トンネル磁気抵抗効果膜および磁気デバイス
【課題】負のＭＲ比を有し、常温での使用が可能な、磁気メモリ等の実用品への利用を可能にするトンネル磁気抵抗効果膜を提供する。
【解決手段】トンネルバリア層１３を挟む配置に磁性層１２、１４ａが形成されたトンネル磁気抵抗効果膜３０であって、前記トンネルバリア層１３の一方の側の磁性層１２がFeN層であることを特徴とする。前記トンネルバリア層１３を挟む他方の側の磁性層１４ａは、磁化の向きが固定された固定磁性層として設けられている。
【解決手段】トンネルバリア層１３を挟む配置に磁性層１２、１４ａが形成されたトンネル磁気抵抗効果膜３０であって、前記トンネルバリア層１３の一方の側の磁性層１２がFeN層であることを特徴とする。前記トンネルバリア層１３を挟む他方の側の磁性層１４ａは、磁化の向きが固定された固定磁性層として設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗効果膜およびこのトンネル磁気抵抗効果膜を利用した磁気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ディスク装置に用いられる磁気ヘッドは、記録媒体に情報を記録するライトヘッドと、記録媒体に記録されている情報を読み取るリードヘッドとを備える。リードヘッドには、記録媒体に記録された磁化信号に応答して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子が用いられる。磁気抵抗効果素子（リード素子）は複数の磁性層や非磁性層を積層した磁気抵抗効果膜からなる。TMR(Tunneling Magneto Resistance)素子は、磁性層/トンネルバリア層/磁性層のように、トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が設けられた膜構成を有することが特徴である。このTMR型の磁気抵抗効果膜は、膜面に垂直にセンス電流を流して抵抗値の変化を検出するように用いられる。
【０００３】
磁気抵抗効果膜はトンネルバリア層を挟んで配置された磁性層の磁化の向きが平行である場合と反平行である場合によって抵抗値が変化し、平行（P)の場合と反平行（AP)の場合での抵抗値の増加率がＭＲ比＝（ＲAP−ＲP）／ＲP×100として定義される。
従来使用されているTMR型の磁気抵抗効果膜の場合は、トンネルバリア層を挟んで配置された磁性層の磁化の方向が平行となる場合よりも反平行となる場合の方が抵抗値が高く、正のＭＲ比を有するものが用いられている。
【０００４】
これに対して、従来とは逆に、トンネルバリア層を挟んで配置された磁性層の磁化の方向が平行となる方が反平行となる場合よりも抵抗が大きくなる、すなわち負のＭＲ比（インバースＭＲ）を示す磁性材および磁性材についての組み合わせが報告されている（非特許文献１〜３）。これらの負のＭＲ比を有する磁気抵抗効果膜は、正のＭＲ比を有する磁気抵抗効果膜にくらべてＭＲ比が小さいといった特性はあるが、その特性を生かして新規な磁気デバイスへの利用が可能である。なお、非特許文献１は、負のＭＲ比となる磁気抵抗効果膜として、Co/SrTiO/LaSrMnOからなる膜構成を開示し、非特許文献２は、NiFe/TaAlO/NiFeからなる磁気抵抗効果膜を開示し、非特許文献３は、Ni/NiO/Coからなる磁気抵抗効果膜を開示している。
【非特許文献１】Phys.Rev.Lett.82(1999)4288
【非特許文献２】Phys.Rev.Lett.82(1999)616
【非特許文献３】Phys.Rev.Lett.90(2003)186602
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、負のＭＲ比を示す磁気抵抗効果膜の構成が従来、いくつか報告されている。しかしながら、Co/SrTiO/LaSrMnOからなる膜構成を有する磁気抵抗効果膜の場合には、ＭＲ比が大きい（-50％）という利点はあるものの、磁性層であるLaSrMnOが酸化物であるという問題と、使用温度が５Ｋといった低温であるという問題がある。また、NiFe/TaAlO/NiFeからなる磁気抵抗効果膜は、従来の磁気抵抗効果膜に用いられている材料が使用できるという利点はあるものの、ＭＲ比がー４％と小さいという難点がある。また、Ni/NiO/Coからなる磁気抵抗効果膜も、従来の磁気抵抗効果膜に用いられている材料が使用できるという利点はあるものの、素子のサイズが６０nm以下というようにきわめて小さいという問題と、使用温度が４．２Ｋと低温であるという問題がある。
【０００６】
このように、負のＭＲ比を示す材料として従来提案されている磁気抵抗効果膜は、ＭＲ比が小さいために、磁気ヘッドに利用するような場合にはＭＲ比の大きな従来品にかえて使用する利点がないという問題や、使用温度が極低温領域であるために実用製品への応用が困難であるといった問題があった。
本発明は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜であって、十分に実用に耐えるＭＲ比を備え、かつ常温での使用が可能であることから、種々の用途への実用性の高いトンネル磁気抵抗効果膜およびこれを用いた磁気デバイスの例を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成されたトンネル磁気抵抗効果膜であって、前記トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層であることを特徴とする。
また、前記トンネルバリア層を挟む他方の側の磁性層が、磁化の向きが固定された固定磁性層として設けられていることにより、外部磁場が作用した際に前記一方の側の磁性層の磁化の向きが変化し、外部磁場の作用がトンネル磁気抵抗効果膜の抵抗値の変化として検知することが可能となる。
【０００８】
また、前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていること、また、前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることにより、固定磁性層の磁化の方向がより安定して保持される。
【０００９】
また、磁気デバイスとして、トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成され、該トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層からなるトンネル磁気抵抗効果膜を備えていることが有用である。磁気デバイスとしては、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜をリードヘッドを構成するリード素子の磁気抵抗効果膜として備えた磁気ヘッド、あるいは磁気メモリ等への応用が可能である。
【００１０】
また、磁気デバイスとして、固定磁性層、トンネルバリア層および正のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と、固定磁性層、トンネルバリア層および負のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とからなる磁気デバイスであって、前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部に設けられた、負のＭＲ比特性を有する磁性層がFeN層からなることを特徴とする。
また、前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていること、また、前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部は、固定磁性層を共通として、該固定磁性層上で相互に離間した配置に、前記トンネルバリア層と各々の磁性層が形成されていることにより、磁気メモリの要素として磁気デバイスに組み込んで使用することができる。
また、前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とが、アース電位とソース電極との間に直列に接続され、前記固定磁性層がゲート電極に接続され、外部磁場による入力信号の反転を、前記ゲートの反転出力として検知することにより、インバータ動作をなす論理回路として作用する磁気デバイスが構成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜は、常温で−３０％という大きな負のＭＲ比を有することから、負のＭＲ比の特性を生かして、磁気メモリ等の実用品への種々の利用が可能になる。また、本発明に係る磁気デバイスは、常温で使用でき、取り扱いやすく、十分に実用として利用できる製品として提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（トンネル磁気抵抗効果膜の構成）
図１は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜の構成とその構成を備えた、磁気ヘッドに用いられるリード素子の構成例を示す。図１（ａ）が、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜を備えたリード素子２０の構成を示し、図１（ｂ）が、従来のトンネル磁気抵抗効果膜を備えたリード素子２１の構成を示す。
図１（ａ）に示すリード素子２０は、アルチック（AlTiC)からなる基板１０上に、下地層１１として第１の下地層１１ａおよび第２の下地層１１ｂと、磁性層であるFeN（窒化鉄）層１２と、絶縁層であるトンネルバリア層１３と、固定磁性層１４と、反強磁性層１６と、キャップ層１７をこの順に積層して形成されている。なお、固定磁性層１４は、第１の磁性層１４ａ、および反強磁性結合層１５および第２の磁性層１４ｂを積層して構成されている。
【００１４】
リード素子２０において、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜３０は、トンネルバリア層１３と、トンネルバリア層１３を挟んで配置されているFeN層１２と第１の磁性層１４ａからなる。FeN層１２が、外部磁場の作用によって磁化の方向が変わるフリー層であり、第１の磁性層１４ａが磁化方向があらかじめ固定されているピン層として機能する。
固定磁性層１４に積層されている反強磁性層１６は、第２の磁性層１４ｂとの間の交換結合作用により、第２の磁性層１４ｂの磁化方向を固定する作用をなし、第１の磁性層１４ａと第２の磁性層１４ｂとが反強磁性結合層１５を介して反強磁性結合することによって、第１の磁性層１４ａの磁化方向がより安定した状態に固定される。
【００１５】
リード素子２０の膜構成、および各層には種々の材料が用いられるが、以下に、図１（ａ）における各層に用いられる材料と膜厚の例を示す。
第１の下地層１１ａとしてMgO（２nm）、第２の下地層１１ｂとして、Fe(５nm）、FeN層１２としてFe4N（５nm）、トンネルバリア層１３としてMgO(２nm）、第１の磁性層１４ａとしてCoFeB(４nm）、反強磁性結合層１５としてRu(０。８５nm）、第２の磁性層１４ｂとしてFe(３nm）、反強磁性層１６としてMnIr(７．５nm）、キャップ層１７としてTa(５nm）。
【００１６】
図１（ｂ）に示すリード素子２１は、TMR型の磁気抵抗効果膜として従来用いられている構成を示す。図１（ｂ）に示すリード素子２１の構成において図１（ａ）に示す構成と相違する点は、トンネルバリア層１３の下層に形成された磁性層２２の構成のみである。磁性層２２は、リード素子２１におけるフリー層として使用されるもので、NiFe等の軟磁性材が従来使用される。
【００１７】
図１（ｂ）に示すリード素子２１でのトンネル磁気抵抗効果膜３１は、磁性層２２とトンネルバリア層１３と第１の磁性層１４ａが相当する。磁性層２２以外の各層の構成および各層に用いられる材料は上述した図１（ａ）に示す場合と同一である。
図１（ｂ）は、TMR型の磁気抵抗効果膜を用いたリード素子の従来における典型的な構成例を示すものであり、図１（ａ）に示すリード素子２０は、従来のTMR型の磁気抵抗効果膜において、磁性層２２にかえてFeN層１２を用いて構成したことを示す。
【００１８】
図２は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜３０でのＭＲ比（図２（ａ））のグラフと、従来のトンネル磁気抵抗効果膜３１でのＭＲ比（図２（ｂ））とを対比して示したものである。
図２（ｂ）に示すように、従来のトンネル磁気抵抗効果膜３１の場合は、磁性層２２と第１の磁性層１４ａとの磁化方向が平行の場合よりも反平行となる方が抵抗値が大きくなる。すなわち、正のＭＲ比となる特性を有する。
これに対して、図２（ａ）に示すように、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜３０の場合には、FeN層１２と第１の磁性層１４ａの磁化方向が反平行となる方が平行となる場合よりも抵抗値が小さくなる。すなわち、負のＭＲ比の特性を有する。実験によると、上述した、Fe4N（５nm）／MgO(２nm）／CoFeB(４nm）からなるトンネル磁気抵抗効果膜によって、常温でＭＲ比−３０％が得られている。
【００１９】
このように、トンネル磁気抵抗効果膜として常温でＭＲ比ー３０％という高いＭＲ比を得ることができれば、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜を磁気ヘッドのリード素子として利用することが可能である。一般に、磁気ヘッドではＭＲ比（絶対値）が大きいほど特性が安定して有利であるから、負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜を磁気ヘッドのリード素子に利用する場合には、さらにＭＲ比の大きな磁気抵抗効果膜を開発する必要がある。
【００２０】
（磁気デバイスへの利用例）
以下に、本発明に係る負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜の利用例として、正のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜と組み合わせて磁気デバイスとしてのランダムアクセスメモリを構成した例を示す。
図３は、正のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜であるFe（磁性層）／MgO（トンネルバリア層）／CoFeB(磁性層)と、負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜であるFeN（磁性層）／MgO（トンネルバリア層）／CoFeB(磁性層)を組み合わせて構成したランダムアクセスメモリの構成を説明的に示した。
【００２１】
この磁気デバイスは、CoFeBからなる固定磁性層４０を共通の磁性層として、この固定磁性層４０の上に若干離間させて、MgOからなるトンネルバリア層４２を挟んでFe層４４とFeN層４６とを形成したものである。CoFeBからなる固定磁性層４０は外部磁場によって磁化方向が変動しない強磁性層として用いられ、着磁工程によってあらかじめ磁化方向が固定されている。これに対して、Fe層４４およびFeN層４６は外部磁場の作用によって磁化の方向が変わるように設定されている。
なお、固定磁性層４０の磁化方向を固定するために、固定磁性層４０を反強磁性結合層を介して複数の固定磁性層を積層した構成とすることも可能であり、反強磁性層を積層し固定磁性層との間の交換結合作用を利用して磁化方向を固定する構成とすることも可能である。
【００２２】
固定磁性層４０の上に、トンネルバリア層４２を挟んでFe層４４とFeN層４６とを形成したことにより、Fe層４４が形成された領域は、固定磁性層４０とトンネルバリア層４２とFe層４４とからなる第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１となり、FeN層４６が形成された領域は、固定磁性層４０とトンネルバリア層４２とFeN層４４とからなる第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２となる。
FeN層４６が形成された第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２は、負のＭＲ比の特性を有し、Fe層４４を備えた第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１は、正のＭＲ比の特性を有することになる。
【００２３】
なお、図３では、基板を示していないが、固定磁性層４０、トンネルバリア層４２、Fe層４４およびFeN層４６は、スパッタリングによって基板上に成膜して形成する。固定磁性層４０、トンネルバリア層４２、Fe層４４およびFeN層４６は、従来の成膜方法を利用することによって、任意の厚さ、任意の平面パターンに形成することができる。
Fe層４４はアースに接続され、FeN層４６はソース電極に接続され、固定磁性層４０はゲート電極に接続される。
【００２４】
図４は、図３に示す磁気デバイスの論理回路を示す。すなわち、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１と第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２が、直列にアースとソース電極との間に配置され、固定磁性層４０から出力が取り出される構成となる。
入力信号は磁気デバイスに作用する外部磁場である。すなわち、磁気デバイスのFe層４４とFeN層４６に、その磁化方向が反転するような外部磁場が作用することによって、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１と第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２の抵抗値が変化し、その抵抗値の変化によってゲート出力が変化する。
磁気デバイスのFe層４４とFeN層４６の磁化方向を反転させる外部磁場を作用させる方法としては、たとえば、磁気デバイスの近傍に導線を配置し、導線に流す電流の方向を正逆方向に切り替えるようにすればよい。
【００２５】
第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１は正のＭＲ比特性を有するのに対して、第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２は負のＭＲ比特性を有するから、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１と第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２は、その磁化の向きが固定磁性層４０の磁化の向きに対して、平行と反平行になる場合での抵抗値の大小関係が逆の関係にあり、この特性を利用することによって、図４に示す論理回路はインバータ回路として構成される。
【００２６】
図５は、上述した磁気デバイスについての動作を示す。まず、磁気デバイスに対する入力信号が０のとき、すなわち、磁気デバイスのFe層４４とFeN層４６の磁化の向きが、固定磁性層４０の磁化の向きとは逆向きとなるように外部磁場を印加する場合を入力信号が０の状態とすると、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１では、固定磁性層４０とFe層４４の磁化の向きが反平行となって抵抗値が大きくなるのに対して、第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２では、固定磁性層４０とFeN層４６の磁化の向きが反平行となって抵抗値が小さくなる。この結果、ゲート出力は１（電圧：高）となる。
【００２７】
一方、磁気デバイスへの入力信号を１、すなわち、固定磁性層４０の磁化の向きに対してFe層４４とFeN層４６の磁化の向きが平行となるように外部磁場を印加すると、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１では、抵抗値が小さくなるのに対して、第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２では抵抗値が高くなる。この結果、ゲート出力は０（電圧：低）となる。
【００２８】
こうして、入力信号が０と１に対応して、ゲート出力が１と０となるインバータ動作が実現される。このインバータ動作は、磁気デバイスに外部磁場が入力されてはじめて反転動作するもので、磁気デバイスに外部磁場が作用しないと前の状態をそのまま維持している。すなわり、この磁気デバイスはランダムアクセスメモリとして機能する。
【００２９】
ランダムアクセスメモリの場合には、磁化の向きを保持するだけであるから大きなＭＲ比の特性を要しない。したがって、このような磁気デバイスに本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜は十分に利用することができる。とくに、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜は常温での使用が可能であり、ー３０％という大きなＭＲ比を有することから、前述した磁気ヘッドへの利用を含めて、種々の磁気デバイスへの実用利用が十分に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜を用いたリード素子の構成（a）と、従来のリード素子の構成（b）を示す説明図である。
【図２】トンネル磁気抵抗効果膜について負のＭＲ比（a）と、正のＭＲ比（b）を示すグラフである。
【図３】負のＭＲ比の特性を有するトンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気デバイスの構成例を示す説明図である。
【図４】図３の磁気デバイスの論理回路である。
【図５】図３の磁気デバイスの動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 基板
１１ 下地層
１２ FeN層
１３ トンネルバリア層
１４ 固定磁性層
１４ａ 第１の磁性層
１４ｂ 第２の磁性層
１５ 反強磁性結合層
１６ 反強磁性層
１７ キャップ層
２０、２１ リード素子
２２ 磁性層
３０、３１ トンネル磁気抵抗効果膜
４０ 固定磁性層
４２ トンネルバリア層
４４ Fe層
４６ FeN層
５１ 第１のトンネル磁気抵抗効果膜部
５２ 第２のトンネル磁気抵抗効果膜部
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗効果膜およびこのトンネル磁気抵抗効果膜を利用した磁気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ディスク装置に用いられる磁気ヘッドは、記録媒体に情報を記録するライトヘッドと、記録媒体に記録されている情報を読み取るリードヘッドとを備える。リードヘッドには、記録媒体に記録された磁化信号に応答して抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子が用いられる。磁気抵抗効果素子（リード素子）は複数の磁性層や非磁性層を積層した磁気抵抗効果膜からなる。TMR(Tunneling Magneto Resistance)素子は、磁性層/トンネルバリア層/磁性層のように、トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が設けられた膜構成を有することが特徴である。このTMR型の磁気抵抗効果膜は、膜面に垂直にセンス電流を流して抵抗値の変化を検出するように用いられる。
【０００３】
磁気抵抗効果膜はトンネルバリア層を挟んで配置された磁性層の磁化の向きが平行である場合と反平行である場合によって抵抗値が変化し、平行（P)の場合と反平行（AP)の場合での抵抗値の増加率がＭＲ比＝（ＲAP−ＲP）／ＲP×100として定義される。
従来使用されているTMR型の磁気抵抗効果膜の場合は、トンネルバリア層を挟んで配置された磁性層の磁化の方向が平行となる場合よりも反平行となる場合の方が抵抗値が高く、正のＭＲ比を有するものが用いられている。
【０００４】
これに対して、従来とは逆に、トンネルバリア層を挟んで配置された磁性層の磁化の方向が平行となる方が反平行となる場合よりも抵抗が大きくなる、すなわち負のＭＲ比（インバースＭＲ）を示す磁性材および磁性材についての組み合わせが報告されている（非特許文献１〜３）。これらの負のＭＲ比を有する磁気抵抗効果膜は、正のＭＲ比を有する磁気抵抗効果膜にくらべてＭＲ比が小さいといった特性はあるが、その特性を生かして新規な磁気デバイスへの利用が可能である。なお、非特許文献１は、負のＭＲ比となる磁気抵抗効果膜として、Co/SrTiO/LaSrMnOからなる膜構成を開示し、非特許文献２は、NiFe/TaAlO/NiFeからなる磁気抵抗効果膜を開示し、非特許文献３は、Ni/NiO/Coからなる磁気抵抗効果膜を開示している。
【非特許文献１】Phys.Rev.Lett.82(1999)4288
【非特許文献２】Phys.Rev.Lett.82(1999)616
【非特許文献３】Phys.Rev.Lett.90(2003)186602
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、負のＭＲ比を示す磁気抵抗効果膜の構成が従来、いくつか報告されている。しかしながら、Co/SrTiO/LaSrMnOからなる膜構成を有する磁気抵抗効果膜の場合には、ＭＲ比が大きい（-50％）という利点はあるものの、磁性層であるLaSrMnOが酸化物であるという問題と、使用温度が５Ｋといった低温であるという問題がある。また、NiFe/TaAlO/NiFeからなる磁気抵抗効果膜は、従来の磁気抵抗効果膜に用いられている材料が使用できるという利点はあるものの、ＭＲ比がー４％と小さいという難点がある。また、Ni/NiO/Coからなる磁気抵抗効果膜も、従来の磁気抵抗効果膜に用いられている材料が使用できるという利点はあるものの、素子のサイズが６０nm以下というようにきわめて小さいという問題と、使用温度が４．２Ｋと低温であるという問題がある。
【０００６】
このように、負のＭＲ比を示す材料として従来提案されている磁気抵抗効果膜は、ＭＲ比が小さいために、磁気ヘッドに利用するような場合にはＭＲ比の大きな従来品にかえて使用する利点がないという問題や、使用温度が極低温領域であるために実用製品への応用が困難であるといった問題があった。
本発明は、これらの課題を解決すべくなされたものであり、負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜であって、十分に実用に耐えるＭＲ比を備え、かつ常温での使用が可能であることから、種々の用途への実用性の高いトンネル磁気抵抗効果膜およびこれを用いた磁気デバイスの例を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成されたトンネル磁気抵抗効果膜であって、前記トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層であることを特徴とする。
また、前記トンネルバリア層を挟む他方の側の磁性層が、磁化の向きが固定された固定磁性層として設けられていることにより、外部磁場が作用した際に前記一方の側の磁性層の磁化の向きが変化し、外部磁場の作用がトンネル磁気抵抗効果膜の抵抗値の変化として検知することが可能となる。
【０００８】
また、前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていること、また、前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることにより、固定磁性層の磁化の方向がより安定して保持される。
【０００９】
また、磁気デバイスとして、トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成され、該トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層からなるトンネル磁気抵抗効果膜を備えていることが有用である。磁気デバイスとしては、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜をリードヘッドを構成するリード素子の磁気抵抗効果膜として備えた磁気ヘッド、あるいは磁気メモリ等への応用が可能である。
【００１０】
また、磁気デバイスとして、固定磁性層、トンネルバリア層および正のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と、固定磁性層、トンネルバリア層および負のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とからなる磁気デバイスであって、前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部に設けられた、負のＭＲ比特性を有する磁性層がFeN層からなることを特徴とする。
また、前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていること、また、前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部は、固定磁性層を共通として、該固定磁性層上で相互に離間した配置に、前記トンネルバリア層と各々の磁性層が形成されていることにより、磁気メモリの要素として磁気デバイスに組み込んで使用することができる。
また、前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とが、アース電位とソース電極との間に直列に接続され、前記固定磁性層がゲート電極に接続され、外部磁場による入力信号の反転を、前記ゲートの反転出力として検知することにより、インバータ動作をなす論理回路として作用する磁気デバイスが構成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜は、常温で−３０％という大きな負のＭＲ比を有することから、負のＭＲ比の特性を生かして、磁気メモリ等の実用品への種々の利用が可能になる。また、本発明に係る磁気デバイスは、常温で使用でき、取り扱いやすく、十分に実用として利用できる製品として提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（トンネル磁気抵抗効果膜の構成）
図１は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜の構成とその構成を備えた、磁気ヘッドに用いられるリード素子の構成例を示す。図１（ａ）が、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜を備えたリード素子２０の構成を示し、図１（ｂ）が、従来のトンネル磁気抵抗効果膜を備えたリード素子２１の構成を示す。
図１（ａ）に示すリード素子２０は、アルチック（AlTiC)からなる基板１０上に、下地層１１として第１の下地層１１ａおよび第２の下地層１１ｂと、磁性層であるFeN（窒化鉄）層１２と、絶縁層であるトンネルバリア層１３と、固定磁性層１４と、反強磁性層１６と、キャップ層１７をこの順に積層して形成されている。なお、固定磁性層１４は、第１の磁性層１４ａ、および反強磁性結合層１５および第２の磁性層１４ｂを積層して構成されている。
【００１４】
リード素子２０において、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜３０は、トンネルバリア層１３と、トンネルバリア層１３を挟んで配置されているFeN層１２と第１の磁性層１４ａからなる。FeN層１２が、外部磁場の作用によって磁化の方向が変わるフリー層であり、第１の磁性層１４ａが磁化方向があらかじめ固定されているピン層として機能する。
固定磁性層１４に積層されている反強磁性層１６は、第２の磁性層１４ｂとの間の交換結合作用により、第２の磁性層１４ｂの磁化方向を固定する作用をなし、第１の磁性層１４ａと第２の磁性層１４ｂとが反強磁性結合層１５を介して反強磁性結合することによって、第１の磁性層１４ａの磁化方向がより安定した状態に固定される。
【００１５】
リード素子２０の膜構成、および各層には種々の材料が用いられるが、以下に、図１（ａ）における各層に用いられる材料と膜厚の例を示す。
第１の下地層１１ａとしてMgO（２nm）、第２の下地層１１ｂとして、Fe(５nm）、FeN層１２としてFe4N（５nm）、トンネルバリア層１３としてMgO(２nm）、第１の磁性層１４ａとしてCoFeB(４nm）、反強磁性結合層１５としてRu(０。８５nm）、第２の磁性層１４ｂとしてFe(３nm）、反強磁性層１６としてMnIr(７．５nm）、キャップ層１７としてTa(５nm）。
【００１６】
図１（ｂ）に示すリード素子２１は、TMR型の磁気抵抗効果膜として従来用いられている構成を示す。図１（ｂ）に示すリード素子２１の構成において図１（ａ）に示す構成と相違する点は、トンネルバリア層１３の下層に形成された磁性層２２の構成のみである。磁性層２２は、リード素子２１におけるフリー層として使用されるもので、NiFe等の軟磁性材が従来使用される。
【００１７】
図１（ｂ）に示すリード素子２１でのトンネル磁気抵抗効果膜３１は、磁性層２２とトンネルバリア層１３と第１の磁性層１４ａが相当する。磁性層２２以外の各層の構成および各層に用いられる材料は上述した図１（ａ）に示す場合と同一である。
図１（ｂ）は、TMR型の磁気抵抗効果膜を用いたリード素子の従来における典型的な構成例を示すものであり、図１（ａ）に示すリード素子２０は、従来のTMR型の磁気抵抗効果膜において、磁性層２２にかえてFeN層１２を用いて構成したことを示す。
【００１８】
図２は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜３０でのＭＲ比（図２（ａ））のグラフと、従来のトンネル磁気抵抗効果膜３１でのＭＲ比（図２（ｂ））とを対比して示したものである。
図２（ｂ）に示すように、従来のトンネル磁気抵抗効果膜３１の場合は、磁性層２２と第１の磁性層１４ａとの磁化方向が平行の場合よりも反平行となる方が抵抗値が大きくなる。すなわち、正のＭＲ比となる特性を有する。
これに対して、図２（ａ）に示すように、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜３０の場合には、FeN層１２と第１の磁性層１４ａの磁化方向が反平行となる方が平行となる場合よりも抵抗値が小さくなる。すなわち、負のＭＲ比の特性を有する。実験によると、上述した、Fe4N（５nm）／MgO(２nm）／CoFeB(４nm）からなるトンネル磁気抵抗効果膜によって、常温でＭＲ比−３０％が得られている。
【００１９】
このように、トンネル磁気抵抗効果膜として常温でＭＲ比ー３０％という高いＭＲ比を得ることができれば、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜を磁気ヘッドのリード素子として利用することが可能である。一般に、磁気ヘッドではＭＲ比（絶対値）が大きいほど特性が安定して有利であるから、負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜を磁気ヘッドのリード素子に利用する場合には、さらにＭＲ比の大きな磁気抵抗効果膜を開発する必要がある。
【００２０】
（磁気デバイスへの利用例）
以下に、本発明に係る負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜の利用例として、正のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜と組み合わせて磁気デバイスとしてのランダムアクセスメモリを構成した例を示す。
図３は、正のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜であるFe（磁性層）／MgO（トンネルバリア層）／CoFeB(磁性層)と、負のＭＲ比を有するトンネル磁気抵抗効果膜であるFeN（磁性層）／MgO（トンネルバリア層）／CoFeB(磁性層)を組み合わせて構成したランダムアクセスメモリの構成を説明的に示した。
【００２１】
この磁気デバイスは、CoFeBからなる固定磁性層４０を共通の磁性層として、この固定磁性層４０の上に若干離間させて、MgOからなるトンネルバリア層４２を挟んでFe層４４とFeN層４６とを形成したものである。CoFeBからなる固定磁性層４０は外部磁場によって磁化方向が変動しない強磁性層として用いられ、着磁工程によってあらかじめ磁化方向が固定されている。これに対して、Fe層４４およびFeN層４６は外部磁場の作用によって磁化の方向が変わるように設定されている。
なお、固定磁性層４０の磁化方向を固定するために、固定磁性層４０を反強磁性結合層を介して複数の固定磁性層を積層した構成とすることも可能であり、反強磁性層を積層し固定磁性層との間の交換結合作用を利用して磁化方向を固定する構成とすることも可能である。
【００２２】
固定磁性層４０の上に、トンネルバリア層４２を挟んでFe層４４とFeN層４６とを形成したことにより、Fe層４４が形成された領域は、固定磁性層４０とトンネルバリア層４２とFe層４４とからなる第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１となり、FeN層４６が形成された領域は、固定磁性層４０とトンネルバリア層４２とFeN層４４とからなる第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２となる。
FeN層４６が形成された第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２は、負のＭＲ比の特性を有し、Fe層４４を備えた第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１は、正のＭＲ比の特性を有することになる。
【００２３】
なお、図３では、基板を示していないが、固定磁性層４０、トンネルバリア層４２、Fe層４４およびFeN層４６は、スパッタリングによって基板上に成膜して形成する。固定磁性層４０、トンネルバリア層４２、Fe層４４およびFeN層４６は、従来の成膜方法を利用することによって、任意の厚さ、任意の平面パターンに形成することができる。
Fe層４４はアースに接続され、FeN層４６はソース電極に接続され、固定磁性層４０はゲート電極に接続される。
【００２４】
図４は、図３に示す磁気デバイスの論理回路を示す。すなわち、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１と第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２が、直列にアースとソース電極との間に配置され、固定磁性層４０から出力が取り出される構成となる。
入力信号は磁気デバイスに作用する外部磁場である。すなわち、磁気デバイスのFe層４４とFeN層４６に、その磁化方向が反転するような外部磁場が作用することによって、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１と第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２の抵抗値が変化し、その抵抗値の変化によってゲート出力が変化する。
磁気デバイスのFe層４４とFeN層４６の磁化方向を反転させる外部磁場を作用させる方法としては、たとえば、磁気デバイスの近傍に導線を配置し、導線に流す電流の方向を正逆方向に切り替えるようにすればよい。
【００２５】
第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１は正のＭＲ比特性を有するのに対して、第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２は負のＭＲ比特性を有するから、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１と第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２は、その磁化の向きが固定磁性層４０の磁化の向きに対して、平行と反平行になる場合での抵抗値の大小関係が逆の関係にあり、この特性を利用することによって、図４に示す論理回路はインバータ回路として構成される。
【００２６】
図５は、上述した磁気デバイスについての動作を示す。まず、磁気デバイスに対する入力信号が０のとき、すなわち、磁気デバイスのFe層４４とFeN層４６の磁化の向きが、固定磁性層４０の磁化の向きとは逆向きとなるように外部磁場を印加する場合を入力信号が０の状態とすると、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１では、固定磁性層４０とFe層４４の磁化の向きが反平行となって抵抗値が大きくなるのに対して、第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２では、固定磁性層４０とFeN層４６の磁化の向きが反平行となって抵抗値が小さくなる。この結果、ゲート出力は１（電圧：高）となる。
【００２７】
一方、磁気デバイスへの入力信号を１、すなわち、固定磁性層４０の磁化の向きに対してFe層４４とFeN層４６の磁化の向きが平行となるように外部磁場を印加すると、第１のトンネル磁気抵抗効果膜部５１では、抵抗値が小さくなるのに対して、第２のトンネル磁気抵抗効果膜部５２では抵抗値が高くなる。この結果、ゲート出力は０（電圧：低）となる。
【００２８】
こうして、入力信号が０と１に対応して、ゲート出力が１と０となるインバータ動作が実現される。このインバータ動作は、磁気デバイスに外部磁場が入力されてはじめて反転動作するもので、磁気デバイスに外部磁場が作用しないと前の状態をそのまま維持している。すなわり、この磁気デバイスはランダムアクセスメモリとして機能する。
【００２９】
ランダムアクセスメモリの場合には、磁化の向きを保持するだけであるから大きなＭＲ比の特性を要しない。したがって、このような磁気デバイスに本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜は十分に利用することができる。とくに、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜は常温での使用が可能であり、ー３０％という大きなＭＲ比を有することから、前述した磁気ヘッドへの利用を含めて、種々の磁気デバイスへの実用利用が十分に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るトンネル磁気抵抗効果膜を用いたリード素子の構成（a）と、従来のリード素子の構成（b）を示す説明図である。
【図２】トンネル磁気抵抗効果膜について負のＭＲ比（a）と、正のＭＲ比（b）を示すグラフである。
【図３】負のＭＲ比の特性を有するトンネル磁気抵抗効果膜を用いた磁気デバイスの構成例を示す説明図である。
【図４】図３の磁気デバイスの論理回路である。
【図５】図３の磁気デバイスの動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 基板
１１ 下地層
１２ FeN層
１３ トンネルバリア層
１４ 固定磁性層
１４ａ 第１の磁性層
１４ｂ 第２の磁性層
１５ 反強磁性結合層
１６ 反強磁性層
１７ キャップ層
２０、２１ リード素子
２２ 磁性層
３０、３１ トンネル磁気抵抗効果膜
４０ 固定磁性層
４２ トンネルバリア層
４４ Fe層
４６ FeN層
５１ 第１のトンネル磁気抵抗効果膜部
５２ 第２のトンネル磁気抵抗効果膜部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成されたトンネル磁気抵抗効果膜であって、
前記トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項２】
前記トンネルバリア層を挟む他方の側の磁性層が、磁化の向きが固定された固定磁性層として設けられていることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項３】
前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていることを特徴とする請求項２記載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項４】
前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項２移載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項５】
トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成され、該トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層からなるトンネル磁気抵抗効果膜を備えていることを特徴とする磁気デバイス。
【請求項６】
固定磁性層、トンネルバリア層および正のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と、
固定磁性層、トンネルバリア層および負のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とからなる磁気デバイスであって、
前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部に設けられた、負のＭＲ比特性を有する磁性層がFeN層からなることを特徴とする磁気デバイス。
【請求項７】
前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていることを特徴とする請求項６記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項６移載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項９】
前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部は、固定磁性層を共通として、該固定磁性層上で相互に離間した配置に、前記トンネルバリア層と各々の磁性層が形成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とが、アース電位とソース電極との間に直列に接続され、
前記固定磁性層がゲート電極に接続され、
外部磁場による入力信号の反転を、前記ゲートの反転出力として検知することを特徴とする請求項９記載の磁気デバイス。
【請求項１】
トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成されたトンネル磁気抵抗効果膜であって、
前記トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項２】
前記トンネルバリア層を挟む他方の側の磁性層が、磁化の向きが固定された固定磁性層として設けられていることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項３】
前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていることを特徴とする請求項２記載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項４】
前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項２移載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項５】
トンネルバリア層を挟む配置に磁性層が形成され、該トンネルバリア層の一方の側の磁性層がFeN層からなるトンネル磁気抵抗効果膜を備えていることを特徴とする磁気デバイス。
【請求項６】
固定磁性層、トンネルバリア層および正のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と、
固定磁性層、トンネルバリア層および負のＭＲ比特性を有する磁性層を備えた第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とからなる磁気デバイスであって、
前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部に設けられた、負のＭＲ比特性を有する磁性層がFeN層からなることを特徴とする磁気デバイス。
【請求項７】
前記固定磁性層は、反強磁性結合層を介して第１の固定磁性層と、第２の固定磁性層とが積層されて構成されていることを特徴とする請求項６記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記固定磁性層の隣接層として、固定磁性層と交換結合して固定磁性層の磁化を固定させる反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項６移載のトンネル磁気抵抗効果膜。
【請求項９】
前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部は、固定磁性層を共通として、該固定磁性層上で相互に離間した配置に、前記トンネルバリア層と各々の磁性層が形成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
前記第１のトンネル磁気抵抗効果膜部と前記第２のトンネル磁気抵抗効果膜部とが、アース電位とソース電極との間に直列に接続され、
前記固定磁性層がゲート電極に接続され、
外部磁場による入力信号の反転を、前記ゲートの反転出力として検知することを特徴とする請求項９記載の磁気デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１９２６３４（Ｐ２００８−１９２６３４Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２１６０（Ｐ２００７−２２１６０）
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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