JP2009212156A - Magnetoresistive element and magnetic memory using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子(magnetoresistive element) 及びこれを用いた磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic memory using the same.
近年、電子のスピン自由度を利用したデバイス開発(スピンエレクトロニクス)の研究が精力的に行われている。強磁性体の状態密度は、アップ（↑）スピン及びダウン（↓）スピンを持つ電子についてそれぞれフェルミ面付近で分極している。 In recent years, research on device development (spin electronics) using spin freedom of electrons has been vigorously conducted. The density of states of the ferromagnet is polarized near the Fermi surface for electrons with up (↑) and down (↓) spins.
フェルミエネルギー付近の電子が伝導を担うことから，強磁性体内では伝導電子とスピンとが混成し、その電流がスピン分極(spin polarization)していると考えられる。このため、強磁性体をスピンのインジェクター(injector)とすれば、スピン自由度を利用した新機能デバイスの開発が期待される。 Since electrons in the vicinity of Fermi energy are responsible for conduction, conduction electrons and spins are mixed in ferromagnets, and the current is considered to be spin-polarized. Therefore, if a ferromagnet is used as a spin injector, the development of a new functional device utilizing the spin degree of freedom is expected.
製膜技術、微細加工技術の進歩によって、現在では、ナノマテリアルデザインが可能となった。ナノスケール領域では、強磁性体を有するハイブリット構造を人工的に作成することにより量子干渉効果が現れ、単独物質では観測できない物理現象が数多く観測されている。なかでも、磁気抵抗効果素子としてのMTJ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、強磁性膜、トンネルバリア膜、強磁性膜を基本構造とし、トンネル磁気抵抗効果（TMR:Tunneling Magnetoresistive）を示すことが知られており、100 MBT/int2級HDD用ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM：Magnetic Random Access Memory）に応用されている。 Nanomaterial design is now possible due to advances in film forming technology and microfabrication technology. In the nanoscale region, a quantum interference effect appears by artificially creating a hybrid structure having a ferromagnetic material, and many physical phenomena that cannot be observed with a single substance have been observed. In particular, MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements as magnetoresistive effect elements are known to have a tunneling magnetoresistive effect (TMR: Tunneling Magnetoresistive) with a ferromagnetic film, tunnel barrier film, and ferromagnetic film as the basic structure. It is applied to 100 MBT / int second grade HDD heads and magnetic random access memory (MRAM).
MRAMは、データをMTJ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化の相対角度の変化により“１”、“０”の状態を記憶するという特徴がある。このため不揮発である。また磁化反転速度は、数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、読み出しが可能である。従って、MRAMは、次世代の高速不揮発性メモリと期待されている。 The MRAM is characterized in that data is stored in a state of “1” or “0” by a change in the relative angle of magnetization of an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element. For this reason, it is non-volatile. Further, since the magnetization reversal speed is several nanoseconds, data can be written and read at high speed. Therefore, MRAM is expected to be a next-generation high-speed nonvolatile memory.
また、スピン電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる磁化反転方式を利用すれば、MRAMのセルサイズを低減することでスピン電流密度が増えるために容易に磁性体の磁化反転を実現でき、高密度低消費電力MRAMの構築も可能である。 In addition, if a magnetization reversal method called spin-injection magnetization reversal that controls magnetization by spin current is used, the spin current density increases by reducing the cell size of the MRAM, so that the magnetization reversal of the magnetic material can be easily realized. It is also possible to construct a high density and low power consumption MRAM.
さらに近年では、MgOをトンネルバリア膜に用いることで3000％もの磁気抵抗比(MR比)が得られることが理論的に示され、これが注目を集めている（例えば、非特許文献１，２参照）。
Furthermore, in recent years, it has been theoretically shown that a magnetoresistance ratio (MR ratio) as high as 3000% can be obtained by using MgO as a tunnel barrier film, and this has attracted attention (see, for example, Non-Patent
これは、MgOを(001)方向に配向成長させることにより、強磁性膜（磁化膜）から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導することが可能となり、巨大な磁気抵抗効果が発現されるためと考えられている。 This is because MgO is oriented and grown in the (001) direction, so that only electrons with a specific wave number can be selectively tunnel-conducted while preserving the wave number from the ferromagnetic film (magnetization film). This is thought to be due to the manifestation of the magnetoresistive effect.
この高出力MgOを用いてMTJ素子を構築することで、よりいっそう不揮発性磁気メモリの高密度化、消費電力の低減化が実現できると期待されている。 By constructing an MTJ element using this high-power MgO, it is expected that the density of the nonvolatile magnetic memory can be further increased and the power consumption can be reduced.
しかし、そのためには平坦な(001)配向のMgOを作製しなければならない。 However, for that purpose, flat (001) -oriented MgO must be produced.
MgOはNaCl型の結晶構造をとる。それぞれ、Mgは金属カチオン、Oはアニオンとから構成されるイオン結合である。一般に、原子価数の多い金属カチオンほど酸化性が強く、MgO結晶内においてMg2+イオンを取り巻くO2-イオンの配位数によりMgイオンの酸化度が変化する。 MgO has a NaCl-type crystal structure. In each case, Mg is a metal cation and O is an ionic bond composed of an anion. In general, the higher the valence metal cation, the stronger the oxidation, and the degree of oxidation of the Mg ion changes depending on the coordination number of the O 2− ions surrounding the Mg 2+ ion in the MgO crystal.
特にMgOの表面では、結晶面方向により配位数が異なる。（111）配向のMgO最表面ではMg2+は三つのO2-と配位しており、一方（001）配向のMgO最表面では五つの酸素イオンと配位している。従って、酸性強度の順番は、Mg2+ (111) > Mg2+ (001)となる。この結果は酸素アニオンでも同じである。Mg及びOの酸化点及び還元点としての相互作用のため、MgOの(111)面は、電気分極面として働くことになる。 Especially on the surface of MgO, the coordination number varies depending on the crystal plane direction. On the (111) -oriented MgO outermost surface, Mg 2+ is coordinated with three O 2− , while (001) -oriented MgO outermost surface is coordinated with five oxygen ions. Therefore, the order of the acid strength is Mg 2+ (111)> Mg 2+ (001). This result is the same for oxygen anions. Due to the interaction of Mg and O as oxidation and reduction points, the (111) face of MgO will act as an electrical polarization surface.
このように強磁性膜の最表面が正、又は負のいずれかの電位に分極している場合、電位を中性化するために、MgOは、強磁性膜の膜面に対してその法線方向に(111)配向して堆積される。 In this way, when the outermost surface of the ferromagnetic film is polarized to either a positive or negative potential, MgO is normal to the film surface of the ferromagnetic film in order to neutralize the potential. Deposited with (111) orientation in the direction.
ここで、(111)配向したMgOの最表面にMg（マグネシウム）が露出する場合、その最表面は強い酸化面として作用し、一方、O（酸素）が露出する場合、その最表面は強い塩基面として作用する。従って、この電気分極面を電気的に中和するために対向電位を有する分極面が交互に堆積される。また、このMgOの最表面は完全電気分局面であり不安定面であることから、MgOの堆積中に表面エネルギーを低減するために膜面から45°方向に(001)面が露出する。 Here, when Mg (magnesium) is exposed on the outermost surface of (111) -oriented MgO, the outermost surface acts as a strong oxidized surface, whereas when O (oxygen) is exposed, the outermost surface is a strong base. Acts as a surface. Therefore, in order to electrically neutralize the electric polarization surface, polarization surfaces having a counter potential are alternately deposited. Further, since the outermost surface of MgO is a completely electric phase and an unstable surface, the (001) plane is exposed in the 45 ° direction from the film surface in order to reduce the surface energy during the deposition of MgO.
このように、電荷補償を繰り返して電気的に安定に成長しようとするために、最終的には、強磁性膜の膜面に対してその法線方向に(111)配向し、かつ、凹凸の激しいトンネルバリア膜(MgO)が形成されてしまう。 Thus, in order to repeat the charge compensation and try to grow electrically stably, the (111) orientation in the normal direction with respect to the film surface of the ferromagnetic film is finally obtained, and the unevenness is A severe tunnel barrier film (MgO) is formed.
これらのことを鑑みると、巨大磁気抵抗効果を発現させるには、強磁性膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向した平坦なトンネルバリア膜(MgO)を成長させることが重要である。
本発明は、巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を提供する。 The present invention provides a magnetoresistive element that exhibits a giant magnetoresistive effect.
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二の磁性膜とを備え、第一の磁性膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、第一の磁性膜とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。 A magnetoresistive effect element according to an example of the present invention includes a first magnetic film, a tunnel barrier film on the first magnetic film, and a second magnetic film on the tunnel barrier film. Includes at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb, and the tunnel barrier film has a normal direction with respect to the interface between the first magnetic film and the tunnel barrier film. Have a (001) -oriented NaCl type crystal structure.
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上の電気陰性度調整層と、電気陰性度調整層上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二の磁性膜とを備え、電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、電気陰性度調整層とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。 A magnetoresistive effect element according to an example of the present invention includes a first magnetic film, an electronegativity adjusting layer on the first magnetic film, a tunnel barrier film on the electronegativity adjusting layer, and a tunnel barrier film. And the electronegativity adjusting layer includes at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb, and the tunnel barrier film includes the electronegativity adjusting layer. It has a NaCl-type crystal structure that is (001) -oriented in the normal direction with respect to the interface with the tunnel barrier film.
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上の第一のスピン分極膜と、第一のスピン分極膜上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二のスピン分極膜と、第二のスピン分極膜上の第二の磁性膜とを備え、第一のスピン分極膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、第一のスピン分極膜とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。 A magnetoresistive effect element according to an example of the present invention includes a first magnetic film, a first spin polarization film on the first magnetic film, a tunnel barrier film on the first spin polarization film, and a tunnel barrier film. The second spin-polarized film and the second magnetic film on the second spin-polarized film are provided, and the first spin-polarized film is selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb The tunnel barrier film has an NaCl type crystal structure that is (001) -oriented in the normal direction with respect to the interface between the first spin-polarized film and the tunnel barrier film.
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上の第一のスピン分極膜と、第一のスピン分極膜上の電気陰性度調整層と、電気陰性度調整層上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二のスピン分極膜と、第二のスピン分極膜上の第二の磁性膜とを備え、電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、電気陰性度調整層とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。 A magnetoresistive effect element according to an example of the present invention includes a first magnetic film, a first spin polarization film on the first magnetic film, an electronegativity adjustment layer on the first spin polarization film, A tunnel barrier film on the negativity adjustment layer, a second spin polarization film on the tunnel barrier film, and a second magnetic film on the second spin polarization film, and the electronegativity adjustment layer includes C, The tunnel barrier film includes at least one element selected from P, As, Sn, Sb, Te, and Pb, and the tunnel barrier film is (001) in the normal direction with respect to the interface between the electronegativity adjusting layer and the tunnel barrier film. It has an oriented NaCl type crystal structure.
本発明によれば、巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive element that exhibits a giant magnetoresistance effect.
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。 The best mode for carrying out an example of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
１． 概要
本発明は、磁気抵抗効果素子のトンネルバリア膜を、その直下の膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向させるための技術を提案する。
1. Overview
The present invention proposes a technique for orienting the tunnel barrier film of the magnetoresistive effect element in the normal direction to the film surface of the film immediately below the tunnel barrier film.
そのための第一の手段は、トンネルバリア膜の直下の磁性膜内に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を添加し、磁性膜を電気的に中性化する、というものである。 The first means for that purpose is to add at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb into the magnetic film immediately below the tunnel barrier film, and electrically connect the magnetic film. Neutralization.
第二の手段は、トンネルバリア膜と磁性膜との間に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含む電気陰性度調整層を形成し、トンネルバリア膜の下地を電気的に中性化する、というものである。 The second means forms an electronegativity adjustment layer containing at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb between the tunnel barrier film and the magnetic film, This is to electrically neutralize the base of the barrier film.
ここで、電気陰性度調整層は、磁性膜の一部であって、磁性膜とトンネルバリア膜との界面領域において上述の元素を有する場合を含む。 Here, the electronegativity adjusting layer is a part of the magnetic film, and includes a case where the above element is included in the interface region between the magnetic film and the tunnel barrier film.
第三の手段は、トンネルバリア膜の直下のスピン分極膜内に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を添加し、スピン分極膜を電気的に中性化する、というものである。 The third means is to add at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb into the spin-polarized film immediately below the tunnel barrier film to electrically Neutralization.
第四の手段は、トンネルバリア膜とスピン分極膜との間に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含む電気陰性度調整層を形成し、トンネルバリア膜の下地を電気的に中性化する、というものである。 The fourth means is to form an electronegativity adjustment layer containing at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb between the tunnel barrier film and the spin polarization film, This is to electrically neutralize the foundation of the tunnel barrier film.
ここで、電気陰性度調整層は、スピン分極膜の一部であって、スピン分極膜とトンネルバリア膜との界面領域において上述の元素を有する場合を含む。 Here, the electronegativity adjusting layer is a part of the spin-polarized film, and includes a case where the element described above is included in the interface region between the spin-polarized film and the tunnel barrier film.
これらの手段によれば、磁気抵抗効果素子のトンネルバリア膜を、その直下の膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向させることができるため、巨大磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗効果素子を提供できる。 According to these means, the tunnel barrier film of the magnetoresistive effect element can be (001) -oriented in the normal direction with respect to the film surface of the film immediately below, so that a magnet that exhibits a giant magnetoresistive effect can be obtained. A resistance effect element can be provided.
本発明の効果を得るためには、磁性膜及びスピン分極膜の添加元素の添加量は、１原子％以上、より好ましくは５原子％以上であることが望ましい。特に、スピン分極膜の場合には、添加元素の添加量は、１０原子％以上であることが望ましい。 In order to obtain the effect of the present invention, it is desirable that the additive amount of the additive element in the magnetic film and the spin polarization film is 1 atomic% or more, more preferably 5 atomic% or more. In particular, in the case of a spin-polarized film, the additive amount of the additive element is desirably 10 atomic% or more.
２． 実施の形態
(1) 定義
磁気抵抗効果素子の基本構造は、強磁性膜、トンネルバリア膜、強磁性膜のスタック構造である。また、トンネル磁気抵抗比(TMR比)を向上させるために、強磁性膜とトンネルバリア膜との間に高スピン分極膜を介在させることもある。
2. Embodiment
(1) Definition
The basic structure of the magnetoresistive effect element is a stack structure of a ferromagnetic film, a tunnel barrier film, and a ferromagnetic film. In order to improve the tunnel magnetoresistance ratio (TMR ratio), a high spin polarization film may be interposed between the ferromagnetic film and the tunnel barrier film.
ここで、強磁性膜とは、残留磁化が一定方向を向く磁気異方性を有する強磁性膜のことであり、垂直磁化膜と面内磁化膜とがある。 Here, the ferromagnetic film is a ferromagnetic film having magnetic anisotropy in which residual magnetization is directed in a certain direction, and includes a perpendicular magnetization film and an in-plane magnetization film.
垂直磁化膜は、残留磁化が膜面に対して垂直方向を向く垂直磁気異方性を有する強磁性膜のことである。面内磁化膜とは、残留磁化が膜面に対して水平方向を向く面内磁気異方性を有する強磁性膜のことである。 The perpendicular magnetization film is a ferromagnetic film having perpendicular magnetic anisotropy in which residual magnetization is oriented in a direction perpendicular to the film surface. The in-plane magnetization film is a ferromagnetic film having in-plane magnetic anisotropy in which residual magnetization is oriented in the horizontal direction with respect to the film surface.
垂直磁化膜は、例えば、3d遷移金属であるFe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含むL10規則合金である。また、面内磁化膜は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とから構成される合金である。磁気異方性の大きさはFe, Co, NiとPt或いはPdの割合に依存するので、それぞれの元素の添加量を調整することにより残留磁化の方向を制御することができる。 Perpendicular magnetization film is, for example, L1 0 ordered alloy containing at least one element of Fe, Co, Ni is a 3d transition metal, Pt, and at least one element of Pd. The in-plane magnetization film is an alloy composed of at least one element of Fe, Co, and Ni and at least one element of Pt and Pd. Since the magnitude of magnetic anisotropy depends on the ratio of Fe, Co, Ni and Pt or Pd, the direction of remanent magnetization can be controlled by adjusting the amount of each element added.
高スピン分極膜とは、スピン分極率が大きい強磁性膜のことである。高スピン分極膜は、例えば、3d遷移金属であるFe, Co, Niの少なくとも一つの元素から構成される。スピン分極率は、フェルミ面近傍におけるマジョリティー電子数とマイノリティー電子数の差を全電子数で割った比率で定義される。 A high spin polarization film is a ferromagnetic film having a high spin polarizability. The high spin polarization film is composed of, for example, at least one element of Fe, Co, and Ni that are 3d transition metals. The spin polarizability is defined as a ratio obtained by dividing the difference between the number of majority electrons and the number of minority electrons near the Fermi surface by the total number of electrons.
電気陰性度調整層はＣ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂの中から選択される層であり、膜厚は一原子層から5Ａ（オングストローム。以下同じ。）の範囲にある。前記元素の一原子層の膜厚はそれぞれCが1.4Ａ、Alが2.5Ａ、Pが2Ａ、Asが2.3Ａ、Snが2.8Ａ、Sbが2.9Ａ、Teが2.8Ａ、Pbが3.6Ａである。 The electronegativity adjusting layer is a layer selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb, and has a film thickness in the range of one atomic layer to 5 A (angstrom, the same applies hereinafter). The atomic layer thickness of the element is 1.4A for Al, 2.5A for Al, 2A for P, 2.3A for As, 2.8A for Sn, 2.9A for Sb, 2.8A for Te, 2.8A for Te, and 3.6A for Pb. is there.
以下では、強磁性膜及び高スピン分極膜をそれぞれ単に磁性膜及びスピン分極膜と称することにする。 Hereinafter, the ferromagnetic film and the high spin polarization film are simply referred to as a magnetic film and a spin polarization film, respectively.
(2) 原理
異なる材料同士を接触させると、電気陰性度が大きい材料に電子が引き付けられるためその界面に電位勾配が生じて電子の流れが発生する。従って、電子を供給した一方の材料内では電子欠乏状態になるので実効的に陽イオン化する（ガルバニック効果）。また、電気陰性度の差が大きいほうが電子の偏りが大きく、そのため、イオン結合性がより顕著に現れるので結合力が強くなると考えられる。電気陰性度の値の大小関係はO（酸素）＞Pd（パラジウム）〜Pt（プラチナ＞Fe（鉄）〜Co（コバルト）〜Ni（ニッケル）＞Mg（マグネシウム）である。
(2) Principle
When different materials are brought into contact with each other, electrons are attracted to a material having a high electronegativity, so that a potential gradient is generated at the interface and an electron flow is generated. Therefore, in one material to which electrons are supplied, an electron-deficient state is obtained, so that the material is effectively cationized (galvanic effect). In addition, the larger the difference in electronegativity, the larger the bias of electrons, and thus the ionic bond appears more remarkably, so the binding force is considered to be stronger. The magnitude relationship between the values of electronegativity is O (oxygen)> Pd (palladium) to Pt (platinum> Fe (iron) to Co (cobalt) to Ni (nickel)> Mg (magnesium).
磁性膜を構成する白金族は、高い電気陰性度を有する。従って、これと接する金属の電子分布は、磁性膜に引き付けられ、さらにはスピン分極膜を用いる場合には、スピン分極膜の表面も電子欠乏状態が維持される。 The platinum group constituting the magnetic film has a high electronegativity. Therefore, the electron distribution of the metal in contact therewith is attracted to the magnetic film, and when a spin-polarized film is used, the surface of the spin-polarized film is also maintained in an electron-deficient state.
一般に、スパッタ法によりMgOを形成する場合、MgとOは或る確率でそれぞれMg陽イオン、O陰イオンに乖離することが予想されている。したがって、もし磁性体の表面が陽イオン化していた場合、その電位を中和させるためにOが優先的に磁性体表面に吸着し単原子層が形成される。 In general, when MgO is formed by sputtering, it is expected that Mg and O will be separated into Mg cations and O anions, respectively, with a certain probability. Therefore, if the surface of the magnetic material is cationized, O is preferentially adsorbed on the surface of the magnetic material to form a monoatomic layer in order to neutralize the potential.
このような同一原子で構成された単原子層は、磁性膜上に形成するMgOを、磁性膜の膜面に対してその法線方向に(111)配向する結晶構造にする原因となる。 Such a monoatomic layer composed of the same atoms causes MgO formed on the magnetic film to have a (111) -oriented crystal structure in the direction normal to the film surface of the magnetic film.
尚、単原子膜とは、原子(ex MgやO)１個分の厚さを有する層のことである。 Note that the monoatomic film is a layer having a thickness of one atom (ex Mg or O).
更に、(111)配向したMgOの膜面は完全電気分極面である。従って、MgO堆積時に、その最上面にMg（マグネシウム）が露出した場合、その最上面は強い酸化面（＋）として作用し、一方、O（酸素）が露出した場合、その最上面は強い塩基面（−）となる。 Furthermore, the (111) -oriented MgO film surface is a completely electric polarization surface. Therefore, if Mg (magnesium) is exposed on the top surface during MgO deposition, the top surface acts as a strong oxidation surface (+), while if O (oxygen) is exposed, the top surface is a strong base. It becomes a surface (-).
この場合、最上面に露出した電気分極面を電気的に中和するために、MgOの結晶構造は、対向電位を有する分極面が交互に積み重なる構造になる。また、MgO堆積中に表面エネルギーを低減するために、MgOは、磁性膜の膜面に対して傾いた方向に(001)面が露出する。 In this case, in order to electrically neutralize the electric polarization surface exposed on the uppermost surface, the MgO crystal structure has a structure in which polarization surfaces having opposing potentials are alternately stacked. Further, in order to reduce the surface energy during MgO deposition, the (001) plane of MgO is exposed in a direction inclined with respect to the film surface of the magnetic film.
このように、電荷補償を繰り返しながら、電気的・熱力学的に最も低いエネルギー過程を通って結晶成長するために、MgOは、(111)方向に優先的に配向し、かつ、凹凸の激しい膜となってしまう。 In this way, MgO is preferentially oriented in the (111) direction and is a highly uneven film in order to grow crystals through the lowest electrical and thermodynamic energy processes while repeating charge compensation. End up.
白金族の高い電気陰性度（具体的な数値）は、金属原子の3d不対電子が起源と考えられる。 The high electronegativity (specific values) of the platinum group is thought to originate from the 3d unpaired electron of the metal atom.
従って、磁性膜内に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂなどの元素を添加し、金属原子に対する組成比及び添加元素を適切に選択すれば、L10金属内のd電子の空孔への電子移動量を制御でき、その結果、金属原子のd電子密度も制御可能になる。 Therefore, in the magnetic film, C, P, As, Sn , Sb, Te, adding an element such as Pb, by appropriately selecting the composition ratio and the additive element to the metal atom, the d electrons L1 0 in the metal The amount of electron transfer to the vacancies can be controlled, and as a result, the d electron density of metal atoms can also be controlled.
このようにして、磁性膜の標準電位を中和することで、図７に示すように、トンネルバリア膜としてのMgO堆積時に、まず、非分極面となる単原子膜を磁性膜上に結晶成長させることができる。これにより、MgOは、磁性膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長することになる。 By neutralizing the standard potential of the magnetic film in this way, as shown in FIG. 7, when depositing MgO as a tunnel barrier film, a monoatomic film that becomes a non-polarized surface is first grown on the magnetic film. Can be made. As a result, MgO grows with (001) orientation in the normal direction to the film surface of the magnetic film.
また、スピン分極膜を用いる場合には、同様に、スピン分極膜内に上述の元素を添加することにより、スピン分極膜の電子欠乏状態を補い、その標準電位を等電位化することができる。これにより、トンネルバリア膜としてのMgOは、スピン分極膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長することになる。 In the case of using a spin-polarized film, similarly, by adding the above-mentioned elements in the spin-polarized film, the electron-deficient state of the spin-polarized film can be compensated and its standard potential can be made equipotential. As a result, MgO as the tunnel barrier film grows with (001) orientation in the normal direction to the film surface of the spin-polarized film.
さらに、磁性膜上に上述の元素を含む電気陰性度調整層を形成し、電気陰性度調整層上にMgOを結晶成長させる場合、及び、スピン分極膜上に上述の元素を含む電気陰性度調整層を形成し、電気陰性度調整層上にMgOを結晶成長させる場合の双方についても、同様に、トンネルバリア膜としてのMgOをその下地である電気陰性度調整層の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長させることができる。 Furthermore, when an electronegativity adjustment layer containing the above-mentioned element is formed on the magnetic film, and MgO crystal is grown on the electronegativity adjustment layer, and the electronegativity adjustment containing the above-mentioned element on the spin polarization film In both cases of forming a layer and growing MgO on the electronegativity adjustment layer, similarly, MgO as a tunnel barrier film is applied to the film surface of the electronegativity adjustment layer which is the base. It can be grown with (001) orientation in the line direction.
なお、トンネルバリア膜としては、MgOに限らず、例えば、NaCl型結晶構造を有するNaCl,CaO,BaOなどを用いてもよく、巨大磁気抵抗効果を発現させることができる。 The tunnel barrier film is not limited to MgO, and for example, NaCl, CaO, BaO having a NaCl-type crystal structure may be used, and a giant magnetoresistance effect can be exhibited.
(3) 基本構造
磁気抵抗効果素子の基本構造を説明する。
(3) Basic structure
The basic structure of the magnetoresistive element will be described.
A. 第一の基本構造
第一の基本構造は、概要の第一の手段に相当する。
A. First basic structure
The first basic structure corresponds to the first means of the outline.
図１は、磁気抵抗効果素子の第一の基本構造を示している。 FIG. 1 shows a first basic structure of a magnetoresistive effect element.
第一の磁性膜１０上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二の磁性膜１６が形成される。第一及び第二の磁性膜１０，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド(pinned)層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー(free)層となる。
A
第一の磁性膜１０は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含み、かつ、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
The first
第一の磁性膜１０は、例えば、(FexCo(100-x)PtyPd(100-y))100-z(X1)zである。
The first
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表し、X1は、上述のグループから選択される少なくとも一つの元素である。 However, x and y represent composition ratios (0 ≦ x ≦ 100, 0 ≦ y ≦ 100), and X1 is at least one element selected from the above group.
第二の磁性膜１０は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。
The second
第二の磁性膜１６は、例えば、(FexCo(100-x)PtyPd(100-y))100-z(X1)zである。
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
The second
However, x and y represent composition ratios (0 ≦ x ≦ 100, 0 ≦ y ≦ 100).
また、ｚの範囲は、0<ｚ<100とし、zの値は、添加元素が1原子％以上、より好ましくは5原子％以上、30原子％以下となる数値にするのが望ましい。 Further, the range of z is 0 <z <100, and the value of z is desirably a numerical value such that the additive element is 1 atomic% or more, more preferably 5 atomic% or more and 30 atomic% or less.
トンネル磁気抵抗比は、近似的にはジュリーレの式によって決まり、その値は、トンネルバリア膜１４に接する第一及び第二の磁性膜１０，１６のスピン分極率が高いほど大きな値となる。
The tunnel magnetoresistance ratio is approximately determined by the Juliere's equation, and the value increases as the spin polarizabilities of the first and second
尚、磁気抵抗効果素子の規格抵抗値が1000 Ωμm2以下である場合には、トンネルバリア膜１４の厚さは、0.5〜2 nmの範囲内の値とする。
When the standard resistance value of the magnetoresistive element is 1000 Ωμm 2 or less, the thickness of the
トンネルバリア膜１４は、第一の磁性膜１０を下地として形成される。
The
トンネルバリア膜１４をMgOとする場合には、トンネルバリア膜１４は、MgOターゲットを用いて、希ガス（Ar（アルゴン）、Ne（ネオン）、Kr（クリプトン）、又は、Xe（キセノン））雰囲気内でのスパッタ法により形成するか、又は、Mgターゲットを用いて、O2雰囲気内での酸化反応性スパッタ法により形成する。
When the
その他、Mg膜を成膜した後に、純酸素、酸素ラジカル、酸素イオン、又は、オゾンにより酸化することでMgOを形成してもよい。また、分子線エピタキシー法によりMgOをエピタキシャル成長させることもできる。 Alternatively, MgO may be formed by oxidizing with pure oxygen, oxygen radicals, oxygen ions, or ozone after forming the Mg film. Also, MgO can be epitaxially grown by molecular beam epitaxy.
第一及び第二の磁性膜１０，１６の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
A method of forming the first and second
B. 第二の基本構造
第二の基本構造は、概要の第二の手段に相当する。
B. Second basic structure
The second basic structure corresponds to the second means in the outline.
図２は、磁気抵抗効果素子の第二の基本構造を示している。 FIG. 2 shows a second basic structure of the magnetoresistive effect element.
第二の基本構造は、第一の基本構造と比べると、さらに電気陰性度調整層１３が付加されている点に特徴を有する。
The second basic structure is characterized in that an
第一の磁性膜１１上には電気陰性度調整層１３が形成され、電気陰性度調整層１３上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二の磁性膜１６が形成される。第一及び第二の磁性膜１１，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー層となる。
An
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。
The first and second
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、例えば、FexCo(100-x)PtyPd(100-y)である。
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
The first and second
However, x and y represent composition ratios (0 ≦ x ≦ 100, 0 ≦ y ≦ 100).
電気陰性度調整層１３は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
The
電気陰性度調整層１３は、できるだけ薄いほうがトンネル磁気抵抗比の向上には好ましいため、その厚さは、例えば、上述の元素の数原子層分の厚さ以下の厚さ（例えば一原子層分の厚さ）とする。即ち、電気陰性度調整層１３は、単原子膜とするのがよい。
Since the
ここで、電気陰性度調整層１３は、磁性膜１１の一部であって、磁性膜１１とトンネルバリア膜１４との界面領域において上記グループから選択される上記元素を有する場合を含む。
Here, the
具体的には、図３に示すように、磁性膜１１とトンネルバリア膜１４との界面領域において、磁性膜１１が上述の元素を含むエリア１３’を有している場合も第二の基本構造に含まれる。
Specifically, as shown in FIG. 3, even when the
エリア１３’は、例えば、磁性膜１１上に上述の元素から構成される電気陰性度調整層を形成し、その後、熱処理により、磁性膜１１内の元素と電気陰性度調整層内の元素とを相互拡散させることにより形成できる。
In the
この場合、電気陰性度調整層の元素と磁性膜１１の3d遷移金属との結合が形成され、磁性膜１１の膜面（上面）の標準電位が中性化される。
In this case, a bond between the element of the electronegativity adjusting layer and the 3d transition metal of the
トンネルバリア膜１４は、エリア１３’を下地として形成される。
トンネルバリア膜１４の厚さ及び形成方法については、第一の基本構造で説明した場合と同じであるので、ここではその説明を省略する。
The
Since the thickness and the formation method of the
第一及び第二の磁性膜１１，１６の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
A method of forming the first and second
C. 第三の基本構造
第三の基本構造は、概要の第三の手段に相当する。
C. Third basic structure
The third basic structure corresponds to the third means of the outline.
図４は、磁気抵抗効果素子の第三の基本構造を示している。 FIG. 4 shows a third basic structure of the magnetoresistive effect element.
第三の基本構造は、第一の基本構造と比べると、スピン分極膜１２，１５が付加されている点に特徴を有する。
The third basic structure is characterized in that spin-polarized
第一の磁性膜１１上には第一のスピン分極膜１２が形成され、第一のスピン分極膜１２上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二のスピン分極膜１５が形成され、第二のスピン分極膜１５上には第二の磁性膜１６が形成される。
A first
第一及び第二の磁性膜１１，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー層となる。
One of the first and second
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。
The first and second
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、例えば、FexCo(100-x)PtyPd(100-y)である。
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
The first and second
However, x and y represent composition ratios (0 ≦ x ≦ 100, 0 ≦ y ≦ 100).
第一のスピン分極膜１２は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素を含み、かつ、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
The first
第一のスピン分極膜１２は、例えば、(FexCo(100-x))(100-z)(X1)zである。
The first spin-polarized
但し、xは組成比(0≦x≦100)を表し、X1は、上述のグループから選択される少なくとも一つの元素である。 However, x represents a composition ratio (0 ≦ x ≦ 100), and X1 is at least one element selected from the above group.
また、ｚの範囲は、0<ｚ<100とし、zの値は、添加元素が1原子％以上、より好ましくは5原子％以上、さらに好ましくは10原子％以上、30原子％以下となる数値にするのが望ましい。 Further, the range of z is 0 <z <100, and the value of z is a numerical value such that the additive element is 1 atomic% or more, more preferably 5 atomic% or more, further preferably 10 atomic% or more and 30 atomic% or less. It is desirable to make it.
第二のスピン分極膜１５は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素を含む。
The second
第二のスピン分極膜１５は、例えば、FexCo(100-x)である。
The second
但し、xは組成比(0≦x≦100)を表す。 However, x represents a composition ratio (0 ≦ x ≦ 100).
トンネル磁気抵抗比は、近似的にはジュリーレの式によって決まり、その値は、トンネルバリア膜１４に接する第一及び第二のスピン分極膜１２，１５のスピン分極率によって決まる。
The tunnel magnetoresistance ratio is approximately determined by the Juliere's equation, and the value is determined by the spin polarizabilities of the first and second
第一及び第二のスピン分極膜１２，１５のスピン分極率は、第一及び第二の磁性膜１１，１６のスピン分極率よりも大きいため、第三の基本構造では、第一の基本構造よりも大きなトンネル磁気抵抗比を得ることができる。
Since the spin polarizabilities of the first and second
尚、第一及び第二のスピン分極膜１２，１５の厚さは、3nm以下であるのが好ましい。
The first and second
トンネルバリア膜１４は、第一のスピン分極膜１２を下地として形成される。
The
トンネルバリア膜１４の厚さ及び形成方法については、第一の基本構造で説明した場合と同じであるので、ここではその説明を省略する。
Since the thickness and the formation method of the
第一及び第二の磁性膜１１，１６及び第一及び第二のスピン分極膜１２，１５の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
A method of forming the first and second
D. 第四の基本構造
第四の基本構造は、概要の第四の手段に相当する。
D. Fourth basic structure
The fourth basic structure corresponds to the fourth means in the outline.
図５は、磁気抵抗効果素子の第四の基本構造を示している。 FIG. 5 shows a fourth basic structure of the magnetoresistive effect element.
第四の基本構造は、第一の基本構造と比べると、さらに、電気陰性度調整層１３と、第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５とが付加されている点に特徴を有する。
The fourth basic structure is characterized in that an
第一の磁性膜１１上には第一のスピン分極膜１２’が形成され、第一のスピン分極膜１２’上には電気陰性度調整層１３が形成され、電気陰性度調整層１３上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二のスピン分極膜１５が形成され、第二のスピン分極膜１５上には第二の磁性膜１６が形成される。
A first
第一及び第二の磁性膜１１，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー層となる。
One of the first and second
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。第一及び第二の磁性膜１１，１６は、例えば、FexCo(100-x)PtyPd(100-y)である。但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
The first and second
第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素を含む。第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５は、例えば、FexCo(100-x)である。但し、xは組成比(0≦x≦100)を表す。
The first and second
電気陰性度調整層１３は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
The
電気陰性度調整層１３は、できるだけ薄いほうがトンネル磁気抵抗比の向上には好ましいため、その厚さは、例えば、上述の元素の数原子層分の厚さ以下の厚さ（例えば一原子層分の厚さ）とする。即ち、電気陰性度調整層１３は、単原子膜とするのがよい。
Since the
ここで、電気陰性度調整層１３は、スピン分極膜１２’の一部であって、スピン分極膜１２’とトンネルバリア膜１４との界面領域において上記グループから選択される元素を有する場合を含む。
Here, the
具体的には、図６に示すように、スピン分極膜１２’とトンネルバリア膜１４との界面領域において、スピン分極膜１２’が上述の元素を含むエリア１３’を有している場合も第四の基本構造に含まれる。
Specifically, as shown in FIG. 6, in the interface region between the
エリア１３’は、例えば、スピン分極膜１２’上に上述の元素から構成される電気陰性度調整層を形成し、その後、熱処理により、スピン分極膜１２’内の元素と電気陰性度調整層内の元素とを相互拡散させることにより形成できる。
In the
この場合、電気陰性度調整層の元素とスピン分極膜１２’の3d遷移金属との結合が形成され、スピン分極膜１２’の膜面（上面）の標準電位が中性化される。 In this case, a bond between the element of the electronegativity adjusting layer and the 3d transition metal of the spin polarization film 12 'is formed, and the standard potential of the film surface (upper surface) of the spin polarization film 12' is neutralized.
トンネル磁気抵抗比は、近似的にはジュリーレの式によって決まり、その値は、トンネルバリア膜１４に接する第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５のスピン分極率によって決まる。
The tunnel magnetoresistance ratio is approximately determined by the Juliere's equation, and the value is determined by the spin polarizabilities of the first and second
第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５のスピン分極率は、第一及び第二の磁性膜１１，１６のスピン分極率よりも大きいため、第四の基本構造でも、第三の基本構造と同様に、第一の基本構造よりも大きなトンネル磁気抵抗比を得ることができる。
Since the spin polarizabilities of the first and second spin-polarized
尚、第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５の厚さは、3nm以下であるのが好ましい。
The first and second spin-polarized
トンネルバリア膜１４は、エリア１３’を下地として形成される。
The
トンネルバリア膜１４の厚さ及び形成方法については、第一の基本構造で説明した場合と同じであるので、ここではその説明を省略する。
Since the thickness and the formation method of the
第一及び第二の磁性膜１１，１６及び第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
A method of forming the first and second
(4) 材料
A. 磁性膜に用いられる材料
磁性膜の代表例は、Pt（プラチナ）、Pd（パラジウム）などの白金族と3d遷移金属であるFe(鉄)、Co(コバルト)とより成る合金（FexCo(100-x)）50(PtyPd(100-y))50である。
(4) Material
A. Representative examples of the material magnetic film used for the magnetic film, Pt (platinum), Pd (palladium) Fe (iron) is a platinum group metal and 3d transition metal such as, Co (cobalt) and more made alloy (Fe x Co (100-x)) 50 (Pt y Pd (100-y)) is 50.
これは、高い磁気異方性を有する強磁性膜である。さらに、製膜条件を最適化することにより、白金族と3d遷移金属の結晶サイトが規則化され、L10規則合金が得られる。この材料は、106〜107 erg/ccの高い磁気異方性を有し、膜面に対して法線方向に磁化する垂直磁気異方性を示す。 This is a ferromagnetic film having high magnetic anisotropy. Furthermore, by optimizing the deposition conditions, the platinum group metal and 3d transition metal crystal sites are ordered, L1 0 ordered alloy is obtained. This material has a high magnetic anisotropy of 10 6 to 10 7 erg / cc, and exhibits a perpendicular magnetic anisotropy that is magnetized in the normal direction to the film surface.
スピン注入による磁化反転方式において、書き込みに要する電流値を低減するには、垂直磁化膜の磁化反転の際の摩擦力に対応する物理量であるダンピング定数を低減化することが必要である。一般に、ダンピング定数は、物質のスピン-軌道相互作用の大きさに依存すると考えられている。 In the magnetization reversal method by spin injection, in order to reduce the current value required for writing, it is necessary to reduce the damping constant which is a physical quantity corresponding to the frictional force at the time of the magnetization reversal of the perpendicular magnetization film. In general, the damping constant is considered to depend on the magnitude of the spin-orbit interaction of matter.
従って、ここでは、Pd（パラジウム）とPt（プラチナ）の組成比を変化させ、ダンピング定数の低減化を図っている。また、FeとCoの組成比を変化させることにより、スピン分極率が最適化された垂直磁化膜の構築を図っている。 Therefore, here, the composition ratio of Pd (palladium) and Pt (platinum) is changed to reduce the damping constant. In addition, by changing the composition ratio of Fe and Co, we are trying to construct a perpendicular magnetization film with optimized spin polarizability.
また、Ｐａｕｌｉｎｇの電気陰性度の値によればPt（プラチナ）、Pd（パラジウム）の電気陰性度はおよそ2.2に対して典型的なスピン分極磁性膜であるFeの電気陰性度は1.8である。このため、L10合金を構成する白金族とスピン分極磁性膜Feを接触させると電位差が生じFe表面は正に帯電してしまう。電気陰性度の値の順位は、C（カーボン）2.5 ＞Se（セレン）2.4 ＞Pd（パラジウム）2.2〜Pt（プラチナ）2.2〜P（リン）2.1〜Te（テルル）2.1＞B（ボロン）2.0〜As（ヒ素）2.0＞Sb（アンチモン）1.9〜Bi（ビスマス）1,9 ＞Si（シリコン）1.8〜Ge（ゲルマニウム）1.8〜Sn（スズ）1.8である。 According to Pauling's electronegativity value, the electronegativity of Pt (platinum) and Pd (palladium) is about 2.2, whereas the electronegativity of Fe, which is a typical spin-polarized magnetic film, is 1.8. Therefore, Fe surface potential difference occurs is brought into contact with the platinum group and the spin polarization magnetic layer Fe constituting the L1 0 alloys become positively charged. The order of the value of electronegativity is as follows: C (carbon) 2.5> Se (selenium) 2.4> Pd (palladium) 2.2 to Pt (platinum) 2.2 to P (phosphorus) 2.1 to Te (tellurium) 2.1> B (boron) 2.0 As (arsenic) 2.0> Sb (antimony) 1.9 to Bi (bismuth) 1,9> Si (silicon) 1.8 to Ge (germanium) 1.8 to Sn (tin) 1.8.
したがって、もし磁性膜を構成する白金族原子に対して電気陰性度が大きいC, Seを添加した場合、電子はこれらの添加元素側に移動し、白金族のd電子空孔密度が増加し、より電子欠乏性が増す。これに対して、電気陰性度が小さい元素であるB, Si, Geなどを添加した場合、電子は白金族側に移動するために白金族のd電子の空孔密度が減少し電子欠乏性は抑制される。 Therefore, if C, Se, which has a large electronegativity with respect to the platinum group atoms constituting the magnetic film, is added, electrons move to these additive elements, and the d electron vacancy density of the platinum group increases, More electron deficiency. In contrast, when B, Si, Ge, etc., which are elements with low electronegativity, are added, the electrons move to the platinum group side, so the vacancy density of the platinum group d electrons decreases and the electron deficiency is It is suppressed.
例えば、合金の電気陰性度が単純希釈により決まると仮定しFePtの電気陰性度を近似的に見積もると2.0となる。ここでFePtに対してSiを50atom%添加すると(FePt)50Si50の電気陰性度は1.9と低減するので。MgO製膜時に問題となる下地層の帯電効果を大きく抑制することが可能となり、MgOバリアの(001)高配向化が促進される。 For example, assuming that the electronegativity of the alloy is determined by simple dilution, the electronegativity of FePt is approximately estimated to be 2.0. Here, when Si is added to FePt by 50 atom%, the electronegativity of (FePt) 50 Si 50 is reduced to 1.9. It becomes possible to greatly suppress the charging effect of the underlayer, which becomes a problem during MgO film formation, and the (001) high orientation of the MgO barrier is promoted.
このように (FexCo(100-x)PtyPd(100-y))100-z(X1)zはMgO(001)トンネルバリアの下地層に適した磁性層である。 Thus, (Fe x Co (100-x) Pt y Pd (100-y) ) 100-z (X1) z is a magnetic layer suitable for the underlayer of the MgO (001) tunnel barrier.
但し、x, y及びzは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表し、X1は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素である。 However, x, y, and z represent composition ratios (0 ≦ x ≦ 100, 0 ≦ y ≦ 100), and X1 is at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb It is.
また、ｚの範囲は、0<ｚ<100とし、zの値は、添加元素が1原子％以上、より好ましくは5原子％以上、30原子％以下となる数値にするのが望ましい。 Further, the range of z is 0 <z <100, and the value of z is desirably a numerical value such that the additive element is 1 atomic% or more, more preferably 5 atomic% or more and 30 atomic% or less.
また、磁性膜に上述した元素を添加した場合、垂直磁化膜内で当該元素がアモルファスの生成を促進するために空間的に均一なアモルファス膜が形成され、膜のモフォロジーが改善される。 Further, when the above-described element is added to the magnetic film, a spatially uniform amorphous film is formed because the element promotes the generation of amorphous in the perpendicular magnetization film, and the film morphology is improved.
特に、アモルファスは、極めて平坦な表面を有するので、平坦かつ高配向なMgOを形成するには最適な下地の結晶構造であるといえる。 In particular, since amorphous has a very flat surface, it can be said that it is an optimum crystal structure of a base for forming flat and highly oriented MgO.
但し、上記添加元素をメタロイドとして作用させ、磁性膜を安定的にアモルファス化させるためには、当該元素の添加量は10 atom％を下限とすることが必要である。 However, in order to cause the additive element to act as a metalloid and to stably amorphize the magnetic film, the additive amount of the element needs to be 10 atom% as a lower limit.
一方で、上記元素の添加量を増やすことにより磁性膜のキュリー温度及び飽和磁化が減少し、約50％の添加量で磁気特性が急峻に劣化する。 On the other hand, the Curie temperature and saturation magnetization of the magnetic film are decreased by increasing the amount of the element added, and the magnetic characteristics are rapidly deteriorated at an amount of about 50%.
従って、上記元素の添加量は、磁性膜における3d遷移金属元素に対する組成比の上限を50 atom％とする。 Therefore, the upper limit of the composition ratio of the element to the 3d transition metal element in the magnetic film is 50 atom%.
磁性膜の製膜法は、真空蒸着法又はスパッタ法である。 The method for forming the magnetic film is a vacuum evaporation method or a sputtering method.
真空蒸着法で製膜する場合、湯壷に個々の金属、添加元素材料を配置し同時に加熱する。その際、個々の元素の蒸気圧を考慮に入れ、蒸着速度を調整することにより所望の組成比を有する磁性膜を形成できる。必要に応じて、堆積する磁性膜の組成比を考慮した合金を用意し、これを蒸着することでも磁性膜の形成は可能である。 In the case of forming a film by vacuum deposition, individual metals and additive element materials are placed in a hot water bath and heated simultaneously. At that time, a magnetic film having a desired composition ratio can be formed by adjusting the vapor deposition rate in consideration of the vapor pressure of each element. The magnetic film can also be formed by preparing an alloy in consideration of the composition ratio of the magnetic film to be deposited and vapor-depositing the alloy if necessary.
スパッタ法で製膜する場合、個々の金属、添加元素材料のターゲットを用意し、Ar(アルゴン）ガス雰囲気内でDC又はRF電力を投入し、プラズマを生成する。高電圧により電離されたArガスが、高い運動エネルギーを持ってターゲット表面に入射するために、ターゲットを構成する原子は弾き飛ばされ、その結果、磁性膜が形成される。 When forming a film by sputtering, a target for each metal and additive element material is prepared, and DC or RF power is supplied in an Ar (argon) gas atmosphere to generate plasma. Since Ar gas ionized by a high voltage is incident on the target surface with high kinetic energy, atoms constituting the target are blown off, and as a result, a magnetic film is formed.
その際、個々の元素のスパッタ速度を調整することにより所望の組成比を有する磁性膜を形成できる。必要に応じて、堆積する磁性膜の組成比を考慮した合金ターゲットを用意し、これをスパッタすることでも磁性膜の形成は可能である。 At that time, a magnetic film having a desired composition ratio can be formed by adjusting the sputtering rate of each element. The magnetic film can also be formed by preparing an alloy target in consideration of the composition ratio of the magnetic film to be deposited and sputtering it as necessary.
スパッタ法で薄膜を堆積する場合、薄膜内にスパッタガスが捕獲されて薄膜の磁気特性及び伝導特性が劣化することがある。これを防ぐために、場合によっては、Kr（クリプトン）、Xe（キセノン）をスパッタガスとして用いる。 When a thin film is deposited by sputtering, sputtering gas may be trapped in the thin film and the magnetic and conductive characteristics of the thin film may be degraded. In order to prevent this, Kr (krypton) or Xe (xenon) is used as a sputtering gas in some cases.
B. スピン分極膜に用いられる材料
低抵抗及び高TMR比のMTJ膜の開発には、トンネルバリア膜として、膜厚 1 nm以下で高配向のMgOを形成することが必要である。そのためにMgOの下地となるスピン分極膜の平坦化が重要となる。従って、上述した元素の添加によるスピン分極膜のアモルファス化は欠かせない。
B. Materials used for spin-polarized films To develop MTJ films with low resistance and high TMR ratio, it is necessary to form highly oriented MgO with a thickness of 1 nm or less as a tunnel barrier film. Therefore, it is important to flatten the spin-polarized film that is the base of MgO. Therefore, it is indispensable to make the spin-polarized film amorphous by adding the above-described elements.
スピン分極膜の代表例は、FeCoNi合金である。FeCoNi合金は、高いスピン分極率を示すのでトンネル磁気抵抗比の向上には適した材料である。FeCoNi合金を安定にアモルファス化するためにこれに10atom％を下限として元素X1を添加するのが望ましい。但し、X1は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素である。 A representative example of the spin polarization film is an FeCoNi alloy. FeCoNi alloy is a material suitable for improving the tunnel magnetoresistance ratio because it exhibits a high spin polarizability. In order to stably amorphize the FeCoNi alloy, it is desirable to add the element X1 to the lower limit of 10 atom%. X1 is at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb.
これによりBernal構造と呼ばれる多面体が形成され、添加された元素がBernal空隙（site）に配されることで多面体構造が安定化し、原子オーダーで一様かつ平坦なアモルファス強磁性膜が形成される。 As a result, a polyhedron called a Bernal structure is formed, and the added polyhedral structure is stabilized by arranging the added element in the Bernal void (site), and a uniform and flat amorphous ferromagnetic film on the atomic order is formed.
しかし、FeCoNi合金がアモルファスのままでは、MgOとFeCoNi合金との界面に、格子不整合のみならず格子欠陥が多数存在することになる。これらが電子の散乱体となってスピン伝導を妨げるために大きなトンネル磁気抵抗比が得られない。 However, if the FeCoNi alloy is amorphous, many lattice defects as well as lattice mismatches exist at the interface between MgO and FeCoNi alloy. Since these become electron scatterers and prevent spin conduction, a large tunnel magnetoresistance ratio cannot be obtained.
そこで、素子作成後に熱処理を加えて、アモルファス化されたFeCoNi合金を結晶化する。具体的には、CoFeNiは、その膜面に対して法線方向に(001)配向した体心立方構造となる。その結果、MgOとCoFeNiとの格子ミスマッチが小さくなる。 Therefore, heat treatment is applied after the device is created to crystallize the amorphous FeCoNi alloy. Specifically, CoFeNi has a body-centered cubic structure that is (001) -oriented in the direction normal to the film surface. As a result, the lattice mismatch between MgO and CoFeNi is reduced.
また、元素X1を適宜に選択し、MTJ素子を形成後、又は、スピン分極膜を形成後に、500℃を上限として熱処理を行うことにより元素X1を、白金族を含む磁気異方性膜に拡散させる。 In addition, after the element X1 is appropriately selected and the MTJ element is formed or the spin-polarized film is formed, the element X1 is diffused into the magnetic anisotropic film containing the platinum group by performing heat treatment up to 500 ° C. Let
これにより白金族の電気陰性度が小さくなるので、これと接するスピン分極膜間の電位勾配は低減され、トンネルバリア膜としてのMgOをスピン分極膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長させることができる。 This reduces the electronegativity of the platinum group, so the potential gradient between the spin-polarized films in contact therewith is reduced, and MgO as the tunnel barrier film is (001 in the normal direction to the film surface of the spin-polarized film. ) Oriented and can be grown.
但し、元素X1の添加量を増やすことによりスピン分極膜のキュリー温度及び飽和磁化が減少する。約50 atom％の添加量で磁気特性が急峻に劣化するために、もはや強磁性状態をとることができない。 従って、元素X1の添加量は、スピン分極膜（CoFeNi）の組成比の上限を50 atom％とする。 However, the Curie temperature and saturation magnetization of the spin-polarized film are decreased by increasing the amount of element X1 added. Since the magnetic properties deteriorate sharply at an addition amount of about 50 atom%, the ferromagnetic state can no longer be taken. Therefore, the upper limit of the composition ratio of the spin-polarized film (CoFeNi) is set to 50 atom% for the addition amount of the element X1.
スピン分極膜は、トンネル磁気抵抗比を増大させるために、磁性膜とトンネルバリア膜との間に3 nm以下の厚さで形成することが望ましい。 The spin-polarized film is desirably formed with a thickness of 3 nm or less between the magnetic film and the tunnel barrier film in order to increase the tunnel magnetoresistance ratio.
スピン分極膜の製膜法は、真空蒸着法又はスパッタ法である。 The film forming method of the spin polarization film is a vacuum deposition method or a sputtering method.
真空蒸着法で製膜する場合、湯壷に個々の金属、添加元素材料を配置し同時に加熱する。その際、個々の元素の蒸気圧を考慮に入れ蒸着速度を調整することにより所望の組成比を有するスピン分極膜を形成できる。必要に応じて、堆積するスピン分極膜の組成比を考慮した合金を用意し、これを蒸着することでもスピン分極膜の形成は可能である。 In the case of forming a film by vacuum deposition, individual metals and additive element materials are placed in a hot water bath and heated simultaneously. At this time, a spin-polarized film having a desired composition ratio can be formed by adjusting the deposition rate in consideration of the vapor pressure of each element. If necessary, an alloy taking into account the composition ratio of the spin-polarized film to be deposited is prepared, and the spin-polarized film can also be formed by vapor deposition.
スパッタ法で製膜する場合、個々の金属、添加元素材料のターゲットを用意し、Ar(アルゴン)ガス雰囲気内で、DC又はRF電力を投入し、プラズマを生成する。高電圧により電離されたArガスが、高い運動エネルギーを持ってターゲット表面に入射されるために、ターゲットを構成する原子は弾き飛ばされ、その結果、スピン分極膜が形成される。 When a film is formed by sputtering, individual metal and additive element material targets are prepared, and DC or RF power is applied in an Ar (argon) gas atmosphere to generate plasma. Since Ar gas ionized by a high voltage is incident on the target surface with high kinetic energy, atoms constituting the target are blown off, and as a result, a spin-polarized film is formed.
その際、個々の元素のスパッタ速度を調整することにより、所望の組成比を有するスピン分極膜を形成する。必要に応じて、堆積するスピン分極膜の組成比を考慮した合金ターゲットを用意し、これをスパッタすることでもスピン分極膜の形成は可能である。 At that time, a spin polarization film having a desired composition ratio is formed by adjusting the sputtering rate of each element. If necessary, the spin-polarized film can be formed by preparing an alloy target that takes into account the composition ratio of the spin-polarized film to be deposited and sputtering it.
スパッタ法で薄膜を形成する場合、薄膜内にスパッタガスが捕獲され、薄膜の磁気特性及び伝導特性が劣化することがある。これを防ぐために、場合によっては、Kr（クリプトン）、Xe（キセノン）をスパッタガスとして用いる。 When a thin film is formed by sputtering, sputtering gas is trapped in the thin film, and the magnetic and conductive characteristics of the thin film may be deteriorated. In order to prevent this, Kr (krypton) or Xe (xenon) is used as a sputtering gas in some cases.
(5) 効果
図７は、本発明のMgO堆積時の様子を示している。
トンネルバリア膜としてのMgOは、磁性膜としてのFePt（同図（ａ））上及びスピン分極膜としてのFeCo（同図（ｂ））上に、その膜面に対して法線方向に(001)配向して堆積する（同図（ｃ））。
(5) Effect
FIG. 7 shows the state of MgO deposition according to the present invention.
MgO as a tunnel barrier film is (001) in a direction normal to the film surface on FePt (FIG. (A)) as a magnetic film and on FeCo (same (b)) as a spin polarization film. ) Oriented and deposited ((c) in the figure).
図８は、比較例として、従来のMgO堆積時の様子を示す。 FIG. 8 shows a state of conventional MgO deposition as a comparative example.
トンネルバリア膜としてのMgOは、磁性膜としてのFePt（同図（ａ））上及びスピン分極膜としてのFeCo（同図（ｂ））上に、その膜面に対して法線方向に(111)配向して堆積する（同図（ｃ））。 MgO as a tunnel barrier film is (111) in a direction normal to the film surface on FePt (FIG. (A)) as a magnetic film and FeCo (FIG. (B)) as a spin polarization film. ) Oriented and deposited ((c) in the figure).
３． 実施例
次に、本発明の実施例として、具体的なTMR素子の積層構造を詳細に説明する。
3. Example
Next, a specific laminated structure of TMR elements will be described in detail as an example of the present invention.
第一実施例の一具体例
本発明の第一実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図１を基本構成とする。FePt（3nm）からなる磁性膜１６／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／(FePd)90(BP)10（3nm）からなる磁性膜１０／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
One Specific Example of the First Embodiment The coercive force difference type TMR element according to the first embodiment of the present invention has the basic configuration shown in FIG.
第二実施例の一具体例
本発明の第二実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図２を基本構成とする。FePt（3nm）からなる磁性膜１６／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／P(１原子層分)からなる電気陰性度調整層１３／FePd（3nm）からなる磁性膜１１／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
One Specific Example of the Second Embodiment The coercive force difference type TMR element according to the second embodiment of the present invention has a basic configuration shown in FIG.
第三実施例の一具体例
本発明の第三実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図４を基本構成とする。FePt(3 nm）からなる磁性膜１６／CoFe(1nm) からなるスピン分極膜１５／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／(CoFe)80P20(0.5nm) からなるスピン分極膜１２／FePd（3nm）からなる磁性膜１１／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
Specific Example of Third Embodiment The coercive force difference type TMR element according to the third embodiment of the present invention has a basic configuration shown in FIG.
第四実施例の一具体例
本発明の第四実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図５を基本構成とする。FePt(3 nm）からなる磁性膜１６／CoFe(1nm) からなるスピン分極膜１５／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／P(１原子層分)からなる電気陰性度調整層１３／CoFe(0.25nm) からなるスピン分極膜１２’／FePd（3nm）からなる磁性膜１１／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
Specific Example of Fourth Embodiment The coercive force difference type TMR element according to the fourth embodiment of the present invention has a basic configuration shown in FIG.
本実施例によれば、(001)配向のトンネルバリア膜により巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を実現できる。 According to the present embodiment, a magnetoresistive element exhibiting a giant magnetoresistive effect can be realized by a (001) -oriented tunnel barrier film.
４． 適用例
本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気ランダムアクセスメモリや、磁気ディスク装置の磁気ヘッドなどに適用できる。
4). Application examples
The magnetoresistive element of the present invention can be applied to a magnetic random access memory, a magnetic head of a magnetic disk device, and the like.
図９は、スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリを示している。 FIG. 9 shows a spin injection magnetic random access memory.
磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、ビット線ＢＬに接続される。 One end of the magnetoresistive element C is connected to the bit line BL.
ビット線ＢＬの一端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ１を経由してセンスアンプＳ／Ａに接続される。センスアンプＳ／Ａは、磁気抵抗効果素子Ｃからの読み出し電位Ｖｒと参照電位Ｖｒｅｆとを比較し、出力信号ＤＡＴＡを出力する。尚、Ｒｆは、帰還抵抗である。 One end of the bit line BL is connected to a sense amplifier S / A via an N-channel MOS transistor ST1 as a selection switch. The sense amplifier S / A compares the read potential Vr from the magnetoresistive effect element C with the reference potential Vref and outputs an output signal DATA. Rf is a feedback resistor.
ビット線ＢＬの他端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ２を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１に接続される。 The other end of the bit line BL is connected to a P-channel MOS transistor P1 and an N-channel MOS transistor N1 via an N-channel MOS transistor ST2 as a selection switch.
磁気抵抗効果素子Ｃの他端は、下部電極Ｌに接続される。下部電極Ｌは、選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＳＴ３を経由してソース線ＳＬに接続される。ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ４を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２に接続される。 The other end of the magnetoresistive element C is connected to the lower electrode L. The lower electrode L is connected to the source line SL via a MOS transistor ST3 as a selection switch. Source line SL is connected to P-channel MOS transistor P2 and N-channel MOS transistor N2 via N-channel MOS transistor ST4 as a selection switch.
また、ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ５を経由して接地点Ｖｓｓに接続される。ＭＯＳトランジスタＳＴ３のゲートは、ワード線ＷＬに接続される。ワード線ＷＬは、ビット線ＢＬが延びる方向に対して交差する方向に延びる。 The source line SL is connected to the ground point Vss via an N-channel MOS transistor ST5 as a selection switch. The gate of the MOS transistor ST3 is connected to the word line WL. The word line WL extends in a direction crossing the direction in which the bit line BL extends.
データ書き込みは、スピン注入書き込み方式により行う。即ち、制御信号Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤによるＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２のオン／オフにより磁気抵抗効果素子Ｃに流れるスピン注入電流の向きを制御し、データ書き込みを実行する。 Data writing is performed by a spin injection writing method. That is, the direction of the spin injection current flowing in the magnetoresistive effect element C is controlled by turning on / off the P-channel MOS transistors P1, P2 and the N-channel MOS transistors N1, N2 by the control signals A, B, C, D, and data writing Execute.
図１０は、スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示している。 FIG. 10 shows a memory cell of a spin injection magnetic random access memory.
半導体基板２１内には、ＳＴＩ(shallow trench isolation)構造の素子分離層２２が形成される。素子分離層２２に囲まれた素子領域内には、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３が形成される。
An
ＭＯＳトランジスタＳＴ３は、ソース拡散領域２３、ドレイン拡散領域２４及びこれらの間のチャネル領域の上部に形成されるゲート電極２５(ＷＬ)を有する。ゲート電極２５(ＷＬ)は、図９のワード線ＷＬに相当する。
The MOS transistor ST3 includes a
ソース拡散領域２３は、コンタクトプラグ２６を経由してソース線ＳＬに接続される。ドレイン拡散領域２４は、中間層２７を経由して下部電極２８に接続される。
下部電極２８上には、本発明の磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ）２９が形成される。磁気抵抗効果素子２９は、トップピン型及びボトムピン型のどちらでもよい。
A magnetoresistive element (MTJ) 29 of the present invention is formed on the
磁気抵抗効果素子２９の上面は、磁気抵抗効果素子２９を保護する機能を持つキャップ導電膜３０を経由してビット線３２（ＢＬ）に接続される。ビット線３２（ＢＬ）は、図９のビット線ＢＬに相当する。
The upper surface of the
磁気抵抗効果素子２９及び選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３は、層間絶縁膜３２に覆われ、ビット線３１（ＢＬ）は、層間絶縁膜３２上に配置される。
The
このような構造のメモリにおいて、データ書き込みは、ＭＯＳトランジスタＳＴ３をオンにして磁気抵抗効果素子２９にスピン注入電流を流すことにより行う。
In the memory having such a structure, data writing is performed by turning on the MOS transistor ST3 and passing a spin injection current through the
書き込みデータの値は、例えば、図９のＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２のオン／オフにより、スピン注入電流の向きを制御することで決定する。 The value of the write data is determined, for example, by controlling the direction of the spin injection current by turning on / off the P-channel MOS transistors P1 and P2 and the N-channel MOS transistors N1 and N2 in FIG.
データ読み出しは、ＭＯＳトランジスタＳＴ３をオンにして磁気抵抗効果素子２９に読み出し電流を流すことにより行う。読み出し電流は、読み出し時における誤書き込みを防止するためにスピン注入電流よりも小さな値とする。
Data reading is performed by turning on the MOS transistor ST3 and passing a read current through the
図１１は、磁気ディスク装置の内部構造を示している。図１２は、TMRヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ部を示している。 FIG. 11 shows the internal structure of the magnetic disk device. FIG. 12 shows a magnetic head assembly portion on which the TMR head is mounted.
アクチュエータアーム(Actuator arm)６１は、磁気ディスク装置内の固定軸６０に固定されるための穴を有し、アクチュエータアーム６１の一端には、サスペンション(Suspension)６２が接続される。
An
サスペンション６２の先端には、TMRヘッドを搭載したヘッドスライダ(Head slider)６３が取り付けられている。また、サスペンション６２には、データの書き込み／読み取りのためのリード線(lead line)６４が配線される。
A
このリード線６４の一端とヘッドスライダ６３に組み込まれたTMRヘッドの電極とが電気的に接続される。
One end of the
ここで、TMRヘッドは、本発明の磁気抵抗効果素子を含む。 Here, the TMR head includes the magnetoresistive element of the present invention.
リード線６４の他端は、電極パッド(Electrode pad)６５に接続される。
The other end of the
磁気ディスク(Magnetic disc)６６は、スピンドル(Spindle)６７に装着され、駆動制御部からの制御信号により、モータ駆動される。
A
ヘッドスライダ６３は、磁気ディスク６６の回転により所定量だけ浮上する。この状態で、TMRヘッドを用いてデータの記録再生を行う。
The
アクチュエータアーム６１は、駆動コイルを保持するボビン部を有する。アクチュエータアーム６１には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ(Voice coil motor)６８が接続される。
The
ボイスコイルモータ６８は、アクチュエータアーム６１のボビン部に巻き上げられた駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークとからなる磁気回路を備える。
The
アクチュエータアーム６１は、固定軸６０の上下２ヶ所に設けられるボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ６８によって駆動される。
The
以上、本発明の適用例を磁気ランダムアクセスメモリと磁気ディスク装置とについて説明したが、本発明は、それ以外にもＴＭＲ効果を利用するメモリ全般に適用できる。 As described above, the application example of the present invention has been described for the magnetic random access memory and the magnetic disk device. However, the present invention can be applied to all other memories using the TMR effect.
５． むすび
本発明によれば、巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を提供できる。
5. Conclusion
According to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive element that exhibits a giant magnetoresistive effect.
本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The example of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying each component without departing from the scope of the invention. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.
１１，１６： 磁性膜、 １２，１５： スピン分極膜、 １３： 電気陰性度調整層、 １４： トンネルバリア膜。 11, 16: Magnetic film, 12, 15: Spin polarization film, 13: Electronegativity adjusting layer, 14: Tunnel barrier film.
Claims (16)
前記第一の磁性膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記第一の磁性膜と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 Comprising a first magnetic film, a tunnel barrier film on the first magnetic film, and a second magnetic film on the tunnel barrier film,
The first magnetic film includes at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb,
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the tunnel barrier film has a NaCl-type crystal structure that is (001) -oriented in the normal direction with respect to the interface between the first magnetic film and the tunnel barrier film.
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄから選択される少なくとも一つ以上の元素を含み、
前記Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される前記元素の総含有量は３０原子％以下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。 The first magnetic film is
Including at least one element selected from Fe, Co, Ni and at least one element selected from Pt, Pd;
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the total content of the elements selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb is 30 atomic% or less.
前記電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記電気陰性度調整層と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A first magnetic film, an electronegativity adjusting layer on the first magnetic film, a tunnel barrier film on the electronegativity adjusting layer, and a second magnetic film on the tunnel barrier film. ,
The electronegativity adjusting layer includes at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb,
2. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the tunnel barrier film has a NaCl-type crystal structure that is (001) -oriented in the normal direction with respect to the interface between the electronegativity adjusting layer and the tunnel barrier film.
前記第一のスピン分極膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記第一のスピン分極膜と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向にＮａＣｌ型結晶構造する結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A first magnetic film; a first spin polarization film on the first magnetic film; a tunnel barrier film on the first spin polarization film; and a second spin polarization film on the tunnel barrier film; And a second magnetic film on the second spin polarization film,
The first spin polarization film includes at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb,
2. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the tunnel barrier film has a crystal structure in which a NaCl type crystal structure is formed in a normal direction with respect to an interface between the first spin polarization film and the tunnel barrier film.
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１つの元素を含み、
Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも１つの元素の総含有量は３０原子％以下であることを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。 The first spin-polarized film is
Containing at least one element selected from Fe, Co, Ni,
The magnetoresistive effect element according to claim 8, wherein the total content of at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb is 30 atomic% or less.
前記電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記電気陰性度調整層と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A first magnetic film; a first spin polarization film on the first magnetic film; an electronegativity adjustment layer on the first spin polarization film; and a tunnel barrier film on the electronegativity adjustment layer And a second spin polarization film on the tunnel barrier film, and a second magnetic film on the second spin polarization film,
The electronegativity adjusting layer includes at least one element selected from C, P, As, Sn, Sb, Te, and Pb,
2. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the tunnel barrier film has a NaCl-type crystal structure that is (001) -oriented in the normal direction with respect to the interface between the electronegativity adjusting layer and the tunnel barrier film.
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|---|---|
| JP (1) | JP2009212156A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010219412A (en) * | 2009-03-18 | 2010-09-30 | Toshiba Corp | Magnetoresistive element and magnetic random access memory |
| JP2011044684A (en) * | 2009-08-21 | 2011-03-03 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | Magnetic tunnel junction device and method of manufacturing the same |
| JP2012059957A (en) * | 2010-09-09 | 2012-03-22 | Sony Corp | Storage element and memory |
| CN102403448A (en) * | 2010-09-13 | 2012-04-04 | 索尼公司 | Memory element and memory |
| US8405077B2 (en) | 2010-03-29 | 2013-03-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Magnetic memory devices |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008028362A (en) * | 2006-06-22 | 2008-02-07 | Toshiba Corp | Magnetoresistive element and magnetic memory |
| WO2008155996A1 (en) * | 2007-06-19 | 2008-12-24 | Canon Anelva Corporation | Tunnel magnetoresistive thin film and magnetic multilayer formation apparatus |
-
2008
- 2008-02-29 JP JP2008051176A patent/JP2009212156A/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008028362A (en) * | 2006-06-22 | 2008-02-07 | Toshiba Corp | Magnetoresistive element and magnetic memory |
| WO2008155996A1 (en) * | 2007-06-19 | 2008-12-24 | Canon Anelva Corporation | Tunnel magnetoresistive thin film and magnetic multilayer formation apparatus |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010219412A (en) * | 2009-03-18 | 2010-09-30 | Toshiba Corp | Magnetoresistive element and magnetic random access memory |
| JP2011044684A (en) * | 2009-08-21 | 2011-03-03 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | Magnetic tunnel junction device and method of manufacturing the same |
| US8841006B2 (en) | 2009-08-21 | 2014-09-23 | Korea Institute Of Science And Technology | Magnetic tunnel junction device and method for manufacturing the same |
| US9263668B2 (en) | 2009-08-21 | 2016-02-16 | Korea Institute Of Science And Technology | Method for manufacturing a magnetic tunnel junction device |
| US8405077B2 (en) | 2010-03-29 | 2013-03-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Magnetic memory devices |
| JP2012059957A (en) * | 2010-09-09 | 2012-03-22 | Sony Corp | Storage element and memory |
| CN102403449A (en) * | 2010-09-09 | 2012-04-04 | 索尼公司 | Memory element and memory |
| US8853806B2 (en) | 2010-09-09 | 2014-10-07 | Sony Corporation | Memory element and memory |
| CN102403448A (en) * | 2010-09-13 | 2012-04-04 | 索尼公司 | Memory element and memory |
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