JP2008218640A - トンネル磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

【課題】室温で高いＴＭＲ比を示し、十分なＴＭＲ効果を呈することによって実用に供することが可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、これら強磁性体間に挟まれて存在する絶縁体とを具え、強磁性体の少なくとも一方は、基材上に(110)面にエピタキシャル成長したフルホイスラー合金の単結晶を有する。フルホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの組成式で表わされる金属間化合物であることが好ましい。特に、フルホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＭｎＳｉからなることが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＨＤＤヘッドやＭＲＡＭに使用して好適なトンネル磁気抵抗効果素子に関するものである。

スピンエレクトロニクス分野においては、巨大なトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を発現する素子の開発が切望されている。従来のトンネル磁気抵抗効果素子の基本構成は、薄い絶縁体を二つの強磁性体で挟んだものであり，両強磁性体の磁化の相対角度によって流れるトンネル電流の大きさが変化する。トンネル磁気抵抗効果の大きさの度合いを表すＴＭＲ比は(Ｒａｐ-Ｒｐ)/Ｒｐ×１００で定義される。ここで、Ｒｐ，Ｒａｐは、それぞれ強磁性体の磁化が平行状態、及び反平行状態にある場合のトンネル抵抗である。

最近２００％を超えるＴＭＲ比が、結晶質の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）薄膜を絶縁体として用いたトンネル接合で観測されている。これらの接合では，強磁性体にはＦｅ、ＣｏＦｅなどの一般的な強磁性体が用いられている(スピン分極率は50％以下)。この場合の巨大なＴＭＲ比の起源は、コヒーレントな電子のトンネリングと考えられている（非特許文献１乃至７参照）。

一方、ペロブスカイト型のＭｎ酸化物であるＬａ_１−ｘ（Ｓｒ，Ｃａ，ｅｔｃ．）ｘＭｎＯ_３（ＬＳＭＯ）は、ハーフメタルと呼ばれる強磁性体であり、伝導電子が完全にスピン分極している材料である。この材料を供するトンネル磁気抵抗効果素子において、低温で１８００％のＴＭＲが報告されている。しかしながら、このようなＬＳＭＯを供するトンネル磁気抵抗効果素子においては、ＬＳＭＯのキュリー温度が低い為に、室温ではＴＭＲ効果が観測されていない。

室温で、実用に供するのに十分高いＴＭＲ比を示し、トンネル磁気抵抗効果素子に用いることが可能なハーフメタル強磁性体としてフルホイスラー合金が注目されている。

フルホイスラー合金の一種であるＣｏ_２ＭｎＳｉ合金を(100)面方位にエピタキシャル成長させた材料を用いたトンネル磁気抵抗効果素子は、低温で１６０％のＴＭＲを示すが、室温ではＴＭＲ比が比較的小さい(非特許文献８参照)。その原因は、フェルミエネルギーの直上に大きな電子状態密度を有するためである。

したがって、フェルミエネルギーの直上に小さな電子状態密度を有する面方位のフルホイスラー合金を供えるトンネル磁気抵抗素子の開発が求められている。

フェルミエネルギーの直上に小さな電子状態密度を供える面方位の一つは、(110)面方位である。これまで、(110)面方位のフルホイスラー合金を具える同様の素子は、薄い非磁性金属を二つの強磁性体で挟んだ巨大磁気抵抗素子のみである(特許文献１参照)。しかしながら、巨大磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗効果素子に比べ、抵抗の変化率が小さい問題がある。また、従来技術においては、(110)面方位のフルホイスラー合金は多結晶の構造を具えているが、フルホイスラー合金のハーフメタル性を十分に発揮させるためには、単結晶構造を具えている必要がある。

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本発明は、室温で高いＴＭＲ比を示し、十分なＴＭＲ効果を呈することによって実用に供することが可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、これら強磁性体間に挟まれて存在する絶縁体とを具え、前記強磁性体の少なくとも一方は、基材上に(110)面にエピタキシャル成長したフルホイスラー合金の単結晶を有することを特徴とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、所定の下地層上に(110)面にエピタキシャル成長したフルホイスラー合金単結晶薄膜の開発に成功し、さらに、フルホイスラー合金と所定の強磁性体とで所定の絶縁体を挟むような従来と類似の構造で、室温においても高いＴＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果素子を得ることに成功したものである。

したがって、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子によれば、室温においても高いＴＭＲ比を呈し、スピンエレクトロニクス分野において、例えば磁気センサや磁気メモリなどとして使用することができる。

本発明の好ましい態様においては、前記フルホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの組成式で表わされる金属間化合物から構成される。このようなホイスラー合金は、高いキュリー温度を呈し、室温においても約１００％の高いスピン分極率を呈する。したがって、目的とするトンネル磁気抵抗効果素子は、より高いＴＭＲ比を呈し、より高いＴＭＲ効果を呈するようになる。

なお、上述したホイスラー合金においても、特にＣｏ_２ＭｎＳｉが高いキュリー温度と高いスピン分極率を呈し、目的とするトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲ比及びＴＭＲ効果をより向上させることができる。

さらに、本発明の他の好ましい態様においては、前記絶縁体は、ＡｌＯｘから構成される。この場合も、上記同様に目的とするトンネル磁気抵抗効果素子は、より高いＴＭＲ比を呈し、より高いＴＭＲ効果を呈するようになる。

また、本発明のその他の好ましい態様においては、前記フルホイスラー合金を所定の基材上において所定の下地層を介して形成する。この場合、フルホイスラー合金はエピタキシャル成長し、さらに、単結晶成長するので、より高いＴＭＲ比を呈し、より高いＴＭＲ効果を呈するようになる。

なお、下地層を構成する材料は、フルホイスラー合金の材料種類に応じて適宜決定するが、特に上述したＣｏ_２ＭｎＳｉから構成される場合は、例えばＴａ/Ｗ/Ｃｒからなる三層多層膜構成とすることが好ましい。

また、本発明の他の好ましい態様においては、前記下地層に、アニーリング処理を行う。これによって、下地層の(110)配向性が向上し、下地層表面が平滑になることで、その上に成長するフルホイスラー合金の性能をより向上させることができるようになる。

また、本発明の他の好ましい態様においては、前記フルホイスラー合金に、アニーリング処理を行う。これによって、フルホイスラー合金のディスオーダーが減少して規則性が増大し、ハーフメタル固有の高いスピン分極率（約１００％）を効果的かつ効率的に達成することができ、得られるトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲ比及びＴＭＲ効果をより向上させることができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、室温で高いＴＭＲ比を示し、十分なＴＭＲ効果を呈することによって実用に供することが可能なトンネル磁気抵抗効果素子を提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。

以下においては、フルホイスラー合金として、Ｃｏ_２ＭｎＳｉホイスラー合金を用い、これとＣｏ−Ｆｅとで絶縁体のＡｌＯｘを挟んだトンネル磁気抵抗効果素子を作製した場合について説明する。なお、トンネル磁気抵抗効果素子を構成する各層は、超高真空スパッタ装置を用いて作製するので、必然的に支持基板が必要となる。本例では、支持基板としてＡｌ_２Ｏ_３基板を用いた。

また、トンネル磁気抵抗効果素子は、Ａｌ_２Ｏ_３基板上に、Ｔａ／Ｗ／Ｃｒ多層膜下地層を介して形成するとともに、その外側に「磁化固定層」として機能するＩｒＭｎ層、及び「酸化防止層」として機能するＴａ層を形成した。したがって、本例におけるトンネル磁気抵抗効果素子を含む層構成は、以下のようにして表すことができる。
Al₂O₃基板/Ta(20)/W(20)/Cr(20)/Co₂MnSi(30)/AlOｘ(1.3)/CoFe(10)/IrMn(10)/Ta(5)
(カッコ内数字は膜厚で，単位はnmである)

また、Ｔａ／Ｗ／Ｃｒ多層膜下地層は、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層の成膜前に、６００℃でアニーリング処理を行なった。Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層は、ＡｌＯｘ層成膜以前に４００℃でアニーリング処理を行った。
なお、得られた上記トンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲの測定は直流４端子法で行なった。

図１は、上記のようにして得たCo₂MnSi(30)/AlOｘ(1.3)/CoFe(10)なる構成のトンネル磁気抵抗効果素子の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像である。この断面ＴＥＭ像から明らかなように、得られた上記構成のトンネル磁気抵抗効果素子は、非常に平滑な界面を有していることが確認された。また、Ｔａ／Ｗ／Ｃｒ下地層および下部Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層は（１１０）エピタキシャル成長していることが判明した。

図２は、下地層に用いた、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ層およびＣｏ_２ＭｎＳｉ層それぞれのＸ線回折の極点測定結果である。Ｔａ、Ｗ層は、（２００）面からの２回対称のピークが２組観測されていることから、多結晶(双晶)構造であることが分かる。一方、Ｃｒ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層は、（２００）面および（４００）面からの２回対称のピークが１組のみ観測されたことから、単結晶構造であることが判明した。さらに、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ層については、（２００）および（１１１）面からのピークが観測されたことから、Ｌ２_１規則構造（Ｃｏ，Ｍｎ，Ｓｉが規則正しく並んだ構造）を有することが分かった。

図３は、上記のようにして得たＣｏ_２ＭｎＳｉ層の磁気特性を、振動試料型磁力計で測定した結果である。この結果から、得られたＣｏ_２ＭｎＳｉは、バルク試料の８割の磁化を具えていることが判明した。

図４は、上記のようにして得たCo₂MnSi(30)/AlOｘ(1.3)/CoFe(10)なる構成のトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲ比の測定温度依存性である。TMR曲線は挿入図に示す。図４から、上記トンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲ比は、室温で約４０％であり、温度を減少させるとTMR比は増大し、２Ｋにおいては１２０％のＴＭＲ比を示すことが判明した。

上記のトンネル磁気抵抗効果素子は、ＡｌＯｘ層の作製条件の最適化が不十分であるが、これらの改善によって巨大なＴＭＲ比を室温で実現すれば、スピンエレクトロニクス分野の基礎的研究が推進されるだけでなく、実用研究にも大きな進展と発展をもたらす可能性がある。

以上、発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明の内容は上記に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗効果素子を示す透過型電子顕微鏡写真による断面ＴＥＭ像である。 図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子の下地層の、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ層およびＣｏ_２ＭｎＳｉ層それぞれのＸ線回折の極点測定結果を示すグラフである。 図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子のＣｏ_２ＭｎＳｉ層の磁気特性を、振動試料型磁力計で測定した結果を示すグラフである。 図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲ比の測定温度依存性を示すグラフである。

Claims (9)

1. 第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、これら強磁性体間に挟まれて存在する絶縁体とを具え、前記強磁性体の少なくとも一方は、基材上に(110)面にエピタキシャル成長したフルホイスラー合金の単結晶を有することを特徴とする、トンネル磁気抵抗効果素子。
2. 前記フルホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの組成式で表わされる金属間化合物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効果素子。
3. 前記フルホイスラー合金は、アニーリング処理を経てい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効果素子。
4. 前記フルホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＭｎＳｉからなることを特徴とする、請求項１、２または３記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
5. 前記絶縁体は、ＡｌＯｘからなることを特徴とする、請求項１、２、３または４記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
6. 前記フルホイスラー合金は、前記基材上において所定の下地層を介して形成されていることを特徴とする、請求項１、２、３、４または５記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
7. 前記下地層は、Ｔａ/Ｗ/Ｃｒの三層多層膜から成ることを特徴とする、請求項６記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
8. 前記下地層は、アニーリング処理を経ていることを特徴とする、請求項６または７記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
9. 室温で有限のトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）比を呈することを特徴とする、請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載のトンネル磁気抵抗効果素子。