(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリヤ層と強磁性電極の間にＣｕの（１００）面からなる非磁性金属単結晶中間層を挿入した構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記中間層の厚さが２〜３２Åであることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記強磁性電極の下地層または基板がＭｇＯ（１００）単結晶であることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項４】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記強磁性電極の下地層または基板がＧａＡｓ（１００）単結晶であることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項記載のトンネル磁気抵抗素子をマトリックス型磁気ランダムアクセスメモリのワード線とビット線の交差点に接続配置することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子に係り、特に、その磁気抵抗効果のバイアス電圧依存性を制御したトンネル磁気抵抗素子および磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル磁気抵抗効果とは、絶縁体を強磁性金属の電極で挟んだトンネル接合において、その電気抵抗が二つの強磁性電極の磁化の相対的な向きによって変化する現象である。磁気抵抗の大きさは以下の式で表される。
【０００３】
【数１】
0003815601.tif 000002
この現象は、１９９５年に発見され〔Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ  ａｎｄ  Ｎ．Ｔｅｚｕｋａ，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．，Ｖｏｌ．１３９（１９９５）Ｌ２３１．〕、現在では、固定磁気ディスクのピックアップヘッドの磁場センサーや強磁性ランダムアクセスメモリーへの応用研究が進んでいる。この効果を利用して磁気センサーや強磁性ランダムアクセスメモリーを実現するには、有限のバイアス電圧下の磁気抵抗効果の大きさを人為的に制御できることが望ましい。
【０００４】
しかし、一般にトンネル磁気抵抗効果はバイアス電圧の増加にともない単調に減少してしまう。このバイアス電圧の増加に伴う磁気抵抗効果の減少は、マグノン散乱やフォノン散乱の増大に起因する本質的なものなので簡単には制御できない。そこで、例えば、トンネル障壁層を二重にしてバイアス電圧の増加に対する磁気抵抗効果の減少を抑える試みがなされている。
【０００５】
一方、Ｍｏｏｄｅｒａ等は、強磁性電極とバリヤ層の間に多結晶非磁性中間層を挟んで磁気抵抗のバイアス依存性を変化させることを試みた（Ｍｏｏｄｅｒａ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．８３，１９９９，ｐａｇｅ  ３０２９−３０３２．）。
【０００６】
図７はかかる磁気抵抗効果素子のゼロバイアス、７７ＫでのＡｕ中間層の膜厚に対する接合磁気抵抗効果の依存性を示す図であり、横軸にＡｕ中間層の厚さ（ｎｍ）、縦軸に磁気抵抗効果を示している。また、図８はそのバイアス電圧に対する磁気抵抗効果の依存性を示す図であり、横軸にバイアス電圧（Ｖ）、縦軸に磁気抵抗効果を示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した強磁性電極とバリヤ層の間に非磁性中間層を挿入したものにおいては、その非磁性中間層として多結晶試料を用いたために極僅かの変化しか見出せなかった。特に、多結晶中間層による電子の散乱のために磁気抵抗効果がその膜厚の増加に伴い急激に減少してしまい、磁気抵抗効果のバイアス電圧依存性をある程度制御することに成功したものの、実用に足る特性は得られなかった。
【０００８】
そこで、非磁性中間層の電子散乱を抑えて、大きな中間層膜厚に対しても磁気抵抗効果が大きく減少せず、非磁性層内のスピン偏極の振動を磁気抵抗効果として取り出すことの出来る素子の開発が望まれる。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑み、非磁性中間層の電子散乱を抑える素子構造を開発し、非磁性中間層の挿入による磁気抵抗効果の減少の抑制を図るとともに、非磁性中間層の精密な膜厚制御により磁気抵抗効果のバイアス電圧依存性を人為的に制御することができるトンネル磁気抵抗素子および磁気ランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、
〔１〕トンネル磁気抵抗素子において、バリヤ層と強磁性電極の間にＣｕの（１００）面からなる非磁性金属単結晶中間層を挿入した構造を有することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記中間層の厚さが２〜３２Åであることを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記強磁性電極の下地層または基板がＭｇＯ（１００）単結晶であることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕上記〔１〕記載のトンネル磁気抵抗素子において、前記強磁性電極の下地層または基板がＧａＡｓ（１００）単結晶であることを特徴とする。
【００１４】
〔５〕磁気ランダムアクセスメモリであって、上記〔１〕〜〔４〕の何れか一項記載のトンネル磁気抵抗素子をマトリックス型磁気ランダムアクセスメモリのワード線とビット線の交差点に接続配置することを特徴とする。
【００１５】
すなわち、本発明は、図１に示すように、強磁性電極１上に非磁性金属単結晶中間層又は非磁性金属高配向多結晶中間層２を積層する。次いで、絶縁層３、強磁性電極４を形成する。このように、非磁性中間層を持つトンネル磁気抵抗素子の非磁性層を（１００）面からなる非磁性金属単結晶または非磁性金属高配向多結晶中間層２とした。つまり、非磁性金属単結晶の単結晶方位を、立方晶系の（１００）±１０度以内の高配向とすることにより電子の伝導特性と平坦性を改良する。また、前記非磁性金属高配向多結晶の単結晶方位を、立方晶系の（１００）±１０度以内で分布する高配向とすることにより電子の伝導特性と平坦性を改良する。これらの素子をＭｇＯ（１００）またはＧａＡｓ（１００）単結晶下地層または基板の上に形成することにより特に平坦性と配向性を改善できる。また、Ｃｒ（１００）下地層を用いることによっても平坦性と配向性を改善できる。
【００１６】
また、中間層２をＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒ又はこれらを母材とする合金膜として、その厚さを制御して、最適な厚さを選定することにより、磁気抵抗効果を高いものに設定することができる。
【００１７】
さらに、中間層２に印加されるバイアス電圧を制御することにより、極性が反転される磁気抵抗効果を得ることができる。
【００１８】
そして、その非磁性中間層の結晶方位を立方晶系の（１００）±１０度以内と高配向して、より大きな効果を得ることが出来る。
【００１９】
また、他の素子とのクロストークなしにマトリックス型磁気ランダムアクセスメモリの交差点の素子の磁気状態を読み出すことができる。
【００２０】
さらに、他の素子とのクロストークなしにマトリックス型磁気ランダムアクセスメモリの交差点の素子の磁気状態を二次の高調波によって選択的に読み出すことも可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２２】
以下、その実施例を詳細に説明する。
【００２３】
図２は本発明の実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【００２４】
例えば、ＭｇＯ（１００）単結晶又は高配向多結晶基板上にＰｔ，Ｃｏ，Ｃｕの順にバッファー層を成長し、表面を非常に平坦にした後に、Ｃｏ（１００）単結晶電極１１及びＣｕ（１００）非磁性単結晶中間層１２を成長し、その上にアルミナバリヤ（Ａｌ−Ｏ  ｂａｒｒｉｅｒ）１３と強磁性多結晶上部電極（Ｎｉ−Ｆｅ  ｐｏｌｙ−ｃｒｙｓｔａｌ）１４を成長した素子では、低バイアスにおける磁気抵抗効果がＣｕ層の膜厚に対して図３に示すように振動的に変化する。この結果からＣｕ層の挿入によりスピン偏極が制御されているのが明らかである。
【００２５】
また、磁気抵抗効果が１／１０になる膜厚は２ｎｍ程度であり、図７に示す従来のＭｏｏｄｅｒａの結果の５倍程度に改善されている。
【００２６】
また、磁気抵抗のバイアス依存性をいろいろな形に制御することが出来る。特に適当な膜厚を選ぶと、図４に示すようにバイアスの正負によって磁気抵抗の符号が反転する素子も作ることができる。このときの磁気抵抗の大きさも、図８に示す従来のＭｏｏｄｅｒａ等の多結晶の場合に比較して１０倍程度大きくなる。
【００２７】
この他に基板としてＳｉ又はＧａＡｓ（１００）単結晶を用いることができる。非磁性単結晶又は高配向多結晶膜として、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒ（１００）を用いる場合は、基板としてＭｇＯ（１００）又はＧａＡｓ（１００）を用いる。
【００２８】
特に、Ｃｒ（１００）の場合には、基板としてＭｇＯ（１００）又はＧａＡｓ（１００）を用いることが望ましい。
【００２９】
このような特性を利用すると、例えば高安定度な磁場センサーが可能となる。磁気抵抗素子の抵抗は温度変化するので、磁気抵抗効果の測定には二つの特性のそろった磁気抵抗素子を用意して、片方の素子にのみ測定磁場を加えて、そのときの抵抗の変化をもう一方の素子と比較して検出する差動検出が通常用いられる。ところがこの方法では装置の回路が複雑になるし、素子間のばらつきにより測定を誤るという問題がある。
【００３０】
さて、図４に示すような特性を持つ素子に交流電圧を加えると磁気抵抗に起因する非線形応答によって高調波が発生する。この高調波の強度・符号及び位相は磁化の向きに依存する。このような非線形応答はバリスティックな伝導成分によって決まるので電気抵抗の温度変化と無関係で外部環境の変化に対して非常に安定である。従って、差動検出なしに磁化の方向を超高安定度・超高感度に測定することが出来る。
【００３１】
上記したように、本発明では、下部電極に強磁性金属と非磁性金属からなる単結晶人工格子を用い、量子サイズ効果、特にスピン偏極量子井戸準位の形成とＴＭＲ効果の関係を調べた。単結晶ｆｃｃ  Ｃｏ（１００）電極とアモルファスＡｌ−Ｏトンネルバリア層の間に非磁性のＣｕ（１００）層（２〜３２Å）を挿入したＭＴＪ（マグネティック・トンネル・接合）（図２参照）を作製し、ＴＭＲ効果のＣｕ膜厚依存性を測定した結果を図３に示した。この図から明らかなように、ＭＲ比はＣｕ膜厚に対して１２．５Å周期の減衰振動を示した。特筆すべきこととして、ＭＲ比の符号が反転するほど大きな振動が観測された。この振動周期はＣｏ（１００）／Ｃｕ（１００）多層膜の層間結合の周期（Ｐｅｒｉｏｄ）と一致しており、Ｃｕ（１００）層中に生成したスピン偏極量子井戸準位に起因していると考えられる。
【００３２】
図５は本発明のトンネル磁気抵抗素子を適用した第１の回路構成例を示す図である。
【００３３】
この図において、２１はワード線、２２はビット線、２３は本発明のトンネル磁気抵抗素子、２４は直流電源、２５は電流計である。
【００３４】
また、本発明のトンネル磁気抵抗素子を用いて非常に単純な強磁性ランダムアクセスメモリを構成することが出来る。今までの強磁性ランダムアクセスメモリでは、記録の担体であるトンネル磁気抵抗素子にアクセスするためにＭＯＳ−ＦＥＴをパストランジスタとして用いる必要があった。
【００３５】
ところが、本発明のトンネル磁気抵抗素子を用いると、図５に示すような単純なマトリックスから記録情報を選択的に読み出すことが出来る。一対のワード・ビット線間に直流電圧Ｖを加えると、その交差点にあるトンネル素子にこの電圧が加わるが周辺の素子にも例えばＶ／３の電圧が加わる。
【００３６】
従って、通常の素子を使うと回りの素子とのクロストークが問題となる。そこで、本発明の図４に示すような特性を持つトンネル磁気抵抗素子を使うとバイアス電圧Ｖに対しては磁気抵抗効果を示すが、Ｖ／３に対しては磁気抵抗効果を示さないので、他の素子とのクロストークなしに交差点の素子の磁気状態を読み出すことが出来る。
【００３７】
図６は本発明のトンネル磁気抵抗素子を適用した第２の回路構成例を示す図である。この図において、３１はワード線、３２はビット線、３３は本発明のトンネル磁気抵抗素子、３４は高調波検出器、３５は高周波電源である。
【００３８】
また、別の方法として、二次の高調波によって信号を選択的に読み出すことも可能である。線形応答によって磁気抵抗を測定すると、磁気抵抗にバイアス依存が無い場合、目的の素子とその周辺の素子との信号への寄与率は１：１／３だが非線形応答である２次の応答による高調波の発生やパルス形状の変化を使って検出すると、その信号比は１：１／９となり大幅に周辺の素子からのクロストークを減らすことが出来る。さらに、応答のバイアス依存性を最適に設計すれば、この比をもっと大きく取ることも可能である。
【００３９】
さらに、上記実施例では中間層として、単結晶ｆｃｃ  Ｃｕ（１００）を用いたが、これに代えて、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒ又はこれらを母材とする合金の単結晶又は高配向多結晶を用いるようにしてもよい。
【００４０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４２】
（Ａ）非磁性中間層の電子散乱を抑える素子構造を開発し、非磁性中間層の精密な膜厚制御により磁気抵抗効果を抑え、磁気抵抗効果のバイアス電圧依存性を人為的に制御することができる。
【００４３】
（Ｂ）強磁性トンネル磁気抵抗膜において原子層のオーダーの非磁性極薄膜を強磁性電極とバリヤ層の間に挿入することにより、磁気抵抗効果がバイアス電圧に対して振幅動的に変化するトンネル磁気抵抗素子を得ることができる。
【００４４】
（Ｃ）中間層をＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒ又はこれらを母材とする合金膜として、その厚さを制御して、最適な厚さを選定することにより、磁気抵抗効果を高いものに設定することができる。
【００４５】
（Ｄ）さらに、中間層に印加されるバイアス電圧を制御することにより、極性が反転される磁気抵抗効果を得ることができる。
【００４６】
（Ｅ）非磁性中間層の結晶方位を立方晶系の（１００）±１０度以内に分布するように制御することにより、より大きな磁気抵抗効果を得ることが出来る。
【００４７】
（Ｆ）他の素子とのクロストークなしにマトリックス型磁気ランダムアクセスメモリの交差点の素子の磁気状態を読み出すことができる。
【００４８】
（Ｇ）さらに、他の素子とのクロストークなしにマトリックス型磁気ランダムアクセスメモリの二次の高調波によって信号を選択的に読み出すことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかるトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】  本発明の実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【図３】  本発明の実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の低バイアスにおける室温での磁気抵抗のＣｕ層の膜厚依存性を示す図である。
【図４】  本発明の実施例を示すトンネル磁気抵抗素子の室温での磁気抵抗のバイアス依存性を示す図である。
【図５】  本発明のトンネル磁気抵抗素子を適用した第１の回路構成例を示す図である。
【図６】  本発明のトンネル磁気抵抗素子を適用した第２の回路構成例を示す図である。
【図７】  従来の磁気抵抗効果素子のゼロバイアス、７７ＫでのＡｕ中間層の膜厚に対する磁気抵抗効果の依存性を示す図である。
【図８】  従来の磁気抵抗効果素子のゼロバイアス、７７ＫでのＡｕ中間層の膜厚に対する磁気抵抗効果の依存性を示す図である。
【符号の説明】
１    強磁性電極
２    非磁性金属単結晶又は高配向非磁性金属多結晶中間層
３    絶縁層
４    強磁性電極
１１    Ｃｏ（１００）単結晶電極
１２    Ｃｕ（１００）非磁性単結晶中間層
１３    アルミナバリヤ（Ａｌ−Ｏ  ｂａｒｒｉｒｅ）
１４    強磁性多結晶上部電極（Ｎｉ−Ｆｅ  ｐｏｌｙ−ｃｒｙｓｔａｌ）
２１，３１    ワード線
２２，３２    ビット線
２３，３３    トンネル磁気抵抗素子
２４    直流電源
２５    電流計
３４    高調波検出器
３５    高周波電源
【図１】
0003815601.tif 000003
【図２】
0003815601.tif 000004
【図３】
0003815601.tif 000005
【図４】
0003815601.tif 000006
【図５】
0003815601.tif 000007
【図６】
0003815601.tif 000008
【図７】
0003815601.tif 000009
【図８】
0003815601.tif 000010