JP5120950B2 - 磁性薄膜素子 - Google Patents
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Description
B2型あるいはL21型規則構造のホイスラー合金CFASを用い [001]方向が膜面に垂直になるような結晶方位でエピタキシャル成長させたCFAS/MgO/CFAS 3層構造膜は、CFASが高いスピン偏極度を持ち、膜面垂直方向に大きなトンネル磁気抵抗効果を示すことが非特許文献1により知られている。MgOの代わりに金属を用いることによって、電気抵抗値を下げることが期待される。同じく非特許文献1においてCrとCFASがエピタキシャル成長することは知られているが、この組み合わせによる大きな膜面垂直方向磁気抵抗効果は得られていない。
また、別のL21型規則構造を持ったホイスラー合金Co2MnSi(CMS)を用い、CMSを、CMS/Cr/CMSを[001]方向が膜面に垂直になるような結晶方位でエピタキシャル成長させた3層構造による膜面垂直磁気抵抗効果が非特許文献2に報告されているが、電気抵抗×面積の値が0.79Ω・μm2と高く磁気抵抗変化率も2.4%と低い値にとどまっている。
ホイスラー合金を用いたCPP−GMR素子は特許文献1に記述されているが、組成や結晶方位に関する詳細な記述はない。
別のホイスラー合金Co2MnGe(CMG)を用い、CMG/Cu/CMGの3層構造によるCPP−GMRが特許文献2に記載されている。ただしこの文献ではCMGは[110]方向が膜面に垂直になるような優先配向をしているが全く規則構造を取っていない。
別の組成のホイスラー合金を用いたCPP−GMRが特許文献3に記載されている。この場合もホイスラー合金の詳細な結晶構造に関する記載はなく、不規則相の多結晶体であると推測される。
電気抵抗×面積が0.3Ω・μm2以下、かつ磁気抵抗変化率が5%以上となることが求められる。
<非特許文献2> Applied Physics Letters, Vol. 88, 222504.2006/5/30 K. Yakushiji, K. Saito, S. Mitani, K. Takanashi, Y. K. Takahashi, K. Hono
<非特許文献3> Journal of Applied Physics Vol.102,Issue 4, Article Number 043903,S.V.Karthik, A.Rajanikanth, T.M.Nakatani, Z.Gercsi, Y.K.Takahashi, T.Furubayashi, K.Inomata, K.Hono.
<非特許文献4> Physical Review B Vol.66,p.174429, I.Galanakis, P.H.Dedrichs, N.Papanikopaou.
<特許文献1> 特開2003−218428
<特許文献2> 特開2005−116701
<特許文献3> 特開2007−81126
また、B2型あるいはL21型規則構造のホイスラー合金を[001]方向が膜面に垂直になるような結晶方位でエピタキシャル成長させた薄膜を用いて、低い抵抗値と高い磁気抵抗変化率をもったCPP−GMR素子を作ることを目的とする。
発明2は、発明1の磁性薄膜素子において、前記CFAS層は、組成式Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 で表される層であることを特徴とする。
発明5は、発明1乃至4の何れか1の磁性薄膜素子において、前記常磁性金属層が面心立方格子の構造を持ち、かつ前記強磁性金属層よりも低い電気抵抗である金属からなる層であることを特徴とする。
その結果、電気抵抗×面積が0.3Ω・μm2以下、かつ磁気抵抗変化率が5%以上となる磁性薄膜素子を実現するに至ったものである。
次に、両側の強磁性金属としてCFASを、常磁性金属スペーサ層としてAgを用いた面直方向磁気抵抗効果素子を作成し、高い磁気抗効果が得られることを見いだした。また、薄膜を成長させるための下地層にもAgを用いることにより低い抵抗値を実現している。
CFASは高いスピン偏極率を持つことが知られているが、エピタキシャル成長させることにより高い結晶規則度を持たせることが望ましい。そのための下地層としてはCrが知られているが、抵抗が高いという欠点がある。本発明では、Agが低抵抗とエピタキシャル成長を兼ね備える金属であることを見いだした。
また、強磁性金属層として別のホイスラー合金、Co2MnSi(CMS)を、常磁性金属層としてAgあるいはCuを用いた素子においても、下地層にAgを用いることにより低い抵抗値と高い磁気抵抗変化率が得られた。
これらの知見に基づき、下地層および常磁性金属層を構成する材料としては、低い抵抗値をもったCPP−GMR素子を構成するために低い電気抵抗率を持った材料が好ましい。また、ホイスラー合金との積層膜を作成した場合に良好なエピタキシャル成長を実現させるために、面心立方格子の構造を持つことが好ましく、より好ましくはその格子定数aが3.5nmから4.2nmの範囲にあることを知るに至った。そして、このような材料としては、Ag(電気抵抗率 ρ=1.6μΩcm, a=4.09nm),Cu(ρ=1.6μΩcm, a=3.61nm),Au(ρ=2.2μΩcm, a=4.08nm),及びAl(ρ=2.7μΩcm, a=4.05nm)があげられる。これらの材料を下地層または常磁性金属層に用いることにより良好な効果を発揮すると予測される。また、これらの金属からなる合金も面心立方格子の構造を保つ限り同様の効果を発揮すると推測される。
下地層の厚さは1nm以上であればよい。それ以下の膜厚では基材が一様に下地層に覆われなくなる恐れがあり、その結果としてエピタキシャル成長がなされない可能性がある。
なお以下の℃は、50℃単位での表示である。
・ヘリコン波スパッタ装置よって成膜
・表1にスパッタ条件を示す。
・図1に示すように、 MgO単結晶基材上に下からCr(30)/Ag(30)/CFAS(30)/Ru(3)
数字はそれぞれの膜厚(単位:nm)
CFASはCo2FeAl0.5Si0.5の組成のホイスラー合金を示す
・図2に示すように、Cr、Ag、CFASが、すべて結晶方位が [001] 方向に揃ったエピタキシャル成長を示し、結晶構造が規則度の高いB2構造であることであることがX線回折によって示された。
表1は実施例1の薄膜の作成条件を指し示す
・表2にスパッタ条件を示す。
・図3に示すように、MgO単結晶基材上に下から Cr(10)/Ag(60)/CFAS(20)/ Ag(5)/CFAS(5)/CoFe(2)/IrMn(10)/Ru(8) の構造で、数字はそれぞれの膜厚(単位:nm)である。
CFASはCo2FeAl0.5Si0.5の組成のホイスラー合金を示す
CoFeはCo0.75Fe0.25の組成の合金、IrMnはIr0.22Mn0.78の組成の合金を表す。
・結晶構造の規則性の向上のため、下部CFAS層成膜直後に400℃で熱処理を加えた。
・図4の電子顕微鏡写真からわかるように、Cr、Ag、CFASが、すべて結晶方位が [001] 方向に揃ったエピタキシャル成長をすることが示された。
・下部CFAS層は規則度の高いB2構造、上部CFAS層は規則度の低いA2構造となることがわかった。
・成膜後に電子線リソグラフィー、Arイオンエッチング、により0.7μm×0.3μmの大きさに微細加工。絶縁体SiO2とCu上部電極をスパッタによって作成し、図5に示すような面直方向磁気抵抗効果素子を作成した。
・上部CFAS層に交換磁気異方性を付与するため、膜面内のMgO(100)の方向に5kOeの磁場を加えながら250℃、1時間の磁場中熱処理を加えた。
・磁気抵抗の測定は、前述の磁場中熱処理の場合と同じ方向に加える磁場を変化させながら、直流4端子法によって電気抵抗を測定することによって行った。
・磁気抵抗を測定した結果を図6に示す。面積あたり電気抵抗、RA=0.139Ω・μm2室温で3.9%の磁気抵抗変化率を得た。
表2は実施例2に示す薄膜の作成条件を指し示す。
・表3にスパッタ条件を示す。
・MgO単結晶基材上に下から Cr(10)/Ag(60)/CFAS(20)/ Ag(10)/CFAS(5)/CoFe(2)/IrMn(10)/Ru(8) の構造 (図3)
数字はそれぞれの膜厚(単位:nm)
CFASはCo2FeAl0.5Si0.5の組成のホイスラー合金を示す
CoFeはCo0.75Fe0.25 の組成の合金、IrMnはIr0.22Mn0.78 の組成の合金を表す。
・結晶構造の規則性の向上のため、下部CFAS層成膜直後、及び上部CFAS層成膜直後に400℃で熱処理を加えた。
・実施例2と同様に、成膜後に電子線リソグラフィー、Arイオンエッチング、により0.7μm×0.3μmの大きさに微細加工。絶縁体SiO2とCu上部電極をスパッタによって作成し、面直方向磁気抵抗効果素子を作成した。
・実施例2と同じ条件で磁場中熱処理を行い、同様の方法で磁気抵抗を測定した。
・磁気抵抗を測定した結果を図7に示す。面積あたり電気抵抗、RA=0.138Ω・μm2 室温で5.4%の磁気抵抗変化率を得た。
表3は実施例3に示す薄膜の作成条件を指し示す
・表4にスパッタ条件を示す。
・MgO単結晶基材上に下から Cr(10)/Ag(200)/CFAS(20)/Ag(5)/CFAS(5)/CoFe(2)/IrMn(10)/Ru(8) の構造 (図3)
数字はそれぞれの膜厚(単位:nm)
CFASはCo2FeAl0.5Si0.5の組成のホイスラー合金を示す
CoFeはCo0.75Fe0.25 の組成の合金、IrMnはIr0.22Mn0.78 の組成の合金を表す。
・結晶構造の規則性の向上のため、下部CFAS層成膜直後に400℃で熱処理を加えた。
・成膜後に電子線リソグラフィー、Arイオンエッチング、により0.6μm×0.3μmの大きさに微細加工。絶縁体SiO2とCu上部電極をスパッタによって作成し、面直方向磁気抵抗効果素子を作成した。
・実施例2と同じ条件で磁場中熱処理を行い、同様の方法で磁気抵抗を測定した。
・磁気抵抗を測定した結果を図8に示す。面積あたり電気抵抗、RA=0.108Ω・μm2 室温で6.8%の磁気抵抗変化率を得た。
表4は実施例4に示す薄膜の作成条件を指し示す
・表5にスパッタ条件を示す。
・MgO単結晶基材上に下から Cr(10)/Ag(200)/CMS(20)/Ag(5)/CMS(5)/CoFe(2)/IrMn(10)/Ru(5) の構造
数字はそれぞれの膜厚(単位:nm)
CMSはCo2MnSiの組成のホイスラー合金を示す
CoFeはCo0.75Fe0.25 の組成の合金、IrMnはIr0.22Mn0.78 の組成の合金を表す。
・結晶構造の規則性の向上のため、下部CMS層成膜直後に400℃で熱処理を加えた。
・成膜後に電子線リソグラフィー、Arイオンエッチング、により0.9μm×0.5μmの大きさに微細加工。絶縁体SiO2とCu上部電極をスパッタによって作成し、面直方向磁気抵抗効果素子を作成した。
・実施例2と同じ条件で磁場中熱処理を行い、同様の方法で磁気抵抗を測定した。
・磁気抵抗を測定した結果を図9に示す。面積あたり電気抵抗、RA=0.216Ω・μm2 室温で6.5%の磁気抵抗変化率を得た。
表5は実施例5に示す薄膜の作成条件を指し示す
・表4にスパッタ条件を示す。
・MgO単結晶基材上に下から Cr(10)/Ag(200)/ Cr(10)/CMS(20)/Cu(4)/CMS(5)/CoFe(2)/IrMn(10)/Ru(5) の構造
数字はそれぞれの膜厚(単位:nm)
CMSはCo2MnSiの組成のホイスラー合金を示す
CoFeはCo0.75Fe0.25 の組成の合金、IrMnはIr0.22Mn0.78 の組成の合金を表す。
・結晶構造の規則性の向上のため、下部CMS層成膜直後に400℃で熱処理を加えた。
・実施例2と同様に、成膜後に電子線リソグラフィー、Arイオンエッチング、により0.9μm×0.5μmの大きさに微細加工。絶縁体SiO2とCu上部電極をスパッタによって作成し、面直方向磁気抵抗効果素子を作成した。
・実施例2と同じ条件で磁場中熱処理を行い、同様の方法で磁気抵抗を測定した。
・磁気抵抗を測定した結果を図10に示す。面積あたり電気抵抗、RA=0.166Ω・μm2 室温で8.6%の磁気抵抗変化率を得た。
表6は実施例6に示す薄膜の作成条件を指し示す
表7はCPP-GMR素子の特性の比較を指し示す
Claims (5)
- 基材上に強磁性金属層、常磁性金属層及び強磁性金属層の3層構造を持つ薄膜が設けてある磁性薄膜素子であって、
少なくとも前記強磁性金属層と前記基材との間に、前記強磁性金属層の下地層として、面心立方格子の構造を持ち、かつ前記強磁性金属層よりも低い電気抵抗である金属からなる層が設けてあり、
前記強磁性金属層は組成式Co 2 FeAl x Si 1−x (CFAS)で表される層であって、当該CFAS層は、エピタキシャル成長され、結晶方位が[001]方向に揃ったものであることを特徴とする磁性薄膜素子。 - 前記CFAS層は、組成式Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 で表される層であることを特徴とする請求項1に記載の磁性薄膜素子。
- 基材上に強磁性金属層、常磁性金属層及び強磁性金属層の3層構造を持つ薄膜が設けてある磁性薄膜素子であって、
少なくとも前記強磁性金属層と前記基材との間に、前記強磁性金属層の下地層として、面心立方格子の構造を持ち、かつ前記強磁性金属層よりも低い電気抵抗である金属からなる層が設けてあり、
前記強磁性金属層は組成式Co 2 MnSi(CMS)で表される層であって、当該CMS層は、エピタキシャル成長され、結晶方位が[001]方向に揃ったものであることを特徴とする磁性薄膜素子。 - 前記基材は、MgOからなることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の磁性薄膜素子。
- 前記常磁性金属層が面心立方格子の構造を持ち、かつ前記強磁性金属層よりも低い電気抵抗である金属からなる層であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の磁性薄膜素子。
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