JP2010515252A - 磁性多層膜素子、このような素子の製造方法、このような素子を用いた磁界センサー、磁気メモリ及び論理ゲート - Google Patents

Abstract

この磁性多層膜は、連続する交互の磁性金属層Ｍ、及び、酸化物層、水素化物層または窒化物層Ｏを基板上に備える。前記層Ｍの数が、少なくとも２に等しい。前記層Ｍが、連続である。前記Ｍ／Ｏ界面のレベルにおける前記層の平面に垂直な界面の磁気異方性がある。

Description

本発明は、磁性材料の分野に関し、特に、第１に磁界センサーとして使用されるための磁性材料または電子システムにおいてデータを格納及び読み出すために使用される不揮発性磁気ランダムメモリ、さらには再書き込み可能な論理素子の分野に使用することができる部品を製造することに関する。

本発明が関連する用途の１つは、並外れたホール効果の測定に基づいて磁界を検出するために使用される磁気素子に関する。

２つのタイプのホール効果がある。普通のホール効果と並外れたホール効果である。普通のホール効果は、金属材料またはドーピングされた半導体内で生じ、磁界の影響の下で電子に作用するローレンツ力による。並外れたホール効果は、限られた範囲内で強磁性材料において生じ、強磁性材料の磁気モーメントとのスピン軌道相互作用による電子の拡散の結果である。

図１は、特にホール効果を測定するための１つの配置の図である。それは、電流Ｉがｘ軸に沿って流れ、平面（ｘ、ｙ）に垂直な磁界Ｈにさらされる、長さＬ（ｘ軸に沿って）、幅ｗ（ｙ軸に沿って）及び厚さｔ（ｚ軸に沿って）の強磁性材料から作られる断面を概略的に示す。印加磁界からもたらされるローレンツ力の影響と、電子通路をこの材料の局所磁化と結合するスピン軌道相互作用とのために、電流フローラインは、電流の方向に対して直交する方向に曲がり、次いで“ホール電圧”と称される電圧が、均衡状態を取り戻すために現れる。この電圧は、電流の方向、すなわちｙ方向に垂直に測定される。

ホール効果の特徴的な一パラメータは、以下の式で与えられるホール抵抗率である。
ρ_ｘｙ＝（Ｖ_ｘｙ／Ｉ）ｔ＝Ｒ_０Ｈ＋４πＲ_ｓＭ_ｚ （１）
ここで、Ｖ_ｘｙは、電流の方向に垂直な方向の平面（Ｌ、ｗ）内で測定されるホール電圧であり、
Ｉは、注入された電流の強度であり、
ｔは、薄膜の厚さであり、
Ｒ_０は、普通のホール係数であり、
Ｈは、印加された磁界の振幅であり、
Ｒ_ｓは、並外れたホール係数であり、Ｍ_ｚは、薄膜の磁化の垂直成分である。

さらに、この薄膜に流れる電流Ｉは、以下の式に従う長手方向の電圧を生成する。
Ｖ_ｘｘ＝ＲＩ （２）
ここで、Ｒ＝ρ_ｘｘＬ／（ｗｔ）は、この材料の抵抗であり、ρ_ｘｘは、長手方向の電気抵抗率（電流Ｉの方向に平行な）である。式（１）及び（２）を組み合わせることによって以下の式が与えられる。
Ｖ_ｘｙ／Ｖ_ｘｘ＝（ｗ／Ｌ）ρ_ｘｙ／ρ_ｘｘ （３）
ここで、ρ_ｘｙ／ρ_ｘｘは、長手方向の電界の方向に電子束を逸脱させるための材料の性能を特徴付けるホール角と呼ばれる無次元のパラメータである。その値は、共通の磁性材料に対して数パーセントのオーダーである。ｗ／Ｌは、せいぜい１のオーダーでありえる幾何学的因子である。

式（１）の第１項Ｒ_０Ｈは、普通のホール抵抗率に対応し、第２項４πＲ_ｓＭ_ｚは、並外れたホール抵抗に対応する。比較的弱い磁界において、普通のホール効果は、通常並外れたホール効果より数桁小さい。

強磁性層の磁化は、この平面に平行であり、それは一般的に薄膜における場合であり、飽和磁化Ｍ_ｓに達するまで、その垂直方向の成分Ｍ_ｚは、印加された磁界に伴って線形に増加する。従って、Ｍ_ｚがＭ_ｓ未満である限りにおいては、並外れたホール電圧は、印加された磁界に比例する。

図２は、印加された磁界の関数としてホール抵抗の変化を示す。Ｈ＜４πＭ_ｓにおいて、抵抗率は、ρ_ｘｙ＝４πＲ_ｓＭ_ｓに達するまで線形的に変化する。この点を超えると、抵抗率は、既に示されたように、非常に小さい勾配Ｒ_０（式（１）の第１項）に伴って線形的に変化する。従って、この原理に基づく磁界センサーの有用な動作領域は、４πＭ_ｓ未満の磁界に制限される。ここで、Ｍ_ｓは、対象となる磁性材料の飽和磁化である。

それは、マイクロオームセンチメートルパーテスラ（μΩｃｍ／Ｔ）で表される、このようなセンサーの磁界感度を決定するρ_ｘｙ（Ｈ）曲線の傾斜である。この傾斜は、薄膜の厚さを考慮し、関係式ρ_ｘｙ＝ｔ×Ｒ_ｘｙに依存して、オームパーテスラ（Ω／Ｔ）で表される。この傾斜を最小化するために、並外れたホール効果の項Ｒ_ｓを増加し、または、垂直飽和磁場を減少させるためにこの材料の平面磁気異方性を低下させることができる。

２つのスピン軌道拡散機構は、並外れたホール効果に影響され、これらは、スキュー散乱及びサイドジャンプ効果と呼ばれる。

並外れたホール効果係数Ｒ_ｓは、結果的に以下の式で表される。
Ｒ_ｓ＝ａρ_ｘｘ＋ｂρ_ｘｘ ^２ （４）
ここで、ρ_ｘｘは、長手方向の抵抗率を示し、ａ及びｂは、正の定数である。式（４）の第１項は、スキュー散乱に対応し、一般的に低温における希薄合金で優位を占める。この第２項は、サイドジャンプ効果に関連するが、高濃度の不純物と高温度とを有する合金において、より大きい。

従って、Ｒ_ｓを最大化するために長手方向の高い抵抗率と高いスピン軌道拡散を有する材料を選択することが有用である。このような長手方向の高い抵抗率は、有利である。小さなサイズの素子において、前記素子に流れる電流を、不可逆の構造的な修正（エレクトロマイグレーション現象）を引き起こす値以下で耐えることができる値に制限しながら、それが十分な電圧応答を維持することを可能にするからである。

長手方向の高い抵抗率は、この材料の原子の無秩序（例えば、秩序を乱された合金）を増加することによって、または、この膜の厚さを減少させることによって得ることができる（極端に薄い膜において、電気抵抗率はほぼ１／ｔとして変化することが知られている。ここで、ｔは、この膜の厚さである。）。スピン軌道拡散によって行われる貢献は、大きい原子番号を有する元素、白金、パラジウム、金または例えばランタノイド系列の金属を含む材料を選択することによって増加する。

それにも関わらず、このような材料の含有が強磁性合金の満足のいく磁気特性を維持するためにそれらの濃度に関して必ずしも限定されなければならないものではないことに留意すべきである。

ρ_ｘｙ（Ｈ）曲線の傾斜を増加する第２の方法は、この材料の平面磁気異方性を低下させること、すなわち、異符号の追加の項を一般項４πＭ_ｓに導入することである。Ｈ_ｓで示されるこの項の起源は、磁気結晶起源の体積異方性、弾性成長歪みによって生じる体積異方性、または、界面電子相互作用による界面異方性でありえる。例えば、コバルト、ニッケルまたは鉄の磁性層と接触する白金の層の影響が典型的な場合である。

この追加の項が存在する場合、垂直異方性磁界Ｈ_Ｋは以下のように表現される。
Ｈ_Ｋ＝４πＭ_ｓ−Ｈ_ｓ （５）
従って、品質的に、垂直異方性磁界Ｈ_Ｋは、Ｈ_ｓが増加するに伴って徐々に減少し、Ｈ_Ｋが、それを超える限界であるゼロに近づくまで磁性層の磁化がこの平面に常に平行であり、Ｈ_Ｓが４πＭ_Ｓを超えると、磁性層の磁化がこの層の平面に自発的に（すなわち、印加される磁界なしに）垂直になる。

この後者の場合、磁性材料は、ゼロ磁界において２つの安定な状態を有し、このような磁気メモリまたは磁気論理ゲートなどの素子に統合することができる。

図３は、以下の組成を有する典型的な試料に対してこの状況で得られた磁化曲線の概略図である：Ｐｔ_{１．８ｎｍ}／Ｃｏ_{０．６ｎｍ}／Ｐｔ_{１．８ｎｍ}。この曲線は、伝統的な磁気測定によって、ホール効果を測定することによって、磁気光学カー効果またはファラデー効果を測定することによって得ることができる。この矢印は、ｘ軸上に示される励起磁界Ｈが印加される場合、磁気周期の移動の方向を示す。双方向性の矢印が可逆的な周期変化を表す一方で、一方向の矢印が不可逆的な周期変化を表す。磁化レベルは、ｙ軸において任意単位で与えられる。

印加された磁界を正の値から徐々に、例えばゼロまで低下することによって、磁性層の磁化は、その平面に垂直なままであり、以前に印加された磁界の方向に配向する。次いで、この層の磁化を再配向させるために多かれ少なかれ大きな振幅を有する反対方向の磁界を、依然としてその平面に垂直な方向であるが、反対の方向、すなわちこの新たに印加された磁界の方向に印加することが必要である。

ゼロであるべき、磁区全体にわたって平均化される、この変化を得るために要求される磁界、より正確には磁化に対して順に印加されなければならない磁界は、保持力として参照され、図３にＨ_ｃで示される。この保持力の値は、外部磁気擾乱にさらされる場合には、一方向または他の方向における磁化安定性を決定する。

この材料がこのような擾乱にさらされる場合、保持力が強ければ強いほど、より安定になる。しかしながら、例えば、情報が磁化方向によって実際にコード化される磁気メモリとしてこの材料が使用される場合などに、これによって磁化方向を意図的に変えることがより困難になる。

従って、外部磁気擾乱に対する素子を磁気的に“シールド”するために起こり得る必要性を有して磁化を変えるためにより少ないエネルギーを必要とする弱い保持力が好まれ、または、素子をより安定にするために強い保持力が好まれてもよい（しかし、よりエネルギーを消費する）。

磁性層の磁化の配向と大きさを決定する他の方法を使用することができることに留意すべきである。

例えば、非磁性金属によって又は酸化物層によって分離される２つの独立した磁性層からなる三重層の電気抵抗を測定することができ、２つの磁性層の一方の磁化が所定の方向に固定される。磁化が反平行である場合に比べて両方の磁化が平行である場合に、このような積層体の電気抵抗は、より小さい（周知の巨大またはトンネル磁気抵抗現象）。

光磁気効果を使用することができ、それによって、入射光と磁性層の磁気モーメントとの間の相互作用が、入射光の偏光面が回転することを引き起こし、その楕円率の修正も引き起こす。

この文献は、以上に説明した特性のいくつかを有してもよい幾つかの材料の例を含む。

例には、高い垂直磁気異方性を有する周知のコバルト／白金多重層システムが含まれる。基本的な白金及びコバルト層の厚さ、（Ｃｏ／Ｐｔ）パターンの繰り返し回数、及び、白金バッファ層の存在に依存して、これらの層の平面に自発的に（ゼロ磁界において）垂直な磁化、または、極端に高い垂直磁化率（Ｍ_Ｚ＝ｆ（Ｈ）の曲線の傾斜）を有するこれらの平面における磁化を有するシステムを得ることができる。

非特許文献１に記載の他の例は、希土類遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金と関係し、ＲＥは、希土類族（ランタノイド系列）（Ｇｄ、Ｔｂ、Ｓｍ）の元素を指し、ＴＭは、磁気的な遷移元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはそれらの合金）を指す。これらの材料は、高いホール角（４％のオーダーの）と、前述の場合より高い長手方向の抵抗率と、対照的に０．４Ω／Ｔのオーダーの弱い磁場感度とを有する。

白金及び磁性遷移金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）の合金は、４Ω／Ｔのオーダーの磁界に対する良好な感度と、１００μΩｃｍのオーダーの長手方向の抵抗率とを有する（非特許文献２を参照）。

磁性材料と酸化物との合金、例えばＮｉ−ＳｉＯ_２を用いてほぼ同等の磁界感度を実現することができる（非特許文献３を参照）。この場合、利点は、長手方向の抵抗率が極端に高く、１０^５から１０^８μΩｃｍのオーダーであるが、ホール角度が小さく（約０．１％）であり、信号対ノイズ比が余り良くない。

最後に、極端に高い磁界感度（３００Ω／Ｔ）がニッケル薄膜で得られている。残念ながら、この感度は、低温（−１００℃）で得られており、周囲温度で実質的にゼロの値に達する前に非常に急速に低下し、これが、これらの材料の用途の領域を大幅に制限する（非特許文献４を参照）。

上記の検討は、現在知られていない磁性材料が、磁界センサーまたは磁気メモリとしての使用における必要な特性、すなわち、長手方向の高い抵抗率（少なくとも数百μΩｃｍ）、高いホール抵抗率（数％の長手方向の抵抗率）、及び、高い垂直磁化率（平面磁化を有する、すなわち、数ダースミリテスラのオーダーの面外飽和磁界を有する通常の磁性材料よりも少なくとも１０倍）、または、磁気メモリまたは磁気論理ゲートタイプの用途におけるゼロ磁界での垂直磁化でさえも全て兼ね備えることを実証する。この点において、読者は、半導体磁界センサーが現在数１００Ω／Ｔのオーダーの磁界感度を有することを思い起こす。

本発明と同様に積層された層は、文献で既に提案されているが、磁界センサー、磁気メモリまたは磁気論理要素タイプの素子の用途を目的としていない。

第１に、アルミナ層を有する交互に配置されるコバルト層からなる多層における研究を引用することができる（非特許文献５を参照）。この刊行物において、著者は、本発明の主題である、これらの材料のあらゆる可能な垂直磁気異方特性について言及していない。

最後に、本発明と対照的に、この著者は、これらの材料を、特に並外れたホール効果を測定することに基づいた磁界センサーまたは磁気メモリまたは論理要素の分野での使用を意図しない。実際、この著者は、ミラーの文脈においてそれらの構造特性のために、これらの材料をｘ線に用いることのみを提案している。この研究は、本発明によって参照される用途領域の分野に入らない。

二酸化シリコンＳｉＯ_２またはアルミナＡｌ_２Ｏ_３の層と交互にコバルトまたはコバルト合金の層を備える“不連続”多層における研究を引用することもできる（非特許文献６を参照）。この著者は、ＣｏまたはＣｏＦｅの層が実質的に均一な厚さの薄膜の形体ではなく、むしろ酸化マトリクス中に被覆されたＣｏまたはＣｏ凝集体の形態であるという事実を参照するために“不連続”という用語を使用する。これらのシステムは、磁性金属及び酸化物の層を交互に堆積することによって陰極スパッタリングを用いて用意される。ＣｏまたはＣｏＦｅ原子は、個々の凝集体で融合する（coalesce）傾向にあり、これによって、絶縁マトリクス中に埋め込まれる堆積された金属の厚さに依存して、多かれ少なかれ不連続な粒状物の平面構造がもたらされる。

これらの構造体では、ＣｏまたはＣｏＦｅのこの薄層の“メモリ”のみが保持され、この状況は、本発明において考慮されるものとは完全に異なる。不連続金属／絶縁体多層に関するこれらの研究におけるこれらの材料の如何なる垂直磁気異方特性の言及もなされていない。最後に、著者は、特に並外れたホール効果を測定することに基づいて磁界センサーあるいは磁気メモリまたは論理素子の分野で使用されるこれらの材料を対象としない。従って、この研究は、本発明によって参照される用途分野に入らない。

酸素の存在下でこの合金の表面の自然酸化が続くコバルト−鉄合金を堆積することによって製造される多層を取り扱う研究を引用することもできる（非特許文献７及び８を参照）。

これらの多層は、高い電気抵抗率、強い磁気モーメント及びかなりの磁気“柔軟性”（磁化が層の平面に平行な方向に飽和されることが容易にできる）を有する。この著者は、並外れたホール効果の大きさに関して如何なる特別な特性も言及していない。彼らは、薄い磁気金属厚さにおいて生じる所定の垂直異方性における傾向を示すように見える結果を提供するが、これらの結果のより詳細な精密調査が、垂直異方性磁界Ｈ_Ｋの大きさにおいて見られる減少が、垂直異方性の項Ｈ_Ｓによってもたらされる如何なる寄与よりも、基本的に４πＭ_Ｓ（式（５）を参照）の項の減少に起因することを示す。
同様に、この著者は、磁化が１．１ｎｍ未満の磁気金属厚さにおいてこれらの層の平面に自発的に垂直であるが、それにも関わらず、同時に、１．０ｎｍ、すなわちこの限度以下の厚さにおいて、この場合、磁化がこれらの層の平面に平行であり、垂直ではないということを明確に示す結果を与えることを予測する。

ＮｉＯ酸化物層によって分離される２つの多層（Ｐｔ／Ｃｏ）及び（Ｃｏ／Ｐｔ）多層からなる積層体を取り扱う研究を最後に引用することができる（非特許文献９を参照）。

この研究では、ＮｉＯ層の両側の２つの多層がＮｉＯ層なしに垂直磁化を有することが見られる。これは、明らかに頁０１３９０１−３の図２（ＮｉＯ層を有する）及び図３（ＮｉＯ層を有しない）の比較から生じるものである。それは、両方の場合において、磁性層の磁化はこれらの層の平面に垂直であるからである。従って、この垂直磁気異方性特性は、分離する酸化物層の存在に起因しない。

Ｔ．Ｗ．Ｋｉｍ， Ｓ．Ｈ．Ｌｉｍ， Ｒ．Ｊ．Ｇａｍｂｉｎｏ，"Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｔｂ−Ｆｅ ａｎｄ Ｓｍ−Ｆｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２００１， Ｖｏｌ．８９， ｐ．７２１２ Ｇ．Ｘ．Ｍｉａｏ， Ｇａｎｇ Ｘｉａｏ，"Ｇｉａｎｔ Ｈａｌｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ Ｐｔ−ｂａｓｅｄ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｌｌｏｙｓ"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００４， Ｖｏｌ．８５， ｐ．７３ Ａ．Ｂ．Ｐａｋｈｏｍｏｖ， Ｘ．Ｙａｎ， Ｂ．Ｚｈａｏ，"Ｇｉａｎｔ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｐｅｒｃｏｌａｔｉｎｇ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍｅｔａｌ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｆｉｌｍｓ"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， １９９５， Ｖｏｌ．６７， ｐ．３４９７ Ｏ．Ｒｉｓｓ， Ａ．Ｔｓｕｋｅｒｎｉｋ， Ｍ．Ｋａｒｐｏｖｓｋｙ， Ａ．Ｇｅｒｂｅｒ，"Ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ Ｈａｌｌ−ｅｆｆｅｃｔｂａｓｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００６， Ｖｏｌ．２９８， ｐ．７３ Ｃｈ．Ｍｏｒａｗｅ， Ｈ．Ｚａｂｅｌ，"Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ｍｅｔａｌ／ｏｘｉｄｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ： ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ Ｃｏ／Ａ１２Ｏ３"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １９９５， Ｖｏｌ．７７， ｐ．１９６９ Ｂ．Ｄｉｅｎｙ， Ｓ．Ｓａｎｋａｒ， Ｍ．Ｒ．ＭｃＣａｒｔｎｅｙ， Ｄ．Ｊ．Ｓｍｉｔｈ， Ｐ．Ｂａｙｌｅ−Ｇｕｉｌｌｅｍａｕｄ， Ａ．Ｅ．Ｂｅｒｋｏｗｉｔｚ，"Ｓｐｉｎ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｉｎ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅｔａｌ／ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， １９９８， Ｖｏｌ．１８５， ｐ．２８３ Ｇ．Ｓ．Ｄ．Ｂｅａｃｈ， Ａ．Ｅ．Ｂｅｒｋｏｗｉｔｚ，"Ｃｏ−Ｆｅ ｍｅｔａｌ／ｎａｔｉｖｅ−ｏｘｉｄｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ： ａ ｎｅｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｄｅｓｉｇｎ Ｉ． Ｑｕａｓｉ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， ２００５， Ｖｏｌ．４１， ｐ．２０４３ Ｇ．Ｓ．Ｄ．Ｂｅａｃｈ， Ａ．Ｅ．Ｂｅｒｋｏｗｉｔｚ，"Ｃｏ−Ｆｅ ｍｅｔａｌ／ｎａｔｉｖｅ−ｏｘｉｄｅ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ： ａ ｎｅｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｄｅｓｉｇｎ ＩＩ． Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， ２００５， Ｖｏｌ．４１， ｐ．２０５３ Ｃ．Ｃｈｒｉｓｔｉｄｅｓ ａｎｄ Ｔｈ．Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓ，"Ｐｏｌａｒｉｔｙ ｏｆ ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｌｏｏｐｓ ｉｎ （Ｐｔ／Ｃｏ）１５／ＡＦ／（Ｃｏ／Ｐｔ）１５（ＡＦ＝ ＦｅＭｎ， ＮｉＯ） ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２００５， Ｖｏｌ．９７， ｐ．０１３９０１

本発明は、この素子が、並外れたホール効果を測定することによって、磁気抵抗を測定することによって、または、カー効果またはファラデー光磁気効果を測定することによって検出することができる磁界に極度に敏感であるように、その反磁界に近い値を有する面外異方性磁界を有する磁気多層素子を製造する手段を提案する。使用される材料は、上述の様々な材料の利点、すなわち、この薄膜の固有の形状異方性を補償または超えることも可能にする高い垂直異方性、特に、ホール効果が測定される特定の場合において、長手方向の高い抵抗率及び並外れた高いホール係数を組み合わせることができる。

従って、本発明は、連続する交互の磁性金属層Ｍ、及び、酸化物層、水素化物層または窒化物層Ｏを基板上に備える磁性多層膜素子に関し、前記層Ｍの数が、少なくとも２に等しく、前記層Ｍが、連続的である。

周辺温度以上の温度範囲において、前記層の平面に垂直な方向に前記層Ｍの磁化を配向させることができる、前記Ｍ／Ｏ及びＯ／Ｍ界面における層の平面に垂直な界面の磁気異方性がある。

コバルト／白金多層の場合と同様に、磁性層と、酸化物、水素化物または窒化物層との間の界面における歪み及び混成（ハイブリダイゼーション）効果によって上述の高い垂直磁気異方性が得られる。（Ｃｏ／Ｐｔ）システムのように、磁性層は、これらの界面効果を、磁性層の平面に磁化を維持する傾向にある体積形状磁気異方性と比較して無視することができないようにするために薄く（数ｎｍ）なければならない。

長手方向の高い抵抗率は、酸化物、水素化物または窒化物層と交互に配置される薄い磁性層を用いてことによって得られる。従って、それらは、界面拡散によって重要な役割が果たされる高い抵抗率である。最終的な多層構造を得るために、これらの層の全てが数回（典型的には２０回未満）繰り返されるので、従って積層体全体の電気抵抗は高い。

本発明によれば、磁性金属層Ｍは、５ｎｍ以下の厚さを有し、磁性元素、磁性合金、または、連続する交互の非磁性材料及び磁性材料によって形成される多層膜からなり、磁性材料は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはそれらの合金を含む群から選択される。

さらに、前記酸化物層、水素化物層または窒化物層Ｏが、少なくとも０．３ｎｍの厚さを有し、Ａｌ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅを含む群から選択される元素またはそれらの合金、より一般的には、安定な酸化物、水素化物または窒化物を形成することができるあらゆる材料または合金に基づく。

有利には、上述の積層体を支持する前記基板は、２から５００ｎｍの深さまで熱的に又は自然的に酸化されたシリコンに覆われたシリコンから作られる。

しかしながら、前記基板は、例えばガラスまたはマグネシウム酸化物などの透過性材料から作られることもできる。

本発明の有利な一側面によれば、この素子は、前記第１の金属層Ｍに対する成長開始剤として使用され、ＴｉＮ、ＣｕＮ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｒｕ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＦｅＣｒ、酸化物または窒化物を含む群から選択される材料Ｓを含む。

本発明の有利な一側面によれば、前記金属層Ｍの少なくとも１つが、この層の垂直磁気異方特性を変えるために使用される添加された非磁性金属のＰｄまたはＰｔ、または、この層及び／又はその磁化／体積単位を変えるために使用されるＳｉ、Ｃ、Ｂ、Ｐ、Ｎを含む群から選択される要素を含有する。

本発明によれば、層Ｍの全てが同一の磁性材料から作られ、層Ｏの全てが同一の非磁性材料から作られる。それにも関わらず、磁性層Ｍの少なくとも１つの化学組成がその他の層の化学組成と異なる。同様に、層Ｏの少なくとも１つの化学組成がその他の層の化学組成と異なる。

さらに、層Ｏの全てが同一の厚さを有してもよい。しかしながら、層Ｏの少なくとも１つの厚さが他の層の厚さと異なってもよい。

同様に、金属層Ｍの少なくとも１つの厚さが他の層の厚さと異なってもよい。

本発明によれば、層Ｏの少なくとも１つが、それ自体、酸化物、水素化物または窒化物から作られる複数の層からなってもよい。

有利には、
層Ｓが、０から２ｎｍの厚さを有し、
各々の金属層Ｍが、０．３から５ｎｍの厚さを有し、
各々の層Ｏが、０．３から５ｎｍの厚さを有し、
連続する交互の層Ｍ及び層Ｏの数が、１．５から２０である。

本発明による磁気素子は、有利には１μｍ未満の側方寸法を有する。

本発明は、対象となる磁気素子を製造する方法にも関連する。この方法は、
陰極スパッタリングによって電気絶縁表面に第１金属磁性層Ｍを堆積する工程と、
陰極スパッタリングによってこの第１層Ｍの上に層Ｏを構成する第１の金属層を堆積する工程と、
この第１層Ｏを酸化、水素化または窒化する工程と、
上記３つの工程を繰り返す工程またはそれらのうちの最初の工程のみを繰り返す工程と、
電気接点を堆積する工程と、を必要とする。

あるいは、前記第２及び第３工程は、単一の段階のみ、すなわち、対応する酸化物、水素化物または窒化物を含むターゲットを用いて酸化物、水素化物または窒化物層Ｏの高周波スパッタリングによる直接堆積のみからなる。

有利には、前記第１の金属層Ｍを堆積する工程より先に、前記基板上に成長開始材料から作られる層Ｓを堆積することからなる予備工程が行われる。この予備工程に続いて、それ自体基板上に導電材料の層を堆積される傾向にある。

本発明による方法を用いて、導電層がこの素子の上に堆積され、これは、次いで、数百ｎｍ以下の側方寸法を有する正方形、長方形、円形または楕円形の土台を有する柱形状に切断される。

本発明によれば、それを形成する層の平面に垂直なそれに電流を通過させることによってこのように製造される積層体の磁気抵抗を測定することができる。

本発明の一変形例によれば、層Ｏは、前記金属層の自然酸化、水素化または窒化によって得られる。

本発明の他の一変形例によれば、層Ｏは、前記金属層のプラズマ酸化、水素化または窒化によって得られる。

本発明のさらに他の一変形例によれば、層Ｏは、前記堆積チャンバー内の雰囲気の酸素、水素または窒素中における反応性スパッタリングによって得られる。

本発明のさらに他の一変形例によれば、層Ｏは、複合材金属酸化物、水素化物または窒化物ターゲット材料を用いた高周波陰極スパッタリングによって酸化物、水素化物または窒化物の直接堆積によって得られる。

本発明によれば、周囲温度と異なる温度で特定の層が堆積される。例えば、いくつかの酸化物、水素化物または窒化物層の構造的品質は、それらが高温（例えば２００℃）で成長される場合に改善されてもよい。また、層の堆積に続いて前記堆積温度より高い温度における熱処理が行われてもよい。これは、例えば、層の酸化または窒化を促進し、非晶質層の結晶化を可能にするための場合でありえる。

さらに、この堆積工程を完了した後、この素子の構造及び／又は電子輸送特性及び／又は磁気特性の変えるために、希薄雰囲気下で、あるいは、所定のガス、または、酸素、水素または窒素などの異なるガスの混合物の存在下で、所定期間熱処理を行うことによって得られる組立体を提供してもよい。

本発明は、本発明による磁気多層素子からなる磁界センサーに関し、磁気多層素子が、その反磁界とほぼ平衡する垂直異方性磁界を有する。

本発明は、磁性層の磁化があらゆる外部磁化がない状態でこれらの層の平面に垂直である対象となる磁気多層素子からなる磁気メモリにも関連する。

本発明は、磁性層の磁化があらゆる外部磁界がない状態でこれらの層の平面に垂直である対象となる前記磁気多層素子からなる磁気論理ゲートにも関連する。

磁性層を備える前記磁性素子の磁性層の磁化の配向を決定するために、
前記層の平面に平行な方向に電流を注入することによって並外れたホール効果を測定し、
前記層の平面に垂直な方向に電流を注入することによって磁気抵抗を測定し、
光磁気カー効果またはファラデー効果を測定する。

磁気サンプルの並外れたホール効果を測定する典型的な方法の概略図である。 従来技術による磁性素子の特徴的な磁化曲線の概略図である。 垂直磁気異方性を有する材料において磁界の関数とした磁化の典型的な変化の概略図である。 本発明による磁性素子の第１実施形態の概略図である。 Ｐｔ０．３ｎｍ／（ＣｏＦｅ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ）_５タイプの構造において垂直磁界を関数としたホール抵抗の変化を示す図である。 本発明による磁性素子の第２実施形態の概略図である。 Ｐｔ１．０ｎｍ／Ｃｏ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ／（ＣｏＦｅ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ）_５タイプの構造において垂直磁界を関数としたホール抵抗の変化を示す図である。 本発明による磁性素子の第３実施形態の概略図である。 Ｐｔ１．０ｎｍ／Ｃｏ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ／（ＣｏＦｅ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ）_５タイプの構造において垂直磁界を関数としたホール抵抗の変化を示す図である。酸素圧力は、図７の場合に使用されたものより若干低い。 ３５０℃で３０分間の熱処理後における図８及び図９に関して記載された積層体における垂直磁界を関数とするホール抵抗の変化を示す。 本発明による磁性素子の第５実施形態の概略図である。

非限定的で単に例示として以下に記載される実施形態で使用される材料及び技術は、以下の通りである。

例えば、シリコン、酸化されたシリコン、ガラスまたはマグネシウム酸化物から作られる基板上に、バッファ層として作用する非磁性金属の第１層を堆積する。この層は、構造物の試験の接着性と満足のいく成長を改善する。それは本発明に必須ではないが、この層は、好ましい実施形態の記述において使用される。この様々な層は、非磁性材料から作られるこの第１層（または、これがない場合にはこの第１層Ｍ）から開始することが記述されている。これが、この層が製造中に引き続いて堆積される順序に対応するからである。

図４は、本発明の第１実施形態の概略図である。この図（及び後続の図６、８、１１）において、矢印の方向は、磁性層の磁化の方向（印加される磁界がない場合）を示す（水平な矢印は平面磁化に対応し、垂直な矢印は垂直磁化に対応する）。

基板の直後には、例えば白金などの成長開始材料の層がある。それは、薄い金属層の満足のいく成長を開始するために相応しいと見なされる他の材料、特に極端に僅かな表面粗度をもたらす材料、または他の材料の組み合わせによって置き換えることができる。例には、窒化チタン、窒化銅、ルテニウム、タンタル、イリジウムマグネシウム合金、白金マグネシウム、ニッケル−鉄−クロムなどが含まれる。基板上における磁性層の成長の品質が満足いくものである場合、この開始層を使用しないことも可能である。

第１層Ｍがこれに続き、それは、通常非常に薄い。その厚さが、層Ｍに使用される材料及びこの層Ｍと接触する材料との界面相互作用の強度の両方に依存する特定の値を超える場合、磁化は、よく知られるように、平面における層Ｍの磁化を維持する傾向にあるこの層の体積形状異方性のためにこの層の平面にもはや垂直でない。

次の層Ｍにおいて、それらの厚さは、選択され、特に連続する金属層を得るための能力によって決定される。実際、以前に検討したように、磁性金属のなかには二酸化シリコンまたはアルミナなどの酸化物に満足に濡れないものがある。ある場合には、磁性金属は、堆積された金属の厚さに依存して多かれ少なかれ不連続の凝集体の形態で合体する傾向にある。

他の場合には、表面張力効果は、この凝集体減少が起こるには非常に弱い。次いで、この金属層は連続的である。この厚さの範囲によって、金属充填層のために酸化物の表面エネルギー、金属の表面エネルギー、酸化物／金属界面の界面エネルギー及び堆積表面の湿潤性に依存する金属の連続層を得ることが可能になる。従って、連続金属層を得るために有り得るこの厚さは、金属Ｍ及び酸化物の両方に依存する。

所定の基本材料において、酸化物／金属界面のエネルギーを支持する金属の表面エネルギーを低下させることによって湿潤性を改善するために合金要素を加えることによって磁性層の臨界厚さを変更することができる。ある共通の実施形態において、この材料は、０．３から５ｎｍ、典型的には０．６ｎｍの厚さを有する磁性合金Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０である。

この素子の磁気特性をその目的の用途（磁界センサー、記憶素子または論理ゲート）に適合させ、且つ、特に下層の酸化物層における垂直磁気異方性及び成長に関する改善した性能を実現するために、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０合金は、様々な濃度のＣｏ_ｘＦｅ_ｙ合金、Ｃｏ_ｘＮｉ_ｙＦｅ_ｚの三元合金、又は、ホウ素、シリコン、リン及び／又は炭素などの他の非磁性元素を有するこれらの磁性材料の１つ又は複数の結晶化された又は非晶質の合金によって置換することができる。磁性材料または非磁性材料を含む合金または多層を使用することもできる。

積層された層を通して徐々に磁性層の性質及び厚さを変えることもできる。第１の磁性層の化学組成及び厚さは、必ずしも第２層と同じである必要がなく、同様に、第２層は、磁性金属／酸化物の二重層がｎ回繰り返される場合、必ずしもｎ個目の層と同じである必要がない。この変更は、有利に働くことが望まれる特性、例えば磁性層の良好な成長（平坦性、テクスチャ）または垂直磁気異方性特性のタイプに依存して有利に使用することができる。

好ましくはアルミニウム酸化物から作られ、０．３から５ｎｍのオーダーの厚さを有する第１層Ｏがこの層Ｍに続く。この後の図はそれほど重要ではない。この層は、一般的に、例えば酸化されているアルミニウムなどの堆積された金属からなる。しかしながら、アルミニウムは、薄層内に高品質の酸化物を形成するために酸素と結合することができるあらゆる他の元素、すなわち、例えばマグネシウム、ルテニウム、シリコン、タンタル、クロム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、コバルト、ニッケル、鉄、銅、タングステン、及び、より一般的には安定な酸化物を形成することができるあらゆる材料または合金で置換することができる。

ある特定の実施形態における基本的な酸化物層としてこれらの材料の合金または多層を使用することもできる。酸化物層の性質及び厚さは、積層された層の全体にわたって徐々に変えられてもよい。上述のものと同一の理由で、第１酸化物層の化学組成及び厚さは、第２層のそれらと必ずしも同一である必要がなく、同様に、第２層は、磁性金属／酸化物二重層がｎ回繰り返される場合、ｎ個目の層と同じである必要がない。

この酸化物層は、上述の成長開始層（バッファ層）に対する代替として使用してもよい。

プラズマ酸化技術を用いる代わりに、堆積チャンバー内の雰囲気に特定の量の酸素がない、対象となる要素の反応性スパッタリングの周知の技術を用いることによって、自然酸化法を用いることによって、または、複合材ＭＯ_ｘターゲット材料の高周波スパッタリングによって酸化物を直接堆積することによって酸化物を製造することも可能である。ここで、Ｍが上述の金属の１つを指し、Ｏ_ｘが酸素を指す。

同様の結果が酸化よりむしろ窒化または水素化を実施することによって得ることができる。

様々な層の成長品質を変えることによって、周囲雰囲気以外の温度に維持される基板上に、連続する層またはそれらの幾つかを堆積することが有用である。

特に磁気メモリまたは磁気論理ゲートタイプの用途用に本発明による磁気素子を使用する意向がある場合、層Ｍ及び層Ｏからなる組立体は、およそ２０層のＯが存在するまで繰り返すことができ、任意に、層Ｍによって多層素子を終結させるために最終層Ｍを含む。Ｍ層及びＯ層の対は、一般的には５回繰り返す。

図５は、Ｐｔ０．３ｎｍ／（ＣｏＦｅ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ）_５タイプの構造体における磁界の関数としてホール抵抗の変化を示す。この磁界は、これらの層の平面に垂直な方向に印加される。従って、この構造体は、０．３ｎｍの厚さを有する白金成長層上に堆積される二重層（ＣｏＦｅ／Ａｌ_２Ｏ_３）の５回の繰り返しを含む。

この積層体の長手方向の抵抗は、１０００μΩｍのオーダーであり、すなわち、同様の金属積層体よりほぼ２桁高い大きさである（すなわち、例えば等価な厚さの白金層によって酸化物層が置換されているもの）。ホール抵抗は、＋／−０．４Ｔ（テスラ）の磁界範囲に対して線形に且つ可逆的に変化し、対応する磁界の感度は、１４Ω／Ｔのオーダーである。

図６は、本発明の第２実施形態の概略図である。図７は、Ｐｔ１．０ｎｍ／Ｃｏ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ／（ＣｏＦｅ０．６ｎｍ／Ａｌ_２Ｏ_３２．０ｎｍ）_５タイプの構造体、すなわち、１ｎｍの厚さを有する白金成長層上に堆積され、５つの二重層（ＣｏＦｅ／Ａｌ_２Ｏ_３）によって覆われた二重層（Ｃｏ／Ａｌ_２Ｏ_３）における磁界の関数としてホール抵抗の変化を示す。

以前の場合のように、この積層体の長手方向の抵抗も１０００μΩｃｍのオーダーである。ホール抵抗は、以前の場合（８Ωというより飽和において４Ωのオーダーの）より小さい。それは、第１に、より大きな数の積層体の繰り返し（５というより合計で６）のためであり、第２に、構造体を通って流れる電流の何分の１かをもたらす、より薄い初期白金層（０．３ｎｍというより１．０ｎｍ）の悪影響のためである。

対照的に、この極薄い白金層は、垂直磁気異方特性を大幅に向上させる。実際、垂直磁界は、ほんの６ｍＴ（ミリテスラ）であり、すなわち、図５の場合の１００倍小さく、反磁界項４πＭ_ｓの値より３００倍小さい。ここで、Ｍ_ｓは、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０合金の磁化である。

この場合、７００Ω／Ｔのオーダー、すなわち、以前の場合におけるものより５０倍大きい磁界感度を得る。この値は、一般的な半導体センサーを用いて得られるものと同様に文献の以前の記載に関連して述べられる値を遥かに超え、これによって、この実施形態による実施が磁界センサーとしての使用に特に相応しいことになる。

読者は、必要に応じて積層体の構造、従ってその垂直磁気異方性を変えることによってこの磁界感度が調整することができることに留意すべきである。特別の条件下（例えば非磁性分離層の多かれ少なかれ広範囲に及ぶ酸化）では、垂直磁気異方性によって行われる貢献が非常に大きくなるので、積層体の磁化が層の平面に垂直な方向に自発的に（如何なる印加磁界なしに）配向される。

この場合が、図６に示されるものと同一の積層体を有するが、酸化状態が若干変えられて（アルミニウム層のプラズマ酸化中に若干低下した酸素圧力）図８に概略的に示される本発明の第３実施形態に示されており、その結果として、印加磁界がない状態においてさえも、前記層の平面に垂直な層の磁化方向を安定させる。従って、このタイプの構造体は、磁気メモリまたは磁気論理ゲートを製造するために理想的には相応しい。

図９に示されるように、この場合、磁界が正か負かによってゼロ磁界における２つの安定状態、すなわち＋／−３．５Ωのホール抵抗を得る。この場合、０．３ｍＴのオーダーの極端に弱い磁界を有してホール抵抗の反転が起こる。

読者は、このパラメータ（図３に関連して定義されるような保磁力）が、積層体（層厚、強磁性材料の性質、磁性金属／酸化物パターンの繰り返し回数）の組成を変えること、または、様々な酸化技術または条件（酸素圧力、酸化時間、プラズマ出力など）を用いること、または、堆積後熱処理を実行することの何れかによって調整することもできることを再び思い起こす。

後者のパラメータの効果は、第４実施形態に示される。この場合、図８に示される積層体は、あらゆる熱処理前におけるその磁化曲線が図９に示されるが、堆積後に、１０^−６ｍｂａｒの希薄な雰囲気において３０分間にわたり３５０℃の温度に保持され、次いで、再びその磁気特性を測定する前に周囲温度まで冷却される。

図１０は、これらの層の平面に垂直に印加された磁界を関数としてホール抵抗の変化を示す。熱処理する前に積層体の同一の特性の測定を示す図９と比較して２つの重要な差異がある。

第１に、ホール抵抗の大きさに顕著な増加があり、熱処理後において、それは、＋／−４．７Ω、すなわちその初期値と比較して３５％の増加である。第２に、保持力が大幅に変わる−熱処理後において、保持力が０．３ｍＴから２２ｍＴまで変化し、すなわちほぼ二桁の大きさの増加がある。

従って、目的とする用途に応じて、ホール抵抗を最大化し、外部磁界に対する磁化安定性（すなわち保持力）を調整するために、必要があれば熱処理を用いてこのタイプの材料の磁気特性を変えることは全く可能である。これらの熱処理は、この素子を、あらゆる温度変動に対して、より構造的に安定に製造するという利点も有する。

この実施形態では、この素子の磁性状態は、ホール効果を測定すること、又は、光磁気測定の何れかによって決定することができる。

図１１に概略的に示される第５実施形態では、第３層Ｏ_３によって分離された（Ｍ_１／Ｏ_１）_ｘ／Ｍ_１及びＭ_２／（Ｏ_２／Ｍ_２）_ｙタイプの２つの基本的なブロックを重ね合わせることができる。ここで、Ｍは、磁性材料を示し、Ｏは、酸化物層、水素化物層または窒化物層を示し、ｘ及びｙは、ゼロ以上の整数である。

２つのブロックの各々がこれらの層の平面に垂直な磁化を自発的に（ゼロ磁界において）有するように、２つの基本的なパターン（Ｍ_１／Ｏ_１）及び（Ｏ_２／Ｍ_２）の繰り返しの数ｘ及びｙそれぞれに加えて、これらの２つのブロックの各々を形成するこれらの層の組成及び厚さが選択される。繰り返しの数ｘ及びｙは、一般的に０から２０まで変化してもよい。

層Ｏ_２の厚さ及び性質に加えて、２つのブロックの各々を構成する層Ｍ_１、Ｍ_２、Ｏ_１及びＯ_２の数、性質及び厚さは、注意深く選択され、これらの２つのブロックの磁気硬度（保持力）は異なり得る。この場合、印加される磁界の特定の順序によって、２つのブロックの磁化が平行（これらの層が水平面に積層されるという条件で両方が上または両方が下）または反平行（一方が上で一方が下）であるという積層体の４つの磁性状態を達成することができる。この記載は、２より大きい磁気ブロックの数に、より一般的に当てはまる。

この実施形態では、４つの磁性状態の各々が異なるホール抵抗に対応する。従って、対応するホール電圧、磁化、カーまたはファラデー回転、楕円率または磁気抵抗によって、この素子の磁性状態を同定することができる。従って、この実施形態は、マルチレベル磁気記録媒体のタイプの素子を製造するのに相応しい。

従って、関連する実施形態では、電流は、これらの層の平面に垂直な方向に製造される（数百ｎｍまたはそれ未満の側方寸法を有する正方形、長方形、円形または楕円形ベースを有する柱形態に切断される）積層体を通って流れる。“トンネル磁気抵抗”として文献で参照される周知の現象によって、２つのブロックの磁化の平行または反平行の配向が、それぞれ低い及び高い電気抵抗状態に対応する。積層体の下部及び上部に位置する電圧タップによって、電気抵抗におけるこの変化を検出することができる。

この実施形態は、磁気トンネル接合構造の典型であり、従って、不揮発性磁気メモリまたは磁気論理ゲートなどの素子を製造するのに相応しい。

上記の実施形態幾つかの又は全てにおいて、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎまたはＮｉＭｎ合金などの前記Ｍ層と反磁性交換結合を生じることができる材料から作られる補助層を１つ又はいくつかのＭ層に接触させることができる。

本発明は、上記説明による素子を製造する方法にも関連する。この方法は、以下の通りであり、この記載は何れの要求も完全にしない。

ここに記載された積層体の様々な層は、熱酸化された５００ｎｍのシリコンで覆われたシリコン基板上に０．１ｎｍ／ｓのオーダーの堆積速度で陰極スパッタリングによって堆積される。

酸化物層、水素化物層または窒化物層は、第１に対応する材料の層を堆積し、次いで、数分にわたって酸素、水素または窒素の３×１０^−３ｍｂａｒの圧力において１０Ｗのオーダーのプラズマ出力でこの層のプラズマ酸化を行い、水素化を行い、または窒素化を行うことによって製造される。

最初に、基板上に非磁性材料の薄層を堆積する。この薄層の目的は、後続の層の満足のいく成長を可能にすることである。ホール効果によって積層体の磁化を測定することを望む場合、それが構造体に注入される電流をできるだけ少なく短絡するように、それはできるだけ薄くなければならない。

次いで、極端に薄いＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金の磁性層を堆積する。例えばコバルト／白金多層の場合において、最適な垂直磁気異方特性は、０．３から１．０ｎｍの磁性層厚さを用いて得られることが文献から周知である。以下に記載の例では、この厚さは、０．６ｎｍであった。このような厚さを選択することによって、上述のように厚い層と比較してこの層の抵抗率のかなりの増加を得ることができる。

逆に、極端に厚さを減らすことによって、この層の固有の磁化を低下させ、又は、その磁気配列温度をかなり低下させることができる。何れの場合でも、これは、この素子の動作温度、すなわち周囲温度に近い温度におけるこの層の低下した効果的な磁化をもたらすだろう。式（１）によれば、これは、低下したホール抵抗率及び従ってこの素子からのより小さな出力信号をもたらすだろう。本発明に記載されるような他の用途においては、この磁性層の厚さは、５ｎｍまで増加することができる。

最後に、例えば０．３から５ｎｍのオーダーの厚さを有するアルミニウムの層を堆積する。次いで、この層は、例えば正確に定義された圧力、出力及び時間条件の下で、酸素プラズマにさらされる。これによって、金属アルミニウムをアルミニウム酸化物に変換することができる。

このアルミナ層が電気絶縁体であるので、その厚さは、以前の層の厚さより極めて重要性に欠しい。しかしながら、対象とする金属の酸化物（または、水素化物または窒化物）が導電性である場合、これは当てはまらない。絶縁層の場合、その厚さの決定は、その表面粗度が厚さに伴って増加し、従って後続の層の成長品質における不利な影響を有するその層の成長特性と、全体の厚さに依存して変化するかもしれない酸化機構との両方に依存する。続く例は、金属層が酸化されている場合、２ｎｍのアルミニウムに略等しい１．６ｎｍのアルミニウム厚さに関連する。

この磁性金属／酸化物または磁性金属／水素化物または磁性金属／窒化物の二重層は、所定の回数繰り返されてよい。質的にも、繰り返しの数を増加することによって、電気輸送測定中に成長開始層によって形成される相対的寄与率を低下させることができるが（比例的に、より少ない電流がこの層に生じる）、一方で、周知の方式で積層体全体の垂直磁気異方性を低減することができる。

単一の繰り返しの場合、妥当な場合に組成と厚さに関して第１層と異なる第２磁性層によって積層体の“アクティブ”部分を終了することができる。
最後に、積層体の堆積中に又は堆積後に熱処理を実行することができる。“熱処理”という用語は、例えば、酸素、水素または窒素などの特定の気体または種々の気体の混合物の存在下または希薄雰囲気下で長時間または短時間にわたって、用意された材料を堆積された温度より高い温度までさらすことを意味する。
このような処理の目的は、場合によって磁性層を崩壊させ、及び／又は、その界面に合金を形成することによって積層体の長手方向の抵抗率を増加させることである。これらの処理は、これらの層の化学的または結晶学的構造を変えることもでき、従ってこのように製造された積層体の磁気特性を変えることができる。

Claims (35)

1. 連続する交互の磁性金属層Ｍ、及び、酸化物層、水素化物層または窒化物層Ｏを基板上に備える磁性多層膜素子であって、
   前記層Ｍの数が、少なくとも２に等しく、
   前記層Ｍが、連続であり、５ナノメートル以下の厚さを有し、前記層Ｏがない層の平面に平行な磁化を有し、
   周辺温度以上の温度範囲において、前記層の平面に実質的に垂直な方向に前記層Ｍの磁化を配向させることができる、前記Ｍ／Ｏ及びＯ／Ｍ界面における層の平面に垂直な界面の磁気異方性が生じる、磁性多層膜。
2. 前記磁性金属層が、磁性元素、磁性合金、または、連続する交互の非磁性材料及び磁性材料によって形成される多層膜からなり、前記磁性材料が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏまたはそれらの合金を含む群から選択され、
   前記酸化物層、水素化物層または窒化物層Ｏが、少なくとも０．３ナノメートルの厚さを有し、Ａｌ、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅを含む群から選択される元素またはそれらの合金、より一般的には、安定な酸化物、水素化物または窒化物を形成することができるあらゆる材料または合金に基づく、請求項２に記載の磁性多層膜素子。
3. 前記基板が、２から５００ナノメートルまで熱的に又は自然的に酸化されたシリコンによって覆われたシリコンから作られる、請求項１または２に記載の磁性多層膜素子。
4. 前記基板が、例えばガラスまたはマグネシウム酸化物などの透過性材料から作られる、請求項１または２に記載の磁性多層膜素子。
5. 前記第１の金属層Ｍに対する成長開始剤として材料Ｓを含み、この材料Ｓが、ＴｉＮ、ＣｕＮ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｒｕ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＦｅＣｒ、酸化物または窒化物を含む群から選択される、請求項１または２に記載の磁性多層膜素子。
6. 前記層Ｍの少なくとも１つが、添加された非磁性金属のＰｄまたはＰｔ、または、Ｓｉ、Ｃ、Ｂ、Ｐを含む群から選択される元素を含有する、請求項１から５の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
7. 前記層Ｍの全てが、同一の磁性材料から作られ、前記層Ｏの全てが、同一の非磁性材料から作られる、請求項１または２に記載の磁性多層膜素子。
8. 前記層Ｏの全てが同一の厚さを有する、請求項１または２に記載の磁性多層膜素子。
9. 前記層Ｏの少なくとも１つの厚さがその他の層の厚さと異なる、請求項１または２に記載の磁性多層膜素子。
10. 前記金属層Ｍの各々が、０．３から５ナノメートルの厚さを有し、
    前記層Ｏの各々が、０．３から５ナノメートルの厚さを有し、
    連続する交互の層Ｍ及び層Ｏの数が１．５から２０であり、これによりＭ／Ｏ／Ｍから（Ｍ／Ｏ）_２０の包括的構造を構成する、請求項５から９の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
11. 前記磁性層Ｍの少なくとも１つの化学組成がその他の層の化学組成と異なる、請求項８から１０の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
12. 前記磁性層Ｍの少なくとも１つの厚さがその他の層の厚さと異なる、請求項１から１１の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
13. 前記磁性層Ｏの少なくとも１つの化学組成がその他の層の化学組成と異なる、請求項１から１２の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
14. 前記層Ｏの少なくとも１つが、それ自体、酸化物、水素化物または窒化物から作られる複数の層からなる、請求項１から１３の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
15. １つまたは幾つかのＭ層が、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎまたはＮｉＭｎ合金などである前記Ｍ層と反強磁性交換結合を引き起こすことができる材料から作られる補助層と接触する、請求項１から１４の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
16. その側方寸法が１μｍ未満である、請求項１から１５の何れか一項に記載の磁性多層膜素子。
17. 陰極スパッタリングによって電気絶縁表面に第１金属磁性層Ｍを堆積する工程と、
    この第１の層Ｍの上に第１の層Ｏを形成する工程と、
    前記２つの前述の工程またはそれらのうちの最初の工程のみを繰り返す工程と、
    電気接点を堆積する工程と、を備える磁性多層膜素子を製造する方法。
18. 前記第１の金属層Ｍを堆積する工程より先に、前記基板上に成長開始材料から作られる層を堆積することからなる予備工程が行われる、請求項１７に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
19. この成長開始材料が、磁気素子の動作部において流れる電流が前記層の平面に平行に注入される場合に前記電流に比べてこの層に生じる電流の量を最小化するために十分に小さい厚さを有する、請求項１８に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
20. 前記予備工程自体より先に、前記基板に前記層の平面に垂直な方向に電流を注入するために使用される導電材料の層を堆積する工程が行われる、請求項１８に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
21. 導電層が前記素子に堆積され、この素子が、数百ｎｍ以下の側方寸法と、前記積層体の磁気抵抗を測定することを可能にする前記層の平面に垂直な前記積層体に流れる電流と、を有する、正方形、長方形、円形または楕円形の土台を有する柱形状に切断される、請求項１７、１８及び２０に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
22. 層Ｏが、堆積、次いで、対応する前記磁性層の自然酸化、水素化または窒化によって得られる、請求項１７に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
23. 層Ｏが、堆積、次いで、対応する前記磁性層のプラズマ酸化、水素化または窒化によって得られる、請求項１７に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
24. 層Ｏが、前記堆積チャンバー内の雰囲気に酸素、水素または窒素がない状態で、対応する前記磁性層の反応性スパッタリングによって得られる、請求項１７に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
25. 層Ｏが、複合金属酸化物、複合金属水素化物または複合金属窒化物のターゲット材料を用いた高周波陰極スパッタリングを用いて酸化物、水素化物または窒化物の直接堆積によって得られる、請求項１７に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
26. 特定の層の堆積が、周囲温度と異なる温度で行われる、請求項１７から２０の何れか一項に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
27. 特定の層の堆積に続いて、前記堆積温度より高い温度における熱処理が行われる、請求項１７から２０の何れか一項に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
28. 前記堆積工程を完了した後、このようにして得られた前記組立体を前記素子の構造及び／又は電気輸送特性及び／又は磁気特性を変えるために希薄雰囲気で所定の期間熱処理にさらす、請求項１７から２７の何れか一項に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
29. 前記堆積工程を完了した後、このようにして得られた前記組立体を前記素子の構造及び／又は電気輸送特性及び／又は磁気特性を変えるために特定の気体または異なる気体の混合物の存在下で所定の期間熱処理にさらす、請求項１７から２７の何れか一項に記載の磁性多層膜素子を製造する方法。
30. その反磁界とほぼ平衡する垂直異方性磁界を有する、請求項１から１５の何れか一項に記載の磁性多層膜素子からなる磁界センサー。
31. 前記磁性層の磁化が、あらゆる外部磁界がない状態で前記層の平面に垂直である、請求項１から１６の何れか一項に記載の磁性多層膜素子からなる磁界メモリ。
32. 前記磁性層の磁化が、あらゆる外部磁界がない状態で前記層の平面に垂直である、請求項１から１６の何れか一項に記載の磁性多層膜素子からなる磁界論理ゲート。
33. 磁気層を含む前記磁気素子の磁性層の磁化の配向が、前記層の平面に平行な方向に電流を注入することによって異常なホール効果を測定することによって検出される、請求項３１または３２に記載の磁性メモリまたは論理ゲートを使用する方法。
34. 磁気層を含む前記磁気素子の磁性層の磁化の相対配向が、前記層の平面に垂直な方向に電流を注入することによって磁気抵抗を測定することによって検出される、請求項３１または３２に記載の磁性メモリまたは論理ゲートを使用する方法。
35. 磁気層を含む前記磁気素子の磁性層の磁化の配向が、カー効果または光磁気ファラデー効果を測定することによって検出される、請求項３１または３２に記載の磁性メモリまたは論理ゲートを使用する方法。

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