JP2002084019A - 磁気デバイス及び固体磁気メモリ - Google Patents

磁気デバイス及び固体磁気メモリ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＰＰ型ＧＭＲデバイスにおいて、ハード層
の安定性に優れ、より高密度で、作製が容易な磁気デバ
イスを提供する。 【解決手段】 基板上に細孔層があり、該細孔層の一部
もしくは全てに強磁性層と非磁性層が積層されており、
電流を該細孔の軸方向に印加して用いる磁気デバイスに
おいて、細孔層の積層構造中に、複数の強磁性層１６、
１７同士が非磁性層１８を介して反強磁性的結合を有す
る積層構造部分であるハード層１５と、フリー強磁性層
１４とが非磁性層１９を介して積層されたことを特徴と
する磁気デバイス；並びに、この磁気デバイスを具備す
る固体磁気メモリ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明の磁気デバイスは、磁
気メモリや磁気センサー、スピン演算デバイスなど広い
範囲で利用可能である。特に本発明は、固体磁気メモリ
デバイスの一部として有用である。
【０００２】
【従来の技術】従来、固体メモリデバイスとしては、DR
AM、SRAM、フラッシュメモリ、EEPROM、FeRAMが用いら
れてきた。しかし、近年、不揮発性、高速性、高密度化
の観点から、磁気固体メモリ、特にＴＭＲやＧＭＲ効果
を用いたメモリに興味が持たれ、研究が進んでいる。以
下の説明においては、本発明に関連深い固体磁気メモリ
について説明する。
【０００３】まず、巨大磁気抵抗について簡単に説明す
る。ＧＭＲは、1986〜1988年にFertらとGrunbergらによ
って強磁性（Ｆｅ）／非磁性（Ｃｒ）人工格子でＡＭＲ
より巨大な磁気抵抗が発見されたものであり、巨大磁気
抵抗（Giant Magneto-Resistance, GMR）と呼ばれてい
る。このＧＭＲは、印加磁場に対して負の抵抗変化率を
有し、抵抗率の変化が大きい（数十％）という特徴を有
する。ＧＭＲの原因は、定性的に次の様に説明されてい
る。まず、磁場が無い場合には人工格子の磁性層が反強
磁性的に配列している（層間反強磁性）。ここに磁場を
印加すると、各層の磁化が平行になっていく。この際、
伝導電子が磁化反平行状態で強く散乱され、磁化平行状
態で弱く散乱される様なスピンに依存した機構を受け
て、電気抵抗が磁場により減少する。理論的には、ＲＫ
ＫＹ型の長距離性交換相互作用や量子井戸モデルにより
層間磁化の反平行性について研究されており、伝導電子
の２流体モデルに基づいた理論により層間のスピン依存
散乱が議論されている。
【０００４】このＧＭＲ効果をメモリ等のデバイスとし
て利用するには、一部の強磁性層の磁化の向きを固定化
し、その他の強磁性層の磁化の向きを変化させてメモリ
とする。この様な構成のデバイスを、スピンバルブ型と
呼んでいる。また、磁化の向きが変わらない層（高い保
持力を有する層）をハード層（ピン層）、磁化の向きが
変わる層（低い保持力を有する層）をフリー層と呼んで
いる。これとは逆に、ハード層に記録し、フリー層を反
転させてその抵抗変化から磁化状態（メモリ状態）を読
み取る方法も採用されている。
【０００５】このＧＭＲには、ＣＩＰ型、ＣＰＰ型、そ
の混合の型であるＣＡＰ型、及びグラニュラー合金型な
どが知られている。一般的には、その作製容易性からＣ
ＩＰ構造が最も研究されている。しかし、電流が積層面
に平行に流れるＣＩＰ型は界面スピン散乱をしない伝導
電子の寄与などにより、抵抗率変化は４０〜５０％程度
である。これに比べて、電流が積層面に垂直に流れるＣ
ＰＰ型は、積層界面で全ての電子がそのスピン状態に依
存したスピン散乱を受けること、及び積層構造に由来す
るエネルギーギャップによるフェルミ速度増大の効果な
どにより、抵抗率変化は１００％を超える場合もあり、
ＣＰＰ型の方が基本的な特性は良い。
【０００６】しかしながら、ＣＰＰ型は膜面に垂直に電
気を流すので、その抵抗自体は非常に小さな値になりが
ちである。そのため、積層構造を内包する細孔は、非常
に断面積の小さな形状にする必要がある。
【０００７】細孔中へのＣＰＰ型ＧＭＲデバイスにおい
て、単純な強磁性層／非磁性層の積層構造ではない構成
例として、Applied Physics Letters Vol.70、 396(199
7)に記載のものが挙げられる。この論文では、ＮｉＦｅ
合金／Ｃｕ／ＮｉＦｅ合金の３層構造を厚いＣｕ層で挟
んで積層した例が記述されているが、この作用により飽
和磁界が減少する効果が見られている。しかしながら、
この構成例では、まだ十分なメモリ効果は現れていな
い。
【０００８】また、メモリ効果を示した例として、Appl
ied Physics Letters Vol.76、 354(2000)に記載のもの
が挙げられる。この論文では、図６ａに示す様な層厚の
厚い強磁性層（ハード層６１）と層厚の薄い強磁性層
（フリー強磁性層１４）を非磁性層６２を挟んで積層し
た構成にして、これにより１０％程度の抵抗変化を有す
るメモリ効果を奏することが記述されている。しかし、
このメモリ状態の反転は明確なものではない。
【０００９】＜トンネル型磁気メモリ＞トンネル接合を
用いたメモリセルとしては、特開平１０−１９００９０
号公報に開示されている様なスピンバルブ型が一般的で
ある。この様なセルは、ピン層、絶縁層、強磁性層など
の積層構造からなっている。強磁性層における磁化の向
きは普通セルの長軸方向を向いている。特に絶縁層を挟
んだ２枚の強磁性層の向きが等しいときトンネル電流が
大きくなり、セルの抵抗値は小さくなる。逆に絶縁層を
挟んだ２枚の強磁性層の向きが逆向きの場合トンネル電
流は小さくなり、セルの抵抗値は大きくなる。図６ｂに
示す様に、この強磁性体層の磁化の向きは、普通２枚の
磁性体層の内の１つの磁性体層（ピン層６１）は反強磁
性層６３で固定しておき、もう一方の磁性体層（フリー
強磁性層１４）の磁化の向きを変えている。このフリー
強磁性層１４の磁化の向きは、素子の上下配線の電流に
より発生された磁界により制御され、保持される。一般
的には、直交する上下配線から発生される磁界のベクト
ル和により、選択されたセル部分にのみ書き込みが行わ
れる。読み出しは、セルに配線された読み出し線などに
よって行う。セルの選択はＭＯＳＦＥＴ等で行われる。
【００１０】ＴＭＲ型の抵抗変化率は計算上いくらでも
大きくできるが、実際に作製できる値としては４０〜６
０％程度である。また、作製上および特性上もっとも問
題となっているのは絶縁層の作製方法と抵抗変化率のバ
イアス依存性である。すなわち、１ｎｍ程度の絶縁層を
均一に作製する必要性があるが、これは作製上困難を伴
う。また、電圧を大きくすると抵抗変化率が大きく低下
していくというバイアス依存性問題が発生する。これら
の問題点は前記ＧＭＲデバイスには存在しなかったもの
である。
【００１１】ところで、本発明はＣＰＰ型のＧＭＲ構造
を用いるので、アスペクト比の大きな細孔が必要とな
る。この構造を得る方法として、トラックエッチによる
メンブレンフィルターや陽極酸化アルミナが知られてい
る。以下、最も好ましい陽極酸化アルミナについて詳し
く説明する。
【００１２】＜陽極酸化アルミナについて＞Ａｌ板を、
硫酸、シュウ酸、りん酸などの酸性電解液中で陽極酸化
すると、ポーラス型陽極酸化皮膜である陽極酸化アルミ
ナ層が形成される［たとえば R.C.Furneaux, W.R.Rigby
& A.P.Davidson NATURE Vol.337 P147(1989)等参
照］。このポーラス皮膜の特徴は、直径が数ｎｍ〜数百
ｎｍの極めて微細な円柱状細孔（ナノホール）が、数十
ｎｍ〜数百ｎｍの間隔で平行に配列するという特異的な
幾何学的構造を有することにある。この円柱状の細孔
は、高いアスペクト比を有し、断面の径の一様性にも優
れている。
【００１３】また、ポーラス皮膜の構造は、陽極酸化の
条件を変えることにより、ある程度の制御が可能であ
る。たとえば、陽極酸化電圧で細孔間隔を、陽極酸化時
間で細孔の深さを、ポアワイド処理により細孔径をある
程度制御可能であることが知られている。ここでポアワ
イド処理とはアルミナのエッチング処理であり、普通り
ん酸でのウェットエッチング処理を用いる。
【００１４】また、ポーラス皮膜の細孔の垂直性、直線
性及び独立性を改善するために、２段階の陽極酸化を行
なう方法、すなわち、陽極酸化を行って形成したポーラ
ス皮膜を一旦除去した後に再び陽極酸化を行なって、よ
り良い垂直性、直線性、独立性を示す細孔を有するポー
ラス皮膜を作製する方法が提案されている（JapaneseJo
urnaｌ of Applied Phisics, Vol.35, Part 2, No.1B,
pp.L126-L129, 15 January 1996）。この方法は、最初
の陽極酸化により形成した陽極酸化皮膜を除去する時に
できるＡｌ板の表面の窪みが、２度目の陽極酸化の細孔
の形成開始点となることを用いている。
【００１５】さらに、ポーラス皮膜の細孔の形状、間隔
及びパターンの制御性を改善するために、スタンパーを
用いて細孔の形成開始点を形成する方法、すなわち、複
数の突起を表面に備えた基板をＡｌ板の表面に押しつけ
てできる窪みを細孔の形成開始点として形成した後に陽
極酸化を行なって、より良い形状、間隔及びパターンの
制御性を示す細孔を有するポーラス皮膜を作製する方法
も提案されている［特開平１０−１２１２９２号公報、
もしくは、益田 固体物理 31,493(1996)等］。また、ハ
ニカムではなく同心円状に細孔を形成する技術も報告さ
れている（特開平１１−２２４４２２号公報等）。
【００１６】また、特開平１０―２８３６１８号公報に
は、上述したような陽極酸化アルミナナノホール中に、
ＧＭＲ特性を有する積層磁性膜を埋め込む技術が開示さ
れている。この公報には、ハード強磁性層とフリー強磁
性層の形成を組成の違いにより構成する技術が示されて
いるが、その抵抗変化率は１０％程度であり、メモリ効
果も不充分なものである。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】先に述べた一般的なＧ
ＭＲ磁気デバイスは、ＣＩＰ型なので抵抗変化率が４０
％程度であり十分ではなかった。また、ＣＰＰ型のＧＭ
Ｒデバイスにおいてもハード層の安定性、均一性は不充
分なものであった。
【００１８】本発明の目的は、これら従来技術の課題を
解決することにあり、ＣＰＰ型ＧＭＲデバイスにおいて
もアスペクト比が大きなセル中でのハード層の安定性に
優れ、ハード層とフリー層の磁化の初期状態をより簡便
に且つ安定に発生させる積層構造を有し、また、より高
密度で、作製が容易な磁気デバイス、及びこれを具備す
る固体磁気メモリを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、基
板上に細孔が形成された細孔層を有し、且つ該細孔内の
一部もしくは全てに強磁性層と非磁性層が積層されてお
り、且つ電流を該細孔の軸方向に印加して用いる磁気デ
バイスにおいて、該細孔内の積層構造中に、複数の該強
磁性層同士が該非磁性層を介して反強磁性的結合を有す
る積層構造部分であるハード層と、フリー強磁性層と
が、非磁性層を介して積層されてなることを特徴とする
磁気デバイス；及びこれを具備する固体磁気メモリによ
り達成できる。
【００２０】本発明においては、ハード層中の非磁性層
を介して反強磁性的結合している強磁性層の層数が３以
上の奇数枚である磁気デバイス、特に、ハード層中の複
数の強磁性層が、保持力の大きい強磁性層と保持力の小
さい強磁性層とからなる磁気デバイスが好ましい。さら
には、ハード層中の強磁性層の層数が３であり、且つ層
厚の厚い強磁性層が層厚の薄い強磁性層に非磁性層を介
して挟まれている磁気デバイス、もしくは、層厚の薄い
強磁性層が層厚の厚い強磁性層に非磁性層を介して挟ま
れている磁気デバイスが好ましい。さらに、ハード層と
フリー強磁性層が非磁性層を介して積層されてなる単位
ユニット（ハード層／非磁性層／フリー強磁性層／非磁
性層）が、５周期以上積層されていることが好ましい。
【００２１】また本発明においては、非磁性層の主成分
がＣｕであり、強磁性層の主成分がＣｏもしくはＦｅＮ
ｉ合金であることが好ましい。また、細孔層が、陽極酸
化アルミナナノホール層であることが好ましく、この場
合、細孔底部にＣｕを主成分とする下地層が存在するこ
と、複数の細孔が、ハニカム配列もしくは長方配列され
ていることが好ましい。また、強磁性層と非磁性層は、
電着により作製されたものであることが好ましい。
【００２２】次に、本発明の作用を図１を用いて説明す
る。ここで、図１ａはハード層に３層の強磁性層を用い
た場合の磁気デバイスの鳥瞰図であり、図１ｂはその部
分断面図である。図中、１０は積層磁性体、１１は細
孔、１２は細孔層、１３は下地層、１４はフリー強磁性
層、１５はハード層、１６はハード層内の薄い強磁性
層、１７はハード層内の厚い強磁性層、１８はハード層
内の薄い非磁性層、１９はフリー層を実現させる為の厚
い非磁性層である。図１に示すのは、強磁性層３層から
なるハード層を用いた例であり、上部の配線などは省略
してある。
【００２３】まず、磁化の初期状態を決めるために、図
１ｂの右向きに十分大きな磁界を印加すると、すべての
強磁性層の磁化は印加磁場の方向を向く（状態Ａ）。次
に、印加磁界をゼロにするか若干逆向きの磁界を印加す
ると、ハード磁性層１５内の保持力の小さい薄い強磁性
層１６は反転して、保持力の大きい厚い強磁性層１７と
反強磁性的な磁化状態に落ち着く（状態Ｂ）。これはハ
ード層１５内の各強磁性層間の相互作用が大きいため、
ハード層１５内の強磁性層がすべて同じ方向を向いてい
るよりも、交互に逆向きの磁化状態に変化した方がエネ
ルギー的に安定な為である。この反転は、層厚の薄い
（保持力の小さい）強磁性層１８の方が起き易く、層厚
の厚い（保持力の大きい）強磁性層１７の向きは変化し
ない。また、フリー磁性層１４は、非磁性層１９を挟ん
で隣接する強磁性層１６との相互作用が弱いため、初期
の磁化状態を維持する。その結果として図１ｂに図示し
た状態になる。この状態は各強磁性層が互い違いの向き
を向いているため、ＧＭＲとしては高抵抗状態になって
いる。
【００２４】次に、同図左向きに磁界を印加していく
と、まず強磁性層であるフリー磁性層１４が印加磁界方
向に反転する（状態Ｃ）。この状態では、フリー磁性層
１４に非磁性層１９を挟んで隣接するハード層１５内の
強磁性層と１６フリー磁性層１４の磁化方向が同じにな
るので低抵抗状態となる。さらに、左向きに印加磁界を
大きくすると、すべての強磁性層が左向きに磁化される
ため（状態Ｄ）、さらなる低抵抗状態になるが、磁界の
印加を無くすとハード層１５内の薄い強磁性層１６の磁
化の向きは反転する（状態Ｅ）。
【００２５】このような磁化印加の過程において、例え
ば、状態ＢとＣをメモリの０と１に対応させ、適度な印
加磁場でフリー磁性層１４の磁化をスイッチすることに
より、メモリ作用が生まれることになる。また例えば、
状態Ｂ、Ｃと状態Ｅをメモリの０と１に対応させ、比較
的大きな印加磁場でスイッチすることにより、ハード層
１５内の磁化反転を伴うメモリ作用が生まれることにな
る。後者の例では、フリー強磁性層１４のみを反転させ
て抵抗変化を読み取ることにより、ハード層１５内の強
磁性層の状態を読み取れるので、Ｓ／Ｎ比が高いメモリ
デバイスとして有用である。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明における強磁性層の材料と
しては、導電性を有する強磁性体ならば何でも構わない
が、スピン分極率の高い材料、組成制御の容易な材料が
好ましい。このような材料としては、例えば、鉄族のＣ
ｏ、Ｆｅ、Ｎｉの単体やこれらの合金、もしくはこれら
の元素を主成分とする合金や酸化物が挙げられる。各強
磁性層の厚みは、サブｎｍから数１０ｎｍまで可能であ
るが、１ｎｍ〜５ｎｍの層厚であることが、抵抗変化率
の特性から考えて好ましい。
【００２７】非磁性層の材料としては、導電性を有する
非磁性金属であれば良いが、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃ
ｒ、Ａｕなどの金属の単体、もしくはこれらの金属を主
成分とする合金が好ましい。各非磁性層の厚みは、サブ
ｎｍから数１０ｎｍまで可能であるが、１ｎｍ〜１０ｎ
ｍの層厚であることが、抵抗変化率の特性から考えて好
ましい。
【００２８】これら強磁性層と非磁性層の積層について
は、図１ｂに示したように、積層構造中に反強磁性的結
合を有する積層構造部分であるハード層と、フリー強磁
性層が存在すれば良い。フリー強磁性層は、層厚が厚め
の非磁性層に挟まれた薄い強磁性層が良く、その層厚
は、厚い非磁性層が数ｎｍから数１０ｎｍであり、フリ
ー強磁性層がサブｎｍから数ｎｍ程度であることが好ま
しい。
【００２９】ハード層は、基本的には薄い非磁性層を挟
んだ強磁性層が２層以上ある構成をとればよい。このハ
ード層は、フリー強磁性層との磁気的結合を弱める為に
厚い非磁性層で挟まれていることが好ましい。ハード層
中の非磁性層の厚みは、サブｎｍから数ｎｍが好まし
く、ハード層中の強磁性層の層厚は、サブｎｍから数１
０ｎｍが好ましい。
【００３０】ハード層中の強磁性層は、保持力の大きい
強磁性層と保持力の小さい強磁性層を組み合わせた構成
である方が好ましい。例えば、図１ｂに示したように、
厚い強磁性層と薄い強磁性層を組み合わせる方が反強磁
性的結合状態を作り出す上で好ましい。すなわち、強磁
界を印加した状態から図１ｂに示した磁化状態に安定に
移行させるには、厚い強磁性層を固定した状態で薄い強
磁性層の磁化を反転させるのが有効である。この状態を
形成させるには、図１ｂに示した様な「薄い強磁性層／
薄い非磁性層／厚い強磁性層／薄い非磁性層／薄い強磁
性層」の積層構成以外に、図２ａに示す様な「厚い強磁
性層／薄い非磁性層／薄い強磁性層／薄い非磁性層／厚
い強磁性層」の積層構成も有効である。また、この状態
を連続させた図２ｂに示す様な５層の強磁性層を用いて
ハード層にした構成も、ハード層としてより安定なもの
になる。ただし図２ｂに示す様な構成は、抵抗変化率に
寄与する層の割合が少なくなるので、ハード層中の強磁
性層の枚数は、図１ｂや図２ａに示した様に３枚である
ことが好ましい。
【００３１】さらに、ハード層中の強磁性層の枚数が２
層や４層である例を図３ａ、ｂに示す。ただし、図３ａ
の様な状態ではフリー強磁性層の磁化が反転しても抵抗
変化が十分現れないことがある。また、図３ｂに示す様
なハード層中で厚い強磁性層が非磁性層を挟んで隣接す
る状態ではハード層自身が磁界に対して不安定になる傾
向にある。これらのことから、ハード層中の強磁性層の
枚数は、３以上の奇数枚であることが好ましく、さらに
は、強磁性層は３枚で、図１ｂに示した様に非磁性層を
介して厚い強磁性層が薄い強磁性層に挟まれているか、
図２ａに示した様に薄い強磁性層が厚い強磁性層に挟ま
れている構成が最も有効である。
【００３２】本発明の磁気デバイスは、細孔中に上記の
ように積層された磁性体を埋め込んだ構成を有するが、
図１ｂ、図２ａ,ｂ、図３ａ,ｂに示した積層例は、積層
構造の１.５単位ユニット分だけ図示したものである。
すなわち、実際には細孔中の一部もしくは下から上に渡
って複数の単位ユニットが繰り返し積層されている。よ
って、実際の積層の周期は細孔の長さと単位ユニットの
長さで決まる。本発明においては、単位ユニットを５周
期から数１００周期を連結して構成することが好まし
い。
【００３３】本発明の磁気デバイスでは、上記積層構造
が細孔中に存在することが、十分な信号検出の為に必要
である。細孔の径は数ｎｍ〜数１００ｎｍの範囲内が好
ましく、細孔のアスペクト比は５以上であることが好ま
しい。細孔の断面形状は、円形、楕円形、長方形等にす
ることができるが、各細孔の断面は均一であることが好
ましい。細孔の断面形状が長方形の場合には強磁性膜中
の磁化の向きが長軸方向を向いていることが好ましく、
円形の場合は回転磁化を利用することも可能である。
【００３４】細孔を作製するには、一般的な半導体リソ
グラフィー法やＥＢリソグラフィー法なども利用可能で
あるが、アスペクト比が大きい細孔を制御性良く作製す
る方法としては、アルミニウムの陽極酸化法で作製する
のが非常に有効である。アルミニウムの陽極酸化では細
孔径は約１０〜数１００ｎｍまで制御でき、また細孔間
隔も細孔径より若干大きい値から約５００ｎｍまで制御
可能である。アルミの陽極酸化には各種の酸が利用可能
であるが、微細な間隔の細孔を作製するには硫酸浴、比
較的大きな間隔の細孔を作製するにはりん酸浴、その間
の細孔を作製するには蓚酸浴が好ましい。細孔径は、陽
極酸化後にりん酸などの溶液中でエッチングする方法に
より拡大可能である。
【００３５】細孔を規則的に作製するには、前述したよ
うに細孔の形成の開始点になる窪みをアルミ表面に作製
しておく方法や、２段の陽極酸化法を用いるのが有効で
ある。本発明に用いる細孔配列としては、図４ａ,ｂに
示すような長方配列やハニカム配列、その特別な場合で
ある正方配列などが好ましい。但し、一個一個の細孔に
配線して利用する場合はこの様な規則的配列が必要であ
るが、複数個まとめて配線して使用する場合にはランダ
ムな配列でもかまわない。
【００３６】陽極酸化アルミナナノホールの下地金属と
しては、各種の金属が利用可能であるが、例えば細孔中
に電着法により積層膜を作製する場合は、電着制御性の
観点から下地金属はＣｕであることが好ましい。
【００３７】被陽極酸化層としてはＡｌが一般的に用い
られるが、Ａｌを主成分とする膜で陽極酸化できるもの
ならば、他の元素が含まれていてもかまわない。このＡ
ｌの成膜には、例えば、抵抗加熱による真空蒸着法、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法などが利用できる。但し、あ
る程度平坦な表面を有する膜を形成できる方法でなけれ
ば好ましくない。
【００３８】細孔中に強磁性体と非磁性体を積層埋め込
む為には、真空蒸着法やスパッタリング法なども利用可
能であるが、アスペクト比が大きな細孔へ埋め込むには
電着法が好ましい。電着法で積層膜を作製するには電解
電位の異なるイオンを含む溶液中でパルス電着する方法
が有効である。電着法に有利な材料としてはＣｕとＣｏ
の積層膜や、ＣｕとＮｉＦｅ合金の積層膜などが好まし
い。
【００３９】本発明の磁気デバイスは、特に固体磁気メ
モリの一部として利用することが非常に有用な用途であ
る。ただし、その他、磁気センサーを始め、磁気スイッ
チングデバイス、磁気演算デバイスのシグナル検出部な
どにも利用可能である。本発明の磁気デバイスを磁気セ
ンサーとして利用する場合は、細孔底部と上部に最低２
本の配線が必要である。また、メモリとして用いる場合
は、これら読みより線以外に、書き込み線等も必要であ
る。
【００４０】
【実施例】以下、実施例を挙げて、本発明を更に詳細に
説明する。
【００４１】＜実施例１〜６、比較例１＞本実施例で
は、陽極酸化アルミナナノホールの細孔層を用いて、細
孔内に各種の積層電着を行った。図５ａ〜ｅは本実施例
のプロセスの示す為の模式的断面図であり、図中、５１
は基板、１３は下地層、５２はＡｌ膜、１３は下地層、
５３はアルミナナノホール、５４は陽極酸化アルミナ
層、１０は積層磁性体、５５は表面絶縁層、５６は上部
電極である。
【００４２】まず、Ｓｉ基板５１上に、下地層１３とし
てＴｉ、Ｃｕをスパッタリング法により各々５ｎｍ、１
０ｎｍ成膜し、その上にＡｌ膜５２をスパッタリング法
により１μｍ積層成膜して、図５ａに示す状態にした。
その基板をＡｌ表面部分以外が溶液に触れないようホル
ダーに設置してから、１６℃に保持した０.３モル／リ
ットル（０.３Ｍ）の蓚酸溶液中で４０Ｖの定電圧でＡ
ｌ表面から陽極酸化を行った。このＡｌの陽極酸化が終
了して陽極酸化電流が低下した時に陽極酸化を終了し、
その後５質量％のりん酸溶液中で３０分ポアワイド（開
孔）処理を行った。この処理により、Ａｌ膜５２は、図
５ｂに示す様に、直径約５０ｎｍの細孔（アルミナナノ
ホール５３）を有する陽極酸化アルミナナノホール膜に
なっており、細孔底部は若干の拡大部分を有してＣｕ下
地膜１３に貫通していた。
【００４３】次に、この陽極酸化アルミナナノホール膜
を形成した基板を、硫酸コバルト０.５Ｍ、硫酸銅０.０
０１Ｍからなる電着溶液中で、白金の対向電極と共に浸
してＡｇ−ＡｇＣｌ参照電極のもと下記の条件を１周期
として、細孔上部に電着物があふれるまで積層磁性体を
電着した（当該１周期で形成された層を示す）。
【００４４】実施例１： 「電着条件」 −１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ
（１４秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３
０秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０
秒） 「層構成」 厚いＣｏ系強磁性層１７（約2.5ｎｍ）／
薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／薄いＣｏ系強磁
性層１６（約1ｎｍ）／厚いＣｕ非磁性層１９（約3ｎ
ｍ）／Ｃｏ系フリー強磁性層１４（約1ｎｍ）／厚いＣ
ｕ非磁性層１９（約3ｎｍ）。
【００４５】実施例２： 「電着条件」 −１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ
（１４秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（１
４秒）／−１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ（３０
秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０秒） 「層構成」 厚いＣｏ系強磁性層１７（約2.5ｎｍ）／
薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／薄いＣｏ系強磁
性層１６（約1ｎｍ）／薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎ
ｍ）／厚いＣｏ系強磁性層１７（約2.5ｎｍ）／厚いＣ
ｕ非磁性層１９（約3ｎｍ）／Ｃｏ系フリー強磁性層１
４（約1ｎｍ）／厚いＣｕ非磁性層１９（約3ｎｍ）。
【００４６】実施例３： 「電着条件」 −１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ
（１４秒）／−１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ（１
４秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０
秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０秒） 「層構成」 薄いＣｏ系強磁性層１６（約1ｎｍ）／薄
いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／厚いＣｏ系強磁性
層１７（約2.5ｎｍ）／薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎ
ｍ）／薄いＣｏ系強磁性層１６（約1ｎｍ）／厚いＣｕ
非磁性層１９（約3ｎｍ）／Ｃｏ系フリー強磁性層１４
（約1ｎｍ）／厚いＣｕ非磁性層１９（約3ｎｍ）。
【００４７】実施例４： 「電着条件」 −１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ
（１４秒）／−１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ（１
４秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（１４
秒）／−１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ（１４秒）
／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０秒）／−
１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０秒） 「層構成」 薄いＣｏ系強磁性層１６（約1ｎｍ）／薄
いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／厚いＣｏ系強磁性
層１７（約2.5ｎｍ）／薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎ
ｍ）／薄いＣｏ系強磁性層１６（約1ｎｍ）／薄いＣｕ
非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／厚いＣｏ系強磁性層１７
（約2.5ｎｍ）／薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／
薄いＣｏ系強磁性層１６（約1ｎｍ）／厚いＣｕ非磁性
層１９（約3ｎｍ）／Ｃｏ系フリー強磁性層１４（約1ｎ
ｍ）／厚いＣｕ非磁性層１９（約3ｎｍ）。
【００４８】実施例５： 「電着条件」 −１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ
（１４秒）／−１.２Ｖ（０.３秒）／−０.５６Ｖ（１
４秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（１４
秒）／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０秒）
／−１.２Ｖ（０.１秒）／−０.５６Ｖ（３０秒） 「層構成」 厚いＣｏ系強磁性層１７（約2.5ｎｍ）／
薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／厚いＣｏ系強磁
性層１７（約2.5ｎｍ）／薄いＣｕ非磁性層１８（約1.2
ｎｍ）／薄いＣｏ系強磁性層１６（約1ｎｍ）／薄いＣ
ｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／薄いＣｏ系強磁性層１
６（約1ｎｍ）／厚いＣｕ非磁性層１９（約3ｎｍ）／Ｃ
ｏ系フリー強磁性層１４（約1ｎｍ）／厚いＣｕ非磁性
層１９（約3ｎｍ）。
【００４９】実施例６： 「電着条件」 −１.２Ｖ（０.１５秒）／−０.５６Ｖ
（１４秒）／−１.２Ｖ（０.１５秒）／−０.５６Ｖ
（３０秒）／−１.２Ｖ（０.１５秒）／−０.５６Ｖ
（３０秒） 「層構成」 Ｃｏ系強磁性層１６（約1.5ｎｍ）／薄い
Ｃｕ非磁性層１８（約1.2ｎｍ）／Ｃｏ系強磁性層１６
（約1.5ｎｍ）／厚いＣｕ非磁性層１９（約3ｎｍ）／Ｃ
ｏ系フリー強磁性層１４（約1.5ｎｍ）／厚いＣｕ非磁
性層１９（約3ｎｍ）。
【００５０】比較例１： 「電着条件」 −０.５６Ｖ（１４秒）／−１.２Ｖ
（０.１秒） 「層構成」 Ｃｕ非磁性層（約1.2ｎｍ）／Ｃｏ系強磁
性層（約1ｎｍ）。
【００５１】その結果、図５ｃに示す様な積層磁性体１
０がアルミナナノホール５３内、およびその上部に形成
された。ここで、−０.５６Ｖの電圧印加時は電解電圧
の小さなＣｕのみ電着され、−１.２Ｖ印加時には濃度
の濃いＣｏが主に電着されており、その結果として、Ｃ
ｕからなる非磁性層と、Ｃｕを若干含みＣｏを主成分と
する強磁性層とを複数積層してなる積層磁性膜が形成さ
れたのである。
【００５２】次に、アルミナナノホール５３の上部に出
た積層磁性膜を表面研磨により除去して図５ｄの状態に
した。その上に、表面絶縁層５５を酸化シリコンで約５
０ｎｍ成膜し、その一部を除去し、その除去部分に上部
電極５６であるＣｕを５０ｎｍ成膜して、図５ｅに示す
構造を得た。これら各積層磁性膜において、ハード層／
厚い非磁性層／フリー強磁性層の単位ユニットは、細孔
内に約６０〜約１４０周期形成された。
【００５３】以上の様にして作製した実施例１〜６及び
比較例１の磁気デバイスを、磁場中で抵抗変化評価し
た。この評価は、具体的には、最初図５中右方向に十分
大きな８ＫＯｅ（エルステッド）の磁界を印加してから
０ Ｏｅに戻した状態を初期状態とし、次に左方向にフ
リー強磁性層の磁化が左向きに十分反転したと思われる
強度まで徐々に印加磁界を増し、次に右方向にフリー強
磁性層の磁化が右向きに十分反転したと思われる強度ま
で徐々に印加磁界を増加させる方法で行ない、このフリ
ー強磁性層の反転の繰り返しに対する応答の均一性（動
作均一性）等について評価した。その結果を下記表１に
示す。ここで、抵抗変化率は２０％程度を標準に、それ
以上を◎で表し、メモリ特性はフリー強磁性層を反転を
示す抵抗変化の急峻性で相対的評価を行い、動作磁界は
抵抗変化が十分起こる磁界が１ｋＯｅより低いか否かで
評価し、また動作均一性はフリー強磁性層を数回反転さ
せたときの抵抗変化の様子が十分一定であるかどうかを
相対的に評価した。
【００５４】
【表１】 表１の結果から、実施例１〜６では低磁界で十分な抵抗
変化率とメモリ特性、動作均一性が得られることが分か
った。特に、実施例２のハード層に強磁性層が３層あり
図２ａで示した「厚い強磁性層／薄い非磁性層／薄い強
磁性層／薄い非磁性層／厚い強磁性層」の積層構成、及
び実施例３のハード層に強磁性層が３層あり図１ｂで示
した「薄い強磁性層／薄い非磁性層／厚い強磁性層／薄
い非磁性層／薄い強磁性層」の積層構成が全ての特性上
良い結果を示した。また、実施例４のハード層中の強磁
性層の層数が５層である場合にも抵抗変化率以外は良い
結果を得た。すなわち、ハード層内の強磁性層は３層以
上の奇数枚であることが好ましい結果が得られた。
【００５５】一方、比較例１では抵抗変化率は高いもの
の、メモリ特性や低磁場動作に問題が有ることがわかっ
た。
【００５６】＜実施例７＞本実施例は、ハニカム配列及
び長方配列を用いた例である。デバイスは実施例１〜６
と同様に作製した。但し、ＦＩＢ描画法による開始点作
製を、図５ａのＡｌ成膜後に行った。このときのＧａイ
オンとしてはイオンビーム径３０ｎｍ、イオン電流１０
ｐＡ、加速電圧３０ＫＶの集束イオンビームを用いて、
Ａｌ膜表面に集束イオンビームをドット状に照射するこ
とにより約５０ｎｍの深さに開始点加工した。
【００５７】ハニカム配列にする場合は開始点間隔を１
００ｎｍにし、長方配列にする場合は短い間隔を８０ｎ
ｍ、長い間隔を１２０ｎｍとした。また陽極酸化は、
０.３Ｍの蓚酸溶液中で４０Ｖで行った。そして、りん
酸５質量％溶液中で３０分ポアワイド処理を行ったとこ
ろ、ハニカム配列では丸い細孔が得られ、長方配列でも
角が少し丸い長方形の細孔が得られた。そして実施例
２、３と同様の電着電位で電着を行った。但し、電着溶
液には硫酸ニッケル０.５Ｍ、硫酸鉄０.５Ｍ、硫酸銅
０.００１Ｍからなる電着溶液を用いた。そして実施例
２、３と同様に細孔上部まで積層磁性体を電着して表面
研磨した後、表面絶縁層を形成し、上部配線を作製して
評価を行った。細孔内にはＣｕを若干含むＦｅＮｉ合金
の強磁性層と、Ｃｕの非磁性層とからなる積層磁性体が
形成されていた。
【００５８】この磁気デバイスについて同様の評価を行
った。その結果、ハニカム配列では実施例２、３と同じ
様な特性が得られ、さらに特性の場所による均一性の向
上が見られた。これは細孔の径や直進性などの形状が均
一化されたことが原因と考えられる。また、長方配列で
は場所の均一性以外にも、動作磁界の低下や抵抗変化率
の若干の向上が見られた。これは、形状の均一性に加
え、長方形の異方的形状により各強磁性体層中の磁化の
向きに反磁界の低下の効果や、磁化の安定化の効果が現
れたためと考えられる。また本実施例によれば、強磁性
層にＦｅＮｉ合金を用いた場合でも十分な特性が得られ
ることが分かった。
【００５９】＜実施例８＞本実施例は陽極酸化アルミナ
以外の細孔を作製した例である。まず、Ｓｉ基板５１上
に下地層としてＴｉ、Ｃｕをスパッタリング法により各
々５ｎｍ、５０ｎｍ成膜し、その上にＳｉＯ2膜５２を
スパッタリング法により５００ｎｍ積層成膜して図５ａ
に示す状態にした。その上に、マスクとなるＣｒを１０
０ｎｍスパッタリング法により成膜後、実施例７と同様
にＦＩＢ描画法により２００ｎｍ×１００ｎｍの長方形
の穴を間隔５００ｎｍで描画して、Ｃｒ膜に長方形の穴
をＳｉＯ2膜５２の表面まで開けた。そして、ＣＦ4雰囲
気中でドライエッチング法により、下地層までＳｉＯ2
膜にマスクの穴と同様な形状の長方形の穴を作製した。
そして、積層磁性体を実施例１〜６と同様に作製し、評
価したところ、抵抗自身は低いものの、十分な磁場中の
抵抗変化、メモリ特性、低磁界動作、動作均一性が得ら
れた。
【００６０】この実施例の際に、積層磁性体を電着法で
はなく、積層のスパッタリング法を用いて素子を作製し
たところ、十分な特性は得られたが、細孔の底部付近で
は積層状態が不均一な為か、電着法と比較して数割程度
抵抗変化率などの特性が低かった。
【００６１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により以下
のような効果が得られる。１）ＣＰＰ型ＧＭＲデバイス
においてもアスペクト比が大きなセル中でのハード層の
安定性に優れた磁気デバイスが得られる。２）ハード層
とフリー強磁性層の磁化の初期状態をより簡便に、安定
に発生させる積層構造を提供できる。３）より高密度
で、作製が容易な磁気デバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す為の図であり、ａ）
は磁気デバイスの鳥瞰図、ｂ）はその磁気デバイスの積
層磁性体の積層例を示す模式的部分断面図である。
【図２】ａ）,ｂ）は各々、本発明の磁気デバイスの積
層磁性体の積層例を示す模式的部分断面図である。
【図３】ａ）,ｂ）は各々、本発明の磁気デバイスの積
層磁性体の積層例を示す模式的部分断面図である。
【図４】本発明の磁気デバイスの細孔の配列例を示す模
式図であり、ａ）は長方配列、ｂ）はハニカム配列を示
す。
【図５】ａ）〜ｅ）は、実施例における磁気デバイスの
作製工程図である。
【図６】ａ）,ｂ）は各々、従来のＧＭＲ（ＴＭＲ）型
磁気デバイスの積層磁性体の積層例を示す模式的部分断
面図である。
【符号の説明】
１０ 積層磁性体 １１ 細孔 １２ 細孔層 １３ 下地層 １４ フリー強磁性層 １５ ハード層 １６ 薄い強磁性層 １７ 厚い強磁性層 １８ 薄い非磁性層 １９ 厚い非磁性層 ２１ ５層強磁性層からなるハード層 ２２ ２層強磁性層からなるハード層 ２３ ４層強磁性層からなるハード層 ５１ 基板 ５２ Ａｌ膜 ５３ アルミナナノホール ５４ 陽極酸化アルミナ層 ５５ 表面絶縁層 ５６ 上部電極 ６１ ハード層（ピン層） ６２ 非磁性層（絶縁層） ６３ 反強磁性層
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に細孔が形成された細孔層を有
    し、且つ該細孔内の一部もしくは全てに強磁性層と非磁
    性層が積層されており、且つ電流を該細孔の軸方向に印
    加して用いる磁気デバイスにおいて、 該細孔内の積層構造中に、複数の該強磁性層同士が該非
    磁性層を介して反強磁性的結合を有する積層構造部分で
    あるハード層と、フリー強磁性層とが、非磁性層を介し
    て積層されてなることを特徴とする磁気デバイス。
  2. 【請求項２】 ハード層中の非磁性層を介して反強磁性
    的結合している強磁性層の層数が、３以上の奇数枚であ
    る請求項１記載の磁気デバイス。
  3. 【請求項３】 ハード層中の複数の強磁性層が、保持力
    の大きい強磁性層と保持力の小さい強磁性層とからなる
    請求項２記載の磁気デバイス。
  4. 【請求項４】 ハード層中の強磁性層の層数が３であ
    り、且つ層厚の厚い強磁性層が層厚の薄い強磁性層に非
    磁性層を介して挟まれている請求項３記載の磁気デバイ
    ス。
  5. 【請求項５】 ハード層中の強磁性層の層数が３であ
    り、且つ層厚の薄い強磁性層が層厚の厚い強磁性層に非
    磁性層を介して挟まれている請求項３記載の磁気デバイ
    ス。
  6. 【請求項６】 ハード層とフリー強磁性層が非磁性層を
    介して積層されてなる単位ユニットが、５周期以上積層
    されている請求項１〜５の何れか一項記載の磁気デバイ
    ス。
  7. 【請求項７】 強磁性層の主成分がＣｏであり、非磁性
    層の主成分がＣｕである請求項１〜６の何れか一項記載
    の磁気デバイス。
  8. 【請求項８】 強磁性層の主成分がＦｅＮｉ合金であ
    り、非磁性層の主成分がＣｕである請求項１〜６の何れ
    か一項記載の磁気デバイス。
  9. 【請求項９】 細孔層が、陽極酸化アルミナナノホール
    層である請求項１〜８の何れか一項記載の磁気デバイ
    ス。
  10. 【請求項１０】 細孔底部にＣｕを主成分とする下地層
    が存在する請求項９記載の磁気デバイス。
  11. 【請求項１１】 複数の細孔が、ハニカム配列されてい
    る請求項９記載の磁気デバイス。
  12. 【請求項１２】 複数の細孔が、長方配列されている請
    求項９記載の磁気デバイス。
  13. 【請求項１３】 強磁性層と非磁性層が、電着により作
    製されたものである請求項１〜１２の何れか一項記載の
    磁気デバイス。
  14. 【請求項１４】 請求項１〜１３の何れか一項記載の磁
    気デバイスを具備する固体磁気メモリ。
JP2000273952A 2000-09-08 2000-09-08 磁気デバイス及び固体磁気メモリ Pending JP2002084019A (ja)

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