JP2004221526A - Thin magnetic film and magnetoresistive effect element using the same, and magnetic device - Google Patents
Thin magnetic film and magnetoresistive effect element using the same, and magnetic device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004221526A JP2004221526A JP2003271628A JP2003271628A JP2004221526A JP 2004221526 A JP2004221526 A JP 2004221526A JP 2003271628 A JP2003271628 A JP 2003271628A JP 2003271628 A JP2003271628 A JP 2003271628A JP 2004221526 A JP2004221526 A JP 2004221526A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- magnetoresistive element
- magnetic
- substrate
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 203
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 70
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 202
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 77
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 54
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 44
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 39
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 24
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 13
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 155
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 32
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 21
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 16
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 14
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 229910015372 FeAl Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 8
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 8
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 7
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 229910001291 heusler alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- 229910017028 MnSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005811 NiMnSb Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Magnetic Heads (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
Abstract
Description
本発明は、スピン分極率の大きい磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイスに関する。 The present invention relates to a magnetic thin film having a large spin polarizability, a magnetoresistive element using the same, and a magnetic device.
近年、強磁性層/非磁性金属層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)効果素子、及び強磁性層/絶縁体層/強磁性層からなるトンネル磁気抵抗効果素子や強磁性スピントンネル接合(MTJ)素子が、新しい磁界センサーや不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ(MRAM)素子として注目されている。
巨大磁気抵抗効果素子には、膜面内に電流を流すタイプのCIP(Current In Plane)構造の巨大磁気抵抗効果素子と、膜面垂直方向に電流を流すタイプのCPP(Current Perpendicular to the Plane)構造の巨大磁気抵抗効果素子が知られている。巨大磁気抵抗効果素子の原理は磁性層と非磁性層の界面におけるスピン依存散乱にあり、一般に、CPP構造の巨大磁気抵抗効果素子の方がCIP構造の巨大磁気抵抗効果素子よりもGMRが大きい。
In recent years, a giant magnetoresistance (GMR) effect element composed of a multilayer film of a ferromagnetic layer / a nonmagnetic metal layer, a tunnel magnetoresistance effect element composed of a ferromagnetic layer / an insulator layer / a ferromagnetic layer, and a ferromagnetic spin tunnel junction ( (MTJ) elements are attracting attention as new magnetic field sensors and nonvolatile random access magnetic memory (MRAM) elements.
The giant magnetoresistive element includes a giant magnetoresistive element having a current in plane (CIP) structure in which a current flows in a film surface and a current perpendicular to the plane (CPP) in which a current flows in a direction perpendicular to the film surface. Giant magnetoresistive elements having a structure are known. The principle of the giant magnetoresistive element is spin-dependent scattering at the interface between the magnetic layer and the nonmagnetic layer. Generally, a giant magnetoresistive element having a CPP structure has a larger GMR than a giant magnetoresistive element having a CIP structure.
このような巨大磁気抵抗効果素子素子は、強磁性層の一方に反強磁性層を近接させて強磁性層のスピンを固定させるスピンバルブ型が用いられている。CPP構造のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の場合、反強磁性層の電気抵抗率が200μΩ・cm程度とGMR膜に比べて2 桁程度大きいため、GMR効果が薄められ、スピンバルブ型のCPP構造の巨大磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の値は1%以下と小さい。そのため、CIP構造の巨大磁気抵抗効果素子はすでにハードデイスクの再生ヘッドに実用化されているものの、CPP構造の巨大磁気抵抗効果素子はまだ実用にいたっていない。 Such a giant magnetoresistive element uses a spin valve type in which an antiferromagnetic layer is brought close to one of the ferromagnetic layers to fix the spin of the ferromagnetic layer. In the case of a spin valve type giant magnetoresistance effect element having a CPP structure, the electric resistivity of the antiferromagnetic layer is about 200 μΩ · cm, which is about two orders of magnitude larger than that of the GMR film. The value of the magnetoresistance of the giant magnetoresistance effect element having the structure is as small as 1% or less. Therefore, although the giant magnetoresistive element having the CIP structure has already been put to practical use in the reproducing head of the hard disk, the giant magnetoresistive effect element having the CPP structure has not been put to practical use yet.
一方、トンネル磁気抵抗効果素子やMTJでは、外部磁界によって2つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより,膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗(TMR)効果が室温で得られる(非特許文献1参照)。このTMRは、用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率Pに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれP1 ,P2 とすると、一般に下記(1)式で与えられることが知られている。 On the other hand, in a tunnel magnetoresistive element or an MTJ, by controlling the magnetization of two ferromagnetic layers to be parallel or antiparallel to each other by an external magnetic field, the magnitudes of tunnel currents in the direction perpendicular to the film surface are different from each other. A resistance (TMR) effect can be obtained at room temperature (see Non-Patent Document 1). This TMR depends on the spin polarizability P at the interface between the ferromagnetic material and the insulator to be used. If the spin polarizabilities of the two ferromagnetic materials are P 1 and P 2 , respectively, the TMR is generally given by the following equation (1). Is known to be.
TMR=2P1 P2 /(1−P1 P2 ) (1)
ここで、強磁性体のスピン分極率Pは0<P≦1の値をとる。
TMR = 2P 1 P 2 / ( 1-P 1 P 2) (1)
Here, the spin polarizability P of the ferromagnetic material takes a value of 0 <P ≦ 1.
現在、得られている室温における最大のTMRはP〜0.5のCoFe合金を用いた場合の約50パーセントである。 Currently, the maximum TMR at room temperature obtained is about 50 percent when using a P-0.5 CoFe alloy.
TMR素子は現在、ハードデイスク用磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ(MRAM)への応用が期待されている。MRAMでは、MTJ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することで、各MTJ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行、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、TMR効果を利用して行う。しかし、MRAMでは高密度化のために素子サイズを小さくすると、素子のバラツキに伴うノイズが増大し、TMRの値が現状では不足するという問題がある。したがって、より大きなTMRを示す素子の開発が必要である。 At present, the TMR element is expected to be applied to a magnetic head for a hard disk and a nonvolatile random access magnetic memory (MRAM). In the MRAM, the MTJ elements are arranged in a matrix, and a current is applied to a separately provided wiring to apply a magnetic field, thereby controlling two magnetic layers constituting each MTJ element to be parallel and antiparallel to each other. “1” and “0” are recorded. Reading is performed using the TMR effect. However, in the MRAM, when the element size is reduced for higher density, there is a problem that noise accompanying the variation of the elements increases, and the value of TMR is insufficient at present. Therefore, it is necessary to develop an element exhibiting a larger TMR.
上記(1)式からわかるように、P=1の磁性体を用いると無限に大きなTMRが期待される。P=1の磁性体はハーフメタルと呼ばれる。
これまで、バンド構造計算によって、Fe3 O4 ,CrO2 ,(La−Sr)MnO3 ,Th2 MnO7 ,Sr2 FeMoO6 などの酸化物、NiMnSbなどのハーフホイスラー合金、及びCo2 MnGe,Co2 MnSi,Co2 CrAlなどのL21 構造をもつフルホイスラー合金などがハーフメタルとして知られている。例えば、Co2 MnGeなどの従来のL21 構造を有するフルホイスラー合金は基板を200℃程度に加熱し、さらに、その膜厚を通常25nm以上にして作製できることが報告されている(非特許文献2参照)。
As can be seen from the above equation (1), an infinitely large TMR is expected when a magnetic material with P = 1 is used. A magnetic material with P = 1 is called a half metal.
Up to now, band structure calculations have shown that oxides such as Fe 3 O 4 , CrO 2 , (La—Sr) MnO 3 , Th 2 MnO 7 , Sr 2 FeMoO 6 , half-Heusler alloys such as NiMnSb, and Co 2 MnGe, Co 2 MnSi, such full Heusler alloy having a L2 1 structure, such as Co 2 CrAl is known as a half-metal. For example, it has been reported that a conventional full Heusler alloy having an L2 1 structure such as Co 2 MnGe can be manufactured by heating a substrate to about 200 ° C. and further setting the film thickness to usually 25 nm or more (Non-Patent Document 2). reference).
最近、ハーメタルのCo2 CrAlの構成元素であるCrの一部をFeで置換したCo2 Fe0.4 Cr0.6 Alも、バンド構造の理論計算によれば、L21 型のハーフメタルであることが報告された(非特許文献3参照)。しかし、その薄膜及びトンネル接合は作製されていない。したがって、従来のL21 型化合物と同様に、この薄膜がハーフメタル特性や大きなTMR特性を示すか否かは、実験的には全くわかっていない。 Recently, Co 2 Fe 0.4 Cr 0.6 Al was substituted for part of Fe and Cr is a constituent element of Co 2 CrAl of Hametaru also, according to the theoretical calculation of the band structure, reported to be a L2 1 type half-metal (See Non-Patent Document 3). However, the thin film and the tunnel junction have not been manufactured. Therefore, similarly to the conventional L2 1 type compound, it is not experimentally known whether or not this thin film shows a half metal characteristic or a large TMR characteristic.
従来のハードデイスクの再生ヘッドに実用化されているCIP構造の巨大磁気抵抗効果素子においては、高記録密度に向け微細化が進められているが、素子の微細化に伴い信号電圧の不足が予測されており、CIP構造の巨大磁気抵抗効果素子の代わりにCPP構造の巨大磁気抵抗効果素子の高性能化が要求されているが、未だ実現されていない。 In the giant magnetoresistive effect element having the CIP structure, which has been practically used in the conventional reproducing head of a hard disk, miniaturization is being promoted for high recording density. However, with the miniaturization of the element, shortage of signal voltage is expected. Therefore, it is required to improve the performance of a giant magnetoresistive element having a CPP structure instead of the giant magnetoresistive element having a CIP structure, but it has not been realized yet.
上記のハーフメタルのCo2 CrAlを除き、ハーフメタル薄膜が作製されているが、基板を300℃以上に加熱するか、または室温で成膜後300℃以上の温度で熱処理することが必要である。しかし、これまでに作製された薄膜がハーフメタルであったという報告はない。そして、これらのハーフメタルを用いたトンネル接合素子の作製も一部試みられているが、いずれも室温のTMRは期待に反して小さく、Fe3 O4 を用いた場合の精々10数%が最大であった。
このように、従来のハーフメタル薄膜はその構造を得るために基板加熱や熱処理を必要としており、それによって表面のラフネスが増大したり、または酸化したりすることも大きなTMRが得られない原因の一つと考えられている。
一方、薄膜ではバルク材料と異なり、表面においてはハーフメタル特性を示さない可能性があること、また、ハーフメタル特性は組成や原子配列の規則度に敏感であり、特にトンネル接合では、その界面においてハーフメタルの電子状態を得るのが困難であることも、大きなTMRが得られない原因と推定される。
以上のことから、ハーフメタル薄膜の作製が実際には非常に困難で、各種の磁気抵抗効果素子に使用できる良好なハーフメタル薄膜が得られていないという課題がある。
Except for the above-mentioned half-metal Co 2 CrAl, a half-metal thin film is manufactured. However, it is necessary to heat the substrate to 300 ° C. or higher, or to heat-treat at 300 ° C. or higher after film formation at room temperature. . However, there is no report that the thin film produced so far is a half metal. Some attempts have been made to fabricate tunnel junction devices using these half-metals, but the TMR at room temperature is unexpectedly small, and at most 10% or less when Fe 3 O 4 is used. Met.
As described above, the conventional half-metal thin film requires substrate heating or heat treatment to obtain its structure, and thereby increases the surface roughness or oxidizes. It is considered one.
On the other hand, unlike a bulk material, a thin film may not exhibit half-metal properties on the surface, and the half-metal properties are sensitive to the order of composition and atomic arrangement. The difficulty in obtaining the electronic state of the half-metal is also presumed to be a reason why a large TMR cannot be obtained.
From the above, there is a problem that it is very difficult to actually manufacture a half-metal thin film, and a favorable half-metal thin film that can be used for various magnetoresistive elements has not been obtained.
バンド構造の理論計算でハーフメタルであることが予測されている、Co2 CrAlやCo2 Fe0.4 Cr0.6 Al薄膜及びこの薄膜を用いたトンネル接合は、作製されていないという課題がある。
一般に磁性薄膜材料においては、薄膜とバルク材料では特に表面で電子状態が異なる。このため、バルク材料においてはハーフメタルであっても、薄膜においてハーフメタルになるという保証はない。ましてや、バンド構造の理論計算でハーフメタルであることが示されても、実際に薄膜でハーフメタルが得られる保証はない。それは、これまで理論的に示された上記の種々のハーフメタルが実験的に得られていないことが物語っている。
したがって、従来のフルホイスラー合金であるL21 型化合物と同様に、Co2 CrAlおよびCo2 Fe0.4 Cr0.6 Al薄膜が実験的にハーフメタル特性や大きなTMR特性を示すか否かは全くわかっていない。
There is a problem that a Co 2 CrAl or Co 2 Fe 0.4 Cr 0.6 Al thin film, which is predicted to be a half metal by theoretical calculation of a band structure, and a tunnel junction using this thin film have not been manufactured.
In general, in a magnetic thin film material, the electronic state of a thin film differs from that of a bulk material, particularly at the surface. For this reason, there is no guarantee that a half metal in a bulk material will be a half metal in a thin film. Furthermore, even if theoretical calculation of the band structure indicates that it is a half metal, there is no guarantee that a half metal is actually obtained in a thin film. It indicates that the above-mentioned various half-metals theoretically shown so far have not been obtained experimentally.
Therefore, as with a conventional full-Heusler alloy L2 1 type compound, whether showing a Co 2 CrAl and Co 2 Fe 0.4 Cr 0.6 Al thin film is experimentally half metal characteristics and large TMR characteristics is not at all known .
従来、理論的にハーフメタルであることが指摘されている材料は上記のように数多くあるが、いずれも作製された薄膜は室温でハーフメタル特性を示していない。そのため、ハーフメタルであれば期待されるような、室温でのCPP構造の巨大磁気抵抗効果素子による大きなGMRやMTJ素子からの大きなTMRは得られていないという課題がある。 Conventionally, as described above, there are many materials that have been theoretically pointed out to be half-metals, but none of the prepared thin films exhibit half-metal characteristics at room temperature. Therefore, there is a problem that a large GMR due to a giant magnetoresistive element having a CPP structure at room temperature and a large TMR from an MTJ element cannot be obtained at room temperature, which is expected with a half metal.
本発明は、上記課題に鑑み、スピン分極率の大きい磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイスを提供することを目的としている。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a magnetic thin film having a large spin polarizability, a magnetoresistive element using the same, and a magnetic device.
本発明者らは、Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜を作製した結果、この膜は室温で強磁性であり、かつ、基板を加熱することなくL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を作製できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have produced a Co 2 F x Cr 1-x Al (0 ≦ x ≦ 1) thin film, and as a result, this film is ferromagnetic at room temperature and L2 1 , B2 without heating the substrate. , A2 structure can be manufactured, and the present invention has been completed.
上記目的を達成するため、本発明の磁性薄膜は、基板上に形成されるCo2 Fex Cr1-x Al薄膜を備え、Co2 Fex Cr1-x Al薄膜はL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有し、かつ、0≦x≦1であることを特徴とする。
上記構成において、Co2 Fex Cr1-x Al薄膜は基板を加熱することなく成膜され得る。上記基板は、熱酸化Si,ガラス,MgO単結晶,GaAs単結晶,Al2 O3 単結晶の何れか一つであればよい。また、基板とCo2 Fex Cr1-x Al薄膜の間にバッファー層が配設されていてもよい。このバッファー層としては、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeのうちの少なくとも一つを用いることができる。
In order to achieve the above object, a magnetic thin film of the present invention comprises a Co 2 F x Cr 1-x Al thin film formed on a substrate, and the Co 2 F x Cr 1-x Al thin film comprises L2 1 , B2, A2 It has any one of the structures, and 0 ≦ x ≦ 1.
In the above configuration, the Co 2 F x Cr 1-x Al thin film can be formed without heating the substrate. The substrate may be any one of thermally oxidized Si, glass, MgO single crystal, GaAs single crystal, and Al 2 O 3 single crystal. Further, a buffer layer may be provided between the substrate and the Co 2 Fe x Cr 1-x Al thin film. As this buffer layer, at least one of Al, Cu, Cr, Fe, Nb, Ni, Ta, and NiFe can be used.
この構成によれば、室温において、強磁性であり、スピン分極率の大きいCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜を得ることができる。 According to this configuration, a Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) magnetic thin film that is ferromagnetic and has a large spin polarizability at room temperature can be obtained.
また、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、基板上に複数の強磁性層を有し、少なくとも一方の強磁性層が、L21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜で成ることを特徴とする。
前記強磁性層は、固定層とフリー層とで成り、フリー層はL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜でなることが好ましい。また、Co2 Fex Cr1-x Al薄膜は基板を加熱することによらずに成膜することができる。この場合、基板としては、熱酸化Si,ガラス,MgO単結晶,GaAs単結晶,Al2 O3 単結晶の何れか一つであればよい。また、基板とCo2 Fex Cr1-x Al薄膜の間にバッファー層が配設されていてもよい。このバッファー層は、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeのうちの少なくとも一つで構成されることができる。
Further, the tunnel magnetoresistance effect element of the present invention has a plurality of ferromagnetic layers on a substrate, and at least one of the ferromagnetic layers has a structure of Co 2 Fe having any one of L2 1 , B2, and A2 structures. x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) is made of a magnetic thin film.
The ferromagnetic layer includes a fixed layer and a free layer, and the free layer has a structure of any one of L2 1 , B2, and A2 structures, where Co 2 F x Cr 1 -x Al (where 0 ≦ x ≦ 1) It is preferable to use a magnetic thin film. Further, the Co 2 Fe x Cr 1-x Al thin film can be formed without heating the substrate. In this case, the substrate may be any one of thermally oxidized Si, glass, MgO single crystal, GaAs single crystal, and Al 2 O 3 single crystal. Further, a buffer layer may be provided between the substrate and the Co 2 Fe x Cr 1-x Al thin film. This buffer layer can be composed of at least one of Al, Cu, Cr, Fe, Nb, Ni, Ta, and NiFe.
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でTMRの大きいトンネル磁気抵抗効果素子を得ることができる。 According to the above configuration, a tunneling magneto-resistance effect element having a large TMR at a low external magnetic field at room temperature can be obtained.
また、本発明の巨大磁気抵抗効果素子は、基板上に複数の強磁性層を有し、少なくとも一方の強磁性層が、L21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜で成り、膜面垂直方向に電流が流れる構造としたことを特徴とする。
前記強磁性層は、固定層とフリー層とで成り、フリー層はL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜でなることが好ましい。上記Co2 Fex Cr1-x Al薄膜は、基板を加熱することなしに成膜することができる。基板とCo2 Fex Cr1-x Al薄膜の間にバッファー層を配設するようにしてもよい。基板としては、熱酸化Si,ガラス,MgO単結晶,GaAs単結晶,Al2 O3 単結晶の何れか一つであればよい。また、バッファー層は、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeのうちの少なくとも一つで構成することができる。
Further, the giant magnetoresistive element of the present invention has a plurality of ferromagnetic layers on a substrate, and at least one of the ferromagnetic layers has a structure of Co 2 Fe having any one of L2 1 , B2, and A2 structures. (where, 0 ≦ x ≦ 1) x Cr 1-x Al made of a magnetic thin film, characterized in that a structure in which current flows in a direction perpendicular to the film surface.
The ferromagnetic layer includes a fixed layer and a free layer, and the free layer has a structure of any one of L2 1 , B2, and A2 structures, where Co 2 F x Cr 1 -x Al (where 0 ≦ x ≦ 1) It is preferable to use a magnetic thin film. The Co 2 Fe x Cr 1-x Al thin film can be formed without heating the substrate. A buffer layer may be provided between the substrate and the Co 2 Fe x Cr 1-x Al thin film. The substrate may be any one of thermally oxidized Si, glass, MgO single crystal, GaAs single crystal, and Al 2 O 3 single crystal. Further, the buffer layer can be composed of at least one of Al, Cu, Cr, Fe, Nb, Ni, Ta, and NiFe.
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でGMRの大きい巨大磁気抵抗効果素子を得ることができる。 According to the above configuration, a giant magnetoresistance effect element having a large GMR at a low external magnetic field at room temperature can be obtained.
また、本発明の磁気デバイスは、L21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜が基板上に形成されて成ることを特徴とする。この場合、フリー層が上記Co2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜から成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いればよい。
好ましくは、トンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子が基板を加熱することなく作製されている。
また、基板とCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜との間にバッファー層が配設されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いることができる。前記基板が熱酸化Si,ガラス,MgO単結晶,GaAs単結晶,Al2 O3 単結晶の何れか一つとしたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いることができる。バッファー層として、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeの少なくとも一つを用いたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いればよい。
Further, in the magnetic device of the present invention, a Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) magnetic thin film having any one of L2 1 , B2, and A2 structures is formed on a substrate. It is characterized by being made. In this case, a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element whose free layer is made of a magnetic thin film of Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) may be used.
Preferably, the tunnel magnetoresistance effect element or the giant magnetoresistance effect element is manufactured without heating the substrate.
It is also possible to use a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element in which a buffer layer is disposed between a substrate and a Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) thin film. it can. A tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element in which the substrate is any one of thermally oxidized Si, glass, MgO single crystal, GaAs single crystal, and Al 2 O 3 single crystal can be used. As the buffer layer, a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element using at least one of Al, Cu, Cr, Fe, Nb, Ni, Ta, and NiFe may be used.
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でTMRやGMRの大きい磁気抵抗効果素子を用いた磁気デバイスを得ることができる。 According to the above configuration, it is possible to obtain a magnetic device using a magnetoresistive element having a large TMR and a large GMR at a low external magnetic field at room temperature.
また、本発明の磁気ヘッド及び磁気記録装置は、L21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜が基板上に形成されて成ることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、フリー層が前記Co2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜であるトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いる。基板を加熱することなく作製されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
また、基板とCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜との間にバッファー層が配設されたトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いてもよい。また、基板が、熱酸化Si,ガラス,MgO単結晶,GaAs単結晶,Al2 O3 単結晶の何れか一つであるトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いることもできる。さらに、バッファー層が、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeのうちの少なくとも一つから成るトンネル磁気抵抗効果素子または巨大磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
Further, the magnetic head and the magnetic recording apparatus of the present invention may be configured such that a Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) magnetic thin film having any one of L2 1 , B2, and A2 structures. It is characterized by being formed on a substrate.
In the above structure, preferably, a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element whose free layer is a magnetic thin film of Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) is used. A tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element manufactured without heating the substrate may be used.
Further, a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element in which a buffer layer is provided between a substrate and a Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) thin film may be used. Good. Further, a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element whose substrate is any one of thermally oxidized Si, glass, MgO single crystal, GaAs single crystal, and Al 2 O 3 single crystal can also be used. Furthermore, a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element in which the buffer layer is made of at least one of Al, Cu, Cr, Fe, Nb, Ni, Ta, and NiFe may be used.
上記構成によれば、室温において、低外部磁界でTMRやGMRの大きい磁気抵抗効果素子を用いることで、大容量、かつ、高速な磁気ヘッド及び磁気記録装置を得ることができる。 According to the above configuration, a large-capacity, high-speed magnetic head and magnetic recording device can be obtained by using a magnetoresistive element having a large TMR and a large GMR at a low external magnetic field at room temperature.
本発明によれば、L21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)を用いた磁性薄膜は、室温において、加熱せずに作製することができる。さらに、強磁性特性を示し、スピン分極率が大きい。 According to the present invention, a magnetic thin film using Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) having any one of the L2 1 , B2, and A2 structures can be formed at room temperature. It can be manufactured without heating. Further, it shows ferromagnetic properties and has a large spin polarizability.
また、本発明のL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜を用いた巨大磁気抵抗効果素子によれば、室温において、低外部磁界で非常に大きなGMRを得ることができる。また、トンネル磁気抵抗効果素子によっても、同様に、非常に大きなTMRを得ることができる。 Further, the present invention relates to a giant magnetoresistive element using a Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) magnetic thin film having any one of the L2 1 , B2, and A2 structures. According to this, at room temperature, a very large GMR can be obtained with a low external magnetic field. Similarly, a very large TMR can be obtained by the tunnel magnetoresistive element.
さらに、本発明のL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有するCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)磁性薄膜を用いた各種の磁気抵抗効果素子を、超ギガビット大容量と高速の磁気ヘッドや不揮発性で高速動作するMRAMをはじめ種々の磁気装置へ応用することにより、新規な磁気装置が実現できる。この場合、飽和磁化が小さいためスピン注入による磁化反転磁場が小さくなり、低消費電力で磁化反転を実現できるほか、半導体への効率的なスピン注入が可能になり、スピンFETが開発される可能性があるなど、広くスピンエレクトロニクス分野を拓くキー材料として利用することができる。 Further, various magnetoresistance effect elements using a Co 2 F x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) magnetic thin film having any one of the L2 1 , B2, and A2 structures of the present invention. Is applied to various magnetic devices, such as a super-gigabit large-capacity, high-speed magnetic head and a non-volatile, high-speed MRAM, thereby realizing a novel magnetic device. In this case, the magnetization reversal magnetic field due to spin injection is small due to the small saturation magnetization, so that magnetization reversal can be realized with low power consumption, and efficient spin injection into semiconductors is possible, and the possibility of developing spin FETs It can be widely used as a key material for developing the spin electronics field.
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
始めに本発明の磁性薄膜の第1の実施形態を示す。
図1は、本発明に係る第1の実施形態による磁性薄膜の断面図である。図1に示すように、本発明の磁性薄膜1は、基板2上に、室温においてCo2 Fex Cr1-x Al薄膜3を配設している。ここで、0≦x≦1である。Co2 Fex Cr1-x Al薄膜3は、室温で強磁性であり、電気抵抗率が190μΩ・cm程度であり、かつ、基板を加熱することなくL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有している。
さらに、上記Co2 Fex Cr1-x Al薄膜3を配設した基板を加熱することで、スピン分極率の大きいL21 構造のCo2 Fex Cr1-x Al薄膜3が得られやすい。ここで、基板2上のCo2 Fex Cr1-x Al薄膜3の膜厚は、1nm以上1μm以下であればよい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings. The same reference numerals are used for the same or corresponding members in each drawing.
First, a first embodiment of the magnetic thin film of the present invention will be described.
FIG. 1 is a sectional view of the magnetic thin film according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a magnetic
Further, by heating the substrate on which the Co 2 Fe x Cr 1-x Al
図2は、本発明に係る第1の実施形態による磁性薄膜の変形例の断面図である。図2に示すように、本発明の磁性薄膜5は、図1の磁性薄膜1の構造において、さらに、基板2とCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜3との間にバッファー層4が挿入されている。バッファー層4を挿入することで、基板1上のCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜3の結晶性をさらによくすることができる。
FIG. 2 is a sectional view of a modification of the magnetic thin film according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the magnetic
上記磁性薄膜1,5に用いる基板2は、熱酸化Si、ガラスなどの多結晶、MgO、Al2 O3 、GaAsなどの単結晶を用いることができる。また、バッファー層4としては、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeなどを用いることができる。
上記Co2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜3の膜厚は、1nm以上で1μm以下であればよい。この膜厚が1nm未満では実質的に後述するL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が1μmを超えるとスピンデバイスとしての応用が困難になり好ましくない。
The
The thickness of the Co 2 Fe x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1)
次に、上記構成の第1の実施形態に用いる磁性薄膜の作用を説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態の磁性薄膜に用いるCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)の構造を模式的に説明する図である。図に示す構造は、bcc(体心立方格子)の慣用的単位胞の8倍(格子定数で2倍)の構造を示している。
Co2 Fex Cr1-x AlのL21 構造においては、図3のIの位置にFeとCrが組成比としてFex Cr1-x (ここで、0≦x≦1)となるように配置され、IIの位置にAl、III とIVの位置にCoが配置される。
また、Co2 Fex Cr1-x AlのB2構造においては、図3のIの位置とIIの位置に、FeとCrとAlが不規則に配列される構造となる。この際、FeとCrの組成比は、Fex Cr1-x (ここで、0≦x≦1)となるように配置される。
さらに、Co2 Fex Cr1-x AlのA2構造においては、Co,Fe,CrおよびAlが不規則に置換した構造となる。この際、FeとCrの組成比は、Fex Cr1-x (ここで、0≦x≦1)となるように配置される。
Next, the operation of the magnetic thin film used in the first embodiment having the above configuration will be described.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a structure of Co 2 Fe x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) used for the magnetic thin film according to the first embodiment of the present invention. The structure shown in the figure shows a structure that is eight times (double the lattice constant) the conventional unit cell of bcc (body-centered cubic lattice).
In the L2 1 structure of Co 2 Fe x Cr 1-x Al, the composition ratio of Fe and Cr is F x Cr 1-x (where 0 ≦ x ≦ 1) at the position I in FIG. Al is placed at the position II, and Co is placed at the positions III and IV.
Further, the B2 structure of Co 2 Fe x Cr 1-x Al has a structure in which Fe, Cr and Al are irregularly arranged at positions I and II in FIG. In this case, the composition ratio of Fe and Cr is set so as to satisfy FexCr1 -x (where 0≤x≤1).
Further, the A2 structure of Co 2 Fe x Cr 1-x Al has a structure in which Co, Fe, Cr and Al are irregularly substituted. In this case, the composition ratio of Fe and Cr is set so as to satisfy FexCr1 -x (where 0≤x≤1).
次に、上記構成の第1の実施形態に用いる磁性薄膜1,5の磁気的性質を説明する。
上記構成のCo2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜3は、室温で強磁性であり、かつ、基板を加熱することなくL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造のCo2 Fex Cr1-x Al薄膜が得られる。
さらに、上記構成のCo2 Fex Cr1-x Al薄膜3(ここで、0≦x≦1)は膜厚が数nm程度の非常に薄い膜においてもL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造が得られる。
ここで、Co2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜のB2構造は、従来得られていない特異な物質である。B2構造は、L21 構造と類似しているが、異なるのはL21 構造では、Cr(Fe)とAl原子が規則的に配置しているのに対し、B2構造は、不規則に配列していることである。また、A2構造は、Co,Fe,CrおよびAlが不規則に置換した構造となる。これらの違いはX線回折で測定することができる。
上記Co2 Fex Cr1-x Al薄膜3の組成xにおいて、0≦x≦0.8の範囲内では、特に、基板を加熱することなくL21 ,B2の何れか一つの構造を得ることができる。また、0.8≦x≦1.0では、A2構造が得られる。
また、組成xにおいて、0≦x≦1の範囲内で、加熱した基板上のCo2 Fex Cr1-x Al薄膜の成膜や、基板を加熱することなく成膜した後の熱処理などにより、L21 またはB2構造が得られる。
Next, the magnetic properties of the magnetic
The Co 2 Fe x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1)
Further, the Co 2 F x Cr 1-x Al thin film 3 (here, 0 ≦ x ≦ 1) having any of the L2 1 , B2, and A2 structures even in a very thin film having a thickness of about several nm. One structure is obtained.
Here, the B2 structure of the Co 2 Fe x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1) thin film is a unique substance that has not been obtained conventionally. The B2 structure is similar to the L2 1 structure, except that in the L2 1 structure, Cr (Fe) and Al atoms are regularly arranged, whereas the B2 structure is irregularly arranged. That is. The A2 structure is a structure in which Co, Fe, Cr and Al are irregularly substituted. These differences can be measured by X-ray diffraction.
In the composition x of the Co 2 Fe x Cr 1-x Al
Further, in the composition x, within a range of 0 ≦ x ≦ 1, a Co 2 Fe x Cr 1-x Al thin film is formed on a heated substrate, or a heat treatment is performed after forming the film without heating the substrate. , L2 1 or B2 structures are obtained.
上記構成の磁性薄膜1,5がハーフメタルであることを実験的に明らかにすることは難しいが、定性的にはトンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子を作製し、それが100%を超えるような非常に大きなTMRを示す場合にはハーフメタル的と考えることができる。
絶縁膜の片側に本発明のCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3を強磁性層として用い、絶縁膜の他方の強磁性層にスピン分極率が0.5のCoFe合金を用いてトンネル磁気抵抗効果素子を作製した結果、100%を超える大きなTMRを得た。
It is difficult to experimentally clarify that the magnetic
The Co 2 F x Cr 1-x Al (0 ≦ x ≦ 1)
これは(1)式から考えて、Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3が、P=0.7以上のスピン分極率をもつことを示している。このような大きなTMRを得ることができたのは、Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3が大きなスピン分極率を有していることのほかに、室温でL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造が得られるという発見にある。これにより、本発明の磁性薄膜1,5によれば、基板を加熱する必要がなく、Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3が1nm以上の厚みで強磁性特性を得ることができる。これは、表面が酸化したり表面粗さが増大したりすることがなく、トンネル接合の界面をクリーンでかつシャープに作製することができたことにより、大きなスピン分極率とトンネル磁気抵抗効果素子において大きなTMRを得ることができるものと推察される。
This indicates that the Co 2 F x Cr 1-x Al (0 ≦ x ≦ 1)
次に、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に係る第2の実施形態を示す。
図4は、本発明に係る第2の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。図4はトンネル磁気抵抗効果素子の場合を示している。この図に示すように、トンネル磁気抵抗効果素子10は、例えば、基板2上にCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3が配設され、トンネル層となる絶縁層11,強磁性層12,反強磁性層13が順次積層された構造を有している。
Next, a second embodiment of the magnetoresistive element using the magnetic thin film of the present invention will be described.
FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a magnetoresistive element using a magnetic thin film according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 shows the case of a tunnel magnetoresistance effect element. As shown in FIG. 1, a
ここで、反強磁性層13は、強磁性層12のスピンを固着させる、所謂、スピンバブル型の構造のために用いている。この構造においては、Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3をフリー層、強磁性層12をピン層と呼ぶ。また、強磁性層12は、単層構造と複数の層構造のいずれでもよい。
絶縁層13にはAl2 O3 やAlの酸化物であるAlOx を、強磁性層14にはCoFe,NiFe、あるいは、CoFeとNiFeとの複合膜などを、反強磁性層13にはIrMnなどを用いることができる。
さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子10の反強磁性層13の上には、さらに保護膜となる非磁性の電極層14を堆積させることが好ましい。
Here, the
The insulating
Further, it is preferable that a
図5は、本発明に係る第2の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子15は、基板2上にバッファー層4とCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3が配設され、トンネル層となる絶縁層11と、磁性薄膜12と、反強磁性層13と、保護膜となる非磁性の電極層14が順次積層された構造を有している。図5が図4の構造と異なるのは、図4の構造に、さらに、バッファー層4が配設された点である。他の構造は図4と同じである。
FIG. 5 is a view showing a cross section of a modification of the magnetoresistive element using the magnetic thin film according to the second embodiment of the present invention. In a
図6は、本発明に係る第2の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子20は、基板2上にバッファー層4とCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3が配設され、トンネル層となる絶縁層11と、Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜16と、反強磁性層13と、保護膜となる非磁性の電極層14が順次積層された構造を有している。図6が図5の構造と異なるのは、図4のピン層となる強磁性層12も、本発明の磁性薄膜であるCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜16を用いた点である。他の構造は図5と同じである。
トンネル磁気抵抗効果素子10,15,20に電圧を加える場合は、Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3またはバッファー層4と電極層14との間に印加される。また、外部磁界は、膜面内に平行に印加される。バッファー層4から電極層14への電流は、膜面垂直方向に電流を流すCPP構造により流すことができる。
FIG. 6 is a view showing a cross section of a modification of the magnetoresistive element using the magnetic thin film according to the second embodiment of the present invention. Tunnel
When a voltage is applied to the
ここで、上記トンネル磁気抵抗効果素子10,15,20に用いる基板2は、熱酸化Si、ガラスなどの多結晶、MgO、Al2 O3 、GaAsなどの単結晶であってよい。
また、バッファー層4として、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeなどを用いることができる。
上記Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3の膜厚は1nm以上で1μm以下であればよい。この膜厚が1nm未満では実質的にL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が1μmを超えるとトンネル磁気抵抗効果素子としての応用が困難になり好ましくない。上記構成の本発明のトンネル磁気抵抗効果素子10,15,20は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法などの通常の薄膜成膜法と、所定の形状の電極などを形成するためのマスク工程などを用いて製造することができる。
Here, the
Further, as the
The thickness of the Co 2 F x Cr 1-x Al (0 ≦ x ≦ 1)
つぎに、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子の10及び15の動作について説明する。
本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子10,15は、二つの強磁性層3,12を用い、一方には反強磁性層13が近接し、近接した強磁性層12(ピン層)のスピンを固着させるスピンバルブ型を用いているので、外部磁界が印加されたときには、他方の強磁性層であるフリー層であるCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3のスピンのみが反転される。
これにより、スピンバルブ効果により強磁性層12の磁化は、反強磁性層13との交換相互作用によってスピンが1方向に固定されるので、フリー層であるCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3のスピンの平行、反平行が容易に得られ、また、強磁性層がCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3であるためにスピン分極率が大きいことから、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の10,15のTMRは非常に大きくなる。
この際、フリー層であるCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3の磁化が小さいため、反磁界が小さくそれだけ小さな磁界で磁化反転を起こすことができる。
これにより、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子10,15は、MRAMなど低電力での磁化反転を必要とする磁気デバイスに好適である。
Next, operations of tunnel
The
As a result, the magnetization of the
At this time, since the magnetization of the Co 2 F x Cr 1-x Al (0 ≦ x ≦ 1)
Thus, the tunnel magnetoresistive
次に、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子の20の動作について説明する。
トンネル磁気抵抗効果素子20は、さらに、ピン層の強磁性層16もフリー層である強磁性のCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3と同じCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)を用いているので、上記(1)式の分母がより小さくなり、さらに、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子のTMRは大きくなる。これにより、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子20は、MRAMなど低電力での磁化反転を必要とする磁気デバイスに好適である。
Next, the operation of the
Tunnel
次に、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に係る第3の実施形態を示す。
図7は、本発明に係る第3の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果素子の場合を示している。図に示すように、巨大磁気抵抗効果素子30は、基板2上に、バッファー層4と強磁性体となる本発明のCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3が配設され、非磁性金属層21と強磁性層22と保護膜となる非磁性の電極層14とが順次積層された構造を有している。
ここで、巨大磁気抵抗効果素子のバッファー層4と電極層14との間に電圧が印加される。また、外部磁界は、膜面内に平行に印加される。バッファー層4から電極層14への電流は、膜面垂直方向に電流を流すタイプであるCPP構造により流すことができる。
Next, a third embodiment according to a magnetoresistive element using the magnetic thin film of the present invention will be described.
FIG. 7 is a view showing a cross section of a magnetoresistive element using a magnetic thin film according to the third embodiment of the present invention. The magnetoresistance effect element using the magnetic thin film of the present invention is a giant magnetoresistance effect element. As shown in the figure, a
Here, a voltage is applied between the
図8は、本発明に係る第3の実施形態による磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の変形例の断面を示す図である。本発明の巨大磁気抵抗効果素子35が、図7の巨大磁気抵抗効果素子30と異なるのは、強磁性層22と電極層14との間に反強磁性層13を設け、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子とした点である。他の構造は、図7と同じであるので説明は省略する。
反強磁性層13は、近接したピン層となる強磁性層22のスピンを固着させる働きをする。ここで、巨大磁気抵抗効果素子30,35のバッファー層4と電極層14との間に電圧が印加される。また、外部磁界は、膜面内に平行に印加される。バッファー層4から電極層14への電流は、膜面垂直方向に電流を流すタイプであるCPP構造により流すことができる。
FIG. 8 is a view showing a cross section of a modification of the magnetoresistive element using the magnetic thin film according to the third embodiment of the present invention. The
The
上記巨大磁気抵抗効果素子30,35の基板2は、熱酸化Si、ガラスなどの多結晶、さらに、MgO,Al2 O3 ,GaAsなどの単結晶を用いることができる。また、バッファー層4として、Al,Cu,Cr,Fe,Nb,Ni,Ta,NiFeなどを用いることができる。非磁性金属層21としては、Cu,Alなどを用いることができる。また、強磁性層22としてはCoFe,NiFe,Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜などの何れか一つか、またはこれらの材料からなる複合膜を用いることができる。そして、反強磁性層13にはIrMnなどを用いることができる。
上記Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3の膜厚は、1nm以上で1μm以下であればよい。この膜厚が1nm未満では実質的にL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が1μmを超えると巨大磁気抵抗効果素子としての応用が困難になり好ましくない。
上記構成の本発明の巨大磁気抵抗効果素子30,35は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法などの通常の薄膜成膜法と、所定の形状の電極などを形成するためのマスク工程などを用いて製造することができる。
The
The thickness of the Co 2 Fe x Cr 1-x Al (0 ≦ x ≦ 1)
The giant
本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子である巨大磁気抵抗効果素子30は、強磁性層であるCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦0.6)薄膜3のスピン分極率が大きいことから、スピン依存散乱が大きく、大きな磁気抵抗、即ち、GMRが得られる。
Giant
次に、磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子35の場合には、ピン層である強磁性層22のスピンは反強磁性層13により固定されており、外部磁界を印加するこことで、フリー層であるCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3のスピンが外部磁界により平行と反平行の状態になる。上記Co2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3はスピン分極率が大きいためスピン依存散乱が大きく、かつ、抵抗が大きいため反強磁性層13によるGMRの低下を抑制できる。
Next, in the case of the spin valve type
次に、本発明の磁性薄膜による磁気抵抗効果素子を用いた磁気装置に係る第4の実施形態を示す。
図1〜図8に示すように、本発明の磁性薄膜を用いた各種の磁気抵抗効果素子は、室温において、低磁界でTMR、または、GMRが非常に大きくなる。
図9は、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子であるトンネル磁気抵抗効果素子や巨大磁気抵抗効果素子に外部磁界を印加したときの抵抗を模式的に説明する図である。図の横軸は、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子に印加される外部磁界で、縦軸が抵抗である。ここで、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗効果を得るための必要な電圧が、十分に印加されている。
Next, a fourth embodiment according to the magnetic device using the magnetoresistive element formed of the magnetic thin film of the present invention will be described.
As shown in FIGS. 1 to 8, various magnetoresistive elements using the magnetic thin film of the present invention have a very large TMR or GMR at room temperature in a low magnetic field.
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating resistance when an external magnetic field is applied to a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element, which is a magnetoresistive element using the magnetic thin film of the present invention. The horizontal axis in the figure is the external magnetic field applied to the magnetoresistive element using the magnetic thin film of the present invention, and the vertical axis is the resistance. Here, the magnetoresistance effect element using the magnetic thin film of the present invention is sufficiently applied with a voltage necessary for obtaining a giant magnetoresistance effect and a tunnel magnetoresistance effect.
図示するように、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子の抵抗は、外部磁界により大きな変化を示す。外部磁界を領域(I)より印加し、外部磁界を減少させ、零として、さらに外部磁界を反転して増大させると、領域(II)から領域(III)において最小の抵抗から最大の抵抗に変化する。ここで、領域(II)の外部磁界をH1 とする。 As shown in the figure, the resistance of the magnetoresistive element using the magnetic thin film of the present invention shows a large change due to an external magnetic field. When an external magnetic field is applied from the area (I), the external magnetic field is reduced to zero, and the external magnetic field is reversed and increased, the resistance changes from the minimum resistance to the maximum resistance in the area (II) to the area (III). I do. Here, the external magnetic field in the region (II) and H 1.
さらに、外部磁界を増加させると、領域(III)から領域(IV)を経て領域(V)までの抵抗変化が得られる。これにより、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、領域(I)と、領域(V)の外部磁界において、強磁性層22とフリー層であるCo2 Fex Cr1-x Al(0≦x≦1)薄膜3のスピンが平行となり、領域(III)ではそれらが反平行の状態となる。
Further, when the external magnetic field is increased, a resistance change from the region (III) to the region (V) via the region (IV) is obtained. As a result, the magnetoresistive effect element using the magnetic thin film of the present invention can provide the ferromagnetic layer 22 and the free layer of Co 2 Fe x Cr 1-x Al in the external magnetic field of the region (I) and the region (V). (0 ≦ x ≦ 1) The spins of the
ここで、磁気抵抗変化率は、外部磁界を印加したとき、下記(2)式で表され、この値が大きいほど磁気抵抗変化率としては望ましい。
磁気抵抗変化率=(最大の抵抗−最小の抵抗)/最小の抵抗(%) (2)
これにより、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、図9に示すように、磁界が零からH1 より極く僅かに大きい磁界、即ち低い磁界を加えることで、大きな磁気抵抗変化率が得られる。
Here, the magnetoresistance change rate is expressed by the following equation (2) when an external magnetic field is applied, and the larger this value is, the more desirable the magnetoresistance change rate is.
Magnetoresistance change rate = (maximum resistance−minimum resistance) / minimum resistance (%) (2)
Thus, a magnetoresistive effect element using a magnetic thin film of the present invention, as shown in FIG. 9, by adding only slightly larger magnetic field than the H 1 field is from zero, i.e. a low magnetic field, a large magnetoresistive change Rate is obtained.
図9で説明したように、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、室温において、低磁界で大きなTMRまたはGMRを示すので、磁気抵抗センサとして用いれば、感度の高い磁気素子を得ることができる。
また、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子は、室温において、低磁界で大きなTMRまたはGMRを示すので、感度の高い読み出し用の磁気ヘッド及びこれらの磁気ヘッドを用いた各種の磁気記録装置を構成することができる。
また、本発明の磁性薄膜を用いた磁気抵抗効果素子である、例えば、MTJ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外部磁界を印加する。このMTJ素子を構成するフリー層の強磁性体の磁化を、外部磁界により互いに平行と反平行に制御することにより、“1”、“0”を記録させる。
さらに、読み出しはTMR効果を利用して行うことなどにより、MRAMなどの磁気装置を構成することができる。
また、本発明の磁気抵抗効果素子であるCPP構造のGMR素子においては、GMRが大きいので、ハードディスク駆動装置(HDD)やMRAMなどの磁気装置の大容量化ができる。
As described with reference to FIG. 9, a magnetoresistive effect element using the magnetic thin film of the present invention exhibits a large TMR or GMR in a low magnetic field at room temperature. Therefore, when used as a magnetoresistive sensor, a highly sensitive magnetic element can be obtained. be able to.
Further, the magnetoresistive effect element using the magnetic thin film of the present invention exhibits a large TMR or GMR in a low magnetic field at room temperature. Therefore, a highly sensitive magnetic head for reading and various magnetic recordings using these magnetic heads are provided. The device can be configured.
Further, for example, an MTJ element, which is a magnetoresistive element using the magnetic thin film of the present invention, is arranged in a matrix, and a current is applied to a separately provided wiring to apply an external magnetic field. By controlling the magnetization of the ferromagnetic material of the free layer constituting the MTJ element to be parallel and antiparallel to each other by an external magnetic field, "1" and "0" are recorded.
Furthermore, a magnetic device such as an MRAM can be configured by performing reading using the TMR effect or the like.
Further, in the GMR element having the CPP structure, which is the magnetoresistive element of the present invention, since the GMR is large, the capacity of a magnetic device such as a hard disk drive (HDD) or MRAM can be increased.
以下、本発明の実施例について説明する。
高周波スパッタ装置を用いて熱酸化Si基板2上に、厚さ100nmのCo2 Fex Cr1-x Al薄膜3を基板温度を変えて作製した。
図10は、Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3のX線回折を測定した結果を示す図である。図の横軸は回折角2θ(度)であり、縦軸は回折X線の強度をLog(対数)目盛りで示している。なお、図に示す下向きの矢印(↓)は、Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3の結晶の各面からの回折強度を表わしている。図10に示すように、基板を加熱しない状態で結晶化しており、その回折像の解析から格子定数a=5.72ÅのB2構造であることがわかった。また、基板を室温から550℃まで加熱しても回折像は、あまり変化せず、熱的に安定であることが分かった。
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
A 100 nm-thick Co 2 Fe x Cr 1 -x Al
FIG. 10 is a diagram showing the result of measuring the X-ray diffraction of the Co 2 Fe 0.5 Cr 0.5 Al
一方、基板2の上に、CrやFeなどの適当なバッファ層4を用いてCo2 Fex Cr1-x Al薄膜(ここで、0≦x≦1)3を作製したり、または、Co2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜3のCrに対するFe置換量を少なくすると、2θ=27度近傍に(111)面の回折X線のピークが確認された。これは、Co2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜3がL21 構造であることを示している。
On the other hand, a Co 2 F x Cr 1-x Al thin film (here, 0 ≦ x ≦ 1) 3 is formed on the
次に、図10に示したCo2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3の磁気特性を説明する。
図11はCo2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3の室温における磁化特性を示す図である。図の横軸は磁界H(Oe)であり、縦軸は磁化(emu/cm3 )である。図示するように、Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3はヒステリシスを示し強磁性体である。図から、飽和磁化が約300emu/cm3 と、保磁力が5エルステッド(Oe)であることが分かった。
Next, the magnetic characteristics of the Co 2 Fe 0.5 Cr 0.5 Al
FIG. 11 is a diagram showing the magnetization characteristics of the Co 2 Fe 0.5 Cr 0.5 Al
また、同じCo2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3を用いた磁性薄膜1,5を、基板2の温度を変えて作製したが、400℃まで飽和磁化及び保磁力はほとんど変わらなかった。このことから、室温ですでに結晶性の良いB2構造のCo2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3が得られることを示唆している。さらに、室温において、Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3の電気抵抗率を測定した結果、電気抵抗率は約190μΩ・cmであった。この値は、反強磁性体InMnの200μΩ・cmと同等である。
Magnetic
同様にして、Co2 Fex Cr1-x Al(ここで、0≦x≦1)薄膜3において、x=0,0.4,0.6,1.0とした組成のCo2 Fex Cr1-x Al薄膜3を室温で作製した。このようにして作製したCo2 Fex Cr1-x Al薄膜3をX線回折で評価したところ、得られた膜はいずれもL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を示した。さらに、Co2 Fex Cr1-x Al薄膜3の電気抵抗率は、組成xの増大とともに減少する傾向にあり、x=1.0のとき約100μΩ・cmであった。
Similarly, in the Co 2 Fe x Cr 1-x Al (here, 0 ≦ x ≦ 1)
図5に示すスピンバルブ型のトンネル磁気抵抗効果素子15を室温で作製した。熱酸化Si基板2上に、高周波スパッタ装置とメタルマスクを用いて、Crをバッファー層4として、Cr(5nm)/Co2 Fe0.4 Cr0.6 Al(10nm)/AlOx (1.2nm)/CoFe(5nm)/NiFe(5nm)/IrMn(10nm)/Cr(5nm)を順に積層して、トンネル磁気抵抗効果素子15を製作した。括弧内の数字はそれぞれの膜厚である。
Crはバッファー層4、Co2 Fe0.4 Cr0.6 Al薄膜3は強磁性のフリー層、AlOx はトンネル絶縁層11、CoFe及びNiFeは強磁性層12のピン層で複合膜からなる強磁性体、IrMnは反強磁性層13であり、CoFe/NiFeの強磁性層12のスピンを固定する役割をしている。そして、反強磁性層13であるIrMn上のCrは、保護膜14である。なお、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。
The spin-valve
Cr is a
このトンネル磁気抵抗効果素子15に外部磁界を印加して、室温で磁気抵抗を測定した。図12は、トンネル磁気抵抗効果素子15の抵抗の磁場依存性を示す図である。図の横軸は外部磁界H(Oe)であり、縦軸は抵抗(Ω)である。これから、TMRは107%と求まった。本発明のトンネル磁気抵抗効果素子15により得られたTMRは、従来のトンネル磁気抵抗効果素子のTMRが最大50%程度であることを考慮すると非常に大きく、Co2 Fe0.4 Cr0.6 Al薄膜のスピン分極率が約0.7と高いことが分かった。
An external magnetic field was applied to the
バッファー層4として20nmのFeを用い、かつ、Co2 Fe0.6 Cr0.4 Al薄膜3を用いたこと以外は、実施例2と同様のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子15を作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子15に外部磁界を印加して室温で磁気抵抗を測定した。その結果92%のTMRが得られた。これから、Co2 Fe0.6 Cr0.4 Al薄膜のスピン分極率が高いことが分かった。
A spin-valve
バッファー層4を用いないで、実施例3と同様にして、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子10を作製した。この場合のCo2 Fe0.4 Cr0.6 Al磁性薄膜はB2構造であった。このトンネル磁気抵抗効果素子10に外部磁界を印加して、室温で磁気抵抗を測定した。
図13はトンネル磁気抵抗効果素子10の磁気抵抗の磁場依存性を示す図である。図の横軸は外部磁界H(Oe)、左縦軸は抵抗(Ω)、右縦軸は測定した抵抗から計算したTMR(%)である。図の実線と点線は、外部磁界をスイープさせたときの抵抗値を示している。
これから、室温で約11%のTMRが得られた。さらに、77Kの温度では32%のTMRが得られた。この場合のCo2 Fe0.4 Cr0.6 Al磁性薄膜3の構造はB2構造であり、さらに、バッファー層4を使用していないにもかかわらず、このような比較的大きなTMRが室温で得られたことから、Co2 Fe0.4 Cr0.6 Al磁性薄膜がB2構造においても大きなスピン分極率を有していることが分かった。
A spin-valve tunneling magneto-
FIG. 13 is a diagram showing the magnetic field dependence of the magnetoresistance of the tunnel
This resulted in about 11% TMR at room temperature. Further, at a temperature of 77K, a TMR of 32% was obtained. The structure of the Co 2 Fe 0.4 Cr 0.6 Al magnetic
バッファー層4を用いないで、実施例3と同様にして、Co2 FeAl磁性薄膜3を用いたスピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子10を作製した。この場合のCo2 FeAl磁性薄膜3はA2構造であった。このトンネル磁気抵抗効果素子10に外部磁界を印加して、室温および5Kの低温で磁気抵抗を測定した。その結果、室温で8%、低温で42%の大きなTMRが得られた。これは、A2構造のCo2 FeAl磁性薄膜においても大きなスピン分極率をもつことを示唆している。
A spin-valve tunneling magneto-
バッファー層4を用いないで、熱酸化Si基板上に保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子であるCo2 FeAl(10nm)/AlOx (1.4nm)/CoFe(3nm)/Ta(10nm)を室温で製作した。ここで、括弧内の数字はそれぞれの膜厚である。上記保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子とは、強磁性体であるCo2 FeAlとCoFeとの保磁力の違いを利用したトンネル磁気抵抗効果素子である。この保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子のTMRは、スピンバルブ型のトンネル磁気抵抗効果素子と同様に、磁化が互いに平行または反平行かによって磁気抵抗に違いが現れる。
製作した保磁力差型のトンネル磁気抵抗効果素子により得られたTMRの値は、室温で8%であり、5Kの低温で42%であった。なお、このように基板を加熱しないで熱酸化Si基板上に作製したときのCo2 FeAl薄膜3の結晶構造はA2構造であった。
Without using the
The TMR value obtained by the manufactured coercive force difference type tunnel magnetoresistance effect element was 8% at room temperature and 42% at a low temperature of 5K. The crystal structure of the Co 2 FeAl
次に、このトンネル磁気抵抗効果素子を真空中において各種温度で熱処理し、それぞれのTMR特性を測定した。その結果、300℃で1時間熱処理したときのTMRは、室温で28%であり、5Kの低温で55%となり、室温で製作したときのTMRよりも非常に増大した。このときのCo2 FeAl薄膜の結晶構造をX線回折で測定したところ、その結晶構造はL21 構造であった。
したがって、上記熱処理によるTMRの向上は、Co2 FeAl薄膜の結晶構造がA2構造からL21 構造に変化したためであり、L21 構造のスピン分極率がA2構造のそれよりも大きいことを示唆している。
Next, this tunnel magnetoresistance effect element was heat-treated at various temperatures in a vacuum, and its TMR characteristics were measured. As a result, the TMR when heat-treated at 300 ° C. for 1 hour was 28% at room temperature, and 55% at a low temperature of 5K, which was much higher than the TMR when manufactured at room temperature. When the crystal structure of the Co 2 FeAl thin film at this time was measured by X-ray diffraction, the crystal structure was an L2 1 structure.
Therefore, the improvement in TMR due to the heat treatment is due to the change in the crystal structure of the Co 2 FeAl thin film from the A2 structure to the L2 1 structure, suggesting that the spin polarizability of the L2 1 structure is larger than that of the A2 structure. I have.
基板4としてGaAsを用いたこと以外は、実施例2と同様にしてスピンバルブ型トンネル磁気抵抗効果素子10を作製した。この場合のCo2 Fe0.4 Cr0.6 Al磁性薄膜3はL21 構造であった。このトンネル磁気抵抗効果素子10に外部磁界を印加して、室温で磁気抵抗を測定した。その結果、室温で125%の大きいTMRが得られ、L21 構造のCo2 Fe0.4 Cr0.6 Al磁性薄膜のスピン分極率は非常に大きいことが示唆された。
A spin-valve tunneling magneto-
図8に示すスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子35を室温で作製した。高周波スパッタ装置とメタルマスクを用いて、熱酸化Si基板2上に、Al(100nm)/Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al(5nm)/Cu(6nm)/Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al(5nm)/NiFe(5nm)/IrMn(10nm)/Al(100nm)を順に堆積させて、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子の多層膜構造を作製した。括弧内の数字はそれぞれの膜厚である。
A spin valve type
ここで、Alはバッファー層4、Co2 Fe0.5 Cr0.5 Alはフリー層となる薄膜3、Cuは巨大磁気抵抗効果を発現するための非磁性金属層21である。Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al(5nm)及びNiFe(5nm)の2層構造はピン層となる強磁性層22である。IrMnは反強磁性層13であり、ピン層となる強磁性層22のスピンを固定する役割をしている。最上層のAl層は電極14である。なお、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。この堆積した多層膜を、電子線リソグラフィとArイオンミリング装置を用いて微細加工し、0.5μm×1μmの巨大磁気抵抗効果素子35を作製した。
Here, Al is the
この素子の上下の電極4,14間に電圧を印加して、膜面垂直方向に電流を流し、外部磁界を印加して室温で磁気抵抗を測定した。これにより、約8%の磁気抵抗が得られた。この値は、従来のスピンバルブ型のCPP構造の巨大磁気抵抗効果素子の磁気抵抗が1%未満であるのに対して、8倍の非常に大きな値であった。
これにより、本発明のCPP構造の巨大磁気抵抗効果素子のGMRが、従来のスピンバルブ型CPP構造の巨大磁気抵抗効果素子のGMRに比較して非常に大きくなるのは、Co2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜3のスピン分極率が高いことに起因していることが分かった。
さらに、このように大きなGMRが得られる理由は上述したように、ピン層及びフリー層に用いたCo2 Fe0.5 Cr0.5 Al薄膜の抵抗率が、IrMnを用いた反強磁性層13の抵抗率と同等であることも寄与していることが分かった。
A voltage was applied between the upper and
The reason why the GMR of the giant magnetoresistance effect element having the CPP structure of the present invention is much larger than the GMR of the giant magnetoresistance effect element having the conventional spin-valve CPP structure is Co 2 Fe 0.5 Cr 0.5. It was found that this was due to the high spin polarizability of the Al
Further, as described above, the reason why such a large GMR can be obtained is that the resistivity of the Co 2 Fe 0.5 Cr 0.5 Al thin film used for the pinned layer and the free layer depends on the resistivity of the
以上のように、本発明に係る磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイスは、室温において、低磁界で大きなTMRとGMRが得られるので、磁界検出、磁界の反転の検出の必要な各種電子機器、各種産業機器用の磁界検出装置として、さらに、医療用電子機器の磁界検出装置などに用いるのに適している。 As described above, the magnetic thin film according to the present invention and the magnetoresistive element and the magnetic device using the same can obtain large TMR and GMR in a low magnetic field at room temperature. It is suitable for use as a magnetic field detection device for various electronic devices and various industrial devices, and also for a magnetic field detection device of medical electronic devices.
1,5: 磁性薄膜
2: 基板
3,16: Co2 Fex Cr1-x Al薄膜
4: バッファー層
10,15,20: トンネル磁気抵抗効果素子
11: 絶縁層
12,22: 強磁性層
13: 反強磁性層
14: 電極層
21: 非磁性金属層
30,35: 巨大磁気抵抗効果素子
1,5: magnetic thin film 2: substrate 3,16: Co 2 Fe x Cr 1 -x Al thin film 4:
Claims (29)
上記Co2 Fex Cr1-x Al薄膜はL21 ,B2,A2構造の何れか一つの構造を有し、かつ、0≦x≦1であることを特徴とする磁性薄膜。 A substrate and a Co 2 Fe x Cr 1-x Al thin film formed on the substrate,
A magnetic thin film, wherein the Co 2 F x Cr 1-x Al thin film has any one of L2 1 , B2, and A2 structures, and 0 ≦ x ≦ 1.
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003271628A JP4061590B2 (en) | 2002-12-26 | 2003-07-07 | Magnetic thin film, magnetoresistive effect element and magnetic device using the same |
PCT/JP2003/015888 WO2004055906A1 (en) | 2002-12-13 | 2003-12-11 | Spin injection device, magnetic device using the same, magnetic thin film used in the same |
EP03778828A EP1571713A4 (en) | 2002-12-13 | 2003-12-11 | Spin injection device, magnetic device using the same, magnetic thin film used in the same |
EP10008650A EP2249356A1 (en) | 2002-12-13 | 2003-12-11 | Spin injection device, magnetic apparatus using the same, and magnetic thin film used for them |
US10/538,689 US7675129B2 (en) | 2002-12-13 | 2003-12-11 | Spin injection device, magnetic device using the same, magnetic thin film used in the same |
KR1020057010827A KR100663857B1 (en) | 2002-12-13 | 2003-12-11 | Spin injection device, magnetic device using the same, magnetic thin film used in the same |
EP10008651.1A EP2264725B1 (en) | 2002-12-13 | 2003-12-11 | Magnetic apparatus with magnetic thin film |
US12/320,677 US7989223B2 (en) | 2002-12-13 | 2009-02-02 | Method of using spin injection device |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002378502 | 2002-12-26 | ||
JP2003271628A JP4061590B2 (en) | 2002-12-26 | 2003-07-07 | Magnetic thin film, magnetoresistive effect element and magnetic device using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004221526A true JP2004221526A (en) | 2004-08-05 |
JP4061590B2 JP4061590B2 (en) | 2008-03-19 |
Family
ID=32911203
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003271628A Expired - Fee Related JP4061590B2 (en) | 2002-12-13 | 2003-07-07 | Magnetic thin film, magnetoresistive effect element and magnetic device using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4061590B2 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004260149A (en) * | 2003-02-24 | 2004-09-16 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | Magnetoresistive device with exchange-coupled structure having semi-metallic ferromagnetic heusler alloy in pinned layer thereof |
WO2007126071A1 (en) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | Japan Science And Technology Agency | Magnetic thin film, magnetoresistive element using the same, and magnetic device |
JP2008004891A (en) * | 2006-06-26 | 2008-01-10 | Tohoku Univ | Spin transistor |
JP2008227388A (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Sony Corp | Memory element and memory |
US7535682B2 (en) | 2005-09-14 | 2009-05-19 | Tdk Corporation | Magneto-resistance element and thin film magnetic head with improved heat reliability |
US7554776B2 (en) | 2004-09-01 | 2009-06-30 | Tdk Corporation | CCP magnetic detecting element including a self-pinned CoFe layer |
US7672092B2 (en) | 2006-06-14 | 2010-03-02 | Tdk Corporation | Method for manufacturing magnetic field detecting element, utilizing diffusion of metal |
US7808748B2 (en) | 2006-03-31 | 2010-10-05 | Tdk Corporation | Magnetoresistive element including heusler alloy layer |
WO2010134435A1 (en) * | 2009-05-22 | 2010-11-25 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | Ferromagnetic tunnel junction structure and magnetoresistive element using same |
US8778515B2 (en) | 2007-12-28 | 2014-07-15 | HGST Netherlands B.V. | Magneto-resistive effect element, magnetic head, and magnetic recording/reading apparatus |
US8810973B2 (en) | 2008-05-13 | 2014-08-19 | HGST Netherlands B.V. | Current perpendicular to plane magnetoresistive sensor employing half metal alloys for improved sensor performance |
CN113036032A (en) * | 2019-12-24 | 2021-06-25 | Tdk株式会社 | Magnetoresistive effect element |
-
2003
- 2003-07-07 JP JP2003271628A patent/JP4061590B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004260149A (en) * | 2003-02-24 | 2004-09-16 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | Magnetoresistive device with exchange-coupled structure having semi-metallic ferromagnetic heusler alloy in pinned layer thereof |
US7554776B2 (en) | 2004-09-01 | 2009-06-30 | Tdk Corporation | CCP magnetic detecting element including a self-pinned CoFe layer |
US7535682B2 (en) | 2005-09-14 | 2009-05-19 | Tdk Corporation | Magneto-resistance element and thin film magnetic head with improved heat reliability |
US7808748B2 (en) | 2006-03-31 | 2010-10-05 | Tdk Corporation | Magnetoresistive element including heusler alloy layer |
JP4582488B2 (en) * | 2006-04-27 | 2010-11-17 | 独立行政法人科学技術振興機構 | Magnetic thin film, magnetoresistive effect element and magnetic device using the same |
JPWO2007126071A1 (en) * | 2006-04-27 | 2009-09-10 | 独立行政法人科学技術振興機構 | Magnetic thin film, magnetoresistive effect element and magnetic device using the same |
WO2007126071A1 (en) * | 2006-04-27 | 2007-11-08 | Japan Science And Technology Agency | Magnetic thin film, magnetoresistive element using the same, and magnetic device |
US8125745B2 (en) | 2006-04-27 | 2012-02-28 | Japan Science And Technology Agency | Magnetic thin film, and magnetoresistance effect device and magnetic device using the same |
US7672092B2 (en) | 2006-06-14 | 2010-03-02 | Tdk Corporation | Method for manufacturing magnetic field detecting element, utilizing diffusion of metal |
JP2008004891A (en) * | 2006-06-26 | 2008-01-10 | Tohoku Univ | Spin transistor |
US7660153B2 (en) | 2007-03-15 | 2010-02-09 | Sony Corporation | Memory device and memory |
JP2008227388A (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Sony Corp | Memory element and memory |
JP4682998B2 (en) * | 2007-03-15 | 2011-05-11 | ソニー株式会社 | Memory element and memory |
US8778515B2 (en) | 2007-12-28 | 2014-07-15 | HGST Netherlands B.V. | Magneto-resistive effect element, magnetic head, and magnetic recording/reading apparatus |
US8810973B2 (en) | 2008-05-13 | 2014-08-19 | HGST Netherlands B.V. | Current perpendicular to plane magnetoresistive sensor employing half metal alloys for improved sensor performance |
US8988834B2 (en) | 2008-05-13 | 2015-03-24 | HGST Netherlands B.V. | Current perpendicular to plane magnetoresistive sensor employing half metal alloys for improved sensor performance |
WO2010134435A1 (en) * | 2009-05-22 | 2010-11-25 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | Ferromagnetic tunnel junction structure and magnetoresistive element using same |
US8866243B2 (en) | 2009-05-22 | 2014-10-21 | National Institute For Materials Science | Ferromagnetic tunnel junction structure and magnetoresistive element using the same |
JP5527669B2 (en) * | 2009-05-22 | 2014-06-18 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | Ferromagnetic tunnel junction and magnetoresistive effect element using the same |
CN113036032A (en) * | 2019-12-24 | 2021-06-25 | Tdk株式会社 | Magnetoresistive effect element |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4061590B2 (en) | 2008-03-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4582488B2 (en) | Magnetic thin film, magnetoresistive effect element and magnetic device using the same | |
US7989223B2 (en) | Method of using spin injection device | |
WO2017090730A1 (en) | Spin current magnetization reversal element, magnetoresistance effect element, and magnetic memory | |
EP0877398B1 (en) | Magnetic element and magnetic head and magnetic memory device using thereof | |
JP4873338B2 (en) | Spin injection device and magnetic apparatus using the same | |
JP4551484B2 (en) | Tunnel magnetoresistive thin film and magnetic multilayer film manufacturing apparatus | |
US20090015969A1 (en) | Magnetic thin film, magnetoresistance effect device and magnetic device using the same | |
US8866243B2 (en) | Ferromagnetic tunnel junction structure and magnetoresistive element using the same | |
JP5429480B2 (en) | Magnetoresistive element, MRAM, and magnetic sensor | |
JP2004186274A (en) | Spin injection element and magnetic apparatus using the same | |
JP2018093059A (en) | Spin current magnetization reversal element, magnetoresistive effect element, and magnetic memory | |
JP3697369B2 (en) | Magnetic element, magnetic memory device, magnetoresistive head, magnetic head gimbal assembly, and magnetic recording system | |
JP4304688B2 (en) | Spin filter effect element and magnetic device using the same | |
JP4061590B2 (en) | Magnetic thin film, magnetoresistive effect element and magnetic device using the same | |
JP3946355B2 (en) | Magnetic element, magnetic sensor and magnetic storage device using the same | |
JP3344712B2 (en) | Pinning layer for magnetic devices | |
JP2005019484A (en) | Magnetoresistive effect element and magnetic head | |
JPH11238923A (en) | Magnetic element, magnetic head using the same, and magnetic storage device | |
JPH11238925A (en) | Magnetic element, magnetic part using the same and electronic component | |
JP4978868B2 (en) | Spin filter effect element and magnetic device using the same | |
WO2010125641A1 (en) | Tunneling magnetic resistance effect element, and magnetic memory cell and random access memory using the element | |
JP5424178B2 (en) | Spin injection device and magnetic apparatus using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070116 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070319 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070605 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070705 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20070828 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071030 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071112 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071211 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071213 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110111 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120111 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130111 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140111 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |