JP3520192B2 - 磁気素子とそれを用いた磁気部品および電子部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体と誘電体
とを含む磁気素子と、それを用いた磁気へッド、磁気セ
ンサ、磁気記憶素子、ダイオード素子などの各種の磁気
部品および電子部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果は、ある種の磁性体に磁界
を加えることにより電気抵抗が変化する現象である。こ
のような磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子（以
下、ＭＲ素子と記す）は、磁気ヘッド、磁気センサなど
に使用されており、さらには磁気抵抗効果メモリなどが
提案されている。このようなＭＲ素子には、外部磁界に
対する感度が大きいこと、応答速度が早いことなどが要
求されている。

【０００３】強磁性体を用いたＭＲ素子は、温度安定性
に優れ、使用温度範囲が広いというような特徴を有して
おり、従来からＮｉＦｅ合金などの強磁性合金の薄膜が
使用されてきた。しかし、その磁気抵抗変化率は 2〜3%
程度と小さいため、これを用いた磁気ヘッドでは十分な
感度が得られないという問題があった。

【０００４】一方、近年、強磁性層と非磁性金属層とを
数nmの周期で積層した積層膜が、スピンの方向に依存し
て巨大磁気抵抗効果を示す材料として注目されている。
例えば、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜(Phys. Rev. Lett.61, 2
472(1988))、Ｃｏ／Ｃｕ人工格子膜(J.Mag. Mag. Mate
r.94, L1(1991))などの強磁性層間の相互作用を反強磁
性結合させたものが見出されている。しかし、強磁性層
間の反強磁性結合を利用した金属人工格子膜は反強磁性
交換結合定数が大きいため、飽和磁界が大きく、またヒ
ステリシスも非常に大きいという問題を有している。

【０００５】飽和磁界を小さくする目的で、強磁性層／
非磁性層／強磁性層のサンドイッチ積層膜の一方の強磁
性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固定し、他方の強
磁性層を外部磁界により磁化反転させることによって、
2つの強磁性層の磁化方向の相対角度を変化させる、い
わゆるスピンバルブ膜が開発されている。しかし、スピ
ンバルブ膜は積層膜の抵抗が小さく出力電圧が小さいた
めに、大きな出力電圧を得るためにはセンス電流を大き
くする必要がある。このため、スピンバルブ膜を使用し
た磁気ヘッドでは、エレクトロマイグレーションなどの
問題が存在する。ＭＲ素子を用いたメモリなどを考慮し
ても、非磁性金属を中間層とした場合には大きな出力電
圧が得られないという同様の問題が存在する。

【０００６】また、上述したような多層膜（金属人工格
子膜）に対して電流を膜面に垂直方向に流す、いわゆる
垂直磁気抵抗効果を利用すると、非常に大きな磁気抵抗
変化率が得られることが知られている(Phys. Rev. Let
t.66, 3060(1991))。しかし、この場合には電流パスが
小さく、また各層が金属であるために抵抗が小さいこと
から、サブミクロン以下に微細加工しないと室温での磁
気抵抗効果を測定できないという問題がある。

【０００７】さらに、上述した多層膜構造とは異なり、
非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子を分散させ
た、いわゆるグラニュラー磁性膜もスピンに依存した伝
導に基づく巨大磁気抵抗効果を示すことが見出されてい
る（Phys. Rev. Lett.68, 3745(1992)）。このようなグ
ラニュラー磁性膜では、磁界を加えない状態では磁性超
微粒子の性質により、各磁性超微粒子のスピンが互いに
不規則な方向を向いているために電気抵抗が大きく、磁
界を加えて各スピンを磁界の方向に揃えると抵抗が低下
し、その結果スピンに依存した磁気抵抗効果が発現す
る。しかし、この場合の磁性超微粒子は超常磁性を示す
ため、飽和磁界が本質的に非常に大きいという問題を有
している。

【０００８】一方、スピン依存散乱とはメカニズムを異
にする、強磁性トンネル効果に基く巨大磁気抵抗効果が
見出されている。これは 2つの強磁性金属層の間に絶縁
層を挿入したサンドイッチ膜において、膜面に垂直に電
流を流して絶縁層のトンネル電流を利用するものであ
り、例えば保磁力の小さい強磁性金属層のスピンのみを
反転させると、 2つの強磁性金属層のスピンが互いに平
行なときと反平行なときでトンネル電流が大きく異なる
ために巨大磁気抵抗効果が得られる。

【０００９】このような強磁性トンネル接合素子は構造
が簡単であり、また比較的大きな磁気抵抗変化率が得ら
れるものの、数μm ² 程度の微細素子に加工すると抵抗
値がMΩと大きくなり、応答速度や高周波特性などの点
で問題を有している。さらに、所望の出力電圧値を得る
ために強磁性トンネル接合素子に流す電流値を増やす
と、磁気抵抗変化率が大幅に減少するという問題を有し
ている(Phys. Rev. Lett.74,3273 (1995))。

【００１０】また、Ｆｅ／Ｇｅ／Ｆｅ／Ｇｅ／強磁性体
構造の 2重トンネル接合において、スピン偏極共鳴トン
ネル効果により大きなＭＲ変化率が得られることが理論
上予想されている(Phys. Rev. B56, 5484(1997))。しか
し、これは極低温(8K)での結果であり、室温でこのよう
な現象が起こることは予想されていないと共に、実際に
2重トンネル接合を作製した例は報告されていない。

【００１１】さらに、Ａｌ₂ Ｏ₃ ／グラニュラー（Ｃｏ
微粒子−Ａｌ₂ Ｏ₃ マトリックス）／Ａｌ₂ Ｏ₃ 構造を
磁性層で挟んだトンネル接合が報告されている(Phys. R
ev.B56, R5747 (1997))。しかし、この場合のＣｏ微粒
子は数nmと小さく120K以上では超常磁性であり、スピン
が不規則であるため、低温でも0.5T以上と大きな磁場を
かけなければグラニュラー層がスピンスイッチしない。
このため、電圧を印加してもスピン偏極共鳴トンネル効
果は観測されていない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、スピ
ン依存散乱を利用した磁気抵抗効果素子において、反強
磁性結合を利用した金属人工格子膜は、飽和磁界やヒス
テリシスが非常に大きいという問題を有している。ま
た、スピンバルプ膜では大きな出力電圧が大きなセンス
電流を流さないと得られず、エレクトロマイグレーショ
ンが発生しやすいというような問題がある。さらに、グ
ラニュラー磁性膜は磁性超微粒子が超常磁性を示すた
め、飽和磁界が本質的に大きいという問題を有してい
る。

【００１３】一方、強磁性トンネル接合素子は、室温で
比較的大きな磁気抵抗変化率が得られ、また飽和磁界が
小さいというような特徴を有する反面、微細素子に加工
した際に抵抗が MΩと大きくなり、これにより応答速度
や高周波特性などの点で問題があると共に、所望の出力
電圧値を得るために素子に流す電流値を増やすと磁気抵
抗変化率が大幅に減少するという問題を有している。

【００１４】本発明はこのような課題に対処するために
なされたものであり、大きな磁気抵抗変化率および小さ
い飽和磁界を有し、かつ微細素子形状に加工しても抵抗
値が小さく、また素子に流す電流（または電圧）値を増
やしても磁気抵抗変化率の減少が少なく、大きな出力電
圧（または出力電流）が得られる磁気素子、およびそれ
を用いた磁気部品、電子部品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】本発明における第１の磁
気素子は、請求項１に記載したように、厚さが 10nm 以下
の少なくとも1層の強磁性層と、前記強磁性層を挟持す
るように配置された誘電体層と、前記誘電体層を介して
前記強磁性層と積層配置され、少なくとも一方が強磁性
体からなる第１および第２の金属層とを有する多重強磁
性トンネル接合膜を具備し、前記強磁性層にはその厚さ
に基づいて離散準位が形成されており、かつ前記第１お
よび第２の金属層間に電圧を印加して前記多重強磁性ト
ンネル接合膜にトンネル電流を流すと共に、前記第１の
金属層から第２の金属層に流れるトンネル電流に対し
て、前記強磁性層に形成された離散準位に基づくスピン
偏極トンネル効果により磁気抵抗効果を発現させること
を特徴としている。

【００１６】第２の磁気素子は、請求項２に記載したよ
うに、強磁性体が誘電体で分断され、かつ超常磁性を示
さず有限の保磁力を持つ強磁性層と、前記強磁性層を挟
持するように配置された誘電体層と、前記誘電体層を介
して前記強磁性層と積層配置され、少なくとも一方が強
磁性体からなる第１および第２の金属層とを有する多重
強磁性トンネル接合膜を具備し、前記強磁性層には前記
強磁性体が誘電体で分断された構造に基づいて離散準位
が形成されており、かつ前記第１および第２の金属層間
に電圧を印加して前記多重強磁性トンネル接合膜にトン
ネル電流を流すと共に、前記第１の金属層から第２の金
属層に流れるトンネル電流に対して、前記強磁性層に形
成された離散準位に基づくスピン偏極トンネル効果によ
り磁気抵抗効果を発現させることを特徴としている。

【００１７】強磁性層または、強磁性体が誘電体で分断
された強磁性層を、誘電体層で挟持して作製した 2重以
上の多重強磁性トンネル接合において、これらの強磁性
層に離散準位が形成されると、この離散準位を介してス
ピン偏極トンネル効果が得られる。そして、このスピン
偏極トンネル効果により大きな磁気抵抗変化率（ＭＲ変
化率）を得ることができる。このように、本発明者らは
実際に多重強磁性トンネル接合を作製した結果、室温で
強磁性層または、強磁性体が誘電体で分断された強磁性
層に形成された離散準位を介したスピン偏極トンネル効
果によって、大きなＭＲ変化率が得られることを見出し
た。

【００１８】図１に、 2重の多重強磁性トンネル接合に
おけるエネルギーポテンシャル図を示す。図１（ａ）は
第１の強磁性層（第１の金属層）１／誘電体層２／第２
の強磁性層３／誘電体層４／第３の強磁性層（第２の金
属層）５からなる 2重強磁性トンネル接合を、また図１
（ｂ）は第１の強磁性層１（第１の金属層）／誘電体層
２／第２の強磁性層３／誘電体層４／金属層（第２の金
属層）６からなる 2重強磁性トンネル接合を示してい
る。なお、第２の金属層は強磁性体および非磁性体のい
ずれであってもよい。

【００１９】このような 2重強磁性トンネル接合におい
て、第２の強磁性層３が十分に薄い場合には、量子効果
により第２の強磁性層３にスピンに依存した離散的なエ
ネルギー準位（離散準位）が形成される。すなわち、第
２の強磁性層３の離散的なエネルギー準位は交換相互作
用のためにスピン分裂しており、上向きスピン（↑）と
下向きスピン（↓）ではエネルギーが交換エネルギーγ
の分だけ異なっている。 ここで、第１の強磁性層１と
第２の強磁性層３のスピンの向きが同じ（図１では上向
きスピン（↑））であるとき、 2重強磁性トンネル接合
にある値以上の電圧を印加すると、第２の強磁性層３に
形成された離散準位を介したスピン偏極トンネル効果に
より抵抗が小さくなる。この状態から一方の強磁性層
（例えば第２の強磁性層３）のスピンの向きを反転させ
ると、スピン偏極したスピン電流の透過率が減少して抵
抗値が大きくなる。多重強磁性トンネル接合において、
このような強磁性層３に形成された離散準位を介して得
られるスピン偏極トンネル効果を利用することによっ
て、例えば室温で 30%を超すような大きなＭＲ変化率を
得ることができる。

【００２０】上記したスピン偏極トンネル効果に基づく
磁気抵抗効果において、素子抵抗は多重強磁性トンネル
接合に印加する電圧がある電圧（しきい電圧）を超える
と減少する。これはスピン依存共鳴トンネル効果に基づ
くものであると考えられる。すなわち、多重強磁性トン
ネル接合に電圧を印加すると、第１の強磁性層１から第
３の強磁性層５または金属層６にトンネル電流が流れ
る。そして、この電圧がある値を超えると、第２の強磁
性層３内の離散準位のうちの 1つ（図１では↑スピン）
が第１の強磁性層１の伝導電子のエネルギーと同じレベ
ル（共鳴状態）になる。この共鳴状態にある離散準位の
スピンと同じ向きのスピンを持つ第１の強磁性層１中の
伝導電子は、誘電体層２、４により反射されることなく
第１の強磁性層１から第３の強磁性層５または金属層６
にトンネル伝導する。これがスピン依存共鳴トンネル効
果である。このように、第２の強磁性層３内の離散準位
を制御することによって、スピン依存共鳴トンネル効果
に基づく非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。

【００２１】誘電体体で分断された強磁性層を用いた多
重強磁性トンネル接合においても、同様な離散準位を介
してスピン偏極トンネル効果が得られる。すなわち、誘
電体体で分断された強磁性層の膜厚は十分に薄く、また
周囲を誘電体マトリックスによって囲まれているため、
強磁性体のエネルギー準位は量子化されて離散的にな
り、しかもスピン分裂している。このような強磁性層に
形成された離散準位を介してスピン偏極トンネル効果が
得られ、このスピン偏極トンネル効果に基づいて室温で
30%を超すような大きなＭＲ変化率が得られる。

【００２２】このように、本発明の磁気素子は室温下で
30％以上の磁気抵抗変化率を示すものである。また、本
発明の磁気素子は、強磁性層または、強磁性体が誘電体
で分断された強磁性層と、前記強磁性層を挟持するよう
に配置された誘電体層と、前記誘電体層を介して前記強
磁性層と積層配置された第１および第２の電極とを有す
る積層膜を具備し、前記第１および第２の電極間に電圧
を印加して前記積層膜にトンネル電流を流す磁気素子で
あって、室温下で前記第１および第２の電極間に印加す
る電圧に基づいて増加する磁気抵抗変化率を有すること
を特徴としている。

【００２３】本発明の磁気素子によれば、上記したよう
に室温下で 30%以上というような大きなＭＲ変化率が得
られ、また素子抵抗自体も低く、さらに素子に流す電流
（または電圧）値を増やしてもＭＲ変化率の減少がな
く、よって大きな出力電圧（または出力電流）を得るこ
とが可能となる。

【００２４】本発明の磁気部品は、上述したような本発
明の磁気素子を具備することを特徴としている。また、
本発明の電子部品は、上述したような本発明の磁気素子
を具備することを特徴としている

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００２６】図２は本発明の第１の磁気素子の基本的な
膜構造（基本構成）を示す図である。図２に示す磁気素
子は、第１の金属層１１／誘電体層１２／強磁性層１３
／誘電体層１４／第２の金属層１５からなる積層膜を有
している。このような積層膜において、第１の金属層１
１は強磁性体からなる。一方、第２の金属層１５は強磁
性体および非磁性体のいずれであってもよい。なお、第
１および第２の金属層１１、１５は電極層である。

【００２７】強磁性層１３は 2つの薄い誘電体層１２、
１４、すなわち 2つのトンネル層によって挟まれてお
り、各誘電体層１２、１４を介して第１の金属層（強磁
性体）１１と強磁性層１３との間および強磁性層１３と
第２の金属層（強磁性体または非磁性金属）１５との間
にそれぞれトンネル電流が流れるように構成されてい
る。すなわち、誘電体層１２、１４を介して、第１の金
属層１１、強磁性層１３および第２の金属層１５の間
に、 2重の多重強磁性トンネル接合が形成されている。
このような積層膜において、強磁性層１３が十分に薄
い場合には、図１に示したように、量子効果により強磁
性層１３にスピンに依存した離散準位が形成される。そ
して、前述したように、強磁性体からなる第１の金属層
１１と第２の金属層１５との間に適当な電圧を印加し、
強磁性層１３に形成された離散準位を制御（シフト）す
ることによって、スピン偏極トンネル効果を生じさせる
ことができる。また、図２４に示すように、強磁性層１
３に形成された離散準位を制御（シフト）する電極（ゲ
ート電極）Ｇを設けてもよい。この際の強磁性層１３
は、後述する誘電体で分断された強磁性層であってもよ
い。この際に、第１の金属層１１および強磁性層１３の
一方のスピンの方向を変化させることによって、スピン
偏極トンネル効果、さらにはスピン偏極共鳴トンネル効
果に基づく非常に大きなＭＲ変化率を得ることができ
る。

【００２８】さらに、本発明の第１の磁気素子におい
て、離散準位を形成する強磁性層１３は 1層に限られる
ものではなく、強磁性層１３を複数層とすると共に、こ
れら複数の強磁性層を誘電体層と交互に積層配置して、
3重以上の多重強磁性トンネル接合を有する構成とする
こともできる。すなわち、第１の金属層１１／誘電体層
１２／（強磁性層１３／誘電体層１４）_N ／第２の金属
層１５構造の積層膜（Ｎ≧ 1：積層数）を使用すること
ができる。このような多重強磁性トンネル接合において
も、誘電体層１２、１４に挟まれた強磁性層１３に上向
きスピン（↑）と下向きスピン（↓）とでエネルギーが
異なる量子準位を形成することによって、スピン偏極ト
ンネル効果に基づく大きなＭＲ変化率が得られる。

【００２９】図１に示した磁気素子において、強磁性層
１３および強磁性体からなる第１の金属層１１（第２の
金属層１５に強磁性体を用いる場合を含む）の構成材料
は、特に限定されるものではなく、パーマロイに代表さ
れるＦｅ−Ｎｉ合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉお
よびそれらを含む合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂの
ようなホイスラー合金などのハーフメタル、ＣｒＯ₂ 、
マグネタイト、Ｍｎペロブスカイトなどの酸化物系のハ
ーフメタル、アモルファス合金などの種々の軟磁性材料
から、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希
士類合金などの硬磁性材料まで、種々の強磁性材料を使
用することができる。

【００３０】また、第１の金属層１１および強磁性層１
３のうち、一方のスピンの方向のみを変化させるために
は、例えば強磁性体の保磁力の差を利用してもよいし、
また反強磁性膜を積層配置して交換結合により強磁性層
の磁化を固定するようにしてもよい。強磁性層１３の厚
さは、上述したように量子効果によりスピンに依存した
離散的なエネルギー準位が形成されるような厚さ、具体
的には10nm以下程度とする。より好ましくは 5nm以下で
ある。第１および第２の金属層１１、１５の厚さは特に
限定されるものではなく、例えば 0.1〜 100mm程度とす
ることが好ましい。

【００３１】上述した実施形態では、強磁性体と誘電体
との 2重以上の多重トンネル接合を有する磁気素子につ
いて説明したが、誘電体で分断された強磁性層を用いた
場合においても、同様なスピン偏極トンネル効果（さら
にはスピン偏極共鳴トンネル効果）を室温で得ることが
できる。これが本発明の第２の磁気素子である。

【００３２】すなわち、図３に示す磁気素子は、第１の
金属層（強磁性体）１１／誘電体層１２／誘電体で分断
された強磁性層１６／誘電体層１４／第２の金属層（強
磁性体または非磁性金属）１５からなる積層膜を有して
いる。このような積層膜において、誘電体で分断された
強磁性層１６は強磁性体１８が誘電体１７で分散された
ものであり、この誘電体で分断された強磁性層１６は超
常磁性を示さず、有限の保磁力を持つ強磁性体である。
誘電体で分断された強磁性層１６は多少ばらつきがあっ
てもよく、誘電体１２、１４で分断されていればよい。

【００３３】このような積層膜１２、１６、１４を挟ん
で、第１の電極層１１と第２の電極層１３とが近接配置
されており、第１の電極層１１と誘電体で分断された強
磁性層１２および誘電体で分断された強磁性層１２と第
２の電極層１３との間に、それぞれトンネル電流が流れ
るように構成されている。すなわち、誘電体で分断され
た強磁性層１２と電極層１１、１３との間には 2重トン
ネル接合が形成されている。

【００３４】誘電体で分断された強磁性層１６は、 2つ
の薄い誘電体層１２、１４、すなわち 2つのトンネル層
によって挟まれており、各誘電体層１２、１４を介して
第１の金属層（強磁性体）１１と誘電体で分断された強
磁性層１６との間および誘電体で分断された強磁性層１
６と第２の金属層（強磁性体または非磁性金属）１５と
の間にそれぞれトンネル電流が流れるように構成されて
いる。すなわち、誘電体層１２、１４を介して、第１の
金属層１１、誘電体で分断された強磁性層１６および第
２の金属層１５の間に、 2重の多重強磁性トンネル接合
が形成されている。

【００３５】このような積層膜において、誘電体で分断
された強磁性層１６中の強磁性体１８の厚さは十分に薄
いため、強磁性体１８のエネルギー準位は量子化されて
離散的になり、しかもスピン分裂している。従って、前
述した第１の実施形態と同様に、強磁性体からなる第１
の金属層１１と第２の金属層１５との間に適当な電圧を
印加し、誘電体で分断された強磁性層１６に形成された
離散準位を制御（シフト）することによって、スピン偏
極トンネル効果を生じさせることができる。この際に、
第１の金属層１１および誘電体で分断された強磁性層１
６の一方のスピンの方向を変化させることによって、ス
ピン偏極トンネル効果、さらにはスピン偏極共鳴トンネ
ル効果に基づく非常に大きなＭＲ変化率、例えば室温で
30%以上というような大きなＭＲ変化率を得ることがで
きる。

【００３６】さらに、本発明の第２の磁気素子におい
て、誘電体で分断された強磁性層１６は 1層に限られる
ものではなく、例えば図４に示すように、複数の誘電体
で分断された強磁性層１６ａ、１６ｂ、１６ｃと誘電体
層１４ａ、１４ｂ、１４ｃとを交互に積層配置して、 3
重以上の多重強磁性トンネル接合を有する構成とするこ
ともできる。すなわち、第１の金属層１１／誘電体層１
２／（誘電体で分断された強磁性層１６／誘電体層１
４）_N ／第２の金属層１５構造の積層膜（Ｎ≧ 1：積層
数）を使用することができる。このような構成において
も、誘電体で分断された強磁性層の離散準位を制御する
こととよって、スピン偏極トンネル効果に基づく大きな
ＭＲ変化率が得られる。

【００３７】図５は基板面に沿って電流を流すプラーナ
ー型の素子であり、誘電体で分断された強磁性層１６
ａ、１６ｂと誘電体層１４ａ、１４ｂ、１４ｃとを交互
に積層した積層膜上に、第１の金属層（強磁性体）１１
と第２の金属層（強磁性体または非磁性金属）１５とが
分離された状態で配置されている。このようなプラーナ
ー型磁気素子は微細加工技術を用いて容易に作製するこ
とができる。

【００３８】図３〜図５に示した磁気素子において、誘
電体で分断された強磁性層１６は上述したように誘電体
１７で強磁性体１８を分断したものである。この誘電体
で分断された強磁性層１６のスピンは超常磁性を示さ
ず、有限の保磁力を持つ強磁性体であり、理想的にはそ
のスピンは一方向に揃っていることが望ましい。この場
合、誘電体で分断された強磁性層１６に量子準位が形成
される。

【００３９】強磁性体１８には種々の強磁性材料を使用
することができる。例えば、誘電体で分断された強磁性
層１６を磁化固定層とする場合には、磁気異方性の大き
いＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−
希土類合金などを用いることが好ましい。誘電体で分断
された強磁性層１６を軟磁性層として用いる場合、特に
磁性微粒子１８の構成材料は限定されるものではなく、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む合金、スピン分極
率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ₂ 、ＲＸＭｎＯ
_3-y （Ｒは希土類金属、ＸはＣａ、ＢａおよびＳｒから
選ばれる少なくとも 1種の元素、 yは 0に近い値）など
の酸化物系磁性材料、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなど
のホイスラー合金などを使用することができる。

【００４０】また、誘電体で分断された強磁性層１６を
磁化固定層とする場合においても、例えば誘電体で分断
された強磁性層１６に接してＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、Ｉｒ
Ｍｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯなどの反強磁性
膜を配置して、誘電体で分断された強磁性層１６のスピ
ンを一方向に固着すれば、種々の強磁性材料を強磁性体
１８に適用することができる。さらに、誘電体で分断さ
れた強磁性層１６の両端部に一対の硬磁性膜を隣接配置
し、この硬磁性膜から誘電体で分断された強磁性層１６
にバイアス磁界を印加することによってスピンを固定す
るようにしてもよい。

【００４１】誘電体１７（および誘電体層１２、１４）
としては、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂ
ｉ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ などの種々の誘電体材料
を使用することができ、このような誘電体１７で強磁性
体１８を分断することで強磁性層１６が得られる。な
お、上記した酸化膜、窒化膜、フッ化膜などでは、それ
ぞれの元素の欠損が一般的に存在するが、そのような誘
電体膜であっても何等問題はない。

【００４２】一方、強磁性体からなる第１の金属層１１
（第２の金属層１５に強磁性体を用いる場合を含む）の
構成材料については、前述した実施形態で示したよう
に、種々の強磁性材料を使用することができる。また、
強磁性材料はＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｐｄ、
Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非磁性元素を
多少含んでいても、強磁性を失わない限り特に問題はな
い。

【００４３】また、第２の金属層１５を強磁性体で構成
する場合、第１の金属層１１と第２の金属層１５とは必
ずしも同じ材料で構成する必要はない。また、これら強
磁性層は単層構造に限らず、非磁性層を介して配置した
2つの強磁性層を有し、これら強磁性層の磁化を互いに
反平行となるように結合させた積層膜で、強磁性膜１４
を構成することもできる。このような反平行に結合させ
た積層膜によれば、強磁性膜１４から磁束が外部に漏れ
ることを防ぐことができる。

【００４４】さらに、強磁性層と半導体層とを交互に積
層した積層膜を、第１の金属層１１として用いることも
できる。この場合には、熱や光照射によりスピンを反転
させることができるため、磁界が不要になるという特徴
がある。このような積層膜に用いる半導体としては、Ｂ
20構造のＦｅＳｉ合金などが挙げられる。

【００４５】上述した誘電体で分断された強磁性層１６
および強磁性層（少なくとも第１の金属層１１）は、そ
れぞれ膜面内に一軸磁気異方性を有することが望まし
い。これによって、急峻な磁化反転を起こすことができ
ると共に、磁化状態を安定して保持することができる。

【００４６】また、誘電体で分断された強磁性層１６、
第１の金属１１および第２の金属層１５の膜厚は特に限
定されるものではないが、例えば 0.1〜 200nmの範囲と
することが好ましい。このうち、誘電体で分断された強
磁性層１６の膜厚はできるだけ薄い方が好ましいが、作
製上均一な膜厚を維持することができ、またトンネル電
流に対して悪影響を及ぼさない膜厚であればよく、例え
ば10nm以下とすることが好ましい。誘電体層１２、１４
の厚さは 1nm〜数nmというように薄いほうが好ましい
が、特に制限はない。なお、作製上10nm以下とすること
が好ましい。

【００４７】このような各層からなる磁気素子は典型的
には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ΜＢＥ）法、
各種スパッタ法、蒸着法などの通常の薄膜形成方法を適
用して作製することができる。また、上述した積層膜を
作製する基板は特に限定されるものではなく、結晶質お
よび非晶質、または磁性体および非磁性体の区別なく、
種々の基板を使用することができる。例えば、Ｓｉ、Ｓ
ｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、スピネル、ＭｇＯ、ＡｌＮなどの
各種基板を使用することができる。

【００４８】以上説明したように、本発明の磁気素子は
室温下で印加電圧に基づいてＭＲ変化率が増加し、例え
ば室温下で 30%以上というような大きなＭＲ変化率を得
ることができる。このような本発明の磁気素子は、磁気
抵抗効果型磁気ヘッド、磁気センサ、磁気記憶素子など
の磁気抵抗効果を利用した磁気部品などに適用すること
ができる。さらに、本発明の磁気素子に生じる電流−電
圧特性の負性抵抗を利用して、スピンダイオード素子な
どを作製することもできる。また、半導体トランジスタ
などの従来の半導体素子と組み合わせて使用することも
可能である。

【００４９】次に、本発明の磁気素子を磁気ヘッドに適
用する場合の素子構造について説明する。図６〜図８は
本発明の磁気素子を磁気ヘッドとして使用する場合の膜
構造例を示す断面図である。これらの図において、２１
は離散準位が形成される強磁性層または誘電体で分断さ
れた強磁性層（誘電体との多層積層膜を含む）、２２は
強磁性層（第１の金属層）、２３は強磁性層（第２の金
属層）、２４は誘電体層である。なお、図８において、
２５は強磁性層または誘電体で分断された強磁性層と誘
電体との多層積層膜を示す。

【００５０】図６〜図８に示すように、本発明の磁気素
子を磁気ヘッドとして使用する場合には、強磁性層２
２、２３や離散準位が形成される強磁性層または誘電体
で分断された強磁性層２１、２５に接して、ＦｅＭｎ、
ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、Ｎｉ
Ｏ、Ｆｅ₂ Ｏ₃ などの反強磁性膜２６を配置し、この反
強磁性膜２６からバイアス磁界を印加することによっ
て、磁性層のスピンを一方向に固着することが好まし
い。

【００５１】また、図６〜図８に示す各磁気ヘッド用膜
構造において、各層の磁気特性（軟磁性および硬磁性）
を組合せることで良好な磁気ヘッドを構成することがで
きる。例えば、図６において離散準位が形成される強磁
性層または誘電体で分断された強磁性層２１は軟磁性
層、強磁性層２２、２３は硬磁性層である。図７におい
て、強磁性層２２は軟磁性層、離散準位が形成される強
磁性層または誘電体で分断された強磁性層２１と強磁性
層２３は硬磁性層である。図８において、強磁性層２２
は軟磁性層、離散準位が形成される強磁性層または誘電
体で分断された強磁性層と誘電体との多層積層膜２５は
硬磁性層である。

【００５２】上述したような組合せにおいて、磁場中成
膜、磁場中熱処理により隣り合う磁性層のスピンを略直
交させることによって、ＨＤＤの記録媒体からの漏れ磁
束に対して良好な線形応答性が得られる。このような構
造はいかなる磁気ヘッド構造においても使用することが
できる。

【００５３】次に、本発明の磁気素子を磁気記憶素子に
適用する場合の素子構造について説明する。図９〜図１
２は本発明の磁気素子を磁気記憶素子として使用する場
合の膜構造例を示す断面図である。

【００５４】図９および図１０は破壊読出しを想定した
場合の磁気記憶素子の素子構造である。この場合には、
強磁性層２２、２３や離散準位が形成される強磁性層ま
たは誘電体で分断された強磁性層２１、２５に接して、
ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭ
ｎ、ＮｉＯなどの反強磁性膜２６を配置し、この反強磁
性膜２６からバイアス磁界を印加することによって、磁
性層のスピンを一方向に固着することが好ましい。図９
において、強磁性層２２は軟磁性層、離散準位が形成さ
れる強磁性層または誘電体で分断された強磁性層２１と
強磁性層２３は硬磁性層である。図１０において、強磁
性層２２は軟磁性層、離散準位が形成される強磁性層ま
たは誘電体で分断された強磁性層と誘電体との多層積層
膜２５は硬磁性層である。

【００５５】また、図１１および図１２は非破壊読出し
を想定した場合の磁気記憶素子の素子構造であり、軟磁
性層と硬磁性層とを適当に組合せることによって、読み
出し層および書き込み層を設け、電流磁界で軟磁性層の
磁化を反転させることにより、書き込み層の情報を非破
壊で読み出すことができる。図１１において、強磁性層
２２は軟磁性層、離散準位が形成される強磁性層または
誘電体で分断された強磁性層２１と強磁性層２３は硬磁
性層である。図１２において、強磁性層２２は軟磁性
層、離散準位が形成される強磁性層または誘電体で分断
された強磁性層２１は硬磁性層であり、第２の金属層は
非磁性金属層２７である。

【００５６】強磁性層２２、２３には、図１３に示すよ
うに、層間の相互作用が反強磁性的に結合した磁性体２
８／非磁性体２９／磁性体３０構造の積層膜を用いても
よい。非磁性体２９として半導体を用いた場合には、光
によりスピンスイッチさせることができる。

【００５７】そして、図１４に示すように、上述したよ
うな本発明の磁気素子３１をトランジスタ３１、書き込
みライン３２、読み出しライン３３、ビットライン３４
などと共にセル状に基板上に微細加工することによっ
て、磁気記録装置を作製することができる。

【００５８】なお、前述したように、本発明の磁気素子
は磁気ヘッドや磁気記憶素子などの磁気部品に限らず、
本発明の磁気素子に生じる電流−電圧特性の負性抵抗を
利用して、スピンダイオード素子などの電子部品を作製
することもできる。

【００５９】

【実施例】以下に、この発明の実施例について説明す
る。

【００６０】なお、以下に示す各実施例では、 100× 1
00μm と比較的大きな接合面積で試料を作製したため、
電極の抵抗を小さくするために強磁性電極の下地とオー
バーレイヤーとして厚さ 200nmのＡｕ層を設けている。
しかし、実際に使用する際には数μm と小さいため、特
にＡｕ層は必要ない。

【００６１】実施例１ スパッタ装置を用いて、Ｆｅ、Ｃｏ₅ Ｆｅ₃ Ｐｔ₂ 、Ａ
ｌをターゲットとしてＡｒガス圧 1×10^-3Torrで磁場中
成膜（一軸異方性の付与）を実施した。まず、Ｓｉ／Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ 基板上にメタルマスクを用いてＡｕ(200nm) ／
Ｆｅ(50nm)／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ(0.5nm）電極を積層し、
真空中でメタルマスクを交換した後にＡｌを 1nm成膜
し、Ａｌ膜をプラズマ酸化した。

【００６２】次に、上記したＡｌ₂ Ｏ₃ 膜上にＣｏ−Ｆ
ｅ−Ｐｔを 2nmを成膜し、さらにＡｌを 1nm成膜してプ
ラズマ酸化した後、ネガレジストを層間絶縁層として用
い、その上にＣｏ₉ Ｆｅ(40nm)／Ａｕ(200nm) 電極を成
膜した。このようにして、Ｆｅ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ／Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ／Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｃｏ₉ Ｆｅ
構造（図２に示した構造）の 100μm ² 角の 2重トンネ
ル接合を作製した。

【００６３】このようにして作製した試料のカー効果を
測定した結果、保磁力か大きいＣｏ−Ｆｅ−Ｐｔと保磁
力が比較的小さいＦｅ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ₉ Ｆｅ
のヒステリシス曲線の足し合わせである、保磁力差が存
在する 2段のヒステリシス曲線が観測された。

【００６４】また、試料の磁気抵抗変化率、素子電圧の
印加電圧依存性の測定結果を図１５に示す。素子に印加
する電圧値を増やしていくと、あるしきい電圧値以上で
素子抵抗が急激に減少して磁気抵抗効果が増大してい
る。これはＣｏ−Ｆｅ−Ｐｔに形成された量子力学的離
散準位を介したスピン依存トンネル効果に基づくもので
ある。このことは素子に印加する電圧または素子に流す
電流を適当に選ぶことによって、ＭＲ値が大きく低抵抗
の素子が実現できることを示している。

【００６５】さらに、図１６に示した磁気抵抗効果曲線
を見ると、ＦｅおよびＣｏ₉ Ｆｅは約10Ｏe という小さ
な磁場で急峻に磁気抵抗効果が変化し、磁気抵抗効果型
へッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特性が
得られていることが分かる。なお、誘電体層としてＳｉ
Ｏ₂ 、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ
₂ を用いた場合においても、同様の傾向を示した。

【００６６】実施例２ スパッタ装置を用いて、Ａｒガス圧 1×10^-3Torrで磁場
中成膜（一軸異方性の付与）を行った。まず、熱酸化Ｓ
ｉ基板上にメタルマスクを用いてＡｕ(200nm)／Ｆｅ(40
nm)を成膜した後、Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ 膜を10nm成膜した。次
いで、メタルマスクを交換した後にＣｏ₈ Ｐｔ₂ とＳｉ
Ｏ₂ をターゲットとして、Ｃｏ₈ Ｐｔ₂とＳｉＯ₂ の体
積比が 1:1になるように交互スパッタを行った。その
際、基板バイアスを400Wかけながら成膜を行って、（Ｓ
ｉＯ₂ で分断されたＣｏ₈ Ｐｔ₂ 層／ＳｉＯ₂ ）の層状
積層膜を作製した。

【００６７】その上にＳｉＯ₂ を 1nm成膜した後、メタ
ルマスクを交換してＣｏ₈ Ｐｔ₂ (20.5nm)／Ｃｏ₉ Ｆｅ
(40nm)／Ａｕ(200nm) を形成した。このようにして、Ｆ
ｅ／Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ ／ＳｉＯ₂ ／（ＳｉＯ₂ で分断された
Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ ／ＳｉＯ₂ ）／Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ ／Ｃｏ₉ Ｆｅ
構造の 100μm ² 角の 2重トンネル接合（図３に示した
構造）、Ｆｅ／Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ ／ＳｉＯ₂ ／（ＳｉＯ₂ で
分断されたＣｏ₈ Ｐｔ₂ ／ＳｉＯ₂ ）₂ ／Ｃｏ₈ Ｐｔ₂
／Ｃｏ₉ Ｆｅ構造の 100μm ² 角の 3重トンネル接合を
作製した。

【００６８】このようにして作製した各試料のカー効果
を測定した結果、保磁力が大きいＳｉＯ₂ で分断された
Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ 層と保磁力が比較的小さいＦｅ／Ｃｏ₈ Ｐ
ｔ₂、Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ ／Ｃｏ₉ Ｆｅのヒステリシス曲線の
足し合わせである、保磁力差が存在する 2段のヒステリ
シス曲線が観測された。

【００６９】また、これら各試料の磁気抵抗変化率、素
子電圧の印加電圧依存性の測定結果を図１７に示す。図
１７から素子に印加する電圧値を増やしていくとあるし
きい電圧値以上で素子抵抗が減少し、磁気抵抗効果が増
大するＣｏ₈ Ｐｔ₂ に形成された離散準位を介したスピ
ン依存トンネル効果が得られていることが分かる。さら
に、図１８に示すように、印加電圧に対してスピンが平
行、反平行の場合の差△Ｒは増大している。このことは
素子に印加する電圧または素子に流す電流を適当に選ぶ
ことによって、図１９に示すようにＭＲ値が大きく低抵
抗の素子が実現できることを示している。さらに、磁気
抵抗効果型ヘッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良
好な特性を示した。

【００７０】なお、誘電体層がＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＡｌＮ、Ｍ
ｇＯ、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ を用いた場合に
も同様の傾向を示した。

【００７１】実施例３ スパッタ装置を用いると共に、メタルマスクとリフトオ
フによる微細パターンを利用して、熱酸化Ｓｉ基板上に
図５に示した素子構造を作製した。まず、Ｃｏ₈ Ｐｔ₂
とＳｉＯ₂ をターゲットとして、Ｃｏ₈ Ｐｔ₂ とＳｉＯ
₂ の体積比が1:1になるように交互スパッタを行った。
その際、基板にメタルマスクをかぶせると共に、基板バ
イアスを400wかけながら成膜を行った。その後、ＳｉＯ
₂ を1nm成膜して、 100μm ² 角のＳｉＯ₂ ／（ＳｉＯ
₂ で分断されたＣｏ₈ Ｐｔ₂／ＳｉＯ₂ ）₂ 構造の積層
膜を作製した。その際のＡｒガス圧は 1×10^-3Torrとし
た。

【００７２】その上に、Ｃｒマスク露光器を用いてレジ
ストをパターニングした後、上部強磁性層としてＣｏ₈
Ｆｅ₂ ／Ｎｉ₈ Ｆｅ₂ を成膜し、リフトオフにより20μ
m ²角のパターンを作製した。このようにして、図５に
示した構造を有するトンネル接合を作製した。その後、
各試料を 200℃で磁場中熱処理して一軸異方性を付与し
た。

【００７３】このようにして作製した試料の磁気抵抗変
化率、素子電圧の印加電圧依存性を測定した。その結果
を図２０に示す。図２０から素子に印加する電圧値を増
やしていくとあるしきい電圧値以上で素子抵抗が減少し
て、磁気抵抗効果が増大するスピン依存共鳴トンネル効
果が得られていることが分かる。このことは素子に印加
する電圧または素子に流す電流を適当に選ぶことによっ
て、ＭＲ値が大きく低抵抗の素子が実現できることを示
している。

【００７４】また、図２１に示す磁気抵抗効果曲線を見
ると、Ｃｏ₈ Ｆｅ₂ ／Ｎｉ₈ Ｆｅ₂層は約 6Ｏe という
小さな磁場で急峻に磁気抵抗効果が変化し、磁気抵抗効
果型へッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特
性が得られていることが分かる。

【００７５】なお、誘電体層としてＡｌ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ
Ｎ、ＭｇＯ、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ を用いた
場合においても同様の傾向を示した。

【００７６】実施例４ スパッタ装置およびメタルマスクを用いて、まず熱酸化
Ｓｉ基板上にＡｕ(200nm) ／Ｉｒ−Ｍｎ(15nm)／Ｃｏ₉
Ｆｅ(20nm)をＡｒガス圧 1×10^-3Torrで成膜した。次い
で、Ｃｏ₈ Ｐｄ₂ とＡｌ₂ Ｏ₃ をターゲットとして、Ｃ
ｏ₈ Ｐｄ₂ とＡｌ₂ Ｏ₃ の体積比が 1:1になるようにＡ
ｒガス圧で 1×10^-3Torr、Ｏ₂ ガス圧 1×10^-5Torrで交
互スパッタを行った。その際、基板バイアスを300Wかけ
ながら成膜を行った。

【００７７】次に、Ａｌ₂ Ｏ₃ (1nm) のｃａｐ層を成膜
することによって、Ａｌ₂ Ｏ₃ ／（Ａｌ₂ Ｏ₃ で分断さ
れたＣｏ₈ Ｐｄ₂ ／Ａｌ₂ Ｏ₃ ）構造の層状積層膜、Ａ
ｌ₂Ｏ₃ ／（Ａｌ₂ Ｏ₃ で分断されたＣｏ₈ Ｐｄ₂ ／Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ）₂ 構造の層状積層膜を作製した。次に、Ａｌ
₂ Ｏ₃ を層間絶縁膜として用いた後、その上に、Ａｒガ
ス圧 1×10^-3TorrでスパッタしてＣｏ₈ Ｐｄ₂ (0.8nm)
／Ｃｏ₉ Ｆｅ(10nm)／ＮｉＦｅ(30nm)／Ａｕ(200nm) を
形成した。このようにして、図７に示した構造の 100μ
m ² 角の 2重トンネル接合および 3重トンネル接合を作
製した。その後、試料を 300℃にて磁場中熱処理して一
軸異方性を付与した。

【００７８】このようにして作製した試料の磁気抵抗変
化率、素子電圧の印加電圧依存性を測定した。その結果
を図２２に示す。図２２から素子に印加する電圧値を増
やしていくとあるしきい電圧値以上で素子抵抗が減少し
て、磁気抵抗効果が増大するスピン依存トンネル効果が
得られていることが分かる。このことは素子に印加する
電圧または素子に流す電流を適当に選ぶことによって、
ＭＲ値が大きく低抵抗の素子が実現できることを示して
いる。

【００７９】また、図２３に示す磁気抵抗効果曲線を見
ると、Ｃｏ₉ Ｆｅ／ＮｉＦｅ層は約5Ｏe という小さな
磁場で急峻に磁気抵抗効果が変化し、磁気抵抗効果型ヘ
ッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特性を有
していることが分かる。

【００８０】なお、誘電体層としてＳｉＯ₂ 、ＡｌＮ、
ＭｇＯ、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ を用いた場合
においても、同様の傾向を示した。

【００８１】実施例５ スパッタ装置およびメタルマスクを用いて、熱酸化Ｓｉ
基板上に表１に示す構造を有する 100μm ² 角の多重ト
ンネル接合を作製した。作製方法は実施例１〜実施例５
と同様とした。

【００８２】各試料の磁気抵抗変化率、素子電圧の印加
電圧依存性を測定したところ、素子に印加する電圧値を
増やしていくとあるしきい電圧値以上で素子抵抗が減少
して、磁気抵抗が増大する強磁性層に形成された量子力
学的離散準位を介したスピン依存トンネル効果が得られ
た。これら各試料の抵抗値最小の電流を印加したときの
磁気抵抗変化率および素子抵抗を表１に併せて示す。こ
れらは素子に印加する電圧または素子に流す電流を適当
に選ぶことによって、ＭＲ値が大きく低抵抗の素子が実
現できることを示している。また、磁気抵抗効果型ヘッ
ド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特性が得ら
れた。

【００８３】

【表１】

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気素子
は多重強磁性トンネル接合のスピン偏極トンネル効果に
基づいて、室温下で印加電圧に応じて磁気抵抗変化率が
増加し、例えば室温下で 30%以上というような大きな磁
気抵抗変化率が得られる。従って、このような本発明の
磁気素子によれば、大きな出力電圧を得ることが可能と
なり、磁気抵抗効果型ヘッド、磁気センサ、磁気記憶素
子などの特性向上に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 2重強磁性トンネル接合におけるエネルギー
ポテンシャルを示す図である。

【図２】 本発明の第１の磁気素子の一実施形態の基本
膜構造を示す断面図である。

【図３】 本発明の第２の磁気素子の一実施形態の基本
膜構造を示す断面図である。

【図４】 図３に示す磁気素子の変形例を示す断面図で
ある。

【図５】 本発明の第２の磁気素子の他の実施形態の基
本膜構造を示す断面図である。

【図６】 本発明の磁気素子を磁気へッドに適用する際
の膜構造の一実施形態を示す断面図である。

【図７】 本発明の磁気素子を磁気へッドに適用する際
の膜構造の他の実施形態を示す断面図である。

【図８】 本発明の磁気素子を磁気へッドに適用する際
の膜構造のさらに他の実施形態を示す断面図である。

【図９】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用する
際の膜構造の一実施形態を示す断面図である。

【図１０】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用す
る際の膜構造の他の実施形態を示す断面図である。

【図１１】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用す
る際の膜構造のさらに他の実施形態を示す断面図であ
る。

【図１２】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用す
る際の膜構造のさらに他の実施形態を示す断面図であ
る。

【図１３】 本発明の磁気素子の他の構造例を示す断面
図である。

【図１４】 本発明の磁気素子を適用した磁気記録素子
のセル構造の一例を示す図である。

【図１５】 本発明の実施例１による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。

【図１６】 本発明の実施例１による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。

【図１７】 本発明の実施例２による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。

【図１８】 本発明の実施例２による磁気素子のスピン
が平行、反平行の場合の差△Ｒの印加電圧依存性を示す
図である。

【図１９】 本発明の実施例２による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。

【図２０】 本発明の実施例３による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。

【図２１】 本発明の実施例３による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。

【図２２】 本発明の実施例４による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。

【図２３】 本発明の実施例４による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。

【図２４】 本発明の磁気素子に制御電極を設けた場合
の素子概略構造を示す図である。

【符号の説明】

１……第１の強磁性層 ２、４、１２、１４……誘電体層 ３……第２の強磁性層 ５……第３の強磁性層 ６……金属層 １１……強磁性体からなる第１の金属層 １３……強磁性層 １５……強磁性体または非磁性体からなる第２の金属層 １６……誘電体で分断された強磁性層 １７……誘電体 １８……強磁性体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−128719（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−251618（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−264858（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−205235（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−198622（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−177161（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／039488（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/32

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さが 10nm 以下の少なくとも1層の強磁
   性層と、前記強磁性層を挟持するように配置された誘電
   体層と、前記誘電体層を介して前記強磁性層と積層配置
   され、少なくとも一方が強磁性体からなる第１および第
   ２の金属層とを有する多重強磁性トンネル接合膜を具備
   し、前記強磁性層にはその厚さに基づいて離散準位が形成さ
   れており、かつ前記第１および第２の金属層間に電圧を
   印加して前記多重強磁性トンネル接合膜にトンネル電流
   を流すと共に、前記第１の金属層から第２の金属層に流
   れるトンネル電流に対して、 前記強磁性層に形成された
   離散準位に基づくスピン偏極トンネル効果により磁気抵
   抗効果を発現させることを特徴とする磁気素子。
2. 【請求項２】 強磁性体が誘電体で分断され、かつ超常
   磁性を示さず有限の保磁力を持つ強磁性層と、前記強磁
   性層を挟持するように配置された誘電体層と、前記誘電
   体層を介して前記強磁性層と積層配置され、少なくとも
   一方が強磁性体からなる第１および第２の金属層とを有
   する多重強磁性トンネル接合膜を具備し、前記強磁性層には前記強磁性体が誘電体で分断された構
   造に基づいて離散準位が形成されており、かつ前記第１
   および第２の金属層間に電圧を印加して前記多重強磁性
   トンネル接合膜にトンネル電流を流すと共に、前記第１
   の金属層から第２の金属層に流れるトンネル電流に対し
   て、 前記強磁性層に形成された離散準位に基づくスピン
   偏極トンネル効果により磁気抵抗効果を発現させること
   を特徴とする磁気素子。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の磁気素子
   において、 前記多重強磁性トンネル接合膜はスピン偏極共鳴トンネ
   ル効果を示すことを特徴とする磁気素子。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２記載の磁気素子
   において、 前記強磁性層と前記強磁性体からなる金属層のうち、一
   方のスピンの方向を変化させることにより磁気抵抗効果
   を発現させることを特徴とする磁気素子。
5. 【請求項５】 強磁性層または、強磁性体が誘電体で分
   断された強磁性層と、前記強磁性層を挟持するように配
   置された誘電体層と、前記誘電体層を介して前記強磁性
   層と積層配置された第１および第２の電極とを有する積
   層膜を具備し、前記第１および第２の電極間に電圧を印
   加して前記積層膜にトンネル電流を流す磁気素子であっ
   て、 室温下で前記第１および第２の電極間に印加する電圧に
   基づいて増加する磁気抵抗変化率を有することを特徴と
   する磁気素子。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれか１項
   記載の磁気素子を具備することを特徴とする磁気部品。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項５のいずれか１項
   記載の磁気素子を具備することを特徴とする電子部品。