JP3607609B2 - Magnetoresistive element, magnetic memory, magnetic head, and magnetic reproducing apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、及び磁気再生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
強磁性一重トンネル接合は、薄い絶縁体層を一対の強磁性層で挟持してなる構造を有している。それら強磁性層を電極として用いてバイアス電圧を印加すると、強磁性一重トンネル接合にはトンネル電流が流れる。
【0003】
強磁性一重トンネル接合において、トンネル電流が流れる際のトンネル抵抗,すなわちトンネルコンダクタンス,は、一方の強磁性層の磁化方向と他方の強磁性層の磁化方向とがなす角度に依存して変化する。換言すれば、強磁性一重トンネル接合で得られる磁気抵抗効果(magnetoresistance effect)は、強磁性層間で磁化方向がなす角度に応じてトンネルコンダクタンスが変化することに基づいている。例えば、一方の強磁性層の磁化方向が膜面に平行な第1の方向であり且つ他方の強磁性層の磁化方向が第1の方向とは逆向きの第2の方向である場合には、トンネルコンダクタンスは最小となる。また、それら強磁性層の磁化方向がともに第1の方向である場合には、トンネルコンダクタンスは最大となる。
【0004】
このような強磁性一重トンネル接合は、様々なデバイスへの応用が期待されている。例えば、一方の強磁性層を磁化方向が固定された磁化固着層とし且つ他方の強磁性層を外部磁場に応じて磁化方向が変化し得るフリー層とした強磁性一重トンネル接合については、固体磁気メモリ(或いは、磁気ランダムアクセスメモリ:MRAM)のメモリセルとして利用することが提案されており、このMRAMは、低記憶容量ながら既に試作されている。
【0005】
MRAMは、基本的には不揮発性であり、高速の書き込み及び読み出しが可能であり、しかも、書き込み及び読み出しの繰り返しに対する耐疲労特性が高いなどの優れた特徴を有している。しかしながら、以下に説明するように、MRAMは、大容量化に伴ってメモリセルのサイズを縮小した場合に、フリー層の磁化方向を反転させるのに必要な磁場,所謂、反転磁場,が大きくなり、より大きな書き込み電流が必要となるという問題を有している。
【0006】
フリー層の反転磁場は1/W(W:セルの幅)に比例している。また、この反転磁場は、フリー層の膜厚t及び飽和磁化Msにも比例することが知られている。すなわち、フリー層の反転磁場はt・Ms/Wに比例している。なお、フリー層の反転磁場が1/Wに比例しているのは、フリー層の磁化方向を反転させてMRAMセルに記憶された情報を書き換えるためには、フリー層内部に生じる反磁場を上回る外部磁場を印加する必要があるが、この反磁場はセルの幅方向に生じる磁極によってもたらされるためである。
【0007】
上記比例関係から明らかなように、メモリセルのサイズを縮小した場合に反転磁場が増大するのを回避するためには、例えば、フリー層の膜厚tを減少させればよい。しかしながら、膜厚tを薄くした場合、本来、連続膜であるべきフリー層は得られず、下地上に多数の微粒子を分散させた形態となる。そのような多数の微粒子が形成する薄膜は、強磁性体ではなく常磁性体となるため、磁気抵抗比が著しく減少することとなる。
【0008】
また、メモリセルのサイズを縮小した場合に反転磁場が増大するのを回避するために飽和磁化Msを減少させることもできる。しかしながら、飽和磁化Msを減少させるためにフリー層を構成する材料に非磁性材料を添加した場合、往々にして、フェルミ面における伝導電子のスピン分極度も低下して磁気抵抗比の低下を招くこととなる。
【0009】
すなわち、従来技術では、メモリセルのサイズを縮小した場合に、十分に高い磁気抵抗比を維持しつつフリー層の反転磁界の増大を防止することができなかった。なお、MRAMに関連して説明した問題は、強磁性一重トンネル接合を利用した磁気ヘッドにおいても同様に存在している。また、強磁性一重トンネル接合に関して上述した問題は、強磁性二重トンネル接合においても同様である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、サイズを縮小化した場合においても十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止し得る磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、及び磁気再生装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、所定の外部磁場において前記外部磁場の非印加時に備える磁化の方向を保持する第1の強磁性層と、前記外部磁場において前記外部磁場の非印加時に備える磁化の方向が変化し得る第2の強磁性層と、前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との間に介在する第1のトンネル障壁層とを具備し、前記第1の強磁性層、前記第1のトンネル障壁層、及び前記第2の強磁性層は強磁性トンネル接合を形成し、前記第1のトンネル障壁層は絶縁体からなり、前記第2の強磁性層は前記第1のトンネル障壁層上に形成され、前記第2の強磁性層の膜厚は0.3nm乃至2.5nmの範囲内にあり、前記第2の強磁性層に含まれる強磁性材料の組成は一般式(CoFe)100-xYxまたは一般式(CoFeNi)100-xYxで表され、前記YはB、Si、Zr、P、Mo、Al、及びNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、前記xは不等式3≦x≦16に示す関係を満足することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【0012】
また、本発明は、前記磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を挟んで交差する第1及び第2の配線とを具備することを特徴とする磁気メモリを提供する。
【0013】
さらに、本発明は、前記磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を支持する支持体と、前記磁気抵抗効果素子に接続された一対の電極とを具備することを特徴とする磁気ヘッドを提供する。
【0014】
加えて、本発明は、磁気記録媒体、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子を支持する支持体と前記磁気抵抗効果素子に接続された一対の電極とを具備し且つ前記磁気記録媒体に記録された情報を読み出す磁気ヘッド、及び、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体に対して相対移動させる移動機構を具備することを特徴とする磁気再生装置を提供する。
【0016】
本発明において、上記強磁性トンネル接合は、強磁性一重トンネル接合であってもよく、或いは、強磁性二重トンネル接合であってもよい。後者の場合、上記磁気抵抗効果素子は、上記外部磁場において外部磁場の非印加時に備える磁化の方向を保持する第3の強磁性層と第2のトンネル障壁層とをさらに有し、それら第3の強磁性層及び第2のトンネル障壁層は、第2の強磁性層が2つのトンネル障壁層間に介在し且つ第2の強磁性層及び2つのトンネル障壁層が第1及び第3の強磁性層間に介在するように配置される。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、各図において、同様または類似する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【0018】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図である。図1に示す磁気抵抗効果素子1は、強磁性一重トンネル接合2aを有している。この強磁性一重トンネル接合2aは、一対の強磁性層3,4間に絶縁体などからなるトンネル障壁層6を介在させた構造を有している。この強磁性一重トンネル接合2aは、それら強磁性層3,4間をトンネル障壁層6を介してトンネル電流が流れるように構成されている。
【0019】
強磁性層3のトンネル障壁層6と接する面の裏面には、反強磁性層8が配置されている。これにより、強磁性層3の磁化方向は、外部磁場を作用させても変化することはない。一方、強磁性層4の磁化方向は、基本的には、外部磁場に応じて自由に回転し得る。すなわち、図1に示す磁気抵抗効果素子1において、強磁性層3は磁化方向が固定された第1の強磁性層,所謂、磁化固着層,であり、強磁性層4は外部磁場に応じて磁化方向が変化し得る第2の強磁性層,所謂、フリー層,である。換言すれば、図1に示す磁気抵抗効果素子1は、強磁性層4の磁化方向を外部磁場によって反転または回転させて強磁性層3の磁化方向と強磁性層4の磁化方向とがなす角度を変化させるとトンネル抵抗或いはトンネル電流が変化するという磁気抵抗効果を利用するものである。
【0020】
上述した強磁性一重トンネル接合2a及び反強磁性層8は、通常、基板10の一方の主面上に、各種薄膜を順次成膜することにより形成される。なお、図1の磁気抵抗効果素子1において、基板10と反強磁性層8との間には、拡散バリア層11及び配向制御層12が基板10側から順次積層されており、強磁性層4上には、保護層13及び配線層14が順次積層されている。また、参照番号15は絶縁層である。
【0021】
図2は、本発明の第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図である。図2に示す磁気抵抗効果素子1は、強磁性一重ンネル接合2aの代わりに強磁性二重トンネル接合2bを有しており且つ強磁性二重トンネル接合2bと保護層13との間にさらに反強磁性層9を有していること以外は図1に示す磁気抵抗効果素子1とほぼ同様の構造を有している。
【0022】
図2に示す磁気抵抗効果素子1において、強磁性二重トンネル接合2bは、強磁性層3,4間にトンネル障壁層6を介在させ、強磁性層4,5間にトンネル障壁層7を介在させた構造を有している。この強磁性二重トンネル接合2bは、強磁性層3,4間及び強磁性層4,5間をトンネル障壁層6,7を介してトンネル電流が流れるように構成されている。
【0023】
また、図2に示す磁気抵抗効果素子1において、強磁性層3に関して説明したのと同様に、強磁性層5も反強磁性層9の存在によって磁化方向が固定された磁化固着層である。図2に示す磁気抵抗効果素子1は、強磁性層4の磁化方向を外部磁場によって反転または回転させて強磁性層3,5の磁化方向と強磁性層4の磁化方向とがなす角度を変化させるとトンネル抵抗或いはトンネル電流が変化するという磁気抵抗効果を利用するものである。
【0024】
さて、上述した第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1は、強磁性層4を以下に説明する材料で構成したことを特徴としている。すなわち、図1及び図2に示す磁気抵抗効果素子1において、強磁性層4の組成は、一般式(CoFe)100−xYxまたは一般式(CoFeNi)100−xYxで表される。なお、それら一般式において、YはB、Si、Zr、P、Mo、Al、及びNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。また、xは不等式0<x<100を満足する数値であり、好ましくは、不等式3<x<16を満足する数値である。
【0025】
これら一般式に示す材料は、元素Yを含有していないこと以外は同様の組成を有する材料に比べて飽和磁化Msが小さく、したがって、磁気抵抗効果素子1のサイズを縮小化した場合(或いは、強磁性層4の幅Wを狭めた場合)においても、反転磁界が過剰に大きくなることがない。また、強磁性層4の膜厚tを減少させた場合においても、元素Yを含有する上記材料によると結晶化が抑制されるため、強磁性層4を連続膜として形成することができる。すなわち、磁気抵抗効果素子1のサイズを縮小化した場合であっても、上記一般式に示す材料を用いることにより、式t・Ms/Wに比例する強磁性層4の反転磁界を十分に小さな値に維持することが可能となる。
【0026】
図3は、本発明の第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1の強磁性層4の組成とその磁気抵抗変化率との関係の一例を示すグラフである。このグラフは、一般式(Co9Fe)100−xBxに示す組成を有し且つ厚さが1nmの強磁性層4を用いた磁気抵抗効果素子1について得られたデータに基づいて描かれており、横軸は強磁性層4中のBの濃度に相当する上記一般式中のxを示し、縦軸は磁気抵抗変化率(%)を示している。
【0027】
室温下での通常の成膜方法では、Bを含有しないCo9Fe膜を連続膜として成膜可能な膜厚の下限はせいぜい1.5nm程度である。Co9Fe膜が不連続膜として形成された場合、その不連続膜は数nm径の微粒子の集合体で構成される。これら微粒子のそれぞれは室温下における強磁性を失い、磁化方向が定まらなくなって、所謂、超常磁性となる。その結果、実用的な磁界強度の範囲内においては、磁気抵抗変化率は顕著に低下する。
【0028】
それに対し、Co9FeにBを添加すると、膜厚0.5nm程度までは連続膜を形成することができ、例えば、膜厚が1nmである場合には、図3に示すように、xを3乃至16とすることにより10%以上と十分に高い磁気抵抗変化率を得ることができ、xを5程度とすることにより20%以上もの磁気抵抗変化率を得ることができる。
【0029】
なお、図3に示すデータは、元素YとしてBを添加した場合に得られたものであるが、元素YとしてSi、Zr、P、Mo、Al、及びNbを添加した場合においても同様の傾向が観測される。
【0030】
元素Yを添加した場合に極めて薄い連続膜を形成可能となる理由は、元素Yの添加によって、成膜過程で成膜面上に到達した原子の拡散或いは移動が抑制されるため、結晶化が抑制されるからである。逆に言えば、元素Yを添加しない場合、成膜面上に到達した原子の拡散或いは移動は比較的自由に行われるため結晶化が生じ易い。そのため、従来技術では、膜厚を薄くした場合に個々の島の径が数nm程度の島状構造が形成され、各島は強磁性体であるにも関わらずその磁化方向が揺らいでしまう超常磁性を示すこととなり、その結果、磁気抵抗変化率が著しく低くなるのである。
【0031】
また、図3では、xが5を超えて増加すると磁気抵抗変化率が低下している。その理由は必ずしも明らかとされている訳ではないが、元素Yの濃度が高くなると伝導電子の散乱が多くなり、フェルミレベルの伝導電子のスピン分極度が著しく低下するためであると考えられる。
【0032】
以上説明したように、上記一般式に示す材料によると、極めて薄い連続膜を形成可能であり、しかも、非磁性材料である元素Yを含有しているにも関わらず十分に高い磁気抵抗変化率を得ることができる。すなわち、強磁性層4を上記一般式に示す材料で構成することにより、磁気抵抗効果素子1のサイズを縮小化した場合においても、十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止することができる。
【0033】
上述した磁気抵抗効果素子1において、強磁性層3,5を構成する材料は特に制限されるものではなく、例えば、パーマロイに代表されるNiFe合金、Fe、Co、Ni、及びそれらを含む合金、NiMnSb、PtMnSbのようなホイスラー合金などのハーフメタル、CrO2、マグネタイト、Mnペロブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモルファス合金などの種々の軟磁性材料から、CoPt合金、FePt合金、遷移金属−希土類合金などの硬質磁性材料まで、種々の強磁性材料を使用することができる。
【0034】
また、上述した磁気抵抗効果素子1において、反強磁性層8,9は、それぞれ、強磁性層3,5との交換結合によりそれらの磁化方向を固定するために設けられている。これら反強磁性層8,9としては、例えば、FeMn、IrMn、PtMn、NiMnなどの反強磁性合金やNiO、Fe2O3などの反強磁性材料からなる薄膜に加え、Co/Ru/Co、Co/Au/Coなどの反強磁性交換結合膜を用いてもよい。
【0035】
トンネル障壁層6,7は、それぞれ、強磁性層3,4間及び強磁性層4,5間にトンネル電流を流し得る範囲のポテンシャル高さと厚さを有するものであればよい。トンネル障壁層6,7の材料としては、例えば、Al、Si、Mg、希土類元素、及びこれらの元素を含む合金の酸化物または窒化物などを用いることができる。但し、酸化物絶縁体からなる薄膜は、その作製条件等によってポテンシャル障壁が大きく変化する。磁気抵抗効果素子1の特性は、ポテンシャル障壁の幅及び高さに応じて大きく変化するので、そのような酸化物絶縁体を用いる場合、素子特性の設定の自由度が高くなる反面、素子サイズに応じて種類や作製条件等を適宜設定する必要がある。
【0036】
上記磁気抵抗効果素子1において、基板10としては、例えば、表面にSiO2酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板を用いることができる。基板10上に形成する拡散バリア層11は拡散を防ぐためのものであり、その材料としては、例えば、Ta、TaPt、Ti、TiNx、及びCoSi2等を用いることができる。拡散バリア層上に形成する配向制御層12は、所望の結晶配向性を有する反強磁性層8を形成するための下地層であり、例えば、NiFe、Cu、Ag、及びAuなどの材料で構成され得る。また、保護層13の材料としては、例えば、TaやAu等を使用することができ、配線層14の材料としては、例えば、Al、Cu、Ag、及びAu等を使用することができる。
【0037】
次に、第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1を用いた磁気メモリについて説明する。
【0038】
図4は、本発明の第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1を用いた磁気メモリ(MRAM)を概略的に示す断面図である。また、図5は、図4に示すMRAMの等価回路図である。
【0039】
図4に示すMRAM21はシリコン基板22を有している。このシリコン基板上にはゲート電極24が形成されており、シリコン基板22の表面領域には、このゲート電極24を挟むようにしてソース・ドレイン領域25,26が形成されている。これにより、MOSトランジスタ23が構成されている。なお、ゲート電極24は、読み出し用のワードライン(WL1)を構成している。また、ワードライン(WL1)24上には、絶縁膜27を介して書き込み用のワードライン(WL2)28が形成されている。
【0040】
MOSトランジスタ23のドレイン領域26にはコンタクトメタル29の一端が接続されており、コンタクトメタル29の他端には下地層30が接続されている。この下地層30上のワードライン(WL2)28に対応する位置には強磁性トンネル接合素子(TMR)31が形成されており、さらに、TMR31上にはビットライン32が形成されている。
【0041】
MRAM21のセルは、以上のようにして構成されている。なお、図4に示すTMR31及び下地層30は、例えば、図1及び図2に示す磁気抵抗効果素子1から、基板10、保護層13、配線層14、及び絶縁層15などを除いた構造に相当する。
【0042】
上述したMOSトランジスタ23とTMR31とで構成されるメモリセルは、図5に示すように、アレイ状に配列されている。トランジスタ23のゲート電極である読み出し用のワードライン(WL1)24と、書き込み用のワードライン(WL2)28とは平行に配置されている。また、TMR31の上部に接続されたビットライン(BL)32は、ワードライン(WL1)24及びワードライン(WL2)28と直交するように配置されている。
【0043】
このMRAM21は、第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1を用いているので、メモリセルのサイズを縮小した場合においても、十分に高い磁気抵抗比を維持しつつフリー層の反転磁界の増大を防止することができる。すなわち、このMRAM21では、メモリセルのサイズを縮小した場合においても、十分に電流で情報の書き込みが可能である。
【0044】
なお、MRAM21においては、トランジスタ23の代わりに、ダイオードを使用してもよい。例えば、ワードライン24上にダイオードとTMR31との積層体からなるメモリセルを形成し、TMR31上にワードライン24と直交するようにビットライン32を形成してもMRAM21を得ることができる。
【0045】
次に、第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1を用いた磁気ヘッドについて説明する。
図6は、本発明の第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1を用いた磁気ヘッドを有する磁気ヘッドアセンブリを概略的に示す斜視図である。図6に示す磁気ヘッドアセンブリ41は、例えば、駆動コイルを保持するボビン部などを備えたアクチュエータアーム42を有している。このアクチュエータアーム42にはサスペンション43の一端が取り付けられており、サスペンション43の他端にはヘッドスライダ44が取り付けられている。上述した第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1は、このヘッドスライダ44に組み込まれた磁気再生ヘッドに利用されている。
【0046】
サスペンション43上には信号の書き込み及び読み取り用のリード線45が形成されており、これらリード線45はヘッドスライダ44に組み込まれた磁気再生ヘッドの電極にそれぞれ電気的に接続されている。なお、図6において、参照番号46は、磁気ヘッドアセンブリ41の電極パッドを示している。
【0047】
この磁気ヘッドアセンブリ41は、例えば、以下に説明するような磁気記録再生装置に搭載され得る。
図7は、図6に示す磁気ヘッドアセンブリ41を搭載した磁気記録再生装置を概略的に示す斜視図である。図7に示す磁気記録再生装置51において、磁気記録媒体である磁気ディスク52はスピンドル53に回転可能に支持されている。スピンドル53には、制御部(図示せず)からの制御信号に応じて動作するモータ(図示せず)が接続されており、これにより、磁気ディスク52の回転を制御可能としている。
【0048】
磁気ディスク52の円周部近傍には固定軸54が配置されており、この固定軸54は、その上下2ヶ所に配置されたボールベアリング(図示せず)を介して図6に示す磁気ヘッドアセンブリ41を揺動可能に支持している。磁気ヘッドアセンブリ41のボビン部にはコイル(図示せず)が巻きつけられており、このコイルとそれを挟んで対向して配置された永久磁石と対向ヨークとは磁気回路を形成するのとともにボイスコイルモータ55を構成している。このボイスコイルモータ55によって、磁気ヘッドアセンブリ41の先端のヘッドスライダ44を、磁気ディスク52の所望のトラック上へと位置させることを可能としている。なお、この磁気記録再生装置51において、情報の記録及び再生は、磁気ディスク52を回転させて、ヘッドスライダ44を磁気ディスク52から浮上させた状態で行う。
【0049】
以上のように、第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1は、磁気メモリ、磁気ヘッド、磁気再生装置、及び磁気記録再生装置に利用することができる。また、第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子1は、磁気センサ及びそれを用いた磁界検出装置などに利用することも可能である。
【0050】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例)
図2に示す磁気抵抗効果素子1を以下に説明する方法により作製した。
まず、Si/SiO2基板10をスパッタリング装置内に搬入した。次に、装置内の初期真空度を2×10−7Torr以下に設定し、その後、装置内にArを導入して圧力を2×10−3とした。次いで、Si/SiO2基板10の一方の主面上に、厚さ5nmのTaからなる拡散バリア層11、厚さ15nmのNiFeからなる配向制御層12、厚さ17nmのIr22Mn78からなる反強磁性層8、及び厚さ3nmのCoFeからなる強磁性層3を連続的に順次成膜した。
【0051】
次に、Arガス中でAl2O3ターゲットをスパッタリングすることにより、強磁性層3上に厚さ1.5nmのAl2Ox層を成膜した。次いで、真空破壊することなく装置内に純酸素を導入するのとともにグロー放電させることにより酸素プラズマを発生させ、この酸素プラズマを利用してAl2OxをAl2O3へと酸化することによりトンネル障壁層6を得た。このとき、Al2OxからAl2O3への変換度合の調節は、グロー放電時のパワー及び酸化時間を制御することにより行った。
【0052】
装置から純酸素を排気した後、上述したのと同様の条件下でスパッタリングを行うことにより、トンネル障壁層6上に厚さ1.5nmの(Co9Fe)0.95B0.5からなる強磁性層4を成膜した。次いで、Arガス中にて、上述したのと同様の条件下でスパッタリングを行って強磁性層4上にAl2Ox層を成膜し、このAl2Ox層を酸素プラズマ処理することによりAl2O3からなるトンネル障壁層7を得た。さらに、上述したのと同様の条件下でスパッタリングを行うことにより、トンネル障壁層7上に、厚さ5nmのCoFeからなる強磁性層5、厚さ17nmのIr22Mn78からなる反強磁性層9、及び厚さ5nmのTaからなる保護膜13を順次成膜した。
【0053】
その後、通常のフォトリソグラフィ技術とイオンミリング技術とを用いて、これら薄膜を幅Wが2〜0.25μmであり且つ長さLが幅Wの3倍となるようにパターニングすることにより二重トンネル接合部を規定した。以上のようにして、図2に示す磁気抵抗効果素子1を得た。
【0054】
なお、強磁性層3の磁化方向と強磁性層5の磁化方向とは、反強磁性層8,9によって基板面に平行な同一方向に固定した。このような構成によると、強磁性層3,5の磁化方向は数100Oe程度の弱い外部磁場によって変化することはなく、強磁性層4の磁化方向は外部磁場に対応して変化する。また、この磁気抵抗効果素子1において、強磁性二重トンネル接合2bの抵抗は、強磁性層3,5の磁化方向と強磁性層4の磁化方向とが同一である場合に最も低く、強磁性層3,5の磁化方向と強磁性層4の磁化方向とが反対である場合に最も高い値をとる。
【0055】
(比較例)
強磁性層4として厚さ1.5nmの(Co9Fe)0.95B0.5膜を形成する代わりに厚さ3nmのCo9Fe膜を形成したこと以外は上記実施例で説明したのと同様の方法により図2に示す磁気抵抗効果素子1を作製した。
【0056】
次に、上記実施例及び比較例で作製した磁気抵抗効果素子1の磁気抵抗比(TMR)を調べた。なお、TMRは、強磁性二重トンネル接合2bの抵抗の最小値をRminとし且つ最大値をRmaxとした場合に、下記等式:
TMR(%)=[(Rmax−Rmin)/Rmin]/100
で定義される。
【0057】
図8は、本発明の実施例及び比較例に係る磁気抵抗効果素子1の磁気抵抗比を示すグラフである。図中、横軸はトンネル接合部の幅Wの逆数1/W(μm−1)を示し、縦軸は強磁性層4の磁化方向を反転させるのに必要な磁場の強さHc(Oe)を示している。また、図中、曲線61は本発明の実施例に係る磁気抵抗効果素子1について得られたデータを示し、曲線62は比較例に係る磁気抵抗効果素子1について得られたデータを示している。
【0058】
図8に示すように、本発明の実施例に係る磁気抵抗効果素子1では、トンネル接合部の幅Wを0.25μm程度に小さくしても、強磁性層4の磁化方向を反転させるのに必要な磁場の強さHcは40Oe以下と十分に小さい。しかも、磁場の強さHcの幅Wに対する変化率は小さいので、さらなる微細化にも対応可能であることが分かる。
【0059】
それに対し、比較例に係る磁気抵抗効果素子1では、トンネル接合部の幅Wを0.25μm程度とすると、強磁性層4の磁化方向を反転させるのに必要な磁場の強さHcは100Oeを超え、実用上、強磁性層4の磁化方向を反転させるのが困難となった。
【0060】
なお、元素YとしてBの代わりにSi、Zr、P、Mo、Al、及びNbを用いたこと以外は上述したのと同様の方法により実施例及び比較例に係る磁気抵抗効果素子1を作製し、それらの比較を行ったところ、元素YとしてBを用いた場合と同様の傾向が見られた。また、強磁性層4の材料として一般式(CoFe)100−xYxで表される材料の代わりに一般式(CoFeNi)100−xYxで表される材料を用いて同様の比較を行ったところ、上述したのと同様の傾向が見られた。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、外部磁場に応じて磁化方向が変化し得る強磁性層に、極めて薄い連続膜を形成可能であり且つ十分に高い磁気抵抗変化率を得ることが可能な所定の材料を使用する。そのため、サイズを縮小化した場合においても、十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止することができる。
すなわち、本発明によると、サイズを縮小化した場合においても十分に高い磁気抵抗比を維持し且つ反転磁界の増大を防止し得る磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、磁気ヘッド、及び磁気再生装置が提供される。
【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を概略的に示す断面図。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す断面図。
【図3】本発明の第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の強磁性層の組成とその磁気抵抗変化率との関係の一例を示すグラフ。
【図4】本発明の第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを概略的に示す断面図。
【図5】図4に示す磁気メモリの等価回路図。
【図6】本発明の第1及び第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドを有する磁気ヘッドアセンブリを概略的に示す斜視図。
【図7】図6に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気記録再生装置を概略的に示す斜視図。
【図8】本発明の実施例及び比較例に係る磁気抵抗効果素子の磁気抵抗比を示すグラフ。
【符号の説明】
1…磁気抵抗効果素子
2a…強磁性一重トンネル接合
2b…強磁性二重トンネル接合
3〜5…強磁性層
6,7…トンネル障壁層
8,9…反強磁性層
10…基板
11…拡散バリア層
12…配向制御層
13…保護層
14…配線層
15…絶縁層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a magnetic memory, a magnetic head, and a magnetic reproducing apparatus.
[0002]
[Prior art]
The ferromagnetic single tunnel junction has a structure in which a thin insulator layer is sandwiched between a pair of ferromagnetic layers. When a bias voltage is applied using these ferromagnetic layers as electrodes, a tunnel current flows through the ferromagnetic single tunnel junction.
[0003]
In a ferromagnetic single tunnel junction, a tunnel resistance when a tunnel current flows, that is, a tunnel conductance, changes depending on an angle formed by the magnetization direction of one ferromagnetic layer and the magnetization direction of the other ferromagnetic layer. In other words, the magnetoresistance effect obtained in the ferromagnetic single tunnel junction is based on the fact that the tunnel conductance changes according to the angle formed by the magnetization direction between the ferromagnetic layers. For example, when the magnetization direction of one ferromagnetic layer is a first direction parallel to the film surface and the magnetization direction of the other ferromagnetic layer is a second direction opposite to the first direction The tunnel conductance is minimized. Further, when both the magnetization directions of the ferromagnetic layers are the first direction, the tunnel conductance is maximized.
[0004]
Such a ferromagnetic single tunnel junction is expected to be applied to various devices. For example, for a ferromagnetic single tunnel junction in which one ferromagnetic layer is a fixed magnetization layer with a fixed magnetization direction and the other ferromagnetic layer is a free layer whose magnetization direction can be changed in response to an external magnetic field, It has been proposed to use it as a memory cell of a memory (or magnetic random access memory: MRAM), and this MRAM has already been prototyped with a low storage capacity.
[0005]
The MRAM is basically non-volatile, can be written and read at high speed, and has excellent characteristics such as high fatigue resistance against repeated writing and reading. However, as will be described below, in the MRAM, when the size of the memory cell is reduced as the capacity increases, the magnetic field necessary for reversing the magnetization direction of the free layer, the so-called reversal magnetic field, increases. The problem is that a larger write current is required.
[0006]
The reversal magnetic field of the free layer is proportional to 1 / W (W: cell width). Further, this reversal magnetic field is caused by the free layer thickness t and the saturation magnetization M. s Is also known to be proportional. That is, the reversal magnetic field of the free layer is t · M s It is proportional to / W. Note that the reversal magnetic field of the free layer is proportional to 1 / W because it exceeds the demagnetizing field generated inside the free layer in order to rewrite the information stored in the MRAM cell by reversing the magnetization direction of the free layer. This is because an external magnetic field needs to be applied, but this demagnetizing field is caused by magnetic poles generated in the width direction of the cell.
[0007]
As is apparent from the above proportional relationship, in order to avoid an increase in the reversal magnetic field when the size of the memory cell is reduced, for example, the film thickness t of the free layer may be reduced. However, when the film thickness t is reduced, a free layer that should be a continuous film cannot be obtained, and a large number of fine particles are dispersed on the base. Since the thin film formed by such a large number of fine particles is not a ferromagnetic material but a paramagnetic material, the magnetoresistance ratio is significantly reduced.
[0008]
Further, in order to avoid an increase in the reversal magnetic field when the memory cell size is reduced, the saturation magnetization M s Can also be reduced. However, saturation magnetization M s When a non-magnetic material is added to the material constituting the free layer in order to reduce the resistance, the spin polarization degree of conduction electrons on the Fermi surface is often lowered, leading to a reduction in magnetoresistance ratio.
[0009]
That is, in the prior art, when the size of the memory cell is reduced, an increase in the reversal magnetic field of the free layer cannot be prevented while maintaining a sufficiently high magnetoresistance ratio. The problem described in connection with the MRAM also exists in a magnetic head using a ferromagnetic single tunnel junction. In addition, the above-mentioned problem concerning the ferromagnetic single tunnel junction is the same in the ferromagnetic double tunnel junction.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. A magnetoresistive effect element, a magnetic memory, and the like that can maintain a sufficiently high magnetoresistance ratio and prevent an increase in switching magnetic field even when the size is reduced. An object is to provide a magnetic head and a magnetic reproducing apparatus.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a first ferromagnetic layer that retains the direction of magnetization provided when no external magnetic field is applied in a predetermined external magnetic field, and when the external magnetic field is not applied with the external magnetic field. Comprising: a second ferromagnetic layer capable of changing a magnetization direction; and a first tunnel barrier layer interposed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, One ferromagnetic layer, the first tunnel barrier layer, and the second ferromagnetic layer form a ferromagnetic tunnel junction; The first tunnel barrier layer is made of an insulator, the second ferromagnetic layer is formed on the first tunnel barrier layer, and the thickness of the second ferromagnetic layer is 0.3 nm to 2. In the range of 5 nm, The composition of the ferromagnetic material contained in the second ferromagnetic layer has the general formula (CoFe) 100-x Y x Or general formula (CoFeNi) 100-x Y x Y is at least one element selected from the group consisting of B, Si, Zr, P, Mo, Al, and Nb. X satisfies the relationship expressed by the
[0012]
According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic memory comprising the magnetoresistive element and first and second wirings that intersect with the magnetoresistive element.
[0013]
Furthermore, the present invention provides a magnetic head comprising the magnetoresistive element, a support that supports the magnetoresistive element, and a pair of electrodes connected to the magnetoresistive element. To do.
[0014]
In addition, the present invention includes a magnetic recording medium, the magnetoresistive effect element, a support that supports the magnetoresistive effect element, and a pair of electrodes connected to the magnetoresistive effect element. Provided is a magnetic reproducing apparatus comprising a magnetic head for reading recorded information, and a moving mechanism for moving the magnetic head relative to the magnetic recording medium.
[0016]
In the present invention, the ferromagnetic tunnel junction may be a ferromagnetic single tunnel junction or a ferromagnetic double tunnel junction. In the latter case, the magnetoresistive effect element further includes a third ferromagnetic layer and a second tunnel barrier layer that maintain the magnetization direction provided when no external magnetic field is applied in the external magnetic field, and the third tunnel barrier layer. The second ferromagnetic barrier layer and the second tunnel barrier layer have a second ferromagnetic layer interposed between the two tunnel barrier layers, and the second ferromagnetic layer and the two tunnel barrier layers are the first and third ferromagnetic layers. It arrange | positions so that it may interpose between layers.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same referential mark is attached | subjected to the same or similar component, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0018]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the present invention. A
[0019]
An
[0020]
The ferromagnetic
[0021]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a magnetoresistive effect element according to the second embodiment of the present invention. The
[0022]
In the
[0023]
In the
[0024]
The
[0025]
The materials represented by these general formulas have saturation magnetization M as compared with materials having the same composition except that they do not contain the element Y. s Therefore, even when the size of the
[0026]
FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the composition of the
[0027]
In a normal film formation method at room temperature, B-free Co 9 The lower limit of the film thickness that can be formed using the Fe film as a continuous film is at most about 1.5 nm. Co 9 When the Fe film is formed as a discontinuous film, the discontinuous film is composed of an aggregate of fine particles having a diameter of several nm. Each of these fine particles loses ferromagnetism at room temperature, and the magnetization direction is not fixed, so-called superparamagnetism. As a result, the magnetoresistance change rate is significantly reduced within a practical magnetic field strength range.
[0028]
In contrast, Co 9 When B is added to Fe, a continuous film can be formed up to a film thickness of about 0.5 nm. For example, when the film thickness is 1 nm, x is set to 3 to 16 as shown in FIG. Thus, a sufficiently high magnetoresistance change rate of 10% or more can be obtained, and by setting x to about 5, a magnetoresistance change rate of 20% or more can be obtained.
[0029]
The data shown in FIG. 3 was obtained when B was added as the element Y, but the same tendency was observed when Si, Zr, P, Mo, Al, and Nb were added as the element Y. Is observed.
[0030]
The reason why an extremely thin continuous film can be formed when the element Y is added is that the addition or the element Y suppresses the diffusion or movement of atoms reaching the film formation surface during the film formation process. It is because it is suppressed. In other words, when the element Y is not added, crystallization is likely to occur because diffusion or movement of atoms that have reached the film formation surface is performed relatively freely. For this reason, in the prior art, when the film thickness is reduced, an island-like structure in which the diameter of each island is about several nanometers is formed, and the magnetization direction fluctuates even though each island is a ferromagnetic substance. As a result, the rate of change in magnetoresistance is significantly reduced.
[0031]
In FIG. 3, when x increases beyond 5, the magnetoresistance change rate decreases. The reason is not necessarily clarified, but it is considered that the conduction electron scattering increases as the concentration of the element Y increases, and the spin polarization degree of the Fermi level conduction electrons is remarkably lowered.
[0032]
As described above, according to the material shown in the above general formula, it is possible to form a very thin continuous film, and yet it has a sufficiently high magnetoresistance change rate even though it contains the element Y which is a nonmagnetic material. Can be obtained. That is, by configuring the
[0033]
In the
[0034]
In the
[0035]
The tunnel barrier layers 6 and 7 may have any potential height and thickness within a range in which a tunnel current can flow between the
[0036]
In the
[0037]
Next, a magnetic memory using the
[0038]
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a magnetic memory (MRAM) using the
[0039]
The
[0040]
One end of a
[0041]
The cell of the
[0042]
The memory cells composed of the
[0043]
Since this
[0044]
In the
[0045]
Next, a magnetic head using the
FIG. 6 is a perspective view schematically showing a magnetic head assembly having a magnetic head using the
[0046]
Signal writing and reading
[0047]
The
FIG. 7 is a perspective view schematically showing a magnetic recording / reproducing apparatus equipped with the
[0048]
A fixed
[0049]
As described above, the
[0050]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
(Example)
The
First, Si / SiO 2 The
[0051]
Next, in Ar gas, Al 2 O 3 By sputtering the target, Al having a thickness of 1.5 nm is formed on the
[0052]
After exhausting pure oxygen from the apparatus, sputtering is performed under the same conditions as described above, so that a 1.5 nm thick (Co 9 Fe) 0.95 B 0.5 A
[0053]
Thereafter, using a normal photolithography technique and an ion milling technique, these thin films are patterned so that the width W is 2 to 0.25 μm and the length L is three times the width W, thereby forming a double tunnel. A joint was defined. As described above, the
[0054]
The magnetization direction of the
[0055]
(Comparative example)
The
[0056]
Next, the magnetoresistive ratio (TMR) of the
TMR (%) = [(R max -R min ) / R min ] / 100
Defined by
[0057]
FIG. 8 is a graph showing the magnetoresistance ratio of the
[0058]
As shown in FIG. 8, in the
[0059]
On the other hand, in the
[0060]
The
[0061]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, an extremely thin continuous film can be formed on a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be changed according to an external magnetic field, and a sufficiently high magnetoresistance change rate can be obtained. Use materials. Therefore, even when the size is reduced, it is possible to maintain a sufficiently high magnetoresistance ratio and prevent an increase in the reversal magnetic field.
That is, according to the present invention, there are provided a magnetoresistive effect element, a magnetic memory, a magnetic head, and a magnetic reproducing apparatus capable of maintaining a sufficiently high magnetoresistance ratio and preventing an increase in switching magnetic field even when the size is reduced. Is done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a magnetoresistive effect element according to a second embodiment of the invention.
FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the composition of the ferromagnetic layer of the magnetoresistive effect element according to the first and second embodiments of the present invention and the rate of change in magnetoresistance.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a magnetic memory using magnetoresistive elements according to the first and second embodiments of the present invention.
5 is an equivalent circuit diagram of the magnetic memory shown in FIG.
FIG. 6 is a perspective view schematically showing a magnetic head assembly having a magnetic head using the magnetoresistive effect element according to the first and second embodiments of the present invention.
7 is a perspective view schematically showing a magnetic recording / reproducing apparatus on which the magnetic head assembly shown in FIG. 6 is mounted. FIG.
FIG. 8 is a graph showing magnetoresistance ratios of magnetoresistive elements according to examples and comparative examples of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... magnetoresistive effect element
2a ... Ferromagnetic single tunnel junction
2b ... Ferromagnetic double tunnel junction
3-5 ... ferromagnetic layer
6, 7 ... Tunnel barrier layer
8,9 ... Antiferromagnetic layer
10 ... Board
11 ... Diffusion barrier layer
12 ... Orientation control layer
13 ... Protective layer
14 ... Wiring layer
15 ... Insulating layer
Claims (5)
前記第1のトンネル障壁層は絶縁体からなり、
前記第2の強磁性層は前記第1のトンネル障壁層上に形成され、
前記第2の強磁性層の膜厚は0.3nm乃至2.5nmの範囲内にあり、
前記第2の強磁性層に含まれる強磁性材料の組成は一般式(CoFe)100-xYxまたは一般式(CoFeNi)100-xYxで表され、前記YはB、Si、Zr、P、Mo、Al、及びNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、
前記xは不等式3≦x≦16に示す関係を満足することを特徴とする磁気抵抗効果素子。A first ferromagnetic layer that retains a magnetization direction provided when the external magnetic field is not applied in a predetermined external magnetic field; and a second strong layer that can change a magnetization direction provided when the external magnetic field is not applied in the external magnetic field. A magnetic layer; and a first tunnel barrier layer interposed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, wherein the first ferromagnetic layer and the first tunnel barrier are provided. The layer and the second ferromagnetic layer form a ferromagnetic tunnel junction;
The first tunnel barrier layer is made of an insulator;
The second ferromagnetic layer is formed on the first tunnel barrier layer;
The film thickness of the second ferromagnetic layer is in the range of 0.3 nm to 2.5 nm;
The composition of the ferromagnetic material contained in the second ferromagnetic layer is represented by the general formula (CoFe) 100-x Y x or the general formula (CoFeNi) 100-x Y x, where Y is B, Si, Zr, P, Mo, Al, and at least one element der selected from the group consisting of Nb is,
The x satisfies the relationship represented by the inequality 3 ≦ x ≦ 16 .
請求項1または請求項2に記載の磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子を支持する支持体と前記磁気抵抗効果素子に接続された一対の電極とを具備し且つ前記磁気記録媒体に記録された情報を読み出す磁気ヘッド、及び、A magnetoresistive effect element according to claim 1, a support that supports the magnetoresistive effect element, and a pair of electrodes connected to the magnetoresistive effect element, and recorded on the magnetic recording medium. A magnetic head for reading out the information, and
前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体に対して相対移動させる移動機構を具備することを特徴とする磁気再生装置。A magnetic reproducing apparatus comprising a moving mechanism for moving the magnetic head relative to the magnetic recording medium.
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