WO2003075360A1 - Element a effet de commutation magnetoresistant et dispositif magnetoresistant comprenant cet element - Google Patents

Element a effet de commutation magnetoresistant et dispositif magnetoresistant comprenant cet element Download PDF

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WO2003075360A1
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switch effect
junction
magnetoresistive switch
conductive
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Inventor
Hiroyuki Akinaga
Noboru Miura
Kazuhito Uchida
Original Assignee
National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Center For Advanced Science And Technology Incubation, Ltd.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive switch effect element and a magnetic sensing device using the same, and in particular, to a magnetoresistive switch effect element based on controlling a large resistance change due to an avalanche effect by a magnetic field, and a magnetic field using the same. It relates to the sensitive device. Background art
  • GMR element Giant Magneto Resistance element
  • TMR element Tunnel Magneto Resistance element
  • magnetoresistive elements applied to hard disk read heads and the like require downsizing of the elements as storage capacity increases, while lowering the resistance of the elements, which is essential for high-speed data transfer, is required. Are required at the same time, and there are limits to the element principle due to inconsistent essential physical characteristics as described above. In other words, existing magnetoresistive elements have their own limitations in reducing resistance and increasing speed, and this is a major technical issue for the development of next-generation magnetoresistive elements.
  • the magnetoresistive element must be formed on a substrate such as Si or GaAs.
  • the present invention (1) includes, on a semiconductor region, a conductive region that is separated from each other, and two electrode units that are arranged with an interval of less than or equal to ⁇ .
  • the two electrode portions are electrically connected to each other through at least one junction including the semiconductor region interposed therebetween, and the at least one junction is configured to electrically connect the two electrode portions through at least one junction.
  • This is a characteristic magnetoresistive switch effect element.
  • the present invention (2) is the magnetoresistive switch effect element according to the present invention (1), wherein a junction length between the conductive regions is a shortest portion of 1 to 3 Onm.
  • the present invention (3) is the magnetoresistive switch effect element according to the present invention (1), wherein a junction length interposed between the conductive regions has a shortest portion of 1 to 1 Onm.
  • the present invention (4) is the magnetoresistive switch effect element according to any one of the present inventions (1) to (3), wherein the conductive region and the electrode portion are integrally formed. .
  • the present invention (5) provides that the conductive region is distributed in an island shape in the semiconductor region, and at least one island-shaped conductive region is isolated from another conductive region via the semiconductor region.
  • a magnetoresistive switch effect element according to any one of the present inventions (1) to (4).
  • the present invention (6) is characterized in that the conductive region is formed of a film formed by a deposition method, and a part of the film is removed by a required etching method to form the junction.
  • the magnetoresistive switch effect element according to any one of the present inventions (1) to (4).
  • the present invention (7) further includes a cap layer made of an insulating material covering at least the conductive region and the semiconductor region.
  • the present invention further comprises at least means for applying a bias magnetic field to the vicinity of the gap, and the degree of change in electric resistance between the electrodes with respect to the change in magnetic field strength
  • the present invention provides a magnetic sensing device using the magnetoresistive switch effect element according to any one of the present inventions (1) to (7), wherein
  • the present invention (9) further provides a voltage control means for controlling a voltage applied between the two electrodes, and controls the voltage control means and the bias magnetic field applying means to write, hold, and read signals.
  • the present invention (10) provides the magnetic responsive device of the present invention (8) for use in a magnetic sensor.
  • the present invention (11) is a magnetically responsive device according to the present invention (9) for use in a memory.
  • a uniform electric field equal to or greater than the threshold is required. Therefore, the junction length corresponding to the distance between the conductive regions is 30 nm or less. It is desirable that the thickness be 10 nm or less.
  • the lower limit is not particularly limited as long as it is larger than the width that can secure the space charge that can cause the avalanche breakdown phenomenon, but it is set to lnm or more from the stability of processing accuracy.
  • the distance between the electrodes is important to ensure the uniformity of the electric field strength, and it must be 100 ⁇ m or less due to the demand for low resistance for high-speed operation.
  • the lower limit is not particularly limited as long as it is not less than at least one junction length and not less than a length that does not cause a short circuit between electrodes.
  • the avalanche breakdown phenomenon in the avalanche breakdown phenomenon, as shown in Fig. 2, if there is no magnetic field between the electrodes (the O Oe curve in the figure), the avalanche breakdown occurs at a certain voltage (in this case, less than 80 V). While the current value increases discontinuously and rapidly, the presence of a magnetic field around the gap (curve of 5000 Oe in the figure) Since the breakdown can be suppressed (continuous change in current value), the current amplified by the electron avalanche phenomenon can be used for detecting the magnetic field. The occurrence of avalanche breakdown varies depending on the strength of the applied magnetic field, as described later. Therefore, compared to the current change observed in the spin valve method, a large change in current can be expected, and the detection sensitivity of the magnetic field is dramatically improved.
  • Fig. 3 shows how the magnetoresistance changes when a pulse magnetic field of 6000 Oe and 10 msec is applied.
  • the upper curve shows the change of the pulse magnetic field
  • the lower curve shows the change of the current value or resistance value. It can be seen that the signal follows the magnetic field fluctuation well and can be extracted as a large signal of about 3000%. This shows great potential for practical use of hard disks for magnetic heads.
  • the breakdown phenomenon depends on the electric field strength, and low resistance is indispensable to achieve a high-speed response. Must be limited.
  • the element shown in FIG. 4 was experimentally manufactured.
  • the inverted triangular area located at the center in the figure is the semiconductor area including the junction.
  • the resistance between the electrodes forming a pair across the semiconductor region was measured while changing the voltage applied between the electrodes.
  • Fig. 5 shows the results. From electrode distance of 30/30 ⁇ (1 ⁇ ⁇ is 10-6m) to 210 ⁇ 111 It was found that a low-resistance state of 106 ⁇ or less at ⁇ ⁇ or less appeared when a voltage of 50 V was applied. Therefore, in the present invention, the maximum distance between the electrodes is limited to 100 ⁇ .
  • the present invention is designed for the distance between the electrodes or the junction length in order to utilize the avalanche breakdown phenomenon, and for a simple reason that the spin pulp type element is downsized, It should be added that it is not possible to derive a specific limitation on the distance between these electrodes and the length of the junction.
  • each particle is distributed at a distance from each other in the gap.
  • the semiconductor region between the particles may only function as the junction according to the present invention.
  • the underlying semiconductor region is used as a "junction" for convenience of processing, but is not limited to such an embodiment. Rather, if the conductive region is a portion where the conductive region is joined and in contact via a dissimilar material region and an avalanche breakdown phenomenon occurs, it can be called a “junction”.
  • the electrodes are electrically connected by the conductive region and the junction connecting them.
  • a conductive path having a predetermined width between the electrodes and removing a part of the conductive path a gap of at least one conductive region is provided, and a base semiconductor portion corresponding to the region is formed as a junction.
  • a magnetoresistive switch effect can be obtained.
  • junction is used as a generic term for the paths for electrical connection as described above.
  • the avalanche breakdown phenomenon is caused by the critical magnetic field at which an avalanche-breakdown phenomenon occurs due to the avalanche-breakdown phenomenon, as shown in Fig. 6 according to the later-described embodiment, due to the potential between the electrodes (59V in the upper figure and 61V in the lower figure). It has the characteristic that the strength changes (30 Oe in the upper figure, 200 Oe in the lower figure).
  • Fig. 1 Diagram showing an example of the measurement results of the temperature dependence of the magnetoresistive switch effect.
  • Fig. 2 Diagram showing an example of the measurement results of the voltage-current of the magnetoresistive switch effect device.
  • Fig. 3 Magnetoresistive switch effect device with respect to the pulse magnetic field.
  • Fig. 4 shows an example of a prototype device for examining the effect of the interelectrode distance on the magnetoresistance switch effect.
  • Fig. 5 Diagram showing the relationship between the distance between the electrodes and the resistance value in the magnetoresistive switch effect device.
  • Fig. 6 Diagram showing an example of the result of the magnetic field-the resistance value when applied to a magnetic memory device.
  • Fig. 7 Diagram showing the structure of the junction part of the magnetoresistive switch effect element (A: high-resolution electron micrograph of the cross section of the element, B: atomic force micrograph of the element surface, C: schematic diagram of the junction structure)
  • FIG. 8 Schematic view of the device configuration when the magnetoresistive switch effect element is applied to the head of a hard disk drive and an enlarged view of the main part thereof
  • Fig. 9 Diagram showing an example of a circuit diagram when the magnetoresistive switch effect element is applied to a magnetic sensor
  • FIG. 10 is a circuit diagram when a magnetoresistive switch effect element is applied to a magnetic memory and an example of a timing chart thereof.
  • a test device was prepared.
  • an Au film with a nominal thickness of 0.2 nm is formed on a GaAs (Ill) B semiconductor substrate, and a 5 ⁇ Sb cap layer is further provided thereon.
  • an Au film having such a thickness has a fine metal particle distribution in an island shape, and has a so-called dara-double-type device configuration.
  • FIG. 2 shows current-voltage characteristics when the voltage applied to the element and the magnetic field were changed.
  • the current-voltage characteristics were measured at room temperature by the two-terminal method.
  • the magnetic field was applied parallel to the sample surface and the direction of the current.
  • the arrows in the figure indicate the voltage sweep direction.
  • the current-voltage characteristics at zero magnetic field show a sharp current rise at about 80 V when the voltage rises. This transition is very sharp and can be described as a switching phenomenon from a low current state to a high current state. As described above, this switching phenomenon is caused by the avalanche breakdown caused by the avalanche breakdown at the threshold voltage. On the other hand, when a magnetic field is applied, the switching phenomenon can be suppressed.
  • Fig. 7C we fabricated a prototype device as shown in Fig. 7C (below).
  • a step of about 5 nm was formed on a GaAs (llll) B semiconductor substrate, and an Au layer was formed thereon as a conductive part.
  • Fig. A shows a high-resolution transmission electron micrograph of the cross section
  • Fig. B shows an atomic force micrograph showing the change in elevation in different shades. From the width and height of the step in the dark region in this figure, it can be seen that the junction length is an interval of 10 nm or less.
  • the characteristics of the magnetoresistive switch shown in Fig. 2 were obtained, and it became clear that the more preferable range of the junction length is 1 to 10 nm. .
  • FIG. 8 schematically shows a head configuration when the magnetoresistive switch effect element of the present invention is applied to a magnetic head of a hard disk.
  • 1 is a semiconductor substrate
  • 2 is an electrode
  • 3 is a magnetic shield.
  • the magnetic head faces the hard disk surface in the direction of the arrow in the figure, and a magnetic field signal is applied between the electrodes.
  • the electrode 2 and the electrode 2 are connected as shown in the enlarged view of the main part shown in FIG. 8 (b).
  • a conductive region 4 is formed, and the conductive region 4 is cut out at a central portion or the like by processing means such as electron beam processing, and a structure in which the conductive region 4 is divided is manufactured.
  • the element configuration is practical.
  • a voltage within the hysteresis of the voltage-current characteristic diagram according to the junction length is applied between the two electrodes 2, and a change in the current flowing between the electrodes is detected by the two-probe method, whereby the hard disk is detected. It reads the signal written on the surface.
  • FIG. 9 shows an example of a circuit diagram when the magnetoresistive switch effect element of the present invention is applied to a magnetic sensor.
  • a bias magnetic field generating coil for generating a control bias magnetic field or the like is provided between the magnetic shield as a lead gap and the apparatus of FIG. 8 according to the first embodiment. It is possible to use the one with the above wiring.
  • the sensitivity can be similarly adjusted by controlling the control current of the bias magnetic field generating coil to control the force S for adjusting the sensitivity and the voltage applied to the element.
  • the behavior of the resistance value according to the applied voltage and the intensity of the magnetic field is described in a and b in FIG. 6.
  • the magnetic field exceeds a certain threshold value and the resistance value increases. Then, as long as the voltage stays in the hysteresis loop, it keeps high resistance even if the magnetic field is lowered. This can be said to be a kind of state storage, and its application to memory is conceivable.
  • the cell structure shown schematically in Fig. 10 was created, and the voltage and magnetic field were controlled by the word line driver, bit line driver, and magnetic field applying means at the timing chart in Fig. 10 (b). By applying, information can be written, held, and read for each cell.
  • the voltage applied from the bit line driver includes a high potential for selection and non-selection during writing, a (slightly) higher potential for selection during reading, and a low potential for non-use or erasure of memory contents.
  • the holding potential which is an intermediate potential between the (slightly) high and low voltages Therefore, although this bit line driver is inevitably more complicated than a driver such as a normal dynamic RAM, if a holding potential is applied, a certain kind of static RAM can be configured. Cut.
  • This memory can erase the contents of the memory by lowering the voltage below the hysteresis loop range.
  • the present invention is based on the idea that the dominant physical phenomenon is the avalanche breakdown phenomenon. In addition to overcoming the disadvantages associated with, both high-speed and low-voltage devices could be achieved. However, since the present invention has a very simple manufacturing process, is compatible with existing semiconductor thin film manufacturing processes, and can operate sufficiently even at room temperature, it can be a very useful technology. be written.
  • the present invention is expected to be applied not only to hard disk drive heads but also to a wide range of applications such as magnetic sensors and memories.

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Description

磁気抵抗スィツチ効果素子及びそれを用いた磁気感応装置
技術分野
この発明は、 磁気抵抗スィツチ効果素子およびそれを用いた磁気感応装置に関 し、 特に、 電子雪崩効果による大きな抵抗変化を磁場によって制御することに基 づく磁気抵抗スィッチ効果素子及びそれを用いた磁気感応装置に関するものであ る。 背景技術
近年の C P U能力の向上、 情報通信能力の向上によって、 コンピュータの外部 記憶装置に求められる性能も飛躍的に高くなつてきている。 特に、 その中でもハ ードディスクドライブは、 その情報の入出力速度、 記録密度の優位性により、 依 然として外部記憶装置の中心的位置を占めており、 外部記憶装置としてのハード ディスクドライブに対する要請も、 今後ますます厳しくなることが予想されてい る。
—方、 外部記憶装置に対する別の観点の要求としては、 小型化の要求がある。 このハードディスクドライブの小型化の進展につれて、 従来の磁気誘導型磁気へ ッドでは、 ハードディスクの相対速度が径方向で変化することに起因する励起信 号の大きさ変動の問題が顕在化してきた。
そこで、 その解決手段として、 磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドが考案さ れ、 現在、 製品化されるに至っている。 これらの代表としてスピンバルブ方式の
Giant Magneto Resistance素子 (以下、「 GMR素子」と 、う。)や Tunnel Magneto Resistance素子 （以下、 「TMR素子」 という。） がある。 しかしながら、 これら スピンバルブ方式の磁気へッドは、 今後の入出力速度要求を満足することは難し いと予想され、 早ければここ数年中にも限界に達することが懸念されている。 なお、 スピンバルブ方式にあっても、 材料の選択や素子構造の最適化により、 あと数年程度であれば、 要求水準に追従できるとの見通しがあるが、 その先の要 求水準の達成には、 従来法とは異なる検出原理に基づいた素子の出現が待たれる ところである。 発明の開示
現在実用化されている GMR素子や TMR素子等スピンバルブ型の磁気抵抗素 子では、 向き合った 2層の磁性体薄膜の磁化の相対方向変化に依存した信号電流 の変化を読み取つているため、 素子のダウンサイジングにより、 素子自体の抵抗 値が大きくなつてしまう。
一般に、 ハードディスクの読み取りへッド等に適用される磁気抵抗素子には、 記憶容量の增加に伴い素子のダウンサイジングが要求されている一方で、 データ の高速転送に必須である素子の低抵抗化が同時に求められており、 前述のように 相矛盾する本質的な物理的特性から、 素子原理の限界がある。 言い換えれば、 既 存の磁気抵抗素子において、 低抵抗化 ·高速化には自ずから限界があり、 次世代 の磁気抵抗素子の開発に対して大きな技術的課題となっている。
一方、 これらの素子をメモリなどの用途で用いる場合には、 既存の半導体プロ セスとの整合性をとることが必要である。 メモリの番地指定には、 半導体素子と のハイプリッド化が行われるため、 Siや GaAsといった基板上に磁気抵抗素子を 形成しなければならない。
半導体の製造プロセスは、 半導体素子の伝導性を変化させる磁性元素を用いた プロセスと非常に相性が悪い。 従って、 磁性元素金属の多層膜からなるスピンバ ルブ型磁気抵抗素子は、 プロセス整合性が良くない。 しかも、 ごく薄い層を制度 よく積層していくプロセスは、 非常に困難で、 製造コスト負担も今後ますます大 きくなることが予想される。
さらに、 実用上、 これらの素子は、 室温で用いることが想定されることから、 室温での十分な磁気抵抗効果が得られるものでなければならないという技術的要 請のあることを忘れてはならない。 本発明は、 上記の技術的課題を解決するためのものであって、 次の技術的事項 からなる。
本発明 （1) は、 半導体領域上に、 相互に離隔した導電領域と、 Ι Ο Ο μπι以 下の間隔をもってもつて配置された 2つの電極部を備え、 前記各導電領域は、 該 導電領域間に介在する前記半導体領域からなる少なくとも 1つのジャンクション によって電気的に接続するとともに、 前記両電極部は、 前記導電領域おょぴ少な くとも 1つの前記ジャンクションを介して電気的に接続することを特徴とする磁 気抵抗スィツチ効果素子である。
本発明（2)は、前記導電領域間に介在するジャンクション長さが、最短部で、 1〜3 Onmであることを特徴とする本発明 （1) の磁気抵抗スィッチ効果素子 である。
本発明（3)は、前記導電領域間に介在するジャンクション長さが、最短部で、 1〜1 Onmであることを特徴とする本発明 （1) の磁気抵抗スィッチ効果素子 である。
本発明 （4) は、 前記導電領域と前記電極部が、 一体成形されていることを特 徴とする本発明 （1) 〜 （3) の何れか 1発明の磁気抵抗スィッチ効果素子であ る。
本発明 （5) は、 前記導電領域が、 前記半導体領域中に島状に分布し、 少なく とも 1つの島状の導電領域が他の導電領域に対し半導体領域を介して孤立してい ることを特徴とする本発明 （1) 〜 （4) の何れか 1発明の磁気抵抗スィッチ効 果素子である。
本発明 （6) は、 前記導電領域が、 堆積法により形成された被膜からなり、 該 被膜の一部を所要のエツチング法により除去することにより、 前記ジャンクショ ンとしたものであることを特徴とする本発明 （1) 〜 （4) の何れか 1発明の磁 気抵抗スィツチ効果素子である。
本発明 （7) は、 少なくとも前記導電領域および前記半導体領域を覆う絶縁材 からなるキャップ層を更に備えることを特徴とする本発明 （1) 〜 （6) の何れ か 1発明の磁気抵抗スィッチ効果素子である。
本発明 （8) は、 さらに少なくとも、 該ギャップ部近傍に対しバイアス磁界を 付与する手段を備え、 磁界強度の変化に対する電極間の電気抵抗の変化の度合い を調整することができることを特徴とする本発明 （1 ) 〜 （7 ) の何れか 1発明 の磁気抵抗スィツチ効果素子を用いた磁気感応装置である。
本発明 （9 ) は、 さらに、 前記両電極間に印加する電圧を制御する電圧制御手 段を設け、 該電圧制御手段と前記バイアス磁界付与手段を制御することにより、 信号の書き込み、 保持、 読み出し、 消去を可能にした発明 （8 ) の磁気抵抗スィ ッチ効果素子を用レ、た磁気感応装置である。
本発明 （1 0 ) は、 磁気センサ用である本発明 （8 ) の磁気感応装置である。 本宪明 （1 1 ) は、 メモリー用である本発明 （9 ) の磁気感応装置である。 なお、アバランシヱ'ブレークダウンを低電位で安定的に発生させるためには、 閾値以上の一様な電界が必要であることから、 導電領域間の間隔に相当するジャ ンクシヨン長さは、 30nm 以下であることが望ましく、 より好ましくは、 10nm 以下であることが望ましい。 下限値はアバランシェ ·ブレークダウン現象を引き 起こすことができるスペース チャージが確保できる幅以上であれば、 特に制限 はないが、 加工精度の安定性から lnm以上とした。
一方、 電界強度の一様性を確保する上で、 電極間距離は重要であるとともに、 高速作動のための低抵抗化の要請から、 100 μ m以下である必要がある。下限は、 少なくとも一つのジャンクション長さ以上であり、 かつ電極間で短絡を生じない 長さ以上であれば、 特に制限はない。 出願人は、 磁気抵抗スィッチ素子におけるしきい値電圧以上での電流 電圧特 性が、 space-charge-lim ed現象の電流 flffi特性と似通っていることにヒントを 得て、 輸送現象の温度依存性を調べてみると、 第 1図のとおり、 温度低下ととも にブレークダウンの閾値電圧が低下しており、 この結果から、 支配的な現象とし てはアバランシェ ·ブレークダウンであると推定した。
すなわち、 アバランシェ ·ブレークダウン現象では、 第 2図のとおり、 電極間 に磁界が存在しなければ（図中 O Oeの曲線）、 ある電圧（この場合では、 80V弱） で、 アバランシヱ .ブレークダウンが発生し、 不連続に電流値が急増するのに対 し、 ギャップ部周辺に磁界が存在すれば （図中 5000Oeの曲線）、 ァパランシェ · ブレークダウンを抑止できる（連続的な電流値の変化）ことから、磁場の検出に、 この電子雪崩現象により増幅された電流を用いることができる。 なお、 ァパラン シェ ·ブレークダウンの発生は、 後述のとおり、 付与される磁界の強さによって 変化する。したがって、スピンバルブ方式において観察される電流の変化に比べ、 桁違いに大きな電流変化が期待でき、 磁界の検出感度が飛躍的に向上する。
ここで、 アバランシェ .ブレークダウン現象において、 支配的となる要素は、 電圧 Vそのものではなく電界 Eであり、電界 Eには、 E= V (電圧） /D (距離） という関係があるため、 出願人は、 電極間距離を小さくすることにより、 電極間 電圧 Vを小さくしても、 所要の電界強度 Eを得ることは十分可能であり、 低作動 電圧で巨大な磁気抵抗スィツチ効果を期待できると考えるに至った。
そこで、 電極間長さを縮めることで、 作動電圧を低減するとともに、 電極構造 に二端子法を採用できることと相まって、 電気抵抗を低減して高速応答を可能に するというダウンサイジングの効果を最大限に活かすことができるようになつた。 例えば、 本発明をハードディスクヘッドへの適用した場合、 高速で回転するデ イスクからの磁気信号は、 相当高速でパルス的に増減することになるため、 この 応答特性もきわめて重要な因子となる。 その一例として、 第 3 図に 6000Oe、 10msec のパルス磁界を付与した場合の磁気抵抗変化の様子を示す。 上の曲線が パルス磁界の変化の様子を示し、 下の曲線が電流値乃至抵抗値の変化の様子を示 す。磁界変動によく追従し、 しかも 3000%程度という大きな信号として取り出す ことができることが分かる。 このことは、 ハードディスクの磁気ヘッドへの実用 に対し大きな可能性を示しているといえる。
ここで、 上述のとおり、 ァパランシヱ .ブレークダウン現象は電界強度に依存 するとともに、 高速応答を達成するためには低抵抗化が不可欠であるから、 実際 上は、 電極間距離も所定の長さに限定されなければならない。
そこで、 この電極間距離の適性範囲を確認するために、 第 4図に示す素子を試 験的に作製した。 図中の中央部に位置する逆三角形の領域がジャンクションを含 む半導体領域である。 該半導体領域を挟んで対を成す電極間の抵抗を、 これら電 極間に印加する電圧を変化させながら測定した。
その結果を第 5図に示す。 電極間距離を 30 /ζ ΐη(1 μ ΐηは 10-6m)から 210 ^ 111 までの範囲で変化させたところ、 50Vの電圧印加により、 ΙΟΟ μ πι以下で 106 Ω 以下の低抵抗状態が現れることが明らかになった。 よって、 本発明では、 最大電 極間距離を 100 μ πι.以下と限定することにした。
一方、 アバランシェ■ブレークダウン現象の発生の有無を利用する系において は、 室温におけるエネルギー （k B T300K=3 X lO-2eV程度） で、 閾値電界強度
( 1◦ 6〜 1 0 4 V/cm)の坂を越えない範囲で設定されていることが望ましいこ とから、 導電領域間に介在するジャンクションの最短部の長さを dとした場合、 dが 30nm以下である範囲を好ましい範囲とした。 （なお、 算出される dの下限 値は、 0.3nmとなることから、 実質的にプロセス限界であると考えて差し支えな い。）
以上のとおり、 本発明は、 アバランシェ ·ブレークダウン現象を利用すべく電 極間距離乃至ジャンクション長さについて設計したものであって、 スピンパルプ 方式の素子を小型化するといつた単純な理由からは、 これらの電極間距離おょぴ ジャンクシヨン長さについての具体的限定を到底導出できるものではないことを 付言する。
また、 従来の報告されているダラ二ユラ一構造の磁気抵抗効果素子では、 金属 微粒子の存在が不可欠であると考えられてきたが、 アバランシ工 ·ブレーク.ダウ ン現象に基づく素子では、 必ずしもダラ二ユラ一構造を必要とせず、 特にスぺー ス チャージを可能とするギャップがあれば十分であって、 具体的な微細構造は 限定されない。 該ギャップの両側の導電領域に電荷がチャージし、 所定の臨界値 以上の電界が作用した場合には、 その下地等の半導体領域を通して電子雪崩が伝 播され、 結果、 電気抵抗が大幅に低下する過程を通して、 磁気抵抗スィッチ効果 が発生するものと考えられる。
言い換えると、例えば、本発明者等にかかる特開 2000-340425号公報等に記載 された従来のダラ二ユラ一構造の素子では、 該ギヤップを各粒子が相互に離隔し て分布することにより、 結果として、 各粒子間の半導体領域が本発明にいうジャ ンクシヨンとして機能している場合があるに過ぎない。
本明細書においては、加工の簡便性から下地の半導体領域を「ジャンクション」 として利用している態様が記載されているが、 そのような態様に限定されるもの ではなく、 導電領域が異種材料領域を介して接合、 接触している部分であって、 ァパランシェ .ブレークダウン現象の起こるものであれば、 「ジャンクション」 と いうことができる。
したがって、 本発明では、 ダラ二ユラ一構造のように複数のギャップを設ける 必要もなく、 電極間が、 導電領域とそれらを繋ぐジャンクションによって電気的 に結合されていればよい。 該電極間に所定幅の導電路を形成し、 その一部を除去 することによって、 少なくとも 1つの導電領域のギャップを設け、 その領域に相 当する下地半導体部分をジャンクションとすることによつても、 磁気抵抗スィッ チ効果が得られる。
以上のような電気的接続のための経路の総称として、「ジャンクション」 という 用語を用いることにする。
よって、 理論上は、 電極同士の直接の短絡を防止できる距離までであれば、 装 置のダウンサイジングが可能であると予想される。 但し、 絶縁を図れる限界とし て、 プロセスの安定性も考慮して、 電極間距離を lnm以上と下限についても限 定することにした。 なお、 電極部と導電部を一体成形した場合等、 電極間距離とジャンクション長 さは重畳的な限定となる場合があるが、 これは、 前述のとおり、 高速応答に必要 とされる低抵抗化の観点から、 電極間距離自体も短い方が望ましく、 しかも、 従 来のスピンパルプ型等の素子では、 所要の面積を必要とし、 電極間距離をある程 度以上近接させることはできないという技術的事由から、 この電極間距離にかか る限定を付すことによって、 本発明の素子と従来型素子との峻別を文言上で明確 にするために、 敢えて付した限定である。
ここで、 アバランシヱ .ブレークダウン現象は、 後述の実施例にかかる第 6図 のとおり、 電極間電位 (上図は 59V、 下図が 61V)により、 アバランシェ 'ブレー クダウン現象にかかる電子雪崩の起きる臨界磁界強度 （上図が 30Oe、 下図が 200Oe) が変化する特性を有する。
また、 第 6図 （b ) のとおり、 ギャップ部周辺における磁界強度を、 ヒステリ シスループ範囲で增減させることにより、 抵抗値における不可逆特性が観察でき る。
図面の簡単な説明
第 1図 磁気抵抗スィツチ効果における温度依存性の測定結果の一例を示す図 第 2図 磁気抵抗スィツチ効果素子の電圧-電流の測定結果の一例を示す図 第 3図 パルス磁界に対する磁気抵抗スィツチ効果素子の応答の一例を示す図 第 4図 磁気抵抗スィツチ効果に対する電極間距離の影響を調べるための試作素 子の一例を示す写真
第 5図 磁気抵抗スィツチ効果素子における電極間距離-抵抗値の関係を示す図 第 6図 磁気メモリー素子に適用した場合の、 磁場 -抵抗値の結果の一例を示す 図
第 7図 磁気抵抗スィッチ効果素子のジャンクション部分の構造を示す図 （A : 素子断面の高解像度電子顕微鏡写真、 B ：素子表面の原子力間顕微鏡写真、 C： ジャンクション構造の模式図）
第 8図 磁気抵抗スィッチ効果素子をハードディスクドライブのへッドに適用し た場合の装置構成を模式的に示した図及びその要部拡大図
第 9図 磁気抵抗スィツチ効果素子を磁気センサーに適用した場合の回路図の一 例を示す図
第 1 0図 磁気抵抗スィツチ効果素子を磁気メモリ一に適用した場合の回路図と そのタイミングチャートの一例を示した図 符号の説明
1 半導体基板
2
3 揪気シールド
4 導電領域
5 磁気抵抗スィツチ効果素子
6 7 制御用パイァス磁場発生コイル
8 基準抵抗
9 ワードラインドライバ
1 0 センスアップ · ビットラインドライバ
1 1 コンタク卜
D
d ジャンクション長さ
H 信号磁界
H(I) 制御用バイアス磁場
HR 読み出し用高電位
丽 書き込み用高電位
M 保持電圧
L 低電位
発明を実施するための最良の形態
ここで、 まず、 試験用の素子を作成した。 この素子は、 GaAs(lll)B 半導体基 板上に公称膜厚 0.2nmの Au成膜を行い、 さらに、その上に 5ηιηの Sbのキヤッ プ層を設けたものである。 現実的には、 この程度の膜厚の Au膜は金属微粒子が 島状に分布となり、 いわゆるダラ二ユラ一タイプの素子構成となる。
そして、 この素子に対して印加する電圧と磁場を変えた場合の電流電圧特性を 第 2図に示す。 電流電圧特性の測定は、 2端子法にて室温で行った。 磁場は、 試 料面と電流の向きに平行に印加した。 図中の矢印は、 電圧の掃引方向を示す。 ゼロ磁場時の電流電圧特性は、 実線で示すように、電圧上昇時には、約 80Vで 急激な電流上昇を示す。 この転移は非常に鋭く、 低電流状態から高電流状態への スィッチ現象ということができる。 このスィッチ現象は、 前述のとおり、 閾値電 圧におけるアバラシェ ·ブレークダウンによる電子雪崩現象に起因している。 こ れに対し、 磁界を印加するとこのスィツチ現象を抑止することが可能となる。 ここで、 さらに、 アバランシェ 'ブレークダウン現象の発生におけるジャンク シヨン長さの影響を明らかにするために、 第 7図 C (下図） に示すような素子を 試作した。 すなわち、 第 7図の C (下図） の模式図のように、 GaAs(lll)B半導 体基板上に、 5nm程度の段差部を形成し、 その上に、 導電部として Au層を形成 した。 その断面の高分解能透過型電子顕微鏡写真が同図 A (上図） であり、 高低 変化を濃淡で示す原子間力顕微鏡写真が同図 B (中図)である。 この図の色の濃い 領域の幅おょぴ段差高さから、 ジャンクション長さが 10nm以下の間隔となって いることが分かる。
上記のジャンクション長さを持つ構造にて、 第 2図に示す磁気抵抗スィッチ特 性が得られていることから、 ジャンクション長さの更に好ましい範囲として、 1 〜： 10nmであることが明らかになった。
第 8図には、 本発明の磁気抵抗スィツチ効果素子をハードディスクの磁気へッ ドに適用した場合のへッド構成を模式的に示す。
図中、 1は半導体基板、 2は電極、 3は磁気シールドである。図中矢印の方向で、 この磁気ヘッドは、 ハードディスク面と向き合い、 磁場信号が電極間に付与され る。
なお、 サブミクロンオーダーで非常に近接した電極部を一定の間隔を保って形 成する際の困難性から、 好ましくは、 図 8(b)に示した要部拡大図のように、 電極 2とは別に導電領域 4を形成し、 その中央部等に、 電子ビーム加工等の加工手段 により前記導電領域 4を切り欠き、 導電領域 4を分割した構造を製造し、 この切 り欠き領域をジャンクションとする素子構成が実用的である。
そして、 該ジャンクション長さに応じた、 電圧 電流特性図のヒステリシス内 の電圧を両電極 2間に印加し、 前記電極間を流れる電流の変化を二探針法にて検 出することによって、 ハードディスク面上に書き込まれた信号を読み出すもので あ o。
なお、 電極とジャンクションの配置は、 第 8図に限定されるものではなく、 磁 気シールド 3間のリ一ドギヤップ内に少なくとも 1力所のジャンクションが配置 されていれば、 いかなるレイァゥトも許容されるのはいうまでもない。 (実施例 2 )
第 9図には、 本発明の磁気抵抗スィツチ効果素子を磁気センサに適用した場合 の回路図の一例を示す。 具体的な磁気抵抗スィッチ効果素子の構成としては、 前 記実施例 1にかかる第 8図の装置に対し、 そのリードギヤップたる磁気シールド 間に、 制御用バイアス磁場発生のためのバイアス磁場発生コイル等の配線を併設 したものが使用できる。
そして、 第 9図の回路図において、 そのバイアス磁場発生コイルへの制御電流 量を可変とすることで、 磁気抵抗スィッチ効果現象の発生の閾値を制御し、 素子 の磁場の検出感度を調節することができる。 これにより、 種々の磁界強度の磁場 を検出可能となる。
なお、 この実施例では、 バイアス磁場発生コイルの制御電流を制御して、 感度 を調節している力 S、素子への印加電圧を制御しても同様に感度調節が可能である。
(実施例 3 )
前述のとおり、 第 6図の aおよび bには、 印加電圧及ぴ磁場強度に応じた抵抗 値の挙動が記載されており、 何れの場合も、 磁場がある閾値を超えー且抵抗値が 上昇すると、 ヒステリシスループ内の電圧に留まっている限り、 磁場を下げても 高抵抗値を維持したままとなる。 これは、 一種の状態の記憶ということができ、 メモリーへの応用が考えられる。
具体的には、 第 10図に模式的に示したセル構造を作成し、 ワードラインドラ ィパとビットラインドライバ並びに磁界付与手段によって、 第 10図 (b)のタイミ ングチヤ一トで電圧及び磁界を印加することで、各セルに対し、情報の書き込み、 保持、 読み出しが可能となる。
ここで、 ビットラインドライバから印加する電圧には、 書き込み時の選択、 非 選択用の高電位と、 読み出し時の選択用の （やや） 高めの電位、 非使用時又はメ モリー内容消去用の低電位のほかに、 （やや）高めと低電圧との中間の電位である 保持電位の 4つの電圧が設定できる必要がある。 したがって、 このビットライン ドライバは、 通常のダイナミック RAM等のドライバより複雑になることは避け られないものの、 保持電位を印加すれば、 ある種のスタティック R AMを構成で ぎる。
そして、 このメモリーは、 電圧をヒステリシスループ範囲以下に一且下げるこ とにより、 メモリー内容を消去できることから、 例えば、 このメモリー自体が持 ち出されるなどの予期しない
不正なアクセスを受けた場合、 電圧低下によりメモリー内容が消失され、 メモリ 一内容の漏洩を未然に防止できる。 このような特性から、 個人情報等の一時的な 外部記憶として、 特に有用である。 産業上の利用可能性
本発明は、 支配的に作用する物理現象がアバランシェ ·ブレークダウン現象で あることに着想を得たことに基づいて、 小型化により検出感度が低下するといつ た従来想定されていた素子のダウンスケール化に伴うデメリットを克服すると同 時に、 素子の高速化及び低電圧化をともに達成することができたものである。 し力 も、 本発明は、 製造プロセスは非常に簡単で、 既存の半導体薄膜製造プロ セスとの整合性もよく、 室温でも十分動作するものであることから、 非常に有益 な技術となることが記載される。
そして、 その磁気特性から、 ハードディスクドライブヘッドへの適用はもちろ んのこと、 磁気センサ、 メモリー等広範な用途への本発明の適用が期待される。

Claims

請求の範囲
1 . 半導体領域上に、 相互に離隔した導電領域と、 1 0 0 / m以下の間隔をも つて配置された 2つの電極部を備え、 前記各導電領域は、 該導電領域間に介在す る前記半導体領域からなる少なくとも 1つのジャンクションによって電気的に接 続するとともに、 前記両電極部は、 前記導電領域および少なくとも 1つの前記ジ ヤンクションを介して電気的に接続することを特徴とする磁気抵抗スィツチ効果 素子。
2 . 前記導電領域間に介在するジャンクション長さが、最短部で、 1〜3 O nm であることを特徴とする請求項 1記載の磁気抵抗スィツチ効果素子。
3 . 前記導電領域間に介在するジャンクション長さが、最短部で、 l〜1 0 nm であることを特徴とする請求項 1記載の磁気抵抗スィツチ効果素子。
4 . 前記導電領域と前記電極部が、 一体成形されていることを特徴とする請求 項 1〜 3の何れか 1項記載の磁気抵抗スィッチ効果素子。
5 . 前記導電領域が、 前記半導体領域中に島状に分布し、 少なくとも 1つの島 状の導電領域が他の導電領域に対し半導体領域を介して孤立していることを特徴 とする請求項 1〜4の何れか 1項記載の磁気抵抗スィツチ効果素子。
6 . 前記導電領域が、 堆積法により形成された被膜からなり、 該被膜の一部を 所要のエッチング法により除去することにより、 前記ジャンクションとしたもの であることを特徴とする請求項 1〜4の何れか 1項記載の磁気抵抗スィツチ効果 素子。
7 . 少なくとも前記導電領域および前記半導体領域を覆う絶縁材からなるキヤ ップ層を更に備えることを特徴とする請求項 1〜 6の何れか 1項記載の磁気抵抗 スィッチ効果素子。
8 . さらに少なくとも、 該ギャップ部近傍に対しバイアス磁界を付与する手段 を備え、 磁界強度の変化に対する電極間の電気抵抗の変化の度合いを調整するこ とができることを特徴とする請求項 1〜 7の何れか 1項記載の磁気抵抗スィツチ 果素子を用レ、た磁気感応装置。
9 . さらに、 前記両電極間に印加する電圧を制御する電圧制御手段を設け、 該 電圧制御手段と前記パイァス磁界付与手段を制御することにより、 信号の書き込 み、 保持、 読み出し、 消去を可能にした請求項 8記載の磁気抵抗スィッチ効果素 子を用いた磁気感応装置。
1 0 . 磁気センサ用である請求項 8記載の磁気感応装置。
1 1 . メモリー用である請求項 9記載の磁気感応装置。
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