JP4406252B2

JP4406252B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP4406252B2
Application number: JP2003338562A
Authority: JP
Inventors: 利江佐藤; 公一水島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005109032A

Description

本発明は、高密度磁気記録読み出し用磁気ヘッドなどに用いられる磁気センサに関する。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、年率数10%から100％で向上している。ＧＭＲ素子は、強磁性体金属層／非磁性体金属層／強磁性体金属層のサンドイッチ構造の積層膜を有し、強磁性体金属層の磁化の相対角度における、余弦（ｃｏｓｉｎ）の変化を抵抗値の変化として検出する。

一方、磁気を利用した三端子素子として、スピンバルブトランジスタが開発されている。その素子構造には、ＳＭＳ（ＳｅｍｉＣｏｎｄｕＣｔｏｒ/Ｍｅｔａｌ/Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型、ＭＩＭＳ（Ｍｅｔａｌ/Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ/Ｍｅｔａｌ/Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型、ＭＩＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ/Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ/Ｍｅｔａｌ/Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ/Ｍｅｔａｌ）型があるが、いずれもエミッタとコレクタに挟まれたベースが金属（磁性積層膜）からなる二重接合三端子素子である（ＭＩＭＳ構造について、特許文献１参照）。

ＭＩＭＳ型およびＭＩＭＩＭ型のスピンバルブトランジスタでは、エミッタからトンネル障壁を介してベースにホットエレクトロンを注入し、注入されたホットエレクトロンがベース内でスピンに依存した散乱を受ける。ベース内のホットエレクトロンの散乱は、スピンバルブ膜の磁化の相対角度の変化に影響を受けるため、トランジスタのコレクタ電流値が外部磁場によって変化する（ホットエレクトロンの磁気抵抗効果）。実験では、２つの強磁性体金属層の相対磁化が磁化平行／反平行におけるコレクタ電流比（ＭＲ比）が、３００％程度の素子が得られている。この値は、ＧＭＲ素子より１桁程度大きく、より高密度な磁気記録用再生ヘッドを実現できる可能性がある。
特開平9-128719号公報（例えば、図１等）

スピントンネルトランジスタは数１００％の極めて大きなＭＲ比を示すが、コレクタ電流がエミッタ電流の１０^-4と極めて小さい。コレクタ電流が小さいことは、消費電力、動作速度、ノイズなどの観点から好ましくない。

本発明は、この点に鑑みてなされたもので、優れたＭＲ比と大きな出力が得られる磁気センサの提供を目的の一つとする。

本発明は、磁化が固着された強磁性層と、強磁性層に隣接して形成されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に隣接して形成された非磁性電極層と、磁化固着された強磁性層と共にトンネル絶縁層及び非磁性電極層を挟み、非磁性層と複数の強磁性層が交互に積層され、非磁性層を介して隣り合う強磁性層は互いに強磁性結合されており、外部磁場下において強磁性層の磁化方向が変化する磁性積層膜と、磁化が固着された強磁性層に電気接続された第１電極と、非磁性電極層と共に磁性積層膜を挟み、磁性積層膜に電気接続された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、流れる電流の変化による電圧変化を検知するため、非磁性電極層及び第２電極に電気接続された電圧検知部とを備える磁気センサにおいて、前記非磁性電極層の前記トンネル絶縁層と前記磁性積層膜との間の厚さが２０ｎｍ以下、及び前記複数の強磁性層の膜厚の総和が６ｎｍ以下であって、前記複数の強磁性層の一つは前記非磁性電極層に隣接し、１ｎｍ以下の膜厚を備え、アップスピン電子は磁性積層膜中において緩和することなく磁性積層膜を透過し、ダウンスピン電子は磁性積層膜中において緩和し伝導電子として磁性積層膜中を輸送され、緩和した伝導電子が作る電流により磁性積層膜の両端に電圧が発生する磁気センサを提供する。

本発明によれば、磁性積層膜中のホットエレクトロン伝導を利用することで、ＭＲ比に優れ、大きな出力が得られる磁気センサによって高密度磁気記録などへの応用が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態の磁気センサを示す断面模式図である。

絶縁体基板（図示せず）の表面に第１電極１が形成され、第１電極に隣接して反強磁性層３、反強磁性層３に隣接して強磁性層５が形成されている。この強磁性層５は、反強磁性層３との磁気交換結合により、その磁化が固着されており、外部磁場（ゼロを除く）の影響下でも実質的に動かない。

強磁性層５の近傍には、トンネル絶縁層７を介して電圧測定用電極を兼ねた膜厚約１０ｎｍの非磁性金属層９が形成され、非磁性金属層９に隣接して総膜厚約５０ｎｍの磁性積層膜１１が形成されている。トンネル絶縁層７は強磁性層５と非磁性金属層９によりはさまれており、この３層でトンネル接合が形成されている。トンネル接合の面積（図１における高さ×紙面垂直方向の奥行き）は、約５０ｎｍｘ５０ｎｍであり、図１ではトンネル絶縁層７が非磁性金属層９に接する紙面に垂直な面の平面積に相当する。

磁性積層膜１１は、強磁性層１１ａと非磁性層１１ｂとが交互に積層された膜である。外部磁場がゼロの状態では、非磁性層１１ｂを介して隣り合う強磁性層１１ａには強い強磁性結合があり、強磁性層１１ａの磁化は一方向に揃っている。外部磁場が加わると、複数の強磁性層１１ａの磁化は、強磁性的結合を保ったまま外部磁場の方向に揃う。このように、積層膜１１全体が、外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化する、磁化自由層として機能する。以下、積層膜１１の磁化とは、強磁性結合した複数の強磁性層１１ａの磁化をさす。

この磁気センサでは、図１の紙面上から下に向かう外部磁場の下では、磁性積層膜１１の磁化は強磁性層５の磁化と反平行に向き、磁気センサを流れる電流の抵抗は上がる。一方、図１の紙面下から上に向かう外部磁場の下では、磁性積層膜１１の磁化は強磁性層５の磁化と平行に向き、磁気センサを流れる電流の抵抗は下がる。この抵抗変化については、後に数式を用いて詳述する。

磁性積層膜１１の非磁性金属層９に接する面の反対側には膜厚約５０ｎｍの第２電極１３が形成されている。

図１の磁気センサでは、第１電極と第２電極との間に配線を介して電圧を印加し、流れる電流Ｉの変化による電圧変化を非磁性金属層９と第２電極１３に接続された電圧計Ｖにより測定する。このように、磁性積層膜１１にホットエレクトロンを注入する電流注入端子（第１電極１）と生じる電位差を測定する電圧端子（非磁性電極層９）とを別に設けることで、ＭＲ比と出力の共に大きい磁気センサが得られる。

尚、図１は、紙面左端が基板側であり、紙面の左から右に向かって層が順次積層されている。磁気センサの使用の際は、強磁性層５の磁化と外部磁場（外部磁場により変化した磁性積層膜１１の磁化）とが互いに平行な面内（図１の素子では、各層の膜面内に等しい）にあるように使用する。

各層に用いる材料は、例えば次の通りである。

強磁性層５には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはこれらのいずれかを含む合金であって強磁性を備えるものを用いる。強磁性層５は金属であることが望ましい。

強磁性層５の磁化を固着するための、反強磁性層３には、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＲｈＲｕＭｎ等のＭｎ系の金属反強磁性材料を用いることができる。反強磁性層３に誘電体の反共磁性材料、例えばＣｏＯ等を用いると、トンネル絶縁層と兼ねることもできる。誘電体反強磁性材料では、膜質によって酸素欠損があることも予想されるので、Ａｌ₂Ｏ₃などのトンネル絶縁層としてより信頼性の高い層との積層構造とすることが望ましい。

トンネル絶縁層７には、Ａｌ₂Ｏ₃や、ＳｉＯ₂、ＳｉＮなどのほか非磁性や反強磁性の誘電体材料を用いることができる。

磁性積層膜１１の強磁性層１１ａには、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはこれらのいずれかを含む合金であって強磁性の性質を備える材料を用いる。非磁性層１１ｂには、Ａｕ、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ、またはこれらのいずれかを含む合金であって、非磁性の性質を備える材料を用いる。強磁性層１１ａと非磁性層１１ｂは金属であることが望ましい。

非磁性金属層９、第１及び第２の電極１、１３には、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ、またはこれらのいずれかを含む合金であって、非磁性金属の性質を備える材料を用いる。

また、非磁性電極層９のトンネル絶縁層７と磁性積層膜１１間の厚さは、後述する理由で２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、後述するように、非磁性電極層９に隣接する強磁性層１１ａの厚さは約１ｎｍ以下、複数の強磁性層１１ａの膜厚の総和が６ｎｍ以下であることが好ましい。尚、本明細書において、膜厚や長さ等の数値に約を付すのは、成膜誤差による膜厚の変動を含むことを示している。

図２は、図１に示した磁気センサのトンネル絶縁層７、非磁性金属層９、磁性積層膜１１の一部に関するエネルギーダイアグラムである。第１電極１と第２電極１３間に電圧を印加し、強磁性層５からトンネル絶縁層７を介して非磁性金属層９にホットエレクトロンを注入する。注入されたホットエレクトロンは、殆ど散乱を受けずに非磁性金属層９を透過し、磁性積層膜１１に達するが、磁性積層膜１１内ではスピンに強く依存した散乱を受けて一部のホットエレクトロン電流は減衰する。

つまり、磁性積層膜１１の磁化に平行なスピン磁気能率を持ったホットエレクトロン（仮にアップスピン電子ＨＥ↑とする）と、反平行なスピン磁気能率を持ったホットエレクトロン（仮にダウンスピン電子ＨＥ↓とする）の減衰長は大きく異なるため、アップスピン電子ＨＥ↑は殆ど運動エネルギーを失わず磁性積層膜１１を透過するが、ダウンスピン電子ＨＥ↓は非弾性散乱によりエネルギーを失ってフェルミ面上に緩和し、伝導電子として磁性積層膜１１中を輸送される。緩和した伝導電子がつくる電流により磁性積層膜１１の両端に電圧が発生するが、その電圧Ｖは第２電極１３と非磁性層（電圧測定用電極）９間の電圧Ｖとして測定することができる。

磁性積層膜１１の磁化と強磁性層５の磁化が平行な場合には、緩和した伝導電子がつくる電流が小さく、発生する電圧は小さいが、両者の磁化が反平行の場合には緩和した伝導電子による電流が増大するので、生じる電圧が増大する。この電圧値の違いを磁気抵抗の変化として検出することで、外部磁場をセンスすることができる。

ここで、磁化自由層として磁性積層膜１１を用いる理由は、伝導電子の抵抗がバルク抵抗よりも界面抵抗に大きく支配されるのに対し、ホットエレクトロン電流は界面散乱では殆ど減衰せず磁性体中の非弾性散乱によって支配されるためである。

すなわち磁化自由層として、単一の磁性膜でなく磁性積層膜１１を用いることで、伝導電子の抵抗を高め上記測定電圧を増大せしめることができる。

以下に、トンネル接合面積が約５０ｎｍｘ５０ｎｍサイズの磁気センサ特性について述べる。強磁性層５にＦｅを用いた場合、そのスピン分極率Ｐは約４０％なので、（１）式及び（２）式より、（３）式及び（４）式で示す関係が得られる。

ここで、Ｎは伝導電子の状態密度、Ｎ↑はアップスピン電子の状態密度、Ｎ↓はダウンスピン電子の状態密度である。

（３）式より、強磁性層５から非磁性層７に注入されるホットエレクトロン電流の約７０％がアップスピン電流、（４）式より、約３０％がダウンスピン電流であることが分かる。

非磁性金属層９中のホットエレクトロンの減衰長は約２０〜約３０ｎｍなので、非磁性金属層９の厚さを約２０ｎｍ以下とすることによりホットエレクトロンは大きな減衰なしに磁性積層膜１１に到達する。

次に、９層の強磁性層１１ａと８層の非磁性層１１ｂを交互に積層した磁性積層膜１１を想定し、強磁性層１１ａの厚さは非磁性金属層９に接する第１層を約１ｎｍ、その他の８層を約０．５ｎｍ、８層の非磁性層１１ｂの厚さは全て約０．５ｎｍとする。磁性積層膜１１の総膜厚は約９ｎｍとした。

ダウンスピン電子の減衰長は約１ｎｍ以下なので、殆どのダウンスピン電子は磁性積層膜１１の強磁性層１１ａの第１層で緩和し、以後は通常の伝導電子として磁性積層膜１１中を輸送される。一方、アップスピン電子の減衰長は約６ｎｍ以上あり、磁性積層膜１１中の強磁性層１１ａの合計厚さ約５ｎｍより長いので、殆どのアップスピン電子が積層膜
を透過する。

磁性体と非磁性体の界面の界面抵抗は１０^-10Ωｃｍ²程度なので、５０ｘ５０ｎｍサイズでは一界面当り約４Ω、磁性積層膜１１全体では約７０Ωの界面抵抗が存在する。バルク抵抗は約１Ω以下と見積もられる。Ｉアンペアの電流を素子に流した場合、強磁性層５と磁性積層膜１１の磁化が平行な場合に、磁性積層膜の両端に発生する電圧Ｖ_Pは、（５）式の通りである。

また、反平行の場合の電圧Ｖ_APは（６）式の通りである。

Ｉ＝０．１ｍＡの場合には、Ｖ_P＝２．１ｍＶ、Ｖ_AP＝４．９ｍＶとなり、ＭＲ比は
（７）式に示すように高い値が得られた。

また、このセンサの信号電圧Ｖ_sigは（８）式のようになる。

ここで、信号雑音の原因としてトンネル障壁のショットノイズと磁性積層膜の熱雑音が考えられる。ショットノイズによる電流ゆらぎはバンド幅を約３００ＭＨｚとすると、（９）式の通りとなり、（１０）式のような雑音電圧を生じさせる。

一方、熱雑音は、（１１）式の通りとなる。

すると、ＳＮ比は、（１２）式に示すように、１１（２１ｄＢ）となる。

従来のスピントンネルトランジスタでは、金属／半導体界面におけるホットエレクトロンの強い反射により、コレクタ電流が減少していたが、本実施の形態のスピントランジスタによれば、半導体コレクタを用いないため、このような弊害はなく、（７）式に示すように、大きなＭＲ比を実現でき、かつ高い電流密度を実現できる。つまり、優れたＭＲ比と高いコレクタ電流を実現することができ、優れたＳＮ比を持つ磁気センサが得られる。

以上説明した実施の形態に関わる磁気センサの実証例について、説明する。

（実施例１）
まず、磁性積層膜１１中のスピン減衰長に関する測定結果について説明する。

Ｓｉ基板（コレクタ）上に、Ｃｕ層とＮｉ₈₁Ｆｅ₁₉層を交互に積層した磁性積層膜（ベース）、このベースにＡｌ₂Ｏ₃層を介して積層したＦｅエミッタから成るスピントンネルトランジスタを作製した。各層の成膜にはマルチチャンバーのＭＢＥ（Ｍｕｌｔｉ−ＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）装置（２×１０^-10ｔｏｒｒ）を用いた。

はじめに、第１のチャンバー内でｎ⁺Ｓｉ（１１１）ウェファを約５００℃、約２時間、続いて約７００℃、約０．５時間加熱し、ウェファ表面の吸着ガスを除去した。引き続き、弱いＳｉフラックス中で約８４０℃に加熱し、ウェファ表面の酸化膜を除去した。この段階で、ＲＨＥＥＤ（ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＨｉｇｈＥｎｅｒｇｙＥｌｅｃｔｒｏｎＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により、Ｓｉ表面の７ｘ７構造を確認し、この表面上にバッファ層としてノンドープＳｉ層を約７００℃で約１μｍの厚さに形成した。

次に、ノンドープＳｉ層上に、第２のチャンバー内でイオンビーム・スパッタ法によってベース磁性積層膜を形成した。Ｃｕ層の膜厚は約１ｎｍに固定し、Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉の膜厚は約１ｎｍ〜約１０ｎｍのものを１ｎｍおきに変えて作製した。ここで、磁気的な一軸異方性を付与するため、Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉の形成は約１０００Ｏｅの磁場を印加して行った。

続いて、第３のチャンバー内でＡｌ₂Ｏ₃トンネル絶縁層を形成した。Ｏ₂分圧１０^-5ｔｏｒｒの下でＡｌソースを用い、Ａｌ₂Ｏ₃を約１．５ｎｍの厚さに形成した。その後、厚さ約２００ｎｍのＣａＦ₂層間絶縁膜を形成し、これにベース／エミッタ間トンネル接合用の開口（面積：約５０×５０μｍ）を形成した後、エミッタとしてＦｅ層（約１０ｎｍ）とＡｕ層（約１００ｎｍ）を交互に積層した積層膜を形成した。

このトランジスタの面内に磁場を印加して電流／電圧特性を測定し、電流透過率（コレクタ電流／エミッタ電流の比）、およびＭＲ比のＮｉ₈₁Ｆｅ₁₉の膜厚変化からＮｉ₈₁Ｆｅ₁₉内のホットエレクトロンの減衰長を求めた。アップスピン電子の減衰長は約６．４ｎｍ、ダウンスピン電子の減衰長は約０．７ｎｍであり、Ｃｕ／Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉界面のホットエレクトロン透過率はほぼ１００％と見積もることができた。

次に、本実施例によるスピントンネルトランジスタについて、図３の断面模式図を参照しつつ説明する。

本実施例では、表面にＳｉＯ₂を形成したＳｉ基板上に、図３に示す積層構造を上述のＭＢＥ装置を用いて作製した。

第１及び第２電極１、１３にはＡｕを用い、反強磁性層３には厚さ約３０ｎｍのＩｒＭｎ、磁化固着層である強磁性層５には厚さ約１０ｎｍのＦｅを用い、電圧測定端子として用いる非磁性金属層９にはＣｕを用いた。

磁性積層膜１１はＮｉ₈₁Ｆｅ₁₉とＣｕの積層膜とし、９層のＮｉ₈₁Ｆｅ₁₉層１１ａと８層のＣｕ層１１ｂを積層した。Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉層１１ａの１層の膜厚は約１ｎｍ、他の８層の膜厚は約０．５ｎｍとし、Ｃｕ層１１ｂの各膜厚は０．５ｎｍとした。

約１ｎｍ厚のＡｌＯ_xトンネル絶縁層７は、強磁性層５のＦｅ上にＡｌ膜を成膜して、これを分圧１０^-5ｔｏｒｒのＯ₂雰囲気下で酸化して形成した。トンネル接合面積は、約１μｍｘ１μｍとし、光リソグラフィーとイオンミリング装置を用いて作製した。尚、図３の１５、１７は、第１電極１、非磁性電極層９、第２電極間を絶縁する第１及び第２の層間絶縁膜である。

この磁気センサの素子サイズは大きく、出力電圧が小さいため、測定は超伝導電圧計を用い、液体ヘリウム温度で行った。第１及び第２電極１、１３間に約０．４ｍＡの電流を流し、第２電極１３と非磁性電極層９間の電圧を磁場中で測定した。強磁性層５と磁性積層膜１１の磁化が平行な場合の電圧は約１７μＶ、反平行な場合の電圧は約３１μＶとなり、約８２％のＭＲ比が得られた
（比較例１）
実施例１における磁性積層膜１１（Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉層とＣｕ層の積層膜）を厚さ約５ｎｍのＮｉ₈₁Ｆｅ₁₉単層に置き換えた素子を、実施例１と同様な方法により作製した。この素子について約０．４ｍＡの電流の下で実施例１と同様な測定を行ったところ、２つの磁化が平行および反平行の電圧は、それぞれ約１．４μＶ、約１．８μＶに減少しＭＲ比も約３％となった。

本発明の実施の形態に関わるスピントンネルトランジスタの断面模式図。図１のスピントンネルトランジスタの一部に関するエネルギーダイアグラム。実施例１によるスピントンネルトランジスタの断面模式図。

符号の説明

１第１電極
３反強磁性層
５強磁性層
７トンネル絶縁層
９非磁性電極層
１１磁性積層膜
１１ａ強磁性層
１１ｂ非磁性層
１３第２電極
１５第１の層間絶縁膜
１７第２の層間絶縁膜

Claims

磁化が固着された強磁性層と、
前記強磁性層に隣接して形成されたトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層に隣接して形成された非磁性電極層と、
前記磁化固着された強磁性層と共に前記トンネル絶縁層及び前記非磁性電極層を挟み、非磁性層と複数の強磁性層が交互に積層され、前記非磁性層を介して隣り合う前記強磁性層は互いに強磁性結合されており、外部磁場を受けて強磁性結合を保ちつつ前記強磁性層の磁化方向が変化する磁性積層膜と、
前記磁化が固着された強磁性層に電気接続された第１電極と、
前記非磁性電極層と共に前記磁性積層膜を挟み、前記磁性積層膜に電気接続された第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、流れる電流の変化による電圧変化を検知するため、前記非磁性電極層及び前記第２電極に電気接続された電圧検知部とを備える磁気センサにおいて、
前記非磁性電極層の前記トンネル絶縁層と前記磁性積層膜との間の厚さが２０ｎｍ以下、及び前記複数の強磁性層の膜厚の総和が６ｎｍ以下であって、前記複数の強磁性層の一つは前記非磁性電極層に隣接し、１ｎｍ以下の膜厚を備え、アップスピン電子は磁性積層膜中において緩和することなく磁性積層膜を透過し、ダウンスピン電子は磁性積層膜中において緩和し伝導電子として磁性積層膜中を輸送され、緩和した伝導電子が作る電流により磁性積層膜の両端に電圧が発生することを特徴とする磁気センサ。