JP2001084532A - Manufacture of magnetoresistance effect element - Google Patents

Manufacture of magnetoresistance effect element

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JP2001084532A
JP2001084532A JP25620899A JP25620899A JP2001084532A JP 2001084532 A JP2001084532 A JP 2001084532A JP 25620899 A JP25620899 A JP 25620899A JP 25620899 A JP25620899 A JP 25620899A JP 2001084532 A JP2001084532 A JP 2001084532A
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layer
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dielectric
layers
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a method for manufacturing a magnetoresistance effect element capable of forming a ferromagnetic tunnel junction having a resistance value suitable for the size of a practical element in a high yield. SOLUTION: This method for manufacturing a magnetoresistance effect element includes a ferromagnetic single tunnel junction having a structure provided with a dielectric material layer 13 between two ferromagnetic layers 12 and 14 or a ferromagnetic double junction having a structure provided with dielectric layers 13 and 15, between each two layers of three ferromagnetic layers 12, 14 and 16. In this case, this method has a stage for forming a dielectric material film 13a and 15a on the ferromagnetic layers 12 and 14 and a stage for oxidizing or nitriding the dielectric material film by introducing gas containing oxygen or nitrogen or for oxidizing or nitriding 13b and 15b the ferromagnetic material film in plasma by a glow-discharge after introducing the gas.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は強磁性層/誘電体層
/強磁性層の積層構造を含むトンネル接合型の磁気抵抗
効果素子の製造方法に関し、特に高密度磁気ディスク装
置の再生用磁気ヘッド、磁気記録素子(磁気抵抗効果メ
モリー、MRAM)、磁界センサーに応用される磁気抵
抗効果素子の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a tunnel junction type magnetoresistive element having a laminated structure of ferromagnetic layer / dielectric layer / ferromagnetic layer, and more particularly to a reproducing magnetic head for a high density magnetic disk drive. The present invention relates to a method for manufacturing a magnetoresistive element applied to a magnetic recording element (magnetoresistive memory, MRAM) and a magnetic field sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁気抵抗効果は強磁性体に磁場を印加す
ると電気抵抗が変化する現象である。この効果を利用し
た磁気抵抗効果素子(MR素子)は、温度安定性に優
れ、使用温度範囲が広いという特徴があるため、磁気ヘ
ッドや磁気センサーなどに用いられ、最近では磁気記録
素子(磁気抵抗効果メモリー、MRAM)などにも用い
られるようになってきている。これらの磁気抵抗効果素
子は、外部磁界に対する感度が大きいこと、および応答
スピードが速いことが要求される。
2. Description of the Related Art The magnetoresistance effect is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a ferromagnetic material. A magnetoresistive effect element (MR element) using this effect has excellent temperature stability and a wide operating temperature range. Therefore, it is used for a magnetic head or a magnetic sensor. Effect memory, MRAM) and the like. These magnetoresistive elements are required to have high sensitivity to an external magnetic field and a high response speed.

【0003】近年、2つの強磁性層の間に誘電体層を挿
入したサンドイッチ膜を有し、膜面に垂直に流れるトン
ネル電流を利用する磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性
トンネル接合素子(トンネル接合型磁気抵抗効果素子、
TMR)が見出されている。強磁性トンネル接合素子は
20%以上の磁気抵抗変化率を示す(J.Appl.P
hys.79,4724(1996))ため、磁気ヘッ
ドや磁気抵抗効果メモリーへの応用の可能性が高まって
きた。
In recent years, a magnetoresistance effect element having a sandwich film in which a dielectric layer is inserted between two ferromagnetic layers and utilizing a tunnel current flowing perpendicularly to the film surface, a so-called ferromagnetic tunnel junction element (tunnel junction) Type magnetoresistive element,
TMR) has been found. A ferromagnetic tunnel junction device exhibits a magnetoresistance ratio of 20% or more (J. Appl.
hys. 79, 4724 (1996)), the possibility of application to magnetic heads and magnetoresistive memories has been increasing.

【0004】この強磁性トンネル接合は、強磁性層上に
1.2〜2.0mm厚の薄いAl層を成膜した後、その
表面を酸素プラズマに曝すことによって、Al23から
なる誘電体層を形成する方法により作製されている。
In this ferromagnetic tunnel junction, a thin Al layer having a thickness of 1.2 to 2.0 mm is formed on a ferromagnetic layer, and the surface thereof is exposed to oxygen plasma to form a dielectric layer made of Al 2 O 3. It is manufactured by a method of forming a body layer.

【0005】しかし、この方法ではAlが極めて酸化さ
れやすく、その酸化時間が数秒〜数十秒と短いため、歩
留りやウエハー内分布などの点で問題が多い。この場
合、Alが酸化されずに残るとMR変化率が著しく低下
するという問題がある。また、強磁性トンネル接合素子
を磁気抵抗効果メモリ素子や磁気ヘッド等のデバイスに
適用するには、熱雑音の影響を低減するために実用素子
寸法で抵抗値がある程度低いことが必要である。しか
し、上記の方法では1.2nmより薄いAl層を酸化し
て薄い誘電体層を形成しないと実用的な低抵抗値が得ら
れないので、ウエハー内での抵抗値および磁気抵抗値の
ばらつきがさらに顕著になり、実用に供するだけの十分
な歩留りを得ることが難しいという問題がある。
However, in this method, Al is very easily oxidized, and the oxidation time is as short as several seconds to several tens of seconds. Therefore, there are many problems in yield, distribution in a wafer, and the like. In this case, there is a problem that if Al remains without being oxidized, the MR change rate is significantly reduced. Further, in order to apply a ferromagnetic tunnel junction device to a device such as a magnetoresistive memory device or a magnetic head, it is necessary that the resistance is small to some extent in practical device dimensions in order to reduce the influence of thermal noise. However, in the above method, a practical low resistance value cannot be obtained unless an Al layer thinner than 1.2 nm is oxidized to form a thin dielectric layer. Further, there is a problem that it is difficult to obtain a sufficient yield for practical use.

【0006】その他の製造方法の例として、特開平5−
63254、特開平6−244477、特開平8−70
148、特開平8−70149、特開平8−31654
8等に記載されている方法が知られている。これらの方
法は、強磁性層上にAlを成膜した後、大気中に曝して
AlをAl23に変換する方法である。この方法では、
大気中の粉塵により誘電体層にピンホールが生じたり、
誘電体層が炭素酸化物、窒素酸化物等の汚染を受けて歩
留りが低下する等の問題がある。
As an example of another manufacturing method, see Japanese Patent Application Laid-Open
63254, JP-A-6-244777, JP-A-8-70
148, JP-A-8-70149, JP-A-8-31654
8 and the like are known. In these methods, Al is formed on a ferromagnetic layer and then exposed to the air to convert Al to Al 2 O 3 . in this way,
Dust in the air causes pinholes in the dielectric layer,
There is a problem that the dielectric layer is contaminated with carbon oxides, nitrogen oxides and the like, and the yield is reduced.

【0007】その他の製造方法の例として、特開平11
−54814等に記載されている方法が知られている。
この方法は、強磁性層上にAlを成膜した後、チャンバ
ー内に純酸素を導入してAlをAl23を変換する方法
である。この方法では、ウエハー内での抵抗値および磁
気抵抗値のばらつきは小さくなるが、酸化に要する時間
が10〜20分と長くなる。また、抵抗値(RPA)が
数百Ωμm2と素子面積が1μm2程度のMRAM等を想
定した場合には小さすぎ、素子サイズに応じた幅広い範
囲の抵抗値を得ることが不可能であった。
As another example of the manufacturing method, see Japanese Patent Application Laid-Open
A method described in US Pat.
In this method, after Al is formed on the ferromagnetic layer, pure oxygen is introduced into the chamber to convert Al into Al 2 O 3 . According to this method, the dispersion of the resistance value and the magnetoresistance value within the wafer is reduced, but the time required for the oxidation is increased to 10 to 20 minutes. Further, when an MRAM or the like having a resistance value (RPA) of several hundred Ω μm 2 and an element area of about 1 μm 2 is assumed, it is too small to obtain a resistance value in a wide range according to the element size. .

【0008】また、誘電体中に分散した磁性粒子を介し
た強磁性一重トンネル接合または強磁性二重トンネル接
合が提案されている(Phys.Rev.B56(1
0),R5747(1997);応用磁気学会誌23,
4−2,(1999);Appl.Phys.Let
t.73(19),2829(1998))。これらの
強磁性トンネル接合素子においても、20%以上の磁気
抵抗変化率が得られるようになったことから磁気ヘッド
や磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性がある。これら
の提案においても、強磁性層上にAl23をダイレクト
スパッタするか、または強磁性層上にAlを成膜した後
に表面を酸素プラズマに曝すことによってAl23から
なる誘電体層を形成する方法が用いられている。したが
って、これらの方法でも、上述した場合と同様にウエハ
ー内での抵抗値および磁気抵抗値のばらつきにより、実
用に供するだけの十分な歩留りを得ることが難しいとい
う問題がある。
Further, a ferromagnetic single tunnel junction or a ferromagnetic double tunnel junction via magnetic particles dispersed in a dielectric has been proposed (Phys. Rev. B56 (1)
0), R5747 (1997);
4-2, (1999); Appl. Phys. Let
t. 73 (19), 2829 (1998)). Also in these ferromagnetic tunnel junction elements, a magnetoresistance change rate of 20% or more can be obtained, so that there is a possibility of application to a magnetic head or a magnetoresistance effect memory. In these proposals, the dielectric layer of Al 2 O 3 by exposing the surface to an oxygen plasma after forming the Al of Al 2 O 3 or a direct sputtering, or on the ferromagnetic layer on the ferromagnetic layer Is used. Therefore, even with these methods, there is a problem that it is difficult to obtain a sufficient yield for practical use due to the variation in the resistance value and the magnetoresistance value within the wafer as in the case described above.

【0009】以上のように、強磁性トンネル接合素子を
磁気抵抗効果メモリ、磁気ヘッド等のデバイスに適用す
るには、熱雑音の影響を低減するため実用素子寸法であ
る程度抵抗値が低く、実用寸法に適合する抵抗値を有す
る強磁性トンネル接合を歩留りよく形成する必要があ
る。しかし、従来のトンネル接合形成法ではその実現が
困難であった。
As described above, in order to apply a ferromagnetic tunnel junction device to a device such as a magnetoresistive effect memory or a magnetic head, the resistance value of the practical device is somewhat low in order to reduce the influence of thermal noise. It is necessary to form a ferromagnetic tunnel junction having a resistance value that meets the above requirements with good yield. However, it has been difficult to realize such a conventional tunnel junction forming method.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、実用
的な素子サイズに適合する抵抗値を有する強磁性トンネ
ル接合を歩留りよく形成できる磁気抵抗効果素子の製造
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 method of manufacturing a magnetoresistive element capable of forming a ferromagnetic tunnel junction having a resistance value suitable for a practical element size with a high yield.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗効果素
子の製造方法は、2層の強磁性層の間に誘電体層を設け
た構造を有する強磁性一重トンネル接合、または3層の
強磁性層の各層間に誘電体層を設けた構造を有する強磁
性二重トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を製造する
にあたり、強磁性層上に誘電体膜を形成する工程と、酸
素または窒素を含有するガスを導入して誘電体膜を酸化
または窒化するか、前記ガスを導入した後にグロー放電
させてプラズマ中で誘電体膜を酸化または窒化する工程
とを具備したことを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a magneto-resistance effect element, comprising: a ferromagnetic single tunnel junction having a structure in which a dielectric layer is provided between two ferromagnetic layers; In manufacturing a magnetoresistive element including a ferromagnetic double tunnel junction having a structure in which a dielectric layer is provided between each layer of a magnetic layer, a step of forming a dielectric film on the ferromagnetic layer and oxygen or nitrogen Introducing a gas contained therein to oxidize or nitride the dielectric film, or introducing the gas and then performing glow discharge to oxidize or nitride the dielectric film in plasma.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明の磁気抵抗効果素子は、2
層の強磁性層の間に誘電体層を設けた、強磁性層/誘電
体層/強磁性層という積層構造を有する強磁性一重トン
ネル接合、または3層の強磁性層の各層間に誘電体層を
設けた、強磁性層/誘電体層/強磁性層/誘電体層/強
磁性層という積層構造を有する強磁性二重トンネル接合
を含む。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A ferromagnetic single tunnel junction having a laminated structure of ferromagnetic layer / dielectric layer / ferromagnetic layer, in which a dielectric layer is provided between the ferromagnetic layers, or a dielectric between three ferromagnetic layers. It includes a ferromagnetic double tunnel junction having a layered structure of ferromagnetic layer / dielectric layer / ferromagnetic layer / dielectric layer / ferromagnetic layer.

【0013】強磁性層の材料としては、Fe、Co、N
iまたはこれらの元素を含む合金が用いられる。強磁性
層には、強磁性が損なわれないかぎり、Ag、Cu、A
u、Al、Mg、S、Bi、Ta、B、C、O、N、S
i、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nbなどの非
磁性元素が多少含まれていても構わない。強磁性層は、
反転磁場を調整するため、ソフト磁性層とハード磁性層
とからなる二層膜(または多層膜)にしても構わない。
The material of the ferromagnetic layer is Fe, Co, N
i or an alloy containing these elements is used. As long as the ferromagnetism is not impaired, Ag, Cu, A
u, Al, Mg, S, Bi, Ta, B, C, O, N, S
Some non-magnetic elements such as i, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo, and Nb may be contained. The ferromagnetic layer is
In order to adjust the switching magnetic field, a two-layer film (or a multilayer film) including a soft magnetic layer and a hard magnetic layer may be used.

【0014】誘電体層の材料としては、Al、Si、M
g、希土類元素またはこれらの元素を含む合金の酸化物
または窒化物が用いられる。
As the material of the dielectric layer, Al, Si, M
g, a rare earth element or an oxide or nitride of an alloy containing these elements is used.

【0015】本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効
果型磁気ヘッド、磁気記録素子、磁界センサー等に適用
することができる。この場合、強磁性層に一軸異方性が
付与されていることが好ましい。また、強磁性一重トン
ネル接合の場合には2層の強磁性層のうち一方をピン層
として設計することが好ましく、強磁性二重トンネル接
合の場合は3層の強磁性体のうち2層をピン層として設
計することが好ましい。
The magnetoresistive element of the present invention can be applied to a magnetoresistive magnetic head, a magnetic recording element, a magnetic field sensor and the like. In this case, it is preferable that the ferromagnetic layer has uniaxial anisotropy. In the case of a ferromagnetic single tunnel junction, it is preferable to design one of the two ferromagnetic layers as a pinned layer. In the case of a ferromagnetic double tunnel junction, two of the three ferromagnetic layers are formed. It is preferable to design as a pin layer.

【0016】強磁性二重トンネル接合は、誘電体層が2
層あるため、バイアス依存性に優れた素子を作製できる
ほか、抵抗値が平均され、より歩留りが向上する。ま
た、中間の強磁性体として強磁性体と誘電体との混合層
を用いれば、さらに歩留りが向上する。
A ferromagnetic double tunnel junction has two dielectric layers.
Because of the layers, an element having excellent bias dependency can be manufactured, and the resistance value is averaged, thereby further improving the yield. If a mixed layer of a ferromagnetic material and a dielectric material is used as an intermediate ferromagnetic material, the yield is further improved.

【0017】強磁性二重トンネル接合の中間の強磁性層
をハード層として設計する場合には、2層の誘電体層で
挟まれた強磁性層または強磁性体と誘電体との混合層を
構成する強磁性体として、CoまたはFe−Co合金に
Pt、Pd、Crなどの元素を添加した合金を用いるこ
とが好ましい。
When the intermediate ferromagnetic layer of the ferromagnetic double tunnel junction is designed as a hard layer, a ferromagnetic layer sandwiched between two dielectric layers or a mixed layer of a ferromagnetic material and a dielectric material is used. It is preferable to use an alloy in which an element such as Pt, Pd, or Cr is added to a Co or Fe—Co alloy as the ferromagnetic material to be included.

【0018】強磁性層のピン止めしたい場合、強磁性層
に接して反強磁性層を設けて、交換バイアス磁界を発生
させてもよい。反強磁性層の材料としては、FeMn、
PtMn、PtCrMn、NiMn、IrMn、Ni
O、Fe23などが用いられる。
When it is desired to pin the ferromagnetic layer, an anti-ferromagnetic layer may be provided in contact with the ferromagnetic layer to generate an exchange bias magnetic field. Examples of the material of the antiferromagnetic layer include FeMn,
PtMn, PtCrMn, NiMn, IrMn, Ni
O, Fe 2 O 3 or the like is used.

【0019】本発明において、強磁性一重トンネル接合
または強磁性二重トンネル接合を構成する積層体は、基
板上に下地層を介して設けてもよく、また積層体の上部
には保護層を設けてもよい。これらの下地層および保護
層の材料としては、Ta、Ti、Pt、Pd、Au、T
i/Pt、Ta/Pt、Ti/Pd、Ta/Pdなどを
用いることが好ましい。
In the present invention, the laminated body constituting the ferromagnetic single tunnel junction or the ferromagnetic double tunnel junction may be provided on a substrate via an underlayer, and a protective layer may be provided on the laminated body. You may. Materials for these underlayers and protective layers include Ta, Ti, Pt, Pd, Au, T
It is preferable to use i / Pt, Ta / Pt, Ti / Pd, Ta / Pd, or the like.

【0020】本発明の磁気抵抗効果素子に含まれる強磁
性トンネル接合を構成する各層は、各種スパッタ法、蒸
着法、MBE法などで形成される。以下においては、ス
パッタ法を用い、誘電体層としてAl23を形成する場
合について説明する。
Each layer constituting the ferromagnetic tunnel junction included in the magnetoresistive element of the present invention is formed by various sputtering methods, vapor deposition methods, MBE methods and the like. Hereinafter, a case where Al 2 O 3 is formed as a dielectric layer by using a sputtering method will be described.

【0021】本発明の強磁性一重トンネル接合を含む磁
気抵抗効果素子の製造方法の一例を図1(a)〜(c)
を参照して説明する。図1(a)〜(c)は、スパッタ
装置を用いて、基板11上に第1の強磁性層12、誘電
体層(トンネルバリア層)13および第2の強磁性層1
4を連続的に成膜する例を示している。
FIGS. 1A to 1C show an example of a method for manufacturing a magnetoresistive element including a ferromagnetic single tunnel junction according to the present invention.
This will be described with reference to FIG. FIGS. 1A to 1C show a first ferromagnetic layer 12, a dielectric layer (tunnel barrier layer) 13, and a second ferromagnetic layer 1 on a substrate 11 using a sputtering apparatus.
4 shows an example of continuously forming a film.

【0022】基板11をスパッタ装置に入れ、初期真空
度を1×10-6Torr以下に設定する。初期真空度
は、5×10-7Torr以下、さらに1×10-7Tor
r以下に設定することがより好ましい。その後、Arな
どの不活性ガスを導入して所定の圧力に設定する。ま
ず、強磁性体ターゲットをスパッタして基板11上に第
1の強磁性層12を形成する。次に、Al23ターゲッ
トをスパッタする。上記のような真空度の条件では、A
23ターゲットをスパッタすることにより、酸素欠損
のあるAl2x層13aが形成される(図1(a))。
The substrate 11 is placed in a sputtering apparatus, and the initial degree of vacuum is set to 1 × 10 −6 Torr or less. The initial vacuum degree is 5 × 10 −7 Torr or less, and further 1 × 10 −7 Torr.
It is more preferable to set r or less. Thereafter, an inert gas such as Ar is introduced to set a predetermined pressure. First, a first ferromagnetic layer 12 is formed on a substrate 11 by sputtering a ferromagnetic target. Next, an Al 2 O 3 target is sputtered. Under the condition of the degree of vacuum as described above, A
By sputtering the l 2 O 3 target, an Al 2 O x layer 13a having oxygen deficiency is formed (FIG. 1A).

【0023】次いで、真空を破ることなく、スパッタ装
置内に酸素または酸素と希ガスとの混合ガスを導入し、
Al2x層13aを酸素ガス(O2圧:10mTorr
以上)またはグロー放電により発生する酸素プラズマ
(O2圧:1mTorr以上)に曝してAl2xを酸化
して酸素欠損のない化学量論組成のAl23層13bに
変換する。このようにして誘電体層13を形成する(図
1(b))。この際、Al2xが多少残ってもよいし、
Al2xを完全に酸化してもよい。Al2xが完全に酸
化されず残っても、従来技術でAlが残った場合のよう
にMR変化率を低減させることはなく、抵抗値も小さ
い。また、Al2xを酸化してAl23に変換する場
合、従来の方法のようにAlを直接酸化する場合に比べ
て酸化時間が長くかかるため、ごく薄いAl23を制御
性よく作製できる。
Next, oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is introduced into the sputtering apparatus without breaking the vacuum,
The Al 2 O x layer 13a is formed with oxygen gas (O 2 pressure: 10 mTorr).
Above) or by exposure to oxygen plasma (O 2 pressure: 1 mTorr or more) generated by glow discharge, the Al 2 O x is oxidized to be converted into an Al 2 O 3 layer 13b having a stoichiometric composition without oxygen deficiency. Thus, the dielectric layer 13 is formed (FIG. 1B). At this time, some Al 2 O x may remain,
Al 2 O x may be completely oxidized. Even if Al 2 O x is not completely oxidized and remains, the MR change rate is not reduced unlike the case where Al remains in the conventional technique, and the resistance value is small. Moreover, when converting the Al 2 O x is oxidized Al 2 O 3, it takes longer oxidation time compared to the case of direct oxidation of Al as in the conventional method, controllability of the very thin Al 2 O 3 Can be manufactured well.

【0024】次いで、酸素を排気した後、強磁性体ター
ゲットをスパッタして第2の強磁性層14を形成する
(図1(c))。このようにして、強磁性一重トンネル
接合素子を含む磁気抵抗効果素子の基本構造を形成でき
る。
Next, after exhausting oxygen, a ferromagnetic target is sputtered to form a second ferromagnetic layer 14 (FIG. 1C). In this manner, the basic structure of the magnetoresistive element including the ferromagnetic single tunnel junction element can be formed.

【0025】なお、第2の強磁性層14をピン層とする
場合には、図2(a)に示すように、第2の強磁性層1
4上に反強磁性層21を成膜する。また、第1の強磁性
層12をピン層とする場合には、図2(b)に示すよう
に、基板11上に反強磁性層22を成膜した後、第1の
強磁性層12、誘電体層13および第2の強磁性層14
を成膜する。
In the case where the second ferromagnetic layer 14 is a pinned layer, as shown in FIG.
An antiferromagnetic layer 21 is formed on the substrate 4. When the first ferromagnetic layer 12 is used as a pinned layer, as shown in FIG. 2B, an antiferromagnetic layer 22 is formed on the substrate 11 and then the first ferromagnetic layer 12 is formed. , Dielectric layer 13 and second ferromagnetic layer 14
Is formed.

【0026】本発明の方法では、上記のように真空を破
ることなく誘電体層を成膜するので、誘電体層は不純物
の影響を受けない。また、Al2xを酸化してAl23
に変換する場合、従来の方法のようにAlを直接酸化す
る場合に比べて酸化時間が長くかかるため、ごく薄いA
23を制御性よく作製できる。しかも、Al2xから
Al23への変換の度合を調整することにより、抵抗値
を任意に調整できる。
In the method of the present invention, since the dielectric layer is formed without breaking the vacuum as described above, the dielectric layer is not affected by impurities. Also, Al 2 O x is oxidized to Al 2 O 3
In the case of converting to Al, the oxidation time is longer than in the case of directly oxidizing Al as in the conventional method,
l 2 O 3 can be produced with good controllability. In addition, by adjusting the degree of conversion from Al 2 O x to Al 2 O 3 , the resistance value can be arbitrarily adjusted.

【0027】なお、バイアス依存性のオフセットをつけ
たい場合には、強磁性層を成膜した後、酸素を導入して
強磁性層をわずかに酸化してもよい。本発明では、強磁
性層上にAl2xを形成した後にその表面のみを酸化す
るので、この工程では下地の強磁性層表面の酸化が抑え
られる。このため、本発明の方法では、バイアスポイン
トを制御性よく設計できる。一方、従来の方法では、A
lを酸化しすぎると、意図せずに強磁性層上にその酸化
膜が成長するため、バイアスポイントの制御が困難にな
る。
When it is desired to provide a bias-dependent offset, the ferromagnetic layer may be formed, and then oxygen may be introduced to slightly oxidize the ferromagnetic layer. In the present invention, since Al 2 O x is formed on the ferromagnetic layer and then only the surface thereof is oxidized, the oxidation of the surface of the underlying ferromagnetic layer is suppressed in this step. Therefore, in the method of the present invention, the bias point can be designed with good controllability. On the other hand, in the conventional method, A
If 1 is excessively oxidized, the oxide film unintentionally grows on the ferromagnetic layer, so that it is difficult to control the bias point.

【0028】なお、上記ではAl2xを酸化してAl2
3に変換する場合について説明したが、同様な方法を
SiO2やMgOなどの酸化物にも適用できる。
[0028] In the above oxidizing the Al 2 O x Al 2
Although the case of conversion to O 3 has been described, a similar method can be applied to oxides such as SiO 2 and MgO.

【0029】また、たとえばAlNxを成膜した後、窒
素または窒素と希ガスとの混合ガスを導入し、必要に応
じてグロー放電させてプラズマを発生させ、AlNx
窒化してAlNに変換することにより誘電体層を形成し
てもよい。
Further, for example, after forming AlN x , nitrogen or a mixed gas of nitrogen and a rare gas is introduced, and if necessary, glow discharge is performed to generate plasma, and AlN x is converted to AlN by nitriding. By doing so, a dielectric layer may be formed.

【0030】本発明の強磁性二重トンネル接合を含む磁
気抵抗効果素子の製造方法の他の例を図3(a)〜
(c)を参照して説明する。図3(a)〜(c)は、ス
パッタ装置を用いて、基板11上に第1の強磁性層1
2、第1の誘電体層(トンネルバリア層)13、第2の
強磁性層14、第2の誘電体層(トンネルバリア層)1
5、第3の強磁性層16を連続的に成膜する例を示して
いる。
Another example of a method of manufacturing a magnetoresistive element including a ferromagnetic double tunnel junction according to the present invention is shown in FIGS.
This will be described with reference to FIG. FIGS. 3A to 3C show the first ferromagnetic layer 1 on a substrate 11 using a sputtering apparatus.
2, first dielectric layer (tunnel barrier layer) 13, second ferromagnetic layer 14, second dielectric layer (tunnel barrier layer) 1
5 shows an example in which the third ferromagnetic layer 16 is continuously formed.

【0031】まず、図1(a)〜(c)と全く同様にし
て、基板11上に第1の強磁性層12を形成し、Al2
x層13aを形成した後、その表面側をAl23層1
3bに変換して第1の誘電体層13を形成し、さらに第
2の強磁性層14を形成する。次に、Al23ターゲッ
トをスパッタして第2の強磁性層14上にAl2x層1
5aを形成する(図3(a))。その後、スパッタ装置
内に酸素または酸素と希ガスとの混合ガスを導入し、A
2x層15aを酸素ガス(O2圧:10mTorr以
上)またはグロー放電により発生する酸素プラズマ(O
2圧:1mTorr以上)に曝してAl2xを酸化して
酸素欠損のない化学量論組成のAl23層15bに変換
する。このようにして誘電体層15を形成する(図3
(b))。この際、Al2xが多少残ってもよいし、A
2xを完全に酸化してもよい。次いで、酸素を排気し
た後、強磁性体ターゲットをスパッタして第2の強磁性
層16を形成する(図3(c))。
Firstly, in the same manner as FIG. 1 (a) ~ (c) , forming a first ferromagnetic layer 12 on the substrate 11, Al 2
After forming the O x layer 13a, the surface side the Al 2 O 3 layer 1
3b, a first dielectric layer 13 is formed, and a second ferromagnetic layer 14 is further formed. Next, an Al 2 O 3 target is sputtered to form an Al 2 O x layer 1 on the second ferromagnetic layer 14.
5a is formed (FIG. 3A). Thereafter, oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is introduced into the sputtering apparatus, and A
l 2 O x layer 15a of the oxygen gas (O 2 pressure: 10 mTorr or higher) or oxygen plasma generated by glow discharge (O
(2 pressure: 1 mTorr or more) to oxidize Al 2 O x and convert it to an Al 2 O 3 layer 15b having a stoichiometric composition without oxygen deficiency. Thus, the dielectric layer 15 is formed (FIG. 3).
(B)). At this time, some Al 2 O x may remain,
l 2 O x may be completely oxidized. Next, after exhausting oxygen, a ferromagnetic target is sputtered to form a second ferromagnetic layer 16 (FIG. 3C).

【0032】この場合も、真空を破ることなく誘電体層
を成膜するので、誘電体層は不純物の影響を受けない。
また、Al2xを酸化してAl23に変換する場合、従
来の方法のようにAlを直接酸化する場合に比べて酸化
時間が長くかかるため、ごく薄いAl23を制御性よく
作製できる。しかも、Al2xからAl23への変換の
度合を調整することにより、抵抗値を任意に調整でき
る。
Also in this case, since the dielectric layer is formed without breaking the vacuum, the dielectric layer is not affected by impurities.
Moreover, when converting the Al 2 O x is oxidized Al 2 O 3, it takes longer oxidation time compared to the case of direct oxidation of Al as in the conventional method, controllability of the very thin Al 2 O 3 Can be manufactured well. In addition, by adjusting the degree of conversion from Al 2 O x to Al 2 O 3 , the resistance value can be arbitrarily adjusted.

【0033】なお、第1および第3の強磁性層12、1
6をピン層とする場合には、図4に示すように、基板1
1と第1の強磁性層12との間に反強磁性層23を形成
し、第3の強磁性層16上に反強磁性層24を形成す
る。
The first and third ferromagnetic layers 12, 1
When the pin 6 is a pinned layer, as shown in FIG.
An antiferromagnetic layer 23 is formed between the first ferromagnetic layer 12 and the first ferromagnetic layer 12, and an antiferromagnetic layer 24 is formed on the third ferromagnetic layer 16.

【0034】また、第2の強磁性層14に接して反強磁
性層を形成するか、または第2の強磁性層14の中間に
反強磁性層を挟んでもよい。
Further, an antiferromagnetic layer may be formed in contact with the second ferromagnetic layer 14 or an antiferromagnetic layer may be interposed between the second ferromagnetic layers 14.

【0035】次に、本発明の磁気抵抗効果素子を応用し
たデバイスの例として、磁気記録素子(MRAM)およ
び磁気抵抗効果ヘッドについて説明する。
Next, a magnetic recording element (MRAM) and a magnetoresistive head will be described as examples of a device to which the magnetoresistive element of the present invention is applied.

【0036】磁気記録素子は、図5および図6に示すよ
うにトランジスタ上に本発明に係る強磁性トンネル接合
素子を積層した構造でもよいし、図7および図8に示す
ようにダイオードと本発明に係る強磁性トンネル接合素
子とを積層した構造でもよい。
The magnetic recording element may have a structure in which a ferromagnetic tunnel junction element according to the present invention is stacked on a transistor as shown in FIGS. 5 and 6, or a diode and a present invention as shown in FIGS. May be laminated.

【0037】図5および図6を参照して、トランジスタ
上に強磁性トンネル接合素子を積層した構造を有する磁
気記録素子を説明する。図5は磁気記録素子の等価回路
図、図6は磁気記録素子の断面図である。図6に示すよ
うに、シリコン基板1、ゲート電極31、ソース、ドレ
イン領域32、33からなるトランジスタ30が形成さ
れている。ゲート電極31は読み出し用のワードライン
(WL1)を構成している。ゲート電極31上には絶縁
層を介して書き込み用のワードライン(WL2)41が
形成されている。トランジスタ30のドレイン領域33
にはコンタクトメタル42が接続され、さらにコンタク
トメタル42には下地層43が接続されている。この下
地層43上の書き込み用のワードライン(WL2)41
の上方に対応する位置に、図1〜図4に示したようなト
ンネル接合型磁気抵抗効果素子(TMR)10が形成さ
れている。このTMR10上にはビットライン(BL)
44が接続されている。図5の等価回路図に示すよう
に、トランジスタ30とTMR10とからなる記録セル
はマトリックス状に配列されている。トランジスタ30
のゲート電極31からなる読み出し用のワードライン
(WL1)と、書き込み用のワードライン(WL2)4
1とは平行に配置されている。また、TMR10の他端
(上部)と接続されたビットライン(BL)44は、ワ
ードライン(WL1)31およびワードライン(WL
2)41と直交して配置されている。
Referring to FIGS. 5 and 6, a magnetic recording element having a structure in which a ferromagnetic tunnel junction element is stacked on a transistor will be described. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the magnetic recording element, and FIG. 6 is a sectional view of the magnetic recording element. As shown in FIG. 6, a transistor 30 including a silicon substrate 1, a gate electrode 31, source and drain regions 32 and 33 is formed. The gate electrode 31 constitutes a read word line (WL1). A write word line (WL2) 41 is formed on the gate electrode 31 via an insulating layer. Drain region 33 of transistor 30
Is connected to a contact metal 42, and further to the contact metal 42, a base layer 43 is connected. A word line (WL2) 41 for writing on the underlayer 43
A tunnel junction type magnetoresistive element (TMR) 10 as shown in FIGS. 1 to 4 is formed at a position corresponding to above. A bit line (BL) is placed on this TMR10.
44 are connected. As shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 5, the recording cells including the transistor 30 and the TMR 10 are arranged in a matrix. Transistor 30
The read word line (WL1) composed of the gate electrode 31 of FIG.
1 is arranged in parallel. The bit line (BL) 44 connected to the other end (upper part) of the TMR 10 is connected to the word line (WL1) 31 and the word line (WL).
2) It is arranged orthogonal to 41.

【0038】図7および図8を参照して、ダイオードと
強磁性トンネル接合素子とを積層した構造を有する磁気
記録素子を説明する。図7は磁気記録素子の等価回路
図、図8は磁気記録素子の斜視図である。図7および図
8に示すように、ダイオード50とTMR10との積層
体からなる記録セルはマトリックス状に配列されてい
る。ダイオード50とTMR10との積層体はビットラ
イン(BL)61上に形成され、ダイオード50の一端
とビットライン(BL)61とが接続されている。TM
R10の他端には、ビットライン(BL)61と直交し
て配置されたワードライン(WL)62が接続されてい
る。
Referring to FIGS. 7 and 8, a magnetic recording element having a structure in which a diode and a ferromagnetic tunnel junction element are stacked will be described. FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the magnetic recording element, and FIG. 8 is a perspective view of the magnetic recording element. As shown in FIG. 7 and FIG. 8, the recording cells composed of a stacked body of the diode 50 and the TMR 10 are arranged in a matrix. The stacked body of the diode 50 and the TMR 10 is formed on the bit line (BL) 61, and one end of the diode 50 and the bit line (BL) 61 are connected. TM
The other end of R10 is connected to a word line (WL) 62 arranged orthogonal to the bit line (BL) 61.

【0039】図9は本発明に係るトンネル接合型磁気抵
抗効果素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘ
ッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム
71は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるため
の穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビ
ン部等を有する。アクチュエータアーム71の一端には
サスペンション72が固定されている。サスペンション
72の先端には上述した各形態のトンネル接合型磁気抵
抗効果素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載したヘッド
スライダ73が取り付けられている。また、サスペンシ
ョン72には信号の書き込みおよび読み取り用のリード
線74が配線され、このリード線74の一端はヘッドス
ライダ73に組み込まれた磁気抵抗効果ヘッドの各電極
に接続され、リード線74の他端は電極パッド75に接
続されている。
FIG. 9 is a perspective view of a magnetic head assembly equipped with a magnetoresistive head including a tunnel junction type magnetoresistive element according to the present invention. The actuator arm 71 is provided with a hole to be fixed to a fixed shaft in the magnetic disk device, and has a bobbin or the like for holding a drive coil (not shown). A suspension 72 is fixed to one end of the actuator arm 71. At the tip of the suspension 72, a head slider 73 mounted with a magnetoresistive head including the tunnel junction type magnetoresistive elements of the above-described embodiments is mounted. A lead wire 74 for writing and reading signals is wired to the suspension 72, and one end of the lead wire 74 is connected to each electrode of a magnetoresistive head incorporated in the head slider 73. The end is connected to the electrode pad 75.

【0040】図10は図9に示す磁気ヘッドアセンブリ
を搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図で
ある。磁気ディスク101はスピンドル102に装着さ
れ、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答す
る図示しないモータにより回転する。図9のアクチュエ
ータアーム71は固定軸103に固定され、サスペンシ
ョン72およびその先端のヘッドスライダ73を支持し
ている。磁気ディスク101が回転すると、ヘッドスラ
イダ73の媒体対向面は磁気ディスク101の表面から
所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行
う。アクチュエータアーム71の基端にはリニアモータ
の1種であるボイスコイルモータ104が設けられてい
る。ボイスコイルモータ104はアクチュエータアーム
71のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイル
とこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久
磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成され
る。アクチュエータアーム71は固定軸103の上下2
個所に設けられた図示しないボールベアリングによって
保持され、ボイスコイルモータ104により回転摺動が
自在にできるようになっている。
FIG. 10 is a perspective view showing the internal structure of a magnetic disk drive on which the magnetic head assembly shown in FIG. 9 is mounted. The magnetic disk 101 is mounted on a spindle 102 and is rotated by a motor (not shown) that responds to a control signal from a drive controller (not shown). 9 is fixed to a fixed shaft 103, and supports a suspension 72 and a head slider 73 at the tip thereof. When the magnetic disk 101 rotates, the medium facing surface of the head slider 73 is held in a state of floating above the surface of the magnetic disk 101 by a predetermined amount, and information is recorded and reproduced. At the base end of the actuator arm 71, a voice coil motor 104, which is a type of linear motor, is provided. The voice coil motor 104 includes a drive coil (not shown) wound around a bobbin portion of the actuator arm 71, and a magnetic circuit including a permanent magnet and an opposing yoke which are opposed to each other so as to sandwich the coil. Actuator arm 71 is above and below fixed shaft 103.
It is held by a ball bearing (not shown) provided at a location, and is rotatable and slidable by a voice coil motor 104.

【0041】本発明に係るトンネル型磁気抵抗効果素子
を磁気抵抗効果ヘッドに適用する場合は、磁場中成膜ま
たは磁場中熱処理により、隣り合う強磁性層のスピンを
ほぼ直交させる。このようにすれば、磁気ディスクから
の漏れ磁場に対して線形応答が得られ、どのようなヘッ
ド構造でも使用できる。
When the tunnel type magneto-resistance effect element according to the present invention is applied to a magneto-resistance effect head, the spins of the adjacent ferromagnetic layers are made substantially orthogonal by film formation or heat treatment in a magnetic field. In this way, a linear response to a magnetic field leaking from the magnetic disk can be obtained, and any head structure can be used.

【0042】[0042]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0043】(実施例1)Al23を誘電体層(トンネ
ルバリア層)とする図2(b)に示した構造の強磁性一
重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子を製造した実
施例を、図11(a)〜(c)および図12(a)〜
(c)を参照して説明する。
(Example 1) An example in which a magnetoresistive element having a ferromagnetic single tunnel junction having a structure shown in FIG. 2B using Al 2 O 3 as a dielectric layer (tunnel barrier layer) was manufactured. 11 (a)-(c) and FIGS. 12 (a)-
This will be described with reference to FIG.

【0044】Si/SiO2基板11をスパッタ装置に
入れ、初期真空度を2×10-7Torrに設定した後、
Arを導入して圧力を1×10-3Torrに設定した。
Si/SiO2基板11上に、厚さ5nmのTaからな
る下地層25、厚さ17nmのIr22Mn78からなる反
強磁性層22、厚さ3nmのCoFeからなる強磁性層
12を連続的に形成した。次に、以下の(A)または
(B)の方法を用い、CoFeからなる強磁性層12上
にAl23からなる誘電体層13を形成した。
After placing the Si / SiO 2 substrate 11 in a sputtering apparatus and setting the initial vacuum degree to 2 × 10 −7 Torr,
The pressure was set to 1 × 10 −3 Torr by introducing Ar.
On Si / SiO 2 substrate 11, continuous ferromagnetic layer 12 of an antiferromagnetic layer 22, a thickness of 3 nm CoFe consisting underlayer 25, a thickness of 17 nm Ir 22 Mn 78 consisting of a thickness of 5 nm Ta Formed. Next, using the following method (A) or (B), a dielectric layer 13 made of Al 2 O 3 was formed on the ferromagnetic layer 12 made of CoFe.

【0045】(A)Arガス中でAl23ターゲットを
スパッタしてAl2xを成膜した。このとき、Al2x
の厚さを1.5〜2.5nmの範囲で変化させた。その
後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導入
し、酸素ガス中でAl2xを表面側から酸化してAl2
3に変換し、誘電体層13を形成した。このとき、酸
化時間を変化させることにより、Al2xからAl23
への変換度合を調整した。
(A) An Al 2 O 3 target was sputtered in Ar gas to form an Al 2 O x film. At this time, Al 2 O x
Was changed in the range of 1.5 to 2.5 nm. Then, by introducing pure oxygen into the sputtering apparatus without breaking the vacuum, to oxidize the Al 2 O x from the surface side in oxygen gas Al 2
It was converted to O 3 to form a dielectric layer 13. At this time, by varying the oxidation time, Al from Al 2 O x 2 O 3
The degree of conversion to was adjusted.

【0046】(B)Arガス中でAl23ターゲットを
スパッタしてAl2xを成膜した。このとき、Al2x
の厚さを1.5〜2.5nmの範囲で変化させた。その
後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導入し
グロー放電させてプラズマを発生させ、酸素プラズマ中
でAl2xを表面側から酸化してAl23に変換し、誘
電体層13を形成した。このとき、グロー放電時のパワ
ーおよび酸化時間を変化させることにより、Al2x
らAl23への変換度合を調整した。
(B) An Al 2 O 3 target was sputtered in Ar gas to form an Al 2 O x film. At this time, Al 2 O x
Was changed in the range of 1.5 to 2.5 nm. Thereafter, pure oxygen is introduced into the sputtering apparatus without breaking the vacuum, and glow discharge is performed to generate plasma. In the oxygen plasma, Al 2 O x is oxidized from the surface side and converted into Al 2 O 3 , and the dielectric layer is formed. 13 was formed. At this time, by varying the power and oxidation time during the glow discharge was adjusted conversion degree of the Al 2 O 3 from Al 2 O x.

【0047】Arガス中において上記と同様の条件でス
パッタすることにより、誘電体層13上に、厚さ5nm
のCoFeおよび厚さ15nmのNiFeからなる強磁
性層14、および厚さ5nmのTaからなる保護層26
を連続的に形成した(図11(a))。
By sputtering in Ar gas under the same conditions as described above, a 5 nm thick
Ferromagnetic layer 14 of CoFe and 15 nm thick NiFe, and protective layer 26 of 5 nm thick Ta
Was formed continuously (FIG. 11A).

【0048】通常のフォトリソグラフィ技術とイオンミ
リング技術を用いて、上記の積層膜を50μm幅の下部
配線形状に加工した(図11(b))。
The above laminated film was processed into a lower wiring shape having a width of 50 μm by using ordinary photolithography technology and ion milling technology (FIG. 11B).

【0049】通常のフォトリソグラフィ技術により接合
部を規定するためのレジストパターンR1を形成し、T
a保護層26およびCoFe/NiFe強磁性層14を
イオンミリングした。このとき接合面積を種々変化させ
た(図11(c))。
A resist pattern R1 for defining a junction is formed by a usual photolithography technique,
a The protective layer 26 and the CoFe / NiFe ferromagnetic layer 14 were ion-milled. At this time, the bonding area was changed variously (FIG. 11C).

【0050】レジストパターンR1を残したまま電子ビ
ーム蒸着により厚さ300nmのAl23を堆積した
後、レジストパターンR1およびその上のAl23をリ
フトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜27を形成
した(図12(a))。
After depositing Al 2 O 3 with a thickness of 300 nm by electron beam evaporation while leaving the resist pattern R 1, the resist pattern R 1 and the Al 2 O 3 thereon are lifted off, and interlayer insulation is applied to portions other than the junction. A film 27 was formed (FIG. 12A).

【0051】電極配線の形成領域以外の領域を覆うレジ
ストパターンR2を形成した後、表面を逆スパッタして
クリーニングした(図12(b))。
After forming a resist pattern R2 covering an area other than the electrode wiring forming area, the surface was cleaned by reverse sputtering (FIG. 12B).

【0052】全面にAlを堆積した後、レジストパター
ンR2およびその上のAlをリフトオフして、Al電極
配線28を形成した(図12(c))。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層となる強磁性層12に一方向
異方性を導入した。
After depositing Al on the entire surface, the resist pattern R2 and the Al thereon were lifted off to form an Al electrode wiring 28 (FIG. 12C). Thereafter, the ferromagnetic layer 12 was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field, and unidirectional anisotropy was introduced into the ferromagnetic layer 12 serving as a pin layer.

【0053】上記の(A)または(B)の方法を用いて
誘電体層を形成した試料AまたはBについて種々の測定
を行った。これらの結果を図13〜図16に示す。
Various measurements were performed on the sample A or B on which the dielectric layer was formed by using the above method (A) or (B). These results are shown in FIGS.

【0054】図13に試料AおよびBの磁気抵抗効果曲
線を示す。図13に示されるように、試料Aでは23O
eという小さな磁界においてMR変化率21%が得られ
ている。同様に、試料Bでは25Oeという小さな磁界
でMR変化率25%が得られている。
FIG. 13 shows the magnetoresistance effect curves of Samples A and B. As shown in FIG.
An MR change rate of 21% is obtained in a small magnetic field e. Similarly, in sample B, an MR change rate of 25% is obtained with a small magnetic field of 25 Oe.

【0055】図14に試料AおよびBについてMR変化
率および抵抗値(R)の接合面積依存性を示す。図14
に示されるように、MR変化率は接合面積にほとんど依
存しないことがわかる。
FIG. 14 shows the junction area dependence of the MR ratio and the resistance value (R) for the samples A and B. FIG.
As shown in FIG. 5, it can be seen that the MR change rate hardly depends on the junction area.

【0056】図15に試料Aについて抵抗値(R)の酸
化時間依存性、および試料Bについて抵抗値(R)の酸
化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメータ
として示す。いずれも接合面積が200μm2のときの
データである。図15に示されるように、酸化時間やプ
ラズマ酸化時の印加電力を変えてAl2xからAl23
への変換度合を調整することによって、抵抗値を調整で
きることがわかる。
FIG. 15 shows the dependence of the resistance value (R) on the oxidation time of Sample A and the dependence of the resistance value (R) on the oxidation time of Sample B using the applied power during plasma oxidation as a parameter. All data are obtained when the bonding area is 200 μm 2 . As shown in FIG. 15, the oxidation time and the applied power during plasma oxidation were changed from Al 2 O x to Al 2 O 3.
It can be seen that the resistance value can be adjusted by adjusting the degree of conversion to.

【0057】図16に試料AおよびBについてMR変化
率および抵抗値(R)のAl2x膜厚(t)依存性を示
す。いずれも酸化時間またはプラズマ酸化時の印加電力
を一定にしたときのデータである。図16に示されるよ
うに、Al2x膜厚がある程度厚ければ、抵抗値および
MR変化率はそれほど変化しない。このようにある程度
厚いAl2xを成膜した後、その表面のみを酸化してA
23に変換することによって所望の磁気抵抗効果が得
られるため、強磁性トンネル接合素子の歩留りを向上で
きる。
FIG. 16 shows the dependency of the MR ratio and the resistance value (R) on the Al 2 O x film thickness (t) of the samples A and B. All are data when the oxidation time or the applied power during plasma oxidation is kept constant. As shown in FIG. 16, when the Al 2 O x film thickness is large to some extent, the resistance value and the MR ratio do not change so much. After forming a somewhat thick Al 2 O x film, only the surface is oxidized and A
By converting to l 2 O 3 , a desired magnetoresistance effect can be obtained, so that the yield of ferromagnetic tunnel junction devices can be improved.

【0058】(実施例2)Al23を誘電体層(トンネ
ルバリア層)とする図4に示した構造の強磁性二重トン
ネル接合を有する磁気抵抗効果素子を製造した実施例
を、図17(a)〜(c)および図18(a)、(b)
を参照して説明する。
(Example 2) An example in which a magneto-resistance effect element having a ferromagnetic double tunnel junction having the structure shown in FIG. 4 and using Al 2 O 3 as a dielectric layer (tunnel barrier layer) is shown in FIG. 17 (a)-(c) and FIGS. 18 (a), (b)
This will be described with reference to FIG.

【0059】Si/SiO2基板11をスパッタ装置に
入れ、初期真空度を2×10-7Torrに設定した後、
Arを導入して圧力を1×10-3Torrに設定した。
Si/SiO2基板11上に、厚さ5nmのTaからな
る下地層25、厚さ20nmのFe−Mnからなる反強
磁性層22、厚さ5nmのNiFeおよび厚さ3nmの
CoFeからなる強磁性層12を連続的に形成した。次
に、以下の(A2)または(B2)の方法を用い、強磁
性層12上にAl23からなる誘電体層13を形成し
た。
After placing the Si / SiO 2 substrate 11 in a sputtering apparatus and setting the initial degree of vacuum to 2 × 10 −7 Torr,
The pressure was set to 1 × 10 −3 Torr by introducing Ar.
On a Si / SiO 2 substrate 11, an underlayer 25 made of Ta with a thickness of 5 nm, an antiferromagnetic layer 22 made of Fe—Mn with a thickness of 20 nm, and a ferromagnetic layer made of NiFe with a thickness of 5 nm and CoFe with a thickness of 3 nm Layer 12 was formed continuously. Next, a dielectric layer 13 made of Al 2 O 3 was formed on the ferromagnetic layer 12 using the following method (A2) or (B2).

【0060】(A2)Arガス中でAl23ターゲット
をスパッタしてAl2xを成膜した。このとき、Al2
xの厚さを1.5〜2.5nmの範囲で変化させた。
その後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導
入し、酸素ガス中でAl2xを表面側から酸化してAl
23に変換し、誘電体層13を形成した。このとき、酸
化時間を変化させることにより、Al2xからAl23
への変換度合を調整した。
(A2) An Al 2 O 3 target was sputtered in Ar gas to form an Al 2 O x film. At this time, Al 2
The thickness of the O x was varied in the range of 1.5 to 2.5.
Thereafter, pure oxygen is introduced into the sputtering apparatus without breaking the vacuum, and Al 2 O x is oxidized from the surface side in oxygen gas to form Al.
After conversion to 2 O 3 , the dielectric layer 13 was formed. At this time, by varying the oxidation time, Al from Al 2 O x 2 O 3
The degree of conversion to was adjusted.

【0061】(B2)Arガス中でAl23ターゲット
をスパッタしてAl2xを成膜した。このとき、Al2
xの厚さを1.5〜2.5nmの範囲で変化させた。
その後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導
入しグロー放電させてプラズマを発生させ、酸素プラズ
マ中でAl2xを表面側から酸化してAl23に変換
し、誘電体層13を形成した。このとき、グロー放電時
のパワーおよび酸化時間を変化させることにより、Al
2xからAl23への変換度合を調整した。
(B2) An Al 2 O 3 target was sputtered in Ar gas to form an Al 2 O x film. At this time, Al 2
The thickness of the O x was varied in the range of 1.5 to 2.5.
Thereafter, pure oxygen is introduced into the sputtering apparatus without breaking the vacuum, and glow discharge is performed to generate plasma. In the oxygen plasma, Al 2 O x is oxidized from the surface side and converted into Al 2 O 3 , and the dielectric layer is formed. 13 was formed. At this time, by changing the power and oxidation time during glow discharge, Al
The degree of conversion from 2 O x to Al 2 O 3 was adjusted.

【0062】Arガス中において上記と同様の条件でス
パッタすることにより、誘電体層13上に、厚さ3nm
のCoFeからなる強磁性層14を形成した。つづい
て、上記と同様に(A2)または(B2)の方法で誘電
体膜15を形成した。その後、Arガス中において上記
と同様の条件でスパッタすることにより、厚さ3nmの
CoFeおよび厚さ5nmのNiFeからなる強磁性層
16、厚さ20nmのFe−Mnからなる反強磁性層2
4、および厚さ5nmのTaからなる保護層26を連続
的に形成した。なお、この例では、各層をメタルマスク
を通して成膜することにより、1mm幅の下部配線形状
に形成している(図17(a))。
By sputtering in Ar gas under the same conditions as described above, a thickness of 3 nm is formed on the dielectric layer 13.
The ferromagnetic layer 14 of CoFe was formed. Subsequently, the dielectric film 15 was formed by the method (A2) or (B2) in the same manner as described above. Thereafter, the ferromagnetic layer 16 made of 3 nm-thick CoFe and 5 nm-thick NiFe and the antiferromagnetic layer 2 made of 20-nm-thick Fe—Mn are formed by sputtering in Ar gas under the same conditions as described above.
4 and a protective layer 26 made of Ta having a thickness of 5 nm was continuously formed. In this example, each layer is formed through a metal mask to form a lower wiring shape having a width of 1 mm (FIG. 17A).

【0063】通常のフォトリソグラフィ技術により接合
部を規定するためのレジストパターンR1を形成し、保
護層26、反強磁性層24、強磁性層16、誘電体層1
5および強磁性層14をイオンミリングした。このとき
接合面積を種々変化させた(図17(b))。
A resist pattern R1 for defining a junction is formed by ordinary photolithography, and the protective layer 26, the antiferromagnetic layer 24, the ferromagnetic layer 16, and the dielectric layer 1 are formed.
5 and the ferromagnetic layer 14 were ion-milled. At this time, the bonding area was changed variously (FIG. 17B).

【0064】レジストパターンR1を残したまま電子ビ
ーム蒸着により厚さ300nmのAl23を堆積した
後、レジストパターンR1およびその上のAl23をリ
フトオフし、層間絶縁膜27を形成した(図17
(c))。
After depositing Al 2 O 3 with a thickness of 300 nm by electron beam evaporation while leaving the resist pattern R 1, the resist pattern R 1 and Al 2 O 3 thereon are lifted off to form an interlayer insulating film 27 ( FIG.
(C)).

【0065】電極配線の形成領域以外の領域を覆うレジ
ストパターンR2を形成した後、表面を逆スパッタして
クリーニングした(図18(a))。
After forming a resist pattern R2 covering an area other than the electrode wiring formation area, the surface was cleaned by reverse sputtering (FIG. 18A).

【0066】全面にAlを堆積した後、レジストパター
ンR2およびその上のAlをリフトオフして、Al電極
配線28を形成した(図18(b))。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層となる強磁性層12、16に
一方向異方性を導入した。
After depositing Al on the entire surface, the resist pattern R2 and the Al thereon were lifted off to form an Al electrode wiring 28 (FIG. 18B). Thereafter, the resultant was introduced into a heat treatment furnace in a magnetic field, and unidirectional anisotropy was introduced into the ferromagnetic layers 12 and 16 serving as pin layers.

【0067】上記の(A2)または(B2)の方法を用
いて誘電体層を形成した試料A2またはB2について種
々の測定を行った。これらの結果を図19〜図22に示
す。
Various measurements were performed on the sample A2 or B2 on which a dielectric layer was formed by using the above method (A2) or (B2). These results are shown in FIGS.

【0068】図19に試料A2およびB2の磁気抵抗効
果曲線を示す。図19に示されるように、試料A2では
30Oeという小さな磁界においてMR変化率23%が
得られている。同様に、試料B2では35Oeという小
さな磁界でMR変化率27.5%が得られている。
FIG. 19 shows the magnetoresistance effect curves of Samples A2 and B2. As shown in FIG. 19, in the sample A2, an MR change rate of 23% is obtained in a small magnetic field of 30 Oe. Similarly, in sample B2, an MR change rate of 27.5% is obtained with a small magnetic field of 35 Oe.

【0069】図20に試料A2およびB2についてMR
変化率および抵抗値(R)の接合面積依存性を示す。図
20に示されるように、MR変化率は接合面積にほとん
ど依存しないことがわかる。
FIG. 20 shows the MR of samples A2 and B2.
4 shows the junction area dependence of the rate of change and the resistance value (R). As shown in FIG. 20, the MR change rate hardly depends on the junction area.

【0070】図21に試料A2について抵抗値(R)の
酸化時間依存性、および試料B2について抵抗値(R)
の酸化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメ
ータとして示す。図21に示されるように、酸化時間や
プラズマ酸化時の印加電力を変えてAl2xからAl2
3への変換度合を調整することによって、抵抗値を調
整できることがわかる。
FIG. 21 shows the oxidation time dependence of the resistance value (R) for sample A2 and the resistance value (R) for sample B2.
Is shown with the applied power during plasma oxidation as a parameter. As shown in FIG. 21, the oxidation time and the applied power during plasma oxidation were changed to change Al 2 O x to Al 2 O 3.
It can be seen that the resistance can be adjusted by adjusting the degree of conversion to O 3 .

【0071】図22に試料A2およびB2についてMR
変化率および抵抗値(R)のAl2x膜厚(t)依存性
を示す。いずれも酸化時間またはプラズマ酸化時の印加
電力を一定にしたときのデータである。図22に示され
るように、Al2x膜厚がある程度厚ければ、抵抗値お
よびMR変化率はそれほど変化しない。このようにある
程度厚いAl2xを成膜した後、その表面のみを酸化し
てAl23に変換することによって所望の磁気抵抗効果
が得られるため、強磁性トンネル接合素子の歩留りを向
上できる。
FIG. 22 shows the MR of samples A2 and B2.
4 shows the dependence of the rate of change and the resistance value (R) on the Al 2 O x film thickness (t). All are data when the oxidation time or the applied power during plasma oxidation is kept constant. As shown in FIG. 22, when the Al 2 O x film thickness is somewhat large, the resistance value and the MR change rate do not change so much. After forming a somewhat thick Al 2 O x film, a desired magnetoresistance effect can be obtained by oxidizing only the surface and converting it to Al 2 O 3 , thereby improving the yield of the ferromagnetic tunnel junction device. it can.

【0072】(実施例3)実施例1、2と同様の方法に
よって、強磁性一重トンネル接合または強磁性二重トン
ネル接合を有する、表1の11種の磁気抵抗効果素子を
製造した。表1に試料1〜11の各素子の積層構造を示
す。なお、試料番号が偶数のものは、誘電体層を成膜し
た後、プラズマ酸化またはプラズマ窒化している。ま
た、試料番号が奇数のものは、誘電体層を成膜した後、
30mTorrのO2またはN2雰囲気で酸化または窒化
している。
(Example 3) In the same manner as in Examples 1 and 2, 11 types of magnetoresistive elements having a ferromagnetic single tunnel junction or a ferromagnetic double tunnel junction as shown in Table 1 were manufactured. Table 1 shows the laminated structure of each element of Samples 1 to 11. In addition, the sample with an even sample number is subjected to plasma oxidation or plasma nitridation after forming a dielectric layer. In the case of an odd-numbered sample number, after forming a dielectric layer,
Oxidation or nitridation is performed in an O 2 or N 2 atmosphere at 30 mTorr.

【0073】表1に、各試料のMR変化率および抵抗
値、ならびにこれらの値のウエハー内でのばらつきを示
す。表1から、MR変化率および抵抗値のウエハー内で
のばらつきは比較的小さいことがわかる。したがって、
本発明の方法を用いれば、強磁性トンネル接合素子を歩
留りよく製造できることがわかる。
Table 1 shows the MR change rate and the resistance value of each sample, and the variation of these values in the wafer. Table 1 shows that the variation in the MR change rate and the resistance value within the wafer is relatively small. Therefore,
It is understood that the ferromagnetic tunnel junction device can be manufactured with high yield by using the method of the present invention.

【0074】[0074]

【表1】 [Table 1]

【0075】[0075]

【発明の効果】以上詳述したように本発明の方法を用い
れば、高品質の誘電体層を制御性よく形成でき、トンネ
ル接合型の磁気抵抗効果素子を歩留りよく製造すること
ができ、磁気抵抗効果型ヘッド、磁界センサー、磁気記
憶素子などに適用することができる。
As described in detail above, by using the method of the present invention, a high quality dielectric layer can be formed with good controllability, and a tunnel junction type magnetoresistive element can be manufactured with good yield. The present invention can be applied to a resistance effect type head, a magnetic field sensor, a magnetic storage element, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る強磁性一重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a method for manufacturing a ferromagnetic single tunnel junction device according to the present invention in the order of steps.

【図2】本発明に係る反強磁性体を有する強磁性一重ト
ンネル接合素子の断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a ferromagnetic single tunnel junction device having an antiferromagnetic material according to the present invention.

【図3】本発明に係る強磁性二重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing a method for manufacturing a ferromagnetic double tunnel junction device according to the present invention in the order of steps.

【図4】本発明に係る反強磁性体を有する強磁性二重ト
ンネル接合素子の断面図。
FIG. 4 is a sectional view of a ferromagnetic double tunnel junction device having an antiferromagnetic material according to the present invention.

【図5】磁気記録素子(MRAM)の一例を示す等価回
路図。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of a magnetic recording element (MRAM).

【図6】磁気記録素子(MRAM)の一例を示す断面
図。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an example of a magnetic recording element (MRAM).

【図7】磁気記録素子(MRAM)の他の例を示す等価
回路図。
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram showing another example of the magnetic recording element (MRAM).

【図8】磁気記録素子(MRAM)の他の例を示す斜視
図。
FIG. 8 is a perspective view showing another example of the magnetic recording element (MRAM).

【図9】本発明に係るトンネル接合型磁気抵抗効果素子
を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘッドアセン
ブリの斜視図。
FIG. 9 is a perspective view of a magnetic head assembly equipped with a magnetoresistive head including a tunnel junction type magnetoresistive element according to the present invention.

【図10】図9に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した
磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。
10 is a perspective view showing the internal structure of a magnetic disk drive on which the magnetic head assembly shown in FIG. 9 is mounted.

【図11】実施例1の強磁性一重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the ferromagnetic single tunnel junction device of Example 1 in the order of steps.

【図12】実施例1の強磁性一重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the ferromagnetic single tunnel junction device of Example 1 in the order of steps.

【図13】実施例1の試料AおよびBの磁気抵抗効果曲
線を示す図。
FIG. 13 is a diagram showing magnetoresistance effect curves of samples A and B of Example 1.

【図14】実施例1の試料AおよびBについてMR変化
率および抵抗値(R)の接合面積依存性を示す図。
FIG. 14 is a diagram showing the dependence of the MR ratio and the resistance value (R) on the junction area for samples A and B of Example 1.

【図15】実施例1の試料Aについて抵抗値(R)の酸
化時間依存性、および試料Bについて抵抗値(R)の酸
化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメータ
として示す図。
FIG. 15 is a diagram showing the dependence of the resistance value (R) on the oxidation time of the sample A of Example 1 and the dependence of the resistance value (R) on the oxidation time of the sample B using the applied power during plasma oxidation as a parameter.

【図16】実施例1の試料AおよびBについてMR変化
率および抵抗値(R)のAl2x膜厚(t)依存性を示
す図。
FIG. 16 is a diagram showing the dependence of MR ratio and resistance value (R) on Al 2 O x film thickness (t) for samples A and B of Example 1.

【図17】実施例2の強磁性二重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the ferromagnetic double tunnel junction device of Example 2 in process order.

【図18】実施例2の強磁性二重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the ferromagnetic double tunnel junction device of Example 2 in the order of steps.

【図19】実施例2の試料A2およびB2の磁気抵抗効
果曲線を示す図。
FIG. 19 is a view showing the magnetoresistance effect curves of Samples A2 and B2 of Example 2.

【図20】実施例2の試料A2およびB2についてMR
変化率および抵抗値(R)の接合面積依存性を示す図。
FIG. 20 is a diagram showing MR of samples A2 and B2 of Example 2.
The figure which shows the junction area dependence of a rate of change and resistance value (R).

【図21】実施例2の試料A2について抵抗値(R)の
酸化時間依存性、および試料B2について抵抗値(R)
の酸化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメ
ータとして示す図。
FIG. 21 shows the dependence of the resistance value (R) on the oxidation time of Sample A2 of Example 2 and the resistance value (R) of Sample B2.
FIG. 4 is a diagram showing the oxidation time dependence of the plasma as a parameter with applied power during plasma oxidation.

【図22】実施例2の試料A2およびB2についてMR
変化率および抵抗値(R)のAl 2x膜厚(t)依存性
を示す図。
FIG. 22 shows MR of samples A2 and B2 of Example 2.
Al of change rate and resistance value (R) TwoOxDependence on film thickness (t)
FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…基板 12…第1の強磁性層 13…誘電体層(トンネルバリア層) 13a…Al2x層、13a…Al23層 14…第2の強磁性層 15…誘電体層(トンネルバリア層) 15a…Al2x層、15a…Al23層 16…第3の強磁性層 21、22、23、24…反強磁性層 25…下地層 26…保護層 27…層間絶縁層 28…電極配線 30…トランジスタ 31…ゲート電極(読み出し用ワードライン) 32、33…ソース、ドレイン領域 41…書き込み用ワードライン 42…コンタクトメタル 43…下地層 44…ビットライン 50…ダイオード 61…ビットライン 62…ワードライン 71…アクチュエータアーム 72…サスペンション 73…ヘッドスライダ 74…リード線 75…電極パッド 101…磁気ディスク 102…スピンドル 103…固定軸 104…ボイスコイルモータ11 ... substrate 12 ... first ferromagnetic layer 13 ... dielectric layer (tunnel barrier layer) 13a ... Al 2 O x layer, 13a ... Al 2 O 3 layer 14: second ferromagnetic layer 15 ... dielectric layer ( (Tunnel barrier layer) 15a: Al 2 O x layer, 15a: Al 2 O 3 layer 16: third ferromagnetic layer 21, 22, 23, 24: antiferromagnetic layer 25: underlayer 26: protective layer 27: interlayer Insulating layer 28 ... Electrode wiring 30 ... Transistor 31 ... Gate electrode (read word line) 32,33 ... Source / drain region 41 ... Write word line 42 ... Contact metal 43 ... Under layer 44 ... Bit line 50 ... Diode 61 ... Bit line 62 Word line 71 Actuator arm 72 Suspension 73 Head slider 74 Lead wire 75 Electrode pad 101 Magnetic disk 102: spindle 103: fixed shaft 104: voice coil motor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪俣 浩一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 2G017 AA01 AD55 AD59 AD62 AD63 AD65 5D034 BA03 BA15 BA21 DA07  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Koichiro Inomata 1 Kosuka Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa F-term in the Toshiba R & D Center (reference) 2G017 AA01 AD55 AD59 AD62 AD63 AD65 5D034 BA03 BA15 BA21 DA07

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2層の強磁性層の間に誘電体層を設けた
構造を有する強磁性一重トンネル接合、または3層の強
磁性層の各層間に誘電体層を設けた構造を有する強磁性
二重トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を製造するに
あたり、 強磁性層上に誘電体膜を形成する工程と、 酸素または窒素を含有するガスを導入して誘電体膜を酸
化または窒化するか、前記ガスを導入した後にグロー放
電させてプラズマ中で誘電体膜を酸化または窒化する工
程とを具備したことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製
造方法。
1. A ferromagnetic single tunnel junction having a structure in which a dielectric layer is provided between two ferromagnetic layers, or a ferromagnetic structure having a structure in which a dielectric layer is provided between respective layers of three ferromagnetic layers. In manufacturing a magnetoresistive element including a magnetic double tunnel junction, a step of forming a dielectric film on a ferromagnetic layer, and a step of oxidizing or nitriding the dielectric film by introducing a gas containing oxygen or nitrogen. And glow discharge after introducing the gas to oxidize or nitride the dielectric film in the plasma.
【請求項2】 前記3層の強磁性層の各層間に誘電体層
を設けた構造を有する強磁性二重トンネル接合におけ
る、2層の誘電体層で挟まれた強磁性層が、誘電体と強
磁性体との混合層で形成されていることを特徴とする請
求項1記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
2. A ferromagnetic double tunnel junction having a structure in which a dielectric layer is provided between each of the three ferromagnetic layers, wherein the ferromagnetic layer sandwiched between the two dielectric layers is a dielectric material. 2. The method for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1, wherein the method is formed of a mixed layer of iron and a ferromagnetic material.
【請求項3】 前記強磁性層がFe、Co、Niまたは
これらの元素を含む合金からなることを特徴とする請求
項1または2記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the ferromagnetic layer is made of Fe, Co, Ni, or an alloy containing these elements.
【請求項4】 前記誘電体層がAl、Si、Mg、希土
類元素またはこれらの元素を含む合の金酸化物または窒
化物からなることを特徴とする請求項1ないし3いずれ
か1項記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the dielectric layer is made of Al, Si, Mg, a rare earth element, or a gold oxide or nitride containing these elements. A method for manufacturing a magnetoresistive element.
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