JP3593463B2 - 強磁性トンネル効果素子およびそれを用いた磁気装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性トンネル効果を利用した磁気素子と、それを用いた磁気ヘッドや磁気記憶素子などの磁気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属人工格子における巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が発見されて以来、スピンに依存した伝導現象が注目されている。金属人工格子は磁性金属層と非磁性金属層とを数オングストロームから数十オングストロームのオーダの周期で交互に積層した構造を有し、非磁性層を介して相対する磁性層の磁気モーメントが零磁場状態で反平行に結合したものである。このような金属人工格子膜は数 １０％という、従来のパーマロイ合金膜などの数％ よりも格段に大きな抵抗変化率を示し、高感度磁界センサや磁気ヘッドなどへの応用が期待されている。
【０００３】
また、この原理を利用した他の磁気抵抗効果膜としてスピンバルブ膜が知られており、高感度磁気センサなどに使用されはじめている。スピンバルブ膜は、それぞれ金属からなる強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層の ４層積層膜からなり、一方の強磁性層を反強磁性層と接触させることでスピンを固定し、他方のスピンのみを磁場で反転させ、非磁性層を介した ２つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行に制御することによって、巨大磁気抵抗効果を得るものである。このような巨大磁気抵抗効果は伝導電子のスピン依存散乱に基づくことが判明している。
【０００４】
さらに、上述したような金属人工格子膜とは異なり、非磁性金属マトリックス中に金属磁性超微粒子を分散させたいわゆる金属グラニュラー磁性膜も、同様なスピン依存散乱に基づくＧＭＲ効果を示すことが見出されている。
【０００５】
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づく巨大磁気抵抗効果が見出されている。これは強磁性層／絶縁層／強磁性層の ３層積層膜からなる接合構造を有し、一方の強磁性層の保磁力が他方の強磁性層の保磁力よりも小さい構造において、両磁性層間に電圧を印加してトンネル電流を発生させるものである。このとき、保磁力の小さい磁性層のスピンのみを反転させると、 ２つの強磁性層のスピンが互いに平行なときと反平行なときとでトンネル電流が大きく異なるため、巨大磁気抵抗効果が得られる。この原理は強磁性体のフェルミ面における状態密度のスピン非対称性にあることが分かっている。このような強磁性トンネル効果は、誘電体中に磁性超微粒子を分散させた、いわゆるグラニュラー膜においても見出されている。
【０００６】
上述した強磁性トンネル接合素子は構造が簡単であり、しかも室温で ２０％程度の大きな磁気抵抗変化率が得られるという特徴を有している。しかしながら、トンネル効果を発現させるためには絶縁層の厚さを数ｎｍ以下に薄くする必要があり、そのような薄い絶縁層を均質に、しかも安定して作製することは困難であるため、抵抗や抵抗変化率のバラツキが大きくなってしまうという問題を有している。また、一般に接合抵抗が大きいため、スピン依存伝導素子として用いた場合に、素子の高速動作が得られず、また雑音が増大してＳ／Ｎ比の大きい素子が得られないなどの問題がある。
【０００７】
一方、誘電体中に磁性超微粒子を分散させたグラニュラー膜を有するトンネル効果素子の場合、強磁性トンネル接合よりも作製が容易であるという特徴を有する反面、磁性粒子が超微粒子であることから、非常に大きな磁場を印加しないとスピンが揃わず、このため大きな磁気抵抗を発現させるためには １０ｋＯｅ 以上の非常に大きな磁場を印加する必要があり、実用性の点で問題がある。また、磁気抵抗変化率の大きさは、原理的に強磁性トンネル接合の値の １／２にしかならないという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の強磁性トンネル効果素子は、絶縁層を介して ２つの強磁性層を配置したトンネル接合、あるいは誘電体マトリックス中に磁性超微粒子を分散させたグラニュラー膜を用いたものである。これらのうち、トンネル接合素子は数ｎｍ以下の薄い絶縁層を作製する必要があるため、絶縁層にバラツキやピンホールが発生しやすく、安定した抵抗や磁気抵抗効果を得ることが困難であると共に、接合抵抗が大きいという問題を有している。また、グラニュラー膜は大きな磁気抵抗を得るために、非常に大きな磁場を印加する必要があるため、実用的ではないという問題を有している。
【０００９】
従来のトンネル効果素子が有する問題点に対して、本発明者らは先に、非磁性誘電体マトリックス中に保磁力をもつ強磁性微粒子を分散させたグラニュラー磁性膜と、このグラニュラー磁性膜に近接配置された少なくとも一方が強磁性体からなる ２つの電極とを具備する強磁性トンネル効果素子を提案している（特願平９−１１８９９１号）。
【００１０】
このような強磁性トンネル効果磁気素子においては、グラニュラー磁性膜と強磁性電極との間にトンネル電流を流すことによって、安定してしかも小さい磁場で大きい磁気抵抗変化率を容易に得ることができる。すなわち、グラニュラー磁性膜の膜厚が数１０ｎｍと厚いため、従来のトンネル接合素子のように、絶縁層のバラツキやピンホールの発生による抵抗や磁気抵抗変化率のバラツキの問題が緩和され、かつ小さな磁場で大きな磁気抵抗変化率を生じさせることができる。
【００１１】
しかし、 ２つの電極とグラニュラー磁性膜中の粒子との間に ２つのトンネル障壁をもつ二重トンネル効果素子であるため、この ２つのトンネル障壁の互いの厚さの違いにより抵抗や磁界感度が異なるという問題が生じるおそれがある。また、トンネル障壁が ２つあるために、抵抗値を大きく低下させることが難しいという難点を有している。さらに、グラニュラー磁性膜中の強磁性粒子が小さい場合、その保磁力が小さいために、温度上昇や外部磁界によりスピンが反転しやすく、それによって磁気抵抗変化率が低下するという難点を有している。
【００１２】
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、小さい磁場で大きな磁気抵抗変化率を容易にかつ安定して得ることができ、また抵抗や磁界感度のバラツキを抑制することができると共に、抵抗を小さくすることが可能な強磁性トンネル効果素子、およびそれを用いた磁気ヘッドや磁気記憶素子などの磁気装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、誘電体と強磁性体との混合体からなるグラニュラー磁性膜と、このグラニュラー磁性膜に近接配置された少なくとも １つが強磁性体からなる電極の間に、トンネル電流を流す磁気素子に関する研究を進めた結果、一方の強磁性体からなる電極を誘電体層を介してグラニュラー磁性膜と積層し、かつ他方の電極はグラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触している構造をとることによって、より大きな磁気抵抗効果が得られ、かつ抵抗の小さい強磁性トンネル効果素子を実現できることを見出した。
【００１４】
このような強磁性トンネル効果素子では、誘電体層を介した強磁性体電極とグラニュラー磁性膜との間のトンネル電流のみに基づいて、トンネル磁気抵抗が得られるため、 １層の誘電体層の膜厚のみを制御すればよいことになる。従って、トンネル障壁の厚さの違いによる抵抗や磁界感度のバラツキを抑制できることを見出した。さらに、電極の １つがグラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触しているため、グラニュラー磁性膜中の強磁性体のスピンが温度上昇や擾乱磁界などによって反転し難くなり、それだけ安定であるということを見出した。
【００１５】
本発明はこのような知見および検証結果に基づくものであり、本発明の強磁性トンネル効果素子は、請求項１に記載したように、誘電体と保磁力をもつ強磁性体との混合体からなるグラニュラー磁性膜と、前記グラニュラー磁性膜に近接配置され、少なくとも一方が強磁性体からなる一対の電極とを具備する強磁性トンネル効果素子において、前記一対の電極のうち、一方の強磁性体からなる電極は誘電体層を介して前記グラニュラー磁性膜と積層されており、かつ他方の電極は前記グラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触していることを特徴としている。
【００１６】
本発明の強磁性トンネル効果素子は、例えば請求項２に記載したように、強磁性体からなる電極を、グラニュラー磁性膜の膜面に沿って誘電体層上に配列された第１および第２の強磁性体電極で構成した構造、すなわちプラーナ型の強磁性トンネル効果素子に適用することができる。本発明の強磁性トンネル効果素子によれば、特にプラーナ型の素子の作製が容易になる。
【００１７】
本発明の磁気装置は、請求項３に記載したように、上記した本発明の強磁性トンネル効果素子を具備することを特徴とするものである。なお、本発明における磁気装置とは、強磁性トンネル効果素子を使用した磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶装置などを指すものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の強磁性トンネル効果素子を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明の強磁性トンネル効果素子の一実施形態の構造を模式的に示す図である。なお、図中矢印はスピン方向を示している。同図に示す強磁性トンネル効果素子１は、保磁力をもつ強磁性体２と誘電体３との混合体からなるグラニュラー磁性膜４と、このグラニュラー磁性膜１に近接配置された一対の電極５、６とを具備している。
【００２０】
これら電極５、６のうち、一方の電極５は誘電体層７を介してグラニュラー磁性膜４と積層されている。他方の電極６はグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している。誘電体層７によりグラニュラー磁性膜４と隔てられている電極５は、強磁性体により構成された強磁性体電極である。電極５を構成する強磁性体は、グラニュラー磁性膜４との間で保磁力差を有しているものであればよい。他方の電極６は強磁性金属で構成してもよいし、また非磁性金属で構成してもよい。
【００２１】
また、図１ではグラニュラー磁性膜４が誘電体３からなるマトリックス中に強磁性体２を分散させた構造を示している。本発明におけるグラニュラー磁性膜４は、図２に示すように、強磁性体２からなるマトリックス中に誘電体３を分散させた構造であってもよい。いずれにしても、強磁性体２は超常磁性を示さず、有限の保磁力をもつものである。理想的にはそのスピンは一方向に揃って向いていることが望ましい。
【００２２】
なお、上記した電極５、６の構成材料、およびグラニュラー磁性膜４の具体的な構成については、後に詳述する。
【００２３】
以下に、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１の原理について述べる。ここでは、電極６にも強磁性体を用い、かつ強磁性体電極５の保磁力が最も小さいものとして説明する。なお、電極６は非磁性体で構成してもよく、また保磁力の大小関係はこれに限定されるものではない。
【００２４】
図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１において、 ２つの電極５、６間に電圧を印加すると、誘電体層７の膜厚が適当に薄ければトンネル電流が流れる。この際、強磁性体電極５、６とグラニュラー磁性膜４の相対的なスピンのなす角度に応じてトンネル電流の大きさが異なり、トンネル磁気抵抗が生じる。これが強磁性トンネル効果である。
【００２５】
今、大きな外部磁場を印加して、グラニュラー磁性膜４および強磁性体電極５、６の全ての磁性体のスピンを一方向に揃えた後、磁場の大きさを減少させ、さらにその符号を反転させると、保磁力が最小の強磁性体電極５の保磁力に相当した磁場で、強磁性体電極５のスピンのみが反転する。この強磁性体電極５のスピンの反転に伴ってトンネル電流が減少して抵抗が増大する。これによってトンネル磁気抵抗が得られる。なお、外部磁場でスピンを反転させる磁性層は強磁性体電極５に限られるものではなく、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２であってもよい。
【００２６】
この様子を図３に示す。図３において、矢印はスピンの方向を示している。ここで、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子において、電極（ここでは強磁性体電極）６はグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触しているため、これらのスピンは互いに同じ方向を向いている。また、これらグラニュラー磁性膜４と電極６との間の抵抗は小さく、トンネル電流ではない通常の伝導による電流が流れる。
【００２７】
従って、トンネル磁気抵抗は強磁性体電極５とグラニュラー磁性膜４との間でのみ生じるので、磁気抵抗を得るためには誘電体層７の膜厚のみを制御すればよい。すなわち、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子は、一重のトンネル接合によりトンネル磁気抵抗を制御しているため、 ２つのトンネル障壁をもつ二重トンネル効果素子のように、 ２つのトンネル障壁の互いの厚さの違いにより抵抗や磁界感度が異なるという問題が生じるおそれがない。
【００２８】
言い換えると、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１は、誘電体層７の膜厚のみを制御することによりトンネル磁気抵抗が得られるため、抵抗や磁界感度のバラツキを抑制することができる。さらに、トンネル障壁が １つであるため、強磁性トンネル効果素子１の抵抗を大きく低下させることができる。電極６はグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触しているため、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンが温度上昇や擾乱磁界などによって反転し難くなり、より大きな磁気抵抗効果を安定して得ることができる。
【００２９】
また、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１において、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２は超常磁性を示さず、有限の保磁力を有するため、従来のグラニュラー型トンネル膜のように飽和磁界が大きいという問題はない。さらに、グラニュラー膜４は強磁性体２と誘電体３との混合体あるため、従来の強磁性トンネル接合のように絶縁層のバラツキやピンホールにより抵抗や磁気抵抗効果が不安定になるという問題を解消することができると共に、電気抵抗が小さいという利点を有する。
【００３０】
加えて、グラニュラー磁性膜４を流れる電流パス方向（膜厚方向または膜面内方向）の長さ、あるいは強磁性体２の体積充填率、大きさ、分散状態などを制御することによって、電気抵抗を適当な値に制御することができる。そのため、各種磁気装置に応用する際に、強磁性トンネル効果素子１の電気抵抗を調整できるという大きな特徴を有している。
【００３１】
上述したように、強磁性トンネル効果素子１によれば、より大きな磁気抵抗効果を小さい磁場で容易にかつ安定して得ることができる。その上で、抵抗や磁界感度の安定性を高めることができ、さらには抵抗の減少を図ることができると共に、抵抗値自体を適当な値に制御することができる。このように、本発明の強磁性トンネル効果素子１は、磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶素子などに用いる磁気素子として実用性に優れるものである。
【００３２】
なお、電極６がグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している状態とは、この間の電流がトンネル電流ではなく、通常の伝導による電流を流すことが可能な状態を指すものである。また、上記では電極５、６を共に強磁性体で構成した場合について主として述べたが、その原理からも分かるように、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している電極６は、非磁性体や反強磁性体であってもよいことが明らかである。
【００３３】
次に、強磁性トンネル効果素子１の各構成要素について詳述する。グラニュラー磁性膜４は、前述したように、図１に示した誘電体３からなるマトリックス中に強磁性体２を分散させた構造、および図２に示した強磁性体２からなるマトリックス中に誘電体３を分散させた構造のいずれであってもよい。
【００３４】
すなわち、本発明に用いるグラニュラー磁性膜４は、グラニュラー磁性膜４をある断面で見たときに強磁性体２と誘電体３とが互いに分断された構造を有していればよい。さらに、強磁性体２と誘電体３との混合割合は特に限定されるものではない。グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２が保磁力を有していると共に、グラニュラー磁性膜２中の強磁性体２を介してトンネル電流を流すことが可能であれば、種々のグラニュラー磁性膜２を使用することができる。
【００３５】
グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２には、種々の強磁性材料を使用することができる。例えば、パーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合金、アモルファス合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む合金、ＮｉＭｎＳｂや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などの軟磁性材料から、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。
【００３６】
また、誘電体３としては、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＯ２ 、ＭｇＯ、ＭｇＦ２ 、Ｂｉ２ Ｏ３ 、ＡｌＮ、ＣａＦ２ などの種々の誘電体材料を使用することができ、このような誘電体で上記したような強磁性体２を分断することによって、本発明のグラニュラー磁性膜４が得られる。なお、上記した酸化物、窒化物、フッ化物などではそれぞれの元素の欠損が一般的に存在するが、そのような誘電体であっても何等問題はない。
【００３７】
一方、強磁性体電極５はグラニュラー磁性膜４との間で保磁力に大小関係を有していればよく、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と同様に、種々の軟磁性材料から硬磁性材料まで各種の強磁性材料で構成することができる。例えば、ハーフメタルは一方のスピンバンドにエネルギーギャップが存在するので、一方向のスピンを持つ電子しか伝導に寄与しないため、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【００３８】
誘電体層７としては、グラニュラー磁性膜４中の誘電体３と同様に、種々の誘電体材料を使用することができ、誘電体３と同一材料であってもよいし、また異なる材料であってもよい。誘電体層７はそれを介して強磁性体電極５とグラニュラー磁性膜４との間にトンネル電流が流れるものであればよい。
【００３９】
グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している電極６は、前述したように強磁性体に限られるものではなく、グラニュラー磁性膜４と電極６との間にはトンネル電流は実質的に流れないため、非磁性体や反強磁性体で構成することも可能である。電極６を強磁性体や反強磁性体で構成した場合、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と電極６とが互いに接触して交換結合するため、スピンの向きが安定してより大きな磁気抵抗を得ることができると共に、温度上昇や擾乱磁界によるスピンの乱れを抑制することができる。このようなことから、電極６は強磁性体や反強磁性体で構成することが好ましい。なお、電極６に強磁性体を使用する場合、強磁性体電極５と必ずしも同じ材料である必要はなく、異なる強磁性体を使用することも可能である。
【００４０】
また、電極６は強磁性体と非磁性体との積層膜で構成してもよい。この場合、非磁性体を介して隣り合う強磁性体のスピンが反平行に結合していると、電極６がグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンの向きを安定化させるため、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。また、この場合には磁性膜から磁束が外部に漏れることを防ぐことができるという利点もある。
【００４１】
電極６を強磁性体で構成する場合、例えば図４に示すように、強磁性体電極６を反強磁性体８と接触させた構造を適用することもできる。このような構造によれば、強磁性体電極６のスピンが反強磁性体８により安定化され、それと接したグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンの向きが安定するため、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。なお、外部磁場でグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンを反転させる場合には、強磁性体電極５を反強磁性体と接触させた構造としてもよい。
【００４２】
グラニュラー磁性膜４および強磁性体電極５（強磁性体で構成した場合の電極６を含む）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。これらは磁気ヘッドや磁気記憶素子に適用する場合に有効である。また、電極５、６の膜厚は特に制限はないが、あまり厚いと素子として大きくなるので ０．１〜 １００ｎｍ程度とすることが好ましい。グラニュラー磁性膜４の膜厚はある程度薄い方が好ましいが、作製上 １００ｎｍ以下であればよい。
【００４３】
図１および図２では、本発明の強磁性トンネル効果素子１の各構成層を基板面に対して垂直方向に積層した構造を示したが、例えば図５に示すように、グラニュラー磁性膜４の膜面に沿って誘電体層７上に互いに分離された ２つの強磁性体電極５ａ、５ｂを並列配置した素子構造、すなわちプラーナ型素子に適用することも可能である。
【００４４】
図５に示すプラーナ型の強磁性トンネル効果素子１において、互いに分離された ２つの強磁性体電極５ａ、５ｂ間に電圧を印加すると、一方の強磁性体電極５ａからグラニュラー磁性膜４にトンネル電流が流れ、それがグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と接触している電極６を経て他方の強磁性体電極５ｂに流れ込む。すなわち、電極６がグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触しており、この間の抵抗が小さいことから、グラニュラー磁性膜４中を基板面に沿って流れる電流を抑制することができる。このように、本発明の強磁性トンネル効果素子１によれば、特にプラーナ型素子の作製が容易になると共に、その特性の向上を図ることができる。
【００４５】
また、図５に示すプラーナ型の強磁性トンネル効果素子１では、グラニュラー磁性膜４と強磁性体電極５との積層部分を複数利用することができるため、抵抗変化率の増大を図ることが可能となる。またこの場合、電流は主として電極６を流れるが、この部分の抵抗は小さく、素子面積を微細化すればグラニュラー磁性膜４を横切る抵抗に比べて無視できるため、グラニュラー磁性膜４を横切る電流パスが ２倍になる分だけ電気抵抗が増大するなど、各種特性を調整することができる。
【００４６】
図１、図２および図５では、本発明の強磁性トンネル効果素子１を ２端子素子として利用する場合について説明したが、本発明の強磁性トンネル効果素子１は ３端子素子として使用することもできる。例えば、グラニュラー磁性膜４に第３の電極としてゲート電極を形成し、このゲート電極でグラニュラー磁性膜４中を流れるトンネル電流やスピンの向きなどを制御することによって、 ３端子素子として機能させることができる。このような ３端子素子を作製する上で、図５に示したプラーナ型の強磁性トンネル効果素子１は好ましい構造である。
【００４７】
上述したような本発明の強磁性トンネル効果素子１は、典型的には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸着法、メッキ法など通常の薄膜形成装置を用いて作製することができる。また、グラニュラー磁性膜４の作製法としては、それを構成する強磁性体２と誘電体４とを同時に堆積してもよいし、また交互に積層してもよい。
【００４８】
また、強磁性トンネル効果素子１を構成する積層膜を成膜するための基板は、ガラス、セラミック、金属などの単結晶および多結晶体など、任意のものを用いることができる。特に、Ｓｉ基板を用いれば、例えばゲート電極を形成しやすいなど、従来の半導体技術を利用することができるので望ましい。なお、本発明の強磁性トンネル効果素子では、磁性材料または非磁性材料からなる下地層、または非磁性体のオーバーコートなどを設けてもよい。
【００４９】
本発明の強磁性トンネル効果素子１は、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶素子などの磁気装置に適用することができる。この場合、特に磁気ヘッドや磁気記憶素子では膜面内に磁気異方性が付与されていることが望ましい。 上述した実施形態の強磁性トンネル効果素子１を用いた磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、従来の磁気抵抗効果ヘッドと同様に構成することができる。すなわち、グラニュラー磁性膜４と強磁性体電極５のうち保磁力が小さい磁性膜を感磁層として利用し、この感磁層の磁化方向を例えば信号磁界に応じて変化させる。その際のトンネル電流を含むセンス電流の電圧を測定することによって、信号磁界などを検出することができる。これは磁気記録装置などの再生ヘッドとして有効である。また、磁界センサなどとしても使用可能である。
【００５０】
本発明の強磁性トンネル効果素子１を磁気記憶素子に適用する場合には、強磁性体電極５（あるいはグラニュラー磁性膜４）に書き込みを行う。信号の書き込みは、例えば図６に示すように、強磁性体電極５（あるいはグラニュラー磁性膜４）に対して絶縁層１１を介して導体層１２を配置し、この導体層１２に流す電流の向きによりスピンの向きを制御することによって、そのスピンの向きを１、０として書き込む。読み出しは保磁力の小さい方のスピンのみを反転させ、磁気抵抗効果を利用する。なお、図６はグラニュラー磁性膜４をメモリ層として用い、強磁性体電極５を再生層として用いた場合である。
【００５１】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００５２】
実施例１
図７に示した構造の強磁性トンネル効果素子をスパッタ法を用いて作製した。まず、メタルマスクを使用してＭｇＯ（１１０） 基板上に ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０構造の幅 ０．１ｍｍの短冊状の強磁性積層膜Ａを形成した。
【００５３】
その上に、円形のマスクとＣｏ８０Ｐｔ２０合金およびＡｌ２ Ｏ３ ターゲットを用いて、Ａｌ２ Ｏ３ 膜／グラニュラー磁性膜Ｂを作製した。この積層膜Ｂの作製にあたっては、まず厚さ １．５ｎｍ、直径 ２ｍｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜を形成し、その上に基板バイアス４００Ｗの条件下でＣｏ８０Ｐｔ２０合金を ２．８ｎｍの厚さで形成し、さらにその上に厚さ １．５ｎｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜を形成した。
【００５４】
この後、マスクを代えて積層膜Ｂ上に、厚さ２０ｎｍの短冊状のＣｏ９ Ｆｅ膜Ｃを強磁性積層膜Ａと十字をなす形に形成した。このようにして、図７に示した強磁性トンネル効果素子を得た。
【００５５】
得られたグラニュラー磁性膜の断面構造を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、図１に模式的に示したように、Ｃｏ８０Ｐｔ２０合金とＡｌ２ Ｏ３ の混合膜からなり、互いに分断された構造を有していることを確認した。また、グラニュラー磁性膜中のＡｌ２ Ｏ３ 膜は薄く、グラニュラー磁性膜中のＣｏ８０Ｐｔ２０磁性合金とＣｏ９ Ｆｅ膜は互いに接触していた。
【００５６】
上記した強磁性積層膜ＡとＣｏ９ Ｆｅ膜Ｃの上にそれぞれＡｕをスパッタし、それらを電極として両者の間に電圧を印加して磁場中で磁気抵抗を測定した。そのときの磁場に対する抵抗変化を図８に示す。強磁性積層膜Ａ（ ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０）の保磁力に対応した約３０Ｏｅ で抵抗が急峻に変化しており、抵抗変化率は ２２％であった。また、抵抗のピーク値は約 ２．９Ωであった。
【００５７】
比較例１
上部電極となるＣｏ９ Ｆｅ膜を厚さ ２．５ｎｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜を介してグラニュラー磁性膜上に作製する以外は、上記した実施例１と同様にしてトンネル接合を作製した。得られたグラニュラー磁性膜の断面構造を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、Ｃｏ９ Ｆｅ膜とグラニュラー磁性膜の間に ２．５ｎｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜が介在していた。
【００５８】
このトンネル接合の磁場中での磁気抵抗を、実施例１と同様にして測定した。そのときの磁場に対する抵抗変化を図９に示す。 ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０の保磁力に対応した約３０Ｏｅ と、Ｃｏ９ Ｆｅ膜の保磁力に対応した約 １００Ｏｅ の磁場で抵抗が階段上に変化しており、抵抗変化率は約１５％であった。また、抵抗のピーク値は ９．８Ωであった。
【００５９】
このように、両電極とグラニニュラー磁性膜との間にそれぞれ誘電体層を介在させることによって、抵抗が増大すると共に、磁気抵抗変化率が減少した。
【００６０】
実施例２
下側の強磁性体電極として ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０に代えて、 ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏＦｅの積層膜を用いる以外は、実施例１と同様の方法を用いてトンネル接合を作製した。そのときの磁場に対する抵抗変化を図１０に示す。 ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏＦｅの保磁力に対応した約２０Ｏｅ の磁場で抵抗が急峻に変化しており、抵抗変化率は ２８％であった。また、抵抗のピーク値は ２．１Ωであった。
【００６１】
実施例３
実施例１および比較例１で示した磁気抵抗効果素子の温度変化を測定した。その結果、 １００℃で比較例１の磁気抵抗は １５％から９％まで低下したが、実施例１の磁気抵抗は ２２％から ２０％と低下率が少なかった。このように、本発明の磁気抵抗効果素子は温度安定性に優れていることが分かる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の強磁性トンネル効果素子は、小さな磁場で大きな抵抗変化率を容易に得ることができると共に、接合抵抗を小さくすることができ、その上で各種特性の再現性を高めることが可能となる。また、温度上昇や外部擾乱磁界などに対する磁気抵抗の変化を抑制することができる。このような本発明の強磁性トンネル効果素子を用いることによって、出力電圧の大きい高感度の磁気ヘッドや磁界センサなどを構成することが可能になる。また、磁気記億装置に利用すれば、高速で出力の大きい不揮発性の固体磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の強磁性トンネル効果素子の一実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す強磁性トンネル効果素子の変形例を示す図である。
【図３】本発明の強磁性トンネル効果素子の磁気抵抗変化を示す模式図である。
【図４】本発明の強磁性トンネル効果素子の他の構成例を模式的に示す図である。
【図５】本発明の強磁性トンネル効果素子をプラーナ型素子に適用した実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の強磁性トンネル効果素子を適用した磁気記憶素子の構成例を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施例で用いた強磁性トンネル効果素子の構造を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施例１による強磁性トンネル効果素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【図９】比較例１による強磁性トンネル効果素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２による強磁性トンネル効果素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【符号の説明】
１……強磁性トンネル効果素子
２……強磁性体
３……誘電体
４……グラニュラー磁性膜
５、５ａ、５ｂ……強磁性体電極
６……電極
７……誘電体層
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性トンネル効果を利用した磁気素子と、それを用いた磁気ヘッドや磁気記憶素子などの磁気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属人工格子における巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）が発見されて以来、スピンに依存した伝導現象が注目されている。金属人工格子は磁性金属層と非磁性金属層とを数オングストロームから数十オングストロームのオーダの周期で交互に積層した構造を有し、非磁性層を介して相対する磁性層の磁気モーメントが零磁場状態で反平行に結合したものである。このような金属人工格子膜は数 １０％という、従来のパーマロイ合金膜などの数％ よりも格段に大きな抵抗変化率を示し、高感度磁界センサや磁気ヘッドなどへの応用が期待されている。
【０００３】
また、この原理を利用した他の磁気抵抗効果膜としてスピンバルブ膜が知られており、高感度磁気センサなどに使用されはじめている。スピンバルブ膜は、それぞれ金属からなる強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層の ４層積層膜からなり、一方の強磁性層を反強磁性層と接触させることでスピンを固定し、他方のスピンのみを磁場で反転させ、非磁性層を介した ２つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行に制御することによって、巨大磁気抵抗効果を得るものである。このような巨大磁気抵抗効果は伝導電子のスピン依存散乱に基づくことが判明している。
【０００４】
さらに、上述したような金属人工格子膜とは異なり、非磁性金属マトリックス中に金属磁性超微粒子を分散させたいわゆる金属グラニュラー磁性膜も、同様なスピン依存散乱に基づくＧＭＲ効果を示すことが見出されている。
【０００５】
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づく巨大磁気抵抗効果が見出されている。これは強磁性層／絶縁層／強磁性層の ３層積層膜からなる接合構造を有し、一方の強磁性層の保磁力が他方の強磁性層の保磁力よりも小さい構造において、両磁性層間に電圧を印加してトンネル電流を発生させるものである。このとき、保磁力の小さい磁性層のスピンのみを反転させると、 ２つの強磁性層のスピンが互いに平行なときと反平行なときとでトンネル電流が大きく異なるため、巨大磁気抵抗効果が得られる。この原理は強磁性体のフェルミ面における状態密度のスピン非対称性にあることが分かっている。このような強磁性トンネル効果は、誘電体中に磁性超微粒子を分散させた、いわゆるグラニュラー膜においても見出されている。
【０００６】
上述した強磁性トンネル接合素子は構造が簡単であり、しかも室温で ２０％程度の大きな磁気抵抗変化率が得られるという特徴を有している。しかしながら、トンネル効果を発現させるためには絶縁層の厚さを数ｎｍ以下に薄くする必要があり、そのような薄い絶縁層を均質に、しかも安定して作製することは困難であるため、抵抗や抵抗変化率のバラツキが大きくなってしまうという問題を有している。また、一般に接合抵抗が大きいため、スピン依存伝導素子として用いた場合に、素子の高速動作が得られず、また雑音が増大してＳ／Ｎ比の大きい素子が得られないなどの問題がある。
【０００７】
一方、誘電体中に磁性超微粒子を分散させたグラニュラー膜を有するトンネル効果素子の場合、強磁性トンネル接合よりも作製が容易であるという特徴を有する反面、磁性粒子が超微粒子であることから、非常に大きな磁場を印加しないとスピンが揃わず、このため大きな磁気抵抗を発現させるためには １０ｋＯｅ 以上の非常に大きな磁場を印加する必要があり、実用性の点で問題がある。また、磁気抵抗変化率の大きさは、原理的に強磁性トンネル接合の値の １／２にしかならないという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の強磁性トンネル効果素子は、絶縁層を介して ２つの強磁性層を配置したトンネル接合、あるいは誘電体マトリックス中に磁性超微粒子を分散させたグラニュラー膜を用いたものである。これらのうち、トンネル接合素子は数ｎｍ以下の薄い絶縁層を作製する必要があるため、絶縁層にバラツキやピンホールが発生しやすく、安定した抵抗や磁気抵抗効果を得ることが困難であると共に、接合抵抗が大きいという問題を有している。また、グラニュラー膜は大きな磁気抵抗を得るために、非常に大きな磁場を印加する必要があるため、実用的ではないという問題を有している。
【０００９】
従来のトンネル効果素子が有する問題点に対して、本発明者らは先に、非磁性誘電体マトリックス中に保磁力をもつ強磁性微粒子を分散させたグラニュラー磁性膜と、このグラニュラー磁性膜に近接配置された少なくとも一方が強磁性体からなる ２つの電極とを具備する強磁性トンネル効果素子を提案している（特願平９−１１８９９１号）。
【００１０】
このような強磁性トンネル効果磁気素子においては、グラニュラー磁性膜と強磁性電極との間にトンネル電流を流すことによって、安定してしかも小さい磁場で大きい磁気抵抗変化率を容易に得ることができる。すなわち、グラニュラー磁性膜の膜厚が数１０ｎｍと厚いため、従来のトンネル接合素子のように、絶縁層のバラツキやピンホールの発生による抵抗や磁気抵抗変化率のバラツキの問題が緩和され、かつ小さな磁場で大きな磁気抵抗変化率を生じさせることができる。
【００１１】
しかし、 ２つの電極とグラニュラー磁性膜中の粒子との間に ２つのトンネル障壁をもつ二重トンネル効果素子であるため、この ２つのトンネル障壁の互いの厚さの違いにより抵抗や磁界感度が異なるという問題が生じるおそれがある。また、トンネル障壁が ２つあるために、抵抗値を大きく低下させることが難しいという難点を有している。さらに、グラニュラー磁性膜中の強磁性粒子が小さい場合、その保磁力が小さいために、温度上昇や外部磁界によりスピンが反転しやすく、それによって磁気抵抗変化率が低下するという難点を有している。
【００１２】
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、小さい磁場で大きな磁気抵抗変化率を容易にかつ安定して得ることができ、また抵抗や磁界感度のバラツキを抑制することができると共に、抵抗を小さくすることが可能な強磁性トンネル効果素子、およびそれを用いた磁気ヘッドや磁気記憶素子などの磁気装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、誘電体と強磁性体との混合体からなるグラニュラー磁性膜と、このグラニュラー磁性膜に近接配置された少なくとも １つが強磁性体からなる電極の間に、トンネル電流を流す磁気素子に関する研究を進めた結果、一方の強磁性体からなる電極を誘電体層を介してグラニュラー磁性膜と積層し、かつ他方の電極はグラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触している構造をとることによって、より大きな磁気抵抗効果が得られ、かつ抵抗の小さい強磁性トンネル効果素子を実現できることを見出した。
【００１４】
このような強磁性トンネル効果素子では、誘電体層を介した強磁性体電極とグラニュラー磁性膜との間のトンネル電流のみに基づいて、トンネル磁気抵抗が得られるため、 １層の誘電体層の膜厚のみを制御すればよいことになる。従って、トンネル障壁の厚さの違いによる抵抗や磁界感度のバラツキを抑制できることを見出した。さらに、電極の １つがグラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触しているため、グラニュラー磁性膜中の強磁性体のスピンが温度上昇や擾乱磁界などによって反転し難くなり、それだけ安定であるということを見出した。
【００１５】
本発明はこのような知見および検証結果に基づくものであり、本発明の強磁性トンネル効果素子は、請求項１に記載したように、誘電体と保磁力をもつ強磁性体との混合体からなるグラニュラー磁性膜と、前記グラニュラー磁性膜に近接配置され、少なくとも一方が強磁性体からなる一対の電極とを具備する強磁性トンネル効果素子において、前記一対の電極のうち、一方の強磁性体からなる電極は誘電体層を介して前記グラニュラー磁性膜と積層されており、かつ他方の電極は前記グラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触していることを特徴としている。
【００１６】
本発明の強磁性トンネル効果素子は、例えば請求項２に記載したように、強磁性体からなる電極を、グラニュラー磁性膜の膜面に沿って誘電体層上に配列された第１および第２の強磁性体電極で構成した構造、すなわちプラーナ型の強磁性トンネル効果素子に適用することができる。本発明の強磁性トンネル効果素子によれば、特にプラーナ型の素子の作製が容易になる。
【００１７】
本発明の磁気装置は、請求項３に記載したように、上記した本発明の強磁性トンネル効果素子を具備することを特徴とするものである。なお、本発明における磁気装置とは、強磁性トンネル効果素子を使用した磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶装置などを指すものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の強磁性トンネル効果素子を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明の強磁性トンネル効果素子の一実施形態の構造を模式的に示す図である。なお、図中矢印はスピン方向を示している。同図に示す強磁性トンネル効果素子１は、保磁力をもつ強磁性体２と誘電体３との混合体からなるグラニュラー磁性膜４と、このグラニュラー磁性膜１に近接配置された一対の電極５、６とを具備している。
【００２０】
これら電極５、６のうち、一方の電極５は誘電体層７を介してグラニュラー磁性膜４と積層されている。他方の電極６はグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している。誘電体層７によりグラニュラー磁性膜４と隔てられている電極５は、強磁性体により構成された強磁性体電極である。電極５を構成する強磁性体は、グラニュラー磁性膜４との間で保磁力差を有しているものであればよい。他方の電極６は強磁性金属で構成してもよいし、また非磁性金属で構成してもよい。
【００２１】
また、図１ではグラニュラー磁性膜４が誘電体３からなるマトリックス中に強磁性体２を分散させた構造を示している。本発明におけるグラニュラー磁性膜４は、図２に示すように、強磁性体２からなるマトリックス中に誘電体３を分散させた構造であってもよい。いずれにしても、強磁性体２は超常磁性を示さず、有限の保磁力をもつものである。理想的にはそのスピンは一方向に揃って向いていることが望ましい。
【００２２】
なお、上記した電極５、６の構成材料、およびグラニュラー磁性膜４の具体的な構成については、後に詳述する。
【００２３】
以下に、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１の原理について述べる。ここでは、電極６にも強磁性体を用い、かつ強磁性体電極５の保磁力が最も小さいものとして説明する。なお、電極６は非磁性体で構成してもよく、また保磁力の大小関係はこれに限定されるものではない。
【００２４】
図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１において、 ２つの電極５、６間に電圧を印加すると、誘電体層７の膜厚が適当に薄ければトンネル電流が流れる。この際、強磁性体電極５、６とグラニュラー磁性膜４の相対的なスピンのなす角度に応じてトンネル電流の大きさが異なり、トンネル磁気抵抗が生じる。これが強磁性トンネル効果である。
【００２５】
今、大きな外部磁場を印加して、グラニュラー磁性膜４および強磁性体電極５、６の全ての磁性体のスピンを一方向に揃えた後、磁場の大きさを減少させ、さらにその符号を反転させると、保磁力が最小の強磁性体電極５の保磁力に相当した磁場で、強磁性体電極５のスピンのみが反転する。この強磁性体電極５のスピンの反転に伴ってトンネル電流が減少して抵抗が増大する。これによってトンネル磁気抵抗が得られる。なお、外部磁場でスピンを反転させる磁性層は強磁性体電極５に限られるものではなく、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２であってもよい。
【００２６】
この様子を図３に示す。図３において、矢印はスピンの方向を示している。ここで、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子において、電極（ここでは強磁性体電極）６はグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触しているため、これらのスピンは互いに同じ方向を向いている。また、これらグラニュラー磁性膜４と電極６との間の抵抗は小さく、トンネル電流ではない通常の伝導による電流が流れる。
【００２７】
従って、トンネル磁気抵抗は強磁性体電極５とグラニュラー磁性膜４との間でのみ生じるので、磁気抵抗を得るためには誘電体層７の膜厚のみを制御すればよい。すなわち、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子は、一重のトンネル接合によりトンネル磁気抵抗を制御しているため、 ２つのトンネル障壁をもつ二重トンネル効果素子のように、 ２つのトンネル障壁の互いの厚さの違いにより抵抗や磁界感度が異なるという問題が生じるおそれがない。
【００２８】
言い換えると、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１は、誘電体層７の膜厚のみを制御することによりトンネル磁気抵抗が得られるため、抵抗や磁界感度のバラツキを抑制することができる。さらに、トンネル障壁が １つであるため、強磁性トンネル効果素子１の抵抗を大きく低下させることができる。電極６はグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触しているため、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンが温度上昇や擾乱磁界などによって反転し難くなり、より大きな磁気抵抗効果を安定して得ることができる。
【００２９】
また、図１および図２に示した強磁性トンネル効果素子１において、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２は超常磁性を示さず、有限の保磁力を有するため、従来のグラニュラー型トンネル膜のように飽和磁界が大きいという問題はない。さらに、グラニュラー膜４は強磁性体２と誘電体３との混合体あるため、従来の強磁性トンネル接合のように絶縁層のバラツキやピンホールにより抵抗や磁気抵抗効果が不安定になるという問題を解消することができると共に、電気抵抗が小さいという利点を有する。
【００３０】
加えて、グラニュラー磁性膜４を流れる電流パス方向（膜厚方向または膜面内方向）の長さ、あるいは強磁性体２の体積充填率、大きさ、分散状態などを制御することによって、電気抵抗を適当な値に制御することができる。そのため、各種磁気装置に応用する際に、強磁性トンネル効果素子１の電気抵抗を調整できるという大きな特徴を有している。
【００３１】
上述したように、強磁性トンネル効果素子１によれば、より大きな磁気抵抗効果を小さい磁場で容易にかつ安定して得ることができる。その上で、抵抗や磁界感度の安定性を高めることができ、さらには抵抗の減少を図ることができると共に、抵抗値自体を適当な値に制御することができる。このように、本発明の強磁性トンネル効果素子１は、磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶素子などに用いる磁気素子として実用性に優れるものである。
【００３２】
なお、電極６がグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している状態とは、この間の電流がトンネル電流ではなく、通常の伝導による電流を流すことが可能な状態を指すものである。また、上記では電極５、６を共に強磁性体で構成した場合について主として述べたが、その原理からも分かるように、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している電極６は、非磁性体や反強磁性体であってもよいことが明らかである。
【００３３】
次に、強磁性トンネル効果素子１の各構成要素について詳述する。グラニュラー磁性膜４は、前述したように、図１に示した誘電体３からなるマトリックス中に強磁性体２を分散させた構造、および図２に示した強磁性体２からなるマトリックス中に誘電体３を分散させた構造のいずれであってもよい。
【００３４】
すなわち、本発明に用いるグラニュラー磁性膜４は、グラニュラー磁性膜４をある断面で見たときに強磁性体２と誘電体３とが互いに分断された構造を有していればよい。さらに、強磁性体２と誘電体３との混合割合は特に限定されるものではない。グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２が保磁力を有していると共に、グラニュラー磁性膜２中の強磁性体２を介してトンネル電流を流すことが可能であれば、種々のグラニュラー磁性膜２を使用することができる。
【００３５】
グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２には、種々の強磁性材料を使用することができる。例えば、パーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合金、アモルファス合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む合金、ＮｉＭｎＳｂや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などの軟磁性材料から、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。
【００３６】
また、誘電体３としては、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＳｉＯ２ 、ＭｇＯ、ＭｇＦ２ 、Ｂｉ２ Ｏ３ 、ＡｌＮ、ＣａＦ２ などの種々の誘電体材料を使用することができ、このような誘電体で上記したような強磁性体２を分断することによって、本発明のグラニュラー磁性膜４が得られる。なお、上記した酸化物、窒化物、フッ化物などではそれぞれの元素の欠損が一般的に存在するが、そのような誘電体であっても何等問題はない。
【００３７】
一方、強磁性体電極５はグラニュラー磁性膜４との間で保磁力に大小関係を有していればよく、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と同様に、種々の軟磁性材料から硬磁性材料まで各種の強磁性材料で構成することができる。例えば、ハーフメタルは一方のスピンバンドにエネルギーギャップが存在するので、一方向のスピンを持つ電子しか伝導に寄与しないため、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【００３８】
誘電体層７としては、グラニュラー磁性膜４中の誘電体３と同様に、種々の誘電体材料を使用することができ、誘電体３と同一材料であってもよいし、また異なる材料であってもよい。誘電体層７はそれを介して強磁性体電極５とグラニュラー磁性膜４との間にトンネル電流が流れるものであればよい。
【００３９】
グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触している電極６は、前述したように強磁性体に限られるものではなく、グラニュラー磁性膜４と電極６との間にはトンネル電流は実質的に流れないため、非磁性体や反強磁性体で構成することも可能である。電極６を強磁性体や反強磁性体で構成した場合、グラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と電極６とが互いに接触して交換結合するため、スピンの向きが安定してより大きな磁気抵抗を得ることができると共に、温度上昇や擾乱磁界によるスピンの乱れを抑制することができる。このようなことから、電極６は強磁性体や反強磁性体で構成することが好ましい。なお、電極６に強磁性体を使用する場合、強磁性体電極５と必ずしも同じ材料である必要はなく、異なる強磁性体を使用することも可能である。
【００４０】
また、電極６は強磁性体と非磁性体との積層膜で構成してもよい。この場合、非磁性体を介して隣り合う強磁性体のスピンが反平行に結合していると、電極６がグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンの向きを安定化させるため、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。また、この場合には磁性膜から磁束が外部に漏れることを防ぐことができるという利点もある。
【００４１】
電極６を強磁性体で構成する場合、例えば図４に示すように、強磁性体電極６を反強磁性体８と接触させた構造を適用することもできる。このような構造によれば、強磁性体電極６のスピンが反強磁性体８により安定化され、それと接したグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンの向きが安定するため、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。なお、外部磁場でグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２のスピンを反転させる場合には、強磁性体電極５を反強磁性体と接触させた構造としてもよい。
【００４２】
グラニュラー磁性膜４および強磁性体電極５（強磁性体で構成した場合の電極６を含む）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。これらは磁気ヘッドや磁気記憶素子に適用する場合に有効である。また、電極５、６の膜厚は特に制限はないが、あまり厚いと素子として大きくなるので ０．１〜 １００ｎｍ程度とすることが好ましい。グラニュラー磁性膜４の膜厚はある程度薄い方が好ましいが、作製上 １００ｎｍ以下であればよい。
【００４３】
図１および図２では、本発明の強磁性トンネル効果素子１の各構成層を基板面に対して垂直方向に積層した構造を示したが、例えば図５に示すように、グラニュラー磁性膜４の膜面に沿って誘電体層７上に互いに分離された ２つの強磁性体電極５ａ、５ｂを並列配置した素子構造、すなわちプラーナ型素子に適用することも可能である。
【００４４】
図５に示すプラーナ型の強磁性トンネル効果素子１において、互いに分離された ２つの強磁性体電極５ａ、５ｂ間に電圧を印加すると、一方の強磁性体電極５ａからグラニュラー磁性膜４にトンネル電流が流れ、それがグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と接触している電極６を経て他方の強磁性体電極５ｂに流れ込む。すなわち、電極６がグラニュラー磁性膜４中の強磁性体２と実質的に接触しており、この間の抵抗が小さいことから、グラニュラー磁性膜４中を基板面に沿って流れる電流を抑制することができる。このように、本発明の強磁性トンネル効果素子１によれば、特にプラーナ型素子の作製が容易になると共に、その特性の向上を図ることができる。
【００４５】
また、図５に示すプラーナ型の強磁性トンネル効果素子１では、グラニュラー磁性膜４と強磁性体電極５との積層部分を複数利用することができるため、抵抗変化率の増大を図ることが可能となる。またこの場合、電流は主として電極６を流れるが、この部分の抵抗は小さく、素子面積を微細化すればグラニュラー磁性膜４を横切る抵抗に比べて無視できるため、グラニュラー磁性膜４を横切る電流パスが ２倍になる分だけ電気抵抗が増大するなど、各種特性を調整することができる。
【００４６】
図１、図２および図５では、本発明の強磁性トンネル効果素子１を ２端子素子として利用する場合について説明したが、本発明の強磁性トンネル効果素子１は ３端子素子として使用することもできる。例えば、グラニュラー磁性膜４に第３の電極としてゲート電極を形成し、このゲート電極でグラニュラー磁性膜４中を流れるトンネル電流やスピンの向きなどを制御することによって、 ３端子素子として機能させることができる。このような ３端子素子を作製する上で、図５に示したプラーナ型の強磁性トンネル効果素子１は好ましい構造である。
【００４７】
上述したような本発明の強磁性トンネル効果素子１は、典型的には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸着法、メッキ法など通常の薄膜形成装置を用いて作製することができる。また、グラニュラー磁性膜４の作製法としては、それを構成する強磁性体２と誘電体４とを同時に堆積してもよいし、また交互に積層してもよい。
【００４８】
また、強磁性トンネル効果素子１を構成する積層膜を成膜するための基板は、ガラス、セラミック、金属などの単結晶および多結晶体など、任意のものを用いることができる。特に、Ｓｉ基板を用いれば、例えばゲート電極を形成しやすいなど、従来の半導体技術を利用することができるので望ましい。なお、本発明の強磁性トンネル効果素子では、磁性材料または非磁性材料からなる下地層、または非磁性体のオーバーコートなどを設けてもよい。
【００４９】
本発明の強磁性トンネル効果素子１は、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶素子などの磁気装置に適用することができる。この場合、特に磁気ヘッドや磁気記憶素子では膜面内に磁気異方性が付与されていることが望ましい。 上述した実施形態の強磁性トンネル効果素子１を用いた磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、従来の磁気抵抗効果ヘッドと同様に構成することができる。すなわち、グラニュラー磁性膜４と強磁性体電極５のうち保磁力が小さい磁性膜を感磁層として利用し、この感磁層の磁化方向を例えば信号磁界に応じて変化させる。その際のトンネル電流を含むセンス電流の電圧を測定することによって、信号磁界などを検出することができる。これは磁気記録装置などの再生ヘッドとして有効である。また、磁界センサなどとしても使用可能である。
【００５０】
本発明の強磁性トンネル効果素子１を磁気記憶素子に適用する場合には、強磁性体電極５（あるいはグラニュラー磁性膜４）に書き込みを行う。信号の書き込みは、例えば図６に示すように、強磁性体電極５（あるいはグラニュラー磁性膜４）に対して絶縁層１１を介して導体層１２を配置し、この導体層１２に流す電流の向きによりスピンの向きを制御することによって、そのスピンの向きを１、０として書き込む。読み出しは保磁力の小さい方のスピンのみを反転させ、磁気抵抗効果を利用する。なお、図６はグラニュラー磁性膜４をメモリ層として用い、強磁性体電極５を再生層として用いた場合である。
【００５１】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００５２】
実施例１
図７に示した構造の強磁性トンネル効果素子をスパッタ法を用いて作製した。まず、メタルマスクを使用してＭｇＯ（１１０） 基板上に ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０構造の幅 ０．１ｍｍの短冊状の強磁性積層膜Ａを形成した。
【００５３】
その上に、円形のマスクとＣｏ８０Ｐｔ２０合金およびＡｌ２ Ｏ３ ターゲットを用いて、Ａｌ２ Ｏ３ 膜／グラニュラー磁性膜Ｂを作製した。この積層膜Ｂの作製にあたっては、まず厚さ １．５ｎｍ、直径 ２ｍｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜を形成し、その上に基板バイアス４００Ｗの条件下でＣｏ８０Ｐｔ２０合金を ２．８ｎｍの厚さで形成し、さらにその上に厚さ １．５ｎｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜を形成した。
【００５４】
この後、マスクを代えて積層膜Ｂ上に、厚さ２０ｎｍの短冊状のＣｏ９ Ｆｅ膜Ｃを強磁性積層膜Ａと十字をなす形に形成した。このようにして、図７に示した強磁性トンネル効果素子を得た。
【００５５】
得られたグラニュラー磁性膜の断面構造を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、図１に模式的に示したように、Ｃｏ８０Ｐｔ２０合金とＡｌ２ Ｏ３ の混合膜からなり、互いに分断された構造を有していることを確認した。また、グラニュラー磁性膜中のＡｌ２ Ｏ３ 膜は薄く、グラニュラー磁性膜中のＣｏ８０Ｐｔ２０磁性合金とＣｏ９ Ｆｅ膜は互いに接触していた。
【００５６】
上記した強磁性積層膜ＡとＣｏ９ Ｆｅ膜Ｃの上にそれぞれＡｕをスパッタし、それらを電極として両者の間に電圧を印加して磁場中で磁気抵抗を測定した。そのときの磁場に対する抵抗変化を図８に示す。強磁性積層膜Ａ（ ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０）の保磁力に対応した約３０Ｏｅ で抵抗が急峻に変化しており、抵抗変化率は ２２％であった。また、抵抗のピーク値は約 ２．９Ωであった。
【００５７】
比較例１
上部電極となるＣｏ９ Ｆｅ膜を厚さ ２．５ｎｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜を介してグラニュラー磁性膜上に作製する以外は、上記した実施例１と同様にしてトンネル接合を作製した。得られたグラニュラー磁性膜の断面構造を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、Ｃｏ９ Ｆｅ膜とグラニュラー磁性膜の間に ２．５ｎｍのＡｌ２ Ｏ３ 膜が介在していた。
【００５８】
このトンネル接合の磁場中での磁気抵抗を、実施例１と同様にして測定した。そのときの磁場に対する抵抗変化を図９に示す。 ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０の保磁力に対応した約３０Ｏｅ と、Ｃｏ９ Ｆｅ膜の保磁力に対応した約 １００Ｏｅ の磁場で抵抗が階段上に変化しており、抵抗変化率は約１５％であった。また、抵抗のピーク値は ９．８Ωであった。
【００５９】
このように、両電極とグラニニュラー磁性膜との間にそれぞれ誘電体層を介在させることによって、抵抗が増大すると共に、磁気抵抗変化率が減少した。
【００６０】
実施例２
下側の強磁性体電極として ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏ８０Ｐｔ２０に代えて、 ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏＦｅの積層膜を用いる以外は、実施例１と同様の方法を用いてトンネル接合を作製した。そのときの磁場に対する抵抗変化を図１０に示す。 ６ｎｍＦｅ／ ３ｎｍＣｏＦｅの保磁力に対応した約２０Ｏｅ の磁場で抵抗が急峻に変化しており、抵抗変化率は ２８％であった。また、抵抗のピーク値は ２．１Ωであった。
【００６１】
実施例３
実施例１および比較例１で示した磁気抵抗効果素子の温度変化を測定した。その結果、 １００℃で比較例１の磁気抵抗は １５％から９％まで低下したが、実施例１の磁気抵抗は ２２％から ２０％と低下率が少なかった。このように、本発明の磁気抵抗効果素子は温度安定性に優れていることが分かる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の強磁性トンネル効果素子は、小さな磁場で大きな抵抗変化率を容易に得ることができると共に、接合抵抗を小さくすることができ、その上で各種特性の再現性を高めることが可能となる。また、温度上昇や外部擾乱磁界などに対する磁気抵抗の変化を抑制することができる。このような本発明の強磁性トンネル効果素子を用いることによって、出力電圧の大きい高感度の磁気ヘッドや磁界センサなどを構成することが可能になる。また、磁気記億装置に利用すれば、高速で出力の大きい不揮発性の固体磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の強磁性トンネル効果素子の一実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す強磁性トンネル効果素子の変形例を示す図である。
【図３】本発明の強磁性トンネル効果素子の磁気抵抗変化を示す模式図である。
【図４】本発明の強磁性トンネル効果素子の他の構成例を模式的に示す図である。
【図５】本発明の強磁性トンネル効果素子をプラーナ型素子に適用した実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の強磁性トンネル効果素子を適用した磁気記憶素子の構成例を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施例で用いた強磁性トンネル効果素子の構造を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施例１による強磁性トンネル効果素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【図９】比較例１による強磁性トンネル効果素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２による強磁性トンネル効果素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【符号の説明】
１……強磁性トンネル効果素子
２……強磁性体
３……誘電体
４……グラニュラー磁性膜
５、５ａ、５ｂ……強磁性体電極
６……電極
７……誘電体層
Claims (3)
- 誘電体と保磁力をもつ強磁性体との混合体からなるグラニュラー磁性膜と、前記グラニュラー磁性膜に近接配置され、少なくとも一方が強磁性体からなる一対の電極とを具備する強磁性トンネル効果素子において、
前記一対の電極のうち、一方の強磁性体からなる電極は誘電体層を介して前記グラニュラー磁性膜と積層されており、かつ他方の電極は前記グラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触していることを特徴とする強磁性トンネル効果素子。 - 請求項１記載の強磁性トンネル効果素子において、
前記強磁性体からなる電極は、前記グラニュラー磁性膜の膜面に沿って前記誘電体層上に配列された第１および第２の強磁性体電極を有することを特徴とする強磁性トンネル効果素子。 - 請求項１または請求項２記載の強磁性トンネル効果素子を具備することを特徴とする磁気装置。
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