JP2001339110A - 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 - Google Patents
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Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電圧で磁化を制御できる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を提供する。 【解決手段】反強磁性層１と、その両側に隣接して対向
した磁性層２および電極３とを具備し、磁性層２と電極
３間に加える電圧により磁性層２の磁化方位を制御す
る。特に反強磁性層１に隣接した磁性層２が、さらに非
磁性層４を介した別の磁性層５との積層構造をとる場
合、制御した磁性層の磁化の方位を電気抵抗の変化とし
て検出できる。これらの磁気制御素子は原理的に電界ま
たは磁界に反応するので、電気や磁気信号の検知を行う
磁気部品を構成することができる。その際の磁性体の磁
化方位は基本的に次の信号が入るまで保持されるので、
メモリー装置を構成することもできる。
用いた磁気部品及びメモリー装置を提供する。 【解決手段】反強磁性層１と、その両側に隣接して対向
した磁性層２および電極３とを具備し、磁性層２と電極
３間に加える電圧により磁性層２の磁化方位を制御す
る。特に反強磁性層１に隣接した磁性層２が、さらに非
磁性層４を介した別の磁性層５との積層構造をとる場
合、制御した磁性層の磁化の方位を電気抵抗の変化とし
て検出できる。これらの磁気制御素子は原理的に電界ま
たは磁界に反応するので、電気や磁気信号の検知を行う
磁気部品を構成することができる。その際の磁性体の磁
化方位は基本的に次の信号が入るまで保持されるので、
メモリー装置を構成することもできる。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は外部電圧で磁気の制
御が可能な磁気制御素子と、それを用いて電気または磁
気信号の検出及び記憶を行う磁気部品とメモリー装置に
関するものである。
御が可能な磁気制御素子と、それを用いて電気または磁
気信号の検出及び記憶を行う磁気部品とメモリー装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の情報関連産業の発展とともに半導
体メモリーの進歩も著しいが、次世代のメモリーとし
て、磁性体の磁化を制御して記憶を行うＭＲＡＭ（Magn
eto-resisive Random Access Memory）が研究されてい
る。(日本応用磁気学会誌、第２３巻、第７号、第１８
２６頁、１９９９年発行）この原理は、信号電流が発生
する磁場で磁性体の磁化の方位を制御して記録を行い、
その磁化反転を磁気抵抗効果を使って読み出すものであ
り、不揮発で応答速度も高く高集積化も可能な次世代メ
モリー装置として期待が大きい。
体メモリーの進歩も著しいが、次世代のメモリーとし
て、磁性体の磁化を制御して記憶を行うＭＲＡＭ（Magn
eto-resisive Random Access Memory）が研究されてい
る。(日本応用磁気学会誌、第２３巻、第７号、第１８
２６頁、１９９９年発行）この原理は、信号電流が発生
する磁場で磁性体の磁化の方位を制御して記録を行い、
その磁化反転を磁気抵抗効果を使って読み出すものであ
り、不揮発で応答速度も高く高集積化も可能な次世代メ
モリー装置として期待が大きい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記原理のＭＲ
ＡＭにおいて、磁化の反転制御を行う磁界を発生させる
ためにはある程度の電流が必要であり、省消費電力とい
う点で限界がある。また素子の集積度が上がってくる
と、特定の素子のみに有効に磁界を発生させる素子構造
および配線の引き回しをとることが難しくなってくる。
すなわち電流信号により情報の書き込みを行う磁気制御
素子およびそれを用いたＭＲＡＭでは、低消費電力や高
集積化の点で限界があった。
ＡＭにおいて、磁化の反転制御を行う磁界を発生させる
ためにはある程度の電流が必要であり、省消費電力とい
う点で限界がある。また素子の集積度が上がってくる
と、特定の素子のみに有効に磁界を発生させる素子構造
および配線の引き回しをとることが難しくなってくる。
すなわち電流信号により情報の書き込みを行う磁気制御
素子およびそれを用いたＭＲＡＭでは、低消費電力や高
集積化の点で限界があった。
【０００４】本発明は上記課題を解決するため、電圧で
磁化を制御できる磁気制御素子とそれを用いた磁気部品
及びメモリー装置を提供することを目的とする。
磁化を制御できる磁気制御素子とそれを用いた磁気部品
及びメモリー装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の磁気制御素子は、反強磁性層と、その両側
に隣接して対向した磁性層および電極とを具備した磁気
制御素子であって、前記磁性層と前記電極間に加える電
圧により前記磁性層の磁化方位を制御することを特徴と
する。
め、本発明の磁気制御素子は、反強磁性層と、その両側
に隣接して対向した磁性層および電極とを具備した磁気
制御素子であって、前記磁性層と前記電極間に加える電
圧により前記磁性層の磁化方位を制御することを特徴と
する。
【０００６】また本発明の磁気部品は、反強磁性層と、
その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備
し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁
性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電気ま
たは磁気信号を検知することを特徴とする。
その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備
し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁
性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電気ま
たは磁気信号を検知することを特徴とする。
【０００７】また本発明のメモリー装置は、反強磁性層
と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを
具備し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前
記磁性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電
気または磁気信号を保存することを特徴とする。
と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを
具備し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前
記磁性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電
気または磁気信号を保存することを特徴とする。
【０００８】本発明は、電圧信号で磁性層の磁化方位を
制御できる素子が実現し、これを用いることにより低消
費電力動作および高集積密度の磁気抵抗効果型メモリー
装置や磁気部品を提供できる。
制御できる素子が実現し、これを用いることにより低消
費電力動作および高集積密度の磁気抵抗効果型メモリー
装置や磁気部品を提供できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は従来の電流による磁化の
制御とは異なり、反強磁性層とその両側に隣接して対向
した磁性層および電極とからなり、磁性層と電極間に電
圧を加えて反強磁性層へ電界を印加することにより隣接
する磁性層の磁化を制御することを特徴とする。
制御とは異なり、反強磁性層とその両側に隣接して対向
した磁性層および電極とからなり、磁性層と電極間に電
圧を加えて反強磁性層へ電界を印加することにより隣接
する磁性層の磁化を制御することを特徴とする。
【００１０】特に反強磁性層に隣接した磁性層が、さら
に非磁性層を介した別の磁性層との積層構造をとる場
合、制御した磁性層の磁化の方位を磁気抵抗効果により
電気抵抗の変化として検出できるので好ましい。
に非磁性層を介した別の磁性層との積層構造をとる場
合、制御した磁性層の磁化の方位を磁気抵抗効果により
電気抵抗の変化として検出できるので好ましい。
【００１１】またこれらの磁気制御素子は原理的に電界
または磁界に反応するので、電気や磁気信号の検知を行
う磁気部品を構成することができる。その際の磁性体の
磁化方位は基本的に次の信号が入るまで保持されるの
で、メモリー装置を構成することもできる。
または磁界に反応するので、電気や磁気信号の検知を行
う磁気部品を構成することができる。その際の磁性体の
磁化方位は基本的に次の信号が入るまで保持されるの
で、メモリー装置を構成することもできる。
【００１２】本発明においては、反強磁性層に隣接した
磁性層が、さらに非磁性層を介して別の磁性層と積層さ
れていることが好ましい。非磁性層の両側の磁性層の磁
化方位の結合状態により電気抵抗が変化するので（磁気
抵抗効果）、電圧で制御された磁性層の磁化方位を簡単
に検出することができるからである。
磁性層が、さらに非磁性層を介して別の磁性層と積層さ
れていることが好ましい。非磁性層の両側の磁性層の磁
化方位の結合状態により電気抵抗が変化するので（磁気
抵抗効果）、電圧で制御された磁性層の磁化方位を簡単
に検出することができるからである。
【００１３】前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁性
層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積層
して磁性層の磁化を固定したことが好ましい。磁化回転
抑制層に隣接する磁性層の磁化の方位が固定されるの
で、制御された反強磁性層に隣接した磁性層の方位を安
定に読み出すことができるからである。前記磁化回転抑
制層は、Ｐ−Ｍｎ系（ＰはＰｔ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒ
ｈ，Ｒｕ及びＣｒから選ばれる少なくとも１種の元素）
合金で形成されていることが好ましい。また前記反強磁
性層の比抵抗は、１オームｃｍ以上であることが好まし
い。１オームｃｍ以上の材料であれば、磁化制御が可能
である。さらに好ましい比抵抗は１ｋオームｃｍ以上で
ある。
層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積層
して磁性層の磁化を固定したことが好ましい。磁化回転
抑制層に隣接する磁性層の磁化の方位が固定されるの
で、制御された反強磁性層に隣接した磁性層の方位を安
定に読み出すことができるからである。前記磁化回転抑
制層は、Ｐ−Ｍｎ系（ＰはＰｔ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒ
ｈ，Ｒｕ及びＣｒから選ばれる少なくとも１種の元素）
合金で形成されていることが好ましい。また前記反強磁
性層の比抵抗は、１オームｃｍ以上であることが好まし
い。１オームｃｍ以上の材料であれば、磁化制御が可能
である。さらに好ましい比抵抗は１ｋオームｃｍ以上で
ある。
【００１４】前記反強磁性層は、酸化物で形成されてい
ることが好ましい。酸化物であれば磁化制御が可能であ
る。酸化物としては例えば、Cr2O3,Ti2O3,Nb2Mn4O9,Ta2
Mn4O 9, Nb2Co4O9,Ta2Co4O9,GaFeO3,Ni3B7O13I,FeSb2O4,
MnNb2O6,MnGeO3,LiMnPO4,LiFePO4,LiCoPO4,LiNiPO4,GdA
lO3,DyAlO3,TbAlO3,DyPO4,Fe2TeO6,BaCoF4,BaMnF4，CoF
2,MnF2,αFe2O3等を挙げることができる。なかでも鉄を
含む酸化物で形成されていることが好ましい。また、前
記反強磁性層は、希土類元素、ビスマス及びガリウムか
ら選ばれる少なくとも一種の元素と鉄の酸化物で形成さ
れていてもよい。また前記反強磁性層は、ペロブスカイ
トまたはペロブスカイト関連構造(related stracture)
の酸化物で形成されていることが好ましい。ここでペロ
ブスカイト関連構造の酸化物とは、ペロブスカイトと同
様な結晶構造を示す化合物をいう。
ることが好ましい。酸化物であれば磁化制御が可能であ
る。酸化物としては例えば、Cr2O3,Ti2O3,Nb2Mn4O9,Ta2
Mn4O 9, Nb2Co4O9,Ta2Co4O9,GaFeO3,Ni3B7O13I,FeSb2O4,
MnNb2O6,MnGeO3,LiMnPO4,LiFePO4,LiCoPO4,LiNiPO4,GdA
lO3,DyAlO3,TbAlO3,DyPO4,Fe2TeO6,BaCoF4,BaMnF4，CoF
2,MnF2,αFe2O3等を挙げることができる。なかでも鉄を
含む酸化物で形成されていることが好ましい。また、前
記反強磁性層は、希土類元素、ビスマス及びガリウムか
ら選ばれる少なくとも一種の元素と鉄の酸化物で形成さ
れていてもよい。また前記反強磁性層は、ペロブスカイ
トまたはペロブスカイト関連構造(related stracture)
の酸化物で形成されていることが好ましい。ここでペロ
ブスカイト関連構造の酸化物とは、ペロブスカイトと同
様な結晶構造を示す化合物をいう。
【００１５】前記反強磁性層は、エピタキシャル成長し
たペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸化
物で形成されていることが好ましい。
たペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸化
物で形成されていることが好ましい。
【００１６】前記エピタキシャル成長したペロブスカイ
トまたはペロブスカイト関連構造の酸化物からなる反強
磁性層は、ペロブスカイト単位格子の（１１０）面に対
応した面からなる層であることが好ましい。
トまたはペロブスカイト関連構造の酸化物からなる反強
磁性層は、ペロブスカイト単位格子の（１１０）面に対
応した面からなる層であることが好ましい。
【００１７】前記反強磁性層が、フェリ磁性または寄生
強磁性に起因する５００ガウス以下の弱い磁性を保有す
ることが好ましい。
強磁性に起因する５００ガウス以下の弱い磁性を保有す
ることが好ましい。
【００１８】前記反強磁性層に隣接した磁性層の厚み
が、１００nm以下であることが好ましい。さらに好まし
い厚みは１〜２０nmの範囲である。
が、１００nm以下であることが好ましい。さらに好まし
い厚みは１〜２０nmの範囲である。
【００１９】前記磁性層は、鉄、コバルト及びニッケル
から選ばれる少なくとも１種の元素で形成されているこ
とが好ましい。
から選ばれる少なくとも１種の元素で形成されているこ
とが好ましい。
【００２０】以下本発明の磁気制御素子、それを用いた
磁気部品、メモリー装置について図面に基づいて説明す
る。
磁気部品、メモリー装置について図面に基づいて説明す
る。
【００２１】図１に本発明の磁気制御素子の構成を示す
断面図の一例を示す。反強磁性層１が磁性層２と金属電
極３で挟まれた構成となっている。本発明者等は、電極
３及び磁性層２の間に電圧を加えて反強磁性体内に電界
を発生させることにより、磁性層２の磁化の方位が制御
されるという発見に基づき、本発明に至ったものであ
る。印加電界に対してその物質の磁化または磁区が影響
を受ける現象は、ＭＥ効果（電気磁気効果）として知ら
れているが、制御できる磁化の量はさほど大きくなく、
本発明のように隣接する磁性層の磁化方位を大きく制御
できるということは、従来の原理からは全く予想できな
いものであった。反強磁性層への電界印加により隣接す
る磁性層の磁化が変化する機構については不明である
が、反強磁性層と磁性層との交換結合に対する格子歪み
の関与が推察される。
断面図の一例を示す。反強磁性層１が磁性層２と金属電
極３で挟まれた構成となっている。本発明者等は、電極
３及び磁性層２の間に電圧を加えて反強磁性体内に電界
を発生させることにより、磁性層２の磁化の方位が制御
されるという発見に基づき、本発明に至ったものであ
る。印加電界に対してその物質の磁化または磁区が影響
を受ける現象は、ＭＥ効果（電気磁気効果）として知ら
れているが、制御できる磁化の量はさほど大きくなく、
本発明のように隣接する磁性層の磁化方位を大きく制御
できるということは、従来の原理からは全く予想できな
いものであった。反強磁性層への電界印加により隣接す
る磁性層の磁化が変化する機構については不明である
が、反強磁性層と磁性層との交換結合に対する格子歪み
の関与が推察される。
【００２２】この場合、磁化の方位の検知には種々の方
法が考えられるが、図２に示したように特に磁性層２に
さらに積層を施して磁性層２／非磁性層４／磁性層５の
積層構造を用いた場合、非磁性層の両側の磁性層の磁化
方位の結合状態により電気抵抗が変化するので（磁気抵
抗効果）、電圧で制御された磁性層の磁化方位を簡単に
検出することができる。
法が考えられるが、図２に示したように特に磁性層２に
さらに積層を施して磁性層２／非磁性層４／磁性層５の
積層構造を用いた場合、非磁性層の両側の磁性層の磁化
方位の結合状態により電気抵抗が変化するので（磁気抵
抗効果）、電圧で制御された磁性層の磁化方位を簡単に
検出することができる。
【００２３】また図３に示すように磁性層２／非磁性層
４／磁性層５にさらに磁化回転抑制層６を積層した場
合、磁性層５の磁化の方位が固定されるので、制御され
た磁性層２の方位を安定に読み出すことができる。磁化
回転抑制層６の材質としては、Ｐ−Ｍｎ系（ＰはＰｔ，
Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｒから選ばれる１種
もしくは２種以上の元素）合金が適していることを確認
した。Ｐ−Ｍｎの好ましい組成割合は、P:Mn=70-30:30-
70 atomic%の範囲である。
４／磁性層５にさらに磁化回転抑制層６を積層した場
合、磁性層５の磁化の方位が固定されるので、制御され
た磁性層２の方位を安定に読み出すことができる。磁化
回転抑制層６の材質としては、Ｐ−Ｍｎ系（ＰはＰｔ，
Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｒから選ばれる１種
もしくは２種以上の元素）合金が適していることを確認
した。Ｐ−Ｍｎの好ましい組成割合は、P:Mn=70-30:30-
70 atomic%の範囲である。
【００２４】磁化制御に必要な電界の大きさは反強磁性
層の材質により異なっていたが、効果の小さい場合でも
１００ｋＶ／ｃｍ以上の高電界を印加すれば制御できる
ことが判った。ただしこの場合には電界の印加方向に依
存しない磁化の変化を示したのに対し、効果が大きい材
質の反強磁性層を用いた場合には１０ｋＶ／ｃｍ程度の
電界でも磁化制御が可能で、しかも電圧の正負により磁
性層の磁化の方位が逆になることも合わせて見い出し
た。上限値はとくに限定されないが、１０4ｋＶ／ｃｍ
以下が実用的には好ましい。
層の材質により異なっていたが、効果の小さい場合でも
１００ｋＶ／ｃｍ以上の高電界を印加すれば制御できる
ことが判った。ただしこの場合には電界の印加方向に依
存しない磁化の変化を示したのに対し、効果が大きい材
質の反強磁性層を用いた場合には１０ｋＶ／ｃｍ程度の
電界でも磁化制御が可能で、しかも電圧の正負により磁
性層の磁化の方位が逆になることも合わせて見い出し
た。上限値はとくに限定されないが、１０4ｋＶ／ｃｍ
以下が実用的には好ましい。
【００２５】この際、反強磁性層の比抵抗が１オームｃ
ｍ以上の材質の時に磁化制御が認められたが、さらに１
００オームｃｍ以上の時には大きな効果が得られること
を確認した。上限値はとくに限定されないが、１ｋオー
ムｃｍ以下が実用的には好ましい。
ｍ以上の材質の時に磁化制御が認められたが、さらに１
００オームｃｍ以上の時には大きな効果が得られること
を確認した。上限値はとくに限定されないが、１ｋオー
ムｃｍ以下が実用的には好ましい。
【００２６】反強磁性層の材質としては、酸化物で構成
されているときに磁化制御の大きい効果が得られる場合
が多かった。特にマンガン、コバルトやニッケルを含む
酸化物で磁化制御の大きい効果が認められた。より好ま
しい結果は、鉄を含む酸化物の場合に高い磁化制御が得
られることが判った。さらに希土類元素、ビスマス、ガ
リウムの少なくとも一種を含む鉄の酸化物であった場合
にはより顕著に観測された。この結晶構造は複雑なため
正確に決定することは困難であったが、Ｘ線回折による
とペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の結晶
格子であると考えられる。このペロブスカイト構造がエ
ピタキシャル成長して結晶方位が揃っている場合には、
多結晶の場合に比べてより効果的であり、その方位に関
して特にペロブスカイト単位格子の（１１０）面が反強
磁性層の結晶面として出現している場合に好ましい結果
であった。また理由はよく解らないが、反強磁性層にお
いて完全に磁性が反平行で打ち消されずに、フェリ磁性
または寄生強磁性に起因して５００ガウス以下の弱い磁
性を保有している場合に効果が大きい結果であった。
されているときに磁化制御の大きい効果が得られる場合
が多かった。特にマンガン、コバルトやニッケルを含む
酸化物で磁化制御の大きい効果が認められた。より好ま
しい結果は、鉄を含む酸化物の場合に高い磁化制御が得
られることが判った。さらに希土類元素、ビスマス、ガ
リウムの少なくとも一種を含む鉄の酸化物であった場合
にはより顕著に観測された。この結晶構造は複雑なため
正確に決定することは困難であったが、Ｘ線回折による
とペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の結晶
格子であると考えられる。このペロブスカイト構造がエ
ピタキシャル成長して結晶方位が揃っている場合には、
多結晶の場合に比べてより効果的であり、その方位に関
して特にペロブスカイト単位格子の（１１０）面が反強
磁性層の結晶面として出現している場合に好ましい結果
であった。また理由はよく解らないが、反強磁性層にお
いて完全に磁性が反平行で打ち消されずに、フェリ磁性
または寄生強磁性に起因して５００ガウス以下の弱い磁
性を保有している場合に効果が大きい結果であった。
【００２７】反強磁性層に隣接して磁化制御を受ける磁
性層の厚みは１００ｎｍ程度までは可能であったが、と
くに１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の場合には磁性層の磁化を
ほぼ完全に制御することができ好ましい結果であった。
磁性層の素材については、磁性を示すものなら同様に使
用できるが、特に、鉄、コバルト、ニッケルから選ばれ
る１種もしくは２種以上の元素の金属膜で構成すると、
平滑な層を実現することができ好ましい。
性層の厚みは１００ｎｍ程度までは可能であったが、と
くに１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の場合には磁性層の磁化を
ほぼ完全に制御することができ好ましい結果であった。
磁性層の素材については、磁性を示すものなら同様に使
用できるが、特に、鉄、コバルト、ニッケルから選ばれ
る１種もしくは２種以上の元素の金属膜で構成すると、
平滑な層を実現することができ好ましい。
【００２８】以上述べたような本発明の磁気制御素子を
用いて磁気部品を構成することができる。図４Ａ〜Ｂに
示した概略断面図は、磁場の変化を読みとって磁気信号
の検知を行う磁気部品の構成例である。基板７（基板と
しては、ガラス、シリコン、サファイア、単結晶ペロブ
スカイト等の無機物を用いるのが好ましい。）上に、金
属電極３、反強磁性層１、磁性層２、導電性の非磁性層
４、磁性層５が積層された構造となっている。この場
合、磁性層は固定されておらず、外部磁場により容易に
磁化方位が変化する。図４Ａのように磁気信号の外部磁
場が磁気部品に印加された場合、磁性層２，５の磁化方
位が外部磁場の方向を向いて記憶される。この信号を読
み出すには、図４Ｂのように読み出す素子の反強磁性層
に電圧をかけて磁性層２の磁化方位を制御し、磁気抵抗
効果による電気抵抗の変化を磁性層５を介して検知す
る。制御した磁性層２と同じ向きの磁場信号の場合には
両磁性層の磁化方位は同じになるので、磁性層と導電性
非磁性層の界面での伝導電子のスピン散乱が抑制されて
抵抗が低くなり、逆の場合にはスピン散乱に因り抵抗が
高くなる磁気部品が構成できる。
用いて磁気部品を構成することができる。図４Ａ〜Ｂに
示した概略断面図は、磁場の変化を読みとって磁気信号
の検知を行う磁気部品の構成例である。基板７（基板と
しては、ガラス、シリコン、サファイア、単結晶ペロブ
スカイト等の無機物を用いるのが好ましい。）上に、金
属電極３、反強磁性層１、磁性層２、導電性の非磁性層
４、磁性層５が積層された構造となっている。この場
合、磁性層は固定されておらず、外部磁場により容易に
磁化方位が変化する。図４Ａのように磁気信号の外部磁
場が磁気部品に印加された場合、磁性層２，５の磁化方
位が外部磁場の方向を向いて記憶される。この信号を読
み出すには、図４Ｂのように読み出す素子の反強磁性層
に電圧をかけて磁性層２の磁化方位を制御し、磁気抵抗
効果による電気抵抗の変化を磁性層５を介して検知す
る。制御した磁性層２と同じ向きの磁場信号の場合には
両磁性層の磁化方位は同じになるので、磁性層と導電性
非磁性層の界面での伝導電子のスピン散乱が抑制されて
抵抗が低くなり、逆の場合にはスピン散乱に因り抵抗が
高くなる磁気部品が構成できる。
【００２９】図５は本発明の磁気制御素子で構成した磁
気メモリー装置の例である。金属電極３、反強磁性層
１、磁性層２、非磁性層４、磁性層５、磁化回転抑制層
６の積層構造からなる２個のメモリーセル８，９が示さ
れている。金属電極と磁性層の間の電圧の有無により磁
性層自体の磁化方位が制御され、電気信号の記憶がなさ
れる。図５のようにメモリーセル８の磁性層２と電極３
の間に電圧信号パルスを入力すると、その間の反強磁性
層１の電界印加部分のスピンの向きが反転して交換結合
等の影響で磁性層２の磁化方位が制御を受ける。例えば
電圧信号がないときは、メモリーセル９のように磁性層
２と磁性層５の向きを揃えておくと、両磁性層間では電
子はスピン散乱なし通り抜けられるので、電位差が発生
しない。これに対し、メモリーセル８ではスピン散乱に
より電圧が発生することになる。よって、電圧信号を記
憶し、読み出すメモリー装置が構成できる。
気メモリー装置の例である。金属電極３、反強磁性層
１、磁性層２、非磁性層４、磁性層５、磁化回転抑制層
６の積層構造からなる２個のメモリーセル８，９が示さ
れている。金属電極と磁性層の間の電圧の有無により磁
性層自体の磁化方位が制御され、電気信号の記憶がなさ
れる。図５のようにメモリーセル８の磁性層２と電極３
の間に電圧信号パルスを入力すると、その間の反強磁性
層１の電界印加部分のスピンの向きが反転して交換結合
等の影響で磁性層２の磁化方位が制御を受ける。例えば
電圧信号がないときは、メモリーセル９のように磁性層
２と磁性層５の向きを揃えておくと、両磁性層間では電
子はスピン散乱なし通り抜けられるので、電位差が発生
しない。これに対し、メモリーセル８ではスピン散乱に
より電圧が発生することになる。よって、電圧信号を記
憶し、読み出すメモリー装置が構成できる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明
する。
する。
【００３１】（実施例１）スパッタリング蒸着を用いて
約２５０℃に加熱した酸化膜付きシリコン基板上に、白
金電極膜を５０ｎｍ堆積した後、反強磁性層として(Ga
0.95,Y0.05)FeO3（Ga,Yの数値はatomic比。以下も同
じ。）を３００ｎｍ堆積し、最後にＣｏ磁性膜を５ｎｍ
堆積させて、図１の構成図のように白金電極３、(Ga
0.95,Y0.05)FeO3反強磁性層１およびＣｏ磁性膜２の積
層膜を作製した。Ｃｏ磁性層と白金電極間の３Ｖの電圧
印加で、外部磁場２０エルステッドに対応する磁化曲線
のシフトが認められ、磁性層の磁化方位の制御が示され
た。
約２５０℃に加熱した酸化膜付きシリコン基板上に、白
金電極膜を５０ｎｍ堆積した後、反強磁性層として(Ga
0.95,Y0.05)FeO3（Ga,Yの数値はatomic比。以下も同
じ。）を３００ｎｍ堆積し、最後にＣｏ磁性膜を５ｎｍ
堆積させて、図１の構成図のように白金電極３、(Ga
0.95,Y0.05)FeO3反強磁性層１およびＣｏ磁性膜２の積
層膜を作製した。Ｃｏ磁性層と白金電極間の３Ｖの電圧
印加で、外部磁場２０エルステッドに対応する磁化曲線
のシフトが認められ、磁性層の磁化方位の制御が示され
た。
【００３２】（実施例２）図２に示した磁気制御素子
を、Ｎｂ添加ＳｒＴｉＯ3導電性基板電極３，(Bi0. 9,Y
0.1)FeO3反強磁性層１，Ｃｏ磁性層２，Ｃｕ非磁性層
４，ＣｏＦｅ磁性層５の構成で作製した。基板となるＮ
ｂ添加ＳｒＴｉＯ3導電性単結晶電極の面方位として、
（１００）（１１０）（１１１）の３種類を用いた。ま
ず約６５０℃に加熱した基板上にスパッタリングにより
反強磁性(Bi0.9,Y0.1)FeO3 薄膜を７０ｎｍ堆積した
後、室温でＣｏ／Ｃｕ／ＣｏＦｅの積層を２ｎｍ／２ｎ
ｍ／５ｎｍの膜厚で実施した。この場合(Bi0.9,Y0.1)Fe
O3 反強磁性層は、各面方位を保ってエピタキシャル成
長したペロブスカイト構造であった。
を、Ｎｂ添加ＳｒＴｉＯ3導電性基板電極３，(Bi0. 9,Y
0.1)FeO3反強磁性層１，Ｃｏ磁性層２，Ｃｕ非磁性層
４，ＣｏＦｅ磁性層５の構成で作製した。基板となるＮ
ｂ添加ＳｒＴｉＯ3導電性単結晶電極の面方位として、
（１００）（１１０）（１１１）の３種類を用いた。ま
ず約６５０℃に加熱した基板上にスパッタリングにより
反強磁性(Bi0.9,Y0.1)FeO3 薄膜を７０ｎｍ堆積した
後、室温でＣｏ／Ｃｕ／ＣｏＦｅの積層を２ｎｍ／２ｎ
ｍ／５ｎｍの膜厚で実施した。この場合(Bi0.9,Y0.1)Fe
O3 反強磁性層は、各面方位を保ってエピタキシャル成
長したペロブスカイト構造であった。
【００３３】電極及び磁性層に電極配線を施して、図４
の磁気部品を構成した。基板面に平行に１００エルステ
ッドの磁場をパルスで加えた後、導電基板電極３とＣｏ
磁性層２の間に２Ｖの電圧を加えてＣｏＦｅ磁性層５の
面内抵抗を検出すると、磁場パルスの有無で電気抵抗の
変化が認められた。磁場信号が入った場合、抵抗変化は
ＳｒＴｉＯ3基板の各面方位について３％以上増加した
が、特にＳｒＴｉＯ3（１１０）面を用いた場合に８％
以上の大きな変化が認められた。この理由は、エピタキ
シャル成長した反強磁性層のスピン配列が関係している
と考えられる。最大の抵抗変化は、ＳｒＴｉＯ3（１１
０）単結晶基板を用いて素子を作製し、基板の＜００１
＞方位に磁場を印加した時に得られ、約１５％抵抗増加
の素子動作が確認された。
の磁気部品を構成した。基板面に平行に１００エルステ
ッドの磁場をパルスで加えた後、導電基板電極３とＣｏ
磁性層２の間に２Ｖの電圧を加えてＣｏＦｅ磁性層５の
面内抵抗を検出すると、磁場パルスの有無で電気抵抗の
変化が認められた。磁場信号が入った場合、抵抗変化は
ＳｒＴｉＯ3基板の各面方位について３％以上増加した
が、特にＳｒＴｉＯ3（１１０）面を用いた場合に８％
以上の大きな変化が認められた。この理由は、エピタキ
シャル成長した反強磁性層のスピン配列が関係している
と考えられる。最大の抵抗変化は、ＳｒＴｉＯ3（１１
０）単結晶基板を用いて素子を作製し、基板の＜００１
＞方位に磁場を印加した時に得られ、約１５％抵抗増加
の素子動作が確認された。
【００３４】この様に素子の磁界信号を検知できる磁気
部品が実現できた。この素子を多数並べておき、磁気信
号を読み出したい場所の素子に電圧を印加して検知する
ことが可能である。また同様の構成で反強磁性層１に加
わる電気信号を検知できる磁気部品も作製可能であるこ
と勿論である。
部品が実現できた。この素子を多数並べておき、磁気信
号を読み出したい場所の素子に電圧を印加して検知する
ことが可能である。また同様の構成で反強磁性層１に加
わる電気信号を検知できる磁気部品も作製可能であるこ
と勿論である。
【００３５】（実施例３）実施例２と同じ構成の素子
を、ペロブスカイト型Pb(Fe0.5,Nb0.5)O3反強磁性層を
用いて作製した。この反強磁性層は寄生強磁性に起因す
る１００ガウス程度の弱い磁化を保有しており、これを
用いて作った素子は１８％抵抗変化を示す優れた特性で
あった。反強磁性層として他の組成、例えばPb(Co0.5,W
0.5)O3, Pb(Mn0.5,Nb0.5)O3または作製条件を変えた磁
性特性の異なる薄膜層で鋭意調べたところ、５００ガウ
ス程度またはそれ以下の弱磁性を持つ場合に大きな抵抗
変化が得やすいことが判った。本素子の磁気制御の機構
が反強磁性層の弱磁性に影響を受けていると考えられる
が詳しい理由は不明である。
を、ペロブスカイト型Pb(Fe0.5,Nb0.5)O3反強磁性層を
用いて作製した。この反強磁性層は寄生強磁性に起因す
る１００ガウス程度の弱い磁化を保有しており、これを
用いて作った素子は１８％抵抗変化を示す優れた特性で
あった。反強磁性層として他の組成、例えばPb(Co0.5,W
0.5)O3, Pb(Mn0.5,Nb0.5)O3または作製条件を変えた磁
性特性の異なる薄膜層で鋭意調べたところ、５００ガウ
ス程度またはそれ以下の弱磁性を持つ場合に大きな抵抗
変化が得やすいことが判った。本素子の磁気制御の機構
が反強磁性層の弱磁性に影響を受けていると考えられる
が詳しい理由は不明である。
【００３６】（実施例４）図３の構成を持つ磁気制御素
子を、膜厚５０ｎｍの白金電極３，膜厚１００ｎｍの(B
i0.9,Ti0.1)FeO3反強磁性層１，膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ
磁性層２，膜厚１ｎｍのＡｌ2Ｏ3非磁性層４，５ｎｍの
ＮｉＦｅ磁性層５，膜厚２ｎｍのＰｔＭｎ磁化回転抑制
層６で構成した。この場合Ａｌ2Ｏ3非磁性層は電気絶縁
体であり、その両側の磁性層の磁化方位に依存したスピ
ントンネリングにより面に垂直方向の電流が影響を受け
る。すなわちトンネル磁気抵抗効果により、両側の磁性
層の磁化の方位が揃っている場合は抵抗が低く、反平行
の場合は高い抵抗を示す。スパッタリングによりサファ
イアｃ面基板上に、白金層、(Bi0.9,Ti0.1)FeO3 反強磁
性層、ＣｏＦｅ層を積層した後、膜厚０.７ｎｍのアル
ミを堆積させて酸素雰囲気中での自然酸化によりＡｌ2
Ｏ3層を形成し、その後ＮｉＦｅ磁性層とＰｔＭｎ磁化
回転抑制層を積層した。この積層膜に対して微細加工を
施してセル分離を行い、図５のような複数のメモリーセ
ルを有するメモリー装置を作製した。電気信号の有無に
より各セルのＣｏＦｅ磁性層２の磁化方位が制御を受け
て記憶され、それがセルの垂直方向の電流に対する抵抗
変化として読み出せる。本素子の場合、トンネル磁気抵
抗効果を用いているので、電圧信号の有無により３０％
の大きな抵抗変化を示すメモリー装置を作製することが
できた。
子を、膜厚５０ｎｍの白金電極３，膜厚１００ｎｍの(B
i0.9,Ti0.1)FeO3反強磁性層１，膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ
磁性層２，膜厚１ｎｍのＡｌ2Ｏ3非磁性層４，５ｎｍの
ＮｉＦｅ磁性層５，膜厚２ｎｍのＰｔＭｎ磁化回転抑制
層６で構成した。この場合Ａｌ2Ｏ3非磁性層は電気絶縁
体であり、その両側の磁性層の磁化方位に依存したスピ
ントンネリングにより面に垂直方向の電流が影響を受け
る。すなわちトンネル磁気抵抗効果により、両側の磁性
層の磁化の方位が揃っている場合は抵抗が低く、反平行
の場合は高い抵抗を示す。スパッタリングによりサファ
イアｃ面基板上に、白金層、(Bi0.9,Ti0.1)FeO3 反強磁
性層、ＣｏＦｅ層を積層した後、膜厚０.７ｎｍのアル
ミを堆積させて酸素雰囲気中での自然酸化によりＡｌ2
Ｏ3層を形成し、その後ＮｉＦｅ磁性層とＰｔＭｎ磁化
回転抑制層を積層した。この積層膜に対して微細加工を
施してセル分離を行い、図５のような複数のメモリーセ
ルを有するメモリー装置を作製した。電気信号の有無に
より各セルのＣｏＦｅ磁性層２の磁化方位が制御を受け
て記憶され、それがセルの垂直方向の電流に対する抵抗
変化として読み出せる。本素子の場合、トンネル磁気抵
抗効果を用いているので、電圧信号の有無により３０％
の大きな抵抗変化を示すメモリー装置を作製することが
できた。
【００３７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、電圧信号
で磁性層の磁化方位を制御できる素子が実現し、これを
用いることにより低消費電力動作および高集積密度の磁
気抵抗効果型メモリー装置や磁気部品を可能にするもの
である。
で磁性層の磁化方位を制御できる素子が実現し、これを
用いることにより低消費電力動作および高集積密度の磁
気抵抗効果型メモリー装置や磁気部品を可能にするもの
である。
【図１】本発明の一実施例の磁気制御素子の模式断面図
【図２】本発明の一実施例の磁気制御素子の模式断面図
【図３】本発明の一実施例の磁気制御素子の模式断面図
【図４】Ａ及びＢは本発明の一実施例の磁気部品の一例
を示す模式断面図
を示す模式断面図
【図５】本発明の一実施例のメモリー装置の一例を示す
模式斜視図
模式斜視図
１ 反強磁性層 ２ 磁性層 ３ 電極 ４ 非磁性層 ５ 磁性層 ６ 磁化回転抑制層 ７ 基板 ８ 電圧信号入力のメモリーセル ９ 電圧信号なしのメモリーセル
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ (72)発明者 平本 雅祥 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 松川 望 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 榊間 博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (21)
- 【請求項１】反強磁性層と、その両側に隣接して対向し
た磁性層および電極とを具備した磁気制御素子であっ
て、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁
性層の磁化方位を制御することを特徴とする磁気制御素
子。 - 【請求項２】前記反強磁性層に隣接した磁性層が、さら
に非磁性層を介して別の磁性層と積層されている請求項
１に記載の磁気制御素子。 - 【請求項３】前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁性
層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積層
して磁性層の磁化を固定した請求項２に記載の磁気制御
素子。 - 【請求項４】前記磁化回転抑制層が、Ｐ−Ｍｎ系（Ｐは
Ｐｔ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ及びＣｒから選ば
れる少なくとも１種の元素）合金で形成されている請求
項３に記載の磁気制御素子。 - 【請求項５】前記反強磁性層の比抵抗が、１オームｃｍ
以上である請求項１に記載の磁気制御素子。 - 【請求項６】前記反強磁性層が、酸化物で形成されてい
る請求項１に記載の磁気制御素子。 - 【請求項７】前記反強磁性層が、少なくとも鉄を含む酸
化物で形成されている請求項６に記載の磁気制御素子。 - 【請求項８】前記反強磁性層が、希土類元素、ビスマス
及びガリウムから選ばれる少なくとも一種の元素と鉄の
酸化物で形成されている請求項７に記載の磁気制御素
子。 - 【請求項９】前記反強磁性層が、ペロブスカイトまたは
ペロブスカイト関連構造の酸化物で形成されている請求
項１に記載の磁気制御素子。 - 【請求項１０】前記反強磁性層が、エピタキシャル成長
したペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸
化物で形成されている請求項９に記載の磁気制御素子。 - 【請求項１１】前記エピタキシャル成長したペロブスカ
イトまたはペロブスカイト関連構造の酸化物からなる反
強磁性層が、ペロブスカイト単位格子の（１１０）面に
対応した面からなる層である請求項１０に記載の磁気制
御素子。 - 【請求項１２】前記反強磁性層が、フェリ磁性または寄
生強磁性に起因する５００ガウス以下の弱い磁性を保有
する請求項１に記載の磁気制御素子。 - 【請求項１３】前記反強磁性層に隣接した磁性層の厚み
が、１００nm以下である請求項１に記載の磁気制御素
子。 - 【請求項１４】前記磁性層が、鉄、コバルト及びニッケ
ルから選ばれる少なくとも１種の元素で形成されている
請求項１に記載の磁気制御素子。 - 【請求項１５】前記磁性層と前記電極間に加える電圧
が、１０ｋＶ／ｃｍ以上である請求項１に記載の磁気制
御素子。 - 【請求項１６】反強磁性層と、その両側に隣接して対向
した磁性層および電極とを具備し、前記磁性層と前記電
極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御す
る磁気制御素子を用いて電気または磁気信号を検知する
ことを特徴とする磁気部品。 - 【請求項１７】前記反強磁性層に隣接した磁性層が、さ
らに非磁性層を介して別の磁性層と積層されている請求
項１６に記載の磁気部品。 - 【請求項１８】前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁
性層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積
層して磁性層の磁化を固定した請求項１７に記載の磁気
部品。 - 【請求項１９】反強磁性層と、その両側に隣接して対向
した磁性層および電極とを具備し、前記磁性層と前記電
極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御す
る磁気制御素子を用いて電気または磁気信号を保存する
ことを特徴とするメモリー装置。 - 【請求項２０】前記反強磁性層に隣接した磁性層が、さ
らに非磁性層を介して別の磁性層と積層されている請求
項１９に記載のメモリー装置。 - 【請求項２１】前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁
性層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積
層して磁性層の磁化を固定した請求項２０に記載のメモ
リー装置。
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|---|---|---|---|
| JP2001069861A JP3578721B2 (ja) | 2000-03-14 | 2001-03-13 | 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 |
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| KR20180057976A (ko) * | 2016-11-23 | 2018-05-31 | 포항공과대학교 산학협력단 | 전이 금속 화합물 선택 소자를 포함하는 저항 변화형 메모리 소자 |
-
2001
- 2001-03-13 JP JP2001069861A patent/JP3578721B2/ja not_active Expired - Fee Related
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