JP2000285415A - Manufacture for ferromagnetic tunnel junction magnetoresistive element - Google Patents
Manufacture for ferromagnetic tunnel junction magnetoresistive elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ディスク装
置、磁気エンコーダ装置等の磁気ヘッドに装着されて、
磁気記録媒体に記録された情報の読み出しに用いられる
磁気抵抗効果を利用した素子に関する。さらに詳しく
は、強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を利用した
磁気抵抗効果素子に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic disk device, a magnetic encoder device, etc.
The present invention relates to an element using a magnetoresistance effect used for reading information recorded on a magnetic recording medium. More specifically, the present invention relates to a magnetoresistive element using a magnetoresistance effect by a ferromagnetic tunnel junction.
【0002】[0002]
【従来の技術】大量の情報を高速で記録し読み出しでき
る磁気記録装置に、ハードディスクなどがある。パーソ
ナルコンピュータなどに使用されるハードディスクにお
ける記録密度は、短期間で急速に増大しつつあり、今後
もその傾向は続くと予想されている。このハードディス
クの磁気媒体に記録された情報を読み出すヘッドの素子
として、磁気抵抗効果素子が多く使用されるようになっ
ている。2. Description of the Related Art There is a hard disk as a magnetic recording device capable of recording and reading a large amount of information at high speed. The recording density of hard disks used in personal computers and the like has been rapidly increasing in a short period of time, and this trend is expected to continue in the future. As a head element for reading information recorded on a magnetic medium of a hard disk, a magnetoresistive element is often used.
【0003】磁気抵抗効果とは、導電性の磁性体に磁場
を印加すると電気抵抗が変化する効果であり、この効果
を持つ素子を利用して磁場変化を検出し、磁気媒体に記
録された情報を読みとる。この磁気抵抗効果(MR ―
magnetoresistance)素子は磁気記録媒体の移動速度の
影響を受けず、薄膜化による小型化が可能であり、磁気
媒体に面密度をきわめて高くして記録された情報を、容
易に識別して読み出すことができる利点がある。このよ
うな素子としては、従来、強磁性体の電流の方向と磁化
軸とのなす角度による抵抗変化比(MR比)を検出す
る、磁気異方性型の素子が利用されてきた。これに対
し、非磁性導電体層が二つの強磁性体層に挟まれその一
方の強磁性体層の外側に反強磁性体層が接した積層膜構
造を持つ、大きな磁気抵抗効果を示すスピンバルブ素子
が開発され、高々2%程度であったMR比が6〜7%に向
上するとして、これを用いた磁気ヘッドの実用化が進め
られている。しかし、磁気記録密度の増大傾向に対し、
より一層大きいMR比をもつ素子が要望されており、そ
れに応えるものとして、強磁性トンネル効果を利用した
磁気抵抗効果素子がある。[0003] The magnetoresistance effect is an effect in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a conductive magnetic material. A change in the magnetic field is detected using an element having this effect, and information recorded on a magnetic medium is read. Read. This magnetoresistance effect (MR-
The magnetoresistance element is not affected by the moving speed of the magnetic recording medium and can be miniaturized by thinning. Information recorded on the magnetic medium with extremely high surface density can be easily identified and read. There are advantages that can be done. As such an element, a magnetic anisotropic element that detects a resistance change ratio (MR ratio) according to an angle between a current direction of a ferromagnetic material and a magnetization axis has been conventionally used. On the other hand, a non-magnetic conductive layer is sandwiched between two ferromagnetic layers, and the antiferromagnetic layer is in contact with the outside of one of the ferromagnetic layers. With the development of a valve element, the MR ratio, which was at most about 2%, was improved to 6 to 7%, and practical use of a magnetic head using the same has been promoted. However, with the increasing trend of magnetic recording density,
There is a demand for a device having an even higher MR ratio, and a magnetoresistive effect device utilizing the ferromagnetic tunnel effect has been responded to.
【0004】絶縁体で隔てられた二つの導電体の間に
は、通常、ほとんど電流は流れないが、絶縁体が極めて
薄くなると、電圧印加により電流が流れるようになる。
電流が電子という粒子の移動によるとする古典力学的解
釈では、これは到底あり得ない現象であるが、電子の運
動が波動であるとする量子力学によれば、有限の幅の絶
縁体という障壁を電子がある確率で通過できることにな
る。これをトンネル効果といい、それによって流れる電
流をトンネル電流という。そして、この薄い絶縁体層に
隔てられた二つの導電性強磁性体の間にトンネル電流が
検出されるとき、絶縁体層の両側の強磁性体の磁化が、
相互に同じ向きである場合と異なった場合とでトンネル
効果に差があり、これが電気抵抗値変化として検出され
ることが明らかにされた。当初、この現象とその大きな
MR比は極低温域で見出されたが、強磁性体と絶縁体と
の組み合わせの選択によって、常温でも十分な大きさの
効果の得られることが見出され、さらに強磁性トンネル
効果によるMR比は、数十%に達することも理論的に予
測されて、磁気抵抗効果素子としての可能性が注目され
るようになってきた。Normally, almost no current flows between two conductors separated by an insulator. However, when the insulator is extremely thin, current flows when a voltage is applied.
In the classical mechanical interpretation that the electric current is caused by the movement of an electron particle, this is a very unlikely phenomenon, but according to quantum mechanics that the electron motion is a wave, the barrier of a finite width insulator Electrons can pass through at a certain probability. This is called a tunnel effect, and the current flowing therethrough is called a tunnel current. Then, when a tunnel current is detected between the two conductive ferromagnetic materials separated by the thin insulator layer, the magnetization of the ferromagnetic materials on both sides of the insulator layer becomes
It has been clarified that there is a difference in the tunnel effect between the case where the directions are the same and the case where the directions are different from each other, and this is detected as a change in the electric resistance value. Initially, this phenomenon and its large MR ratio were found in a very low temperature range, but it was found that by selecting a combination of a ferromagnetic material and an insulator, a sufficient effect could be obtained even at room temperature. Furthermore, it has been theoretically predicted that the MR ratio due to the ferromagnetic tunnel effect will reach several tens of percent, and the possibility of a magnetoresistive effect element has been attracting attention.
【0005】強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果素
子(トンネリング素子)の構造は、薄い非磁性絶縁体層
を挟んだ2枚の導体層の、一方は外部磁場により容易に
磁化方向の変わる強磁性体層、もう一方は磁化方向が動
き難いか、あるいは固定された強磁性体層からなるもの
であるが、ここで絶縁体層の性能はきわめて重要であ
る。絶縁体層はまず実用可能なトンネル電流を得る必要
があり、またトンネル電流が得られたとしても、電気抵
抗値が高ければ適用周波数に制限を受けるので、抵抗値
はできるだけ低くする必要がある。そのためには、絶縁
体層の厚さはできるだけ薄くなければならない。しか
し、薄くなるとわずかな不均質や欠陥などにより短絡を
生じ、短絡すると素子としては使用できなくなる。The structure of a magnetoresistance effect element (tunneling element) using a ferromagnetic tunnel junction is such that one of two conductor layers sandwiching a thin non-magnetic insulator layer has a ferromagnetic material whose magnetization direction changes easily by an external magnetic field. The other layer is composed of a ferromagnetic layer whose magnetization direction is hard to move or is fixed, but the performance of the insulator layer is extremely important here. The insulator layer must first obtain a practicable tunnel current, and even if a tunnel current is obtained, the applied frequency is limited if the electric resistance is high, so the resistance must be as low as possible. For that purpose, the thickness of the insulator layer must be as small as possible. However, when the thickness is reduced, short-circuit occurs due to slight inhomogeneity or defect, and when short-circuited, the device cannot be used as an element.
【0006】このトンネリング素子の絶縁層厚さは、当
初10nm程度であった。たとえば、特開平4-103014号公報
に開示された発明では、2つの厚さ100nmのFe−1.0原
子%C強磁性体層の間に、10nmのAl2O3の層を挟み、
一方の強磁性体層の磁化方向をFe−Mnの反強磁性体
層で固定した構造とし、各層をイオンビームスパッタリ
ング装置にて成膜している。また、特開平6-244477号公
報には、絶縁層として15nmのアルミニウム膜を蒸着し空
気中に放置して表面を酸化させた膜を用いる発明が提示
されている。これらの強磁性トンネル接合のMR比は、
1%程度と大きくなく、その上抵抗値の高いものであっ
た。膜厚を薄くすれば抵抗値を低下できるが、短絡によ
る不良を生じやすく、安定した素子の製造は容易でなか
った。[0006] The thickness of the insulating layer of this tunneling element was initially about 10 nm. For example, in the invention disclosed in JP-A-4-103014, a 10-nm layer of Al 2 O 3 is sandwiched between two 100-nm-thick Fe-1.0 atomic% C ferromagnetic layers.
One of the ferromagnetic layers has a structure in which the magnetization direction is fixed by an Fe-Mn antiferromagnetic layer, and each layer is formed by an ion beam sputtering apparatus. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-244477 discloses an invention in which a 15-nm aluminum film is deposited as an insulating layer and the surface is oxidized by being left in the air. The MR ratio of these ferromagnetic tunnel junctions is
It was not as large as about 1%, and had a high resistance value. If the film thickness is reduced, the resistance value can be reduced, but a defect due to a short circuit is liable to occur, and it is not easy to manufacture a stable element.
【0007】しかしながらその後、接合技術が改善さ
れ、絶縁層厚さを1〜2nmとして10%を超えるMR比が実
現されるようになってきた。この場合、きわめて薄い絶
縁層を安定して得るため、たとえば、特開平9-198622号
公報に開示された発明のように、Fe2O3を含む層の上
に1nm程度のアルミニウムの層を成膜し、さらにその上
に複数の層を形成させた後、真空中で加熱するというも
のもある。そうするとFe2O3がFe3O4に還元される
とともに、アルミニウムが酸化されAl2O3になる。し
かし多くの場合、強磁性体層の上に1〜2nmの厚さの金属
アルミニウムの膜をスパッタ法などで成膜した後、大気
中放置による自然酸化で酸化物にして絶縁膜とし、その
上に強磁性体層を成膜するという方法が採用される。こ
れは大気中の自然酸化により、ピンホールなどの欠陥の
少ない緻密な酸化膜が形成できると考えられるからであ
る。However, since then, bonding techniques have been improved, and an MR ratio exceeding 10% has been realized with an insulating layer thickness of 1 to 2 nm. In this case, in order to stably obtain an extremely thin insulating layer, for example, as in the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-198622, an aluminum layer of about 1 nm is formed on a layer containing Fe 2 O 3. There is a method in which a film is formed, and a plurality of layers are formed thereon, and then heated in a vacuum. Then, Fe 2 O 3 is reduced to Fe 3 O 4 and aluminum is oxidized to Al 2 O 3 . However, in many cases, a 1-2 nm thick metal aluminum film is formed on the ferromagnetic layer by a sputtering method or the like, and then is oxidized by natural oxidation by leaving it in the air to form an insulating film. A method of forming a ferromagnetic layer on the substrate is adopted. This is because it is considered that a dense oxide film with few defects such as pinholes can be formed by natural oxidation in the atmosphere.
【0008】この自然酸化の方法は、酸化時間が短けれ
ば得られた素子の性能が使用中変化したり短絡するなど
不安定であり、安定したものを得ようとすれば数百時間
以上の酸化時間を必要とし、その上得られる接合はMR
比のばらつきが大きい。長時間の酸化は生産性が悪く、
また単なる室温放置では温度、湿度、雰囲気など管理が
不十分になりがちで、これがばらつきの原因になるとも
考えられることから、アルミニウムの成膜後、酸素雰囲
気中でのプラズマ放電による酸化が試みられている(日
本応用磁気学会誌:Vol.22(1998),No.4-2,p.557、また
は日本金属学会会報:Vol.37(1998),No.9,p.736)。そ
れによると、大気中の長時間自然酸化と同等のトンネル
効果接合が、60秒程度の酸化処理で得られ、トンネリン
グ素子の形成ままの状態でMR比が最大16%、適当な熱
処理を施せば24%ものMR比が得られるとしている。し
かしながら、得られた接合のMR比のばらつきの大きさ
は、自然酸化の場合と同程度であるという。In this natural oxidation method, if the oxidation time is short, the performance of the obtained device is unstable such as a change during use or a short circuit, and if a stable one is to be obtained, the oxidation takes several hundred hours or more. Time consuming, and the resulting junction is MR
The ratio variation is large. Prolonged oxidation has poor productivity,
Also, mere exposure to room temperature tends to result in inadequate control of temperature, humidity, atmosphere, etc., which may cause variations.Therefore, after aluminum deposition, oxidation by plasma discharge in an oxygen atmosphere has been attempted. (Journal of the Japan Society of Applied Magnetics: Vol. 22 (1998), No. 4-2, p. 557, or Bulletin of the Japan Institute of Metals: Vol. 37 (1998), No. 9, p. 736). According to this, a tunnel effect junction equivalent to long-time natural oxidation in the atmosphere can be obtained by oxidation treatment for about 60 seconds, and an MR ratio of up to 16% with the tunneling element formed as it is, if appropriate heat treatment is applied. It is stated that an MR ratio as high as 24% can be obtained. However, it is said that the magnitude of the variation in the MR ratio of the obtained junction is almost the same as that in the case of natural oxidation.
【0009】以上のように、トンネリング素子は、高い
MR比の得られる可能性のあることから、低抵抗化など
より一層の性能の向上と、安定した性能の確保、あるい
は歩留まりよく製造できることが強く要望されている。
しかしながら現状では、これらの問題に対し、実用化に
十分なレベルにまで対処できているとは言い難い。As described above, since the tunneling element has a possibility of obtaining a high MR ratio, it is strongly required that the performance is further improved, such as lowering the resistance, that the stable performance is ensured, or that the tunnel element can be manufactured with a high yield. Requested.
However, at present, it cannot be said that these problems have been addressed to a level sufficient for practical use.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、強磁
性トンネル接合を用いた磁気抵抗素子、すなわちトンネ
リング素子において、従来長時間を要した絶縁層の形成
を短時間でおこなうことができ、しかも性能の安定性の
よい高いMR比を有する素子が製造できる方法を提供す
ることにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive element using a ferromagnetic tunnel junction, that is, a tunneling element, in which an insulating layer, which has conventionally required a long time, can be formed in a short time. Moreover, it is an object of the present invention to provide a method capable of manufacturing an element having a high MR ratio with good performance stability.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】トンネリング素子を実用
化するに際しての最大の問題は、製造した素子の特性に
ばらつきが大きく、安定して高性能のものが得難いこと
にある。トンネル効果を得るための絶縁体層は、多くは
Al2O3(アルミナ)の膜を用いており、その望ましい
厚さは1〜2nm程度で極めて薄い。この絶縁体膜の形成
は、通常、金属アルミニウムを成膜した後、酸化させ、
アルミナの膜とする方法が採用される。The biggest problem in putting a tunneling element into practical use is that the characteristics of the manufactured element vary greatly and it is difficult to obtain a stable and high-performance element. Most of the insulator layer for obtaining the tunnel effect uses an Al 2 O 3 (alumina) film, and its desirable thickness is as small as about 1 to 2 nm. The formation of this insulator film is generally performed by oxidizing metal aluminum after forming it.
A method of forming an alumina film is employed.
【0012】本発明者らは、トンネリング素子の特性ば
らつきの最大の原因がこの膜の品質の不安定性にあると
考え、膜の製造条件の影響について種々検討をおこなっ
た。膜の厚さは上記のように極めて薄いため、均一で健
全な層とするのは容易でなく、膜厚の変動、ピンホール
等のわずかな欠陥による短絡、膜形成の素地の凹凸など
による不均一性などにより、トンネル効果の障壁として
のポテンシャルが安定しない、と推定される。そこで基
板上に第一の磁性層を成膜しその上に薄いアルミニウム
層を形成させ、温度、酸素濃度、時間等の酸化条件を変
えたり、酸素プラズマを用いアルミニウムを酸化させた
りして絶縁体層を形成させ、素子を作製してその性能を
調査した。しかしながら、個々の製品毎の接合部の抵抗
値のばらつきや、MR比のばらつきが大きく、さらには
短絡などにより、安定して特定品質の素子を得るのは困
難であった。The present inventors considered that the greatest cause of the characteristic variation of the tunneling element was the instability of the quality of the film, and made various studies on the influence of the film manufacturing conditions. Since the thickness of the film is extremely thin as described above, it is not easy to form a uniform and sound layer, and it is difficult to form a film due to variations in film thickness, short-circuits due to slight defects such as pinholes, and irregularities in the film formation substrate. It is presumed that the potential as a barrier to the tunnel effect is not stable due to uniformity and the like. Therefore, a first magnetic layer is formed on a substrate, a thin aluminum layer is formed on the first magnetic layer, and oxidation conditions such as temperature, oxygen concentration, and time are changed, or aluminum is oxidized using oxygen plasma to form an insulator. A layer was formed, a device was fabricated, and its performance was examined. However, it has been difficult to stably obtain a device of a specific quality due to a large variation in the resistance value of the junction and a large variation in the MR ratio of each product, and also due to a short circuit or the like.
【0013】これらの調査の中で、より高いMR比を相
対的に安定して得るという目的に好ましいと思われた条
件は、(a)酸化前のアルミニウム層を蒸着により形成さ
せること、(b)酸化は、自然酸化よりもプラズマ酸化と
すること、(c)アルミニウム層を成膜する第一の磁性層
は、スパッタ法とすること、等であった。そこで、これ
らの方法の組み合わせ、およびそれらの最適条件につい
ての検討をさらに進め、本発明に至ったのである。すな
わち、本発明の要旨は、(1)第一の強磁性体層、絶縁体
層、および第二の強磁性体層からなる絶縁体層接合部の
トンネル効果を利用する磁気抵抗効果素子の製造方法で
あって、絶縁体層として、蒸着によりアルミニウム層を
形成させ、これを酸素を含む雰囲気中でプラズマにより
酸化させることを特徴とする強磁性トンネル接合磁気抵
抗効果素子の製造方法、(2)第一の強磁性体層を、スパ
ッタ法にて形成することを特徴とする、上記(1)の強磁
性トンネル接合磁気抵抗効果素子の製造方法、である。
アルミニウム層の成膜は、膜の密着性や均一性の点か
ら、通常はスパッタ法が多く用いられる。これに対し、
蒸着による成膜の方が、より安定した性能のトンネリン
グ素子が得られることがわかった。In these investigations, the conditions which seemed to be preferable for the purpose of obtaining a higher MR ratio relatively stably were (a) forming an aluminum layer before oxidation by vapor deposition, (b) The oxidation was plasma oxidation rather than natural oxidation, and (c) the first magnetic layer for forming the aluminum layer was formed by sputtering. Therefore, the inventors further studied the combination of these methods and the optimum conditions thereof, and reached the present invention. That is, the gist of the present invention is to (1) manufacture a magnetoresistive element using a tunnel effect of an insulator layer junction composed of a first ferromagnetic layer, an insulator layer, and a second ferromagnetic layer. A method for producing a ferromagnetic tunnel junction magnetoresistive element, wherein an aluminum layer is formed by vapor deposition as an insulator layer, and this is oxidized by plasma in an atmosphere containing oxygen (2). The method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction magnetoresistance effect element according to the above (1), wherein the first ferromagnetic layer is formed by a sputtering method.
For the formation of the aluminum layer, a sputtering method is usually used in many cases in view of the adhesion and uniformity of the film. In contrast,
It was found that a film formed by vapor deposition can provide a tunneling element having more stable performance.
【0014】スパッタ法では、成膜される際に粒子が高
いエネルギーで被成膜面に衝突し堆積する。このため、
被成膜面において、衝突粒子の再配列がおこり、平坦か
つ均一な層を得ることができる。しかし一方では、粒子
のエネルギーが大きいためこれが被成膜面を叩き、その
面を荒らす効果もあると推測され、また、プロセスガス
粒子を巻き込むことにより、初期のきわめて薄い膜の間
は欠陥の多い状態にあることも考えられる。膜厚が厚く
なると、面の荒れは膜の密着性を向上させ、さらにその
後に堆積するアルミニウム粒子は初期の欠陥を排除して
いき、膜面均一化により、すぐれた被膜が形成される。
しかし、トンネリング素子にて要求される薄い絶縁膜の
場合、被成膜面を荒らした効果やガス粒子の巻き込みに
よる欠陥が、酸化前のアルミニウム層に影響し、これが
絶縁層の不安定性の原因になるのではないかと思われ
る。In the sputtering method, when a film is formed, particles collide with a surface to be formed with high energy and are deposited. For this reason,
Rearrangement of the colliding particles occurs on the deposition surface, and a flat and uniform layer can be obtained. However, on the other hand, it is speculated that this has the effect of hitting the surface on which the film is to be formed because the energy of the particles is large, and that the surface is roughened. It is also conceivable that it is in a state. As the film thickness increases, the surface roughness improves the adhesion of the film, and aluminum particles deposited thereafter eliminate initial defects, and an excellent film is formed by uniformizing the film surface.
However, in the case of a thin insulating film required for a tunneling element, the effect of roughening the surface on which the film is formed and defects due to entrainment of gas particles affect the aluminum layer before oxidation, which causes instability of the insulating layer. I think it will be.
【0015】蒸着の場合、堆積はほとんど粒子の熱エネ
ルギーだけであり、被成膜面を荒らすことはきわめて少
なく、ガス粒子の巻き込みもない。ただし、成膜面での
蒸着粒子の再配列等は起こり難く、均一性に劣る難点が
ある。しかしながら、超高真空中の電子ビーム加熱蒸着
などのように、真空度を高めてガス粒子の巻き込みを抑
え、蒸着粒子のエネルギーをそろえるなどの方法によっ
て、均一性を大きく改善させることができる。[0015] In the case of vapor deposition, the deposition is almost solely thermal energy of the particles, so that the surface on which the film is to be formed is rarely roughened and gas particles are not involved. However, rearrangement and the like of the deposited particles hardly occur on the film formation surface, and there is a problem that the uniformity is poor. However, the uniformity can be greatly improved by a method such as increasing the degree of vacuum to suppress the entrapment of gas particles and uniforming the energy of the vapor-deposited particles, such as electron beam heating vapor deposition in an ultra-high vacuum.
【0016】アルミニウム層を成膜後、酸化させて絶縁
層とするが、その場合、自然酸化で長時間かける場合
と、酸素を含む雰囲気中にて短時間でプラズマ酸化させ
た場合とを比較した結果、特に蒸着法でアルミニウム層
を形成させた場合、短時間のプラズマ酸化の方がばらつ
きが小さいことがわかった。長時間の自然酸化では、不
純物混入の機会が増し、雰囲気や温度などのわずかな変
動が長時間にわたる累積効果として影響することが予想
されるが、プラズマ酸化では高純ガス中にて短時間で済
むため、条件を管理しやすいこともある。しかし、スパ
ッタ法にて成膜したアルミニウムを酸化させた場合、長
時間の自然酸化と短時間のプラズマ酸化とでは、得られ
た素子の性能にそれほど差がないのに対し、蒸着法で成
膜したアルミニウムを酸化させた場合、この二つの酸化
法で、ばらつきに大きな差が現れるのは、緻密さにやや
欠けると推測される蒸着膜の方が、プラズマ酸化による
急速な酸化では、膜に生じやすい欠陥を軽減するからで
はないかと考えられるが明らかではない。After the aluminum layer is formed, it is oxidized to form an insulating layer. In this case, a case where natural oxidation is performed for a long time and a case where plasma oxidation is performed in a short time in an atmosphere containing oxygen are compared. As a result, it has been found that, particularly when the aluminum layer is formed by the vapor deposition method, the variation is smaller in the short-time plasma oxidation. In long-term natural oxidation, the chance of impurity contamination increases, and slight fluctuations in atmosphere and temperature are expected to have a cumulative effect over a long period of time. In some cases, conditions can be easily managed. However, when aluminum formed by the sputtering method is oxidized, there is not much difference in the performance of the obtained element between the long-time natural oxidation and the short-time plasma oxidation. When aluminum is oxidized, there is a large difference in the dispersion between the two oxidation methods. The reason why the vapor deposition film, which is presumed to be a little lacking in density, is formed in the film by rapid oxidation by plasma oxidation. It is thought that this is because it is likely to reduce the easy defects, but it is not clear.
【0017】上記のように、酸化前のアルミニウムの成
膜方法により、酸化後の絶縁膜の特性ばらつきなど安定
性に差があることから、さらにアルミニウムの被蒸着面
となる第一の磁性層の成膜方法について、蒸着法とスパ
ッタ法とを比較した。その結果、スパッタ法の方が明ら
かにすぐれていることがわかった。これはアルミニウム
層の場合とは異なり、成膜される層の厚さが十分大きい
ので、蒸着粒子のエネルギーの大きいことによる、表面
に達してからの移動距離が大きいスパッタ法の方が、よ
り平滑な面が得られるためと推定される。すなわち、よ
り平滑なスパッタ法による面の上に、表面を荒らすこと
の少ない蒸着法での均一なアルミニウム層が成膜され、
これが短時間の急速酸化により、健全な酸化膜が得ら
れ、ばらつきの少ないすぐれた絶縁層をもたらしたもの
と思われる。As described above, there is a difference in stability such as a variation in characteristics of an insulating film after oxidation depending on a method of forming an aluminum film before oxidation. Regarding the film forming method, the vapor deposition method and the sputtering method were compared. As a result, it was found that the sputtering method was clearly superior. This is different from the case of the aluminum layer, where the thickness of the layer to be formed is sufficiently large, so that the sputtering method in which the moving distance from the surface is large due to the large energy of the deposited particles is smoother. It is presumed that a simple surface is obtained. That is, a uniform aluminum layer is formed on the surface by the smoother sputtering method by the evaporation method with less roughening of the surface,
This is considered to result in a sound oxide film obtained by rapid oxidation in a short time and an excellent insulating layer with little variation.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】本発明のトンネリング素子の製造
方法には、通常用いられる蒸着法やスパッタ法などの薄
膜形成方法がそのまま適用できる。また、主要構成要素
が第一の強磁性体層、絶縁体層、および第二の強磁性体
層からなる3層構造であっても、第一または第二の強磁
性体層の外側に反強磁性体層が隣接したスピンバルブ素
子のような構造であってもよい。さらに、基板と第一の
強磁性体層との間にシールドなどのような何らかの機能
を果たす層が積層された構造となっていてもよい。第一
の強磁性体層と第二の強磁性体層との材質は、特に限定
するものではなく、強磁性トンネル接合による磁気抵抗
効果の得られるものであればよい。いずれにしても、絶
縁体層の形成方法として蒸着法にて金属アルミニウムを
成膜し、これをプラズマ酸化させるものとする。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As a method of manufacturing a tunneling element of the present invention, a thin film forming method such as a vapor deposition method or a sputtering method which is generally used can be applied as it is. Further, even if the main constituent element has a three-layer structure including the first ferromagnetic layer, the insulator layer, and the second ferromagnetic layer, the main component may be positioned outside the first or second ferromagnetic layer. The structure may be like a spin valve element in which the ferromagnetic layers are adjacent to each other. Furthermore, a structure in which a layer that performs some function such as a shield or the like may be stacked between the substrate and the first ferromagnetic layer. The materials of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are not particularly limited, and may be any as long as a magnetoresistance effect by a ferromagnetic tunnel junction can be obtained. In any case, as a method of forming the insulator layer, metal aluminum is formed by a vapor deposition method, and this is subjected to plasma oxidation.
【0019】絶縁体層の被成膜面となる第一の強磁性体
層の形成方法は、蒸着法よりはスパッタ法とすることが
望ましい。これは成膜時の粒子のエネルギーが大きいた
め、成膜後の表面の平滑性がよく、絶縁体層となるアル
ミニウムが均一に成膜され、得られたトンネリング素子
の特性が安定するからである。It is desirable that the first ferromagnetic layer, which is the surface on which the insulator layer is to be formed, be formed by sputtering rather than vapor deposition. This is because the energy of the particles at the time of film formation is large, the surface smoothness after film formation is good, aluminum as an insulator layer is uniformly formed, and the characteristics of the obtained tunneling element are stable. .
【0020】絶縁体層となるアルミニウムの成膜は蒸着
法とする。これはスパッタ法とすると、得られた素子の
電気抵抗値やMR比のばらつきが大きくなるからであ
る。蒸着法であればその方法は特には限定しないが、安
定した性能を得るには超高真空の電子ビーム蒸着方法が
望ましい。この酸化させて絶縁体層にするアルミニウム
層の厚さは、0.5〜2.0nmとするのがよい。これは0.5nm
以下になると絶縁層の短絡を生じやすく不安定になるか
らである。また2nmより厚くなると電気抵抗値の増大に
より、実用的なトンネリング素子が得られなくなる。The deposition of aluminum to be an insulator layer is performed by a vapor deposition method. This is because when the sputtering method is used, the variation in the electric resistance value and the MR ratio of the obtained element becomes large. The method is not particularly limited as long as it is a vapor deposition method, but an ultra-high vacuum electron beam vapor deposition method is desirable in order to obtain stable performance. The thickness of the aluminum layer that is oxidized into an insulator layer is preferably 0.5 to 2.0 nm. This is 0.5nm
This is because a short circuit of the insulating layer is apt to occur when the temperature is less than the above, and the insulating layer becomes unstable. If the thickness is more than 2 nm, a practical tunneling element cannot be obtained due to an increase in electric resistance.
【0021】蒸着したアルミニウムは酸化させ絶縁層と
するが、その酸化にはプラズマ酸化を用いる。これは自
然酸化に比較し、短時間で同程度にアルミニウムを酸化
させることが可能であり、絶縁膜の抵抗値も短時間でほ
ぼ同程度のものが得られるからである。さらに、とくに
蒸着したアルミニウム層に適用し絶縁膜とすると、安定
性にすぐれたMR比の大きいトンネリング素子を得るこ
とが可能になる。酸化は、0.1〜10Torrの酸素圧で安定
したプラズマの得られる条件であればよく、蒸着させた
アルミニウムがほぼ完全に酸化できればよい。The deposited aluminum is oxidized to form an insulating layer, and plasma oxidation is used for the oxidation. This is because aluminum can be oxidized to a similar degree in a short time as compared with natural oxidation, and a resistance value of an insulating film can be substantially the same in a short time. Further, when the insulating film is applied particularly to a vapor-deposited aluminum layer, it becomes possible to obtain a tunneling element having excellent stability and a high MR ratio. The oxidation may be performed under a condition that a stable plasma can be obtained at an oxygen pressure of 0.1 to 10 Torr, and it is sufficient that the deposited aluminum can be almost completely oxidized.
【0022】アルミニウムを酸化させて絶縁体層を形成
させた後の、第二の強磁性体層、さらには反強磁性体層
その他の成膜方法は、蒸着法、スパッタ法等いずれの方
法を用いてもよい。After the aluminum is oxidized to form an insulator layer, the second ferromagnetic layer, the antiferromagnetic layer, and other film forming methods may be any of vapor deposition, sputtering, and the like. May be used.
【0023】[0023]
【実施例】本発明の実施の形態を具体例にて説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments of the present invention will be described with reference to specific examples.
【0024】図1にその形状を模式的に示すが、ガラス
基板1上にメタルマスクを用い、第一の強磁性体のCo
90Fe10(添字は原子濃度%を示す)の層2、絶縁体層
3、第二の強磁性体のFeの層4の順に形成させて、十
字形のトンネリング素子を作製した。強磁性体層2,4
は、いずれも幅を0.3mm、厚さを20nmとした。絶縁体層
3は、金属アルミニウムを原料とし、下記のように
(1)蒸着法にて成膜し、酸素雰囲気中にてプラズマ酸
化させた場合と、比較のため(2)スパッタ法にて成膜
し、大気中にて24時間放置して自然酸化させた場合との
2種とし、いずれもアルミニウムの厚さとして1.0〜2.0
nmの範囲で変えた。接合部分の面積は0.09mm2(=0.3mm
×0.3mm)である。FIG. 1 schematically shows the shape of the first ferromagnetic material, Co on a glass substrate 1 using a metal mask.
A cross-shaped tunneling element was fabricated by sequentially forming a layer 2 of 90 Fe 10 (subscripts indicate atomic concentration%), an insulator layer 3 and a layer 4 of Fe of the second ferromagnetic material. Ferromagnetic layers 2, 4
Each had a width of 0.3 mm and a thickness of 20 nm. The insulator layer 3 is formed from metal aluminum as a raw material by the following method (1) formed by vapor deposition and plasma oxidized in an oxygen atmosphere, and (2) formed by sputtering for comparison. Film and left for 24 hours in the air to be naturally oxidized.
It was changed in the range of nm. The area of the joint is 0.09mm 2 (= 0.3mm
× 0.3 mm).
【0025】各層の成膜条件は、次の通りである。The conditions for forming each layer are as follows.
【0026】(1)絶縁層はアルミニウムを蒸着法にて
成膜しプラズマ酸化 ・第一強磁性体層 成膜装置:DCマグネトロンスパッタ装置 スパッタガス:アルゴン(ガス圧 1.5×10-3Torr) スパッタ電力:200W 印加磁場:40 エルステッド ・絶縁体層 アルミニウム成膜装置:真空電子ビーム蒸着装置 ビーム電圧:5 kV ビーム電流:160 mA 真空度:1×10-8Torr(蒸着時間を1〜4分の範囲で変
え、膜厚を変更) 酸化:プラズマアッシング装置 プラズマ電力:200 W 酸化時間:100秒 ・第二強磁性体層 成膜装置:真空電子ビーム蒸着装置 ビーム電圧:5 kV ビーム電流:45 mA 真空度:2×10-8Torr 印加磁場:100 エルステッド (2)絶縁層はアルミニウムをスパッタ法にて成膜し、
自然酸化 ・第一強磁性体層 (1)に同じ ・絶縁体層 アルミニウム成膜装置:DCマグネトロンスパッタ装置
(第一強磁性体層と同じ) スパッタガス:アルゴン(ガス圧 1.5×10-3Torr) スパッタ電力:200W 酸化:大気中放置、24時間 ・第二強磁性体層 (1)に同じ いずれの成膜後も、内部を十分冷却後、大気解放しメタ
ルマスクの交換をおこなった。また、成膜時の磁場の印
加は、いずれの強磁性体層の場合も、その長さ方向に対
し平行方向とした。作製した接合素子は、図1に示した
ように、直流4端子法で電気抵抗値、および500エルス
テッドの磁場変化におけるMR比を測定した。このとき
端子間の電圧は約0.5mVとなるよう、電流を調整した。(1) Insulating layer is formed by depositing aluminum by vapor deposition and plasma oxidation. First ferromagnetic layer Film forming apparatus: DC magnetron sputtering apparatus Sputter gas: Argon (gas pressure 1.5 × 10 −3 Torr) Sputtering Power: 200 W Applied magnetic field: 40 Oersted ・ Insulator layer Aluminum film deposition equipment: Vacuum electron beam evaporation equipment Beam voltage: 5 kV Beam current: 160 mA Vacuum degree: 1 × 10 -8 Torr (Evaporation time is 1-4 minutes) Oxidation: Plasma ashing device Plasma power: 200 W Oxidation time: 100 seconds ・ Second ferromagnetic layer Film formation device: Vacuum electron beam evaporation device Beam voltage: 5 kV Beam current: 45 mA Degree of vacuum: 2 × 10 −8 Torr Applied magnetic field: 100 Oersted (2) The insulating layer was formed by sputtering aluminum.
Spontaneous oxidation ・ Same as the first ferromagnetic layer (1) ・ Insulator layer Aluminum film forming device: DC magnetron sputtering device (same as the first ferromagnetic material layer) Sputter gas: Argon (gas pressure 1.5 × 10 -3 Torr) ) Sputtering power: 200 W Oxidation: Leaving in the air for 24 hours ・ Same for the second ferromagnetic layer (1) After any film formation, the inside was sufficiently cooled, then released to the atmosphere, and the metal mask was replaced. The application of the magnetic field during the film formation was performed in a direction parallel to the length direction of each of the ferromagnetic layers. As shown in FIG. 1, the electrical resistance value and the MR ratio of the fabricated junction device at a magnetic field change of 500 Oe were measured by a DC four-terminal method. At this time, the current was adjusted so that the voltage between the terminals was about 0.5 mV.
【0027】図2または図3に、上記(1)の方法の場
合の、アルミニウムの厚さに対する電気抵抗値またはM
R比の測定結果を示す。また、比較のためおこなった上
記(2)の方法の場合についても、(1)と同様に測定
した結果を、図4または図5にそれぞれ示す。FIG. 2 or FIG. 3 shows the electric resistance value or M with respect to the thickness of aluminum in the case of the above method (1).
The measurement result of R ratio is shown. Also, in the case of the method (2) performed for comparison, the measurement results in the same manner as in (1) are shown in FIGS. 4 and 5, respectively.
【0028】図2と図4との比較から明らかなように、
本発明のアルミニウムを蒸着しプラズマ酸化させて形成
させた絶縁層を用いたトンネリング素子は、アルミニウ
ム厚さの増加とともに電気抵抗が増加している傾向が明
らかに認められ、しかも同じ厚さのアルミニウム層に対
し、値のばらつきが少ないことがわかる。これに対しア
ルミニウムをスパッタ法にて成膜し自然酸化させた場合
はアルミニウム厚さに対する電気抵抗値変化の傾向が明
らかでなく、同じアルミニウム厚さでもそのばらつきが
大きい。As is clear from the comparison between FIG. 2 and FIG.
In the tunneling device using the insulating layer formed by vapor-depositing and plasma-oxidizing aluminum according to the present invention, the electrical resistance tends to increase as the aluminum thickness increases. In contrast, it can be seen that there is little variation in the values. On the other hand, when aluminum is formed by a sputtering method and spontaneously oxidized, the tendency of the change in the electric resistance value with respect to the aluminum thickness is not clear, and the variation is large even with the same aluminum thickness.
【0029】また図3と図5との比較から、本発明のア
ルミニウムを蒸着しプラズマ酸化させた場合、アルミニ
ウム厚さが1.1nm以上では、MR比が大きくしかも安定
して得られていることが明らかである。From the comparison between FIG. 3 and FIG. 5, when the aluminum of the present invention is vapor-deposited and plasma-oxidized, it is found that the MR ratio is large and stable when the aluminum thickness is 1.1 nm or more. it is obvious.
【0030】[0030]
【発明の効果】本発明を適用すれば、従来、特性不良が
多発するため、安定量産が困難であったトンネリング素
子に関し、良製品を歩留まりよく安定して製造すること
ができるようになる。これにより、高いMR比の期待で
きる磁気抵抗効果素子の実用化を大きく推進することが
できる。According to the present invention, a good product can be stably manufactured with a good yield with respect to a tunneling element which has been difficult to stably mass-produce due to the frequent occurrence of characteristic failures. This can greatly promote the practical use of a magnetoresistive element that can be expected to have a high MR ratio.
【図1】強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果素子の
構造およびその特性の測定方法を模式的に説明する図で
ある。FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a structure of a magnetoresistive element using a ferromagnetic tunnel junction and a method for measuring characteristics thereof.
【図2】アルミニウムを蒸着法にて成膜し、プラズマ酸
化させて絶縁層としたトンネリング素子の、アルミニウ
ムの膜厚と接合部の電気抵抗測定値との関係を示す図で
ある。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a film thickness of aluminum and a measured value of electric resistance of a junction in a tunneling element in which an insulating layer is formed by depositing aluminum by an evaporation method and performing plasma oxidation.
【図3】アルミニウムを蒸着法にて成膜し、プラズマ酸
化させて絶縁層としたトンネリング素子の、アルミニウ
ムの膜厚とMR比測定値との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of aluminum and the measured MR ratio of a tunneling element in which an insulating layer is formed by depositing aluminum by an evaporation method and performing plasma oxidation.
【図4】アルミニウムをスパッタ法にて成膜し、自然酸
化させて絶縁層としたトンネリング素子の、アルミニウ
ムの膜厚と接合部の電気抵抗測定値との関係を示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a film thickness of aluminum and a measured electric resistance of a junction in a tunneling element in which an insulating layer is formed by forming aluminum by sputtering and spontaneously oxidizing the film.
【図5】アルミニウムをスパッタ法にて成膜し、自然酸
化させて絶縁層としたトンネリング素子の、アルミニウ
ムの膜厚とMR比測定値との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the thickness of aluminum and the measured MR ratio of a tunneling element in which an insulating layer is formed by sputter-depositing aluminum and spontaneously oxidizing it.
1 ガラス基板 2 第一強磁性体層 3 絶縁体層 4 第二強磁性体層 5 電圧計 6 電流計 7 電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 First ferromagnetic layer 3 Insulator layer 4 Second ferromagnetic layer 5 Voltmeter 6 Ammeter 7 Power supply
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田ノ上 修二 兵庫県尼崎市扶桑町1番8号住友金属工業 株式会社エレクトロニクス技術研究所内 Fターム(参考) 5D034 BA03 BA15 DA07 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Shuji Tanoue 1-8 Fuso-cho, Amagasaki City, Hyogo Prefecture Sumitomo Metal Industries, Ltd. Electronics Technology Research Laboratory F-term (reference) 5D034 BA03 BA15 DA07
Claims (2)
の強磁性体層からなる絶縁体層接合部のトンネル効果を
利用する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、絶縁体
層として、蒸着によりアルミニウム層を形成させ、これ
を酸素を含む雰囲気中でプラズマにより酸化させること
を特徴とする強磁性トンネル接合磁気抵抗効果素子の製
造方法。1. A method of manufacturing a magnetoresistive element using a tunnel effect at a junction of an insulator layer comprising a first ferromagnetic layer, an insulator layer, and a second ferromagnetic layer, the method comprising: A method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction magnetoresistance effect element, comprising forming an aluminum layer as a body layer by vapor deposition, and oxidizing the aluminum layer by plasma in an atmosphere containing oxygen.
することを特徴とする請求項1に記載の強磁性トンネル
接合磁気抵抗効果素子の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein said first ferromagnetic layer is formed by a sputtering method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11087119A JP2000285415A (en) | 1999-03-29 | 1999-03-29 | Manufacture for ferromagnetic tunnel junction magnetoresistive element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2000285415A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7438768B2 (en) | 2001-12-28 | 2008-10-21 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Rare earth element sintered magnet and method for producing rare earth element sintered magnet |
-
1999
- 1999-03-29 JP JP11087119A patent/JP2000285415A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7438768B2 (en) | 2001-12-28 | 2008-10-21 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Rare earth element sintered magnet and method for producing rare earth element sintered magnet |
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