JP2002084016A - 強磁性トンネル接合素子及びその製造方法 - Google Patents

強磁性トンネル接合素子及びその製造方法

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JP2002084016A JP2000270945A JP2000270945A JP2002084016A JP 2002084016 A JP2002084016 A JP 2002084016A JP 2000270945 A JP2000270945 A JP 2000270945A JP 2000270945 A JP2000270945 A JP 2000270945A JP 2002084016 A JP2002084016 A JP 2002084016A
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Masashige Sato
雅重 佐藤
Hideyuki Kikuchi
英幸 菊地
Kazuo Kobayashi
和雄 小林
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強磁性トンネル接合素子及びその製造方法に
関し、強磁性トンネル接合に於ける絶縁層の平坦性を向
上させる旨の簡単な手段を採ることに依って、抵抗変化
率が大きく、且つ、トンネル抵抗値が低い強磁性トンネ
ル接合素子を実現しようとする。 【解決手段】 強磁性層/絶縁層/強磁性層からなる積
層構造をもつ強磁性トンネル接合素子に於いて、絶縁層
に於ける表面粗さRaが1.0〔nm〕以下となるよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高密度磁気記録の
読み出しヘッド、磁場感知用のセンサ、磁気メモリなど
として有用な強磁性トンネル接合素子及びその製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】金属層/絶縁体層/金属層からなる積層
構造をもつ接合に於いて、絶縁体層が2〜3〔Å〕乃至
20〜30〔Å〕程度の薄層である場合、上下両面の金
属層間に電圧を印加した場合、僅かな電流が流れる。
【0003】この電流はトンネル電流と呼ばれ、また、
その現象は、トンネル効果と呼ばれていて、量子力学的
に説明される。
【0004】また、前記積層構造に於いて、上下両面の
金属層を強磁性体に代替し、強磁性層/絶縁層/強磁性
層からなる積層構造をもつ接合が知られ、強磁性トンネ
ル接合と呼ばれ、その積層構造は周知であるから図示し
ないが、要すれば、「日経エレクトロニクス 2000
年6月5日号 第168頁乃至第172頁」、を参照さ
れるとよい。
【0005】その強磁性トンネル接合に於けるトンネル
電流の大きさは、上下両面の強磁性層に於ける磁化状態
に依存することが知られ、両強磁性層に於ける磁化の方
向が同じ向きである場合に最も大きいトンネル電流が流
れ、そして、前記磁化の方向が反対の向きである場合に
トンネル電流は最も小さくなる。
【0006】この理由は、強磁性体内の伝導電子が分極
していて、電子がこの分極を維持したままトンネルする
ことに起因すると説明され、アップ(up)方向に分極
した電子は、アップ状態にしかトンネルできず、ダウン
(down)方向に分極した電子は、ダウン状態にしか
トンネルできない。
【0007】絶縁層を挟んだ両強磁性層の磁化方向が同
じである場合、同じ状態から同じ状態にトンネルできる
為、トンネル確率が高く、大きなトンネル電流が流れる
のであるが、前記磁化方向が逆の場合、アップ電子とダ
ウン電子のトンネル先の状態に空きがなければトンネル
することができず、従って、トンネル確率は低く、トン
ネル電流は小さくなる。
【0008】前記磁化方向に依存する現象を抵抗値で表
すと、磁化方向が同じである場合の抵抗をRp 、反対で
ある場合の抵抗をRapとした場合、抵抗変化率MRは、 MR=(Rap−Rp )/Rp ×100〔%〕 の式で表される。
【0009】強磁性層としてCo、Fe、Ni等の強磁
性金属を用いた場合、抵抗変化率MRとして20〔%〕
〜50〔%〕程度の値が得られる旨が理論的に予測さ
れ、また、実験的にもそれに近い値が得られている。
【0010】この抵抗変化率MRは、従来の異方性磁気
抵抗効果(AMR)、或いは、巨大磁気抵抗効果(GM
R)と比較して大きいことから、次世代の磁気センサと
して位置付けられ、ハードディスクドライブの読み取り
ヘッド、磁気メモリなどへの応用が期待されている。
【0011】然しながら、強磁性トンネル効果を実現す
るには、極めて薄い絶縁層が必要であることから、大き
なMR比を示す強磁性トンネル接合を作成することは困
難であり、例えば、成膜条件や材料に依って、強磁性接
合のMR比は大きく異なり、特に、トンネル抵抗を小さ
くする為に絶縁層を薄くした場合、ピンホールが生成さ
れ易くなり、そのピンホールが強磁性トンネル接合の特
性を劣化させる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、強磁性トン
ネル接合に於ける絶縁層の平坦性を向上させる旨の簡単
な手段を採ることに依って、抵抗変化率が大きく、且
つ、トンネル抵抗値が低い強磁性トンネル接合素子を実
現しようとする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明では、強磁性層/
絶縁層/強磁性層からなる積層構造に於ける絶縁層の表
面粗さ(平均粗さRa)で1.0〔nm〕以下とし、ま
た、下地材料を適切に選択することが基本になってい
る。
【0014】前記手段を採ることに依り、小さなトンネ
ル抵抗値をもち、且つ、大きなMR比を示す強磁性トン
ネル接合を再現性良く安定に実現することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】実施の形態1 スパッタリング法を適用することに依り、Si基板上に
厚さ約40〔nm〕の下地材料層を堆積し、その上にN
iFe層(厚さ4.0〔nm〕)/CoFe層(厚さ
3.0〔nm〕)/Al−AlO層/CoFe層(厚さ
2.5〔nm〕)/IrMn層(厚さ15〔nm〕)/
Au層(厚さ10〔nm〕)からなる積層構造のトンネ
ル接合を作成した。
【0016】この場合、到達真空度1×10-4〔P
a〕、プロセスガスとしてArを0.2〔Pa〕、成膜
速度を0.1〔nm/秒〕〜10〔nm/秒〕とするこ
とで、平均粗さRaとして0.1〔nm〕〜5〔nm〕
程度を得た。
【0017】強磁性層間の絶縁層、即ち、AlO層を作
成するには、厚さが1.2〔nm〕のAl層を成膜し、
スパッタリング装置の成膜室内に純酸素を500〔P
a〕まで導入し、その状態を5〔分〕間維持することに
依って実現される。
【0018】前記のようにして作成した接合構造を1
〔μm2 〕〜10〔μm2 〕の大きさにパターニング
し、トンネル抵抗値の磁場依存性を測定し、MR比を算
出した。
【0019】また、上部強磁性層を成膜する前に於ける
積層構造の表面粗さについてAFM(atomic f
orce microscope)を用いて測定した。
【0020】下地材料を変えることで、層の表面状態も
MR比も異なった接合を得ることができ、そして、これ
ら各試料に於けるトンネル抵抗値は100〔Ωμm2
以下を示した。
【0021】図1は下地材料を換えた場合に於ける表面
粗さ(平均粗さRa)とMR比との相関を表す線図であ
り、横軸には平均粗さRaを、縦軸にはMR比をそれぞ
れ採ってある。
【0022】図中に記載された元素記号に付記されてい
る数字、例えば「Cr10」に於ける「10」は、Cr
の厚さ〔nm〕を示している。但し、Cu80Al20に於
ける「80」と「20」はCuAl合金に於ける割合を
示している。
【0023】図に依れば、粗さが1.0〔nm〕程度以
下になるとMR比が大きくなっていることが看取され
る。
【0024】実施の形態1に於いて採用した下地材料
は、Al、Cu、Cr、Ta、Ti、Ru、Pt及びそ
れ等を積層した層であるが、平均粗さRaを小さくする
ことができる材料であれば、上掲の材料に固執する必要
はなく、前記図中には見られないが、例えばCr/A
u、Cr/Cu、Cr/Pt、Cr/Pd、Ta/Cu
などの積層構造も全く同じ効果を奏することができる。
【0025】実施の形態2 実施の形態1に於いては、下地材料の層厚を図示の厚さ
に設定したが、下地に於ける層厚の絶対値は必ずしも例
示した値である必要はなく、下地材料、又は、その組み
合わせが同じである場合、層厚を異にする試料を作成し
たところ、実施の形態1と同効であった。
【0026】実施の形態3 実施の形態1及び2に於いては、下地材料を変えること
で平均粗さRaを変化させたが、同じ効果は、下地材料
や下部の強磁性層に於ける表面を研磨して平坦化するこ
とでも得ることができる。
【0027】即ち、下地材料層の成膜後、例えば化学機
械研磨(chemical mechanical p
olishing:CMP)法を適用し、表面に於ける
粗さが1〔nm〕程度以下になるよう研磨してから接合
部分を作成したり、或いは、下部強磁性層を成膜した段
階でCMP法を適用して研磨を行い、その後、絶縁層を
形成することでも他の実施の形態と同じ効果を得ること
ができる。
【0028】本発明に依る強磁性トンネル接合素子は、
高密度磁気記録の読み出しヘッド、磁場感知用のセン
サ、磁気メモリその他種々の分野に用いて好適である。
【0029】
【発明の効果】本発明に依る強磁性トンネル接合素子及
びその製造方法に於いては、強磁性層/絶縁層/強磁性
層からなる積層構造をもつ強磁性トンネル接合素子に於
いて、絶縁層に於ける表面粗さRaが1.0〔nm〕以
下であるようにすることが基本になっている。
【0030】前記構成を採ることに依り、小さなトンネ
ル抵抗値をもち、且つ、大きなMR比を示す強磁性トン
ネル接合を再現性良く安定に実現することが可能とな
り、また、その強磁性トンネル接合を実現するには、強
磁性層/絶縁層/強磁性層からなる積層構造の下地材料
を適切に選択したり、或いは、絶縁層の下方に在る下部
の強磁性層や下地層を研磨する旨の簡単な手段で容易に
実現することができ、特殊な手段は全く不要である。
【図面の簡単な説明】
【図1】下地材料を換えた場合に於ける表面粗さ(平均
粗さRa)とMR比との相関を表す線図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 小林 和雄 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 Fターム(参考) 2G017 AA01 AB07 AD54 5D034 BA03 BA15 DA07 5E049 AA01 AA04 AA07 BA12 BA16 GC01

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】強磁性層/絶縁層/強磁性層からなる積層
    構造をもつ強磁性トンネル接合素子に於いて、 絶縁層に於ける表面粗さRaが1.0〔nm〕以下であ
    ることを特徴とする強磁性トンネル接合素子。
  2. 【請求項2】基板に下地材料層を形成してから表面を研
    磨する工程と、 研磨後の下地材料層上に強磁性層/絶縁層/強磁性層か
    らなる積層構造を形成する工程とが含まれてなることを
    特徴とする強磁性トンネル接合素子の製造方法。
  3. 【請求項3】基板に下地材料層及び下部の強磁性層を積
    層形成してから表面を研磨する工程と、 研磨後の強磁性層上に絶縁層/強磁性層からなる積層構
    造を形成する工程とが含まれてなることを特徴とする強
    磁性トンネル接合素子の製造方法。
JP2000270945A 2000-09-07 2000-09-07 強磁性トンネル接合素子及びその製造方法 Withdrawn JP2002084016A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003031866A (ja) * 2001-07-13 2003-01-31 Sony Corp トンネル磁気抵抗効果膜および磁気抵抗記憶装置
JP2004266252A (ja) * 2003-03-03 2004-09-24 Samsung Electronics Co Ltd 磁気トンネル接合構造体及びその製造方法

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