JPH1168192A - 多重トンネル接合、トンネル磁気抵抗効果素子、磁気センサおよび磁気記録センサヘッド - Google Patents

多重トンネル接合、トンネル磁気抵抗効果素子、磁気センサおよび磁気記録センサヘッド

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JPH1168192A
JPH1168192A JP9221501A JP22150197A JPH1168192A JP H1168192 A JPH1168192 A JP H1168192A JP 9221501 A JP9221501 A JP 9221501A JP 22150197 A JP22150197 A JP 22150197A JP H1168192 A JPH1168192 A JP H1168192A
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magnetic
soft magnetic
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Toshihiko Sato
俊彦 佐藤
Ryoichi Nakatani
亮一 中谷
Nobuyuki Inaba
信幸 稲葉
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 室温で動作可能にする。 【解決手段】 絶縁体層からなる基板１１上に軟磁性体
材料からなる第１の軟磁性体層２１０を形成し、基板１
１、軟磁性体層２１０上に絶縁層３５０を形成し、軟磁
性体層２１０上の絶縁層３５０により囲まれた領域に誘
電体薄膜からなる第１、第２のトンネルバリア層３１
０、３１１を形成し、トンネルバリア層３１０とトンネ
ルバリア層３１１との間に粒径が１０ｎｍ以下の強磁性
体材料からなる強磁性体微粒子１１０を設け、トンネル
バリア層３１１上に軟磁性体材料からなる第２の軟磁性
体層２１１を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は多重トンネル接合、
トンネル磁気抵抗効果素子、磁気センサおよび磁気記録
センサヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】公知例１（K. Ono, Hiroshi Shimada, a
nd Youiti Ootuka, "Enhanced Magnetic Valve Effect
and Magneto-Coulomb Oscillations," Journal of the
Physical Society of Japan, vol. 66, no. 5, May 199
7, pp.1261-1264.）によれば、微小二重接合系において
顕著な磁気抵抗効果が発現するとされており、微小二重
接合型のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果素子が記載さ
れている。
【０００３】図１２は公知例１に記載された従来のトン
ネル磁気抵抗効果素子を示す図で、(ａ)は平面図、(ｂ)
は正断面図である。図に示すように、絶縁体層１０の表
面にＮｉからなる軟磁性体層（電極）２００、２０１が
形成され、軟磁性体層２００、２０１の表面にＮｉＯか
らなるトンネルバリア層（酸化膜バリア）３００、３０
１が形成され、軟磁性体層２００と軟磁性体層２０１と
の間にＣｏからなる強磁性体層（島）１００が形成され
ている。
【０００４】このトンネル磁気抵抗効果素子において
は、軟磁性体層２００と軟磁性体層２０１との間に電圧
Ｖを加えると、一方の軟磁性体層２００に電子が注入さ
れ、トンネルバリア層３００をトンネルし、強磁性体層
１００、トンネルバリア層３０１を通って、他方の軟磁
性体層２０１に至る電流路が形成される。このような電
子の経路に沿った電流をトンネル電流Ｉとする。この系
は電流路上に２つのトンネルバリア層３００、３０１が
存在するため、二重接合系となっている。
【０００５】公知例２（D. V. Averin and Yu. V. Naza
rov, "Single Charge Tunneling -Coulomb Blockade Ph
enomena in Nanostructures," ed. Hermann Grabert an
d Michel H. Devoret, Plenum Press, New York, 1992,
Chap. 6, pp.217-247.）にも示されているように、ト
ンネル磁気抵抗効果素子の微小二重接合系の電気伝導特
性を測定すると、バイアス電圧Ｖがゼロの付近の電圧領
域において、クーロンブロッケイド効果により古典的ト
ンネル電流Ｉは見られない。この古典的トンネル電流Ｉ
が見られない電圧領域をブロッケイド領域と呼ぶことに
すると、ブロッケイド領域の外側においては、古典的ト
ンネル電流Ｉが存在し、トンネル電流Ｉは電圧Ｖにほぼ
比例する。すなわち、バイアス電圧Ｖがブロッケイド領
域内とブロッケイド領域の外側とを隔てる電圧Ｖｃより
も小さい（Ｖ＜Ｖｃ）場合つまりブロッケイド領域内の
場合の微小二重接合のＩ−Ｖ特性は次式で表される。
【０００６】
【数１】Ｉ∝０ また、トンネル抵抗をＲ１、Ｒ２をすると、バイアス電
圧Ｖが電圧Ｖｃよりも大きい（Ｖ＞Ｖｃ）場合つまりブ
ロッケイド領域の外側の場合の微小二重接合のＩ−Ｖ特
性は次式で表される。
【０００７】
【数２】Ｉ∝Ｖ／(Ｒ１＋Ｒ２) 一方、ブロッケイド領域内においても、量子力学的には
高次の項に由来するトンネル電流が観測され、電子の電
荷をｅ、ボルツマン定数をｋとすると、このトンネル電
流Ｉは次式で表される。
【０００８】
【数３】Ｉ∝{ｅ2Ｖ3＋(２πｋＴ)2Ｖ}／(Ｒ１×Ｒ２) このトンネル電流Ｉはコタンネリング効果による電流と
も言われ、数３式から明らかなように、電圧Ｖが一定で
あれば、トンネル電流Ｉはトンネル抵抗Ｒ１、Ｒ２の積
に反比例し、さらにトンネル電流Ｉは電圧Ｖに比例する
項および電圧Ｖの３乗に比例する項を含んでいる。
【０００９】このようなコタンネリング効果によるトン
ネル電流Ｉはブロッケイド領域の内外に常に存在する。
しかしながら、ブロッケイド領域の外側では、コタンネ
リング効果による電流は古典的トンネル電流に比べ無視
できる程度に小さい。一方、ブロッケイド領域内では、
０次項に対応する古典的トンネル電流が０である（抑圧
される）から、高次項に由来するコタンネリング効果の
トンネル電流が主に観測される。
【００１０】ところで、軟磁性体層２００、２０１の磁
化に対し強磁性体層１００の磁化がどちらを向くかによ
ってトンネル抵抗Ｒ１、Ｒ２は変化する。言い換えれ
ば、Ｎｉからなる軟磁性体層２００、２０１内電子の伝
導電子スピンは弱い外部磁場にも影響され、そのスピン
配向を容易に変化する。一方、Ｃｏからなる強磁性体層
１００は弱い外部磁場には容易に追従しない。その結
果、外部磁場によって軟磁性体層２００、２０１内電子
の磁化の向きと強磁性体層１００内の磁化の向きとが平
行である場合と反平行である場合とに切り替わることに
なる。その結果、軟磁性体層２００、２０１から強磁性
体層１００または強磁性体層１００から軟磁性体層２０
０、２０１へのトンネルレートが変化し、トンネル抵抗
Ｒ１、Ｒ２が外部磁場の変化によって変化するのであ
る。この外部磁場によってトンネル抵抗Ｒ１、Ｒ２が変
化する効果はトンネル磁気抵抗効果と呼ばれている。図
１２に示したトンネル磁気抵抗効果素子においては、ト
ンネル磁気抵抗効果により外部磁場の変化に対応したト
ンネル電流Ｉの変化が観測される。
【００１１】ところが、数１〜数３式によれば、ブロッ
ケイド領域内で観測されるコタンネリング効果によるト
ンネル電流Ｉはトンネル抵抗Ｒ１とトンネル抵抗Ｒ２と
の積に反比例するのに対し、ブロッケイド領域の外側で
観測される古典的トンネル電流Ｉはトンネル抵抗Ｒ１と
トンネル抵抗Ｒ２との和に反比例するにすぎない。その
結果、バイアス電圧Ｖが一定のときには、ブロッケイド
領域の外側の場合よりもブロッケイド領域内の場合の方
が磁場の変化に対するトンネル電流Ｉの変化がより増強
される結果となる。この現象を言い換えれば、磁場変化
による電圧Ｖとトンネル電流Ｉとの比で定まる微小二重
接合全体の抵抗Ｒの変化は、ブロッケイド領域内におい
て増強される結果となる。すなわち、個々のトンネル抵
抗Ｒ１、Ｒ２の変化はブロッケイド領域内とブロッケイ
ド領域の外側とで同一であるのに、コタンネリング効果
による電流を介して微小二重接合全体の抵抗Ｒの変化を
観測すると、より大きい電流変化となるのである。この
効果はトンネル現象の高次の項に由来するものであり、
暗に０次項のみを対象としたトンネル磁気抵抗効果とは
異なるメカニズムからなっている。しかし、このような
コタンネリング効果による現象もトンネル現象全体の一
部の効果によるものであるから、これをコタンネリング
効果に基づく磁気抵抗効果の増強と呼ぶことにする。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】図１２に示した二重微
小接合型のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果
の原因がコタンネリング効果に由来することから、単電
子素子として有効に動作することが素子動作の前提とな
る。しかし、公知例１によればトンネル磁気抵抗効果素
子は２０ｍＫ程度の極低温にて動作が確認されたに過ぎ
ない。また、公知例１によれば強磁性体層１００のサイ
ズは１５０ｎｍ×２５００ｎｍであるが、室温において
動作するためには、強磁性体層１００のサイズが５×５
ｎｍ以下でなければならない。このように、従来技術と
室温動作可能な素子への要求は大きく隔たっており、従
来の微細加工技術では到達不可能な強磁性体層１００の
サイズを製作することが要求される。
【００１３】また、二重微小接合型のトンネル磁気抵抗
効果素子は、従来の磁気抵抗（ＭＲ）効果素子および巨
大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子に比較して、高いインピ
ーダンスを持つことになる。なぜなら、トンネル抵抗が
量子抵抗ＲＫ（約２５．８Ω）より十分大きいことがク
ーロンブロッケイド効果が発現するための必要条件とな
っているからである。そのため、トンネル磁気抵抗効果
素子の高インピーダンス化を避ける工夫が必要となる。
また、トンネル磁気抵抗効果素子の高インピーダンス化
が十分に回避できない場合には、Ｓ／Ｎ比を向上させる
ために従来とは異なる信号検出方法を用いる必要が生ず
る。
【００１４】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、室温で動作可能である多重トンネル接合、
トンネル磁気抵抗効果素子、磁気センサ、磁気記録セン
サヘッドを提供することを目的とする。
【００１５】また、トンネル電流の変化を高いＳ／Ｎ比
で検出することができる磁気センサ、磁気記録センサヘ
ッドを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明においては、平面基板上に軟磁性体材料、強
磁性体材料の一方からなる第１の磁性体層を形成し、上
記第１の磁性体層上に第１、第２のトンネルバリア層を
形成し、上記第１、第２のトンネルバリア層間に軟磁性
体材料、強磁性体材料の他方からなる磁性体微粒子を設
け、上記第２のトンネルバリア層上に軟磁性体材料、強
磁性体材料の一方からなる第２の磁性体層を形成する。
【００１７】この場合、上記磁性体微粒子の自己容量を
１０ａＦ以下とする。
【００１８】また、上記磁性体微粒子をコロイド微粒子
とする。
【００１９】また、上記第１、第２のトンネルバリア層
および上記磁性体微粒子を誘電体材料と強磁性体材料と
をターゲットとした同時スパッタリングにより堆積した
複合膜を加熱処理することによって形成する。
【００２０】また、上記磁性体微粒子を複数設ける。
【００２１】また、トンネル磁気抵抗効果素子におい
て、上記の多重トンネル接合を用いる。
【００２２】また、上記のトンネル磁気抵抗効果素子を
用いた磁気センサにおいて、上記多重トンネル接合のブ
ロッケイド領域内のバイアス電圧を加える。
【００２３】また、上記のトンネル磁気抵抗効果素子を
用いた磁気センサにおいて、上記第１、第２の磁性体層
間に交流電圧を加える交流電圧源を設け、上記交流電圧
の電流応答の内の第２高調波以上の周波数を有する高調
波信号成分のみを取り出すハイパスフィルタを設ける。
【００２４】また、磁気記録センサヘッドにおいて、上
記の磁気センサを用いる。
【００２５】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係る多重トンネル
接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面図で
ある。図に示すように、絶縁体層からなる基板１１上に
軟磁性体材料からなる第１の軟磁性体層（ベース電極）
２１０が形成され、基板１１、軟磁性体層２１０上に絶
縁層３５０が形成され、軟磁性体層２１０上の絶縁層３
５０により囲まれた領域に誘電体薄膜からなる第１、第
２のトンネルバリア層３１０、３１１が形成され、トン
ネルバリア層３１０とトンネルバリア層３１１との間に
粒径が１０ｎｍ以下の強磁性体材料からなる強磁性体微
粒子１１０が設けられ、トンネルバリア層３１１上に軟
磁性体材料からなる第２の軟磁性体層（トップ電極）２
１１が形成され、軟磁性体層２１０、トンネルバリア層
３１０、強磁性体微粒子１１０、トンネルバリア層３１
１、軟磁性体層２１１により多重トンネル接合（微小二
重接合）が形成されている。
【００２６】つぎに、図２〜図６により図１に示した多
重トンネル接合、トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法
を説明する。
【００２７】まず、図２（(ｂ)は(ａ)のＡ−Ａ断面図）
に示すように、基板１１上に軟磁性体層２１０をホトリ
ソグラフィーと真空蒸着とを用いて形成する。この場
合、基板１１としてはＳｉ基板上に熱酸化によって形成
された４００ｎｍ以上の膜厚を有するＳｉＯ2膜を用い
ることができ、また軟磁性体層２１０としては１０ｎｍ
程度の膜厚のＮｉＦｅ膜、パーマロイ膜、センダスト膜
などを用いることができる。
【００２８】つぎに、図３（(ｂ)は(ａ)のＢ−Ｂ断面
図）に示すように、基板１１、軟磁性体層２１０上に絶
縁層３５０を形成する。この場合、絶縁層３５０には中
心部のデバイス形成部３５４と左右部のボンドパッド形
成部３５２とに対応する窓部を開ける。
【００２９】つぎに、図４（(ｂ)は(ａ)のＣ−Ｃ断面
図）に示すように、デバイス形成部３５４の窓のみにト
ンネルバリア層３１０を形成する。この場合、トンネル
バリア層３１０としてはたとえば酸化アルミターゲット
をスパッタリングして形成した１ｎｍ厚程度の酸化アル
ミ層等の各種誘電体薄膜を用いることができる。つぎ
に、トンネルバリア層３１０の表面に粒径が１０ｎｍ以
下の強磁性体微粒子１１０を単層となるように付着させ
る。この場合、公知例３（J. R. Thomas, "Preperation
and Magnetic Properties of Colloidal Cobalt Parti
cles," Journal ofApplied Physics vol. 37, 2914 (19
66)）に示された方法によって作製されたコロイド溶液
中に含まれるコバルト微粒子を強磁性体微粒子１１０と
して用いる。すなわち、ポリマー分子のサーファクタン
トに被覆されかつ直径８ｎｍ程度のコバルト微粒子から
なるコロイド溶液中にトンネルバリア層３１０を形成し
た直後の基板を浸し、強磁性体微粒子１１０（コバルト
微粒子）をトンネルバリア層３１０上に一層だけ付着さ
せる。基板を浸す時間は２４時間程度とし、この間基板
面に平行な静磁界Ｈ0をかけ続ける。すると、基板面に
平行な静磁界Ｈ0中では軟磁性体層２１０はこの静磁界
Ｈ0の方向に磁化される。ところが、スパッタリングに
よる成膜方法により形成された軟磁性体層２１０の表面
には図５に示すようなナノメータスケールの凹凸が存在
する。本来、軟磁性体は透磁率の高い材料であるが、こ
のような凹凸の存在によって磁極３１２が生じ、軟磁性
体層２１０表面の極く近傍に漏れ磁界が分布し、トンネ
ルバリア層３１０が十分に薄いことから、漏れ磁界はト
ンネルバリア層３１０上にまで沁み出していると考えら
れる。一方、強磁性体微粒子１１０は各結晶方位で決ま
る方向に磁化しているが、強磁性体微粒子１１０自体は
回転ブラウン運動をしながらトンネルバリア層３１０に
到達し、強磁性体微粒子１１０の磁気モーメントは必ず
しも一定の方向を向いていない。しかし、トンネルバリ
ア層３１０の表面に到達した後、強磁性体微粒子１１０
はトンネルバリア層３１０からファンデルワールス力に
よる引力を受けるが、同時に強磁性体微粒子１１０（コ
バルト微粒子）を被覆するサーファクタント分子の立体
障害効果によってトンネルバリア層３１０から斥力を受
ける。このため、強磁性体微粒子１１０のトンネルバリ
ア層３１０の表面への束縛は弱く、トンネルバリア層３
１０の表面上を動き回ることができる。そして、強磁性
体微粒子１１０がトンネルバリア層３１０の表面上を動
き回る間に、磁極３１２の漏れ磁界の存在する箇所に到
達すると、強磁性体微粒子１１０の磁化の向きが漏れ磁
界の向きに合致するように配向し、強磁性体微粒子１１
０はトンネルバリア層３１０表面上に固定される。ここ
で重要なことは、強磁性体微粒子１１０の磁化がトンネ
ルバリア層３１０の表面に平行に配向したまま固定され
ることである。このような強磁性体微粒子１１０の固定
方法によれば、軟磁性体層２１０の表面の凹凸による磁
極３１２の分布によって強磁性体微粒子１１０の分布や
密度が決められることになる。その結果、各強磁性体微
粒子１１０は平均２０ｎｍ程度の間隔をおいてランダム
な配置をとってデバイス形成部３５４全体に均一に付着
する。そして、強磁性体微粒子１１０を固定した後、コ
ロイド溶液の溶媒を除去する。
【００３０】つぎに、図６（(ｂ)は(ａ)のＤ−Ｄ断面
図）に示すように、強磁性体微粒子１１０が付着した基
板に酸素プラズマアッシングを施し、強磁性体微粒子１
１０（コバルト微粒子）の表面のサーファクタント分子
を除去したのち、トンネルバリア層３１０の形成と同様
な方法により、トンネルバリア層３１１を形成し、さら
に軟磁性体層２１１を形成する。この場合、軟磁性体層
２１１としては１０ｎｍ程度の膜厚のＮｉＦｅ膜、パー
マロイ膜、センダスト膜などを用いることができる。つ
ぎに、軟磁性体層２１０と軟磁性体層２１１とにリード
線（図示せず）をボンディンクし、外部回路に接続す
る。
【００３１】ここで、強磁性体微粒子１１０の大きさは
重要なパラメータとなる。すなわち、ほとんどの強磁性
体からなる微粒子はその直径が３ｎｍ以下となると室温
において保磁力を失い、超常磁性を示すようになる。一
方、１０ｎｍ以下の金属微粒子が持つ自己容量は１ａＦ
（１０-18Ｆ）程度となり、この自己容量の値から計算
されるチャージングエネルギーは１００ｍｅＶ程度とな
り、室温における熱的励起エネルギー２５ｍｅＶを十分
上回ることができる。したがって、強磁性体微粒子１１
０の直径が１０ｎｍ以下であることが、室温において顕
著なクーロンブロッケイド効果を得るための目安とな
る。そこで、保持力を保つ目的のために、ある程度以上
の大きさを有する強磁性体微粒子１１０を用いる必要が
あること、および室温においてクーロンブロッケイド効
果を観測するために、十分小さい強磁性体微粒子１１０
を用いることの、双方の条件を満たす強磁性体微粒子１
１０のサイズを選定する必要がある。
【００３２】このトンネル磁気抵抗効果素子において
は、ある一個の強磁性体微粒子１１０から見れば、軟磁
性体層２１０と軟磁性体層２１１と間にはトンネルバリ
ア層３１０、３１１が存在しており、上述の如く一個の
強磁性体微粒子１１０を介して多重トンネル接合が形成
されている。そして、強磁性体微粒子１１０が多数存在
するので、多数の多重トンネル接合が並列に軟磁性体層
２１０と軟磁性体層２１１とを接続している。
【００３３】また、軟磁性体層２１０と軟磁性体層２１
１との間に存在する多数の多重トンネル接合のうち、一
個の多重トンネル接合にのみに着目し、仮に軟磁性体層
２１０に対して正の電圧Ｖが軟磁性体層２１１に加えら
れたとする。その際、この電圧Ｖが今着目している多重
トンネル接合が有するブロッケイド領域内の電圧である
かブロッケイド領域の外側の電圧であるかが問題とな
る。仮に、この電圧Ｖがブロッケイド領域の外側に属す
る電圧であったとすると、軟磁性体層２１０からトンネ
ルバリア層３１０を介するトンネルによって強磁性体微
粒子１１０に電子が注入され、続いてトンネルバリア層
３１１を介するトンネルによって電子が強磁性体微粒子
１１０から軟磁性体層２１１へと放出され、主に古典的
トンネル電流からなる単電子トンネル電流が流れる。ま
た、電圧Ｖがブロッケイド領域内の電圧であったとする
と、古典的トンネル電流が抑圧され、コタンネリング効
果によるトンネル電流が主に観測される。
【００３４】また、軟磁性体層２１０、２１１はその膜
面内に平行な外部磁界によって容易に磁化反転を起こす
ことができる。一方、強磁性体微粒子１１０は結晶構造
に固定された磁化を持っているので、外部磁界には容易
に追従しない。このような、強磁性体微粒子１１０と軟
磁性体層２１０、２１１との磁化（各磁性体層の磁化）
が外部磁界に対して異なる応答性をもつことによって、
トンネル磁気抵抗効果が得られる。すなわち、強磁性体
微粒子１１０と軟磁性体層２１０、２１１との磁化の配
向の仕方に対応して、トンネルバリア層３１０、３１１
のトンネル抵抗Ｒ１、Ｒ２が変化し、多重トンネル接合
を通るトンネル電流Ｉが変化する。このような、多重ト
ンネル接合のトンネル磁気抵抗効果はバイアス電圧Ｖが
ブロッケイド領域内であるかブロッケイド領域の外側で
あるかによっても変化し、ブロッケイド領域内であれ
ば、コタンネリング効果により増強される。そして、図
１に示した多重トンネル接合、トンネル磁気抵抗効果素
子においては、強磁性体微粒子１１０の直径を１０ｎｍ
以下としているから、室温において顕著なクーロンブロ
ッケイド効果を得ることができるので、室温においてブ
ロッケイド領域内の電圧を加えれば、コタンネリング効
果によるトンネル電流を観測することにより、トンネル
抵抗Ｒ１、Ｒ２を検出することができるため、室温動作
が可能である。
【００３５】以上は、一個の多重トンネル接合に関する
議論であるが、軟磁性体層２１０と軟磁性体層２１１と
の間には多数の強磁性体微粒子１１０が存在し、多数の
多重トンネル接合が形成されている。そして、強磁性体
微粒子１１０はその粒径が均一であり、また両トンネル
バリア層３１０、３１１の膜厚が均一であれば、多数の
多重トンネル接合の特性は均一になり、特性のそろった
多数の多重トンネル接合が軟磁性体層２１０と軟磁性体
層２１１との間を並列接続していることになる。また、
強磁性体微粒子１１０は２０ｎｍ程度の間隔をおいて配
置されているから、多重トンネル接合同士の相互作用は
無視でき、個々の多重トンネル接合が独立に動作してい
る。したがって、観測される軟磁性体層２１０と軟磁性
体層２１１との間の抵抗値はこれらの特性のそろった独
立な多重トンネル接合の並列接続の値となる。そして、
デバイス形成部３５４の窓領域が一辺２μｍ程度の正方
形であるとすれば、多重トンネル接合の数は１００００
個以上となるから、観測される軟磁性体層２１０と軟磁
性体層２１１との間の抵抗値は単一の多重トンネル接合
の場合の１０００分の１程度に下がる。また、各多重ト
ンネル接合の特性が均一であることから、ある一個の多
重トンネル接合に対して電圧Ｖがブロッケイド領域内に
設定されていたとすれば、他の全ての多重トンネル接合
に対してブロッケイド領域内のバイアス電圧が与えられ
ていることになり、全ての多重トンネル接合でコタンネ
リング効果によるトンネル磁気抵抗効果の増強が得られ
る。
【００３６】図７は本発明に係る他の多重トンネル接合
を有するトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面図、図８
は図７の一部詳細図である。図に示すように、絶縁体層
からなる基板１１上に軟磁性体層２１０が形成され、軟
磁性体層２１０上に酸化アルミニウムからなりかつ厚さ
ｂが約８ｎｍのマトリクス１２５が形成され、マトリク
ス１２５中に直径ａが約６ｎｍの磁性体微粒子であるコ
バルト微粒子１２０が分散して設けられ、マトリクス１
２５上に軟磁性体層２１１が形成されている。
【００３７】つぎに、図９、図１０により図７、図８に
示したトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法を説明す
る。まず、図９（(ｂ)は(ａ)のＥ−Ｅ断面図）に示すよ
うに、基板１１上に軟磁性体層２１０をホトリソグラフ
ィーと真空蒸着とを用いて形成したのち、誘電体材料で
ある酸化アルミニウムと強磁性体材料であるコバルトと
の双方をターゲットとして同時スパッタリングを行なう
ことにより、軟磁性体層２１０上に厚さ約８ｎｍの複合
膜を形成し、リソグラフィーにより複合膜のパタンを形
成したのち、複合膜を加熱処理することにより、コバル
ト微粒子１２０が分散したマトリクス１２５を形成す
る。つぎに、図１０（(ｂ)は(ａ)のＦ−Ｆ断面図）に示
すように、スパッタリングとホトリソグラフィーとによ
りパターンを有する軟磁性体層２１１を形成する。つぎ
に、軟磁性体層２１０と軟磁性体層２１１とにリード線
（図示せず）をボンディンクし、外部回路に接続する。
【００３８】図７に示した多重トンネル接合、トンネル
磁気抵抗効果素子においては、コバルト微粒子１２０の
表面と軟磁性体層２１０または軟磁性体層２１１との間
は１ｎｍ程度の距離があることから、コバルト微粒子１
２０と軟磁性体層２１０または軟磁性体層２１１との間
に存在するマトリクス１２５が第１、第２のトンネルバ
リア層となり、軟磁性体層２１０、２１１からコバルト
微粒子１２０への電子のトンネルが可能となる。また、
マトリクス１２５の厚さｂが約８ｎｍであることから、
軟磁性体層２１１と軟磁性体層２１０との間にはコバル
ト微粒子１２０は一層しか存在しないので、コバルト微
粒子１２０へのトンネル経路は軟磁性体層２１０、２１
１への経路しか存在しないため、多重トンネル接合を形
成している。また、コバルト微粒子１２０は平均２０ｎ
ｍ程度の距離をおいて析出しており、個々の多重トンネ
ル接合は独立に振る舞うと考えられる。そして、図７に
示した多重トンネル接合、トンネル磁気抵抗効果素子に
おいては、マトリクス１２５からなる第１、第２のトン
ネルバリア層およびコバルト微粒子１２０からなる磁性
体微粒子を容易に形成することができる。
【００３９】なお、誘電体材料としては酸化アルミニウ
ムの他に二酸化珪素等を使用することができ、また強磁
性体材料としてコバルトの他に鉄またはその他の合金等
を使用することができる。
【００４０】また、図１、図７に示したトンネル磁気抵
抗効果素子においては、多重トンネル接合のブロッケイ
ド領域内に対応する電圧Ｖを軟磁性体層２１０と軟磁性
体層２１１とに加え、トンネル電流Ｉの磁場に対する変
化をモニターすることによって、磁気センサとして動作
させることができる。また、トンネル電流Ｉを固定して
おき、軟磁性体層２１０と軟磁性体層２１１との間に発
生する電圧Ｖをモニターすることによっても、磁気セン
サとして動作させることができる。ただし、発生する電
圧Ｖがブロッケイド領域内にあるように、電流バイアス
Ｉを設定する必要がある。また、このような磁気センサ
を磁気記録センサヘッドに用いることもできる。いずれ
にしても、磁場の変化は軟磁性体層２１０と軟磁性体層
２１１との間の端子間抵抗Ｒの変化として検出される。
発明者等の実験によれば、図１に示したトンネル磁気抵
抗効果素子において、観測される端子間抵抗値Ｒは数百
ｋΩ程度であった。また、端子間抵抗Ｒは１００Ｏｅ程
度の外部磁場において最大となり、端子間抵抗値Ｒと１
ｋＯｅ以上の外部磁場で得られる最小端子間抵抗Ｒｍと
の差ΔＲ（＝Ｒ−Ｒｍ）は１００ｋΩ程度となり、差Δ
Ｒの最小端子間抵抗Ｒｍに対する比（ΔＲ／Ｒｍ）は４
０％に達した。これを端子間電圧Ｖの変化として観測す
ると、２０μＶ程度であった。
【００４１】つぎに、図１、図７に示したトンネル磁気
抵抗効果素子を有する磁気センサにブロッケイド領域の
外側のより大きな電圧Ｖを加えて、外部磁場の変化をト
ンネル電流Ｉの変化として観測することを考える。上記
の数３式から明らかなように、このトンネル電流Ｉは電
圧Ｖに比例する成分と、電圧Ｖの３乗に比例する成分と
の２種類を含んでいる。そして、古典的トンネル電流お
よび熱的励起によりトンネルバリア層を越えて素子を通
過してきた電子による電流などはすべて電圧Ｖに比例す
る成分のみからなっている。このため、ブロッケイド領
域の外側のより大きな電圧Ｖを加えても、電圧Ｖの３乗
に比例する成分のみを検出できれば、トンネル磁気抵抗
効果が増強されているコタンネリング効果による成分の
みを検出でき、その他の増強の無い電流成分を除去でき
る。
【００４２】図１１は本発明に係る磁気センサの検出回
路系を示す図である。図に示すように、軟磁性体層２１
１に周波数ｆ、電圧Ｖ(ｆ)の交流電圧源５００が接続さ
れ、軟磁性体層２１０に電流検出アンプ５１０が接続さ
れ、電流検出アンプ５１０にハイパスフィルタ５２０が
接続されている。
【００４３】この磁気センサの検出回路系においては、
外部磁界Ｈが変化すると、トンネル電流Ｉ(ｆ，３ｆ)
（素子電流）が変化する。そして、トンネル電流Ｉ
(ｆ，３ｆ)は、電圧Ｖの３乗に比例する項から生ずる周
波数３ｆの成分と、周波数ｆの成分とを含んでいる。し
かし、電流検出アンプ５１０の出力はハイパスフィルタ
５２０に入力され、周波数弁別により周波数３ｆの成分
のみを有する信号Ｖ0(３ｆ)を取り出すから、トンネル
磁気抵抗効果が増強されていない信号成分を含む周波数
ｆの成分が除去される。そして、周波数３ｆの成分の外
部磁界Ｈの変化に対する応答をセンサ信号として扱え
ば、電圧Ｖの３乗に比例する成分は電圧Ｖの上昇と伴に
急激に増加するから、ブロッケイド領域の外側のより大
きな電圧Ｖにおいてより大きい信号成分を発生する。し
たがって、軟磁性体層２１０と軟磁性体層２１１とに加
える電圧Ｖをブロッケイド領域内に限定することなく、
３桁程度高いＳ／Ｎ比によって外部磁界Ｈの変化が観測
できる。なお、このような磁気センサを磁気記録センサ
ヘッドに用いることもできる。
【００４４】なお、上述実施の形態においては、第１、
第２の磁性体層として軟磁性体材料からなる軟磁性体層
２１０、２１１を用い、磁性体微粒子として強磁性体材
料からなる強磁性体微粒子１１０を用いたが、第１、第
２の磁性体層として強磁性体材料からなる第１、第２の
強磁性体層を用い、磁性体微粒子として軟磁性体材料か
らなる軟磁性体微粒子を用いてもよい。この場合、軟磁
性体微粒子が外部磁界に追従し、第１、第２の強磁性体
層が結晶構造に対して固定された磁化を有する。また、
上述実施の形態においては、強磁性体微粒子１１０の自
己容量を１ａＦ程度としたが、磁性体微粒子の自己容量
を１０ａＦ以下とすればよい。
【００４５】
【発明の効果】この発明に係る多重トンネル接合、トン
ネル磁気抵抗効果素子においては、室温においてクーロ
ンブロッケイド効果を得ることができるから、室温にお
いてブロッケイド領域内の電圧を加えれば、コタンネリ
ング効果によるトンネル電流を観測することにより、ト
ンネル抵抗を検出することができるので、室温動作が可
能である。
【００４６】また、第１、第２のトンネルバリア層およ
び磁性体微粒子を誘電体材料と磁性体材料とをターゲッ
トとした同時スパッタリングにより堆積した複合膜を加
熱処理することによって形成したときには、第１、第２
のトンネルバリア層および磁性体微粒子を容易に形成す
ることができる。
【００４７】また、磁性体微粒子を複数設けたときに
は、第１、第２の磁性体層間の抵抗値を下げることがで
きる。
【００４８】また、磁気センサ、磁気記録センサヘッド
において、多重トンネル接合のブロッケイド領域内のバ
イアス電圧を加えたときには、室温動作が可能である。
【００４９】また、磁気センサ、磁気記録センサヘッド
において、第１、第２の磁性体層間に交流電圧を加える
交流電圧源を設け、交流電圧の電流応答の内の第２高調
波以上の周波数を有する高調波信号成分のみを取り出す
ハイパスフィルタを設けたときには、磁場によるトンネ
ル電流の変化を高いＳ／Ｎ比で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多重トンネル接合を有するトンネ
ル磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図２】図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法の説明図である。
【図３】図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法の説明図である。
【図４】図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法の説明図である。
【図５】図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法の説明図である。
【図６】図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法の説明図である。
【図７】本発明に係る他の多重トンネル接合を有するト
ンネル磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図８】図７に示したトンネル磁気抵抗効果素子の一部
を示す断面図である。
【図９】図７に示したトンネル磁気抵抗効果素子の製造
方法の説明図である。
【図１０】図７に示したトンネル磁気抵抗効果素子の製
造方法の説明図である。
【図１１】本発明に係る磁気センサの検出回路系を示す
図である。
【図１２】従来のトンネル磁気抵抗効果素子を示す図で
ある。
【符号の説明】
１１…基板 １１０…強磁性体微粒子 １２０…コバルト微粒子 １２５…マトリクス ２１０…第１の軟磁性体層（ベース電極） ２１１…第２の軟磁性体層（トップ電極） ３１０…第１のトンネルバリア層 ３１１…第２のトンネルバリア層 ５００…交流電圧源 ５２０…ハイパスフィルタ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平面基板上に軟磁性体材料、強磁性体材料
    の一方からなる第１の磁性体層を形成し、上記第１の磁
    性体層上に第１、第２のトンネルバリア層を形成し、上
    記第１、第２のトンネルバリア層間に軟磁性体材料、強
    磁性体材料の他方からなる磁性体微粒子を設け、上記第
    ２のトンネルバリア層上に軟磁性体材料、強磁性体材料
    の一方からなる第２の磁性体層を形成したことを特徴と
    する多重トンネル接合。
  2. 【請求項２】上記磁性体微粒子の自己容量を１０ａＦ以
    下としたことを特徴とする請求項１に記載の多重トンネ
    ル接合。
  3. 【請求項３】上記磁性体微粒子をコロイド微粒子とした
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の多重トンネ
    ル接合。
  4. 【請求項４】上記第１、第２のトンネルバリア層および
    上記磁性体微粒子を誘電体材料と強磁性体材料とをター
    ゲットとした同時スパッタリングにより堆積した複合膜
    を加熱処理することによって形成したことを特徴とする
    請求項１に記載の多重トンネル接合。
  5. 【請求項５】上記磁性体微粒子を複数設けたことを特徴
    とする請求項１、２、３または４に記載の多重トンネル
    接合。
  6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の多重トン
    ネル接合を用いたことを特徴とするトンネル磁気抵抗効
    果素子。
  7. 【請求項７】請求項６に記載のトンネル磁気抵抗効果素
    子を用いた磁気センサにおいて、上記多重トンネル接合
    のブロッケイド領域内のバイアス電圧を加えることを特
    徴とする磁気センサ。
  8. 【請求項８】請求項６に記載のトンネル磁気抵抗効果素
    子を用いた磁気センサにおいて、上記第１、第２の磁性
    体層間に交流電圧を加える交流電圧源を設け、上記交流
    電圧の電流応答の内の第２高調波以上の周波数を有する
    高調波信号成分のみを取り出すハイパスフィルタを設け
    たことを特徴とする磁気センサ。
  9. 【請求項９】請求項７または８に記載の磁気センサを用
    いたことを特徴とする磁気記録センサヘッド。
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