JP2001144345A

JP2001144345A - 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリ

Info

Publication number: JP2001144345A
Application number: JP32254999A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sunai; 正之砂井; Koichiro Inomata; 浩一郎猪俣; Yoshiaki Saito; 好昭斉藤; Kentaro Nakajima; 健太郎中島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】強磁性トンネル接合のバイアス電圧に対する
磁気抵抗比の依存性が少なく実用性の高い磁気抵抗効果
素子を提供する。【解決手段】強磁性層（４）／トンネル障壁（５）／
強磁性層（６）／トンネル障壁（７）／強磁性層（８）
の５層構造を含む強磁性二重トンネル接合を有し、前記
３つの強磁性層の磁化の相対的角度によりトンネルコン
ダクタンスが変化する磁気抵抗効果素子において、零バ
イアス付近のバイアス電圧の増加に対して、そのトンネ
ルコンダクタンスが、４．２Ｋ付近の極低温で、指数関
数的増加を示す磁気抵抗効果素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，磁気抵抗効果素子
およびそれを利用した磁気メモリ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄い絶縁体層で隔てられた２つの強磁性
体層からなる強磁性トンネルにおいては、強磁性体層を
電極としてバイアス電圧を印加するとトンネル電流が流
れる。このときトンネル抵抗は、２つの強磁性体層の磁
化のなす相対角度に依存して変化する。具体的には、２
つの強磁性体層の磁化が反平行のときにトンネルコンダ
クタンスは最小値をとり、平行のとき最大値をとる。こ
のようなトンネルコンダクタンスの変化、つまりトンネ
ル抵抗の変化により、所謂、磁気抵抗効果（ＭＲ）が得
られる。従って、２つの強磁性体層のうち、１つ磁性体
層の磁化を外部磁場に対して固定し、他方の磁化を外部
磁場に追随するようにしておけば、外部磁場の変化を抵
抗変化として検出できる。

【０００３】これによく似た現象が金属人工格子膜にお
いても発見されており、近年磁気ヘッドに応用されてい
る。例えば、強磁性層と非磁性金属層とを数ｎｍの周期
で積層した積層膜が、強磁性体層の磁化の方向に依存し
て巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を示す材料として見出さ
れている。ここで用いられているものは、数％程度の抵
抗変化率（磁気抵抗比）をもつ。

【０００４】最近になって、強磁性トンネル接合はＧＭ
Ｒ材料よりも大きな磁気抵抗比をもつことが明らかにさ
れた。また、強磁性トンネル接合はＧＭＲ材料に比べて
大きな抵抗をもつので、相対的に大きな出力電圧が得ら
れる。これらの性質により、強磁性トンネル接合はポス
トＧＭＲ材料として期待されている。また、強磁性体の
磁化はヒステリシスを示すので、不揮発メモリを構成す
るメモリ素子としての応用が期待される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、強磁
性トンネル接合では大きな磁気抵抗が得られるものの、
この磁気抵抗比は接合に印加されるバイアス電圧に大き
く依存する。すなわち、強磁性トンネル接合では、印加
されるバイアス電圧が増加すると、接合を流れるトンネ
ル電流が急激に増加するとともに抵抗変化の大きさが小
さくなり、その結果として接合の磁気抵抗比が減少す
る。この性質は、強磁性トンネル接合のバイアス依存性
として知られ、磁気抵抗効果素子としての応用に大きな
制限を加えるものである。

【０００６】このような欠点を避けるためには、次のよ
うな方法が考えられる。第一は、磁気抵抗比があまり減
少しないような小さなバイアス電圧で素子を動作させる
ことである。しかし、この場合には出力も小さくなり、
強磁性トンネル接合をＭＲ素子として実用化するうえで
問題となる。

【０００７】第二は、絶縁体層のつくる障壁ポテンシャ
ルが高い接合を用いることである。このような接合では
もともと大きな磁気抵抗比が得られるので、バイアス電
圧の増加による磁気抵抗比の減少分を補うことができ利
用可能な範囲にとどまらせることができる。しかし、こ
の場合には抵抗値自体が大きくなり、そのままでは応用
が難しい。そこで絶縁体層を薄くすることが考えられる
が、この場合には素子の製造が困難になる。

【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、強磁性トンネル接合のバイアス電圧
に対する磁気抵抗比の依存性のより少ない実用性の高い
磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。さら
に、本発明はそのような磁気抵抗効果素子を用いること
によって、特性の向上を図った磁気メモリおよび磁気セ
ンサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗効果素
子は、強磁性層／トンネル障壁／強磁性層／トンネル障
壁／強磁性層の５層構造からなる強磁性二重トンネル接
合を有し、前記３つの強磁性層の磁化の相対的角度によ
りトンネルコンダクタンスが変化する磁気抵抗効果素子
において、４．２Ｋ付近の極低温で、零バイアス付近の
バイアス電圧の増加に対して、そのトンネルコンダクタ
ンスが指数関数的増加を示すことを特徴とする。

【００１０】本発明は、上述した特性を示す磁気抵抗効
果素子では、磁気抵抗比のバイアス依存性がより小さく
なることを見出すことによりなされたものである。つま
り、４．２Ｋ付近の極低温での接合のトンネルコンダク
タンスの変化と、室温における磁気抵抗比のバイアス依
存性に明確な相関があることを見出した。本来、磁気抵
抗効果素子ではバイアス電圧の増加に対してトンネルコ
ンダクタンスが増加するが、４．２Ｋ付近において特に
零バイアス付近で指数関数的増加を示すとの報告例はな
い。従来は、トンネルコンダクタンスがバイアス電圧に
比例するという報告がなされているだけである（Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，７９，３７４４，１９９
７）。

【００１１】より具体的には、零バイアス電圧付近にお
けるバイアス電圧に対するトンネルコンダクタンスの増
加のし方は、バイアス電圧Ｖが零からトンネル障壁のバ
リアポテンシャルの半分の高さに相当する電圧までの範
囲内で、単位面積当たりのコンダクタンスＪ／ＶがＪ／（Ｖ／２）＝ａ＋ｂ（１−ｅ^-|V/2|/γ）＋ｃ（Ｖ
／２−Ｖ₀）² のように変化する部分を有することが好ましい。上記式
中、γは後述するようにトンネル障壁付近の強磁性体の
キュリー温度に関係する電圧である。本発明において
は、γ≧１５ｍＶ、さらにγ≧２５ｍＶであることが好
ましい。また、Ｖ₀はトンネルコンダクタンスがバイア
ス電圧に対して非対称に変化する場合に、その非対称性
を補償するために導入される電圧値である。トンネルコ
ンダクタンスがバイアス電圧に対して対称的に変化する
場合にはＶ₀＝０である。ａ、ｂ、ｃは定数である。な
お、トンネル障壁のバリアポテンシャルは、たとえばト
ンネル障壁として多用されている非晶質のＡｌ₂Ｏ₃では
約１ｅＶである。この場合、バリアポテンシャルの半分
の高さに相当する電圧は０．５Ｖとなる。

【００１２】本発明の磁気メモリは、上述した磁気抵抗
効果素子をメモリセルとして具備することを特徴として
いる。

【００１３】本発明の磁気抵抗効果素子においては、極
低温においてそのコンダクタンスのバイアス電圧依存性
を調べると、γ≧１５ｍＶを満たす場合にバイアス電圧
の増加に伴う磁気抵抗比の低下の度合いが大きく緩和さ
れる。このバイアス依存性の程度が本発明で規定するγ
の値に何故依存するかは詳らかではないが、基本的には
以下のような機構が働いているものと考えられる。たと
えば、トンネル障壁を挟む２つの強磁性体層の磁化が反
平行の場合に、一方向に偏極したスピンを持つ電子がバ
リアと強磁性電極の界面付近でマグノンを励起すること
によってスピンフリップを起こし、本来トンネルできな
いはずの電子でもスピンの反転によりトンネルできるよ
うになる結果、コンダクタンスを押し上げることが考え
られる。この場合、γはトンネルに寄与しているバリア
付近もしくはバリアに接する強磁性体層の劣化の度合に
関係し、具体的にはキュリー温度と関係すると予想され
る。

【００１４】以下、上記の機構についてより詳細に説明
する。バリア付近の強磁性体のキュリー温度は同じ組成
のバルクの強磁性体のそれより低くなっている。なぜな
ら、酸化物バリアと接する数原子層分の強磁性体は、バ
リアから酸素原子を取り込んだり、アモルファス状のバ
リアと接することで大きな歪みを受ける等、キュリー温
度低下の要因が幾つもあるからである。本来的には、γ
はバルクの強磁性電極のキュリー温度と等価の電圧に近
い値をとり得るため、最大では１２０ｍＶ程度の値にな
るはずである。しかし、前述のように界面付近の強磁性
体は劣化しているため、実際のγの値はこれより低くな
っている。このように、γの値は界面の強磁性状態の劣
化の度合いを反映するものである。界面付近の強磁性体
が劣化していると、界面において強磁性スピン系の集団
揺らぎである強磁性マグノンの励起を促進する。このた
め、磁気抵抗比を決定するバリアに接する強磁性電極表
面の伝導電子のスピン偏極度が低下し、高いバイアス電
圧が印加された状態で磁気抵抗比が減少する。すなわ
ち、γの低い磁気抵抗効果素子ほど「バイアス依存性」
が大きくなると考えられる。これに対して、本発明にお
いて規定したγ≧１５ｍＶを満たす磁気抵抗効果素子
は、バイアス依存性が低いことが判明している。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１６】図１は本発明の磁気抵抗効果素子の一実施
形態の概略構造を示す断面図である。図１において、強
磁性二重トンネル接合Ａは、第１の強磁性層４と第２の
強磁性層６との間、および第２の強磁性層６と第３の強
磁性層８との間にそれぞれ絶縁体などからなるトンネル
障壁５および７を介してトンネル電流が流れるように構
成されている。そして、第１の強磁性層４と第３の強磁
性層８にはそれぞれ反強磁性層３、９を積層することに
よって、第１の強磁性層４と第３の強磁性層８の磁化を
ピン止して外部磁場により反転しないようにしてある。
第２の強磁性層６は上下から絶縁層で挟まれており、基
本的に、外部磁場の向きに応じて自由に回転できるよう
になっている。この第２の強磁性層６を外部磁場により
反転させ、上下の絶縁層を隔てた２つの強磁性層４と８
の磁化との相対角度により変化するトンネル抵抗（トン
ネル電流）によって、磁気抵抗効果（ＭＲ）を得るもの
である。

【００１７】すなわち、第１の強磁性層４と第３の強磁
性層８の磁化を同じ方向にそろえてピン止めした状態
で、第２の強磁性層６の磁化のみを外部磁場で反転させ
て、第１の強磁性層４および第３の強磁性層８の磁化と
反平行にすることによって、強磁性トンネル接合の抵抗
は最大となる。また、外部磁場によって、第２の強磁性
層６の磁化のみを反転させ、第１の強磁性層４および第
３の強磁性層８の磁化と同じ方向、すなわち平行にする
ことによって、強磁性トンネル接合の抵抗は最小とな
る。このように、外部磁場によってトンネル接合Ａの抵
抗を変化させることにより、磁気抵抗効果が得られる。
磁気抵抗比はこれらトンネル抵抗の比（トンネル抵抗変
化率）により定義される。

【００１８】第１、第２、第３の強磁性層４、６、８の
構成材料は特に限定されるものではなく、パーマロイに
代表されるＮｉ−Ｆｅ合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、
Ｎｉおよびそれらを含む合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎ
Ｓｂのようなホイスラー合金などのハーフメタル、Ｃｒ
Ｏ₂、マグネタイト、Ｍｎぺロブスカイトなどの酸化物
系のハーフメタル、アモルファス合金などの種々の軟磁
性材料から、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金
属−希土類合金などの硬質磁性材料まで、種々の強磁性
材料を使用することができる。

【００１９】３つの磁性層のうち、第２の磁性層６のみ
を外部磁場によって変化させるためには、第１および第
３の強磁性層４、８に接して反強磁性膜を積層し、これ
ら反強磁性膜との交換結合により、強磁性層４、８の磁
化を固定する。ここで、反強磁性膜としては、ＦｅＭ
ｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎなどの反強磁性合金
やＮｉＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃などの反強磁性材料に限らず、Ｃｏ
／Ｒｕ／Ｃｏ、Ｃｏ／Ａｕ／Ｃｏなどの反強磁性交換結
合膜を用いてもよい。

【００２０】トンネル障壁層５、７は第１の強磁性層４
と第２の強磁性層６との間および第２の強磁性層６と第
３の強磁性層８との間にトンネル電流を流し得る範囲の
ポテンシャル高さと厚さであればよい。２つのトンネル
障壁層５、７の構成材料としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、
希土類元素またはこれらの元素を含む合金の酸化物また
は窒化物を用いることができる。これらの絶縁体からな
る薄膜はその作製条件によりバリアポテンシャルの高さ
が変化する。そして、磁気抵抗効果素子の特性はトンネ
ル障壁層の厚さおよびバリアポテンシャル障壁の高さに
より大きく変化する。このため、素子特性の選択の幅が
大きいが、素子サイズに合わせて適切に選択する必要が
ある。

【００２１】図１において、１２はシリコン単結晶基板
であり、表面を酸化することによりＳｉＯ₂で覆われて
いる。その上の拡散バリア層１１は拡散を防ぐための層
で、Ｔａ、ＴａＰｔ、Ｔｉ、ＴｉＮ_x、ＣｏＳｉ₂等が用
いられる。その上の配向制御層１０は反強磁性層９の結
晶配向性を確保するための層であり、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、
Ａｇ、Ａｕが用いられる。また、上部の反強磁性層３上
には、Ｔａ、Ａｕ等からなる保護層２、およびＡｌ、Ｃ
ｕ、Ａｇ、Ａｕ等からなる配線層１が形成されている。

【００２２】図１に示すような強磁性二重トンネル接合
の電流−電圧特性を測定し、この測定結果から、トンネ
ルコンダクタンスのバイアス電圧依存性を求める。具体
的には、この接合に流す電流を順次増やし、各電流値に
対する接合の上下の電極間に印加されているバイアス電
圧Ｖを測定する。

【００２３】図２に、電流密度Ｊ（電流値／接合面積）
を接合全体のバイアス電圧の半分のＶ／２で割ったＪ／
（Ｖ／２）のバイアス電圧Ｖ／２に対する変化の様子を
四角シンボルで示す。本発明に係る２つのトンネル障壁
層を有する強磁性二重トンネル接合は、素子全体に印加
されるバイアス電圧Ｖを２つのトンネル接合で二分する
ため、各トンネル接合に印加されるバイアス電圧は外部
から印加した接合全体のバイアス電圧Ｖの半分となって
いると考えられるので、Ｖ／２とＪ／（Ｖ／２）として
まとめている。

【００２４】図２に示されるように、零からトンネル絶
縁層のポテンシャルバリアの高さの半分程度のバイアス
電圧までの領域で、単位面積当たりのコンダクタンスＪ
／（Ｖ／２）が指数関数的に増加する部分がある。前述
のように、トンネルコンダクタンスがバイアス電圧に対
して指数関数的に変化するという指摘は過去にはない。

【００２５】本発明においては、トンネルコンダクタン
スがバイアス電圧に対して指数関数的に変化する実測デ
ータに対して、γの値を適切に選ぶことによって、下記
（１）式Ｊ／（Ｖ／２）＝ａ＋ｂ（１−ｅ^-|V/2|/γ）＋ｃ（Ｖ
／２−Ｖ₀）² で表される曲線をフィットさせることができる。図２に
実線で示されるフィット曲線はＪ／（Ｖ／２）＝7080000＋1900000（１−ｅ
^-|V/2|/0.049）＋36200000Ｖ² で表される。このように、γ＝４９ｍＶとすることによ
り（１）式の曲線が実測データとほぼ完全に一致する。
一方、γの値を４９ｍＶよりも大きくした場合にも小さ
くした場合にも、（１）式の曲線は実測データから大き
くずれる。

【００２６】本発明の強磁性トンネル接合は、その単位
面積当たりのトンネルコンダクタンスが、零バイアスに
近い低バイアス領域で、バイアス電圧に対し（１）式で
表される指数関数的増加を示す。γは個々の強磁性トン
ネル接合に特有の値であり、このγの値が大きいほど強
磁性トンネル接合の磁気抵抗比が半減するバイアス電圧
Ｖ_1/2が高くなり、バイアス電圧の増加に伴う磁気抵抗
比の減少の程度が緩和される。

【００２７】ここで、ａとｃはトンネルバリアのポテン
シャルの高さと厚さによって決まる定数である。これら
の定数は、Ｓｉｍｍｏｎｓらのトンネル接合の電流と電
圧に関する近似式（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏ
ｌ．３４，１８２８（１９６３））を用いて、Ｊ／Ｖが
Ｖ²に対してリニアになるバイアス電圧領域のデータか
ら決定される。トンネル接合の電極が強磁性体ではなく
常磁性体である場合には、（１）式の第２項の指数間数
的変化がなくなり、トンネルコンダクタンスはバイアス
電圧の２乗で変化し、前述のＳｉｍｍｏｎｓの近似式と
完全に一致するようになる。一方、電極に強磁性体を用
いた場合には、（１）式の第２項で表される指数間数的
変化が加わり、特に零バイアス電圧付近では、Ｖ²の変
化から大きくずれる。

【００２８】零バイアス近傍のトンネルコンダクタンス
の変化が本発明で規定するγの値に依存する理由につい
ては、上述したような機構が考えられる。すなわち、ト
ンネル障壁を挟む２つの強磁性体層の磁化が反平行の場
合に、一方向に偏極したスピンを持つ電子がバリアと強
磁性電極の界面付近でマグノンを励起することによって
スピンフリップを起こし、本来トンネルできないはずの
電子でもスピンの反転によりトンネルできるようになる
ことに由来していると考えられる。本発明で規定したγ
の値は界面の強磁性状態の劣化の度合いを反映し、バル
クの強磁性電極のキュリー温度と等価の電圧に近い値で
ある１２０ｍＶ程度の値より低くなっている。界面付近
の強磁性体の劣化は、界面において強磁性スピン系の集
団揺らぎである強磁性マグノンの励起を促進する。この
ため、磁気抵抗比を決定するバリアに接する強磁性電極
表面の伝導電子のスピン偏極度が低下し、高いバイアス
電圧が印加された状態で磁気抵抗比が減少する。すなわ
ち、γの低い磁気抵抗効果素子ほど「バイアス依存性」
が大きくなる。

【００２９】本発明に係るγ≧１５ｍＶを示す磁気抵抗
効果素子は、零バイアス時の磁気抵抗比が半減する電圧
Ｖ_1/2がすべて４００ｍＶ以上とバイアス依存性が低
く、極めて実用性が高いことが判明した。特に、以下に
示す本発明の実施例のように、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）タ
ーゲットを直接スパッタしてトンネルバリアを形成した
場合には、トンネルバリアとの界面付近の強磁性体の劣
化が少ないことが予想され、バイアス依存性が小さくな
ると考えられる。

【００３０】

【実施例】本発明の実施例について説明する。

【００３１】以下のようにして、Ａｌ₂Ｏ₃をトンネル障
壁とする図１に示した構造の強磁性二重トンネル接合を
有する磁気抵抗効果素子を作製した。

【００３２】Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板１２をスパッタ装置に
入れ、初期真空度を２×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、
Ａｒを導入して圧力を２×１０^-3Ｔｏｒｒに設定した。
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板１２上に、厚さ５ｎｍのＴａからな
る拡散バリア層１１、厚さ１５ｎｍのＮｉＦｅからなる
配向制御層１０、厚さ１７ｎｍのＩｒ₂₂Ｍｎ₇₈からなる
反強磁性層９、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層
８を連続的に形成した。

【００３３】次に、Ａｒガス中でＡｌ₂Ｏ₃ターゲットを
スパッタしてＡｌ₂Ｏ_xを成膜した。このときＡｌ₂Ｏ_xの
厚さを１．５ｎｍに設定した。その後、真空を破ること
なくスパッタ装置に純酸素を導入しグロー放電させてプ
ラズマを発生させ、酸素プラズマ中でＡｌ₂Ｏ_xを表面か
ら酸化してＡｌ₂Ｏ₃に変換し、絶縁体層７を形成した。
このとき、グロー放電時のパワーおよび酸化時間を調整
して、Ａｌ₂Ｏ_xからＡｌ₂Ｏ₃への変換度合を調整した。
純酸素を排気した後、Ａｒガス中において上記と同様の
条件でスパッタすることにより、絶縁体層７上に厚さ５
ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層６を形成した。さらに
強磁性層６の上に上記と同様の条件でＡｌ₂Ｏ₃からなる
絶縁体層５を形成した。

【００３４】次いで、Ａｒガス中において上記と同様の
条件でスパッタすることにより、絶縁体層５上に、厚さ
５ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層４及び厚さ１７ｎｍ
のＩｒ₂₂Ｍｎ₇₈からなる反強磁性層３および厚さ５ｎｍ
のＴａからなる保護層２を連続的に形成した。

【００３５】その後、通常のフォトリソグラフィ技術と
イオンミリング技術を用いて、上記の積層膜から図１の
ように、Ａｌ₂Ｏ₃層からなるトンネル障壁５、７が含ま
れる二重トンネル接合部を規定した。接合部の面積は２
０×３０μｍ²とした。

【００３６】この接合部において、ＣｏＦｅ層４からト
ンネル効果によりＡｌ₂Ｏ₃層５を通してＣｏＦｅ層６へ
トンネル電流が流れ、さらにＡｌ₂Ｏ₃層７を通してトン
ネル効果によりＣｏＦｅ層８へトンネル電流が流れる。
また、ＣｏＦｅからなる第１および第３の強磁性層４、
８はそれらに積層されたＩｒＭｎ層３、９によって同一
方向にその磁化が固定され、数百Ｏｅ程度の弱い外部磁
場によってはその磁化の向きを変えることはない。一
方、ＣｏＦｅからなる第２の強磁性層６は外部磁場の強
さと方向に応じて自由にその磁化の方向を変えるように
なっている。強磁性層６と強磁性層４、８の磁化の方向
が平行の場合には接合全体の抵抗は最も低い値Ｒ_minを
示す。強磁性層６と強磁性層４、８の磁化の方向が反平
行の場合には接合抵抗は最も高い値Ｒ_maxを示す。磁気
抵抗比はＭＲ比（％）＝（（Ｒ_max−Ｒ_min）／Ｒ_min）×１００で定義される。このＴＭＲは接合全体に印加されるバイ
アス電圧の増加に伴って減少する。

【００３７】上記実施例の磁気抵抗効果素子では、図２
に示したようにフィッティングパラメータγは４９ｍＶ
であった。また、上記実施例の磁気抵抗効果素子では、
磁気抵抗比ＴＭＲが零バイアス時の５０％になる電圧Ｖ
_1/2は０．８Ｖとなり、実用上十分に高い出力を得るこ
とができる。

【００３８】また、上記と同様にして種々の磁気抵抗効
果素子を作製し、上記（１）式のフィッティングパラメ
ーターγと零バイアス時の磁気抵抗比が半減する電圧Ｖ
_1/2との関係を調べた結果を図３に示す。図３に示され
るように、γが１５ｍＶでＶ _1/2が４００ｍＶ、γ＝２
５ｍＶでＶ_1/2が５００ｍＶ強であり、γが１５ｍＶ以
上であれば高いバイアス電圧を印加しても、実用上十分
高い出力を得ることができる。

【００３９】次に、図４および図５を参照して、ＭＯＳ
トランジスタ上に本発明の強磁性トンネル接合素子を積
層した構造を有する磁気メモリ素子（ＭＲＡＭ）につい
て説明する。図４は１セルのＭＲＡＭの断面図、図５は
３×３セルのＭＲＡＭの等価回路図を示す。

【００４０】図４に示すように、ＭＯＳトランジスタ３
０はシリコン基板３１上に形成されたゲート電極３２、
ソース、ドレイン領域３３、３４からなっている。ゲー
ト電極３２は読み出し用のワードライン（ＷＬ１）を構
成している。ゲート電極３２上には絶縁層を介して書き
込み用のワードライン（ＷＬ２）３５が形成されてい
る。トランジスタ３０のドレイン領域３４にはコンタク
トメタル３６が接続され、さらにコンタクトメタル３６
には下地層３７が接続されている。この下地層３７上の
書き込み用のワードライン（ＷＬ２）３５の上方に対応
する位置に、図１に示したような強磁性トンネル接合素
子（ＴＭＲ）２０が形成されている。このＴＭＲ２０上
にビットライン（ＢＬ）３８が形成されている。

【００４１】図５の等価回路図に示すように、トランジ
スタ３０と強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）２０とか
らなる複数の記録セルはアレイ状に配列されている。ト
ランジスタ３０のゲート電極からなる読み出し用のワー
ドライン（ＷＬ１）３２と、書き込み用のワードライン
（ＷＬ２）３５とは平行に配置されている。また、ＴＭ
Ｒ１０の上部に接続されたビットライン（ＢＬ）３８
は、ワードライン（ＷＬ１）３２およびワードライン
（ＷＬ２）３５と直交して配置されている。

【００４２】なお、ＭＲＡＭはダイオードと本発明に係
る強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）とを積層して構成
してもよい。具体的には、ワードライン上にダイオード
と本発明に係るＴＭＲとの積層体からなる記録セルを形
成し、ＴＭＲ上にワードラインと直交して配置されたビ
ットラインを形成して、多数の記録セルをアレイ状に配
置した構造が考えられる。

【００４３】また、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気
メモリ素子だけでなく、磁気センサ、磁気ヘッドなどへ
も応用することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の磁気抵抗効
果素子によれば、従来の強磁性トンネル接合で問題とさ
れていたバイアス電圧に対する磁気抵抗比の大きな依存
性を低減することができる。これにより、バイアス電圧
の広い範囲内で良好な磁気抵抗比を得ることが可能とな
り、磁気メモリ、磁気センサ、磁気ヘッドなどへの応用
に好適な安定した出力が得られる磁気抵抗効果素子を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の一実施形態の概略
構造を示す断面図。

【図２】本発明の強磁性二重トンネル接合のバイアス電
圧対トンネルコンダクタンスの一例を示す図。

【図３】本発明の強磁性二重トンネル接合のバイアス電
圧対トンネルコンダクタンスにおける指数関数的変化の
程度を表すγとＶ_1/2の関係の一例を示す図。

【図４】本発明に係る磁気抵抗効果素子とトランジスタ
とからなるＭＲＡＭの断面図。

【図５】本発明に係る磁気抵抗効果素子とトランジスタ
とからなるＭＲＡＭの等価回路図。

【符号の説明】

１…配線層２…保護層３…反強磁性層４…第１の強磁性層５…絶縁体層６…第２の強磁性層７…絶縁体層８…第３の強磁性層９…反強磁性層１０…配向制御層１１…拡散バリア層１２…基板２０…強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）３０…トランジスタ３１…シリコン基板３２…ゲート電極（読み出し用ワードライン）３３、３４…ソース、ドレイン領域３５…書き込み用ワードライン３６…コンタクトメタル３７…下地層３８…ビットライン

フロントページの続き (72)発明者斉藤好昭神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者中島健太郎神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5D034 BA03 BB20 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AA10 AB02 AB10 AC00 AC05 BA06 CB02 DB04 DB14 5F083 FZ10 KA01 MA06 MA16 MA20 PR04 PR22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強磁性層／トンネル障壁／強磁性層／ト
ンネル障壁／強磁性層の５層構造を含む強磁性二重トン
ネル接合を有し、前記３つの強磁性層の磁化の相対的角
度によりトンネルコンダクタンスが変化する磁気抵抗効
果素子において、零バイアス付近のバイアス電圧の増加に対して、そのト
ンネルコンダクタンスが、４．２Ｋ付近の極低温で、指
数関数的増加を示すことを特徴とする磁気抵抗効果素
子。
【請求項２】素子に印加されるバイアス電圧Ｖが零か
ら前記トンネル障壁のバリアポテンシャルの高さの１／
２までの範囲において、素子のコンダクタンスＪ／Ｖ
が、次式Ｊ／（Ｖ／２）＝ａ＋ｂ（１−ｅ^-|V/2|/γ）＋ｃ（Ｖ
／２−Ｖ₀）² （式中、ａ、ｂ、ｃは定数、Ｖ₀はトンネルコンダクタ
ンスがバイアス電圧に対して非対称に変化する場合に、
非対称性を補償するために導入される電圧値である）に
従って変化する部分を有することを特徴とする請求項１
記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】前記γが、１５ｍＶ≦γを満たすことを
特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項
記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして具備するこ
とを特徴とする磁気メモリ。