JP3695515B2 - トンネル磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気メモリ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気ヘッド磁性メモリ、並びにその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
S. Jagadeesh Moodera and Lisa R. Kinder, J. Appl. Phys. 79巻 (1996年), 8号, 4724ページ(文献1)、及びJ. C. Slonczewski, Physical Review B 39巻 (1989年),10号, 6995ページ(文献2)には、トンネル磁気抵抗効果(TMR)に基づく磁気センサーとして、TMR素子が提案されている。TMR素子は、従来の磁気抵抗効果素子(MR素子)に比べ大きな磁気抵抗効果を示すため、再生用磁気ヘッドとしての応用が期待されている。
【0003】
TMR素子は、図1に示すように、トンネルバリア層300を第一の磁性体層200及び第二の磁性体層100で挟んだ構造を持つ。ここで、第一の磁性体層200は、基板500の上に形成されたリード線層400の上に形成され、外部電気回路に接続される。また、第二の磁性体層100も外部電気回路に接続される。これら二種類の磁性体層100及び200が異なる保磁力を有する場合、外部磁界800の変化に対応して、各磁性体層100,200の磁化の向きの関係が、互いに平行である場合と反平行である場合との間を変化する現象が起こる。
【0004】
一方、上記二種類の磁性体層100,200間にバイアス電圧Vを印加すると、トンネルバリア層(誘電体層)300を介したトンネル電流Iが流れる、トンネル抵抗Rが、R=V/Iで定義できる。このトンネル抵抗Rの大きさを観測すると、上記磁性体層100,200間の磁化の向きが平行か反平行であるかによって、トンネル抵抗Rも変化する。外部磁界800によって変化するTMR素子のトンネル抵抗Rの変化を出力するものが、上記トンネル磁気抵抗効果に基づく磁気センサーである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記トンネル抵抗Rの変化の大きさは、前記文献1に示されているように、磁性体層100の分極率P1と磁性体層200の分極率P2の値によって、ほぼ決定される。これらの「分極率」は、物質の磁化(=スピン分極率)の大きさと密接に関係した量であり、磁化の大きさは物質に固有の値を持つ。「分極率」の大きさが1に近ければ近いほど、より大きなトンネル抵抗Rの変化が得られる。
【0006】
「分極率」の値は、磁性体層内のトンネル伝導に寄与する電子状態の個数を知れば求めることが出来る。すなわち、トンネル伝導に寄与する電子状態の内、スピンアップの状態の個数とスピンダウンの状態の個数の差が、各磁性体層内の「分極率」を決定する。金属磁性体の磁化を求める際にも、スピンアップの状態の個数とスピンダウンの状態の個数の差が問題となるが、ここで述べている「分極率」の値を定義する電子状態の差は、磁性体内に可能な電子状態のうちトンネル伝導に寄与する電子状態の数のみを取り出している点で、一般の磁化を求める手続きとは異なっている。言い換えれば、トンネル伝導に寄与する電子のみを考える時、一般の磁化の値とここで述べた「分極率」の値は必ずしも一致しない。
【0007】
本発明は、トンネル伝導に寄与する電子状態の選択を最適化することによって、同じ磁化を有する磁性体材料を使用するにも拘わらず、より高い「分極率」を得て、より大きなトンネル抵抗Rの変化を達成することができるトンネル磁気抵抗効果素子を得ることを目的とする。本発明は、また、より高感度な磁気ヘッド及びその製造方法、不揮発性で高速に読み書きのできる磁性メモリ及びその製造方法を提供することをも目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の「トンネル伝導に寄与する電子状態」とは如何なる状態かについて説明する。このような電子状態は、(1)フェルミ面付近の電子状態で、かつ、(2)トンネル接合面に垂直(すなわち、トンネルバリアの厚み方向に平行)な波数ベクトルを有する電子状態、と要約することが出来る。各磁性体層を構成する磁性体に対応した逆格子空間において、トンネル接合面に垂直な方向にほぼ平行な波数ベクトルを有する電子状態のうち、フェルミエネルギーに近いエネルギーに対応した電子状態が、「トンネル伝導に寄与する電子状態」である。
【0009】
上記(2)の要請は、トンネルバリアの波数ベクトル選択性によってもたらされるものである。E. Wolf,”Principles of Electron Tunneling Spectroscopy,” (Oxford University Press, Oxford, 1989), p.23.(文献3)に示されているように、アルミナ等を用いた無限平面から構成される理想的な誘電体トンネルバリアにおいて、平面波で記述されるトンネル電子の波数ベクトルがトンネルバリアの法線方向に平行な時、その透過確率は最も高く、波数ベクトルがトンネルバリアの法線方向に垂直な成分を持つようになると透過確率は急激に減少する。バリア高さが2eV、トンネルバリアの厚さ10Å、フェルミレベル5eVを仮定すると、その透過確率が1/e(e:自然対数の底)に落ちるときの法線方向と波数ベクトルのなす角度は、僅かに8度程度と計算される。すなわち、トンネルした電子の波数ベクトルは極めて良く揃っているのである。このような事実から、十分に平坦性が確保されたトンネルバリアは、高効率な波数ベクトル選択装置であると言うことが出来る。言い換えれば、トンネルによって磁性体層から取り出された電子の電子状態は、逆格子空間におけるΓ点の周りに張られた、極めて小さい立体角の領域に含まれる電子状態のみであるといえる。 極めて方向が揃った波数ベクトルを有する電子状態群から得られるトンネル電子の性質は、逆格子空間の異方性、すなわち、結晶の異方性に極めて敏感であると考えられる。このような特徴は、Yoshikazu Tanaka and Nobuhiko Sakai, Yasunori Kubo, and, Hiroshi Kawata, Physical Review Letters, Vol.70, No. 10, 1993, pp.1537-1540(文献4)に示された、円偏光X線を用いた磁気コンプトン散乱の実験からも類推できる。この実験では、円偏光X線によって鉄表面から取り出された電子の分極率が直接測定されており、その結果によると、Γ−N方向へ放出される電子の分極率は、Γ−H方向の分極率に比べて大きな値を有することを示している。
【0010】
本発明は、以上に述べたような、磁性体結晶の分極率が顕著な異方性を有する点を利用したものである。すなわち、トンネルバリアの波数ベクトル選択性を利用して、より大きいトンネル磁気抵抗の変化を示す面方位を探索した。その結果、鉄及び鉄合金において、大きい分極率を有する方向は(211)面と(110)面であることが見い出された。
【0011】
図2は、本発明によるトンネル磁気抵抗変化の増強を可能にするTMR素子の構成例を示す断面模式図である。図2において、第一の磁性体層210、トンネルバリア層310及び第二の磁性体層110の積層構造がTMR素子を構成している。ただし、第一の磁性体層210は、少なくとも一層以上からなるバッファ層250の上に形成されており、このバッファ層250の材料の種類及びその結晶方位によって決められる特定の結晶方位に沿って成長した結晶薄膜である。そのため、磁性体層210の特定の結晶面が、トンネルバリア層310との接合面を形成している。ここで、トンネルバリアの波数ベクトル選択性により、上記接合面に垂直な波数ベクトルを持つ電子状態の電子のみが、選択的に磁性体層210から磁性体層110へトンネルする事が出来ることになるが、このような電子状態は、同時に、磁性体層210の接合面に現れた結晶面に垂直な波数ベクトルを持つ電子状態となっているのである。すなわち、磁性体層210の接合面にどの結晶面を選ぶかによって、磁性体層210を構成する結晶材料の逆格子空間内の格子点で表される電子状態のうち、特定の領域の電子状態の電子のみを選択していることになるのである。
【0012】
上記特定の結晶方位は、磁性体層210を構成する物質によって異り、分極率を最適化する方向が既知であり、かつ、その方向を選んで磁性体層を成長することが可能である磁性体ならば、これを磁性体層210として用いることが出来る。しかし、単体でbcc構造を有する強磁性体は鉄のみである。また、鉄−コバルト、鉄−ニッケル、鉄−クロム、鉄−ロジウム、鉄−白金、鉄−パラジウム、鉄−イリジウム、及び鉄−バナジウムなどの鉄の合金もbcc構造を有し、かつ、強磁性体である。そこで、本発明では、これらの物質群をその対象とする。
【0013】
本発明を得る過程において、上記の物質群を用いた異なる面方位を有する磁性体層210を使ってTMR素子を作製し、トンネル磁気抵抗変化を観測して、分極率を最適化する方向を探索した。その結果、(211)面を用いるTMR素子が最も大きなトンネル磁気抵抗変化を示し、次に大きなトンネル磁気抵抗変化を示したものが(110)面を用いたものとなり、その値は、(211)面を用いたものの80パーセント程度となった。その他の面を用いたTMR素子では、(211)面を用いた場合の25パーセント以下となった。これらの結果から、有効な面方位は(211)面であり、やや劣るが、(110)面も有効であることが判明した。
【0014】
なお、バッファ層250の結晶方位は、その下層のリード線層410の結晶方位によって決まり、また、そのリード線層410の結晶方位は、さらに下層の基板510の材料の種類及びその結晶方位によって決まる。言い換えれば、磁性体層210の結晶方位を制御するのは、バッファ層250、リード線層410、及び基板510の材料の種類及び結晶方位の組み合わせであると言うことになる。ところで、トンネルバリア層310が有力な波数ベクトル選択装置となるためには、磁性体層210及び磁性体層110との接合面は、極めて高い平坦性が要求される。高い平坦性を得るため、本発明では「二段階酸化法」と呼ぶ方法によりトンネルバリア層310の形成を行った。
【0015】
文献1及びH. Tsuge and T. Mitsuzuka, Applied Physics Letters, Vol.71, No. 22, 1997, pp.3296-3298(文献5)等の従来技術に示されているように、アルミニウムの酸化膜によって比較的信頼性の高いトンネルバリアが作製されてきた。本発明でもトンネルバリア層としてアルミニウム酸化膜を用いるが、その形成方法は、従来公知の方法とは異なる。アルミニウムは、鉄、コバルト、ニッケル、及びこれらの合金などの主要な磁性体金属の表面によく濡れることが知られている。図3〜図6は、磁性体層211として鉄(Fe)を選び、その(001)面の表面にアルミニウム酸化膜(アルミナ)を形成する状況を例示している。理解を容易にするために、図3から図6において、同じ構造部分には同じ番号を付した。
【0016】
図3(a)は、超高真空装置を用いて磁性体層211(鉄の(001)面)上に、蒸着によって10Å以下の厚さのアルミニウム薄膜320を形成した状況を示している。アルミニウムの厚さが十分薄い(10Å以下)場合には、アルミニウムの高い濡れ性によって、アルミニウムが(001)Fe面を緻密に被覆し、Feの結晶面を反映して、(001)面を有するアルミニウム薄膜320が形成される。この事実は、蒸着後のアルミニウム表面のRHEED(反射高エネルギー電子回折)パターン観測によって確認され、アルミニウム薄膜320と鉄の(001)面の間に、極めて平坦な界面が得られたことが示された。その後、超高真空装置内に酸素ガスを導入すると、上記RHEEDパターンがアモルファス層の形成を示すパターンへと変化した。これは、図3(b)示したように、極めて平坦性の高いアルミナ層330が形成され、良好なトンネルバリア層と(001)Fe面の界面が得られたことを示している。なお、アルミニウムの酸化に伴い、その膜厚は10Å以下から13Å以下に変化する。
【0017】
一方、図4(a)に示したように、アルミニウムをより厚く(10Å以上)蒸着すると、アルミニウムの(001)面に加え、(111)面を生ずるいわゆるファセッティングが起こり、アルミニウム321の表面には小さな凹凸が生じた。この事実は、RHEEDパターンの変化によって確認された。超高真空装置内に酸素ガスを導入してもRHEEDパターンは完全なアモルファス状態を示すパターンにはならず、この凹凸は残存し、図4(b)に示したように、アルミニウムの酸化残りを包み込むような構造が形成され、凹凸を伴うアルミナ層331が形成された。この状況では、(001)方向の波数ベクトルのみならず、(111)方向の波数ベクトルのトンネルの可能性が加わり、波数ベクトル選択性が弱まってしまう。したがって、単純にアルミニウム膜を酸化することで、13Å以上の厚さを有する十分な平坦性を持ったトンネルバリアの作製は困難である。
【0018】
トンネルバリアの厚さを13Å以上に形成することは、TMR素子の特性制御の観点から無視できない要求である。そのため、図5に示すような方法を試みた。図5(a)及び(b)は、図3に示した方法で、13Å以下の厚みのアルミナ層330を形成する過程を示している。次に、超高真空装置を再び排気してアルミニウム酸化のために導入した酸素を除去した後、再度、アルミニウムを10Å以下の厚さで蒸着して、アルミニウム層322を形成した状況が、模式的に図5(c)に示されている。この場合、図4に示したファセッティングは生じないが、アルミニウムのアルミナ表面での濡れが不十分であるために、アルミニウムの粒が発生し、より多結晶薄膜に近いアルミニウム膜322が形成された。その後、酸素導入による酸化によってアルミナ層332を形成したが、粒界に沿って酸化の度合いが異なり、STM/AFMを用いた測定などから、粒界に起因するピンホールの存在やトンネルバリア高さの不均一性をが発生し、良好なトンネルバリア特性が得られなかった。
【0019】
そこで、本発明では、図6に示したような「二段階酸化法」を開発した。図6(a),(b)は、図3と同様に、13Å以下の厚みのアルミナ層330を形成する過程を示している。次に、図6(c)に示すように、超高真空装置を排気せずに一定の酸素分圧を保って、アルミニウムを蒸着したところ、基板には図6(c)に示すように、アルミナ層333が形成された。アルミナ層330の上に同じ物質であるアルミナ層333を形成するこの方法では、濡れ性の不完全性に起因する粒界の発生が抑えられ、極めて均質で平坦性に優れたトンネルバリア層が得られた。この方法によれば、均一性と平坦性を維持したまま、10Åから30Åの膜厚まで、良好なトンネルバリア特性が観測された。この方法には、原理的な厚みの上限は存在しない。
【0020】
ところで、図6(a)及び(b)のプロセスを省いて、磁性体層211の表面の(001)Fe面を酸素雰囲気中に置き、図6(c)のようなアルミナ層形成を行っても、良好なトンネルバリア層は得られない。なぜなら、アルミナと(001)Fe面の濡れ性が悪いため、粒形成が生じるからである。したがって、予め図6(b)のような薄い(13Å以下)アルミナ層330を形成しておくことが不可欠なのである。
【0021】
図3の説明でも述べたように、10Å以下のアルミニウム膜厚であれば、ほとんどの磁性体層に対して、その種類や面方位によらず、常に良好なアルミナ層330が形成できた。したがって、二段階酸化による方法は、任意の物質から任意の波数ベクトルを有する電子を取り出す本発明にとって最適かつ不可欠なトンネルバリア形成方法である。
【0022】
例えば、図4の方法において、磁性体層211として、アルミニウムの(111)面に格子整合する表面を用いれば、アルミニウムは(001)面を形成せず、最初から(111)面を形成する。この場合にはファセッティングが起こらず、平坦なトンネルバリアが得られる。しかしながら、この方法では磁性体層211の結晶方位や種類が限定され、任意の異方性を選択できないため、本発明を実現する手段とはなり得ない。言い換えれば、波数ベクトルの選択制を利用して任意の方向の波数ベクトルを有するトンネル電子を取り出そうとする本発明の実現には、上述の二段階酸化法が不可欠な手段である。
【0023】
なお、上に説明した二段階酸化法においては、アルミニウムの酸化は超高真空装置に導入された酸素による自然酸化によって行ったが、これをUVオゾンや酸素プラズマによって生成される酸素ラジカルを含む雰囲気によって酸化を行うと、よりバリア高さの高いトンネルバリア層を形成することが出来た。これによって、トンネル磁気抵抗の変化は、自然酸化による場合の2倍程度に増加した。
ここで述べた二段階酸化法は、平坦性を確保する方法であるが、同時に、原子寸法レベルで凹凸を除去したことによって、極薄膜の誘電体トンネルバリアを形成する方法であるということもできる。この点は、TMR素子のトンネル抵抗の値自体を小さくしたい場合には特に有効である。また、トンネル抵抗の値を8桁にわたる範囲で、精度良く制御する方法としても有用である。
【0024】
以上をまとめると、「二段階酸化法」とは、アルミニウムが主要な金属膜表面によく濡れる性質を利用し、10Å以下のアルミニウム膜を磁性体金属表面に形成してこれを自然酸化又は酸素ラジカルにより酸化する第一段階と、これに続く酸素雰囲気中又は酸素ラジカル中でのアルミナ薄膜形成を行う第二段階からなる、アルミナ薄膜形成法である。
【0025】
以上述べたように、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、第一の磁性体層と、トンネルバリア層と、第二の磁性体層とが順に積層された多層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果素子において、第一の磁性体層はbcc構造を有する強磁性体であり、第一の磁性体層とトンネルバリア層との接合面が第一の磁性体層の(211)面又は(110)面であることを特徴とする。
【0026】
bcc構造を有する強磁性体としては、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−ニッケル、鉄−クロム、鉄−ロジウム、鉄−白金、鉄−パラジウム、鉄−イリジウム、鉄−バナジウム合金等を用いることができる。また、第二の磁性体層は、鉄、ニッケル、コバルト、又はこれらの合金とすることができる。
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、また、基板上に、基板に近い方から、バッファ層、第一の磁性体層、トンネルバリア層、第二の磁性体層の順序で積層された多層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果素子において、第一の磁性体層はbcc構造を有する強磁性体であり、第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が第一の磁性体層の(211)面又は(110)面であることを特徴とする。
【0027】
第一の磁性体層とトンネルバリア層との接合面が第一の磁性体層の(211)面であるとき、バッファ層としては、hcp構造を有するコバルト又はコバルト−クロム合金のA面、bcc構造を有するクロムの(211)面、fcc構造を有する金の(110)面、酸化マグネシウムの(110)面、サファイアの(11−20)面、又はbcc構造を有するチタンクロム合金の(001)面、あるいはこれらを二層以上組み合わせて積層した多層構造が適当である。
【0028】
第一の磁性体層が単結晶であり、第一の磁性体層とトンネルバリア層との接合面が第一の磁性体層の(110)面であるとき、バッファ層としては、bcc構造を有するモリブデン(110)面、bcc構造を有するタングステン(110)面、bcc構造を有するタンタル(110)面、又はbcc構造を有するクロム(110)面、あるいはこれらを二層以上組み合わせて積層した多層構造が適当である。
【0029】
第一の磁性体層が多結晶であり、第一の磁性体層とトンネルバリア層との接合面が第一の磁性体層の(110)面であるとき、バッファ層としては、fcc構造を有する金属の(111)面又はhcp構造を有する金属の(0001)面、あるいはこれらを二層以上組み合わせて積層した多層構造が適当である。
第一の磁性体層とトンネルバリア層との接合面は、第一の磁性体層の(211)面又は(110)面から10度以内の傾きを有する結晶面であってもよい。
【0030】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、基板として半導体基板を用い、かつ、バッファ層と半導体基板の間に、シリコン酸化膜、アルミ酸化膜、又は他の金属酸化膜の少なくとも一種類からなるアモルファス薄膜層を挿入した多層構造を有するものとすることができる。
従来技術の項で述べたように、第一の磁性体層と第二の磁性体層の保磁力に差が有ることが、トンネル磁気抵抗効果の発現には不可欠である。そのため、各磁性体層の保磁力を独立に制御して、各々に必要な大きさの保磁力を実現しなければ、有効なトンネル磁気抵抗効果素子が得られない。通常は、磁性体の材料を選択することで必要な保磁力の差を実現するが、各磁性体材料の選択で有効な保磁力差が得られないときには、以下に述べるような方法がある。すなわち、第一の磁性体層により高い保磁力を付与したいときは、第一の磁性体層よりも高い保磁力を有する磁性体をバッファ層として用いればよい。また、第二の磁性体層により高い保磁力を付与したいときは、第二の磁性体層の上(すなわち、トンネルバリア層の反対側の第二の磁性体層面上)に、より高い保磁力を有する強磁性体層、または、反強磁性体層を積層すればよい。
【0031】
本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッドに用いると好適である。本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、また、マトリックス状に配列された複数のトンネル磁気抵抗効果素子と、各トンネル磁気抵抗効果素子に選択的に磁界を印加する手段と、各トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗を選択的に検出する手段と含む磁性メモリの要素として用いると好適である。
【0032】
本発明による磁気ヘッドの製造方法は、第一の磁性体層と、トンネルバリア層と、第二の磁性体層とが順に積層された多層膜を備える磁気ヘッドの製造方法において、第一の磁性体層としてbcc構造を有する強磁性体を用い、第一の磁性体層の(211)面又は(110)面上に厚さ10Å以下のアルミニウム膜を形成し、前記アルミニウム膜を自然酸化又は酸素ラジカルにより酸化してアルミニウム酸化膜とし、酸素雰囲気中又は酸素ラジカル中で前記アルミニウム酸化膜の上にアルミニウム酸化膜を形成することによってトンネルバリア層を形成することを特徴とする。
【0033】
本発明による磁性メモリの製造方法は、各々が第一の磁性体層と、トンネルバリア層と、第二の磁性体層とが順に積層された多層膜からなる複数のトンネル磁気抵抗効果素子と、各トンネル磁気抵抗効果素子に選択的に磁界を印加する手段と、各トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗を選択的に検出する手段と含む磁性メモリの製造方法において、第一の磁性体層としてbcc構造を有する強磁性体を用い、第一の磁性体層の(211)面又は(110)面上に厚さ10Å以下のアルミニウム膜を形成し、前記アルミニウム膜を自然酸化又は酸素ラジカルにより酸化してアルミニウム酸化膜とし、酸素雰囲気中又は酸素ラジカル中で前記アルミニウム酸化膜の上にアルミニウム酸化膜を形成することによってトンネルバリア層を形成することを特徴とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
〔実施例1〕
図7は、本発明によるTMR素子の一例を示す断面模式図である。図7に示したTMR素子では、Fe(211)面を有する磁性体層215からトンネルする、この面に垂直な波数ベクトルの電子のみを用いている。トンネルバリア層310は前述の二段階酸化法によって形成され、その上に、(110)面を有するCoFe薄膜によって磁性体層115を形成した。この例では、Fe(211)面を有する磁性体層215を軟磁性体層とし、CoFe(110)面を有する磁性体層115を硬磁性層として、スピンバルブを構成している。なお、軟磁性体層、硬磁性層という表現は比較上のものである。
【0035】
Fe(211)面を有する磁性体層215は厚さ50Åとし、厚さ100Åの(211)面クロム(Cr)層252と厚さ500ÅのA面を有するhcp構造のCo層251を、この順で形成した二層からなるバッファ層の上に形成した。また、これら二層からなるバッファ層は、リード線層415としての1000Å厚の(110)面を有する金(Au)層の上に形成されている。(110)面Au層(すなわちリード線層415)は、(110)MgO面を有する基板515を用いることによって形成することができる。この構成は、バッファ層251,252、リード線層415、及び基板515の組み合わせにより、磁性体層215の面方位の制御がなされた例である。
【0036】
なお、hcp構造のCo層251は、Fe(211)面を有する磁性体層215の保磁力を決定する役割も持っている。hcp構造のCo層251の代わりに、非磁性体である(110)面の金を用いれば、Fe(211)面を持った磁性体層215が成長でき、しかも、それに固有のより小さい保磁力を持った軟磁性体層となる。また、反強磁性体を用いることによって、Fe磁性体層215の保磁力をより大きく設定することもできる。
【0037】
図7に示したTMR素子構成を用いて、トンネルバリア層310の厚さが10Åから30Åの異なる厚さを有するTMR素子を多数作製して、トンネル抵抗及び外部磁場変化に対するトンネル抵抗の変化を測定した。その結果を図8に示す。図8の横軸は、TMR素子中のトンネルバリア層の厚さであり、縦軸は、トンネル抵抗の値を対数表示したものである。図中の黒点が、各デバイスごとの測定データを表す。測定は、室温で行われた。トンネルバリア層の厚さの異なる各試料に0.05ボルトの直流電圧を加えて電流を測定し、トンネル抵抗を求めた。トンネル抵抗はトンネルバリア層の厚さの増加に対して指数関数的に増加し、その値は6桁程度変化した。トンネル抵抗がトンネルバリア層厚の変化に対して指数関数的に変化する関係は、電気伝導がトンネル現象によって生じていることを示しているため、二段階酸化法が、ピンホールが存在しない良好なトンネルバリア層を与えることの証拠である。
【0038】
これらのTMR素子は、トンネルバリア層厚10Åから30Åの間で、その厚さとはほぼ無関係に、約60%のトンネル磁気抵抗の変化を示した。その測定結果を示したのが図9である。図9の横軸は、TMR素子中のトンネルバリア層の厚さであり、縦軸は、トンネル磁気抵抗効果(MR)をパーセントで表示したものである。図中の黒点が、各デバイスごとの測定データを表す。測定は、室温で行われた。トンネルバリア層の厚さの異なる各試料に0.05ボルトの直流電圧を加えて電流を測定し、トンネル抵抗を観測し、トンネル磁気抵抗を求めた。図9には、Fe(110)面及びFe(100)面について、同様の測定を行った結果も示した。これらの結果から、磁性体層215の面方位依存性が確かに存在し、その効果によって、トンネル磁気抵抗が3倍以上の変化を示すことが明らかである。
【0039】
本発明で得られた磁気抵抗変化の値は、磁性体層の異方性を考慮していない前記文献1に報告されている値の3倍の大きさとなっている。この事実は、磁性体層215の異方性を積極的に利用し、トンネルバリアの波数ベクトル選択性を利用して大きい分極率を有する方向のトンネル電子のみを選択する本発明による方法の、有用性を実証したものと言える。
【0040】
文献1では、トンネルバリア層の制御性が不十分であるため、TMR素子の端子間抵抗はキロオーム程度の値とならざるを得ず、端子間抵抗を下げようとするとトンネル磁気抵抗変化の著しい減少を招いた。また、H. Tsuge and T. Mitsuzuka, Applied Physics Letters, Vol.71, No. 22, 1997, pp.3296-3298(文献6)では、端子間抵抗が小さいTMR素子の例が示されているが、このとき得られたトンネル磁気抵抗変化の大きさは、本発明で作製された同程度に小さい端子間抵抗を有するTMR素子のトンネル磁気抵抗変化の大きさの1/12程度であった。以上のように、本発明によるTMR素子では、トンネル磁気抵抗変化の大きさを損なうことなく、少なくとも100Ω/mm2から、100MΩ/mm2の範囲で端子間抵抗を制御することができる。この特徴は、低抵抗で動作することが要請されるTMR素子の磁気記録再生用ヘッドあるいは磁気メモリへの応用を考える上で重要である。
【0041】
なお、本実施例と同様の効果は、基板515、リード線層415、及びバッファ層251を(11−20)Al2O3面のサファイア、(110)Ag、(110)Pt、MgO(110)等を用いて構成しても得られる。さらに、上部磁性体層115として、a−Co80FeBSiなどのアモルファス磁性体、及びFeNi等の強磁性体合金を用いることが可能である。
【0042】
〔実施例2〕
実施例1における磁性体層215として、Fe(110)面を用いると、実施例1で得られるTMR素子に比べるとやや小さいMR値を有する、第二の実施例となるTMR素子が得られる。本実施例では、Fe(110)面を得るために、図2の断面模式図に示すように、基板510としてサファイア基板のA面を用い、その上にバッファ層250とリード線層410とを兼ねた(110)面を有するモリブデン層を形成し、これを直接のバッファ層として磁性体層210を形成した。
【0043】
実施例1と同様に、トンネルバリア層310の厚さが10Åから30Åまでの異なる厚さを有するTMR素子を多数作製して、トンネル抵抗及び外部磁場変化に対するトンネル抵抗の変化を測定した。その結果は、図8に示したのと同様になった。二段階酸化法が、下地の面方位に関係なく、ピンホールが存在しない良好なトンネルバリア層を与えることが明らかとなった。
【0044】
このTMR素子の、トンネルバリア層厚10Åから30Åの間での、トンネル磁気抵抗の変化を実施例1と同様にして測定した結果が、図9に示されている。図中で、白抜きの四角で(□)で示したものが、本実施例によるTMR素子の各デバイスごとの測定結果である。Fe(110)面を用いた本実施例によるTMR素子では、Fe(211)面を用いたものにやや劣るTMR値となるが、サファイア基板上に素子が作製できるようになる点など、用途によっては十分な有用性を持っている。
【0045】
〔実施例3〕
図10は、本発明によるTMR素子の他の例を示す断面模式図である。図10に示したTMR素子は、バッファ層として用いたA面を有するhcp構造のCo層251の上に、Fe(211)面を有する磁性体層215を形成している。この点は、図7に示した実施例1と同じであるが、基板516としてSiを用いている点が異っている。本実施例では、(100)Si基板516の上にSiO2熱酸化膜層416を作り、その上にリード線の役割も兼ねた(001)TiCr層を設けて、バッファ層255とし、上記バッファ層251に接続している。(001)TiCr層は、下地がアモルファスであるSiO2熱酸化膜層416の上であってもエピタキシャル成長し、その成長面がFe(211)面を有する磁性体層215を成長させるのに都合の良い面になるわけである。TMR素子を構成する(110)CoFe層115、Fe(211)面を有する磁性体層215、及び二段階酸化法によるトンネルバリア層310の組み合わせは実施例1と同じなので、作製されたTMR素子の動作特性は、実施例1の結果と同じであった。
【0046】
本実施例は、本発明によるTMR素子をシリコン基板上に作製することが可能であることを示したもので、磁気記録再生用ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)等を、従来のシリコン微細加工プロセスを用いて作製する道を開くものである。また、シリコン基板は、MgOやサファイアなどの誘電体基板に比べて良質の結晶が安価に購入でき、また、これらに比べて熱伝導率が大きいため、磁性体層の加工時に於ける熱的負荷が低減されたり、TMR素子の動作温度の制御が容易になる等のメリットがある。
【0047】
〔実施例4〕
実施例3で述べた本発明のTMR素子を用い、磁気記録再生用ヘッドを作製した。磁気記録再生用ヘッドの構造を以下に示す。図11は、記録再生ヘッドの一部分を切断した場合の斜視図である。TMR素子51をシールド層52,53で挟んだ部分が再生ヘッドとして働き、コイル54を挟む下部磁極55、上部磁極56の部分が記録ヘッドとして働く。
【0048】
図11において、Al2O3・TiCを主成分とする焼結体をスライダ用の基板57として、その表面にスパッタ法にて、バッファ層としてのSiO2層形成し、続いて実施例3で述べたTMR素子を分子ビームエピタキシャル成長(MBE)法で作製した。シールド層、記録磁極にはスパッタリング法で形成したNi−20at%Fe合金を用いた、各磁性体層の膜厚は、以下のようにした。すなわち、上下のシールド層52,53は1μm、下部磁極55、上部磁極56は3μm、各層間のギャップ材としてはスパッタリングで形成したアルミナを用いた。ギャップ層の膜厚は、シールド層と磁気抵抗効果素子間で0.2μm、記録磁極間では0.4μmとした。さらに再生ヘッドと記録ヘッドの間隔は約4μmとし、このギャップもアルミナで形成した。コイル54には膜厚3μmのCuを使用した。
本発明によってTMR素子の感度が向上したため、磁気ヘッドとしての感度も向上し、より小さな磁区の磁化状態を検出することが可能となり、従来に比較して記録密度を10倍程度向上することができた。
【0049】
〔実施例5〕
図12から図15の製造工程図を用いて、本発明によるTMR素子を磁性メモリに適用した例について説明する。図12から図15の各製造工程図において、(a)は平面模式図、(b)はその断面模式図である。本実施例の磁性メモリは、IEEE Transaction on Magnetics, vol.33, No.6, November, 1997, p.4498-4512(文献7)に類似の構造を有する。
【0050】
まず、図12に示すように、シリコン基板516上に、基板に近い方から、絶縁層416、ワード線層420、層間絶縁層417、バッファ層255、バッファ層251、軟磁性層216、トンネルバリア層311、硬磁性層116、コンタクト層421を順次積層する。次に、図13に示すように、リソグラフィー工程によって、ワード線パターンを、ワード線層420及びそれより上の層すべてをエッチングして形成する。さらに、同様なリソグラフィー工程によって、Xリード線パターンを、バッファ層255及びそれより上の層すべてをエッチングして形成する。
【0051】
さらに、図14に示すように、リソグラフィーとエッチング工程を用いて、軟磁性層216以上の層を加工し、各ビット情報を格納するメモリセル部分を形成する。次に、図15に示すように、層間絶縁層418を形成して上記メモリセル部分を絶縁層内に埋め込み、その上部にコンタクトホールを形成する。この層間絶縁層418上に、上記コンタクトホール通じて、コンタクト層421に電気的な接続を有するYリード線422を形成する。次に、さらなる層間絶縁層419を形成し、その上に、ビット線423を形成する。ワード線、ビット線、Xリード線、及び、Yリード線の各々を周辺回路に結合して、ランダムアクセスメモリを形成する。
【0052】
本発明によるメモリは、メモリセルの部分に本発明によるTMR素子を用いる点と、その駆動方式が文献7の磁性メモリとは異なっている。上記メモリセルにおいて、軟磁性層216、トンネルバリア層311、硬磁性層116の三層が、スピンバルブを形成している。1ビットの情報は、軟磁性層216の磁化状態によって保持される。
【0053】
図15において、アドレス(1,1)の情報を決定する際には、ワード線W1にバイアス電流を流し、さらに、ビット線B1に同時に電流を流して、両者が発生する磁界の和がメモリセル中の軟磁性層215のスイッチング磁界より大きい磁界を、アドレス(1,1)のメモリセル周囲にのみ発生させる。この磁界の向きによって、アドレス(1,1)のメモリセルに書き込まれた情報の1又は0が決定される。書き込み動作時において、硬磁性層115の磁化は、そのスイッチング磁界が軟磁性層215のスイッチング磁界より十分大きく設定されているので、変化しない。また、ワード線W1のバイアス電流が発生する磁界のみでは、軟磁性層215の磁化は変化しないので、ワード線W1上の他のメモリセルの磁化状態を変化させることは無い。情報の読み出しは、Xリード線とYリード線の間の磁気抵抗を検出して行われる。すなわち、Xリード線X1とYリード線Y1との間の抵抗を測定すれば、アドレス(1,1)のメモリセルの抵抗を検出することとなり、アドレス(1,1)の情報が得られる。
【0054】
本実施例では、絶縁層416としてシリコン熱酸化膜、ワード線層420としてニオブ(Nb)、層間絶縁層417としてスパッタで形成されたシリコン酸化膜、バッファ層255として(001)TiCr、バッファ層251としてhcp構造CoのA面、軟磁性層216として(211)面を有するFe、トンネルバリア層311として二段階酸化法によって作製した厚み12Åのアルミナトンネル酸化膜、硬磁性層116としてCoFe、コンタクト層421としてニオブ(Nb)を用いた。なお、軟磁性層215の保磁力を制御するために、異なる組成を有するCoFe合金などを用いることが有効である。
本発明によってTMR素子の抵抗変化の大きさが向上したため、軟磁性層に情報を蓄えることが出来るようになり、メモリセル磁化状態の検出感度が向上し、その結果、従来より5倍程度高速な不揮発性磁性メモリが得られた。
【0055】
【発明の効果】
本発明によると、磁性体結晶の分極率に顕著な異方性が有る点に着目し、大きい分極率が期待される方向のトンネル電子のみをトンネルバリアの波数ベクトル選択性を利用して選択し、極めて大きいトンネル磁気抵抗の変化を実現した。これによって、トンネル磁気抵抗変化の値60%を実現し、TMR素子を用いる磁気センサーの感度は従来技術の3倍から10倍以上に向上した。その結果、より高感度の磁気記録再生用ヘッドが得られ、磁気記録密度を従来の10倍程度に向上することができる。また、このTMR素子を用いると、読み出し速度が従来の5倍以上である磁気メモリを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】トンネル磁気抵抗効果素子の構成を示す図。
【図2】本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面模式図。
【図3】13Å以下の厚さを有するアルミナ極薄膜の形成法を示す図。
【図4】13Å以上の厚さを有するアルミナ極薄膜の形成時に、ファセッティングが生じることを示した図。
【図5】13Å以上の厚さを有するアルミナ極薄膜の形成時に生じる結晶粒により、アルミナ膜の劣化が起こることを示した図。
【図6】二段階酸化法を用いた、13Å以上の厚さを有するアルミナ極薄膜の形成法を示した図。
【図7】本発明によるTMR素子の一例を示す断面模式図。
【図8】Fe(211)面を用いたTMR素子のトンネル抵抗とトンネルバリア厚の関係を示す図。
【図9】異なる面方位を有するTMR素子のトンネル磁気抵抗とトンネルバリア厚の関係を示す図。
【図10】本発明によるTMR素子の他の例を示す断面模式図。
【図11】本発明によるTMR素子を用いた磁気記録再生用ヘッドを示す図。
【図12】本発明によるTMR素子を用いた磁性メモリの製造工程図。
【図13】本発明によるTMR素子を用いた磁性メモリの製造工程図。
【図14】本発明によるTMR素子を用いた磁性メモリの製造工程図。
【図15】本発明によるTMR素子を用いた磁性メモリの製造工程図。
【符号の説明】
51…TMR素子、52…シールド層、53…シールド層、54…コイル、55…下部磁極、56…上部磁極、57…基板、100…第二の磁性体層、110…第二の磁性体層、116…硬磁性層、200…第一の磁性体層、210…第一の磁性体層、211…磁性体層、215…磁性体層、216…軟磁性層、251…バッファ層、252…バッファ層、250…バッファ層、255…リード線層、300…トンネルバリア層、310…トンネルバリア層、311…トンネルバリア層、320…アルミニウム薄膜、322…アルミニウム層、330…アルミナ層、331…アルミナ層、333…アルミナ層、400…リード線層、410…リード線層、415…リード線層、416…SiO2熱酸化膜層、417…層間絶縁層、418…層間絶縁層、419…層間絶縁層、420…ワード線層、421…コンタクト層、422…Yリード線、423…ビット線、500…基板、510…基板、515…基板、516…基板、800…外部磁界
Claims (11)
- 第一の磁性体層と、トンネルバリア層と、第二の磁性体層とが順に積層された多層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果素子において、
前記第一の磁性体層はbcc構造を有する強磁性体であり、前記第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が前記第一の磁性体層の(211)面又は(110)面であり、
前記第一の磁性体層と第二の磁性体層との間で、前記トンネルバリア層を介して膜面に垂直に電流が流れ、
前記トンネルバリア層との接合面に垂直な波数ベクトルを有する電子を選択的に、前記第一の磁性体層から第二の磁性体層へトンネルさせることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 基板上に、基板に近い方から、バッファ層、第一の磁性体層、トンネルバリア層、第二の磁性体層の順序で積層された多層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果素子において、
前記第一の磁性体層はbcc構造を有する強磁性体であり、前記第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が前記第一の磁性体層の(211)面又は(110)面であり、
前記第一の磁性体層と第二の磁性体層との間で、前記トンネルバリア層を介して膜面に垂直に電流が流れ、
前記トンネルバリア層との接合面に垂直な波数ベクトルを有する電子を選択的に、前記第一の磁性体層から第二の磁性体層へトンネルさせることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項2記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が前記第一の磁性体層の(211)面であり、前記バッファ層として、hcp構造を有するコバルト又はコバルト−クロム合金のA面、bcc構造を有するクロムの(211)面、fcc構造を有する金の(110)面、酸化マグネシウムの(110)面、サファイアの(11−20)面、又はbcc構造を有するチタンクロム合金の(001)面、あるいはこれらを二層以上組み合わせて積層した多層構造を用いることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項2記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の磁性体層は単結晶であって前記第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が第一の磁性体層の(110)面であり、前記バッファ層として、bcc構造を有するモリブデン(110)面、bcc構造を有するタングステン(110)面、bcc構造を有するタンタル(110)面、又はbcc構造を有するクロム(110)面、あるいはこれらを二層以上組み合わせて積層した多層構造を用いることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項2記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の磁性体層は多結晶であって前記第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が第一の磁性体層の(110)面であり、前記バッファ層として、fcc構造を有する金属の(111)面又はhcp構造を有する金属の(0001)面、あるいはこれらを二層以上組み合わせて積層した多層構造を用いることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 第一の磁性体層と、トンネルバリア層と、第二の磁性体層とが順に積層された多層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果素子において、
前記第一の磁性体層はbcc構造を有する強磁性体であり、前記第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が前記第一の磁性体層の(211)面又は(110)面から10度以内の傾きを有する結晶面であり、
前記第一の磁性体層と第二の磁性体層との間で、前記トンネルバリア層を介して膜面に垂直に電流が流れ、
前記トンネルバリア層との接合面に垂直な波数ベクトルを有する電子を選択的に、前記第一の磁性体層から第二の磁性体層へトンネルさせることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 基板上に、基板に近い方から、バッファ層、第一の磁性体層、トンネルバリア層、第二の磁性体層の順序で積層された多層膜を備えるトンネル磁気抵抗効果素子において、
前記第一の磁性体層はbcc構造を有する強磁性体であり、前記第一の磁性体層と前記トンネルバリア層との接合面が前記第一の磁性体層の(211)面又は(110)面から10度以内の傾きを有する結晶面であり、
前記第一の磁性体層と第二の磁性体層との間で、前記トンネルバリア層を介して膜面に垂直に電流が流れ、
前記トンネルバリア層との接合面に垂直な波数ベクトルを有する電子を選択的に、前記第一の磁性体層から第二の磁性体層へトンネルさせることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項1〜7のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする磁気ヘッド。
- マトリックス状に配列された複数のトンネル磁気抵抗効果素子と、各トンネル磁気抵抗効果素子に選択的に磁界を印加する手段と、各トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗を選択的に検出する手段と含む磁性メモリにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子として請求項1〜7のいずれか1項記載のトンネル磁気抵抗効果素子を用いたことを特徴とする磁性メモリ。 - 第一の磁性体層と、トンネルバリア層と、第二の磁性体層とが順に積層された多層膜を備える磁気ヘッドの製造方法において、
前記第一の磁性体層としてbcc構造を有する強磁性体を用い、前記第一の磁性体層の(211)面又は(110)面上に厚さ10Å以下のアルミニウム膜を形成し、前記アルミニウム膜を自然酸化又は酸素ラジカルにより酸化してアルミニウム酸化膜とし、酸素雰囲気中又は酸素ラジカル中で前記アルミニウム酸化膜の上にアルミニウム酸化膜を形成することによって前記トンネルバリア層を形成することを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。 - 各々が第一の磁性体層と、トンネルバリア層と、第二の磁性体層とが順に積層された多層膜からなる複数のトンネル磁気抵抗効果素子と、各トンネル磁気抵抗効果素子に選択的に磁界を印加する手段と、各トンネル磁気抵抗効果素子の抵抗を選択的に検出する手段と含む磁性メモリの製造方法において、
前記第一の磁性体層としてbcc構造を有する強磁性体を用い、前記第一の磁性体層の(211)面又は(110)面上に厚さ10Å以下のアルミニウム膜を形成し、前記アルミニウム膜を自然酸化又は酸素ラジカルにより酸化してアルミニウム酸化膜とし、酸素雰囲気中又は酸素ラジカル中で前記アルミニウム酸化膜の上にアルミニウム酸化膜を形成することによって前記トンネルバリア層を形成することを特徴とする磁性メモリの製造方法。
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US6881993B2 (en) * | 2002-08-28 | 2005-04-19 | Micron Technology, Inc. | Device having reduced diffusion through ferromagnetic materials |
US6841395B2 (en) * | 2002-11-25 | 2005-01-11 | International Business Machines Corporation | Method of forming a barrier layer of a tunneling magnetoresistive sensor |
JP2005041835A (ja) * | 2003-07-24 | 2005-02-17 | Fuji Xerox Co Ltd | カーボンナノチューブ構造体、その製造方法、カーボンナノチューブ転写体および溶液 |
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US7855861B2 (en) * | 2007-04-30 | 2010-12-21 | Hitachi Global Storage Technologies, Netherlands, B.V. | Insulator barrier for noise reduction of a TMR magnetic transducer |
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JP5512140B2 (ja) * | 2009-01-30 | 2014-06-04 | 日本電信電話株式会社 | キャパシタ構造及び半導体素子 |
JP4902686B2 (ja) * | 2009-04-06 | 2012-03-21 | キヤノンアネルバ株式会社 | 磁気抵抗効果素子の製造方法 |
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