JP3524486B2 - 磁気抵抗素子及び該素子を用いたメモリ素子 - Google Patents
磁気抵抗素子及び該素子を用いたメモリ素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果を利
用した磁気抵抗素子および該素子を用いたメモリ素子に
関するものである。特に、磁性層が垂直磁化膜で構成さ
れた磁気抵抗素子およびメモリ素子に関するものであ
る。
用した磁気抵抗素子および該素子を用いたメモリ素子に
関するものである。特に、磁性層が垂直磁化膜で構成さ
れた磁気抵抗素子およびメモリ素子に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】磁気抵抗効果膜は、現在ハードディスク
ドライブの再生ヘッドに用いられ、高い記録密度をもつ
ハードディスクに必要不可欠なものとなっている。磁気
抵抗効果膜の基本構成は、非磁性層を介して磁性層が隣
接して形成されたサンドイッチ構造である。再生ヘッド
に用いられる磁気抵抗効果膜では、一方の磁性層の磁化
方向が固定されている。このため一般的には磁化方向を
固定する磁性層に反強磁性層を交換結合させ、その磁性
層の磁化方向を反強磁性層の一方向異方性の方向に固定
させている。このような膜構成の磁気抵抗効果膜をスピ
ンバルブ膜と呼んでいる。また、他方の磁性層の磁化方
向は、ハードディスクからの浮遊磁界の方向にならって
反転させ、このときの磁気抵抗効果膜の電気抵抗の変化
によりハードディスクに記録されている情報を検出す
る。
ドライブの再生ヘッドに用いられ、高い記録密度をもつ
ハードディスクに必要不可欠なものとなっている。磁気
抵抗効果膜の基本構成は、非磁性層を介して磁性層が隣
接して形成されたサンドイッチ構造である。再生ヘッド
に用いられる磁気抵抗効果膜では、一方の磁性層の磁化
方向が固定されている。このため一般的には磁化方向を
固定する磁性層に反強磁性層を交換結合させ、その磁性
層の磁化方向を反強磁性層の一方向異方性の方向に固定
させている。このような膜構成の磁気抵抗効果膜をスピ
ンバルブ膜と呼んでいる。また、他方の磁性層の磁化方
向は、ハードディスクからの浮遊磁界の方向にならって
反転させ、このときの磁気抵抗効果膜の電気抵抗の変化
によりハードディスクに記録されている情報を検出す
る。
【０００３】また、さらに磁気抵抗効果膜は、固体メモ
リへの応用が検討されている。
リへの応用が検討されている。
【０００４】近年、固体メモリである半導体メモリは情
報機器に多く用いられ、DRAM、FeRAM、フラッシュEEPRO
M等その種類も様々である。これら半導体メモリの特性
は一長一短であり、現在の情報機器において要求される
スペックのすべてを満たすメモリが存在しない。例え
ば、DRAMは記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、
揮発性であり電源を切ると情報は消えてしまう。また、
フラッシュEEPROMは不揮発であるが消去の時間が長く、
情報の高速処理には不向きである。
報機器に多く用いられ、DRAM、FeRAM、フラッシュEEPRO
M等その種類も様々である。これら半導体メモリの特性
は一長一短であり、現在の情報機器において要求される
スペックのすべてを満たすメモリが存在しない。例え
ば、DRAMは記録密度が高く書き換え可能回数も多いが、
揮発性であり電源を切ると情報は消えてしまう。また、
フラッシュEEPROMは不揮発であるが消去の時間が長く、
情報の高速処理には不向きである。
【０００５】上記のような半導体メモリの現状に対し
て、磁気抵抗効果を用いたメモリ(MRAM）は、記録時
間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費
電力等において多くの情報機器から求められるスペック
をすべて満たすメモリとして有望である。特にスピン依
存トンネル磁気抵抗（TMR）効果を利用したMRAMは、大
きな読み出し信号が得られることから、高記録密度化あ
るいは高速読み出しに有利であり、近年の研究報告にお
いてMRAMとしての実現性が実証されている。
て、磁気抵抗効果を用いたメモリ(MRAM）は、記録時
間、読み出し時間、記録密度、書き換え可能回数、消費
電力等において多くの情報機器から求められるスペック
をすべて満たすメモリとして有望である。特にスピン依
存トンネル磁気抵抗（TMR）効果を利用したMRAMは、大
きな読み出し信号が得られることから、高記録密度化あ
るいは高速読み出しに有利であり、近年の研究報告にお
いてMRAMとしての実現性が実証されている。
【０００６】磁気抵抗効果膜の非磁性層として良く用い
られる材料にはCuやAl2O3が挙げられる。磁気抵抗効果
膜において非磁性層にCu等のような導体を用いたものを
巨大磁気抵抗効果膜（GMR膜）といい、Al2O3などの絶縁
体を用いたものをスピン依存トンネル効果膜（TMR膜）
という。TMR膜はGMR膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示
すので次世代の磁気抵抗素子として期待されている。
られる材料にはCuやAl2O3が挙げられる。磁気抵抗効果
膜において非磁性層にCu等のような導体を用いたものを
巨大磁気抵抗効果膜（GMR膜）といい、Al2O3などの絶縁
体を用いたものをスピン依存トンネル効果膜（TMR膜）
という。TMR膜はGMR膜に比べて大きな磁気抵抗効果を示
すので次世代の磁気抵抗素子として期待されている。
【０００７】図1（ａ）に示すように二つの磁性層の磁
化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較
的小さく、図1（ｂ）に示すように磁化方向が反平行で
あると電気抵抗は比較的大きくなる。
化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比較
的小さく、図1（ｂ）に示すように磁化方向が反平行で
あると電気抵抗は比較的大きくなる。
【０００８】また、前記第２磁性層および第３磁性層の
材料は、大きなスピン分極率を得るためにＦｅ、Ｃｏあ
るいはＣｏＦｅが好ましい。また、前記第１の磁性層お
よび前記第４の磁性層としては、垂直磁気異方性を示す
希土類金属と遷移金属の合金膜が好ましく、具体的に
は、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｔｂから選ばれる少なくとも１種類の
希土類金属とＦｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１種類
の遷移金属の合金膜が好ましい。また、前記非磁性層を
絶縁膜、特に、酸化物とすることにより、構成をより大
きな磁気抵抗効果を得られるスピン依存トンネル効果膜
とすることが好ましい。また、前記第２磁性層、第３磁
性層がＣｏＦｅから構成される場合は、最適な磁気抵抗
変化率を得るためにＣｏ組成が２０ａｔ．％以上７０ａ
ｔ．％以下であることが好ましい。また、前記第２磁性
層、第３磁性層がＣｏＦｅから構成される場合は、最適
な磁気抵抗変化率を得るためにＣｏ組成が３０ａｔ．％
以上５０ａｔ．％以下であることが好ましい。更に、上
記目的は、少なくとも第１の磁性層、第２の磁性層、非
磁性層、第３の磁性層、第４の磁性層が順に積層され、
前記第１の磁性層および第４の磁性層がそれぞれ膜面垂
直方向に磁化容易軸を有し、かつ該第２の磁性層と該第
３の磁性層が前記第１の磁性層および前記第４の磁性層
よりも大きなスピン分極率を有し、前記第２の磁性層及
び第３の磁性層は、少なくともＣｏを含有する磁性層で
あり且つ、該Ｃｏ含有率が２０ａｔ％以上で７０ａｔ％
以下である磁気抵抗素子においても達成される。以上の
いずれかの構成により、磁性膜は垂直磁化膜を維持でき
るため素子サイズの微細化が可能となり、また、高い磁
気抵抗効果を得られる磁気抵抗素子およびメモリ素子を
提供できる。
材料は、大きなスピン分極率を得るためにＦｅ、Ｃｏあ
るいはＣｏＦｅが好ましい。また、前記第１の磁性層お
よび前記第４の磁性層としては、垂直磁気異方性を示す
希土類金属と遷移金属の合金膜が好ましく、具体的に
は、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｔｂから選ばれる少なくとも１種類の
希土類金属とＦｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１種類
の遷移金属の合金膜が好ましい。また、前記非磁性層を
絶縁膜、特に、酸化物とすることにより、構成をより大
きな磁気抵抗効果を得られるスピン依存トンネル効果膜
とすることが好ましい。また、前記第２磁性層、第３磁
性層がＣｏＦｅから構成される場合は、最適な磁気抵抗
変化率を得るためにＣｏ組成が２０ａｔ．％以上７０ａ
ｔ．％以下であることが好ましい。また、前記第２磁性
層、第３磁性層がＣｏＦｅから構成される場合は、最適
な磁気抵抗変化率を得るためにＣｏ組成が３０ａｔ．％
以上５０ａｔ．％以下であることが好ましい。更に、上
記目的は、少なくとも第１の磁性層、第２の磁性層、非
磁性層、第３の磁性層、第４の磁性層が順に積層され、
前記第１の磁性層および第４の磁性層がそれぞれ膜面垂
直方向に磁化容易軸を有し、かつ該第２の磁性層と該第
３の磁性層が前記第１の磁性層および前記第４の磁性層
よりも大きなスピン分極率を有し、前記第２の磁性層及
び第３の磁性層は、少なくともＣｏを含有する磁性層で
あり且つ、該Ｃｏ含有率が２０ａｔ％以上で７０ａｔ％
以下である磁気抵抗素子においても達成される。以上の
いずれかの構成により、磁性膜は垂直磁化膜を維持でき
るため素子サイズの微細化が可能となり、また、高い磁
気抵抗効果を得られる磁気抵抗素子およびメモリ素子を
提供できる。
【０００９】垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果膜におい
ての磁化方向と電気抵抗の関係は、面内磁化膜を用いた
それと同様で、図2（ａ）に示すように２つの磁性層の
磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比
較的小さく、図2（ｂ）に示すように磁化方向が反平行
であると電気抵抗は比較的大きくなる。
ての磁化方向と電気抵抗の関係は、面内磁化膜を用いた
それと同様で、図2（ａ）に示すように２つの磁性層の
磁化方向が平行であると磁気抵抗効果膜の電気抵抗は比
較的小さく、図2（ｂ）に示すように磁化方向が反平行
であると電気抵抗は比較的大きくなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上記のように垂直磁化
膜を用いた磁気抵抗効果膜は、その素子サイズを微細化
できる点で優れている。垂直磁化膜にはPtとCoの人工格
子多層膜やCoCr合金あるいは希土類−遷移金属合金等が
あるが、再生ヘッドやMRAMに用いられる磁気抵抗効果膜
としては、その磁化曲線の角型比が１に近いものが好ま
しく、そのような磁気特性をもつ磁性材料は希土類−遷
移金属合金が挙げられる。しかし、この材料においては
希土類金属が非磁性層界面に存在するために高い磁気抵
抗効果が得られないという問題があった。さらに希土類
元素は著しく酸化し易く、特に２つの磁性層の間に配す
る非磁性層に酸化物を用いた場合、その界面に存在する
希土類元素が酸化してしまい、磁性層の磁気特性が劣化
したり、非磁性層中に存在していた酸素が拡散し、磁気
抵抗効果が低下するという問題があった。
膜を用いた磁気抵抗効果膜は、その素子サイズを微細化
できる点で優れている。垂直磁化膜にはPtとCoの人工格
子多層膜やCoCr合金あるいは希土類−遷移金属合金等が
あるが、再生ヘッドやMRAMに用いられる磁気抵抗効果膜
としては、その磁化曲線の角型比が１に近いものが好ま
しく、そのような磁気特性をもつ磁性材料は希土類−遷
移金属合金が挙げられる。しかし、この材料においては
希土類金属が非磁性層界面に存在するために高い磁気抵
抗効果が得られないという問題があった。さらに希土類
元素は著しく酸化し易く、特に２つの磁性層の間に配す
る非磁性層に酸化物を用いた場合、その界面に存在する
希土類元素が酸化してしまい、磁性層の磁気特性が劣化
したり、非磁性層中に存在していた酸素が拡散し、磁気
抵抗効果が低下するという問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題に鑑み
なされたものであり、素子サイズを微細化可能で、且つ
高い磁気抵抗効果が得られる磁気抵抗素子を提供するこ
とである。そして、上記目的は、少なくとも第１の磁性
層、膜厚が２ｎｍ以下である第２の磁性層、非磁性層、
膜厚が２ｎｍ以下である第３の磁性層、第４の磁性層が
順に積層され、該第１の磁性層と該第２の磁性層および
該第３の磁性層と該第４の磁性層がそれぞれ交換結合し
ており、該第１の磁性層および該第４の磁性層がそれぞ
れ膜面垂直方向に磁気異方性を有し、かつ該第２の磁性
層と該第３の磁性層が該第１の磁性層および該第４の磁
性層よりも大きなスピン分極率を持ち、該第１の磁性層
と該第４の磁性層からの交換結合力により、該第２の磁
性層の磁化と該第３の磁性層の磁化が膜面垂直方向に配
向しており、前記第２の磁性層および第３の磁性層がＦ
ｅ、ＣｏあるいはＣｏＦｅからなることを特徴とする磁
気抵抗素子および該素子を用いたメモリ素子により達成
される。また、前記第２の磁性層および第３の磁性層の
膜厚は、磁気抵抗効果膜としての機能を果たすために
０．２ｎｍ以上、つまり１原子層以上積層されているこ
とが好ましい。更に、前記第２磁性層および第３磁性層
の膜厚は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下が、最適な磁
気抵抗変化率を得る上でより好ましい。
なされたものであり、素子サイズを微細化可能で、且つ
高い磁気抵抗効果が得られる磁気抵抗素子を提供するこ
とである。そして、上記目的は、少なくとも第１の磁性
層、膜厚が２ｎｍ以下である第２の磁性層、非磁性層、
膜厚が２ｎｍ以下である第３の磁性層、第４の磁性層が
順に積層され、該第１の磁性層と該第２の磁性層および
該第３の磁性層と該第４の磁性層がそれぞれ交換結合し
ており、該第１の磁性層および該第４の磁性層がそれぞ
れ膜面垂直方向に磁気異方性を有し、かつ該第２の磁性
層と該第３の磁性層が該第１の磁性層および該第４の磁
性層よりも大きなスピン分極率を持ち、該第１の磁性層
と該第４の磁性層からの交換結合力により、該第２の磁
性層の磁化と該第３の磁性層の磁化が膜面垂直方向に配
向しており、前記第２の磁性層および第３の磁性層がＦ
ｅ、ＣｏあるいはＣｏＦｅからなることを特徴とする磁
気抵抗素子および該素子を用いたメモリ素子により達成
される。また、前記第２の磁性層および第３の磁性層の
膜厚は、磁気抵抗効果膜としての機能を果たすために
０．２ｎｍ以上、つまり１原子層以上積層されているこ
とが好ましい。更に、前記第２磁性層および第３磁性層
の膜厚は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下が、最適な磁
気抵抗変化率を得る上でより好ましい。
【００１２】また、前記第１の磁性層および前記第４の
磁性層としては、垂直磁気異方性を示す希土類金属と遷
移金属の合金膜が好ましく、具体的には、Ｇｄ、Ｄｙ、
Ｔｂから選ばれる少なくとも１種類の希土類金属とＦ
ｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１種類の遷移金属の合
金膜が好ましい。また、前記非磁性層を絶縁膜、特に、
酸化物とすることにより、構成をより大きな磁気抵抗効
果を得られるスピン依存トンネル効果膜とすることが好
ましい。また、前記第２磁性層、第３磁性層がＣｏＦｅ
から構成される場合は、最適な磁気抵抗変化率を得るた
めにＣｏ組成が２０ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下であ
ることが好ましい。また、前記第２磁性層、第３磁性層
がＣｏＦｅから構成される場合は、最適な磁気抵抗変化
率を得るためにＣｏ組成が３０ａｔ．％以上５０ａｔ．
％以下であることが好ましい。以上の構成により、磁性
膜は垂直磁化膜を維持できるため素子サイズの微細化が
可能となり、また、高い磁気抵抗効果を得られる磁気抵
抗素子およびメモリ素子を提供できる。
磁性層としては、垂直磁気異方性を示す希土類金属と遷
移金属の合金膜が好ましく、具体的には、Ｇｄ、Ｄｙ、
Ｔｂから選ばれる少なくとも１種類の希土類金属とＦ
ｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１種類の遷移金属の合
金膜が好ましい。また、前記非磁性層を絶縁膜、特に、
酸化物とすることにより、構成をより大きな磁気抵抗効
果を得られるスピン依存トンネル効果膜とすることが好
ましい。また、前記第２磁性層、第３磁性層がＣｏＦｅ
から構成される場合は、最適な磁気抵抗変化率を得るた
めにＣｏ組成が２０ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下であ
ることが好ましい。また、前記第２磁性層、第３磁性層
がＣｏＦｅから構成される場合は、最適な磁気抵抗変化
率を得るためにＣｏ組成が３０ａｔ．％以上５０ａｔ．
％以下であることが好ましい。以上の構成により、磁性
膜は垂直磁化膜を維持できるため素子サイズの微細化が
可能となり、また、高い磁気抵抗効果を得られる磁気抵
抗素子およびメモリ素子を提供できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】大きな磁気抵抗効果を得るために
は、非磁性層の界面付近にスピン分極率の大きな材料を
配する必要がある。そのような材料にはFe、Coあるいは
CoFe合金が挙げられ、特にCoFe合金は大きなスピン分極
率を有する。しかし、これらの材料は単層膜の状態では
膜面内方向に磁気異方性を持つため、膜面垂直方向に磁
化は安定しない。そこで例えば、垂直磁気異方性を有す
る磁性層と交換結合させることによってCoFe合金膜の磁
化方向を膜面垂直方向に向けることが可能である。
は、非磁性層の界面付近にスピン分極率の大きな材料を
配する必要がある。そのような材料にはFe、Coあるいは
CoFe合金が挙げられ、特にCoFe合金は大きなスピン分極
率を有する。しかし、これらの材料は単層膜の状態では
膜面内方向に磁気異方性を持つため、膜面垂直方向に磁
化は安定しない。そこで例えば、垂直磁気異方性を有す
る磁性層と交換結合させることによってCoFe合金膜の磁
化方向を膜面垂直方向に向けることが可能である。
【００１４】図3に本発明の磁気抵抗素子の膜構成の一
例を示す。１０は基板、２１は第１の磁性層、２２は第
２の磁性層、２３は非磁性層、２４は第３の磁性層、２
５は第４の磁性層、２６は保護層である。
例を示す。１０は基板、２１は第１の磁性層、２２は第
２の磁性層、２３は非磁性層、２４は第３の磁性層、２
５は第４の磁性層、２６は保護層である。
【００１５】基板には、Si基板やガラス基板等が用いら
れる。
れる。
【００１６】第１の磁性層および第４の磁性層には、垂
直磁気異方性を示す磁性体が用いられ、第１の磁性層は
第２の磁性層と、第４の磁性層は第３の磁性層とそれぞ
れ交換結合している。第２の磁性層と第３の磁性層の磁
化はそれぞれ第１の磁性層と第４の磁性層からの交換結
合力により膜面垂直方向に向けられる。第１の磁性層お
よび第４の磁性層に用いられる磁性材料は、磁気特性か
ら希土類−遷移金属合金が好ましく、特に希土類金属と
してGd、DyあるいはTbを用いることが好ましい。
直磁気異方性を示す磁性体が用いられ、第１の磁性層は
第２の磁性層と、第４の磁性層は第３の磁性層とそれぞ
れ交換結合している。第２の磁性層と第３の磁性層の磁
化はそれぞれ第１の磁性層と第４の磁性層からの交換結
合力により膜面垂直方向に向けられる。第１の磁性層お
よび第４の磁性層に用いられる磁性材料は、磁気特性か
ら希土類−遷移金属合金が好ましく、特に希土類金属と
してGd、DyあるいはTbを用いることが好ましい。
【００１７】非磁性層としては，絶縁膜を用いて，スピ
ントンネル効果を用いた磁気抵抗素子とするのが，抵抗
変化率が高いため好ましい。この絶縁膜としては，酸化
アルミニウムのような酸化物を用いるのが良い。
ントンネル効果を用いた磁気抵抗素子とするのが，抵抗
変化率が高いため好ましい。この絶縁膜としては，酸化
アルミニウムのような酸化物を用いるのが良い。
【００１８】図4〜図7は垂直磁化膜として膜厚30nmのGd
21Fe79を用い、これに膜厚の異なるCo50Fe50合金膜を交
換結合させた多層膜の磁化曲線を示す。基板には表面を
酸化処理したシリコンウエハーを用い、上部保護膜とし
て2nmの膜厚のPt膜を配している。印加した磁界はすべ
て±0.16 MA/mの大きさで、膜面内方向と膜面垂直方向
に磁界を印加した場合について、V.S.Mを用いて測定し
ている。図4はGd21Fe79単層膜の磁化曲線で、膜面垂直
方向に磁界を印加した場合には角型の磁化曲線になって
いる。また、膜面内方向では磁化の変化は確認されなか
った。図5は膜厚1nmのCo50Fe50とGd21Fe79の交換結合膜
の磁化曲線で、図6は膜厚2nmのCo50Fe50とGd21Fe79の交
換結合膜の磁化曲線である。どちらの磁化曲線において
も膜面内方向で磁化の変化が確認されている。また、膜
面垂直方向では角型の磁化曲線が得られている。図7は
膜厚3nmのCo50Fe50とGd21Fe79の交換結合膜の磁化曲線
である。この場合、膜面内方向では比較的小さな磁界で
磁化の大きさが飽和しているが、膜面垂直方向において
は小さな磁界範囲内では磁化は飽和していない。つまり
Co50Fe50合金膜を3nmの厚さにするとCo50Fe50合金膜の
磁化は面内方向に向きやすくなり、垂直磁化膜と交換結
合させることによってCo50Fe50合金膜の磁化を垂直方向
に安定させることは不可能であることが分かる。
21Fe79を用い、これに膜厚の異なるCo50Fe50合金膜を交
換結合させた多層膜の磁化曲線を示す。基板には表面を
酸化処理したシリコンウエハーを用い、上部保護膜とし
て2nmの膜厚のPt膜を配している。印加した磁界はすべ
て±0.16 MA/mの大きさで、膜面内方向と膜面垂直方向
に磁界を印加した場合について、V.S.Mを用いて測定し
ている。図4はGd21Fe79単層膜の磁化曲線で、膜面垂直
方向に磁界を印加した場合には角型の磁化曲線になって
いる。また、膜面内方向では磁化の変化は確認されなか
った。図5は膜厚1nmのCo50Fe50とGd21Fe79の交換結合膜
の磁化曲線で、図6は膜厚2nmのCo50Fe50とGd21Fe79の交
換結合膜の磁化曲線である。どちらの磁化曲線において
も膜面内方向で磁化の変化が確認されている。また、膜
面垂直方向では角型の磁化曲線が得られている。図7は
膜厚3nmのCo50Fe50とGd21Fe79の交換結合膜の磁化曲線
である。この場合、膜面内方向では比較的小さな磁界で
磁化の大きさが飽和しているが、膜面垂直方向において
は小さな磁界範囲内では磁化は飽和していない。つまり
Co50Fe50合金膜を3nmの厚さにするとCo50Fe50合金膜の
磁化は面内方向に向きやすくなり、垂直磁化膜と交換結
合させることによってCo50Fe50合金膜の磁化を垂直方向
に安定させることは不可能であることが分かる。
【００１９】図8〜図11は垂直磁化膜として膜厚40nmのT
b20Fe80を用い、これに膜厚の異なるCo膜を交換結合さ
せた多層膜の磁化曲線を示す。図8はTb20Fe80単層膜の
磁化曲線で、膜面垂直方向に磁界を印加した場合には角
型に近い磁化曲線が得られている。また、膜面内方向で
は磁化の変化は確認されなかった。図9は膜厚1nmのCoと
Tb20Fe80の交換結合膜の磁化曲線で、図10は膜厚2nmのC
oとTb20Fe80の交換結合膜の磁化曲線である。どちらの
磁化曲線においても膜面内方向で磁化の変化が確認され
ている。また、膜面垂直方向ではTb20Fe80単層膜の場合
よりも保磁力の大きさが小さくなっているが、零磁界に
おいて磁化の大きさは飽和していて、磁化はどちらか一
方の方向に揃っていることが分かる。図11は膜厚3nmのC
oとTb20Fe80の交換結合膜の磁化曲線である。この場
合、膜面垂直方向において零磁界で磁化の大きさが減少
しており、磁化は部分的に反転しているか、あるいは傾
いていることが分かる。つまりCo膜を3nmの厚さにする
とCoの磁化は面内方向に向きやすくなり、垂直磁化膜と
交換結合させてもCo膜の磁化を垂直方向に安定させるこ
とは困難であることが分かる。
b20Fe80を用い、これに膜厚の異なるCo膜を交換結合さ
せた多層膜の磁化曲線を示す。図8はTb20Fe80単層膜の
磁化曲線で、膜面垂直方向に磁界を印加した場合には角
型に近い磁化曲線が得られている。また、膜面内方向で
は磁化の変化は確認されなかった。図9は膜厚1nmのCoと
Tb20Fe80の交換結合膜の磁化曲線で、図10は膜厚2nmのC
oとTb20Fe80の交換結合膜の磁化曲線である。どちらの
磁化曲線においても膜面内方向で磁化の変化が確認され
ている。また、膜面垂直方向ではTb20Fe80単層膜の場合
よりも保磁力の大きさが小さくなっているが、零磁界に
おいて磁化の大きさは飽和していて、磁化はどちらか一
方の方向に揃っていることが分かる。図11は膜厚3nmのC
oとTb20Fe80の交換結合膜の磁化曲線である。この場
合、膜面垂直方向において零磁界で磁化の大きさが減少
しており、磁化は部分的に反転しているか、あるいは傾
いていることが分かる。つまりCo膜を3nmの厚さにする
とCoの磁化は面内方向に向きやすくなり、垂直磁化膜と
交換結合させてもCo膜の磁化を垂直方向に安定させるこ
とは困難であることが分かる。
【００２０】上記のように，106〜107erg/ccの大きな垂
直磁気異方性を持つTbFe合金膜を用いた場合でも，3nm
以上の膜厚を持つ遷移金属膜の磁化方向を膜面垂直方向
に向けることは容易ではない。
直磁気異方性を持つTbFe合金膜を用いた場合でも，3nm
以上の膜厚を持つ遷移金属膜の磁化方向を膜面垂直方向
に向けることは容易ではない。
【００２１】以上の結果から、磁気抵抗効果膜の非磁性
層の界面に配する第２の磁性層および第３の磁性層の膜
厚は2nm以下にすることが好ましい。また、第２の磁性
層および第３の磁性層の膜厚は少なくとも１原子層以
上、つまり0.2nm以上ある必要がある。
層の界面に配する第２の磁性層および第３の磁性層の膜
厚は2nm以下にすることが好ましい。また、第２の磁性
層および第３の磁性層の膜厚は少なくとも１原子層以
上、つまり0.2nm以上ある必要がある。
【００２２】図12は、図13に示した膜構成のスピントン
ネル磁気抵抗効果膜の磁気抵抗変化率を面内磁化膜の膜
厚に対してプロットしたグラフである。抵抗値は直流四
端子法を用いて測定している。シリコンウエハー上に形
成した膜厚25nmのAlCu合金膜は磁気抵抗効果膜に電流を
流すための下部電極３１であり、最上部に形成した膜厚
50nmのAl膜は上部電極３２である。AlCu合金膜の上には
磁気抵抗効果膜として膜厚50nmのGdFe合金膜（第１の磁
性層２１）、第２の磁性層２２、2.2nmのAl2O3膜（非磁
性層２３）、第３の磁性層２４、30nmのTbFe合金膜（第
４の磁性層２５）が順次形成されている。ただし、第２
の磁性層と第３の磁性層の膜厚は同じとした。Al2O3膜
界面に面内磁化膜が無い場合、磁気抵抗変化率が3%であ
るのに対し、Co膜をAl2O3膜界面に配した場合では、そ
の膜厚を0.5nmにすると最も大きな磁気抵抗変化率が得
られ、その値は27%まで増加する。また、第２の磁性層
および第３の磁性層にCo50Fe50合金を用いた場合では、
その膜厚を1nmにすると最も大きな磁気抵抗変化率が得
られ、その値は46%である。さらに、Feを用いた場合、
磁気抵抗変化率が最大になる膜厚は1.5nmである。つま
り、第２の磁性層および第３の磁性層の最適な膜厚はそ
の組成によって異なるが、その膜厚が0.5nm〜1.5nmの範
囲内で磁気抵抗変化率が最大となる。したがって、第２
の磁性層および第３の磁性層の膜厚は0.5nm〜1.5nmとす
ることがさらに好ましい。
ネル磁気抵抗効果膜の磁気抵抗変化率を面内磁化膜の膜
厚に対してプロットしたグラフである。抵抗値は直流四
端子法を用いて測定している。シリコンウエハー上に形
成した膜厚25nmのAlCu合金膜は磁気抵抗効果膜に電流を
流すための下部電極３１であり、最上部に形成した膜厚
50nmのAl膜は上部電極３２である。AlCu合金膜の上には
磁気抵抗効果膜として膜厚50nmのGdFe合金膜（第１の磁
性層２１）、第２の磁性層２２、2.2nmのAl2O3膜（非磁
性層２３）、第３の磁性層２４、30nmのTbFe合金膜（第
４の磁性層２５）が順次形成されている。ただし、第２
の磁性層と第３の磁性層の膜厚は同じとした。Al2O3膜
界面に面内磁化膜が無い場合、磁気抵抗変化率が3%であ
るのに対し、Co膜をAl2O3膜界面に配した場合では、そ
の膜厚を0.5nmにすると最も大きな磁気抵抗変化率が得
られ、その値は27%まで増加する。また、第２の磁性層
および第３の磁性層にCo50Fe50合金を用いた場合では、
その膜厚を1nmにすると最も大きな磁気抵抗変化率が得
られ、その値は46%である。さらに、Feを用いた場合、
磁気抵抗変化率が最大になる膜厚は1.5nmである。つま
り、第２の磁性層および第３の磁性層の最適な膜厚はそ
の組成によって異なるが、その膜厚が0.5nm〜1.5nmの範
囲内で磁気抵抗変化率が最大となる。したがって、第２
の磁性層および第３の磁性層の膜厚は0.5nm〜1.5nmとす
ることがさらに好ましい。
【００２３】図14はCoFe合金膜の組成に対して磁気抵抗
変化率をプロットしたグラフである。Co組成が0at.%あ
るいは100at.%に近いところでは磁気抵抗変化率が急激
に減少するが、20at.%〜70at.%の範囲では40%以上の高
い磁気抵抗変化率が得られている。さらに30at.%〜50a
t.%の範囲で磁気抵抗変化率は最大値の46%を示してい
る。したがって、第２の磁性層および第３の磁性層に用
いるCoFe合金膜はCo組成を20at.%以上70at.%以下とする
ことが好ましく、30at.%以上50at.%以下とすることがさ
らに好ましい。
変化率をプロットしたグラフである。Co組成が0at.%あ
るいは100at.%に近いところでは磁気抵抗変化率が急激
に減少するが、20at.%〜70at.%の範囲では40%以上の高
い磁気抵抗変化率が得られている。さらに30at.%〜50a
t.%の範囲で磁気抵抗変化率は最大値の46%を示してい
る。したがって、第２の磁性層および第３の磁性層に用
いるCoFe合金膜はCo組成を20at.%以上70at.%以下とする
ことが好ましく、30at.%以上50at.%以下とすることがさ
らに好ましい。
【００２４】次に本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子と
して用いた場合の動作について説明する。
して用いた場合の動作について説明する。
【００２５】磁気抵抗素子に記録された情報の検出方法
には、大別して絶対検出法と相対検出法の２種類が挙げ
られる。図16〜図19は本発明の磁気抵抗素子をメモリ素
子として用いたときの磁界印加方向と磁化方向の様子を
示した図であり、図16と図17は相対検出法を説明するも
のであり、図18と図19は絶対検出法を説明するものであ
る。
には、大別して絶対検出法と相対検出法の２種類が挙げ
られる。図16〜図19は本発明の磁気抵抗素子をメモリ素
子として用いたときの磁界印加方向と磁化方向の様子を
示した図であり、図16と図17は相対検出法を説明するも
のであり、図18と図19は絶対検出法を説明するものであ
る。
【００２６】まず相対検出法について説明する。第1の
磁性層21と第2の磁性層22からなる交換結合膜をメモリ
層、第3の磁性層24と第4の磁性層25からなる交換結合膜
を検出層とし、メモリ層の保磁力を検出層の保磁力より
大きくする。
磁性層21と第2の磁性層22からなる交換結合膜をメモリ
層、第3の磁性層24と第4の磁性層25からなる交換結合膜
を検出層とし、メモリ層の保磁力を検出層の保磁力より
大きくする。
【００２７】図16(a)のように上向きに記録磁界+Hwを印
加したとき磁気抵抗素子に「1」が記録され、図17(a)のよ
うに下向きに記録磁界-Hwを印加したとき「0」が記録され
る。ただし、記録磁界の大きさはメモリ層の保磁力より
も大きい。記録された情報を検出するときには、例えば
まず下向きに検出磁界-Haを印加し、次いで上向きに検
出磁界+Haを印加する。ただし、検出磁界の大きさはメ
モリ層の保磁力よりも小さく、検出層の保磁力よりも大
きい。「1」が記録されている場合、検出時に各層の磁化
方向は、まず図16の(b)のようになり、次いで(c)のよう
になる。図16(b)においてはメモリ層の磁化方向と検出
層の磁化方向が反平行に向いているので、磁気抵抗素子
の抵抗は大きな値を示す。また、図16(c)においてはメ
モリ層の磁化方向と検出層の磁化方向が平行に向いてい
るので、抵抗は小さな値を示す。したがって、「1」が記
録されている場合、検出動作によって抵抗が高い値から
低い値に変化する。「0」が記録されている場合、図17(b)
および(c)に示しているように、検出時に磁気抵抗素子
の磁化方向は、平行から反平行に変わる。したがって、
磁気抵抗素子の抵抗は小さな値から大きな値に変化す
る。
加したとき磁気抵抗素子に「1」が記録され、図17(a)のよ
うに下向きに記録磁界-Hwを印加したとき「0」が記録され
る。ただし、記録磁界の大きさはメモリ層の保磁力より
も大きい。記録された情報を検出するときには、例えば
まず下向きに検出磁界-Haを印加し、次いで上向きに検
出磁界+Haを印加する。ただし、検出磁界の大きさはメ
モリ層の保磁力よりも小さく、検出層の保磁力よりも大
きい。「1」が記録されている場合、検出時に各層の磁化
方向は、まず図16の(b)のようになり、次いで(c)のよう
になる。図16(b)においてはメモリ層の磁化方向と検出
層の磁化方向が反平行に向いているので、磁気抵抗素子
の抵抗は大きな値を示す。また、図16(c)においてはメ
モリ層の磁化方向と検出層の磁化方向が平行に向いてい
るので、抵抗は小さな値を示す。したがって、「1」が記
録されている場合、検出動作によって抵抗が高い値から
低い値に変化する。「0」が記録されている場合、図17(b)
および(c)に示しているように、検出時に磁気抵抗素子
の磁化方向は、平行から反平行に変わる。したがって、
磁気抵抗素子の抵抗は小さな値から大きな値に変化す
る。
【００２８】つまり、「1」が記録されている場合と「0」が
記録されている場合は、検出時に抵抗値の変化の仕方が
異なるので、これを検出することによって記録されてい
る情報を知ることが可能である。
記録されている場合は、検出時に抵抗値の変化の仕方が
異なるので、これを検出することによって記録されてい
る情報を知ることが可能である。
【００２９】次に絶対検出法について説明する。この場
合、第1の磁性層21と第2の磁性層22からなる交換結合膜
の磁化反転磁界は非常に大きく、記録磁界ではその磁化
方向が反転しない磁化固定層である。図18および図19に
おいては磁化固定層の磁化方向は上向きとしている。第
3の磁性層24と第4の磁性層25からなる交換結合膜の磁化
反転磁界は記録磁界よりも小さく、以下この交換結合膜
をフリー層と呼ぶことにする。記録は、記録磁界を上向
きに印加した場合「1」が記録され、下向きに印加された
場合「0」が記録される。検出時には上記の相対検出法の
ように検出磁界は印加せず、磁化方向はそのままで磁気
抵抗素子の抵抗値を検出する。磁気抵抗素子に「1」が記
録されている場合、図18に示すようにフリー層と磁化固
定層の磁化方向は平行であり、抵抗値は低い値を示す。
また、「0」が記録されている場合、図19に示すようにフ
リー層と磁化固定層の磁化方向は反平行であり、抵抗値
は高い値を示す。このことから分かるように絶対検出法
においては、多数配置された素子の抵抗値に大きなばら
つきがあったり、磁気抵抗変化率が小さいと、記録され
た情報を誤って検出する可能性が高い。
合、第1の磁性層21と第2の磁性層22からなる交換結合膜
の磁化反転磁界は非常に大きく、記録磁界ではその磁化
方向が反転しない磁化固定層である。図18および図19に
おいては磁化固定層の磁化方向は上向きとしている。第
3の磁性層24と第4の磁性層25からなる交換結合膜の磁化
反転磁界は記録磁界よりも小さく、以下この交換結合膜
をフリー層と呼ぶことにする。記録は、記録磁界を上向
きに印加した場合「1」が記録され、下向きに印加された
場合「0」が記録される。検出時には上記の相対検出法の
ように検出磁界は印加せず、磁化方向はそのままで磁気
抵抗素子の抵抗値を検出する。磁気抵抗素子に「1」が記
録されている場合、図18に示すようにフリー層と磁化固
定層の磁化方向は平行であり、抵抗値は低い値を示す。
また、「0」が記録されている場合、図19に示すようにフ
リー層と磁化固定層の磁化方向は反平行であり、抵抗値
は高い値を示す。このことから分かるように絶対検出法
においては、多数配置された素子の抵抗値に大きなばら
つきがあったり、磁気抵抗変化率が小さいと、記録され
た情報を誤って検出する可能性が高い。
【００３０】
【実施例】（実施例−１）チャンバー内を１×１０-5Pa
以下まで真空にした後、シリコンウエハー上にマグネト
ロンDCスパッタリングによって下部電極３１としてAl50
Cu50合金膜を25nmの膜厚で成膜した。第１の磁性層２１
としてGd21Fe79合金膜を50nm、第２の磁性層２２として
Co30Fe70合金膜を1nm、非磁性層２３としてAl2O3を2.2n
m成膜した。次いで酸素ガス中で逆スパッタリングし、A
l2O3膜をプラズマ酸化した。さらに、第３の磁性層２４
としてCo30Fe70合金膜を1nm、第４の磁性層２５としてT
b2 0Fe80合金膜を30nm、保護層２６としてPtを2nm順次成
膜した。
以下まで真空にした後、シリコンウエハー上にマグネト
ロンDCスパッタリングによって下部電極３１としてAl50
Cu50合金膜を25nmの膜厚で成膜した。第１の磁性層２１
としてGd21Fe79合金膜を50nm、第２の磁性層２２として
Co30Fe70合金膜を1nm、非磁性層２３としてAl2O3を2.2n
m成膜した。次いで酸素ガス中で逆スパッタリングし、A
l2O3膜をプラズマ酸化した。さらに、第３の磁性層２４
としてCo30Fe70合金膜を1nm、第４の磁性層２５としてT
b2 0Fe80合金膜を30nm、保護層２６としてPtを2nm順次成
膜した。
【００３１】上記のようにして得られた磁気抵抗効果膜
にスピンナーにより膜厚約1μmのレジストを塗布し、ア
ライナーを用いて50μm×50μmの正方形のレジストパタ
ーンを形成した。その後、ミリング装置によりAl50Cu50
合金膜表面まで膜を除去し、連続して絶縁膜５０として
90nmのAl2O3を成膜し、アセトン中で超音波洗浄するこ
とによってレジストとその上部に成膜されたAl2O3を除
去した。このようにして得られた50μm×50μmの大きさ
の素子の周りのAl2O3にフォーカスイオンビームを用い
て２つのコンタクトホールを空け、再びアライナーによ
ってパターニングしたレジストを上部に形成し、その上
にスパッタリングによって50nmの膜厚のAl膜を成膜し
た。次いでアセトン中で超音波洗浄することによってレ
ジストおよびその上部に成膜されたAl膜を除去し上部電
極３２を形成した。図15はこのようにして作成した素子
の断面図である。
にスピンナーにより膜厚約1μmのレジストを塗布し、ア
ライナーを用いて50μm×50μmの正方形のレジストパタ
ーンを形成した。その後、ミリング装置によりAl50Cu50
合金膜表面まで膜を除去し、連続して絶縁膜５０として
90nmのAl2O3を成膜し、アセトン中で超音波洗浄するこ
とによってレジストとその上部に成膜されたAl2O3を除
去した。このようにして得られた50μm×50μmの大きさ
の素子の周りのAl2O3にフォーカスイオンビームを用い
て２つのコンタクトホールを空け、再びアライナーによ
ってパターニングしたレジストを上部に形成し、その上
にスパッタリングによって50nmの膜厚のAl膜を成膜し
た。次いでアセトン中で超音波洗浄することによってレ
ジストおよびその上部に成膜されたAl膜を除去し上部電
極３２を形成した。図15はこのようにして作成した素子
の断面図である。
【００３２】上記のようにして作成した素子の抵抗値を
直流四端子法で測定したところ、磁気抵抗変化率は46%
であった。
直流四端子法で測定したところ、磁気抵抗変化率は46%
であった。
【００３３】（実施例−２）第２の磁性層および第３の
磁性層としてCoを0.5nmとしたこと以外は、実施例−1と
同様に素子を作成した。この素子の抵抗値を直流四端子
法で測定したところ、磁気抵抗変化率は27%であった。
磁性層としてCoを0.5nmとしたこと以外は、実施例−1と
同様に素子を作成した。この素子の抵抗値を直流四端子
法で測定したところ、磁気抵抗変化率は27%であった。
【００３４】（実施例−３）第２の磁性層および第３の
磁性層としてFeを1.5nmとしたこと以外は、実施例−1と
同様に素子を作成した。この素子の抵抗値を直流四端子
法で測定したところ、磁気抵抗変化率は9%であった。
磁性層としてFeを1.5nmとしたこと以外は、実施例−1と
同様に素子を作成した。この素子の抵抗値を直流四端子
法で測定したところ、磁気抵抗変化率は9%であった。
【００３５】〔比較例〕
（比較例−１）チャンバー内を１×１０-5Pa以下まで真
空にした後、シリコンウエハー上にマグネトロンDCスパ
ッタリングによって下部電極３１としてAl50Cu50合金膜
を25nmの膜厚で成膜した。第１の磁性層２１としてGd21
Fe79合金膜を50nm、非磁性層２３としてAl2O3を2.2nm成
膜した。次いで酸素ガス中で逆スパッタリングし、Al2O
3膜をプラズマ酸化した。さらに、第４の磁性層２５と
してTb20Fe80合金膜を30nm、保護層２６としてPtを2nm
順次成膜した。第２の磁性層22および第３の磁性層24は
形成していない。
空にした後、シリコンウエハー上にマグネトロンDCスパ
ッタリングによって下部電極３１としてAl50Cu50合金膜
を25nmの膜厚で成膜した。第１の磁性層２１としてGd21
Fe79合金膜を50nm、非磁性層２３としてAl2O3を2.2nm成
膜した。次いで酸素ガス中で逆スパッタリングし、Al2O
3膜をプラズマ酸化した。さらに、第４の磁性層２５と
してTb20Fe80合金膜を30nm、保護層２６としてPtを2nm
順次成膜した。第２の磁性層22および第３の磁性層24は
形成していない。
【００３６】上記のようにして得られた磁気抵抗効果膜
にスピンナーにより膜厚約1μmのレジストを塗布し、ア
ライナーを用いて50μm×50μmの正方形のレジストパタ
ーンを形成した。その後、ミリング装置によりAl50Cu50
膜表面まで膜を除去し、連続して絶縁膜５０として90nm
のAl2O3を成膜し、アセトン中で超音波洗浄することに
よってレジストとその上部に成膜されたAl2O3を除去し
た。このようにして得られた50μm×50μmの大きさの素
子の周りのAl2O3にフォーカスイオンビームを用いて２
つのコンタクトホールを空け、再びアライナーによって
パターニングしたレジストを上部に形成し、その上にス
パッタリングによって50nmの膜厚のAl膜を成膜した。次
いでアセトン中で超音波洗浄することによってレジスト
およびその上部に成膜されたAl膜を除去し上部電極３２
を形成した。
にスピンナーにより膜厚約1μmのレジストを塗布し、ア
ライナーを用いて50μm×50μmの正方形のレジストパタ
ーンを形成した。その後、ミリング装置によりAl50Cu50
膜表面まで膜を除去し、連続して絶縁膜５０として90nm
のAl2O3を成膜し、アセトン中で超音波洗浄することに
よってレジストとその上部に成膜されたAl2O3を除去し
た。このようにして得られた50μm×50μmの大きさの素
子の周りのAl2O3にフォーカスイオンビームを用いて２
つのコンタクトホールを空け、再びアライナーによって
パターニングしたレジストを上部に形成し、その上にス
パッタリングによって50nmの膜厚のAl膜を成膜した。次
いでアセトン中で超音波洗浄することによってレジスト
およびその上部に成膜されたAl膜を除去し上部電極３２
を形成した。
【００３７】上記のようにして作成した素子の抵抗値を
直流四端子法で測定したところ、磁気抵抗変化率は3%で
あった。
直流四端子法で測定したところ、磁気抵抗変化率は3%で
あった。
【００３８】（比較例−２）第２の磁性層および第３の
磁性層としてCo30Fe70合金膜を3nmとしたこと以外は、
実施例−1と同様に素子を作成した。この素子の抵抗値
を直流四端子法で測定したところ、磁気抵抗変化率は2%
であった。
磁性層としてCo30Fe70合金膜を3nmとしたこと以外は、
実施例−1と同様に素子を作成した。この素子の抵抗値
を直流四端子法で測定したところ、磁気抵抗変化率は2%
であった。
【００３９】
【発明の効果】上記のように本発明の磁気抵抗素子およ
びメモリ素子は、以下の効果を有する。 １．磁化方向を安定に膜面法線方向に配向できるため素
子の微細化が可能である。 ２．非磁性層と接する第２磁性層および第３磁性層に、
希土類金属より酸化されにくく、磁気抵抗変化率の大き
な材料を用いることにより、非磁性層に酸素を含有して
いる場合にも磁性層の劣化がなく、比較的大きな磁気抵
抗変化率が得られる。
びメモリ素子は、以下の効果を有する。 １．磁化方向を安定に膜面法線方向に配向できるため素
子の微細化が可能である。 ２．非磁性層と接する第２磁性層および第３磁性層に、
希土類金属より酸化されにくく、磁気抵抗変化率の大き
な材料を用いることにより、非磁性層に酸素を含有して
いる場合にも磁性層の劣化がなく、比較的大きな磁気抵
抗変化率が得られる。
【図１】面内磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜の磁
化方向と抵抗値の関係を説明する図である。
化方向と抵抗値の関係を説明する図である。
【図２】垂直磁化膜を用いた従来の磁気抵抗効果膜の磁
化方向と抵抗値の関係を説明する図である。
化方向と抵抗値の関係を説明する図である。
【図３】本発明の磁気抵抗効果膜の膜構成を示す断面図
である。
である。
【図４】Gd21Fe79垂直磁化膜の磁化曲線を示す図であ
る。
る。
【図５】Gd21Fe79垂直磁化膜と膜厚1nmのCo50Fe50の交
換結合膜の磁化曲線を示す図である。
換結合膜の磁化曲線を示す図である。
【図６】Gd21Fe79垂直磁化膜と膜厚2nmのCo50Fe50の交
換結合膜の磁化曲線を示す図である。
換結合膜の磁化曲線を示す図である。
【図７】Gd21Fe79垂直磁化膜と膜厚3nmのCo50Fe50の交
換結合膜の磁化曲線を示す図である。
換結合膜の磁化曲線を示す図である。
【図８】Tb20Fe80垂直磁化膜の磁化曲線を示す図であ
る。
る。
【図９】Tb20Fe80垂直磁化膜と膜厚1nmのCoの交換結合
膜の磁化曲線を示す図である。
膜の磁化曲線を示す図である。
【図１０】Tb20Fe80垂直磁化膜と膜厚2nmのCoの交換結
合膜の磁化曲線を示す図である。
合膜の磁化曲線を示す図である。
【図１１】Tb20Fe80垂直磁化膜と膜厚3nmのCoの交換結
合膜の磁化曲線を示す図である。
合膜の磁化曲線を示す図である。
【図１２】面内磁化膜の膜厚と磁気抵抗変化率の関係を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図１３】図８の関係を調べるのに用いた膜の断面図で
ある。
ある。
【図１４】Co組成と磁気抵抗変化率の関係を示すグラフ
である。
である。
【図１５】実施例および比較例で用いた素子の断面図で
ある。
ある。
【図１６】本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子に用いた
場合の再生原理を説明する図である。
場合の再生原理を説明する図である。
【図１７】本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子に用いた
場合の再生原理を説明する図である。
場合の再生原理を説明する図である。
【図１８】本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子に用いた
場合の他の再生原理を説明する図である。
場合の他の再生原理を説明する図である。
【図１９】本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子に用いた
場合の他の再生原理を説明する図である。
場合の他の再生原理を説明する図である。
１０ 基板
２０ 磁気抵抗効果膜
２１ 第１の磁性層
２２ 第２の磁性層
２３ 非磁性層
２４ 第３の磁性層
２５ 第４の磁性層
２６ 保護層
３１ 下部電極
３２ 上部電極
４１ 面内磁化膜
４２ 面内磁化膜
５０ 絶縁膜
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開2001−257395（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−135857（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−213650（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−97766（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−168249（ＪＰ，Ａ)
特開2001−94173（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−134560（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 43/08
G01R 33/09
G11B 5/39
H01F 10/32
H01L 27/105
Claims (14)
- 【請求項１】 少なくとも第１の磁性層、膜厚が２ｎｍ
以下である第２の磁性層、非磁性層、膜厚が２ｎｍ以下
である第３の磁性層、第４の磁性層が順に積層され、該
第１の磁性層と該第２の磁性層および該第３の磁性層と
該第４の磁性層がそれぞれ交換結合しており、該第１の
磁性層および該第４の磁性層がそれぞれ膜面垂直方向に
磁気異方性を有し、かつ該第２の磁性層と該第３の磁性
層が該第１の磁性層および該第４の磁性層よりも大きな
スピン分極率を持ち、該第１の磁性層と該第４の磁性層
からの交換結合力により、該第２の磁性層の磁化と該第
３の磁性層の磁化が膜面垂直方向に配向しており、前記
第２の磁性層および第３の磁性層がＦｅ、Ｃｏあるいは
ＣｏＦｅからなることを特徴とする磁気抵抗素子。 - 【請求項２】 前記第２の磁性層および第３の磁性層の
膜厚は０．２ｎｍ以上である請求項１に記載の磁気抵抗
素子。 - 【請求項３】 前記第２の磁性層および第３の磁性層の
膜厚は、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下である請求項２
に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項４】 前記第１の磁性層および前記第４の磁性
層が希土類金属と遷移金属の合金膜である請求項１に記
載の磁気抵抗素子。 - 【請求項５】 前記第１の磁性層および第４の磁性層
が、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｔｂから選ばれる少なくとも１種類の
希土類金属とＦｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１種類
の遷移金属の合金膜である請求項４に記載の磁気抵抗素
子。 - 【請求項６】 前記非磁性層が絶縁膜から成る請求項１
に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項７】 前記非磁性層が酸化物から成る請求項６
に記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項８】 ＣｏＦｅからなる磁性層のＣｏ組成が２
０ａｔ．％以上７０ａｔ．％以下である請求項１〜７の
いずれかひとつに記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項９】 ＣｏＦｅからなる磁性層のＣｏ組成が３
０ａｔ．％以上５０ａｔ．％以下である請求項８に記載
の磁気抵抗素子。 - 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかひとつに記載
の磁気抵抗素子を備えたメモリ素子。 - 【請求項１１】 請求項１０に記載のメモリ素子を基板
上に複数有するＭＲＡＭ。 - 【請求項１２】 少なくとも第１の磁性層、第２の磁性
層、非磁性層、第３の磁性層、第４の磁性層が順に積層
され、前記第１の磁性層および第４の磁性層がそれぞれ
膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、かつ該第２の磁性層
と該第３の磁性層が前記第１の磁性層および前記第４の
磁性層よりも大きなスピン分極率を有し、前記第１の磁
性層は第２の磁性層と、第４の磁性層は第３の磁性層と
それぞれ交換結合しており、前記第２の磁性層及び第３
の磁性層は、少なくともＣｏを含有する磁性層であり且
つ、該Ｃｏ含有率が２０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下で
ある磁気抵抗素子。 - 【請求項１３】 請求項１２に記載の磁気抵抗素子を備
えたメモリ素子。 - 【請求項１４】 請求項１３に記載のメモリ素子を基板
上に複数有するＭＲＡＭ。
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