JP2008210905A

JP2008210905A - トンネル磁気抵抗素子

Info

Publication number: JP2008210905A
Application number: JP2007044811A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ando; 安藤康夫; Daisuke Watanabe; 渡邉大輔; Mikihiko Okane; 大兼幹彦; Terunobu Miyazaki; 宮崎照宣
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】微小サイズにおいて低い磁気緩和定数を持つトンネル磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】トンネル磁気抵抗素子は、強磁性固定層と、バリア層と、強磁性自由層と、強磁性自由層のもう一方の界面に接する非磁性層からなる積層構造を含む磁気抵抗素子であって、非磁性層がＭｇＯである。また強磁性自由層は、非磁性伝導層１２と非磁性伝導層１２を介して磁気的に反平行に結合した２層の強磁性層１１，１３とにより構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗素子に関し、特に、その磁化反転層の磁気緩和定数が低減したトンネル磁気抵抗素子に関するものである。

トンネル磁気抵抗効果とは、薄い絶縁体を二つの強磁性金属の電極で挟んだ構造のトンネル接合において、その電気抵抗が二つの強磁性電極の磁化の相対的な向きに依存して変化する現象である。

この現象は、高密度磁気記録用ハードディスクの読み出し用ヘッドのセンサーとして、また、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の磁気メモリセルの読み出しのために用いられる。高密度のハードディスク、ＭＲＡＭにおいて高速の読み出しを実現するためには、小さな磁気緩和定数の強磁性体材料を電極として使うことが重要である。

また、高密度磁気記録用ハードディスクの読み出し用ヘッドのセンサーおよびＭＲＡＭとして使用するためには、トンネル磁気抵抗素子の面内方向におけるサイズを微小化することが重要である。

特に、トンネル磁気抵抗素子をＭＲＡＭとして使用するときには、電流を素子に直接流して情報の書き込みを行うことが必須であることが知られている（非特許文献１参照）。この書き込みに必要な電流の値は、磁気緩和定数に比例することが同文献に記載されている。したがって、この点においても、トンネル磁気抵抗素子は小さな磁気緩和定数をもつことが重要である。

これまでに、トンネル磁気抵抗素子では、強磁性電極に接する非磁性層として伝導性の高い重金属が用いられてきた。しかし、重金属層と強磁性金属層が接している構造においては、重金属層におけるスピンの緩和が大きく、磁気緩和定数が増大することがわかっている。これをスピンポンピング効果と呼んでいる（非特許文献２参照）。

また、磁気抵抗効果素子を微小化すると、磁気緩和定数が増大することがわかっている（非特許文献３参照）。

J.C.Slonczewski，"Current-driven excitation of magnetic multilayers"，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1996，volume159，p.L1 S.Mizukami et al，"Ferromagnetic resonance linewidth for NM/80NiFe/NM films (NM=Cu, Ta, Pd and Pt) "，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2001，volume226-230，p.1640−1642 I.N.Krivorotov et al，"Time-Domain Measurements of Nanomagnet Dynamics Driven by Spin-Transfer Torques"，Science，2005，volume307，p.228−231

本発明の目的は、強磁性電極と、強磁性電極に接する非磁性層に適当な物質を使うことにより、磁気緩和定数の低いトンネル磁気抵抗素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、薄膜多層積層構造のトンネル磁気抵抗素子において、強磁性固定層と、バリア層と、強磁性自由層と、前記強磁性自由層のもう一方の界面に接する非磁性層からなる積層構造を含む磁気抵抗素子であって、前記非磁性層の比抵抗が前記強磁性自由層の比抵抗よりも大きいことを、特徴とするものである。請求項２に記載の発明は、前記非磁性層がＭｇＯ層であることを、特徴とするものである。これは、非磁性層の比抵抗が大きいことにより、スピンポンピング効果を抑えることができ、磁気緩和定数を低く抑えることができるためである。

本発明によれば、非磁性層により、従来用いられている非磁性金属の構成と比較して、１／２から１／３に磁気緩和定数を低減する効果が得られる。

また、微細な素子サイズに対して上記目的を達成するために、本発明の請求項３記載のトンネル磁気抵抗素子は、前記強磁性自由層が非磁性伝導層と、前記非磁性伝導層を介して磁気的に反平行に結合した２層の強磁性層とにより構成されることを、特徴とするものである。請求項４に記載の発明は、前記非磁性伝導層がルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウムのいずれか、或いはこれらを組み合わせた合金及び積層結合体のいずれかであることを、特徴とするものである。請求項５に記載の発明は、前記非磁性伝導層の膜厚が０．６ｎｍ以下であることを、特徴とするものである。請求項６に記載の発明は、トンネル磁気抵抗素子の大きさが、積層膜構造の面内方向において２５０ｎｍ角よりも小さいことを、特徴とするものである。

本発明によれば、面内方向において２５０ｎｍ角よりも大きな素子と比較して、１／３に磁気緩和定数を低減する効果が得られる。

本発明によれば、強磁性電極と、強磁性電極に接する非磁性層に適当な物質を使うことにより、磁気緩和定数の低いトンネル磁気抵抗素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。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。図１は、本発明に関わるトンネル磁気抵抗素子の積層構造の第一の実施形態の例を示す。本実施例によれば、基板１の上に下地層２、トンネル磁気抵抗素子３、上部電極４が積層して形成されている。基板１としては、例えばシリコン単結晶、表面酸化を施したシリコン単結晶、ＭｇＯ単結晶、ガラスなどを用いることができる。下地層２は、例えば下部電極と強磁性固定層の磁化を一方向に固定するために必要な反強磁性層とから形成されている。下部電極としては、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｒｕ、あるいはこれらの積層構造体などを使うことができる。また反強磁性層としてはＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎなどを使うことができる。トンネル磁気抵抗素子３は、強磁性自由層、バリア層、強磁性固定層、非磁性層により形成される。強磁性固定層および強磁性自由層としては、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、あるいはこれらの合金、ＦｅＣｏＢ合金などを用いることができる。さらに、Ｒｕなどの非磁性体を加えた積層構造体を用いることもできる。バリア層としては、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯなどを用いることができる。上部電極４としては、例えばＣｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｒｕなどを使うことができる。非磁性層は本発明に関わる層であり、非磁性層の比抵抗が強磁性自由層の比抵抗よりも大きいことが必要である。また、非磁性層は、ＭｇＯ層であることがより望ましい。

図２は、上記構成の一例として作製したトンネル磁気抵抗素子の強磁性自由層の磁気緩和定数を示す。積層構成は、ＳｉＯ_２／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（２．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２．５ｎｍ）／非磁性層（２．５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）である。強磁性自由層の比抵抗は約１．０×１０^−５Ωｃｍである。非磁性層としてＴａ（比抵抗は約１．０×１０^−５Ωｃｍ）、Ｒｕ（比抵抗は約０．７×１０^−５Ωｃｍ）を使用した場合と比較して、ＭｇＯ（絶縁体であるため比抵抗は１．０Ωｃｍよりも充分大きい）を用いた場合は、磁気緩和定数の減少が観測される。さらに、ＭｇＯの膜厚を２．５ｎｍから３．０ｎｍにすることにより、磁気緩和定数は最大で１／３に減少することが観測された。

図３は、本発明に関わるトンネル磁気抵抗素子の積層構造の第二の実施形態の例を示す。基板１の上に下地層２、トンネル磁気抵抗素子３、上部電極４が積層して形成されている点は第一の実施形態と同じであり、強磁性自由層の構成が異なる。強磁性自由層は、非磁性伝導層１２と、非磁性伝導層１２を介して磁気的に反平行に結合した２層の強磁性層１１，１３とにより構成される。非磁性伝導層１２は、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウムのいずれか、或いはこれらを組み合わせた合金及び積層結合体のいずれかである。強磁性自由層としては、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、あるいはこれらの合金、ＦｅＣｏＢ合金などを用いることができる。非磁性伝導層１２の膜厚は、２層の強磁性層１１，１３の結合エネルギーが１×１０^―４Ｊ／ｍ^２以上となる０．６ｎｍ以下であることが望ましい。また、素子の面内方向のサイズは、２層の強磁性層１１，１３の磁区構造が均一になる２５０ｎｍ以下であることが望ましい。

図４は、上記構成の一例として、計算機により計算したトンネル磁気抵抗素子の強磁性自由層の磁気緩和定数の結果を示す。積層構成は、トンネル磁気抵抗素子３の部分が、ＦｅＮｉ（７．２ｎｍ）／Ｒｕ（０．４ｎｍ）ＦｅＮｉ（３．６ｎｍ）である。計算機シミュレーションによりトンネル磁気抵抗素子を理想化しているので、基板１、下地層２、非磁性層、上部電極４は必要ない。ただし、本発明の構成にかかわる非磁性層は、比抵抗の値が充分に大きく、スピンポンピング効果がない場合を想定して計算している。本実施例によると、素子サイズを２５０ｎｍ以下にすることにより磁気緩和定数を約１／３に低減できることがわかる。

以上の実施形態で説明された素子の構成、材料、数値などについては、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り、様々な形態に変更することができるものである。

本発明に係る第１の実施形態のトンネル磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。図１に示すトンネル磁気抵抗素子の、非磁性層の材料に対する強磁性自由層の磁気緩和定数を示すグラフである。本発明に係る第２の実施形態のトンネル磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。図３に示すトンネル磁気抵抗素子の、サイズに対する強磁性自由層の磁気緩和定数を示すグラフである。

符号の説明

１基板
２下地層
３トンネル磁気抵抗素子
４上部電極
１１強磁性層
１２非磁性伝導層
１３強磁性層

Claims

薄膜多層積層構造のトンネル磁気抵抗素子において、強磁性固定層と、バリア層と、強磁性自由層と、前記強磁性自由層のもう一方の界面に接する非磁性層からなる積層構造を含む磁気抵抗素子であって、
前記非磁性層の比抵抗が前記強磁性自由層の比抵抗よりも大きいことを、
特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
前記非磁性層がＭｇＯ層であることを、特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子。
前記強磁性自由層が非磁性伝導層と、前記非磁性伝導層を介して磁気的に反平行に結合した２層の強磁性層とにより構成されることを、特徴とする請求項１または２記載のトンネル磁気抵抗素子。
前記非磁性伝導層がルテニウム、イリジウム、ロジウム、レニウムのいずれか、或いはこれらを組み合わせた合金及び積層結合体のいずれかであることを、特徴とする請求項３記載のトンネル磁気抵抗素子。
前記非磁性伝導層の膜厚が０．６ｎｍ以下であることを、特徴とする請求項３または４記載のトンネル磁気抵抗素子。
大きさが、積層膜構造の面内方向において２５０ｎｍ角よりも小さいことを、特徴とする請求項３、４または５記載のトンネル磁気抵抗素子。