JP2001156358A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ素子 - Google Patents
磁気抵抗効果素子および磁気メモリ素子Info
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- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
Abstract
(57)【要約】
【課題】 素子サイズを小さくしても、記録に要するパ
ワーを軽減でき、かつ材料選択の幅が広い磁気抵抗効果
素子を提供する。 【解決手段】 第１の反強磁性層１／第１の強磁性層２
／第１のトンネル絶縁層３／第２の強磁性層４／第１の
非磁性層５／第３の強磁性層６／第２の非磁性層７／第
４の強磁性層８／第２のトンネル絶縁層９／第５の強磁
性層１０／第２の反強磁性層１１が積層された強磁性二
重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、第
２および第３の強磁性層４、６が第１の非磁性層５を介
して反強磁性結合しており、第３および第４の強磁性層
６、８が第２の非磁性層７を介して反強磁性結合してい
る。
ワーを軽減でき、かつ材料選択の幅が広い磁気抵抗効果
素子を提供する。 【解決手段】 第１の反強磁性層１／第１の強磁性層２
／第１のトンネル絶縁層３／第２の強磁性層４／第１の
非磁性層５／第３の強磁性層６／第２の非磁性層７／第
４の強磁性層８／第２のトンネル絶縁層９／第５の強磁
性層１０／第２の反強磁性層１１が積層された強磁性二
重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子であって、第
２および第３の強磁性層４、６が第１の非磁性層５を介
して反強磁性結合しており、第３および第４の強磁性層
６、８が第２の非磁性層７を介して反強磁性結合してい
る。
Description
【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。
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】磁気抵抗効果は、磁性体に磁界を加える
ことによって電気抵抗が変化する現象であり、磁界セン
サや磁気ヘッドなどに利用されている。たとえば、強磁
性体を用いた磁気抵抗効果素子は、温度安定性に優れ、
かつ使用範囲が広いという特徴を有している。従来、こ
のような磁気抵抗効果素子には、ＦｅＮｉ合金などのパ
ーマロイ薄膜が使用されてきた。これをハードディスク
などの再生ヘッドに使用することで、高密度磁気記録が
達成されている。しかし、パーマロイ薄膜の磁気抵抗変
化率は２〜３％程度と小さいため、更なる高密度記録を
達成しようとすると、十分な感度が得られないという問
題があった。
ことによって電気抵抗が変化する現象であり、磁界セン
サや磁気ヘッドなどに利用されている。たとえば、強磁
性体を用いた磁気抵抗効果素子は、温度安定性に優れ、
かつ使用範囲が広いという特徴を有している。従来、こ
のような磁気抵抗効果素子には、ＦｅＮｉ合金などのパ
ーマロイ薄膜が使用されてきた。これをハードディスク
などの再生ヘッドに使用することで、高密度磁気記録が
達成されている。しかし、パーマロイ薄膜の磁気抵抗変
化率は２〜３％程度と小さいため、更なる高密度記録を
達成しようとすると、十分な感度が得られないという問
題があった。
【０００３】近年、新しいメカニズムに基づく非常に大
きな磁気抵抗効果を示す、いわゆる巨大磁気抵抗効果
（ＧＭＲ）材料として、磁性層と非磁性層とを数ｎｍの
周期で交互に積層し、非磁性層を介して相対する磁性層
の磁気モーメントを反平行状態で磁気的に結合させた積
層膜、いわゆる人工格子膜が注目されている。たとえ
ば、Ｆｅ／Ｃｒの人工格子膜（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅ
ｔｔ．，６１、２４７２（１９８８）参照）や、Ｃｏ／
Ｃｕの人工格子膜（Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔｅ
ｒ．，９４，Ｌ１（１９９１）；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌ
ｅｔｔ．，６６，２１５２（１９９１）参照）などが見
出されている。
きな磁気抵抗効果を示す、いわゆる巨大磁気抵抗効果
（ＧＭＲ）材料として、磁性層と非磁性層とを数ｎｍの
周期で交互に積層し、非磁性層を介して相対する磁性層
の磁気モーメントを反平行状態で磁気的に結合させた積
層膜、いわゆる人工格子膜が注目されている。たとえ
ば、Ｆｅ／Ｃｒの人工格子膜（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅ
ｔｔ．，６１、２４７２（１９８８）参照）や、Ｃｏ／
Ｃｕの人工格子膜（Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔｅ
ｒ．，９４，Ｌ１（１９９１）；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌ
ｅｔｔ．，６６，２１５２（１９９１）参照）などが見
出されている。
【０００４】また、非磁性金属層を介して強磁性層を積
層した強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる金属サン
ドイッチ膜において、強磁性層間の交換結合がなくなる
程度に非磁性金属層の膜厚を厚くし、かつ一方の強磁性
層に接してＦｅＭｎなどの反強磁性層を配置して交換結
合させることにより、その強磁性層の磁気モーメントを
固定し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁場で容易
にスイッチできるようにした、いわゆるスピンバルブ膜
が知られている。この場合、２つの強磁性層間に交換結
合がないため、小さな磁場でスピンをスイッチできるの
で、上記交換結合膜に比べて感度の高い磁気抵抗効果素
子を提供でき、高密度磁気記録用再生ヘッドとして、現
在実用化されている。
層した強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる金属サン
ドイッチ膜において、強磁性層間の交換結合がなくなる
程度に非磁性金属層の膜厚を厚くし、かつ一方の強磁性
層に接してＦｅＭｎなどの反強磁性層を配置して交換結
合させることにより、その強磁性層の磁気モーメントを
固定し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁場で容易
にスイッチできるようにした、いわゆるスピンバルブ膜
が知られている。この場合、２つの強磁性層間に交換結
合がないため、小さな磁場でスピンをスイッチできるの
で、上記交換結合膜に比べて感度の高い磁気抵抗効果素
子を提供でき、高密度磁気記録用再生ヘッドとして、現
在実用化されている。
【０００５】以上は膜面内に電流を流した場合の磁気抵
抗効果であるが、膜面に垂直方向に電流を流す、いわゆ
る垂直磁気抵抗効果を利用すると、さらに大きな磁気抵
抗効果が得られることも知られている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅ
ｖ．Ｌｅｔｔ．，６６，３０６０（１９９１）参照）。
さらには、強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなる３層
膜において、外部磁場によって２つの強磁性層のスピン
を互いに平行または反平行にすることにより、膜面垂直
方向のトンネル電流の大きさが互いに異なることを利用
した、強磁性トンネル接合による巨大磁気抵抗効果（Ｔ
ＭＲ）も知られている。また、絶縁層を２つ備えた強磁
性層／絶縁層／強磁性層／絶縁層／強磁性層の５層から
なる強磁性二重トンネル接合素子も知られている。さら
に、本発明者らは、中央の強磁性体を微粒子状にした強
磁性二重トンネル接合素子を提案している。これらの強
磁性二重トンネル接合素子は、バイアスに依存したＭＲ
比の低下が小さいという特長がある。
抗効果であるが、膜面に垂直方向に電流を流す、いわゆ
る垂直磁気抵抗効果を利用すると、さらに大きな磁気抵
抗効果が得られることも知られている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅ
ｖ．Ｌｅｔｔ．，６６，３０６０（１９９１）参照）。
さらには、強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなる３層
膜において、外部磁場によって２つの強磁性層のスピン
を互いに平行または反平行にすることにより、膜面垂直
方向のトンネル電流の大きさが互いに異なることを利用
した、強磁性トンネル接合による巨大磁気抵抗効果（Ｔ
ＭＲ）も知られている。また、絶縁層を２つ備えた強磁
性層／絶縁層／強磁性層／絶縁層／強磁性層の５層から
なる強磁性二重トンネル接合素子も知られている。さら
に、本発明者らは、中央の強磁性体を微粒子状にした強
磁性二重トンネル接合素子を提案している。これらの強
磁性二重トンネル接合素子は、バイアスに依存したＭＲ
比の低下が小さいという特長がある。
【０００６】最近では、巨大磁気抵抗効果素子を磁気メ
モリ素子に利用することも研究されている（Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３４，Ｌ４１５（１９９
５））。この場合、交換結合のない、スピンバルブ構造
や強磁性トンネル効果素子が利用されている。これらの
素子を磁気メモリ装置に利用する場合には、これらの素
子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を
流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁性層を
互いに平行または反平行に制御することにより、
“１”、“０”を記録させる。読み出しはＧＭＲ効果ま
たはＴＭＲ効果を利用して行う。
モリ素子に利用することも研究されている（Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３４，Ｌ４１５（１９９
５））。この場合、交換結合のない、スピンバルブ構造
や強磁性トンネル効果素子が利用されている。これらの
素子を磁気メモリ装置に利用する場合には、これらの素
子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を
流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁性層を
互いに平行または反平行に制御することにより、
“１”、“０”を記録させる。読み出しはＧＭＲ効果ま
たはＴＭＲ効果を利用して行う。
【０００７】しかし、このような磁気メモリ装置におい
ては、高密度記録化のために素子サイズを小さくすると
反磁界が大きくなる。このため、反磁界に打ち勝って記
録状態を安定化するためには、記録層の磁気異方性を大
きくする必要がある。この場合、記録に要する電流磁界
が大きくなり、配線に大きな電流を流す必要性が生じ
る。その結果、パワーの大きい電源を要するうえに、電
流密度が大きくなりエレクトロマイグレーションが生じ
て配線が破断するなどの問題があった。また、素子サイ
ズを小さくすると、絶縁層を介した磁性層間の静磁気結
合が大きくなることに起因して、磁気ヒステリシスが非
対称になり、記録に要する電流磁界が大きくなるという
問題もあった。これらの問題を緩和するために、メモリ
素子のアスペクト比（平面的な長さと幅の比）を大きく
することが考えられる。しかし、このような対策では素
子サイズが大きくなるため高密度メモリを得ることが困
難になる。
ては、高密度記録化のために素子サイズを小さくすると
反磁界が大きくなる。このため、反磁界に打ち勝って記
録状態を安定化するためには、記録層の磁気異方性を大
きくする必要がある。この場合、記録に要する電流磁界
が大きくなり、配線に大きな電流を流す必要性が生じ
る。その結果、パワーの大きい電源を要するうえに、電
流密度が大きくなりエレクトロマイグレーションが生じ
て配線が破断するなどの問題があった。また、素子サイ
ズを小さくすると、絶縁層を介した磁性層間の静磁気結
合が大きくなることに起因して、磁気ヒステリシスが非
対称になり、記録に要する電流磁界が大きくなるという
問題もあった。これらの問題を緩和するために、メモリ
素子のアスペクト比（平面的な長さと幅の比）を大きく
することが考えられる。しかし、このような対策では素
子サイズが大きくなるため高密度メモリを得ることが困
難になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、素子
サイズを小さくしても、記録に要するパワーを軽減で
き、かつ材料選択の幅が広い磁気抵抗効果素子を提供す
ることにある。
サイズを小さくしても、記録に要するパワーを軽減で
き、かつ材料選択の幅が広い磁気抵抗効果素子を提供す
ることにある。
【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、第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１のトン
ネル絶縁層／第２の強磁性層／第１の非磁性層／第３の
強磁性層／第２の非磁性層／第４の強磁性層／第２のト
ンネル絶縁層／第５の強磁性層／第２の反強磁性層が積
層された強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果
素子であって、第２および第３の強磁性層が第１の非磁
性層を介して反強磁性結合しており、第３および第４の
強磁性層が第２の非磁性層を介して反強磁性結合してい
ることを特徴とする。
子は、第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第１のトン
ネル絶縁層／第２の強磁性層／第１の非磁性層／第３の
強磁性層／第２の非磁性層／第４の強磁性層／第２のト
ンネル絶縁層／第５の強磁性層／第２の反強磁性層が積
層された強磁性二重トンネル接合を有する磁気抵抗効果
素子であって、第２および第３の強磁性層が第１の非磁
性層を介して反強磁性結合しており、第３および第４の
強磁性層が第２の非磁性層を介して反強磁性結合してい
ることを特徴とする。
【００１０】また、本発明の磁気メモリ装置は、上記の
磁気抵抗効果素子とトランジスタまたはダイオードを含
むメモリセルをアレイ状に配置したことを特徴とする。
磁気抵抗効果素子とトランジスタまたはダイオードを含
むメモリセルをアレイ状に配置したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係る磁気抵抗効果
素子を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子
は、第１の反強磁性層１、第１の強磁性層２、第１のト
ンネル絶縁層３、第２の強磁性層４、第１の非磁性層
５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、第４の強磁
性層８、第２のトンネル絶縁層９、第５の強磁性層１
０、第２の反強磁性層１１が積層された強磁性二重トン
ネル接合素子である。
素子を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子
は、第１の反強磁性層１、第１の強磁性層２、第１のト
ンネル絶縁層３、第２の強磁性層４、第１の非磁性層
５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、第４の強磁
性層８、第２のトンネル絶縁層９、第５の強磁性層１
０、第２の反強磁性層１１が積層された強磁性二重トン
ネル接合素子である。
【００１２】第１のトンネル絶縁層３と第２のトンネル
絶縁層９との間に挟まれた、第２の強磁性層４、第１の
非磁性層５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、お
よび第４の強磁性層８は磁気記録層１２を構成してい
る。第２および第３の強磁性層４、６は第１の非磁性層
５を介して反強磁性結合しており、互いの磁化が反平行
状態に保たれている。同様に、第３および第４の強磁性
層６、８は第２の非磁性層７を介して反強磁性結合して
おり、互いの磁化が反平行状態に保たれている。
絶縁層９との間に挟まれた、第２の強磁性層４、第１の
非磁性層５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、お
よび第４の強磁性層８は磁気記録層１２を構成してい
る。第２および第３の強磁性層４、６は第１の非磁性層
５を介して反強磁性結合しており、互いの磁化が反平行
状態に保たれている。同様に、第３および第４の強磁性
層６、８は第２の非磁性層７を介して反強磁性結合して
おり、互いの磁化が反平行状態に保たれている。
【００１３】第１の強磁性層２は、第１の反強磁性層１
と交換結合して図中の矢印に示す方向に磁化が固着され
ている。同様に、第５の強磁性層１０は、第２の反強磁
性層１１と交換結合して図中の矢印に示すように第１の
強磁性層２の磁化の方向と同一方向に磁化が固着されて
いる。
と交換結合して図中の矢印に示す方向に磁化が固着され
ている。同様に、第５の強磁性層１０は、第２の反強磁
性層１１と交換結合して図中の矢印に示すように第１の
強磁性層２の磁化の方向と同一方向に磁化が固着されて
いる。
【００１４】この磁気抵抗効果素子では所定方向に外部
磁場が印加されると、第２ないし第４の強磁性層４、
６、８は反強磁性結合を保ったまま、外部磁場の方向に
磁化回転する。一方、第１の強磁性層２および第５の強
磁性層１０はそれぞれ第１および第２の反強磁性層１、
１１との交換結合によって、第２ないし第４の強磁性層
４、６、８の磁化が回転する程度の外部磁場では、磁化
回転が生じないように固着されている。こうして、第２
ないし第４の強磁性層４、６、８に“１”または“０”
の情報を記録することができる。
磁場が印加されると、第２ないし第４の強磁性層４、
６、８は反強磁性結合を保ったまま、外部磁場の方向に
磁化回転する。一方、第１の強磁性層２および第５の強
磁性層１０はそれぞれ第１および第２の反強磁性層１、
１１との交換結合によって、第２ないし第４の強磁性層
４、６、８の磁化が回転する程度の外部磁場では、磁化
回転が生じないように固着されている。こうして、第２
ないし第４の強磁性層４、６、８に“１”または“０”
の情報を記録することができる。
【００１５】このとき、第１の非磁性層５を介して反強
磁性結合した第２および第３の強磁性層４、６間で磁束
が閉じ、かつ第２の非磁性層７を介して反強磁性結合し
た第３および第４の強磁性層６、８間で磁束が閉じてい
るため、素子を微細化しても反磁界が増大することはな
い。このため、磁化反転に要する反転磁場Ｈswはメモリ
セルの大きさにはほとんど依存せず、第２ないし第４の
強磁性層４、６、８の保磁力Ｈｃで決まる。したがっ
て、Ｈｃを小さくすれば、Ｈswを小さくすることができ
るので、省エネルギー効果が大きい。保磁力は一軸異方
性をＫｕ、磁化の大きさをＭとすれば、理想的にはＨｃ
＝２Ｋｕ／Ｍで与えられる。すなわち、一軸異方性Ｋｕ
の小さい材料を用いることにより目的を達成できる。ま
た、反強磁性結合した第２ないし第４の強磁性層４、
６、８で磁束が閉じているため、記録ビットが擾乱磁場
に対して安定であるというメリットも得られる。
磁性結合した第２および第３の強磁性層４、６間で磁束
が閉じ、かつ第２の非磁性層７を介して反強磁性結合し
た第３および第４の強磁性層６、８間で磁束が閉じてい
るため、素子を微細化しても反磁界が増大することはな
い。このため、磁化反転に要する反転磁場Ｈswはメモリ
セルの大きさにはほとんど依存せず、第２ないし第４の
強磁性層４、６、８の保磁力Ｈｃで決まる。したがっ
て、Ｈｃを小さくすれば、Ｈswを小さくすることができ
るので、省エネルギー効果が大きい。保磁力は一軸異方
性をＫｕ、磁化の大きさをＭとすれば、理想的にはＨｃ
＝２Ｋｕ／Ｍで与えられる。すなわち、一軸異方性Ｋｕ
の小さい材料を用いることにより目的を達成できる。ま
た、反強磁性結合した第２ないし第４の強磁性層４、
６、８で磁束が閉じているため、記録ビットが擾乱磁場
に対して安定であるというメリットも得られる。
【００１６】また、図１の磁気抵抗効果素子では、磁気
記録層１２に３層の強磁性層が含まれるので、磁気記録
層１２の両端の第２および第４の強磁性層４、８の磁化
の方向が同一になっている。この場合、第１のトンネル
絶縁層３を挟んで第２の強磁性層４と対向する第１の強
磁性層（磁化固着層）２と、第２のトンネル絶縁層９を
挟んで第４の強磁性層８と対向する第５の強磁性層（磁
化固着層）１０についても、磁化の方向が同一になる。
このように第１の強磁性層２と第５の強磁性層１０の磁
化の方向を同一にするには、第１および第２の反強磁性
層１、１１として同一の材料を用いるだけでよいので、
反強磁性材料の選択の幅が広がる。
記録層１２に３層の強磁性層が含まれるので、磁気記録
層１２の両端の第２および第４の強磁性層４、８の磁化
の方向が同一になっている。この場合、第１のトンネル
絶縁層３を挟んで第２の強磁性層４と対向する第１の強
磁性層（磁化固着層）２と、第２のトンネル絶縁層９を
挟んで第４の強磁性層８と対向する第５の強磁性層（磁
化固着層）１０についても、磁化の方向が同一になる。
このように第１の強磁性層２と第５の強磁性層１０の磁
化の方向を同一にするには、第１および第２の反強磁性
層１、１１として同一の材料を用いるだけでよいので、
反強磁性材料の選択の幅が広がる。
【００１７】ここで、第２ないし第４の強磁性層４、
６、８において磁束を有効に閉じるには、第３の強磁性
層６の磁化の値Ｍ３が、第２および第４の強磁性層４、
８の磁化を加えた値Ｍ（２＋４）と等しいことが好まし
い。しかし、Ｍ３とＭ（２＋４）の値が同一である場合
には記録層の磁化回転が困難になるため、これらの磁化
の値が若干異なるようにすることが好ましい。
６、８において磁束を有効に閉じるには、第３の強磁性
層６の磁化の値Ｍ３が、第２および第４の強磁性層４、
８の磁化を加えた値Ｍ（２＋４）と等しいことが好まし
い。しかし、Ｍ３とＭ（２＋４）の値が同一である場合
には記録層の磁化回転が困難になるため、これらの磁化
の値が若干異なるようにすることが好ましい。
【００１８】例えば、第２ないし第４の強磁性層を同じ
材料で形成する場合には、第３の強磁性層６の厚さＴ３
と、第２および第４の強磁性層４，８の合計の厚さＴ
（２＋４）とが異なるようにする。この場合、Ｔ３とＴ
（２＋４）との差の絶対値は０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下
の範囲であることが好ましい。
材料で形成する場合には、第３の強磁性層６の厚さＴ３
と、第２および第４の強磁性層４，８の合計の厚さＴ
（２＋４）とが異なるようにする。この場合、Ｔ３とＴ
（２＋４）との差の絶対値は０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下
の範囲であることが好ましい。
【００１９】また、第２ないし第４の強磁性層４、６、
８に異なる材料を用いることにより、Ｍ３とＭ（２＋
４）の値が異なるようにしてもよい。
８に異なる材料を用いることにより、Ｍ３とＭ（２＋
４）の値が異なるようにしてもよい。
【００２０】さらに、反強磁性的に交換結合した第２な
いし第４の強磁性層４、６、８に接して他の強磁性層を
設けることにより、Ｍ３とＭ（２＋４）の値が異なるよ
うにしてもよい。図２の磁気抵抗効果素子は、図１の構
造に加えて、第１および第２の非磁性層４、７を介して
反強磁性的に交換結合している第２ないし第４の強磁性
層４、６、８のうち、第４の強磁性層８に接して強磁性
層８ｂを設けた構造を有する。この場合、強磁性層８ｂ
としてソフト磁性を示す材料たとえばパーマロイ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金などを用い
れば、より低磁場で磁化反転できるので望ましい。
いし第４の強磁性層４、６、８に接して他の強磁性層を
設けることにより、Ｍ３とＭ（２＋４）の値が異なるよ
うにしてもよい。図２の磁気抵抗効果素子は、図１の構
造に加えて、第１および第２の非磁性層４、７を介して
反強磁性的に交換結合している第２ないし第４の強磁性
層４、６、８のうち、第４の強磁性層８に接して強磁性
層８ｂを設けた構造を有する。この場合、強磁性層８ｂ
としてソフト磁性を示す材料たとえばパーマロイ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金などを用い
れば、より低磁場で磁化反転できるので望ましい。
【００２１】本発明においては、図３に示すように、第
１の強磁性層（磁化固着層）２として非磁性層２ｂを介
して２つの強磁性層２ａ、２ｃが反強磁性的に交換結合
した磁気積層膜を用い、第５の強磁性層（磁化固着層）
１０として非磁性層１０ｂを介して２つの強磁性層１０
ａ、１０ｃが反強磁性的に交換結合した磁気積層膜を用
いてもよい。このように構成では、第１および第５の強
磁性層２、１０の磁化がさらに安定かつ強固に固着され
る。また、第１および第５の強磁性層２、１０からの漏
れ磁界が小さくなるので、磁気記録層１２への磁気的影
響が抑えられ、記録の安定性が増す。
１の強磁性層（磁化固着層）２として非磁性層２ｂを介
して２つの強磁性層２ａ、２ｃが反強磁性的に交換結合
した磁気積層膜を用い、第５の強磁性層（磁化固着層）
１０として非磁性層１０ｂを介して２つの強磁性層１０
ａ、１０ｃが反強磁性的に交換結合した磁気積層膜を用
いてもよい。このように構成では、第１および第５の強
磁性層２、１０の磁化がさらに安定かつ強固に固着され
る。また、第１および第５の強磁性層２、１０からの漏
れ磁界が小さくなるので、磁気記録層１２への磁気的影
響が抑えられ、記録の安定性が増す。
【００２２】次に、本発明の磁気抵抗効果素子に用いら
れる材料について説明する。本発明の磁気抵抗効果素子
では、読み出しはトンネル磁気抵抗効果を利用して磁場
を印加することなく行うことができる。読み出し感度を
大きくするためには、トンネル磁気抵抗効果の大きい材
料を用いることが望ましく、第２ないし第４の強磁性層
４、６、８の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合
金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金などを用い
ることが望ましい。また、第２ないし第４の強磁性層
４、６、８の材料としては、上述したＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ
およびその合金のほかに、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧ
ｅなどのハーフメタルなどを用いることもできる。ハー
フメタルは一方のスピンバンドにエネルギーギャップが
存在するので、これを用いるとより大きな磁気抵抗効果
を得ることができ、結果としてより大きな再生出力が得
られる。
れる材料について説明する。本発明の磁気抵抗効果素子
では、読み出しはトンネル磁気抵抗効果を利用して磁場
を印加することなく行うことができる。読み出し感度を
大きくするためには、トンネル磁気抵抗効果の大きい材
料を用いることが望ましく、第２ないし第４の強磁性層
４、６、８の材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合
金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金などを用い
ることが望ましい。また、第２ないし第４の強磁性層
４、６、８の材料としては、上述したＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ
およびその合金のほかに、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧ
ｅなどのハーフメタルなどを用いることもできる。ハー
フメタルは一方のスピンバンドにエネルギーギャップが
存在するので、これを用いるとより大きな磁気抵抗効果
を得ることができ、結果としてより大きな再生出力が得
られる。
【００２３】また、第２ないし第４の強磁性層４、６、
８は膜面内に弱い一軸磁気異方性を有することが望まし
い。一軸磁気異方性が強すぎると各強磁性層の保磁力が
大きくなり、スイッチング磁場が大きくなるため好まし
くない。一軸磁気異方性の大きさは、１０6ｅｒｇ／ｃ
ｍ3以下、好ましくは１０5ｅｒｇ／ｃｍ3以下である。
各強磁性層の好ましい膜厚は１〜１０ｎｍである。
８は膜面内に弱い一軸磁気異方性を有することが望まし
い。一軸磁気異方性が強すぎると各強磁性層の保磁力が
大きくなり、スイッチング磁場が大きくなるため好まし
くない。一軸磁気異方性の大きさは、１０6ｅｒｇ／ｃ
ｍ3以下、好ましくは１０5ｅｒｇ／ｃｍ3以下である。
各強磁性層の好ましい膜厚は１〜１０ｎｍである。
【００２４】第２ないし第４の強磁性層４、６、８の間
に介在して反強磁性結合をもたらす第１および第２の非
磁性層５、７の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃ
ｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｌ、またはこれらの合金など、多く
の金属を用いることができる。特に、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｉｒ
は、薄い膜厚で大きな反強磁性結合が得られるので好ま
しい。非磁性層の膜厚の好ましい範囲は、０．５〜２ｎ
ｍである。
に介在して反強磁性結合をもたらす第１および第２の非
磁性層５、７の材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃ
ｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｌ、またはこれらの合金など、多く
の金属を用いることができる。特に、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｉｒ
は、薄い膜厚で大きな反強磁性結合が得られるので好ま
しい。非磁性層の膜厚の好ましい範囲は、０．５〜２ｎ
ｍである。
【００２５】トンネル絶縁層の材料としては、Ａｌ
2Ｏ3、ＮｉＯ、酸化シリコン、ＭｇＯなどを用いること
ができる。トンネル絶縁層の膜厚の好ましい範囲は、
０．５〜３ｎｍである。
2Ｏ3、ＮｉＯ、酸化シリコン、ＭｇＯなどを用いること
ができる。トンネル絶縁層の膜厚の好ましい範囲は、
０．５〜３ｎｍである。
【００２６】反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ、Ｉ
ｒＭｎ、ＰｔＭｎなどを用いることができる。
ｒＭｎ、ＰｔＭｎなどを用いることができる。
【００２７】本発明の磁気抵抗効果素子を構成する種々
の薄膜は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパ
ッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成方法により形成する
ことができる。
の薄膜は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパ
ッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成方法により形成する
ことができる。
【００２８】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００２９】実施例１ 図２に示すような磁気抵抗効果素子を作製した例につい
て説明する。マグネトロンスパッタ装置を用いて、熱酸
化Ｓｉ基板上に、１０ｎｍのＴａ／１０ｎｍのＮｉＦｅ
からなる下地層、５０ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性
層１、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第１の強磁性層
２、１．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなる第１のトンネル絶縁
層３、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第２の強磁性層
４、０．８ｎｍのＲｕからなる第１の非磁性層５、１．
５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第３の強磁性層６、０．８
ｎｍのＲｕからなる第２の非磁性層７、２．０ｎｍのＮ
ｉＦｅからなる強磁性層８ｂ、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅ
からなる第４の強磁性層８、１．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3から
なるトンネル絶縁層９、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからな
る第５の強磁性層１０、５０ｎｍのＩｒＭｎからなる反
強磁性層１１を順次積層した。
て説明する。マグネトロンスパッタ装置を用いて、熱酸
化Ｓｉ基板上に、１０ｎｍのＴａ／１０ｎｍのＮｉＦｅ
からなる下地層、５０ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性
層１、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第１の強磁性層
２、１．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなる第１のトンネル絶縁
層３、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第２の強磁性層
４、０．８ｎｍのＲｕからなる第１の非磁性層５、１．
５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからなる第３の強磁性層６、０．８
ｎｍのＲｕからなる第２の非磁性層７、２．０ｎｍのＮ
ｉＦｅからなる強磁性層８ｂ、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅ
からなる第４の強磁性層８、１．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3から
なるトンネル絶縁層９、１．５ｎｍのＣｏ9Ｆｅからな
る第５の強磁性層１０、５０ｎｍのＩｒＭｎからなる反
強磁性層１１を順次積層した。
【００３０】この素子では、第２の強磁性層４、第１の
非磁性層５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、強
磁性層８ｂ、第４の強磁性層８で磁気記録層１２が構成
されている。この磁気記録層１２においては、第１の非
磁性層５を介して第２および第３の強磁性層４、６が反
強磁性結合しており、第２の非磁性層７を介して第３お
よび第４の強磁性層６、８が反強磁性結合している。Ｎ
ｉＦｅ強磁性層８ｂは、第３の強磁性層６の磁化の値Ｍ
３と、第２および第４の強磁性層４、８の磁化を加えた
値Ｍ（２＋４）を互いに異ならせるために設けている。
非磁性層５、第３の強磁性層６、第２の非磁性層７、強
磁性層８ｂ、第４の強磁性層８で磁気記録層１２が構成
されている。この磁気記録層１２においては、第１の非
磁性層５を介して第２および第３の強磁性層４、６が反
強磁性結合しており、第２の非磁性層７を介して第３お
よび第４の強磁性層６、８が反強磁性結合している。Ｎ
ｉＦｅ強磁性層８ｂは、第３の強磁性層６の磁化の値Ｍ
３と、第２および第４の強磁性層４、８の磁化を加えた
値Ｍ（２＋４）を互いに異ならせるために設けている。
【００３１】全ての膜は真空を破ることなく形成した。
第１および第２のトンネル絶縁層３、９を構成するＡｌ
2Ｏ3は、Ａｌ金属をスパッタした後、プラズマ酸化する
ことにより形成した。なお、下地層、第１の反強磁性層
１および第１の強磁性層２は１００μｍ幅の下部配線形
状の開口を有するマスクを通して成膜した。第１のトン
ネル絶縁層３に変換されるＡｌは接合部形状の開口を有
するマスクを通して成膜した。第１のトンネル絶縁層３
より上部の各層は下部配線に直交する方向に延びる１０
０μｍ幅の上部配線形状の開口を有するマスクを通して
成膜した。これらの工程中において、真空チャンバー内
でこれらのマスクを交換した。こうして接合面積を１０
０×１００μｍ2とした。また、成膜時に１００Ｏｅの
磁界を印加して、膜面内に一軸異方性を導入した。
第１および第２のトンネル絶縁層３、９を構成するＡｌ
2Ｏ3は、Ａｌ金属をスパッタした後、プラズマ酸化する
ことにより形成した。なお、下地層、第１の反強磁性層
１および第１の強磁性層２は１００μｍ幅の下部配線形
状の開口を有するマスクを通して成膜した。第１のトン
ネル絶縁層３に変換されるＡｌは接合部形状の開口を有
するマスクを通して成膜した。第１のトンネル絶縁層３
より上部の各層は下部配線に直交する方向に延びる１０
０μｍ幅の上部配線形状の開口を有するマスクを通して
成膜した。これらの工程中において、真空チャンバー内
でこれらのマスクを交換した。こうして接合面積を１０
０×１００μｍ2とした。また、成膜時に１００Ｏｅの
磁界を印加して、膜面内に一軸異方性を導入した。
【００３２】この磁気抵抗効果素子について、４端子法
を用いて磁気抵抗を測定したところ、それぞれ約１０Ｏ
ｅの小さなスイッチング磁界で２２％の磁気抵抗変化が
観測された。
を用いて磁気抵抗を測定したところ、それぞれ約１０Ｏ
ｅの小さなスイッチング磁界で２２％の磁気抵抗変化が
観測された。
【００３３】実施例２ フォトリソグラフィを用いた微細加工により、実施例１
と同様の積層構造を有するが、実施例１よりも接合面積
が小さい磁気抵抗効果素子を作製した。トンネル接合の
面積は、５×５μｍ2、１×１μｍ2または０．４×０．
４μｍ2とした。これらの磁気抵抗効果素子について、
４端子法を用いて磁気抵抗を測定したところ、それぞれ
１２Ｏｅ、２５Ｏｅ、３５Ｏｅという小さな磁界で磁気
抵抗変化が観測された。このように、接合面積が小さく
なっても、スイッチング磁界はそれほど顕著に増加して
いない。これは、磁気記録層として反強磁性結合した積
層磁性膜を用いているため、発生する反磁界が素子サイ
ズにあまり依存しないためであると考えられる。
と同様の積層構造を有するが、実施例１よりも接合面積
が小さい磁気抵抗効果素子を作製した。トンネル接合の
面積は、５×５μｍ2、１×１μｍ2または０．４×０．
４μｍ2とした。これらの磁気抵抗効果素子について、
４端子法を用いて磁気抵抗を測定したところ、それぞれ
１２Ｏｅ、２５Ｏｅ、３５Ｏｅという小さな磁界で磁気
抵抗変化が観測された。このように、接合面積が小さく
なっても、スイッチング磁界はそれほど顕著に増加して
いない。これは、磁気記録層として反強磁性結合した積
層磁性膜を用いているため、発生する反磁界が素子サイ
ズにあまり依存しないためであると考えられる。
【００３４】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ＭＲＡＭを説明する。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。
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ＭＲＡＭを説明する。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。
【００３５】図４に示すように、シリコン基板２１、ゲ
ート電極２２、ソース、ドレイン領域２３、２４からな
るトランジスタ２０が形成されている。ゲート電極２２
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２２上には絶縁層を介して書き込み用の
ワードライン（ＷＬ２）３１が形成されている。トラン
ジスタ２０のドレイン領域２４にはコンタクトメタル３
２が接続され、さらにコンタクトメタル３２には下地層
３３が接続されている。この下地層３３上の書き込み用
のワードライン（ＷＬ２）３１の上方に対応する位置
に、本発明に係る強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）１
００が形成されている。ＴＭＲ１００は、図１〜図３に
示した構造のいずれを有していてもよい。このＴＭＲ１
００上にビットライン（ＢＬ）３４が形成されている。
ート電極２２、ソース、ドレイン領域２３、２４からな
るトランジスタ２０が形成されている。ゲート電極２２
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２２上には絶縁層を介して書き込み用の
ワードライン（ＷＬ２）３１が形成されている。トラン
ジスタ２０のドレイン領域２４にはコンタクトメタル３
２が接続され、さらにコンタクトメタル３２には下地層
３３が接続されている。この下地層３３上の書き込み用
のワードライン（ＷＬ２）３１の上方に対応する位置
に、本発明に係る強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）１
００が形成されている。ＴＭＲ１００は、図１〜図３に
示した構造のいずれを有していてもよい。このＴＭＲ１
００上にビットライン（ＢＬ）３４が形成されている。
【００３６】図５の等価回路図に示すように、トランジ
スタ２０と本発明の強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）
１００とからなる複数のメモリセルはアレイ状に配列さ
れている。トランジスタ２０のゲート電極からなる読み
出し用のワードライン（ＷＬ１）２２と、書き込み用の
ワードライン（ＷＬ２）３１とは平行に配置されてい
る。また、ＴＭＲ１０の上部に接続されたビットライン
（ＢＬ）３４は、ワードライン（ＷＬ１）２２およびワ
ードライン（ＷＬ２）３１と直交して配置されている。
スタ２０と本発明の強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）
１００とからなる複数のメモリセルはアレイ状に配列さ
れている。トランジスタ２０のゲート電極からなる読み
出し用のワードライン（ＷＬ１）２２と、書き込み用の
ワードライン（ＷＬ２）３１とは平行に配置されてい
る。また、ＴＭＲ１０の上部に接続されたビットライン
（ＢＬ）３４は、ワードライン（ＷＬ１）２２およびワ
ードライン（ＷＬ２）３１と直交して配置されている。
【００３７】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メモリセルを
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、多数のメモリセルをアレイ状
に配置した構造が考えられる。
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メモリセルを
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、多数のメモリセルをアレイ状
に配置した構造が考えられる。
【００３８】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、素
子サイズを小さくしても、反磁界の影響なしに小さな磁
界で磁気抵抗効果が得られ、記録に要するパワーを軽減
できる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
子サイズを小さくしても、反磁界の影響なしに小さな磁
界で磁気抵抗効果が得られ、記録に要するパワーを軽減
できる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子の断面図。
【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。
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。
とからなるＭＲＡＭの等価回路図。
１…第１の反強磁性層 ２…第１の強磁性層 ３…第１のトンネル絶縁層 ４…第２の強磁性層 ５…第１の非磁性層 ６…第３の強磁性層 ７…第２の非磁性層 ８…第４の強磁性層 ９…第２のトンネル絶縁層 １０…第５の強磁性層 １１…第２の反強磁性層 １２…磁気記録層 ２０…トランジスタ ２１…シリコン基板 ２２…ゲート電極（読み出し用ワードライン） ２３、２４…ソース、ドレイン領域 ３１…書き込み用ワードライン ３２…コンタクトメタル ３３…下地層 ３４…ビットライン １００…強磁性トンネル接合素子（ＴＭＲ）
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ１１Ｃ 11/15 Ｈ０１Ｆ 10/26 Ｈ０１Ｆ 10/26 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ
Claims (2)
- 【請求項１】 第１の反強磁性層／第１の強磁性層／第
１のトンネル絶縁層／第２の強磁性層／第１の非磁性層
／第３の強磁性層／第２の非磁性層／第４の強磁性層／
第２のトンネル絶縁層／第５の強磁性層／第２の反強磁
性層が積層された強磁性二重トンネル接合を有する磁気
抵抗効果素子であって、第２および第３の強磁性層が第
１の非磁性層を介して反強磁性結合しており、第３およ
び第４の強磁性層が第２の非磁性層を介して反強磁性結
合していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項２】 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子とト
ランジスタまたはダイオードを含むメモリセルをアレイ
状に配置したことを特徴とする磁気メモリ装置。
Priority Applications (12)
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|---|---|---|---|
| JP2000265664A JP3977576B2 (ja) | 1999-09-17 | 2000-09-01 | 磁気メモリ装置 |
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| KR10-2000-0054157A KR100401777B1 (ko) | 1999-09-16 | 2000-09-15 | 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치 |
| EP00308041A EP1085586B1 (en) | 1999-09-16 | 2000-09-15 | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
| DE60037784T DE60037784T2 (de) | 1999-09-16 | 2000-09-15 | Magnetoresistives Element und magnetische Speicheranordnung |
| CNB001353195A CN1185630C (zh) | 1999-09-16 | 2000-09-15 | 磁存储装置 |
| KR10-2003-0011988A KR100421408B1 (ko) | 1999-09-16 | 2003-02-26 | 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치 |
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| US10/797,136 US6987653B2 (en) | 1999-09-16 | 2004-03-11 | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
| US11/110,869 US7038894B2 (en) | 1999-09-16 | 2005-04-21 | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
| US11/367,483 US7345852B2 (en) | 1999-09-16 | 2006-03-06 | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
| US11/847,496 US7593193B2 (en) | 1999-09-16 | 2007-08-30 | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
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Publications (2)
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|---|---|
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