2002208680A (ja) * | 2001-01-11 | 2002-07-26 | Canon Inc | 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録再生方法 |
| JP2005524225A (ja) * | 2002-04-23 | 2005-08-11 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | 発熱体付きメモリ記憶デバイス |
| US7307302B2 (en) | 2003-07-09 | 2007-12-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magneto-resistive effect element and magnetic memory |
| CN107546322A (zh) * | 2016-06-29 | 2018-01-05 | 海德威科技公司 | 具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法 |
-
1999
- 1999-04-16 JP JP11005099A patent/JP3647306B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002208681A (ja) * | 2001-01-11 | 2002-07-26 | Canon Inc | 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録方法 |
| JP2002208680A (ja) * | 2001-01-11 | 2002-07-26 | Canon Inc | 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録再生方法 |
| JP4666774B2 (ja) * | 2001-01-11 | 2011-04-06 | キヤノン株式会社 | 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録再生方法 |
| JP4666775B2 (ja) * | 2001-01-11 | 2011-04-06 | キヤノン株式会社 | 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録方法 |
| JP2005524225A (ja) * | 2002-04-23 | 2005-08-11 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | 発熱体付きメモリ記憶デバイス |
| US7307302B2 (en) | 2003-07-09 | 2007-12-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magneto-resistive effect element and magnetic memory |
| US7547934B2 (en) | 2003-07-09 | 2009-06-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magneto-resistive effect element and magnetic memory |
| CN107546322A (zh) * | 2016-06-29 | 2018-01-05 | 海德威科技公司 | 具有垂直磁力异向性的磁性结构及其制备方法 |
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