权利要求

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大きな磁気抵抗変化を示す強磁性トンネル接合素子に関するものであり、垂直および面内の高密度磁気記録再生用磁気ヘッド、エンコーダ等の各種磁気センサ、および磁化の平行・反平行状態を利用して記憶する固体メモリ素子への利用が可能である。

【０００２】

【従来の技術】強磁性トンネル接合は図１に示すように、数１０Å以下の薄い絶縁バリア層の両側を強磁性層で挟みこんだ構造を持つ。 この接合の電気伝導は、強磁性層のスピン電子が数１０Å以下の薄い絶縁バリア層をトンネリングすることにより生じており、両強磁性層の磁化の方向が平行か反平行かで電気抵抗が変化する一種の磁気抵抗効果を示す。 このトンネル接合の最初の報告は、１９７５年にＪｕｌｌｉｅｒｅらによってＦｅ／Ｇ
ｅＯ／Ｃｏ接合の場合について行われており、４２Ｋで約１４％の磁気抵抗比が得られている。 その後、前川、
Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉおよびその他の研究者によって、理論・実験両面から遷移強磁性金属であるＦｅ、Ｎ
ｉ、Ｃｏおよびこれらの合金をベースとしたトンネル接合の研究が行われてきた。 トンネル接合の磁気抵抗比の理論的上限ΔＲ／Ｒは、（１）式のように各強磁性層Ａ
およびＢのフェルミ面におけるスピン分極率Ｐ _ＡおよびＰ _Ｂによって決まるとされている。

例えば、遷移金属中で比較的スピン分極率Ｐが大きいとされるＦｅ（Ｐ＝約４４％）では、約４８％の磁気抵抗比が期待される。 しかし、トンネル接合においては均一で薄い絶縁バリア層の作製が難しいため、実験結果として報告される磁気抵抗比は、室温で１％以下と理論的期待値よりも小さなものが多かった。 最近では、実験技術の進歩により、良質なトンネル接合が得られるようになり、室温で１０〜２０％の磁気抵抗比が得られるようになっている（Ｍｏｏｄｅｒａら１９９５、および宮崎ら１９９５）。 以上のような遷移強磁性金属をベースとした研究の他に、スピン分極率の大きな材料をベースとしようという試みも行われている。 Ｃ１

_ｂ型Ｈｅｕｓｌｅ

ｒ合金の一つであるＰｔＭｎＳｂは、室温で最も大きな極磁気力一回転角を示すが、この電子状態のバンド計算を行った結果、多数スピン電子は半導体的なバンド構造を持ち、少数スピン電子は金属的なバンド構造を持つことが明らかとなった（ｄｅ Ｇｒｏｏｔら１９８３）。

このように多数あるいは少数スピン電子が半導体的、もう片方のスピン電子が金属的な電子状態を持つ磁性体をハーフメタル（Ｈａｌｆ−ｍｅｔａｌ）と呼ぶが、このハーフメタルのフェルミ面における電子は完全に分極しているため、Ｐは１００％である。 このようなハーフメタルをベースとしたトンネル接合は、（１）式から理論的には無限大の磁気抵抗比を示すことが理解される。 実験的にはＭＩＴのグループが、Ｃ１

_ｂ型Ｈｅｕｓｌｅｒ

化合物をベースとしたトンネル接合を試みているが、現在のところ数％以下の磁気抵抗比しか得られていない。

最近、ＩＢＭのグループによって同じハーフメタルであるペロブスカイト型Ｍｎ酸化物をベースとしたトンネル接合が試みられ、４．２Ｋの極低温で約１００％の磁気抵抗比が得られているが、キュリー点が室温以下であるため、室温での磁気抵抗比はほとんど０％となり、実用性がない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のトンネル接合の研究では、遷移強磁性金属Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらの合金をベースとしたものがほとんどで、スピン分極率は最大４０％程度であるために、得られる磁気抵抗比の大きさは限られている。 トンネル接合で強磁性金属上に数１０Åの薄く、かつ均一な絶縁酸化物層を成長させることは難しいため、再現性のある素子を作製するのは困難である。 また、フェルミ面におけるスピン分極率が、１００％のハーフメタルを用いる試みもなされている。 ハーフメタルの中でも金属間化合物の場合には良質な絶縁バリア層を形成させることが困難で、化学的および機械的安定性の面でも問題がある。 ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物の場合には、極低温でしか大きな抵抗変化を得ることができないため、室温においては実用に供することはできない。 さらに、磁気ヘッド・磁気センサへの応用には、低磁場における磁気抵抗比の磁場勾配が大きいことが要求されるので、磁場勾配が問題となる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記に述べたように、トンネル接合素子で得られる磁気抵抗比の上限は、強磁性金属層のフェルミ面におけるスピン分極率で決まるため、完全にスピン分極したハーフメタルを用いれば、最も大きな磁気抵抗比が期待できる。 しかし、ハーフメタルであっても、Ｈｅｕｓｌｅｒ化合物のようなＭｎ系金属間化合物上には、この素子実現のために最も重要となる均一で薄い絶縁バリア酸化物層を得ることは困難である。 また、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物は、極低温でしか大きな磁気抵抗変化を得ることができす、実用素子として用いることはできない。 そこで、キュリー点が室温以上のハーフメタル酸化物を強磁性層として用いて、同時に絶縁バリア層として同じ酸化物を選択すれば、濡れ性が良好なためにマイグレーションが進み、良質な絶縁バリア層を実現することができる。

【０００５】トンネル素子を構成する各層は、多結晶体であってもトンネル磁気抵抗効果は発現するが、より大きな磁気抵抗比と高い磁場感度を得るためには、素子を構成する各層をエピタキシャル成長させてやればよい。
これは単結晶であるエピタキシャル膜の７５が、よりバンド計算で得られるような完全なスピン分極に近い状態が得られ、同時に磁壁移動もスムースに行われ、磁気的にソフトになるためである。

【０００６】さらに、磁気ヘッドなど高い磁場感度を必要とする目的には、片側の強磁性層を高い透磁率を有する軟磁性体とハーフメタル酸化物で構成すれば、強磁性層を全てハーフメタルで構成する場合よりも、低磁場での立ち上がりの良好な素子を得ることができる。 また、
強磁性層を両方ハーフメタルで構成する場合も、片側のハーフメタル層表面を軟磁性層でコートすることで、同様の効果を得ることができる。

【０００７】本発明の特徴とするところは次の通りである。 第１発明は、絶縁バリア層の両側を室温以上のキュリー点を有するハーフメタル強磁性酸化物層が挟みこむ構造を特徴とする強磁性トンネル接合素子に関する。

【０００８】第２発明は、片側のハーフメタル強磁性酸化物層が、一部または全部が軟磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の強磁性トンネル接合素子に関する。

【０００９】第３発明は、構成する各層が、エピタキシャル成長していることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいすれか１項に記載の強磁性トンネル接合素子に関する。

【００１０】第４発明は、ハーフメタル強磁性酸化物層が、マグネタイトまたは二酸化クロムであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の強磁性トンネル接合素子に関する。

【００１１】第５発明は、絶縁バリア層が、ＮａＣｌ構造を有する絶縁酸化物または酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の強磁性トンネル接合素子に関する。

【００１２】第６発明は、請求項１ないし請求項５のいすれか１項に記載の強磁性トンネル接合素子からなる磁気ヘッドに関する。

【００１３】第７発明は、請求項１ないし請求項５のいすれか１項に記載の強磁性トンネル接合素子からなる磁気センサに関する。

【００１４】第８発明は、請求項１ないし請求項５のいすれか１項に記載の強磁性トンネル接合素子からなる固体素子メモリに関する。

【００１５】

【作用】以上述べたように、トンネル接合において、大きな磁気抵抗変化を得るためには、フェルミ面におけるスピン分極率Ｐの大きな強磁性体を用いればよい。 従って、フェルミ面において完全にスピン分極したハーフメタルカが適しているが、中でもハーフメタル酸化物は、
次の２つの点で優れている。 合金や金属間化合物上に酸化物絶縁バリア層を成長させるよりも、同じ酸化物上に成長させた方がより良質なバリア層を実現できる。 また、酸化物は化学的・機械的に安定であるため、実用素子として用いる上での利点となる。

【００１６】ハーフメタル酸化物の中でもマグネタイトは、５８５℃の高いキュリー点を有し、かつ天然に安定して存在するため化学的および機械的安定性も高く、各種磁気センサ等の実用素子に用いるためには、最も有利な材料であるといえる。

【００１７】二酸化クロムもハーフメタルであり、実験的にも１００％近くのスピン分極率を持つことが確かめられている。 しかし、キュリー点は約１２０℃であるため、比較的低い温度での応用に適している。 現在、バンド計算から確認されている室温以上にキュリー点を持つハーフメタル酸化物はマグネタイトと二酸化クロムだけであるが、今後理論的研究が進めば他にもハーフメタル酸化物が見出される可能性も存在しているので、これらの新しいハーフメタル酸化物の使用も考えられる。

【００１８】トンネル接合において、より大きな磁気抵抗比と高い磁場感度を得るためには、各層をエピタキシャル成長させてやればよいが、マグネタイトを強磁性層としＭｇＯ、ＮｉＯ、ＦｅＯ、ＣｏＯまたはＭｎＯなどのＮａＣｌ構造を持つ絶縁酸化物をバリア層として用いれば、格子不整合を小さくできるので、構造的に良好な接合となり、他の場合に比べて大きな磁気抵抗比が得られる。 同時に、磁壁移動もスムースになるため、良好な低磁場特性が得られる。 また、酸化アルミニウムは、絶縁バリアとしてのエネルギー高さが高いため、安定したトンネル接合が得られる。

【００１９】トンネル効果を発現させるためには、強磁性層間で保磁力差をつける必要があるが、一般的にはＦ
ｅＭｎなどの反強磁性体が、ピン止め層として用いられる。 マグネタイトベースのトンネル接合のピン止め層としては、ＮｉＯなどのＮａＣｌ構造を持つ反強磁性酸化物が格子不整合が小さく、かつ同じ酸化物であるため有利である。

【００２０】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。 実施例１ 試料番号００２の多結晶強磁性トンネル接合素子の作製と評価 マグネタイトとマグネシア層の成膜には、イオンビームスパッタ装置を用いた。 最終到達真空度は２×１０ ^−８
Ｔｏｒｒ以下、イオンビーム加速電圧は１０００Ｖである。 ハーフメタル酸化物層および絶縁バリア層の成膜用には酸化物焼結ターゲットを用い、成膜中に酸素ガスを流すことで酸素組成の制御を行った。 メタルマスクを用いて、図２に示すようなマグネタイトベースのトンネル接合素子を作製した。 中心に位置する１００μｍ×１０
０μｍの大きさの接合部が、図１に示すようなサンドウィッチ構造を持っている。 ガラス基板上に最初にマグネタイト層を４０００Å、マグネシアバリア層を２０Å、
最後のマグネタイト層を１０００Åに成膜した。 層厚を変えることで、マグネタイト層に保磁力差をつけている。 表１には、本発明の強磁性トンネル接合において、
ハーフメタル酸化物強磁性層がマグネタイトおよび二酸化クロムならびに軟磁性体の場合における磁気抵抗比を示す。 軟磁性体を組み合わせた場合には、磁気抵抗比の磁場感度も同時に示した。

【００２１】

【表１】

【００２２】実施例２ 試料番号０３１のエピタキシャル強磁性トンネル接合素子の作製と評価 実施例１の試料番号００２をＭｇＯ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル成長させたマグネタイトベーストンネル接合の結果を示す。 実施例１と同様の作製方法を用いた。 最初のマグネタイト層は４０００Åで、バリア層は２０Å、最後のマグネタイト層は１０００Åの厚さとした。 図３に、この接合の抵抗の磁場依存性を示す。
５００Ｏｅ前後の磁場で抵抗は極大をとり、約１５％の磁気抵抗比を示すことがわかる。 ＮａＣｌ型の酸化物を絶縁バリア層とした場合に得られた磁気抵抗比の値と、
マグネタイトと絶縁バリア層間の格子不整合を比較して表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】本発明は、ハーフメタル強磁性酸化物を用いたトンネル接合素子に関するものである。 フェルミ面で完全にスピン分極したハーフメタルを用いるため、
理論的に無限大の磁気抵抗比が期待でき、強磁性トンネル接合の可能性を最大限に引き出すものである。 特に本発明の室温以上にキュリー点を有するハーフメタル酸化物の場合には、室温で使用できること、薄く均一な絶縁酸化物層の成長が容易であること、良質なエピタキシャル薄膜が得られること、片側の強磁性層を軟磁性体とすれば高い磁場感度も得られること、および化学的・機械的安定性が高いことなどから、磁気ヘッド・磁気センサ・固体素子メモリなどに用いる上で、大きな利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、強磁性トンネル接合素子の説明図である。

【図２】図２は、マグネタイトベースのトンネル接合の光学顕微鏡像である。

【図３】図３は、マグネタイトベーストンネル接合の磁気抵抗比の磁場依存性に関する特性図である。