(57)【要約】【課題】室温で１０００％以上のTMR効果が得られる低抵抗の二重障壁強磁性トンネル接合と、この二重障壁強磁性トンネル接合を用いた磁気デバイスを提供する。【解決手段】下地層／強磁性層１／絶縁層１／強磁性層２／絶縁層２／強磁性層３／上部層の構造が基板材料上に積層され、下地層により強磁性層１の磁化が、上部層により強磁性層３の磁化が固定され、強磁性層２が磁化自由層として機能する構造の二重障壁強磁性トンネル接合において、強磁性層２をCoFeB合金とし、かつ、その厚さを０．５〜１．４nmに薄膜化し、絶縁層１および２をMgOとし、２５０〜４００℃程度の熱処理プロセスを経ることで低抵抗、かつ、１０００％を超える巨大なTMR比が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層／強磁性層１／絶縁層１／強磁性層２／絶縁層２／強磁性層３／上部層の構造が基板材料上に積層され、下地層により強磁性層１の磁化が、上部層により強磁性層３の磁化が固定され、強磁性層２が磁化自由層として機能する構造において、強磁性層２の膜厚を制御することでTMR比が増大することを特徴とする二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項２】
前記強磁性層２が０．５nm〜１．４nmの膜厚を有するCoFeB合金であることを特徴とする請求項１に記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項３】
前記絶縁層１または２の少なくとも一方がMgOであることを特徴とする請求項１または２記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項４】
前記下地層および上部層が、強磁性層１および３の磁化を固定するためのIrMn、PtMnおよびFeMnなどの反強磁性体を含む積層膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項５】
前記基板材料がSiO2であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項６】
所定の熱処理プロセスを経て形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項７】
前記強磁性層２の膜厚を制御することにより、量子効果によってTMR比が単障壁の強磁性トンネル接合に比べて大幅に向上することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項８】
前記強磁性層２の膜厚を制御することにより、量子効果によって素子抵抗値を大幅に低減可能なことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項９】
前記強磁性層２の膜厚が１ｎｍと薄く、巨大なＴＭＲ比を有すること、および、スピン注入効率の増大により、スピン注入磁化反転電流を大幅に低減可能なことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項１０】
前記強磁性層２の膜厚を制御することにより、外部印加電圧によって、電流およびTMR比を制御することが可能なことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の二重障壁強磁性トンネル接合を用いることを特徴とする磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室温で１０００％以上のトンネル磁気抵抗（TMR）効果が得られる二重障壁強磁性トンネル接合と、この二重障壁強磁性トンネル接合を有する磁気デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二つの磁性体の磁化の相対角度によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を、大容量の磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）、超高感度な磁気センサー、スピントランジスタなどの磁気デバイスに応用する研究が非常に大きな期待を集めている。
【０００３】
上記の磁気デバイスの高性能化のためには、トンネル接合における抵抗の変化率（TMR比）が室温で大きく、かつ、外部の磁界に対して抵抗が鋭く変化する必要がある。
【０００４】
非特許文献１により、１９９５年に室温で１８％のTMR比が報告されて以降、TMR比の向上は主に強磁性電極のスピン分極率（電気伝導に寄与する上向きスピンと下向きスピンの割合）を大きくする、または、絶縁障壁の材料および作製条件を探索する、という二つの方向で行なわれてきた。
【０００５】
スピン分極率が大きい理想的な磁性材料は、完全にスピン分極した伝導電子を具えるハーフメタルである。非特許文献２では、ハーフメタルを電極に用いた強磁性トンネル接合において、室温で３８０％のTMR比が報告されている。
【０００６】
MgOトンネル絶縁障壁と、体心立方構造のFeを（１００）面で積層した強磁性トンネル接合では、特定の対称性を有する電子のみがコヒーレントにトンネル伝導することにより、大きなTMR比を発現する可能性が理論計算により示された（非特許文献３、４）。非特許文献５では、Fe／MgO／Fe構造の強磁性トンネル接合において、室温で８８％のTMR比が実験的に報告されている。さらに、最近では、非特許文献６においてCoFeB／MgO／CoFeB構造の強磁性トンネル接合で、室温で６０４％のTMR比が報告されている。
【０００７】
一方、トンネル絶縁障壁を二重にし、中間層に１nm程度の非常に薄い強磁性層を有する二重障壁強磁性トンネル接合では、量子井戸準位、または、帯電効果などの量子効果によりTMR比が増大および振動する可能性が理論的に示されている（非特許文献７、８）。特許文献１および非特許文献９では、Fe／MgO／Fe／MgO／Feの二重障壁強磁性トンネル接合において、中間層のFeを1nm程度に薄膜化することで、室温において１１０％のTMR比、および、量子井戸準位によると考えられるコンダクタンス-電圧特性の振動現象が報告されている。
【０００８】
しかし、二重障壁強磁性トンネル接合で得られている１１０％のTMR比は単障壁強磁性トンネル接合のそれよりも小さく、さらに大きなTMR比を有する素子の開発が切望されている。
【０００９】
二重障壁強磁性トンネル接合では、障壁が二重になることで、通常は抵抗値が２倍となってしまい、MRAMやハードディスク用の磁気ヘッドなど、低抵抗の素子が必要なデバイス応用に対するデメリットがある。
【００１０】
従って、低抵抗の二重障壁強磁性トンネル接合の開発が、応用の範囲を広げるために不可欠である。
【００１１】
１９９６年にSlonczewskiによって、微小磁気抵抗素子において、磁化自由層に直接スピン偏極電流を与えることによって磁化反転が起こる可能性があることが理論的に示された（スピン注入磁化反転と呼ばれる）（非特許文献１０）。
【００１２】
スピン注入磁化反転に必要な電流は、磁化自由層の膜厚に比例する。しかし、反転電流を小さくするために磁化自由層の膜厚を薄くすると、TMR比が小さくなってしまう問題があった（非特許文献１１）。
【００１３】
一方、二重障壁強磁性トンネル接合では、電子の反射等の効果によりスピン注入効率が増大し、単障壁の強磁性トンネル接合よりも反転電流値が下がると報告されている（非特許文献１２）。
【００１４】
従って、スピン注入磁化反転を大きく減少させるために、磁化自由層が薄く、かつ、TMR比が大きい二重障壁強磁性トンネル接合が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第２００６／１１２１１９号パンフレット
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】T. Miyazaki and N. Tezuka, “Spin polarized tunneling in ferromagnet/insulator/ferromagnet junctions”, 1995, J. Magn. Magn. Mater., L39, p.1231
【非特許文献２】N. Tezuka, N. Ikeda, F. Mitsuhashi and S. Sugimoto, “Improved tunnel magnetoresistance of magnetic tunnel junctions with Heusler Co2FeAl0.5Si0.5 electrodes fabricated by molecular beam epitaxy”, 2009, Appl. Phys. Lett., 94, p.162504
【非特許文献３】W. H. Butler, X-G. Zhang, T. C. Schulthess and J. M. MacLaren, “Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches”, 2001, Phys. Rev. B, 63, p.054416
【非特許文献４】J. Mathon and A. Umerski, “Theory of tunneling magnetoresistance of an epitaxial Fe/MgO/Fe(001) junction”, 2001, Phys. Rev. B, 63, p.220403
【非特許文献５】S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki and K. Ando, “High Tunnel Magnetoresistance at Room Temperature in Fully Epitaxial Fe/MgO/Fe Tunnel Junctions due to Coherent Spin-Polarized Tunneling”, 2003, Jpn. J. Appl. Phys., 43, p.L588
【非特許文献６】S. Ikeda, J. Hayakawa, Y. Ashizawa, Y. M. Lee, K. Miura, H. Hasegawa, M. Tsunoda, F. Matsukura and H. Ohno, “Tunnel magnetoresistance of 604% at 300  K by suppression of Ta diffusion in CoFeB/MgO/CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature”, 2008, Appl. Phys. Lett., 93, p.082508
【非特許文献７】X. Zhang, B-Z. Li, G. Sun and F-C Pu, “Spin-polarized tunneling and magnetoresistance in ferromagnet/insulator(semiconductor)/ single and double tunnel junctions subjected to an electric field”, 1997, Phys. Rev. B, 56, p.5484
【非特許文献８】J. Barnas and I. Weymann, “Spin effects in single-electron tunneling”, 2008, J. Phys.:Condens. Matter, 20, p.423202
【非特許文献９】T. Nozaki, N. Tezuka and K. Inomata, “Quantum oscillation of the tunneling conductance in fully epitaxitial double barrier magnetic tunnel junctions”, 2006, Phys. Rev. Lett., 96, p.027208
【非特許文献１０】J. C. Slonczewski, “Current-driven excitation of magnetic multilayers”, 1996, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, p.L1
【非特許文献１１】H. Kubota, A. Fukushima, Y. Ootani, S. Yuasa, K. Ando, H. Maehara, K. Tsunekawa, D. D. Djayaprawira, N. Watanabe and Y. Suzuki, “Dependence of spin-transfer switching current on free layer thickness in Co-Fe-B/MgO/Co-Fe-B magnetic tunnel junctions”, 2006, Appl. Phys. Lett., 89, p.032505
【非特許文献１２】Z. Diao, A. Panchula, Y. Ding, M. Pakala, S. Wang, Z. Li, D. Apalkov, H. Nagai, A. Driskill-Smith, L.-C. Wang, E. Chen and Y. Huai “Spin transfer switching in dual MgO magnetic tunnel junctions”, 2007, Appl. Phys. Lett., 90, p.132508
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
現在開発が行なわれているMRAMやハードディスクを高性能化する、さらにはスピントランジスタや高周波スピン発振素子などの新しい磁気デバイスを創出するためには大きなTMR比を有する強磁性トンネル接合を実現する必要がある。
【００１８】
従来の室温における最大のTMR比は６０４％であるが、この素子はTMR比を大きくするために積層構造を極力単純化し、一方の強磁性層を固定していない構造（保磁力差型構造と呼ばれる）のため、応用に用いることはできない。応用に用いることが可能な片方の強磁性層を固定した構造（スピンバルブ型構造と呼ばれる）における最大のTMR比は４１０％に留まっている。
【００１９】
二重障壁強磁性トンネル接合においては、TMR比の振動現象は観測されているものの、室温における最大のTMR比は１１０％であり、TMR比の増大効果は観測されていない。この原因は、1nm程度の極薄膜厚領域で高品位な中間強磁性層の作製が困難なことである。
【００２０】
また、二重障壁強磁性トンネル接合においては、素子抵抗値が単障壁強磁性トンネル接合の約２倍になってしまい、磁気デバイス応用に制限が生じてしまう。
【００２１】
本発明は上記課題に鑑み、室温で１０００％以上のTMR効果を有し、かつ、低抵抗のスピンバルブ型の二重障壁強磁性トンネル接合、および、この二重障壁強磁性トンネル接合を有する磁気デバイスを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る二重障壁強磁性トンネル接合は、下地層／強磁性層１／絶縁層１／強磁性層２／絶縁層２／強磁性層３／上部層の構造が基板材料上に積層され、下地層により強磁性層１の磁化が、上部層により強磁性層３の磁化が固定され、強磁性層２が磁化自由層として機能することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る、前記強磁性層１、２および３はCoFeB合金であることが好ましい。強磁性層1および3は体心立方構造を有するFe、Co、CoFe、NiFe合金でも良い。
【００２４】
本発明に係る、前記絶縁層１、２はMgOであることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る、前記下地層および上部層は、IrMn、PtMnおよびFeMnなどの反強磁性体を含む積層構造であることが好ましい。
【００２６】
本発明に係る、前記強磁性層２は１nm程度の膜厚であることが好ましい。
【００２７】
本発明に係る、二重障壁強磁性トンネル接合は熱処理プロセスを経ていることが好ましい。
【００２８】
本発明に係る磁気デバイスは、本発明に係る二重障壁強磁性トンネル接合を用いることを特徴とする。
【００２９】
本発明者らは鋭意検討を実施した結果、特に強磁性層２をCoFeB合金とし、かつ、その厚さを０．５〜１．４nmに薄膜化し、２５０〜４００℃程度の熱処理プロセスを経ることで、高品位な中間強磁性層を有する二重障壁強磁性トンネル接合が得られた。その結果、薄膜化した強磁性層２中の量子効果によりTMR比が飛躍的に増大し、かつ、素子抵抗値が大きく減少するという知見を得て、本発明を完成するに至った。
【００３０】
したがって、本発明に係る二重障壁トンネル接合をMRAMや磁気センサーなどに使用することで、従来性能を遥かに凌ぐ磁気デバイスを提供できる。また、強磁性層２に電圧が印加可能な三端子構造はスピントランジスタとして機能し、MRAMなどのメモリ以外にロジック回路などにも使用することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、強磁性層２の膜厚および熱処理温度を適当に制御すれば、極めて高品位な二重障壁強磁性トンネル接合が得られ、外部磁界に対して鋭く抵抗が変化し、かつ、１０００％を超えるTMR比、および、低い素子抵抗値を室温で実現できる。
【００３２】
１ｎｍ程度の非常に薄い磁化自由層で、巨大なTMR比を実現することにより、スピン注入磁化反転電流を大幅に低減することができる。
【００３３】
従来の単障壁強磁性トンネル接合を本発明の二重障壁強磁性トンネル接合で置き換えることで、従来性能を遥かに凌ぐ磁気センサー、MRAMなどの磁気デバイスを提供できる。
【００３４】
また、本発明の二重障壁強磁性トンネル接合の強磁性層２に電圧を印加可能な三端子素子は、そのコンダクタンスを電圧で制御できるスピントランジスタとして機能し、MRAM以外に、ロジック回路などにも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態を示す模式断面図である。
【図２】実施例の強磁性層2の膜厚を1.2nmとした二重障壁強磁性トンネル接合の磁気抵抗曲線を示すグラフである。
【図３】実施例の強磁性層2の膜厚を1.2nmとした二重障壁強磁性トンネル接合の（a）電流-電圧特性および（b）TMR比-電圧特性を示すグラフである。
【図４】実施例の強磁性層2の膜厚を0.8nmおよび1.0nmとした二重障壁強磁性トンネル接合の（a）電流-電圧特性および（b）TMR比-電圧特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
図１は、本発明の二重障壁強磁性トンネル接合素子を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本発明の二重障壁強磁性トンネル接合は、基板材料上に下地層、強磁性層１、絶縁層１、強磁性層２、絶縁層2、強磁性層3、上部層からなる層が順次積層されて構成されている。
【００３８】
本発明の二重障壁強磁性トンネル接合において、基板材料としてはSiO2を、強磁性層１、２および３としてCoFeB合金を、絶縁層１、２としてMgOを用いることができる。この二重障壁強磁性トンネル接合は、例えばスパッタ法により形成することができる。
【００３９】
本発明の二重強磁性トンネル接合において、強磁性層２をCoFeB合金とし、かつ、その厚さを０．５〜１．４nmに薄膜化し、２５０〜４００℃程度の熱処理プロセスを経ることで、高品位な中間強磁性層を有する二重障壁強磁性トンネル接合が得られる。その結果、強磁性層２中の量子効果によりTMR比を飛躍的に大きくし、かつ、素子抵抗値を大幅に低減することができる。
【００４０】
本発明の二重障壁強磁性トンネル接合によれば、抵抗が外部磁界に対して鋭く変化し、かつ室温で１０００％を超える巨大なTMR比を得ることが可能である。また、素子抵抗値を同じ絶縁層膜厚を有する単障壁の強磁性トンネル接合に比べて約３桁低減できる。したがって、本発明の二重障壁強磁性トンネル接合をMRAM、磁気センサーなどの磁気デバイスに用いることで、飛躍的な高出力化、高速化、低消費電力化を実現することができる。
【実施例】
【００４１】
次に、実施例により本発明を詳しく説明する。
【００４２】
スパッタ法により、下地層にTa（5nm）／Ru（10nm）／Ta（5nm）／PtMn（10nm）／FeCo（2.5nm）／Ru（0.8nm）構造、強磁性層１および３にCoFeB（３nm）、強磁性層２にCoFeB（0.8〜1.4 nm）、絶縁層１および２にMgO（2.5nm）、上部層にRu（0.8nm）／FeCo（2.5nm）／PtMn（15nm）／Ta（5nm）構造を具えた薄膜を、SiO2基板上に形成した。
【００４３】
次に、形成した薄膜をフォトリソグラフィおよびArイオンミリングを用いて微細加工し、１０×１０〜８０×８０μm2のサイズを有する二重障壁強磁性トンネル接合構造を作製した。
【００４４】
最後に、作製した二重障壁強磁性トンネル接合構造に２５０〜４００℃の熱処理プロセスを施し、実施例の二重障壁強磁性トンネル接合を得た。
【００４５】
実施例の二重障壁強磁性トンネル接合のTMR比、電流-電圧特性、TMR比-電圧特性を直流４端子法にて室温で測定した。
【００４６】
図２は、実施例の二重障壁強磁性トンネル接合において、強磁性層２のCoFeBの膜厚を１．２nmとし、３５０℃の熱処理プロセスを経た場合の室温における磁気抵抗曲線を示す図である。図から明らかなように、低磁界で素子抵抗が鋭く変化し、１０５６％という巨大なTMR比が得られることが分かる。この値は、従来の単障壁および二重障壁の強磁性トンネル接合のTMR比を遥かに上回るものである。また、正側の高磁界で抵抗が変化しているのは、磁化固定層の磁化反転に因るものであり、スピンバルブ型構造ができていることが分かった。また、接合面積で規格化した素子抵抗値は２×１０４Ωμｍ２であり、２．５ｎｍのＭｇＯ絶縁層を有する単障壁強磁性トンネル接合に比べて３桁程度小さい。
【００４７】
図３は、実施例の二重障壁強磁性トンネル接合の強磁性層２のCoFeBの膜厚を１．２nmとし、３５０℃の熱処理プロセスを経た場合の（a）電流-電圧特性および（b）TMR比-電圧特性を示す図である。図３（a）より、電流がある電圧以上で急激に増大していることが分かる。図３（b）より、TMR比は印加電圧が０．１V付近で急激に増大し、TMR比がピークを示すことが分かる。電流およびTMR比の印加電圧による増大は、強磁性層２を薄膜化したことによる量子効果に起因するものである。
【００４８】
図４は実施例の二重障壁強磁性トンネル接合において、強磁性層２のCoFeBの膜厚を０．８nmおよび１．０nmとし、３２５℃の熱処理プロセスを経た場合の（a）電流-電圧特性および（b）TMR比-電圧特性を示す図である。図４より、電流が急激に増大する、または、TMR比が極大をとる電圧は強磁性層２の膜厚によって制御可能なことが分かった。
【００４９】
以上、発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明の内容は上記に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更か可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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