JP2008071903A - 磁気整流素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁性層および非磁性層が積層した構造を有し、整流作用を持つ磁気整流素子を提供する。
【解決手段】磁気整流素子Ｒは、膜面に対してある角度に、磁化方向が固定された第１固着層を含む。この第１固着層の下に非磁性材料の第１中間層が設けられ、さらにその下へ順に、面内方向に磁化された、磁化困難軸を持つ一軸異方性磁界を有する自由層と、非磁性材料の第２中間層と、面内方向に磁化方向が固定された第２固着層が設けられた。そして、磁界印加層を設け、自由層の磁化困難軸方向に沿い磁界を印加する。
【選択図】図1
【解決手段】磁気整流素子Ｒは、膜面に対してある角度に、磁化方向が固定された第１固着層を含む。この第１固着層の下に非磁性材料の第１中間層が設けられ、さらにその下へ順に、面内方向に磁化された、磁化困難軸を持つ一軸異方性磁界を有する自由層と、非磁性材料の第２中間層と、面内方向に磁化方向が固定された第２固着層が設けられた。そして、磁界印加層を設け、自由層の磁化困難軸方向に沿い磁界を印加する。
【選択図】図1
Description
本発明は、整流効果のある磁気整流素子に関する。
近年、広範囲かつ高度に情報化された社会を支え、また、牽引していく存在として、様々な要求を満たす情報処理デバイスが求められている。特に、強磁性体の磁気モーメントを用いた記録装置として、ハードディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）がある。このような、電子のスピン自由度を利用するスピンエレクトロニクスデバイスの特徴として、セルの微細化による高集積化に適していること、高速動作が可能なこと、不揮発性を持つことなどが挙げられ、その応用範囲は、記憶装置に限らず、今後ますます拡大すると思われる。
特に、スピンエレクトロニクスデバイスにおける、微小な磁性体の磁化方向の制御方法として、電流を介したスピントランスファ現象を用いる方法が知られている。スピントランスファとは、伝導電子のスピンから磁性体の局在磁気モーメントへの角運動量の伝達のことを意味している。スピントランスファ方式は、磁界作用方式に比べて、セルのサイズが小さくなればなるほど、書き込み電流を低減化できるという特徴を持つ。
非特許文献１に代表される、スピントランスファ書き込みの磁気素子は、柱状の形状を有す。磁化固着磁性層（以下、固着層）、中間層、磁化自由磁性層（以下、自由層）からなる積層膜が、数十から数百ナノメートル四方のドット形状にパターニングされ、固着層と自由層の磁化はいずれも、膜面内の方向を向いている。この積層膜に、膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、磁化方向の制御（書き込み）および検出（読み出し）が行われる。
これに対し、特許文献１、非特許文献２ において、固着層の磁化を膜面に対し垂直方向とし、自由層の磁化を膜面内の方向とすることで、制御の高速化と制御電流の低減化が可能であると述べられている。
また、非特許文献３ においては、固着層の磁化を膜面に対し垂直方向とし、自由層の磁化を膜面内の方向とし、電流を流すと同時に面内困難軸方向に異方性磁界より小さい磁界を作用させることで、高速化、電流の低減化、高い制御性を可能にする方法が開示されている。
これらの磁気素子は、メモリ素子あるいは磁気センサとして用いられている。
特開２００２−２６１３５２公報
F.J.Albert et al.、 Appl. Phys. Lett.、２０００、Vol.７７、p.３８０９
A.D.Kent et al.、 Appl. Phys. Lett.、２００４、Vol.８４、 p.３８９７
H.Morise et al.、Rlaxing-Precessional Magnetization Switching、 J. Magn. Magn.Mater. に掲載予定。
本発明は、磁性層および非磁性層が積層した構造を有し、整流作用を持つ磁気整流素子を提供することを目的とする。
本発明による磁気整流素子は、膜面に対してある角度に、磁化方向が固定された第１固着層と、この第１固着層の下に設けられた、非磁性材料の第１中間層と、この第１中間層の下に設けられ、面内方向に磁化された、磁化困難軸を持つ一軸異方性磁界を有する自由層と、この自由層の下に設けられ、非磁性材料の第２中間層と、この第２中間層の下に設けられ、面内方向に磁化方向が固定された第２固着層と、前記磁化困難軸方向に沿い磁界前記自由層に印加する磁界印加層と、前記第１固着層、第１中間層、自由層、第２中間層及び第２固着層の膜面に対してほぼ垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、前記電極間を流れる電流の向きまたは大きさにより電気抵抗が変化することを特徴とする。
本発明によれば、微小なサイズを有し、整流作用を持つ磁気素子を提供できる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以後の説明では、同一の部分には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気整流素子の断面構造を模式的に示す図である。この磁気整流素子Ｒは、以下で基本積層膜と称する積層膜ＢＭＬと、基本積層膜ＢＭＬの近傍に配置されたハードバイアス層（磁界印加層）ＨＢとからなる。ハードバイアス層ＨＢと基本積層膜ＢＭＬとの間には、非磁性の絶縁層を挟んで磁気的、電気的に絶縁することが望ましい。
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気整流素子の断面構造を模式的に示す図である。この磁気整流素子Ｒは、以下で基本積層膜と称する積層膜ＢＭＬと、基本積層膜ＢＭＬの近傍に配置されたハードバイアス層（磁界印加層）ＨＢとからなる。ハードバイアス層ＨＢと基本積層膜ＢＭＬとの間には、非磁性の絶縁層を挟んで磁気的、電気的に絶縁することが望ましい。
基本積層膜ＢＭＬは、強磁性層ＦＦを含み、より詳しくは、図２から図３のいずれかによって模式的に表された断面構造を有している。以下の説明で、基本積層膜ＢＭＬの膜面が、相互に直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる空間のｚｙ平面に沿っているものとする。図２または図３に示されているように、強磁性層ＦＰＷ、中間層ＳＷ、強磁性層ＦＦ、中間層ＳＲ、強磁性層ＦＰＲがこの順に積層されたものである。なお、強磁性層ＦＰＷ、強磁性層ＦＦ、および強磁性層ＦＰＲは、後述するように複数のサブレイヤーからなる積層構造とすることもできる。しかし、まず、強磁性層ＦＰＷ、ＦＦ、ＦＰＲが単層である場合を例に取り、説明する。
強磁性層ＦＰＷの磁化方向は固着されている。これは、例えば、強磁性層ＦＰＷの中間層ＳＷと反対の面側に反強磁性層ＡＦＷを設けることにより行うことができる。あるいは、強磁性層ＦＰＷに、一軸異方性定数Ｋｕが非常に大きい磁性材料を用いることにより行うことができる。以下、強磁性層ＦＰＷを第１固着層と称する。
第１固着層ＦＰＷの磁化方向は、少なくとも、第１固着層ＦＰＷの膜面に対してある角度に磁化方向が固定される。より具体的には、第１固着層ＦＰＷの磁化方向は、ｘ軸から±３０°の範囲内が好ましい。典型的にはｘ軸と平行（ｙｚ平面に垂直）であり、ｘ軸からの角度が小さい方が、望ましい。これは以下の理由による。後述するように、本発明の磁気整流素子においては、基本積層膜ＢＭＬの膜面を通過する電流の向きによって、自由層の磁化方向を制御することが可能である。第１固着層ＦＰＷの磁化方向がｘ軸方向からあまりずれない場合には、正方向に電流が流れたときの自由層の磁化方向と、負方向に電流が流れたときの自由層の磁化方向との相対角度が大きくなり、結果として、整流効果が大きくなるためである。なお、本明細書を通じて「垂直」には製造工程のばらつき等による厳密な垂直からのずれが含まれるものとする。同様に、本明細書を通じて、「平行」、「水平」は、厳密な平行、水平を意味するものではない。
一方、強磁性層ＦＦの磁化方向に関しては、このような磁化固着化機構を設けない。よって、強磁性層ＦＦの磁化方向は可変である。以下、強磁性層ＦＦを自由層と称する。自由層ＦＦの容易軸方向（磁化容易軸方向）は、膜面（ｙｚ平面）内にある。ただし、第１固着層ＦＰＷの場合と同様に、自由層ＦＦの磁化方向は、ｙｚ平面に厳密に水平である必要は無い。すなわち、自由層ＦＦの容易軸方向は、第１固着層ＦＰＷの磁化方向のｘ軸方向成分との関係に応じて、基本積層膜ＢＭＬの膜面を通過する方向に電流を流したときに、自由層ＦＦの磁化方向が、電流方向に応じた方向を向けばよい。このため、製造工程のばらつき等に起因して、自由層ＦＦの磁化方向がｙｚ平面から多少傾いていても問題は無い。
強磁性層ＦＰＲの磁化方向は固着されている。これは、例えば、強磁性層ＦＰＲの中間層ＳＲと反対の面側に反強磁性層ＡＦＲを設けることにより行うことができる。以下、強磁性層ＦＰＲを第２固着層と称する。第２固着層ＦＰＲの磁化方向は、自由層ＦＦの容易軸方向に沿っている。第２固着層ＦＰＲの磁化方向と、自由層ＦＦの容易軸方向とは、同じ方向に沿っている方が、自由層ＦＦの磁化方向の変化に対する電気抵抗の変化の割合が大きく、その結果、整流効果が高くなるため、望ましい。
中間層ＳＷは、非磁性材料からなり、固着層ＦＰＷと自由層ＦＦとの間に働く直接的な相互作用が無視できる程度に固着層ＦＰＷと自由層ＦＦとを隔離するだけの膜厚が必要である。同時に、素子に電流を流した場合に、固着層ＦＰＷを透過した伝導電子が自由層ＦＦに至るまでに電子のスピンの方向が反転しないことが要求されるため、中間層ＳＷの膜厚はスピン拡散長よりも薄いことが必要である。
同様に、中間層ＳＲは、固着層ＦＰＲと自由層ＦＦとの間に働く直接的な相互作用が無視できる程度に固着層ＦＰＲと自由層ＦＦとを隔離するだけの膜厚が必要である。同時に、素子に電流を流した場合に、固着層ＦＰＲを透過した伝導電子が自由層ＦＦに至るまでに電子のスピンの方向が反転しないことが要求されるため、中間層ＳＲの膜厚はスピン拡散長よりも薄いことが必要である。中間層ＳＷおよび中間層ＳＲとして、非磁性金属、非磁性半導体、絶縁膜等を用いることができる。
ハードバイアス層ＨＢは、磁化方向がｙｚ平面において自由層ＦＦの容易軸方向と直交する方向（磁化困難軸方向）に固着され、ハードバイアス層ＨＢにより自由層ＦＦにｙ方向のバイアス磁界Ｈｂが加えられる。しかしながら、この向きは最も典型的な例であり、ハードバイアス層ＨＢの磁化方向は、ハードバイアス層ＨＢの磁化方向のｙ方向成分が後述する条件で自由層ＦＦに作用すれば、この向きに限定されない。したがって、ｙｚ平面と角度を有していても良いし、ｙ軸と角度を有していても構わない。
この素子は、スパッタリング技術とリソグラフィー技術によって作製される。詳細は、後記の実施例の項で述べる。
次に上記で述べた磁気整流素子Ｒの動作について説明する。なお、説明の簡略化のために、以下の説明において、第１固着層ＦＰＷの磁化方向はｘ軸に沿っており、自由層ＦＦの容易軸方向および第２固着層ＦＰＲの磁化方向はｚ軸に沿っており、バイアス磁界Ｈｂはｙ軸に沿っているものとする。さらに、第１固着層ＦＰＷの磁化方向は、＋ｘ方向とすることも−ｘ方向とすることもできるが、ここでは、まず、＋ｘ方向の場合を例に取って説明する。また、バイアス磁界Ｈｂの方向は、＋ｙ方向とすることも−ｙ方向とすることもできるが、ここでは、まず、＋ｙ方向の場合を例に取って説明する。
図４に示したタイミングチャートと磁化方向の変化に基づいて動作を説明する。(a) 電流を流していない場合、自由層ＦＦの磁化は、ハードバイアスによる磁界の作用を受け、とくに、異方性磁界よりもハードバイアス磁界が大きい場合には困難軸方向(＋ｙ方向) を向いている。(b) この磁気素子に、電子流を、自由層ＦＦから固着層ＦＰＷに向かう方向（この方向に電子流が流れるとき、電流は正値をとるとする。）に流すと、スピントランスファトルクとハードバイアス磁界の同時作用により、磁化が回転し、ほぼ-z 方向を向く。(c) 電流を切ると再び困難軸方向（＋ｙ方向）に戻る。
図５に示したように、上記の(b) の代わりに(b’) 逆方向に電流を流すと、磁化が逆方向に回転し、ほぼ＋z 方向を向く。
電流を一定時間以上流したときに到達する自由層の磁化の角度は、電流の大きさに依存する。シミュレーション結果を図６に示す。電流が正であり、かつ、ある閾値I+ c より小さい範囲では、磁化は膜面内で回転する。回転角度は、電流の増加とともに連続的に増加し、最大で９０度近くまで回転し、ほぼ、容易軸方向（−z 方向）を向く。電流を流す方向を逆転すると、回転する方向が逆になり、逆の容易軸方向（＋z 方向）を向く。第２固着層ＦＰＲの磁化方向は自由層ＦＦの容易軸方向を向いている。そのため、電流の大きさがI+ c , ｜I- c｜ より小さい範囲では、電流を流す方向によって、自由層ＦＦの磁化方向が、第２固着層ＦＰＲの磁化方向に対し、平行、あるいは反平行のいずれかになる。２つの磁性層が非磁性層を挟む構造を持つ積層膜の電気抵抗は、２つの磁性層の磁化方向の相対角度に依存し、通常の材料では、相対角度が０度に近づくと抵抗が小さくなり、１８０度に近づくと抵抗が大きくなる。このような抵抗変化は磁気抵抗効果と呼ばれている。磁気抵抗効果が現れるために、第２中間層に課される条件についてはすでに述べた。結論として、電流を流す方向または大きさにより、電気抵抗が変わり、つまり、本実施形態の素子は整流作用を有する。
正値の電流が閾値I+ c を超えると、自由層ＦＦの磁化方向は−x 方向、つまり、第１固着層ＦＰＷの磁化方向に対して反平行方向、に近い方向を向く。また、負値の電流が閾値I- cを超えると、自由層ＦＦの磁化方向は＋x 方向、つまり、第１固着層ＦＰＷの磁化方向に対して平行方向に近い方向を向く。このため、I+ cあるいはI- cを超える電流の範囲でも、電流が流れる方向または大きさによって電気抵抗が変化する。
たとえば、第２中間層ＳＲの電気抵抗が第１中間層ＳＷの電気抵抗に比べて大きい材料を用いる場合、閾値より大きい電流範囲では、第１中間層ＳＷを挟む磁性層間を流れる電流の抵抗変化よりも第２中間層ＳＲの抵抗が大きいため、整流効果が得られるのは閾値よりも電流が小さい範囲に限られる。また、第１中間層ＳＷの電気抵抗が第２中間層ＳＲの電気抵抗に比べて非常に大きい材料を用いる場合、閾値より小さい電流範囲では、第２中間層ＳＲを挟む磁性層間を流れる電流の抵抗変化よりも第１中間層ＳＷの電気抵抗が大きいため、整流効果が得られるのは閾値よりも電流が大きい範囲に限られる。
第１固着層ＦＰＷの磁化方向と、バイアス磁界Ｈｂ の方向の両方を上記の記述と逆方向にした場合は、電流が閾値以下でも閾値以上でも、自由層ＦＦの磁化の変化方向は上記の説明どおりである。
第１固着層ＦＰＷの磁化方向と、バイアス磁界Ｈｂ の方向のうち、片方のみを上記の記述と逆方向にした場合は、電流が閾値以下では、自由層ＦＦの磁化の変化方向は上記の説明の逆方向になる。閾値以上では、上記の説明どおりである。
第１固着層ＦＰＷの磁化方向、バイアス磁界Ｈｂ の方向、第２固着層ＦＰＲの磁化方向、電流の大きさ、向きを変化させたときの自由層ＦＦの磁化方向とそのときの抵抗を表1 にまとめた。
上述の電流の閾値は、自由層ＦＦに印加される磁界の大きさに依存する。電流導入時の磁化の挙動は、ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式を用いて調べることができる。印加磁界と電流を様々な値に変化させた場合の、電流導入時の磁化の挙動を調べると図７に示したような相図が得られる。
図７にＡで示された領域では、電流導入時に自由層の磁化が膜面（ｙｚ面）内の特定の方向を向く。図７にＢで示された領域では、電流導入時に自由層の磁化が膜面に垂直な方向（＋ｘ方向または−ｘ方向）を向く。図７にＣで示された領域では、電流導入時に自由層の磁化は才差運動し、特定の方向にとどまらない。閾値Ｉｃは、図７における領域Ａと領域Ｂの境界線に対応し、印加磁界を大きくすると閾値Ｉｃも増加する。
また、印加磁界が小さい領域では、電流が比較的小さな場合に才差運動状態が出現し、その場合、整流効果が期待できない。
以上から、閾値以下での整流作用を得る場合、印加磁界の強さを大きくすると、広い電流範囲で整流効果が得られる。典型的には、異方性磁界Ｈkの大きさと同じまたはそれ以上であることが望ましい。
（第１の実施形態の変形例）
磁性層ＦＰＷ，ＦＦ，ＦＰＲのいずれかの少なくとも1層は、強磁性サブレイヤーを２ 層以上含み、非磁性サブレイヤーを０層以上含む多層構造とすることもできる。
磁性層ＦＰＷ，ＦＦ，ＦＰＲのいずれかの少なくとも1層は、強磁性サブレイヤーを２ 層以上含み、非磁性サブレイヤーを０層以上含む多層構造とすることもできる。
一般に、非磁性層を介した２つの強磁性層の間の交換結合は、図８に模式的に示したように、非磁性層の膜厚に対して正負に振動する。したがって、図８において、正（負）のピーク位置のいずれかに対応するように、非磁性サブレイヤーの膜厚を設定すれば、その両側に隣接する強磁性サブレイヤーの間の交換結合を、強磁性的（反強磁性的）にそれぞれ設定できる。
第１固着層ＦＰＷが強磁性サブレイヤーを２層以上含むとき、強磁性サブレイヤーの各々の磁化方向は、ＦＰＷが単層の場合と同じ条件を満たし、磁性層ＦＰＷの磁化方向とは、ＦＰＷに含まれる強磁性サブレイヤーのうち最も中間層ＳＷに近いものの強磁性サブレイヤーの磁化方向を指すものとする。
第２固着層ＦＰＲが強磁性サブレイヤーを２層以上含むとき、強磁性サブレイヤーの各々の磁化方向は、ＦＰＲが単層の場合と同じ条件を満たし、磁性層ＦＰＲの磁化方向とは、ＦＰＲに含まれる強磁性サブレイヤーのうち最も中間層ＳＲに近いものの強磁性サブレイヤーの磁化方向を指すものとする。
自由層ＦＦが強磁性サブレイヤーを２層以上含むとき、強磁性サブレイヤーの各々の磁化方向は、ＦＦが単層の場合と同じ条件を満たす。電流を流すと磁性層ＦＦを構成する強磁性サブレイヤーのうち最も中間層ＳＷに近いものの磁化方向は、ＦＦが単層の場合の磁化方向と同じである。他の強磁性サブレイヤーの磁化方向は、隣接する強磁性サブレイヤー間の交換結合が強磁性的であるか反強磁性的であるかによって決まるので、一意に決まる。電流が閾値より小さいときの電気抵抗は、強磁性サブレイヤーのうち最もＳＲに近い位置に位置するものと、第２固着層との間の磁気抵抗効果によって決まる。
ハードバイアス層ＨＢは、自由層ＦＦにｙ方向のバイアス磁界Ｈｂを加えることができるならば、必ずしも基本積層膜ＢＭＬのｙ軸方向に存在しなくても良い。例えば、図９乃至図１１ に示すように、基本積層膜ＢＭＬに対してｘ方向に存在していても良い。図９、図１０、図１１ において、ハードバイアス層ＨＢは、基本積層膜ＢＭＬの上下一方または両方に、基本積層膜ＢＭＬと離れて設けられている。また、図１２ 乃至図１４ に示すように、基本積層膜ＢＭＬに対してｘ方向とｙ方向のそれぞれに配置させることもできる。図１２、図１３、図１４ において、ハードバイアス層ＨＢは、基本積層膜ＢＭＬの左右両方と、上下一方または両方と、基本積層膜ＢＭＬと離れて設けられている。
次に、上記磁気整流素子の各層の構成材料について説明する。
自由層ＦＦに用いる磁性材料として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはこれらを含む合金を用いることができる。また、自由層ＦＦの厚さは、０．２ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
第１固着層ＦＰＷに用いる磁性材料として、一軸異方性定数Ｋｕが大きく、垂直磁気異方性を示すＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｄなどを用いることができる。また、ｈｃｐ構造（最密六方構造）の結晶構造を持ち、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、Ｃｏを主成分とする金属を含むものが代表的であるが、他のｈｃｐ構造を有する金属を用いることもできる。その他、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。また、第１固着層ＦＰＷの材料のスピン分極率が高いほどスピントランスファの効率が高くなり、すなわち、反転電流低減化の効果が大きくなるため、スピン分極率の高い材料を用いることが望ましい。また、第１固着層ＦＰＷの厚さは、０．６ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。第１固着層ＦＰＷが積層構造を有する場合、それを構成する強磁性サブレイヤーとしてＣｏを、非磁性サブレイヤーとしてＰｔまたはＰｄを用いることができる。
第２固着層ＦＰＲには、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはこれらを含む合金を用いることができる。また、第２固着層ＦＰＲの材料のスピン分極率が高い方が第２固着層ＦＰＲと自由層ＦＦの間に垂直に電流を流したときのＭＲ比が大きくなり、読み出しが容易になるので好ましい。
従って、ハーフメタルと呼ばれる高スピン分極率材料は、理想的な材料である。ハーフメタルの例として、ホイスラー系合金、ルチル型酸化物、スピネル型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、二重ペロブスカイト型酸化物、閃亜鉛鉱型クロム化合物、パイライト型マンガン化合物、センダスト合金が含まれる。また、第２固着層ＦＰＲの厚さは、０．６ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
また、これらの、第１固着層ＦＰＷ、第２固着層ＦＰＲ、自由層ＦＦに用いられる磁性体には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈなどの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。第１固着層ＦＰＷ、第２固着層ＦＰＲおよび（あるいは）自由層ＦＦが多層膜構造を有する場合、それを構成する非磁性サブレイヤーの材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓあるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。
反強磁性層ＡＦＷ、ＡＦＲの材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ2 Ｏ 3、磁性半導体などを用いることが望ましい。
中間層ＳＷ、ＳＲとして非磁性金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉのうちのいずれか、あるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性金属からなる中間層ＳＷ、ＳＲの厚さは、０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
図２ および図３ の基本積層膜ＢＭＬの磁気抵抗効果を大きくするには、中間層ＳＲの材料をトンネルバリア層として機能させることが効果的である。この場合、中間層ＳＲの材料として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ２、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、非磁性半導体（ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ２、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそれらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁材料からなる中間層ＳＲの厚さは、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
中間層ＳＲ が絶縁層である場合、その内部にピンホールＰＨが存在しても良い。この場合、ピンホールＰＨは、その両側の固着層ＦＰＲおよび自由層ＦＦの少なくともいずれかの材料により埋め込まれている。固着層ＦＰＲと自由層ＦＦとがピンホールＰＨを介して接続されていると、いわゆる「磁性ポイントコンタクト」による「ＢＭＲ効果（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）」が発現し、極めて大きい磁気抵抗効果が得られ、その結果、整流作用の効果が大きくなる。ピンホールＰＨの開口径は、概ね２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ピンホールＰＨの形状は、円錐状、円柱状、球状、多角錘状、多角柱状などの各種の形状を取りうる。また、ピンホールＰＨの数は、１個でも複数でもよい。
ハードバイアス層ＨＢの材料としては、ＣｏＰｔや絶縁性の高いＣｏＦｅ ２ Ｏ ４ などの各種磁性材料を用いることができる。
（第２実施形態）
図１５及び図１６ は、本発明の第２実施形態に係る磁気整流素子の断面構造を模式的に示す図である。図１５ に示すように、基本積層膜ＢＭＬの最下部に、最下の層と接するように、ハードバイアス層ＨＢが設けられる。同様に、図１６ に示す構造の場合、基本積層膜ＢＭＬの最上部に、最上の層と接するように、ハードバイアス層ＨＢが設けられる。ハードバイアス層ＨＢの磁化方向は、第１実施形態の図２や図３に示した構造のハードバイアス層ＨＢの磁化方向と同じである。この素子は、第１実施形態の磁気整流素子Ｒと同様の製造工程により作製される。基本積層膜ＢＭＬの構造および材料として、第１実施形態に示したあらゆる形態を適用することができる。また、動作も第１実施形態と同じである。
図１５及び図１６ は、本発明の第２実施形態に係る磁気整流素子の断面構造を模式的に示す図である。図１５ に示すように、基本積層膜ＢＭＬの最下部に、最下の層と接するように、ハードバイアス層ＨＢが設けられる。同様に、図１６ に示す構造の場合、基本積層膜ＢＭＬの最上部に、最上の層と接するように、ハードバイアス層ＨＢが設けられる。ハードバイアス層ＨＢの磁化方向は、第１実施形態の図２や図３に示した構造のハードバイアス層ＨＢの磁化方向と同じである。この素子は、第１実施形態の磁気整流素子Ｒと同様の製造工程により作製される。基本積層膜ＢＭＬの構造および材料として、第１実施形態に示したあらゆる形態を適用することができる。また、動作も第１実施形態と同じである。
次に、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
本発明の第１実施形態の実施例として、以下の構造および材料を持つ磁気素子のサンプル１、サンプル２及びサンプル３を作製した。尚、図１には示されていないが、サンプル１、サンプル２及びサンプル３のそれぞれの基本積層膜BMLの上方及び下方に、電極（配線）EL１、電極（配線）EL２が設けられている例を以下に示す。以下の記載において、括弧内の単位ｎｍが付加された値は膜厚である。
本発明の第１実施形態の実施例として、以下の構造および材料を持つ磁気素子のサンプル１、サンプル２及びサンプル３を作製した。尚、図１には示されていないが、サンプル１、サンプル２及びサンプル３のそれぞれの基本積層膜BMLの上方及び下方に、電極（配線）EL１、電極（配線）EL２が設けられている例を以下に示す。以下の記載において、括弧内の単位ｎｍが付加された値は膜厚である。
サンプル１：上部電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦＲ（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／第２固着層ＦＰＲ（ＣｏＦｅ：１２ｎｍ）／中間層ＳＲ（Ａｌ2O3: ０．８ ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＦｅＮｉ：３ｎｍ）／中間層ＳＷ（ＭｇＯ: ０．８５ ｎｍ）／第１固着層ＦＰＷ（ＦｅＰｔ: １０ ｎｍ）／下部電極ＥＬ２（Ｃｕ）
サンプル２：上部電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦＲ（ＩｒＭｎ：２０ｎｍ）／第２固着層ＦＰＲ（Ｃｏ：１４ｎｍ）／中間層ＳＲ（ＭｇＯ: ０．８ ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＣｏＦｅ：２．５ ｎｍ）／中間層ＳＷ（Ｃｕ: ６ ｎｍ）／第１固着層ＦＰＷ（ＣｏＰｔ: １２ ｎｍ）／下部電極ＥＬ２（Ｃｕ）
サンプル３：上部電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦＲ（ＰｔＩｒＭｎ：１８ｎｍ）／第２固着層ＦＰＲ（ＣｏＦｅ：２０ｎｍ）／中間層ＳＲ（Ｃｕ: ６ ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／中間層ＳＷ（ＭｇＯ: ０．９ ｎｍ）／第１固着層ＦＰＷ（ＣｏＰｔＣｒ: １５ ｎｍ）／下部電極ＥＬ２（Ｃｕ）
上記サンプルの磁気素子は、以下の工程により作製された。まず、ウェーハの上方に下側電極ＥＬ２が形成される。次に超高真空スパッタ装置を使って、５００℃で１０時間、磁場中アニールすることにより、第１固着層ＦＰＷに垂直磁気異方性が付与された。その後、超高真空スパッタ装置を使って、中間層ＳＷ，自由層ＦＦ，中間層ＳＲ、第２固着層ＦＰＲ，反強磁性層ＡＦＲからなる積層構造が第１固着層ＦＰＷの上に形成され、さらにその上に保護膜が形成される。このウェーハを磁場中真空炉にて、２７０℃で１０時間、磁場中アニールすることにより、強磁性層ＦＦ，第２固着層ＦＰＲに一方向異方性が付与される。
サンプル２：上部電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦＲ（ＩｒＭｎ：２０ｎｍ）／第２固着層ＦＰＲ（Ｃｏ：１４ｎｍ）／中間層ＳＲ（ＭｇＯ: ０．８ ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＣｏＦｅ：２．５ ｎｍ）／中間層ＳＷ（Ｃｕ: ６ ｎｍ）／第１固着層ＦＰＷ（ＣｏＰｔ: １２ ｎｍ）／下部電極ＥＬ２（Ｃｕ）
サンプル３：上部電極ＥＬ１（Ｃｕ）／反強磁性層ＡＦＲ（ＰｔＩｒＭｎ：１８ｎｍ）／第２固着層ＦＰＲ（ＣｏＦｅ：２０ｎｍ）／中間層ＳＲ（Ｃｕ: ６ ｎｍ）／自由層ＦＦ（Ｃｏ：３ｎｍ）／中間層ＳＷ（ＭｇＯ: ０．９ ｎｍ）／第１固着層ＦＰＷ（ＣｏＰｔＣｒ: １５ ｎｍ）／下部電極ＥＬ２（Ｃｕ）
上記サンプルの磁気素子は、以下の工程により作製された。まず、ウェーハの上方に下側電極ＥＬ２が形成される。次に超高真空スパッタ装置を使って、５００℃で１０時間、磁場中アニールすることにより、第１固着層ＦＰＷに垂直磁気異方性が付与された。その後、超高真空スパッタ装置を使って、中間層ＳＷ，自由層ＦＦ，中間層ＳＲ、第２固着層ＦＰＲ，反強磁性層ＡＦＲからなる積層構造が第１固着層ＦＰＷの上に形成され、さらにその上に保護膜が形成される。このウェーハを磁場中真空炉にて、２７０℃で１０時間、磁場中アニールすることにより、強磁性層ＦＦ，第２固着層ＦＰＲに一方向異方性が付与される。
次に、保護膜上にレジストを塗布してＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）露光することにより、磁気素子の形状応じたマスクが形成される。次にイオンミリングによりマスクに被覆されない領域がエッチングされた。加工サイズは１００ｎｍＸ５０ｎｍとした。エッチング後、マスクが剥離され、さらにセルの相互間にＳｉＯ２、ＣｏＦｅ２Ｏ４、ＳｉＯ２が順次、超高真空スパッタを使って成膜された。その後、表面がイオンミリングにより平滑化され、保護膜の表面を露出させる「頭出し」の工程を行った。この保護膜の表面の上に上側電極ＥＬ１が形成される。この結果、図１および図３相当の磁気素子が形成される。
上部電極と下部電極の間に電圧を与え、そのとき流れる電流値を測定した。電圧を−１V から＋１Vの範囲で変化させると、サンプル１では、全電圧範囲で、抵抗が極性（電流が流れる方向）に依存し、したがって整流作用があることが分かった。これに対し、サンプル２では０．２Ｖ 以下の電圧範囲でのみ、抵抗が極性に依存した。また、サンプル３では、０．３Ｖ 以上の電圧範囲でのみ、抵抗が極性に依存した。
（実施例２）
本発明の第２の実施形態の実施例として、以下の構造および材料を持つ磁気素子のサンプルを作製した。また、この素子の周囲に絶縁層を介して配線層を設け、自由層に対して電流磁界の作用を独立に与えられるようにした。
本発明の第２の実施形態の実施例として、以下の構造および材料を持つ磁気素子のサンプルを作製した。また、この素子の周囲に絶縁層を介して配線層を設け、自由層に対して電流磁界の作用を独立に与えられるようにした。
サンプル：上部電極ＥＬ１（Ｃｕ）／第１固着層ＦＰＷ（ＴｂＣｏ: １０ ｎｍ）／中間層ＳＷ（Ｃｕ:６ ｎｍ）／自由層ＦＦ（ＣｏＦｅ:２．５ ｎｍ）／中間層ＳＲ（ＭｇＯ: ０．８ ｎｍ）／第２固着層ＦＰＲ（Ｆｅ３Ｏ４：１４ｎｍ）／反強磁性層ＡＦＲ（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）／ハードバイアス層（ＣｏＰｔ：１０ｎｍ）／下部電極ＥＬ２（Ｃｕ）
まず、配線層に電流は流さず、上部電極と下部電極の間に電圧を与え、そのとき流れる電流値を測定した。その結果、０．２Ｖ以下で整流効果が見られた。次に配線層に電流を第１の方向に流して、同様の測定を行ったところ、整流作用が見られる電圧の閾値が上昇した。これは、バイアス磁界と電流磁界の合成磁界が自由層に作用したことによるものと考えられる。逆に配線層に電流を第１の方向に対して逆方向に流して、同様の測定を行ったところ、整流作用が見られる電圧の閾値が下降した。この場合には、バイアス磁界と電流磁界が互いに打ち消すように働いたと考えられる。
まず、配線層に電流は流さず、上部電極と下部電極の間に電圧を与え、そのとき流れる電流値を測定した。その結果、０．２Ｖ以下で整流効果が見られた。次に配線層に電流を第１の方向に流して、同様の測定を行ったところ、整流作用が見られる電圧の閾値が上昇した。これは、バイアス磁界と電流磁界の合成磁界が自由層に作用したことによるものと考えられる。逆に配線層に電流を第１の方向に対して逆方向に流して、同様の測定を行ったところ、整流作用が見られる電圧の閾値が下降した。この場合には、バイアス磁界と電流磁界が互いに打ち消すように働いたと考えられる。
最後に、５ナノ秒のパルス電流を用いて整流作用の効果が見られるかどうかを調べた。合成磁界が弱い場合には、整流作用が消失する場合が度々あり動作が安定しないことがわかった。これは、自由層に作用する磁界が異方性磁界より小さい場合には、自由層に電流が流れないときの自由層の磁化方向が一定せず、磁化方向の制御に時間を要することを意味している。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、本発明の磁気整流素子において、実施形態１、２の各項で示した図を上下反転させた構造とすることができる。
また、磁気素子における反強磁性層、中間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ、単層として形成しても良く、あるいは、２以上の層を積層した構造としても良い。
磁界印加層の実施例として、ハードバイアス層を用いたものを挙げたが、これ以外にも、例えば、電流配線層を設け、これに電流を流して発生する電流磁界を用いることができる。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
Ｒ…磁気記録素子、ＢＭＬ…基本積層膜、ＨＢ…ハードバイアス層、ＦＰＷ…強磁性層（第１固着層）、ＦＦ…強磁性層（自由層）、ＳＷ、ＳＲ…中間層、ＦＰＲ…強磁性層（第２固着層）、ＡＦＷ、ＡＦＲ…反強磁性層
Claims (6)
- 膜面に対してある角度に、磁化方向が固定された第１固着層と、
この第１固着層の下に設けられ、非磁性材料の第１中間層と、
この第１中間層の下に設けられ、面内方向に磁化された、磁化困難軸を持つ一軸異方性磁界を有する自由層と、
この自由層の下に設けられ、非磁性材料の第２中間層と、
この第２中間層の下に設けられ、面内方向に磁化方向が固定された第２固着層と、
前記磁化困難軸方向に沿い磁界を前記自由層に印加する磁界印加層と、
前記第１固着層、第１中間層、自由層、第２中間層及び第２固着層の膜面に対してほぼ垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、
前記電極間を流れる電流の向きまたは大きさにより電気抵抗が変化する
ことを特徴とする磁気整流素子。 - 前記自由層に印加される磁界の大きさが前記自由層の一軸異方性磁界と等しいか、それより大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気整流素子。
- 前記磁界印加層が、永久磁石または電磁石を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気整流素子。
- 前記第１、第２中間層の少なくとも一方が、絶縁体または半導体を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気整流素子。
- 前記第１、第２中間層の少なくとも一方が、非磁性金属を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気整流素子。
- 前記磁界印加層が、流れる電流に応じた電流磁界を発生させる電流配線層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気整流素子。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006248592A JP2008071903A (ja) | 2006-09-13 | 2006-09-13 | 磁気整流素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008071903A true JP2008071903A (ja) | 2008-03-27 |
Family
ID=39293247
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006248592A Pending JP2008071903A (ja) | 2006-09-13 | 2006-09-13 | 磁気整流素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008071903A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017050891A (ja) * | 2016-11-29 | 2017-03-09 | Tdk株式会社 | 整流器および送受信装置 |
| JP2017103791A (ja) * | 2017-01-10 | 2017-06-08 | Tdk株式会社 | 整流器 |
-
2006
- 2006-09-13 JP JP2006248592A patent/JP2008071903A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017050891A (ja) * | 2016-11-29 | 2017-03-09 | Tdk株式会社 | 整流器および送受信装置 |
| JP2017103791A (ja) * | 2017-01-10 | 2017-06-08 | Tdk株式会社 | 整流器 |
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