JP3587439B2

JP3587439B2 - 磁性体トンネル接合素子

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Publication number: JP3587439B2
Application number: JP09203499A
Authority: JP
Inventors: 公一水島; 利江佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000286478A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体トンネル接合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気記録の高密度化、及び高速化は、磁気記録媒体の進歩と並んで、磁気記録装置の進歩、なかでも磁気記録の書き込み、及び読み出しに用いられる磁気ヘッドの進歩に負うところが大きい。例えば、大きな出力が得られる新しいタイプの読み出し用磁気ヘッドとして、巨大磁気抵抗効果ヘッド（ＧＭＲヘッド）の開発が進められている。ＧＭＲヘッドは、従来の磁気抵抗効果ヘッド（ＭＲヘッド）と比較して磁気抵抗効果比（ＭＲ比）が大きいという、優れた特性を持っている。
【０００３】
一方、従来の磁気記録媒体は、磁気ディスク、すなわちファイルメモリーとして機能し、その情報は一旦コンピューター本体の、ダイナミックランダムアクセスメモリー（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ）等の半導体メモリーに読み込まれた後、利用される。これらの半導体メモリーは、多くの優れた特性を持っているが、記憶保持の為に大量の電力を消費するという欠点がある。近年は、記憶保持の為の電力が必要ないフラッシュメモリーや、フェロエレクトリックランダムアクセスメモリー（ＦＲＡＭ）等の開発が進められているが、いずれも書き換え回数が限られるという欠点がある。
【０００４】
実質的に無限の書き換えが可能な磁気メモリーとして、マグネティックランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の開発も始められているが、その実現の為には大きなＭＲ比を示す材料やデバイスの構造等の開発が望まれる。
【０００５】
そこで、従来のスピンバルブ膜に比べてより大きなＭＲ比を示す素子として、磁性体トンネル接合素子が注目され、磁性体トンネル接合素子単体、あるいは磁性体トンネル接合素子とＭＯＳ型トランジスターとを組み合わせる事によって、磁気ヘッドや磁気メモリーを形成しようという試みが始められている。
【０００６】
現在では、上記の磁性体トンネル接合素子は、約数１０ｍＶ以下の低電圧域で３０％程度のＭＲ比を示すものが得られているが、約数１００ｍＶ以上の実用電圧域ではＭＲ比が１０％程度に低下してしまうという問題がある。ＭＲ比の低下は、トンネル電子が電極中で磁気励起されたマグノンや、絶縁膜中の局在スピンと相互作用し、そのスピンが反転する為なのであるが、これらの相互作用の大きさが電圧に依存するからである。
【０００７】
実用電圧域における磁性体トンネル接合素子のＭＲ比を増大させる為に、これまでに様々な試みがなされているが、そのうちの１つはハーフメタルと呼ばれる磁性体を電極として用いる事である。ハーフメタルは図５に模式的に示す様に、一方の向き（↑）のスピンを持った電子のみがフェルミ準位（Ｅ_Ｆ）の近くに存在する。図５では、電子が存在するエネルギー準位を斜線で示した。よって、ハーフメタルを磁性体トンネル接合素子の電極として用いれば、一方の向きのスピンを持った電子のみがトンネル伝導する為に、原理的には電圧域を高くしても、無限大のＭＲ比を示す磁性体トンネル接合素子が得られる事になる。
【０００８】
しかし、実際には、ハーフメタルを用いて、室温で、１００エルステッド程度の現実的な印加電場をかけても、大きなＭＲ比を示す磁性体トンネル接合素子を得る事は容易でないと考えられる。それは、ハーフメタルは一般にホイスラー合金や、スピネル酸化物等の複雑な組成や、構造を持つ化合物が多く、磁気特性が、その組成や結晶構造に敏感なので、結合界面近傍の組成ずれや結晶歪みにより、容易に特性が劣化してしまう為である。また、比較的簡単な結晶構造のペロブスカイト型酸化物は、キュリー温度が低く、かつ保持力が大きい為、低磁場での動作が困難である。
【０００９】
これに対し、接合形成の容易な、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性体金属、またはそれらの合金を、磁性体電極に用いる方法もある。
図６はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性体金属、またはそれらの合金を用いた磁性体トンネル接合素子である。この磁性体トンネル接合素子は、２つの磁性体電極層６１と、これらに挟持される絶縁層６２から成る。
【００１０】
薄い絶縁層６２を２つの磁性体電極層６１で挟持しそれらの間に電圧を印加すると、電子の波の性質により、トンネル電流が流れる。金属が強磁性体の場合には、フェルミ面での状態密度がスピンの向きに依存する為、トンネルする電子の数がスピンの向きによって異なる。この性質を利用して２つの磁性体電極６１の磁化を、外部磁場で平行、または反平行に制御することで、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を得る事が出来る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性体金属、またはそれらの合金を用いる方法にも問題がある。これらの金属、または合金中では、図７に模式的に示すように、局在性電子としてｄバンドと、質量の軽い非局在性電子としてｓ、ｐバンドとが共存しているが、トンネル電流は、主として非局在性電子によって担われている。よって、図７から分かる様に、フェルミ準位近くで非局在性電子のスピン偏極率は小さく、ＭＲ比は、高い電圧域でなくとも、高々３０％程度に留まってしまうという問題が生ずる。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決する為に考えられたものであり、高い電圧域で低磁場中においても、高いＭＲ比が得られる磁性体トンネル接合素子を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、第１の磁性体電極と、［１００］方向に結晶配向した第２の磁性体電極と、第１の磁性体電極と第２の磁性体電極との間に設けられる絶縁層とを具備し、第２の磁性体電極は、鉄、コバルト、またはニッケルを含む第１の薄膜と、貴金属、銅、またはクロムを含む第２の薄膜との積層構造から構成され、第１の薄膜は、第２の薄膜よりも絶縁層側に設けられている事を特徴とする磁性体トンネル接合素子を提供する。
【００１５】
ここで、本発明の第１と第２において貴金属とは、金、銀と白金族（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）の事を言う。
また、本発明の第１と第２において、第１の薄膜の金属は、鉄、コバルト、またはニッケルを含む合金であっても良く、第２の薄膜の金属は、貴金属、銅、またはクロムを含む合金であっても良い。
【００１６】
本発明において、磁性体トンネル接合素子の第２の薄膜は半導体基板上に直接またはバッファー層を介して形成されても良いし、第１の薄膜及び第２の薄膜はエピタキシャル成長されても良い。ここで、エピタキシャル成長とは、気相エピタキシャル成長だけでなく、液相エピタキシャル成長であっても良い。またスパッタ、蒸着等を行った後、アニール等を行って、結晶配向するようにしても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態の磁性体トンネル接合素子の断面図を図１に示す。
【００１９】
本実施形態の磁性体トンネル接合素子は、図１のように、２つの非磁性体層１１、１２と、これらの非磁性体層１１、１２に挟持される２つの強磁性体層１３、１４、そしてこれらの強磁性体層１３、１４に挟持される絶縁層１５から成る。本実施形態では、非磁性体層１１として、膜厚約１０ｎｍのＡｕの薄膜を、その上の強磁性体層１３として、膜厚約１．５ｎｍのα鉄（体心立方構造）の薄膜を、その上の絶縁層１５として、膜厚約１．２ｎｍのＡｌＯ_ｘの薄膜を、その上の強磁性体層１４として、膜厚約１ｎｍのＣｏの薄膜を、その上の非磁性体層１２として、膜厚がそれぞれ約１０ｎｍ、約５０ｎｍの、ＣｕとＡｕを積層してなる。非磁性体層１１、１２、また強磁性体層１３、１４は後述するように、［１００］方向に結晶配向してなる。尚、非磁性体層１１は、ｎ^＋ＧａＡｓのバッファー層（図示せず）の上に形成されてなる。
【００２０】
この磁性体トンネル接合素子について、室温でｎ^＋ＧａＡｓ層と第２の非磁性体層１２との間、または第１の非磁性体層１１と第２の非磁性体層１２の間に、約１Ｖの電圧をかけ、磁性体トンネル接合素子面内に外部磁場を印加して、磁気抵抗の測定を行った。どちらも、磁化曲線を反映した磁気抵抗特性が見られ、ＭＲ比は約３８％と高い値が得られた。また、飽和磁場の下での接合抵抗の絶対値は約２ｋΩであった。
【００２１】
次に、本実施形態の磁性体トンネル接合素子の製造方法を図１を用いて説明する。この磁性体トンネル接合素子はマルチチャンバーの分子線エピタキシャル装置（ＭＢＥ装置）を用いて、ウエファー（図示せず）上に形成する。
【００２２】
まず半導体形成用のチャンバー内でウエファー上に［１００］方向に結晶配向したｎ^＋ＧａＡｓのバッファー層を形成し、その上に、スペーサー層として、約５ｎｍのノンドープＧａＡｓ層を形成する。走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、及び反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）観察により、ノンドープＧａＡｓ表面がＡｓのダイマーにより終端され、通常の１つのＧａＡｓ結晶格子の大きさに対して、本実施形態の１つの結晶格子の大きさが一方向に２倍、その垂直方向に４倍に増大し、２×４構造となっている事を確認した。また、結晶が段差なく１つの面となって続く幅は、約０．５μｍであった。
【００２３】
ｎ^＋ＧａＡｓ層にノンドープＧａＡｓ層を形成したウエファーを金属膜形成用のチャンバーに移送した後、蒸発源としてクヌーセン・セル（Ｋｎｕｄｓｅｎ−Ｃｅｌｌ）を用い、ノンドープＧａＡｓ層の上に、第１の非磁性体層１１として、［１００］方向に結晶配向したＡｕの薄膜を約０．３ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１０ｎｍの厚さに形成する。続いて、同様の方法で、Ａｕの薄膜上に、第１の強磁性体層１３として、［１００］方向に結晶配向したα鉄の薄膜を約０．１ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１．５ｎｍの厚さに形成する。
【００２４】
さらに、α鉄層の上に、Ａｌ膜を約０．３ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１．２ｎｍの厚さに形成した後、酸素中のグロー放電によりＡｌ膜を酸化し、図１に示すＡｌＯ_ｘの絶縁層１５とする。
【００２５】
続いて、第２の強磁性層１４として、［１００］方向に結晶配向したＣｏ膜を約０．１ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１ｎｍの厚さに形成し、第２の非磁性層１２として、［１００］方向に結晶配向したＣｕを約０．３ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１０ｎｍの厚さ、［１００］方向に結晶配向したＡｕを約５０ｎｍの厚さで積層する。
【００２６】
磁性体トンネル接合素子は、電子線ビーム（ＥＢ）レジストとＡｒミリングを用いて、０．５μｍ×０．５μｍの大きさとする。この後、非磁性体層１１、１２を電極として、配線と接続する。
【００２７】
本実施形態の比較例として、第１の強磁性体層１３として、［１００］方向に結晶配向したα鉄の薄膜を約１０ｎｍの厚さに、第２の強磁性層１４として、［１００］方向に結晶配向したＣｏ膜を約１０ｎｍの厚さに形成する以外は、第１の実施形態と同様にして磁性体トンネル接合素子を作製し、磁気抵抗特性の測定を行ったところ、ＭＲ比は約２５％であった。
【００２８】
この他、強磁性体層の厚さを変化させる事により、５ｎｍを境に、５ｎｍ以下ではＭＲ比が向上し、スピンの向きに依存したエネルギー準位の離散化の効果が得られる。
【００２９】
さて、磁性体トンネル接合では、強磁性体層と絶縁層との接合面にほぼ垂直に進む電子のみがトンネル伝導に寄与する事が知られている。
自由電子モデルでは、トンネル電流の電流密度は角度依存し、ｅｘｐ［ −β^２ｓｉｎ^２ θ］（ただし、β^４＝２ｍｓ^２Ｅ_Ｆ ^２／［ｈ^２（Ｅ_Ｖ −Ｅ）］）に比例する。θは接合面の法線と、電子の波数ベクトルとのなす角度であるので、絶縁膜をトンネルする電子の波数ベクトルは接合面にほぼ垂直となる。
【００３０】
一方、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性体金属、またはそれらの合金のフェルミ準位近くのトンネル電流に寄与できる電子、つまり非局在性電子のエネルギーバンドは、波数ｋがｋ＝０のときＴ_２ｇの対称性を持つ為、Ｔ_２ｇバンドと呼ばれているが、その対称性をより詳しく調べると、これらの金属、または合金のうち［１００］方向に結晶配向しているものは、スピンの向きによって、その対称性が異なっている。つまり、アップスピンのエネルギーバンドはΔ_１の対称性を、またダウンスピンのエネルギーバンドはΔ_５の対称性を持つ。
【００３１】
また、［１００］方向に結晶配向している、Ａｕ、Ａｇ等の貴金属、または銅のエネルギーバンドは、フェルミ準位近くでは強磁性体のアップスピンバンドと同じ、Δ_１の対称性を持っている。
【００３２】
従って、［１００］方向に結晶配向した、強磁性体薄膜と、前段落中の貴金属、または銅の薄膜の積層構造を形成する事により、強磁性体薄膜中を［１００］方向に運動する電子のうち、同じΔ_１の対称性を持つアップスピンバンドの電子は、貴金属薄膜中に入り、他方で、貴金属薄膜のバンドと対称性の異なるΔ_５の対称性を持つダウンスピンバンドの電子は、貴金属薄膜中に入れず、強磁性体薄膜中に閉じ込められる。
【００３３】
厚さ数ｎｍ以下の強磁性体薄膜中に閉じ込められた電子は、膜厚方向（ｚ方向）の電子の運動が量子化され、そのエネルギーは
Ｅ＝ｈ^２（ｋ_ｘ ^２＋ｋ_ｙ ^２）／［８πｍ］＋Ｅ_ｚｎ
Ｅ_ｚｎ＝ｈ^２／（８πｍ）（ｎπ／ｌ）^２
となり、状態密度は図２に示すように階段状になる。ここでｌは膜厚である。図２は薄膜中の電子の状態密度とエネルギーの関係図である。図２の斜線部が［１００］方向、つまり膜厚方向に運動し、トンネル電流に寄与する電子である。よって、トンネル電流に寄与できる、ダウンスピン電子のエネルギーはＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３ …というように、離散的になっている。
【００３４】
磁性体トンネル接合素子のＭＲ比が低下する理由としては、トンネル電子のスピン反転現象によると考えられる。すなわちトンネル電子が電極中で磁気励起されたマグノンや、絶縁膜中の局在スピンと相互作用し、そのスピンが反転してしまう為である。また、このスピン反転現象は、電圧に依存する。従って、高い電圧域において大きなＭＲ比を示す磁性体トンネル接合素子を得る為には、このスピン反転現象を抑制する事が必要となる。
【００３５】
図３はスピンの方向による、状態密度とエネルギーの関係である。本発明では、図３に示すように、トンネル電子のエネルギーがスピンの向きにより大きく異なり、一方のスピン方向の電子はフェルミ準位に存在し、他方のスピン方向の電子はフェルミ準位に存在しない為に、高い電圧域においてもスピン反転現象が抑制される。よって、トンネル電子の偏極率が増大し、実用電圧域における磁性体トンネル接合素子のＭＲ比を増大する事が出来るのである。
【００３６】
Ａｕ、Ａｇ等の貴金属、または銅を用いることにより、ダウンスピンバンドの電子を強磁性体薄膜中に閉じ込めたが、クロムを用いた場合には、アップスピンバンドの電子が強磁性体薄膜中に閉じ込められる。
【００３７】
離散的なエネルギー間隔は膜厚に依存する為、本発明の磁性体トンネル接合素子の強磁性体層は、エネルギー間隔を増大させる様、膜厚を約５ｎｍ以下とすると、上述の特性が得られる。
【００３８】
さらに、高い配向性を持った強磁性体薄膜を得る為には、ＧａＡｓ等の半導体基板上にエピタキシャル成長させる事が好ましい。従って、基板表面を配向させるのに適した構造とするほか、配向を得るのに適したバッファ層を用いる事が好ましい。
【００３９】
次に、本発明の第１の実施形態の応用例について説明する。
この応用例の磁性体トンネル接合素子は第１の実施形態と同様、図１を用いて、２つの非磁性体層１１、１２と、これらの非磁性体層１１、１２に挟持される２つの強磁性体層１３、１４、そしてこれらの強磁性体層１３、１４に挟持される絶縁層１５から成る。本実施形態の構成は、第１の実施形態では第１の非磁性体層１１としてＡｕを形成したが、その代わりに、Ａｇを約１０ｎｍ形成するほかは、第１の実施形態と同様な構成である。また、この応用例の磁性体トンネル接合素子の製造方法としては、クヌーセン・セルを用い、第１の非磁性体層１１として、［１００］方向に結晶配向したＡｇの薄膜を約０．３ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１０ｎｍの厚さにエピタキシャル成長する以外は、第１の実施形態と同様の方法で磁性体トンネル接合素子を製造する。
【００４０】
第１の実施形態と同様にして、磁気抵抗特性の測定を行ったところ、ＭＲ比は約３５％と高い値が得られた。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４１】
本実施形態の磁性体トンネル接合素子は第１の実施形態と同様、図１に示すように、２つの非磁性体層１１、１２と、これらの非磁性体層１１、１２に挟持される２つの強磁性体層１３、１４、そしてこれらの強磁性体層１３、１４に挟持される絶縁層１５から成り、第１の強磁性体層１３として、［１００］方向に結晶配向したα鉄の薄膜を約０．１ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１ｎｍの厚さに、［１００］方向に結晶配向したＡｕの薄膜を約０．１ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１．５ｎｍの厚さに、［１００］方向に結晶配向したα鉄の薄膜を約０．１ｎｍ／ｍｉｎの速度で約１ｎｍの厚さに積層する以外は、第２の実施形態と同様の方法で磁性体トンネル接合素子を製造した。
【００４２】
第１の実施形態と同様にして、磁気抵抗特性の測定を行ったところ、ＭＲ比は約４１％と、高い値が得られた。
以上詳細に説明したような磁性体トンネル接合素子を用いる事により、高密度記憶素子を作製出来る。上記の実施形態では両方の磁性体電極を非磁性体と強磁性体の積層構造とし、［１００］方向に結晶配向したが、片方の磁性体電極が本発明に示す構成になっていれば良い。
【００４３】
［１００］方向の配向については、膜主面、つまり、強磁性体層と絶縁層との接合面と垂直方向に結晶配向している事をいい、言い換えると、膜主面が〈１００〉面に配向したものをいう。この結晶配向は、ＲＨＥＥＤにより観察する事が出来る。
【００４４】
また、一方の強磁性体層内にＩｒＭｎ合金等の反強磁性固着層を挿入して、強磁性体層の磁化方向を固着しても良い。
なお、上記各実施形態では、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇ等と表記したが、各層が数ｎｍと薄い事から、隣接する層、特に下層を構成する材料原子が、上層に混入する事もある。この場合、互いの磁気特性に損傷を与えない程度の拡散であれば、本発明の効果は得られる。
【００４５】
図４は本発明の磁性体トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭセルの回路図である。磁性体トンネル接合素子４１は、一方の電極はワード線４２に接続され、もう一方はノードＮを介してＭＯＳ型トランジスタ４３のゲートと、抵抗４４へ各々接続される。ＭＯＳ型トランジスタ４３のソースは接地されており、ドレインはビット線４５へ接続されている。
【００４６】
このＭＲＡＭセルへの書き込み、読み出し方法としては、公知の方法で行う事が出来、書き込み方法としては、磁性体トンネル接合素子４１上にワード線４２とビット線４５が直交するように配置し、ワード線４２、ビット線４５に、同時に電流を流す。２つの電流により発生する合成磁場を利用して、磁化の向きを変化させる事により、１つのセルに選択的に書き込みが出来る。電流の大きさは、磁性体トンネル接合素子４１の一方の強磁性体層の磁化を変化させる程度にすれば良い。
【００４７】
また、読み出し方法としては、ワード線４２から磁性体トンネル接合素子４１に電圧をかける際に、磁性体トンネル接合素子４１の磁化が平行であるか反平行であるかによって抵抗が変化する事を利用して、ゲートがオン、またはオフし、ビット線４５に流れる電流が変化する事によって読み出す。抵抗４４は、ノードＮの電位に、バイアスを与える為に設ける。
【００４８】
以上の様に磁性体トンネル接合素子を用いる事により、高感度、かつＭＲ比の高い磁気再生ヘッドや磁気メモリーを形成する事が出来、ひいては高記録密度の磁気記録装置、及び高集積の記録装置を提供する事が可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＲ比が大きく、電圧依存性の小さい磁性体トンネル接合素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁性体トンネル接合素子の断面図。
【図２】薄膜中の電子の状態密度とエネルギーの関係。
【図３】電子状態密度とエネルギーのスピン依存性。
【図４】ＭＲＡＭセル。
【図５】ハーフメタルのバンド図。
【図６】従来の磁性体トンネル接合素子の断面図。
【図７】強磁性金属のバンド図。
【符号の説明】
１１…第１の非磁性体層
１２…第２の非磁性体層
１３…第１の強磁性体層
１４…第２の強磁性体層
１５…絶縁層
４１…磁性体トンネル接合素子
４２…ワード線
４３…ＭＯＳ型トランジスタ
４４…抵抗
４５…ビット線
６１…磁性体電極層
６２…絶縁層

Claims

第１の磁性体電極と、
［１００］方向に結晶配向した第２の磁性体電極と、
前記第１の磁性体電極と前記第２の磁性体電極との間に設けられる絶縁層とを具備し、
前記第２の磁性体電極は、鉄、コバルト、またはニッケルを含む第１の薄膜と、貴金属、銅、またはクロムを含む第２の薄膜との積層構造から構成され、前記第１の薄膜は、前記第２の薄膜よりも前記絶縁層側に設けられている事を特徴とする磁性体トンネル接合素子。
前記第２の薄膜が半導体基板上に直接またはバッファー層を介して形成されている事を特徴とする請求項１記載の磁性体トンネル接合素子。
前記第１の薄膜及び前記第２の薄膜がエピタキシャル成長されている事を特徴とする請求項２記載の磁性体トンネル接合素子。