(57)【要約】【課題】  非破壊読み出し若しくは多値記録が可能な磁気抵抗効果素子の提供を目的とする。【解決手段】  トンネル絶縁膜を介して３層の強磁性導電層が形成され、中間の強磁性導電層の保磁力を小とし、これを選択的に反転させたときのトンネル電流で、外側の強磁性導電層の磁化状態を検出する。【選択図】  図１
2004356642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の強磁性導電層と、第２の強磁性導電層と、前記第１及び第２の強磁性導電層の間に介在する第１のトンネル絶縁層と、第３の強磁性導電層と、前記第２及び第３の強磁性導電層の間に介在する第２のトンネル絶縁層と、前記第１及び第３の強磁性導電層の外側にそれぞれ設けられた第１及び第２の反強磁性層とを具備し、前記第２の強磁性導電層の保磁力が前記第１及び第３の強磁性導電層の保磁力よりも小さく、前記第１及び第２のトンネル絶縁層にトンネル電流が流され、前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間の電圧または前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間に流れる電流が読み出されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１乃至第３の強磁性導電層のうちの隣り合う層の磁化の向きが実質的に互いに同じかまたは逆であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１の強磁性導電層の磁化の向きと前記第３の強磁性導電層の磁化の向きとが実質的に互いに同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
第１の強磁性導電層と、第２の強磁性導電層と、前記第１及び第２の強磁性導電層の間に介在する第１のトンネル絶縁層と、第３の強磁性導電層と、前記第２及び第３の強磁性導電層の間に介在する第２のトンネル絶縁層と、前記第１及び第３の強磁性導電層の外側にそれぞれ設けられた第１及び第２の反強磁性層とを備え、前記第２の強磁性導電層の保磁力が前記第１及び第３の強磁性導電層の保磁力よりも小さく、前記第２の強磁性導電層の磁化の向きが変化可能である磁気抵抗効果素子を具備し、前記第１乃至第３の強磁性導電層それぞれの磁化の向きの相対的関係を情報として記憶し、前記第１及び第２のトンネル絶縁層にトンネル電流が流され、前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間の電圧または前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間に流れる電流に基づいて前記情報を読み出すことを特徴とする情報記憶素子。
【請求項５】
前記第１乃至第３の強磁性導電層のうちの隣り合う層の磁化の向きが実質的に互いに同じかまたは逆であることを特徴とする請求項４に記載の情報記憶素子。
【請求項６】
前記第１の強磁性導電層の磁化の向きと前記第３の強磁性導電層の磁化の向きとが実質的に互いに同じであることを特徴とする請求項４または５に記載の情報記憶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗効果素子及びこれを用いた情報記憶素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
1988年に、磁性体と非磁性金属を積層した金属人工格子膜において、巨大な磁気抵抗効果が現れることが発見され（Baibich 他、Phys. Rev. ett. 61 (1988)2472頁〜2475頁）、それ以来、この現象に関連した研究がさかんになされるようになってきた。
【０００３】
最近は、これらの巨大な磁気抵抗を示す人工格子膜を用いた様々な応用が研究されており、例えば、磁気センサーや記録素子としての応用研究があり、特に、高速かつ高密度で不揮発メモリとして利用したもの(MRAM)が注目されている。
【０００４】
また、トンネル絶縁膜を介して磁性層を積層した強磁性トンネル接合でも磁気抵抗効果がみいだされている。例えば、ＦｅとＡｌ2 Ｏ3 を用いた強磁性トンネル接合において両側のＦｅ膜の保磁力が異なるように作成されている場合、磁化過程中に両側のＦｅ膜の磁化が平行状態から反平行状態に変化し、トンネル抵抗が変化することで磁気抵抗効果が生じることが示されている（宮崎ら、Journal of Magnetism and MagneticMaterials 139(1995) L231-L234 ）。特にこの系では、室温においても２０％以上の大きな磁気抵抗効果がある。
【０００５】
また、最近Moodera ら（Phys. Rev. Lett. 74(1995)3273 頁〜3276頁）によりＣｏＦｅ／Ａｌ2 Ｏ3 ／Ｃｏという組み合わせの強磁性トンネル接合においても接合の作成方法を改良することで、室温で１０％以上の磁気抵抗が得られることが示されている。
【０００６】
このように、強磁性トンネル接合に関しても大きな磁気抵抗効果が得られるようになってきたが、これについての応用研究はいまだほとんどなされておらず、磁気センサーや情報記憶素子としての応用例はほとんど報告されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この様に強磁性トンネル接合の磁気抵抗効果を用いた応用、特に記録素子とし
ての応用は検討されてはいない状況にある。本発明は以上の点を考慮してなされたもので、強磁性トンネル接合を用いて、非破壊若しくは多値の記録／読出しが行なえる新規な磁気抵抗効果素子及びこれを用いた情報記憶素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、第１の強磁性導電層と、第２の強磁性導電層と、前記第１及び第２の強磁性導電層の間に介在する第１のトンネル絶縁層と、第３の強磁性導電層と、前記第２及び第３の強磁性導電層の間に介在する第２のトンネル絶縁層と、前記第１及び第３の強磁性導電層の外側にそれぞれ設けられた第１及び第２の反強磁性層とを具備し、前記第２の強磁性導電層の保磁力が前記第１及び第３の強磁性導電層の保磁力よりも小さく、前記第１及び第２のトンネル絶縁層にトンネル電流が流され、前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間の電圧または前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間に流れる電流が読み出されることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
【０００９】
また、本発明は、第１の強磁性導電層と、第２の強磁性導電層と、前記第１及び第２の強磁性導電層の間に介在する第１のトンネル絶縁層と、第３の強磁性導電層と、前記第２及び第３の強磁性導電層の間に介在する第２のトンネル絶縁層と、前記第１及び第３の強磁性導電層の外側にそれぞれ設けられた第１及び第２の反強磁性層とを備え、前記第２の強磁性導電層の保磁力が前記第１及び第３の強磁性導電層の保磁力よりも小さく、前記第２の強磁性導電層の磁化の向きが変化可能である磁気抵抗効果素子を具備し、前記第１乃至第３の強磁性導電層それぞれの磁化の向きの相対的関係を情報として記憶し、前記第１及び第２のトンネル絶縁層にトンネル電流が流され、前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間の電圧または前記第１の強磁性導電層と前記第３の強磁性導電層との間に流れる電流に基づいて前記情報を読み出すことを特徴とする情報記憶素子である。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本発明によれば強磁性トンネル接合を用いた新規な磁気抵抗効果素子を得ることができ、多値若しくは非破壊読出しが可能な磁気記録方式を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を用いて本発明の原理を説明する。磁性積層体（６）は、第１の強磁性導電層（１），第１のトンネル絶縁層（２），第２の強磁性導
電層（３），第２のトンネル絶縁層（４）及び第３の強磁性導電層（５）が順次積層された構造を採る。
【００１２】
ここでは第２の強磁性導電層が（３）の保磁力が、第１及び第３の強磁性導電層（１）（５）の保磁力より小さいものとする。磁気記録は第１及び第３の強磁性導電層（１）（５）を同じ方向に磁化することで行う。この図では上向きの磁化状態を“０”，下向きの磁化状態を“１”とする。
【００１３】
第２の強磁性導電層（３）の磁化の向きは不定である。ただし第２の強磁性導電層（３）の保磁力（Ｈ2 ）は第１及び第３の強磁性導電層の保磁力（Ｈ1 ，Ｈ3 ）よりも小とする。すなわちＨ1 ，Ｈ3 ＞Ｈ＞Ｈ2 の磁化を印加することで中間に位置する第２の強磁性導電層（３）の磁化方向のみを制御することができる。
【００１４】
まず“０”の状態の読み出しである。電流磁界を用いて第２の強磁性導電層の磁化の向きを制御するものとする。すなわちこの磁性積層体に近接して導体格を設け、これに電流を流すことで磁界を印加するのである。正パルスをいれた場合は“０”と同方向に、負パルスをいれた場合は“１”と同方向に磁化の向きが定まるとする。
【００１５】
正パルスを入力する前の第２の強磁性導電層の磁化の向きは不定であるが、便宜上“０”と同方向であるとする。なお必要に応じ正パルスを印加して初期状態を“０”の向きにしておいても良い。また逆でも良い。
【００１６】
正パルスを印加した場合、第１，第２及び第３の強磁性導電層の磁化は同方向となり、磁性積層体（６）にはトンネル電流が流れ易くなる。一方、負パルスを印加した場合は、第１及び第２の強磁性導電膜の磁化に向きは逆であり、また第２及び第３の強磁性導電膜の磁化の向きは逆である。従って磁性積層体にはトンネル電流が非常に流れ難くなる。
【００１７】
図１（ａ）には正負パルス印加のタイミングを示し、図１（ｂ）は“０”の記録をもっている場合の磁化の向きを示し、それに伴い図１（ｃ）はトンネル電流の大きさを示す。正パルスを印加した時はトンネル電流が流れ、負パルスを印加した時はトンネル電流が流れ難いことを示している。この図では正パルスと負パルス間を離しているが、連続させても良い。
【００１８】
同図では正負パルスがないときの第２の強磁性導電層の磁化の向きは直前にかけられたパルスの状態が保持されることにしているが、第１及び第３の強磁性導電層との静磁接合等の影響で反転する可能性もある。従って、正負パルス印加時のトンネル電流を検出すれば良い。なお、電圧検出を行えば図１（ｃ）のチャートは逆になることは言うまでもない。
【００１９】
“１”の場合は“０”と逆で（図１（ｄ），（ｅ））、トンネル電流が小から大に変化することになる。“０”，“１”の場合夫々正パルスを印加したときの磁性積層体（６）の両端に生じる電圧を基準とすれば、上述の例で電圧が上昇する場合（＋ΔＶの変位）は“０”、下降する場合（−ΔＶの変位）は“１”と判断できる。すなわち出力の絶対量ではなく変位の符号で“０”，“１”が判断でき、Ｓ／Ｎ比に優れた読出しが可能になる。
【００２０】
更に、この場合非破壊の読出しができる。図２に３値データ“０”（図２（ｂ）（ｃ）），“１”（図２（ｄ）（ｅ）），“２”（図２（ｆ）（ｇ））を再生する場合について説明する。
【００２１】
例えば、第１及び第３の強磁性導電層の磁化の向きが上向きの場合を“０”，下向きの場合を“２”，異なる場合を“１”とする。図１の例と同様に第２の強磁性導電層の磁化の向きは上向きを初期状態とする。図２（ａ）に外部磁場発生用の電流パルスの例を示し、図１と同様に同図（ａ）（ｅ）（ｇ）はタイミングをあわせて記載されている。
【００２２】
正パルスを印加して第２の強磁性導電層の磁化を上向きとした場合、“０”のときは第１乃至第３の強磁性導電層の磁化がそろうのでトンネル電流が流れ易くなり、出力電圧は低く（ＶL ）、その他の場合は磁化がそろっていないのでトンネル電流が流れにくくなり、出力電圧は高く（ＶH ）なる。
【００２３】
続いて負パルスを印加した場合、“２”のときは下向きに磁化がそろいＶL となるが、その他はＶH となる。従って、正負のパルスを加えた場合、ＶL →ＶH となる場合が“０”、ＶH →ＶH となる場合が“１”、ＶH →ＶL となる場合が“２”と判断できる。
【００２４】
この様に多値記録も可能である。しかも、読み出し前後で第１及び第３の強磁性導電層のスピンの向きは変わらず非破壊の読み出しができる。第３に４値データ“０”（図３（ｂ）（ｃ）），“１”（図３（ｄ）（ｅ）），“２”（図３（ｆ）（ｇ）），“３“（図３（ｈ）（ｉ））を再生する場合について説明する。
【００２５】
例えば、第１及び第３の強磁性導電層の磁化の向きが上向きの場合を“０”，下向きの場合を“３”，異なる場合を第１の強磁性層の磁化が上向きのとき“１”下向きのときを“２”とする。
【００２６】
図１の例と同様に第２の強磁性導電層の磁化の向きは上向きを初期状態とする。図３（ａ）に外部磁場発生用の電流パルスの例を示し、図２と同様に同図（ａ）（ｅ）（ｇ）（ｉ）はタイミングをあわせて記載されている。
【００２７】
なお、図１，２の場合、Ｈ1 ，Ｈ3 ＞Ｈ（読み出し）＞Ｈ2 であったが、Ｈ1＞Ｈ3 の関係を更に付加する。更に読み出し用として振幅小と大を用意し、Ｈ1＞Ｈ（大）＞Ｈ3 ＞Ｈ（小）＞Ｈ2 とする。
【００２８】
正パルス（振幅小）を印加して第２の強磁性導電層の磁化を上向きとした場合、“０”のときは第１乃至第３の強磁性導電層の磁化がそろうのでトンネル電流が流れ易くなり、出力電圧は低く（ＶL ）、その他の場合は磁化がそろっていないのでトンネル電流が流れにくくなり、出力電圧は高く（ＶH ）なる。
【００２９】
続いて負パルスを印加した場合、“４”のときは下向きに磁化がそろいＶL となるが、その他はＶH となる。更に正パルス（大）を印加すると第３の強磁性層は記録状態によらず上向きとなるので“２”“３”以外はＶH となる。
【００３０】
従って、正（小）負正（大）のパルスを加えた場合、ＶL →ＶH →ＶL となる場合が“０”、ＶH →ＶH →ＶL となる場合が“１”，ＶH →ＶH →ＶH が“２”，ＶH →ＶL →ＶH となる場合が“３”と判断できる。
【００３１】
この様に破壊読出しではあるが４値記録も可能である。本発明素子は例えば以下の様にして作成される。強磁性層として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の強磁性体やパーマロイ等の磁性合金、あるいは、ホイスラー合金等の半金属を用い、絶縁体層としてＮｉＯ、Ａｌ2 Ｏ3 などの酸化物を用いることができる。ここで、強磁性層の膜厚は１ｎｍから５００ｎｍが好ましく、絶縁層の膜厚は１ｎｍから４０ｎｍが好ましい。
【００３２】
接合の作成方法を、強磁性層としてＦｅ、絶縁体層としてＡｌ2 Ｏ3 を用いた場合について説明すると以下のようになる。強磁性トンネル接合をガラス基板上に作成する。強磁性層はイオンビームスパッタ法により作成する。この際、チェンバ内を１×１０-6Torr以下の真空状態とした後、Ａｒを１×１０-4Torr導入し、Ａｒイオンの加速電圧を６００Ｖとして製膜を行う。また、第１と第３の強磁性層の膜厚は１００ｎｍ、第２の強磁性層の膜厚は５０ｎｍとして、第２の強磁性層の保磁力が第１と第３の強磁性層の保磁力より小さくなるようにした。絶縁体層は、Ａｌをイオンビームスパッタ法により膜厚５ｎｍから２５ｎｍに製膜し、大気中で２４時間自然酸化させてＡｌ2Ｏ3 を形成する。
【００３３】
このトンネル接合は次の特徴を持つ。強磁性層間は絶対層で区切られているため、強磁性層間の相互作用はほとんどないため、磁場応答の線形性がよく、また飽和磁場が小さく、典型的には１０-5Tesla から１０-2Tesla 程度の大きさを持つ。このため、ごく弱い磁場に対しても大きな磁気抵抗効果が期待でき、電流の変化の検出が容易となる。さらに本発明の場合は、強磁性層が３層とそれらの間を隔てる絶縁層２層から構成されているため、トンネル電流の検出がさらに容易になる。これは以下のように説明される。
【００３４】
一層の絶縁体によって分けられた２種の強磁性層からなる強磁性トンネル接合については、Slonczewski により理論的解析が行われている（Phys. Rev. B39(1989)6995頁〜7002頁）。これによると、トンネルコンダクタンス（Ｇ）は、絶縁体が無限に厚い極限では接合の透過係数に比例する。
【００３５】
すなわち、Ｇは（１＋εcos θ）に比例する。θは二つの強磁性層の磁化のなす角度を表わし、εは物質に依存した定数であり、０＜ε≦１の値をとる。従って、強磁性層の磁化が平行の時（θ＝０）コンダクタンスが最大値をとり、反平行のとき（θ＝π）最小値となる。ホイスラー合金などの半金属を用いた場合はε＝１である。
【００３６】
本発明では、強磁性層が３層含まれており、二つのトンネル接合の組み合わせとなっている。全体の透過係数は、各トンネル接合の透過係数により表すことができ、特に、各トンネル接合の透過係数Ｔが小さい場合には、ＴのトータルはＴ2 に比例する。
【００３７】
従って、トンネル・コンダクタンス（Ｇtotal ）は（１＋εcos θ）2 に比例することになる。従って３層の磁性層を有する方が磁場に関するコンダクタンスの微係数が大きくなることがわかる。図４にε＝１の場合に比例係数を正規化して示す。従って、磁場の変化に対するトンネル電流の変化の検出が容易になり、磁気センサーに適している。
【００３８】
さらに、第１と第３の強磁性層の磁化への外部磁場からの影響を小さくするために外側にＦｅＭｎのような反強磁性層を備えて、これらとの相互作用により第１と第３の強磁性層の磁化を固着することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の概略図。
【図２】本発明の概略図。
【図３】本発明の概略図。
【図４】本発明の特性図。
【符号の説明】
【００４０】
１  第１の強磁性導電層
２  第１のトンネル絶縁層
３  第２の強磁性導電層
４  第２のトンネル絶縁層
５  第３の強磁性導電層
６  磁性積層体
【図１】
2004356642.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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