JP2003110167A - 磁気抵抗効果膜、その製造方法およびそれを用いたメモリ - Google Patents
磁気抵抗効果膜、その製造方法およびそれを用いたメモリInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｇｄ，Ｄｙ、Ｔｂなどの希土類金属とＦｅ，
Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属を主成分とするフェリ磁性体
を用いた磁気抵抗効果膜において、比較的大きな磁気抵
抗効果が得られるようにする。 【解決手段】 Ｇｄ，Ｄｙ、Ｔｂなどの希土類金属とＦ
ｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属を主成分とするフェリ磁
性層１１２と磁性層１１４とによってトンネル障壁層１
１３が挟まれた構成の磁気抵抗効果膜において、フェリ
磁性層１１２のトンネル障壁層１１３との界面付近に存
在する希土類金属が酸化し、希土類金属が酸化している
層１１５が形成されるようにする。
Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属を主成分とするフェリ磁性体
を用いた磁気抵抗効果膜において、比較的大きな磁気抵
抗効果が得られるようにする。 【解決手段】 Ｇｄ，Ｄｙ、Ｔｂなどの希土類金属とＦ
ｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属を主成分とするフェリ磁
性層１１２と磁性層１１４とによってトンネル障壁層１
１３が挟まれた構成の磁気抵抗効果膜において、フェリ
磁性層１１２のトンネル障壁層１１３との界面付近に存
在する希土類金属が酸化し、希土類金属が酸化している
層１１５が形成されるようにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、希土類金属と遷移
金属を主成分とするフェリ磁性体を用いた磁気抵抗効果
膜に関し、特に、比較的大きな磁気抵抗効果を示す磁気
抵抗効果膜及びその製造方法とこのような磁気抵抗効果
膜を用いたメモリとに関する。
金属を主成分とするフェリ磁性体を用いた磁気抵抗効果
膜に関し、特に、比較的大きな磁気抵抗効果を示す磁気
抵抗効果膜及びその製造方法とこのような磁気抵抗効果
膜を用いたメモリとに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体メモリである半導体メモリ
は、情報機器に多く用いられており、ＤＲＡＭ（ダイナ
ミックランダムアクセスメモリ）、ＦｅＲＡＭ（強誘電
体ランダムアクセスメモリ）、フラッシュＥＥＰＲＯＭ
（電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ）
など、その種類も様々である。これら半導体メモリの特
性は一長一短であり、現在の情報機器において要求され
る仕様のすべてを満たすメモリは存在しない。例えば、
ＤＲＡＭは、記録密度が高く書き換え可能回数も多い
が、揮発性であり電源を切るとその保持している情報は
消えてしまう。一方、フラッシュＥＥＰＲＯＭは、不揮
発性ではあるが、情報の消去に要する時間が長く、情報
の高速処理には不向きである。
は、情報機器に多く用いられており、ＤＲＡＭ（ダイナ
ミックランダムアクセスメモリ）、ＦｅＲＡＭ（強誘電
体ランダムアクセスメモリ）、フラッシュＥＥＰＲＯＭ
（電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ）
など、その種類も様々である。これら半導体メモリの特
性は一長一短であり、現在の情報機器において要求され
る仕様のすべてを満たすメモリは存在しない。例えば、
ＤＲＡＭは、記録密度が高く書き換え可能回数も多い
が、揮発性であり電源を切るとその保持している情報は
消えてしまう。一方、フラッシュＥＥＰＲＯＭは、不揮
発性ではあるが、情報の消去に要する時間が長く、情報
の高速処理には不向きである。
【０００３】上記のような半導体メモリの現状に対し
て、磁気抵抗効果を用いたメモリ（ＭＲＡＭ；磁気ラン
ダムアクセスメモリ）は、不揮発性であって、書き込み
時間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消
費電力などの点において、多くの情報機器から求められ
る仕様をすべて満たすメモリとして有望である。特にス
ピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto-R
esistance）効果を利用したＭＲＡＭは、大きな読み出
し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高速
読み出しに有利であり、近年の研究報告においてＭＲＡ
Ｍとしての実現性が実証されている。
て、磁気抵抗効果を用いたメモリ（ＭＲＡＭ；磁気ラン
ダムアクセスメモリ）は、不揮発性であって、書き込み
時間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消
費電力などの点において、多くの情報機器から求められ
る仕様をすべて満たすメモリとして有望である。特にス
ピン依存トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto-R
esistance）効果を利用したＭＲＡＭは、大きな読み出
し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高速
読み出しに有利であり、近年の研究報告においてＭＲＡ
Ｍとしての実現性が実証されている。
【０００４】ＭＲＡＭの素子として用いられる磁気抵抗
効果膜の基本構成は、非磁性層を介してその両側に磁性
層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。非磁
性層として良く用いられる材料として、ＣｕやＡｌ2Ｏ3
が挙げられる。磁気抵抗効果膜において非磁性層にＣｕ
などのような導体を用いたものを巨大磁気抵抗効果（Ｇ
ＭＲ；Giant Magneto-Resistance）膜といい、Ａｌ2Ｏ3
などの絶縁体を用いたものをスピン依存トンネル磁気抵
抗効果（ＴＭＲ）膜という。一般に、ＴＭＲ膜は、ＧＭ
Ｒ膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示す。
効果膜の基本構成は、非磁性層を介してその両側に磁性
層が隣接して形成されたサンドイッチ構造である。非磁
性層として良く用いられる材料として、ＣｕやＡｌ2Ｏ3
が挙げられる。磁気抵抗効果膜において非磁性層にＣｕ
などのような導体を用いたものを巨大磁気抵抗効果（Ｇ
ＭＲ；Giant Magneto-Resistance）膜といい、Ａｌ2Ｏ3
などの絶縁体を用いたものをスピン依存トンネル磁気抵
抗効果（ＴＭＲ）膜という。一般に、ＴＭＲ膜は、ＧＭ
Ｒ膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示す。
【０００５】図６（ａ），（ｂ）は、非磁性層を介して
面内磁化膜である２つの磁性層が積層した構成を有する
磁気抵抗効果膜を示しており、各磁性層での磁化の方向
が矢印で示されている。図６（ａ）に示すように２つの
磁性層の磁化方向が平行であると、磁気抵抗効果膜の電
気抵抗（一方の磁性層と他方の磁性層の間の電気抵抗）
は相対的小さく、図６（ｂ）に示すように磁化方向が反
平行であると、電気抵抗は相対的大きくなる。したがっ
て、一方の磁性層をメモリ層、他方を検出層とし、上記
の性質を利用することで、情報の読み出しが可能であ
る。例えば非磁性層１２の図示上部に位置する磁性層１
３をメモリ層、下部に位置する磁性層１１を検出層と
し、メモリ層（磁性層１３）の磁化方向が右向きの場合
を『１』、左向きの場合を『０』とする。
面内磁化膜である２つの磁性層が積層した構成を有する
磁気抵抗効果膜を示しており、各磁性層での磁化の方向
が矢印で示されている。図６（ａ）に示すように２つの
磁性層の磁化方向が平行であると、磁気抵抗効果膜の電
気抵抗（一方の磁性層と他方の磁性層の間の電気抵抗）
は相対的小さく、図６（ｂ）に示すように磁化方向が反
平行であると、電気抵抗は相対的大きくなる。したがっ
て、一方の磁性層をメモリ層、他方を検出層とし、上記
の性質を利用することで、情報の読み出しが可能であ
る。例えば非磁性層１２の図示上部に位置する磁性層１
３をメモリ層、下部に位置する磁性層１１を検出層と
し、メモリ層（磁性層１３）の磁化方向が右向きの場合
を『１』、左向きの場合を『０』とする。
【０００６】図７（ａ）に示すように両磁性層１１，１
３の磁化方向がともに図示右向きの場合、磁気抵抗効果
膜の電気抵抗は相対的に小さく、図７（ｂ）に示すよう
に検出層１１の磁化方向が図示右向きでかつメモリ層１
３の磁化方向が図示左向きであると電気抵抗は相対的に
大きい。同様に、図７（ｃ）に示すように検出層１１の
磁化方向が左向きでかつメモリ層１３の磁化方向が右向
きであると電気抵抗は相対的に大きく、図７（ｄ）に示
すように両磁性層１１，１３の磁化方向が左向きの場合
には電気抵抗は相対的に小さい。つまり、検出層１１の
磁化方向が右向きに固定されている場合であれば、電気
抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３には『０』が
記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さけ
れば、『１』が記録されていることになる。あるいは、
検出層１１の磁化方向が左向きに固定されている場合で
あれば、電気抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３
には『１』が記録されていることになり、電気抵抗が相
対的に小さければ、『０』が記録されていることにな
る。
３の磁化方向がともに図示右向きの場合、磁気抵抗効果
膜の電気抵抗は相対的に小さく、図７（ｂ）に示すよう
に検出層１１の磁化方向が図示右向きでかつメモリ層１
３の磁化方向が図示左向きであると電気抵抗は相対的に
大きい。同様に、図７（ｃ）に示すように検出層１１の
磁化方向が左向きでかつメモリ層１３の磁化方向が右向
きであると電気抵抗は相対的に大きく、図７（ｄ）に示
すように両磁性層１１，１３の磁化方向が左向きの場合
には電気抵抗は相対的に小さい。つまり、検出層１１の
磁化方向が右向きに固定されている場合であれば、電気
抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３には『０』が
記録されていることになり、電気抵抗が相対的に小さけ
れば、『１』が記録されていることになる。あるいは、
検出層１１の磁化方向が左向きに固定されている場合で
あれば、電気抵抗が相対的に大きければ、メモリ層１３
には『１』が記録されていることになり、電気抵抗が相
対的に小さければ、『０』が記録されていることにな
る。
【０００７】そこで、検出層１１の保磁力が相対的に大
きくメモリ層１３の保磁力が相対的に小さくなるように
各磁性層１１，１３の組成を選択し、検出層１１を一方
向に磁化した上で、検出層１１の磁化反転が起こらない
程度の磁化をメモリ層１３に加えてメモリ層１３の磁化
の方向を変化させることにより、磁気抵抗効果膜に情報
を記録することが可能になり、また、磁気抵抗効果膜の
電気抵抗を検出することによって、記録された情報の読
み出しを行なえることになる。
きくメモリ層１３の保磁力が相対的に小さくなるように
各磁性層１１，１３の組成を選択し、検出層１１を一方
向に磁化した上で、検出層１１の磁化反転が起こらない
程度の磁化をメモリ層１３に加えてメモリ層１３の磁化
の方向を変化させることにより、磁気抵抗効果膜に情報
を記録することが可能になり、また、磁気抵抗効果膜の
電気抵抗を検出することによって、記録された情報の読
み出しを行なえることになる。
【０００８】ＭＲＡＭの記録密度を高くするために磁気
抵抗効果膜の素子サイズを小さくしていくと、磁性層と
して面内磁化膜を使用したＭＲＡＭでは、反磁界あるい
は素子端面の磁化のカーリングといった影響から、情報
を保持できなくなるという問題が生じる。この問題を回
避するためには、例えば磁性層の形状を長方形にするこ
とが挙げられるが、この方法では素子サイズが小さくで
きないために記録密度の向上があまり期待できない。
抵抗効果膜の素子サイズを小さくしていくと、磁性層と
して面内磁化膜を使用したＭＲＡＭでは、反磁界あるい
は素子端面の磁化のカーリングといった影響から、情報
を保持できなくなるという問題が生じる。この問題を回
避するためには、例えば磁性層の形状を長方形にするこ
とが挙げられるが、この方法では素子サイズが小さくで
きないために記録密度の向上があまり期待できない。
【０００９】そこで、本出願人は、既に、例えば特開平
１１−２１３６５０で述べているように、垂直磁化膜を
用いることにより上記問題を回避しようとすることを提
案した。垂直磁化膜を利用した場合には、素子サイズが
小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を
用いたＭＲＡＭよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が
実現可能である。
１１−２１３６５０で述べているように、垂直磁化膜を
用いることにより上記問題を回避しようとすることを提
案した。垂直磁化膜を利用した場合には、素子サイズが
小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を
用いたＭＲＡＭよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜が
実現可能である。
【００１０】垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜では、
面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜と同様に、２つの磁
性層の磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵
抗は相対的に小さく、磁化方向が反平行であると電気抵
抗は相対的に大きくなる。非磁性層２２の上部に位置す
る磁性層２３をメモリ層、下部に位置する磁性層２１を
検出層とし、メモリ層２３の磁化方向が上向きの場合を
『１』、下向きの場合を『０』とする。図８（ａ）に示
すように両磁性層２１，２３の磁化方向が上向きの場
合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、図８
（ｃ）に示すように検出層２１の磁化方向が下向きでか
つメモリ層２３の磁化方向が上向きであると電気抵抗は
相対的に大きくなる。同様に、図８（ｂ）に示すように
検出層２１の磁化方向が上向きでかつメモリ層２３の磁
化方向が下向きであると電気抵抗は相対的に大きくな
り、図８（ｄ）に示すように両磁性層２１，２３の磁化
方向が下向きの場合には電気抵抗は相対的に小さくな
る。つまり、検出層２１の磁化方向が上向きに固定され
ている場合には、電気抵抗が相対的に大きければメモリ
層２３には『０』が記録されていることになり、電気抵
抗が相対的に小さければ『１』が記録されていることに
なる。あるいは、検出層２１の磁化方向が下向きに固定
されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きけれ
ばメモリ層２３には『１』が記録されていることにな
り、電気抵抗が相対的に小さければ『０』が記録されて
いることになる。
面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜と同様に、２つの磁
性層の磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵
抗は相対的に小さく、磁化方向が反平行であると電気抵
抗は相対的に大きくなる。非磁性層２２の上部に位置す
る磁性層２３をメモリ層、下部に位置する磁性層２１を
検出層とし、メモリ層２３の磁化方向が上向きの場合を
『１』、下向きの場合を『０』とする。図８（ａ）に示
すように両磁性層２１，２３の磁化方向が上向きの場
合、磁気抵抗効果膜の電気抵抗は相対的に小さく、図８
（ｃ）に示すように検出層２１の磁化方向が下向きでか
つメモリ層２３の磁化方向が上向きであると電気抵抗は
相対的に大きくなる。同様に、図８（ｂ）に示すように
検出層２１の磁化方向が上向きでかつメモリ層２３の磁
化方向が下向きであると電気抵抗は相対的に大きくな
り、図８（ｄ）に示すように両磁性層２１，２３の磁化
方向が下向きの場合には電気抵抗は相対的に小さくな
る。つまり、検出層２１の磁化方向が上向きに固定され
ている場合には、電気抵抗が相対的に大きければメモリ
層２３には『０』が記録されていることになり、電気抵
抗が相対的に小さければ『１』が記録されていることに
なる。あるいは、検出層２１の磁化方向が下向きに固定
されている場合であれば、電気抵抗が相対的に大きけれ
ばメモリ層２３には『１』が記録されていることにな
り、電気抵抗が相対的に小さければ『０』が記録されて
いることになる。
【００１１】このような垂直磁化膜を使用した磁気抵抗
素子において、垂直磁化膜として用いられる材料として
は、例えば、Ｇｄ，Ｄｙ、Ｔｂ等の希土類金属から選ば
れる少なくとも１種類の元素とＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の遷
移金属から選ばれる少なくとも１種類との元素の合金膜
や人工格子膜、あるいは、Ｃｏ／Ｐｔ等遷移金属と貴金
属の人工格子膜、ＣｏＣｒ等の膜面垂直方向の結晶磁気
異方性を有する合金膜などが挙げられる。これらの材料
の中で、希土類金属と遷移金属の合金膜は、角型比が１
である磁化曲線を示し、磁界を印加した場合に急峻な磁
化反転を生じること、さらに作成が容易であることか
ら、メモリ素子として用いる磁気抵抗効果膜に最適であ
る。
素子において、垂直磁化膜として用いられる材料として
は、例えば、Ｇｄ，Ｄｙ、Ｔｂ等の希土類金属から選ば
れる少なくとも１種類の元素とＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の遷
移金属から選ばれる少なくとも１種類との元素の合金膜
や人工格子膜、あるいは、Ｃｏ／Ｐｔ等遷移金属と貴金
属の人工格子膜、ＣｏＣｒ等の膜面垂直方向の結晶磁気
異方性を有する合金膜などが挙げられる。これらの材料
の中で、希土類金属と遷移金属の合金膜は、角型比が１
である磁化曲線を示し、磁界を印加した場合に急峻な磁
化反転を生じること、さらに作成が容易であることか
ら、メモリ素子として用いる磁気抵抗効果膜に最適であ
る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところで磁気抵抗効果
膜における磁気抵抗変化率は、非磁性層（トンネル障壁
層）に接している材料に強く依存する。これまでの研究
において、ＦｅやＣｏあるいはそれらの合金は、大きな
磁気抵抗変化率を示す材料であることが知られている。
しかし、上記のように非磁性層に接する磁性体として希
土類金属と遷移金属からなる磁性体を用いた磁気抵抗効
果膜について本発明者らが鋭意検討した結果、磁気抵抗
変化率はＦｅやＣｏあるいはそれらの合金を用いた場合
よりも小さくなってしまうことが分かった。その原因
は、希土類金属が非磁性層に接して存在することである
と考えられる。つまり合金中の希土類金属原子は、その
原子構造から磁気抵抗効果にはほとんど寄与しないと予
想され、トンネル障壁層との界面に存在する希土類金属
原子を伝導する電子はスピン依存トンネリングをしない
ので、磁気抵抗効果膜をマクロに見た磁気抵抗変化率は
低いものとなる。
膜における磁気抵抗変化率は、非磁性層（トンネル障壁
層）に接している材料に強く依存する。これまでの研究
において、ＦｅやＣｏあるいはそれらの合金は、大きな
磁気抵抗変化率を示す材料であることが知られている。
しかし、上記のように非磁性層に接する磁性体として希
土類金属と遷移金属からなる磁性体を用いた磁気抵抗効
果膜について本発明者らが鋭意検討した結果、磁気抵抗
変化率はＦｅやＣｏあるいはそれらの合金を用いた場合
よりも小さくなってしまうことが分かった。その原因
は、希土類金属が非磁性層に接して存在することである
と考えられる。つまり合金中の希土類金属原子は、その
原子構造から磁気抵抗効果にはほとんど寄与しないと予
想され、トンネル障壁層との界面に存在する希土類金属
原子を伝導する電子はスピン依存トンネリングをしない
ので、磁気抵抗効果膜をマクロに見た磁気抵抗変化率は
低いものとなる。
【００１３】本発明は、この点に鑑み、希土類金属と遷
移金属を主成分とするフェリ磁性体を用いた磁気抵抗効
果膜において、比較的大きな磁気抵抗効果を示す磁気抵
抗効果膜及びその製造方法、さらにはそのような磁気抵
抗効果膜を用いたメモリを提供することを目的とする。
移金属を主成分とするフェリ磁性体を用いた磁気抵抗効
果膜において、比較的大きな磁気抵抗効果を示す磁気抵
抗効果膜及びその製造方法、さらにはそのような磁気抵
抗効果膜を用いたメモリを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗効果膜
は、第１及び第２の磁性層と、第１及び第２の磁性層に
挟まれたトンネル障壁層とを有し、第１及び第２の磁性
層の少なくとも一方が希土類金属と遷移金属とを主成分
とするフェリ磁性層である磁気抵抗効果膜において、フ
ェリ磁性層のトンネル障壁層との界面付近に存在する希
土類金属が酸化していることを特徴とする。
は、第１及び第２の磁性層と、第１及び第２の磁性層に
挟まれたトンネル障壁層とを有し、第１及び第２の磁性
層の少なくとも一方が希土類金属と遷移金属とを主成分
とするフェリ磁性層である磁気抵抗効果膜において、フ
ェリ磁性層のトンネル障壁層との界面付近に存在する希
土類金属が酸化していることを特徴とする。
【００１５】Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂ等の希土類金属は酸化さ
れやすいという性質を有し、かつこれら酸化物は単体の
原子よりも高い電気抵抗率を示すので、フェリ磁性層の
トンネル障壁層との界面付近の希土類金属を酸化させる
ことにより、実効的に磁気抵抗変化率を高めることが可
能となる。
れやすいという性質を有し、かつこれら酸化物は単体の
原子よりも高い電気抵抗率を示すので、フェリ磁性層の
トンネル障壁層との界面付近の希土類金属を酸化させる
ことにより、実効的に磁気抵抗変化率を高めることが可
能となる。
【００１６】本発明において、「希土類金属と遷移金属
とを主成分とするフェリ磁性層」とは、希土類金属と、
希土類金属以外の遷移金属とを主成分とする磁性層であ
って、フェリ磁性を示す磁性層のことである。本発明に
おいては、希土類金属としては、例えば、Ｇｄ，Ｄｙ，
Ｔｂからなる群から選ばれた１種類以上の元素を好まし
く用いることができ、また、（希土類金属以外の）遷移
金属としては、鉄族元素すなわちＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから
なる群の中から選ばれる１種類以上の元素を好ましく用
いることができる。
とを主成分とするフェリ磁性層」とは、希土類金属と、
希土類金属以外の遷移金属とを主成分とする磁性層であ
って、フェリ磁性を示す磁性層のことである。本発明に
おいては、希土類金属としては、例えば、Ｇｄ，Ｄｙ，
Ｔｂからなる群から選ばれた１種類以上の元素を好まし
く用いることができ、また、（希土類金属以外の）遷移
金属としては、鉄族元素すなわちＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから
なる群の中から選ばれる１種類以上の元素を好ましく用
いることができる。
【００１７】このような磁気抵抗効果膜を製造する方法
としては、以下のようなものがある。
としては、以下のようなものがある。
【００１８】まず、希土類金属と遷移金属を主成分とす
るフェリ磁性層を形成し、その表面にトンネル障壁層を
成膜する。その後、トンネル障壁層表面から酸化処理を
施し、フェリ磁性層の希土類金属原子の中でトンネル障
壁層との界面付近に存在するものを選択的に酸化させ
る。希土類金属は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属より
も酸化されやすいため、希土類金属と遷移金属の合金を
酸化処理すると、希土類金属は容易に選択的に酸化され
る。酸化方法としては、プラズマ酸化法や自然酸化法等
いくつかが挙げられるが、いずれの方法も使用可能であ
る。また、フェリ磁性層形成後にトンネル障壁層を成膜
するのではなく、酸化処理することによりトンネル障壁
層となりうる材料、例えばＡｌ等を成膜し、その後の酸
化処理により、希土類金属の選択的な酸化と同時にトン
ネル障壁層を形成することも可能である。さらに希土類
金属原子を酸化するために、トンネル障壁層を形成する
前にフェリ磁性層の表面に対して酸化処理を施し、その
後、トンネル障壁層を形成してもよい。
るフェリ磁性層を形成し、その表面にトンネル障壁層を
成膜する。その後、トンネル障壁層表面から酸化処理を
施し、フェリ磁性層の希土類金属原子の中でトンネル障
壁層との界面付近に存在するものを選択的に酸化させ
る。希土類金属は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属より
も酸化されやすいため、希土類金属と遷移金属の合金を
酸化処理すると、希土類金属は容易に選択的に酸化され
る。酸化方法としては、プラズマ酸化法や自然酸化法等
いくつかが挙げられるが、いずれの方法も使用可能であ
る。また、フェリ磁性層形成後にトンネル障壁層を成膜
するのではなく、酸化処理することによりトンネル障壁
層となりうる材料、例えばＡｌ等を成膜し、その後の酸
化処理により、希土類金属の選択的な酸化と同時にトン
ネル障壁層を形成することも可能である。さらに希土類
金属原子を酸化するために、トンネル障壁層を形成する
前にフェリ磁性層の表面に対して酸化処理を施し、その
後、トンネル障壁層を形成してもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施の形
態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明
の実施の一形態の磁気抵抗効果膜を模式的に示した断面
図である。
態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明
の実施の一形態の磁気抵抗効果膜を模式的に示した断面
図である。
【００２０】図１に示した磁気抵抗効果膜は、トンネル
障壁層１１３を挟んで図示上方に磁性層１１４、図示下
方にフェリ磁性層１１２を設けた構成のものである。こ
こでフェリ磁性層１１２は、希土類金属と遷移金属とを
主成分とするフェリ磁性体によって構成されている。フ
ェリ磁性層１１２において、トンネル障壁層１１３との
界面付近に存在する希土類金属原子は酸化し、層１１５
となっている。ここで希土類金属酸化物は電気抵抗率が
高いことから、トンネル障壁層１１２と層１１５が接し
ている部分は実効的にトンネル障壁層１１２が厚くなっ
ていて、トンネル障壁層１１３の図示下表面には一面に
遷移金属原子が接している状態であると考えることがで
きる。したがって、トンネル障壁層１１３をトンネルす
る電子は遷移金属原子のスピン状態に依存してトンネリ
ングすることになり、酸化していない希土類金属がトン
ネル障壁層に接している場合に比べると、磁気抵抗変化
率は増加すると考えられる。
障壁層１１３を挟んで図示上方に磁性層１１４、図示下
方にフェリ磁性層１１２を設けた構成のものである。こ
こでフェリ磁性層１１２は、希土類金属と遷移金属とを
主成分とするフェリ磁性体によって構成されている。フ
ェリ磁性層１１２において、トンネル障壁層１１３との
界面付近に存在する希土類金属原子は酸化し、層１１５
となっている。ここで希土類金属酸化物は電気抵抗率が
高いことから、トンネル障壁層１１２と層１１５が接し
ている部分は実効的にトンネル障壁層１１２が厚くなっ
ていて、トンネル障壁層１１３の図示下表面には一面に
遷移金属原子が接している状態であると考えることがで
きる。したがって、トンネル障壁層１１３をトンネルす
る電子は遷移金属原子のスピン状態に依存してトンネリ
ングすることになり、酸化していない希土類金属がトン
ネル障壁層に接している場合に比べると、磁気抵抗変化
率は増加すると考えられる。
【００２１】ここで、希土類金属が酸化している層１１
５は、フェリ磁性層１１２とトンネル障壁層１１３の界
面に一様に形成されていてもよいが、図１に示すよう
に、島状あるいは網状に形成されていてもよい。また層
１１５は、フェリ磁性層１１２の形成後、トンネル障壁
層１１３を形成する前に、フェリ磁性層１１２の表面に
対して酸化処理を行うことによって形成してもよいし、
あるいは、フェリ磁性層１１２及びトンネル障壁層１１
３を順次形成した後に、トンネル障壁層１１３の表面側
から酸化処理を行うことにより、トンネル障壁層１１２
との界面付近のフェリ磁性層１１２の希土類金属を酸化
させて形成してもよい。
５は、フェリ磁性層１１２とトンネル障壁層１１３の界
面に一様に形成されていてもよいが、図１に示すよう
に、島状あるいは網状に形成されていてもよい。また層
１１５は、フェリ磁性層１１２の形成後、トンネル障壁
層１１３を形成する前に、フェリ磁性層１１２の表面に
対して酸化処理を行うことによって形成してもよいし、
あるいは、フェリ磁性層１１２及びトンネル障壁層１１
３を順次形成した後に、トンネル障壁層１１３の表面側
から酸化処理を行うことにより、トンネル障壁層１１２
との界面付近のフェリ磁性層１１２の希土類金属を酸化
させて形成してもよい。
【００２２】フェリ磁性層１１２としては、Ｇｄ，Ｄ
ｙ，Ｔｂ等の希土類金属から選ばれる少なくとも１種類
の元素とＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の遷移金属から選ばれる少
なくとも１種類の元素を主成分とする合金が好適に用い
られる。また、フェリ磁性層１１２は、面内磁化膜であ
っても垂直磁化膜であってもよく、いずれの場合であっ
ても本発明の効果は同様に得られるものである。
ｙ，Ｔｂ等の希土類金属から選ばれる少なくとも１種類
の元素とＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の遷移金属から選ばれる少
なくとも１種類の元素を主成分とする合金が好適に用い
られる。また、フェリ磁性層１１２は、面内磁化膜であ
っても垂直磁化膜であってもよく、いずれの場合であっ
ても本発明の効果は同様に得られるものである。
【００２３】図１に示した例では、トンネル障壁層１１
３の下側に位置する磁性層がフェリ磁性層であるとした
が、本発明においては、トンネル障壁層１１３の両側の
磁性層をそれぞれフェリ磁性層とし、これらのフェリ磁
性層とトンネル障壁層１１３との界面付近のそれぞれに
おいて希土類金属を酸化させてもよい。
３の下側に位置する磁性層がフェリ磁性層であるとした
が、本発明においては、トンネル障壁層１１３の両側の
磁性層をそれぞれフェリ磁性層とし、これらのフェリ磁
性層とトンネル障壁層１１３との界面付近のそれぞれに
おいて希土類金属を酸化させてもよい。
【００２４】さらに、フェリ磁性層１１２とトンネル障
壁層１１３の界面に、フェリ磁性層１１２よりも大きな
スピン分極率を有する磁性体を形成することにより、よ
り大きな磁気抵抗変化率を得ることが可能である。この
スピン分極率の大きな磁性体の形状は、膜状、島状ある
いは網状のいずれであってもよく、これらのいずれの場
合においても比較的大きな磁気抵抗変化率が得られる。
壁層１１３の界面に、フェリ磁性層１１２よりも大きな
スピン分極率を有する磁性体を形成することにより、よ
り大きな磁気抵抗変化率を得ることが可能である。この
スピン分極率の大きな磁性体の形状は、膜状、島状ある
いは網状のいずれであってもよく、これらのいずれの場
合においても比較的大きな磁気抵抗変化率が得られる。
【００２５】また、本発明の磁気抵抗効果膜をメモリ素
子とし、この磁気抵抗効果膜（メモリ素子）に対して情
報を記録する手段と、磁気抵抗効果膜に記録された情報
を読み出す手段を備えることによって、読み出し信号の
大きなメモリを構成することが可能である。ここで、情
報を記録する手段としては、配線に電流を流すことで生
じる磁界が好適に用いられ、記録された情報を読み出す
手段には、メモリ素子に一定電流を流したときのこのメ
モリ素子の両端の電圧を検出する回路が好適に用いられ
る。
子とし、この磁気抵抗効果膜（メモリ素子）に対して情
報を記録する手段と、磁気抵抗効果膜に記録された情報
を読み出す手段を備えることによって、読み出し信号の
大きなメモリを構成することが可能である。ここで、情
報を記録する手段としては、配線に電流を流すことで生
じる磁界が好適に用いられ、記録された情報を読み出す
手段には、メモリ素子に一定電流を流したときのこのメ
モリ素子の両端の電圧を検出する回路が好適に用いられ
る。
【００２６】
【実施例】次に、本発明の磁気抵抗効果膜について、実
施例に基づいてさらに詳しく説明する。
施例に基づいてさらに詳しく説明する。
【００２７】（実施例−１）図２はこの実施例−１で作
成した磁気抵抗効果膜の断面を示している。磁気抵抗効
果膜を形成するための基板としてＳｉ（シリコン）基板
１００を用い、このＳｉ基板１００上に、フェリ磁性層
１１２として１０ｎｍの膜厚のＧｄ20（Ｆｅ 60Ｃｏ40）
80膜、トンネル障壁層１１３として１．５ｎｍの膜厚の
Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）膜をスパッタにより順次
形成し、その後、真空チャンバー内に酸素ガスを導入
し、Ａｌ2Ｏ3膜表面を介してフェリ磁性層１１２の表面
（すなわちフェリ磁性層１１２のトンネル障壁層１１３
側の界面）のプラズマ酸化を行い、フェリ磁性層１１２
のトンネル障壁層１１３側の界面の希土類金属を酸化さ
せて、希土類金属が酸化している層１１５を形成した。
プラズマ酸化時の投入パワーは５Ｗで、酸化時間は４０
秒であった。その後、十分に真空引きを行い、磁性層１
１４として１０ｎｍの膜厚のＴｂ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80
膜をスパッタにより形成し、さらに、保護膜１１６とし
て膜厚２ｎｍのＰｔ膜をスパッタにより形成した。Ｐｔ
膜は、各磁性層の酸化等の腐食を防ぐのに有効である。
成した磁気抵抗効果膜の断面を示している。磁気抵抗効
果膜を形成するための基板としてＳｉ（シリコン）基板
１００を用い、このＳｉ基板１００上に、フェリ磁性層
１１２として１０ｎｍの膜厚のＧｄ20（Ｆｅ 60Ｃｏ40）
80膜、トンネル障壁層１１３として１．５ｎｍの膜厚の
Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）膜をスパッタにより順次
形成し、その後、真空チャンバー内に酸素ガスを導入
し、Ａｌ2Ｏ3膜表面を介してフェリ磁性層１１２の表面
（すなわちフェリ磁性層１１２のトンネル障壁層１１３
側の界面）のプラズマ酸化を行い、フェリ磁性層１１２
のトンネル障壁層１１３側の界面の希土類金属を酸化さ
せて、希土類金属が酸化している層１１５を形成した。
プラズマ酸化時の投入パワーは５Ｗで、酸化時間は４０
秒であった。その後、十分に真空引きを行い、磁性層１
１４として１０ｎｍの膜厚のＴｂ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80
膜をスパッタにより形成し、さらに、保護膜１１６とし
て膜厚２ｎｍのＰｔ膜をスパッタにより形成した。Ｐｔ
膜は、各磁性層の酸化等の腐食を防ぐのに有効である。
【００２８】次に、このようにして得られた多層膜の上
部に１μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチング
によってレジストに覆われていない部分の磁気抵抗効果
膜を除去した。エッチング後、２５ｎｍの膜厚のＡｌ2
Ｏ3膜を成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ2
Ｏ3膜を除去し、上部電極とフェリ磁性層１１２（Ｇｄ
20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）との間の電気絶縁を行うため
の絶縁膜１２１を形成した。その後、リフトオフ法によ
って上部電極１２２をＡｌ膜により作成し、上部電極１
２２に覆われていない部分のＡｌ2Ｏ3膜を一部除去して
測定回路を接続するための電極パットとした。
部に１μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライエッチング
によってレジストに覆われていない部分の磁気抵抗効果
膜を除去した。エッチング後、２５ｎｍの膜厚のＡｌ2
Ｏ3膜を成膜し、さらにレジストおよびその上部のＡｌ2
Ｏ3膜を除去し、上部電極とフェリ磁性層１１２（Ｇｄ
20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）との間の電気絶縁を行うため
の絶縁膜１２１を形成した。その後、リフトオフ法によ
って上部電極１２２をＡｌ膜により作成し、上部電極１
２２に覆われていない部分のＡｌ2Ｏ3膜を一部除去して
測定回路を接続するための電極パットとした。
【００２９】このようにして作成された磁気抵抗効果膜
に対し、上部電極１２２と下部電極（Ｓｉ基板１００）
との間に定電流電源を接続し、フェリ磁性層１１２（Ｇ
ｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）と磁性層１１４（Ｔｂ
20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80膜）の間のトンネル障壁層１１３
（Ａｌ2Ｏ3膜）を電子がトンネルするように、一定電流
を流した。この状態で、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方
向に磁界を印加しその大きさと方向を変えることによ
り、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測
定した。この測定結果によると磁気抵抗変化率は約３０
％であった。
に対し、上部電極１２２と下部電極（Ｓｉ基板１００）
との間に定電流電源を接続し、フェリ磁性層１１２（Ｇ
ｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）と磁性層１１４（Ｔｂ
20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80膜）の間のトンネル障壁層１１３
（Ａｌ2Ｏ3膜）を電子がトンネルするように、一定電流
を流した。この状態で、磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方
向に磁界を印加しその大きさと方向を変えることによ
り、磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測
定した。この測定結果によると磁気抵抗変化率は約３０
％であった。
【００３０】さらに得られた磁気抵抗効果膜についてＸ
ＰＳ（Ｘ線光電子分光）分析を行った結果、トンネル障
壁層１１３であるＡｌ2Ｏ3膜とフェリ磁性層１１２との
界面付近でＧｄ2Ｏ3のピークが観察され、この界面付近
のＧｄ原子が酸化されていることが明らかとなった。
ＰＳ（Ｘ線光電子分光）分析を行った結果、トンネル障
壁層１１３であるＡｌ2Ｏ3膜とフェリ磁性層１１２との
界面付近でＧｄ2Ｏ3のピークが観察され、この界面付近
のＧｄ原子が酸化されていることが明らかとなった。
【００３１】（実施例−２）フェリ磁性層１１２として
１０ｎｍの膜厚のＤｙ21（Ｆｅ50Ｃｏ50）79膜を用い、
磁性層１１４として１０ｎｍの膜厚のＧｄ20（Ｆｅ60Ｃ
ｏ40）80膜を用いた以外は実施例−１と同様にして、磁
気抵抗効果膜を作成した。実施例−１と同様にこの磁気
抵抗効果膜の磁気抵抗曲線を測定したところ、磁気抵抗
変化率は２９％であった。また、得られた磁気抵抗効果
膜についてＸＰＳ分析を行った結果、トンネル障壁層１
１３であるＡｌ2Ｏ3膜とフェリ磁性層１１２との界面付
近でＤｙ2Ｏ3のピークが観察され、この界面付近のＤｙ
原子が酸化されていることが明らかとなった。
１０ｎｍの膜厚のＤｙ21（Ｆｅ50Ｃｏ50）79膜を用い、
磁性層１１４として１０ｎｍの膜厚のＧｄ20（Ｆｅ60Ｃ
ｏ40）80膜を用いた以外は実施例−１と同様にして、磁
気抵抗効果膜を作成した。実施例−１と同様にこの磁気
抵抗効果膜の磁気抵抗曲線を測定したところ、磁気抵抗
変化率は２９％であった。また、得られた磁気抵抗効果
膜についてＸＰＳ分析を行った結果、トンネル障壁層１
１３であるＡｌ2Ｏ3膜とフェリ磁性層１１２との界面付
近でＤｙ2Ｏ3のピークが観察され、この界面付近のＤｙ
原子が酸化されていることが明らかとなった。
【００３２】（実施例−３）実施例−１の磁気抵抗効果
膜においてフェリ磁性層１１２とトンネル障壁層１１３
の界面にＦｅ60Ｃｏ40が挿入された膜構成の磁気抵抗効
果膜とした。このＦｅ60Ｃｏ40層は、フェリ磁性層１１
２を一様に覆う膜形状ではなく島形状をしており、１つ
の島の大きさは直径１ｎｍ〜２ｎｍ程度であった。この
磁気抵抗効果膜の磁気抵抗曲線を測定したところ、フェ
リ磁性層１１２とトンネル障壁層１１３の界面に存在す
るＦｅ60Ｃｏ40はフェリ磁性層１１２との交換結合力に
よって磁化方向が膜面垂直方向に向いていることがうか
がわれ、また、磁気抵抗変化率は約５０％であった。得
られた磁気抵抗効果膜についてＸＰＳ分析を行った結
果、Ｆｅ60Ｃｏ40層とフェリ磁性層１１２との界面付近
でＧｄ2Ｏ3のピークが観察され、この界面付近のＧｄ原
子が酸化されていることが明らかとなった。
膜においてフェリ磁性層１１２とトンネル障壁層１１３
の界面にＦｅ60Ｃｏ40が挿入された膜構成の磁気抵抗効
果膜とした。このＦｅ60Ｃｏ40層は、フェリ磁性層１１
２を一様に覆う膜形状ではなく島形状をしており、１つ
の島の大きさは直径１ｎｍ〜２ｎｍ程度であった。この
磁気抵抗効果膜の磁気抵抗曲線を測定したところ、フェ
リ磁性層１１２とトンネル障壁層１１３の界面に存在す
るＦｅ60Ｃｏ40はフェリ磁性層１１２との交換結合力に
よって磁化方向が膜面垂直方向に向いていることがうか
がわれ、また、磁気抵抗変化率は約５０％であった。得
られた磁気抵抗効果膜についてＸＰＳ分析を行った結
果、Ｆｅ60Ｃｏ40層とフェリ磁性層１１２との界面付近
でＧｄ2Ｏ3のピークが観察され、この界面付近のＧｄ原
子が酸化されていることが明らかとなった。
【００３３】（実施例−４）Ｓｉ基板（Ｓｉウエハ）上
にトランジスタや配線層等を形成した後に実施例−３で
用いた膜構成の磁気抵抗効果膜を成膜し、さらにそれを
３行３列の９つのメモリ素子に加工し、メモリセルアレ
イを構成した。メモリ素子への情報の記録は、導線に電
流を流しそれにより発生する磁界によって行われる。記
録磁界印加用の電気回路を図３に、読み出し回路を図４
に示す。図３及び図４は、Ｓｉ基板を上から見た図に対
応し、磁気抵抗効果膜での磁化方向は、紙面に垂直な方
向となる。実際には、図３及び図４に示す構成は、多層
配線技術によってメモリセルアレイ内に重畳するように
形成されるものである。
にトランジスタや配線層等を形成した後に実施例−３で
用いた膜構成の磁気抵抗効果膜を成膜し、さらにそれを
３行３列の９つのメモリ素子に加工し、メモリセルアレ
イを構成した。メモリ素子への情報の記録は、導線に電
流を流しそれにより発生する磁界によって行われる。記
録磁界印加用の電気回路を図３に、読み出し回路を図４
に示す。図３及び図４は、Ｓｉ基板を上から見た図に対
応し、磁気抵抗効果膜での磁化方向は、紙面に垂直な方
向となる。実際には、図３及び図４に示す構成は、多層
配線技術によってメモリセルアレイ内に重畳するように
形成されるものである。
【００３４】選択したメモリ素子（磁気抵抗効果膜）の
磁性膜の磁化を選択的に反転させる方法について説明す
る。
磁性膜の磁化を選択的に反転させる方法について説明す
る。
【００３５】図３に示すように、メモリセルアレイには
９個のメモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９が
３×３に配列しており、メモリ素子の各行を挟むよう
に、行方向に伸びる第１の書き込み線３１１〜３１４が
設けられている。これらの書き込み線３１１〜３１４の
図示左端は共通に接続し、図示右端には、それぞれ、こ
れら書き込み線３１１〜３１４を電源４１１に接続する
ためのトランジスタ２１１〜２１４と、配線３００に接
続するためのトランジスタ２１５〜２１８とが設けられ
ている。メモリ素子の各列を挟むように、列方向に伸び
る第２の書き込み線３２１〜３２４が設けられている。
これらの書き込み線３２１〜３２４の図示上端は共通に
接続し、図示下端には、書き込み線３２１〜３２４をそ
れぞれ接地するためのトランジスタ２１９〜２２２と、
配線３００にそれぞれ接続するためのトランジスタ２２
３〜２２６が設けられている。
９個のメモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜１０９が
３×３に配列しており、メモリ素子の各行を挟むよう
に、行方向に伸びる第１の書き込み線３１１〜３１４が
設けられている。これらの書き込み線３１１〜３１４の
図示左端は共通に接続し、図示右端には、それぞれ、こ
れら書き込み線３１１〜３１４を電源４１１に接続する
ためのトランジスタ２１１〜２１４と、配線３００に接
続するためのトランジスタ２１５〜２１８とが設けられ
ている。メモリ素子の各列を挟むように、列方向に伸び
る第２の書き込み線３２１〜３２４が設けられている。
これらの書き込み線３２１〜３２４の図示上端は共通に
接続し、図示下端には、書き込み線３２１〜３２４をそ
れぞれ接地するためのトランジスタ２１９〜２２２と、
配線３００にそれぞれ接続するためのトランジスタ２２
３〜２２６が設けられている。
【００３６】ここで例えば、磁気抵抗効果膜１０５の磁
化を選択的に反転させる場合、トランジスタ２１２，２
１７，２２５，２２０を導通状態にし、その他のトラン
ジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は
書き込み線３１２，３１３，３２３，３２２を流れ、そ
れらの周りに磁界を誘起する。この状態では、磁気抵抗
効果膜１０５にのみ４本の書き込み線から同方向の磁界
が印加され、他の磁気抵抗効果膜には、同方向の磁界は
２本の書き込み線からしか印加されないか、さらには逆
方向の磁界が印加されて実効的に磁界が相殺されるかし
て、磁気抵抗効果膜１０５ほどには磁界が印加されない
ことになる。そこで、４本の書き込み線から同方向に磁
界が印加されたときの合成磁界がメモリ素子（磁気抵抗
効果膜）の磁性膜の磁化反転磁界よりもわずかに大きく
なるように調整しておけば、選択的に磁気抵抗効果膜１
０５の磁化のみ反転させることが可能である。また、こ
こで述べたのとは上下逆方向の磁界を磁気抵抗効果膜１
０５に印加する場合は、トランジスタ２１３，２１６，
２２４，２２１を導通状態にし、その他のトランジスタ
は遮断状態にしておく。このようにすると電流は、書き
込み線３１２，３１３，３２３，３２２を上述とは逆の
方向に流れ、磁気抵抗効果膜１０５へは逆方向の磁界が
印加される。したがって、磁気抵抗効果膜１０５には二
値の情報のうち上述とは異なるものが記録されることに
なる。
化を選択的に反転させる場合、トランジスタ２１２，２
１７，２２５，２２０を導通状態にし、その他のトラン
ジスタは遮断状態にしておく。このようにすると電流は
書き込み線３１２，３１３，３２３，３２２を流れ、そ
れらの周りに磁界を誘起する。この状態では、磁気抵抗
効果膜１０５にのみ４本の書き込み線から同方向の磁界
が印加され、他の磁気抵抗効果膜には、同方向の磁界は
２本の書き込み線からしか印加されないか、さらには逆
方向の磁界が印加されて実効的に磁界が相殺されるかし
て、磁気抵抗効果膜１０５ほどには磁界が印加されない
ことになる。そこで、４本の書き込み線から同方向に磁
界が印加されたときの合成磁界がメモリ素子（磁気抵抗
効果膜）の磁性膜の磁化反転磁界よりもわずかに大きく
なるように調整しておけば、選択的に磁気抵抗効果膜１
０５の磁化のみ反転させることが可能である。また、こ
こで述べたのとは上下逆方向の磁界を磁気抵抗効果膜１
０５に印加する場合は、トランジスタ２１３，２１６，
２２４，２２１を導通状態にし、その他のトランジスタ
は遮断状態にしておく。このようにすると電流は、書き
込み線３１２，３１３，３２３，３２２を上述とは逆の
方向に流れ、磁気抵抗効果膜１０５へは逆方向の磁界が
印加される。したがって、磁気抵抗効果膜１０５には二
値の情報のうち上述とは異なるものが記録されることに
なる。
【００３７】次に読み出し時の動作を説明する。図４に
示すように、各メモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜
１０９の一端には、それぞれ直列にそのメモリ素子を接
地するためのトランジスタ２３１〜２３９が形成されて
いる。ビット線３３１〜３３３は行ごとに設けられてお
り、ビット線３３１〜３３３の図示右端には、それぞ
れ、固定抵抗１５０を介してこれらビット線を電源４１
２に接続するためのトランジスタ２４０〜２４２が設け
られている。ビット線３３１は磁気抵抗効果膜１０１〜
１０３の他端に接続し、ビット線３３２は磁気抵抗効果
膜１０４〜１０６の他端に接続し、ビット線３３３は磁
気抵抗効果膜１０７〜１０９の他端に接続する。ビット
線３３１〜３３３の図示左端は共通接続されて、これら
ビット線の電位と基準電圧Ｒｅｆとの差を増幅するセン
スアンプ５００に接続している。さらに、ワード線３４
１〜３４３が列ごとに設けられており、ワード線３４１
はトランジスタ２３１，２３４，２３７のゲートに接続
し、ワード線３４２はトランジスタ２３２，２３５，２
３８のゲートに接続し、ワード線３４３はトランジスタ
２３３，２３６，２３９のゲートに接続している。
示すように、各メモリ素子（磁気抵抗効果膜）１０１〜
１０９の一端には、それぞれ直列にそのメモリ素子を接
地するためのトランジスタ２３１〜２３９が形成されて
いる。ビット線３３１〜３３３は行ごとに設けられてお
り、ビット線３３１〜３３３の図示右端には、それぞ
れ、固定抵抗１５０を介してこれらビット線を電源４１
２に接続するためのトランジスタ２４０〜２４２が設け
られている。ビット線３３１は磁気抵抗効果膜１０１〜
１０３の他端に接続し、ビット線３３２は磁気抵抗効果
膜１０４〜１０６の他端に接続し、ビット線３３３は磁
気抵抗効果膜１０７〜１０９の他端に接続する。ビット
線３３１〜３３３の図示左端は共通接続されて、これら
ビット線の電位と基準電圧Ｒｅｆとの差を増幅するセン
スアンプ５００に接続している。さらに、ワード線３４
１〜３４３が列ごとに設けられており、ワード線３４１
はトランジスタ２３１，２３４，２３７のゲートに接続
し、ワード線３４２はトランジスタ２３２，２３５，２
３８のゲートに接続し、ワード線３４３はトランジスタ
２３３，２３６，２３９のゲートに接続している。
【００３８】ここで、例えば、磁気抵抗効果膜１０５に
記録された情報を読み出すことを考える。この場合、ト
ランジスタ２３５，２４１を導通状態とする。すると、
電源４１２、固定抵抗１５０及び磁気抵抗効果膜１０５
が直列に接続された回路となる。したがって、電源電圧
は、固定抵抗１５０の抵抗値と磁気抵抗効果膜１０５の
抵抗値との割合でそれぞれの抵抗に分圧される。電源電
圧は固定されているので、磁気抵抗効果膜の抵抗値が変
化するとそれにしたがって磁気抵抗効果膜にかかる電圧
は異なる。この電圧値をセンスアンプ５００で読み出す
ことにより、磁気抵抗効果膜１０５に記録されている情
報を読み出すことができる。
記録された情報を読み出すことを考える。この場合、ト
ランジスタ２３５，２４１を導通状態とする。すると、
電源４１２、固定抵抗１５０及び磁気抵抗効果膜１０５
が直列に接続された回路となる。したがって、電源電圧
は、固定抵抗１５０の抵抗値と磁気抵抗効果膜１０５の
抵抗値との割合でそれぞれの抵抗に分圧される。電源電
圧は固定されているので、磁気抵抗効果膜の抵抗値が変
化するとそれにしたがって磁気抵抗効果膜にかかる電圧
は異なる。この電圧値をセンスアンプ５００で読み出す
ことにより、磁気抵抗効果膜１０５に記録されている情
報を読み出すことができる。
【００３９】図５は、このようなメモリ素子の１つ分の
周辺部分の立体構造を模式的に示している。ここでは、
図３及び図４における磁気抵抗効果膜１０５の近傍が示
されている。例えば、ｐ型Ｓｉ基板１６１に２つのｎ型
拡散領域１６２，１６３が形成されており、これらの間
に絶縁層１２３を介してワード線（ゲート電極）３４２
が形成されている。コンタクトプラグ３５１を介してｎ
型拡散領域１６２に接地線３５６を接続し、コンタクト
プラグ３５２，３５３，３５４，３５７とローカル配線
３５８とを介してｎ型拡散領域１６３に磁気抵抗効果膜
１０５を接続する。磁気抵抗効果膜１０５は、さらに、
コンタクトプラグ３５５を介してビット線３３２に接続
されている。磁気抵抗効果膜１０５の横には、磁界を発
生させるための書き込み線３２２，３２３が配されてい
る。
周辺部分の立体構造を模式的に示している。ここでは、
図３及び図４における磁気抵抗効果膜１０５の近傍が示
されている。例えば、ｐ型Ｓｉ基板１６１に２つのｎ型
拡散領域１６２，１６３が形成されており、これらの間
に絶縁層１２３を介してワード線（ゲート電極）３４２
が形成されている。コンタクトプラグ３５１を介してｎ
型拡散領域１６２に接地線３５６を接続し、コンタクト
プラグ３５２，３５３，３５４，３５７とローカル配線
３５８とを介してｎ型拡散領域１６３に磁気抵抗効果膜
１０５を接続する。磁気抵抗効果膜１０５は、さらに、
コンタクトプラグ３５５を介してビット線３３２に接続
されている。磁気抵抗効果膜１０５の横には、磁界を発
生させるための書き込み線３２２，３２３が配されてい
る。
【００４０】（比較例）実施例−１と同様に、Ｓｉ基板
１００上に、フェリ磁性層１１２として１０ｎｍの膜厚
のＧｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜、トンネル障壁層１１３
として１．５ｎｍの膜厚のＡｌ2Ｏ3膜をスパッタにより
順次形成した。その後、真空チャンバー内に酸素ガスを
導入し、トンネル障壁層１１３（Ａｌ2Ｏ3膜）表面から
プラズマ酸化を行った。このときの投入パワーは３Ｗ
で、酸化時間は２０秒であった。その後、十分に真空引
きを行い、磁性層１１４として１０ｎｍの膜厚のＴｂ20
（Ｆｅ50Ｃｏ50）80膜、保護膜１１６として２ｎｍのＰ
ｔ膜をスパッタにより順次形成した。その後、得られた
多層膜の上部に１μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライ
エッチングによってレジストに覆われていない部分の磁
気抵抗効果膜を除去した。エッチング後、２５ｎｍの膜
厚のＡｌ2Ｏ3膜を成膜し、さらにレジストおよびその上
部のＡｌ2Ｏ3膜を除去し、上部電極とフェリ磁性層１１
２（Ｇｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）との間の電気絶縁を
行うための絶縁膜１２１を形成した。次に、リフトオフ
法によって上部電極１２２をＡｌ膜により作成し、上部
電極に覆われていない部分のＡｌ2Ｏ3膜を一部除去して
測定回路を接続するための電極パットとした。
１００上に、フェリ磁性層１１２として１０ｎｍの膜厚
のＧｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜、トンネル障壁層１１３
として１．５ｎｍの膜厚のＡｌ2Ｏ3膜をスパッタにより
順次形成した。その後、真空チャンバー内に酸素ガスを
導入し、トンネル障壁層１１３（Ａｌ2Ｏ3膜）表面から
プラズマ酸化を行った。このときの投入パワーは３Ｗ
で、酸化時間は２０秒であった。その後、十分に真空引
きを行い、磁性層１１４として１０ｎｍの膜厚のＴｂ20
（Ｆｅ50Ｃｏ50）80膜、保護膜１１６として２ｎｍのＰ
ｔ膜をスパッタにより順次形成した。その後、得られた
多層膜の上部に１μｍ角のレジスト膜を形成し、ドライ
エッチングによってレジストに覆われていない部分の磁
気抵抗効果膜を除去した。エッチング後、２５ｎｍの膜
厚のＡｌ2Ｏ3膜を成膜し、さらにレジストおよびその上
部のＡｌ2Ｏ3膜を除去し、上部電極とフェリ磁性層１１
２（Ｇｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）との間の電気絶縁を
行うための絶縁膜１２１を形成した。次に、リフトオフ
法によって上部電極１２２をＡｌ膜により作成し、上部
電極に覆われていない部分のＡｌ2Ｏ3膜を一部除去して
測定回路を接続するための電極パットとした。
【００４１】このようにして形成された磁気抵抗効果膜
に対し、上部電極１２２と下部電極（Ｓｉ基板１００）
の間に定電流電源を接続して、フェリ磁性層１１２（Ｇ
ｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）と磁性層１１４（Ｔｂ
20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80膜）の間のトンネル障壁層１１３
（Ａｌ2Ｏ3膜）を電子がトンネルするように、一定電流
を流した。この状態で磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向
に磁界を印加し、その大きさと方向を変えることにより
磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定し
た。この測定結果によると磁気抵抗変化率は約６％であ
った。
に対し、上部電極１２２と下部電極（Ｓｉ基板１００）
の間に定電流電源を接続して、フェリ磁性層１１２（Ｇ
ｄ20（Ｆｅ60Ｃｏ40）80膜）と磁性層１１４（Ｔｂ
20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80膜）の間のトンネル障壁層１１３
（Ａｌ2Ｏ3膜）を電子がトンネルするように、一定電流
を流した。この状態で磁気抵抗効果膜の膜面に垂直方向
に磁界を印加し、その大きさと方向を変えることにより
磁気抵抗効果膜の電圧の変化（磁気抵抗曲線）を測定し
た。この測定結果によると磁気抵抗変化率は約６％であ
った。
【００４２】また、このようにして得られた磁気抵抗効
果膜についてＸＰＳ分析を行った結果、フェリ磁性層１
１２とトンネル障壁層１１３との界面付近にはＧｄ2Ｏ3
のピークは観察されず、界面付近のＧｄ原子は酸化され
ていないと予想された。
果膜についてＸＰＳ分析を行った結果、フェリ磁性層１
１２とトンネル障壁層１１３との界面付近にはＧｄ2Ｏ3
のピークは観察されず、界面付近のＧｄ原子は酸化され
ていないと予想された。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、フェリ磁
性層のトンネル障壁層との界面付近に存在する希土類金
属が酸化するようすることにより、トンネル障壁層に接
して形成されている磁性体に希土類金属と遷移金属を主
成分とする材料を用いた場合においても、大きな磁気抵
抗変化率を示す磁気抵抗効果膜とすることが可能とな
る、という効果がある。
性層のトンネル障壁層との界面付近に存在する希土類金
属が酸化するようすることにより、トンネル障壁層に接
して形成されている磁性体に希土類金属と遷移金属を主
成分とする材料を用いた場合においても、大きな磁気抵
抗変化率を示す磁気抵抗効果膜とすることが可能とな
る、という効果がある。
【図１】本発明の実施の一形態の磁気抵抗効果膜の膜構
成を模式的に示した断面図である。
成を模式的に示した断面図である。
【図２】実施例−１で形成される磁気抵抗効果膜の構成
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図３】実施例−４において用いられた情報を記録する
ために印加する磁界を発生させるための回路を示す回路
図である。
ために印加する磁界を発生させるための回路を示す回路
図である。
【図４】実施例−４において用いられた記録された情報
を読み出すための回路を示す回路図である。
を読み出すための回路を示す回路図である。
【図５】実施例−４において形成されるメモリ素子を模
式的に示した断面図である。
式的に示した断面図である。
【図６】磁気抵抗効果膜の磁化方向と磁気抵抗効果によ
る電気抵抗の大きさを説明するための断面図である。
る電気抵抗の大きさを説明するための断面図である。
【図７】面内磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜をメモリと
して用いた場合の磁化方向と読み出し信号との関係を説
明するための断面図である。
して用いた場合の磁化方向と読み出し信号との関係を説
明するための断面図である。
【図８】垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜をメモリと
して用いた場合の磁化方向と読み出し信号との関係を説
明するための断面図である。
して用いた場合の磁化方向と読み出し信号との関係を説
明するための断面図である。
１１，２１ 磁性層（検出層）
１２，２２ 非磁性層
１３，２３ 磁性層（メモリ層）
１００ Ｓｉ基板
１０１〜１０９ 磁気抵抗効果膜（メモリ素子）
１１２ フェリ磁性層
１１３ トンネル障壁層
１１４ 磁性層
１１５ 酸化希土類金属層
１１６ 保護層
１２１ 絶縁膜
１２２ 上部電極
１５０ 固定抵抗
１６１ ｐ型Ｓｉ基板
１６２，１６３ ｎ型拡散領域
２１１〜２２６，２３１〜２４２ トランジスタ
３００ 配線
３１１〜３１４，３２１〜３２４ 書き込み線
３３１〜３３３ ビット線
３４１〜３４３ ワード線（ゲート電極）
３５１〜３５５、３５７ コンタクトプラグ
３５６ 接地線
３５８ ローカル配線
４１１，４１２ 電源
５００ センスアンプ
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 (11)
- 【請求項１】 第１及び第２の磁性層と、前記第１及び
第２の磁性層に挟まれたトンネル障壁層とを有し、前記
第１及び第２の磁性層の少なくとも一方が希土類金属と
遷移金属とを主成分とするフェリ磁性層である磁気抵抗
効果膜において、 前記フェリ磁性層の前記トンネル障壁層との界面付近に
存在する希土類金属が酸化していることを特徴とする磁
気抵抗効果膜。 - 【請求項２】 前記フェリ磁性層は、前記希土類金属と
してＧｄ，Ｄｙ，Ｔｂからなる群の中から選ばれる１種
類以上の元素と、前記遷移金属としてＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ
からなる群の中から選ばれる１種類以上の元素とを主成
分とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果膜。 - 【請求項３】 前記トンネル障壁層が酸化アルミニウム
によって構成される請求項１または２に記載の磁気抵抗
効果膜。 - 【請求項４】 前記フェリ磁性層が垂直磁化膜である請
求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜。 - 【請求項５】 前記フェリ磁性層の表面に前記トンネル
障壁層を形成した後に前記トンネル障壁層表面側から酸
化処理を施すことにより、前記界面付近の前記希土類金
属が酸化している、請求項１に記載の磁気抵抗効果膜。 - 【請求項６】 前記フェリ磁性層を形成した後に酸化処
理を施し、その後前記トンネル障壁層を形成することに
より、前記界面付近の前記希土類金属が酸化している、
請求項１に記載の磁気抵抗効果膜。 - 【請求項７】 前記フェリ磁性層と前記トンネル障壁層
との界面に、前記フェリ磁性層よりも大きなスピン分極
率を有する第３の磁性層を形成されている、請求項１乃
至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果膜。 - 【請求項８】 前記第３の磁性層が島状または網状に形
成されている、請求項７に記載の磁気抵抗効果膜。 - 【請求項９】 希土類金属と遷移金属とを主成分とする
フェリ磁性層である第１の磁性層と、第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層に挟まれたトンネル障壁層と
を有する磁気抵抗効果膜の製造方法において、 前記第１の磁性層を形成し、前記第１の磁性層の表面に
前記トンネル障壁層を形成し、その後、前記トンネル障
壁層の表面側から酸化処理を施すことにより、前記第１
の磁性層の前記トンネル障壁層との界面付近に存在する
希土類金属を酸化させることを特徴とする磁気抵抗効果
膜の製造方法。 - 【請求項１０】 希土類金属と遷移金属とを主成分とす
るフェリ磁性層である第１の磁性層と、第２の磁性層
と、前記第１及び第２の磁性層に挟まれたトンネル障壁
層とを有する磁気抵抗効果膜の製造方法において、 前記第１の磁性層を形成し、前記第１の磁性層の表面に
対して酸化処理を施し、その後前記トンネル障壁層を形
成することにより、前記第１の磁性層の前記トンネル障
壁層との界面付近に存在する希土類金属を酸化させるこ
とを特徴とする磁気抵抗効果膜の製造方法。 - 【請求項１１】 請求項１乃至８のいずれか１項に記載
の磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜に記録を行う
手段と、前記磁気抵抗効果膜に記録された情報を読み出
す手段と、を有するメモリ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001305068A JP3592282B2 (ja) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | 磁気抵抗効果膜、およびそれを用いたメモリ |
| US10/259,623 US6791866B2 (en) | 2001-10-01 | 2002-09-30 | Magnetoresistive film, method of manufacturing magnetoresistive film, and memory using magnetoresistive film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001305068A JP3592282B2 (ja) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | 磁気抵抗効果膜、およびそれを用いたメモリ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP3592282B2 JP3592282B2 (ja) | 2004-11-24 |
Family
ID=19124913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001305068A Expired - Fee Related JP3592282B2 (ja) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | 磁気抵抗効果膜、およびそれを用いたメモリ |
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| JP (1) | JP3592282B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7423850B2 (en) * | 2005-03-31 | 2008-09-09 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | CPP-GMR read head sensor with synthetic free layer providing suppression of spin torque noise |
| US8203808B2 (en) | 2006-10-30 | 2012-06-19 | Tdk Corporation | Magneto-resistance effect element including free layer having multilayer constitution including magnetic body mixed with element having 4F electrons |
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|---|---|---|---|---|
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| US7230265B2 (en) * | 2005-05-16 | 2007-06-12 | International Business Machines Corporation | Spin-polarization devices using rare earth-transition metal alloys |
| KR100949110B1 (ko) * | 2005-12-09 | 2010-03-22 | 후지쯔 가부시끼가이샤 | 자기 메모리 장치 및 그 기입 방법 |
| US20080173975A1 (en) * | 2007-01-22 | 2008-07-24 | International Business Machines Corporation | Programmable resistor, switch or vertical memory cell |
| US20080218915A1 (en) * | 2007-03-05 | 2008-09-11 | Tdk Corporation | Tunnel Magnetoresistive Effect Element With Lower Noise and Thin-Film Magnet Head Having the Element |
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| CN106537624B (zh) | 2014-04-02 | 2020-09-25 | S·E·格兰维尔 | 包含稀土氮化物的磁性材料和设备 |
| US10475988B2 (en) * | 2016-07-27 | 2019-11-12 | National University Of Singapore | High efficiency spin torque switching using a ferrimagnet |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP3559722B2 (ja) | 1999-04-16 | 2004-09-02 | キヤノン株式会社 | 磁気抵抗素子、固体メモリ |
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| JP2002368306A (ja) * | 2001-06-07 | 2002-12-20 | Canon Inc | 磁気抵抗効果膜およびそれを用いたメモリ |
-
2001
- 2001-10-01 JP JP2001305068A patent/JP3592282B2/ja not_active Expired - Fee Related
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2002
- 2002-09-30 US US10/259,623 patent/US6791866B2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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| US8203808B2 (en) | 2006-10-30 | 2012-06-19 | Tdk Corporation | Magneto-resistance effect element including free layer having multilayer constitution including magnetic body mixed with element having 4F electrons |
Also Published As
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|---|---|
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| US6791866B2 (en) | 2004-09-14 |
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