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JP2002270921A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

磁気抵抗効果素子

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JP2002270921A
JP2002270921A JP2001068741A JP2001068741A JP2002270921A JP 2002270921 A JP2002270921 A JP 2002270921A JP 2001068741 A JP2001068741 A JP 2001068741A JP 2001068741 A JP2001068741 A JP 2001068741A JP 2002270921 A JP2002270921 A JP 2002270921A
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健太郎 中島
Shigeki Takahashi
茂樹 高橋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】出力信号電圧が大きく、そのばらつきも少ない
大容量磁気記録装置、磁気再生装置向けの磁気抵抗効果
素子を提供する。 【解決手段】強磁性層二重トンネル接合において、強磁
性層１，３，５の磁性元素の割台が異なる、あるいはバ
リア層２，４の含有元素が異なるように構成することに
より、ウエハー面内のＭＲ比のバラツキを小さくし、大
きな出力信号電圧を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体とトンネ
ルバリア層を含む磁気抵抗効果素子およびそれを用いた
磁気記録素子、磁気へッド、磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁
気へッド、磁気センサー、磁気再生装置などに用いられ
ているとともに、磁気記録素子（磁気抵抗効果メモリ
ー）などが提案されている。これらの磁気抵抗効果素子
は、外部磁界に対する感度が大きいこと、応答スピード
が早いことが要求されている。
【０００３】磁気抵抗効果は、磁性体に磁場を印加する
と電気抵抗が変化する現象である。強磁性体を用いた磁
気抵抗効果素子は、温度安定性に優れ、使用温度範囲が
広いという特徴を有している。
【０００４】また、近年、２つの磁性金属層の間に一層
の誘電体を挿入したサンドイツチ膜において、膜面に垂
直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果
素子（ＴＭＲ，Tunneling Magneto-resistance）、いわ
ゆる強磁性トンネル接合素子が見出されている。強磁性
トンネル接合は、２０％以上の磁気抵抗変化率（ＭＲ
比）が得られるようになったことから（J. Appl. Phys.
79, 4724(1996)参照）、磁気へッドや磁気抵抗効果メ
モリへの応用の可能性が高まってきた。この強磁性トン
ネル接合は、薄い０．４ｎｍから２．０ｎｍ厚のＡｌ層
を強磁性電極上に成膜した後、表面を純酸素または酸素
グロー放電、または酸素ラジカルに曝すことによって、
ＡｌＯｘからなるトンネルバリア層を形成している。こ
の強磁性トンネル接合素子（強磁性１重トンネル接合）
では、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合
素子に印加する電圧値を増やすとＭＲ比がかなり減少す
るという問題点があった（Phys. Rev. Lett. 74,3273
(1995)参照）。
【０００５】また、上記強磁性１重トンネル接合の片一
方の強磁性層に反強磁性層を付与し、片方を磁化固着層
とした構造を有する強磁性１重トンネル接合が提案され
ている（特開平１０−４２２７参照）。しかし、この強
磁性トンネル接合素子（強磁性１重トンネル接合）で
も、所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素
子に印加する電圧値を増やすとＭＲ比がかなり減少する
という問題が同様に存在する。
【０００６】また、誘電体中に分散した磁性粒子を介し
た強磁性トンネル接合、あるいは、強磁性二重トンネル
接合が提案されている（特願平９−２６０７４３、Phy
s. Rev. B56(10)， R5747(1997)，応用磁気学会誌23, 4
-2, (1999)，APPI. Phys. Lett. 73(19)，2829(1998)参
照）。これらにおいても、２０％以上のＭＲ比が得られ
るようになつたことから、磁気へッドや磁気抵抗効果メ
モリへの応用の可能性が生じてきた。
【０００７】これら強磁性二重トンネル接合では、強磁
性一重トンネル接合に比べて、バイアス電圧にともなう
ＭＲ比の低下が少ないため、大きな出力が得られるとい
う特徴を有している。しかし、固体磁気メモリ（例えば
ＭＲＡＭ）やハードディスク装置（ＨＤＤ）に上記の強
磁性二重トンネル接合を使用する場合には、その容量が
大容量になると(例えばＭＲＡＭでは２５６Ｍｂｉｔ以
上)、使用バイアス電圧において更なる大きなＭＲ比が
必要となる。
【０００８】また、非対称な電流−電圧特性を持つ強磁
性トンネル接合において、ＭＲ比のバイアス依存性が小
さい極性側の電圧で使用し、ＭＲ比の減少を少なくする
方法および強磁性トンネル接合構造が提案されている
（特開平２０００−２５１２３０参照）。
【０００９】その方法としては、（１）絶縁障壁（トン
ネルバリア）内の酸素分布を制御する方法および構造、
（２）絶縁（トンネルバリア）層の成膜時の組成分布を
制御する方法および構造、（３）Ａｌを酸化しバリア作
製時にＡｌを残しバリア上下の界面状態を変える方法お
よび構造、（４）上記強磁性層／バリア層／強磁性層の
３層構造において、ＭＲ比のバイアス依存性のピークが
正バイアス電圧側にあるものと負バイアス電圧側にある
ものとを直列（二重接合型）または並列接続する方法お
よび構造が提案されている（特開平２０００−２５１２
３０参照）。
【００１０】しかし、これらのトンネルバリア層の構
造、アニールによる界面状態の制御法を用いると、プロ
セス時の温度履歴等によりウエハー面内のバイアス依存
性がばらつき、いくつもの素子で１つの機能を構成する
デバイスには問題が生ずる可能性がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、強磁
性１重トンネル接合においては、所望の出力電圧値を得
るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増や
すと磁気抵抗変化率（ＭＲ比）がかなり減少するという
問題が存在する。強磁性体／誘電体／強磁性体／誘電体
／強磁性体を基本構造とした強磁性２重トンネル接合に
おいては、印加電圧値の増加に伴うＭＲ比の減少は小さ
いが、ＤＲＡＭ等の大容量メインメモリを代替しようと
すると、もっと大きな信号電圧が必要となる。
【００１２】また、非対称なバリアを有するトンネル接
合として、特開平２０００−２５１２３０に種々な方法
および構造が開示されているが、その中で最も大きな信
号電圧が得られると考えられる構造（前述の（４））に
おいても、２５６Ｍｂｉｔ以上のＭＲＡＭ作製には、信
号電圧が不足する。その上、この方法で作製したトンネ
ル接合では、プロセス中の熱工程においてＭＲ比のバイ
アス電圧依存性のバラツキが生じてしまい、その結果出
力信号電圧のバラツキが大きくなる。このため、ＭＲＡ
Ｍなどのいくつかの素子で１つのデバイスを構成する素
子の場合、素子間のバラツキが大きく、動作しなくなつ
てしまうという問題があつた。
【００１３】図１７は、２５６ＭｂｉｔＭＲＡＭ（１Ｔ
ｒ−１ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）アーキテク
チャ）において、ＭＴＪ（ＴＭＲ Tunneling Magneto-
resistance）の抵抗値のばらつき（ΔＲMTJ／ＲMTJ）が
５％の場合と１０％の場合の磁気抵抗効果素子に課され
る出力信号電圧（縦軸），抵抗率（横軸）の規格の１例
を示し、斜線部が許容範囲である。
【００１４】この計算では，１ＣＭＯＳ−１ＭＴＪアー
キテクチャを仮定し，線幅で代表される設計ルールＦ＝
０．１７５μｍ、センスアンプ増幅前の信号電圧Ｖ
S（ＭＲ×ＶB／２、但しＭＲ；ＭＲ比、ＶB;使用時の素
子に印加されるバイアス電圧）＝５０ｍＶ，標準的なＣ
ＭＯＳの抵抗値ｒCMOS＝１０ｋΩ，ｒCMOSのバラツキ＝
１０％，およびビット線の容量ＣB＝３２０ｆＦ、素子
に印加されるバイアス電圧の値＝８００ｍＶ，アクセス
時間ＴS＝４０ｎｓｅｃを仮定している。
【００１５】図１７を見れば明らかであるが、８００ｍ
Ｖのバイアスが印加された時の信号電圧の規格は，ＭＴ
Ｊ抵抗値のバラツキが５％に抑えられた場合と１０％の
場合で大きく異なる。従って、トンネルバリア層の組成
分布を変化させて大きな信号電圧を得る前述の従来技術
の方法では、せっかくＭＴＪ単体の出力電圧が上がって
もバラツキが増大してしまうため、大容量ＭＲＡＭは実
現できない。また、２５６ＭｂｉｔＭＲＡＭでは少なく
とも１７０ｍＶ以上の信号出力、好ましくは２００〜３
００ｍＶの信号出力が必要となる。
【００１６】本発明は、これら問題を解決するためにな
されたものであり、２５６Ｍｂｉｔ以上のＭＲＡＭ、大
容量ハードディスク装置（ＨＤＤ）用の大きな信号電圧
を発生する磁気抵抗効果素子を提供することを課題とし
ている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁
性層と、この第１の強磁性層上に形成された第１のバリ
ア層と、この第１のバリア層上に形成された第２の強磁
性層と、この第２の強磁性層上に形成された第２のバリ
ア層と、この第２のバリア層上に形成された第３の強磁
性層３の積層層からなり、前記第１、第２および第３の
強磁性層の磁性元素の割合が異なることを特徴としてい
る。
【００１８】上記のように第１、第２、第３の強磁性層
の磁性元素の割合を異ならせることにより、電子の注入
方向におけるバリア層のエネルギー障壁を高くすること
ができ、“１”状態のＭＲを大きくすることができる。
これにより、ＭＲ比を大きくすることができる。
【００１９】また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子
は、第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成さ
れた第１のバリア層と、この第１のバリア層上に形成さ
れた第２の強磁性層と、この第２の強磁性層上に形成さ
れた第２のバリア層と、この第２のバリア層上に形成さ
れた第３の強磁性層３の積層層からなり、前記第１およ
び第２のバリア層の含有元素が異なることを特徴として
いる。
【００２０】上記の構成によってもＭＲ比を高くするこ
とができる。これは、第１と第２のバリア層のエネルギ
ー障壁の高さを変えると、出力信号（ＴＭＲの“１”状
態と“０”状態の差電圧）とＴＭＲへのバイアス電圧と
の間の特性カーブの非線形性に基づいて、“１”状態の
ＭＲが高くなることによると考えられる。
【００２１】上記構造において、第１および第２のバリ
ア層は、金属の酸化膜、または窒化膜からなり、夫々の
中では、酸素濃度分布、組成の分布が均一であることが
好ましい。バリア中の酸素，窒素分布の均一化は、３０
０℃以上でアニールを行うと酸素または窒素のバリア中
での拡散一再結合が生じるので、容易に実現できる。バ
リア中の他の元素の組成も均一であることが好ましい。
この均一化も、単金属または合金の状態で膜を付けた
後、３００℃以上でアニールを行うことで容易に作製で
きる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。
【００２３】（第１の実施形態）第１の実施形態では、
本発明の第１の基本形態を説明する。図1（ａ）は、本
発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面構
造を示す断面図、図1（ｂ）はそのエネルギーバンド図
である。図1（ａ）に示すように、第１の実施形態の磁
気抵抗効果素子は、強磁性層１（第１の強磁性層）上に
バリア層２（第１のバリア層）を介して、強磁性層１と
異なる磁性元素を含む強磁性層３（第２の強磁性層）を
積層し、さらにこの上にバリア層４（第２のバリア層）
を介して、強磁性層１，３と異なる磁性元素を含む強磁
性層５（第３の強磁性層）を積層し、磁気抵抗効果素子
１０を形成している。
【００２４】第１の実施形態の磁気抵抗効果素子は、強
磁性層1/バリア層２/強磁性層３／バリア層４／強磁性
層５からなる強磁性二重トンネル接合素子であり、強磁
性層１，３，５の磁性元素の割合を変えることにより、
図１（ｂ）に示すように、強磁性体のフェルミ面のエネ
ルギー位置を変えることができる。
【００２５】このような状態は、例えば磁性層にＣｏ−
Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆ
ｅ−Ｎｉ合金を用いた場合、強磁性層１，３，５を順番
に成膜する際、例えばＮｉ元素の割合（atomic％）を強
磁性層１，３，５毎に変えることで容易に実現ができ
る。
【００２６】上記構造において、バリア層２，４は、Ａ
ｌ，Ｍｇ等の金属の酸化膜、または窒化膜からなり、夫
々の中では、酸素濃度分布、組成の分布が均一であるこ
とが好ましい。バリア層中の酸素，窒素分布の均一化
は、３００℃以上でアニールを行うと酸素または窒素の
バリア中での拡散一再結合が生じるので、容易に実現で
きる。
【００２７】バリア層中の他の元素の組成も均一である
ことが好ましく、この均一化も、単金属または合金の状
態で膜を付けた後、３００℃以上でアニールを行うこと
で容易に作製できる。
【００２８】また、強磁性層１，３，５は、構成元素の
濃度分布が略均一となるように合金ターゲットを用いる
か同時スパッタの方法で形成されており、形成後アニー
ルを行っても特性がばらつくことはない。このため、均
一な特性で大きなＭＲ値を得ることができるとともに、
従来最大の信号電圧が得られると考えられていた、ＭＲ
比のバイアス依存性のピークが正バイアス電圧側にある
ものと負バイアス電圧側にあるものとを直列接続した二
重接合構造、または濃度勾配を付けない強磁性二重トン
ネル接合構造よりも大きな信号電圧を、図１（ｂ）に矢
印で示した電子が侵入する方向において得ることができ
る。これは、この方向から電子が侵入した場合、実効的
なバリア高さが高くなることに起因していると考えられ
る。
【００２９】（第２の実施形態）第２の実施形態では、
本発明の第２の基本形態を説明する。図２（ａ）は、本
発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面構
造を示す断面図、図２（ｂ）はそのエネルギーバンド図
である。図２（ａ）に示すように、第２の実施形態の磁
気抵抗効果素子は、強磁性層１１（第１の強磁性層）上
にバリア層１２（第１のバリア層）を介して、強磁性層
１３（第２の強磁性層）を積層し、さらにこの上にバリ
ア層１１とは異なる磁性元素を含むバリア層１４（第２
のバリア層）を介して、強磁性層１５（第３の強磁性
層）を積層し、磁気抵抗効果素子２０を形成している。
【００３０】第２の実施形態の磁気抵抗効果素子も、強
磁性層１１／バリア層１２／強磁性層１３／バリア層１
４／強磁性層１５からなる強磁性二重トンネル接合素子
であるが、バリア層１２、１４の含有元素を変えること
により、バリア１２、１４のエネルギー障壁の高さを変
えることができる。このような状態は、例えばバリア層
１２、１４作製時、酸化または窒化前に成膜する金属元
素Ｍを変えるか、バリア層１２を酸化（Ｍ−Ｏ）し、バ
リア層１４を窒化（Ｍ−Ｎ）する、またはバリア層１２
を酸化（Ｍ−Ｏ）し、バリア層１４を窒素と酸素の混合
バリア（Ｍ−Ｎ−Ｏ）にする等によって容易に実現がで
きる。
【００３１】また、バリア層１２、１４の中では、元素
の濃度が均一であることが好ましい。バリア層中に欠陥
等があり、Ｏ、Ｎの分布が不均一であると、ＭＲ比のバ
イアス依存性が減少し、信号電圧が低下する。これらを
均一にするためには、酸化、または、窒化時に多少オー
バー酸化または窒化してから３００℃以上でアニールを
することが好ましい。上記のプロセスを入れると、バリ
ア層中の酸素または窒素濃度分布、元素分布が均一にな
るため、バラツキの原因が無くなり、均一な特性で大き
なＭＲ値を得ることができる。
【００３２】第２の実施形態によれば、従来最大の信号
電圧が得られると考えられていた、ＭＲ比のバイアス依
存性のピークが正バイアス電圧側にあるものと負バイア
ス電圧側にあるものとを直列接続する二重接合構造より
も大きな信号電圧を得ることができる。これは、バリア
の障壁高さが異なることと、素子への印加電圧と出力信
号電圧との関係における非線形性に起因していると考え
られる。
【００３３】（第３の実施形態）図３は、本発明の第３
の実施形態に係る磁気抵抗効果素子３０の層構造を示す
断面図である。第３の実施形態は、第１の実施形態の構
造に対し、反強磁性層６，７を上下面に付与した、いわ
ゆるスピンバルブ型にしたものである。第１の実施形態
と同一個所には同一番号を付して、重複する説明を省略
する。
【００３４】図３に示す反強磁性層６／強磁性層１／バ
リア層２／強磁性層３／バリア層４／強磁性層５／反強
磁性層７からなる積層体を、Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30
／ＡｌＯx ／（Ｃｏ70Ｆｅ30）80Ｎｉ20／ＡｌＯx ／
（Ｃｏ70Ｆｅ30）50Ｎｉ50／Ｉｒ−Ｍｎの材料構成によ
り作製した。上記積層体において、バリア層２、４は、
金属Ａｌを成膜後ブラズマ酸化を行って作製した。前述
のように、酸素濃度分布を均一にするため３２０℃で１
時間のアニールを行った。この試料をＡ１とする。
【００３５】また、比較のため、従来技術のうち一番大
きな信号電圧が得られる、ＭＲ比のバイアス依存性のピ
ークが正バイアス電圧側にあるものと負バイアス電圧側
にあるものとを直列接続した二重接合型構造による試料
Ｂ，Ｃを以下のように作成した。 Ｂ）Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯx ／Ｃｏ70Ｆｅ
30／ＡｌＯx ／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｉｒ−Ｍｎ（ＡｌＯx の
バリアの酸素濃度を分布をつけたもの）。 Ｃ）Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯx ／ＡｌＮx ／
Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＮx ／ＡｌＯx ／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｉ
ｒ−Ｍｎ（バリアを２層にしピン層（磁化固着）側のバ
リア高さを高くしたもの）。
【００３６】また標準試料として、次の試料Ｄを作製し
た。 Ｄ）Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯx ／Ｃｏ70Ｆｅ
30／ＡｌＯx ／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｉｒ−Ｍｎ（ＡｌＯx の
バリアの酸素濃度分布を均一にして、Ａｌ2 Ｏ 3 に近く
なるように最適に酸化条件をつけたもの）。
【００３７】比較例の構造で用いた磁性層には、全てＭ
Ｒ比が大きい特性が得られるＣｏ70Ｆｅ30を使用してい
る。バリア層、磁性層の膜厚はＡ１、Ｂ，Ｃ，Ｄとも同
じにして比較を行った。微細加工は通常のフォトリソグ
ラフィとイオンミリングを用い、４×４μｍ2 のＴＭＲ
素子を作製した。
【００３８】図４に上記のＡ１，Ｂ、Ｃ、Ｄ各試料のバ
イアス電圧一出力信号電圧特性を示す。比較試料Ｂ，
Ｃ，標準試料Ｄでは、ＭＲ比が大きい特性が得られるＣ
ｏ70Ｆｅ30を用いても、得られた最大の信号出力は本発
明の試料Ａ１に比ぺて小さい。本発明の構造において
は、正電圧側で最も大きな信号出力が得られ、本発明の
構造が大容量ＭＲＡＭ等に有効であることが分かった。
また、面内のバラツキも小さく、比較例Ｂ，Ｃでは、４
００ｍＶで測定時のＭＲ比のバラツキが夫々±１２．５
％、±１０．７％有ったのに対して、本実施形態の試料
Ａ１ではバラツキが±３．９％と良好であることが分か
った。
【００３９】（第４の実施形態）図５は、本発明の第４
の実施形態に係る磁気抵抗効果素子４０の層構造を示す
断面図である。第４の実施形態は、第２の実施形態の構
造に対し、反強磁性層１６，１７を上下面に付与した、
いわゆるスピンバルブ型にしたものである。第２の実施
形態と同一個所には同一番号を付して、重複する説明を
省略する。
【００４０】図５に示す反強磁性層１６／強磁性層１１
／バリア層１２／強磁性層１３／バリア層１４／強磁性
層１５／反強磁性層１７の積層体として、２つの試料Ａ
２，Ａ３を作成した。 Ａ２）Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯx ／Ｃｏ70Ｆ
ｅ30／ＧａＯx ／Ｃｏ 70Ｆｅ30／Ｉｒ−Ｍｎ Ａ３）Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯx Ｎy ／（Ｃ
ｏ50Ｆｅ50）70Ｎｉ30／ＡｌＯx ／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｉｒ
−Ｍｎ。
【００４１】上記積層体において、バリア層１２、１４
は、金属Ａｌを成膜後プラズマ酸化、または酸素と窒素
ガスを導入しプラズマを発生させることによりＡｌＯx
Ｎyを作製した。作製後、前述のようにバリア層中の濃
度分布を均一にするため３２０℃で１時間のアニールを
行った。微細加工は通常のフォトリソグラフィとイオン
ミリングを用い、４×４μｍ2 のＴＭＲ素子を作製し
た。
【００４２】また、比較のため、従来技術のうち一番大
きな信号電圧が得られる、ＭＲ比のバイアス依存性のピ
ークが正バイアス電圧側にあるものと負バイアス電圧側
にあるものとを直列接続した二重接合型の構造による試
料Ｅを次の組成で作成した。 Ｅ）Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ70Ｆｅ30／ＡｌＯx ／ＡｌＮx／
（Ｃｏ50Ｆｅ50）70Ｎｉ30／ＡｌＮx ／ＡｌＯx ／Ｃｏ
70Ｆｅ30／Ｉｒ−Ｍｎ（バリアを２層にしピン層側のバ
リア高さを高くしたもの）。
【００４３】また標準試料Ｆとして、Ｉｒ−Ｍｎ／Ｃｏ
70Ｆｅ30／ＡｌＯx／（Ｃｏ50Ｆｅ5 0）70Ｎｉ30／Ａｌ
Ｏx ／Ｃｏ70Ｆｅ30／Ｉｒ−Ｍｎ（ＡｌＯx のバリアの
酸素濃度分布を均一として、Ａｌ2 Ｏ3 に近いように最
適に酸化条件をつけたもの）を作製した。
【００４４】各バリア層、磁性層の膜厚は試料Ａ２、Ａ
３，Ｅ、Ｆとも同じにして比較を行った。図６に試料Ａ
２、Ａ３，Ｅ、Ｆのバイアス電圧一出力信号電圧特性を
示す。比較試料Ｅ、標準試料Ｆでは、本実施形態の試料
Ａ２、Ａ３に比べて信号出力が小さい。本実施形態の試
料Ａ２、Ａ３において、正電圧側で最も大きな信号出力
が得られ、大容量ＭＲＡＭ等に有効であることが分かっ
た。また、面内のバラツキも小さく、比較試料Ｅでは、
４００ｍＶで測定時のＭＲ比のバラツキが±１１．５％
有ったのに対して、本実施形態の試料Ａ２、Ａ３ではバ
ラツキが±４．２％と良好であることが分かった。
【００４５】（第５の実施形態）第１の実施形態におい
て、強磁性層１，５の少なくとも一方を、反強磁性結合
記録層とすることができる。第５の実施形態はそのよう
な例であり、図７（ａ）に第５の実施形態の磁気抵抗効
果素子５０の断面構造を示す。図７（ａ）においては、
図１の強磁性層１の部分が、（強磁性層1-1/非磁性層８
ａ／強磁性層1-2）の三層構造となっており、非磁性層
８ａを介して反強磁性結合をしている、いわゆる反強磁
性結合層となっている。また、図７（ｂ）は、図７
（ａ）の変形例として、図１の強磁性層５の部分をも反
強磁性結合記録層とした磁気抵抗効果素子５０´の例で
ある。なお、第１の実施形態と同一部分には同一番号を
付して、重複する説明を省略する。
【００４６】上記の三層構造をピン層（磁化固着層）と
して用いることにより、より強固にピン層のスピンを固
着することができるとともに、ピン層（１，５）からの
記憶層（３）への漏れ磁場が小さくなるため、Ｒ（抵
抗）−Ｈ（磁場）曲線をゼロ磁場をセンターに設計する
ことが容易になる。また、何度かの書き込みによってピ
ン層の一部の磁気モーメントが回転してしまい出力が徐
々に低下してしまうという問題も完全に無くなる。
【００４７】この場合、本発明の効果を有効に発揮させ
るためには、（強磁性層1-1/非磁性層８ａ／強磁性層1-
2）／バリア層２／強磁性層３／バリア層４／（強磁性
層5-1／非磁性層８ｂ／強磁性層5-2）において、バリア
層に接している磁性層の元素を、強磁性層1-2、強磁性
層３、強磁性層５-1の磁性元素含有量の割合を変えれば
良く、強磁性層1-1、強磁性層5-2に特に制限は無い。
【００４８】（第６の実施形態）第２の実施形態に対し
ても、強磁性層１１，１５の少なくとも一方を、反強磁
性結合記録層とすることができる。断面構造は第５の実
施形態と同様になるので、図７を兼用することとし、参
照番号を括弧の中に記した。
【００４９】この場合、（強磁性層11-1／非磁性層１８
ａ／強磁性層11-2）／バリア層1２／強磁性層１３／バ
リア層１４／（強磁性層15-1／非磁性層／強磁性層15-
2）構造において、バリア層１２、１４の含有元素を変
えれば良く、強磁性層11-2、強磁性層１３、強磁性層15
-1、強磁性層11-1、強磁性層15-2に特に制限は無い。
【００５０】（第７の実施形態）第３および第４の実施
形態に対しても、強磁性層１，５の少なくとも一方ある
いは１１，１５の少なくとも一方を、反強磁性結合記録
層とすることができる。第７の実施形態はそのような例
であり、図８（ａ）に第７の実施形態の磁気抵抗効果素
子５０の断面構造を示す。図８（ａ）においては、図４
の強磁性層１の部分が、（強磁性層1-1/非磁性層８ａ／
強磁性層1-2）の反強磁性結合層となっている。図８
（ｂ）は図４の強磁性層５の部分も反強磁性結合記録層
とした例である。なお、第３の実施形態と同一部分には
同一番号を付して、重複する説明を省略する。
【００５１】第４の実施形態（図５）に対しても、同様
に反強磁性結合層を適用することができるが、断面構造
は図８と同様になるので、図８を参照することとし、参
照番号を括弧の中に記載してある。
【００５２】第７の実施形態では、第５、第６の実施形
態と同様な効果が得られる上に、反強磁性膜６，７（１
６，１７）の膜厚を薄くでき、加工精度が上昇すること
等のメリットがあり、スイッチング゛磁場のバラツキが
減少する。
【００５３】（第８の実施形態）第１乃至第７の実施形
態において、中央部の強磁性層３（１３）も強磁性層／
非磁性層／強磁性層の３層構造とすることが好ましい。
第８の実施形態はこのような例であり、図９に断面構造
を示す。図９（ａ）は第１又は第２の実施形態（図１ま
たは図２）に上記の３層構造を適用した例を代表として
示すが、第３又は第４の実施形態に適用することもでき
る。図９（ｂ）は第３または第４の実施形態に適用した
例である。また、図１乃至図４と同一部分には同一番号
を付して、重複する説明を省略する。
【００５４】図９においては、図１の強磁性層３の部分
を（強磁性層3-1／非磁性層８ｃ／強磁性3-2）の３層構
造としている。この場合、強磁性層3-1と強磁性層3-2間
に弱い強磁性層結合があることが好ましい。強磁性層／
非磁性層／強磁性層の３層構造は、第５乃至第７の実施
形態では反強磁性結合としていたが、強磁性層、非磁性
層の材料、膜厚等を適切に選択することにより、本実施
形態のように強磁性結合とすることもできる。
【００５５】また、強磁性層3-1と強磁性層3-2の組成
は、エネルギーレベルを同一にするために、実質的に同
一の組成とすることが望ましい。
【００５６】本実施形態の構造を磁気記録層に用いる
と、スイッチング磁場のセル幅依存性が小さくなる。即
ち、セル幅を小さくしてもスイッチング磁場の増大が小
さい。このため、ＭＲＡＭを大容量化しＴＭＲのセル幅
が小さくなっても、消費電力の増大、書きこみ時の配線
のエレクトロマイグレーシヨンの心配が無く、大容量Ｍ
ＲＡＭを作製できる。強磁性結合の強さは弱い方が好ま
しく、弱いほどスイッチング磁場は小さくなる。また、
弱い強磁性結合を有する三層以上の強磁性層／非磁性層
／強磁性層／非磁性層／強磁性層構造を用いてもスイッ
チング磁場は増大しない。また、この構造を用いると、
強磁性層単層の時に比べて超常磁性になる膜厚の限界が
膜厚が薄い領域まで伸ばすことができ、熱安定性の面で
も好ましい傾向を示す。
【００５７】上記の第１乃至第８の実施形態を通じて、
磁性材料、バリア層材料等は下記のように選択すること
ができる。
【００５８】本発明の強磁性層の元素，種類は、特に制
限はなく、は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉまたはそれら合金、ス
ピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ2、ＲＸＭｎ
Ｏ3-y（Ｒ；希土類、Ｘ;Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）などの酸化
物の他ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ，等のホイスラー合
金、Ｚｎ−Ｍn−Ｏ、Ｔｉ−Ｍｎ−Ｏ，ＣｄＭｎＰ2、Ｚ
ｎＭｎＰ2などの磁性半導体を用いることができる。
【００５９】本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性になら
ない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であるこ
とが好ましい。また、あまり厚いとスイッチング磁場、
漏れ磁場が大きくなってしまうため、３．０ｎｍ以下で
有ることが好ましい。また、これら磁性体にはＡｇ、Ｃ
ｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、
Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなど
の非磁性元素が多少含まれていても強磁性を失わない限
り良い。
【００６０】反強磁性膜は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、
Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ等
が使用できる。非磁性層としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、
Ｉｒ、Ｒｈ、Ａｇなどを用いることができる。反強磁性
結合として用いる場合（ピン層の場合）は、Ｒｕ，Ｉ
ｒ，Ｒｈが好ましく、強磁性結合として用いる場合（記
録層の場合）は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇが好ましいが、膜厚
等により調整も可能なので、これらに限られるものでは
ない。
【００６１】本発明の誘電体または、絶縁層としては、
Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＡｌＮ，ＡｌＯＮ、Ｇａ
Ｏ、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3などの様々な
誘電体を使用することができる。これらは、多少の酸
素、窒素欠損が存在していても構わない。
【００６２】誘電体層の厚さはＴＭＲの接合面積に依存
し、３ｎｍ以下であることが好ましい。基板は特に制限
はなく、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等各種基板
上に作製できる。その上に、下地層，保護層として、Ｔ
ａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の単層膜や、Ｔｉ／Ｐ
ｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ等の積層膜を
用いることが好ましい。
【００６３】このような磁気抵抗効果素子は、各種スバ
ッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の
薄膜形成装置を用いれば作製することができる。
【００６４】上記の強磁性トンネル接合は、磁気記録素
子、磁気抵抗効果型磁気へッド、磁気再生装置等に適用
することができる。以下、本発明の磁気抵抗効果素子の
応用例の実施形態を説明する。
【００６５】（第９の実施形態）第９の実施例では、本
発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録装置（ＭＲＡＭ）に
適用した例を説明する。図１０はＭＲＡＭの摸式的な回
路図、図１1は個別の記録素子の構成を説明するための
断面図である。
【００６６】ＭＲＡＭは、図１０に示すように、ローデ
コーダ１４０で制御される複数の読み出しワード線ＷＬ
１（１２２）と、カラムデーダ１５０で制御され、ワー
ド線１２２と交差する複数のビット線ＢＬ（１３４）を
備える。ワード線１２２とビット線１３４の各交点に
は、本発明の磁気抵抗効果素子（例えば第１の実施形態
の１０、第２乃至第８の実施形態の２０、３０、４０、
５０、６０、７０、８０、９０等を使用してもよい）
と、ワード線１２２によりその導通が制御されるスイッ
チ（導通制御素子）としてのＭＯＳＦＥＴ１２０を備え
る。また、読み出しワード線１２２と平行方向に、磁気
抵抗素子１０に近接して延在する書き込みワード線ＷＬ
２（１３１）を備える。
【００６７】各メモリ素子は図１１のように構成されて
いる。半導体基板の表面にＭＯＳＦＥＴ１２０を形成す
る。１２３，１２４がソース・ドレイン領域であり、ゲ
ート電極１２２が延在して形成され、ワード線ＷＬ１
（１２２）となる。ソース・ドレイン領域の一方１２４
に接続したコンタクト１３２を介して、下地配線１３３
が形成されており、この下地配線１３３とビット線１３
４の間に本発明の磁性抵抗効果素子１０を形成する。ま
た、磁気抵抗効果素子１０に近接して書き込み用のワー
ド線ＷＬ２（１３１）を形成する。
【００６８】上記のＭＲＡＭでは、ＭＲ比の大きい本発
明の磁気抵抗効果素子を使用しているので、２５６Ｍｂ
ｉｔ以上の大容量になっても、安定した動作が可能にな
る。
【００６９】（第１０の実施形態）第１０の実施例も、
本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録装置に適用した例
であるが、導通制御素子にダイオードを使用した例であ
る。図１２は磁気記録装置の摸式的な回路図、図１３は
個別の記録素子の構成を説明するための断面図である。
【００７０】図示しないロウコーダに接続された複数の
ワード線２２３と、図示しないカラムデコーダに接続さ
れた複数のビット線２２７の各交点において、本発明の
磁気抵抗効果素子１０（或いは２０，３０，４０，５
０，６０，７０，８０，９０）とダイオード２２２の直
列体が、ビット線２２７とワード線２２３の間に接続さ
れている。
【００７１】各メモリ素子としての磁気抵抗効果素子と
ダイオードは、図１３に示すように、例えばワード線２
２３上にダイオード２２２を形成し、その上に磁気抵抗
効果素子１０を直接形成し、さらにその上にビット線２
２７を形成することにより構成できる。
【００７２】或いは、図１４に示すように、通常のＩＣ
プロセスに適合させた方法で形成することもできる。即
ち、半導体基板２２１上の素子分離絶縁膜２２１ａで分
離された領域に、ｐ型領域２２２ｂとｎ型領域２２２ａ
からなるダイオード２２２を形成する。ｎ型領域２２２
ａにはコンタクト２２８を介してワード線２２３を接続
する。ｐ型領域２２２ｂにはコンタクト２２９を介して
下地配線２２６が形成され、この下地配線２２６とビッ
ト線２２７の間に本発明の磁気抵抗効果素子１０を形成
する。なお、２３０は層間絶縁膜である。また、図１４
に示したように、ＳＯＩ基板を用いることがより好まし
い。
【００７３】上記のように構成しても、第９の実施形態
と同様に、動作の安定した磁気記録素子を実現すること
ができる。
【００７４】（第１１の実施形態）第１１の実施例は、
本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに応用した例を
説明する。
【００７５】図１５は、本発明の磁気抵抗効果素子１０
を搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アク
チュエータアーム３０１は、磁気ディスク装置内の固定
軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コ
イルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータア
ーム３０１の一端にはサスペンション３０２が固定され
ている。サスペンション３０２の先端には信号の書き込
み、および読み取り用のリード線３０４が配線され、こ
のリード線３０４の一端はヘッドスライダ３０３に組み
込まれた磁気抵抗効果素子１０の各電極に接続され、リ
ード線３０４の他端は電極パッド３０５に接続されてい
る。なお、磁気抵抗効果素子１０は第１の実施形態の素
子であるが、第２乃至第８の実施形態の磁気抵抗効果素
子２０、３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０等
であってもよい。
【００７６】図１６は、図１５に示す磁気ヘッドアセン
ブリを搭載した磁気ディスク装置（磁気再生装置）の内
部構造を示す斜視図である。磁気ディスク３１１はスピ
ンドル３１２に装着され、図示しない駆動装置制御部か
らの制御信号に応答する図示しないモータにより回転す
る。
【００７７】アクチュエータアーム３０１は固定軸３１
３に固定され、サスペンション３０２およびその先端の
ヘッドスライダ３０３を支持している。磁気ディスク３
１１が回転すると、ヘッドスライダ３０３の媒体対向面
は磁気ディスク３１１の表面から所定量浮上した状態で
保持され、情報の記録再生を行う。
【００７８】アクチュエータアーム３０１の基端にはリ
ニアモータの一種であるボイスコイルモータ３１４が設
けられている。ボイスコイルモータ３１４はアクチュエ
ータアーム３０１のボビン部に巻き上げられた図示しな
い駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配
置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路と
から構成されている。
【００７９】アクチュエータアーム３０１は、固定軸３
１３の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリ
ングによって支持され、ボイスコイルモータ３１４によ
り回転摺動が自在にできるようになっている。
【００８０】上記のように本発明の磁気抵抗効果素子を
使用した磁気ヘッドあるいは磁気再生装置は、磁気抵抗
効果素子より高出力信号が得られるので、安定した動作
と大容量化が可能になる。
【００８１】
【発明の効果】本発明の構造を用いれば、熱処理に伴う
ＭＲ値，抵抗値の面内バラツキが小さく、磁気抵抗効果
素子の更なる高出力化が可能となり、大容量の固体磁気
メモリあるいは磁気再生装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の（ａ）断面図と（ｂ）各層のエネルギーレベルを示
した図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の（ａ）断面図と（ｂ）各層のエネルギーレベルを示
した図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の断面図。
【図４】第３の実施形態の磁気抵抗効果素子におけるバ
イアス電圧と出力信号電圧の関係を示す特性図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の断面図。
【図６】第４の実施形態の磁気抵抗効果素子におけるバ
イアス電圧と出力信号電圧の関係を示す特性図。
【図７】本発明の第５（或いは第６）の実施形態に係る
磁気抵抗効果素子の断面図。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の断面図。
【図９】本発明の第８の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の断面図。
【図１０】本発明の第９の実施形態に係る磁気抵抗記録
装置（ＭＲＡＭ）の回路図。
【図１１】第９の実施形態の磁気抵抗記録素子の構成を
示す断面図。
【図１２】本発明の第１０の実施形態に係る磁気抵抗記
録装置（ＭＲＡＭ）の回路図。
【図１３】第１０の実施形態の磁気抵抗記録素子の１構
成を示す斜視図。
【図１４】第１０の実施形態の磁気抵抗記録素子の他の
構成を示す断面図。
【図１５】本発明の第１１の実施形態に係る磁気抵抗効
果ヘッドの斜視図。
【図１６】第１１の実施形態の実記抵抗効果ヘッドが使
用された磁気再生装置の斜視図。
【図１７】２５６ＭｂｉｔＭＲＡＭを想定した場合の抵
抗率と出力信号電圧の規格例。
【符号の説明】
１、３，５、１１，１３，１５、１−１，１−２，１１
−１，１１−２、３−１，３−３、１３−１，１３−
３、５−１，５−２、１５−１，１５−２、…強磁性層 ２，４、１２，１４…バリア層 ６，７，１６，１７…反強磁性層 ８ａ、８ｂ、８ｃ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ…非磁性層 １０，２０，３０，４０，５０，５０´、６０，６０
´、７０，７０´、８０，８０´、９０，９０´…磁気
抵抗効果素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｆ 10/26 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ (72)発明者 天野 実 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中島 健太郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 高橋 茂樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 岸 達也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB07 AD55 AD65 5D034 BA03 BA15 BB02 CA00 DA07 5E049 BA12 DB02 DB12 GC01 5F083 FZ10 KA01 LA04 LA05 LA16 MA06 MA16 MA19

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の強磁性層と、この第１の強磁性層
    上に形成された第１のバリア層と、この第１のバリア層
    上に形成された第２の強磁性層と、この第２の強磁性層
    上に形成された第２のバリア層と、この第２のバリア層
    上に形成された第３の強磁性層３の積層体からなり、前
    記第１、第２および第３の強磁性層の磁性元素の割合が
    異なることを特徴とした磁気抵抗効果素子。
  2. 【請求項２】 第１の強磁性層と、この第１の強磁性層
    上に形成された第１のバリア層と、この第１のバリア層
    上に形成された第２の強磁性層と、この第２の強磁性層
    上に形成された第２のバリア層と、この第２のバリア層
    上に形成された第３の強磁性層３の積層体からなり、前
    記第１および第２のバリア層の含有元素が異なることを
    特徴とした磁気抵抗効果素子。
  3. 【請求項３】 前記第１および第３の強磁性層の少なく
    とも一方の、前記積層体の外側に、反強磁性層が付与さ
    れていることを特徴とする請求項１および２のいずれか
    に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 【請求項４】 前記第１乃至第３の強磁性層の少なくと
    も１層が、第４の強磁性層と、この第４の強磁性層の上
    に形成された非磁性金属層と、この非磁性金属層の上に
    形成された第５の強磁性層５からなることを特徴とする
    請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 【請求項５】 複数のワード線と、この複数のワード線
    に交差する複数のビット線と、前記複数のワード線と複
    数のビット線の各交点において、前記ビット線とワード
    線の間に磁気抵抗効果素子と導通制御素子とを有し、前
    記磁気抵抗効果素子が、請求項１乃至４のいずれかに記
    載の磁気抵抗効果素子からなることを特徴とする磁気ラ
    ンダムアクセスメモリ。
  6. 【請求項６】 磁気感知部に請求項１乃至請求項４のい
    ずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有することを特徴と
    する磁気ヘッド。
  7. 【請求項７】 磁気感知部に請求項１乃至請求項４のい
    ずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有することを特徴と
    する磁気再生装置。
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