JPH11354859A - 磁気抵抗素子と磁気ヘッド - Google Patents

磁気抵抗素子と磁気ヘッド

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JPH11354859A
JPH11354859A JP10172062A JP17206298A JPH11354859A JP H11354859 A JPH11354859 A JP H11354859A JP 10172062 A JP10172062 A JP 10172062A JP 17206298 A JP17206298 A JP 17206298A JP H11354859 A JPH11354859 A JP H11354859A
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ferromagnetic
layer
tunnel junction
magnetoresistive element
magnetoresistance ratio
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Hideaki Yamanaka
英明 山中
Kesami Saito
今朝美 斉藤
Koki Takanashi
弘毅 高梨
Hiroyasu Fujimori
啓安 藤森
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を利
用した磁気抵抗素子の実用化。 【解決手段】 第１及び第２強磁性層１１、１４と、強
磁性層間に挟まれた絶縁層１２と、第２強磁性層と絶縁
層との間に挿入した非磁性金属薄膜１３とからなる強磁
性トンネル接合膜を基板１０上に形成した磁気変換素
子。 【効果】 絶縁層／強磁性層のトンネル接合界面におけ
るマグノンの発生を解消又は大幅に制限して、バイアス
電圧の印加による磁気抵抗比の減少を抑制する。より一
層の高記録密度化に適した磁気ヘッドが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体／絶縁体
／強磁性体の構造からなる強磁性トンネル接合による磁
気抵抗効果を利用した磁気変換素子に関し、磁気ヘッ
ド、磁気センサ又は磁気メモリなどに使用することがで
きる。更に本発明は、このような磁気変換素子を備えた
磁気ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気記録技術の分野では、最近の高記録
密度化への要求に対応するため、従来のインダクティブ
ヘッドに代わる読出しヘッドとして、磁気抵抗効果を利
用したＡＭＲ（異方性磁気抵抗）ヘッドが実用化され、
更により高感度なスピンバルブヘッドが開発されてい
る。更に最近では、特開平８−７０１４９号公報や佐藤
雅重他の論文「磁化固定層をもつ強磁性トンネル接合の
磁気抵抗効果」（日本応用磁気学会誌 Vol.21, No.4-2,
1997, p.489-492）に記載されているように、強磁性ト
ンネル接合の磁気変換素子が提案されている。
【０００３】この磁気変換素子は、図１２に断面示する
ように、電子がトンネルし得る程度に十分薄い絶縁層１
を挟むように強磁性層２、３を積層した強磁性トンネル
接合膜を基板４（又は該基板を被覆する下地膜）上に有
し、前記絶縁層を電子がトンネルするときに、両強磁性
層の磁化が互いに平行な状態における抵抗値Ｒp と反平
行な状態における抵抗値Ｒapとの差ΔＲを利用して磁気
抵抗効果が得られる。理論的には、従来のＡＭＲ素子や
スピンバルブ型素子より高い２０〜５０％の磁気抵抗比
（ΔＲ／Ｒ）が期待されており、実験レベルでも室温で
約１０％以上の磁気抵抗比が得られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の強磁性トンネル接合による磁気変換素子は、一
般に数１０〜数１００ｍＶのバイアス電圧を印加すると
磁気抵抗比が大幅に減少するという問題があった。例え
ば、宮崎照宣の論文「強磁性トンネル接合のＧＭＲ」
（固体物理 Vol.32,No.4, 1997）には、３０ｍＶのバイ
アス電圧の印加で磁気抵抗比が最大値の約１／２に減少
することが、また A.C. Marley他による論文「Voltage
dependence of the magnetoresistance and the tunnel
ing currentin magnetic tunnel junctions」（J.Appl.
Phys. 81(8), 1997年４月15日発行）には、磁気抵抗比
が２００ｍＶで約１／２に減少することが報告されてい
る。このようなバイアス電圧印加に伴う磁気抵抗比の減
少は、強磁性トンネル接合の磁気変換素子を実用化する
上で好ましくない。
【０００５】そこで、本発明は、上述した従来の問題点
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、バイアス電圧印加により磁気抵抗比の減少を抑制し
て、様々な用途に対して実用化に適した強磁性トンネル
接合の磁気抵抗素子を提供することにある。これに加
え、本発明の目的は、このような高い磁気抵抗比の磁気
抵抗素子を備え、より高記録密度の磁気ヘッドを提供す
ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するためのものであり、以下にその内容を図面に
示した実施例を用いて説明する。本発明の磁気抵抗素子
は、基板上に形成した第１及び第２強磁性層と、前記強
磁性層間に挟まれた絶縁層とからなる強磁性トンネル接
合膜を有し、該強磁性トンネル接合膜が、少なくとも一
方の前記強磁性層と前記絶縁層との間に非磁性金属薄膜
を有することを特徴とする。また、本発明の別の側面に
よれば、このような磁気変換素子を備える磁気ヘッドが
提供される。
【０００７】従来より、バイアス電圧の印加に伴って磁
気抵抗比が減少する原因の１つに、マグノンの発生が考
えられている。即ち、絶縁層／強磁性層のトンネル接合
界面では、電子がトンネルする際にマグノン即ちスピン
波が発生する。このマグノンの発生により、電子がトン
ネルしたときにスピンの向きが保存されなくなって、磁
気抵抗比が減少する。従って、バイアス電圧を印加する
とより多くのマグノンが発生し、磁気抵抗比が減少す
る。
【０００８】本発明によれば、強磁性トンネル接合膜の
強磁性層と絶縁層との間に上述したように非磁性金属層
を挿入することにより、トンネル界面におけるマグノン
の発生が解消され又は少なくとも大幅に制限されるの
で、バイアス電圧の印加による磁気抵抗比の減少が抑制
される。
【０００９】前記非磁性金属薄膜がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、
Ａｌ、Ｐｔ及びＺｎからなる群から選択した１種又は２
種以上の金属からなり、かつその膜厚が２〜２０Åの範
囲内であると好都合である。
【００１０】また、従来から当業者に知られているよう
に、絶縁層／強磁性層の界面に分極率の大きい強磁性材
料を挿入すると、磁気抵抗比が上昇するので、そのよう
に前記第１又は第２強磁性層を、２以上の異なる強磁性
材料の層から形成すると好都合である。
【００１１】本発明の別の実施例によれば、前記第２強
磁性層の上に形成した反強磁性層を更に有するスピンバ
ルブ型の磁気抵抗素子が提供される。これにより、スピ
ンバルブ型素子の感度が大幅に向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による磁気抵抗素
子の第１実施例の構成を示している。図示しない絶縁層
で被覆した基板１０上に成膜した第１強磁性層１１の上
に薄い絶縁層１２が形成されている。絶縁層１２の上に
は、非常に薄い非磁性金属層１３が形成され、かつその
上に第２強磁性層１４が形成されている。これらの強磁
性トンネル接合膜を構成する各層１１〜１４は、例えば
スパッタリング、真空蒸着法その他の従来から公知の成
膜方法及び装置を用いて形成することができる。
【００１３】前記強磁性層には、従来から知られている
Ｆｅ、Ｎｉ、又はＣｏ、もしくはこれらの一般式Ｎｉx
ＦｅyＣｏ1-x-y で表されるＮｉＦｅ、ＣｏＦｅなどの
合金、又はＮｉＭｎＳｂなどの強磁性材料で形成するこ
とができる。前記絶縁層には、Ａｌ2Ｏ3、ＮｉＯ、Ｈｆ
Ｏ2 、ＭｇＯ、ＣｏＯ、Ｇｅ、ＧｄＯx などを用いるこ
とができる。
【００１４】非磁性金属層１３は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、
Ａｌ、Ｐｔ及びＺｎからなる群から選択した１種又は２
種以上の金属で形成される。前記非磁性金属層の膜厚
は、強磁性層の分極率を非磁性金属層内でも保持し得る
程度に非常に薄く、絶縁層１２の膜厚を考慮して２〜２
０Åの範囲内に設定する。
【００１５】このような非磁性金属層を絶縁層１２と第
２強磁性層１４間に挿入することにより、バイアス電圧
印加時の磁気抵抗比の減少が大幅に小さくなった。これ
は、上述したように絶縁層／強磁性層のトンネル界面で
のマグノンの発生が抑制されたためと考えられる。別の
実施例では、第１強磁性層１１と絶縁層１２との間に非
磁性金属層１３を挿入することができ、その場合にも同
様の作用効果が得られる。
【００１６】図２は、図１の第１実施例の変形例を示し
ており、第１強磁性層１１と絶縁層１２との間に第２の
非磁性金属層１５が挿入されている。これにより、トン
ネル界面でのマグノンの発生をより効果的に解消し、バ
イアス電圧印加時の磁気抵抗比の減少をより一層抑制す
ることができる。
【００１７】図３は、上記第１実施例の別の変形例を示
しており、第２強磁性層１４が、異なる２種の強磁性材
料の層１６、１７で形成されている。従来から絶縁層／
強磁性層の界面に分極率の大きい強磁性材料を挿入する
と、磁気抵抗比が上昇することが知られている。従っ
て、例えば絶縁層１２及び非磁性金属層１３に隣接する
方の強磁性層１６をＣｏで形成しかつ他方の強磁性層１
７をＮｉＦｅで形成すると、より高い磁気抵抗比が得ら
れる。また、第２強磁性層ではなく又は第２強磁性層に
加えて、第１強磁性層１３を同様に２つの異なる強磁性
材料層で形成することができる。
【００１８】本発明は、スピンバルブ型の磁気抵抗素子
にも適用することができる。図４には、このような本発
明による磁気抵抗素子の第２実施例が示され、図１の強
磁性トンネル接合膜の上に反強磁性層１８が形成されて
いる。反強磁性層１８は、従来と同様に、ＦｅＭｎ、Ｉ
ｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ及びＮｉＯなどの公知の反
強磁性材料を例えばスパッタリングすることにより成膜
することができる。これにより、スピンバルブ型素子の
感度が従来より大幅に向上する。
【００１９】図４の実施例においても、図３の実施例と
同様により高い磁気抵抗比が得られるように、第２強磁
性層１４を２種又はそれ以上の異なる強磁性材料の層で
形成することができる。また、第１強磁性層１１と絶縁
層１２との間に非磁性金属層１３を挿入することができ
る。
【００２０】図５は、図４の第２実施例の変形例を示し
ており、図２の実施例と同様に第１強磁性層１１と絶縁
層１２間に第２の非磁性金属層１５が挿入されている。
これにより、同様にトンネル界面でのマグノンの発生を
より効果的に解消することができる。
【００２１】
【実施例】（実施例１）イオンビームスパッタリング装
置を用いて、図４の実施例による強磁性トンネル接合膜
を基板上に成膜して、そのバイアス電圧に対する磁気抵
抗比の変化を測定した。先ず、図６及び図７に示すよう
に、絶縁層で被覆したＳｉ基板１０の上に、メタルマス
クを用いて真空チャンバ内でＦｅを膜厚１０００Åにス
パッタして、ストライプ状の第１強磁性層１１を形成し
た。次にマスクを変えて、第１強磁性層１１の上にＡｌ
を１０〜２０Åの膜厚に円形にスパッタ成膜した後、前
記真空チャンバ内にアシストイオンソースから酸素を導
入し、Ａｌ膜を酸化させてＡｌ2Ｏ3からなる絶縁層１２
を形成した。
【００２２】次に、マスクを交換してＣｕを５Åの膜厚
にスパッタ成膜し、第１強磁性層１１と直交する向きに
ストライプ状の非磁性金属層１３を形成した。更に同じ
マスクを用いて、Ｃｏ（３０Å）／ＮｉＦｅ（１５０
Å）を連続成膜して、第２強磁性層１４を形成し、更に
反強磁性層１８として膜厚４００ÅのＦｅＭｎ膜を成膜
した。
【００２３】形成された強磁性トンネル接合膜は、その
左右両側に電磁石１９、２０を配置して非磁性金属層１
３及び第２強磁性層１４のストライプの向きに一定の磁
場を印加した状態で、反強磁性層１８及び第１強磁性層
１１のそれぞれ一方の端部に設けた電極２１、２２間に
一定の電流を流し、かつそれらの他方の端部に設けた電
極２３、２４間の電圧を室温（２９０Ｋ）及び７７Ｋで
測定した。このとき、前記両強磁性層の磁化方向が互い
に平行なときの抵抗値をＲp とし、反平行なときの抵抗
値をＲapとすると、磁気抵抗比は、ΔＲ／Ｒ＝（Ｒap
−Ｒp ）／Ｒpにより求められる。
【００２４】比較例１として、Ｆｅ／Ａｌ2Ｏ3／Ｃｏ／
ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎからなる従来構造の強磁性トンネル
接合膜を同様の手法により形成し、かつその磁気抵抗比
の変化を同様にして測定した。バイアス電流が１ｍＶの
ときに得られた磁気抵抗曲線を図８及び図９に示す。ま
た、１００ｍＶの電圧を印加したときに、従来構造の強
磁性トンネル接合膜では、磁気抵抗比が最大値の約１／
２まで減少するのに対し、本実施例の強磁性トンネル接
合膜は、磁気抵抗比の減少が約１／３〜１／５で、従来
に比して大幅に小さくなることが分かった。
【００２５】（実施例２）図１の実施例において、非磁
性金属層１３として膜厚５ÅのＡｕ膜を使用し、かつ第
１強磁性層１１と絶縁層１２との間に挿入して、上記実
施例１と同様の方法により、Ｆｅ（１０００Å）／Ａｕ
（５Å）／ＡＬ（１５Å）−Ｏ／ＮｉＦｅ（２５０Å）
／ＦｅＭｎ（４００Å）の構造を有する強磁性トンネル
接合膜を成膜した。比較例２として、Ｆｅ（１０００
Å）／ＡＬ（１５Å）−Ｏ／ＮｉＦｅ（２５０Å）／Ｆ
ｅＭｎ（４００Å）の従来構造を有する強磁性トンネル
接合膜を形成した。
【００２６】本実施例及び比較例２の強磁性トンネル接
合膜におけるバイアス電圧に対する磁気抵抗比の変化
を、上記実施例１と同様の方法を用いて７７Ｋで測定
し、その結果を図１０により示した。即ち、図１０は本
実施例及び比較例２における磁気抵抗比のバイアス電圧
依存性を示しており、本実施例は、磁気抵抗比の減少が
０〜１００ｍＶのバイアス電圧の全測定範囲に亘って比
較例２の約１／２程度に小さくなっていることが分か
る。
【００２７】また図１１は、図１０の測定結果を、バイ
アス電圧に対する磁気抵抗比をその最大値で除算するこ
とにより正規化して、磁気抵抗比のバイアス電圧依存性
をより明確に示している。同図からも、本実施例は磁気
抵抗比の減少が比較例２の約１／２程度に小さくなって
いることが容易に理解される。
【００２８】（実施例３）同じく図１の実施例におい
て、非磁性金属層１３として膜厚１０ÅのＡｕ膜を使用
し、上記実施例１と同様の方法により、Ｆｅ（１０００
Å）／ＡＬ（１５Å）−Ｏ／Ａｕ（１０Å）／ＮｉＦｅ
（２５０Å）／ＦｅＭｎ（４００Å）の構造を有する強
磁性トンネル接合膜を形成した。
【００２９】本実施例におけるバイアス電圧に対する磁
気抵抗比の変化を、上記実施例１と同様の方法を用いて
７７Ｋで測定し、その結果を、バイアス電圧に対する磁
気抵抗比をその最大値で除算することにより正規化して
図１１に示した。本実施例では、磁気抵抗比の減少が、
上記実施例２と比較して更に小さくなっていることが分
かる。
【００３０】
【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ので、以下に記載されるような効果を奏する。本発明の
磁気変換素子によれば、強磁性トンネル接合膜の強磁性
層と絶縁層との間に挿入した非磁性金属層を有すること
により、電子がトンネルする際にトンネル界面でのマグ
ノンの発生が抑制されるので、バイアス電圧の印加によ
る磁気抵抗比の減少が抑制され、様々な用途に実用化す
ることができる。特に、このような磁気抵抗素子を備え
る磁気ヘッドは、従来より高感度の読出しヘッドとして
利用され、より一層の高記録密度化に対応することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気抵抗素子の第１実施例の構成
を示す断面図である。
【図２】図１の変形例を示す同様の断面図である。
【図３】図１の別の変形例を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す断面図である。
【図５】図４の変形例を示す断面図である。
【図６】磁気抵抗比測定試験に用いた第１実施例の強磁
性トンネル接合膜及びその試験方法を示す概略平面図で
ある。
【図７】図６の強磁性トンネル接合膜の断面図である。
【図８】Ａ図及びＢ図は、７７Ｋで測定した実施例１及
び比較例１の磁気抵抗曲線をそれぞれ示す線図である。
【図９】Ａ図及びＢ図は、室温（２９０Ｋ）で測定した
実施例１及び比較例１の磁気抵抗曲線をそれぞれ示す線
図である。
【図１０】実施例２及び比較例２のトンネル接合膜の磁
気抵抗比のバイアス電圧依存性を示す線図である。
【図１１】図１０の磁気抵抗比の測定値をその最大値で
除算することにより正規化した線図である。
【図１２】従来の強磁性トンネル接合の磁気抵抗素子を
示す断面図である。
【符号の説明】
１ 絶縁層 ２、３ 強磁性層 ４、１０ 基板 １１ 第１強磁性層 １２ 絶縁層 １３ 非磁性金属層 １４ 第２強磁性層 １５ 非磁性金属層 １６、１７ 層 １８ 反強磁性層 １９、２０ 電磁石 ２１〜２４ 電極
フロントページの続き (72)発明者 藤森 啓安 宮城県仙台市青葉区片平２丁目１番１号 東北大学 金属材料研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に形成した第１及び第２強磁性層
    と、前記強磁性層間に挟まれた絶縁層とからなる強磁性
    トンネル接合膜を有する磁気抵抗素子であって、 強磁性トンネル接合膜が、少なくとも一方の前記強磁性
    層と前記絶縁層との間に非磁性金属薄膜を有することを
    特徴とする磁気抵抗素子。
  2. 【請求項２】 前記第２強磁性層の上に形成した反強磁
    性層を更に有することを特徴とする請求項１に記載の磁
    気抵抗素子。
  3. 【請求項３】 前記第１又は第２強磁性層が２以上の異
    なる強磁性材料の層からなることを特徴とする請求項１
    又は２に記載の磁気抵抗素子。
  4. 【請求項４】 前記非磁性金属薄膜がＣｕ、Ａｇ、Ａ
    ｕ、Ａｌ、Ｐｔ及びＺｎからなる群から選択した１種又
    は２種以上の金属からなり、かつその膜厚が２〜２０Å
    の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至３のいず
    れかに記載の磁気抵抗素子。
  5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気
    抵抗素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
JP10172062A 1998-06-05 1998-06-05 磁気抵抗素子と磁気ヘッド Pending JPH11354859A (ja)

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