WO2005086250A1 - トンネルジャンクション素子 - Google Patents

トンネルジャンクション素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2005086250A1
WO2005086250A1 PCT/JP2005/003099 JP2005003099W WO2005086250A1 WO 2005086250 A1 WO2005086250 A1 WO 2005086250A1 JP 2005003099 W JP2005003099 W JP 2005003099W WO 2005086250 A1 WO2005086250 A1 WO 2005086250A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tunnel junction
ferromagnetic
electrode
oxygen deficiency
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/003099
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshinori Tokura
Masashi Kawasaki
Hiroshi Akoh
Hiroyuki Yamada
Yuji Ishii
Hiroshi Sato
Yoshio Kaneko
Original Assignee
National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Japan Science And Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology, Japan Science And Technology Agency filed Critical National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority to US10/591,246 priority Critical patent/US7485937B2/en
Priority to JP2006510651A priority patent/JPWO2005086250A1/ja
Publication of WO2005086250A1 publication Critical patent/WO2005086250A1/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3909—Arrangements using a magnetic tunnel junction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/40—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials of magnetic semiconductor materials, e.g. CdCr2S4
    • H01F1/401—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials of magnetic semiconductor materials, e.g. CdCr2S4 diluted
    • H01F1/407—Diluted non-magnetic ions in a magnetic cation-sublattice, e.g. perovskites, La1-x(Ba,Sr)xMnO3
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/20—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates by evaporation
    • H01F41/205—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates by evaporation by laser ablation, e.g. pulsed laser deposition [PLD]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y10T428/1114—Magnetoresistive having tunnel junction effect

Definitions

  • the present invention relates to a tunnel junction element, and is used for a magnetic head necessary for reading out information stored by magnetism. Furthermore, this technology can be applied to technology related to TMR (tunnel magnetoresistive) devices, which will be applied to magnetic memory devices.
  • TMR tunnel magnetoresistive
  • a node disk drive (HDD) that uses magnetic recording has the features of large capacity, non-volatility, and low cost, and is at the core of storage devices.
  • applications to AV devices such as video recorders and car navigation systems have been expanding by using PCs, and the field is expanding.
  • Such a field demands endless miniaturization of the memory size.
  • a memory capacity of 100 Gbpsi can be achieved with a magnetic material size of 30 nm (300 A) in 2004, and a memory capacity of 100 Gbpsi can be achieved with a magnetic material size of about 10 nm (100 A) in 2010! /
  • the TMR element can be applied not only as a magnetic sensor but also as a magnetic memory.
  • IBM has already announced its joint development plan to bring 256Mbit-MRAM to the market in 2004, and it is beginning to take on even more importance.
  • Patent document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-11330
  • Non-Patent Document 1 Ohashi et al, NEC Low Resistance Tunnel Magnetoresistive Head ", IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 36, No. 5, pp. 254 9-2553, 2000
  • Non-Patent Document 2 M. Bowen et al. Appl. Phys. 82 (2003) 233
  • Non-Patent Document 3 M. Kawasaki, Y. Tokura et al, Jpn.J. Appl. Phys. Vol. 42 (
  • a TMR element is an element that utilizes a spin-polarized tunnel magnetoresistance effect in a ferromagnetic (including ferrimagnetic) tunnel junction (junction).
  • Ferromagnetic (including ferrimagnetic) tunnel junctions have a sandwich structure in which a transition metal such as iron is used as a ferromagnetic (including ferrimagnetic) metal layer and a sufficiently thin insulator film such as A1O is sandwiched between them. are doing.
  • the basic physical phenomenon is based on the fact that the spin direction of the upper and lower ferromagnetic (including ferrimagnetic) layers changes the probability that conduction electrons can tunnel through the insulating layer barrier. It has been shown that when a ferromagnetic (including ferrimagnetic) metal layer that constitutes a TMR element is made of a Besquitite-type oxide, an even higher MR ratio can be obtained than when a normal transition metal is used. (Non-Patent Document 2 above). The MR ratio of this device actually exceeds 1800% at 4K. Such a TMR element is called a CMR (colossal magnetoresistive) element.
  • an object of the present invention is to provide an element that can control the spin holding force even at room temperature.
  • the magnetic field starts from a sufficiently strong magnetic field in which the external magnetic field is to the left (the magnetic field is in the negative direction) and the spins of the upper and lower ferromagnetic electrodes are to the left [state (1)].
  • the external magnetic field is reduced, crosses zero, and is applied to the rightward magnetic field, the spin of the lower ferromagnetic electrode reverses to the right with a low external magnetic field of Hcl.
  • the external magnetic field strength of He 1 is defined as the strength of the spin holding power of the lower ferromagnetic electrode. If this Hcl is small, the spin direction can be reversed with a small magnetic field.
  • the spin coercive force of the upper ferromagnetic electrode is Hc2
  • Hc2> H> Hcl [state (2)] the spin of the lower ferromagnetic electrode turns right, but the upper ferromagnetic electrode Keep left, facing left.
  • the resistance value of the TMR element in the spin state (2) is larger than that in the state (1).
  • the external magnetic field strength to the right increases and H> Hc2 (state (3))
  • the spin directions of the upper ferromagnetic electrode are reversed to the right, and the upper and lower spin directions become parallel, and the resistance of the element becomes higher. Becomes smaller.
  • FIG. 2 shows the resistance change at this time.
  • FIG. 3 shows the relationship between the TMR element and the storage medium.
  • the TMR element is located close to the storage medium and reads the stray magnetic field generated from the spin domain embedded in the storage medium. This leakage magnetic field is read as the external magnetic field to the TMR element, and the change in the external magnetic field is read as the change in resistance.
  • the 0, 1 information embedded in the storage medium is read as a resistance change between both electrodes of the TMR element.
  • the change of the external magnetic field corresponding to the data to 01 is read.
  • Hc2 when the difference between the values of Hc2 and Hcl is small, that is, when the difference between the holding forces of the upper and lower ferromagnetic electrodes is small, a variation in the resistance value occurs, and the device does not operate. If Hc2 is too large, the sensitivity to an external magnetic field decreases. In this case, the strength of the magnetization of the storage medium material and the distance of the storage medium force determine the leakage magnetic field at one position of the sensor.Therefore, it should be solved that the appropriate Hc2 can be selected and controlled under these conditions. It is an indispensable task.
  • the magnetic field strength of the spin domain that stores information differs depending on the constituent material, and the domain force felt by the sensor and the stray magnetic field strength strongly depend on the arrangement relationship between the spin domain and the sensor. Therefore, controlling the holding power of the two electrodes is a very important task in practical use.
  • the difference in holding force between the two electrodes is not so large as to be practical.
  • it largely depends on the external environment (stress such as the manufacturing process and the protective film of the element), which causes the instability of the resistance characteristic of the magnetic sensor element, which is a major problem to be solved.
  • the inventors of the present application have developed a belovskite-type ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive oxide composed of a plurality of transition metal elements, each having a different composition.
  • a belovskite-type ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive oxide composed of a plurality of transition metal elements each having a different composition.
  • materials (Claim 1).
  • one electrode is a perovskite-type ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive oxide composed of a Mn transition metal element
  • the other electrode is a perovskite-type ferromagnet (contained of a Mn and Ru transition metal element). It may be a conductive oxide (including ferrimagnetism)! (Claim 2).
  • the ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive solid material of one of the two electrodes that make up the device is La Sr MnO
  • An element having a structure composed of electrodes with y ⁇ x and ⁇ being the amount of oxygen deficiency) and an electrical insulating layer sandwiched between these electrodes may be used (claim 3).
  • the electrode constituting the element is La Sr
  • This electrode is made of a ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive solid material that uses La Sr MnO-type oxide (0.2 ⁇ x ⁇ 0.5) through an electrical insulating layer.
  • ⁇ is oxygen
  • the electrically insulating layer is made of ABMM 'O-type oxide (0 ⁇ ⁇ 1, 0 ⁇ 7 ⁇ 1,
  • ⁇ is the amount of oxygen deficiency
  • ⁇ is an alkaline earth element such as Ca, Sr, Ba or a rare earth element such as La
  • B is an alkali other than A such as Ca, Sr, Ba etc.
  • Earth element or rare earth element such as La, element composed of Y, Bi, Pb, transition metal element such as Mn, Fe, Co, Ni, Cu as M, Mn other than M as M ', Fe, Co, Ni, It is an element that is an electrical insulating layer using a transition metal element such as Cu (Claim 5). Further, the electric insulating layer may be an element made of SrTiO ( ⁇ is the amount of oxygen deficiency) (claim 6).
  • the electrical insulating layer may be an element having LaAlO ( ⁇ is the amount of oxygen deficiency) (claim 7).
  • the device according to any one of the above, wherein at least one of the ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive solid material constituting an electrode and a solid material constituting an electrically insulating layer sandwiched between these electrodes. May be a device manufactured by a pulsed laser deposition method (claim 8). In the device manufactured by the pulsed laser deposition method, a solid material of La Sr Mn Ru O type oxide (0.2 ⁇ x ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ x, ⁇ is oxygen deficiency)
  • the La Sr Mn Ru O-type oxide (0.2 ⁇ x ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ x, ⁇ is oxygen
  • La Sr Mn Ru O type oxidized product (0.2 ⁇ x ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ x, ⁇ is an acid
  • the substrate temperature is from 750 ° C to 900 ° C and the oxygen atmosphere pressure is 133mPa (lmTorr).
  • These devices were manufactured under the manufacturing conditions of 13.3 Pa (1 OOmTorr) (Claim 10).
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of magnetic characteristics of a tunnel junction element and upper and lower ferromagnetic electrodes.
  • FIG. 2 is an external magnetic field response characteristic of a resistance of a tunnel junction element.
  • FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a tunnel junction element and a storage medium.
  • FIG. 4 is a diagram comparing the structures of a tunnel junction element that is useful in the present invention and a conventional tunnel junction element.
  • FIG. 5 is a schematic view of a structure of a tunnel junction element that is useful in the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of a tunnel junction element showing an example of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a method for manufacturing a tunnel junction element showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the temperature characteristics of magnetization and the hysteresis curve of the magnetization of the ferromagnetic electrodes LSMRO and LSMO of the tunnel junction element of the present invention.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram of controlling the spin coercive force of the tunnel junction element of the present invention by the lattice constant.
  • FIG. 10 is a diagram showing a magnetic hysteresis curve of an LSM OZLAOZLSMRO structure multilayer film having the same film configuration as the tunnel junction element shown in the example of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing a tunnel resistance ratio of the tunnel junction element of the present invention.
  • a B M M 'O type oxide (0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l, ⁇ is the amount of oxygen deficiency).
  • Alkaline earth elements such as Ca, Sr, Ba or rare earth elements such as La, elements such as Y, Bi, Pb, and B other than A other alkaline earth elements such as Ca, Sr, Ba or rare earth such as La Earth element, element composed of Y, Bi, Pb, transition metal element such as Mn, Fe, Co, Ni, Cu as M, transition metal element such as Mn, Fe, Co, Ni, Cu other than M as M '
  • It has a structure that consists of electrodes made of a ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive solid material and an electrically insulating layer sandwiched between these electrodes.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of a tunnel junction element according to the present invention.
  • 1 is the lower metal
  • 2 is the AB M ⁇ 'O-type oxide ferromagnetism (including ferrimagnetism)
  • Conductive electrode, 3 is AB M M 'O-type oxide electrically insulating layer, 4 is AB M M
  • one of the two electrodes constituting the element is AB M M '
  • O-type oxide ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive electrode the other electrode is A B M
  • M'O (y ⁇ y ') type oxide ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive electrodes It has M'O (y ⁇ y ') type oxide ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive electrodes.
  • one of the two electrodes constituting the device is an AB MnO type oxide (0 ⁇ 1, ⁇ is the amount of oxygen deficiency), and A is Ca, Sr , Ba lx x 3- ⁇
  • alkaline earth element or rare earth element such as La, element consisting of ⁇ , Bi, Pb, B is other than A Alkaline earth element such as Ca, Sr, Ba or rare earth element such as La, Y, Bi, Pb
  • ⁇ is the amount of oxygen deficiency) and has an electrode which is a ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive solid material.
  • one of the two electrodes constituting the device is made of a La Sr MnO type oxide (0.2 ⁇ x ⁇ 0.5, ⁇ is an oxygen deficiency).
  • the electrode made of a conductive solid material (including magnetism) and the other electrode are La Sr Mn Ru O
  • the electrode constituting the device is a La Sr MnO type oxide (0.2
  • Electrodes made of a magnetic (including ferrimagnetic) conductive solid material are placed on the La Sr MnO type oxide (0.2 ⁇ x ⁇ 0.5, ⁇ is the amount of oxygen deficiency) via an electrical insulating layer.
  • the electrical insulating layer is formed of an ABMM'O-type oxide (0 ⁇ x
  • ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ l, ⁇ is the amount of oxygen deficiency
  • ⁇ is an alkaline earth element such as Ca, Sr, Ba or a rare earth element such as La, an element consisting of Y, Bi, Pb, and B Ca, Sr, Ba other than
  • Alkaline earth elements such as La or rare earth elements such as La, elements composed of Y, Bi, Pb, M as transition metal elements such as Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and M 'other than M as Mn, Fe , Co, Ni, Cu, etc. are used.
  • the electrical insulating layer is made of SrTiO 3 or LaAlO ( ⁇ is an acid
  • At least the above-mentioned ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive solid material constituting an electrode and at least the solid material constituting an electrically insulating layer sandwiched between these electrodes are provided.
  • ⁇ x ⁇ 0.5, 0 ⁇ y ⁇ x, ⁇ is the amount of oxygen deficiency) is made from a material that shows a lattice constant of 3.82 angstroms to 3.87 angstroms.
  • ⁇ x, ⁇ is the amount of oxygen deficiency
  • the substrate temperature should be between 750 ° C and 900 ° C and the oxygen atmosphere pressure was manufactured under the conditions of 133 mPa (ImTorr) and 13.3 Pa (100 mTorr).
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a tunnel junction element showing a specific example of the present invention.
  • 11 is a lower metal
  • 12 is a ferromagnetic metal material of a lower ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive electrode La Sr MnO
  • 13 is LaAlO (electrically insulating layer)
  • 14 is an upper layer
  • Ferromagnetic material including ferrimagnetic Ferromagnetic metal material of conductive electrode La Sr Mn Ru O
  • FIG. 7 is a diagram showing a method of manufacturing the tunnel junction element shown in FIG. 6 by a pulse laser deposition method.
  • a conductive electrode was formed on the lower electrode by a pulsed laser deposition method.
  • the polar ferromagnetic metal material La Sr MnO (LSMO) is formed (Step SI). next,
  • LaAlO electrically insulating layer
  • a ferromagnetic metal material La Sr Mn Ru O (LSMRO) for the conductive electrode is laminated thereon by a pulse laser deposition method.
  • LSMRO ferromagnetic metal material
  • FIG. 8 shows the temperature dependence of the magnetization of La Sr MnO (LSMO). Spin's
  • the holding power (Hcl) was 10 Oe or less as shown in FIG. 8 (b).
  • Figure 8 shows the substrate temperature under the conditions of manufacturing La Sr Mn Ru O (LSMRO) by pulsed laser deposition.
  • FIG. 8 (a) shows the temperature dependence of the magnetic field and the magnetic field hysteresis curve when the oxygen partial pressure was changed.
  • the manufacturing conditions were (1) 850 ° C, 133mPa (lmTorr), (2) 840 ° C, 6.650Pa (50mTorr), (3) 790. C, 6.650 Pa (50 mTorr).
  • La Sr M
  • the holding power of 0.6 0.4 1-y y 3- ⁇ (LSMRO) can be controlled by properly selecting its lattice constant, as shown in Fig. 9. Its lattice constant is determined by the laser irradiation target material La Sr Mn Ru O
  • the substrate temperature ranges from 750 ° C to 900 ° C
  • the oxygen partial pressure ranges from 133 mPa (lmTorr) to 13.3 Pa (100 mTorr).
  • FIG. 10 shows a hysteresis curve of the multilayer film LSMOZLAOZLSMRO constituting the tunnel junction element.
  • LSMO La Sr MnO
  • Fig. 11 shows the MR ratio of a junction element with electrodes at the top and bottom.
  • the mouth is doped with Ru
  • Ru This is the MR ratio of the tunnel junction element in the case of the LSMOZLAOZLSMO structure with no film configuration.
  • ⁇ is the MR ratio of the tunnel junction element in the case of the LSMOZL AOZLSMRO structure, which is a Ru-doped film configuration that is useful in the present invention.
  • Ru-doped film configuration that is useful in the present invention.
  • the tunnel junction element in the case of the LSMOZLAOZLSMRO structure can be made of a Mn oxide material having a spin polarization rate that is unprecedented in the tunnel junction element force that ensures a sufficient holding force.
  • the difference in holding force between the upper and lower ferromagnetic electrodes can be controlled by the manufacturing conditions at the time of film formation.
  • an appropriate spin holding force can be controlled in accordance with the strength of the magnetization of the storage medium material and the leakage magnetic field at the sensor position at the distance of the storage medium force.
  • the new CMR element can operate as a magnetic sensor that operates stably with controlled spin holding force.
  • the new CMR element based on the present invention is not limited to application to magnetic sensors.
  • This new CMR device can be applied to magnetic memory devices that are currently being rapidly developed. Also, if the spin direction of the ferromagnetic (including ferrimagnetic) conductive electrode material is maintained in an antiparallel state, it can contribute to a dramatic reduction in the tunnel current passing through the oxide film.
  • the invention can be applied not only to magnetic memories but also to basic elements of a wide range of information networks.
  • a magnetic sensor showing a controlled holding force which is a problem of a CMR element Can be provided.
  • a magnetic head capable of supporting a recording density of 100 Gbit / (inch) 2 or 1000 Gbit Z (inch) 2 .
  • a CMR element exhibiting characteristics as a constituent element of a magnetic memory comparable to DRAM and FeRAM.
  • the device of the present invention is suitable for a high-performance magnetic sensor with controlled spin holding force.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)

Abstract

　スピン保持力を制御できるトンネルジャンクション素子を提供する。 　トンネルジャンクション素子において、ＬａＡｌＯ3-δ（電気的絶縁層）１３を強磁性（フェリ磁性を含む）金属材料としてＬａ0.6Ｓｒ0.4ＭｎＯ3-δ電極１２とＬａ0.6Ｓｒ0.4Ｍｎ1-yＲｕyＯ3-δ電極１４で挟むように構成した。

Description

技術分野
[0001] 本発明は、トンネルジャンクション素子に係り、磁ィ匕によって記憶された情報を読み 出すのに必要な磁気ヘッドに利用される。またさらにこの技術は磁気メモリ素子に展 開するであろう TMR (tunnel magnetoresistive)素子に関する技術に応用できる 背景技術
[0002] 膨大な画像処理等情報のストレージデバイスに対する要求は止まる事を知らな!/、。
磁気記録を応用したノヽードディスクドライブ (HDD)は、大容量、不揮発、低価格とい う特徴を備え、ストレージデバイスとして中核的な位置を占めている。最近では PCに カロえて、ビデオレコーダなどの AV機器やカーナビゲーシヨンなどへの応用が広がり、 その巿場はさらに広がろうとしている。このような巿場はメモリサイズに関して限りない 微小化を要求している。現在の予測では、 2004年には lOOGbpsiのメモリ容量を磁 性材料サイズ 30nm(300A)で、 2010年には lOOOGbpsiのメモリ容量を磁性材料 サイズ 10nm (100 A)程度で実現できると言われて!/、る。
[0003] このような記憶を担う磁性材料の微細化、高密度化に対応するために、再生ヘッド 、もしくは磁気センサーの感度の向上も必須である。この感度は MR(magnetoresis tive)比として表現される。再生ヘッドの微小化はこれを構成するセンサー素子の M R比の向上によって実現されてきた。
[0004] この MR比に関しては、 1994年頃から MR比が 4%である GMR (giant magneto resistive)素子が開発され、実用化されつつある（下記特許文献 1)。また、現在では MR比 10%程度のものが登場しつつある。しかし、 100Gビット Z (インチ)2以上の記 憶密度になると現在の GMR素子の MR比では足りず、 10から数 10%レベルの MR 比が必要となる。
[0005] そこで、 2000年に、開発段階で MR比が 10%以上の TMR (tunnel magnetore sistive)素子が登場し、この TMR素子により、従来の GMR素子で難し力つたより高 い MR比が実現できることが示された（下記非特許文献 1)。
[0006] TMR素子は、磁気センサーとしての応用だけでなぐ磁気メモリとしての応用展開 も可能である。すでに IBMが 2004年に 256Mbit— MRAMを巿場に投入するため の共同開発計画を発表した事もあり、さらに重要性を帯び始めている。
特許文献 1：特開 2000— 11330号公報
非特許文献 1 : Ohashi et al, NEC Low Resistance Tunnel Magnetoresis tive Head", IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 36, No. 5, pp. 254 9-2553, 2000
非特許文献 2 : M. Bowen et al. Appl. Phys. 82 (2003) 233
非特許文献 3 : M. Kawasaki, Y. Tokura et al, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (
2003) L369-L372
発明の開示
[0007] TMR素子は、強磁性（フェリ磁性を含む）トンネル接合（ジャンクション）におけるス ピン分極トンネル磁気抵抗効果を利用する素子である。強磁性 (フェリ磁性を含む）ト ンネル接合は、鉄などの遷移金属を強磁性 (フェリ磁性を含む)金属層とし、これに A 1 Oなどの十分に薄い絶縁体膜を挟み込んだサンドイッチ構造をしている。 TMRの
2 3
基本的な物理現象は上下の強磁性 (フェリ磁性を含む)層のスピンの向きによって、 伝導電子が絶縁層の障壁をトンネルできる確率が変化することに起因している。 TM R素子を構成する強磁性 (フェリ磁性を含む)金属層にべ口ブスカイト型酸化物を使 用すると、通常の遷移金属を使ったものよりさらに大きな MR比が得られることが示さ れている（上記非特許文献 2)。この素子の MR比は、実に 4Kにおいて 1800%を超 える。このような TMR素子を CMR (colossal magnetoresistive)素子と呼ぶ。
[0008] ぺロブスカイト型酸化物を強磁性 (フェリ磁性を含む)金属層に使用した CMR素子 においては、従来の TMR素子特性を大きく凌駕する特性が期待できるが、実用上 問題となる課題としてスピン保持力を制御する困難性がある。
[0009] 本発明は、上記状況に鑑みて、室温下においても、スピン保持力を制御できる素子 を提供することを目的とする。
[0010] CMR素子の実用化にあたって、上部強磁性電極と下部強磁性電極のスピンの保 持力差をつける必要がある。その理由を図 1, 2を用いて説明する。下部強磁性電極 のスピンの向き及びこのときの磁ィ匕ヒステリシス曲線を実線で、上部強磁性電極のス ピンの向き及びヒステリシス曲線を破線で示す。
[0011] 今、外部磁場が左向き (磁場がマイナス方向）で上下強磁性電極のスピンが左に向 く十分強い磁場からスタートする〔（1)の状態〕。外部磁場を減少させゼロを横切り、 右向き磁場に印加し出すと Hclの低い強度の外部磁場で下部強磁性電極のスピン は右向きに反転する。この He 1の外部磁場強度を下部強磁性電極のスピンの保持 力の強さと定義する。この Hclが小さいと、小さい磁場でスピンの向きを反転すること ができる。上部強磁性電極のスピン保持力を Hc2とすると、外部磁場 Hが Hc2>H >Hclにおいては〔（2)の状態〕、下部強磁性電極のスピンは右に向くが、上部強磁 性電極は左に向 、たままである。 (2)のスピン状態での TMR素子の抵抗値は（1)の 状態に対して大きくなる。さらに右向きの外部磁場強度が大きくなり、 H>Hc2となる 〔（3)の状態〕と、上部強磁性電極のスピンの向きは右向きに反転し、上下のスピンの 向きは平行となり素子の抵抗値は小さくなる。さらに (4)、 （5)、 （6)の状態を通過し、 (1)の状態に戻る。このときの抵抗変化を図 2に示した。外部磁場 Hが Hc2>H>H clにお 、て〔 (2)の状態〕、もしくは外部磁場が負の場合の（5)にお 、て、 TMR素子 の抵抗値は大きくなる。
[0012] 図 3に、 TMR素子と記憶媒体との関係を示した。 TMR素子は記憶媒体の近接した 位置に配置され、記憶媒体に埋め込まれたスピンドメインから発生する漏れ磁場を読 み取る。この漏れ磁場を TMR素子に対する外部磁場として、その外部磁場の変化を 抵抗値の変化として読み取るわけである。こうして、記憶媒体に埋め込まれた 0, 1情 報を TMR素子の両電極間の抵抗変化として読み取る。図 3に示した例の場合 0 1 へのデータに対応する外部磁場の変化を読み取る。この場合、 Hc2、 Hclの値の差 力 、さい場合、すなわち上下強磁性電極の保持力差が小さい場合、抵抗値のバラッ キが発生し、ひいては動作しなくなる。 Hc2が大きすぎても外部磁場に対する感度が 低くなる。この場合、記憶媒体材料の磁化の強さや、記憶媒体力ゝらの距離でセンサ 一位置での漏れ磁場が決まるので、これらの条件下で適切な Hc2を選択、制御でき ることが解決すべき必須の課題となる。 [0013] 上下強磁性電極にベロブスカイト型強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性酸化物材料 を用いた場合、この保持力を制御することが実用上の大きな課題の一つであった。こ の保持力を制御する一つの方法は、図 4 (a)に示すように、強磁性電極の形状を制 御して磁気異方性を与える方法である。下部強磁性電極構造を凸形状にすることに よって、上部強磁性電極より高い外部磁場でのスピン保持力を得ている（上記非特 許文献 3)。しかし、実用化にあたっては、上下の強磁性電極の保持力差がきちんと 制御される必要がある。すなわち、情報を記憶したスピンドメインの磁ィ匕強度は、その 構成する材料によっても異なるし、センサーの感じるドメイン力もの漏れ磁場強度は、 スピンドメインとセンサーとの配置関係にも強く依存することになるから、二つの電極 の保持力を制御することは実用上大変重要な課題となる。上記従来例のような形状 効果を利用したストレスなどの制御方法では、両電極の保持力差は実用に供するほ ど大きくない。また、外部環境 (製造プロセスや素子の保護膜など力ものストレス）に 大きく依存し、磁気センサー素子の抵抗特性の不安定要因を引き起こすため、解決 すべき大きな課題となる。
[0014] 本願発明者らは、上下強磁性電極の保持力を制御するために、複数の遷移金属 元素からなるベロブスカイト型強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性酸化物で、それぞれ 異なる組成の材料を用いればよいことを発明した (請求項 1)。また、一つの電極が M n遷移金属元素からなるベロブスカイト型強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性酸化物で あって、他方の電極が Mnと Ru遷移金属元素からなるベロブスカイト型強磁性（フェリ 磁性を含む)導電性酸化物であってもよ!ヽ (請求項 2)。素子を構成する二つの電極 のうち何れか一方の強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料を La Sr MnO
1-x x 3- δ 型酸化物 (0. 2≤χ≤0. 5、 δは酸素欠損量)とした電極と、他方の強磁性 (フェリ磁 性を含む）導電性固体材料を La Sr Mn Ru O 型酸ィ匕物（0. 2≤x≤0. 5、 0く
1-χ χ i-y y 3 - δ
y≤x、 δは酸素欠損量）とした電極と、これらの電極に挟まれた電気的絶縁層とから なる構造をもつ素子であってもよい (請求項 3)。前記素子を構成する電極が La Sr
1-x x
MnO 型酸化物（0. 2≤x≤0. 5、 δは酸素欠損量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を 含む)導電性固体材料からなる電極で素子を支持する基板側に形成された電極と、 これと異なる La Sr Mn Ru O 型酸化物（0. 2≤χ'≤0. 5、 0<y≤x、 δは酸 素欠損量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料からなる電極であつ て、電気的絶縁層を介して、 La Sr MnO 型酸化物（0. 2≤x≤0. 5、 δは酸素
l 3
欠損量)導電性電極材料の上部に配置された構造をもつ素子であってよ!ヽ (請求項
4)。前記の電気的絶縁層は、 A B M M' O 型酸化物（0≤ ≤1、0≤7≤1、
1— 1 3
δは酸素欠損量)で、 Αとして Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの 希土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Bとして A以外の Ca, Sr, Baなどのアルカリ 土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Mとして Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属元素、 M' として M以外の Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの 遷移金属元素を用いた電気的絶縁層である素子である（請求項 5)。また、前記の電 気的絶縁層は、 SrTiO ( δは酸素欠損量)である素子であってよい（請求項 6)。ま た、前記の電気的絶縁層は、 LaAlO ( δは酸素欠損量)である素子であってよい（ 請求項 7)。上記の何れか一項記載の素子において、電極を構成する前記強磁性（ フェリ磁性を含む)導電性固体材料と、これらの電極に挟まれた電気的絶縁層を構成 する固体材料の少なくとも一つはパルスレーザー堆積法にて製造された素子であつ てよい (請求項 8)。前記のパルスレーザー堆積法にて製造された素子において、 La Sr Mn Ru O 型酸化物（0. 2≤x≤0. 5、 0<y≤x、 δは酸素欠損量）固体材
1 1 3
料を強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極としてパルスレーザー堆積法を用いて製 造する場合、 La Sr Mn Ru O 型酸ィ匕物（0. 2≤x≤0. 5、 0<y≤x、 δは酸素
1 1 3
欠損量）の格子定数が 3. 82オングストロームから 3. 87オングストロームを示す材料 で製造された素子である（請求項 9)。前記のパルスレーザー堆積法にて製造された 素子において、: La Sr Mn Ru O 型酸ィ匕物（0. 2≤x≤0. 5、 0<y≤x、 δは酸
1 1 3
素欠損量）固体材料を強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極としてパルスレーザー 堆積法を用いて製造する場合、基板温度が 750°Cから 900°Cで酸素雰囲気圧力を 133mPa (lmTorr)力ら 13. 3Pa ( 1 OOmTorr)の製造条件で製造された素子であ る（請求項 10)。
図面の簡単な説明
[図 1]トンネルジャンクション素子と上下強磁性電極の磁ィ匕特性の説明図である。
[図 2]トンネルジャンクション素子の抵抗の外部磁場応答特性図である。 [図 3]トンネルジャンクション素子と記憶媒体との関係を示す図である。
[図 4]本発明に力かるトンネルジャンクション素子と従来のトンネルジャンクション素子 との構造を比較した図である。
[図 5]本発明に力かるトンネルジャンクション素子の構造の模式図である。
[図 6]本発明の実施例を示すトンネルジャンクション素子の模式図である。
[図 7]本発明の実施例を示すトンネルジャンクション素子の製造方法を示す図である
[図 8]本発明のトンネルジャンクション素子の強磁性電極 LSMRO, LSMOの磁化の 温度特性と磁ィ匕ヒステリシス曲線を示す図である。
[図 9]本発明のトンネルジャンクション素子のスピン保持力の格子定数による制御特 '性図である。
[図 10]本発明の実施例に示したトンネルジャンクション素子と同じ膜構成である LSM OZLAOZLSMRO構造多層膜の磁ィ匕ヒステリシス曲線を示す図である。
[図 11]本発明のトンネルジャンクション素子のトンネル抵抗比を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0016] A B M M' O 型酸化物（0≤x≤l、 0≤y≤l、 δは酸素欠損量）で、 Aとし
1 1 3
て Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi, Pb力ら なる元素、 Bとして A以外の Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希 土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Mとして Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属 元素、 M' として M以外の Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属元素を用いた強磁 性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料カゝらなる電極と、これと異なる成分比 y≠y'か らなる A B M M' O 型酸化物（0≤x'≤l、 0<y'≤l、 δは酸素欠損量）
1 1 3
を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料からなる電極と、これらの電極 に挟まれた電気的絶縁層とからなる構造を有する。
実施例
[0017] 図 5は本発明に力かるトンネルジャンクション素子の断面模式図である。この図にお いて、 1は下部金属、 2は A B M Μ' O 型酸化物強磁性 (フェリ磁性を含む）
1 1 3
導電性電極、 3は A B M M' O 型酸化物電気的絶縁層、 4は A B M M
1 1 3- 1 1 ' O (y≠y ' )型酸化物強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極、 5は上部金属で y' 3- δ
ある。
[0018] すなわち、素子を構成する二つの電極のうち何れか一方の電極は A B M M'
1-χ χ 1 y y
O 型酸化物強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極、他方の電極は A B M
3- δ Ι-χ' x， 1-y'
M' O (y≠y ' )型酸化物強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極を有する。
y' 3- δ
[0019] ここで、上記素子において、素子を構成する二つの電極のうち何れか一方の電極 は A B MnO 型酸化物（0≤χ≤1、 δは酸素欠損量）で、 Aとして Ca, Sr, Baな l-x x 3- δ
どのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Υ, Bi, Pbからなる元素、 Bとし て A以外の Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi , Pbからなる元素を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料からなる電極 で、他方の電極は、これと異なる A B Mn Ru O 型酸化物（0≤χ'≤ 1、 0<y
Ι-χ' x， 1 - y， y， 3 - δ
'≤1、 δは酸素欠損量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料力ゝらな る電極を有する。
[0020] また、上記素子において、素子を構成する二つの電極のうち何れか一方の電極は La Sr MnO 型酸化物（0. 2≤x≤0. 5、 δは酸素欠損量）とした強磁性（フェリ l-x X 3- δ
磁性を含む）導電性固体材料からなる電極と、他方の電極は La Sr Mn Ru O
l-χ x 1-y y 3 - δ型酸化物（0. 2≤x'≤0. 5、0<y≤x、 δは酸素欠損量)を用いた強磁性 (フェリ 磁性を含む)導電性固体材料からなる電極を有する。
[0021] また、上記素子において、素子を構成する電極が La Sr MnO 型酸化物（0. 2
l-x X 3- δ
≤χ≤0. 5、 δは酸素欠損量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料 からなる電極で素子を支持する基板側に形成された電極と、これと異なる La Sr
l-x' x，
Mn Ru O 型酸ィ匕物（0. 2≤x，≤0. 5、0<y≤x、 δは酸素欠損量）を用いた強 l-y y 3- δ
磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料からなる電極は電気的絶縁層を介して、 La Sr MnO 型酸化物（0. 2≤x≤0. 5、 δは酸素欠損量)導電性電極材料の上部 l-x X 3- δ
に配置された構造を有する。
[0022] また、上記素子において、電気的絶縁層は、 A B M M' O 型酸化物（0≤x
1-χ χ l-y y 3 - δ
≤1、 0≤y≤l、 δは酸素欠損量）で、 Αとして Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素も しくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Bとして A以外の Ca, Sr, Ba などのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Mと して Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属元素、 M' として M以外の Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属元素を用いる。
[0023] また、上記素子において、電気的絶縁層は、 SrTiO 、もしくは LaAlO ( δは酸
3 - δ 3 - δ 素欠損量)である。
[0024] また、上記素子にぉ ヽて、電極を構成する前記強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性 固体材料と、これらの電極に挟まれた電気的絶縁層を構成する固体材料の少なくと も一つはパルスレーザー堆積法にて製造するようにした。
[0025] また、上記素子において、 La Sr Mn Ru O 型酸ィ匕物（0. 2≤x≤0. 5、 0<y
1-χ χ 1-y y 3- o
≤χ、 δは酸素欠損量）固体材料を強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極としてパ ルスレーザー堆積法を用いて製造する場合、 La Sr Mn Ru O 型酸化物（0. 2
1-χ χ 1-y y 3 - δ
≤x≤0. 5、0<y≤x、 δは酸素欠損量）の格子定数が 3. 82オングストロームから 3 . 87オングストロームを示す材料で製造するようにした。
[0026] また、上記素子において、 La Sr Mn Ru O 型酸ィ匕物（0. 2≤x≤0. 5、 0く y
1-χ χ 1-y y 3- o
≤x、 δは酸素欠損量）固体材料を強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極としてパ ルスレーザー堆積法を用いて製造する場合、基板温度が 750°Cから 900°Cで酸素 雰囲気圧力を 133mPa (ImTorr)力ら 13. 3Pa (lOOmTorr)の製造条件で製造す るよつにした。
[0027] 図 6は本発明の具体例を示すトンネルジャンクション素子の断面図である。
[0028] この図において、 11は下部金属、 12は下部強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電 極の強磁性金属材料 La Sr MnO 、 13は LaAlO (電気的絶縁層）、 14は上
0.6 0.4 3- δ 3- δ
部強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極の強磁性金属材料 La Sr Mn Ru O
0.6 0.4 1-y y 3 -
、 15は上部金属である。
s
[0029] これらの強磁性金属材料 12, 14、電気的絶縁層 13はパルスレーザー堆積法で積 層した。
[0030] 図 7はパルスレーザー堆積法による図 6に示すトンネルジャンクション素子の製造方 法を示す図である。
[0031] この図に示すように、まず、下部電極上にパルスレーザー堆積法により、導電性電 極の強磁性金属材料 La Sr MnO (LSMO)を形成する（ステップ SI)。次に、
3- S
その上にパルスレーザー堆積法により、 LaAlO (電気的絶縁層）を積層する (ステ ップ S2)。次に、その上にパルスレーザー堆積法により、導電性電極の強磁性金属 材料 La Sr Mn Ru O (LSMRO)を積層する。最後に、その上に上部電極を
0.6 0.4 1-y y 3 - δ
形成する (ステップ S3)。
[0032] このとき La Sr MnO (LSMO)の磁化の温度依存性を図 8に示した。スピンの
0.6 0.4 3 - δ
保持力（Hcl)は、図 8 (b)に示すように 10エルステッド以下であった。図 8に、パルス レーザー堆積法による La Sr Mn Ru O (LSMRO)の製造条件の基板の温
0.6 0.4 1-y y 3- δ
度、酸素分圧を変化させた場合の磁ィ匕の温度依存性と磁ィ匕ヒステリシス曲線を図 8 ( a)に示した。それらの製造条件は（1) 850°C、 133mPa (lmTorr)、（2) 840°C、 6. 650Pa (50mTorr)、（3) 790。C、 6. 650Pa (50mTorr)の場合である。 La Sr M
0.6 0.4 n Ru O (LSMRO)の磁ィ匕の温度依存性とスピン保持力はその製造条件に強く
1-y y 3- δ
依存することがわかる。このときのレーザー照射をするターゲット試料は Ru濃度 y=0 . 05である La Sr Mn Ru
0.6 0.4 0.95 0.05 O 3 - δ (LSMRO)である。これらのスピンの保持力の 変化は、素子に成膜された La Sr Mn Ru O
δ (LSMRO)の格子定数によって
0.6 0.4 1-y y 3 - 記述できることを図 8に示した。すなわち、 La Sr Mn Ru O のスピ
0.6 0.4 1-y y 3- δ (LSMRO) ンの保持力は、図 9に示すように、その格子定数を適切に選べば制御できる。その格 子定数は、製造条件であるレーザー照射ターゲット材料である La Sr Mn Ru O
0.6 0.4 1-y y
(LSMRO)である Ru濃度や、基板温度、酸素分圧を適切に決めて製造すればよ い。この場合、基板温度は 750°C力ら 900°C、酸素分圧は 133mPa (lmTorr)から 1 3. 3Pa (100mTorr)の範囲である。
[0033] 図 10に、トンネルジャンクション素子を構成する多層膜 LSMOZLAOZLSMRO の磁ィ匕ヒステリシス曲線を示した。この図から明らかなように、数 Oeの外部磁場の印 カロに La Sr MnO (LSMO)のスピンのみが外部磁場方向に揃いだす。このとき
0.6 0.4 3- δ
シヨンの抵抗は大きくなる。次に 300Oe付近の外部磁場強度力も La
Sr Mn Ru O (LSMRO)のスピンが揃いトンネルジャンクションの抵抗は小さ
0.6 0.4 1-y y 3- δ
くなる。このときの飽和磁ィ匕は 3 /ζ Βの磁ィ匕強度を示す。次に実際に上部下部に電極 を備えたジャンクション素子における MR比を図 11に示す。口は、 Ruをドープしてい ない膜構成である LSMOZLAOZLSMO構造の場合のトンネルジャンクション素 子の MR比である。♦は、本発明に力かる Ruをドープした膜構成である LSMOZL AOZLSMRO構造の場合のトンネルジャンクション素子の MR比である。前者と比 較して後者は外部磁ィ匕に対する高抵抗範囲が広ぐ保持力が大きくなつていることが 分かる。
[0034] このことから、 LSMOZLAOZLSMRO構造の場合のトンネルジャンクション素子 において保持力をきちんと確保したトンネルジャンクション素子力 他に例をみないス ピン偏極率をもつ Mn酸ィ匕物材料で構成できることが分かる。また、成膜時の製造条 件によって、上下強磁性電極の保持力差を制御できる。この結果、記憶媒体材料の 磁化の強さや、記憶媒体力 の距離にセンサー位置での漏れ磁場に相応して、適切 なスピンの保持力を制御できる。
[0035] 本発明によれば、新 CMR素子は、スピン保持力が制御され、安定的に動作する磁 気センサーとして動作することが可能となる。このことにより、 100Gビット、テラビット領 域の巨大な磁気メモリデバイスを提供する事が可能になり、今後の巨大情報量を扱う 情報通信を担うにふさわしい巨大メモリを提供することが可能となる。また、この発明 に基づく新 CMR素子は磁気センサーへの応用にとどまらな 、。この新 CMR素子は 、現在急速に開発されようとしている磁気メモリ素子に応用展開することが可能である 。また、強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性電極材料のスピンの向きを反並行状態に 保持した場合、酸ィ匕膜を通過するトンネル電流の劇的な低減に寄与することができる ことから DRAM素子の容量用酸ィ匕膜に応用展開をは力ることも可能であろう。また、 微小領域の磁場を敏感に検知することが可能であるから、たとえば微小磁石を一方 に配置し、他方に本発明による磁気センサーを搭載すれば、開閉センサー (たとえば 携帯電話の開閉センサー）としての応用も可能である。このように磁気メモリ用にとど まらず、広範な情報ネットワークの基本素子としての発明の応用が考えられる。
[0036] なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなぐ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。
[0037] 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。
[0038] 本発明によれば、 CMR素子の課題である制御された保持力を示す磁気センサー を提供することができる。これを用いれば、 100Gビット/ (インチ)2もしくは 1000Gビ ット Z (インチ) 2の記録密度に対応できる磁気ヘッドを供給することができる。また、 D RAM, FeRAMと肩を並べる磁気メモリの構成素子としての特性を示す CMR素子 を提供することができる。
産業上の利用可能性
本発明の素子は、スピン保持力が制御された高性能の磁気センサーに適している

Claims

請求の範囲
[1] A B M M' O 型酸化物（0≤x≤l、 0≤y≤l、 δは酸素欠損量）で、 Aとし
1-χ X 1-y y 3 - δ
て Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi, Pbから なる元素、 Bとして A以外の Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希 土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Mとして Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属 元素、 M' として M以外の Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属元素を用いた強磁 性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料カゝらなる電極と、これと異なる成分比 y≠y'か らなる A B M M' O 型酸ィ匕物（0≤x'≤l、 0<y'≤l、y≠y'、 δは酸素
1-χ χ 1-y y 3 - δ
欠損量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料からなる電極と、これら の電極に挟まれた電気的絶縁層とからなる構造をもつトンネルジャンクション素子。
[2] 請求項 1記載のトンネルジャンクション素子において、前記二つの電極のうち何れ か一方の電極が A B MnO 型酸化物（0≤χ≤1、 δは酸素欠損量）で、 Aとして l-x X 3- δ
Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi, Pbからな る元素、 Bとして A以外の Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土 類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材 料からなる電極と、他方の電極が、これと異なる A B Mn Ru O 型酸化物（0
1-χ χ 1-y y 3 - δ
≤x ≤1、 0<y'≤1、 δは酸素欠損量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性 固体材料カゝらなる電極と、これらの電極に挟まれた電気的絶縁層とからなる構造をも つトンネルジャンクション素子。
[3] 請求項 2記載のトンネルジャンクション素子において、前記二つの電極のうち何れ か一方の電極が La Sr MnO 型酸化物（0. 2≤x≤0. 5、 δは酸素欠損量）とし l-x X 3- δ
た強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料からなる電極と、他方の電極力La S l-x' r Mn Ru O 型酸化物（0. 2≤x'≤0. 5、 0<y≤x、 δは酸素欠損量）とした強 χ' 1-y y 3- δ
磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料電極と、これらの電極に挟まれた電気的絶 縁層とからなる構造をもつトンネルジャンクション素子。
[4] 請求項 3記載のトンネルジャンクション素子において、前記電極力La Sr MnO l-x x 3- δ 型酸化物 (0. 2≤χ≤0. 5、 δは酸素欠損量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導 電性固体材料からなる電極で素子を支持する基板側に形成された電極と、これと異 なる La Sr Mn Ru O 型酸化物（0. 2≤x'≤0. 5、 0<y≤x、 δは酸素欠損
1 1 3
量)を用いた強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料からなる電極は電気的絶縁 層を介して、 La Sr MnO 型酸ィ匕物（0. 2≤x≤0. 5、 δは酸素欠損量)導電性
1 3- 電極材料の上部に配置された構造をもつトンネルジャンクション素子。
[5] 請求項 1から 4の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記電気 的絶縁層は、 A B M M' O 型酸ィ匕物（0≤x≤l、0≤y≤l、 δは酸素欠損量
1— 1 3
)で、 Αとして Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは Laなどの希土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Bとして A以外の Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類元素もしくは L aなどの希土類元素、 Y, Bi, Pbからなる元素、 Mとして Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの 遷移金属元素、 M' として M以外の Mn, Fe, Co, Ni, Cuなどの遷移金属元素を用 V、た電気的絶縁層であるトンネルジャンクション素子。
[6] 請求項 1から 4の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記電気 的絶縁層は、 SrTiO ( δは酸素欠損量)であるトンネルジャンクション素子。
[7] 請求項 1から 4の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記電気 的絶縁層は、 LaAlO ( δは酸素欠損量)であるトンネルジャンクション素子。
[8] 請求項 1から 7の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記電極 を構成する前記強磁性 (フェリ磁性を含む)導電性固体材料と、これらの電極に挟ま れた電気的絶縁層を構成する固体材料の少なくとも一つはパルスレーザー堆積法 にて製造されたトンネルジャンクション素子。
[9] 請求項 8記載のトンネルジャンクション素子において、 La Sr Mn Ru O 型酸
1 1 3 化物（0. 2≤x≤0. 5、0<y≤x、 δは酸素欠損量）固体材料を強磁性 (フェリ磁性を 含む)導電性電極としてパルスレーザー堆積法を用いて製造する場合、 La Sr Mn
1-x x
Ru O 型酸化物（0· 2≤x≤0. 5、0<y≤x、 δは酸素欠損量）の格子定数が 3 l 3
. 82オングストロームから 3. 87オングストロームを示す材料で製造されたトンネルジ ヤンクシヨン素子。
[10] 請求項 8記載のトンネルジャンクション素子において、 La Sr Mn Ru O 型酸
1 l 3 化物（0. 2≤x≤0. 5、0<y≤x、 δは酸素欠損量）固体材料を強磁性 (フェリ磁性を 含む)導電性電極としてパルスレーザー堆積法を用いて製造する場合、基板温度が 750°Cから 900°Cで酸素雰囲気圧力を 133mPa(lmTorr)から 13.3Pa(100mTo rr)の製造条件で製造されたトンネルジャンクション素子。
PCT/JP2005/003099 2004-03-05 2005-02-25 トンネルジャンクション素子 WO2005086250A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/591,246 US7485937B2 (en) 2004-03-05 2005-02-25 Tunnel junction device
JP2006510651A JPWO2005086250A1 (ja) 2004-03-05 2005-02-25 トンネルジャンクション素子

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004062073 2004-03-05
JP2004-062073 2004-03-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2005086250A1 true WO2005086250A1 (ja) 2005-09-15

Family

ID=34918099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2005/003099 WO2005086250A1 (ja) 2004-03-05 2005-02-25 トンネルジャンクション素子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7485937B2 (ja)
JP (1) JPWO2005086250A1 (ja)
WO (1) WO2005086250A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105405967A (zh) * 2015-12-22 2016-03-16 北京师范大学 一种信息存储单元以及只读存储器

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7580276B2 (en) * 2005-03-23 2009-08-25 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Nonvolatile memory element
JP2006269688A (ja) * 2005-03-23 2006-10-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 不揮発性メモリ素子
WO2015064663A1 (ja) * 2013-10-31 2015-05-07 独立行政法人科学技術振興機構 スピン制御機構及びスピンデバイス
CN113539654B (zh) * 2020-04-13 2023-05-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 调控并增强lsmo薄膜磁各向异性的方法、磁各向异性可调的lsmo薄膜及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000357828A (ja) * 1999-06-15 2000-12-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 強磁性酸化物およびこれを用いた磁気抵抗素子
JP2003068983A (ja) * 2001-06-28 2003-03-07 Sharp Corp 電気的にプログラム可能な抵抗特性を有する、クロストークが低いクロスポイントメモリ

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6117571A (en) * 1997-03-28 2000-09-12 Advanced Technology Materials, Inc. Compositions and method for forming doped A-site deficient thin-film manganate layers on a substrate
JP2001320108A (ja) * 2000-05-02 2001-11-16 Canon Inc 磁気抵抗素子、磁気メモリ及び磁気センサー
JP4050446B2 (ja) * 2000-06-30 2008-02-20 株式会社東芝 固体磁気メモリ
JP4309075B2 (ja) * 2000-07-27 2009-08-05 株式会社東芝 磁気記憶装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000357828A (ja) * 1999-06-15 2000-12-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 強磁性酸化物およびこれを用いた磁気抵抗素子
JP2003068983A (ja) * 2001-06-28 2003-03-07 Sharp Corp 電気的にプログラム可能な抵抗特性を有する、クロストークが低いクロスポイントメモリ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105405967A (zh) * 2015-12-22 2016-03-16 北京师范大学 一种信息存储单元以及只读存储器

Also Published As

Publication number Publication date
US20070212572A1 (en) 2007-09-13
US7485937B2 (en) 2009-02-03
JPWO2005086250A1 (ja) 2008-01-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3583102B2 (ja) 磁気スイッチング素子及び磁気メモリ
US6650513B2 (en) Magnetic devices with a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy and an antiferromagnetic layer for perpendicularly exchange biasing the ferromagnetic layer
JP4371781B2 (ja) 磁気セル及び磁気メモリ
JP4231506B2 (ja) 磁性スイッチ素子とそれを用いた磁気メモリ
KR100320008B1 (ko) 스핀 의존 전도 소자
JP5279384B2 (ja) Ｓｔｔ−ｍｔｊ−ｍｒａｍセルおよびその製造方法
JP5366961B2 (ja) 磁気記録素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ
KR100754930B1 (ko) 전압제어 자화반전 기록방식의 ｍｒａｍ 소자 및 이를이용한 정보의 기록 및 판독 방법
JP2004179219A (ja) 磁気デバイスおよびこれを用いた磁気メモリ
JP3693247B2 (ja) 磁気抵抗効果記憶素子およびその製造方法
JP2002111094A (ja) 磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気センサ、メモリー装置
US6594120B2 (en) Magnetoresistive element and magnetic memory element and magnetic head using the same
WO2005086250A1 (ja) トンネルジャンクション素子
JP3344712B2 (ja) 磁気デバイスのピン止め層
JP2001339110A (ja) 磁気制御素子とそれを用いた磁気部品及びメモリー装置
JP2003304012A (ja) トンネル磁気抵抗効果素子
JP2002124716A (ja) 磁気抵抗素子及び該素子を用いたメモリ素子
JP2003258335A (ja) トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法
JP2003318462A (ja) 磁気抵抗効果素子とこれを用いた磁気ヘッドおよび磁気メモリ
JP4133687B2 (ja) トンネルジャンクション素子
JPH11154389A (ja) 磁気抵抗素子、磁性薄膜メモリ素子および該メモリ素子の記録再生方法
JP3795346B2 (ja) 磁気抵抗効果型素子ならびにこれを用いた磁気記憶素子および磁気ヘッド
JP3872962B2 (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気記憶装置
JP2003060261A (ja) 磁気抵抗効果膜、それを備えたメモリ素子及びそれを用いたメモリ
JP2003031869A (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DPEN Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006510651

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10591246

Country of ref document: US

Ref document number: 2007212572

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 10591246

Country of ref document: US