WO2002099905A1 - Element de magnetoresistance tunnel - Google Patents

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Description

明 細 書 トンネル磁気抵抗素子 技術分野
本発明は、 トンネル磁気抵抗素子に係り、 特にその出力信号を大きくした強磁 性トンネル磁気抵抗素子、 その磁気抵抗効果のバイァス電圧依存性を制御したト ンネル磁気抵抗素子、 及びその素子の結晶方位を体心立方格子、 面心立方格子あ るいは正方格子の （001)方向に制御したトンネル磁気抵抗素子に関するもの である。 背景技術
トンネル磁気抵抗効果とは、絶縁体を強磁性金属の電極で挟んだ強磁性トンネ ル接合において、 その電気抵抗が二つの強磁性電極の磁化の相対的な向きによつ て変化する現象である。 磁気抵抗の大きさは以下の式で表される。
磁気抵抗効果 = 〔 (R反平行一 R平行) /R平行〕 X 100 (%) … （ 1 ) ここで、 R平行および R反平行は、 それぞれ、 二つの強磁性電極の磁ィ匕の向き が平行な場合と反平行な場合の電気抵抗である。 この現象は、 1995年に発見 され 〔T. Mi yazak i and N. T e z u k a , J. M a g n. Ma t e r . , Vo l. 139 ( 1995 ) L 231. ] . 現在では、 固定磁気ディ スクのピックアツプへッドの磁気センサ一や強磁性ランダムアクセスメモリへの 応用研究が進んでいる。 この効果を利用して磁気センサーや強磁性ランダムァク セスメモリを実現するには、 大きな磁気抵抗効果が必要であり、 有限のバイアス 電圧下の磁気抵抗効果の大きさを人為的に制御できることが望ましい。
しかし、 第 1にトンネル磁気抵抗効果は電極物質のスピン偏極度 〔下記式 （ 2) における および F2 〕 で限定されるという問題がある。
この関係は以下に示す J u 1 1 i e r eの式によって表される。
磁気抵抗効果 = C2P, P2 / (1-P, P2 ) ] X 100 (%) … (2) そこで、 大きな磁気抵抗効果を得るにはスピン偏極度の大きな物質を利用する 必要がある。 このために、 例えば F eと C 0の合金を作りスピン偏極度を大きく する工夫がなされている。 し力、し、 この方法でも磁気抵抗効果にして約 70%弱 が限界であると考えられている。
この問題を解決するために、 スピン偏極率が原理的に 100%である半金属を 利用することも試みられているが、 半金属は化合物であるため表面が不安定であ り実用に適する物質は見つかっていない。
また、 例えば磁気センサーとして利用するにはスピン偏極度だけでなく、磁気 特性も最適化されなければならない。 し力、し、 このような新しい物質では一般に 良好な磁気特性が得られないという問題がある。
第 2に、 一般的にトンネル磁気抵抗効果はバイァス電圧の増加に伴い単調に減 少してしまうといった問題があるが、 このバイアス電圧の増加に伴う磁気抵抗効 果の減少は、 マグノン散乱やフオノン散乱の増大に起因する本質的なものなので 簡単には制御できない。 そこで、 例えば、 トンネル障壁層を二重にしてバイアス 電圧の増加に対する磁気抵抗効果の減少を抑える試みがなされている。
一方、 Mo 0 d e r a等は、 強磁性電極とバリヤ層の間に多結晶非磁性中間層 を挟んで磁気抵抗のバイァス依存性を変化させることを試みた (Mo 0 d e r a, Phy s. Rev. Le t t. ， vo l. 83， 1999, p age 3029 - 3032. )。
第 1図はかかる磁気抵抗効果素子のゼロバイアス、 77Kでの Au中間層の膜 厚に対する接合磁気抵抗効果の依存性を示す図であり、 横軸に Au中間層の厚さ (nm) 、 縦軸に磁気抵抗効果を示している。 また、 第 2図はそのバイアス電圧 に対する磁気抵抗効果の依存性を示す図であり、 横軸にバイアス電圧 (V) 、 縦 軸 tこ磁気抵抗効果を示している。
しかしながら、 上記した強磁性電極とバリャ層の間に多結晶非磁性中間層を揷 入したものにおいては、 その非磁性中間層として多結晶試料を用いたために、電 子の散乱磁気抵抗効果がその膜厚の増加に伴い急激に減少してしまった。 磁気抵 抗効果のバイアス電圧依存性をある程度制御することに成功したものの、実用に 足る特性は得られなかった。
そこで、 非磁性中間層の電子散乱を抑えて、 大きな中間層膜厚に対しても磁気 抵抗効果が大きく減少せず、 非磁性層内のスピン偏極の振動を磁気抵抗効果とし て取り出すことの出来る素子の開発が望まれる。
また、 第 3に、 バリヤ層として Mg〇 (001)単結晶を用いると、 巨大なト ンネル磁気抵抗効果が得られることが理論的に指摘され 〔J. Mathon, e t a l. , Phys i c a l Rev i ew B , vo l ume 63 (20 01) , page 220403 (R) — 1—4〕 、 実験的にも 60%を超える 大きなトンネル磁気抵抗効果が得られている 〔M. Bo wen e t a l. , Ap l i ed Phys i c s Le t t er s, vo l ume 79, n u mb e r 1 1 (2001) , p age 1655— 1657〕 。 しかし、 この 場合、 素子の作製には単結晶基板が不可欠であり、 シリコン L S I上へ作製が困 難であるので、 磁気ランダムアクセスメモリの実現に課題が残る。 発明の開示
本発明の第 1の目的は、 上記第 1の状況に鑑みて、 既存の磁気特性の優れた物 質の化学的組成を変えることなく、 その膜厚のみを変化させることにより、 スピ ン偏極度を増大させ、 より大きな磁気抵抗効果を得ることができるトンネル磁気 抵抗素子を提供することにある。
本発明の第 2の目的は、 上記第 2の状況に鑑み、 非磁性中間層の電子散乱を抑 える素子構造を開発し、 非磁性中間層の挿入による磁気抵抗効果の減少の抑制を 図るとともに、 非磁性中間層の精密な膜厚制御により磁気抵抗効果のバイァス電 圧依存性を人為的に制御することができるトンネル磁気抵抗素子を提供すること にある。
本発明の第 3の目的は、上記第 3の状況に鑑みて、 適当な種物質を探し、 その 結晶を高配向、 かつ平坦に成長する技術を開発することにより、 アモルファスや 多結晶体などの下地の構造や凹凸にとらわれることなく、 高配向で平坦な界面を 持つトンネル磁気抵抗素子を提供することにある。
本発明は、 上記の目的を達成するために、
〔1〕 トンネル磁気抵抗素子において、下地膜と、 この下地膜上に形成される 極薄強磁性膜と、 この極薄強磁性膜上に形成される絶縁膜と、 この絶縁膜上に形 成される強磁性電極を有することを特徴とする。
〔 2〕上記 〔 1〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記極薄強磁性膜の 膜厚は、原子層のオーダーであることを特徴とする。
〔 3〕上記 〔 2〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記極薄強磁性膜の 膜厚は、 1原子層から 1 5原子層までの膜厚であることを特徴とする。
〔4〕上記 〔 1〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地膜は非磁性 又は反強磁性金属膜であることを特徴とする。
〔 5〕上記 〔 1〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記下地膜は強磁性 交換結合膜上に形成される非磁性又は反強磁性金属膜であることを特徴とする。
〔 6〕上記 〔 4〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記非磁性又は反強 磁性金属膜は、 Au， Ag， Cu, Cr， V, Nb, Mo, Ta， W， A 1 , P t, I r, Rh, Ru, Pd, 0 s又は Mnからなることを特徴とする。
〔 7〕上記 〔 6〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記非磁性金属膜を 単結晶とすることにより膜厚の制御性を向上させることを特徴とする。
〔 8〕上記 〔 7〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記非磁性金属膜の 結晶方位を立方晶系の （ 1 00 ) ± 1 0度、 （ 1 1 1 ) ± 1 0度、 （ 1 1 0 ) 土 1 0度または、 （ 1 1 2) ± 1 0度とすることによりさらに平坦性を持たせるこ とを特徴とする。
〔 9〕 トンネル磁気抵抗素子において、 バリャ層と強磁性電極の間に非磁性金 属単結晶又は非磁性高配向多結晶中間層を挿入した構造を有することを特徴とす る。
〔 1 0〕 上言己 〔 9〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記中間層が C u， Au， Ag， C r又はこれらを母材とする合金からなることを特徴とする。
〔 1 1〕 上言己 〔 9〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記中間層の厚さ を制御することを特徴とする。
〔 1 2〕 上記 〔 9〕記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記中間層に印加 されるバイアス電圧を制御することを特徴とする。
〔 1 3〕 上記 〔 9〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記非磁性金属単 結晶の単結晶方位を、立方晶系の （ 1 00 ) ± 1 0度、 （ 1 1 1 ) ± 1 0度、 (1 10) ±10度、 又は （1 Γ2) ± 10度とすることにより電子の伝導特性 と平坦性を改良することを特徴とする。
〔 14〕 上記 〔 9〕記載のトンネル磁気抵抗素子をマトリックス型磁気ランダ ムアクセスメモリのワード線とビッ ト線の交差点に接続配置することを特徴とす る。
〔1 5〕 トンネル磁気抵抗素子において、 MgOアモルファス層と MgO (0 01)高配向層の二重層からなる下地層を有することを特徴とする。
〔 16〕上記 〔 1 5〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記 Mg 0ァモ ルファス層の膜厚を 3から 1 Onm、前記 MgO (001)高配向層の膜厚を 3 から 10 nmとすることで表面の凹凸を小さく抑えることを特徴とする。
〔 17〕上記 〔 15〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記下地層を用 いることで強磁性層の凹凸を小さくし、 強磁性層間の静磁的結合を小さくするこ とを特徴とする。
〔 18〕 上記 〔 15〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記下地層を用 いることで 1 5原子層以下の超薄強磁性電極層の凹凸を小さくし、磁気抵抗効果 を大きくすることを特徴とする。
〔 19〕 上言己 〔 15〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地層を用 いることで 20原子層以下の平坦な非磁性層をバリャ層と強磁性電極層の間に揷 入して、磁気抵抗効果のバイアス依存性を制御することを特徴とする。
〔 20〕 上記 〔 15〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地層を用 いることで強磁性電極層を体心立方格子、面心立方格子あるいは正方格子の （0 01)方位に配向させ、 バリヤ層として前記 Mg〇 (001)高配向層を用いて 大きな磁気抵抗効果を得ることを特徴とする。
〔 21〕 上記 〔 15〕 記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記下地層と磁 気抵抗素子の間に Au， Ag， Cu， A 1 , Pt， I r , Pd, Mo, W， Ta, Cr, Ru, Rh， Mn， Fe， Co, N iを組み合わせた （001)配向層を 挟むことによつて平坦性を改善し、 かつ電極抵抗を低減することを特徴とする。 図面の簡単な説明 第 1図は、 従来の磁気抵抗効果素子のゼロバイアス、 7 7 Kでの A u中間層の 膜厚に対する接合磁気抵抗効果の依存性を示す図である。
第 2図は、 従来の磁気抵抗効果素子のゼロバイアス、 7 7 Kでの A u中間層の 膜厚に対する磁気抵抗効果の依存性を示す図である。
第 3図は、 本発明の第 1グループの第 1実施例を示す強磁性トンネル磁気抵抗 素子の断面図である。
第 4図は、 本発明の第 1グループの第 1実施例を示す強磁性トンネル磁気抵抗 素子の特性を示す図である。
第 5図は、本発明の第 1グループの第 2実施例を示す強磁性トンネル磁気抵抗 素子の断面図である。
第 6図は、本発明の第 2グループにかかるトンネル磁気抵抗素子の断面図であ る。
第 7図は、 本発明の第 グループの実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の断面 図である。
第 8図は、 本発明の第 2グループの実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の低バ ィァスにおける室温での磁気抵抗の C u層の膜厚依存性を示す図である。
第 9図は、本発明の第 2グループの実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の室温 での磁気抵抗のバイァス依存性を示す図である。
第 1 0図は、 本発明の第 1グループのトンネル磁気抵抗素子を適用した第 1の 回路構成例を示す図である。
第 1 1図は、 本発明の第 1グループのトンネル磁気抵抗素子を適用した第 2の 回路構成例を示す図である。
第 1 2図は、 本発明の第 3グループにかかる平坦化トンネル磁気抵抗素子の模 式図である。
第 1 3図は、 本発明の第 3グループの実施例を示す平坦化トンネル磁気抵抗素 子の断面図である。
第 1 4図は、 本発明の第 3グループの実施例を示す酸化膜の付いた S i基板上 に M g Oアモルファス/ ( 0 0 1 ) 高配向複合下地層を成長し、 その上に高品質 トンネル磁気抵抗素子を作製した例の X線回折を示す図である。 第 1 5図は、本発明の第 3グループの実施例を示す酸化膜の付いた S i基板上 に M g Oアモルファス/ ( 0 0 1 )高配向複合下地層を成長し、 その上に高品質 トンネル磁気抵抗素子を作製した例の断面電子顕微鏡像を示す図である。
第 1 6図は、本発明の第 3グループの実施例を示す酸化膜の付いた S i基板上 に M g〇アモルファス/ ( 0 0 1 )高配向複合下地層を成長し、 その上に高品質 トンネル磁気抵抗素子を作製した例の高分解断面電子顕微鏡像を示す図である。 第 1 7図は、 本発明の第 3グループの実施例を示す表面に凹凸のある多結晶金 属電気配線上に M g Oアモルファス （0 0 1 ) 高配向複合下地膜を有する、高品 質トンネル磁気抵抗素子の断面図である。 発明の実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
〔A〕本発明の第 1グループについて説明する。
第 3図は本発明の第 1グループの第 1実施例を示す強磁性トンネル磁気抵抗素 子の断面図である。
この図において、 1は下地膜であり、 例えば、 非磁性金属膜又は反強磁性金属 膜、 2はトンネル磁気抵抗素子の極薄強磁性膜であり、 この極薄強磁性膜の膜厚 を 1から 1 5原子層にする。 3は絶縁膜、 4は強磁性電極である。
このように、 下地膜 1と絶縁膜 3の間に極薄強磁性膜 （膜厚は 1から 1 5原子 層） 2を形成することによってそのスピン偏極度を大きくし、 結果としてより大 きな磁気抵抗効果を得る。 真空中に孤立する F e原子のスピン磁気モーメントは 1原子あたり 4 ί Β 程度 （/ Β ：ボ一ァ磁子） であるが、 この F e原子が結晶中 に入り体心立方格子を組むと 1原子あたりのスピン磁気モーメントは 2 . 2 Λί Β 程度に下がってしまう。 これは、 固体中では隣り合う F e原子の電子がお互いに 行き来するために各電子軌道のェネルギ一が幅を持っためである。
そこで、 F e膜を非常に薄くし、 その電子を膜中に閉じ込めて、運動を減らす と磁気モーメントが増大することが知られている。
本発明では、 そこに着目して、非常に薄い極薄強磁性膜 2を電極とすることに より、 より大きな磁気抵抗効果を得る。 この効果を最大限に利用するには極薄強 磁性膜 2の膜厚は 1原子層であることが望ましい。 しかし、 実際には、 1原子層 になるとキューリ一点が減少する、 あるいは、 磁化過程が変化するといつた問題 が生じる。 そこで、 極薄強磁性膜 2の膜厚を 1から 1 5原子層とすることにより 最良の結果が得られる。 この強磁性層はその F e原子の電子 （d電子） が下地と の間で行き来しないように、 Au， Ag， Cu, C r , V, Nb, Mo, Ta， W， A 1 , P t, I r , Rh, Ru, Pd， 〇 s又は Mnなどの下地膜、 つまり、 非磁性又は反強磁性金属膜 1の上に成長することが望ましい。
このような非常に薄い極薄強磁性膜を再現性よく作るためには、 下地膜は単結 晶であることが望ましい。
また、平坦な単結晶表面を得るために下地の結晶は立方対称性をもち、 その方 位は （ 1 00 ) , ( 1 1 1 ) , ( 1 1 0 ) もしくは （ 1 1 2 ) であることが望ま しい。 '
Cr単結晶面上に F eの非常に薄い膜を成長し、 さらに、 その上にアルミナ絶 縁膜と C 0 F e上部電極を成長して強磁性トンネル接合を作る。 このトンネル接 合の磁気抵抗効果の F e膜厚に対する依存性を第 4図に示す。
なお、 磁気抵抗効果は F e層の膜厚を 4〜1 0原子層とすることにより、 従来 の 2倍近くに増大する。
第 5図は本発明の第 1グループの第 1実施例を示す強磁性トンネル磁気抵抗素 子の断面図である。
この第 1実施例では、 第 1実施例に示した非磁性又は反強磁性金属膜 1を強磁 性交換結合膜 （組成は F e , Co, N iなどの強磁性金属とその合金、 およびこ れらに、 P t， Pd, I r, Ruなどを加えたもので、 その膜厚は極薄強磁性膜 2の 0. 7倍から 1. 5倍の間とする） 1 1上に非磁性又は反強磁性中間膜 （組 成は Au， Ag， C u, C r , P t， Pd， I r , Ru, Rhなど、 又はその合 金） 1 2が形成された人工反強磁性結合膜 1 3に置き換え、 極薄強磁性膜 2の磁 化を強磁性交換結合膜 1 1との間の反強磁性的交換結合により固定する構造とし た。
このように構成することにより、 極薄強磁性膜 2の電子状態に影響することな くその磁化を固定することができる。 ここで、 非磁性又は反強磁性中間膜 1 2の膜厚は、 極薄強磁性膜 2と強磁性交 換結合膜 1 1との間に反強磁性的交換結合が働くように定める 〔例えば、 f e e - I r ( 1 00) 膜を中間膜とする場合、 その膜厚は、 3から 6原子層の間とす る〕 。
〔B〕 次に、 本発明の第 2グループについて説明する。
第 6図は本発明の第 1グループにかかるトンネル磁気抵抗素子の断面図である。 この図に示すように、 強磁性電極 1 0 1上に非磁性金属単結晶又は非磁性金属 高配向多結晶中間層 1 02、次いで、 絶縁層 1 03、強磁性電極 1 04を形成す る。 このように、 非磁性中間層を持つトンネル磁気抵抗素子の非磁性層を、 非磁 性金属単結晶または非磁性金属高配向多結晶中間層 1 02とした。
また、 この中間層 1 02を C u， Au, Ag, C r又はこれらを母材とする合 金膜として、 その厚さを制御して最適な厚さを選定することにより、 磁気抵抗効 果を高いものに設定することができる。
さらに、 この中間層 1 02に印加されるバイアス電圧を制御することにより、 極性が反転される磁気抵抗効果を得ることができる。
そして、 その非磁性中間層の結晶方位を立方晶系の （ 1 00) ± 1 0度、 （ 1 1 1 ) ± 1 0度、 （ 1 1 0 ) ± 1 0度、又は （ 1 1 2 ) ± 1 0度として制御する ことにより、 更により大きな磁気抵抗効果を得ることが出来る。
第 7図は本発明の第 2グループの第 1実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の断 面図である。
例えば、 M g〇 ( 1 00)単結晶又は高配向多結晶基板上に P t， Co, Cu の順にバッファ一層を成長し、 表面を非常に平坦にした後に、 第 7図に示したよ うに、 Co ( 1 00) 単結晶電極 1 1 1及び C u ( 1 00) 非磁性単結晶中間層 1 1 2を成長し、 その上にアルミナバリヤ （A 1— 0 b ar r i e r) 1 1 3 と強磁性多結晶上部電極 (N i -F e p o l y— c r ys t a l ) 1 1 4を成 長した素子では、 低バイアスにおける磁気抵抗効果が Cu層 1 1 2の膜厚に対し て第 8図に示すように振動的に変化する。 この,結果から Cu層 1 1 2の揷入によ りスピン偏極が制御されているのが明らかである。
また、磁気抵抗効果が 1 1 0になる膜厚は nm程度であり、第 1図に示す 従来の Mo o de r a等の結果の 5倍程度に改善されている。
また、 磁気抵抗のバイアス依存性をいろいろな形に制御することも可能である。 特に適当な膜厚を選ぶと、 第 9図に示すようにバイアスの正負によって磁気抵抗 の符号が反転する素子も作ることができる。 このときの磁気抵抗の大きさも、 第 2図に示す従来の M ooder a等の多結晶の場合に比較して 10倍程度大きく なる。
基板には、 上記の他に S i又は GaAs (100)単結晶を用いることができ る。 非磁性単結晶又は高配向多結晶膜として、 Au， Ag， Cr (100) を用 いる場合は、 基板として Mg〇 (100)又は GaAs (100) を用いる。 このような特性を利用すると、例えば高安定度な磁場センサ一が可能となる。 磁気抵抗素子の抵抗は温度変化するので、磁気抵抗効果の測定には二つの特性の そろった磁気抵抗素子を用意して、 片方の素子にのみ測定磁場を加えて、 そのと きの抵抗の変化をもう一方の素子と比較して検出する差動検出が通常用いられる。 ところがこの方法では装置の回路が複雑になるし、 素子間のばらつきにより測定 を誤るという問題がある。
一方、 第 9図に示すような特性を持つ素子に交流電圧を加えると磁気抵抗に起 因する非線形応答によつて高調波が発生するが、 この高調波の強度 ·符号及び位 相は磁化の向きに依存しており、 このような非線形応答はパリスティックな伝導 成分によつて決まるので電気抵抗の温度変化と無関係で外部環境の変化に対して 非常に安定である。 従って、本発明の磁気抵抗素子を磁場センサーに利用すれば、 差動検出なしに磁化の方向を超高安定度 ·超高感度に測定することが出来る。 上記したように、本発明の第 2グループでは、 下部電極に強磁性金属と非磁性金 属からなる単結晶人工格子を用い、量子サイズ効果、 特にスピン偏極量子井戸準 位の形成とトンネル磁気抵抗効果の関係を調べた。 単結晶 f c c Co (10 0)電極とアモルファス A 1—〇トンネルバリア層の間に非磁性の Cu (10 0)層 （0〜32人） を揷入した MT J (マグネティック · トンネル接合) (第 7図参照） を作製し、 トンネル磁気抵抗効果の Cu膜厚依存性を測定した結果を 第 8図に示した。 この図から明らかなように、 MR (磁気抵抗） 比は Cu膜厚に 対して 12. 5人周期の減衰振動を示した。 特筆すべきこととして、 MR比の符 号が反転するほど大きな振動が観測された。 この振動周期は C o ( 1 0 0 ) /C u ( 1 0 0 ) 多層膜の層間結合の周期 （P e r i o d ) と一致しており、 C u ( 1 0 0 )層中に生成したスピン偏極量子井戸準位に起因していると考えられる c 第 1 0図は本発明の第 1グループのトンネル磁気抵抗素子を適用した第 1の回 路構成例を示す図である。
この図において、 1 2 1はヮ一ド線、 1 1 2はビット線、 1 1 3は本発明のト ンネル磁気抵抗素子、 1 2 4は直流電源、 1 2 5は電流計である。
本発明のトンネル磁気抵抗素子を用いれば非常に単純な強磁性ランダムァクセ スメモリを構成することが出来る。 今までの強磁性ランダムアクセスメモリでは、 記録の担体であるトンネル磁気抵抗素子にアクセスするために M O S— F E Tを パストランジスタとして用いる'必要があった。
一対のヮード · ビット線間に直流電圧 Vを加えると、 その交差点にあるトンネ ル素子にこの電圧が加わるが周辺の素子にも例えば V/ 3の電圧が加わる。 従つ て、 通常の素子を使うと回りの素子とのクロス卜一クが問題となる。
そこで、本発明の第 9図に示すような特性を持つトンネル磁気抵抗素子を使う と、 バイアス電圧 Vに対しては磁気抵抗効果を示すが、 V/ 3に対しては磁気抵 抗効果を示さないので、 第 1 0図に示すような単純なマトリックスから、 他の素 子とのクロストークなしに交差点の素子の磁気状態を選択的に読み出すことが出 来る。
第 1 1図は本発明の第 2グループのトンネル磁気抵抗素子を適用した第 2の回 路構成例を示す図である。 この図において、 1 3 1はワード線、 1 3 2はビット 線、 1 3 3は本発明のトンネル磁気抵抗素子、 1 3 4は高調波検出器、 1 3 5は 高周波電源である。
第 1 1図に示したように、 別の方法として、 二次の高調波によって信号を選択 的に読み出すことも可能である。 線形応答によって磁気抵抗を測定すると、 磁気 抵抗にバイアス依存が無い場合、 目的の素子とその周辺の素子との信号への寄与 率は 1 ： 1 / 3だが、 非線形応答である二次の応答による高調波の発生やパルス 形状の変化を使って検出すると、 その信号比は 1 ： 1 / 9となり大幅に周辺の素 子からのクロストークを減らすことが出来る。 さらに、応答のバイアス依存性を 最適に設計すれば、 この比をもつと大きく取ることも可能である。
さらに、上記実施例では中間層として、単結晶 f c c Cu ( 1 00) を用い たが、 これに代えて、 Au， Ag， Cr又はこれらを母材とする合金の単結晶又 は高配向多結晶を用いるようにしてもよい。
〔C〕 次に、本発明の第 3グループについて説明する。
第 1 2図は本発明の第 3グループにかかる平坦化トンネル磁気抵抗素子の模式 図である。
この図において、 20 1は基板 (S i L S I , S i〇2 など） 、 204は Mg 〇アモルファス層 202と Mg〇 (00 1 )結晶層 203の二重層からなる下地 層、 105は高配向で平坦な界面を持つ磁気抵抗素子である。
かかる平坦化トンネル磁気抵抗素子を以下の手順で作製する。
( 1 )基板 （S i L S I , S i〇2 など） 20 1を超純水で洗浄する。
( 2 ) スパッタチャンバ内でアルゴン逆スパッ夕クリ一ユングにより、 表面吸 着水を飛ばす。
(3) MgO ( 1 0 nm) をスパッタ成膜する。
これだけの手^ Iにより、 Mg 0は初期にはアモルファスとして成長し、 MgO アモルファス層 202と、 その後、 MgO (00 1 ) 配向の高配向結晶層 203 となる。 その膜厚は Mg〇アモルファス層 202が 3〜 1 0 nm、 MgO (00 1) 結晶層 203も 3〜1 O nmとすることが望ましい。
このように、 Mg〇アモルファス層 202と Mg〇 (00 1 ) 結晶層 203か らなる下地層 204を持つ高配向で平坦な強磁性トンネル磁気抵抗素子を形成す ることにより、本発明の第 1及び第 2グループの構成では、 単結晶基板上にしか 形成できない量子サイズ効果などの特性を示す平坦化トンネル磁気抵抗素子を、 S i〇2 などのアモルファス基板および多結晶配線上に作製することができる。 第 1 3図は本発明の第 3グループの実施例を示す平坦化トンネル磁気抵抗素子 の断面図である。
この図において、 1 1 1は酸化膜の付いた S i基板、 2 1 2は Mg〇膜 （ 1 0 nm)、 2 1 3は F e (00 1 ) 層 （20 nm)、 2 1 4はアモルファス A 1一 〇層、 1 1 5は上部電極（多結晶 N i _F e) 層、 1 1 6は Auキャップ層であ る。
かかる平坦化トンネル磁気抵抗素子の製造方法について説明する。
( 1 )酸化膜の付いた S iウェハ （基板） 21 1を超純水で洗浄する。
( 2 ) スパッ夕チャンバ内でアルゴン逆スパッ夕クリーニングにより、 表面吸 着水を飛ばす。
(3) Mg0212 (1 Onm) をスパッタ成膜する。
(4)一度大気中に出して、 MBEチャンバに搬送する。
(5) UHV中で加熱し、 表面吸着水を飛ばす。
(6) F G 1 3 (2 Onm) を成膜する。
( 7 ) ァニールし、表面を平滑化する。
( 8 )基板温度を室温に戻してから、 A 1を成長 ·自然酸化して A 1 _◦トン ネルバリヤ層 （アモルファス A 1—0層） 214を作製する。
(9)上部電極（多結晶 N i_Fe)層 21 5、 Auキャップ層 216を成膜 する。
上記工程を経て作製した磁気抵抗素子を大気中に出して、 X線回折（第 14 図） 、 断面透過電子顕微鏡線像（第 15図、 第 16図） 、 デバイスに加工して磁 気抵抗効果を測定した。
第 14図は本発明の第 3グループの実施例を示す酸化膜の付いた S i基板上に MgOアモルファス/ (001)高配向複合下地層を成長し、 その上に高品質ト ンネル磁気抵抗素子を作製した例の X線回折を示す図である。 この図において、 縦軸は X線回折強度 （cp s) を示しており、試料表面に平行な結晶面が試料中 に多く存在し、 かつその結晶性がよいほど回折強度は大きくなる。 横軸は回折角 度 （度） を示しており、 結晶面の間隔に対応するので、 異なる結晶面は異なる回 折角度にピークを作る。
この第 14図から、 Mg〇からの回折線は （002) ピークのみなので （00 1)配向が良好であることが分かる。 また、 Feの回折も （ 002 ) のみであり、 かつその強度が大きいことから、 良質の結晶が （00 1)方位に成長しているこ とが分かる。
回折角を Fe ( 002 ) ピークのそれに合わせて、試料を回転させながら X線 回折を測定することにより原子面の平行度を測定した結果、 F e層の原子面は、 (00 1 ) 面から ± 1度以内に揃っていることが分かった。 このように本発明の MgO二重下地膜を用いることにより、 強磁性電極層の面方位を （00 1 )面か ら ± 1度以内に揃えることができる。 さらに、 この試料の F e層表面の凹凸を原 子間力顕微鏡で評価した結果、 凹凸は RMS値 （有効平均偏差） にして、 0. 1 5 nm以下であった。 このように、本発明の MgO二重下地膜を用いることによ り強磁性電極層表面の凹凸を小さく、 即ち、 0. 1 5 nm以下に抑えることがで きる。 特に、 Mg〇アモルファス層の膜厚を 3から 1 0 nm、 Mg〇高配向膜の 膜厚を 3から 1 O nmとすることにより、 この結果を得た。
また、 第 1 5図および第 1 6図に示す様に、 断面透過電子顕微鏡線像から、 M gO層 2 1 2の下部約 4/1 0はアモルファス層 2 1 2— 1に、上部約 6 / 1 0 は （00 1 ) 配向の高配向層 2 1 2 - になっていることが分かる。 また、 Mg 〇上に非常に平坦な表面を持つ F e層 2 1 3が形成されていることが分かる。 ま た、 上記の膜の平坦性の結果、 凹凸に起因する静磁結合によるヒステリシス曲線 のシフトを、特別なバイアス磁場を利用することなく、 2〇e以下に抑えること ができた。 このように、 Mg〇二重下地膜を用いて平坦なトンネル磁気抵抗素子 を作製することにより静磁結合を小さくすることができた。
また、本発明の MgO二重下地膜の上に、 C r (00 1 ) ノ ッファー層 2 On mを成長させた後に、 下部強磁性層として F e C 0合金強磁性層を電子層のォ一 ダ一で薄く成長させ、 さらに、 その上にアモルファスアルミナを成長させてバリ ャとし、 最後に F e C 0多結晶合金を上部電極とした場合、単結晶下地の場合と 同様に、磁気抵抗効果が増大した。 特に、 下部強磁性層の膜厚を 1 5原子層以下 にしたとき、 磁気抵抗効果が厚膜の場合の二倍以上に増加した。 更に、 6原子層 のものを、 熱処理した結果、室温で 70%を越える磁気抵抗効果を得た。
このように、 MgO二重下地膜を用いて 1 5原子層以下の平坦な強磁性電極層 を形成することにより、 これまでにない大きな磁気抵抗効果を実現できた。 また、本発明の Mg〇二重下地膜の上に、 P t (00 1) バッファ層、 f e e -Co (00 1 )ノ ッファ層、 Cu (00 1 ) バッファ層の順に成長し、 その上 に C 0 (00 1 ) 下部強磁性電極、 原子層オーダ一の膜厚の非磁性挿入層、 ァモ ルフアスアルミナバリヤ、 F e C o上部強磁性電極からなるトンネル磁気抵抗素 子を作製した。
その結果、下地が単結晶の場合と同様に、 Cu (0 0 1 ) 非磁性挿入層の膜厚 を 20原子層以下で調整することにより、 トンネル磁気抵抗効果のバイアス依存 性を制御することができた。 特に、 Cu (0 0 1 ) 磁性挿入層の膜厚を約 3原 子層とすると、 1 3 OmVのバイアス電圧では磁気抵抗効果を示さないが、 バイ ァス電圧が 4 0 OmVでは 1 3 OmVの場合に比べて 1 0倍以上の大きな磁気抵 抗効果を示す素子を作製することができた。 このことより、 本発明の第 3グルー プの磁気抵抗効果素子を X , yマトリックス状に配線された強磁性ランダムァク セスメモリの配線の交点上に位置することにより、 パストランジス夕がなくても、 その記憶内容を他の記憶セルとのクロストークなしに読み出すことが可能となる。 このように Mg 0二重下地膜を用いて 2 0原子層以下の平坦な非磁性挿入層を 強磁性電極層とバリャ層の間に挿入することにより、磁気抵抗のバイァス依存性 を制御することができた。
更に、本発明の M g〇二重下地膜の上に、 （0 0 1 )高配向下部強磁性電極層、 MgO (00 1 ) 高配向バリャ層、 （0 0 1 ) 高配向上部強磁性電極層からなる トンネル磁気抵抗素子を作製した。
その結果、熱処理との組み合わせにより、 9 0%を超える非常に大きなトンネ ル磁気抵抗効果を得た。 このように、 Mg〇二重下地膜を用いて、 Mg〇 （0 0 1 ) 高配向バリヤ層を含むトンネル磁気抵抗素子を作製することにより大きな磁 気抵抗効果を得た。
第 1 7図は本発明の第 3グループの実施例を示す、 表面に凹凸のある多結晶金 属電気配線上に MgOアモルファス （0 0 1 ) 高配向複合下地膜を有する、高口
PP
質トンネル磁気抵抗素子の断面図である。
この図において、 1 2 1は下部電気配線、 2 2 2は Mg〇二重下地層、 2 3 は下部強磁性電極、 2 24はバリヤ層、 2 2 5は上部強磁性電極、 2 2 6は電気 絶縁層、 2 2 7は上部電気配線である。
多結晶金属配線上に本発明の M g 0下地膜を有する高品位トンネル磁気抵抗素 子を作製し、 かつ、 金属配線と下部強磁性電極の電気的接触が必要な場合は、 第 17図に示すように、 Mg〇下地膜 222を加工した上で下部強磁性電極 223 を形成することにより、 下部電気配線 221との電気的接触を確保できる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
〔 I〕 第 1に、
(A) トンネル磁気抵抗素子において、 電極の膜厚を原子層のォ一ダ一で精密 に極薄くすることにより磁気抵抗効果の大きなトンネル磁気抵抗素子を得ること ができる。 つまり、 トンネル磁気抵抗素子の強磁性金属電極を非常に薄くするこ とにより強磁性体の磁化あるいは実質的なスピン偏極度を増加させ、結果として より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
(B)非磁性金属下地膜を単結晶とすることにより膜厚の制御性を向上させる ことができる。
(C)非磁性金属下地膜の単結晶方位を立方晶系の （ 100 ) ± 10度、 （1 1 1) ± 10度、 （ 1 10) ± 10度または、 （ 1 12) ± 10度とすることに より、 さらに平坦性を持たせることができる。
( D )下地膜を強磁性交換結合膜上に形成される非磁性金属膜又は反強磁性金 属膜とすることにより、 極薄強磁性膜の電子状態に影響することなくその磁化を 固定することができる。
〔II〕 第 2に、
(A)非磁性中間層の電子散乱を抑える構造を有する素子と、 非磁性中間層の 精密な膜厚制御により磁気抵抗効果を制御し、磁気抵抗効果のバイアス電圧依存 性を人為的に制御することができる。
(B)原子層のオーダ一の非磁性極薄膜を強磁性電極とバリヤ層の間に挿入す ることにより、 磁気抵抗効果がバイァス電圧に対して振幅動的に変化するトンネ ル磁気抵抗素子を得ることができる。
(C) 中間層を Cu， Au， Ag, Cr又はこれらを母材とする合金膜として、 その厚さを制御して、 最適な厚さを選定することにより、磁気抵抗効果を高いも のに設定することができる。
(D) さらに、 中間層に印加されるバイアス電圧を制御することにより、極性 が反転される磁気抵抗効果を得ることができる。
(E) 非磁性中間層の結晶方位を立方晶系の （ 1 00 ) ± 1 0度、 （ 1 1 1) ± 1 0度、 （ 1 1 0) ± 1 0度、 又は （ 1 1 2) ± 1 0度として制御することに より、 より大きな磁気抵抗効果を得ることが出来る。
(F)他の素子とのクロストークなしにマトリックス型磁気ランダムアクセス メモリの交差点の素子の磁気状態を読み出すことができる。
(G) さらに、 他の素子とのクロストークなしにマトリックス型磁気ランダム アクセスメモリの二次の高調波によつて信号を選択的に読み出すことも可能であ る。
〔III ) 第 3に、
(A)下地層を Mg〇アモルファス層と MgO (00 1 ) 高配向層の二重層と することにより、 平坦化されたトンネル磁気抵抗素子を形成することができる。
(B) Mg〇下地層の Mg〇アモルファス層の膜厚を 3から 1 0 nm、 MgO (00 1) 層の膜厚を 3から 1 O nmとすることにより表面の凹凸を特に小さく 抑えることができる。
( C ) 下地層の上に磁気抵抗素子を作製することにより強磁性層の凹凸を小さ くし、強磁性層間の静磁的結合を小さくすることができる。
(D)下地層の上に 1 5原子層以下の膜厚の超薄強磁性電極層を有するトンネ ル磁気抵抗効果素子を作製し、 その電極の凹凸を小さく、配向性を非常によくし て磁気抵抗効果を大きくすることができる。
(E)下地層の上に 20原子層以下の平坦な非磁性層をバリヤ層と強磁性電極 層の間に挿入したトンネル磁気抵抗素子を作製することにより磁気抵抗効果のバ ィァス依存性を制御することができる。
(F) 下地層の上に強磁性電極層を体心立方格子、面心立方格子あるいは正方 格子の （00 1) 方位に配向させ、 さらにバリヤ層として MgO (00 1 ) 高配 向層を用いることにより大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
(G)前記の MgO下地層と磁気抵抗素子の間に Au, Ag， Cu， A 1 , P t, I r , Pd， Mo, W, Ta, C r , Ru， Rh, Mn， F e, Co, N i を組み合わせた （001)配向層を挟むことによって平坦性を改善し、 かつ電極 抵抗を低減することができる。
(H) M gOアモルファス層 /MgO (0.01 ) 高配向層の複合下地を持つ高 配向で平坦な強磁性トンネル磁気抵抗素子を形成することにより、 これまで単結 晶基板上にしか形成できなかった、量子サイズ効果などの特性を示す高性能磁気 抵抗素子を S i 02 などのアモルファス基板および多結晶配線上に作製すること ができる。 産業上の利用可能性
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、 固定磁気ディスクのピックアップへッドの磁 気センサゃ強磁性ランダムアクセスメモリに好適である。

Claims

請 求 の 範 囲
1.
(a)下地膜と、
( b )該下地膜上に形成される極薄強磁性膜と、
( c )該極薄強磁性膜上に形成される絶縁膜と、
(d)該絶縁膜上に形成される強磁性電極を有することを特徴とするトンネル磁 気抵抗素子。
2. 請求項 1記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記極薄強磁性膜の膜厚 は、 原子層のオーダーであることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
3. 請求項 記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記極薄強磁性膜の膜厚 は、 1原子層から 1 5原子層までの膜厚であることを特徴とするトンネル磁気抵 抗素子。
4. 請求項 1記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記下地膜は非磁性又は 反強磁性金属膜であることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
5. 請求項 1記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地膜は強磁性交換 結合膜上に形成される非磁性又は反強磁性金属膜であることを特徴とするトンネ ル磁気抵抗素子。
6. 請求項 4記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記非磁性又は反強磁性 金属膜は、 Au, Ag, Cu, C r , V, Nb, Mo, Ta, W, A 1 , Pt,
I r , Rh, Ru, Pd， 0 s又は Mnからなることを特徴とするトンネル磁気 抵抗素子。
7. 請求項 6記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記非磁性金属膜を単結 晶とすることにより膜厚の制御性を向上させることを特徴とするトンネル磁気抵 抗素子。
8. 請求項 7記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記非磁性金属膜の糸 ,士; 曰
B日曰 方位を立方晶系の （ 100 ) ± 10度、 （ 1 1 1 ) ± 10度、 （ 1 10 ) ± 10 度または、 （1 12) ± 10度とすることによりさらに平坦性を持たせることを 特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
9. バリャ層と強磁性電極の間に非磁性金属単結晶又は非磁性高配向多結晶中 間層を挿入した構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
1 0. 請求項 9記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記中間層が C u , A u， Ag, C r又はこれらを母材とする合金からなることを特徴とするトンネル 磁気 抗素子。
1 1. 請求項 9記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記中間層の厚さを制 御することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
1 2. 請求項 9記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記中間層に印加され るバイアス電圧を制御することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
1 3. 請求項 9記載のトンネル磁気抵抗素子において、 前記非磁性金属単結晶 の単結晶方位を、 立方晶系の （ 1 00 ) ± 1 0度、 （ 1 1 1 ) ± 1 0度、 （ 1 1
0) ± 1 0度、 又は （ 1 1 2) ± 1 0度とすることにより電子の伝導特性と平坦 性を改良することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
1 4. 請求項 9記載のトンネル磁気抵抗素子をマトリックス型磁気ランダムァ クセスメモリのワード線とビット線の交差点に接続配置することを特徴とするト ンネル磁気抵抗素子。
1 5. Mg 0アモルファス層と Mg〇 (00 1 ) 高配向層の二重層からなる下 地層を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
1 6. 請求項 1 5記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記 Mg 0ァモルフ ァス層の膜厚を 3から 1 O nm、前記 MgO (00 1 )高配向層の膜厚を 3から 1 0 nmとすることで表面の凹凸を小さく抑えることを特徴とするトンネル磁気 抵抗素子。
1 7. 請求項 1 5記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地層を用いる ことで強磁性層の凹凸を小さくし、 強磁性層間の静磁的結合を小さくすることを 特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
1 8. 請求項 1 5記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地層を用いる ことで 1 5原子層以下の超薄強磁性電極層の凹凸を小さくし、 磁気抵抗効果を大 きくすることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
1 9. 請求項 1 5記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地層を用いる ことで 10原子層以下の平坦な非磁性層をバリャ層と強磁性電極層の間に挿入し て、磁気抵抗効果のバイアス依存性を制御することを特徴とするトンネル磁気抵 抗素子。
20. 請求項 1 5記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地層を用いる ことで強磁性電極層を体心立方格子、面心立方格子あるいは正方格子の （00 1 ) 方位に配向させ、 バリヤ層として前記 MgO (00 1) 高配向層を用いて大 きな磁気抵抗効果を得ることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
2 1. 請求項 1 5記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記下地層と磁気抵 抗素子の間に Au， Ag， Cu, A 1 , P t, I r , Pd, Mo, W， Ta， C r， Ru, Rh, Mn， F e, C o, N iを組み合わせた （00 1) 配向層を挟 むことによって平坦性を改善し、 かつ電極抵抗を低減することを特徴とするトン ネル磁気抵抗素子。
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