JP2004509476A - 磁性層系並びにかゝる層を有する構造要素 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は新世代の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサーおよびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサーを製造する方法に関する。本発明によれば、薄膜固定相を例えば高い磁気結晶異方性を有する５ｄ遷移金属（Ｗ、Ｒｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）または４ｄ遷移金属から製造する。上記薄膜固定層は固定された層（３ｄ強磁性遷移金属）の磁化の方向を固定する。ＧＭＲおよびＴＭＲセンサーの効率を増加させることができるモーメントフィルターを構成することができる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性層系並びにかゝる層系を有する構造要素、特に磁気抵抗（ＭＲ）またはトンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｍａｇｎｅｔｗｉｄｅｒｓｔａｎｄ）（ＴＭＲ）を利用する構造要素、例えば磁気センサーまたは磁気メモリーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の材料は、かけられた磁場に特に敏感に反応する電導性を有する。
【０００３】
この現象は多くの磁気センサー、および読み取り磁気抵抗（ＧＭＲ）およびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）をベースとする磁気メモリー（ＭＲＡＭ−マグネチック・ランダム・アクセス・メモリー）において利用される。
【０００４】
かゝるセンサーは一般に、非磁性層によって分離されている多数の強磁性層を有している。外部磁場が存在しない場合には、強磁性層が中間層−交換結合によって対峙する方向に磁化され得る。そのときに負荷された外側磁場は強磁性層中に磁化方向の平行配向をもたらす。抵抗は磁化方向に依存するので、磁気形状が変化する外側磁場は抵抗の変化によって簡単に検出できる。この場合、種々の磁化方向の間のエネルギーの差を、弱い磁場を検出できるためにできるだけ少なく維持することが必要である。これは強磁性層間の非磁性中間層によって達成される。
コンピュータ・ハードディスクの場合の磁気データメモリーの領域においてＧＭＲ型のセンサーが（以下の長所のために）従来使用されていたセンサーとどんどん取り替えられていることは公知である。異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）を利用するセンサーに比べてＧＭＲ−型のセンサーは若干の長所を有している。ＧＭＲ−型のセンサーは全部の角度情報を有利に利用している。ＡＭＲ−センサーについては反対の方向に配向した磁場が見分けを付けることができずそしてその旨の信号をもたらし、ＧＭＲ−センサーの場合にはコリニア（ｋｏｌｌｉｎｅａｒ）および非コリニアに配向した領域が種々の電気抵抗を生じさせる。
【０００５】
ＡＭＲ−センサーに対するＧＭＲ−センサーの別の長所は比較的に大きな信号を放つことである。
【０００６】
更にＧＭＲ−効果が界面効果に基づいているという事実も長所である。このことは、ＧＭＲ−センサーがＡＭＲ−型の相応するセンサーよりも非常に薄くともよいことを意味する。
【０００７】
トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）が将来の磁気動作メモリーにおいて利用する可能性に関する効果を調べることも同様に公知である。これは磁気ランタムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の概念のもとで公知であり、今日使用される半導体メモリーに交換可能である。
【０００８】
原則としてこのためにはＧＭＲ−効果が適している。しかしながらＴＭＲ−効果はセンサーの大きな固有抵抗というあきらかな長所を有する。ＭＲＡＭにおいては、メモリー素子とプロセッサーとの間の接続導体の高い抵抗のために、このことは重要である。
【０００９】
ＧＭＲ−並びにＴＭＲ−センサーは典型的には自由磁気層、中間層、および磁化方向が隣接するアンチ強磁性層により固定される強磁性層で構成されている。
【００１０】
自由層は一般に同様に強磁性層でありそしてセンサー層と称される。中間層はＧＭＲ−タイプの場合にはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｃｒの様な元素をそしてＴＭＲ−タイプの場合には絶縁体を包含する。
【００１１】
層系のこの機能は、センサー層の磁化方向が外部磁場に反応するが、固定された強磁性層は外部磁場に影響されないままであることに基づいている。固定された層の磁化方向は固定された強磁性層と隣接する反強磁性層との間の強い反強磁性相互作用によって固定される。
【００１２】
かゝる層系を製造する際の問題は、反強磁性的に連結された固定層に適する適当な材料を見出すことである。
【００１３】
別の問題は、必要な種々の磁気配向（コリニア（ｋｏｌｌｉｎｅａｒ）および非コリニア）を造ることである。更にセンサー層の磁化方向は層間の広範囲の相互作用のために、固定された層の磁化方向に規則的に結合される。このことは不利にも僅かな効率を意味する（ＧＭＲの場合には２０％より少なく、ＴＭＲの場合には５０％より少ない）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来技術に比較して強磁性層の磁化方向の改善された固定を可能とする層系およびかゝる層系を収容する磁気構造要素を提供することである。
【００１５】
更に本発明の別の課題は、固定された強磁性層と別の強磁気センサー層との間に僅かな相互作用しか示さない磁気構造要素を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれらの課題は、請求項１の特徴部分を有する層系並びに請求項９の特徴部分を有する磁気構造要素によって解決される。更に請求項１４、１５および１８も本発明の有利な実施形態である。
【００１７】
別の有利な実施態様はそれぞれに従属する請求項から明らかである。
【００１８】
発明の説明
請求項１によれば本発明の層系は固定層およびこれに隣接する強磁性層を有する。この強磁性層は一般に３ｄ−遷移金属または３ｄ−遷移金属よりなる合金または多層系を有している。３ｄ−遷移元素には特にＦｅ、ＮｉおよびＣｏが属する。
【００１９】
隣接強磁性層の磁化方向を固定するために、固定層は４ｄ−あるいは亜５ｄ−遷移元素を有している。
【００２０】
驚くべきことに、強磁性層の３ｄ−遷移元素と固定層の４ｄ−あるいは５ｄ−遷移金属との材料組合せの場合には３ｄ−遷移金属が磁気モーメントの大きさを決定し、これに対して磁化方向は４ｄ−あるいは５ｄ−遷移金属によって決定されることが確認された。
【００２１】
この場合、３ｄ−遷移金属よりなる強磁性層は固定層の４ｄ−あるいは５ｄ−遷移金属の磁気結晶異方性の高いエネルギー（ＭＡＥ）によって固定される。従来技術から公知になっている様な材料による強い反強磁性結合は従来から通例である。本発明の層の磁気結晶異方性エネルギーは固定された強磁性層の磁化方向の有利な結合を実現する。
【００２２】
磁化方向は一般に結晶優先方向に沿って延びおよび／または磁性物質の巨視的構造によって決められる。この性質は磁気結晶異方性である。最も少ないエネルギーの状態から最も高いエネルギーの状態に方位を変えるために必要とされるエネルギーが異方性エネルギーである。この異方性エネルギーは相関的効果、特に双極子／双極子およびスピン／オービット（Ｏｒｂｉｔ） 相互作用から得られる。磁気の単位で表される磁性異方性は０．０１〜１０ＭＪ／ｍ^３ の大きさである。
【００２３】
この場合、固定層のための特に有利に適する４ｄ−遷移元素としては請求項２に従ってパラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）の各元素が挙げられる。
【００２４】
請求項３に従う有利に適する５ｄ−遷移元素としてはタングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）および白金（Ｐｔ）の各元素が挙げられる。
【００２５】
４ｄ−並びに５ｄ−遷移元素は高い磁気結晶異方性エネルギー（ＭＡＥ）を有し、隣接した強磁性層の磁化方向の固定を簡単に可能とする。
【００２６】
一つの有利な実施態様においては、請求項４に従い、４ｄ−あるいは５ｄ−遷移金属を含む固定層は薄い層として構成されている。これは、１〜１０の単分子層の層厚を持つ層を意味する。
【００２７】
特に本発明の固定層は請求項５に従って単分子層として形成されているのが有利である。４ｄ−または５ｄ−遷移元素の単分子層は既に強磁性層の磁化方向を本発明に従って固定させる。それ故にこの実施態様は特に材料を節約しそして固定層の非常にコンパクトな構造を可能とする。この層系を有する磁気構造要素も相応してコンパクトに形成することもできる。
【００２８】
更に、固定層のために５ｄ−遷移金属（または唯一の４ｄ−遷移金属）を使用することによって、固定された層（例えば３ｄ−遷移金属の薄い膜）の磁化方向を固定するのに５ｄ−遷移金属（または唯一の４ｄ−遷移金属）の唯一の単分子層で十分であるために製造プロセスが簡単である。
【００２９】
３ｄ−と４ｄ−あるいは５ｄ−遷移金属とよりなる材料組合せの場合の磁気異方性は大きなスピン／オービット−定数および小さいスピン−スプリッチング（Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ）のために非常に大きい。
【００３０】
この場合、異方性はフェルミ（Ｆｅｒｍｉ ）エネルギーの近辺における４ｄ−あるいは５ｄ−遷移元素の荷電密度の微細構造に規則的に過敏に反応する。
【００３１】
３ｄ−遷移元素を含む強磁性層と４ｄ−および／または５ｄ−遷移元素を含む固定層との本発明に従う組合せによって固定層の磁気結晶異方性の強さおよび方向が調整される。
【００３２】
本発明の基礎となる理論は磁場へのスピン／オービット相互作用の割合を正確に算出することにある。磁性異方性のスピン／オービット相互作用のこの割合は表面において特に大きくそして薄い層の場合に磁性異方性にとって優勢である。５ｄ−遷移金属（および唯一の４ｄ−遷移金属）の誘発する磁性体結晶異方性は、固定された層の磁化方向を固定するために十分の大きさである。それ故にセンサー層と固定された層との間の相互作用は有利にも非常に小さい。
【００３３】
種々の磁性形状（コリニア（ｋｏｌｌｉｎｅａｒ）および非コリニアセンサー層および固定された層）は材料を適切に選択することによって簡単に製造される。この場合、センサー層の磁化方向は、中間層が十分に厚い限り、固定された層の磁化方向に左右される。この場合に十分な厚さとは特に１．０ｎｍより厚いことを意味する。このことは、５ｄ−遷移金属の高い磁気結晶異方性エネルギーのためにセンサー層と固定された層との間の相互作用がないことを意味する。
【００３４】
他の用途はＧＭＲ−およびＴＭＲ−効果の効率を高めることである。これはモーメントフィルター（ｍｏｍｅｎｔｆｉｌｔｅｒ）の使用によって生じるが、無極の（ｕｎｐｏｌａｒｉｓｉｅｒｔｅ）ｓおよびｐ電子に対して不透過性である。
【００３５】
本発明の構造要素の有利な実施態様においては（５ｄ−遷移金属または唯一の４ｄ−遷移金属よりなる）固定層の磁気結晶異方性エネルギーは約１０〜２０ｍｅＶである。これはセンサー層（３ｄ−遷移金属よりなる薄い膜）の磁気結晶異方性エネルギーよりも約１００倍大きい。この高いエネルギーは固定された層の磁気結晶異方性エネルギーより優勢であり、従ってそれの磁化方向が固定される。
【００３６】
図面の説明
図１：５ｄ−遷移金属よりなる固定層を持つ本発明の磁気センサーのための層構造。この実施態様は固定層を有している。センサー層および固定された層の磁化方向は相応するベクトルグラフで図示している。
図２：５ｄ−遷移金属よりなる固定層を持つ本発明の磁気センサーのための層構造。この実施態様は２つの固定層を有している。ここでもセンサー層と固定された層の磁化方向を相応するベクトルグラフで図示してる
この配置（図１および図２）においてセンサー層１は固定された層３に結合しておらず、その結果センサー層１と固定された層３の磁気方向が異なっていてもよく、コリニア配置も非コリニア配置も簡単に実現される。
図３：実際の磁気センサーのための図１に従う本発明の層構造の周期的配置。
図４：実際の磁気センサーのための図２に従う本発明の層構造の周期的配置。
【００３７】
【実施例】
個別のＧＭＲ−（またはＴＭＲ−）センサーについて図１に図示した通り、単分子層よりなる（３ｄ−遷移金属よりなる）固定層を５ｄ−遷移金属または単一の４ｄ−遷移金属よりなる固定層４に直ぐ並べて設ける。固定層４は単一の単分子層、薄い膜、合金または多層系よりなるのが有利である。ここに記載した実施態様においては、固定層４は単一の単分子層だけよりなる。なぜならば高い磁気異方性エネルギーが弱過ぎたからである。例えばセンサー層１のためのＦｅおよび固定された層３のためのＷ上のＦｅ原子の単一層の様に、種々の磁気配置が可能である。センサー層（１）（ＭＡＥ約０．１ｍｅＶ）が高い磁性異方性を有する面に垂直にあるので、非コリニア配置が実現され、他方、約２．０ｍｅＶのＭＡＥを有するを固定層３は平面にある。コリニア配置は、センサー層１のためにＦｅの代わりにＣｏを使用する時に現れる。
【００３８】
原則として、センサー層１と固定された層３との間の磁化方向（Ｍ_Ｆ ）および（Ｍ_Ｐ ）の任意の組合せは、図１のベクトルグラフで示す通り、元素の相応する組み合わせを選択することによって調整される。
【００３９】
別の有利な実施態様は図２に示してあり、これは固定層４、固定された層３および別の固定層４よりなるサンドイッチ配置（多重層）よりなる。この実施例の場合には固定された層は単一の単分子層ならびに厚い膜よりなる。しかしながら固定層４は厚い必要はない（特に５より少ない単分子層）。固定された層３の磁気結晶異方性エネルギーはここでは図１におけるよりも高く、その結果中間層相互作用はそれどころか非常に薄い中間層２に対して無視できるほど少ない。
【００４０】
上記の配置の場合には、ＧＭＲ−およびＴＭＲ−効果の効率を高めるために、モーメントフィルターが使用される。この場合には、状態密度がフェルミ・エネルギーの近辺にありそしてモーメントに依存する様に互いに組み合わせる。フェルミ・エネルギーの近くのｓおよびｐ状態密度が低い材料を選択することができるが、ｄ状態密度がそこでは高く、その結果ｄ状態だけが電流に寄与する。
【００４１】
図３および４に示した通り、実際のＧＭＲ−およびＴＭＲ−センサーは沢山の個々のＧＭＲ−およびＴＭＲ−センサーの配列で構成されている。具体的実施形態においては５ｄ−遷移金属（Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）のそれぞれを使用することができ、４ｄ−遷移金属（Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ）のそれぞれも固定層として使用可能である。
【００４２】
図１および２に示す様な配列においては、層配列は固定層４の他に基体５および連結層２よりなる。
【００４３】
基体５は貴金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）、３ｄ−、４ｄ−または５ｄ−遷移金属を含めた層系（多層）である。しばしば中間層とも称する連結層２のためには好ましくは貴金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）または絶縁体を使用するべきである。３ｄ−、４ｄ−または５ｄ−遷移金属の全てが連結層２のために使用するのが適しているわけでない。しかし当業者ならば、所定の問題設定にとって適する組合せを見出すことができる。
【００４４】
センサー層１の磁化（Ｍ_Ｆ ）は固定された層３の磁化（Ｍ_Ｐ ）にのみ左右される。センサー層１の磁化（Ｍ_Ｐ ）は３ｄ−遷移金属の弱いスピン／オービット−相互作用によって生ずる。３ｄ−（固定された層）および５ｄ−（固定層）遷移金属の組合せよりなるセンサーの場合には３ｄ−遷移金属が磁気モーメントの大きさを決定し、他方、磁化方向は５ｄ−遷移金属の強いスピン／オービット−相互作用に基づいて決められる。この構造は、固定層が反強磁性結合によって固定される慣用のＧＭＲ−およびＴＭＲ−材料と全く相違している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は５ｄ−遷移金属よりなる固定層を持つ本発明の磁気センサーのための層構造を示す。
【図２】
図２は５ｄ−遷移金属よりなる固定層を持つ本発明の磁気センサーのための層構造を示す。
【図３】
図３は実際の磁気センサーのための図１に従う本発明の層構造の周期的配置を示す。
【図４】
図４は実際の磁気センサーのための図２に従う本発明の層構造の周期的配置を示す。
【符号の説明】
１・・・強磁性層（センサー層）
２・・・中間層
３・・・強磁性層（固定層）
４・・・本発明の固定層
５・・・基体
【外１】

Claims (18)

1. ３ｄ−遷移金属を有する強磁性層およびそれに隣接する固定層層を持つ層系において、固定層が４ｄ−または５ｄ−遷移元素を有することを特徴とする、上記層系。
2. Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕの群の内の少なくとも１種の元素を含む固定層を持つ、請求項１に記載の層系。
3. Ｗ、Ｒｅ，Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔよりなる群の内の少なくとも１種の元素を含む固定層を持つ、請求項１に記載の層系。
4. ４ｄ−または５ｄ−遷移金属元素よりなる合金よりなる固定層を持つ、請求項１〜３のいずれか一つに記載の層系。
5. 固定層が多層系を含む、請求項１〜４のいずれか一つに記載の層系。
6. 固定層が薄い層として形成されている、請求項１〜５のいずれか一つに記載の層系。
7. 固定層が単分子層として形成されている、請求項１〜６のいずれか一つに記載の層系。
8. 固定層の結晶磁気異方性が１〜１００ｍｅＶ、特に１０〜２０ｍｅＶの範囲内にある、請求項１〜７のいずれか一つに記載の層系。
9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の層系を持つ磁性構造要素。
10. 第二の強磁性層を持つ請求項９に記載の磁性構造要素。
11. 固定層が４ｄ−または５ｄ−遷移元素を含むサンドイッチ層よりなることを特徴とする、請求項９または１０に記載の磁性構造要素。
12. 第二の強磁性層が単分子膜として形成されている、請求項９〜１１のいずれか一つに記載の磁性構造要素。
13. 層系中に第二の磁性層が第一の強磁性層に隣接して配置されている、請求項９〜１２のいずれか一つに記載の磁性構造要素。
14. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の層系を持つモーメントフィルター。
15. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の層系を持つ磁気センサー（Ｍａｇｎｅｔｓｅｎｓｏｒ）。
16. 請求項１５に従う磁気センサーとしてのＧＭＲ−センサー。
17. 請求項１５に従う磁気センサーとしてのＴＭＲ−センサー。
18. 請求項１〜８のいずれか一つに記載の層系を持つ磁気メモリー。