JP3469529B2

JP3469529B2 - 金属絶縁体転移によるスイッチング現象を利用した磁気抵抗素子

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Publication number: JP3469529B2
Application number: JP2000067660A
Authority: JP
Inventors: 泰史荻本; 好紀十倉; 雅司川崎; 真和泉; 隆志眞子; 泰秀富岡; 剛木村
Original assignee: NEC Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Sharp Corp
Current assignee: NEC Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Sharp Corp
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2003-11-25
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001257396A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気ヘッドや磁気メ
モリに用いられる金属絶縁体転移によるスイッチング現
象を利用した磁気抵抗素子に関する。特に、膜厚１００
ｎｍ以下の酸化物薄膜磁性体を用いた磁気抵抗素子で、
従来のものに比べて、より低磁場で磁気抵抗効果の得ら
れる磁気抵抗素子に関している。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気ディスクの高密度化は年率１
００％を越えるに到り、製品レベルでは１１Ｇｂ／ｉｎ
²（ｉｎ²＝約６．４５ｃｍ²）、研究レベルでは３６Ｇ
ｂ／ｉｎ²の高密度化が実現されるなどその高密度化の
進展においては、目覚ましいものがある。また、磁性体
を記憶媒体に用いることでその不揮発性という特長を生
かし、従来のＤＲＡＭやフラッシュメモリなどに代表さ
れる半導体メモリを凌ぐ究極のメモリとしてＭＲＡＭ
（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅ
ｍｏｒｙ）と呼ばれる固体素子の磁気メモリの開発も注
目を集めている。このような磁気ディスク、あるいはＭ
ＲＡＭの高密度化は、記録された磁気信号を読み出す磁
気抵抗素子の性能向上によるところが大きい。

【０００３】磁気抵抗素子はその用途に応じ、様々な特
性が要求されるが、なかでも磁場強度に依存した電気抵
抗の変化の指標である磁気抵抗比の向上が磁気抵抗素子
の性能向上においては重要となる。その他、以下に示す
素子サイズ、動作磁場等も重要な要素となる。

【０００４】素子サイズについては、上記磁気ディスク
に使用する磁気ヘッドや上記ＭＲＡＭ等への応用を念頭
においた場合、膜厚は少なくとも１００ｎｍ以下にする
ことが望まれる。なぜならば、磁気ヘッド応用において
は、磁気抵抗素子部の膜厚がビット長の再生分解能を制
限するため膜厚は記録される最短ビット長とほぼ同程度
にまで薄くすることが必要となるためであり、また、Ｍ
ＲＡＭ応用においては、磁気抵抗素子部の膜厚が厚い場
合、素子の段差が大きくなるに応じて層間絶縁膜を厚く
する結果生じる膜剥離の問題、あるいは配線の段差が大
きくなり配線切れが発生しやすくなる問題などが集積化
のうえで大きな障害をもたらすためである。

【０００５】さらに、磁気抵抗効果を得るに必要な磁場
（動作磁場）が高い場合、磁気ヘッドやＭＲＡＭ動作に
おけるバイアス磁場を高くすることが必要になるため、
消費電力が大きくなり、最終的には素子破壊などを引き
起こす問題がある。このように、磁気抵抗素子としては
より薄い薄膜において、いかにしてより大きな磁気抵抗
をより低磁場で実現させるのかが重要となる。

【０００６】現在、実用化されている磁気抵抗素子とし
てはＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素
子や、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ−ＭＲ）素子と呼ばれる金属
磁性体薄膜からなるものがあげられる。これらの磁気抵
抗はＭＲ素子で２％前後、ＧＭＲ素子で４〜７％前後で
ある。ＧＭＲ素子において実用化されているのはスピン
バルブと呼ばれる薄膜積層構造を有する素子であり、金
属磁性体材料を用いた反強磁性層／強磁性層／金属非磁
性層／強磁性層といった薄膜多層構造からなる。

【０００７】一方、上記のＭＲ、ＧＭＲ素子とは異な
り、金属絶縁体転移を磁気抵抗効果の原理として利用す
るものとして、マンガンを含む酸化物ペロフスカイト材
料からなる磁気抵抗素子が単結晶材料を中心に精力的に
研究されている。例えば特許第２６８５７２１号公報に
は、Ｐｒ_1-xＭ_xＭｎＯ₃（ＭはＣａ、またはＳｒ、ｘは
０．３〜０．５）においてＭｎ³⁺イオンとＭｎ⁴⁺イオン
が整列する電荷整列相（絶縁体）に磁場を印加すること
で電荷整列相を崩壊し絶縁体から金属へ転移するスイッ
チング現象（数％に及ぶ格子変化を伴う）を利用した単
結晶の磁気抵抗素子が記載されている。

【０００８】本発明もまた、金属絶縁体転移におけるス
イッチング現象を磁気抵抗効果の原理として利用するも
のである。

【０００９】この金属絶縁体転移によるスイッチング現
象は電荷整列転移温度以下の広い温度範囲で得られ、数
桁に及ぶ抵抗変化が起こる。このため、その磁気抵抗比
は上記ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子で得られている磁気抵抗
比よりもはるかに大きく次世代の磁気抵抗素子として注
目を集めている。なお、磁気抵抗比として１００％を越
える表記は、磁気抵抗比を以下の数１により定義してい
るためである。

【数１】ここで、Ｒ（０）とは印加磁場が０の時の電気抵抗を示
し、Ｒ（Ｈ）とは磁場Ｈが印加された時の電気抵抗を示
している。

【００１０】この電荷整列状態（絶縁体）から金属へス
イッチングさせるには、一般に大きな磁場が必要である
が、クロムやコバルトなどの不純物をマンガンサイトに
数％ドーピングすることにより電荷整列相を不安定化す
ることでスイッチングするに必要な磁場を著しく小さく
することが可能であることが、例えば、文献（Ｊ．Ｓｏ
ｌｉｄＳｔａｔｅＣｈｅｍ．，Ｖｏｌ．１３０，
Ｐ．１６２（１９９７））に記載されている。

【００１１】このように、電荷整列相のスイッチング現
象によれば大きな磁気抵抗比が期待される。しかし、高
密度記録において必要となる薄膜化についての従来例は
少ない。ここで、薄膜とは１００ｎｍ以下の膜厚を示
す。

【００１２】２００〜１０００ｎｍ程度の厚い膜での報
告は、いくつかあるものの、応用上望まれる１００ｎｍ
以下の膜厚での報告は非常に少なく、発明者の知る限り
では、文献（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏ
ｌ．７５，Ｐ．１４７３（１９９９））があげられるの
みである。この文献には、ＳｒＴｉＯ₃単結晶基板とＬ
ａＡｌＯ₃単結晶基板上とのそれぞれの基板上に、多結
晶や単結晶で電荷整列を示す膜厚６０ｎｍのＳｍ_0.5Ｓ
ｒ_0.5ＭｎＯ₃層を形成し、０〜７Ｔの磁場を印加し約５
〜３００Ｋの温度範囲で、その抵抗率の温度変化を四探
針法により測定した結果が報告されている。この文献で
は、そのうちの、ＳｒＴｉＯ₃単結晶基板上の膜厚６０
ｎｍのＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃層において５Ｔ以上の磁
場印加により磁気抵抗が得られる事が報告されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の金属絶
縁体転移によるスイッチング現象を利用した磁気抵抗素
子では、磁気記憶装置に適用できるほどの低磁場では、
充分な磁気抵抗効果が得られていない。例えば、既に報
告された中で最も顕著な特性を示すＳｒＴｉＯ₃単結晶
基板上のＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃薄膜においても５Ｔよ
り低い磁場印加においては実用上充分な磁気抵抗効果が
得らていない。

【００１４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、磁気記憶装置への実用化において必須
である薄膜構造において、従来知られているものより低
磁場で、あるいは、同じ磁場でより大きな磁気抵抗比を
示す金属絶縁体転移によるスイッチング現象を利用した
磁気抵抗素子を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本特許の発明者らは、金
属絶縁体転移を示す薄膜とその薄膜の形成される基板と
の関係において、磁気抵抗を得るに適した関係があるこ
とを発見した。これは、金属絶縁体転移を示す薄膜にお
いて、その面内格子定数が、その薄膜の形成される基板
の面内格子定数と一致するようにエピタキシャル成長し
た単結晶薄膜においては、基板によって薄膜の面内格子
がクランプされるため多結晶や単結晶のようには格子が
自由に変形することができなくなることに起因してい
る。これにより、数％もの大きな格子定数の変化を伴う
電荷整列相のスイッチングによる絶縁体から金属への転
移は大きな影響を受けることが分かった。すなわち、基
板から薄膜に作用する格子歪みが薄膜の抵抗率及び磁気
抵抗へ大きく影響を与えることから、金属絶縁体転移を
示す薄膜とその薄膜が形成される基板とにおいて磁気抵
抗を得るに適した格子定数についての関係があることが
分かる。

【００１６】この発見に基づいた、上記の目的を達成す
るための請求項１に記載の発明は、金属絶縁体転移によ
るスイッチング現象を利用した磁気抵抗素子で、単結晶
基板上に膜厚１００nm以下の磁性薄膜が形成されてなる
磁気抵抗素子において、該磁性薄膜の電気抵抗測定手段
が該磁性薄膜に接触してあるいは近接して設置され、該
磁性薄膜は電荷整列相を示すマンガンを含む酸化物ペロ
フスカイトにクロムをドープした磁性体からなり、か
つ、該磁性薄膜の基板面内の格子定数は基板面に垂直な
格子定数よりも小さいことを特徴としている。

【００１７】また、請求項２に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、電荷整列相を示
すマンガンを含む酸化物ペロフスカイトは、Ｐｒ_0.5Ｓ
ｒ_0.5ＭｎＯ₃、Ｎｄ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、あるいは、Ｓ
ｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、のＳｒを含む系のいずれか、ま
たは、Ｐｒ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃（０．３≦ｘ≦０．７）、
Ｎｄ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃（０．３≦ｘ≦０．７）、あるい
はＳｍ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃、（０．１５≦ｘ≦０．８５）
のＣａを含む系、のいずれかであることを特徴としてい
る。

【００１８】また、請求項３に記載の発明は、上記した
請求項２に記載の発明の構成に加えて、単結晶基板は、
ＬａＡｌＯ₃単結晶基板であることを特徴としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を詳
細に説明する。先ず本発明に係る磁気抵抗素子につい
て、（ａ）原理、の説明の後、（b）面内格子定数が基
板面に垂直な格子定数よりも大きいという関係にある引
っ張り歪みが作用した薄膜での磁気抵抗効果、（c）面
内格子定数が基板面に垂直な格子定数よりも小さいとい
う関係にある圧縮歪みが作用した薄膜での磁気抵抗効
果、が得られる事を説明する。

【００２０】（ａ）原理：まず、本発明の原理につい
て図２を用いて説明する。ここでは多結晶や単結晶の形
態において電荷整列相を示すマンガンを含む酸化物ペロ
フスカイトにクロムをドープした磁性体を磁性膜として
用い、擬立方晶として見積もった多結晶や単結晶試料で
の平均格子定数をａと表し、単結晶基板１の全ての面内
格子定数は簡単のため等しいとし、これをａ＊と表記し
て説明をすすめる。

【００２１】一般に、単結晶基板１にコヒーレントに成
長した単結晶薄膜２においては、単結晶薄膜２の面内格
子定数ａ_fは単結晶基板１の面内格子定数ａ＊と一致し
ている。図２（ａ）はａ＜ａ＊、すなわち多結晶や単結
晶試料での平均格子定数ａが単結晶基板１の面内格子定
数ａ＊よりも小さい場合に単結晶基板１にかかる応力を
示した断面図である。この場合、単結晶薄膜２の面内格
子定数ａ_fが単結晶基板１の面内格子定数ａ＊と一致す
る（ａ_f＝ａ＊）には単結晶薄膜２に引っ張り歪みが入
ることになり、単結晶薄膜２は体積を一定に保つように
基板面に垂直な方向の格子定数ｃを弾性変形の作用によ
り縮める（ａ_f＞ｃ）こととなる。図２（ｂ）はａ＞ａ
＊の場合、すなわち多結晶や単結晶試料での平均格子定
数ａが単結晶基板１の面内格子定数ａ＊よりも大きい場
合を示した断面図である。この場合、単結晶薄膜２の面
内格子定数ａ_fが単結晶基板１の面内格子定数ａ＊と一
致する（ａ_f＝ａ＊）には単結晶薄膜２に圧縮歪みが入
ることになり、同様に単結晶薄膜２は体積を一定に保つ
ように基板面に垂直な方向の格子定数ｃを弾性変形の作
用により延ばす（ａ_f＜ｃ）こととなる。

【００２２】一方、多結晶や単結晶試料においては、電
荷整列相での結晶格子は二軸が伸び一軸が縮んだ構造を
とり絶縁体となる。ところが、クロムを数％ドープした
系において金属になっている状態では、上記とは逆に、
格子定数は二軸が縮み、一軸が伸びた構造であり、なお
かつ、格子定数は概略等しい、すなわち格子の異方性が
小さい、値をとる。このことから、また、電荷整列相に
おいては絶縁体から金属への転移において数％に及ぶ格
子変化を伴うことからも、その抵抗率や磁気抵抗特性は
格子歪みに強く影響をうけることが分かる。

【００２３】これらのことから、発明者らは、単結晶薄
膜２に磁性膜を用いると、磁性膜の多結晶や単結晶試料
での平均格子定数ａと基板の格子定数ａ＊を適宜選択す
ることにより、電荷整列転移温度以下での相において、
電荷整列相を安定化する組み合わせと、電荷整列を不安
定化する組み合わせと、を実現できることを見い出し
た。

【００２４】すなわち、ａ＜ａ＊の関係となるような組
み合わせでは引っ張り歪みによる結果、ａ_f＞ｃとな
り、電荷整列が安定化され、一方、ａ＞ａ＊の関係とな
るような組み合わせでは圧縮歪みによる結果、ａ_f＜ｃ
となり、電荷整列が不安定化する。この理由を以下に詳
細に説明する。

【００２５】単結晶薄膜２の面内の格子定数ａ_fが単結
晶基板１の面内格子定数ａ＊と一致するようにエピタキ
シャル成長した単結晶薄膜２においては単結晶基板１に
よって単結晶薄膜２の格子がクランプされるため、引っ
張り歪みが作用した単結晶薄膜２においては予め面内の
二軸（＝ａ_f）が伸び、一軸（＝ｃ）が縮んだ格子のま
ま電荷整列転移温度以下に至ることになる。この単結晶
薄膜２の格子の異方性は多結晶や単結晶試料における電
荷整列相での格子の異方性に相当し、さらに単結晶薄膜
２の面内格子が単結晶基板１にクランプされることから
電荷整列相が安定化されることになる。

【００２６】したがって、引っ張り歪みが作用した単結
晶薄膜２においてはクロムをドープをしても格子は単結
晶基板１にクランプされているため多結晶や単結晶試料
で金属的な抵抗率を示す際に得られているような格子へ
変化することができず、その結果、電荷整列相は安定化
され多結晶や単結晶試料で見られるような低磁場での金
属への転移は抑制され、大きな磁気抵抗は得られにくく
なる。

【００２７】一方、圧縮歪みが作用した単結晶薄膜２に
おいては予め面内の二軸（＝ａ_f）が縮み、一軸（＝
ｃ）が伸びた格子のまま電荷整列転移温度以下に至るこ
とになる。この単結晶薄膜２の格子の異方性は多結晶や
単結晶試料における電荷整列相が崩壊し金属的な抵抗率
を示す際に得られる格子の異方性に相当し、電荷整列相
が不安定化されることになる。

【００２８】この時、圧縮歪みが作用した単結晶薄膜２
においては、クロムをドープすることで不安定化してい
た電荷整列相がより不安定化するため、より低い磁場印
加によっても抵抗変化（金属への転移）が発生し大きな
磁気抵抗が得られることになる。

【００２９】クロムをドープすることで電荷整列相が不
安定化する理由は、以下のように考えられる。すなわ
ち、クロムは化学的に安定であるため価数が揺らぎにく
くＣｒ ³⁺になると考えられるが、これは価数が固定した
Ｍｎ⁴⁺に相当する。すなわちクロムをドープすることは
ｅ_g電子軌道へホールをドーピングすることと等価と考
えられ二重交換相互作用を介してより低磁場での金属へ
の転移を促進することになると考えられるためである。

【００３０】以上説明したように本発明の磁気抵抗素子
により、薄膜構造において、より低磁場でより大きな磁
気抵抗効果を得ることが可能になる。

【００３１】本発明の単結晶基板に用いることが可能な
単結晶基板１としては、上記の格子定数の関係、ａ_f＜
ｃを満たすものであればよく、この関係を満たす良好な
単結晶基板１としてＬａＡｌＯ₃単結晶基板が最も好適
である。

【００３２】また、磁性膜３に用いることが可能な電荷
整列相を示すマンガンを含む酸化物ペロフスカイト構造
物質としては、Ｐｒ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、Ｎｄ_0.5Ｓｒ
_0.5ＭｎＯ₃、Ｓｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、などのＳｒを含
む系や、Ｐｒ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃（０．３≦ｘ≦０．
７）、Ｎｄ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃（０．３≦ｘ≦０．７）、
Ｓｍ₁ _-xＣａ_xＭｎＯ₃、（０．１５≦ｘ≦０．８５）等
のＣａを含む系があげられる。従来技術に示したＳｒを
含む系はＳｒ量が０．５から０．４５と僅かにずれても
電荷整列相から強磁性（金属）相へと変化するために組
成を厳密に制御しなければならないが、Ｃａを含む系
は、Ｃａ量をｘとして表記したように広い組成範囲にお
いて電荷整列相が得られるため、僅かな組成ずれによる
基底状態の変化がなく、薄膜を作製するうえでより好適
である。また、Ｃａを増やすと多結晶や単結晶試料での
格子定数が小さくなり、Ｃａ量により格子定数を調整で
きることから、上記単結晶基板１との組み合わせを格子
の異方性が小さくなるように調整できるという利点もあ
る。

【００３３】また、ドーピングするクロム量としては、
多量にドーピングすると異相などの発生による特性劣化
が起こることをも鑑み、１０％以下であることが望まし
い。この範囲内であれば、クロム量を調整することによ
り動作磁場の低減や磁気抵抗の増大を適宜図ることが可
能であるという利点もある。

【００３４】また、磁性膜３の膜厚は単結晶基板１との
格子定数のミスマッチの度合いにもよるが、数ｎｍ〜１
００ｎｍの範囲まで単結晶基板１の格子定数と一致した
面内の格子定数を持つ単結晶薄膜２を得ることができミ
スフィット転位などの欠陥を抑制することが可能な範囲
で適宜選択することが可能である。

【００３５】なお、磁性膜３上に形成する電極４として
は金電極がオーミックコンタクトをとりやすいものが好
適であるが、密着性を改善するなどの目的でその他の電
極材料を用いても本発明の趣旨に反するものではない。

【００３６】（ｂ）引っ張り歪みが作用した薄膜での磁
気抵抗：上記の原理を検証するために、本発明の比較例
として引っ張り歪みが作用した概略図１に示した構成を
持った磁気抵抗素子を作製した。以下に、その製造方法
と、測定により得られた磁気抵抗について説明する。

【００３７】単結晶基板１としては、格子定数が０．３
９１ｎｍのＳｒＴｉＯ₃単結晶基板、格子定数が０．３
８７ｎｍの（ＬａＡｌＯ₃）_0.3−（Ｓｒ₂ＡｌＴａＯ₆）
_0.7（以下、ＬＳＡＴと略記する）単結晶基板の２種類
を用いて、膜厚が４０〜６５ｎｍのＰｒ_0.5Ｃａ_0.5Ｍｎ
Ｏ₃薄膜を、クロムのドープ量をそれぞれ０、３、１０
％と変えて、レーザーアブレーション法により作製し
た。Ｐｒ_0.5Ｃａ_0.5ＭｎＯ₃の単結晶における平均の格
子定数は０．３８１ｎｍであり、格子不整合はそれぞれ
ＳｒＴｉＯ₃基板では２．４％、ＬＳＡＴ基板では１．
５％となる。

【００３８】まず、磁性薄膜３の作製方法を説明する。
単結晶基板１を真空チャンバー内に取り付けた後、２．
６６×１０^-6Ｐａ以下に真空排気した後に高純度の酸素
ガスを導入して１．３３×１０^-1Ｐａにし、８７５℃に
基板を加熱する。レーザーとしては波長２４８ｎｍのＫ
ｒＦエキシマレーザを用い、チャンバーのレーザー光導
入ポートにて１５０ｍＪのパワーを５Ｈｚでターゲット
に照射し成膜を行う。その後、酸素ガスをチャンバー内
に導入し、０．１ＭＰａの圧力下７００℃で３０分間の
アニールの後、６０分間かけて２７℃まで冷却する。

【００３９】ターゲットは固相反応法で作製した多結晶
材料をφ２０の円筒タブレットに成形したものを用いて
おり、その組成はストイキオメトリックであることを確
認している。

【００４０】磁性薄膜３がエピタキシャル成長した単結
晶薄膜であり面内の格子定数が単結晶基板１の面内格子
定数と一致しているかどうかについては四軸のＸ線回折
装置を用いて（１１４）反射を調べることで評価した。
ＳｒＴｉＯ₃基板上の膜ではミスマッチが２．４％と大
きいために僅かに格子が緩和しているが引っ張り歪みは
作用しており面内の格子定数は０．３８９ｎｍ、基板面
に垂直な格子定数は０．３７５ｎｍであった。また、Ｌ
ＳＡＴ基板上の膜ではミスマッチが１．５％ほどある
が、完全に基板の面内格子定数と一致し引っ張り歪みが
作用した膜が得られており、面内の格子定数は０．３８
７ｎｍ、基板面に垂直な格子定数は０．３７６ｎｍであ
った。この様に、上記のいずれの場合も引っ張り歪みが
作用していることが分かる。

【００４１】このようにして作製した磁性薄膜３上に１
５０ｎｍの厚みの電極４を抵抗加熱を用いた金蒸着法に
より形成した。図１に示すように電極４のパターンは四
探針法による測定が可能なようにメタルマスクを用いて
形成したものであり電極間ピッチは０．５ｍｍ、電極の
幅は約２ｍｍとしている。外側の１対の電極に電流を流
し内側の１対の電極間に生じる電圧を測定することで膜
の抵抗を測定し抵抗率を算出した。

【００４２】このようにして形成した試料のうちクロム
を１０％添加したもっとも磁気抵抗効果による抵抗変化
の得られやすい試料について、抵抗率の温度依存性を印
加磁場を０、３、４、５、６、７Ｔとかえながら４．２
〜４００Ｋの範囲で測定した。このとき磁場は膜面に平
行に印加している。図３（ａ）は、ＳｒＴｉＯ₃単結晶
基板上に作製した膜の抵抗率の温度依存性を示す図であ
る。横軸が温度であり縦軸は抵抗率を対数表示したもの
である。磁場を７Ｔまでかけても抵抗はほとんど低下せ
ず９０Ｋ以下の温度では抵抗率が１００Ωｃｍを越えて
測定装置の測定範囲外にまで抵抗が上昇することがわか
る。

【００４３】ついで、より詳細に調べるために３００
Ｋ、１７０Ｋ、１５０Ｋ、１３０Ｋ、１１０Ｋの各温度
で−７Ｔ〜７Ｔの範囲で磁場を印加し磁気抵抗を調べた
結果を図３（ｂ）に示す。横軸は印加磁場であり縦軸は
７Ｔ印加したときの抵抗Ｒに対する各印加磁場Ｈにおけ
る抵抗Ｒの比、Ｒ（Ｈ）／Ｒ（７Ｔ）を示している。こ
の図３（ｂ）で示したＨ＝０におけるＲ（Ｈ）／Ｒ（７
Ｔ）、すなわちＲ（０）／Ｒ（７Ｔ）の値から、前述の
数１により７Ｔの磁場を印加した際の磁気抵抗を求める
ことができる。この結果、３００Ｋではほとんど磁気抵
抗効果は得られず、もっとも大きな磁気抵抗比が得られ
た１１０Ｋの温度においても約１４０％にとどまり電荷
整列相を利用する磁気抵抗としては小さい値しか得られ
ないことがわかる。なお、これ以下の温度においては抵
抗が高すぎるために磁気抵抗は測定できなかった。

【００４４】図４（ａ）にはＬＳＡＴ単結晶基板上に作
製した膜の抵抗率の温度依存性を示した。図３（ａ）と
同様に横軸が温度であり縦軸は抵抗率を対数表示したも
のである。７Ｔまで磁場を印加しても抵抗率がほとんど
低下しないのはＳｒＴｉＯ₃単結晶基板上の膜と同様で
あり、９０Ｋ以下では同様に抵抗率が１００Ωｃｍを越
えて測定装置の測定範囲外にまで抵抗が上昇している。

【００４５】図４（ｂ）には、図３（ｂ）と同様に３０
０Ｋ、１７０Ｋ、１５０Ｋ、１３０Ｋ、１１０Ｋの各温
度で−７Ｔ〜７Ｔの範囲で磁場を印加し磁気抵抗を調べ
た結果を示した。図３（ｂ）と同様に横軸は印加磁場で
あり縦軸は、Ｒ（Ｈ）／Ｒ（７Ｔ）を示している。数１
により磁気抵抗比を求めると、ＳｒＴｉＯ₃単結晶基板
上の膜よりは幾分磁気抵抗比は大きくなっているが、最
も大きな磁気抵抗が得られた１１０Ｋの温度においても
１７０％に過ぎないことがわかった。

【００４６】以上説明したように、引っ張り歪みが作用
した単結晶薄膜においては、面内の格子定数が基板にク
ランプされ、基板面に垂直方向の格子定数よりも大きく
電荷整列相を安定化している。このため、クロムを１０
％ドープした膜においても磁気抵抗が抑制されることが
実際に確認できた。

【００４７】（c）面内格子定数が基板面に垂直な格子
定数よりも小さいという関係にある圧縮歪みが作用した
薄膜での磁気抵抗効果：次に、本発明の趣旨である、概
略図１に示した構成を持った磁気抵抗素子で圧縮歪みが
作用した薄膜での磁気抵抗を調べた結果を説明する。

【００４８】単結晶基板１としては、格子定数が０．３
７９ｎｍのＬａＡｌＯ₃単結晶基板を用いて、膜厚が４
０〜６５ｎｍのＰｒ_0.5Ｃａ_0.5ＭｎＯ₃薄膜をクロムの
ドープ量をそれぞれ０、３、１０％と変えてレーザーア
ブレーション法により作製した。格子不整合は−０．６
％となる。

【００４９】薄膜を作製方法は、上記の（ｂ）引っ張り
歪みが作用した薄膜での磁気抵抗、の項で説明した方法
と同様の方法で磁性膜３を作製した。但し、単結晶基板
１にＬａＡｌＯ₃基板を用いた点が異なっている。Ｌａ
ＡｌＯ₃基板上の膜は、完全に基板の面内格子定数と一
致し圧縮歪みが作用した膜が得られており、面内の格子
定数は０．３７９ｎｍ、基板面に垂直な格子定数は０．
３８７ｎｍであった。このことから、圧縮歪が作用して
いることがわかる。

【００５０】このようにして作製した磁性膜３に金電極
４を同様の方法で形成しクロムを１０％添加した最も抵
抗変化の得られやすい試料の抵抗率の温度依存性を印加
磁場を０、３、４、５、６、７Ｔと変えながら４．２〜
４００Ｋの範囲で測定した。磁場は上記の場合と同様に
膜面に平行に印加している。

【００５１】図５（ａ）にＬａＡｌＯ₃単結晶基板上に
作製した膜の抵抗率の温度依存性を示した。横軸が温度
であり縦軸は抵抗率を対数表示したものである。磁場を
３Ｔ印加した段階ですでに１７０Ｋ以下の温度範囲で抵
抗が低下していることがわかる。さらに磁場を４Ｔ以上
に増加すると磁場の増加につれて抵抗変化はますます大
きくなり５Ｔ〜７Ｔでは金属相へと抵抗変化したことが
わかる。ついで、より詳細に調べるために３００Ｋ、１
７０Ｋ、１５０Ｋ、１３０Ｋ、１１０Ｋ、９０Ｋ、７０
Ｋ、５０Ｋ、３０Ｋの各温度で−７Ｔ〜７Ｔの範囲で磁
場を印加し磁気抵抗を調べた結果を図５（ｂ）に示す。
図３（ｂ）と同様に横軸は印加磁場であり縦軸は、Ｒ
（Ｈ）／Ｒ（７Ｔ）を示している。引っ張り歪みの作用
した薄膜では１４０〜１７０％程度の磁気抵抗比が得ら
れた１１０Ｋの温度において、圧縮歪みの作用した薄膜
では８５０％と大きな磁気抵抗比が得られている。さら
に、９０Ｋの温度では１９３０％、７０Ｋの温度では６
９００％とより大きな磁気抵抗が得られている。５０
Ｋ、３０Ｋの温度では磁場０のときの抵抗値が大きく測
定できないために数１による磁気抵抗比を求めることは
できないものの、それぞれＲ（２．２Ｔ）／Ｒ（７
Ｔ）、Ｒ（３．５Ｔ）／Ｒ（７Ｔ）での値を代用して磁
気抵抗比を求めてみても１００００％を越えた巨大な磁
気抵抗比が得られることが示された。

【００５２】以上説明したように、圧縮歪みが作用した
単結晶薄膜においては面内の格子定数が基板面に垂直方
向の格子定数よりも小さく、電荷整列相を不安定化して
いるためにクロムを１０％ドープした膜において、従来
の磁気抵抗素子より低い磁場でより大きな磁気抵抗比が
得られることを示した。

【００５３】以上の説明においては、ＬａＡｌＯ₃単結
晶基板を用いてクロムのドープした膜厚が４０〜６５ｎ
ｍのＰｒ_0.5Ｃａ_0.5ＭｎＯ₃薄膜について述べたが、上
記した、引っ張り歪みが作用した薄膜の場合と、圧縮歪
みが作用した薄膜の場合との比較から、薄膜にかかる歪
の違いが、従来の磁気抵抗素子より低い磁場でより大き
な磁気抵抗比が得られることの主要因であることが分か
る。従って、電荷整列相を示すマンガンを含む酸化物ペ
ロフスカイト構造を持った物質であれば、クロムのドー
ピングにより、上述した磁気抵抗効果と同様の効果が得
られることは容易に理解できる。

【００５４】また、以上の説明において磁性体薄膜の電
気抵抗は、磁性体薄膜にオーミックコンタクトした電極
を通じて測定したが、既に良く知られている電磁波の反
射あるいは透過を用いた方法によっても容易に測定する
ことができるので、電極を形成することは本発明の本質
的な要件ではなく、他の電気抵抗を測定する手段によっ
て測定する事によっても、上述した磁気抵抗効果と同様
の効果が得られることは容易に理解できる。

【００５５】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００５６】請求項１に記載の発明では、実用化におい
て必須である薄膜構造において、従来に比べて、より低
磁場で、またより大きな磁気抵抗を示す磁気抵抗素子を
実現することが可能となった。

【００５７】また、請求項２および３に記載の発明で
は、具体的に用いる材料を開示したので、１００ｎｍ以
下の薄膜で、従来に比べて、より低磁場で、またより大
きな磁気抵抗を示す磁気抵抗素子を実現することが可能
となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気抵抗素子の模式的断面図である。

【図２】単結晶基板に格子不整合の単結晶薄膜を成長さ
せた場合の応力を示す図で、（ａ）は引っ張り歪みが作
用した薄膜の応力を示す模式的断面図であり、（ｂ）は
圧縮歪みが作用した薄膜の応力を示す模式的断面図であ
る。

【図３】ＳｒＴｉＯ₃単結晶基板上に作製した、クロム
をドープしたＰｒ_0.5Ｃａ_0.5ＭｎＯ₃薄膜の特性を示す
図で、（ａ）は薄膜の抵抗率の温度依存性を示す図で、
（ｂ）は薄膜の磁気抵抗の磁場依存性を示す図である。

【図４】ＬＳＡＴ単結晶基板上に作製した、クロムをド
ープしたＰｒ_0.5Ｃａ_0.5ＭｎＯ₃薄膜の特性を示す図
で、（ａ）は薄膜の抵抗率の温度依存性を示す図で、
（ｂ）は薄膜の磁気抵抗の磁場依存性を示す図である。

【図５】ＬａＡｌＯ₃単結晶基板上に作製した、クロム
をドープしたＰｒ_0.5Ｃａ_0.5ＭｎＯ₃薄膜の特性を示す
図で、（ａ）は薄膜の抵抗率の温度依存性を示す図で、
（ｂ）は薄膜の磁気抵抗の磁場依存性を示す図である。

【符号の説明】

１単結晶基板２単結晶薄膜３磁性膜４電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荻本泰史大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者十倉好紀茨城県つくば市東１丁目１番４工業技術院産業技術融合領域研究所内 (72)発明者川崎雅司茨城県つくば市東１丁目１番４工業技術院産業技術融合領域研究所内 (72)発明者和泉真茨城県つくば市東１丁目１番４工業技術院産業技術融合領域研究所内 (72)発明者眞子隆志東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者富岡泰秀茨城県つくば市東１丁目１番４工業技術院産業技術融合領域研究所内 (72)発明者木村剛茨城県つくば市東１丁目１番４工業技術院産業技術融合領域研究所内 (56)参考文献特開平10−190092（ＪＰ，Ａ) 特開平10−269842（ＪＰ，Ａ) 特開平８−133894（ＪＰ，Ａ) 特開平11−340542（ＪＰ，Ａ) 特許2685721（ＪＰ，Ｂ２) ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，1999年，Ｖｏｌ．75，Ｎｏ．10，ｐｐ．1473−1475 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板上に膜厚１００nm以下の磁性
薄膜が形成されてなる磁気抵抗素子において、該磁性薄
膜の電気抵抗測定手段が該磁性薄膜に接触してあるいは
近接して設置され、該磁性薄膜は電荷整列相を示すマン
ガンを含む酸化物ペロフスカイトにクロムをドープした
磁性体からなり、かつ、該磁性薄膜の基板面内の格子定
数は基板面に垂直な格子定数よりも小さいことを特徴と
する金属絶縁体転移によるスイッチング現象を利用した
磁気抵抗素子。
【請求項２】請求項１に記載の金属絶縁体転移による
スイッチング現象を利用した磁気抵抗素子において、電
荷整列相を示すマンガンを含む酸化物ペロフスカイト
は、Ｐｒ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、Ｎｄ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、
あるいは、Ｓｍ_0. ₅Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、のＳｒを含む系の
いずれか、または、Ｐｒ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃（０．３≦ｘ
≦０．７）、Ｎｄ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃（０．３≦ｘ≦０．
７）、あるいはＳｍ_1-xＣａ_xＭｎＯ₃、（０．１５≦ｘ
≦０．８５）のＣａを含む系のいずれかであることを特
徴とする金属絶縁体転移によるスイッチング現象を利用
した磁気抵抗素子。
【請求項３】請求項２に記載の金属絶縁体転移による
スイッチング現象を利用した磁気抵抗素子において、単
結晶基板は、ＬａＡｌＯ₃単結晶基板であることを特徴
とする金属絶縁体転移によるスイッチング現象を利用し
た磁気抵抗素子。