JP3574773B2 - 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁気抵抗効果素子および該素子を用いた磁気メモリに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気磁性層と非磁性層を積層して得られる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は従来の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子と比較して大きな磁気抵抗変化率を有することから、磁気センサーとして高い性能が期待できる。ＧＭＲ素子については既にハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の再生用磁気ヘッドとして実用化されている。一方、ＴＭＲ素子はＧＭＲ素子よりも更に高い磁気抵抗変化率を有することから、磁気ヘッドのみならず、磁気メモリへの応用も考えられている。
【０００３】
従来のＴＭＲ素子の基本的な構成例として特開平９―１０６５１４号公報に示されている例を図３に示す。図３に示すように、ＴＭＲ素子は、第１の磁性層３１、絶縁層３２、第２の磁性層３３、反強磁性層３４を積層したものである。ここで、第１の磁性層３１および第２の磁性層３３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、或はこれらの合金からなる強磁性体であり、反強磁性層３４は、ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ等であり、絶縁層３２はＡｌ2Ｏ3である。
【０００４】
また、図３の絶縁層３２をＣｕ等の導電性を有する非磁性層に置き換えるとＧＭＲ素子となる。
【０００５】
従来のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子では、磁性層部分の磁化が面内方向であるため、狭トラック幅の磁気ヘッドや高集積化磁気メモリのように素子寸法が微細化すると、端部磁極で生じる反磁界の影響を強く受けるようになる。このため磁性層の磁化方向が不安定となり、均一な磁化を維持することが困難になり、磁気ヘッドおよび磁気メモリの動作不良を発生させることになる。
【０００６】
この欠点の解決方法として、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁気抵抗効果素子が特開平１１―２１３６５０号公報に開示されている。該特許の素子構造を図４に示す。磁気抵抗効果素子は、低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第１の磁性層４１と、高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２の磁性層４３の間に非磁性層４２が挟まれた構造をしている。なお、第１の磁性層および第２の磁性層には希土類−遷移元素合金のフェリ磁性膜、ガーネット膜、ＰｔＣｏ、ＰｄＣｏなどが用いられている。
【０００７】
この場合、端部磁極は磁性膜表面に生じることから、素子の微細化に伴う反磁界の増加は抑えられる。従って、磁性膜の垂直磁気異方性エネルギーが端部磁極による反磁界エネルギーよりも十分大きければ、素子の寸法に関係なく磁化を垂直方向に安定化させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁気抵抗効果素子では磁性膜表面に端部磁極が発生する。ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に使用される非磁性層は非常に薄いため、一方の磁性層と非磁性層の界面に発生する磁極が他方の磁性層の磁化に及ぼす影響は非常に大きくなり、磁化を反転することができなくなる可能性もある。従って、例えば磁気メモリに応用した場合には記憶情報を書き込めない或いは書き込んだ情報が消失すると言った問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を考慮し、磁性層の磁化状態が絶縁層を介してもう一方の磁性層から受ける漏れ磁界の影響を受けることなく安定に存在することのできる磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１および第２の磁性層が垂直磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層が絶縁体で構成され、前記第１または第２の磁性層のどちらか一方が室温付近に補償点を有するフェリ磁性体で構成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
【００１１】
さらに、本発明は、前記磁気抵抗効果素子において、前記絶縁体は、窒化膜もしくはダイヤモンド共有結合を有する絶縁膜からなることを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明は、少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１の磁性層は低い保磁力および垂直磁気異方性を有する強磁性体であり、前記第２の磁性層は高い保磁力および垂直磁気異方性を有する強磁性体である磁気抵抗効果素子であって、前記第２の磁性層は、自身の磁気漏れで前記第１の磁性層への影響を与えない程度の飽和磁化を有する、希土類−遷移金属からなる非晶質合金膜から構成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
【００１３】
また、第３の発明は、前記第１または第２の発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図をもとに本発明について詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の磁気抵抗効果素子の概略構成図を示す。本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層１１、非磁性層１２、第２の磁性層１３で構成される。第１の磁性層１１および第２の磁性層１３は、いずれも希土類金属（ＲＥ）と鉄族遷移金属（ＴＭ）の非晶質合金垂直磁化膜からなる強磁性体、つまりフェリ磁性体であり、ＲＥ−ＴＭ材料としては、二元合金（ＧｄＦｅ、ＴｂＦｅ、ＧｄＣｏ、ＴｂＣｏなど）或は三元合金（ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏなど）があげられる。
【００１６】
第１の磁性層１１をメモリ層とすると、第１の磁性層は書込み磁界により書換えできる程度に保磁力Ｈｃが低くかつある程度の飽和磁化Ｍｓを有し、第２の磁性層１３は第１の磁性層１１への影響を低減できかつ外部磁界の影響を受けないように、飽和磁化Ｍｓが小さくかつ保磁力Ｈｃが大きいものとしなければならない。
【００１７】
そこで、ＲＥ−ＴＭ材料の二元合金の例としてＴｂＣｏ非晶質合金膜の室温における飽和磁化Ｍｓおよび保磁力Ｈｃの組成依存性を図２に示すと、図２から明らかなように、第２の磁性層１３としてＴｂ組成が２０〜２３ａｔ％すなわち室温で補償点近傍組成のものを選択すると、第２の磁性層１３は上記の条件を満足する。一方、第１の磁性層１１としては上記の条件を満足するためには上記の組成範囲以外が適している。
【００１８】
第２の磁性層１３として補償点近傍組成を選択すると飽和磁化Ｍｓはほとんど消失するが、フェリ磁性体であることから、ＲＥおよびＴＭの各副格子の磁化は十分の大きさを維持している。一方、磁気抵抗効果は主にＴＭに依存すると考えられることから、飽和磁化Ｍｓが消失する補償点近傍組成においても、十分大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【００１９】
非磁性層１２として、従来のＧＭＲ素子で使用されているＣｕ等の導電性を有する非磁性層を用いることも、従来のＴＭＲ素子で使用されているＡｌ2Ｏ3膜を用いることもできる。
【００２０】
しかしながら、非磁性層として酸化膜を使用すると、磁性層に使用している希土類金属が酸化される危険性があることから、絶縁性の非磁性層としては、ＡｌＮ、ＢＮ等のような窒化膜、或いはＳｉ、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）等のような共有結合を有する絶縁膜を用いるのがよい。
【００２１】
また、従来のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子と同様、非磁性層１２として絶縁層を使用した方が大きな磁気抵抗変化率を有することができる。
【００２２】
第１の磁性層１１および第２の磁性層１３は、磁性層の膜厚が薄くなりすぎると熱的エネルギーによる影響で超常磁性化するため、磁性層の膜厚は５０Å以上必要であり、膜厚が厚すぎると微細な素子を加工することが困難となるため、磁性層の膜厚は５０００Å以下がよい。
【００２３】
また、前記非磁性層１２の膜厚は、ＴＭＲ素子の場合には、非磁性層１２の膜厚が５Å以下であると磁性層間で電気的にショートしてしまう可能性があり、膜厚が３０Å以上である場合、電子のトンネル現象が起きにくくなってしまうため、５Å以上３０Å以下がよい。一方、ＧＭＲ素子では、非磁性層１２の膜厚が厚くなると素子抵抗が小さくなりすぎて磁気抵抗変化率も低下するため、５０Å以下がよい。
【００２４】
上述では、第１の磁性層１１および第２の磁性層１３としてフェリ磁性体であるＲＥ−ＴＭ合金を使用したが、第１の磁性層としてはそれ以外に、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ等の垂直磁気異方性を有する通常の強磁性体を使用することも可能である。
【００２５】
上記の磁気抗効果素子を磁気メモリに応用する場合、第２の磁性層１３として補償点近傍組成を選択していることから、保磁力Ｈｃが非常に大きくなるが、キュリー点近傍まで加熱しながら磁界を印可することにより、容易に初期化することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、素子を微細化しても端部磁極の影響を低減することができ、漏れ磁界による擾乱を低減することができ、垂直磁化の磁化状態を安定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の概略構成図である。
【図２】Ｔｂ−Ｃｏ合金の飽和磁化Ｍｓおよび保磁力ＨｃのＴｂ組成依存を示す図である。
【図３】従来のＴＭＲ素子の基本的な概略構成図である。
【図４】従来の垂直磁化を用いた磁気抵抗効果素子の概略構成図である。
【符号の説明】
１１ 第１の磁性層
１２ 非磁性層
１３ 第２の磁性層
３１ 第１の磁性層
３２ 非磁性層
３３ 第２の磁性層
３４ 反強磁性層
４１ 第１の磁性層
４２ 非磁性層
４３ 第２の磁性層
【発明の属する技術分野】
本発明は垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁気抵抗効果素子および該素子を用いた磁気メモリに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気磁性層と非磁性層を積層して得られる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は従来の異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）素子と比較して大きな磁気抵抗変化率を有することから、磁気センサーとして高い性能が期待できる。ＧＭＲ素子については既にハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の再生用磁気ヘッドとして実用化されている。一方、ＴＭＲ素子はＧＭＲ素子よりも更に高い磁気抵抗変化率を有することから、磁気ヘッドのみならず、磁気メモリへの応用も考えられている。
【０００３】
従来のＴＭＲ素子の基本的な構成例として特開平９―１０６５１４号公報に示されている例を図３に示す。図３に示すように、ＴＭＲ素子は、第１の磁性層３１、絶縁層３２、第２の磁性層３３、反強磁性層３４を積層したものである。ここで、第１の磁性層３１および第２の磁性層３３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、或はこれらの合金からなる強磁性体であり、反強磁性層３４は、ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ等であり、絶縁層３２はＡｌ2Ｏ3である。
【０００４】
また、図３の絶縁層３２をＣｕ等の導電性を有する非磁性層に置き換えるとＧＭＲ素子となる。
【０００５】
従来のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子では、磁性層部分の磁化が面内方向であるため、狭トラック幅の磁気ヘッドや高集積化磁気メモリのように素子寸法が微細化すると、端部磁極で生じる反磁界の影響を強く受けるようになる。このため磁性層の磁化方向が不安定となり、均一な磁化を維持することが困難になり、磁気ヘッドおよび磁気メモリの動作不良を発生させることになる。
【０００６】
この欠点の解決方法として、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁気抵抗効果素子が特開平１１―２１３６５０号公報に開示されている。該特許の素子構造を図４に示す。磁気抵抗効果素子は、低い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第１の磁性層４１と、高い保磁力を有する垂直磁化膜からなる第２の磁性層４３の間に非磁性層４２が挟まれた構造をしている。なお、第１の磁性層および第２の磁性層には希土類−遷移元素合金のフェリ磁性膜、ガーネット膜、ＰｔＣｏ、ＰｄＣｏなどが用いられている。
【０００７】
この場合、端部磁極は磁性膜表面に生じることから、素子の微細化に伴う反磁界の増加は抑えられる。従って、磁性膜の垂直磁気異方性エネルギーが端部磁極による反磁界エネルギーよりも十分大きければ、素子の寸法に関係なく磁化を垂直方向に安定化させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の垂直磁気異方性を有する磁性層を用いた磁気抵抗効果素子では磁性膜表面に端部磁極が発生する。ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に使用される非磁性層は非常に薄いため、一方の磁性層と非磁性層の界面に発生する磁極が他方の磁性層の磁化に及ぼす影響は非常に大きくなり、磁化を反転することができなくなる可能性もある。従って、例えば磁気メモリに応用した場合には記憶情報を書き込めない或いは書き込んだ情報が消失すると言った問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を考慮し、磁性層の磁化状態が絶縁層を介してもう一方の磁性層から受ける漏れ磁界の影響を受けることなく安定に存在することのできる磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１および第２の磁性層が垂直磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層が絶縁体で構成され、前記第１または第２の磁性層のどちらか一方が室温付近に補償点を有するフェリ磁性体で構成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
【００１１】
さらに、本発明は、前記磁気抵抗効果素子において、前記絶縁体は、窒化膜もしくはダイヤモンド共有結合を有する絶縁膜からなることを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明は、少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１の磁性層は低い保磁力および垂直磁気異方性を有する強磁性体であり、前記第２の磁性層は高い保磁力および垂直磁気異方性を有する強磁性体である磁気抵抗効果素子であって、前記第２の磁性層は、自身の磁気漏れで前記第１の磁性層への影響を与えない程度の飽和磁化を有する、希土類−遷移金属からなる非晶質合金膜から構成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
【００１３】
また、第３の発明は、前記第１または第２の発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図をもとに本発明について詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の磁気抵抗効果素子の概略構成図を示す。本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層１１、非磁性層１２、第２の磁性層１３で構成される。第１の磁性層１１および第２の磁性層１３は、いずれも希土類金属（ＲＥ）と鉄族遷移金属（ＴＭ）の非晶質合金垂直磁化膜からなる強磁性体、つまりフェリ磁性体であり、ＲＥ−ＴＭ材料としては、二元合金（ＧｄＦｅ、ＴｂＦｅ、ＧｄＣｏ、ＴｂＣｏなど）或は三元合金（ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏなど）があげられる。
【００１６】
第１の磁性層１１をメモリ層とすると、第１の磁性層は書込み磁界により書換えできる程度に保磁力Ｈｃが低くかつある程度の飽和磁化Ｍｓを有し、第２の磁性層１３は第１の磁性層１１への影響を低減できかつ外部磁界の影響を受けないように、飽和磁化Ｍｓが小さくかつ保磁力Ｈｃが大きいものとしなければならない。
【００１７】
そこで、ＲＥ−ＴＭ材料の二元合金の例としてＴｂＣｏ非晶質合金膜の室温における飽和磁化Ｍｓおよび保磁力Ｈｃの組成依存性を図２に示すと、図２から明らかなように、第２の磁性層１３としてＴｂ組成が２０〜２３ａｔ％すなわち室温で補償点近傍組成のものを選択すると、第２の磁性層１３は上記の条件を満足する。一方、第１の磁性層１１としては上記の条件を満足するためには上記の組成範囲以外が適している。
【００１８】
第２の磁性層１３として補償点近傍組成を選択すると飽和磁化Ｍｓはほとんど消失するが、フェリ磁性体であることから、ＲＥおよびＴＭの各副格子の磁化は十分の大きさを維持している。一方、磁気抵抗効果は主にＴＭに依存すると考えられることから、飽和磁化Ｍｓが消失する補償点近傍組成においても、十分大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【００１９】
非磁性層１２として、従来のＧＭＲ素子で使用されているＣｕ等の導電性を有する非磁性層を用いることも、従来のＴＭＲ素子で使用されているＡｌ2Ｏ3膜を用いることもできる。
【００２０】
しかしながら、非磁性層として酸化膜を使用すると、磁性層に使用している希土類金属が酸化される危険性があることから、絶縁性の非磁性層としては、ＡｌＮ、ＢＮ等のような窒化膜、或いはＳｉ、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）等のような共有結合を有する絶縁膜を用いるのがよい。
【００２１】
また、従来のＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子と同様、非磁性層１２として絶縁層を使用した方が大きな磁気抵抗変化率を有することができる。
【００２２】
第１の磁性層１１および第２の磁性層１３は、磁性層の膜厚が薄くなりすぎると熱的エネルギーによる影響で超常磁性化するため、磁性層の膜厚は５０Å以上必要であり、膜厚が厚すぎると微細な素子を加工することが困難となるため、磁性層の膜厚は５０００Å以下がよい。
【００２３】
また、前記非磁性層１２の膜厚は、ＴＭＲ素子の場合には、非磁性層１２の膜厚が５Å以下であると磁性層間で電気的にショートしてしまう可能性があり、膜厚が３０Å以上である場合、電子のトンネル現象が起きにくくなってしまうため、５Å以上３０Å以下がよい。一方、ＧＭＲ素子では、非磁性層１２の膜厚が厚くなると素子抵抗が小さくなりすぎて磁気抵抗変化率も低下するため、５０Å以下がよい。
【００２４】
上述では、第１の磁性層１１および第２の磁性層１３としてフェリ磁性体であるＲＥ−ＴＭ合金を使用したが、第１の磁性層としてはそれ以外に、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ等の垂直磁気異方性を有する通常の強磁性体を使用することも可能である。
【００２５】
上記の磁気抗効果素子を磁気メモリに応用する場合、第２の磁性層１３として補償点近傍組成を選択していることから、保磁力Ｈｃが非常に大きくなるが、キュリー点近傍まで加熱しながら磁界を印可することにより、容易に初期化することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、素子を微細化しても端部磁極の影響を低減することができ、漏れ磁界による擾乱を低減することができ、垂直磁化の磁化状態を安定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の概略構成図である。
【図２】Ｔｂ−Ｃｏ合金の飽和磁化Ｍｓおよび保磁力ＨｃのＴｂ組成依存を示す図である。
【図３】従来のＴＭＲ素子の基本的な概略構成図である。
【図４】従来の垂直磁化を用いた磁気抵抗効果素子の概略構成図である。
【符号の説明】
１１ 第１の磁性層
１２ 非磁性層
１３ 第２の磁性層
３１ 第１の磁性層
３２ 非磁性層
３３ 第２の磁性層
３４ 反強磁性層
４１ 第１の磁性層
４２ 非磁性層
４３ 第２の磁性層
Claims (4)
- 少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１および第２の磁性層が垂直磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子において、
前記非磁性層が絶縁体で構成され、前記第１または第２の磁性層のどちらか一方が室温付近に補償点を有するフェリ磁性体で構成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記請求項1の磁気抵抗効果素子において、
前記絶縁体は、窒化膜もしくはダイヤモンド共有結合を有する絶縁膜からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 少なくとも第１の磁性層、非磁性層、第２の磁性層から構成され、前記第１の磁性層は低い保磁力および垂直磁気異方性を有する強磁性体であり、前記第２の磁性層は高い保磁力および垂直磁気異方性を有する強磁性体である磁気抵抗効果素子であって、
前記第２の磁性層は、自身の磁気漏れで前記第１の磁性層への影響を与えない程度の飽和磁化を有する、希土類−遷移金属からなる非晶質合金膜から構成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記請求項１乃至３のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする磁気メモリ。
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| JP2001196657A (ja) | 2001-07-19 |
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