CN108391452A - 磁化反转元件、磁阻效应元件、集成元件及集成元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的磁化反转元件依次具有：单晶基板、磁化稳定化层、第一铁磁性金属层和接合层，至少上述单晶基板、上述磁化稳定化层及上述第一铁磁性金属层单晶化。

Description

磁化反转元件、磁阻效应元件、集成元件及集成元件的制造 方法

技术领域

本发明涉及磁化反转元件、磁阻效应元件、集成元件及集成元件的制造方法。

本申请主张基于2016年12月2日在日本申请的特愿2016-235238号的优先权，并在此引用其内容。

背景技术

作为磁阻效应元件已知有由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件、及非磁性层中使用了绝缘层(隧道势垒层，势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件。这些元件能够用于磁传感器、高频部件、磁头及非易失性随机存取存储器(MRAM)，备受关注。

为了实现特定的复杂的功能，进行了将多个元件集成为一个元件的试验。集成电路(IC)为其一例，专利文献1中记载有多个器件三维地叠层的集成电路。

以往，以TMR元件或GMR元件为代表的磁阻效应元件大多用作磁头等的用途，集成化的措施未充分进行。但是，随着作为MRAM等的存储器单元的用途的开发，在集成电路内装入磁阻效应元件的期望变强。

但是，磁阻效应元件是叠层了原子数层分的层的元件。因此，与装入于现有的集成电路的电容器及二极管等相比，为了将磁阻效应元件装入集成电路内，要求更精密的控制。

例如，非专利文献1中记载了，即使在包含半导体元件的集成基板上叠层自旋注入存储器(STT-MRAM)，也得不到较高的磁各向异性。

非专利文献1中，作为即使在集成基板上叠层STT-MRAM也不能实现较高的磁各向异性的原因，记载了包含半导体元件的集成基板不具有晶体取向性。非专利文献1中记载了，不具有晶体取向性的集成基板不优选作为用于叠层外延层的基底层，并且不能叠层具有较高的磁各向异性的磁化膜。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-288384号公报

非专利文献

非专利文献1：K.Yakushiji，A.Sugihara，H.takagi，Y.Kurashima，N.Watanabe，K.Kikuchi，M.Aoyagi，和S.Yuasa，第40回日本磁学会学术演讲概要集，6aA-7(2016)

发明内容

发明想要解决的技术问题

非专利文献1中，在Si基板与磁阻效应元件之间叠层有非晶的Ta层。即，Si基板与磁阻效应元件之间没有结晶学的连接。因此，非专利文献1所记载的磁阻效应元件(MTJ)得到的磁各向异性在叠层了非晶层的集成基板上叠层了磁阻效应元件的情况下几乎不会改变。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种即使在集成基板上也具有较高的磁各向异性的磁化反转元件、磁阻效应元件及集成元件，并提供其制造方法。

用于解决技术问题的手段

本发明人等进行专门研究，结果发现，通过做成在单晶上外延生长与集成基板接合的磁化反转元件或磁阻效应元件而得到的元件，能够实现较高的磁各向异性。

(1)第一实施方式提供一种磁化反转元件，其依次具有：单晶基板、磁化稳定化层、第一铁磁性金属层和接合层，至少所述单晶基板、所述磁化稳定化层及所述第一铁磁性金属层整体单晶化。

(2)上述实施方式的磁化反转元件中，上述单晶基板和上述磁化稳定化层也可以包含不同的材料。

(3)上述实施方式的磁化反转元件中，上述单晶基板也可以利用选自Si、GaAs、Ge、MgO、具有尖晶石型结构的物质、以及具有立方晶的钙钛矿结构的物质中的至少一种构成。

(4)上述实施方式的磁化反转元件中，上述磁化稳定化层也可以利用选自MgO、Ir及具有尖晶石型结构的物质中的至少一种构成。

(5)上述实施方式的磁化反转元件中，上述第一铁磁性金属层也可以是含有Fe的立方晶的铁磁性金属。

(6)上述实施方式的磁化反转元件中，上述单晶基板与上述磁化稳定化层的晶格匹配度也可以为10％以下。

(7)上述实施方式的磁化反转元件中，上述磁化稳定化层与上述第一铁磁性金属层的晶格匹配度也可以为6％以下。

(8)上述实施方式的磁化反转元件中，上述磁化稳定化层的厚度也可以为1nm以上。

(9)上述实施方式的磁化反转元件中，上述接合层也可以含有选自Ta、Au、In、Cu、Ag、Pt、Pd、Ti、V、Ru中的至少一种以上的元素。

(10)第二实施方式提供一种磁阻效应元件，在上述方式的磁化反转元件的上述第一铁磁性金属层与上述接合层之间，从上述第一铁磁性金属层侧依次具有非磁性层和第二铁磁性金属层。

(11)上述实施方式的磁阻效应元件中，上述第二铁磁性金属层也可以具有合成反铁磁性结构。

(12)第三实施方式提供一种集成元件，其具有包含半导体元件的集成基板和上述实施方式的磁化反转元件或上述实施方式的磁阻效应元件，上述磁化反转元件或上述磁阻效应元件相对于上述集成基板经由上述接合层进行接合。

(13)上述实施方式的集成元件中，也可以进一步在上述集成基板与上述磁化反转元件或上述磁阻效应元件之间具有第二接合层，且上述接合层和上述第二接合层含有相同的材料。

(14)第四实施方式提供一种集成元件的制造方法，其具有将上述实施方式的磁化反转元件或上述实施方式的磁阻效应元件经由上述接合层接合于包含半导体元件的集成基板上的工序。

(15)上述实施方式的集成元件的制造方法中，也可以进一步具有：向上述磁化反转元件或上述磁阻效应元件中的上述单晶基板中离子注入氢离子的工序；以及加热离子注入后的单晶基板，在注入有上述氢离子的部分切断上述单晶基板的工序。

(16)上述实施方式的集成元件的制造方法中，也可以在接合上述磁化反转元件或上述磁阻效应元件和上述集成基板之前，进行上述离子注入。

(17)上述实施方式的集成元件的制造方法中，也可以进一步具有：在上述磁化反转元件或上述磁阻效应元件的上述单晶基板的中途或上述单晶基板与上述磁化稳定化层之间叠层石墨烯的工序；以及在叠层有上述石墨烯的界面劈开，除去上述单晶基板的工序。

(18)上述实施方式的集成元件的制造方法中，也可以在叠层上述磁化反转元件或上述磁阻效应元件时，在单晶基板上，至少外延生长磁化稳定化层和第一铁磁性金属层。

发明的效果

根据本发明，能够提供即使在集成基板上也具有较高的磁各向异性的磁化反转元件、磁阻效应元件及集成元件及其制造方法。

附图说明

图1是第一实施方式的集成元件的截面示意图；

图2是第一实施方式的集成元件所使用的磁阻效应元件的截面示意图；

图3是第一实施方式的集成元件所使用的磁阻效应元件的另一例的截面示意图；

图4是用于说明第一实施方式的集成元件的制造方法的图；

图5是第二实施方式的集成元件的截面示意图；

图6是第二实施方式的集成元件所使用的磁化反转元件的截面示意图。

符号说明

10、10’ 单晶基板、

11 离子注入部、

20 磁化稳定化层、

30 第一铁磁性金属层、

40 接合层、

50 非磁性层、

60 第二铁磁性金属层、

61、63 磁性层、

62 非磁性层、

70 集成基板、

71 层间绝缘层、

72 贯通电极、

80 第二接合层、

90 绝缘体、

100、100’ 磁阻效应元件、

101 磁化反转元件、

200、201 集成元件

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。此外，附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。

＜第一实施方式＞

“叠层元件”

图1是第一实施方式的叠层元件的截面示意图。如图1所示，第一实施方式的叠层元件是集成基板70和磁阻效应元件100(参照图2)经由接合层40接合的元件。图1表示在接合后磁阻效应元件100的单晶基板10(参照图2)被除去后的状态。图1所示的磁阻效应元件100在集成基板70与磁阻效应元件100之间具有第二接合层80。

“磁阻效应元件”

图2是第一实施方式的集成元件所使用的磁阻效应元件的截面示意图。图2所示的磁阻效应元件100具备：单晶基板10、磁化稳定化层20、第一铁磁性金属层30、非磁性层50、第二铁磁性金属层60、和接合层40。磁阻效应元件100中，至少单晶基板10、磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30单晶化。

“单晶化”是指，在单晶基板10上，至少磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30进行外延生长，并在原子级别上叠层界面相连接。

“在原子级别上叠层界面相连接”不需要所有的原子在叠层方向上连续地连接，只要叠层界面的90％以上的原子在叠层方向上连续即可。

另外，“在原子级别上叠层界面相连接”能够由扫描透射电子显微镜(STEM)图像进行确认。在仅利用STEM图像难以确认的情况下，确认将由STEM图像得到的界面附近区域的信息进行傅立叶变换而得到的(220)点的逆傅立叶变换图像。逆傅立叶变换图像中，提取原子的叠层方向的信息，因此，能够容易地观察失配错位的有无。

通过磁阻效应元件100的至少这些层单晶化，磁阻效应元件100的MR比提高。磁阻效应元件100一般从基板起依次叠层。磁阻效应元件100中的各层的厚度极薄为数nm～数十nm，容易受到基底的影响。如果基板中使用单晶，且在单晶上使各层进行外延生长，则各层的结晶性变高。其结果，能够提高第一铁磁性金属层30的磁各向异性，磁阻效应元件100的MR比提高。

确立了将单晶基板进行平坦化的技术。在平坦化了的单晶上外延生长的各层成为具有较高的平坦性，且磁阻效应元件100具有较高的平坦性的叠层膜。例如，在磁阻效应元件100的电流路径被限定的结构中，被叠层的各层具有至少原子3层以内的平坦度时，相对于施加电压的耐压性也提高。

另外，在单晶上外延生长各层的情况下，避免粒状生长。其结果，能够将在粒界有效地降低的非磁性层的势垒高度维持成较高的状态。由此，能够不仅提高磁阻效应元件100的耐压性，而且还提高器件制造的成品率。以下，具体地说明各层的结构。

(单晶基板)

单晶基板10是成为磁阻效应元件100的基础的层，另一方面，是集成元件200中可能除去的层。因此，单晶基板10能够在磁阻效应元件100的制造中重点进行选择。

为了提高磁阻效应元件100的MR比，优选单晶基板10由与叠层的磁化稳定化层20的晶格匹配性高的材料构成。具体而言，单晶基板10优选利用选自Si、GaAs、Ge、MgO、具有尖晶石型结构的物质、及具有立方晶的钙钛矿的物质中的至少一种构成。作为具有尖晶石型结构的物质，例如可举出MgAl₂O₄、ZnAl₂O₄、及γ-Al₂O₃等，作为具有立方晶的钙钛矿结构的物质，可举出SrTiO₃等。

在此，“晶格匹配性高”是指，被叠层的侧的结晶的周期性结构与叠层的侧的结晶的周期性结构的一致度较高。以下，将该晶格匹配性的高度以称为晶格匹配度的指标进行表示。将被叠层的侧的结晶的周期性结构设为A，将叠层的侧的结晶的周期性结构设为B时，晶格匹配度是以|A-B|/A×100表示的指标。晶格匹配度越小，晶格匹配性越高，晶格匹配度越大，晶格匹配性越低。作为被叠层的侧的结晶的周期性结构A及被叠层的侧的结晶的周期性结构B，能够使用各个结晶的晶格常数的整数倍等。

(磁化稳定化层)

磁化稳定化层20是叠层于单晶基板10上的层。磁化稳定化层20在制作磁阻效应元件100的阶段，能提高第一铁磁性金属层30的磁各向异性，在成为集成元件200之后，防止第一铁磁性金属层30的劣化。磁化稳定化层20优选考虑制作磁阻效应元件100的阶段中的功能和贴合后的作为集成元件200的功能，来选择材料及结构等。即，磁化稳定化层20是容易与单晶基板10进行晶格匹配的材料，优选为能够对第一铁磁性金属层30赋予界面磁各向异性的氧化物或重金属等的自旋·轨道相互作用较大的材料。

在制作磁阻效应元件100的阶段，磁化稳定化层20有助于磁阻效应元件100的MR比的提高。磁化稳定化层20在单晶基板10上进行外延生长，由此，叠层于其上的第一铁磁性金属层30的结晶性变高，磁各向异性变高。

磁化稳定化层20优选与单晶基板10的晶格匹配性高(晶格匹配度较小)。具体而言，单晶基板10与磁化稳定化层20的晶格匹配度优选为10％以下，更优选为6％以下，进一步优选为4％以下。如果晶格匹配度为10％以下，则面内方向的90％以上的原子可在叠层方向上连续，并能够外延生长。

作为这种材料，能够使用选自MgO、Ir及具有尖晶石型结构的物质中的至少一种。作为具有尖晶石型结构的物质，可举出上述的物质。

另外，在这些材料中，特别优选为MgO、MgAl₂O₄、ZnAl₂O₄、SrTiO₃、γ-Al₂O₃等的氧化物。磁化稳定化层20内的氧在第一铁磁性金属层30与磁化稳定化层20的界面赋予界面磁各向异性，并能提高第一铁磁性金属层30的磁化的垂直磁各向异性。

为了提高集成元件200的集成性，优选第一铁磁性金属层30的磁化方向具有相对于叠层面垂直的垂直磁各向异性。磁性体的磁化方向大幅受到磁性体的膜厚及叠层体的界面的影响。与铁磁性体相邻的层含有氧时，通过氧的效果，界面磁各向异性变强。即，通过磁化稳定化层20含有氧，第一铁磁性金属层30的垂直磁各向异性提高。

磁化稳定化层20和单晶基板10优选由不同的材料构成。磁化稳定化层20和单晶基板10由不同的材料构成时，即使在单晶基板10与第一铁磁性金属层30的晶格匹配性较低的(晶格匹配度大)的情况下，也能够通过磁化稳定化层20调整各层的界面中的晶格匹配性。另外，通过能够任意选择单晶基板10，从而能够降低成本，或增加工艺上的选择项。

即使在磁化稳定化层20和单晶基板10由相同的材料构成的情况下，在单晶基板10与叠层的磁化稳定化层20的界面上也具有微小的坑或异物等，这些界面可利用TEM(透射电子显微镜)图像等进行判断。异物可举出例如磁化稳定化层20与单晶基板10的氧化物或它们的化合物。

另一方面，集成元件200中，磁化稳定化层20作为覆盖层发挥作用。覆盖层有助于集成元件200的氧化防止、来自集成元件200的元素扩散的防止、集成元件200的晶体取向性的提高等。

例如，当第一铁磁性金属层30进行氧化时，第一铁磁性金属层30的一部分进行非磁性化，磁各向异性下降。通过设置覆盖层，第一铁磁性金属层30的磁化稳定性升高。

另外，例如，集成电路中，有时在集成元件200上叠层用于向磁阻效应元件100流通电流的配线等。在该情况下，构成第一铁磁性金属层30的元素的一部分可能向叠层的配线进行扩散。构成第一铁磁性金属层30的元素扩散时，第一铁磁性金属层30的磁化稳定性降低。作为覆盖层发挥作用的磁化稳定化层阻碍该元素扩散，提高第一铁磁性金属层30的磁化稳定性。

仅考虑上述那样的作为覆盖层的作用时，磁化稳定化层20能够使用Ru、Ta、Cu、Ag、Au等。但是，这些材料与单晶基板10的晶格匹配性不优异，不能进行外延生长。与之相对，选自上述的MgO、Ir及具有尖晶石型结构的物质中的至少一种可在单晶基板10上外延生长，作为覆盖层也适当发挥作用。当也考虑作为覆盖层的作用时，磁化稳定化层20特别优选选择与非磁性层50相同的材料。

磁化稳定化层20的厚度优选为1nm以上。通过磁化稳定化层20具有充分的膜厚，从而能够调整单晶基板10与第一铁磁性金属层30的晶格匹配度的差异。另外，磁化稳定化层20具有充分的膜厚，也能够充分发挥作为覆盖层的作用。另一方面，为了充分确保叠层于集成元件200上的配线与磁阻效应元件100之间的导电性，磁化稳定化层20的厚度更优选为3nm以下。

(第一铁磁性金属层)

第一铁磁性金属层30也可以是固定了磁化的方向的磁化固定层，也可以是可改变磁化的方向的磁化自由层。

集成元件200中，磁化固定层存在于集成基板70侧的磁化稳定性升高。另外，磁阻效应元件100的制造过程中，单晶基板10侧的磁性体的磁化稳定性较高。在基板为单晶基板10的情况下，提高磁化自由层的磁特性的一方提高磁阻效应元件100的MR比。因此，第一铁磁性金属层30优选为磁化自由层。以下，将第一铁磁性金属层30记载为磁化自由层。

作为第一铁磁性金属层30的材料，适于使用铁磁性材料，特别是适于使用软磁性材料。第一铁磁性金属层30优选为含有Fe的立方晶的铁磁性金属。第一铁磁性金属层30具有立方晶的晶体结构时，容易提高与磁化稳定化层20的晶格匹配性，容易进行外延生长。

作为含有Fe的立方晶的铁磁性金属，例如可举出：选自Cr、Mn、Co、Fe及Ni中的金属；含有1种以上的选自这些中的金属的合金；或含有选自这些中的1种或多种金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金。具体而言，能够示例Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。

另外，第一铁磁性金属层30也可以是Co₂FeSi等的哈斯勒合金。哈斯勒合金的自旋分极率较高，能够实现较高的MR比。哈斯勒合金包含具有X₂YZ的化学组成的金属间化合物。X是元素周期表上Co、Fe、Ni、或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素。Y是Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或X的元素种类。Z是III族～V族的典型元素。例如，可举出Co₂FeSi、Co₂Mn_{1- a}Fe_aAl_bSi_1-b(a、b为整数)等。

第一铁磁性金属层30的厚度优选为4nm以下。如果第一铁磁性金属层30为该厚度的范围内，则能够在与磁化稳定化层20及非磁性层50各自的界面，对第一铁磁性金属层30附加垂直磁各向异性。另外，垂直磁各向异性通过增厚第一铁磁性金属层30的膜厚而效果衰减，因此，第一铁磁性金属层30的膜厚越薄越好。另一方面，从得到较大的MR比的观点来看，第一铁磁性金属层30的厚度优选为第一铁磁性金属层30的自旋扩散长程度的厚度。

另外，第一铁磁性金属层30相对于磁化稳定化层20的晶格匹配度优选为6％以下，更优选为4％以下，进一步优选为2％以下。如果晶格匹配度为该范围，则能够在磁化稳定化层20上外延生长第一铁磁性金属层30。通过第一铁磁性金属层30进行外延生长，单晶基板10、磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30进行单晶化。

作为相对于磁化稳定化层20的晶格匹配度满足6％以下的材料，可举出：Fe、Fe-Co合金、Co₂FeSi、Co₂Mn_1-aFe_aAl_bSi_1-b(a，b为整数)等。

(非磁性层)

非磁性层50可以使用公知的材料。例如，在非磁性层50由绝缘体构成的情况下(为隧道势垒层的情况)，作为其材料，可以使用Al₂O₃、SiO₂、MgO、及MgAl₂O₄等。另外，除了这些以外，还能够使用Al、Si、Mg的一部分被置换成Zn、Be等的材料等。它们中，MgO及MgAl₂O₄是能够实现相干隧道的材料，因此，能够高效地注入自旋。

另外，在非磁性层50由金属构成的情况下，作为其材料，能够使用Cu、Au、Ag等。

非磁性层50也优选与单晶基板10、磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30一起单晶化。为了单晶化，优选非磁性层50具有立方晶结构，特别优选具有尖晶石结构或岩盐型结构。

例如，MgO采用岩盐型结构，MgAl₂O₄、ZnAl₂O₄、SrTiO₃及γ-Al₂O₃等采用尖晶石结构。岩盐型结构为所谓的NaCl型结构，Mg离子和氧离子交替排列。另一方面，这里所说的尖晶石结构是也包含正尖晶石和反尖晶石的规则性尖晶石结构和Sukenel结构的任一种的概念。

Sukenel结构是构成尖晶石结构的两个阳离子的配置不规则化的结构。Sukenel结构采取氧离子的排列与尖晶石大致同等的最密立方晶格，但阳离子占有的位置随机化。规则性尖晶石结构中，预定的阳离子正规地排列于氧离子的四面体空隙及八面体空隙。与之相对，Sukenel结构中，阳离子随机配置于四面体空隙及八面体空隙，规则化尖晶石结构中，在预定的阳离子占有的氧原子的四面体位置及八面体位置配置不同的阳离子。其结果，Sukenel结构成为结晶的对称性改变，且相对于规则性尖晶石结构晶格常数实际上减半的结构。

在磁化稳定化层20由氧化膜构成的情况下，非磁性层50优选由与磁化稳定化层20相同的材料构成。能够用于磁化稳定化层20和非磁性层50的材料类似。当非磁性层50使用与磁化稳定化层20相同的材料时，与第一铁磁性金属层30的晶格匹配度必然变高，磁阻效应元件100的MR比变高。

(第二铁磁性金属层)

第二铁磁性金属层60在第一铁磁性金属层30为磁化自由层的情况下成为磁化固定层，在第一铁磁性金属层30为磁化固定层的情况下成为磁化自由层。以下，将第二铁磁性金属层60记载为磁化固定层。

第二铁磁性金属层60中能够使用与第一铁磁性金属层30同样的材料。第二铁磁性金属层60也优选与单晶基板10、磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30一起进行单晶化。

为了使第二铁磁性金属层60的矫顽力高于第一铁磁性金属层30，第二铁磁性金属层60优选具有图1及图2所示那样的合成反铁磁性结构。

合成反铁磁性结构由夹持非磁性层62的两个磁性层61、63构成。两个磁性层61、63的磁化分别被固定，固定的磁化的方向相反。因此，即使磁化自由层(第一铁磁性金属层30)的磁化变动，两个磁性层61、63的磁化也能够保持稳定性，能够提高第二铁磁性金属层60的矫顽力。另外，两个磁性层61、63创造出的磁场相互抵消，因此，还抑制漏磁场对第一铁磁性金属层30的影响。

第二铁磁性金属层60例如从单晶基板10侧依次设为FeB(1.0nm)/Ta(0.2nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]₄/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]₆，由此，能够将磁化的方向设为垂直。

另外，如图3所示，第二铁磁性金属层60也可以设为厚度相对于第一铁磁性金属层30较厚的结构。通过增厚第二铁磁性金属层60的厚度，第二铁磁性金属层60内的磁化的总量变多，矫顽力升高。

(接合层)

接合层40叠层于第二铁磁性金属层60上。接合层40在制作磁阻效应元件100的阶段作为覆盖层发挥作用，在集成元件200中承担磁阻效应元件100与集成基板70的接合。因此，考虑到制作磁阻效应元件100的阶段中的作用和贴合后的作为集成元件200的作用，接合层40优选选择材料及结构等。

接合层40的作为覆盖层的功能具有磁阻效应元件100的氧化防止、磁阻效应元件100的晶体取向性的提高等。覆盖层将磁阻效应元件100的第一铁磁性金属层30及第二铁磁性金属层60的磁性进行稳定化，将磁阻效应元件100进行低电阻化。

接合层40优选含有选自Ta、Au、In、Cu、Ag、Pt、Pd、Ti、V、Ru中的至少一种以上的元素。当对非晶的这些材料施加压力时，将磁阻效应元件100与集成基板70之间进行接合。另外，这些材料作为磁阻效应元件100的覆盖层发挥作用。因此，从作为覆盖层发挥作用的观点来看，特别优选含有选自Ta、Au、In及Cu中的至少一种以上的原子。

“集成基板”

集成基板70能够使用包含半导体元件的任意的基板。例如，图1所示的集成基板70具有层间绝缘层71和贯通电极72。贯通电极72将由层间绝缘层71隔开的多个元件间进行电连接。在贯通电极72连接省略图示的半导体元件等。

层间绝缘层71是将多层配线的配线间及元件间进行绝缘的绝缘层。层间绝缘层71能够使用与半导体器件等中使用的材料同样的材料。例如可使用：氧化硅(SiO_x)、氮化硅(SiN_x)、碳化硅(SiC)、氮化铬(CrN)、碳氮化硅(SiCN)、氧氮化硅(SiON)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO_x)等。

贯通电极72能够使用导电性高的公知的材料。例如能够使用选自Cu、Al、Ti、Nb、V、Ta及Zr中的任一种的单体、合金、氮化物等。

(第二接合层)

第二接合层80配设于磁阻效应元件100与集成基板70之间。第二接合层80包含与接合层40相同的材料。即，第二接合层80优选含有选自Ta、Au、In、Cu、Ag、Pt、Pd、Ti、V、Ru中的至少一种以上的元素。

第二接合层80提高磁阻效应元件100与集成基板70的接合性。具有包含与接合层40相同的材料的第二接合层80时，在进行接合时，包含相同材料的层彼此进行接合。相同材料彼此容易接合，与未设置第二接合层80的情况相比，密合性变高。

此外，即使在磁阻效应元件100与集成基板70接合后的集成元件200的阶段，接合层40与第二接合层80的界面也可通过TEM等进行判断。

“集成元件的制造方法”

接着，参考图4说明集成元件200的制造方法。图4是用于说明第一实施方式的集成元件的制造方法的图。

首先，如图4(a)所示，制作磁阻效应元件100。磁阻效应元件100能够使用公知的成膜法进行制作。例如，也能够使用溅射法、蒸镀法、激光烧蚀法、MBE法等通常的薄膜制作法。

在叠层磁阻效应元件100时，以至少单晶基板10、磁化稳定化层20、第一铁磁性金属层30进行外延生长的方式，调整生长条件。例如，提高成膜真空度，分离靶材与被成膜体的距离，缩小施加电压。通过这样缓和成膜条件，使彼此的晶体结构一致而进行外延生长。

在非磁性层50为隧道势垒层的情况下，溅射金属薄膜，并通过等离子氧化或氧导入的自然氧化及热处理能够形成氧化膜。

另外，详细进行后述，但集成元件200中单晶基板10被除去。因此，为了简单除去单晶基板10，也可以向单晶基板10离子注入氢离子。通过以同程度的能量注入到单晶基板10的氢离子排列于单晶基板10的相同的位置。以下将注入了氢离子的部分称为离子注入部11。

离子注入部11优选设置于距单晶基板10的叠层面为100nm以下的位置。单晶基板10在离子注入部11被分断，因此，通过在该位置设置离子注入部11，能够简化后述的单晶基板10的除去工艺。

离子注入优选在将磁阻效应元件100与集成基板70进行接合之前进行。即，优选在将磁阻效应元件100叠层之前的单晶基板10的阶段或，叠层之后的磁阻效应元件100的阶段进行。

如果是将磁阻效应元件100进行叠层的前阶段，则即使从单晶基板10的任一侧都能够进行离子注入，且都能够容易地进行离子注入。另外，没有叠层磁阻效应元件100，因此，操作性优异。

另一方面，如果在叠层了磁阻效应元件100之后进行时，能够避免离子注入的氢离子在叠层第一铁磁性金属层30等的磁性膜时造成影响。

接着，如图4(b)所示，将磁阻效应元件100和集成基板70经由接合层40进行接合。优选在集成基板70的接合面上形成第二接合层80。

接合通过在叠层磁阻效应元件100和集成基板70之后，按照叠层方向施加压力而进行。施加压力时，非晶的接合层40如粘接剂那样发挥作用，将磁阻效应元件100和集成基板70进行接合。

优选在接合之前，通过化学机械研磨(CMP)，将磁阻效应元件100与集成基板70的接合面进行平坦化，并进一步除去表面的异物。优选磁阻效应元件100与集成基板70的接合面的平坦度在1000nm的区域内，为3nm的高低差。进一步优选磁阻效应元件100与集成基板70的接合面的平坦度在100nm的区域内，为1.5nm的高低差。

接合时的施加压力优选为2GPa以上，更优选为3GPa以上。通过施加充分的压力，磁阻效应元件100与集成基板70牢固地接合。为了避免磁阻效应元件100及集成基板70的破损，施加压力优选为10GPa以下。

接着，在进行离子注入的情况下，将磁阻效应元件100和集成基板70的叠层体以400℃～1000℃程度的温度进行加热。加热叠层体时，如图4(c)所示，单晶基板10在离子注入部11劈开。劈开后的单晶基板10’变得比最初的单晶基板10薄，成为与设置了离子注入部11的位置同等的厚度。

然后，除去单晶基板10’。单晶基板10’的厚度较薄，因此，可容易地除去。作为单晶基板10’的除去方法，可以使用蚀刻、研磨、反应性离子蚀刻(RIE)等。

此外，在此说明了设置离子注入部11的情况，但也可以不设置离子注入部11。在该情况下，通过蚀刻等除去单晶基板10。但是，当考虑到生产效率、对磁性膜的损伤等时，优选通过离子注入及热处理来劈开单晶基板10。

另外，单晶基板10也可以通过上述的使用了氢离子的方法以外的方法进行除去。例如，也可以在单晶基板10的中途或单晶基板10与磁化稳定化层20的界面设置石墨烯。石墨烯是碳原子在面内方向上通过sp键连接的原子1层量的厚度的片状物质，劈开性优异。通过在叠层了石墨烯的界面劈开单晶基板10，能够容易地除去单晶基板10。

另外，石墨烯的厚度非常薄，薄至原子1层份量。因此，在叠层方向上夹持石墨烯的原子的波动函数分别夹持石墨烯而浸出至相反侧的原子的位置。即石墨烯的存在不会对叠层方向的结晶性造成影响。因此，例如即使在单晶基板10的中途配置了石墨烯的情况下，单晶基板10的结晶性在夹持石墨烯的两侧也一致。另外，即使在例如单晶基板10与磁化稳定层20的界面配置了石墨烯的情况下，磁化稳定层20在单晶基板10上也进行外延生长。

最后，如图4(d)所示，将磁阻效应元件100按照设置于集成基板70的每个半导体元件进行分离。例如，如图4(d)所示，按照每个贯通电极72，将磁阻效应元件100分离成多个磁阻效应元件100’。分离的磁阻效应元件100’间优选利用绝缘体90填充。磁阻效应元件100的元件间的分离能够使用公知的光刻等的技术。

通过使用上述那样的制造方法，能够按照设置于集成基板70的每个半导体元件制作磁阻效应元件100’。另外，形成于各个半导体元件上的磁阻效应元件100’在单晶基板10上进行外延生长，因此，能够实现较高的MR比。另外，接合处理也不会对构成磁阻效应元件100的第一铁磁性金属层30及第二铁磁性金属层60的磁化特性造成不良影响。

即，根据本实施方式的集成元件200，即使在集成基板70上，也能够实现呈现较高的MR比的磁阻效应元件100。

＜第二实施方式＞

图5是第二实施方式的集成元件201的截面示意图。第二实施方式的集成元件201不具有非磁性层50和第二铁磁性金属层60，这一点与第一实施方式的集成元件200不同。其它结构与第一实施方式的集成元件200相同，针对相同的结构省略说明。

第二实施方式的集成元件201中，磁化反转元件101和集成基板70经由接合层40进行叠层。图6是第二实施方式的集成元件所使用的磁阻效应元件的截面示意图。

磁化反转元件101依次具有单晶基板10、磁化稳定化层20、第一铁磁性金属层30和接合层40。磁化反转元件101中，至少单晶基板10、磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30单晶化。

通过磁化反转元件101的至少这些层单晶化，第一铁磁性金属层30的磁各向异性升高。第一铁磁性金属层30的磁各向异性升高时，可以提高磁光克尔效应、法拉第效应等，可得到性能更优异的偏向元件、光磁记录元件等。磁化反转元件101不具有非磁性层50及第二铁磁性金属层60，这一点与磁阻效应元件100不同。

第二实施方式的集成元件201的制造方法是仅除去叠层磁阻效应元件100的工序内的、叠层非磁性层50及第二铁磁性金属层60的工序的方法，能够通过与第一实施方式的集成元件200同样的制造方法得到。

即，根据本实施方式的集成元件201，即使在集成基板70上，也能够实现具有较高的磁各向异性的磁化反转元件101。

实施例

＜用于单晶化的优选的材料的组合＞

第一实施方式的磁阻效应元件100及第二实施体系的磁化反转元件101均使至少单晶基板10、磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30单晶化。因此，根据晶体结构具有的晶格常数算出为了使这些层单晶化而优选的材料的组合。

首先，求得使用Si作为单晶基板10时的各层的晶格匹配度。将其结果在表1中表示。

【表1】

接着，求得使用MgO或MgAl₂O作为单晶基板10时的各层的晶格匹配度。将其结果在表2中表示。

[表2]

接着，求得使用Ge或GaAs作为单晶基板10时的各层的晶格匹配度。将其结果在表3中表示。

[表3]

任意组合中，单晶基板与磁化稳定化层的结晶匹配度均为10％以下，磁化稳定化层与第一铁磁性金属层的结晶匹配度为6％以下。即，至少它们的组合中，单晶基板10、磁化稳定化层20及第一铁磁性金属层30进行单晶化。

Claims (18)

1.一种磁化反转元件，其中，

依次具有：单晶基板、磁化稳定化层、第一铁磁性金属层和接合层，

至少所述单晶基板、所述磁化稳定化层及所述第一铁磁性金属层整体单晶化。

2.根据权利要求1所述的磁化反转元件，其中，

所述单晶基板和所述磁化稳定化层包含不同的材料。

3.根据权利要求1或2所述的磁化反转元件，其中，

所述单晶基板由选自Si、GaAs、Ge、MgO、具有尖晶石型结构的物质、以及具有立方晶的钙钛矿结构的物质中的至少一种构成。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的磁化反转元件，其中，

所述磁化稳定化层由选自MgO、Ir及具有尖晶石型结构的物质中的至少一种构成。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁化反转元件，其中，

所述第一铁磁性金属层是含有Fe的立方晶的铁磁性金属。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁化反转元件，其中，

所述单晶基板与所述磁化稳定化层的晶格匹配度为10％以下。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁化反转元件，其中，

所述磁化稳定化层与所述第一铁磁性金属层的晶格匹配度为6％以下。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的磁化反转元件，其中，

所述磁化稳定化层的厚度为1nm以上。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的磁化反转元件，其中，

所述接合层含有选自Ta、Au、In、Cu、Ag、Pt、Pd、Ti、V、Ru中的至少一种以上的元素。

10.一种磁阻效应元件，其中，

在权利要求1～9中任一项所述的磁化反转元件的所述第一铁磁性金属层与所述接合层之间，

从所述第一铁磁性金属层侧依次具有非磁性层和第二铁磁性金属层。

11.根据权利要求10所述的磁阻效应元件，其中，

所述第二铁磁性金属层具有合成反铁磁性结构。

12.一种集成元件，其具有：

包含半导体元件的集成基板、和

权利要求1～9中任一项所述的磁化反转元件或权利要求10或11所述的磁阻效应元件，

所述磁化反转元件或所述磁阻效应元件相对于所述集成基板经由所述接合层进行接合。

13.根据权利要求12所述的集成元件，其中，

在所述集成基板与所述磁化反转元件或所述磁阻效应元件之间还具有第二接合层，所述接合层和所述第二接合层含有相同的材料。

14.一种集成元件的制造方法，其中，

具有将权利要求1～9中任一项所述的磁化反转元件或权利要求10或11所述的磁阻效应元件经由所述接合层接合于包含半导体元件的集成基板上的工序。

15.根据权利要求14所述的集成元件的制造方法，其中，

还具有：

向所述磁化反转元件或所述磁阻效应元件中的所述单晶基板中离子注入氢离子的工序；

加热离子注入后的单晶基板，在注入有所述氢离子的部分切断所述单晶基板的工序。

16.根据权利要求15所述的集成元件的制造方法，其中，

在接合所述磁化反转元件或所述磁阻效应元件和所述集成基板之前，进行所述离子注入。

17.根据权利要求14所述的集成元件的制造方法，其中，

还具有：

在所述磁化反转元件或所述磁阻效应元件中的所述单晶基板的中途或所述单晶基板与所述磁化稳定化层之间叠层石墨烯的工序；

在叠层有所述石墨烯的界面劈开，除去所述单晶基板的工序。

18.根据权利要求14～17中任一项所述的集成元件的制造方法，其中，

在叠层所述磁化反转元件或所述磁阻效应元件时，在单晶基板上，至少外延生长磁化稳定化层和第一铁磁性金属层。