JP2002057380A - 磁気トンネル効果素子及び同磁気トンネル効果素子の製造方法 - Google Patents
磁気トンネル効果素子及び同磁気トンネル効果素子の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 交換結合磁界Ｈｅｘが温度により変化し難
く、かつ、磁気抵抗変化率が大きい磁気トンネル効果素
子を提供すること。 【解決手段】 基板上に形成される磁化の向きが固定さ
れた固定磁化層１１と、前記固定磁化層の上に形成され
る絶縁層１２と、前記絶縁層の上に形成される自由磁化
層１３とを含んでなる磁気トンネル効果素子において、
前記固定磁化層１１は、前記基板上に形成されるＣｒか
らなる下地層１１ａと、前記下地層の上に形成されるＰ
ｔＭｎからなる反強磁性層１１ｂと、前記反強磁性層の
上に形成される軟質磁性の強磁性層１１ｃとからなって
いる。下地層をＣｒとすることにより、短時間の高温ア
ニール処理によっても、大きな交換結合磁界を得ること
ができるので、長時間の高温アニール処理による他の層
の劣化を招かず、磁気抵抗変化率の高い磁気トンネル効
果素子を得ることができる。
く、かつ、磁気抵抗変化率が大きい磁気トンネル効果素
子を提供すること。 【解決手段】 基板上に形成される磁化の向きが固定さ
れた固定磁化層１１と、前記固定磁化層の上に形成され
る絶縁層１２と、前記絶縁層の上に形成される自由磁化
層１３とを含んでなる磁気トンネル効果素子において、
前記固定磁化層１１は、前記基板上に形成されるＣｒか
らなる下地層１１ａと、前記下地層の上に形成されるＰ
ｔＭｎからなる反強磁性層１１ｂと、前記反強磁性層の
上に形成される軟質磁性の強磁性層１１ｃとからなって
いる。下地層をＣｒとすることにより、短時間の高温ア
ニール処理によっても、大きな交換結合磁界を得ること
ができるので、長時間の高温アニール処理による他の層
の劣化を招かず、磁気抵抗変化率の高い磁気トンネル効
果素子を得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ヘッドや磁気
センサとして利用される、固定磁化層と自由磁化層とこ
れらの間に挟まれた絶縁層とを有する磁気トンネル効果
素子に係り、特に、固定磁化層の固定された磁化が反転
し難く、且つ磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きい磁気ト
ンネル効果素子に関する。
センサとして利用される、固定磁化層と自由磁化層とこ
れらの間に挟まれた絶縁層とを有する磁気トンネル効果
素子に係り、特に、固定磁化層の固定された磁化が反転
し難く、且つ磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きい磁気ト
ンネル効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、外部磁界に対する感度が良好な磁
気トンネル効果素子として、磁気トンネル効果を利用し
た磁気トンネル効果素子（ＴＭＲ素子）が注目されてい
る。この素子は、基板上に形成されて磁化の向きが固定
された固定磁化層と、固定磁化層の上に形成される絶縁
層と、絶縁層の上に形成されて磁化の向きが外部磁界に
応じて変化する自由磁化層とからなっている。
気トンネル効果素子として、磁気トンネル効果を利用し
た磁気トンネル効果素子（ＴＭＲ素子）が注目されてい
る。この素子は、基板上に形成されて磁化の向きが固定
された固定磁化層と、固定磁化層の上に形成される絶縁
層と、絶縁層の上に形成されて磁化の向きが外部磁界に
応じて変化する自由磁化層とからなっている。
【０００３】前記固定磁化層は、例えばＦｅＭｎからな
る反強磁性層とＣｏＦｅからなる軟質磁性の磁性層とか
らなり、前記軟質磁性の磁性層の磁化は前記反強磁性層
との間に生じる交換結合（交換結合磁界Ｈｅｘ）により
所定の向きに固定されている。
る反強磁性層とＣｏＦｅからなる軟質磁性の磁性層とか
らなり、前記軟質磁性の磁性層の磁化は前記反強磁性層
との間に生じる交換結合（交換結合磁界Ｈｅｘ）により
所定の向きに固定されている。
【０００４】このＴＭＲ素子の抵抗値は、固定磁化層の
磁化の向きと、自由磁化層の磁化の向きの相対的な関係
に依存して変化する。即ち、素子の抵抗値は、固定磁化
層の磁化の向きと自由磁化層の磁化の向きが同じ場合に
最小となり、それらの向きが１８０°異なる場合に最大
となる。外部磁界はこのように変化する抵抗値に基づい
て検出されるので、自由磁化層の磁化の向きは外部磁界
の変化に応じて容易に変化する一方で、使用温度環境下
において固定磁化層の磁化の向きが外部磁界に関わらず
確実に固定されていることが要求される。このため、固
定磁化層の反強磁性層として、ブロッキング温度（交換
結合磁界Ｈｅｘが発生し得る上限温度）の高い材料であ
るＰｔＭｎを用いることが検討されている。
磁化の向きと、自由磁化層の磁化の向きの相対的な関係
に依存して変化する。即ち、素子の抵抗値は、固定磁化
層の磁化の向きと自由磁化層の磁化の向きが同じ場合に
最小となり、それらの向きが１８０°異なる場合に最大
となる。外部磁界はこのように変化する抵抗値に基づい
て検出されるので、自由磁化層の磁化の向きは外部磁界
の変化に応じて容易に変化する一方で、使用温度環境下
において固定磁化層の磁化の向きが外部磁界に関わらず
確実に固定されていることが要求される。このため、固
定磁化層の反強磁性層として、ブロッキング温度（交換
結合磁界Ｈｅｘが発生し得る上限温度）の高い材料であ
るＰｔＭｎを用いることが検討されている。
【０００５】図５は、上記ＰｔＭｎを反強磁性層として
用いた固定磁化層の概略断面図である。図５に示したよ
うに、固定磁化層１０１は、表面がＳｉＯ２で被覆され
たＳｉウエハの基板１００上に形成され、この基板１０
０の上に形成されたＴａからなる下地層１０１ａと、下
地層１０１ａの上に形成された前記ＰｔＭｎからなる反
強磁性層１０１ｂと、反強磁性層１０１ｂの上に形成さ
れたＮｉＦｅからなる強磁性層１０１ｃとを備えてい
る。このように下地層１０１ａにＴａを使用するのは、
ＰｔＭｎの（１１１）面の配向性を向上させることがで
き、その結果、交換結合磁界Ｈｅｘを大きくできるから
である。
用いた固定磁化層の概略断面図である。図５に示したよ
うに、固定磁化層１０１は、表面がＳｉＯ２で被覆され
たＳｉウエハの基板１００上に形成され、この基板１０
０の上に形成されたＴａからなる下地層１０１ａと、下
地層１０１ａの上に形成された前記ＰｔＭｎからなる反
強磁性層１０１ｂと、反強磁性層１０１ｂの上に形成さ
れたＮｉＦｅからなる強磁性層１０１ｃとを備えてい
る。このように下地層１０１ａにＴａを使用するのは、
ＰｔＭｎの（１１１）面の配向性を向上させることがで
き、その結果、交換結合磁界Ｈｅｘを大きくできるから
である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＰｔＭｎか
らなる反強磁性層１０１ｂに上記交換結合磁界Ｈｅｘを
付与するために、高温アニ−ル処理（成膜後の素子を高
温環境下にて所定の磁場中に放置する処理）を実施し、
これにより同ＰｔＭｎを規則合金化している。しかしな
がら、高温アニ−ル処理は（トンネル）絶縁膜等の他の
膜に悪影響を及ぼすため、結果として製造される素子の
磁気抵抗変化率が低下してしまうという問題がある。従
って、本発明の目的は、交換結合磁界Ｈｅｘが温度によ
り変化し難く、かつ、磁気抵抗変化率が大きい磁気トン
ネル効果素子を提供することにある。
らなる反強磁性層１０１ｂに上記交換結合磁界Ｈｅｘを
付与するために、高温アニ−ル処理（成膜後の素子を高
温環境下にて所定の磁場中に放置する処理）を実施し、
これにより同ＰｔＭｎを規則合金化している。しかしな
がら、高温アニ−ル処理は（トンネル）絶縁膜等の他の
膜に悪影響を及ぼすため、結果として製造される素子の
磁気抵抗変化率が低下してしまうという問題がある。従
って、本発明の目的は、交換結合磁界Ｈｅｘが温度によ
り変化し難く、かつ、磁気抵抗変化率が大きい磁気トン
ネル効果素子を提供することにある。
【０００７】
【本発明の概要】上記目的を達成するための本発明の特
徴は、基板上に形成される磁化の向きが固定された固定
磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由
磁化層と、前記固定磁化層及び前記自由磁化層との間に
挟まれる絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子に
おいて、前記固定磁化層を、前記基板上に形成されるＣ
ｒからなる下地層と、前記下地層の上に形成されるＰｔ
Ｍｎからなる反強磁性層と、前記反強磁性層の上に形成
される軟質磁性の強磁性層とから構成したことにある。
徴は、基板上に形成される磁化の向きが固定された固定
磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由
磁化層と、前記固定磁化層及び前記自由磁化層との間に
挟まれる絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子に
おいて、前記固定磁化層を、前記基板上に形成されるＣ
ｒからなる下地層と、前記下地層の上に形成されるＰｔ
Ｍｎからなる反強磁性層と、前記反強磁性層の上に形成
される軟質磁性の強磁性層とから構成したことにある。
【０００８】また、本発明の他の特徴は、このような磁
気トンネル効果素子の製造方法において、基板上にＣｒ
からなる下地層、ＰｔＭｎからなる反強磁性層、及び軟
質磁性の強磁性層とを積層し前記固定磁化層となる層を
形成する工程と、前記固定磁化層となる層の上に前記絶
縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記自由磁化
層を形成する工程と、前記固定磁化層となる層、前記絶
縁層、及び前記自由磁化層が積層された素子に所定の時
間だけ高温雰囲気下で磁界を加え前記固定磁化層となる
層の磁化の向きを固定する工程とを含んだことにある。
気トンネル効果素子の製造方法において、基板上にＣｒ
からなる下地層、ＰｔＭｎからなる反強磁性層、及び軟
質磁性の強磁性層とを積層し前記固定磁化層となる層を
形成する工程と、前記固定磁化層となる層の上に前記絶
縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記自由磁化
層を形成する工程と、前記固定磁化層となる層、前記絶
縁層、及び前記自由磁化層が積層された素子に所定の時
間だけ高温雰囲気下で磁界を加え前記固定磁化層となる
層の磁化の向きを固定する工程とを含んだことにある。
【０００９】図１は、反強磁性層にＰｔＭｎを使用する
とともに下地層に従来のＴａを使用した固定磁化層、及
び反強磁性層にＰｔＭｎを使用するとともに下地層に本
発明に基づいてＣｒを使用した固定磁化層のそれぞれに
ついて、反強磁性層により磁化の向きが固定される強磁
性層の膜厚が異なり、且つ高温アニール処理を１時間又
は３時間施した複数の試料を準備し、これらの各交換結
合磁界Ｈｅｘを測定した結果を示すグラフである。
とともに下地層に従来のＴａを使用した固定磁化層、及
び反強磁性層にＰｔＭｎを使用するとともに下地層に本
発明に基づいてＣｒを使用した固定磁化層のそれぞれに
ついて、反強磁性層により磁化の向きが固定される強磁
性層の膜厚が異なり、且つ高温アニール処理を１時間又
は３時間施した複数の試料を準備し、これらの各交換結
合磁界Ｈｅｘを測定した結果を示すグラフである。
【００１０】図１から明らかなように、下地層に従来の
Ｔａを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理
を１時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘは、
同処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅ
ｘの１／２以下の大きさとなった。これに対し、本発明
にしたがって下地層にＣｒを用いた固定磁化層にあって
は、高温アニール処理を１時間施した場合と３時間施し
た場合の何れにおいても略等しい大きさの交換結合磁界
Ｈｅｘが得られ、しかも同交換磁界Ｈｅｘの大きさは下
地層をＴａとして高温アニール処理を３時間施した場合
に得られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさと同等となっ
た。即ち、本発明に基づき下地層をＣｒとすれば、大き
な交換結合磁界Ｈｅｘを有する固定磁化層を短時間（例
えば、１時間）の高温アニール処理により得ることがで
きることが解った。従って、本発明によれば、高温アニ
ール処理を長時間施すことによる他の膜の劣化を回避す
ることができるので、磁気抵抗変化率の高い磁気トンネ
ル効果素子を得ることが可能となる。
Ｔａを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理
を１時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘは、
同処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅ
ｘの１／２以下の大きさとなった。これに対し、本発明
にしたがって下地層にＣｒを用いた固定磁化層にあって
は、高温アニール処理を１時間施した場合と３時間施し
た場合の何れにおいても略等しい大きさの交換結合磁界
Ｈｅｘが得られ、しかも同交換磁界Ｈｅｘの大きさは下
地層をＴａとして高温アニール処理を３時間施した場合
に得られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさと同等となっ
た。即ち、本発明に基づき下地層をＣｒとすれば、大き
な交換結合磁界Ｈｅｘを有する固定磁化層を短時間（例
えば、１時間）の高温アニール処理により得ることがで
きることが解った。従って、本発明によれば、高温アニ
ール処理を長時間施すことによる他の膜の劣化を回避す
ることができるので、磁気抵抗変化率の高い磁気トンネ
ル効果素子を得ることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明による磁気トンネル
効果素子の実施形態について図面を参照しつつ説明す
る。図２はかかる磁気トンネル効果素子の概略断面図で
あり、この素子は、シリコン表面を深さ４５０ｎｍまで
酸化してＳｉＯ2とした基板１０の上に順に積層された
固定磁化層１１、絶縁層１２、自由磁化層１３、及びダ
ミー膜１４を備えている。なお、上記基板１０は、例え
ば、ガラス、又は石英等から構成することもできる。
効果素子の実施形態について図面を参照しつつ説明す
る。図２はかかる磁気トンネル効果素子の概略断面図で
あり、この素子は、シリコン表面を深さ４５０ｎｍまで
酸化してＳｉＯ2とした基板１０の上に順に積層された
固定磁化層１１、絶縁層１２、自由磁化層１３、及びダ
ミー膜１４を備えている。なお、上記基板１０は、例え
ば、ガラス、又は石英等から構成することもできる。
【００１２】固定磁化層１１は、検出すべき外部磁界に
よっては磁化の向きが変化しないように形成される硬質
磁性の磁性層であって、基板１０の直上に形成された膜
厚１０ｎｍのＣｒからなる下地層１１ａと、この下地層
１１ａの上に形成された膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎからな
る反強磁性層１１ｂと、この反強磁性層１１ｂの上に形
成された膜厚１０ｎｍのＮｉＦｅからなる軟質磁性の強
磁性層（下磁性層）１１ｃとから構成されている。軟質
磁性の強磁性層１１ｃは、反強磁性層１１ｂとの間に生
じる交換結合（交換結合磁界Ｈｅｘ）によりその磁化の
向きが固定されている。このため、反強磁性層１１ｂは
固定層（ピン層）と呼ばれ、軟質磁性の強磁性層１１ｃ
は被固定層（ピンド層）と呼ばれる。なお、上記下地層
１１ａは、ダミー膜１４上に形成される図示しない上部
電極とともに、固定磁化層１１、絶縁層１２、及び自由
磁化層１３に対して直流電圧を印加し、これらの層１１
〜１３の呈する抵抗値Ｒを測定するように機能する下部
電極を兼ねている。
よっては磁化の向きが変化しないように形成される硬質
磁性の磁性層であって、基板１０の直上に形成された膜
厚１０ｎｍのＣｒからなる下地層１１ａと、この下地層
１１ａの上に形成された膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎからな
る反強磁性層１１ｂと、この反強磁性層１１ｂの上に形
成された膜厚１０ｎｍのＮｉＦｅからなる軟質磁性の強
磁性層（下磁性層）１１ｃとから構成されている。軟質
磁性の強磁性層１１ｃは、反強磁性層１１ｂとの間に生
じる交換結合（交換結合磁界Ｈｅｘ）によりその磁化の
向きが固定されている。このため、反強磁性層１１ｂは
固定層（ピン層）と呼ばれ、軟質磁性の強磁性層１１ｃ
は被固定層（ピンド層）と呼ばれる。なお、上記下地層
１１ａは、ダミー膜１４上に形成される図示しない上部
電極とともに、固定磁化層１１、絶縁層１２、及び自由
磁化層１３に対して直流電圧を印加し、これらの層１１
〜１３の呈する抵抗値Ｒを測定するように機能する下部
電極を兼ねている。
【００１３】絶縁層１２は、絶縁材であるＡｌ2Ｏ3から
なり、その膜厚は２ｎｍとされている。自由磁化層１３
は、磁化の向きが外部磁界に応じて容易に変化するよう
に形成される軟質磁性の磁性層であって、絶縁層１２の
上に形成された膜厚４０ｎｍのＮｉＦｅからなり、固定
磁化層１１、絶縁層１２とともに磁気トンネル接合構造
を形成している。ダミー膜１４は、自由磁化層１３の上
に形成され、膜厚３０ｎｍのＭоからなっている。
なり、その膜厚は２ｎｍとされている。自由磁化層１３
は、磁化の向きが外部磁界に応じて容易に変化するよう
に形成される軟質磁性の磁性層であって、絶縁層１２の
上に形成された膜厚４０ｎｍのＮｉＦｅからなり、固定
磁化層１１、絶縁層１２とともに磁気トンネル接合構造
を形成している。ダミー膜１４は、自由磁化層１３の上
に形成され、膜厚３０ｎｍのＭоからなっている。
【００１４】次に、上記磁気トンネル効果素子の製造方
法について説明する。まず、上記ＳｉＯ2／Ｓｉからな
る基板１０をスパッタ装置のチャンバ内にセットし、同
チャンバ内を１×１０-7Ｔｏｒｒ以下まで排気する。そ
して、例えば、純度が９９．９９９９％のＡｒガスをチ
ャンバ内の圧力が４ｍＴｏｒｒになるまで同チャンバ内
に導入した後、スパッタリングにより膜厚が１０ｎｍの
Ｃｒ膜を下地層１１ａとして成膜する。次いで、いずれ
もスパッタリングにより、下地層１１ａの上に反強磁性
層１１ｂとしてのＰｔＭｎ膜を膜厚３０ｎｍとなるよう
に成膜し、反強磁性層１１ｂの上に軟質磁性の強磁性層
１１ｃとしてのＮｉＦｅ膜を膜厚１０ｎｍとなるように
成膜する。
法について説明する。まず、上記ＳｉＯ2／Ｓｉからな
る基板１０をスパッタ装置のチャンバ内にセットし、同
チャンバ内を１×１０-7Ｔｏｒｒ以下まで排気する。そ
して、例えば、純度が９９．９９９９％のＡｒガスをチ
ャンバ内の圧力が４ｍＴｏｒｒになるまで同チャンバ内
に導入した後、スパッタリングにより膜厚が１０ｎｍの
Ｃｒ膜を下地層１１ａとして成膜する。次いで、いずれ
もスパッタリングにより、下地層１１ａの上に反強磁性
層１１ｂとしてのＰｔＭｎ膜を膜厚３０ｎｍとなるよう
に成膜し、反強磁性層１１ｂの上に軟質磁性の強磁性層
１１ｃとしてのＮｉＦｅ膜を膜厚１０ｎｍとなるように
成膜する。
【００１５】次に、軟質磁性の磁性層１１ｃの上に、ス
パッタリングにより膜厚が２ｎｍのＡｌ膜を成膜し、こ
の状態の素子を処理室に移動させてＡｌ膜の酸化処理を
行ってＡｌ2Ｏ3からなる絶縁層１２を形成する。そし
て、絶縁層１２の上に、スパッタリングにより膜厚が４
０ｎｍのＮｉＦｅ膜を自由磁化層１３として成膜し、自
由磁化層１３の上に、スパッタリングにより膜厚が３０
ｎｍのＭо膜をダミー膜１４として成膜する。
パッタリングにより膜厚が２ｎｍのＡｌ膜を成膜し、こ
の状態の素子を処理室に移動させてＡｌ膜の酸化処理を
行ってＡｌ2Ｏ3からなる絶縁層１２を形成する。そし
て、絶縁層１２の上に、スパッタリングにより膜厚が４
０ｎｍのＮｉＦｅ膜を自由磁化層１３として成膜し、自
由磁化層１３の上に、スパッタリングにより膜厚が３０
ｎｍのＭо膜をダミー膜１４として成膜する。
【００１６】その後、高温アニール処理（高温雰囲気下
での磁場中アニール処理、熱処理）を施す。この処理
は、ＰｔＭｎからなる反強磁性層１１ｂを規則化するこ
とにより同着磁された軟質磁性の強磁性層１１ｃの磁化
の向きを固定させるため（即ち、交換結合磁界Ｈｅｘを
大きくするため）に行う処理である。
での磁場中アニール処理、熱処理）を施す。この処理
は、ＰｔＭｎからなる反強磁性層１１ｂを規則化するこ
とにより同着磁された軟質磁性の強磁性層１１ｃの磁化
の向きを固定させるため（即ち、交換結合磁界Ｈｅｘを
大きくするため）に行う処理である。
【００１７】具体的には、上記層構造（膜構成）を有す
る素子をチャンバ内にセットし、同チャンバ内の真空度
を２×１０-4以下の高真空度とする。次いで、図３に示
したように、チャンバ内の温度を１時間で室温から２７
０℃まで上昇させ、その後、１時間だけ温度を２７０℃
一定に維持する。この温度一定期間において、前記素子
の固定磁化層１１となるべき層の強磁性膜１１ｃの磁化
が飽和するために必要な大きさ、またはそれ以上の大き
さを有する磁界（例えば、２ｋ（Ｏｅ））を同素子に付
与する。この温度が一定の高温であって所定の磁場中に
素子を放置している時間を高温アニール処理時間とい
い、この時間が長いと素子を構成するトンネル絶縁膜１
２等が劣化して、結果的に得られる磁気トンネル効果素
子の特性（磁気抵抗変化率）が低下する。高温アニール
処理時間の経過後は、５時間をかけて室温まで冷却す
る。
る素子をチャンバ内にセットし、同チャンバ内の真空度
を２×１０-4以下の高真空度とする。次いで、図３に示
したように、チャンバ内の温度を１時間で室温から２７
０℃まで上昇させ、その後、１時間だけ温度を２７０℃
一定に維持する。この温度一定期間において、前記素子
の固定磁化層１１となるべき層の強磁性膜１１ｃの磁化
が飽和するために必要な大きさ、またはそれ以上の大き
さを有する磁界（例えば、２ｋ（Ｏｅ））を同素子に付
与する。この温度が一定の高温であって所定の磁場中に
素子を放置している時間を高温アニール処理時間とい
い、この時間が長いと素子を構成するトンネル絶縁膜１
２等が劣化して、結果的に得られる磁気トンネル効果素
子の特性（磁気抵抗変化率）が低下する。高温アニール
処理時間の経過後は、５時間をかけて室温まで冷却す
る。
【００１８】次に、上記実施形態に係る磁気トンネル効
果素子の作動及び特性について図４を参照しながら説明
する。図４は、上記磁気トンネル効果素子について、外
部磁界Ｈに対する抵抗値Ｒの変化を測定した結果を示す
グラフである。この測定結果を、同測定の時間的順序に
沿って説明すると、まず外部磁界Ｈを３００（Ｏｅ）ま
で上昇させて抵抗値Ｒの測定を開始し、同外部磁界を０
（Ｏｅ）に向けて低下させる。この状態においては、固
定磁化層１１と自由磁化層１３の磁化の向きは同一向き
となっているので、抵抗値は最小値Ｒmin（５．０
（Ω））近傍の値となっている。
果素子の作動及び特性について図４を参照しながら説明
する。図４は、上記磁気トンネル効果素子について、外
部磁界Ｈに対する抵抗値Ｒの変化を測定した結果を示す
グラフである。この測定結果を、同測定の時間的順序に
沿って説明すると、まず外部磁界Ｈを３００（Ｏｅ）ま
で上昇させて抵抗値Ｒの測定を開始し、同外部磁界を０
（Ｏｅ）に向けて低下させる。この状態においては、固
定磁化層１１と自由磁化層１３の磁化の向きは同一向き
となっているので、抵抗値は最小値Ｒmin（５．０
（Ω））近傍の値となっている。
【００１９】続いて、外部磁界Ｈを負の値となるように
変化させる。外部磁界Ｈの値が負とは、同外部磁界Ｈの
向きと固定磁化層１１の固定された磁化の向きとが１８
０度異なることを意味している。図４から明らかなよう
に、外部磁界が０〜略−１００（Ｏｅ）の領域において
は、抵抗値Ｒは最大値Ｒmaxを示している。この状態に
おいては、固定磁化層１１の磁化の向きは安定してい
て、同固定磁化層１１の磁化の向きと自由磁化層１３の
磁化の向きは逆向きとなっている。
変化させる。外部磁界Ｈの値が負とは、同外部磁界Ｈの
向きと固定磁化層１１の固定された磁化の向きとが１８
０度異なることを意味している。図４から明らかなよう
に、外部磁界が０〜略−１００（Ｏｅ）の領域において
は、抵抗値Ｒは最大値Ｒmaxを示している。この状態に
おいては、固定磁化層１１の磁化の向きは安定してい
て、同固定磁化層１１の磁化の向きと自由磁化層１３の
磁化の向きは逆向きとなっている。
【００２０】更に、外部磁界Ｈを負方向に変化させる
と、外部磁界Ｈにより固定磁化層１１の固定された磁化
の向きの反転が始まり、抵抗値Ｒが最大値Ｒmaxから低
下する。抵抗値Ｒが最大値Ｒmaxから低下し始める磁界
の大きさが交換結合磁界Ｈｅｘである。そして、外部磁
界Ｈが略−３００（Ｏｅ）となると、固定磁化層１１の
固定された磁化の向きが完全に反転するために抵抗値Ｒ
は極めて小さな値となる。次いで、外部磁界Ｈを−３０
０（Ｏｅ）から正の向きに増大すると、抵抗値Ｒは次第
に増大し、同外部磁界Ｈが０（Ｏｅ）となったとき極大
値をとる。そして、外部磁界Ｈが正の値となると、再び
抵抗値は略最小値Ｒminとなる。
と、外部磁界Ｈにより固定磁化層１１の固定された磁化
の向きの反転が始まり、抵抗値Ｒが最大値Ｒmaxから低
下する。抵抗値Ｒが最大値Ｒmaxから低下し始める磁界
の大きさが交換結合磁界Ｈｅｘである。そして、外部磁
界Ｈが略−３００（Ｏｅ）となると、固定磁化層１１の
固定された磁化の向きが完全に反転するために抵抗値Ｒ
は極めて小さな値となる。次いで、外部磁界Ｈを−３０
０（Ｏｅ）から正の向きに増大すると、抵抗値Ｒは次第
に増大し、同外部磁界Ｈが０（Ｏｅ）となったとき極大
値をとる。そして、外部磁界Ｈが正の値となると、再び
抵抗値は略最小値Ｒminとなる。
【００２１】このように、磁気トンネル効果素子の抵抗
値Ｒは変化するが、通常の使用状態においては、外部磁
界Ｈを交換結合磁界Ｈｅｘ以下の範囲（この例では、−
Ｈｅｘ以上、即ち−１００（Ｏｅ）以上の範囲）で使用
するため、抵抗値Ｒの大きさにより外部磁界Ｈの方向を
検出することができる。
値Ｒは変化するが、通常の使用状態においては、外部磁
界Ｈを交換結合磁界Ｈｅｘ以下の範囲（この例では、−
Ｈｅｘ以上、即ち−１００（Ｏｅ）以上の範囲）で使用
するため、抵抗値Ｒの大きさにより外部磁界Ｈの方向を
検出することができる。
【００２２】次に、上記実施形態に係る磁気トンネル効
果素子の固定磁化層の交換結合磁界と高温アニール処理
時間との関係について、従来の磁気トンネル効果素子と
の比較しながら説明する。
果素子の固定磁化層の交換結合磁界と高温アニール処理
時間との関係について、従来の磁気トンネル効果素子と
の比較しながら説明する。
【００２３】図１は、反強磁性層にＰｔＭｎを使用する
とともに、下地層に従来のＴａを使用した固定磁化層、
及び上記実施形態のように下地層にＣｒを使用した固定
磁化層のそれぞれにつき、前記反強磁性層ＰｔＭｎによ
り磁化の向きが固定されるＮｉＦｅからなる磁性層の膜
厚を異ならせるとともに高温アニール処置を１時間又は
３時間施した試料について、その交換結合磁界Ｈｅｘを
測定した結果を示している。
とともに、下地層に従来のＴａを使用した固定磁化層、
及び上記実施形態のように下地層にＣｒを使用した固定
磁化層のそれぞれにつき、前記反強磁性層ＰｔＭｎによ
り磁化の向きが固定されるＮｉＦｅからなる磁性層の膜
厚を異ならせるとともに高温アニール処置を１時間又は
３時間施した試料について、その交換結合磁界Ｈｅｘを
測定した結果を示している。
【００２４】図１から明らかなように、下地層に従来の
Ｔａを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理
を１時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘは、
同処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅ
ｘの１／２以下の大きさとなった。これに対し、上記実
施形態の下地層にＣｒを用いた固定磁化層にあっては、
高温アニール処理を１時間施した場合と３時間施した場
合の何れにおいても略等しい大きさの交換結合磁界Ｈｅ
ｘが得られ、しかも同交換磁界Ｈｅｘの大きさは下地層
をＴａとして高温アニール処理を３時間施した場合に得
られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさと同等となった。
Ｔａを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理
を１時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘは、
同処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅ
ｘの１／２以下の大きさとなった。これに対し、上記実
施形態の下地層にＣｒを用いた固定磁化層にあっては、
高温アニール処理を１時間施した場合と３時間施した場
合の何れにおいても略等しい大きさの交換結合磁界Ｈｅ
ｘが得られ、しかも同交換磁界Ｈｅｘの大きさは下地層
をＴａとして高温アニール処理を３時間施した場合に得
られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさと同等となった。
【００２５】以上説明したように、上記実施形態によれ
ば、高温アニール処理時間を通常の３時間に対して非常
に短時間である１時間とすることで十分に大きな交換結
合磁界Ｈｅｘを有する固定磁化層を得ることができるの
で、高温アニール処理中における他の膜の劣化を極力回
避することができる。従って、上記実施形態の磁気トン
ネル効果素子は、大きな交換結合磁界Ｈｅｘを有すると
ともに、磁気抵抗変化率を高く維持するものとなった。
ば、高温アニール処理時間を通常の３時間に対して非常
に短時間である１時間とすることで十分に大きな交換結
合磁界Ｈｅｘを有する固定磁化層を得ることができるの
で、高温アニール処理中における他の膜の劣化を極力回
避することができる。従って、上記実施形態の磁気トン
ネル効果素子は、大きな交換結合磁界Ｈｅｘを有すると
ともに、磁気抵抗変化率を高く維持するものとなった。
【図１】 本発明による磁気トンネル効果素子における
固定磁化層の交換結合磁界の変化を、従来の磁気トンネ
ル効果素子の固定磁化層の交換結合磁界の変化と比較し
て示したグラフである。
固定磁化層の交換結合磁界の変化を、従来の磁気トンネ
ル効果素子の固定磁化層の交換結合磁界の変化と比較し
て示したグラフである。
【図２】 本発明による磁気トンネル効果素子の概略断
面図である。
面図である。
【図３】 高温アニール処理におけるチャンバ内の温度
の変化を示した図である。
の変化を示した図である。
【図４】 図２に示した磁気トンネル効果素子の外部磁
界に対する抵抗値の変化を示したグラフである。
界に対する抵抗値の変化を示したグラフである。
【図５】 従来の磁気トンネル効果素子の固定磁化層の
概略断面図である。
概略断面図である。
１０…基板、１１…固定磁化層、１１ａ…下地層、１１
ｂ…反強磁性層、１１ｃ…軟質磁性の強磁性層、１２…
絶縁層（トンネル絶縁膜）、１３…自由磁化層、１４…
ダミー膜。
ｂ…反強磁性層、１１ｃ…軟質磁性の強磁性層、１２…
絶縁層（トンネル絶縁膜）、１３…自由磁化層、１４…
ダミー膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 43/12 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ Ｆターム(参考） 2G017 AA02 AA03 AD55 AD64 AD69 5D034 BA03 BA04 BA05 BA15 CA08 DA07 5E049 AA07 AA09 AC05 BA12 BA16 DB04 DB14 GC01
Claims (2)
- 【請求項１】基板上に形成される磁化の向きが固定され
た固定磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化す
る自由磁化層と、前記固定磁化層及び前記自由磁化層と
の間に挟まれる絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果
素子において、 前記固定磁化層は、前記基板上に形成されるＣｒからな
る下地層と、前記下地層の上に形成されるＰｔＭｎから
なる反強磁性層と、前記反強磁性層の上に形成される軟
質磁性の強磁性層とからなることを特徴とする磁気トン
ネル効果素子。 - 【請求項２】基板上に形成される磁化の向きが固定され
た固定磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化す
る自由磁化層と、前記固定磁化層及び前記自由磁化層と
の間に挟まれる絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果
素子の製造方法において、 前記基板上にＣｒからなる下地層、ＰｔＭｎからなる反
強磁性層、及び軟質磁性の強磁性層とを積層し前記固定
磁化層となる層を形成する工程と、 前記固定磁化層となる層の上に前記絶縁層を形成する工
程と、 前記絶縁層の上に前記自由磁化層を形成する工程と、 前記固定磁化層となる層、前記絶縁層、及び前記自由磁
化層が積層された素子に所定の時間だけ高温雰囲気下で
磁界を加え前記固定磁化層となる層の磁化の向きを固定
する工程とを含んだことを特徴とする磁気トンネル効果
素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000239681A JP3551134B2 (ja) | 2000-08-08 | 2000-08-08 | 磁気トンネル効果素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000239681A JP3551134B2 (ja) | 2000-08-08 | 2000-08-08 | 磁気トンネル効果素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002057380A true JP2002057380A (ja) | 2002-02-22 |
| JP3551134B2 JP3551134B2 (ja) | 2004-08-04 |
Family
ID=18731179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000239681A Expired - Fee Related JP3551134B2 (ja) | 2000-08-08 | 2000-08-08 | 磁気トンネル効果素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3551134B2 (ja) |
-
2000
- 2000-08-08 JP JP2000239681A patent/JP3551134B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3551134B2 (ja) | 2004-08-04 |
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