JP3277144B2 - 磁気トンネル接合素子、接合メモリ・セル及び接合磁界センサ - Google Patents
磁気トンネル接合素子、接合メモリ・セル及び接合磁界センサInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メモリや外部磁界
の検出に用いられる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子に
関し、特に磁界応答の制御性を改良したＭＴＪ素子に関
する。
の検出に用いられる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子に
関し、特に磁界応答の制御性を改良したＭＴＪ素子に関
する。
【０００２】
【従来の技術】磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、薄い絶
縁層で分離された２つの強磁性電極を含む素子である。
絶縁層は、強磁性電極間で電荷キャリアの量子力学的ト
ンネル効果が起こるのに充分な薄さである。トンネル効
果のプロセスは電子スピンに依存する。つまり接合部の
トンネル電流は強磁性物質のスピンに依存する電子的性
質に依存し、２つの強磁性電極の磁気モーメント（磁化
方向）の相対的向きの関数である。２つの強磁性電極
は、それらのモーメントの相対的向きを外部磁界で変え
られるように、磁界に対する応答が異なるように設計さ
れる。
縁層で分離された２つの強磁性電極を含む素子である。
絶縁層は、強磁性電極間で電荷キャリアの量子力学的ト
ンネル効果が起こるのに充分な薄さである。トンネル効
果のプロセスは電子スピンに依存する。つまり接合部の
トンネル電流は強磁性物質のスピンに依存する電子的性
質に依存し、２つの強磁性電極の磁気モーメント（磁化
方向）の相対的向きの関数である。２つの強磁性電極
は、それらのモーメントの相対的向きを外部磁界で変え
られるように、磁界に対する応答が異なるように設計さ
れる。
【０００３】１９９３年以前の強磁性電極間のトンネル
効果の実験結果が、R．Meserveyらによる"Spin-polariz
ed Electron Tunneling"、Physics Reports、Vol．23
8、pp．214-217で解説されているが、室温ではせいぜい
１％乃至２％のオーダのごくわずかな応答しか示されて
いない。妥当と思われる大きさの応答を示しているの
は、走査トンネル顕微鏡を用いた２つの実験だけであ
る。１つは１００％スピン偏極したＣｒＯ2チップを採
用し、室温で４０％の偏極電流変調を示したが、これは
R．Wiesendangerらによる"Observation of Vacuum Tunn
eling of Spin-polarized Electrons with the Scannin
g Tunneling Microscope"、Physics ReviewLetters、Vo
l．65、page 247（1990）に述べられているとおりであ
る。
効果の実験結果が、R．Meserveyらによる"Spin-polariz
ed Electron Tunneling"、Physics Reports、Vol．23
8、pp．214-217で解説されているが、室温ではせいぜい
１％乃至２％のオーダのごくわずかな応答しか示されて
いない。妥当と思われる大きさの応答を示しているの
は、走査トンネル顕微鏡を用いた２つの実験だけであ
る。１つは１００％スピン偏極したＣｒＯ2チップを採
用し、室温で４０％の偏極電流変調を示したが、これは
R．Wiesendangerらによる"Observation of Vacuum Tunn
eling of Spin-polarized Electrons with the Scannin
g Tunneling Microscope"、Physics ReviewLetters、Vo
l．65、page 247（1990）に述べられているとおりであ
る。
【０００４】磁気抵抗応答が１８％とかなり大きいＭＴ
Ｊ素子が、T．Miyazakiらによる"Giant Magnetic Tunne
ling Effect in Fe/Al2O3/Fe Junction"、Journal of M
agnetism and Magnetic Materials、Vol．139、No．L23
1（1995）で報告されている。しかし著者が報告してい
るのは、結果としての１８％の磁気抵抗を再現できなか
ったということである。同時期に作製された他の接合
は、応答がわずか１％乃至６％である。この他の報告に
よると、ＭＴＪ素子の磁気抵抗はＣｏＦｅ／Ａｌ2Ｏ3／
Ｃｏの大きな接合部で室温で最大１８％であり、これは
J．S．Mooderaらによる"Large Magnetoresistance at R
oom Temperature in Ferromagnetic ThinFilm Tunnel J
unctions"、Physics Review Letters、Vol．74、page 3
273（1995）、及びJ．S．Moodera、L．S．Kinderによ
る"Ferromagnetic-Insulator-Ferromagnetic Tunnelin
g：Spin Dependent Tunneling and Large Magnetoresis
tancein Trilayer Junctions"、Journal of Applied Ph
ysics、Vol．79、page 4724（1996）に述べられてい
る。著者らは、表面あらさの減少がよい結果をもたらす
鍵であるとの仮説を立てた。これを実現するため、ベー
ス電極の成長をみる極端な尺度に依り、低温工学的に冷
却した基板への蒸着、シード層の使用及びベース電極を
きわめて薄くする処理を組み合わせた。Ａｌ層を低温工
学的に冷却してからこれを暖め、プラズマ酸化させ、Ａ
ｌのほとんどを消費することによってトンネル・バリア
が形成された。これらの文献の最初のものでは、室温で
最大の接合磁気抵抗変化が観測されたのは１１．８％と
報告されている。次の文献では、室温で最大の接合磁気
抵抗変化は１８％と報告され、多くの接合部に、室温で
１４％乃至１７％の範囲の磁気抵抗変化があったと報告
されている。接合抵抗は、断面積が２００×３００μｍ
2の接合部で数百Ωから数十ｋΩの範囲だった。
Ｊ素子が、T．Miyazakiらによる"Giant Magnetic Tunne
ling Effect in Fe/Al2O3/Fe Junction"、Journal of M
agnetism and Magnetic Materials、Vol．139、No．L23
1（1995）で報告されている。しかし著者が報告してい
るのは、結果としての１８％の磁気抵抗を再現できなか
ったということである。同時期に作製された他の接合
は、応答がわずか１％乃至６％である。この他の報告に
よると、ＭＴＪ素子の磁気抵抗はＣｏＦｅ／Ａｌ2Ｏ3／
Ｃｏの大きな接合部で室温で最大１８％であり、これは
J．S．Mooderaらによる"Large Magnetoresistance at R
oom Temperature in Ferromagnetic ThinFilm Tunnel J
unctions"、Physics Review Letters、Vol．74、page 3
273（1995）、及びJ．S．Moodera、L．S．Kinderによ
る"Ferromagnetic-Insulator-Ferromagnetic Tunnelin
g：Spin Dependent Tunneling and Large Magnetoresis
tancein Trilayer Junctions"、Journal of Applied Ph
ysics、Vol．79、page 4724（1996）に述べられてい
る。著者らは、表面あらさの減少がよい結果をもたらす
鍵であるとの仮説を立てた。これを実現するため、ベー
ス電極の成長をみる極端な尺度に依り、低温工学的に冷
却した基板への蒸着、シード層の使用及びベース電極を
きわめて薄くする処理を組み合わせた。Ａｌ層を低温工
学的に冷却してからこれを暖め、プラズマ酸化させ、Ａ
ｌのほとんどを消費することによってトンネル・バリア
が形成された。これらの文献の最初のものでは、室温で
最大の接合磁気抵抗変化が観測されたのは１１．８％と
報告されている。次の文献では、室温で最大の接合磁気
抵抗変化は１８％と報告され、多くの接合部に、室温で
１４％乃至１７％の範囲の磁気抵抗変化があったと報告
されている。接合抵抗は、断面積が２００×３００μｍ
2の接合部で数百Ωから数十ｋΩの範囲だった。
【０００５】従って、ＭＴＪ素子を有益な程度まで大き
い磁気抵抗応答をもたせて室温で作製することが困難で
あることは明らかである。室温での予測された大きさの
磁気抵抗応答の最初の観測はスピン偏極した走査トンネ
ル顕微鏡で行われた。従来技術では後に、予測された大
きさのＭＴＪ応答を室温で再現可能に実現したのは、Mo
oderaと協力者だけである。ただしこれは、風変わりで
非実際的な薄膜被着法を用いて作製された大きい素子に
ついてのみであった。
い磁気抵抗応答をもたせて室温で作製することが困難で
あることは明らかである。室温での予測された大きさの
磁気抵抗応答の最初の観測はスピン偏極した走査トンネ
ル顕微鏡で行われた。従来技術では後に、予測された大
きさのＭＴＪ応答を室温で再現可能に実現したのは、Mo
oderaと協力者だけである。ただしこれは、風変わりで
非実際的な薄膜被着法を用いて作製された大きい素子に
ついてのみであった。
【０００６】従来の技術のＭＴＪ素子に見られる他の問
題は、磁気抵抗応答と磁界が、磁界に対して理想的なス
テップ状の応答を示していないことである。T．Miyazak
iらによる"Large Magnetoresistance Effect in 82Ni-F
e/Al-Al2O3/Co Magnetic Tunneling Junction"、Journa
l of Magnetism and Magnetic Materials、Vol．98、N
o．L7（1991）は、ステップ状の磁気抵抗応答をどのよ
うにして実現することができたかを示しているが、これ
は限定された印加磁界範囲に関してのみである。印加磁
界の偏位が瞬間的に大きすぎる場合、磁気抵抗応答特性
は反転し得る。
題は、磁気抵抗応答と磁界が、磁界に対して理想的なス
テップ状の応答を示していないことである。T．Miyazak
iらによる"Large Magnetoresistance Effect in 82Ni-F
e/Al-Al2O3/Co Magnetic Tunneling Junction"、Journa
l of Magnetism and Magnetic Materials、Vol．98、N
o．L7（1991）は、ステップ状の磁気抵抗応答をどのよ
うにして実現することができたかを示しているが、これ
は限定された印加磁界範囲に関してのみである。印加磁
界の偏位が瞬間的に大きすぎる場合、磁気抵抗応答特性
は反転し得る。
【０００７】最近、ＩＢＭの１９９６年３月１８日付け
米国特許出願番号第０８／６１８３００号では、ＭＴＪ
素子の２つの強磁性層の１つを磁気的に硬化する、また
は磁気的にピン止めするため、反強磁性交換バイアス層
を使用することにより、室温磁気抵抗応答が大きく、磁
気応答が制御されたＭＴＪ素子を作製する方法が明らか
にされている。このＭＴＪ素子は、磁気信号に対する磁
気抵抗応答が曖昧ではなく制御され、大量生産が可能で
あり、ディープ・サブミクロン寸法までスケール・ダウ
ンすることができる。ただしステップ状応答は、小さい
正磁界と負磁界に対して対称ではないことがあり、小さ
い磁界によりゼロ磁界から外れることがある。これが望
ましくないのは、ＭＴＪメモリ・セルには、ゼロ磁界で
２つの充分に画成された磁気状態（及び対応する抵抗
値）のあることが重要だからである。
米国特許出願番号第０８／６１８３００号では、ＭＴＪ
素子の２つの強磁性層の１つを磁気的に硬化する、また
は磁気的にピン止めするため、反強磁性交換バイアス層
を使用することにより、室温磁気抵抗応答が大きく、磁
気応答が制御されたＭＴＪ素子を作製する方法が明らか
にされている。このＭＴＪ素子は、磁気信号に対する磁
気抵抗応答が曖昧ではなく制御され、大量生産が可能で
あり、ディープ・サブミクロン寸法までスケール・ダウ
ンすることができる。ただしステップ状応答は、小さい
正磁界と負磁界に対して対称ではないことがあり、小さ
い磁界によりゼロ磁界から外れることがある。これが望
ましくないのは、ＭＴＪメモリ・セルには、ゼロ磁界で
２つの充分に画成された磁気状態（及び対応する抵抗
値）のあることが重要だからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、応答
曲線がその中央の磁界領域で制御され最適化されたＭＴ
Ｊ素子を提供することである。
曲線がその中央の磁界領域で制御され最適化されたＭＴ
Ｊ素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、印加磁界の関
数として、事実上の中心がゼロ磁界にあるトンネル磁気
抵抗応答を持つメモリ・セルまたは外部磁界センサとし
て使用できるＭＴＪ素子である。磁気トンネル接合は２
つの強磁性層を含み、１つは磁気モーメントが固定さ
れ、もう１つは磁気モーメントが自由に回転可能にされ
る。ＭＴＪはまた、強磁性層間にトンネル電流が層内を
垂直に流れるようにする、絶縁トンネル・バリア層と、
トンネル・バリア層と強磁性層の１つの間の界面に位置
付けられる非強磁性層を含む。非強磁性層は界面のトン
ネル・バリア層と強磁性層の間隔を広げ、従って固定強
磁性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする。磁気結合
は、ゼロ磁界を中心として非対称なトンネル磁気抵抗応
答の原因とされている。非強磁性界面層は、トンネル・
バリア層界面でスピン偏極しない電子状態を現すが、不
意にトンネル磁気抵抗を抑制する原因になることはな
い。
数として、事実上の中心がゼロ磁界にあるトンネル磁気
抵抗応答を持つメモリ・セルまたは外部磁界センサとし
て使用できるＭＴＪ素子である。磁気トンネル接合は２
つの強磁性層を含み、１つは磁気モーメントが固定さ
れ、もう１つは磁気モーメントが自由に回転可能にされ
る。ＭＴＪはまた、強磁性層間にトンネル電流が層内を
垂直に流れるようにする、絶縁トンネル・バリア層と、
トンネル・バリア層と強磁性層の１つの間の界面に位置
付けられる非強磁性層を含む。非強磁性層は界面のトン
ネル・バリア層と強磁性層の間隔を広げ、従って固定強
磁性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする。磁気結合
は、ゼロ磁界を中心として非対称なトンネル磁気抵抗応
答の原因とされている。非強磁性界面層は、トンネル・
バリア層界面でスピン偏極しない電子状態を現すが、不
意にトンネル磁気抵抗を抑制する原因になることはな
い。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明を理解するために、ＩＢＭ
の出願にあるようなＭＴＪ素子について、最初に図１乃
至図８を参照しながら説明する。図１、図２は、先に引
用した出願に書かれているような磁気メモリ・セルの用
途に適したＭＴＪ構造を示す。図１に断面を、図２に平
面を示したこの構造は、基板９、ベース電極多層スタッ
ク１０、絶縁トンネル・バリア層２０、上部電極スタッ
ク３０、コンタクト・ホールが貫通した絶縁層４０、及
びそれ自体を多層構造とすることができるコンタクトと
上部配線層５０を含む。トンネル・バリア層２０は２つ
の強磁性層スタック１０、３０にサンドイッチのように
挟まれている。
の出願にあるようなＭＴＪ素子について、最初に図１乃
至図８を参照しながら説明する。図１、図２は、先に引
用した出願に書かれているような磁気メモリ・セルの用
途に適したＭＴＪ構造を示す。図１に断面を、図２に平
面を示したこの構造は、基板９、ベース電極多層スタッ
ク１０、絶縁トンネル・バリア層２０、上部電極スタッ
ク３０、コンタクト・ホールが貫通した絶縁層４０、及
びそれ自体を多層構造とすることができるコンタクトと
上部配線層５０を含む。トンネル・バリア層２０は２つ
の強磁性層スタック１０、３０にサンドイッチのように
挟まれている。
【００１１】基板９上に形成されるベース電極層スタッ
ク１０は、基板９上に被着される第１シード層１２、シ
ード層１２上の"テンプレート"強磁性層１４、テンプレ
ート層１４上の反強磁性物質の層１６、及び下の反強磁
性層１６上に形成され、それと交換結合した"ピン止め"
強磁性層１８を含む。強磁性層１８がピン止め層と呼ば
れるのは、その磁気モーメント（磁化方向）がＭＴＪ素
子にとっては所望の利点となる程度の印加磁界の存在に
より回転しなくなるからである。上部電極スタック３０
は、"自由（フリー）"強磁性層３２と自由層３２上に形
成された保護層３４を含む。強磁性層３２のモーメント
は交換結合ではピン止めされず、従って、利点の範囲の
印加磁界、つまりＭＴＪ素子がメモリ・アレイのセルで
あるとき、書込み電流による（また、ＭＴＪ素子が磁気
記録ヘッドのＭＲ読取りセンサであるとき磁気的に記録
されたデータによる）磁界が存在するとき自由に回転す
る。電極スタック１０、３０の強磁性層１８、３２は両
方とも、磁化容易方向がベース電極１０の延長部１１、
１３（図２）として形成される下部配線層の長さに対し
て平行な、同じ方向で互いにほぼ平行になるように作製
される。この方向は図２では矢印３３で示してある。絶
縁層４０には、上部接合電極スタック３０の上部まで貫
通した自己整合コンタクト・ホールがある。スタック１
０内のトンネル・バリア層２０の真下のピン止め強磁性
層１８は、その磁化が直下の反強磁性層１６との界面交
換結合によりピン止めされる。反強磁性層１６はまたベ
ース電極スタック１０の一部をなす。セルの書込みや読
取りの操作でメモリ・セルに印加される磁界に匹敵する
大きさの磁界については、ピン止め強磁性層１８の磁化
の向きとして考えられるのは１つだからである。上部電
極スタック３０の自由強磁性層３２は磁化特性が異方性
であるが、その磁化方向またはベクトルはピン止めされ
ない。むしろその磁化ベクトルは、所望の範囲の磁界を
印加することによって容易な方向のいずれの方向に沿っ
ても安定に配向可能である。
ク１０は、基板９上に被着される第１シード層１２、シ
ード層１２上の"テンプレート"強磁性層１４、テンプレ
ート層１４上の反強磁性物質の層１６、及び下の反強磁
性層１６上に形成され、それと交換結合した"ピン止め"
強磁性層１８を含む。強磁性層１８がピン止め層と呼ば
れるのは、その磁気モーメント（磁化方向）がＭＴＪ素
子にとっては所望の利点となる程度の印加磁界の存在に
より回転しなくなるからである。上部電極スタック３０
は、"自由（フリー）"強磁性層３２と自由層３２上に形
成された保護層３４を含む。強磁性層３２のモーメント
は交換結合ではピン止めされず、従って、利点の範囲の
印加磁界、つまりＭＴＪ素子がメモリ・アレイのセルで
あるとき、書込み電流による（また、ＭＴＪ素子が磁気
記録ヘッドのＭＲ読取りセンサであるとき磁気的に記録
されたデータによる）磁界が存在するとき自由に回転す
る。電極スタック１０、３０の強磁性層１８、３２は両
方とも、磁化容易方向がベース電極１０の延長部１１、
１３（図２）として形成される下部配線層の長さに対し
て平行な、同じ方向で互いにほぼ平行になるように作製
される。この方向は図２では矢印３３で示してある。絶
縁層４０には、上部接合電極スタック３０の上部まで貫
通した自己整合コンタクト・ホールがある。スタック１
０内のトンネル・バリア層２０の真下のピン止め強磁性
層１８は、その磁化が直下の反強磁性層１６との界面交
換結合によりピン止めされる。反強磁性層１６はまたベ
ース電極スタック１０の一部をなす。セルの書込みや読
取りの操作でメモリ・セルに印加される磁界に匹敵する
大きさの磁界については、ピン止め強磁性層１８の磁化
の向きとして考えられるのは１つだからである。上部電
極スタック３０の自由強磁性層３２は磁化特性が異方性
であるが、その磁化方向またはベクトルはピン止めされ
ない。むしろその磁化ベクトルは、所望の範囲の磁界を
印加することによって容易な方向のいずれの方向に沿っ
ても安定に配向可能である。
【００１２】図３は、ベース電極スタック１０'、絶縁
トンネル・バリア層２０'及び上部電極スタック３０'の
断面積が全て同じである点を除いて、図１と同様のＭＴ
Ｊメモリ・セルの断面を示す。ベース電極スタック１
０'は、基板９上に形成された配線リード１１'上に形成
される。絶縁層４０'はＭＴＪ素子全体を囲み、リード
１１'まで延びる。この構造によりダイオード、トラン
ジスタ等の電子素子の上部にメモリ・セルを容易に作製
でき、個々の磁気セルを通して検出電流が操作される。
トンネル・バリア層２０'及び上部電極スタック３０'の
断面積が全て同じである点を除いて、図１と同様のＭＴ
Ｊメモリ・セルの断面を示す。ベース電極スタック１
０'は、基板９上に形成された配線リード１１'上に形成
される。絶縁層４０'はＭＴＪ素子全体を囲み、リード
１１'まで延びる。この構造によりダイオード、トラン
ジスタ等の電子素子の上部にメモリ・セルを容易に作製
でき、個々の磁気セルを通して検出電流が操作される。
【００１３】ＭＴＪメモリ・セルが読取り／書込み回路
に接続されたメモリ・セルのアレイにあるとき、セルへ
の書込みは、上部（５０）と下部（１１、１３）の電極
配線層（図１、図２）に書込み電流を流すことによって
（またはＭＴＪセル付近に位置するこれら、或いは他の
書込み線やビット線の組み合わせに電流を流すことによ
って）行われる。これらのライン両方に充分に大きい電
流が流れるとき、自由強磁性層３２付近に生じる組み合
わせ磁界により、自由強磁性層３２の磁化方向がピン止
め強磁性層１８の磁化方向に対して平行から逆平行（ま
たはその逆に）に回転する。電流のレベルは、それらが
生成する組み合わせ磁界が自由強磁性層のスイッチング
磁界を超えるように選択される。自由強磁性層のスイッ
チング磁界は、固有のものと磁界内で膜を成長させるこ
とにより、また自由強磁性層と固定強磁性層の静磁結合
により生じるものの両方の、自由強磁性層の磁気異方性
を含めた複数の要因によって決定される。組み合わせ書
込み電流により生じるこの磁界は、ピン止め強磁性層の
磁化を回転させるのに必要な磁界よりかなり小さくなる
よう選択される。書込み電流は、配線層５０及び１１、
１３に比べて抵抗が大きいＭＴＪを垂直方向には流れな
い。ＭＴＪメモリ・セルは、ピン止め強磁性層からトン
ネル接合バリアを経て自由強磁性層（またはその逆に）
ＭＴＪに垂直に検出電流を流すことによって読取られ
る。メモリ・セルの状態は、書込み電流よりかなり小さ
い検出電流がＭＴＪに垂直に流れたときのメモリ・セル
の抵抗を測定することによって決定される。この検出電
流または読取り電流の自己磁界は無視でき、メモリ・セ
ルの磁気状態に影響を与えない。
に接続されたメモリ・セルのアレイにあるとき、セルへ
の書込みは、上部（５０）と下部（１１、１３）の電極
配線層（図１、図２）に書込み電流を流すことによって
（またはＭＴＪセル付近に位置するこれら、或いは他の
書込み線やビット線の組み合わせに電流を流すことによ
って）行われる。これらのライン両方に充分に大きい電
流が流れるとき、自由強磁性層３２付近に生じる組み合
わせ磁界により、自由強磁性層３２の磁化方向がピン止
め強磁性層１８の磁化方向に対して平行から逆平行（ま
たはその逆に）に回転する。電流のレベルは、それらが
生成する組み合わせ磁界が自由強磁性層のスイッチング
磁界を超えるように選択される。自由強磁性層のスイッ
チング磁界は、固有のものと磁界内で膜を成長させるこ
とにより、また自由強磁性層と固定強磁性層の静磁結合
により生じるものの両方の、自由強磁性層の磁気異方性
を含めた複数の要因によって決定される。組み合わせ書
込み電流により生じるこの磁界は、ピン止め強磁性層の
磁化を回転させるのに必要な磁界よりかなり小さくなる
よう選択される。書込み電流は、配線層５０及び１１、
１３に比べて抵抗が大きいＭＴＪを垂直方向には流れな
い。ＭＴＪメモリ・セルは、ピン止め強磁性層からトン
ネル接合バリアを経て自由強磁性層（またはその逆に）
ＭＴＪに垂直に検出電流を流すことによって読取られ
る。メモリ・セルの状態は、書込み電流よりかなり小さ
い検出電流がＭＴＪに垂直に流れたときのメモリ・セル
の抵抗を測定することによって決定される。この検出電
流または読取り電流の自己磁界は無視でき、メモリ・セ
ルの磁気状態に影響を与えない。
【００１４】トンネル・バリアでの電荷キャリアのトン
ネル効果の可能性は、２つの強磁性層のモーメントの相
対的アラインメントに依存する。トンネル電流はスピン
偏極する。つまり一方の強磁性層から流れる電流は、１
つのスピン型（強磁性層の磁化方向によりスピン・アッ
プまたはスピン・ダウン）の電子が支配的構成要素であ
る。電流のスピン偏極の程度は、強磁性層とトンネル・
バリアの界面での強磁性層を構成する磁気物質の電子特
性によって決定される。第１強磁性層は従ってスピン・
フィルタとして働く。電荷キャリアのトンネル効果の可
能性は、第２強磁性層の電流のスピン偏極と同じスピン
偏極の電子状態が得られるかどうかに依存する。通常、
第２強磁性層のモーメントが、第１強磁性層のモーメン
トに平行なときは、第２強磁性層のモーメントが第１強
磁性層のそれに逆平行に整列しているときよりも多くの
電子状態が得られる。従って電荷キャリアのトンネル効
果可能性は、両方の層のモーメントが平行なとき最大
で、モーメントが逆平行なとき最低である。モーメント
が平行であれ逆平行であれ配列されるとき、トンネル効
果可能性は中間値をとる。従ってＭＴＪメモリ・セルの
電気抵抗は、電流のスピン偏極と両方の強磁性層の電子
特性に依存する。その結果、自由強磁性層の２つの可能
な磁化方向により、メモリ・セルの２つの可能なビット
状態（０または１）が一意に定義される。
ネル効果の可能性は、２つの強磁性層のモーメントの相
対的アラインメントに依存する。トンネル電流はスピン
偏極する。つまり一方の強磁性層から流れる電流は、１
つのスピン型（強磁性層の磁化方向によりスピン・アッ
プまたはスピン・ダウン）の電子が支配的構成要素であ
る。電流のスピン偏極の程度は、強磁性層とトンネル・
バリアの界面での強磁性層を構成する磁気物質の電子特
性によって決定される。第１強磁性層は従ってスピン・
フィルタとして働く。電荷キャリアのトンネル効果の可
能性は、第２強磁性層の電流のスピン偏極と同じスピン
偏極の電子状態が得られるかどうかに依存する。通常、
第２強磁性層のモーメントが、第１強磁性層のモーメン
トに平行なときは、第２強磁性層のモーメントが第１強
磁性層のそれに逆平行に整列しているときよりも多くの
電子状態が得られる。従って電荷キャリアのトンネル効
果可能性は、両方の層のモーメントが平行なとき最大
で、モーメントが逆平行なとき最低である。モーメント
が平行であれ逆平行であれ配列されるとき、トンネル効
果可能性は中間値をとる。従ってＭＴＪメモリ・セルの
電気抵抗は、電流のスピン偏極と両方の強磁性層の電子
特性に依存する。その結果、自由強磁性層の２つの可能
な磁化方向により、メモリ・セルの２つの可能なビット
状態（０または１）が一意に定義される。
【００１５】図４、図５はそれぞれ、先に引用したＩＢ
Ｍの出願に述べられているように外部磁界センサとして
用いられるＭＴＪ素子の断面と平面を示す。構造はＭＴ
Ｊメモリ・セル素子に似ているが、上部接合電極スタッ
ク７０は、トンネル・バリア層２０に隣接した強磁性層
７２を含む。強磁性層７２の磁化容易方向は、下部電極
スタック１０のピン止め強磁性層１８の磁化に対して平
行ではなく垂直に並ぶ。これによりＭＴＪ素子は、磁気
記録ディスク等の磁性媒体から磁気的に記録されたデー
タを検出するセンサとして働く。上部配線層５０は平坦
化絶縁層４０により接合部から離隔し、上部電極スタッ
ク７０の保護層７４と接触している。ＭＴＪメモリ・セ
ルについて先に述べたように、印加外部磁界が弱い場
合、下部電極１０の強磁性層１８の磁化方向（矢印１
９）はピン止めされ、自由強磁性層７２の磁化方向（矢
印７３）は、矢印１９の方向に向かうかまたはそこから
離れるよう基板９の平面で自由回転する。
Ｍの出願に述べられているように外部磁界センサとして
用いられるＭＴＪ素子の断面と平面を示す。構造はＭＴ
Ｊメモリ・セル素子に似ているが、上部接合電極スタッ
ク７０は、トンネル・バリア層２０に隣接した強磁性層
７２を含む。強磁性層７２の磁化容易方向は、下部電極
スタック１０のピン止め強磁性層１８の磁化に対して平
行ではなく垂直に並ぶ。これによりＭＴＪ素子は、磁気
記録ディスク等の磁性媒体から磁気的に記録されたデー
タを検出するセンサとして働く。上部配線層５０は平坦
化絶縁層４０により接合部から離隔し、上部電極スタッ
ク７０の保護層７４と接触している。ＭＴＪメモリ・セ
ルについて先に述べたように、印加外部磁界が弱い場
合、下部電極１０の強磁性層１８の磁化方向（矢印１
９）はピン止めされ、自由強磁性層７２の磁化方向（矢
印７３）は、矢印１９の方向に向かうかまたはそこから
離れるよう基板９の平面で自由回転する。
【００１６】ＭＴＪメモリ・セルとＭＴＪ磁界センサは
両方とも共通の要素、下部電極１０、上部電極３０及び
トンネル・バリア２０を含む。これら共通要素をここで
は"ＭＴＪ要素"とよぶ。先に述べたメモリや磁界検出に
使用するＭＴＪ要素の基本薄膜構造は、層の順序やそれ
らの組成に関しては同じである。先に示した基本ＭＴＪ
要素を構成する層が図６に示してある。この要素は、電
気リード層１１としての５ｎｍのＴａと１０ｎｍのＣｕ
／テンプレート層１４としての４ｎｍのＮｉ６０Ｆｅ
４０／反強磁性層１６としての１０ｎｍのＭｎ５４Ｆｅ
４６／下部強磁性層１８としての６ｎｍのＮｉ６０Ｆｅ
４０と２ｎｍのＣｏで構成される下部電極スタック１０
を持つ。Ｃｕ層はシード層１２としても働く。トンネル
・バリア２０は１２０秒プラズマ酸化した１．２ｎｍ厚
のＡｌ層である。上部電極スタック３０は、２０ｎｍの
Ｎｉ ６０ Ｆｅ ４０ の上部強磁性層３２で構成され、この
上に電気リード５０としての２０ｎｍのＣｕが形成さ
れ、保護層（図１の層３４）を必要としない。この要素
は、最初に基板の表面に平行に印加される磁界で下部電
極１０を被着することによって作製される。この磁界
は、最初４ｎｍのＮｉＦｅ層１４の容易方向を配向する
よう働く。ＮｉＦｅ層１４は、Ｍｎ５４Ｆｅ４６反強磁
性層１６を配向するテンプレートとして働く。層１６
は、６ｎｍのＮｉ６０Ｆｅ４０／２ｎｍのＣｏ強磁性層
１８の磁化方向を交換結合によりピン止めする。次に、
トンネル・バリア層２０が、１．２ｎｍのＡｌ層を被着
し、次にプラズマ酸化して公称Ａｌ２Ｏ３の層を形成す
ることによって形成される。その後、上部電極スタック
３０が形成される。様々な層が従来のスパッタリング法
を用いたＤＣマグネトロン・スパッタ蒸着により室温で
基板と被着される。通常、被着速度はＡｌを除く全ての
層で２Å／秒、Ａｌは１Å／秒で被着される。Ａｌで被
着速度が低いとＡｌ層が平滑になる。下部電極スタック
１０の層が平滑であること、またＡｌ２Ｏ３層２０に、
他の場合は接合部を電気的に短絡させるピンホールがな
いことは重要である。
両方とも共通の要素、下部電極１０、上部電極３０及び
トンネル・バリア２０を含む。これら共通要素をここで
は"ＭＴＪ要素"とよぶ。先に述べたメモリや磁界検出に
使用するＭＴＪ要素の基本薄膜構造は、層の順序やそれ
らの組成に関しては同じである。先に示した基本ＭＴＪ
要素を構成する層が図６に示してある。この要素は、電
気リード層１１としての５ｎｍのＴａと１０ｎｍのＣｕ
／テンプレート層１４としての４ｎｍのＮｉ６０Ｆｅ
４０／反強磁性層１６としての１０ｎｍのＭｎ５４Ｆｅ
４６／下部強磁性層１８としての６ｎｍのＮｉ６０Ｆｅ
４０と２ｎｍのＣｏで構成される下部電極スタック１０
を持つ。Ｃｕ層はシード層１２としても働く。トンネル
・バリア２０は１２０秒プラズマ酸化した１．２ｎｍ厚
のＡｌ層である。上部電極スタック３０は、２０ｎｍの
Ｎｉ ６０ Ｆｅ ４０ の上部強磁性層３２で構成され、この
上に電気リード５０としての２０ｎｍのＣｕが形成さ
れ、保護層（図１の層３４）を必要としない。この要素
は、最初に基板の表面に平行に印加される磁界で下部電
極１０を被着することによって作製される。この磁界
は、最初４ｎｍのＮｉＦｅ層１４の容易方向を配向する
よう働く。ＮｉＦｅ層１４は、Ｍｎ５４Ｆｅ４６反強磁
性層１６を配向するテンプレートとして働く。層１６
は、６ｎｍのＮｉ６０Ｆｅ４０／２ｎｍのＣｏ強磁性層
１８の磁化方向を交換結合によりピン止めする。次に、
トンネル・バリア層２０が、１．２ｎｍのＡｌ層を被着
し、次にプラズマ酸化して公称Ａｌ２Ｏ３の層を形成す
ることによって形成される。その後、上部電極スタック
３０が形成される。様々な層が従来のスパッタリング法
を用いたＤＣマグネトロン・スパッタ蒸着により室温で
基板と被着される。通常、被着速度はＡｌを除く全ての
層で２Å／秒、Ａｌは１Å／秒で被着される。Ａｌで被
着速度が低いとＡｌ層が平滑になる。下部電極スタック
１０の層が平滑であること、またＡｌ２Ｏ３層２０に、
他の場合は接合部を電気的に短絡させるピンホールがな
いことは重要である。
【００１７】図７は、磁界がＭＴＪ要素の層に対して平
行に要素の磁気容易方向に沿って印加されたとき、図６
のＭＴＪ要素のトンネル抵抗（磁気抵抗ＭＲ）の変化を
示す。抵抗はトンネル・バリア２０に沿って層に垂直に
電流を流すことによって測定される。図７に示すよう
に、ゼロ磁界付近で素子の抵抗が大きく変化する。これ
は上部電極３０の中の自由強磁性層３２のモーメントに
よって生じ、下部電極１０の中のピン止め強磁性層１８
のモーメントに対してその向きが変化する。正磁界で
は、自由強磁性層とピン止め強磁性層のモーメントは互
いに平行であるが、小さい負磁界では、モーメントは互
いにほぼ逆平行であり、ＭＴＪ要素の抵抗は、正磁界の
抵抗より約２０％大きい。負磁界が更にかなり大きくな
り、Ｍｎ−Ｆｅ反強磁性ピン止め層１６の単方向交換バ
イアス磁界ＨBに対応すると、ピン止め強磁性層１８の
モーメントは結局、印加磁界に対して平行になり、従っ
て上部電極３０の自由強磁性層３２のモーメントに対し
て平行になるよう回転し、よって要素の抵抗が減少す
る。
行に要素の磁気容易方向に沿って印加されたとき、図６
のＭＴＪ要素のトンネル抵抗（磁気抵抗ＭＲ）の変化を
示す。抵抗はトンネル・バリア２０に沿って層に垂直に
電流を流すことによって測定される。図７に示すよう
に、ゼロ磁界付近で素子の抵抗が大きく変化する。これ
は上部電極３０の中の自由強磁性層３２のモーメントに
よって生じ、下部電極１０の中のピン止め強磁性層１８
のモーメントに対してその向きが変化する。正磁界で
は、自由強磁性層とピン止め強磁性層のモーメントは互
いに平行であるが、小さい負磁界では、モーメントは互
いにほぼ逆平行であり、ＭＴＪ要素の抵抗は、正磁界の
抵抗より約２０％大きい。負磁界が更にかなり大きくな
り、Ｍｎ−Ｆｅ反強磁性ピン止め層１６の単方向交換バ
イアス磁界ＨBに対応すると、ピン止め強磁性層１８の
モーメントは結局、印加磁界に対して平行になり、従っ
て上部電極３０の自由強磁性層３２のモーメントに対し
て平行になるよう回転し、よって要素の抵抗が減少す
る。
【００１８】図７に示した応答に対するＭＴＪ要素の動
作範囲は、メモリ・セル、磁界検出いずれの用途でも、
ＨBに比べて小さい磁界に制限される。図８に小さい磁
界での要素の詳細な挙動を示す。磁界が容易方向に沿っ
て印加されたとき、自由強磁性層３２のモーメントの回
転に何らかのヒステリシスがある。より重要なことは、
図８からわかるように、抵抗と磁界の曲線がゼロ磁界を
中心にしておらず、小さい負磁界の方へずれていること
である。この磁界、結合磁界Ｈiは図８で約−７．５Ｏ
ｅである。自由強磁性層のモーメントの磁気ヒステリシ
ス・ループの非対称性は、ピン止め層１８のモーメント
の磁気結合に対する自由層３２のモーメントのそれによ
り生じる。この相互作用磁界の兆候は、自由強磁性層と
ピン止め強磁性層の強磁性結合で一貫している。このよ
うな結合を説明するメカニズムはいくつか考えられる。
こうしたメカニズムのほとんどは外因性であり、構造的
欠陥や、強磁性層の理想的な平坦層からのずれに関係す
る。結合の原因になるのは、トンネル・バリア内のピン
ホールである。ただしこれは想定しにくいメカニズムで
ある。というのはピン止め強磁性層と自由強磁性層の強
磁性交換結合を起こすほど大きいピンホールは、トンネ
ル・バリアによる電気的短絡、及びトンネル・バリアの
抵抗と磁気抵抗の減少につながりやすい。もう１つ起こ
り得る、比較的想定しやすいメカニズムは、最初はLoui
s Neel（L．Neel、"Sur un nouveau mode de couplage
entre les aimantations de deux couches minces ferr
omagnetiques"、Comptes Rendues、Vol．255、pp．1676
-1681、1962）により提案された"オレンジの皮"メカニ
ズムと呼ばれるものである。このモデルでは、図９に示
すように、自由強磁性層とピン止め強磁性層の界面のあ
らさまたは波状性に相関が必要である。あらさの相関は
静磁結合を介して、トンネル・バリアに強磁性結合を引
き起こす。振幅ｒ、波長λの強磁性層界面の２次元正弦
あらさの場合、結合は次式により記述される。
作範囲は、メモリ・セル、磁界検出いずれの用途でも、
ＨBに比べて小さい磁界に制限される。図８に小さい磁
界での要素の詳細な挙動を示す。磁界が容易方向に沿っ
て印加されたとき、自由強磁性層３２のモーメントの回
転に何らかのヒステリシスがある。より重要なことは、
図８からわかるように、抵抗と磁界の曲線がゼロ磁界を
中心にしておらず、小さい負磁界の方へずれていること
である。この磁界、結合磁界Ｈiは図８で約−７．５Ｏ
ｅである。自由強磁性層のモーメントの磁気ヒステリシ
ス・ループの非対称性は、ピン止め層１８のモーメント
の磁気結合に対する自由層３２のモーメントのそれによ
り生じる。この相互作用磁界の兆候は、自由強磁性層と
ピン止め強磁性層の強磁性結合で一貫している。このよ
うな結合を説明するメカニズムはいくつか考えられる。
こうしたメカニズムのほとんどは外因性であり、構造的
欠陥や、強磁性層の理想的な平坦層からのずれに関係す
る。結合の原因になるのは、トンネル・バリア内のピン
ホールである。ただしこれは想定しにくいメカニズムで
ある。というのはピン止め強磁性層と自由強磁性層の強
磁性交換結合を起こすほど大きいピンホールは、トンネ
ル・バリアによる電気的短絡、及びトンネル・バリアの
抵抗と磁気抵抗の減少につながりやすい。もう１つ起こ
り得る、比較的想定しやすいメカニズムは、最初はLoui
s Neel（L．Neel、"Sur un nouveau mode de couplage
entre les aimantations de deux couches minces ferr
omagnetiques"、Comptes Rendues、Vol．255、pp．1676
-1681、1962）により提案された"オレンジの皮"メカニ
ズムと呼ばれるものである。このモデルでは、図９に示
すように、自由強磁性層とピン止め強磁性層の界面のあ
らさまたは波状性に相関が必要である。あらさの相関は
静磁結合を介して、トンネル・バリアに強磁性結合を引
き起こす。振幅ｒ、波長λの強磁性層界面の２次元正弦
あらさの場合、結合は次式により記述される。
【数１】Ｊ＝（π2／２1/2）（ｒ2／λ）（μ0ＭFＭP）
ｅｘｐ（−２π２1/2ｔ／λ）
ｅｘｐ（−２π２1/2ｔ／λ）
【００１９】ここでμ0は物質定数（真空の透過率）、
ｔは強磁性層間の平均間隔、ＭFとＭPはそれぞれ自由強
磁性層、ピン止め強磁性層の磁化である。従って"オレ
ンジの皮"結合は、モーメントの増加及び強磁性界面層
のあらさ、または強磁性層の分離の低下につれて増加す
る。
ｔは強磁性層間の平均間隔、ＭFとＭPはそれぞれ自由強
磁性層、ピン止め強磁性層の磁化である。従って"オレ
ンジの皮"結合は、モーメントの増加及び強磁性界面層
のあらさ、または強磁性層の分離の低下につれて増加す
る。
【００２０】図７、図８の応答のような、構造の断面透
過電子顕微鏡（ＸＴＥＭ）写真を見ると、Ａｌ2Ｏ3トン
ネル・バリアにかなりのあらさがある。例えば１０ｎｍ
のＳｉ／１０ｎｍのＰｔ／４ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19／１０
ｎｍのＭｎ50Ｆｅ50／８．５ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19／６０
０秒酸化した１．３ｎｍのＡｌ／１５ｎｍのＣｏ90Ｆｅ
10／１０ｎｍのＰｔという形の構造で、ＸＴＥＭからわ
かることは酸化したＡｌ層の公称組成物Ａｌ2Ｏ3は、厚
み１．７ｎｍで厚みの変動は大きく約±０．８ｎｍであ
る。同様に１０ｎｍのＳｉ／１０ｎｍのＰｔ／４ｎｍの
Ｎｉ81Ｆｅ19／１０ｎｍのＭｎ54Ｆｅ46／１０ｎｍＮｉ
81Ｆｅ19／６００秒酸化した３ｎｍのＡｌ／２０ｎｍの
Ｃｏ／１０ｎｍのＰｔ、及び比較的厚みのあるＡｌ2Ｏ3
層という形の構造で、Ａｌ2Ｏ3の厚みに変動がみられ
た。このスケールの界面あらさは、ＸＴＥＭ顕微鏡写真
を考慮した１０−５０ｎｍの範囲のλの適正値を使用し
て"オレンジの皮（orange peel）"モデル内で観測され
たＨiの値を説明し得る。
過電子顕微鏡（ＸＴＥＭ）写真を見ると、Ａｌ2Ｏ3トン
ネル・バリアにかなりのあらさがある。例えば１０ｎｍ
のＳｉ／１０ｎｍのＰｔ／４ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19／１０
ｎｍのＭｎ50Ｆｅ50／８．５ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19／６０
０秒酸化した１．３ｎｍのＡｌ／１５ｎｍのＣｏ90Ｆｅ
10／１０ｎｍのＰｔという形の構造で、ＸＴＥＭからわ
かることは酸化したＡｌ層の公称組成物Ａｌ2Ｏ3は、厚
み１．７ｎｍで厚みの変動は大きく約±０．８ｎｍであ
る。同様に１０ｎｍのＳｉ／１０ｎｍのＰｔ／４ｎｍの
Ｎｉ81Ｆｅ19／１０ｎｍのＭｎ54Ｆｅ46／１０ｎｍＮｉ
81Ｆｅ19／６００秒酸化した３ｎｍのＡｌ／２０ｎｍの
Ｃｏ／１０ｎｍのＰｔ、及び比較的厚みのあるＡｌ2Ｏ3
層という形の構造で、Ａｌ2Ｏ3の厚みに変動がみられ
た。このスケールの界面あらさは、ＸＴＥＭ顕微鏡写真
を考慮した１０−５０ｎｍの範囲のλの適正値を使用し
て"オレンジの皮（orange peel）"モデル内で観測され
たＨiの値を説明し得る。
【００２１】メモリ・セルや磁界検出に用いられるＭＴ
Ｊ要素の性能は、強磁性相互作用磁界の存在により劣化
し得る。メモリ・セルの用途では、自由強磁性層の磁化
方向を変えることによって（ピン止め層のモーメントに
ついては＋か−）、メモリ・セルの状態が"０"と"１"の
間で変化する。所要磁界は、隣接した書込み線とビット
線を同時に流れる書込み電流の自己磁界から得られる。
普通これらの線の１つは１方向、もう１つは双方向であ
る。双方向線を流れる電流の方向がメモリ・セルの状態
を決定する。自由層のモーメントを＋から−に回転させ
るため必要な磁界が、−から＋へモーメントを回転させ
るため必要な磁界と異なる場合、メモリ素子の動作はよ
り複雑になるか、または書込みマージンを大きくしなけ
ればならないか、いずれかである。図８に示してあるデ
ータの場合、ＭＴＪ要素はメモリ・セルとして性能が劣
化しているが、これは大きい結合磁界の結果として、ゼ
ロ磁界に充分に画成された磁気及び対応する抵抗の２つ
の状態がないからである。
Ｊ要素の性能は、強磁性相互作用磁界の存在により劣化
し得る。メモリ・セルの用途では、自由強磁性層の磁化
方向を変えることによって（ピン止め層のモーメントに
ついては＋か−）、メモリ・セルの状態が"０"と"１"の
間で変化する。所要磁界は、隣接した書込み線とビット
線を同時に流れる書込み電流の自己磁界から得られる。
普通これらの線の１つは１方向、もう１つは双方向であ
る。双方向線を流れる電流の方向がメモリ・セルの状態
を決定する。自由層のモーメントを＋から−に回転させ
るため必要な磁界が、−から＋へモーメントを回転させ
るため必要な磁界と異なる場合、メモリ素子の動作はよ
り複雑になるか、または書込みマージンを大きくしなけ
ればならないか、いずれかである。図８に示してあるデ
ータの場合、ＭＴＪ要素はメモリ・セルとして性能が劣
化しているが、これは大きい結合磁界の結果として、ゼ
ロ磁界に充分に画成された磁気及び対応する抵抗の２つ
の状態がないからである。
【００２２】ＭＴＪ要素の線形抵抗と磁界応答が必要な
磁気記録読取りヘッド等、磁界検出用途の場合、自由磁
気層とピン止め磁気層の相互作用磁界Ｈiは、自由強磁
性層とピン止め強磁性層のモーメントの静磁結合磁界Ｈ
mとバランスがとれなければならない。ＭＴＪ要素の抵
抗を検出するため必要な電流がかなり小さいＭＴＪ要素
の場合、検出電流の自己磁界は、ＨiやＨmに比べて無視
できるほど小さい。Ｈmは一般には、ＭＴＪ素子の格子
サイズが小さくなると増加する（自由強磁性層とピン止
め強磁性層の面積が同じと仮定したとき）。従って、Ｈ
iの値を小さくすることが必要な場合がある。メモリ用
途でも磁界検出用途でも、Ｈiの制御が重要であり、そ
の値を小さくし得るという可能性が求められる。
磁気記録読取りヘッド等、磁界検出用途の場合、自由磁
気層とピン止め磁気層の相互作用磁界Ｈiは、自由強磁
性層とピン止め強磁性層のモーメントの静磁結合磁界Ｈ
mとバランスがとれなければならない。ＭＴＪ要素の抵
抗を検出するため必要な電流がかなり小さいＭＴＪ要素
の場合、検出電流の自己磁界は、ＨiやＨmに比べて無視
できるほど小さい。Ｈmは一般には、ＭＴＪ素子の格子
サイズが小さくなると増加する（自由強磁性層とピン止
め強磁性層の面積が同じと仮定したとき）。従って、Ｈ
iの値を小さくすることが必要な場合がある。メモリ用
途でも磁界検出用途でも、Ｈiの制御が重要であり、そ
の値を小さくし得るという可能性が求められる。
【００２３】本発明は、結合磁界Ｈiを大幅に縮小した
ＭＴＪ素子である。このＭＴＪ素子を構成する層を図１
０に示している。これは図６のＭＴＪ素子と比較でき
る。トンネル・バリアの上部と自由強磁性層の間の界面
に薄い非強磁性層３１が用いられる。"オレンジの皮"結
合モデルによると、ピン止め磁性層と自由磁性層の分離
ｔを大きくすると、強磁性相互作用、Ｈiが低下する。
これの概略は図１５に示した。図１１乃至図１３に本発
明に従った、厚みがそれぞれ２Å、８Å、２０ÅのＣｕ
の非強磁性界面層を持つＭＴＪ要素について、ゼロ磁界
付近の典型的な磁気抵抗曲線を示している。これらのＭ
ＴＪ素子は、他の場合は図８の応答を生じたＭＴＪ素子
と同一である。図からわかるように、自由強磁性層の磁
気ヒステリシス・ループは、Ｃｕ厚みが約２０Åでゼロ
磁界回りで対称になる。ＨiはＣｕ層の厚みが増すにつ
れて規則的に減少する。従ってＨiの大きさは制御可能
に可変であり、値を小さくすることができる。
ＭＴＪ素子である。このＭＴＪ素子を構成する層を図１
０に示している。これは図６のＭＴＪ素子と比較でき
る。トンネル・バリアの上部と自由強磁性層の間の界面
に薄い非強磁性層３１が用いられる。"オレンジの皮"結
合モデルによると、ピン止め磁性層と自由磁性層の分離
ｔを大きくすると、強磁性相互作用、Ｈiが低下する。
これの概略は図１５に示した。図１１乃至図１３に本発
明に従った、厚みがそれぞれ２Å、８Å、２０ÅのＣｕ
の非強磁性界面層を持つＭＴＪ要素について、ゼロ磁界
付近の典型的な磁気抵抗曲線を示している。これらのＭ
ＴＪ素子は、他の場合は図８の応答を生じたＭＴＪ素子
と同一である。図からわかるように、自由強磁性層の磁
気ヒステリシス・ループは、Ｃｕ厚みが約２０Åでゼロ
磁界回りで対称になる。ＨiはＣｕ層の厚みが増すにつ
れて規則的に減少する。従ってＨiの大きさは制御可能
に可変であり、値を小さくすることができる。
【００２４】図１４は、Ｃｕ界面層のトンネル磁気抵抗
の大きさと厚みの依存性を詳しく示している。トンネル
磁気抵抗の大きさは、Ｃｕ界面層の厚みが小さくなるに
つれて減少するが、Ｃｕ層が約１０ｎｍの厚みになると
事実上、均一になる。Ｃｕ厚みに対するＭＲの依存性
は、式ＭＲ〜ｅｘｐ−（ｔi／βi）によって表せる。こ
こでｔiは界面層の厚み、βiは指数遅延時間である。
の大きさと厚みの依存性を詳しく示している。トンネル
磁気抵抗の大きさは、Ｃｕ界面層の厚みが小さくなるに
つれて減少するが、Ｃｕ層が約１０ｎｍの厚みになると
事実上、均一になる。Ｃｕ厚みに対するＭＲの依存性
は、式ＭＲ〜ｅｘｐ−（ｔi／βi）によって表せる。こ
こでｔiは界面層の厚み、βiは指数遅延時間である。
【００２５】図６のＭＴＪ要素のトンネルＭＲは、一般
にはトンネル・バリアの１側面の充填状態からのスピン
偏極した電子のバリアの反対側の空き状態へのトンネル
効果によると説明される。この関連状態は、界面のきわ
めて短い距離（１−２原子層）内に局所化されると広く
考えられている。従って、スピン偏極していない電子状
態の非強磁性金属層を挿入することは、このような見方
からは、トンネルＭＲの急速な抑制をもたらすはずであ
る。しかし図１４示すように、実際にはそうなっていな
いことは明らかである。１つ考えられる説明は、トンネ
ル・バリアがかなりあらく、Ｃｕ層の成長もあらいとい
うものである。その際、観測されたＭＲは、Ｃｕで覆わ
れていないＡｌ2Ｏ3層の部分による。しかしこれでは、
オレンジの皮結合の値が更に大きくなる原因になる。自
由強磁性層の界面あらさが増加するからである。もう１
つ考えられる説明は、トンネル・バリア及びＣｕ界面層
を伝播する電子は、かなりの距離はスピン偏極を保持
し、結果として、新たに作られたＣｕと自由強磁性層の
界面にてスピンに依存する形で散乱するということであ
る。このようなモデルでは、関連する金属多層構造で巨
大な磁気抵抗（ＧＭＲ）を示す非強磁性界面層物質と自
由強磁性層物質の組み合わせが、提案されたＭＴＪ要素
にとって最も有益な物質であろう。
にはトンネル・バリアの１側面の充填状態からのスピン
偏極した電子のバリアの反対側の空き状態へのトンネル
効果によると説明される。この関連状態は、界面のきわ
めて短い距離（１−２原子層）内に局所化されると広く
考えられている。従って、スピン偏極していない電子状
態の非強磁性金属層を挿入することは、このような見方
からは、トンネルＭＲの急速な抑制をもたらすはずであ
る。しかし図１４示すように、実際にはそうなっていな
いことは明らかである。１つ考えられる説明は、トンネ
ル・バリアがかなりあらく、Ｃｕ層の成長もあらいとい
うものである。その際、観測されたＭＲは、Ｃｕで覆わ
れていないＡｌ2Ｏ3層の部分による。しかしこれでは、
オレンジの皮結合の値が更に大きくなる原因になる。自
由強磁性層の界面あらさが増加するからである。もう１
つ考えられる説明は、トンネル・バリア及びＣｕ界面層
を伝播する電子は、かなりの距離はスピン偏極を保持
し、結果として、新たに作られたＣｕと自由強磁性層の
界面にてスピンに依存する形で散乱するということであ
る。このようなモデルでは、関連する金属多層構造で巨
大な磁気抵抗（ＧＭＲ）を示す非強磁性界面層物質と自
由強磁性層物質の組み合わせが、提案されたＭＴＪ要素
にとって最も有益な物質であろう。
【００２６】次の表は、種類と厚みが様々な強磁性層の
測定値から求められたもので、強磁性層の様々なＭＴＪ
の磁気抵抗応答の大きさが、非強磁性スペーサ層の厚み
が増加するにつれて低下する遅延時間βiの値を示す。
下部スタック１０は、どの構造についても同一であり、
図６のものと同じである。
測定値から求められたもので、強磁性層の様々なＭＴＪ
の磁気抵抗応答の大きさが、非強磁性スペーサ層の厚み
が増加するにつれて低下する遅延時間βiの値を示す。
下部スタック１０は、どの構造についても同一であり、
図６のものと同じである。
【表１】 非強磁性界面層 強磁性層 遅延時間β（Å） Ａｌ Ｃｏ ２．７６ Ａｌ Ｎｉ40Ｆｅ60 ２．２７ Ｃｒ Ｃｏ ２．７ Ｐｔ Ｃｏ ７．８ Ａｕ Ｃｏ ８．４ Ａｕ Ｎｉ81Ｆｅ19 ７．５ Ａｇ Ｃｏ ３０．８ Ａｇ Ｎｉ40Ｆｅ60 ４０．０ Ｃｕ Ｃｏ ３６．９ Ｃｕ Ｎｉ40Ｆｅ60 ３０．５ Ｃｕ Ｎｉ81Ｆｅ19 ３０．０
【００２７】表１からわかるように、提案されたモデル
とも一致するが、最も長い遅延時間はＧＭＲ値が大き
く、Ｃｏ及びＮｉＦｅの様々な自由強磁性層を持つ金属
界面層、つまりＣｕ、Ａｇ及びＡｕに見られる。かなり
短い遅延時間が見られるのは、Ｃｏ及びＮｉＦｅの自由
強磁性層を持つＡｌ、及びＣｏの自由強磁性層を持つＣ
ｒである。これら後者の組み合わせはまた関連する金属
多層構造でかなり小さいＧＭＲを示す。
とも一致するが、最も長い遅延時間はＧＭＲ値が大き
く、Ｃｏ及びＮｉＦｅの様々な自由強磁性層を持つ金属
界面層、つまりＣｕ、Ａｇ及びＡｕに見られる。かなり
短い遅延時間が見られるのは、Ｃｏ及びＮｉＦｅの自由
強磁性層を持つＡｌ、及びＣｏの自由強磁性層を持つＣ
ｒである。これら後者の組み合わせはまた関連する金属
多層構造でかなり小さいＧＭＲを示す。
【００２８】ここで述べ図に示した（図１０）本発明の
ＭＴＪ素子は、反強磁性ピン止め層として面心立方（ｆ
ｃｃ）Ｍｎ−Ｆｅの成長を促すため、反強磁性交換バイ
アス層１６を適切な下位層上に成長させれば、強磁性パ
ーマロイ・テンプレート層１４を使用せずに形成でき
る。Ｍｎ−Ｆｅの結晶学上の構造は形成の方法と条件に
応じていくつか存在する。ｆｃｃのＭｎ−Ｆｅだけは室
温で交換バイアスを起こす。ほかの適切な反強磁性交換
バイアス物質としては、例えばＮｉ−Ｍｎ、Ｍｎ−Ｉ
ｒ、Ｍｎ−Ｐｔの合金が使用できる。
ＭＴＪ素子は、反強磁性ピン止め層として面心立方（ｆ
ｃｃ）Ｍｎ−Ｆｅの成長を促すため、反強磁性交換バイ
アス層１６を適切な下位層上に成長させれば、強磁性パ
ーマロイ・テンプレート層１４を使用せずに形成でき
る。Ｍｎ−Ｆｅの結晶学上の構造は形成の方法と条件に
応じていくつか存在する。ｆｃｃのＭｎ−Ｆｅだけは室
温で交換バイアスを起こす。ほかの適切な反強磁性交換
バイアス物質としては、例えばＮｉ−Ｍｎ、Ｍｎ−Ｉ
ｒ、Ｍｎ−Ｐｔの合金が使用できる。
【００２９】ここに述べ、また図１０に示したＭＴＪ素
子は、Ａｌ2Ｏ3トンネル・バリア層２０の上部と自由強
磁性層３２の間に非強磁性層が挿入されるが、素子はま
た、ピン止め強磁性層１８とトンネル・バリア層２０の
間に非強磁性層を挿入しても形成できる。同様に、ここ
に述べ図示した本発明のＭＴＪ素子は、基板付近の下部
にピン止め強磁性層１８を持つが、素子はまた最初に自
由強磁性層３２を被着し、次にトンネル・バリア層２
０、ピン止め強磁性層１８及び反強磁性層１６を被着す
ることによっても形成できる。このようなＭＴＪ素子
は、層が基本的には図１０に示したＭＴＪ素子とは反転
した形になる。非強磁性層はまた、このような反転した
ＭＴＪ素子のトンネル・バリア層のいずれの側面にも挿
入できる。またトンネル・バリア層界面に非強磁性層を
持つ本発明のＭＴＪ素子は、ピン止め強磁性層のモーメ
ントが、図１６に示すような、反強磁性層との界面交換
結合以外の手法により固定される部分に使用することが
できる。この実施例の場合、固定強磁性層１８"は、印
加磁界が好都合な範囲にあるとき、この層のモーメント
が基本的に、その固有の磁気異方性により固定またはピ
ン止めされるように、保磁力の高い強磁性物質を含む。
また層１８"のこの強磁性物質はゼロ磁界に近い磁界の
残留モーメントがなければならず、これは、大きい磁界
でのこの物質のモーメントの主要な部分である。適切な
強磁性物質は、Ｃｏ及びＣｏＰｔＣｒの三元合金（Ｃｏ
75Ｐｔ12Ｃｒ13等）、ＣｏＣｒＴａの三元合金、ＣｏＰ
ｔの二元合金等、他の元素との合金である。図１６に示
すように、層１８"の磁性は、それが成長するシード層
１２"により影響を受け得る。例えばＣｏＰｔＣｒに適
切なシード層はＣｒの層である。
子は、Ａｌ2Ｏ3トンネル・バリア層２０の上部と自由強
磁性層３２の間に非強磁性層が挿入されるが、素子はま
た、ピン止め強磁性層１８とトンネル・バリア層２０の
間に非強磁性層を挿入しても形成できる。同様に、ここ
に述べ図示した本発明のＭＴＪ素子は、基板付近の下部
にピン止め強磁性層１８を持つが、素子はまた最初に自
由強磁性層３２を被着し、次にトンネル・バリア層２
０、ピン止め強磁性層１８及び反強磁性層１６を被着す
ることによっても形成できる。このようなＭＴＪ素子
は、層が基本的には図１０に示したＭＴＪ素子とは反転
した形になる。非強磁性層はまた、このような反転した
ＭＴＪ素子のトンネル・バリア層のいずれの側面にも挿
入できる。またトンネル・バリア層界面に非強磁性層を
持つ本発明のＭＴＪ素子は、ピン止め強磁性層のモーメ
ントが、図１６に示すような、反強磁性層との界面交換
結合以外の手法により固定される部分に使用することが
できる。この実施例の場合、固定強磁性層１８"は、印
加磁界が好都合な範囲にあるとき、この層のモーメント
が基本的に、その固有の磁気異方性により固定またはピ
ン止めされるように、保磁力の高い強磁性物質を含む。
また層１８"のこの強磁性物質はゼロ磁界に近い磁界の
残留モーメントがなければならず、これは、大きい磁界
でのこの物質のモーメントの主要な部分である。適切な
強磁性物質は、Ｃｏ及びＣｏＰｔＣｒの三元合金（Ｃｏ
75Ｐｔ12Ｃｒ13等）、ＣｏＣｒＴａの三元合金、ＣｏＰ
ｔの二元合金等、他の元素との合金である。図１６に示
すように、層１８"の磁性は、それが成長するシード層
１２"により影響を受け得る。例えばＣｏＰｔＣｒに適
切なシード層はＣｒの層である。
【００３０】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００３１】 （１）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＡｕ
であり、前記強磁性層の１つがＣｏであることを特徴と
する磁気トンネル接合素子。 （２）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＡｕ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ８１Ｆｅ１９である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （３）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層が２０
オングストロームの厚みのＡｇであり、前記強磁性層の
１つがＣｏであることを特徴とする磁気トンネル接合素
子。 （４）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＡｇ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ４０Ｆｅ６０である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （５）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層が２０
オングストロームの厚みのＣｕであり、前記強磁性層の
１つがＣｏであることを特徴とする磁気トンネル接合素
子。 （６）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＣｕ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ４０Ｆｅ６０である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （７）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＣｕ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ８１Ｆｅ１９である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （８）前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁化方向は、
印加磁界がないとき互いに事実上平行または逆平行であ
る、前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、
（６）又は（７）に記載の磁気トンネル接合素子。 （９）前記自由強磁性層の磁化方向は、印加磁界がない
ときピン止め強磁性層の磁化方向に対して事実上垂直で
ある、前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、
（６）又は（７）に記載の磁気トンネル接合素子。 （１０）前記第１電極の固定強磁性層と接触し、前記固
定強磁性層の磁化をその好適な方向でピン止めする反強
磁性層を含む、前記（１）、（２）、（３）、（４）、
（５）、（６）又は（７）に記載の磁気トンネル接合素
子。 （１１）前記固定強磁性層は、印加磁界があるとき、そ
の磁化がその固有の磁気異方性により固定されるのに充
分な大きさの保磁力がある、前記（１）、（２）、
（３）、（４）、（５）、（６）又は（７）に記載の磁
気トンネル接合素子。 （１２）前記第１電極は、前記基板と前記絶縁トンネル
層の間に位置する、前記（１）、（２）、（３）、
（４）、（５）、（６）又は（７）に記載の磁気トンネ
ル接合素子。 （１３）前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネル層と
前記自由強磁性層の間に位置しそれらと接触した、前記
（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）又は
（７）に記載の磁気トンネル接合素子。 （１４）２つの磁気状態を有し、不揮発性磁気メモリ・
アレイの個々のメモリ・セルの磁気状態を変化させ検出
する読取り／書込み回路に接続された該アレイに使用で
きる、磁気トンネル接合メモリ・セルであって、前記読
取り／書込み回路からの電流により生じた印加磁界があ
るときに好適な方向でモーメントが固定された固定強磁
性層と、前記読取り／書込み回路からの電流により生じ
た印加磁界にあるとき、前記固定強磁性層のモーメント
に対してほぼ平行な方向と逆平行な方向の間でモーメン
トが自由に回転可能な自由強磁性層と、前記固定強磁性
層と前記自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層
と自由強磁性層に対してほぼ垂直な方向にトンネル電流
を流すことのできる絶縁トンネル・バリア層と、前記絶
縁トンネル・バリア層と前記強磁性層の１つの間に位置
してそれらと接触し、間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする非強磁性界面
層と、を含み、よって前記強磁性層が読取り／書込み回
路に接続されたとき、前記強磁性層に対してほぼ垂直な
方向に前記絶縁トンネル・バリア層を流れる電流に対す
る電気抵抗は、前記自由強磁性層の平行なまたは逆平行
なモーメントによって決定され、よって前記電気抵抗の
値から前記メモリ・セルの磁気状態が決定可能である、
磁気トンネル接合メモリ・セル。 （１５）前記固定強磁性層と接触して、界面交換結合に
より前記固定強磁性層の磁化をその好適な方向にピン止
めする反強磁性層を含む、前記（１４）記載の磁気トン
ネル接合メモリ・セル。 （１６）前記固定強磁性層は、印加磁界があるとき、そ
の磁化がその固有の磁気異方性により固定されるのに充
分な大きさの保磁力を持つ、前記（１４）記載の磁気ト
ンネル接合メモリ・セル。 （１７）前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネル・バ
リア層と自由強磁性層の間に位置しそれらと接触した、
前記（１４）記載の磁気トンネル接合メモリ・セル。 （１８）前記自由強磁性層の物質は、Ｃｏ、Ｃｏの合
金、及びＮｉＦｅの合金で構成されたグループから選択
される、前記（１７）記載の磁気トンネル接合メモリ・
セル。 （１９）前記非強磁性界面層の物質は、Ｃｕ、Ａｇ、及
びＡｕで構成されたグループから選択される、前記（１
４）記載の磁気トンネル接合メモリ・セル。 （２０）外部磁界を検出する磁気トンネル接合磁界セン
サであって、検出される外部磁界の範囲内の印加磁界が
あるとき、モーメントが好適な方向に固定される固定強
磁性層と、印加磁界がないとき、モーメントが前記固定
強磁性層のモーメントにほぼ垂直な方向を向き、検出さ
れる外部磁界の範囲内の印加磁界があるとき、モーメン
トが前記垂直な方向から離れるよう自由に回転可能な自
由強磁性層と、前記固定強磁性層と自由強磁性層の間に
位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層に対してほぼ
垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶縁トン
ネル・バリア層と、前記絶縁トンネル・バリア層と前記
強磁性層の１つの間に位置し、それらと接触して、間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする非強磁性界面層と、を含み、よって前記
強磁性層が、検出される外部磁界の影響下にあるとき、
前記自由強磁性層のモーメントは、前記固定強磁性層の
モーメントに対してその向きを変え、前記強磁性層に対
してほぼ垂直な方向の前記絶縁トンネル・バリア層を流
れる電流に対する電気抵抗が変化し、よって外部磁界が
検出可能になる、磁気トンネル接合磁界センサ。 （２１）前記固定強磁性層と接触して、界面交換結合に
より前記固定強磁性層の磁化をその好適な方向にピン止
めする反強磁性層を含む、前記（２０）記載の磁気トン
ネル接合センサ。 （２２）前記固定強磁性層は、検出される外部磁界の範
囲内の磁界強度を持つ印加磁界があるとき、その磁化が
その固有の磁気異方性により固定されるのに充分な大き
さの保磁力を持つ、前記（２０）記載の磁気トンネル接
合センサ。 （２３）前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネル・バ
リア層と自由強磁性層の間に位置してそれらと接触し
た、前記（２０）記載の磁気トンネル接合センサ。 （２４）前記自由強磁性層の物質は、Ｃｏ、Ｃｏの合
金、及びＮｉＦｅの合金で構成されたグループから選択
される、前記（２３）記載の磁気トンネル接合センサ。 （２５）前記非強磁性界面層の物質は、Ｃｕ、Ａｇ、及
びＡｕで構成されたグループから選択される、前記（２
０）記載の磁気トンネル接合センサ。
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＡｕ
であり、前記強磁性層の１つがＣｏであることを特徴と
する磁気トンネル接合素子。 （２）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＡｕ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ８１Ｆｅ１９である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （３）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層が２０
オングストロームの厚みのＡｇであり、前記強磁性層の
１つがＣｏであることを特徴とする磁気トンネル接合素
子。 （４）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＡｇ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ４０Ｆｅ６０である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （５）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層が２０
オングストロームの厚みのＣｕであり、前記強磁性層の
１つがＣｏであることを特徴とする磁気トンネル接合素
子。 （６）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＣｕ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ４０Ｆｅ６０である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （７）印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向に固定
された固定強磁性層を含む第１電極と、印加磁界が存在
するとき磁化が自由に回転可能な自由強磁性層を含む第
２電極と、前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電
極の自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自
由強磁性層にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すこと
のできる絶縁トンネル層と、前記絶縁トンネル層と前記
強磁性層の１つの間に位置し且つそれらと接触して間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする、非強磁性界面層と、前記第１及び第２
の電極、絶縁トンネル層、並びに非強磁性界面層が上側
に形成された基板とを含み、前記非強磁性界面層がＣｕ
であり、前記強磁性層の１つがＮｉ８１Ｆｅ１９である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 （８）前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁化方向は、
印加磁界がないとき互いに事実上平行または逆平行であ
る、前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、
（６）又は（７）に記載の磁気トンネル接合素子。 （９）前記自由強磁性層の磁化方向は、印加磁界がない
ときピン止め強磁性層の磁化方向に対して事実上垂直で
ある、前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、
（６）又は（７）に記載の磁気トンネル接合素子。 （１０）前記第１電極の固定強磁性層と接触し、前記固
定強磁性層の磁化をその好適な方向でピン止めする反強
磁性層を含む、前記（１）、（２）、（３）、（４）、
（５）、（６）又は（７）に記載の磁気トンネル接合素
子。 （１１）前記固定強磁性層は、印加磁界があるとき、そ
の磁化がその固有の磁気異方性により固定されるのに充
分な大きさの保磁力がある、前記（１）、（２）、
（３）、（４）、（５）、（６）又は（７）に記載の磁
気トンネル接合素子。 （１２）前記第１電極は、前記基板と前記絶縁トンネル
層の間に位置する、前記（１）、（２）、（３）、
（４）、（５）、（６）又は（７）に記載の磁気トンネ
ル接合素子。 （１３）前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネル層と
前記自由強磁性層の間に位置しそれらと接触した、前記
（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）又は
（７）に記載の磁気トンネル接合素子。 （１４）２つの磁気状態を有し、不揮発性磁気メモリ・
アレイの個々のメモリ・セルの磁気状態を変化させ検出
する読取り／書込み回路に接続された該アレイに使用で
きる、磁気トンネル接合メモリ・セルであって、前記読
取り／書込み回路からの電流により生じた印加磁界があ
るときに好適な方向でモーメントが固定された固定強磁
性層と、前記読取り／書込み回路からの電流により生じ
た印加磁界にあるとき、前記固定強磁性層のモーメント
に対してほぼ平行な方向と逆平行な方向の間でモーメン
トが自由に回転可能な自由強磁性層と、前記固定強磁性
層と前記自由強磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層
と自由強磁性層に対してほぼ垂直な方向にトンネル電流
を流すことのできる絶縁トンネル・バリア層と、前記絶
縁トンネル・バリア層と前記強磁性層の１つの間に位置
してそれらと接触し、間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする非強磁性界面
層と、を含み、よって前記強磁性層が読取り／書込み回
路に接続されたとき、前記強磁性層に対してほぼ垂直な
方向に前記絶縁トンネル・バリア層を流れる電流に対す
る電気抵抗は、前記自由強磁性層の平行なまたは逆平行
なモーメントによって決定され、よって前記電気抵抗の
値から前記メモリ・セルの磁気状態が決定可能である、
磁気トンネル接合メモリ・セル。 （１５）前記固定強磁性層と接触して、界面交換結合に
より前記固定強磁性層の磁化をその好適な方向にピン止
めする反強磁性層を含む、前記（１４）記載の磁気トン
ネル接合メモリ・セル。 （１６）前記固定強磁性層は、印加磁界があるとき、そ
の磁化がその固有の磁気異方性により固定されるのに充
分な大きさの保磁力を持つ、前記（１４）記載の磁気ト
ンネル接合メモリ・セル。 （１７）前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネル・バ
リア層と自由強磁性層の間に位置しそれらと接触した、
前記（１４）記載の磁気トンネル接合メモリ・セル。 （１８）前記自由強磁性層の物質は、Ｃｏ、Ｃｏの合
金、及びＮｉＦｅの合金で構成されたグループから選択
される、前記（１７）記載の磁気トンネル接合メモリ・
セル。 （１９）前記非強磁性界面層の物質は、Ｃｕ、Ａｇ、及
びＡｕで構成されたグループから選択される、前記（１
４）記載の磁気トンネル接合メモリ・セル。 （２０）外部磁界を検出する磁気トンネル接合磁界セン
サであって、検出される外部磁界の範囲内の印加磁界が
あるとき、モーメントが好適な方向に固定される固定強
磁性層と、印加磁界がないとき、モーメントが前記固定
強磁性層のモーメントにほぼ垂直な方向を向き、検出さ
れる外部磁界の範囲内の印加磁界があるとき、モーメン
トが前記垂直な方向から離れるよう自由に回転可能な自
由強磁性層と、前記固定強磁性層と自由強磁性層の間に
位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層に対してほぼ
垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶縁トン
ネル・バリア層と、前記絶縁トンネル・バリア層と前記
強磁性層の１つの間に位置し、それらと接触して、間隔
を広げ、よって前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁気
結合を弱くする非強磁性界面層と、を含み、よって前記
強磁性層が、検出される外部磁界の影響下にあるとき、
前記自由強磁性層のモーメントは、前記固定強磁性層の
モーメントに対してその向きを変え、前記強磁性層に対
してほぼ垂直な方向の前記絶縁トンネル・バリア層を流
れる電流に対する電気抵抗が変化し、よって外部磁界が
検出可能になる、磁気トンネル接合磁界センサ。 （２１）前記固定強磁性層と接触して、界面交換結合に
より前記固定強磁性層の磁化をその好適な方向にピン止
めする反強磁性層を含む、前記（２０）記載の磁気トン
ネル接合センサ。 （２２）前記固定強磁性層は、検出される外部磁界の範
囲内の磁界強度を持つ印加磁界があるとき、その磁化が
その固有の磁気異方性により固定されるのに充分な大き
さの保磁力を持つ、前記（２０）記載の磁気トンネル接
合センサ。 （２３）前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネル・バ
リア層と自由強磁性層の間に位置してそれらと接触し
た、前記（２０）記載の磁気トンネル接合センサ。 （２４）前記自由強磁性層の物質は、Ｃｏ、Ｃｏの合
金、及びＮｉＦｅの合金で構成されたグループから選択
される、前記（２３）記載の磁気トンネル接合センサ。 （２５）前記非強磁性界面層の物質は、Ｃｕ、Ａｇ、及
びＡｕで構成されたグループから選択される、前記（２
０）記載の磁気トンネル接合センサ。
【図１】先に引用した出願に従い、メモリ・セルに用い
るため構成され、ＭＴＪ素子を囲む絶縁物質内に自己整
合コンタクト・ホールを持つＭＴＪ素子の断面図であ
る。
るため構成され、ＭＴＪ素子を囲む絶縁物質内に自己整
合コンタクト・ホールを持つＭＴＪ素子の断面図であ
る。
【図２】先に引用した出願に従い、メモリ・セルに用い
るため構成され、ＭＴＪ素子を囲む絶縁物質内に自己整
合コンタクト・ホールを持つＭＴＪ素子の平面図であ
る。
るため構成され、ＭＴＪ素子を囲む絶縁物質内に自己整
合コンタクト・ホールを持つＭＴＪ素子の平面図であ
る。
【図３】平坦化された自己整合コンタクト・ホールを持
ち、ＭＴＪの全ての層が同じ隣接したサイド・エッジを
持つ、図１と同様のＭＴＪ素子の断面図である。
ち、ＭＴＪの全ての層が同じ隣接したサイド・エッジを
持つ、図１と同様のＭＴＪ素子の断面図である。
【図４】先に引用した出願に従い、磁界検出に用いるた
め構成され、平坦化された自己整合コンタクト・ホール
を持つＭＴＪ素子の断面図である。
め構成され、平坦化された自己整合コンタクト・ホール
を持つＭＴＪ素子の断面図である。
【図５】先に引用した出願に従い、磁界検出に用いるた
め構成され、平坦化された自己整合コンタクト・ホール
を持つＭＴＪ素子の平面図である。
め構成され、平坦化された自己整合コンタクト・ホール
を持つＭＴＪ素子の平面図である。
【図６】図１のＭＴＪ素子を構成する層の図である。
【図７】図６のＭＴＪ素子の典型的な磁気抵抗応答曲線
を示す図である。
を示す図である。
【図８】図７の磁気抵抗応答曲線のゼロ磁界付近の領域
を拡大し、応答がゼロ磁界を中心にしていない様子を示
す図である。
を拡大し、応答がゼロ磁界を中心にしていない様子を示
す図である。
【図９】層の平坦性がないことによるＭＴＪ素子の強磁
性層間の"オレンジの皮"結合を示す図である。
性層間の"オレンジの皮"結合を示す図である。
【図１０】図６のＭＴＪ素子の図と比較するため、本発
明のＭＴＪ素子を構成する層を示す図である。
明のＭＴＪ素子を構成する層を示す図である。
【図１１】図８と比較するため、トンネル・バリア層に
隣接したＣｕの非強磁性界面層の厚みに関して、本発明
のＭＴＪ素子のゼロ磁界付近の領域での磁気抵抗応答曲
線を示す図である。
隣接したＣｕの非強磁性界面層の厚みに関して、本発明
のＭＴＪ素子のゼロ磁界付近の領域での磁気抵抗応答曲
線を示す図である。
【図１２】図８と比較するため、トンネル・バリア層に
隣接したＣｕの非強磁性界面層の厚みに関して、本発明
のＭＴＪ素子のゼロ磁界付近の領域での磁気抵抗応答曲
線を示す図である。
隣接したＣｕの非強磁性界面層の厚みに関して、本発明
のＭＴＪ素子のゼロ磁界付近の領域での磁気抵抗応答曲
線を示す図である。
【図１３】図８と比較するため、トンネル・バリア層に
隣接したＣｕの非強磁性界面層の厚みに関して、本発明
のＭＴＪ素子のゼロ磁界付近の領域での磁気抵抗応答曲
線を示す図である。
隣接したＣｕの非強磁性界面層の厚みに関して、本発明
のＭＴＪ素子のゼロ磁界付近の領域での磁気抵抗応答曲
線を示す図である。
【図１４】Ｃｕ界面層の厚みの関数として、本発明のＭ
ＴＪのトンネル磁気抵抗を示す図である。
ＴＪのトンネル磁気抵抗を示す図である。
【図１５】図９と比較するため、層の平坦性がないこと
によるＭＴＪ素子の強磁性層間の"オレンジの皮"結合に
対する非強磁性界面層の影響を示す、本発明のＭＴＪ層
の図である。
によるＭＴＪ素子の強磁性層間の"オレンジの皮"結合に
対する非強磁性界面層の影響を示す、本発明のＭＴＪ層
の図である。
【図１６】固定強磁性層として保磁力の高いハード強磁
性層を持つ、本発明のＭＴＪ素子の図である。
性層を持つ、本発明のＭＴＪ素子の図である。
９ 基板 １０、１０' ベース電極多層スタック １１、１１'、１３ 延長部 １２ 第１シード層 １４ テンプレート強磁性層 １６ 反強磁性層 １８ ピン止め強磁性層 ２０、２０' 絶縁トンネル・バリア層 ３０、３０' 上部電極スタック ３１ 非強磁性層 ３２ 自由強磁性層 ３４ 保護層 ４０、４０' 絶縁層 ５０ 上部配線層 ７０ 上部接合電極スタック ７２ 強磁性層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−244477（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−63254（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−128719（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−106514（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−504303（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 G11C 11/15 ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (25)
- 【請求項１】印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向
に固定された固定強磁性層を含む第１電極と、 印加磁界が存在するとき磁化が自由に回転可能な自由強
磁性層を含む第２電極と、 前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電極の自由強
磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層
にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶
縁トンネル層と、 前記絶縁トンネル層と前記強磁性層の１つの間に位置し
且つそれらと接触して間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする、非強磁性界
面層と、 前記第１及び第２の電極、絶縁トンネル層、並びに非強
磁性界面層が上側に形成された基板とを含み、 前記非強磁性界面層がＡｕであり、前記強磁性層の１つ
がＣｏであることを特徴とする磁気トンネル接合素子。 - 【請求項２】印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向
に固定された固定強磁性層を含む第１電極と、 印加磁界が存在するとき磁化が自由に回転可能な自由強
磁性層を含む第２電極と、 前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電極の自由強
磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層
にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶
縁トンネル層と、 前記絶縁トンネル層と前記強磁性層の１つの間に位置し
且つそれらと接触して間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする、非強磁性界
面層と、 前記第１及び第２の電極、絶縁トンネル層、並びに非強
磁性界面層が上側に形成された基板とを含み、 前記非強磁性界面層がＡｕであり、前記強磁性層の１つ
がＮｉ８１Ｆｅ１９であることを特徴とする磁気トンネ
ル接合素子。 - 【請求項３】印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向
に固定された固定強磁性層を含む第１電極と、 印加磁界が存在するとき磁化が自由に回転可能な自由強
磁性層を含む第２電極と、 前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電極の自由強
磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層
にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶
縁トンネル層と、 前記絶縁トンネル層と前記強磁性層の１つの間に位置し
且つそれらと接触して間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする、非強磁性界
面層と、 前記第１及び第２の電極、絶縁トンネル層、並びに非強
磁性界面層が上側に形成された基板とを含み、 前記非強磁性界面層が２０オングストロームの厚みのＡ
ｇであり、前記強磁性層の１つがＣｏであることを特徴
とする磁気トンネル接合素子。 - 【請求項４】印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向
に固定された固定強磁性層を含む第１電極と、 印加磁界が存在するとき磁化が自由に回転可能な自由強
磁性層を含む第２電極と、 前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電極の自由強
磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層
にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶
縁トンネル層と、 前記絶縁トンネル層と前記強磁性層の１つの間に位置し
且つそれらと接触して間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする、非強磁性界
面層と、 前記第１及び第２の電極、絶縁トンネル層、並びに非強
磁性界面層が上側に形成された基板とを含み、 前記非強磁性界面層がＡｇであり、前記強磁性層の１つ
がＮｉ４０Ｆｅ６０であることを特徴とする磁気トンネ
ル接合素子。 - 【請求項５】印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向
に固定された固定強磁性層を含む第１電極と、 印加磁界が存在するとき磁化が自由に回転可能な自由強
磁性層を含む第２電極と、 前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電極の自由強
磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層
にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶
縁トンネル層と、 前記絶縁トンネル層と前記強磁性層の１つの間に位置し
且つそれらと接触して間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする、非強磁性界
面層と、 前記第１及び第２の電極、絶縁トンネル層、並びに非強
磁性界面層が上側に形成された基板とを含み、 前記非強磁性界面層が２０オングストロームの厚みのＣ
ｕであり、前記強磁性層の１つがＣｏであることを特徴
とする磁気トンネル接合素子。 - 【請求項６】印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向
に固定された固定強磁性層を含む第１電極と、 印加磁界が存在するとき磁化が自由に回転可能な自由強
磁性層を含む第２電極と、 前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電極の自由強
磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層
にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶
縁トンネル層と、 前記絶縁トンネル層と前記強磁性層の１つの間に位置し
且つそれらと接触して間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする、非強磁性界
面層と、 前記第１及び第２の電極、絶縁トンネル層、並びに非強
磁性界面層が上側に形成された基板とを含み、 前記非強磁性界面層がＣｕであり、前記強磁性層の１つ
がＮｉ４０Ｆｅ６０であることを特徴とする磁気トンネ
ル接合素子。 - 【請求項７】印加磁界が存在するとき磁化が好適な方向
に固定された固定強磁性層を含む第１電極と、 印加磁界が存在するとき磁化が自由に回転可能な自由強
磁性層を含む第２電極と、 前記第１電極の固定強磁性層と、前記第２電極の自由強
磁性層の間に位置し、前記固定強磁性層と自由強磁性層
にほぼ垂直な方向にトンネル電流を流すことのできる絶
縁トンネル層と、 前記絶縁トンネル層と前記強磁性層の１つの間に位置し
且つそれらと接触して間隔を広げ、よって前記固定強磁
性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする、非強磁性界
面層と、 前記第１及び第２の電極、絶縁トンネル層、並びに非強
磁性界面層が上側に形成された基板とを含み、 前記非強磁性界面層がＣｕであり、前記強磁性層の１つ
がＮｉ８１Ｆｅ１９であることを特徴とする磁気トンネ
ル接合素子。 - 【請求項８】前記固定強磁性層と自由強磁性層の磁化方
向は、印加磁界がないとき互いに事実上平行または逆平
行である、請求項１、２，３，４，５，６又は７に記載
の磁気トンネル接合素子。 - 【請求項９】前記自由強磁性層の磁化方向は、印加磁界
がないときピン止め強磁性層の磁化方向に対して事実上
垂直である、請求項１、２，３，４，５，６又は７に記
載の磁気トンネル接合素子。 - 【請求項１０】前記第１電極の固定強磁性層と接触し、
前記固定強磁性層の磁化をその好適な方向でピン止めす
る反強磁性層を含む、請求項１、２，３，４，５，６又
は７に記載の磁気トンネル接合素子。 - 【請求項１１】前記固定強磁性層は、印加磁界があると
き、その磁化がその固有の磁気異方性により固定される
のに充分な大きさの保磁力がある、請求項１、２，３，
４，５，６又は７に記載の磁気トンネル接合素子。 - 【請求項１２】前記第１電極は、前記基板と前記絶縁ト
ンネル層の間に位置する、請求項１、２，３，４，５，
６又は７に記載の磁気トンネル接合素子。 - 【請求項１３】前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネ
ル層と前記自由強磁性層の間に位置しそれらと接触し
た、請求項１、２，３，４，５，６又は７に記載の磁気
トンネル接合素子。 - 【請求項１４】２つの磁気状態を有し、不揮発性磁気メ
モリ・アレイの個々のメモリ・セルの磁気状態を変化さ
せ検出する読取り／書込み回路に接続された該アレイに
使用できる、磁気トンネル接合メモリ・セルであって、 前記読取り／書込み回路からの電流により生じた印加磁
界があるときに好適な方向でモーメントが固定された固
定強磁性層と、 前記読取り／書込み回路からの電流により生じた印加磁
界にあるとき、前記固定強磁性層のモーメントに対して
ほぼ平行な方向と逆平行な方向の間でモーメントが自由
に回転可能な自由強磁性層と、 前記固定強磁性層と前記自由強磁性層の間に位置し、前
記固定強磁性層と自由強磁性層に対してほぼ垂直な方向
にトンネル電流を流すことのできる絶縁トンネル・バリ
ア層と、 前記絶縁トンネル・バリア層と前記強磁性層の１つの間
に位置してそれらと接触し、間隔を広げ、よって前記固
定強磁性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする非強磁
性界面層と、を含み、 よって前記強磁性層が読取り／書込み回路に接続された
とき、前記強磁性層に対してほぼ垂直な方向に前記絶縁
トンネル・バリア層を流れる電流に対する電気抵抗は、
前記自由強磁性層の平行なまたは逆平行なモーメントに
よって決定され、よって前記電気抵抗の値から前記メモ
リ・セルの磁気状態が決定可能である、磁気トンネル接
合メモリ・セル。 - 【請求項１５】前記固定強磁性層と接触して、界面交換
結合により前記固定強磁性層の磁化をその好適な方向に
ピン止めする反強磁性層を含む、請求項１４記載の磁気
トンネル接合メモリ・セル。 - 【請求項１６】前記固定強磁性層は、印加磁界があると
き、その磁化がその固有の磁気異方性により固定される
のに充分な大きさの保磁力を持つ、請求項１４記載の磁
気トンネル接合メモリ・セル。 - 【請求項１７】前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネ
ル・バリア層と自由強磁性層の間に位置しそれらと接触
した、請求項１４記載の磁気トンネル接合メモリ・セ
ル。 - 【請求項１８】前記自由強磁性層の物質は、Ｃｏ、Ｃｏ
の合金、及びＮｉＦｅの合金で構成されたグループから
選択される、請求項１７記載の磁気トンネル接合メモリ
・セル。 - 【請求項１９】前記非強磁性界面層の物質は、Ｃｕ、Ａ
ｇ、及びＡｕで構成されたグループから選択される、請
求項１４記載の磁気トンネル接合メモリ・セル。 - 【請求項２０】外部磁界を検出する磁気トンネル接合磁
界センサであって、 検出される外部磁界の範囲内の印加磁界があるとき、モ
ーメントが好適な方向に固定される固定強磁性層と、 印加磁界がないとき、モーメントが前記固定強磁性層の
モーメントにほぼ垂直な方向を向き、検出される外部磁
界の範囲内の印加磁界があるとき、モーメントが前記垂
直な方向から離れるよう自由に回転可能な自由強磁性層
と、 前記固定強磁性層と自由強磁性層の間に位置し、前記固
定強磁性層と自由強磁性層に対してほぼ垂直な方向にト
ンネル電流を流すことのできる絶縁トンネル・バリア層
と、 前記絶縁トンネル・バリア層と前記強磁性層の１つの間
に位置し、それらと接触して、間隔を広げ、よって前記
固定強磁性層と自由強磁性層の磁気結合を弱くする非強
磁性界面層と、を含み、 よって前記強磁性層が、検出される外部磁界の影響下に
あるとき、前記自由強磁性層のモーメントは、前記固定
強磁性層のモーメントに対してその向きを変え、前記強
磁性層に対してほぼ垂直な方向の前記絶縁トンネル・バ
リア層を流れる電流に対する電気抵抗が変化し、よって
外部磁界が検出可能になる、 磁気トンネル接合磁界センサ。 - 【請求項２１】前記固定強磁性層と接触して、界面交換
結合により前記固定強磁性層の磁化をその好適な方向に
ピン止めする反強磁性層を含む、請求項２０記載の磁気
トンネル接合センサ。 - 【請求項２２】前記固定強磁性層は、検出される外部磁
界の範囲内の磁界強度を持つ印加磁界があるとき、その
磁化がその固有の磁気異方性により固定されるのに充分
な大きさの保磁力を持つ、請求項２０記載の磁気トンネ
ル接合センサ。 - 【請求項２３】前記非強磁性界面層は、前記絶縁トンネ
ル・バリア層と自由強磁性層の間に位置してそれらと接
触した、請求項２０記載の磁気トンネル接合センサ。 - 【請求項２４】前記自由強磁性層の物質は、Ｃｏ、Ｃｏ
の合金、及びＮｉＦｅの合金で構成されたグループから
選択される、請求項２３記載の磁気トンネル接合セン
サ。 - 【請求項２５】前記非強磁性界面層の物質は、Ｃｕ、Ａ
ｇ、及びＡｕで構成されたグループから選択される、請
求項２０記載の磁気トンネル接合センサ。
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