JP2002111094A - 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 - Google Patents
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Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 スピネル型磁性体を用いた磁気抵抗素子に関
し、磁気抵抗効果が大きくかつ容易に製造可能な高効率
のトンネル磁気抵抗素子を実現する。 【解決手段】 素子を、基体上に窒化チタニウム層を挟
んで形成したスピネル型結晶構造の磁性層と、前記スピ
ネル型磁性層に非磁性層を介して接合した他の磁性層と
で構成し、両磁性層間を通過する電気抵抗を外部磁界に
より制御して検知する。窒化チタニウム層を挿入するこ
とにより良質のスピネル型磁性層が形成でき、優れた磁
気抵抗素子を実現できるので、高スピン分極の複雑なス
ピネル型磁性体の場合にも作製が容易であり、高性能の
磁気抵抗素子を安定に提供できる。これら磁気抵抗素子
は高効率で安定に製造できるので、これを用いて高感度
の磁気センサ・ヘッドや磁気抵抗効果型メモリー装置を
構成することができる。
し、磁気抵抗効果が大きくかつ容易に製造可能な高効率
のトンネル磁気抵抗素子を実現する。 【解決手段】 素子を、基体上に窒化チタニウム層を挟
んで形成したスピネル型結晶構造の磁性層と、前記スピ
ネル型磁性層に非磁性層を介して接合した他の磁性層と
で構成し、両磁性層間を通過する電気抵抗を外部磁界に
より制御して検知する。窒化チタニウム層を挿入するこ
とにより良質のスピネル型磁性層が形成でき、優れた磁
気抵抗素子を実現できるので、高スピン分極の複雑なス
ピネル型磁性体の場合にも作製が容易であり、高性能の
磁気抵抗素子を安定に提供できる。これら磁気抵抗素子
は高効率で安定に製造できるので、これを用いて高感度
の磁気センサ・ヘッドや磁気抵抗効果型メモリー装置を
構成することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は外部磁界により抵抗
が変化する磁気抵抗素子と、それを用いて磁気信号の検
出を行う磁気センサ、磁気信号の記憶を行うメモリー装
置に関するものである。
が変化する磁気抵抗素子と、それを用いて磁気信号の検
出を行う磁気センサ、磁気信号の記憶を行うメモリー装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】磁場により抵抗が変化する磁気抵抗素子
は、例えばハードディスクドライブの読み取りヘッドや
磁気センサー等、多くの分野で使用されている。従来こ
の素子として、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を利用し
た素子が用いられてきたが、最近では磁性層と非磁性層
の積層膜における各磁性層の磁化相対角に依存する抵抗
変化を用いた巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子が実用化され
ている。近年、さらに高密度記録を実現する磁気ヘッド
等に応用可能な高感度磁気抵抗素子として、磁性層の間
の絶縁バリアを経たトンネル電流の磁化相対角依存を利
用したトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が、実用化を目
指して研究されている。この素子の主要部の構成は、２
枚の磁性体層の間に酸化アルミニウム等の１nmレベルの
薄い絶縁バリア層を挟んだ３層サンドイッチ積層構造か
らなる。
は、例えばハードディスクドライブの読み取りヘッドや
磁気センサー等、多くの分野で使用されている。従来こ
の素子として、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果を利用し
た素子が用いられてきたが、最近では磁性層と非磁性層
の積層膜における各磁性層の磁化相対角に依存する抵抗
変化を用いた巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子が実用化され
ている。近年、さらに高密度記録を実現する磁気ヘッド
等に応用可能な高感度磁気抵抗素子として、磁性層の間
の絶縁バリアを経たトンネル電流の磁化相対角依存を利
用したトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が、実用化を目
指して研究されている。この素子の主要部の構成は、２
枚の磁性体層の間に酸化アルミニウム等の１nmレベルの
薄い絶縁バリア層を挟んだ３層サンドイッチ積層構造か
らなる。
【０００３】このＴＭＲ素子においては、磁気抵抗変化
率は磁性体材料のスピン分極率に大きく依存し、スピン
分極率が大きい磁性体を用いる程大きい抵抗変化率が得
られる。従来研究されている鉄やコバルトなどの金属磁
性体ではスピン分極率が高々50％であり、素子の磁気抵
抗変化率の上限を決めていた。より大きなスピン分極率
を持つ材料として、遷移金属を含む酸化物磁性体材料が
期待されており、中にはスピン分極率１００％のハーフ
メタルになるとの予測もある。これらの一種にLaMnO3等
のペロブスカイト構造を持つ物質群があり、特にダブル
ペロブスカイト構造物質は室温でも高スピン分極率を示
すので、特開２０００−１７４３５９号公報にも開示さ
れているようにダブルペロブスカイトの遷移金属酸化物
を用いた高性能の磁気抵抗素子が作製されている。
率は磁性体材料のスピン分極率に大きく依存し、スピン
分極率が大きい磁性体を用いる程大きい抵抗変化率が得
られる。従来研究されている鉄やコバルトなどの金属磁
性体ではスピン分極率が高々50％であり、素子の磁気抵
抗変化率の上限を決めていた。より大きなスピン分極率
を持つ材料として、遷移金属を含む酸化物磁性体材料が
期待されており、中にはスピン分極率１００％のハーフ
メタルになるとの予測もある。これらの一種にLaMnO3等
のペロブスカイト構造を持つ物質群があり、特にダブル
ペロブスカイト構造物質は室温でも高スピン分極率を示
すので、特開２０００−１７４３５９号公報にも開示さ
れているようにダブルペロブスカイトの遷移金属酸化物
を用いた高性能の磁気抵抗素子が作製されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このようなペロブスカ
イト構造物質に於いては、磁気転移温度がそれ程高くな
いため高温動作に難があり、素子の動作温度が制限を受
ける。ダブルペロブスカイト構造物質では多少は磁気転
移温度が高いが、それでも室温より少し上の高々２００
℃程度であり、プロセスや動作時の昇温に配慮する必要
がある。この点から考えると、磁気転移温度が４００℃
以上と高いスピネル型結晶構造を有する高スピン分極率
の酸化物磁性体を用いた磁気抵抗素子が望まれる。スピ
ネル型磁性体を用いたＴＭＲ磁気抵抗素子として、例え
ばマグネタイト(Fe3O4)薄膜磁性層を用いた良質の界面
を持つ３層積層トンネル接合素子が報告されている。
(X. W.Li 他、アプライド・フィジックス・レターズ、
第73巻、第22号、頁3282〜3284,1998年発行)。しかし従
来スピネル型磁性体を用いたＴＭＲ素子に於いては高い
磁気抵抗変化率が得難く、スピン分極率から予想される
より小さい数％の磁気抵抗変化に留まっていた。この理
由は明らかではないが、スピネル型磁性層の電子状態を
中心とした諸特性が充分ではなく、ランダムなスピンの
ホッピングが起こって見かけ上スピン分極率が下がるた
めではないかと考えられる。
イト構造物質に於いては、磁気転移温度がそれ程高くな
いため高温動作に難があり、素子の動作温度が制限を受
ける。ダブルペロブスカイト構造物質では多少は磁気転
移温度が高いが、それでも室温より少し上の高々２００
℃程度であり、プロセスや動作時の昇温に配慮する必要
がある。この点から考えると、磁気転移温度が４００℃
以上と高いスピネル型結晶構造を有する高スピン分極率
の酸化物磁性体を用いた磁気抵抗素子が望まれる。スピ
ネル型磁性体を用いたＴＭＲ磁気抵抗素子として、例え
ばマグネタイト(Fe3O4)薄膜磁性層を用いた良質の界面
を持つ３層積層トンネル接合素子が報告されている。
(X. W.Li 他、アプライド・フィジックス・レターズ、
第73巻、第22号、頁3282〜3284,1998年発行)。しかし従
来スピネル型磁性体を用いたＴＭＲ素子に於いては高い
磁気抵抗変化率が得難く、スピン分極率から予想される
より小さい数％の磁気抵抗変化に留まっていた。この理
由は明らかではないが、スピネル型磁性層の電子状態を
中心とした諸特性が充分ではなく、ランダムなスピンの
ホッピングが起こって見かけ上スピン分極率が下がるた
めではないかと考えられる。
【０００５】またスピネル型結晶構造の酸化物磁性材料
は、一般に金属あるいは合金系に比べて比較的複雑な結
晶構造を有するため、薄い磁性層の結晶学的、電気的お
よび磁気的特性を最適に制御して良質の磁性層を得るプ
ロセスは容易ではない。従って優れた磁気抵抗素子を構
成するためには、良質の酸化物磁性層を形成し、かつ平
坦な界面および１nmレベルの薄い絶縁層を挟み込む工程
を伴う高精度の設備と高度な技術を必要とするので、製
造が煩雑であり再現性にも難がある。この様な課題のた
めスピネル型酸化物磁性体を用いた素子の磁気抵抗変化
は未だ充分ではなく、高性能の磁気抵抗素子の実現には
磁気抵抗変化率のさらなる増大が望まれていた。
は、一般に金属あるいは合金系に比べて比較的複雑な結
晶構造を有するため、薄い磁性層の結晶学的、電気的お
よび磁気的特性を最適に制御して良質の磁性層を得るプ
ロセスは容易ではない。従って優れた磁気抵抗素子を構
成するためには、良質の酸化物磁性層を形成し、かつ平
坦な界面および１nmレベルの薄い絶縁層を挟み込む工程
を伴う高精度の設備と高度な技術を必要とするので、製
造が煩雑であり再現性にも難がある。この様な課題のた
めスピネル型酸化物磁性体を用いた素子の磁気抵抗変化
は未だ充分ではなく、高性能の磁気抵抗素子の実現には
磁気抵抗変化率のさらなる増大が望まれていた。
【０００６】本発明は上記課題を解決するもので、スピ
ネル型酸化物磁性体を用いて磁気抵抗効果の大きく、か
つ比較的簡単に製造可能な素子を提供することを目的と
するものである。
ネル型酸化物磁性体を用いて磁気抵抗効果の大きく、か
つ比較的簡単に製造可能な素子を提供することを目的と
するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗素子
は、基体上に窒化チタニウム（TiN）層を挟んで形成し
たスピネル型結晶構造の磁性層と、前記スピネル型磁性
層に非磁性層を介して接合した他の磁性層とから構成さ
れ、両磁性層間を通過する電気抵抗を外部磁界により制
御するというものである。なお非磁性層は、銅のような
良導体層でも、また酸化物・窒化物等の絶縁体層でも効
果はあったが、特に非磁性層が電気絶縁層である場合に
は磁気抵抗効果が顕著となり好ましい結果であった。
は、基体上に窒化チタニウム（TiN）層を挟んで形成し
たスピネル型結晶構造の磁性層と、前記スピネル型磁性
層に非磁性層を介して接合した他の磁性層とから構成さ
れ、両磁性層間を通過する電気抵抗を外部磁界により制
御するというものである。なお非磁性層は、銅のような
良導体層でも、また酸化物・窒化物等の絶縁体層でも効
果はあったが、特に非磁性層が電気絶縁層である場合に
は磁気抵抗効果が顕著となり好ましい結果であった。
【０００８】本発明の磁気抵抗素子の構成により、従来
から高性能の素子の実現が期待されながら達成されてい
なかった高スピン分極率を持つスピネル型磁性体を用い
て、大きな磁気抵抗効果を有する素子が実現された。こ
れは、良質のスピネル型磁性層の作製を目指して形成条
件や種々の下地層を鋭意検討した結果、TiNの下地層を
用いた場合のみ、高磁気抵抗変化の素子が構成可能なス
ピネル型磁性層が作製出来るという発見により成された
ものである。TiN層を、スピネル型磁性層と基体との間
に挿入させることにより、界面での結晶学的・化学的・
電気的な相互作用を受けてスピネル型磁性層の特性が向
上した結果であると考えられる。プロセス面でもTiN層
を挟むだけなので比較的作製が容易であり、さほど高精
度の装置を使わなくても高性能の磁気抵抗素子を構成す
ることが出来る。
から高性能の素子の実現が期待されながら達成されてい
なかった高スピン分極率を持つスピネル型磁性体を用い
て、大きな磁気抵抗効果を有する素子が実現された。こ
れは、良質のスピネル型磁性層の作製を目指して形成条
件や種々の下地層を鋭意検討した結果、TiNの下地層を
用いた場合のみ、高磁気抵抗変化の素子が構成可能なス
ピネル型磁性層が作製出来るという発見により成された
ものである。TiN層を、スピネル型磁性層と基体との間
に挿入させることにより、界面での結晶学的・化学的・
電気的な相互作用を受けてスピネル型磁性層の特性が向
上した結果であると考えられる。プロセス面でもTiN層
を挟むだけなので比較的作製が容易であり、さほど高精
度の装置を使わなくても高性能の磁気抵抗素子を構成す
ることが出来る。
【０００９】本発明の磁気抵抗素子は、従来高性能のト
ンネル接合素子が作製し難かった高スピン分極率を有す
るスピネル型磁性体において特に効力を発揮するので、
高感度で磁気信号の検知を行う磁気センサを構成するこ
とができる。特に検知する磁界領域を制限するシールド
や磁界を素子に導入するヨークを具備すれば高性能の磁
気抵抗効果型ヘッドが構成される。
ンネル接合素子が作製し難かった高スピン分極率を有す
るスピネル型磁性体において特に効力を発揮するので、
高感度で磁気信号の検知を行う磁気センサを構成するこ
とができる。特に検知する磁界領域を制限するシールド
や磁界を素子に導入するヨークを具備すれば高性能の磁
気抵抗効果型ヘッドが構成される。
【００１０】また本発明の磁気抵抗素子に、情報を記録
するための磁界を発生させる導体線、および磁気抵抗素
子の情報を読み出すための導体線を具備すればメモリー
装置が構成される。
するための磁界を発生させる導体線、および磁気抵抗素
子の情報を読み出すための導体線を具備すればメモリー
装置が構成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下本発明の磁気抵抗素子、それ
を用いた磁気センサ、メモリー装置について図面に基づ
いて説明する。
を用いた磁気センサ、メモリー装置について図面に基づ
いて説明する。
【００１２】図１に本発明の磁気抵抗素子の構成を示す
断面図の一例を示す。基体１上に設けられた窒化チタニ
ウム（TiN）層２を挟んで形成されたスピネル型磁性層
３が、非磁性層４を介して接合した他の磁性層５とで素
子が構成されている。上部に電流取り出し電極６を設け
て窒化チタニウム層２との間を通過する電流の磁気抵抗
特性を観測したところ、窒化チタニウム層を挿入しない
場合に比べて２倍以上の磁気抵抗変化を示すことが判っ
た。この理由は明らかではないが、挿入された窒化チタ
ニウム層がスピネル型磁性層の形成に好影響を与え、結
晶性を始めとする電気・磁気特性を向上させた結果であ
ると考えられる。理由の一つとして、窒化チタニウムが
格子定数4.24Åの岩塩型立方晶構造を持ち、スピネル型
立方晶構造の格子定数約8.4Åのちょうど半分に近い値
を持つということが考えられる。しかしこの結晶格子の
整合性が原因だとすると、より格子マッチングのよい格
子定数4.20Åの岩塩型立方晶構造を持つ酸化マグネシウ
ムや、同じスピネル型結晶構造で約8.1Åの格子定数を
持つMgAl2O4等の基体を用いた場合にも同じ効果が現れ
て高性能の磁気抵抗素子が作製されると予想されるが、
実際に作製してみたところ高性能の素子を得ることが出
来なかった。このことは、従来例から予想されるような
単なる結晶格子の整合性が効いているのではなく、本発
明の構成にあるスピネル型磁性層と窒化物層の界面の電
気的および化学的な準位・安定性を含めた整合性が関係
していると考えられる。
断面図の一例を示す。基体１上に設けられた窒化チタニ
ウム（TiN）層２を挟んで形成されたスピネル型磁性層
３が、非磁性層４を介して接合した他の磁性層５とで素
子が構成されている。上部に電流取り出し電極６を設け
て窒化チタニウム層２との間を通過する電流の磁気抵抗
特性を観測したところ、窒化チタニウム層を挿入しない
場合に比べて２倍以上の磁気抵抗変化を示すことが判っ
た。この理由は明らかではないが、挿入された窒化チタ
ニウム層がスピネル型磁性層の形成に好影響を与え、結
晶性を始めとする電気・磁気特性を向上させた結果であ
ると考えられる。理由の一つとして、窒化チタニウムが
格子定数4.24Åの岩塩型立方晶構造を持ち、スピネル型
立方晶構造の格子定数約8.4Åのちょうど半分に近い値
を持つということが考えられる。しかしこの結晶格子の
整合性が原因だとすると、より格子マッチングのよい格
子定数4.20Åの岩塩型立方晶構造を持つ酸化マグネシウ
ムや、同じスピネル型結晶構造で約8.1Åの格子定数を
持つMgAl2O4等の基体を用いた場合にも同じ効果が現れ
て高性能の磁気抵抗素子が作製されると予想されるが、
実際に作製してみたところ高性能の素子を得ることが出
来なかった。このことは、従来例から予想されるような
単なる結晶格子の整合性が効いているのではなく、本発
明の構成にあるスピネル型磁性層と窒化物層の界面の電
気的および化学的な準位・安定性を含めた整合性が関係
していると考えられる。
【００１３】なおスピネル型結晶構造の磁性層として
は、クロム、ニッケルやマンガンを含む組成等の種々の
ものが実用出来るが、特に鉄元素を含む酸化物フェリ磁
性体である場合に、窒化チタニウム上に形成した磁性層
の電気特性および化学的安定性に優れ、高性能の磁気抵
抗素子を構成できることを確認した。この中で最も大き
な磁気抵抗変化が得られた物質は、鉄の３価と２価の複
合価数の酸化物からなるマグネタイト(Fe3O4)であるこ
とを併せて見出した。
は、クロム、ニッケルやマンガンを含む組成等の種々の
ものが実用出来るが、特に鉄元素を含む酸化物フェリ磁
性体である場合に、窒化チタニウム上に形成した磁性層
の電気特性および化学的安定性に優れ、高性能の磁気抵
抗素子を構成できることを確認した。この中で最も大き
な磁気抵抗変化が得られた物質は、鉄の３価と２価の複
合価数の酸化物からなるマグネタイト(Fe3O4)であるこ
とを併せて見出した。
【００１４】基体としては、ガラスのようなアモルファ
ス材料や、多結晶セラミックス材料においても、窒化チ
タニウム層をスピネル型磁性層との間に挟むことにより
磁気抵抗素子を構成することが可能であったが、特に単
結晶からなる基体を用いた場合に高性能の磁気抵抗素子
を構成することが出来た。この理由は、単結晶基体の場
合には窒化チタニウムの結晶方位が一方向に揃いやす
く、その結果スピネル型磁性層の結晶配向にも影響を与
え、その磁気・電気的特性を左右することが判った。
ス材料や、多結晶セラミックス材料においても、窒化チ
タニウム層をスピネル型磁性層との間に挟むことにより
磁気抵抗素子を構成することが可能であったが、特に単
結晶からなる基体を用いた場合に高性能の磁気抵抗素子
を構成することが出来た。この理由は、単結晶基体の場
合には窒化チタニウムの結晶方位が一方向に揃いやす
く、その結果スピネル型磁性層の結晶配向にも影響を与
え、その磁気・電気的特性を左右することが判った。
【００１５】単結晶基体としては、シリコンやサファイ
ア等の種々の材料を用いて高性能の磁気抵抗素子を構成
できたが、特に酸化マグネシウムの単結晶を用いた場合
に好ましい結果であった。この理由として窒化チタニウ
ム層を挟むことにより、酸化マグネシウムと窒化チタニ
ウム、および窒化チタニウムとスピネル型磁性体の間の
結晶学的・化学的相性が同時に整合して、その結果良質
のスピネル型磁性層が形成され高性能の磁気抵抗素子が
実現したと考えられる。酸化マグネシウム基体の面方位
としては、(100)面を用いて作製した素子は、(111)面や
(211)面を用いた素子よりも高特性を示したが、最も性
能に優れた磁気抵抗特性を示した方位は(110)面である
ことを見出した。またこの時の有効な磁界方向は、酸化
マグネシウムの<110>方位であることも併せて確認し
た。
ア等の種々の材料を用いて高性能の磁気抵抗素子を構成
できたが、特に酸化マグネシウムの単結晶を用いた場合
に好ましい結果であった。この理由として窒化チタニウ
ム層を挟むことにより、酸化マグネシウムと窒化チタニ
ウム、および窒化チタニウムとスピネル型磁性体の間の
結晶学的・化学的相性が同時に整合して、その結果良質
のスピネル型磁性層が形成され高性能の磁気抵抗素子が
実現したと考えられる。酸化マグネシウム基体の面方位
としては、(100)面を用いて作製した素子は、(111)面や
(211)面を用いた素子よりも高特性を示したが、最も性
能に優れた磁気抵抗特性を示した方位は(110)面である
ことを見出した。またこの時の有効な磁界方向は、酸化
マグネシウムの<110>方位であることも併せて確認し
た。
【００１６】以上述べた本発明の磁気抵抗素子を用いる
と磁気センサを構成することができる。図４は、このセ
ンサを用い、検知すべき外部磁場Ｈを透磁率の高い磁性
膜で構成されるヨーク８を介して磁気抵抗素子９の磁性
層に導き、磁気センサの感度を向上させた磁気ヘッドの
例である。この例の場合磁界は素子部全体に導かれる
が、基本的に磁化回転が容易な磁性層に導かれるように
ヨーク形状を配置することにより、感度の優れた磁気ヘ
ッドの構成が可能である。ヨークの素材としては、Fe-S
i-Al、Ni-Fe-Co、Co-Nb-Zr、Fe-Ta-N合金等の軟磁性膜
が優れており、メッキ法等で作製することができる。
と磁気センサを構成することができる。図４は、このセ
ンサを用い、検知すべき外部磁場Ｈを透磁率の高い磁性
膜で構成されるヨーク８を介して磁気抵抗素子９の磁性
層に導き、磁気センサの感度を向上させた磁気ヘッドの
例である。この例の場合磁界は素子部全体に導かれる
が、基本的に磁化回転が容易な磁性層に導かれるように
ヨーク形状を配置することにより、感度の優れた磁気ヘ
ッドの構成が可能である。ヨークの素材としては、Fe-S
i-Al、Ni-Fe-Co、Co-Nb-Zr、Fe-Ta-N合金等の軟磁性膜
が優れており、メッキ法等で作製することができる。
【００１７】図５は本発明の磁気抵抗素子で構成した磁
気メモリー装置の一つのセルの構成例である。図２に示
した構造の磁気抵抗素子を用い、電気絶縁層１０を介し
て上部に磁界を発生させる情報記録用導体線１１を具備
している。初期状態で磁化の方向の揃った磁性層３，５
を有するセルに対して情報記録用導体線１１に電流を流
し磁界を発生させる。この時、例えば磁性層３の磁化回
転がし難く、磁性層５が容易に回転する構成にしておく
と、磁性層５のみの磁化が反転し情報の記録が行われ
る。情報の読み出しは、TiN層２と取り出し電極６間の
抵抗変化を検知して行われる。導体線としてはAl,Au,C
u,Ag等の低抵抗金属線が望ましい。なお上記に示した動
作は一例であり、本発明の素子を用いたメモリー装置の
構成に応じて種々のメモリー動作の仕方が考えられるこ
と勿論である。
気メモリー装置の一つのセルの構成例である。図２に示
した構造の磁気抵抗素子を用い、電気絶縁層１０を介し
て上部に磁界を発生させる情報記録用導体線１１を具備
している。初期状態で磁化の方向の揃った磁性層３，５
を有するセルに対して情報記録用導体線１１に電流を流
し磁界を発生させる。この時、例えば磁性層３の磁化回
転がし難く、磁性層５が容易に回転する構成にしておく
と、磁性層５のみの磁化が反転し情報の記録が行われ
る。情報の読み出しは、TiN層２と取り出し電極６間の
抵抗変化を検知して行われる。導体線としてはAl,Au,C
u,Ag等の低抵抗金属線が望ましい。なお上記に示した動
作は一例であり、本発明の素子を用いたメモリー装置の
構成に応じて種々のメモリー動作の仕方が考えられるこ
と勿論である。
【００１８】
【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。
【００１９】（実施例１）図１に示した磁気抵抗素子
を、逆スピネル型結晶構造のフェリ磁性体であるマグネ
タイトFe3O4磁性薄膜を用いて構成した。表面がアモル
ファスSiO2の熱酸化膜で覆われているシリコンを基体１
として用い、チタン金属をターゲットとしたアルゴン・
窒素混合雰囲気中スパッタリングにより、窒化チタニウ
ム（TiN）薄膜を100nm成膜した後、マグネタイトFe3O4
磁性薄膜層２を50nm形成し、その上にアルミニウムのス
パッタ膜を2nm付けた後酸化させて酸化アルミニウムの
絶縁層３を形成し、最後に強磁性のCoFe膜磁性層４を20
nm作製した。両磁性層を通過する電流を流すため、金の
取り出し電極６を設けて抵抗の外部磁界依存を測定した
ところ、約4%の抵抗変化が観測された。TiN層を挿入し
ない場合には1%以下の抵抗変化率であったことから、本
発明の構成が磁気抵抗素子の性能を格段に向上させるこ
とが確認された。
を、逆スピネル型結晶構造のフェリ磁性体であるマグネ
タイトFe3O4磁性薄膜を用いて構成した。表面がアモル
ファスSiO2の熱酸化膜で覆われているシリコンを基体１
として用い、チタン金属をターゲットとしたアルゴン・
窒素混合雰囲気中スパッタリングにより、窒化チタニウ
ム（TiN）薄膜を100nm成膜した後、マグネタイトFe3O4
磁性薄膜層２を50nm形成し、その上にアルミニウムのス
パッタ膜を2nm付けた後酸化させて酸化アルミニウムの
絶縁層３を形成し、最後に強磁性のCoFe膜磁性層４を20
nm作製した。両磁性層を通過する電流を流すため、金の
取り出し電極６を設けて抵抗の外部磁界依存を測定した
ところ、約4%の抵抗変化が観測された。TiN層を挿入し
ない場合には1%以下の抵抗変化率であったことから、本
発明の構成が磁気抵抗素子の性能を格段に向上させるこ
とが確認された。
【００２０】なお本実施例ではTiN薄膜の作製をチタン
ターゲットのスパッタリングにより行ったが、TiNその
ものをターゲットとしたスパッタリング、あるいは化学
的気相成長法等の他の成膜プロセスでも同様に素子が作
製できること勿論である。また積層順位を逆にして、上
部磁性層にFe3O4層を用いその上にTiN層を形成した場合
にも、基体に隣接して形成した場合程ではなかったが有
意な特性向上は認められた。
ターゲットのスパッタリングにより行ったが、TiNその
ものをターゲットとしたスパッタリング、あるいは化学
的気相成長法等の他の成膜プロセスでも同様に素子が作
製できること勿論である。また積層順位を逆にして、上
部磁性層にFe3O4層を用いその上にTiN層を形成した場合
にも、基体に隣接して形成した場合程ではなかったが有
意な特性向上は認められた。
【００２１】（実施例２）酸化マグネシウム（MgO）単
結晶基体を用いて、本発明の磁気抵抗素子の作製を行っ
た。基板面は(100)面とし、実施例１と同様に窒素混合
雰囲気中でチタンターゲットのスパッタリングによりTi
N層を作製した。この成膜中に基体の温度を300℃以上に
加熱すると、基体表面に対してTiNの<100>軸が垂直に配
向した薄膜が得られたが、室温〜200℃程度では多結晶
的な構造のTiN層となった。TiN層は金色を呈し、両者と
も0.02 m・ohm・cm 以下の電気抵抗率を示す良導体となっ
ていることを確認した。実施例１の構成と同様の磁気抵
抗素子を、配向したTiN層と多結晶のTiN層の２種につい
て作製し、磁気抵抗特性を測定した。多結晶TiN層を挟
んだ構成の素子では磁気抵抗変化率が5%であったのに対
し、<100>配向のTiN層を用いた素子では10%の磁気抵抗
変化を示した。
結晶基体を用いて、本発明の磁気抵抗素子の作製を行っ
た。基板面は(100)面とし、実施例１と同様に窒素混合
雰囲気中でチタンターゲットのスパッタリングによりTi
N層を作製した。この成膜中に基体の温度を300℃以上に
加熱すると、基体表面に対してTiNの<100>軸が垂直に配
向した薄膜が得られたが、室温〜200℃程度では多結晶
的な構造のTiN層となった。TiN層は金色を呈し、両者と
も0.02 m・ohm・cm 以下の電気抵抗率を示す良導体となっ
ていることを確認した。実施例１の構成と同様の磁気抵
抗素子を、配向したTiN層と多結晶のTiN層の２種につい
て作製し、磁気抵抗特性を測定した。多結晶TiN層を挟
んだ構成の素子では磁気抵抗変化率が5%であったのに対
し、<100>配向のTiN層を用いた素子では10%の磁気抵抗
変化を示した。
【００２２】なおスピネル型磁性層として、Fe3O4の他
にMnFe2O4やCoFe2O4等のフェリ磁性層を用いた場合でも
8%程度の磁気抵抗変化を示す素子の構成は可能であるこ
とを確認した。またTiN層の代わりに良導体の白金（P
t）の配向膜を挿入して素子を構成した場合には磁気抵
抗変化率は2%と小さく、このことからもTiNとスピネル
型磁性層との組み合わせを用いる本発明の有効性が確認
される。
にMnFe2O4やCoFe2O4等のフェリ磁性層を用いた場合でも
8%程度の磁気抵抗変化を示す素子の構成は可能であるこ
とを確認した。またTiN層の代わりに良導体の白金（P
t）の配向膜を挿入して素子を構成した場合には磁気抵
抗変化率は2%と小さく、このことからもTiNとスピネル
型磁性層との組み合わせを用いる本発明の有効性が確認
される。
【００２３】（実施例３）図２に示す磁気抵抗素子を、
基体１としてMgOの(100)(110)(111)各面方位を用い、40
0℃に加熱してTiN層２を300nm成膜した後、Fe3O4磁性層
３を50nm、酸化アルミニウム絶縁層４を1nm、CoFe磁性
層５を20nm、取り出しの銅電極層６を100nm積層させて
構成した。この過程により、TiN層も基体に垂直に<100>
<110><111>軸が配向していること、またFe3O4磁性層も
同様の配向性であることを確認した。フォトプロセスと
イオンエッチングを用いた微細加工により、ステップ７
を持つメサ型に加工した。メサのパターンは一辺10000n
mの正方形である。下地のTiNと上部の銅電極間を流れる
電流の磁気抵抗変化を検出する素子を構成し測定した結
果を、図３に各面方位の基体に対して示した。MgO(100)
面上の素子で約12%、MgO(111)面上の素子で約6%の磁気
抵抗変化率(MR)が得られたが、MgO(110)基体を用いた場
合には20%を越すMRが観測された。すなわちMgO(110)面
上にTiN配向層を挟んで作製したFe3O4層を用いた磁気抵
抗素子に於いて優れた特性の磁気抵抗が得られることが
確認された。また外部磁界の方向としては、MgO基体の
表面に平行な<110>方位が最も磁化変化率が大きいこと
も併せて確認した。
基体１としてMgOの(100)(110)(111)各面方位を用い、40
0℃に加熱してTiN層２を300nm成膜した後、Fe3O4磁性層
３を50nm、酸化アルミニウム絶縁層４を1nm、CoFe磁性
層５を20nm、取り出しの銅電極層６を100nm積層させて
構成した。この過程により、TiN層も基体に垂直に<100>
<110><111>軸が配向していること、またFe3O4磁性層も
同様の配向性であることを確認した。フォトプロセスと
イオンエッチングを用いた微細加工により、ステップ７
を持つメサ型に加工した。メサのパターンは一辺10000n
mの正方形である。下地のTiNと上部の銅電極間を流れる
電流の磁気抵抗変化を検出する素子を構成し測定した結
果を、図３に各面方位の基体に対して示した。MgO(100)
面上の素子で約12%、MgO(111)面上の素子で約6%の磁気
抵抗変化率(MR)が得られたが、MgO(110)基体を用いた場
合には20%を越すMRが観測された。すなわちMgO(110)面
上にTiN配向層を挟んで作製したFe3O4層を用いた磁気抵
抗素子に於いて優れた特性の磁気抵抗が得られることが
確認された。また外部磁界の方向としては、MgO基体の
表面に平行な<110>方位が最も磁化変化率が大きいこと
も併せて確認した。
【００２４】（実施例４）MgO(110)面の基体を用いて、
TiN層を300nm、Fe3O4磁性層を10nm、絶縁バリア層を2n
m、Fe3O4磁性層20nmを逐次積層し、最後に上部Fe3O4磁
性層の磁化を固定する目的で反強磁性のLaFeO3層を50nm
形成し、磁気抵抗素子を構成した。絶縁バリアとして
は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸
化マグネシウム、酸化セリウム、チタン酸ストロンチウ
ム、窒化アルミニウムの検討を行った。MgOの<110>方向
の磁界に対して磁気抵抗変化を測定したところ、酸化タ
ンタル、酸化マグネシウム、窒化アルミニウムで10%以
下、酸化チタン、酸化セリウムで15%程度、酸化アルミ
ニウムで20%程度、チタン酸ストロンチウムで25％の磁
気抵抗効果を得た。絶縁バリアの種類に磁気抵抗効果が
依存する原因は定かではないが、磁性層の電子状態にバ
リアの元素が影響を与えるのではないかと推察される。
TiN層を300nm、Fe3O4磁性層を10nm、絶縁バリア層を2n
m、Fe3O4磁性層20nmを逐次積層し、最後に上部Fe3O4磁
性層の磁化を固定する目的で反強磁性のLaFeO3層を50nm
形成し、磁気抵抗素子を構成した。絶縁バリアとして
は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸
化マグネシウム、酸化セリウム、チタン酸ストロンチウ
ム、窒化アルミニウムの検討を行った。MgOの<110>方向
の磁界に対して磁気抵抗変化を測定したところ、酸化タ
ンタル、酸化マグネシウム、窒化アルミニウムで10%以
下、酸化チタン、酸化セリウムで15%程度、酸化アルミ
ニウムで20%程度、チタン酸ストロンチウムで25％の磁
気抵抗効果を得た。絶縁バリアの種類に磁気抵抗効果が
依存する原因は定かではないが、磁性層の電子状態にバ
リアの元素が影響を与えるのではないかと推察される。
【００２５】チタン酸ストロンチウムバリアを用いた素
子を用いて図４に示した磁気ヘッドを作製した。この時
ヨーク８により導かれる磁界は、MgO(110)基体の<110>
方位から30度傾いた方向に印加されるように配置し、ゼ
ロ磁場近傍での微弱磁界に対して感度をよくしている。
ヨーク材としては軟磁気特性に優れたCoNbZrアモルファ
ス合金膜を用いた。この構成にすることによりヨークの
ない時に比べて10エルステッドの時の感度が２倍以上に
向上することが判った。
子を用いて図４に示した磁気ヘッドを作製した。この時
ヨーク８により導かれる磁界は、MgO(110)基体の<110>
方位から30度傾いた方向に印加されるように配置し、ゼ
ロ磁場近傍での微弱磁界に対して感度をよくしている。
ヨーク材としては軟磁気特性に優れたCoNbZrアモルファ
ス合金膜を用いた。この構成にすることによりヨークの
ない時に比べて10エルステッドの時の感度が２倍以上に
向上することが判った。
【００２６】（実施例５）図５に示したセルを持つメモ
リー装置を作製した。基体１にMgO(110)面、TiN層２を8
00nm形成した後、(Fe,Co)3O4磁性層３を20nm、酸化チタ
ニウム絶縁層４を1nm、CoFe磁性層５を5nm、取り出しの
銅電極層６を100nm積層させた。その後微細加工により5
000nm×2000nmのメサパターンにエッチングし、SiO2の
電気絶縁１０を300nm形成して全体を被覆した。最後に
アルミの情報記録用導体線１１を配線してメモリーセル
を構成した。
リー装置を作製した。基体１にMgO(110)面、TiN層２を8
00nm形成した後、(Fe,Co)3O4磁性層３を20nm、酸化チタ
ニウム絶縁層４を1nm、CoFe磁性層５を5nm、取り出しの
銅電極層６を100nm積層させた。その後微細加工により5
000nm×2000nmのメサパターンにエッチングし、SiO2の
電気絶縁１０を300nm形成して全体を被覆した。最後に
アルミの情報記録用導体線１１を配線してメモリーセル
を構成した。
【００２７】初めに情報記録用導体線にパルス電流を流
して100エルステッドの磁界を発生させて磁性層３およ
び５の方位を揃えておいた後、逆方向にパルス電流を流
して−50エルステッドの磁界を発生させ磁性層５のみを
反転させて記録を行った。その時の抵抗変化を導体線
２，６間の電圧変化により観測したところ、明確な抵抗
変化が生じ、メモリー装置として情報の記録およびその
識別がなされることが判った。
して100エルステッドの磁界を発生させて磁性層３およ
び５の方位を揃えておいた後、逆方向にパルス電流を流
して−50エルステッドの磁界を発生させ磁性層５のみを
反転させて記録を行った。その時の抵抗変化を導体線
２，６間の電圧変化により観測したところ、明確な抵抗
変化が生じ、メモリー装置として情報の記録およびその
識別がなされることが判った。
【００２８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、高スピン
分極率のスピネル型磁性材料を使って磁気抵抗効果の大
きく、かつ容易に製造可能な高効率の磁気抵抗素子を提
供するものであり、これを用いることにより高感度の磁
気センサや磁気抵抗効果型メモリー装置を可能にするも
のである。
分極率のスピネル型磁性材料を使って磁気抵抗効果の大
きく、かつ容易に製造可能な高効率の磁気抵抗素子を提
供するものであり、これを用いることにより高感度の磁
気センサや磁気抵抗効果型メモリー装置を可能にするも
のである。
【図１】本発明の磁気抵抗素子の一例の断面図
【図２】本発明の磁気抵抗素子の一例の断面図
【図３】本発明の磁気抵抗素子の一例における磁気特性
および磁気抵抗特性を示す図
および磁気抵抗特性を示す図
【図４】本発明の磁気センサを用いた磁気ヘッドの一例
を示す図
を示す図
【図５】本発明のメモリー装置一例のセル断面図
１ 基体 ２ 窒化チタニウム層 ３ スピネル型磁性層 ４ 非磁性層 ５ 磁性層 ６ 取り出し電極 ７ ステップ ８ ヨーク ９ 磁気抵抗素子９ 10 電気絶縁層 11 情報記録用導体線
───────────────────────────────────────────────────── 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 10/20 Ｈ０１Ｆ 10/28 10/28 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ (72)発明者 飯島 賢二 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 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB07 AD55 5D034 BA03 BA15 BA16 BA21 5E049 AA09 AB02 AC00 AC05 BA16 DB04 DB14 5F083 FZ10 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40
Claims (11)
- 【請求項１】 基体上に窒化チタニウム層を挟んで形成
したスピネル型結晶構造の磁性層と、前記スピネル型磁
性層に非磁性層を介して接合した他の磁性層とから構成
され、両磁性層間を通過する電気抵抗を外部磁界により
制御してなる磁気抵抗素子。 - 【請求項２】 特に、非磁性層が電気絶縁層であること
を特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項３】 特にスピネル型結晶構造の磁性層が、鉄
元素を含む酸化物フェリ磁性体であることを特徴とする
請求項１記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項４】 特に鉄元素を含む酸化物フェリ磁性体
が、鉄の３価と２価の複合価数の酸化物からなるマグネ
タイト(Fe3O4)であることを特徴とする請求項３記載の
磁気抵抗素子。 - 【請求項５】 特に基体が単結晶であることを特徴とす
る請求項１記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項６】 特に窒化チタニウムの結晶方位が、基体
に対して一方向に揃っていることを特徴とする請求項１
記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項７】 特に、基体が酸化マグネシウムの単結晶
であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項８】 特に酸化マグネシウム単結晶からなる基
体の表面が、(110)面であることを特徴とする請求項７
記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項９】 特に、酸化マグネシウム(110)面上に構
成された磁気抵抗素子に於いて、制御する外部磁界の方
向を酸化マグネシウムの<110>方位としたことを特徴と
する請求項８記載の磁気抵抗素子。 - 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載の磁気
抵抗素子を用いて磁気信号の検知を行うことを特徴とす
る磁気センサ。 - 【請求項１１】 請求項１〜９のいずれかに記載の磁気
抵抗素子を用いて磁気信号の保存を行うことを特徴とす
るメモリー装置。
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| EP01308169A EP1191344A3 (en) | 2000-09-26 | 2001-09-26 | Magnetoresistive element and magnetoresistive device using the same |
| CNB011372362A CN1211873C (zh) | 2000-09-26 | 2001-09-26 | 磁阻元件和使用磁阻元件的磁器件 |
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|---|---|
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| KR (1) | KR100439143B1 (ja) |
| CN (1) | CN1211873C (ja) |
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| JP2017504208A (ja) * | 2014-01-09 | 2017-02-02 | アレグロ・マイクロシステムズ・エルエルシー | 磁界に対する応答が改善された磁気抵抗素子 |
| JP2018026481A (ja) * | 2016-08-10 | 2018-02-15 | Tdk株式会社 | 磁気抵抗効果素子、熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリ |
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| US6897532B1 (en) * | 2002-04-15 | 2005-05-24 | Cypress Semiconductor Corp. | Magnetic tunneling junction configuration and a method for making the same |
| JP3954615B2 (ja) * | 2002-04-24 | 2007-08-08 | 松下電器産業株式会社 | 磁気抵抗素子 |
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