JP5294043B2 - トンネル磁気抵抗素子 - Google Patents
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Description
第1の手段は、マグネタイト電極と、該マグネタイト電極上に酸化マグネシウム層と2nm以下の厚さの酸化アルミニウム非晶質層を成膜した障壁層と、からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。
第2の手段は、サファイア基板(00.1)と、該サファイア基板(00.1)面上にマグネタイトを[111]方向にエピタキシャル成膜されて形成されたマグネタイト電極と、該マグネタイト電極上に酸化マグネシウムを[111]方向にエピタキシャル成膜し、さらに2nm以下の厚さの酸化アルミニウム非晶質層を成膜した障壁層と、からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。
その他の手段は、マグネタイト電極と、該マグネタイト電極上に成膜温度60℃〜130℃で酸化マグネシウム層を成膜し、前記成膜温度より0〜60℃高い温度でアニールされた障壁層と、からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。また、その他の手段は、サファイア基板(00.1)と、該サファイア基板(00.1)面上にマグネタイトを[111]方向にエピタキシャル成膜されて形成されたマグネタイト電極と、該マグネタイト電極上に成膜温度60℃から130℃で酸化マグネシウムを[111]方向にエピタキシャル成膜し、成膜温度より0〜60℃高い温度でアニールされた障壁層と、からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。
本実施例で作製されるTMR素子の構造は、サファイア(00.1)基板/Fe3O4(60nm)/MgO(6nm)/Fe25Co75(5nm)/IrMn(10nm)/Ru(5nm)である。
このTMR素子の作製は、まず、サファイア(00.1)基板上に、パルスレーザー堆積(PLD)法およびスパッタ法を用いて、Fe3O4層を、1×10-5Paの真空下で150℃で成膜後、500℃で30分間、アニールした。その後、その成膜上に、障壁層としてMgO層を1×10-5Paの真空下で80℃で成膜後、125℃で10分間、アニールした。さらに、その膜試料を高真空下でスパッタ装置に移動し、その膜上に、磁場中スパッタ法でFe25Co75/IrMn/Ru層(室温)を成膜した。その後、フォトリソグラフィとアルゴンイオンミリングにより3×12μm2の接合面積を有するTMR素子を作製した。
図1(a)は、作製されたTMR素子のMR比とトンネル接合の面抵抗RAとの関係を示す図であり、横軸はトンネル接合の面抵抗RA、縦軸はMR比である。磁気抵抗の測定は、室温で2端子法により行った。
同図に示すように、MR比はすべて負の値であり、正のMR比は認められなかった。MR比は−8%〜−1%、RAは3×105〜2×106Ωμm2の値を示すが、RAが高いほど、MR比は大きな負の値を示す傾向があり、相関が見られる。
図1(b)は、室温で最も大きな負のMR比−8%を示すTMR素子のMR曲線を示す図であり、横軸は磁場、縦軸はMR比である。磁気抵抗の測定は、室温で4端子法により行った。
同図に示すように、IrMnにより、CoFe電極に交換バイアスがかけられており、磁化曲線は非対称であるため、MR曲線も非対象となっている。
Fe3O4、MgOともにエピタキシャル製膜されており、図2(b)、図2(c)に見られるように、MgOのRHEEDパターンには明瞭な菊池線が認められ、80℃という非常に低い成膜温度で膜の結晶品質は著しく向上していることが分かる。このRHEEDパターンを室温で成膜後のMgOのRHEEDパターンと、後述する図4(b)の菊池線が見られないRHEEDパターンと比較すると、成膜温度80℃での成膜でMgOの結晶品質は著しく向上しており、MgO/Fe3O4界面で、転位などの格子欠陥が少ないことを示唆している。これが散乱による電子スピン反転が起こりにくい原因と考えられる。
本実施例で作製されるTMR素子の構造は、サファイア(00.1)基板/Fe3O4(60nm)/MgO(5nm)/Al2O3(1nm)/Fe25Co75(5nm)/IrMn(10nm)/Ru(5nm)である。
このTMR素子の作製は、障壁層であるMgOを室温で厚さ5nm成膜し、その後、MgOと同じ条件でAl2O3を1nm成膜した以外は、実施例1と同じ条件でTMR素子を作製した。
図3(a)は、作製されたTMR素子のMR比とトンネル接合の面抵抗の関係を示す図であり、横軸はトンネル接合の面抵抗RA、縦軸はMR比を示す。
同図に示すように、MR比は−26%〜18%、Raは106〜1011Ωμm2の値を示すが、RAが高いほど、MR比は負となる傾向があり、相関が見られる。
図3(b)は、室温で最も大きな負のMR比−26%を示すTMR素子のMR曲線である。横軸は磁場、縦軸はMR比である。
図3(c)は、室温で最も大きな正のMR比18%を示すTMR素子のMR曲線である。横軸は磁場、縦軸はMR比である。
図3(d)は、TMR素子の加工前の磁性多層膜の磁化曲線である。IrMnによりCoFeに交換磁気バイアスがかかっており、磁化曲線は非対称である。磁化曲線に依存して図1(b)、(c)のMR曲線も非対称となっている。
Fe3O4、MgOともにエピタキシャル製膜されているが、図4(b)のMgOのRHEEDパターンでは菊池線は認められず、結晶品質は実施例1のそれよりも劣っていると考えられる。図4(c)に見られるようにAl2O3はアモルファスである。1nm厚さでは、MgO層がファセット成長して凹凸があることを受け、かすかにMgOのRHEEDパターンが認められるが、2nm厚さのAl2O3では消滅する。なお、Al2O3の膜厚が非常に薄ければ、その上にMgOのエピタキシャル製膜は可能である。
本実施例で作製されるTMR素子の構造は、サファイア(00.1)基板/Fe3O4(60nm)/MgO(4nm)/Al2O3(2nm)/Fe25Co75(5nm)/IrMn(10nm)/Ru(5nm)である。このTMR素子の作製は、室温でMgO層の厚さを4nmとし、その後MgOと同じ条件でAl2O3を2nm連続成膜した以外は、実施例2と同じ条件でTMR素子を作製した。
Claims (2)
- マグネタイト電極と、
該マグネタイト電極上に成膜された酸化マグネシウム層と該酸化マグネシウム層上に成膜された2nm以下の厚さの酸化アルミニウム非晶質層とからなる障壁層と、
を備えることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。 - サファイア基板(00.1)と、
該サファイア基板(00.1)面上にマグネタイトを[111]方向にエピタキシャル成膜されて形成されたマグネタイト電極と、
該マグネタイト電極上に[111]方向にエピタキシャル成膜された酸化マグネシウム層と、該酸化マグネシウム層上に成膜された2nm以下の厚さの酸化アルミニウム非晶質層とからなる障壁層と、
を備えることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
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