JP3559722B2 - 磁気抵抗素子、固体メモリ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗素子に関し、詳しくは微細化可能な磁気抵抗素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗素子は、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。またセンサーとしても用いられている他、さらに固体メモリ素子への応用が検討されている。再生ヘッドに用いられている異方性磁気抵抗素子は、基本的には面内磁気異方性を持つ強磁性膜であり、この強磁性膜の面内方向に電流を流す回路および強磁性膜の抵抗変化を検出する回路を備えるものである。
【０００３】
図１は異方性磁気抵抗効果の原理を示す図である。電流Ｉは磁化容易方向に流し、磁界Ｈを面内困難方向に印加するように強磁性膜１を配する。磁化方向が電流方向と平行であるときの抵抗率をρ｜｜、磁化方向が電流方向と垂直であるときの抵抗率をρ⊥とすると、磁化Ｍと電流のなす角がθであるときの抵抗率ρは
ρ＝ρ｜｜ｃｏｓ２θ＋ρ⊥ｓｉｎ２θ
の式で表すことができる。
【０００４】
この式から分かるように、強磁性膜１の抵抗はそれに流れる電流と磁化のなす角度に依存している。再生ヘッドでは、ハードディスクからの浮遊磁界によって強磁性膜の磁化方向が変化し、その変化量が抵抗の変化量として検出される。
【０００５】
図２は磁気抵抗素子をメモリとして用いたときの、磁化方向と抵抗率変化について示したものである。磁化が右向きの場合を「０」、左向きの場合を「１」とし、検出時に強磁性膜の保磁力よりも大きな右向きの磁界を印加する。この場合、「０」が記録された強磁性膜の磁化方向は変化しないが、「１」が記録された強磁性膜の磁化方向は反転する。磁化が反転するとき磁化は電流方向に対して傾くので、上記のように抵抗率は変化することになる。従って、抵抗率変化があれば、「０」を、変化があれば「１」として検出する。
【０００６】
このような原理に基づいて、従来の磁気抵抗効果型メモリ素子の記録や検出においては、図３に示すように強磁性膜４０の上下に導線３１、３２を配し、これに電流を流すことにより強磁性膜面内に磁界が印加される。
【０００７】
導線に流す電流の大きさは、片側の導線から発生する磁界のみでは磁化が反転せず、両導線に同時に電流を流した時、上下の導線の交差する位置にある強磁性層４０の磁化が反転するように決められる。記録印加磁界の方向は、強磁性層４の磁気異方性と垂直な方向に配された導線に流れる電流の方向によって決まる。磁気抵抗素子として使用されている強磁性膜は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏやそれらの合金からなり、面内磁気異方性を持ったフェロ磁性体である。一般に面内磁気異方性の誘起は、強磁性膜の成膜中に磁気異方性を持たせる方向に磁界を印加することで達成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
モバイル情報機器等において音声や画像といった膨大な容量を持つデータを取り扱う場合、データはディスクやテープに記録されている。しかしそのような情報記録装置は駆動装置を必要とするため、容量の大きな電源が必要である。このような駆動装置（例えばモーター）や大容量電源を搭載するため軽量化が困難であった。
【０００９】
さらには、記録媒体が固体メモリであるモバイル情報機器では、十分に記録密度を高めた固体メモリは未だ実現しておらず、容量の小さなデータしか扱うことができなかった。この理由としては、高い記録密度を持つ磁気抵抗メモリを実現するためには、強磁性膜の微細化が求められるが、強磁性膜の磁化容易軸方向のサイズを小さくしていくと、反磁界が増加するため磁化が不安定となり、メモリ素子の記録保存性が悪くなるという問題があるためである。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、比較的大きな磁気抵抗変化率を有し、かつ微細化しても、反磁界の増加を抑え、記録保存性の劣化の少ない磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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ている積層膜を有する磁気抵抗素子であって、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層が、および前記第３の磁性層と前記第４の磁性層が、それぞれ交換結合しており、
かつ前記第１の磁性層および前記第４の磁性層の両方が、膜面法線方向に磁気異方性を有することを特徴とする磁気抵抗素子に関する。
【００１２】
上記した本発明において、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の磁化、および前記第３の磁性層と前記第４の磁性層の磁化は、それぞれ所望の印加磁界において、同時に反転し、
かつ、該磁化の向きが、それぞれ反平行であるであることが好ましい。
【００１３】
また、前記第１の磁性層及び前記第４の磁性層が、希土類金属と遷移金属との合金であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記の反磁界の問題を解決するために、強磁性膜の磁気異方性について鋭意検討を行った結果、この磁気異方性を膜面に対して垂直方向（膜面法線方向）に向けることが、非常に効果的であることを見出した。
【００１５】
膜面積と反磁界の大きさの関係は、垂直磁化膜と面内磁化膜では異なり、面内磁化膜では膜面積を小さくすると反磁界は大きくなるが、垂直磁化膜の膜面積が小さくなると反磁界は逆に減少するので、磁化の方向は膜面法線方向に安定する。つまり、磁化の安定性という点で、膜面積の小さな強磁性膜は垂直磁気異方性を持つものが好ましいのである。
【００１６】
ところが、この垂直磁気異方性を達成する上で、いくつか技術的な課題がある。
【００１７】
例えば、固体メモリとして磁気抵抗素子を用いる場合には、導線に電流を流すことで磁界を発生させるが、特にモバイル情報端末機器においては、電源容量の制限から少ない電流で動作することが好ましく、磁気抵抗素子の磁性層は小さな保磁力や磁化飽和磁界を有することが求められる。このような磁性層の特性を考慮すると、例えばＣｏＣｒ等の磁性体は磁気抵抗子の磁性層には好ましいとはいえない。
【００１８】
保磁力や磁化飽和磁界の小さな磁性材料として、垂直磁気異方性を有する希土類遷移金属合金膜が挙げられる。特に、希土類金属にガドリニウムを用いることによって、保磁力を数十（Ｏｅ）程度に小さくすることが可能である。
【００１９】
ところが、希土類金属は酸化され易いため、絶縁体層が酸化アルミニウム等の酸化物である場合、絶縁体層に含有される酸素によって希土類金属が酸化され、磁気特性が劣化してしまうという問題がある。
【００２０】
さらに、希土類金属と遷移金属からなるアモルファス膜では、電子の平均自由行程が数Å程度と著しく短く、これを用いた磁気抵抗素子は大きな磁気抵抗変化率を得ることが困難である。
【００２１】
本発明においては、以上のような問題についても解決し、良好な磁気抵抗素子を得ることができた。
【００２２】
図４に本発明の磁気抵抗素子の膜構成の一例を示す。基板１０上に、第１の磁性層２１、第２の磁性層２２、非磁性層２３、第３の磁性層２４、第４の磁性層２５、保護層２６が順次積層されている膜構成となっている。
【００２３】
基板１０には、例えば、Ｓｉ基板やガラス基板等が用いられる。
【００２４】
第１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。
【００２５】
第２の磁性層および第３の磁性層は、膜面内方向に磁気異方性を有していても、膜法線方向に磁気異方性を有していてもどちらでも構わないが、膜面内方向に磁気異方性を有している場合、その磁化方向はそれと交換結合している垂直磁化膜の磁化方向に揃い、膜面内方向に磁化されにくい方が好ましい。
【００２６】
第２の磁性層の磁化方向と第３の磁性層の磁化方向を反平行にするために、第１の磁性層に交換結合している場合の第２の磁性層の保磁力の大きさと第４の磁性層に交換結合している場合の第３の磁性層の保磁力の大きさは異なっている。また、第２の磁性層と第３の磁性層は、希土類金属よりも酸化されにくく、かつ磁気抵抗変化率の大きい材料が用いられる。このような磁性層としては、Ｆｅ、ＣｏＣｒ２０、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅを挙げることができる。
【００２７】
また、非磁性層については、例えば、Ｃｕのような導体であっても、また酸化アルミニウム等の絶縁体であってもよい。
【００２８】
また、保護層は、酸素原子を含有しない材料が好ましく、例えば、白金、ＳｉＮ等を挙げることができる。
【００２９】
上記のような膜構成にすることによって、小さな印加磁界で動作可能で、比較的大きな磁気抵抗変化率を有する微小サイズの磁気抵抗素子を得ることが可能である。
【００３０】
非磁性層の上下に配された磁性層の相互作用を考慮しないという条件下においては、スピン散乱型磁気抵抗素子では、非磁性層の膜厚が薄くなると磁気抵抗変化率は大きくなる。
【００３１】
ところが実際には、非磁性層の膜厚が薄くなると、その上下に配された各磁性層の静磁的結合力が強くなり、磁化の反平行状態が得られなくなってしまうため磁気抵抗変化率は逆に減少してしまう。また、スピントンネル型磁気抵抗素子においても、第２の磁性層と非磁性層あるいは、第３の磁性層と非磁性層の界面付近の磁性原子の磁化は、所望の方向から傾いてしまい、その結果磁気抵抗変化率は小さくなってしまう。
【００３２】
静磁結合力を小さくする方法として、非磁性層の上下に配された磁性層の磁化を小さくすることが挙げられる。そこで、本発明の磁気抵抗素子において、第１の磁性層の磁化と第２の磁性層の磁化および第３の磁性層の磁化と第４の磁性層の磁化は、それぞれ大きさがほぼ等しく向きが反平行であることが望ましい。
【００３３】
例えば、遷移金属を第２の磁性層と第３の磁性層に用い、希土類副格子磁化優勢である希土類金属と遷移金属のフェリ磁性合金を第１の磁性層と第４の磁性層に用いることで各交換結合膜の総磁化を小さくすることが可能であり、したがって、静磁結合力を小さくすることが可能である。このような合金としては、ＧｄＦｅ、Ｇｄ−Ｃｏ、Ｇｄ−ＦｅＣｏ等の合金を挙げることができる。
【００３４】
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。
【００３５】
第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜をメモリ層、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜を検出層とし、メモリ層の保磁力は、検出層の保磁力よりも大きい。
【００３６】
また、磁性膜中に磁壁が形成されると磁気抵抗が変化してしまう。この抵抗変化がノイズとなり、メモリ層と検出層の磁化状態によっては、発生し、本来検出したい磁気抵抗変化が正しく検出されない。
【００３７】
図５に示すように、記録磁界Ｈｗを印加することによって記録が行われ、メモリ層の磁化の向きが下向きのときを「０」、上向きのときを「１」とする。記録磁化方向の検出は、検出層の磁化方向を変化させることにより、磁気抵抗効果を用いて行われる。非磁性層の上下に配された磁性層の磁気モーメントが平行である場合と、反平行である場合では、磁気抵抗が異なり、磁気モーメントが反平行である場合には、平行である場合に比べて磁気抵抗は大きくなる。
ただし、スピン散乱型とスピントンネル型とでは電流を流す方向が異なり、スピン散乱型では電流は膜面内方向に、スピントンネル型では膜面垂直方向に流される。
【００３８】
検出層の磁化の反転は、図６に示すように、検出磁界Ｈａの印加で達成される。Ｈａの大きさは、Ｈａを印加した場合に、メモリ層の磁化方向は反転せず、検出層の磁化方向は反転するように決められる。
【００３９】
図７は、検出磁界Ｈａと磁気抵抗Ｒの関係を示したタイムチャートである。ここで、Ｒ＝ρ×Ｌ／Ｓ（Ｌ：磁気抵抗素子の長さ、Ｓ：断面積）の関係がある。図６に示すように、Ｈａをまず上向きに印加し、次いで下向きに印加する。ここで、「０」が記録された場合の磁化方向を下向きとする。「０」が記録されている場合、Ｈａの反転の前後で磁気抵抗は減少し、「１」が記録されている場合では、逆に増加することがわかる。この磁気抵抗の変化の違いにより、記録情報を非破壊で検出可能である。
【００４０】
【実施例】
さらに実施例を示しながら、本発明について詳述する。
【００４１】
（実施例１）
チャンバー内を１×１０−５Ｐａ以下まで真空にした後、ガラス基板上にマグネトロンＤＣスパッタリングによって第１の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ２２Ｆｅ７８を２０ｎｍ、第２の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、非磁性層としてＣｕを６ｎｍ、第３の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、第４の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢のＧｄ２０Ｆｅ８０を２０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜中のＡｒガス圧は、０．３Ｐａ一定とした。また、成膜パワーは、磁性層形成には、３００Ｗ、Ｃｕ、Ｐｔ層形成しは、１５０Ｗを用いた。
【００４２】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は２５０（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は１００（Ｏｅ）であった。
【００４３】
（実施例２）
第１の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢であるＧｄ２５Ｆｅ７５を２０ｎｍ、第２の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、非磁性層としてＣｕを２．６ｎｍ、第３の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、第４の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２６Ｆｅ７４を２０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。スパッタ圧と成膜パワーは実施例１と同じとした。
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は３００（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は２００（Ｏｅ）であった。
【００４４】
（実施例３）
第１の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢であるＧｄ２７Ｆｅ７３を１５ｎｍ、第２の磁性層としてＣｏＣｒ２０合金膜を２．５ｎｍ、非磁性層としてＣｕを３．５ｎｍ、第３の磁性層としてＣｏＣｒ２０合金膜を１．５ｎｍ、第４の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２７Ｆｅ７３を１５ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ、順次成膜した。各層のスパッタ圧と成膜パワーは０．３Ｐａで実施例１と同じとした。
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は５７０（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は４４０（Ｏｅ）で、磁化曲線における角形比は１であった。
【００４５】
（実施例４）
第１の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢であるＧｄ２５Ｆｅ７５を２０ｎｍ、第２の磁性層としてＦｅを１ｎｍ非磁性層としてＡｌを１．６ｎｍ積層した後、チャンバー内に０２ガスを１ｋＰａの圧力になるように導入し、１時間保持することでＡｌ層を酸化させた。その後、再び１×１０−５Ｐａ以下まで真空にし、第３の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、第４の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２６Ｆｅ７４を２０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。磁性層および保護層のスパッタ圧と成膜パワーは実施例１と同じとした。
【００４６】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は３００（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は２００（Ｏｅ）であった。
【００４７】
（比較例１）
メモリ層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ２２Ｆｅ７８を１０ｎｍ、非磁性層としてＣｕを６ｎｍ、検出層として遷移金属副格子磁化優勢のＧｄ２０Ｆｅ８０を１０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。スパッタ圧と成膜パワーは実施例１と同じとした。
【００４８】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、メモリ層の保磁力は１５０（Ｏｅ）、検出層の保磁力は１１０（Ｏｅ）であった。
【００４９】
（比較例２）
メモリ層としてＣｏＣｒ２０合金膜を２．５ｎｍ、非磁性層としてＣｕを３．５ｎｍ、検出層としてＣｏＣｒ２０合金膜を１．５ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。
【００５０】
各層のスパッタ圧０．３Ｐａと成膜パワーは実施例１と同じとした。
【００５１】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、階段状の磁化曲線は得られなかった。また、この時の磁化飽和磁界は９．３ｋ（Ｏｅ）と大きな値を示した。
【００５２】
（比較例３）
メモリ層として希土類金属副格子磁化優勢である。Ｇｄ２５Ｆｅ７５を１０ｎｍ、非磁性層としてＡｌを１．６ｎｍ積層した後、チャンバー内に０２ガスを１ｋＰａの圧力になるように導入し、１時間保持することでＡｌ層を酸化させた。その後、再び１×１０−５Ｐａ以下まで真空にし、検出層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２６Ｆｅ７４を１０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。
【００５３】
磁性層および保護層の成膜条件は実施例１と同じとした。
【００５４】
以上の実施例１〜４、比較例１〜３で作製した磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、両磁性層の角形比は著しく小さく、磁気特性の劣化が見られた。
【００５５】
上記のようにして作製した磁気抵抗素子を、膜面垂直方向に磁界を印加し、四端子法によって磁気抵抗変化率を測定した。その結果を表１にまとめる。磁気抵抗変化率は、比較例１の値を１とし規格化してある。
【００５６】
【表１】
この表に示すように、実施例１〜４においては、充分な磁気変化率を有することがわかる。実施例に示したこれら磁気抵抗素子は、膜面法線方向に磁気異方性を有しているため、微細化しても、反磁界が増加せず、磁化が不安定になることもない。
【００５７】
【発明の効果】
上記のように本発明の磁気抵抗素子は、以下の効果を有する。
【００５８】
第一に、膜面法線方向に、磁気異方性を有しているため、素子の微細化が可能である。
【００５９】
第二に、交換結合している磁性層の磁化方向を反平行にすることによって、静磁的結合力を小さくでき、非磁性層の膜厚が薄い場合においても、第２の磁性層と第３の磁性層が反平行状態になり易く、さらに大きな磁気抵抗変化率を実現することができる。
【００６０】
第三に、非磁性層と接する第２の磁性層及び第３の磁性層に、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】異方性磁気抵抗効果の原理を説明するための図である。
【図２】従来の磁気抵抗素子の磁化方向と抵抗率変化を示す図である。
【図３】従来の磁気抵抗素子の磁界印加用導線と磁性膜の配置を示す図である。
【図４】本発明の磁気抵抗素子の膜構成を示す図である。
【図５】本発明の磁気抵抗素子の記録時の記録磁界と磁化の方向を示す図である。
【図６】本発明の磁気抵抗素子の検出時の検出磁界と磁化の方向を示す図である。
【図７】検出磁界と抵抗差の変化を示したタイムチャートを示す図である。
【符号の説明】
１ 強磁性膜
１０ 基板
２１ 第１の磁性層
２２ 第２の磁性層
２３ 非磁性層
２４ 非３の磁性層
２５ 第４の磁性層
２６ 保護層
３１ 導線
３２ 導線
４０ 強磁性膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗素子に関し、詳しくは微細化可能な磁気抵抗素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗素子は、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。またセンサーとしても用いられている他、さらに固体メモリ素子への応用が検討されている。再生ヘッドに用いられている異方性磁気抵抗素子は、基本的には面内磁気異方性を持つ強磁性膜であり、この強磁性膜の面内方向に電流を流す回路および強磁性膜の抵抗変化を検出する回路を備えるものである。
【０００３】
図１は異方性磁気抵抗効果の原理を示す図である。電流Ｉは磁化容易方向に流し、磁界Ｈを面内困難方向に印加するように強磁性膜１を配する。磁化方向が電流方向と平行であるときの抵抗率をρ｜｜、磁化方向が電流方向と垂直であるときの抵抗率をρ⊥とすると、磁化Ｍと電流のなす角がθであるときの抵抗率ρは
ρ＝ρ｜｜ｃｏｓ２θ＋ρ⊥ｓｉｎ２θ
の式で表すことができる。
【０００４】
この式から分かるように、強磁性膜１の抵抗はそれに流れる電流と磁化のなす角度に依存している。再生ヘッドでは、ハードディスクからの浮遊磁界によって強磁性膜の磁化方向が変化し、その変化量が抵抗の変化量として検出される。
【０００５】
図２は磁気抵抗素子をメモリとして用いたときの、磁化方向と抵抗率変化について示したものである。磁化が右向きの場合を「０」、左向きの場合を「１」とし、検出時に強磁性膜の保磁力よりも大きな右向きの磁界を印加する。この場合、「０」が記録された強磁性膜の磁化方向は変化しないが、「１」が記録された強磁性膜の磁化方向は反転する。磁化が反転するとき磁化は電流方向に対して傾くので、上記のように抵抗率は変化することになる。従って、抵抗率変化があれば、「０」を、変化があれば「１」として検出する。
【０００６】
このような原理に基づいて、従来の磁気抵抗効果型メモリ素子の記録や検出においては、図３に示すように強磁性膜４０の上下に導線３１、３２を配し、これに電流を流すことにより強磁性膜面内に磁界が印加される。
【０００７】
導線に流す電流の大きさは、片側の導線から発生する磁界のみでは磁化が反転せず、両導線に同時に電流を流した時、上下の導線の交差する位置にある強磁性層４０の磁化が反転するように決められる。記録印加磁界の方向は、強磁性層４の磁気異方性と垂直な方向に配された導線に流れる電流の方向によって決まる。磁気抵抗素子として使用されている強磁性膜は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏやそれらの合金からなり、面内磁気異方性を持ったフェロ磁性体である。一般に面内磁気異方性の誘起は、強磁性膜の成膜中に磁気異方性を持たせる方向に磁界を印加することで達成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
モバイル情報機器等において音声や画像といった膨大な容量を持つデータを取り扱う場合、データはディスクやテープに記録されている。しかしそのような情報記録装置は駆動装置を必要とするため、容量の大きな電源が必要である。このような駆動装置（例えばモーター）や大容量電源を搭載するため軽量化が困難であった。
【０００９】
さらには、記録媒体が固体メモリであるモバイル情報機器では、十分に記録密度を高めた固体メモリは未だ実現しておらず、容量の小さなデータしか扱うことができなかった。この理由としては、高い記録密度を持つ磁気抵抗メモリを実現するためには、強磁性膜の微細化が求められるが、強磁性膜の磁化容易軸方向のサイズを小さくしていくと、反磁界が増加するため磁化が不安定となり、メモリ素子の記録保存性が悪くなるという問題があるためである。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑み、比較的大きな磁気抵抗変化率を有し、かつ微細化しても、反磁界の増加を抑え、記録保存性の劣化の少ない磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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ている積層膜を有する磁気抵抗素子であって、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層が、および前記第３の磁性層と前記第４の磁性層が、それぞれ交換結合しており、
かつ前記第１の磁性層および前記第４の磁性層の両方が、膜面法線方向に磁気異方性を有することを特徴とする磁気抵抗素子に関する。
【００１２】
上記した本発明において、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の磁化、および前記第３の磁性層と前記第４の磁性層の磁化は、それぞれ所望の印加磁界において、同時に反転し、
かつ、該磁化の向きが、それぞれ反平行であるであることが好ましい。
【００１３】
また、前記第１の磁性層及び前記第４の磁性層が、希土類金属と遷移金属との合金であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記の反磁界の問題を解決するために、強磁性膜の磁気異方性について鋭意検討を行った結果、この磁気異方性を膜面に対して垂直方向（膜面法線方向）に向けることが、非常に効果的であることを見出した。
【００１５】
膜面積と反磁界の大きさの関係は、垂直磁化膜と面内磁化膜では異なり、面内磁化膜では膜面積を小さくすると反磁界は大きくなるが、垂直磁化膜の膜面積が小さくなると反磁界は逆に減少するので、磁化の方向は膜面法線方向に安定する。つまり、磁化の安定性という点で、膜面積の小さな強磁性膜は垂直磁気異方性を持つものが好ましいのである。
【００１６】
ところが、この垂直磁気異方性を達成する上で、いくつか技術的な課題がある。
【００１７】
例えば、固体メモリとして磁気抵抗素子を用いる場合には、導線に電流を流すことで磁界を発生させるが、特にモバイル情報端末機器においては、電源容量の制限から少ない電流で動作することが好ましく、磁気抵抗素子の磁性層は小さな保磁力や磁化飽和磁界を有することが求められる。このような磁性層の特性を考慮すると、例えばＣｏＣｒ等の磁性体は磁気抵抗子の磁性層には好ましいとはいえない。
【００１８】
保磁力や磁化飽和磁界の小さな磁性材料として、垂直磁気異方性を有する希土類遷移金属合金膜が挙げられる。特に、希土類金属にガドリニウムを用いることによって、保磁力を数十（Ｏｅ）程度に小さくすることが可能である。
【００１９】
ところが、希土類金属は酸化され易いため、絶縁体層が酸化アルミニウム等の酸化物である場合、絶縁体層に含有される酸素によって希土類金属が酸化され、磁気特性が劣化してしまうという問題がある。
【００２０】
さらに、希土類金属と遷移金属からなるアモルファス膜では、電子の平均自由行程が数Å程度と著しく短く、これを用いた磁気抵抗素子は大きな磁気抵抗変化率を得ることが困難である。
【００２１】
本発明においては、以上のような問題についても解決し、良好な磁気抵抗素子を得ることができた。
【００２２】
図４に本発明の磁気抵抗素子の膜構成の一例を示す。基板１０上に、第１の磁性層２１、第２の磁性層２２、非磁性層２３、第３の磁性層２４、第４の磁性層２５、保護層２６が順次積層されている膜構成となっている。
【００２３】
基板１０には、例えば、Ｓｉ基板やガラス基板等が用いられる。
【００２４】
第１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。
【００２５】
第２の磁性層および第３の磁性層は、膜面内方向に磁気異方性を有していても、膜法線方向に磁気異方性を有していてもどちらでも構わないが、膜面内方向に磁気異方性を有している場合、その磁化方向はそれと交換結合している垂直磁化膜の磁化方向に揃い、膜面内方向に磁化されにくい方が好ましい。
【００２６】
第２の磁性層の磁化方向と第３の磁性層の磁化方向を反平行にするために、第１の磁性層に交換結合している場合の第２の磁性層の保磁力の大きさと第４の磁性層に交換結合している場合の第３の磁性層の保磁力の大きさは異なっている。また、第２の磁性層と第３の磁性層は、希土類金属よりも酸化されにくく、かつ磁気抵抗変化率の大きい材料が用いられる。このような磁性層としては、Ｆｅ、ＣｏＣｒ２０、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅを挙げることができる。
【００２７】
また、非磁性層については、例えば、Ｃｕのような導体であっても、また酸化アルミニウム等の絶縁体であってもよい。
【００２８】
また、保護層は、酸素原子を含有しない材料が好ましく、例えば、白金、ＳｉＮ等を挙げることができる。
【００２９】
上記のような膜構成にすることによって、小さな印加磁界で動作可能で、比較的大きな磁気抵抗変化率を有する微小サイズの磁気抵抗素子を得ることが可能である。
【００３０】
非磁性層の上下に配された磁性層の相互作用を考慮しないという条件下においては、スピン散乱型磁気抵抗素子では、非磁性層の膜厚が薄くなると磁気抵抗変化率は大きくなる。
【００３１】
ところが実際には、非磁性層の膜厚が薄くなると、その上下に配された各磁性層の静磁的結合力が強くなり、磁化の反平行状態が得られなくなってしまうため磁気抵抗変化率は逆に減少してしまう。また、スピントンネル型磁気抵抗素子においても、第２の磁性層と非磁性層あるいは、第３の磁性層と非磁性層の界面付近の磁性原子の磁化は、所望の方向から傾いてしまい、その結果磁気抵抗変化率は小さくなってしまう。
【００３２】
静磁結合力を小さくする方法として、非磁性層の上下に配された磁性層の磁化を小さくすることが挙げられる。そこで、本発明の磁気抵抗素子において、第１の磁性層の磁化と第２の磁性層の磁化および第３の磁性層の磁化と第４の磁性層の磁化は、それぞれ大きさがほぼ等しく向きが反平行であることが望ましい。
【００３３】
例えば、遷移金属を第２の磁性層と第３の磁性層に用い、希土類副格子磁化優勢である希土類金属と遷移金属のフェリ磁性合金を第１の磁性層と第４の磁性層に用いることで各交換結合膜の総磁化を小さくすることが可能であり、したがって、静磁結合力を小さくすることが可能である。このような合金としては、ＧｄＦｅ、Ｇｄ−Ｃｏ、Ｇｄ−ＦｅＣｏ等の合金を挙げることができる。
【００３４】
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。
【００３５】
第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜をメモリ層、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜を検出層とし、メモリ層の保磁力は、検出層の保磁力よりも大きい。
【００３６】
また、磁性膜中に磁壁が形成されると磁気抵抗が変化してしまう。この抵抗変化がノイズとなり、メモリ層と検出層の磁化状態によっては、発生し、本来検出したい磁気抵抗変化が正しく検出されない。
【００３７】
図５に示すように、記録磁界Ｈｗを印加することによって記録が行われ、メモリ層の磁化の向きが下向きのときを「０」、上向きのときを「１」とする。記録磁化方向の検出は、検出層の磁化方向を変化させることにより、磁気抵抗効果を用いて行われる。非磁性層の上下に配された磁性層の磁気モーメントが平行である場合と、反平行である場合では、磁気抵抗が異なり、磁気モーメントが反平行である場合には、平行である場合に比べて磁気抵抗は大きくなる。
ただし、スピン散乱型とスピントンネル型とでは電流を流す方向が異なり、スピン散乱型では電流は膜面内方向に、スピントンネル型では膜面垂直方向に流される。
【００３８】
検出層の磁化の反転は、図６に示すように、検出磁界Ｈａの印加で達成される。Ｈａの大きさは、Ｈａを印加した場合に、メモリ層の磁化方向は反転せず、検出層の磁化方向は反転するように決められる。
【００３９】
図７は、検出磁界Ｈａと磁気抵抗Ｒの関係を示したタイムチャートである。ここで、Ｒ＝ρ×Ｌ／Ｓ（Ｌ：磁気抵抗素子の長さ、Ｓ：断面積）の関係がある。図６に示すように、Ｈａをまず上向きに印加し、次いで下向きに印加する。ここで、「０」が記録された場合の磁化方向を下向きとする。「０」が記録されている場合、Ｈａの反転の前後で磁気抵抗は減少し、「１」が記録されている場合では、逆に増加することがわかる。この磁気抵抗の変化の違いにより、記録情報を非破壊で検出可能である。
【００４０】
【実施例】
さらに実施例を示しながら、本発明について詳述する。
【００４１】
（実施例１）
チャンバー内を１×１０−５Ｐａ以下まで真空にした後、ガラス基板上にマグネトロンＤＣスパッタリングによって第１の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ２２Ｆｅ７８を２０ｎｍ、第２の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、非磁性層としてＣｕを６ｎｍ、第３の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、第４の磁性層として遷移金属副格子磁化優勢のＧｄ２０Ｆｅ８０を２０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。成膜中のＡｒガス圧は、０．３Ｐａ一定とした。また、成膜パワーは、磁性層形成には、３００Ｗ、Ｃｕ、Ｐｔ層形成しは、１５０Ｗを用いた。
【００４２】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は２５０（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は１００（Ｏｅ）であった。
【００４３】
（実施例２）
第１の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢であるＧｄ２５Ｆｅ７５を２０ｎｍ、第２の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、非磁性層としてＣｕを２．６ｎｍ、第３の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、第４の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２６Ｆｅ７４を２０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。スパッタ圧と成膜パワーは実施例１と同じとした。
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は３００（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は２００（Ｏｅ）であった。
【００４４】
（実施例３）
第１の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢であるＧｄ２７Ｆｅ７３を１５ｎｍ、第２の磁性層としてＣｏＣｒ２０合金膜を２．５ｎｍ、非磁性層としてＣｕを３．５ｎｍ、第３の磁性層としてＣｏＣｒ２０合金膜を１．５ｎｍ、第４の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２７Ｆｅ７３を１５ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ、順次成膜した。各層のスパッタ圧と成膜パワーは０．３Ｐａで実施例１と同じとした。
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は５７０（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は４４０（Ｏｅ）で、磁化曲線における角形比は１であった。
【００４５】
（実施例４）
第１の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢であるＧｄ２５Ｆｅ７５を２０ｎｍ、第２の磁性層としてＦｅを１ｎｍ非磁性層としてＡｌを１．６ｎｍ積層した後、チャンバー内に０２ガスを１ｋＰａの圧力になるように導入し、１時間保持することでＡｌ層を酸化させた。その後、再び１×１０−５Ｐａ以下まで真空にし、第３の磁性層としてＦｅを１ｎｍ、第４の磁性層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２６Ｆｅ７４を２０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。磁性層および保護層のスパッタ圧と成膜パワーは実施例１と同じとした。
【００４６】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、第１の磁性層と第２の磁性層の交換結合膜の保磁力は３００（Ｏｅ）、第３の磁性層と第４の磁性層の交換結合膜の保磁力は２００（Ｏｅ）であった。
【００４７】
（比較例１）
メモリ層として遷移金属副格子磁化優勢であるＧｄ２２Ｆｅ７８を１０ｎｍ、非磁性層としてＣｕを６ｎｍ、検出層として遷移金属副格子磁化優勢のＧｄ２０Ｆｅ８０を１０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。スパッタ圧と成膜パワーは実施例１と同じとした。
【００４８】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、メモリ層の保磁力は１５０（Ｏｅ）、検出層の保磁力は１１０（Ｏｅ）であった。
【００４９】
（比較例２）
メモリ層としてＣｏＣｒ２０合金膜を２．５ｎｍ、非磁性層としてＣｕを３．５ｎｍ、検出層としてＣｏＣｒ２０合金膜を１．５ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。
【００５０】
各層のスパッタ圧０．３Ｐａと成膜パワーは実施例１と同じとした。
【００５１】
上記のようにして得られた磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、階段状の磁化曲線は得られなかった。また、この時の磁化飽和磁界は９．３ｋ（Ｏｅ）と大きな値を示した。
【００５２】
（比較例３）
メモリ層として希土類金属副格子磁化優勢である。Ｇｄ２５Ｆｅ７５を１０ｎｍ、非磁性層としてＡｌを１．６ｎｍ積層した後、チャンバー内に０２ガスを１ｋＰａの圧力になるように導入し、１時間保持することでＡｌ層を酸化させた。その後、再び１×１０−５Ｐａ以下まで真空にし、検出層として希土類金属副格子磁化優勢のＧｄ２６Ｆｅ７４を１０ｎｍ、保護層としてＰｔを３ｎｍ順次成膜した。
【００５３】
磁性層および保護層の成膜条件は実施例１と同じとした。
【００５４】
以上の実施例１〜４、比較例１〜３で作製した磁気抵抗素子の膜面垂直方向に磁界を印加し、磁化曲線を測定したところ、両磁性層の角形比は著しく小さく、磁気特性の劣化が見られた。
【００５５】
上記のようにして作製した磁気抵抗素子を、膜面垂直方向に磁界を印加し、四端子法によって磁気抵抗変化率を測定した。その結果を表１にまとめる。磁気抵抗変化率は、比較例１の値を１とし規格化してある。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【発明の効果】
上記のように本発明の磁気抵抗素子は、以下の効果を有する。
【００５８】
第一に、膜面法線方向に、磁気異方性を有しているため、素子の微細化が可能である。
【００５９】
第二に、交換結合している磁性層の磁化方向を反平行にすることによって、静磁的結合力を小さくでき、非磁性層の膜厚が薄い場合においても、第２の磁性層と第３の磁性層が反平行状態になり易く、さらに大きな磁気抵抗変化率を実現することができる。
【００６０】
第三に、非磁性層と接する第２の磁性層及び第３の磁性層に、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】異方性磁気抵抗効果の原理を説明するための図である。
【図２】従来の磁気抵抗素子の磁化方向と抵抗率変化を示す図である。
【図３】従来の磁気抵抗素子の磁界印加用導線と磁性膜の配置を示す図である。
【図４】本発明の磁気抵抗素子の膜構成を示す図である。
【図５】本発明の磁気抵抗素子の記録時の記録磁界と磁化の方向を示す図である。
【図６】本発明の磁気抵抗素子の検出時の検出磁界と磁化の方向を示す図である。
【図７】検出磁界と抵抗差の変化を示したタイムチャートを示す図である。
【符号の説明】
１ 強磁性膜
１０ 基板
２１ 第１の磁性層
２２ 第２の磁性層
２３ 非磁性層
２４ 非３の磁性層
２５ 第４の磁性層
２６ 保護層
３１ 導線
３２ 導線
４０ 強磁性膜
Claims (11)
- 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ている積層膜を有する磁気抵抗素子であって、
前記第１の磁性層が前記第２の磁性層と、および前記第３の磁性層が前記第４の磁性層と、それぞれ交換結合しており、
かつ前記第１の磁性層および前記第４の磁性層の両方が、膜面法線方向に磁気異方性を有することを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の磁化、および前記第３の磁性層と前記第４の磁性層の磁化の向きが、それぞれ反平行であるであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
- 前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の磁化、および前記第３の磁性層と前記第４の磁性層の磁化は、それぞれ所望の印加磁界において、同時に反転することを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗素子。
- 前記第１の磁性層及び前記第４の磁性層が、希土類金属と遷移金属との合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第２の磁性層及び前記第３の磁性層が、希土類金属より酸化されにくく、磁気抵抗変化率の大きい材料であることを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗素子。
- 前記第２の磁性層及び第３の磁性層が、遷移金属を含むことを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗素子。
- 前記非磁性層が導体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記非磁性層が絶縁体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第１の磁性層及び第４の磁性層が垂直磁化膜であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第２の磁性層が第１の磁性層との交換結合により、及び第３の磁性層が第４の磁性層との交換結合により磁化が膜面垂直方向になることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
- 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子と、電流を流すことにより前記磁気抵抗素子に磁界を印加する導線と、を有することを特徴とする固体メモリ。
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