JP3578721B2 - 磁気制御素子とそれを用いた磁気部品及びメモリー装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は外部電圧で磁気の制御が可能な磁気制御素子と、それを用いて電気または磁気信号の検出及び記憶を行う磁気部品とメモリー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報関連産業の発展とともに半導体メモリーの進歩も著しいが、次世代のメモリーとして、磁性体の磁化を制御して記憶を行うＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が研究されている。（日本応用磁気学会誌、第２３巻、第７号、第１８２６頁、１９９９年発行）この原理は、信号電流が発生する磁場で磁性体の磁化の方位を制御して記録を行い、その磁化反転を磁気抵抗効果を使って読み出すものであり、不揮発で応答速度も高く高集積化も可能な次世代メモリー装置として期待が大きい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記原理のＭＲＡＭにおいて、磁化の反転制御を行う磁界を発生させるためにはある程度の電流が必要であり、省消費電力という点で限界がある。また素子の集積度が上がってくると、特定の素子のみに有効に磁界を発生させる素子構造および配線の引き回しをとることが難しくなってくる。すなわち電流信号により情報の書き込みを行う磁気制御素子およびそれを用いたＭＲＡＭでは、低消費電力や高集積化の点で限界があった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するため、電圧で磁化を制御できる磁気制御素子とそれを用いた磁気部品及びメモリー装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の磁気制御素子は、反強磁性層と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備した磁気制御素子であって、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御することを特徴とする。
【０００６】
また本発明の磁気部品は、反強磁性層と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電気または磁気信号を検知することを特徴とする。
【０００７】
また本発明のメモリー装置は、反強磁性層と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電気信号を保存することを特徴とする。
【０００８】
本発明は、電圧信号で磁性層の磁化方位を制御できる素子が実現し、これを用いることにより低消費電力動作および高集積密度の磁気抵抗効果型メモリー装置や磁気部品を提供できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は従来の電流による磁化の制御とは異なり、反強磁性層とその両側に隣接して対向した磁性層および電極とからなり、磁性層と電極間に電圧を加えて反強磁性層へ電界を印加することにより隣接する磁性層の磁化を制御することを特徴とする。
【００１０】
特に反強磁性層に隣接した磁性層が、さらに非磁性層を介した別の磁性層との積層構造をとる場合、制御した磁性層の磁化の方位を磁気抵抗効果により電気抵抗の変化として検出できるので好ましい。
【００１１】
またこれらの磁気制御素子は原理的に電界または磁界に反応するので、電気や磁気信号の検知を行う磁気部品を構成することができる。その際の磁性体の磁化方位は基本的に次の信号が入るまで保持されるので、メモリー装置を構成することもできる。
【００１２】
本発明においては、反強磁性層に隣接した磁性層が、さらに非磁性層を介して別の磁性層と積層されていることが好ましい。非磁性層の両側の磁性層の磁化方位の結合状態により電気抵抗が変化するので（磁気抵抗効果）、電圧で制御された磁性層の磁化方位を簡単に検出することができるからである。
【００１３】
前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積層して磁性層の磁化を固定したことが好ましい。磁化回転抑制層に隣接する磁性層の磁化の方位が固定されるので、制御された反強磁性層に隣接した磁性層の方位を安定に読み出すことができるからである。前記磁化回転抑制層は、Ｐ−Ｍｎ系（ＰはＰｔ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ及びＣｒから選ばれる少なくとも１種の元素）合金で形成されていることが好ましい。また前記反強磁性層の比抵抗は、１オームｃｍ以上であることが好ましい。１オームｃｍ以上の材料であれば、磁化制御が可能である。さらに好ましい比抵抗は１ｋオームｃｍ以上である。
【００１４】
前記反強磁性層は、酸化物で形成されていることが好ましい。酸化物であれば磁化制御が可能である。酸化物としては例えば、Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｔｉ_２Ｏ_３，Ｎｂ_２Ｍｎ_４Ｏ_９，Ｔａ_２Ｍｎ_４Ｏ_９， Ｎｂ_２Ｃｏ_４Ｏ_９，Ｔａ_２Ｃｏ_４Ｏ_９，ＧａＦｅＯ_３，Ｎｉ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｉ，ＦｅＳｂ_２Ｏ_４，ＭｎＮｂ_２Ｏ_６，ＭｎＧｅＯ_３，ＬｉＭｎＰＯ_４，ＬｉＦｅＰＯ_４，ＬｉＣｏＰＯ_４，ＬｉＮｉＰＯ_４，ＧｄＡｌＯ_３，ＤｙＡｌＯ_３，ＴｂＡｌＯ_３，ＤｙＰＯ_４，Ｆｅ_２ＴｅＯ_６，ＢａＣｏＦ_４，ＢａＭｎＦ_４，ＣｏＦ_２，ＭｎＦ_２，αＦｅ_２Ｏ_３等を挙げることができる。なかでも鉄を含む酸化物で形成されていることが好ましい。また、前記反強磁性層は、希土類元素、ビスマス及びガリウムから選ばれる少なくとも一種の元素と鉄の酸化物で形成されていてもよい。また前記反強磁性層は、ペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造（ｒｅｌａｔｅｄ ｓｔｒａｃｔｕｒｅ）の酸化物で形成されていることが好ましい。ここでペロブスカイト関連構造の酸化物とは、ペロブスカイトと同様な結晶構造を示す化合物をいう。
【００１５】
前記反強磁性層は、エピタキシャル成長したペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸化物で形成されていることが好ましい。
【００１６】
前記エピタキシャル成長したペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸化物からなる反強磁性層は、ペロブスカイト単位格子の（１１０）面に対応した面からなる層であることが好ましい。
【００１７】
前記反強磁性層が、フェリ磁性または寄生強磁性に起因する５００ガウス以下の弱い磁性を保有することが好ましい。
【００１８】
前記反強磁性層に隣接した磁性層の厚みが、１００ｎｍ以下であることが好ましい。さらに好ましい厚みは１〜２０ｎｍの範囲である。
【００１９】
前記磁性層は、鉄、コバルト及びニッケルから選ばれる少なくとも１種の元素で形成されていることが好ましい。
【００２０】
以下本発明の磁気制御素子、それを用いた磁気部品、メモリー装置について図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１に本発明の磁気制御素子の構成を示す断面図の一例を示す。反強磁性層１が磁性層２と金属電極３で挟まれた構成となっている。本発明者等は、電極３及び磁性層２の間に電圧を加えて反強磁性体内に電界を発生させることにより、磁性層２の磁化の方位が制御されるという発見に基づき、本発明に至ったものである。印加電界に対してその物質の磁化または磁区が影響を受ける現象は、ＭＥ効果（電気磁気効果）として知られているが、制御できる磁化の量はさほど大きくなく、本発明のように隣接する磁性層の磁化方位を大きく制御できるということは、従来の原理からは全く予想できないものであった。反強磁性層への電界印加により隣接する磁性層の磁化が変化する機構については不明であるが、反強磁性層と磁性層との交換結合に対する格子歪みの関与が推察される。
【００２２】
この場合、磁化の方位の検知には種々の方法が考えられるが、図２に示したように特に磁性層２にさらに積層を施して磁性層２／非磁性層４／磁性層５の積層構造を用いた場合、非磁性層の両側の磁性層の磁化方位の結合状態により電気抵抗が変化するので（磁気抵抗効果）、電圧で制御された磁性層の磁化方位を簡単に検出することができる。
【００２３】
また図３に示すように磁性層２／非磁性層４／磁性層５にさらに磁化回転抑制層６を積層した場合、磁性層５の磁化の方位が固定されるので、制御された磁性層２の方位を安定に読み出すことができる。磁化回転抑制層６の材質としては、Ｐ−Ｍｎ系（ＰはＰｔ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｒから選ばれる１種もしくは２種以上の元素）合金が適していることを確認した。Ｐ−Ｍｎの好ましい組成割合は、Ｐ：Ｍｎ＝７０−３０：３０−７０ ａｔｏｍｉｃ％の範囲である。
【００２４】
磁化制御に必要な電界の大きさは反強磁性層の材質により異なっていたが、効果の小さい場合でも１００ｋＶ／ｃｍ以上の高電界を印加すれば制御できることが判った。ただしこの場合には電界の印加方向に依存しない磁化の変化を示したのに対し、効果が大きい材質の反強磁性層を用いた場合には１０ｋＶ／ｃｍ程度の電界でも磁化制御が可能で、しかも電圧の正負により磁性層の磁化の方位が逆になることも合わせて見い出した。上限値はとくに限定されないが、１０^４ｋＶ／ｃｍ以下が実用的には好ましい。
【００２５】
この際、反強磁性層の比抵抗が１オームｃｍ以上の材質の時に磁化制御が認められたが、さらに１００オームｃｍ以上の時には大きな効果が得られることを確認した。上限値はとくに限定されないが、１ｋオームｃｍ以下が実用的には好ましい。
【００２６】
反強磁性層の材質としては、酸化物で構成されているときに磁化制御の大きい効果が得られる場合が多かった。特にマンガン、コバルトやニッケルを含む酸化物で磁化制御の大きい効果が認められた。より好ましい結果は、鉄を含む酸化物の場合に高い磁化制御が得られることが判った。さらに希土類元素、ビスマス、ガリウムの少なくとも一種を含む鉄の酸化物であった場合にはより顕著に観測された。この結晶構造は複雑なため正確に決定することは困難であったが、Ｘ線回折によるとペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の結晶格子であると考えられる。このペロブスカイト構造がエピタキシャル成長して結晶方位が揃っている場合には、多結晶の場合に比べてより効果的であり、その方位に関して特にペロブスカイト単位格子の（１１０）面が反強磁性層の結晶面として出現している場合に好ましい結果であった。また理由はよく解らないが、反強磁性層において完全に磁性が反平行で打ち消されずに、フェリ磁性または寄生強磁性に起因して５００ガウス以下の弱い磁性を保有している場合に効果が大きい結果であった。
【００２７】
反強磁性層に隣接して磁化制御を受ける磁性層の厚みは１００ｎｍ程度までは可能であったが、とくに１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の場合には磁性層の磁化をほぼ完全に制御することができ好ましい結果であった。磁性層の素材については、磁性を示すものなら同様に使用できるが、特に、鉄、コバルト、ニッケルから選ばれる１種もしくは２種以上の元素の金属膜で構成すると、平滑な層を実現することができ好ましい。
【００２８】
以上述べたような本発明の磁気制御素子を用いて磁気部品を構成することができる。図４Ａ〜Ｂに示した概略断面図は、磁場の変化を読みとって磁気信号の検知を行う磁気部品の構成例である。基板７（基板としては、ガラス、シリコン、サファイア、単結晶ペロブスカイト等の無機物を用いるのが好ましい。）上に、金属電極３、反強磁性層１、磁性層２、導電性の非磁性層４、磁性層５が積層された構造となっている。この場合、磁性層は固定されておらず、外部磁場により容易に磁化方位が変化する。図４Ａのように磁気信号の外部磁場が磁気部品に印加された場合、磁性層２，５の磁化方位が外部磁場の方向を向いて記憶される。この信号を読み出すには、図４Ｂのように読み出す素子の反強磁性層に電圧をかけて磁性層２の磁化方位を制御し、磁気抵抗効果による電気抵抗の変化を磁性層５を介して検知する。制御した磁性層２と同じ向きの磁場信号の場合には両磁性層の磁化方位は同じになるので、磁性層と導電性非磁性層の界面での伝導電子のスピン散乱が抑制されて抵抗が低くなり、逆の場合にはスピン散乱に因り抵抗が高くなる磁気部品が構成できる。
【００２９】
図５は本発明の磁気制御素子で構成した磁気メモリー装置の例である。金属電極３、反強磁性層１、磁性層２、非磁性層４、磁性層５、磁化回転抑制層６の積層構造からなる２個のメモリーセル８，９が示されている。金属電極と磁性層の間の電圧の有無により磁性層自体の磁化方位が制御され、電気信号の記憶がなされる。図５のようにメモリーセル８の磁性層２と電極３の間に電圧信号パルスを入力すると、その間の反強磁性層１の電界印加部分のスピンの向きが反転して交換結合等の影響で磁性層２の磁化方位が制御を受ける。例えば電圧信号がないときは、メモリーセル９のように磁性層２と磁性層５の向きを揃えておくと、両磁性層間では電子はスピン散乱なし通り抜けられるので、電位差が発生しない。これに対し、メモリーセル８ではスピン散乱により電圧が発生することになる。よって、電圧信号を記憶し、読み出すメモリー装置が構成できる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明する。
【００３１】
（実施例１）
スパッタリング蒸着を用いて約２５０℃に加熱した酸化膜付きシリコン基板上に、白金電極膜を５０ｎｍ堆積した後、反強磁性層として（Ｇａ_０．９５，Ｙ_０．０５）ＦｅＯ_３（Ｇａ，Ｙの数値はａｔｏｍｉｃ比。以下も同じ。）を３００ｎｍ堆積し、最後にＣｏ磁性膜を５ｎｍ堆積させて、図１の構成図のように白金電極３、（Ｇａ_０．９５，Ｙ_０．０５）ＦｅＯ_３反強磁性層１およびＣｏ磁性膜２の積層膜を作製した。Ｃｏ磁性層と白金電極間の３Ｖの電圧印加で、外部磁場２０エルステッドに対応する磁化曲線のシフトが認められ、磁性層の磁化方位の制御が示された。
【００３２】
（実施例２）
図２に示した磁気制御素子を、Ｎｂ添加ＳｒＴｉＯ_３導電性基板電極３，（Ｂｉ_０．９，Ｙ_０．１）ＦｅＯ_３反強磁性層１，Ｃｏ磁性層２，Ｃｕ非磁性層４，ＣｏＦｅ磁性層５の構成で作製した。基板となるＮｂ添加ＳｒＴｉＯ_３導電性単結晶電極の面方位として、（１００）（１１０）（１１１）の３種類を用いた。まず約６５０℃に加熱した基板上にスパッタリングにより反強磁性（Ｂｉ_０．９，Ｙ_０．１）ＦｅＯ_３ 薄膜を７０ｎｍ堆積した後、室温でＣｏ／Ｃｕ／ＣｏＦｅの積層を２ｎｍ／２ｎｍ／５ｎｍの膜厚で実施した。この場合（Ｂｉ_０．９，Ｙ_０．１）ＦｅＯ_３ 反強磁性層は、各面方位を保ってエピタキシャル成長したペロブスカイト構造であった。
【００３３】
電極及び磁性層に電極配線を施して、図４の磁気部品を構成した。基板面に平行に１００エルステッドの磁場をパルスで加えた後、導電基板電極３とＣｏ磁性層２の間に２Ｖの電圧を加えてＣｏＦｅ磁性層５の面内抵抗を検出すると、磁場パルスの有無で電気抵抗の変化が認められた。磁場信号が入った場合、抵抗変化はＳｒＴｉＯ_３基板の各面方位について３％以上増加したが、特にＳｒＴｉＯ_３（１１０）面を用いた場合に８％以上の大きな変化が認められた。この理由は、エピタキシャル成長した反強磁性層のスピン配列が関係していると考えられる。最大の抵抗変化は、ＳｒＴｉＯ_３（１１０）単結晶基板を用いて素子を作製し、基板の＜００１＞方位に磁場を印加した時に得られ、約１５％抵抗増加の素子動作が確認された。
【００３４】
この様に素子の磁界信号を検知できる磁気部品が実現できた。この素子を多数並べておき、磁気信号を読み出したい場所の素子に電圧を印加して検知することが可能である。また同様の構成で反強磁性層１に加わる電気信号を検知できる磁気部品も作製可能であること勿論である。
【００３５】
（実施例３）
実施例２と同じ構成の素子を、ペロブスカイト型Ｐｂ（Ｆｅ_０．５，Ｎｂ_０．５）Ｏ_３反強磁性層を用いて作製した。この反強磁性層は寄生強磁性に起因する１００ガウス程度の弱い磁化を保有しており、これを用いて作った素子は１８％抵抗変化を示す優れた特性であった。反強磁性層として他の組成、例えばＰｂ（Ｃｏ_０．５，Ｗ_０．５）Ｏ_３， Ｐｂ（Ｍｎ_０．５，Ｎｂ_０．５）Ｏ_３または作製条件を変えた磁性特性の異なる薄膜層で鋭意調べたところ、５００ガウス程度またはそれ以下の弱磁性を持つ場合に大きな抵抗変化が得やすいことが判った。本素子の磁気制御の機構が反強磁性層の弱磁性に影響を受けていると考えられるが詳しい理由は不明である。
【００３６】
（実施例４）
図３の構成を持つ磁気制御素子を、膜厚５０ｎｍの白金電極３，膜厚１００ｎｍの（Ｂｉ_０．９，Ｔｉ_０．１）ＦｅＯ_３反強磁性層１，膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ磁性層２，膜厚１ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３非磁性層４，５ｎｍのＮｉＦｅ磁性層５，膜厚２ｎｍのＰｔＭｎ磁化回転抑制層６で構成した。この場合Ａｌ_２Ｏ_３非磁性層は電気絶縁体であり、その両側の磁性層の磁化方位に依存したスピントンネリングにより面に垂直方向の電流が影響を受ける。すなわちトンネル磁気抵抗効果により、両側の磁性層の磁化の方位が揃っている場合は抵抗が低く、反平行の場合は高い抵抗を示す。スパッタリングによりサファイアｃ面基板上に、白金層、（Ｂｉ_０．９，Ｔｉ_０．１）ＦｅＯ_３ 反強磁性層、ＣｏＦｅ層を積層した後、膜厚０．７ｎｍのアルミを堆積させて酸素雰囲気中での自然酸化によりＡｌ_２Ｏ_３層を形成し、その後ＮｉＦｅ磁性層とＰｔＭｎ磁化回転抑制層を積層した。この積層膜に対して微細加工を施してセル分離を行い、図５のような複数のメモリーセルを有するメモリー装置を作製した。電気信号の有無により各セルのＣｏＦｅ磁性層２の磁化方位が制御を受けて記憶され、それがセルの垂直方向の電流に対する抵抗変化として読み出せる。本素子の場合、トンネル磁気抵抗効果を用いているので、電圧信号の有無により３０％の大きな抵抗変化を示すメモリー装置を作製することができた。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電圧信号で磁性層の磁化方位を制御できる素子が実現し、これを用いることにより低消費電力動作および高集積密度の磁気抵抗効果型メモリー装置や磁気部品を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の磁気制御素子の模式断面図
【図２】本発明の一実施例の磁気制御素子の模式断面図
【図３】本発明の一実施例の磁気制御素子の模式断面図
【図４】Ａ及びＢは本発明の一実施例の磁気部品の一例を示す模式断面図
【図５】本発明の一実施例のメモリー装置の一例を示す模式斜視図
【符号の説明】
１ 反強磁性層
２ 磁性層
３ 電極
４ 非磁性層
５ 磁性層
６ 磁化回転抑制層
７ 基板
８ 電圧信号入力のメモリーセル
９ 電圧信号なしのメモリーセル

Claims (21)

1. 反強磁性層と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備した磁気制御素子であって、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御することを特徴とする磁気制御素子。
2. 前記反強磁性層に隣接した磁性層が、さらに非磁性層を介して別の磁性層と積層されている請求項１に記載の磁気制御素子。
3. 前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積層して磁性層の磁化を固定した請求項２に記載の磁気制御素子。
4. 前記磁化回転抑制層が、Ｐ−Ｍｎ系（ＰはＰｔ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ及びＣｒから選ばれる少なくとも１種の元素）合金で形成されている請求項３に記載の磁気制御素子。
5. 前記反強磁性層の比抵抗が、１オームｃｍ以上である請求項１に記載の磁気制御素子。
6. 前記反強磁性層が、酸化物で形成されている請求項１に記載の磁気制御素子。
7. 前記反強磁性層が、少なくとも鉄を含む酸化物で形成されている請求項６に記載の磁気制御素子。
8. 前記反強磁性層が、希土類元素、ビスマス及びガリウムから選ばれる少なくとも一種の元素と鉄の酸化物で形成されている請求項７に記載の磁気制御素子。
9. 前記反強磁性層が、ペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸化物で形成されている請求項１に記載の磁気制御素子。
10. 前記反強磁性層が、エピタキシャル成長したペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸化物で形成されている請求項９に記載の磁気制御素子。
11. 前記エピタキシャル成長したペロブスカイトまたはペロブスカイト関連構造の酸化物からなる反強磁性層が、ペロブスカイト単位格子の（１１０）面に対応した面からなる層である請求項１０に記載の磁気制御素子。
12. 前記反強磁性層が、フェリ磁性または寄生強磁性に起因する５００ガウス以下の弱い磁性を保有する請求項１に記載の磁気制御素子。
13. 前記反強磁性層に隣接した磁性層の厚みが、１００nm以下である請求項１に記載の磁気制御素子。
14. 前記磁性層が、鉄、コバルト及びニッケルから選ばれる少なくとも１種の元素で形成されている請求項１に記載の磁気制御素子。
15. 前記磁性層と前記電極間に加える電圧が、１０ｋＶ／ｃｍ以上である請求項１に記載の磁気制御素子。
16. 反強磁性層と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電気または磁気信号を検知することを特徴とする磁気部品。
17. 前記反強磁性層に隣接した磁性層が、さらに非磁性層を介して別の磁性層と積層されている請求項１６に記載の磁気部品。
18. 前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積層して磁性層の磁化を固定した請求項１７に記載の磁気部品。
19. 反強磁性層と、その両側に隣接して対向した磁性層および電極とを具備し、前記磁性層と前記電極間に加える電圧により前記磁性層の磁化方位を制御する磁気制御素子を用いて電気信号を保存することを特徴とするメモリー装置。
20. 前記反強磁性層に隣接した磁性層が、さらに非磁性層を介して別の磁性層と積層されている請求項１９に記載のメモリー装置。
21. 前記反強磁性層に隣接した磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造に、さらに磁化回転抑制層を積層して磁性層の磁化を固定した請求項２０に記載のメモリー装置。

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