JP2011138954A - Method of manufacturing magnetic tunnel junction device using perpendicular magnetization of ferromagnetic layer - Google Patents

Method of manufacturing magnetic tunnel junction device using perpendicular magnetization of ferromagnetic layer Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MgO-based magnetic tunnel junction (MTJ) device with a perpendicular anisotropy, essentially including ferromagnetic pinned and free layers with perpendicular magnetization, separated by an MgO tunnel barrier, wherein a microstructure of the MgO tunnel barrier created by deposition of the metal Mg and a subsequent oxidization treatment or a reactive sputtering is amorphous or microcrystalline with an incomplete (001) plane-perpendicular structure. <P>SOLUTION: In the method of manufacturing the magnetic tunnel junction device, at least the ferromagnetic pinned layer alone or both the ferromagnetic pinned and free layers have a crystalline preferred grain growth promotion (PGGP) seed layer located between the tunnel barrier and the ferromagnetic pinned layer alone or between the tunnel barrier and both the pinned and free layers. The crystalline PGGP seed layer induces crystallization and preferred grain growth of the MgO tunnel barrier in annealing after the deposition. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、トンネリング磁気抵抗を使用する、磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)に特に関連する磁気トンネル接合(MTJ)デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、酸化法または反応性スパッタリング法によって作製されたMgOトンネル障壁を備え、微細構造がアモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織の微晶質であるMTJデバイスに関する。より詳細には、本発明は、垂直異方性をもつ強磁性層を備えたMTJデバイスに関する。より詳細には、本発明は、堆積後アニーリング中にMgOトンネル障壁の結晶性を高めるためにMgOトンネル障壁に隣接し、好適結晶粒成長促進(PGGP)シード層である結晶強磁性層を挿入したMTJデバイスに関する。   The present invention relates to the field of magnetic tunnel junction (MTJ) devices that are particularly relevant to magnetic random access memory (MRAM) using tunneling magnetoresistance. More particularly, the present invention relates to an MTJ device comprising a MgO tunnel barrier made by oxidation or reactive sputtering, and the microstructure is amorphous or incomplete (001) plane microstructure microcrystalline. . More particularly, the present invention relates to an MTJ device having a ferromagnetic layer with perpendicular anisotropy. More particularly, the present invention inserts a crystalline ferromagnetic layer adjacent to the MgO tunnel barrier and being a preferred grain growth promotion (PGGP) seed layer to enhance the crystallinity of the MgO tunnel barrier during post-deposition annealing. It relates to MTJ devices.

磁気トンネル接合(MTJ)デバイスのコア要素は、「強磁性層/トンネル障壁/強磁性層」の3層構造である。MTJデバイスの抵抗の変化は、2つの強磁性層の磁化の相対的方位に応じた、デバイスの両端のバイアス電圧によりトンネル障壁を通るスピン偏極電子のトンネリング確率の差に起因する。   The core element of a magnetic tunnel junction (MTJ) device is a three-layer structure of “ferromagnetic layer / tunnel barrier / ferromagnetic layer”. The change in resistance of the MTJ device is due to the difference in the tunneling probability of spin-polarized electrons through the tunnel barrier due to the bias voltage across the device, depending on the relative orientation of the magnetizations of the two ferromagnetic layers.

トンネル障壁を挟む2つの強磁性層の磁化の相対的方位は2つの強磁性層の磁化反転の性質の違いによって実現され、一方の強磁性層の磁化は動作中に外部磁界によって反転されないが、他方の強磁性層の磁化は外部磁界に反応する。したがって、デバイス動作中のトンネル障壁を挟む2つの強磁性層の磁化の平行または逆平行アライメントは実現される。   The relative orientation of the magnetization of the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier is realized by the difference in the magnetization reversal properties of the two ferromagnetic layers, while the magnetization of one ferromagnetic layer is not reversed by an external magnetic field during operation, The magnetization of the other ferromagnetic layer responds to an external magnetic field. Accordingly, parallel or antiparallel alignment of the magnetizations of the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier during device operation is realized.

トンネル障壁は一般に誘電体材料であり、極端に薄くなければならず、厚さならびに組成が極めて均一でなければならない。化学量論的組成または厚さに関するいかなる不整合もデバイス性能を著しく低下させる。   The tunnel barrier is generally a dielectric material, must be extremely thin, and must be very uniform in thickness and composition. Any mismatch with respect to stoichiometric composition or thickness significantly reduces device performance.

MTJデバイスの最も典型的に使用される構造が図1Aに概略的に示され、それは反強磁性ピニング層103、合成反強磁性(SAF)ピン層104、105及び106、トンネル障壁107、および強磁性自由層108からなる。合成反強磁性(SAF)ピン層は強磁性ピン層104、非磁性スペーサ105、および強磁性基準層106を含む。スピン・トルク・トランスファMRAM(STT−MRAM)への適用に成功するために対処される重要な問題は、拡張性と、自由層の磁化を反転させるのに必要とされる電流(Jc)の低減とである。しかし、面内磁化を使用するSTT−MRAMは、それぞれ、面内一軸異方性を誘起するためのオバール(卵形)異方性および打ち勝つための非常に強い反磁界のために拡張性およびJc低減に対して限界を示している。図1Bは、図1Aのものとは異なる種類のMTJデバイスを示す。図1Bに示されたMTJデバイスの構造は、垂直異方性をもつ強磁性ピン層203、トンネル障壁204、および垂直異方性をもつ強磁性自由層205からなる。また、強磁性自由層205の磁化が強磁性ピン層203の磁化よりも容易に切り替えることができるように、強磁性自由層205は強磁性ピン層203よりも低い保磁力を有する。垂直異方性をもつこのMTJスタックを備えたSTT−MRAMは、それぞれ、面内一軸異方性を誘起するための卵形、および自由層の磁化反転を実際に支援する反磁界を有する必要がないため非常に改善された拡張性および効果的に低減されたJcを示すと予想される。   The most typically used structure of an MTJ device is shown schematically in FIG. 1A, which includes an antiferromagnetic pinning layer 103, synthetic antiferromagnetic (SAF) pinned layers 104, 105 and 106, a tunnel barrier 107, and a strong It consists of a magnetic free layer 108. The synthetic antiferromagnetic (SAF) pinned layer includes a ferromagnetic pinned layer 104, a nonmagnetic spacer 105, and a ferromagnetic reference layer 106. The key issues addressed for successful application to spin torque transfer MRAM (STT-MRAM) are scalability and the reduction in current (Jc) required to reverse the magnetization of the free layer. It is. However, STT-MRAM using in-plane magnetization is scalable and Jc because of the oval anisotropy to induce in-plane uniaxial anisotropy and the very strong demagnetizing field to overcome, respectively. Limits are shown for reduction. FIG. 1B shows a different type of MTJ device than that of FIG. 1A. The structure of the MTJ device shown in FIG. 1B includes a ferromagnetic pinned layer 203 having perpendicular anisotropy, a tunnel barrier 204, and a ferromagnetic free layer 205 having perpendicular anisotropy. Further, the ferromagnetic free layer 205 has a coercive force lower than that of the ferromagnetic pinned layer 203 so that the magnetization of the ferromagnetic free layer 205 can be switched more easily than the magnetization of the ferromagnetic pinned layer 203. Each STT-MRAM with this MTJ stack with perpendicular anisotropy must have an oval shape to induce in-plane uniaxial anisotropy and a demagnetizing field that actually supports the magnetization reversal of the free layer. Are expected to show greatly improved scalability and effectively reduced Jc.

その発見以来、室温での高TMRは、不揮発性磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)などのスピントロニクス用途およびハードディスク・ドライブの記録用読取りヘッドなどの磁気センサのために産業界の最新トピックのうちの1つとなっている。従来の磁界スイッチングMRAM用途では、300×600nmのビットサイズをもつ1Mbit MRAMは、MTJが約1k〜2kΩμmの抵抗−面積(R×A)積で40%の磁気抵抗(MR)比をもたらすことを必要とする。250Mbitsの高密度では、ビットサイズは200×400nmまで縮小し、約0.5kΩμmのR×A積で40%よりも高いMR比を必要とする。さらなる縮小はスピン・トランスファ・トルクによる磁化反転の適用によってMRAMで達成することができるが、MTJは10〜30ΩμmのR×A積範囲で150%を超えるMR比をもたらすことが必要とされる。 Since its discovery, high TMR at room temperature is among the industry's latest topics for magnetic sensors such as spintronics applications such as non-volatile magnetoresistive random access memory (MRAM) and hard disk drive read heads It is one of. For conventional magnetic field switching MRAM applications, a 1 Mbit MRAM with a bit size of 300 × 600 nm 2 provides a magnetoresistance (MR) ratio of 40% with a resistance-area (R × A) product with an MTJ of about 1 k to 2 kΩ μm 2. I need that. At a high density of 250 Mbits, the bit size is reduced to 200 × 400 nm 2 and requires an MR ratio higher than 40% with an R × A product of about 0.5 kΩμm 2 . Further reduction can be achieved with MRAM by applying magnetization reversal with spin transfer torque, but MTJ is required to provide MR ratios over 150% in the R × A product range of 10-30 Ωμm 2 .

アモルファスAlOトンネル障壁および高スピン偏極をもつ強磁性電極になされた初期の取組みは上述の要求事項に対して十分ではなかった。最近、単結晶Fe/MgO/Feが理論計算によって示唆されており(Butlerら、Phys.Rev.B 63、(2001)p054416)、MgOの優れたスピン・フィルタ処理効果のために6000%もの高い室温TMRを得ることができると予測されている。このスピン・フィルタ処理効果、すなわちMTJのMgOトンネル障壁を挟む2つの強磁性層の逆平行磁化アライメントにおける少数スピンダウン電子の全反射は、フェルミ面でΔl対称をもつ少数スピンダウン・スピン・チャネルにブロッホ固有状態がないことから本質的なものである。これによりコヒーレント・トンネリングが可能になり、さらに巨大TMR比が可能になる。このコヒーレント・トンネリングを可能にするために微細構造必要条件があるが、それはFe(001)/MgO(001)/Fe(001)のエピタキシャル成長であり、それはトンネリング電子がFeおよびMgOの(001)原子面を通過するからである。分子線エピタキシを使用する単結晶(Fe/MgO/CoFe)成長に基づいてこの巨大TMRを達成するための実験的試みは180%までの室温TMRを実証した。(Yuasaら、Appl.Phys.Lett.87(2005)p222508)多結晶CoFe強磁性電極をもつMgOトンネル障壁を使用して、220%の室温TMRが報告されているが(Parkinら、Nat.Mater.3(2004)p862)、さらに高いTMRが、アモルファスCoFeB強磁性電極を使用し、熱酸化Siウェハ上に実用的なマグネトロン・スパッタリングによって作製されたMTJで報告された。(Djayaprawiraら、Appl.Phys.Lett.86(2005)p092502) Initial efforts made to amorphous electrodes with amorphous AlO x tunnel barriers and high spin polarization were not sufficient for the above requirements. Recently, single crystal Fe / MgO / Fe has been suggested by theoretical calculations (Butler et al., Phys. Rev. B 63, (2001) p0554416) and is as high as 6000% due to the excellent spin filtering effect of MgO. It is predicted that room temperature TMR can be obtained. This spin filtering effect, that is, the total reflection of minority spindown electrons in the antiparallel magnetization alignment of two ferromagnetic layers sandwiching the MTJ MgO tunnel barrier, is reflected in the minority spindown spin channel with Δl symmetry on the Fermi surface. This is essential because there is no Bloch eigenstate. This allows for coherent tunneling and even larger TMR ratios. There is a microstructural requirement to enable this coherent tunneling, which is the epitaxial growth of Fe (001) / MgO (001) / Fe (001), where the tunneling electrons are (001) atoms of Fe and MgO. This is because it passes through the surface. Experimental attempts to achieve this giant TMR based on single crystal (Fe / MgO / CoFe) growth using molecular beam epitaxy have demonstrated room temperature TMR up to 180%. (Yuasa et al., Appl. Phys. Lett. 87 (2005) p222508) A room temperature TMR of 220% has been reported using an MgO tunnel barrier with a polycrystalline CoFe ferromagnetic electrode (Parkin et al., Nat. Mater). 3 (2004) p862), even higher TMR was reported in MTJs made by practical magnetron sputtering on thermally oxidized Si wafers using amorphous CoFeB ferromagnetic electrodes. (Djayapraira et al., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) p092502)

極端に薄く、厚さならびに組成が極めて均一であるMTJ中にMgOトンネル障壁を形成するために多大な努力がなされてきた。さらに、(001)面垂直方向組織をもつMgOトンネル障壁の結晶性を達成するための同様の多大な努力が、理論計算によって与えられ、微細構造および薄膜化学の研究によって確認された、bcc構造のサンドウィッチ用強磁性層とともに(001)面垂直方向エピタキシであるという微細構造必要条件を満たすためになされてきた。(Y.S.Choiら、Appl.Phys.Lett.90(2007)p012505、Y.S.Choiら、J.Appl.Phys.101(2007)p013907)   Great efforts have been made to form MgO tunnel barriers in MTJs that are extremely thin and extremely uniform in thickness and composition. Furthermore, a similar great effort to achieve the crystallinity of MgO tunnel barriers with (001) plane normal organization was given by theoretical calculations and confirmed by the study of microstructure and thin film chemistry. It has been made to meet the microstructural requirement of (001) plane vertical epitaxy along with the sandwich ferromagnetic layer. (YS Choi et al., Appl. Phys. Lett. 90 (2007) p012505, YS Choi et al., J. Appl. Phys. 101 (2007) p013907)

MRAMまたは記録用読取りヘッドの大量生産のためのMTJデバイスを作製する一般的な方法では、MgOトンネル障壁の堆積は、直接堆積と、金属堆積とその後の酸化処理とに分類される。セラミック・ターゲットを使用するrf−スパッタリングによるかまたは酸素および不活性ガスのガス混合の雰囲気中での金属ターゲットの反応性スパッタリングによるトンネル障壁の堆積は第1の群の直接堆積に分類される。金属堆積とその後の様々な種類の酸化処理、例えば自然酸化、プラズマ酸化、ラジカル酸化、またはオゾン酸化は、第2の群に分類される。   In a common method of making MTJ devices for mass production of MRAM or recording readheads, MgO tunnel barrier deposition is divided into direct deposition, metal deposition and subsequent oxidation treatment. Tunnel barrier deposition by rf-sputtering using a ceramic target or by reactive sputtering of a metal target in an atmosphere of a gas mixture of oxygen and inert gas is classified as a first group of direct depositions. Metal deposition and subsequent various types of oxidation treatments, such as natural oxidation, plasma oxidation, radical oxidation, or ozone oxidation, fall into the second group.

MTJ開発の重大なボトルネックの1つは、非常に薄い厚さにおいてトンネル障壁を均一の厚さに制御することである。トンネル障壁の厚さが薄すぎる場合、ピンホールを含む恐れが高く、リーク電流がスピン依存トンネリングなしで通過する。これは信号対雑音比(S/N)を著しく低下させる。別のボトルネックはトンネル障壁の化学的不均一性であり、それは、過剰な酸化または不完全な酸化、および下地強磁性層の酸化をもたらす。これらは、表面酸化した下地強磁性層でのスピン散乱によるトンネル障壁厚さの増加のために、印加バイアスの符号に対する非対称電気特性、R×A積の異常な増加、およびTMR比の減少をもたらす。(Parkら、J.Magn.Magn.Mat.、226〜230(2001)p926)   One of the major bottlenecks in MTJ development is to control the tunnel barrier to a uniform thickness at very low thickness. If the tunnel barrier is too thin, there is a high risk of including pinholes and the leakage current will pass without spin-dependent tunneling. This significantly reduces the signal to noise ratio (S / N). Another bottleneck is the chemical heterogeneity of the tunnel barrier, which leads to excessive or incomplete oxidation and oxidation of the underlying ferromagnetic layer. These result in an asymmetric electrical property with respect to the sign of the applied bias, an unusual increase in the R × A product, and a decrease in the TMR ratio due to an increase in tunnel barrier thickness due to spin scattering in the surface oxidized underlying ferromagnetic layer. . (Park et al., J. Magn. Magn. Mat., 226-230 (2001) p926)

極めて薄いMgOトンネル障壁の均一な厚さ制御およびMgOトンネル障壁の端から端までの化学的均一性の問題に加えて、MgOベースのMTJのR×A積が低い状態で巨大TMR比を達成するための最も切迫した問題は、MgOトンネル障壁の(001)面垂直方向組織および高い結晶性である。図2は、MgOの組織と結晶性との関係およびCoFeB/MgO/CoFeB MTJの磁気輸送特性を示し、ここで、MgOはrfスパッタリングによって堆積されている。高度に結晶性で(001)組織のMgOトンネル障壁を用いて作製されたMTJは、アニーリングによるCoFeBアモルファス層の結晶化によってCoFeの対応する(001)組織を誘起し、したがって、CoFeB/MgO/CoFeBの全体的な(001)組織が実現されることが図2Aおよび図2Bに明確に示されている。したがって、図2C示されるように、低いR×A積で著しく増大したMR比を得ることが可能である。しかし、さらに図2Cで分かるように、不完全な結晶性をもつMgOトンネル障壁を備えたMTJは極端に高いR×A積とともに非常に低いMR比を示している。   In addition to the problem of uniform thickness control of ultra-thin MgO tunnel barriers and end-to-end chemical uniformity of MgO tunnel barriers, achieving large TMR ratios with low R × A products of MgO-based MTJs The most pressing problem for is the (001) plane normal texture and high crystallinity of the MgO tunnel barrier. FIG. 2 shows the relationship between MgO texture and crystallinity and magnetotransport properties of CoFeB / MgO / CoFeB MTJ, where MgO is deposited by rf sputtering. MTJs made with highly crystalline (001) textured MgO tunnel barriers induce the corresponding (001) texture of CoFe by crystallization of the CoFeB amorphous layer by annealing and thus CoFeB / MgO / CoFeB It is clearly shown in FIGS. 2A and 2B that the overall (001) organization is realized. Thus, as shown in FIG. 2C, it is possible to obtain a significantly increased MR ratio with a low R × A product. However, as can be further seen in FIG. 2C, the MTJ with the MgO tunnel barrier with imperfect crystallinity shows a very low MR ratio with an extremely high R × A product.

rfスパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁は処理最適化により大きな前進を示したにもかかわらず、MR比およびR×A積がrf−スパッタリングに固有のチャンバ状態およびパーティクル生成に応じて非常に敏感に変化するという大量生産に向けて克服することが困難である重大な問題がある(Ohら、IEEE Trans.Magn.、42(2006)p2642)。さらに、rf−スパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJデバイスの最終的なR×A積均一性(1σ)は10%を超えているが、Mg堆積とその後の酸化処理によって作製されたMgOトンネル障壁のものは3%未満であることが報告された。(Zhaoら、米国特許出願第2007/0111332号)   Although the MgO tunnel barrier made by rf sputtering has made great progress on process optimization, the MR ratio and R × A product are very sensitive to the chamber conditions and particle generation inherent in rf-sputtering. There is a significant problem that is difficult to overcome for mass production to change (Oh et al., IEEE Trans. Magn., 42 (2006) p2642). Furthermore, the final R × A product uniformity (1σ) of MTJ devices with MgO tunnel barriers made by rf-sputtering is over 10%, but made by Mg deposition and subsequent oxidation treatment. It has been reported that the MgO tunnel barrier is less than 3%. (Zhao et al., US Patent Application No. 2007/0111332)

MgOトンネル障壁作製の代替方法は、Mg堆積とその後の様々な酸化処理、または酸素および不活性ガスのガス混合の雰囲気中での反応性Mgスパッタリングである。プラズマ酸化がAlOxトンネル障壁の作製で使用されているが、反応性が高いため、極めて薄い金属層を酸化することは格別に困難であり、特にMgO形成のためのMgの酸化の速度は非常に速く、確実に下地強磁性層の界面まで酸化される。このようにして、AlOxトンネル障壁を備えたMTJから、10000Ωμm/45%のR×A積およびMR比がプラズマ酸化処理によって得られており(Tehraniら、IEEE Trans.Magn.、91(2003)P703)、一方、1000Ωμm/30%のR×A積およびMR比がオゾン酸化によって得られている。(Parkら、J.Magn.Magn.Mat.、226〜230(2001)p926) An alternative method of making the MgO tunnel barrier is reactive Mg sputtering in an atmosphere of Mg deposition followed by various oxidation treatments or a gas mixture of oxygen and inert gas. Plasma oxidation is used in the fabrication of AlOx tunnel barriers, but due to the high reactivity, it is extremely difficult to oxidize very thin metal layers, especially the rate of Mg oxidation for MgO formation is very high Fast and reliable oxidation to the interface of the underlying ferromagnetic layer. In this way, an MTJ with an AlOx tunnel barrier has yielded an R × A product and MR ratio of 10,000 Ωμm 2 /45% by plasma oxidation treatment (Tehrani et al., IEEE Trans. Magn., 91 (2003)). On the other hand, an R × A product and an MR ratio of 1000 Ωμm 2 /30% are obtained by ozone oxidation. (Park et al., J. Magn. Magn. Mat., 226-230 (2001) p926)

そのため、エネルギーの少ない酸化処理が提案されており、それはMgOトンネル障壁を形成するためのラジカル酸化および自然酸化である。さらに、ArおよびOの雰囲気中でMgOトンネル障壁を形成するためにMg金属ターゲットの反応性スパッタリングが提案されている。図3は、MgOトンネル障壁堆積の様々な方法によって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJから得られた磁気輸送特性測定結果を示す。MTJ構造はMgOトンネル障壁部分以外は同一であり、下部層/PtMn(15)/CoFe(2.5)/Ru(0.9)/CoFeB(3)/MgO(x)/CoFeB(3)/キャップ層である。括弧内の厚さはナノメートル尺度である。rfスパッタリングによって作製されたMgOをもつMTJから得られたMR比およびR×A積を参照すると、酸化法および反応性スパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJのMR比は著しく低いことが明確に示されている。10Ωμmの所与のR×A積では、rfスパッタリングによって作製されたMgOをもつMTJは180%のMR比を与えるが、ラジカル酸化法によって堆積されたMgOは100%を与え、自然酸化は60%を与え、反応性スパッタリングによって作製されたMgOは135%を与える。 Therefore, an oxidation process with low energy has been proposed, which is radical oxidation and natural oxidation for forming an MgO tunnel barrier. In addition, reactive sputtering of Mg metal targets has been proposed to form MgO tunnel barriers in Ar and O 2 atmospheres. FIG. 3 shows magnetotransport property measurements obtained from MTJs with MgO tunnel barriers made by various methods of MgO tunnel barrier deposition. The MTJ structure is the same except for the MgO tunnel barrier portion, and the lower layer / PtMn (15) / CoFe (2.5) / Ru (0.9) / CoFeB (3) / MgO (x) / CoFeB (3) / It is a cap layer. The thickness in parentheses is on the nanometer scale. Referring to the MR ratio and R × A product obtained from MTJ with MgO made by rf sputtering, the MR ratio of MTJ with MgO tunnel barrier made by oxidation and reactive sputtering is significantly lower It is clearly shown. For a given R × A product of 10 Ωμm 2 , MTJ with MgO produced by rf sputtering gives an MR ratio of 180%, while MgO deposited by radical oxidation gives 100% and spontaneous oxidation is 60 MgO made by reactive sputtering gives 135%.

微細構造解析が、高分解透過顕微鏡(HREM)、X線回折(XRD)、およびX線光電子分光法(XPS)で行われた。図4Aおよび図4Bに示されるように、磁気輸送特性の差は、MgOトンネル障壁の結晶性の差およびCoFeB/MgO/CoFeB層中のエピタキシの不足に起因することが明確に比較される。図4Aおよび図4Bは、それぞれ、rf−スパッタリングおよびラジカル酸化によって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJから撮られた断面HEEM画像である。ChoiらによってJ.Appl.Phys.101(2007)p013907で報告されたように、rfスパッタリングによって作製されたCoFeB/MgO/CoFeBベースのMTJは、MgOが高度な結晶性でCoFe層との良好な結晶粒間エピタキシであるという、Butlerらによる理論計算で与えられた微細構造必要条件を満たしている。CoFe層は、結晶化テンプレートとしての結晶性MgOに基づいた堆積後アニーリングによって結晶化され、このようにして、結晶粒間エピタキシがCoFe/MgO/CoFe層で実現される。しかし、ラジカル酸化によって作製されたMgOトンネル障壁はアモルファスと混合された不完全な結晶性を示し、CoFe層との界面での擬エピタキシを確認するのは困難である。   Microstructural analysis was performed with a high resolution transmission microscope (HREM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As shown in FIGS. 4A and 4B, it is clearly compared that the difference in magnetotransport properties is due to the difference in crystallinity of the MgO tunnel barrier and the lack of epitaxy in the CoFeB / MgO / CoFeB layer. 4A and 4B are cross-sectional HEEM images taken from an MTJ with a MgO tunnel barrier made by rf-sputtering and radical oxidation, respectively. Choi et al. Appl. Phys. 101 (2007) p013907, a CoFeB / MgO / CoFeB based MTJ made by rf sputtering is a Butler that MgO is highly crystalline and has good intergranular epitaxy with the CoFe layer. Satisfies the microstructural requirements given in the theoretical calculation by J. et al. The CoFe layer is crystallized by post-deposition annealing based on crystalline MgO as a crystallization template, and thus intergranular epitaxy is realized in the CoFe / MgO / CoFe layer. However, the MgO tunnel barrier produced by radical oxidation exhibits incomplete crystallinity mixed with amorphous, and it is difficult to confirm pseudoepitaxy at the interface with the CoFe layer.

図4Cは、堆積方法、すなわちrf−スパッタリングおよび自然酸化に関してMgOの結晶性および組織の明白な比較を示す。面垂直方向シータ−2・シータ・スキャンにより、rf−スパッタリングによりアモルファスCoFeB層に堆積されたMgOトンネル障壁は、成長時の状態で高度な結晶性であり、2シータ=42.4°での明白なMgO(002)ピークによって(001)面垂直方向の好適方位で高度に組織化されていることが確認される。しかし、金属堆積とその後の自然酸化によって作製されたMgOは明白なピークを示さず、それはMgO層がほとんどアモルファスであることを示している。   FIG. 4C shows a clear comparison of MgO crystallinity and texture with respect to deposition methods, ie, rf-sputtering and spontaneous oxidation. The MgO tunnel barrier deposited on the amorphous CoFeB layer by rf-sputtering by plane perpendicular theta-2 theta scan is highly crystalline in the as-grown state and is evident at 2 theta = 42.4 ° It is confirmed that the MgO (002) peak is highly organized in a preferred orientation in the direction perpendicular to the (001) plane. However, MgO produced by metal deposition and subsequent natural oxidation does not show an obvious peak, indicating that the MgO layer is almost amorphous.

図4Dおよび図4Eは、それぞれ、rf−スパッタリングおよび反応性スパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJから得られたXPSスペクトルである。ChoiらによってAppl.Phys.Lett.90(2007)p012505で報告されたように、MgOの結晶性、MTJのより高いMR比およびより低いR×A積にとって、NaCl構造のMgOの格子点に支配的数量の酸素イオンを有することが肝要である。図4Dに示されるように、NaCl構造のMgOの格子点を占める酸素イオン(その結合エネルギーは約531eVである)の数量は、rfスパッタリングによって堆積されたMgOにおいて非常に高いが、反応性スパッタリングによって堆積されたMgOでは、図4Eに示されるように、格子点における酸素イオンの数量のほとんど1/3であるかなりの数量の不純物酸素イオン(その結合エネルギーは約533.3eVである)があることが明らかである。したがって、MgO障壁中のこの高密度の不純物酸素イオンが、MgOの不完全な結晶性に関連しており、不完全なMR比の原因であると推測することができる。   4D and 4E are XPS spectra obtained from MTJ with MgO tunnel barriers made by rf-sputtering and reactive sputtering, respectively. Choi et al., Appl. Phys. Lett. 90 (2007) p012505, for MgO crystallinity, higher MR ratio of MTJ and lower R × A product, it has a dominant quantity of oxygen ions at the MgO lattice point of NaCl structure. It is essential. As shown in FIG. 4D, the number of oxygen ions (its binding energy is about 531 eV) occupying the lattice point of MgO with NaCl structure is very high in MgO deposited by rf sputtering, but by reactive sputtering. In the deposited MgO, there is a significant amount of impurity oxygen ions (its binding energy is about 533.3 eV) which is almost 1/3 of the number of oxygen ions at the lattice points, as shown in FIG. 4E. Is clear. Therefore, it can be inferred that this high density of impurity oxygen ions in the MgO barrier is related to the incomplete crystallinity of MgO and is responsible for the incomplete MR ratio.

酸化法によって作製されたMgOトンネル障壁の良好な結晶性を達成するために、2層ではなく単層の結晶強磁性基準層が使用されており、MTJの構造は下部層/PtMn(15)/CoFe(2.5)/Ru(0.9)/CoFe(3)/MgO(x)/CoFeB(3)/キャップ層である。図5Aに示されるように、完全結晶CoFe単一基準層をもつMTJは、MR比をCoFeBアモルファス基準層による130%から35%まで顕著に低下させる。また、360℃で、2時間、10kOeの磁界の下で堆積直後のアニーリングの後の完全結晶CoFe単一基準層をもつMTJからの図5Bの全ヒステリシス・ループの形状は、不十分または破壊されたSAF構造を示しているが、一方、同じ条件での堆積後アニーリングの後のアモルファスCoFeB単一基準層をもつ図5Cに示されたMTJの全ヒステリシス・ループの形状は、円のマーク内に明瞭なSAF結合を示している。体心立方CoFeは、六方最密Ru(0001)底面との格子整合のためにRuとの界面と平行な(110)原子面を順番に成長させる傾向がある。強磁性基準層の(110)面垂直方向組織は、MgOベースのMTJに関するButlerらによる理論計算からの巨大TMRにとって好ましくない。さらに、SAF(CoFeB/Ru/CoFe)の熱安定性はSAF(CoFeB/Ru/CoFeB)よりも非常に悪く、したがって、MTJが、高温での堆積後、アニーリングの後のCoFeB/Ru/CoFe SAF構造で構成される場合、構成要素強磁性層間の磁化分離の明確な区分けを保証することができない。したがって、結晶CoFe単一基準層はMgOトンネル障壁の良好な結晶性を達成するのに効果的でないことが分かる。   In order to achieve good crystallinity of the MgO tunnel barrier produced by the oxidation method, a single crystalline ferromagnetic reference layer is used instead of two layers, and the MTJ structure is lower layer / PtMn (15) / CoFe (2.5) / Ru (0.9) / CoFe (3) / MgO (x) / CoFeB (3) / cap layer. As shown in FIG. 5A, an MTJ with a fully crystalline CoFe single reference layer significantly reduces the MR ratio from 130% to 35% with a CoFeB amorphous reference layer. Also, the shape of the entire hysteresis loop of FIG. 5B from a MTJ with a fully crystalline CoFe single reference layer after annealing immediately after deposition at 360 ° C. for 2 hours under a magnetic field of 10 kOe is insufficient or destroyed. The shape of the entire hysteresis loop of the MTJ shown in FIG. 5C with an amorphous CoFeB single reference layer after post-deposition annealing under the same conditions is shown in the circle mark. Clear SAF coupling is shown. Body-centered cubic CoFe has a tendency to sequentially grow (110) atomic planes parallel to the interface with Ru for lattice matching with the hexagonal close-packed Ru (0001) bottom surface. The (110) plane normal texture of the ferromagnetic reference layer is undesirable for the giant TMR from theoretical calculations by Butler et al. For MgO-based MTJ. Furthermore, the thermal stability of SAF (CoFeB / Ru / CoFe) is much worse than SAF (CoFeB / Ru / CoFeB), so that MTJ is a CoFeB / Ru / CoFe SAF after annealing and after annealing. When structured, it is not possible to guarantee a clear separation of the magnetization separation between the component ferromagnetic layers. Thus, it can be seen that the crystalline CoFe single reference layer is not effective in achieving good crystallinity of the MgO tunnel barrier.

したがって、酸化法または反応性スパッタリングによって堆積されたMgOトンネル障壁の不完全な結晶性は、CoFeB/MgO界面でアモルファスCoFeBをCoFeに結晶させるための結晶化テンプレートの役割を果たすことができないことを理解することができる。したがって、結晶粒間擬エピタキシをCoFe/MgO/CoFe層において期待することができず、それは不完全な磁気輸送特性をもたらす。   Thus, it is understood that the incomplete crystallinity of MgO tunnel barriers deposited by oxidation methods or reactive sputtering cannot serve as a crystallization template for crystallizing amorphous CoFeB to CoFe at the CoFeB / MgO interface. can do. Therefore, intergranular pseudoepitaxy cannot be expected in a CoFe / MgO / CoFe layer, which results in incomplete magnetotransport properties.

強磁性層の面内磁化を用いたMTJデバイスと異なり、強磁性層の垂直磁化を用いたMTJデバイスは、スピン・トランスファ・トルクによる反転の間磁化の歳差運動の問題がなく、それによってJcの大幅な減少を期待することができる。さらに、垂直異方性を使用するSTT−MRAMでは一軸性軸に対する面内形状異方性を必要としないので、さらなる拡張性が可能になり、したがってそれの密度が増大する。   Unlike MTJ devices that use in-plane magnetization of a ferromagnetic layer, MTJ devices that use perpendicular magnetization of a ferromagnetic layer have no problem of precession of magnetization during reversal due to spin transfer torque, and thus Jc Can be expected to decrease significantly. Furthermore, STT-MRAM using vertical anisotropy does not require in-plane shape anisotropy with respect to the uniaxial axis, thus allowing further expandability and thus increasing its density.

T.Zhaoら、米国特許出願第2007/0111332号T.A. Zhao et al., US Patent Application No. 2007/0111332. S.Miuraら、米国特許出願第 号S. Miura et al., US Patent Application No. K.Nishimuraら、特許出願第2008−103661号K. Nishimura et al., Patent Application No. 2008-103661

W.H.Butlerら、Phys.Rev.B 63、054416(2001)W. H. Butler et al., Phys. Rev. B 63, 054416 (2001) S.Yuasaら、Appl.Phys.Lett.87、222508(2005)S. Yuasa et al., Appl. Phys. Lett. 87, 222508 (2005) S.S.P.Parkinら、Nat.Mater.3、862(2004)S. S. P. Parkin et al., Nat. Mater. 3, 862 (2004) D.Djayaprawiraら、Appl.Phys.Lett.86、092502(2005)D. Djayapraira et al., Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005) Y.S.Choiら、Appl.Phys.Lett.90、012505(2007)Y. S. Choi et al., Appl. Phys. Lett. 90, 012505 (2007) Y.S.Choiら、J.Appl.Phys.101、013907(2007)Y. S. Choi et al. Appl. Phys. 101, 013907 (2007) B.Parkら、J.Magn.Magn.Mat.、226〜230、926(2001)B. Park et al. Magn. Magn. Mat. 226-230, 926 (2001) S.C.Ohら、IEEE Trans.Magn.、42、2642(2006)S. C. Oh et al., IEEE Trans. Magn. , 42, 2642 (2006) S.Tehraniら、IEEE Trans.Magn.、91、703(2003)S. Tehrani et al., IEEE Trans. Magn. 91, 703 (2003)

本発明の目的は、強磁性層の垂直磁化を用いたMgOベースのMTJをスピン・トランスファ・トルクMRAMに適用するために低いR×A積で十分に高いMR比を提供することであり、MgOは金属堆積とその後の様々な酸化法によって作製されるか、または反応性スパッタリングによって作製され、その微細構造はアモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質トンネル障壁である。   An object of the present invention is to provide a sufficiently high MR ratio with a low R × A product to apply an MgO-based MTJ using perpendicular magnetization of a ferromagnetic layer to a spin transfer torque MRAM, and MgO Can be made by metal deposition followed by various oxidation methods or by reactive sputtering, the microstructure of which is an amorphous or microcrystalline tunnel barrier with an incomplete (001) plane normal texture.

本発明の第1の態様によれば、金属堆積とその後の様々な酸化法によって作製されたかまたは反応性スパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を結晶化させるか、またはそれの好適結晶粒成長を誘起することが肝要である。   According to the first aspect of the present invention, MgO tunnel barriers produced by metal deposition and subsequent various oxidation methods or produced by reactive sputtering are crystallized or induced in its preferred grain growth. It is important to do.

本発明の第2の態様によれば、成長直後の状態でアモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質であるMgOトンネル障壁の結晶化または好適結晶粒成長は、MgOトンネル障壁の下にあるかまたはそれを挟んでいる体心立方構造の結晶強磁性PGGPシード層を使用することによって堆積後アニーリング中に達成することができる。   According to the second aspect of the present invention, the crystallization or preferred grain growth of the MgO tunnel barrier, which is amorphous or microcrystalline with an imperfect (001) plane normal structure in the state immediately after growth, is achieved by the MgO tunnel. It can be achieved during post-deposition annealing by using a body-centered cubic crystalline ferromagnetic PGGP seed layer under or sandwiching the barrier.

結晶強磁性ピンまたは自由層を使用する場合、成長直後の状態でアモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質であるMgOトンネル障壁の結晶化または好適結晶粒成長は、MgOトンネル障壁の下にあるかまたはそれを挟んでいる体心立方構造の結晶強磁性PGGPシード層を使用することによって堆積後アニーリング中に達成することができる。   When using crystalline ferromagnetic pins or free layers, crystallization or preferred grain growth of MgO tunnel barrier, which is amorphous or microcrystalline with imperfect (001) plane normal structure in the as-grown state, is MgO. It can be achieved during post-deposition annealing by using a body-centered cubic crystalline ferromagnetic PGGP seed layer under or sandwiching the tunnel barrier.

結晶強磁性PGGPシード層が存在すると、図6に概略的に示されるように、堆積後アニーリングの後で、堆積直後の状態でアモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質のトンネル障壁であるMgOトンネル障壁の結晶化および好適結晶粒成長が引き起こされる。   In the presence of a crystalline ferromagnetic PGGP seed layer, as shown schematically in FIG. 6, after post-deposition annealing, microcrystalline with an amorphous or incomplete (001) plane normal structure in the as-deposited state. Crystallization and suitable grain growth of the MgO tunnel barrier, which is the tunnel barrier of this, is caused.

したがって、本発明のこの得られたMTJの微細構造により、図6に示されるように、MR比の著しい増加ならびにR×A積の顕著な低減を達成することが可能である。   Thus, with this resulting MTJ microstructure of the present invention, it is possible to achieve a significant increase in MR ratio as well as a significant reduction in R × A product, as shown in FIG.

磁気トンネル接合の典型的な構造の概略図である。1 is a schematic diagram of a typical structure of a magnetic tunnel junction. 強磁性層の垂直磁化を用いた磁気トンネル接合の典型的な構造の概略図である。1 is a schematic diagram of a typical structure of a magnetic tunnel junction using perpendicular magnetization of a ferromagnetic layer. FIG. 高度な結晶性で(001)組織のMgOトンネル障壁を用いて作製されたMTJは、アニーリングによるCoFeBアモルファス層の結晶化によりCoFeの対応する(001)組織を含むことを示す図である。FIG. 3 shows that an MTJ fabricated using a highly crystalline (001) textured MgO tunnel barrier contains a corresponding (001) texture of CoFe by crystallization of a CoFeB amorphous layer by annealing. 高度な結晶性で(001)組織のMgOトンネル障壁を用いて作製されたMTJは、アニーリングによるCoFeBアモルファス層の結晶化によりCoFeの対応する(001)組織を含むことを示す図である。FIG. 3 shows that an MTJ fabricated using a highly crystalline (001) textured MgO tunnel barrier contains a corresponding (001) texture of CoFe by crystallization of a CoFeB amorphous layer by annealing. 不完全な結晶性をもつMgOトンネル障壁を備えたMTJは極めて高いR×A積とともに非常に低いMR比を示すことを示す図である。FIG. 3 shows that an MTJ with an MgO tunnel barrier with imperfect crystallinity exhibits a very low MR ratio with a very high R × A product. MgOトンネル障壁堆積の様々な方法によって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJから得られた磁気輸送特性測定結果を示す図である。It is a figure which shows the magnetotransport characteristic measurement result obtained from MTJ provided with the MgO tunnel barrier produced by the various methods of MgO tunnel barrier deposition. 様々な方法によって作製されたMgOからの微細構造および薄膜化学分析の結果を示す図であり、rf−スパッタリングによって作製されたMgOをもつMTJからの断面HREM画像の写真である。It is a figure which shows the result of the fine structure and thin film chemical analysis from MgO produced by various methods, and is a photograph of the cross-sectional HREM image from MTJ with MgO produced by rf-sputtering. 様々な方法によって作製されたMgOからの微細構造および薄膜化学分析の結果を示す図であり、ラジカル酸化によって作製されたMgOをもつMTJからの断面HREM画像の写真である。It is a figure which shows the result of the fine structure and thin film chemical analysis from MgO produced by various methods, and is a photograph of the cross-sectional HREM image from MTJ with MgO produced by radical oxidation. 様々な方法によって作製されたMgOからの微細構造および薄膜化学分析の結果を示す図であり、rf−スパッタリングおよび自然酸化によって作製されたMgOトンネル障壁の結晶性および構造を比較するXRDシータ−2・シータ・スキャンである。FIG. 7 shows the results of microstructure and thin film chemical analysis from MgO produced by various methods, comparing the crystallinity and structure of MgO tunnel barriers produced by rf-sputtering and natural oxidation. It is a theta scan. 様々な方法によって作製されたMgOからの微細構造および薄膜化学分析の結果を示す図であり、rf−スパッタリングによって作製されたMgOから得られたXPS 0 1sスペクトルである。It is a figure which shows the result of the microstructure and thin film chemical analysis from MgO produced by various methods, and is the XPS 0 1s spectrum obtained from MgO produced by rf-sputtering. 様々な方法によって作製されたMgOからの微細構造および薄膜化学分析の結果を示す図であり、反応性スパッタリングによって作製されたMgOから得られたXPS 0 1sスペクトルである。It is a figure which shows the result of the fine structure and thin film chemical analysis from MgO produced by various methods, and is an XPS 0 1s spectrum obtained from MgO produced by reactive sputtering. CoFeまたはCoFeBの強磁性単一基準層をもつMTJの磁気輸送特性の比較およびヒステリシス・ループを示す図であり、CoFeまたはCoFeB基準層をもつMTJからのMR比対R×A積である。FIG. 6 shows a comparison of magnetotransport properties and hysteresis loop of MTJ with CoFe or CoFeB ferromagnetic single reference layer, MR ratio versus R × A product from MTJ with CoFe or CoFeB reference layer. CoFeまたはCoFeBの強磁性単一基準層をもつMTJの磁気輸送特性の比較およびヒステリシス・ループを示す図であり、CoFe基準層をもつMTJからの全ヒステリシス・ループである。FIG. 6 shows a comparison of magnetotransport properties and hysteresis loops of an MTJ with a CoFe or CoFeB ferromagnetic single reference layer, a total hysteresis loop from an MTJ with a CoFe reference layer. CoFeまたはCoFeBの強磁性単一基準層をもつMTJの磁気輸送特性の比較およびヒステリシス・ループを示す図であり、CoFeB基準層をもつMTJからの全ヒステリシス・ループである。FIG. 6 shows a comparison of magnetotransport properties and hysteresis loops of an MTJ with a CoFe or CoFeB ferromagnetic single reference layer, a total hysteresis loop from an MTJ with a CoFeB reference layer. 堆積後アニーリングの後のMTJの結晶化および好適結晶粒成長処理の概略的な比較の図である。FIG. 4 is a schematic comparison of MTJ crystallization and preferred grain growth treatment after post-deposition annealing. MTJデバイス製造装置を例示する図である。It is a figure which illustrates an MTJ device manufacturing apparatus. 本発明のMTJの概略図である。It is the schematic of MTJ of this invention. 本発明の第1の実施形態のMTJの概略図である。It is the schematic of MTJ of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態のMTJの概略図である。It is the schematic of MTJ of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態のMTJの概略図である。It is the schematic of MTJ of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明のPGGPシード層の磁気モーメントの概略図である。It is the schematic of the magnetic moment of the PGGP seed layer of this invention. 垂直異方性の強磁性層への厚いPGGP層の磁気モーメントの影響の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of the influence of the magnetic moment of a thick PGGP layer on a perpendicular anisotropic ferromagnetic layer. PGGPシード層厚さと異方性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between PGGP seed layer thickness and anisotropy. 第2の実施形態の成長直後のMTJから高分解透過電子顕微鏡(HRTEM)および断面HRTEM画像によってそれぞれ得られた断面画像を分析するための概略図であり、MgOトンネル障壁およびCoFeB層によって挟まれたCoFe PGGPシード層である。It is the schematic for analyzing the cross-sectional image obtained by the high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) and the cross-sectional HRTEM image from MTJ immediately after the growth of 2nd Embodiment, respectively, and was pinched | interposed by the MgO tunnel barrier and the CoFeB layer CoFe PGGP seed layer. 第2の実施形態の成長直後のMTJから高分解透過電子顕微鏡(HRTEM)および断面HRTEM画像によってそれぞれ得られた断面画像を分析するための概略図であり、(001)面垂直方向をもつCoFe PGGPシード層の成長を表わすものである。It is the schematic for analyzing the cross-sectional image each obtained by the high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) and the cross-sectional HRTEM image from MTJ immediately after the growth of 2nd Embodiment, CoFe PGGP with a (001) plane perpendicular direction It represents the growth of the seed layer. 第2の実施形態の成長直後のMTJから高分解透過電子顕微鏡(HRTEM)および断面HRTEM画像によってそれぞれ得られた断面画像を分析するための概略図であり、(011)面垂直方向をもつCoFe PGGPシード層の成長を表わすものである。It is the schematic for analyzing the cross-sectional image each obtained by the high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) and the cross-sectional HRTEM image from MTJ immediately after the growth of 2nd Embodiment, (011) CoFe PGGP with a plane perpendicular direction It represents the growth of the seed layer. 第2の実施形態の成長直後のMTJの断面HREM画像を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional HREM image of MTJ immediately after the growth of 2nd Embodiment. 第2の実施形態のアニールされたMTJの断面HREM画像を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional HREM image of annealed MTJ of 2nd Embodiment. 図12Aの断面HREM画像の枠で囲まれた領域からの選択された領域の回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the diffraction pattern of the area | region selected from the area | region enclosed by the frame of the cross-sectional HREM image of FIG. 12A.

以下に、本発明の好ましい実施形態が図面を参照しながら具体的に説明される。合金が元素比を意味する数なしで記述される場合、それは、本文書において、合金が同じ比ではなく任意の比で各元素を含むことを意味する。図7は、好ましい実施形態におけるMTJデバイス製造装置を例示する。図7は、磁気トンネル接合デバイスを製作するための真空処理システム700の概略平面図である。図7に示された真空処理システムは、物理気相堆積技法を使用する複数の薄膜堆積チャンバを備えるクラスタ型システムである。前記真空処理システム中の複数の堆積チャンバは、中央位置にロボット・ローダーを備えた真空搬送チャンバ701(図示せず)に取り付けられる。前記真空処理システム700は、基板をロード/アンロードするために2つのロードロック・チャンバ702および703を備えている。前記真空処理システムは、脱ガス・チャンバ704およびプレエッチング/エッチング・チャンバ705を備えている。真空処理システムは、酸化チャンバ706と、複数の金属堆積チャンバ707、708、および709とを備えている。真空処理システムのチャンバの各々は、チャンバ間の通路を開閉するためにゲート・バルブを介して接続される。真空処理システムの各々のチャンバはポンプ・システム、ガス導入システム、および電源システムを備えていることに留意されたい。さらに、ガス導入システムは流量調整手段を含み、ポンプ・システムは圧力調整手段を含む。流量調整手段および圧力調整手段の各操作により、一定期間の間チャンバの圧力を一定に制御することができる。さらに、流量調整手段および圧力調整手段の組合せに基づいた操作により、一定期間の間チャンバの圧力を一定に制御することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Where an alloy is described without a number implying an element ratio, it means in this document that the alloy contains each element in any ratio rather than the same ratio. FIG. 7 illustrates an MTJ device manufacturing apparatus in a preferred embodiment. FIG. 7 is a schematic plan view of a vacuum processing system 700 for fabricating a magnetic tunnel junction device. The vacuum processing system shown in FIG. 7 is a clustered system with multiple thin film deposition chambers that use physical vapor deposition techniques. The plurality of deposition chambers in the vacuum processing system are attached to a vacuum transfer chamber 701 (not shown) having a robot loader at a central position. The vacuum processing system 700 includes two load lock chambers 702 and 703 for loading / unloading substrates. The vacuum processing system includes a degas chamber 704 and a pre-etch / etch chamber 705. The vacuum processing system includes an oxidation chamber 706 and a plurality of metal deposition chambers 707, 708, and 709. Each of the chambers of the vacuum processing system is connected through a gate valve to open and close a passage between the chambers. Note that each chamber of the vacuum processing system includes a pump system, a gas introduction system, and a power supply system. Further, the gas introduction system includes a flow rate adjusting means, and the pump system includes a pressure adjusting means. By operating the flow rate adjusting means and the pressure adjusting means, the pressure in the chamber can be controlled to be constant for a certain period. Further, the chamber pressure can be controlled to be constant for a certain period by an operation based on the combination of the flow rate adjusting means and the pressure adjusting means.

前記真空処理システム700の金属堆積チャンバ707、708、および709の各々において、磁性層および非磁性金属層の各々がスパッタリング方法によって1つずつ基板に堆積される。金属堆積チャンバ707、708、および709では、例えば、ターゲットの材料は「CoFe」であり、ターゲットの材料は「CoFeB」であり、ターゲットの材料は「Mg」である。さらに、ターゲットの材料は「下層材料」であり、ターゲットの材料は「キャップ材料」である。プレエッチングおよびエッチングはプレエッチング/エッチング・チャンバで行われる。酸化は酸化チャンバ706で行われる。さらに、各金属堆積チャンバはdc−スパッタリングを行うことができるスパッタ装置を含む。各チャンバへのガス導入、バルブの切替え、電源のON/OFF、ガスの排気、および基板搬送などの手順は、システム・コントローラ(図示せず)によって行われる。   In each of the metal deposition chambers 707, 708, and 709 of the vacuum processing system 700, each of the magnetic layer and the non-magnetic metal layer is deposited on the substrate one by one by a sputtering method. In the metal deposition chambers 707, 708, and 709, for example, the target material is “CoFe”, the target material is “CoFeB”, and the target material is “Mg”. Furthermore, the target material is a “lower layer material” and the target material is a “cap material”. Pre-etching and etching are performed in a pre-etch / etch chamber. Oxidation takes place in oxidation chamber 706. In addition, each metal deposition chamber includes a sputtering apparatus capable of performing dc-sputtering. Procedures such as gas introduction into each chamber, valve switching, power ON / OFF, gas exhaust, and substrate transfer are performed by a system controller (not shown).

図8Dは、トンネル磁気抵抗(TMR)メモリ・セル用の強磁性層の垂直磁化を用いたMTJのスタック構造100を示す。最も有利には、下層120およびSiウェハ110上に、MTJは、垂直異方性をもつ強磁性ピン層130、第1の強磁性好適結晶粒成長促進(PGGP)シード層140、トンネル障壁150、第2の強磁性好適結晶粒成長促進(PGGP)シード層160、および垂直異方性をもつ強磁性自由層170からなる。上部電極が取り付けられるキャプ層180(Ptなど)は自由層170上に形成される。   FIG. 8D shows an MTJ stack structure 100 using the perpendicular magnetization of a ferromagnetic layer for a tunneling magnetoresistive (TMR) memory cell. Most advantageously, on the lower layer 120 and the Si wafer 110, the MTJ comprises a ferromagnetic pinned layer 130 with perpendicular anisotropy, a first ferromagnetic preferred grain growth promoting (PGGP) seed layer 140, a tunnel barrier 150, It comprises a second ferromagnetic preferred grain growth promoting (PGGP) seed layer 160 and a ferromagnetic free layer 170 having perpendicular anisotropy. A cap layer 180 (such as Pt) to which the upper electrode is attached is formed on the free layer 170.

本発明のMTJデバイスは、MTJデバイス中にコア要素を作製することによって形成され、コアは「垂直異方性をもつ結晶強磁性ピン層130/第1の結晶強磁性PGGPシード層140/トンネル障壁150/強磁性PGGPシード層160/垂直異方性をもつ強磁性自由層170」の多層構造を含み、好ましい実施形態では以下の群から選択した材料の組合せを使用する。   The MTJ device of the present invention is formed by fabricating a core element in an MTJ device, where the core is “crystalline ferromagnetic pinned layer 130 with perpendicular anisotropy / first crystalline ferromagnetic PGGP seed layer 140 / tunnel barrier. 150 / ferromagnetic PGGP seed layer 160 / ferromagnetic free layer 170 with perpendicular anisotropy "multilayer structure, and in a preferred embodiment, a combination of materials selected from the following group is used.

群1:
強磁性好適結晶粒成長促進(PGGP)シード層に対する選択
a.結晶単層
b.2層化アモルファス層/結晶層
群2:
MgOトンネル障壁堆積の方法
c.Mg xÅ/酸化処理*/Mg yÅ
d.Mg xÅ/酸素界面活性物質/Mg xÅ/酸化処理*/Mg yÅ
e.Mg xÅ/酸化処理*/Mg yÅ/酸化処理*/Mg zÅ
f.反応性スパッタリングMgOx/酸化処理*/Mg yÅ
g.Mg xÅ/反応性スパッタリングMgOx/酸化処理*/Mg yÅ
酸化処理*はプラズマ、自然、ラジカル、およびオゾン酸化を含む。
群3:
強磁性PGGPシード層の位置
h.ピン層のみ
i.自由層のみ
j.基準および自由層
群4:
垂直異方性をもつ強磁性ピンまたは自由層の選択
k.アモルファス強磁性層
l.結晶強磁性層
m.多層(2層の多数の繰り返し)
群5:
結晶強磁性PGGPシード層または2層化強磁性PGGPシード層の結晶層に対する材料選択
n.CoxFe100−x、ここで、0<x原子%<90
o.(CoxFe100−x)yB100−y、ここで、0<x原子%<90、および90<y原子%<100
p.Fe
Group 1:
Selection for Ferromagnetic Preferred Grain Growth Promotion (PGGP) Seed Layer a. Crystal single layer b. Bilayered amorphous layer / Crystal layer Group 2:
Method of MgO tunnel barrier deposition c. Mg xÅ / Oxidation treatment * / Mg yÅ
d. Mg xÅ / Oxygen surfactant / Mg xÅ / Oxidation treatment * / Mg yÅ
e. Mg xÅ / oxidation treatment * / Mg yMg / oxidation treatment * / Mg zÅ
f. Reactive sputtering MgOx / Oxidation treatment * / Mg y
g. Mg xÅ / reactive sputtering MgOx / oxidation treatment * / Mg yÅ
Oxidation treatment * includes plasma, nature, radicals, and ozone oxidation.
Group 3:
Location of the ferromagnetic PGGP seed layer h. Pinned layer only i. Free layer only j. Reference and free layer group 4:
Selection of ferromagnetic pin or free layer with perpendicular anisotropy k. Amorphous ferromagnetic layer l. Crystalline ferromagnetic layer m. Multi-layer (multiple repetitions of two layers)
Group 5:
Material selection for crystalline layer of crystalline ferromagnetic PGGP seed layer or double-layered ferromagnetic PGGP seed layer n. CoxFe100-x, where 0 <x atomic% <90
o. (CoxFe100-x) yB100-y, where 0 <x atomic% <90 and 90 <y atomic% <100
p. Fe

第1の実施形態
第1の実施形態のスタックの構成を示す図8Aを参照すると、第1の実施形態の重要な態様の1つは、垂直異方性をもつアモルファス強磁性ピンおよび自由層133、173の使用である。また、第1の実施形態の別の重要な態様は、MgOトンネル障壁153の下にあるかまたはそれを挟んでいる結晶強磁性PGGPシード層の挿入である。図8Aから8Cは、アニーリング・ステップの前のMgOトンネル障壁を示す。アニーリング・ステップによって、強磁性PGGPシード層に挟まれた層は、全体的な(001)面垂直方向組織をもつMgOトンネル障壁153に変化する。
First Embodiment Referring to FIG. 8A showing the configuration of the stack of the first embodiment, one of the important aspects of the first embodiment is that the amorphous ferromagnetic pin and the free layer 133 have perpendicular anisotropy. , 173. Another important aspect of the first embodiment is the insertion of a crystalline ferromagnetic PGGP seed layer under or sandwiching the MgO tunnel barrier 153. Figures 8A-8C show the MgO tunnel barrier prior to the annealing step. By the annealing step, the layer sandwiched between the ferromagnetic PGGP seed layers is transformed into an MgO tunnel barrier 153 having an overall (001) plane normal texture.

垂直異方性をもつ強磁性ピン層133および自由層173はアモルファス希土類/遷移金属合金(RETM1−x)とすることができ、ここで、RE=Y、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、およびLu、ならびにTM=Co、Fe、およびCoFe合金である。または、垂直異方性をもつ強磁性ピン層133および自由層173は、希土類/遷移金属/耐食性元素合金(RETM1−xCR1−yとすることができ、ここで、CR=Crである。これらの層は、合金ターゲットのスパッタリングまたはマルチ金属ターゲットの同時スパッタリングで形成することができる。他の気相堆積法を使用することができる。また、強磁性自由層173は強磁性ピン層133よりも低い保磁力を有する。それは、強磁性ピン層133と異なる材料および/または元素比で製作することができる。 The ferromagnetic pinned layer 133 and the free layer 173 having perpendicular anisotropy can be an amorphous rare earth / transition metal alloy (RE x TM 1-x ), where RE = Y, Nd, Gd, Tb, Dy , Ho, Er, and Lu, and TM = Co, Fe, and CoFe alloys. Alternatively, the ferromagnetic pinned layer 133 and the free layer 173 having perpendicular anisotropy may be a rare earth / transition metal / corrosion resistant element alloy (RE x TM 1-x ) y CR 1-y , where CR = Cr. These layers can be formed by sputtering of an alloy target or co-sputtering of a multi-metal target. Other vapor deposition methods can be used. The ferromagnetic free layer 173 has a lower coercive force than the ferromagnetic pinned layer 133. It can be fabricated with a different material and / or element ratio than the ferromagnetic pinned layer 133.

第1および第2の結晶強磁性PGGPシード層143、163はbcc構造をもつ結晶層とすることができる。したがって、第1および第2の結晶強磁性PGGP層143、163は、CoFe1−x(0≦x≦0.9)、(CoFe1−x1−y(0≦x≦0.9および0.9≦y<1)、Feなどとすることができる。さらに、それは0.5nm≦t≦2nmの厚さ(t)で堆積することができる。垂直異方性をもつ強磁性のピンまたは自由層によって強磁性PGGPシード層に誘起される異方性は、一軸異方性場が形状異方性と競合するので関連するエネルギーを考慮することによって決定することができる。
一軸異方性=2K/M
形状異方性=4πM
ここで、Kuは異方性定数であり、Mは飽和磁化である。図9Cに示されるように、結晶強磁性PGGPシード層の厚さが厚くなるとき、形状異方性が一軸異方性に打ち勝つ移行厚さがある。したがって、結晶強磁性PGGPシード層のこの移行厚さ未満では、強磁性PGGPシード層の垂直異方性が誘起されて、図9Aに示されるようにすべての磁気モーメントが膜面に垂直に整列する。しかし、強磁性PGGPシード層の移行厚さを超えると、形状異方性が支配的となり、したがって、磁気モーメントはすべて膜面に整列し、それにより、次に、強磁性ピンまたは自由層の界面磁気モーメントが誘起され、図9Bに示されるように、垂直異方性が垂直軸から傾く。したがって、強磁性PGGPシード層の厚さは、限界移行厚さより小さくなるように注意深く制御する必要がある。一方、厚さが0.5nm未満である場合、それは薄すぎてPGGPとなりえない。
The first and second crystalline ferromagnetic PGGP seed layers 143 and 163 can be crystalline layers having a bcc structure. Therefore, the first and second crystalline ferromagnetic PGGP layers 143 and 163 include Co x Fe 1-x (0 ≦ x ≦ 0.9), (Co x Fe 1-x ) y B 1-y (0 ≦ x ≦ 0.9 and 0.9 ≦ y <1), Fe and the like. Furthermore, it can be deposited with a thickness (t) of 0.5 nm ≦ t ≦ 2 nm. The anisotropy induced in the ferromagnetic PGGP seed layer by a ferromagnetic pin or free layer with perpendicular anisotropy is due to the consideration of the associated energy because the uniaxial anisotropy field competes with the shape anisotropy. Can be determined.
Uniaxial anisotropy = 2K u / M s
Shape anisotropy = 4πM s ,
Here, Ku is an anisotropy constant, and M s is saturation magnetization. As shown in FIG. 9C, when the thickness of the crystalline ferromagnetic PGGP seed layer is increased, there is a transition thickness in which the shape anisotropy overcomes the uniaxial anisotropy. Thus, below this transition thickness of the crystalline ferromagnetic PGGP seed layer, the perpendicular anisotropy of the ferromagnetic PGGP seed layer is induced and all magnetic moments are aligned perpendicular to the film surface as shown in FIG. 9A. . However, beyond the transition thickness of the ferromagnetic PGGP seed layer, the shape anisotropy dominates and therefore all the magnetic moments align with the film surface, which in turn causes the ferromagnetic pin or free layer interface A magnetic moment is induced and the vertical anisotropy tilts from the vertical axis as shown in FIG. 9B. Therefore, the thickness of the ferromagnetic PGGP seed layer needs to be carefully controlled to be less than the critical transition thickness. On the other hand, if the thickness is less than 0.5 nm, it is too thin to be PGGP.

例えば、図8Aの第1の実施形態は、下層120/TbCoFe133/CoFe(1.5)143)/Mg(1.1)/R−Ox x秒/Mg(0.3)/CoFe(1.5)163/GdCoFe173/キャップ層180であり、ここで、括弧でくくった数はナノメートル尺度の厚さであり、「R−Ox x秒」はx秒のラジカル酸化処理を意味する。この例では、MTJのコア要素は、上述の群1、2、3、4および5の(a+c+i+k+n)または(a+c+j+k+n)の組合せによって形成される。   For example, in the first embodiment of FIG. 8A, the lower layer 120 / TbCoFe133 / CoFe (1.5) 143) / Mg (1.1) / R—Ox x sec / Mg (0.3) / CoFe (1. 5) 163 / GdCoFe173 / cap layer 180, where the number in parentheses is the thickness on the nanometer scale, and "R-Ox x seconds" means a radical oxidation treatment of x seconds. In this example, the core element of the MTJ is formed by a combination of (a + c + i + k + n) or (a + c + j + k + n) from groups 1, 2, 3, 4 and 5 described above.

MgOトンネル障壁153を形成する方法は、
第1の結晶強磁性PGGPシード層143上への1.1nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
酸化チャンバ内で行われるラジカル酸化による第1の金属層の酸化とであり、酸化チャンバ内には電気的に接地された「シャワー・プレート」が上部イオン化電極と基板との間に配置される。酸素プラズマが、700sccmの酸素流量を用い、イオン化電極に300Wのrf電力を印加することによって生成される。酸素ラジカル・シャワーはシャワー・プレートを通って流れるが、イオン化種および電子などの電荷をもつパーティクルはシャワー・プレートの電気接地のために通過することができず、ラジカル酸化によって酸化された第1の金属Mg層上に0.3nmの厚さをもつ金属Mgキャップが堆積される。
The method of forming the MgO tunnel barrier 153 is as follows:
Depositing a first metal Mg layer having a thickness of 1.1 nm on the first crystalline ferromagnetic PGGP seed layer 143;
The oxidation of the first metal layer by radical oxidation performed in the oxidation chamber. In the oxidation chamber, an electrically grounded “shower plate” is disposed between the upper ionization electrode and the substrate. An oxygen plasma is generated by applying 300 W rf power to the ionization electrode using an oxygen flow rate of 700 sccm. The oxygen radical shower flows through the shower plate, but charged particles such as ionized species and electrons cannot pass due to the electrical ground of the shower plate, and the first oxidized by radical oxidation is oxidized. A metal Mg cap having a thickness of 0.3 nm is deposited on the metal Mg layer.

さらに、第2の結晶強磁性Co(70原子%)Fe(30原子%)PGGPシード層163が金属Mgキャップ層上に1.5nmの厚さで堆積される。   Further, a second crystalline ferromagnetic Co (70 atomic%) Fe (30 atomic%) PGGP seed layer 163 is deposited on the metallic Mg cap layer with a thickness of 1.5 nm.

堆積後磁界アニーリングが行われる。堆積後アニーリングの目的は、アモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質のMgOトンネル障壁153の好適結晶粒成長である。この結晶化および好適結晶粒成長は、第1および第2の結晶CoFe強磁性PGGPシード層143、163を使用して、アニール中に隣接結晶化または好適結晶粒成長として、このようにして最終的にMgOトンネル障壁153の全体的な(001)面垂直方向組織として実現される。   Post-deposition magnetic field annealing is performed. The purpose of post-deposition annealing is the preferred grain growth of microcrystalline MgO tunnel barrier 153 with an amorphous or incomplete (001) plane normal structure. This crystallization and preferred grain growth is thus finalized as adjacent crystallization or preferred grain growth during annealing using the first and second crystalline CoFe ferromagnetic PGGP seed layers 143, 163. The entire (001) plane perpendicular structure of the MgO tunnel barrier 153 is realized.

本発明の方法によって作製されたMTJの磁気輸送特性は、両方共に結晶CoFe PGGPシード層が使用されていないrfスパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJおよび同じ酸化法によって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJと比較することができる。同じ酸化法によって作製されたMgOを備えているが結晶PGGPシード層の挿入がないMTJから得られたMR比およびR×A積を参照すると、結晶PGGP層を使用するMTJはMR比の顕著な増加がR×A積の著しい減少とともに得られ、それはrfスパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJからのものと同等かまたはさらにより良好であるという非常に改善された磁気輸送特性を示すことが期待され得る。   The magnetotransport properties of MTJs made by the method of the present invention are both MTJs with MgO tunnel barriers made by rf sputtering and the same oxidation method made by rf sputtering without using a crystalline CoFe PGGP seed layer. It can be compared with an MTJ with a barrier. Referring to the MR ratio and R × A product obtained from MTJ with MgO made by the same oxidation method but without the insertion of a crystalline PGGP seed layer, MTJ using crystalline PGGP layer has a significant MR ratio An increase is obtained with a significant decrease in the R × A product, which shows a much improved magnetotransport property that is comparable or even better than that from an MTJ with a MgO tunnel barrier made by rf sputtering. Can be expected.

第2の実施形態
第2の実施形態のスタックの構成を示す図8Bを参照すると、第2の実施形態の重要な態様の1つは、垂直異方性をもつ結晶強磁性ピンおよび自由層131、171の使用である。さらに、第2の実施形態の別の重要な態様は、MgOトンネル障壁151の下にあるかまたはそれを挟んでいる2層化強磁性PGGPシード層の挿入である。
Second Embodiment Referring to FIG. 8B showing the configuration of the stack of the second embodiment, one of the important aspects of the second embodiment is the crystalline ferromagnetic pin and free layer 131 with perpendicular anisotropy. , 171. Furthermore, another important aspect of the second embodiment is the insertion of a two-layered ferromagnetic PGGP seed layer under or sandwiching the MgO tunnel barrier 151.

垂直異方性をもつ結晶強磁性ピンおよび自由層131、171は、化学的秩序をもつ結晶遷移金属/耐熱性金属合金(TMRM1−x)とすることができ、ここで、TM=CoまたはFe、およびRM=PtまたはPdである。また、垂直異方性をもつ強磁性自由層171は強磁性ピン層131よりも低い保磁力を有する。それは、強磁性ピン層131と異なる材料および/または元素比で製作することができる。 The crystalline ferromagnetic pin and free layer 131, 171 with perpendicular anisotropy can be a crystalline transition metal / refractory metal alloy (TM x RM 1-x ) with chemical order, where TM = Co or Fe, and RM = Pt or Pd. The ferromagnetic free layer 171 having perpendicular anisotropy has a lower coercive force than the ferromagnetic pinned layer 131. It can be fabricated with a different material and / or element ratio than the ferromagnetic pinned layer 131.

第1の2層化強磁性PGGPシード層141は2層化アモルファス層/bcc構造の結晶層であり、ここで、アモルファス層は強磁性ピン層131とbcc構造の結晶PGGP層とを分離する。同様の方法で、第2の2層化強磁性PGGPシード層161は2層化アモルファス層/bcc構造の結晶層であり、ここで、アモルファス層は強磁性自由層171とbcc構造の結晶PGGP層とを分離する。   The first two-layered ferromagnetic PGGP seed layer 141 is a two-layered amorphous layer / bcc structure crystal layer, where the amorphous layer separates the ferromagnetic pinned layer 131 and the bcc structure crystal PGGP layer. In a similar manner, the second two-layered ferromagnetic PGGP seed layer 161 is a two-layered amorphous layer / bcc structure crystal layer, where the amorphous layer is a ferromagnetic free layer 171 and a bcc structure crystal PGGP layer. And are separated.

2層化強磁性PGGPシード層141、161のアモルファス層は、CoFeB(B>10原子%)で製作することができる。Bの代わりにまたはBに加えて、結晶強磁性材料をアモルファス材料に変化させることができる材料、例えばZr、Hf、Nb、Ta、Ti、Si、またはPを使用することができる。2層化強磁性PGGPシード層141のアモルファス層は、結晶強磁性ピン層131から2層化強磁性PGGPシード層141の結晶層まで結晶構造が伝達するのを妨げ、したがって、2層化強磁性PGGPシード層141の結晶層は好ましいbcc構造で形成することができる。同様の方法で、結晶層上の第2の強磁性PGGPシード層のアモルファス層を形成することによって、強磁性自由層は好ましい結晶構造で形成することができる。   The amorphous layers of the two-layered ferromagnetic PGGP seed layers 141 and 161 can be made of CoFeB (B> 10 atomic%). Instead of or in addition to B, materials that can change the crystalline ferromagnetic material into an amorphous material, such as Zr, Hf, Nb, Ta, Ti, Si, or P can be used. The amorphous layer of the double-layered ferromagnetic PGGP seed layer 141 prevents the crystal structure from being transmitted from the crystalline ferromagnetic pinned layer 131 to the crystal layer of the double-layered ferromagnetic PGGP seed layer 141, and thus the double-layered ferromagnetic PGGP seed layer 141. The crystal layer of the PGGP seed layer 141 can be formed with a preferable bcc structure. By forming an amorphous layer of the second ferromagnetic PGGP seed layer on the crystal layer in a similar manner, the ferromagnetic free layer can be formed with a preferred crystal structure.

第1および第2の強磁性PGGPシード層141、161におけるbcc構造をもつ結晶層の厚さ(t)およびアモルファス層の厚さ(t)は、0.5nm≦t≦1.5nmおよび0.5nm≦t≦1.5nmとすることができる。 The thickness (t 1 ) of the crystal layer having the bcc structure and the thickness (t 2 ) of the amorphous layer in the first and second ferromagnetic PGGP seed layers 141 and 161 are 0.5 nm ≦ t 1 ≦ 1.5 nm. And 0.5 nm ≦ t 2 ≦ 1.5 nm.

例えば、図8Bの第2の実施形態は、下層120/CoPt131/CoFeB(1.5)/CoFe(1.5)/Mg(1.1)/N−Ox x秒/Mg(0.3)/CoFe(1.5)/CoFeB(1.5)/FePt171/キャップ層180とすることができ、ここで、括弧でくくった数はナノメートル尺度の厚さであり、「N−Ox x秒」はx秒の自然酸化処理を意味する。この例では、MTJのコア要素は、上述の群1、2、3、4および5の(b+c+i+l+n)または(b+c+j+l+n)の組合せによって形成される。   For example, in the second embodiment of FIG. 8B, the lower layer 120 / CoPt131 / CoFeB (1.5) / CoFe (1.5) / Mg (1.1) / N—Ox x sec / Mg (0.3) /CoFe(1.5)/CoFeB(1.5)/FePt171/cap layer 180, where the number in parentheses is the thickness on the nanometer scale, "N-Ox x sec "Means a natural oxidation treatment of x seconds. In this example, the core element of the MTJ is formed by a combination of (b + c + i + l + n) or (b + c + j + l + n) of groups 1, 2, 3, 4 and 5 described above.

MgOトンネル障壁151を形成する方法は、
強磁性PGGPシード層141上への1.1nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
The method of forming the MgO tunnel barrier 151 is as follows:
Depositing a first metal Mg layer having a thickness of 1.1 nm on the ferromagnetic PGGP seed layer 141;

酸化チャンバ内で行われる自然酸化による第1の金属Mg層の酸化とである。薄く形成された金属Mg層に有利に適用される自然酸化処理は、約6.5×10−1Paの圧力の酸素ガスで酸化チャンバを浄化することと、700sccmの流量で酸素ガスを流すことと、次に、堆積直後の金属Mg層を所与の曝露時間の間酸素ガス流に接触したままにすることと、自然酸化によって酸化された第1の金属Mg層上に0.3nmの厚さをもつ金属Mgキャップ層を堆積することとを必要とする。 This is the oxidation of the first metal Mg layer by natural oxidation performed in the oxidation chamber. The natural oxidation treatment advantageously applied to the thinly formed metal Mg layer is to purify the oxidation chamber with oxygen gas at a pressure of about 6.5 × 10 −1 Pa and to flow oxygen gas at a flow rate of 700 sccm. And then leaving the as-deposited metal Mg layer in contact with the oxygen gas stream for a given exposure time and a thickness of 0.3 nm on the first metal Mg layer oxidized by natural oxidation. Depositing a metal Mg cap layer having a thickness.

さらに図8Bを参照すると、Co(70原子%)Fe(30原子%)からなる第2の強磁性PGGPシード層161の結晶層は金属Mgキャップ層上に1.5nmの厚さで堆積される。次に、Co(60原子%)Fe(20原子%)B(20原子%)からなる第2の強磁性PGGPシード層のアモルファス層が結晶層上に1.5nmの厚さで堆積される。   Still referring to FIG. 8B, the crystal layer of the second ferromagnetic PGGP seed layer 161 made of Co (70 atomic%) Fe (30 atomic%) is deposited on the metallic Mg cap layer to a thickness of 1.5 nm. . Next, an amorphous layer of a second ferromagnetic PGGP seed layer made of Co (60 atomic%) Fe (20 atomic%) B (20 atomic%) is deposited on the crystalline layer to a thickness of 1.5 nm.

図10Aから10Cおよび図11を参照すると、第1のPGGP層141のアモルファスCoFeB層上の成長直後の結晶CoFe層の微細構造は、体心立方構造で(001)面垂直方向組織の結晶であることが明らかである。図10Aから10Cは、強磁性PGGPシード層141の結晶CoFe層が(001)面垂直方向で成長するかまたは(011)面垂直方向で成長するかを確認するために高分解透過電子顕微鏡によって得られた断面画像を分析する方法を示す。第1の強磁性PGGPシード層141のアモルファスCoFeB層上に堆積された結晶CoFe層が図10Bに示されるように(001)面垂直方向で成長する場合、図10Aにおいて、MgOトンネル障壁と第1の強磁性PGGPシード層141のアモルファスCoFeB層とによって挟まれた第1の強磁性PGGPシード層141の結晶CoFe層の原子間間隔(d)はd110であるが、第1の強磁性PGGPシード層141のアモルファスCoFeB層上に堆積された結晶CoFe層が図10C示されるように(011)面垂直方向で成長される場合、原子間間隔(d)はd200である。体心立方構造のCoFeの(110)原子面の原子間間隔(d110)は2.02Åであり、d200は1.41Åである。図11に関して、強磁性PGGP層141、161の結晶CoFe層の全体的な結晶性が確認される。強磁性PGGPシード層141、161の結晶CoFe層の原子間間隔は、長さ基準のために基準としてCu層の2.08Åのd111を使用して測定される(ここでは図示せず)。この基準を使用して、PGGPシード層141、161の結晶CoFe層の原子間間隔は6つの原子面を平均することによって測定されたが、それによれば原子間間隔は2.02Åである。したがって、強磁性PGGPシード層141、161のアモルファスCoFeB層上の結晶CoFe層は(001)面垂直方向で成長することを確認することができる。さらに、強磁性PGGP層141、161のアモルファスCoFeB層および結晶CoFe層の明瞭な境界を確認することができる。 Referring to FIGS. 10A to 10C and FIG. 11, the microstructure of the crystalline CoFe layer immediately after growth on the amorphous CoFeB layer of the first PGGP layer 141 is a body-centered cubic structure and a (001) plane perpendicular structure crystal. It is clear. FIGS. 10A to 10C are obtained with a high-resolution transmission electron microscope to confirm whether the crystalline CoFe layer of the ferromagnetic PGGP seed layer 141 grows in the (001) plane perpendicular direction or (011) plane perpendicular direction. A method for analyzing the obtained cross-sectional image will be described. When the crystalline CoFe layer deposited on the amorphous CoFeB layer of the first ferromagnetic PGGP seed layer 141 grows in the (001) plane perpendicular direction as shown in FIG. 10B, in FIG. 10A, the MgO tunnel barrier and the first ferromagnetic PGGP first ferromagnetic PGGP atomic spacing of the crystal CoFe layer of the seed layer 141 sandwiched between the amorphous CoFeB layer of the seed layer 141 (d) Although it is d 110, first ferromagnetic PGGP seed If crystalline CoFe layer deposited on the amorphous CoFeB layer of the layer 141 is grown as (011) plane perpendicular shown FIG. 10C, atomic spacing (d) is a d 200. The inter-atomic spacing (d 110 ) of the (110) atomic plane of CoFe having a body-centered cubic structure is 2.02 、, and d 200 is 1.41 Å. Referring to FIG. 11, the overall crystallinity of the crystalline CoFe layers of the ferromagnetic PGGP layers 141 and 161 is confirmed. The interatomic spacing of the crystalline CoFe layers of the ferromagnetic PGGP seed layers 141, 161 is measured using a 2.08Å d 111 of the Cu layer as a reference for the length reference (not shown here). Using this criterion, the interatomic spacing of the crystalline CoFe layers of the PGGP seed layers 141, 161 was measured by averaging six atomic planes, according to which the interatomic spacing is 2.02 cm. Therefore, it can be confirmed that the crystalline CoFe layer on the amorphous CoFeB layers of the ferromagnetic PGGP seed layers 141 and 161 grows in the (001) plane perpendicular direction. Further, clear boundaries between the amorphous CoFeB layers and the crystalline CoFe layers of the ferromagnetic PGGP layers 141 and 161 can be confirmed.

堆積後磁界アニーリングが行われる。堆積後アニーリングの目的は、第1の強磁性PGGP層141のアモルファス層および/または第2の強磁性PGGP層161のアモルファス層の結晶化、および前記アモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質のMgOトンネル障壁151の好適結晶粒成長である。この結晶化および好適結晶粒成長は、第1の強磁性PGGP層141の結晶CoFe層および/または強磁性PGGP層161の結晶CaFe層を使用して、アニーリング中に隣接結晶化または好適結晶粒成長として、このようにして最終的に強磁性PGGP層の全体的な(001)面垂直方向組織として実現される。   Post-deposition magnetic field annealing is performed. The purpose of post-deposition annealing is the crystallization of the amorphous layer of the first ferromagnetic PGGP layer 141 and / or the amorphous layer of the second ferromagnetic PGGP layer 161, and the amorphous or incomplete (001) plane normal texture. This is a preferred grain growth of a microcrystalline MgO tunnel barrier 151 having This crystallization and preferred grain growth can be achieved by using the crystalline CoFe layer of the first ferromagnetic PGGP layer 141 and / or the crystalline CaFe layer of the ferromagnetic PGGP layer 161 during adjacent annealing or preferred grain growth. Thus, finally, the entire (001) plane perpendicular structure of the ferromagnetic PGGP layer is realized.

図12Aおよび図12Bを参照すると、2層化アモルファス層(CoFeB)/結晶(CoFe)強磁性PGGPシード層の微細構造は、体心立方構造で(001)面垂直方向組織の単層構造の完全結晶CoFe PGGPシード層を形成することが明らかである。高分解透過電子顕微鏡によって得られた断面画像(図10Aから10C)を分析する同じ論拠が、アニーリング後の単層構造CoFe PGGPシード層が(001)面垂直方向の結晶であるかまたは(011)面垂直方向の結晶であるかを確認するために適用される。図12Aに関して、強磁性PGGPシード層151の単層構造は、結晶CoFe層およびアモルファスCoFeB層を組み合わせることによって形成されることが確認される。単層構造強磁性PGGPシード層のこの形成は、好適結晶粒成長促進シード層としての結晶CoFeに基づいたアモルファスCoFeB層の結晶化によって説明される。図11で使用された同じ長さ基準を使用して、アニーリング後の単層構造強磁性PGGPシード層の原子間間隔が図12Bの枠で囲まれた領域から7つの原子面を平均することによって測定されたが、それによれば原子間間隔は2.0Åである。さらに、MgOトンネル障壁の原子間間隔が測定され、長さ基準に基づいて2.13Åであった。アニーリング後の単層構造強磁性PGGPシード層およびMgOトンネル障壁からのそれらの原子間間隔により、MgOトンネル障壁および強磁性PGGPシード層が両方とも(001)面垂直方向組織をもつ完全結晶であることが確認される。さらに、Gatan Digital micrographを使用する高速フーリエ変換による図12Aの枠で囲まれた領域からの図12Bに示された選択領域の回折パターンにより、単層CoFe強磁性PGGPシード層の[001]結晶軸がMgOトンネル障壁の[011]結晶軸と平行であるので、MgOトンネル障壁と強磁性PGGPシード層との間の45°回転エピタキシの結晶粒間擬エピタキシが確認される。アンダーラインで示された回折パターンは単層構造CoFe強磁性PGGPシード層からのものであり、アンダーラインのない回折パターンはMgOトンネル障壁からのものである。CoFe/Mg0/CoFeベースの磁気トンネル接合のこの結晶粒間擬エピタキシは、ChoiらによってJ.Appl.Phys.101、013907(2007)に説明されているように巨大TMRを得るための決定的な必要条件である。   Referring to FIGS. 12A and 12B, the microstructure of the bilayered amorphous layer (CoFeB) / crystalline (CoFe) ferromagnetic PGGP seed layer is a complete structure of a single-layer structure with a body-centered cubic structure and a (001) plane perpendicular structure. It is clear that a crystalline CoFe PGGP seed layer is formed. The same rationale for analyzing cross-sectional images (FIGS. 10A to 10C) obtained by high-resolution transmission electron microscopy is that the annealed single layer CoFe PGGP seed layer is a (001) plane perpendicular crystal or (011) It is applied to confirm whether the crystal is perpendicular to the plane. With reference to FIG. 12A, it is confirmed that the single layer structure of the ferromagnetic PGGP seed layer 151 is formed by combining a crystalline CoFe layer and an amorphous CoFeB layer. This formation of a single layer ferromagnetic PGGP seed layer is illustrated by crystallization of an amorphous CoFeB layer based on crystalline CoFe as a preferred grain growth promoting seed layer. By using the same length criterion used in FIG. 11, the interatomic spacing of the single-layered ferromagnetic PGGP seed layer after annealing averages seven atomic planes from the region bounded by the frame in FIG. 12B. According to it, the interatomic spacing is 2.0 cm. In addition, the interatomic spacing of the MgO tunnel barrier was measured and was 2.13 cm based on the length criteria. Due to their interatomic spacing from the annealed single layer ferromagnetic PGGP seed layer and the MgO tunnel barrier, both the MgO tunnel barrier and the ferromagnetic PGGP seed layer are perfect crystals with a (001) plane normal structure Is confirmed. Furthermore, the diffraction pattern of the selected region shown in FIG. 12B from the region enclosed by the frame in FIG. 12A by Fast Fourier Transform using a Gatan Digital micrograph reveals the [001] crystal axis of the single layer CoFe ferromagnetic PGGP seed layer. Is parallel to the [011] crystal axis of the MgO tunnel barrier, confirming the inter-grain pseudo-epitaxy of 45 ° rotation epitaxy between the MgO tunnel barrier and the ferromagnetic PGGP seed layer. The diffraction pattern indicated by the underline is from a single layer CoFe ferromagnetic PGGP seed layer, and the diffraction pattern without the underline is from an MgO tunnel barrier. This intergranular pseudoepitaxy of CoFe / Mg0 / CoFe based magnetic tunnel junctions is described by Choi et al. Appl. Phys. 101, 013907 (2007), a decisive requirement for obtaining a giant TMR.

本発明の方法によって作製されたMTJの磁気輸送特性は、両方共に結晶CoFe PGGPシード層が使用されていないrfスパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJおよび同じ酸化法によって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJと比較することができる。同じ酸化法によって作製されたMgOを備えているが結晶PGGPシード層の挿入がないMTJから得られたMR比およびR×A積を参照すると、結晶PGGP層を使用するMTJは、MR比の顕著な増加がR×A積の著しい減少とともに得られ、それはrfスパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJからのものと同等かまたはさらにより良好であるという非常に改善された磁気輸送特性を示すことが期待され得る。   The magnetotransport properties of MTJs made by the method of the present invention are both MTJs with MgO tunnel barriers made by rf sputtering and the same oxidation method made by rf sputtering without using a crystalline CoFe PGGP seed layer. It can be compared with an MTJ with a barrier. Referring to the MR ratio and R × A product obtained from MTJ with MgO produced by the same oxidation method but without the insertion of a crystalline PGGP seed layer, MTJ using crystalline PGGP layer has a significant MR ratio A significant increase is obtained with a significant decrease in the R × A product, which has a much improved magnetotransport property that is comparable or even better than that from an MTJ with a MgO tunnel barrier made by rf sputtering. It can be expected to show.

第3の実施形態
第3の実施形態のスタックの構成を示す図8Cを参照すると、第3の実施形態の重要な態様の1つは、垂直異方性をもつ多層(2層の多数の繰り返し)強磁性ピンおよび自由層132、172の使用である。さらに、第3の実施形態の重要な態様の別のものは、MgOトンネル障壁152の下にあるかまたはそれを挟んでいる2層化強磁性PGGPシード層の挿入である。
Third Embodiment Referring to FIG. 8C showing the configuration of the stack of the third embodiment, one important aspect of the third embodiment is that a multilayer with perpendicular anisotropy (multiple repetitions of two layers). ) Use of ferromagnetic pins and free layers 132, 172. Furthermore, another important aspect of the third embodiment is the insertion of a two-layered ferromagnetic PGGP seed layer under or sandwiching the MgO tunnel barrier 152.

垂直異方性をもつ強磁性ピンおよび自由層132、172は、化学的秩序の有無にかかわらず磁性金属層/非磁性金属層(M/NM)の繰り返しにより多層化することができ、ここで、M=Co、Fe、CoFeまたはCoPt、およびNM=Pt、Pd、AgまたはAuである。また、垂直異方性をもつ強磁性自由層172は強磁性ピン層132よりも低い保磁力を有する。それは、強磁性ピン層132と異なる材料および/または元素比で製作することができる。   The ferromagnetic pins and free layers 132, 172 having perpendicular anisotropy can be multilayered by repeating magnetic metal layer / nonmagnetic metal layer (M / NM) with or without chemical order, where M = Co, Fe, CoFe or CoPt, and NM = Pt, Pd, Ag or Au. The ferromagnetic free layer 172 having perpendicular anisotropy has a lower coercive force than the ferromagnetic pinned layer 132. It can be fabricated with a different material and / or element ratio than the ferromagnetic pinned layer 132.

例えば、図8Cの第3の実施形態は、下層120/Co/Pt132/CoFeB(1.5)/CoFe(1.5)/Mg(0.43)/酸素界面活性物質層30ラングミュア/Mg(0.67)/R−Ox x秒/Mg(0.3)/CoFe(1.5)/CoFeB(1.5)/Co/Pt172/キャップ層180とすることができ、ここで、括弧でくくった数はナノメートル尺度の厚さである。この例は、界面活性物質層の使用およびその後のラジカル酸化法によってMTJデバイスのトンネル障壁を形成する方法である。また、MTJのコア要素は、上述の群1、2、3、4および5の(a+d+j+m+n)の組合せによって形成される。   For example, in the third embodiment of FIG. 8C, the lower layer 120 / Co / Pt132 / CoFeB (1.5) / CoFe (1.5) / Mg (0.43) / oxygen surfactant layer 30 Langmuir / Mg ( 0.67) / R-Ox x sec / Mg (0.3) / CoFe (1.5) / CoFeB (1.5) / Co / Pt172 / cap layer 180, where The rounded number is the thickness on the nanometer scale. This example is a method of forming a tunnel barrier of an MTJ device by use of a surface active material layer and subsequent radical oxidation. In addition, the core element of the MTJ is formed by a combination of (a + d + j + m + n) of the groups 1, 2, 3, 4 and 5 described above.

MgOトンネル障壁152を形成する方法は、
強磁性PGGPシード層141の結晶層上への0.43nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
0.43nmの金属Mg層を酸素雰囲気に曝露することによる真空チャンバ内での酸素界面活性物質層の形成であって、その曝露が曝露時間およびチャンバを通る酸素流量によって30ラングミュアとなるように制御される形成と、
The method of forming the MgO tunnel barrier 152 is:
Depositing a first metal Mg layer having a thickness of 0.43 nm on the crystalline layer of the ferromagnetic PGGP seed layer 141;
Formation of an oxygen surfactant layer in a vacuum chamber by exposing a 0.43 nm metallic Mg layer to an oxygen atmosphere, the exposure being controlled to be 30 Langmuir depending on the exposure time and the oxygen flow rate through the chamber. Forming and

酸素界面活性物質層上への0.67nmの厚さをもつ第2の金属Mg層の堆積と、
酸化チャンバ内で行われるラジカル酸化による第1および第2の金属層の酸化であって、酸化チャンバ内には電気的に接地された「シャワー・プレート」が上部イオン化電極と基板との間に配置される酸化とである。酸素プラズマは、700sccmの酸素流量で、イオン化電極に300Wのrf電力を印加することによって生成される。酸素ラジカル・シャワーはシャワー・プレートを通って流れるが、イオン化種および電子などの電荷をもつパーティクルはシャワー・プレートの電気接地のために通過することができず、
Depositing a second metal Mg layer having a thickness of 0.67 nm on the oxygen surfactant layer;
Oxidation of the first and second metal layers by radical oxidation performed in the oxidation chamber, in which an electrically grounded “shower plate” is disposed between the upper ionization electrode and the substrate With oxidation. The oxygen plasma is generated by applying 300 W rf power to the ionization electrode at an oxygen flow rate of 700 sccm. Oxygen radical shower flows through the shower plate, but charged particles such as ionized species and electrons cannot pass through due to the electrical grounding of the shower plate,

ラジカル酸化によって酸化された第1および第2の金属Mg層上に0.3nmの厚さをもつ金属Mgキャップが堆積される。   A metal Mg cap having a thickness of 0.3 nm is deposited on the first and second metal Mg layers oxidized by radical oxidation.

図8Cを参照すると、Co(70原子%)Fe(30原子%)からなる第2の強磁性PGGPシード層161の結晶層が金属Mgキャップ層上に1.5nmの厚さで堆積される。次に、Co(60原子%)Fe(20原子%)B(20原子%)からなる第2の強磁性PGGPシード層のアモルファス層が結晶層上に1.5nmの厚さで堆積される。次に、垂直異方性をもつ強磁性自由層172が第2の強磁性PGGPシード層161のアモルファス層上に堆積される。   Referring to FIG. 8C, a crystal layer of a second ferromagnetic PGGP seed layer 161 made of Co (70 atomic%) Fe (30 atomic%) is deposited on the metal Mg cap layer to a thickness of 1.5 nm. Next, an amorphous layer of a second ferromagnetic PGGP seed layer made of Co (60 atomic%) Fe (20 atomic%) B (20 atomic%) is deposited on the crystalline layer to a thickness of 1.5 nm. Next, a ferromagnetic free layer 172 having perpendicular anisotropy is deposited on the amorphous layer of the second ferromagnetic PGGP seed layer 161.

堆積後磁界アニーリングが行われる。堆積後アニーリングの目的は、強磁性PGGPシード層141、161のアモルファス層の結晶化と、前記アモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質のMgOトンネル障壁152の好適結晶粒成長とである。この結晶化および好適結晶粒成長は、強磁性PGGPシード層141、161の結晶CoFe層を使用して、アニール中に隣接結晶化または好適結晶粒成長シード層として、このようにして最終的に強磁性PGGPシード層141、161、MgOトンネル障壁152の全体的な(001)面垂直方向組織として実現される。   Post-deposition magnetic field annealing is performed. The purpose of post-deposition annealing is to crystallize the amorphous layers of the ferromagnetic PGGP seed layers 141 and 161 and to select suitable grains of the microcrystalline MgO tunnel barrier 152 having the amorphous or incomplete (001) plane perpendicular structure. With growth. This crystallization and preferred grain growth can be achieved by using the ferromagnetic CoPG layer of the ferromagnetic PGGP seed layer 141, 161 as an adjacent crystallization or preferred grain growth seed layer during annealing in this way. This is realized as an overall (001) plane perpendicular structure of the magnetic PGGP seed layers 141 and 161 and the MgO tunnel barrier 152.

本発明の方法によって作製されたMTJの磁気輸送特性は、両方共に結晶CoFe PGGPシード層が使用されていないrfスパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJおよび同じ酸化法によって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJと比較することができる。同じ酸化法によって作製されたMgOを備えているが結晶PGGPシード層の挿入がないMTJから得られたMR比およびR×A積を参照すると、結晶PGGP層を使用するMTJは、MR比の顕著な増加がR×A積の著しい減少とともに得られ、それはrfスパッタリングによって作製されたMgOトンネル障壁を備えたMTJからのものと同等かまたはさらにより良好であるという非常に改善された磁気輸送特性を示すことが期待され得る。   The magnetotransport properties of MTJs made by the method of the present invention are both MTJs with MgO tunnel barriers made by rf sputtering and the same oxidation method made by rf sputtering without using a crystalline CoFe PGGP seed layer. It can be compared with an MTJ with a barrier. Referring to the MR ratio and R × A product obtained from MTJ with MgO produced by the same oxidation method but without the insertion of a crystalline PGGP seed layer, MTJ using crystalline PGGP layer has a significant MR ratio A significant increase is obtained with a significant decrease in the R × A product, which has a much improved magnetotransport property that is comparable or even better than that from an MTJ with a MgO tunnel barrier made by rf sputtering. It can be expected to show.

再び、MTJの磁気輸送特性ならびに結晶性および擬エピタキシに関連する前の研究に基づいて、アモルファスまたは不完全な(001)面垂直方向組織をもつ微晶質であるMgOトンネル障壁に隣接して強磁性PGGPシード層を挿入すると、堆積後アニーリング中にMgOトンネル障壁の結晶化および好適結晶粒成長が誘起されることが直観的に推測され得る。   Again, based on previous studies related to magnetotransport properties and crystallinity and pseudo-epitaxy of MTJ, strong adjacent to the MgO tunnel barrier, which is amorphous or microcrystalline with incomplete (001) plane normal texture. It can be intuitively assumed that insertion of a magnetic PGGP seed layer induces crystallization of the MgO tunnel barrier and preferred grain growth during post-deposition annealing.

MgOトンネル障壁を形成する他の方法として反応性スパッタリングを使用することができる。例えば、それは、
強磁性PGGPシード層上への0.6nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
40sccmの流量でアルゴンをおよび4sccmの流量で酸素を流すことによるアルゴンおよび酸素の混合ガス中でのMgの反応性スパッタリングによる第1の金属Mg層上への0.6nmの厚さをもつMgO層の形成と、
As another method of forming the MgO tunnel barrier, reactive sputtering can be used. For example, it
Deposition of a first metal Mg layer having a thickness of 0.6 nm on the ferromagnetic PGGP seed layer;
MgO layer with a thickness of 0.6 nm on the first metal Mg layer by reactive sputtering of Mg in a mixed gas of argon and oxygen by flowing argon at a flow rate of 40 sccm and oxygen at a flow rate of 4 sccm The formation of

酸化チャンバ内で行われる自然酸化による第1の金属層およびMgO層の酸化とである。有利には、薄く形成された金属Mg層およびMgO層に適用される自然酸化処理は、約6.5×10−1Paの圧力の酸素ガスで酸化チャンバを浄化することと、700sccmの流量で酸素を流すことと、次に、堆積直後の金属Mg層およびMgO層を所与の曝露時間の間酸素ガス流に接触したままにすることと、自然酸化によって酸化されたMgO層および第1の金属Mg層上に0.3nmの厚さをもつ金属Mgキャップ層を堆積することとを必要とする。 The oxidation of the first metal layer and the MgO layer by natural oxidation performed in the oxidation chamber. Advantageously, the natural oxidation treatment applied to the thinly formed metal Mg layer and MgO layer comprises purifying the oxidation chamber with oxygen gas at a pressure of about 6.5 × 10 −1 Pa and at a flow rate of 700 sccm. Flowing oxygen, then leaving the metal Mg layer and MgO layer immediately after deposition in contact with the oxygen gas flow for a given exposure time, the MgO layer oxidized by natural oxidation and the first Depositing a metal Mg cap layer having a thickness of 0.3 nm on the metal Mg layer.

別の実施形態では、2層化強磁性PGGPシード層の結晶層としてCoFeB(B<10原子%)を使用することができる。5.1原子%および2.9原子%のホウ素含有量をもつCoFeBの微細構造は堆積直後の状態で結晶であるが、20原子%のホウ素含有量をもつCoFeBの微細構造はアモルファスであり、それは、熱酸化Siウェハ上に堆積されたCoFeB単層からのXRDシータ−2・シータ・スキャンによって確認されることが明らかである。強度はCoFeB単一膜の厚さによって正規化される。Sherrerの式を使用して計算された結晶粒サイズは、CoFeB(B:2.9原子%)の結晶粒サイズがCoFeB(B:5.1原子%)よりも大きいことを示しており、それは抵抗率の著しい減少によって再確認することができる。CoFeBの抵抗率は、ホウ素含有量に対応して結晶性とともに顕著に変化する。さらに、CoFeB(B:2.9原子%)の45.35°からCoFeB(B:5.1原子%)の45.02°へのXRDピークのシフトは、体心立方構造の格子間位置にホウ素を含有することによるCoFeの格子拡大を示している。   In another embodiment, CoFeB (B <10 atomic%) can be used as the crystal layer of the bilayered ferromagnetic PGGP seed layer. The microstructure of CoFeB with boron content of 5.1 atomic% and 2.9 atomic% is crystalline immediately after deposition, while the microstructure of CoFeB with boron content of 20 atomic% is amorphous, It is clear that it is confirmed by XRD Theta-2 Theta Scan from a CoFeB monolayer deposited on a thermally oxidized Si wafer. The intensity is normalized by the thickness of the CoFeB single film. The grain size calculated using Scherrer's equation shows that the grain size of CoFeB (B: 2.9 atomic%) is larger than CoFeB (B: 5.1 atomic%), which is This can be reconfirmed by a significant decrease in resistivity. The resistivity of CoFeB varies significantly with crystallinity corresponding to the boron content. Furthermore, the XRD peak shift from 45.35 ° for CoFeB (B: 2.9 atomic%) to 45.02 ° for CoFeB (B: 5.1 atomic%) is at the interstitial position of the body-centered cubic structure. The lattice expansion of CoFe by containing boron is shown.

Claims (14)

強磁性層の垂直磁化を用いた磁気トンネル接合デバイスの製造方法であって、
垂直異方性をもつ強磁性ピン層を形成することと、
MgおよびOを含むトンネル障壁を酸化法によって形成することと、
前記強磁性ピン層よりも低い保磁力を有する垂直異方性をもつ強磁性自由層を形成することと、
前記トンネル障壁のうちの少なくとも一方の表面に接触する強磁性好適結晶粒成長促進シード層を形成することと
を含む方法。
A method of manufacturing a magnetic tunnel junction device using perpendicular magnetization of a ferromagnetic layer,
Forming a ferromagnetic pinned layer with perpendicular anisotropy;
Forming a tunnel barrier containing Mg and O by an oxidation method;
Forming a ferromagnetic free layer with perpendicular anisotropy having a lower coercivity than the ferromagnetic pinned layer;
Forming a ferromagnetic preferred grain growth promoting seed layer in contact with a surface of at least one of the tunnel barriers.
前記強磁性ピンおよび自由層はアモルファス希土類/遷移金属合金(RETM1−x)とすることができ、ここで、RE=Y、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、およびLu、ならびにTM=Co、Fe、およびCoFe合金である、請求項1に記載の方法。 The ferromagnetic pin and free layer can be an amorphous rare earth / transition metal alloy (RE x TM 1-x ), where RE = Y, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Lu, And TM = Co, Fe, and CoFe alloys. 前記強磁性ピンおよび自由層はアモルファス希土類/遷移金属/耐食性元素合金(RETM1−xCR1−yとすることができ、ここで、CR=Crである、請求項1に記載の方法。 The ferromagnetic pin and free layer can be an amorphous rare earth / transition metal / corrosion resistant element alloy (RE x TM 1-x ) y CR 1-y , where CR = Cr. the method of. 請求項1に記載の前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層はbcc構造の結晶層とすることができる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ferromagnetic preferred grain growth promoting seed layer of claim 1 can be a bcc crystal layer. 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層は0.5nm≦t≦2nmの厚さ(t)で堆積することができる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the ferromagnetic preferred grain growth promoting seed layer can be deposited with a thickness (t) of 0.5 nm ≦ t ≦ 2 nm. 前記強磁性ピンおよび自由層は、化学的秩序をもつ結晶遷移金属/耐熱性金属合金(TMRM1−x)とすることができ、ここで、TM=CoまたはFe、およびRM=PtまたはPdである、請求項1に記載の方法。 The ferromagnetic pin and free layer can be a crystalline transition metal / heat resistant metal alloy (TM x RM 1-x ) with chemical order, where TM = Co or Fe and RM = Pt or The method of claim 1, which is Pd. 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層は2層化アモルファス層/結晶層とすることができ、ここで、前記bcc構造の結晶層がトンネル障壁と接触する、請求項6に記載の方法。   7. The method of claim 6, wherein the ferromagnetic preferred grain growth promoting seed layer can be a bilayered amorphous layer / crystal layer, wherein the bcc crystal layer is in contact with a tunnel barrier. 2層化PGGPのスタック順序が自由層側およびピン層側において異なり、2層化PGGP中の前記アモルファス層が2層化PGGP中の前記結晶層と前記結晶自由およびピン層とを分離する、請求項7に記載の方法。   The stacking order of the two-layered PGGP is different on the free layer side and the pinned layer side, and the amorphous layer in the two-layered PGGP separates the crystal layer and the crystal free and pinned layer in the two-layered PGGP. Item 8. The method according to Item 7. 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層中のbcc構造の結晶層およびアモルファス層が、それぞれCoFe1−x(0≦x≦0.9)または(CoFe1−x1−y(0≦x≦0.9および0.9≦x<1)およびCoFeB(B>10原子%)である、請求項7に記載の方法。 Said crystal layer and amorphous layer of ferromagnetic preferred grain growth promoting bcc structure of the seed layer, respectively Co x Fe 1-x (0 ≦ x ≦ 0.9) or (Co x Fe 1-x) y B 1 8. The method of claim 7, wherein -y (0≤x≤0.9 and 0.9≤x <1) and CoFeB (B> 10 atomic%). 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層中の前記bcc構造の結晶層の厚さ(t)および前記アモルファス層の厚さ(t)は、0.5nm≦t≦1.5nmおよび0.5nm≦t≦1.5nmとすることができる、請求項7に記載の方法。 The thickness (t 1 ) of the crystal layer of the bcc structure and the thickness (t 2 ) of the amorphous layer in the ferromagnetic suitable crystal grain growth promoting seed layer are 0.5 nm ≦ t 1 ≦ 1.5 nm and 0, respectively. The method of claim 7, wherein 0.5 nm ≦ t 2 ≦ 1.5 nm. 請求項1に記載の垂直異方性をもつ強磁性ピンおよび自由層において、化学的秩序をもつ磁性金属層/非磁性金属層(M/NM)の繰り返しにより多層化することができ、ここで、M=Co、Fe、CoFeまたはCoPt、およびNM=Pt、Pd、AgまたはAuである、垂直異方性をもつ強磁性ピンおよび自由層。   The ferromagnetic pin and the free layer having perpendicular anisotropy according to claim 1 can be multilayered by repeating a magnetic metal layer / nonmagnetic metal layer (M / NM) having chemical order, wherein , M = Co, Fe, CoFe or CoPt, and NM = Pt, Pd, Ag or Au, ferromagnetic pins and free layers with perpendicular anisotropy. 請求項11に記載の垂直異方性をもつ強磁性ピンおよび自由層を伴う請求項1に記載の第1の強磁性好適結晶粒成長促進シード層において、2層化アモルファス層/bcc構造の結晶層とすることができ、ここで、2層化PGGP中のアモルファス層が強磁性ピンおよび自由層と2層化PGGP中の前記bcc構造の結晶層とを分離する、第1の強磁性好適結晶粒成長促進シード層。   12. The first ferromagnetic suitable crystal grain growth promoting seed layer according to claim 1, comprising a ferromagnetic pin having perpendicular anisotropy according to claim 11 and a free layer, and a double-layered amorphous layer / bcc structure crystal A first ferromagnetic preferred crystal, wherein the amorphous layer in the two-layered PGGP separates the ferromagnetic pin and free layer from the bcc crystal layer in the two-layered PGGP Grain growth promoting seed layer. 請求項12に記載の第1および第2の強磁性好適結晶粒成長促進シード層におけるbcc構造の結晶層およびアモルファス層において、それぞれCoFe1−x(0≦x≦0.9)または(CoFe1−x1−y(0≦x≦0.9および0.9≦x<1)およびCoFeB(B>10原子%)である、bcc構造の結晶層およびアモルファス層。 In the crystal layer and the amorphous layer of the bcc structure in the first and second ferromagnetic suitable crystal grain growth promoting seed layers according to claim 12, Co x Fe 1-x (0 ≦ x ≦ 0.9) or ( Co x Fe 1-x) y B 1-y (0 ≦ x ≦ 0.9 and 0.9 ≦ x <1) and CoFeB (B> 10 atomic%), the crystalline layer and an amorphous layer of bcc structure. 請求項12および13に記載の第1および第2の強磁性好適結晶粒成長促進シード層におけるbcc構造の結晶層の厚さ(t1)およびアモルファス層の厚さ(t2)において、0.5nm≦t≦1.5nmおよび0.5nm≦t≦1.5nmとすることができる、bcc構造の結晶層の厚さ(t)およびアモルファス層の厚さ(t)。 The thickness (t1) of the bcc structure and the thickness (t2) of the amorphous layer in the first and second ferromagnetic suitable crystal grain growth promoting seed layers according to claim 12 and 13 are 0.5 nm ≦ The thickness of the crystal layer (t 1 ) and the thickness of the amorphous layer (t 2 ) of the bcc structure, which can satisfy t 1 ≦ 1.5 nm and 0.5 nm ≦ t 2 ≦ 1.5 nm.
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