JP2003069113A - 磁気トンネル接合及びその製造方法 - Google Patents
磁気トンネル接合及びその製造方法Info
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- Y10T29/49032—Fabricating head structure or component thereof
- Y10T29/49036—Fabricating head structure or component thereof including measuring or testing
- Y10T29/49043—Depositing magnetic layer or coating
- Y10T29/49044—Plural magnetic deposition layers
Abstract
(57)【要約】
【課題】 急速熱処理を施すことで電磁気的特性及び熱
的安定性を向上し得る、磁気トンネル接合及びその製造
方法を提供しようとする。 【解決手段】 第１磁性層１５と、第１磁性層１５の上
面に形成されたトンネル障壁層１６と、トンネル障壁層
１６の上面に形成された第２磁性層１７と、を包含する
磁気トンネル接合を形成し、この磁気トンネル接合を２
００〜６００℃の温度範囲で５秒〜１０分間の間急速熱
処理を施すことで、トンネル障壁層１６内の元素を再分
布させ、トンネル障壁層１６と第１、第２磁性層１５，
１７間の界面を均一化させて、磁気トンネル接合を製造
する。
的安定性を向上し得る、磁気トンネル接合及びその製造
方法を提供しようとする。 【解決手段】 第１磁性層１５と、第１磁性層１５の上
面に形成されたトンネル障壁層１６と、トンネル障壁層
１６の上面に形成された第２磁性層１７と、を包含する
磁気トンネル接合を形成し、この磁気トンネル接合を２
００〜６００℃の温度範囲で５秒〜１０分間の間急速熱
処理を施すことで、トンネル障壁層１６内の元素を再分
布させ、トンネル障壁層１６と第１、第２磁性層１５，
１７間の界面を均一化させて、磁気トンネル接合を製造
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気トンネル接合
に係るもので、詳しくは、急速熱処理を施すことで電磁
気的特性及び熱的安定性を向上し得る、磁気トンネル接
合及びその製造方法に関するものである。
に係るもので、詳しくは、急速熱処理を施すことで電磁
気的特性及び熱的安定性を向上し得る、磁気トンネル接
合及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Ju
nction：ＭＴＪ）の核心技術は、安定的で優れた磁気抵
抗特性を示す薄膜素材の開発技術と、従来の半導体回路
及び工程を利用した集積工程技術と、に大別される。最
近、研究が活発に行なわれているトンネル磁気抵抗（tu
nneling magnetoresistance；以下、ＴＭＲと略称す
る）効果とは、強磁性体／絶縁体（半導体）／強磁性体
の構造を有する接合において、強磁性体の相対的な磁化
方向によって磁気トンネル接合における電流（以下、ト
ンネル電流と称す）が変化する現象をいう。トンネル磁
気抵抗効果を示す磁気抵抗薄膜素子、即ち、磁気トンネ
ル接合素子は、磁気ディスクドライブの磁界センサーだ
けでなく、優れた特性の不揮発性の磁気ランダムアクセ
スメモリ（Magnetic Random Access Memory；以下、Ｍ
ＲＡＭと略称する）素子に最も適合した薄膜素子として
脚光を浴びている。
nction：ＭＴＪ）の核心技術は、安定的で優れた磁気抵
抗特性を示す薄膜素材の開発技術と、従来の半導体回路
及び工程を利用した集積工程技術と、に大別される。最
近、研究が活発に行なわれているトンネル磁気抵抗（tu
nneling magnetoresistance；以下、ＴＭＲと略称す
る）効果とは、強磁性体／絶縁体（半導体）／強磁性体
の構造を有する接合において、強磁性体の相対的な磁化
方向によって磁気トンネル接合における電流（以下、ト
ンネル電流と称す）が変化する現象をいう。トンネル磁
気抵抗効果を示す磁気抵抗薄膜素子、即ち、磁気トンネ
ル接合素子は、磁気ディスクドライブの磁界センサーだ
けでなく、優れた特性の不揮発性の磁気ランダムアクセ
スメモリ（Magnetic Random Access Memory；以下、Ｍ
ＲＡＭと略称する）素子に最も適合した薄膜素子として
脚光を浴びている。
【０００３】このような従来の磁気トンネル接合素子に
おいては、図７に示したように、基板１１と、下部リー
ド１２と、シード層（seed layer）ｌ３と、反強磁性層
１４と、第１磁性層１５と、トンネル障壁層1６と、第
２磁性層１７と、上部リード１８と、により構成されて
いる。即ち、従来の磁気トンネル接合は、絶縁層または
酸化層（一般にＡｌ2Ｏ3）からなる前記トンネル障壁層
１６を前記第１磁性層１５及び第２磁性層１７で挟むサ
ンドイッチ構造になっている。一般に、前記反強磁性層
１４は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎまたはＮｉＯに
より構成される。
おいては、図７に示したように、基板１１と、下部リー
ド１２と、シード層（seed layer）ｌ３と、反強磁性層
１４と、第１磁性層１５と、トンネル障壁層1６と、第
２磁性層１７と、上部リード１８と、により構成されて
いる。即ち、従来の磁気トンネル接合は、絶縁層または
酸化層（一般にＡｌ2Ｏ3）からなる前記トンネル障壁層
１６を前記第１磁性層１５及び第２磁性層１７で挟むサ
ンドイッチ構造になっている。一般に、前記反強磁性層
１４は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎまたはＮｉＯに
より構成される。
【０００４】前記磁気トンネル接合において、電流は、
各層に電流が平行に流れる巨大磁気抵抗（giant magnet
oresistance；ＧＭＲ）構造とは異なって前記各層に対
して垂直に流れる。従って、前記第１、第２磁性層１
５、１７のスピン方向（磁化方向）が同じ方向である
と、抵抗が小さくて電流のトンネル確率が高く、一方、
スピン方向（磁化方向）が正反対であると、抵抗が大き
くて電流のトンネル確率が小さい。即ち、トンネル電流
は、前記各磁性層１５、１７の相対的磁気スピン方向に
依存する。このように、磁気スピンの方向によってトン
ネル電流が変化する（即ち、接合の抵抗値が変化する）
性質を利用して、該当ビットが“０”であるかまたは
“１”であるかを判別することができる。従って、外部
から磁気トンネル接合に磁場を掛けて、ビットを記録ま
たは読出すことができる。
各層に電流が平行に流れる巨大磁気抵抗（giant magnet
oresistance；ＧＭＲ）構造とは異なって前記各層に対
して垂直に流れる。従って、前記第１、第２磁性層１
５、１７のスピン方向（磁化方向）が同じ方向である
と、抵抗が小さくて電流のトンネル確率が高く、一方、
スピン方向（磁化方向）が正反対であると、抵抗が大き
くて電流のトンネル確率が小さい。即ち、トンネル電流
は、前記各磁性層１５、１７の相対的磁気スピン方向に
依存する。このように、磁気スピンの方向によってトン
ネル電流が変化する（即ち、接合の抵抗値が変化する）
性質を利用して、該当ビットが“０”であるかまたは
“１”であるかを判別することができる。従って、外部
から磁気トンネル接合に磁場を掛けて、ビットを記録ま
たは読出すことができる。
【０００５】磁気トンネル接合は、保磁力の異なる２つ
の磁性層を利用してスピンの方向を制御し得る仮想スピ
ンバルブ（pseudo spin valve）型と、反強磁性層の交
換バイアス磁場を利用して２つの磁性層中何れか１つの
層のスピン方向を固定させることで、他の磁性層のスピ
ン方向を調節し得る交換バイアス型とに区分される。前
記ＭＲＡＭの動作時、一つのセルは、ビット線またはワ
ード線中の一つだけで選択されるケースが多く、このよ
うなセルは反復的に干渉を受ける。従って、磁気的クリ
ープ現象が生じて磁化が中間状態になるか、または、完
全に磁化反転が発生する可能性がある。このような場合
にはメモリ素子のエラーを誘発するため、反強磁性層に
よるスピン方向（磁化方向）の強力な固定が要求され
る。そのため、前記反強磁性層１４を合成反強磁性材料
（強磁性層／非磁性層／強磁性層）により構成して、前
記第１磁性層１５のスピン方向（磁化方向）を固定する
効果を増大させている。
の磁性層を利用してスピンの方向を制御し得る仮想スピ
ンバルブ（pseudo spin valve）型と、反強磁性層の交
換バイアス磁場を利用して２つの磁性層中何れか１つの
層のスピン方向を固定させることで、他の磁性層のスピ
ン方向を調節し得る交換バイアス型とに区分される。前
記ＭＲＡＭの動作時、一つのセルは、ビット線またはワ
ード線中の一つだけで選択されるケースが多く、このよ
うなセルは反復的に干渉を受ける。従って、磁気的クリ
ープ現象が生じて磁化が中間状態になるか、または、完
全に磁化反転が発生する可能性がある。このような場合
にはメモリ素子のエラーを誘発するため、反強磁性層に
よるスピン方向（磁化方向）の強力な固定が要求され
る。そのため、前記反強磁性層１４を合成反強磁性材料
（強磁性層／非磁性層／強磁性層）により構成して、前
記第１磁性層１５のスピン方向（磁化方向）を固定する
効果を増大させている。
【０００６】且つ、磁気トンネル接合素子の開発におい
て最も重大なことの一つとして、ＴＭＲ比率を増加させ
ることが挙げられる。なぜならば、前記ＴＭＲ比率は、
ＭＲＡＭの出力、密度及び速度に大いに影響を及ぼす重
要な要素であるからである。また、磁気トンネル接合素
子の開発において、記録のための磁化の反転及び熱的安
定性も非常に重要である。一般に、４〜６インチのウエ
ハにおいて、ＴＭＲ比率及び磁気トンネル接合の抵抗
（抵抗に接合面を乗算した比抵抗（Ｒ×Ａ：ここで、Ｒ
は抵抗、Ａは接合面の面積））は比較的良好な分布を示
すが、磁気トンネル接合の磁化反転が発生する磁場はか
なり不均一である。このように不均一な磁場は、磁気ト
ンネル接合素子の大きさの減少に伴って、特に、１μｍ
2以下で一層増加することが観察される。その理由とし
ては、磁区による複雑な磁化反転挙動及びエッチング工
程により製造される微細パターン化された素子形状の不
均一性が主要要因として推定されている。
て最も重大なことの一つとして、ＴＭＲ比率を増加させ
ることが挙げられる。なぜならば、前記ＴＭＲ比率は、
ＭＲＡＭの出力、密度及び速度に大いに影響を及ぼす重
要な要素であるからである。また、磁気トンネル接合素
子の開発において、記録のための磁化の反転及び熱的安
定性も非常に重要である。一般に、４〜６インチのウエ
ハにおいて、ＴＭＲ比率及び磁気トンネル接合の抵抗
（抵抗に接合面を乗算した比抵抗（Ｒ×Ａ：ここで、Ｒ
は抵抗、Ａは接合面の面積））は比較的良好な分布を示
すが、磁気トンネル接合の磁化反転が発生する磁場はか
なり不均一である。このように不均一な磁場は、磁気ト
ンネル接合素子の大きさの減少に伴って、特に、１μｍ
2以下で一層増加することが観察される。その理由とし
ては、磁区による複雑な磁化反転挙動及びエッチング工
程により製造される微細パターン化された素子形状の不
均一性が主要要因として推定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】然るに、従来の磁気ト
ンネル接合の製造方法においては、磁気トンネル接合に
磁場を加えながら長時間の間熱処理を施すことで、磁気
トンネル接合のＴＭＲ比及び交換磁気異方性（Ｈex）を
向上させると共に、磁気スピン方向が制御される自由層
の磁化反転時の矩形性（squareness）を向上させていた
ため、製造費用が増加するという不都合な点があった。
ンネル接合の製造方法においては、磁気トンネル接合に
磁場を加えながら長時間の間熱処理を施すことで、磁気
トンネル接合のＴＭＲ比及び交換磁気異方性（Ｈex）を
向上させると共に、磁気スピン方向が制御される自由層
の磁化反転時の矩形性（squareness）を向上させていた
ため、製造費用が増加するという不都合な点があった。
【０００８】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、短時間の熱処理だけで磁気トンネル
接合のＴＭＲ比率及び交換磁気異方性Ｈexを向上させ、
自由層の磁化反転時の矩形性を向上させると共に、磁気
トンネル接合の熱的安定性を向上し得る、磁気トンネル
接合及びその製造方法を提供することを目的とする。
てなされたもので、短時間の熱処理だけで磁気トンネル
接合のＴＭＲ比率及び交換磁気異方性Ｈexを向上させ、
自由層の磁化反転時の矩形性を向上させると共に、磁気
トンネル接合の熱的安定性を向上し得る、磁気トンネル
接合及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法にお
いては、第１磁性層と、該第１磁性層の上面に形成され
たトンネル障壁層と、該トンネル障壁層の上面に形成さ
れた第２磁性層と、を包含する磁気トンネル接合を形成
し、前記磁気トンネル接合を２００〜６００℃の温度範
囲で５秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、前記
トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル障壁
層と前記第１、第２磁気層間の界面を均一化させること
を特徴とする。
るため、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法にお
いては、第１磁性層と、該第１磁性層の上面に形成され
たトンネル障壁層と、該トンネル障壁層の上面に形成さ
れた第２磁性層と、を包含する磁気トンネル接合を形成
し、前記磁気トンネル接合を２００〜６００℃の温度範
囲で５秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、前記
トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル障壁
層と前記第１、第２磁気層間の界面を均一化させること
を特徴とする。
【００１０】前記急速熱処理は、磁場を加えながら行う
ようにしてもよく、また、前記急速熱処理は、赤外線ラ
ンプを使用して放射状に行うとよい。前記急速熱処理を
施した後、１０秒〜１０分間冷却させ、素子の特性を向
上させるために前記急速熱処理を施した後、追加的に従
来の熱処理を施すこともできる。
ようにしてもよく、また、前記急速熱処理は、赤外線ラ
ンプを使用して放射状に行うとよい。前記急速熱処理を
施した後、１０秒〜１０分間冷却させ、素子の特性を向
上させるために前記急速熱処理を施した後、追加的に従
来の熱処理を施すこともできる。
【００１１】本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法
により製造された磁気トンネル接合は、前記第１磁性層
は磁気スピン方向を固定する固定層で、前記第２磁性層
は磁気スピン方向が制御される自由層で、前記第１磁性
層の下面には当該第１磁性層のスピン方向を固定させる
反強磁性層が形成された交換バイアス型で、また、前記
第１磁性層及び第２磁性層は、スピン方向を制御し得る
保磁力が相互異なる仮想スピンバルブ型である。
により製造された磁気トンネル接合は、前記第１磁性層
は磁気スピン方向を固定する固定層で、前記第２磁性層
は磁気スピン方向が制御される自由層で、前記第１磁性
層の下面には当該第１磁性層のスピン方向を固定させる
反強磁性層が形成された交換バイアス型で、また、前記
第１磁性層及び第２磁性層は、スピン方向を制御し得る
保磁力が相互異なる仮想スピンバルブ型である。
【００１２】前記反強磁性層は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、
ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中何れか一つにより構成するとよ
く、前記反強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００〜４００
℃の温度範囲内で、また、前記反強磁性層がＩｒＭｎま
たはＰｔＭｎの場合は３００〜６００℃の温度範囲内
で、それぞれ熱処理を施すとよい。
ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中何れか一つにより構成するとよ
く、前記反強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００〜４００
℃の温度範囲内で、また、前記反強磁性層がＩｒＭｎま
たはＰｔＭｎの場合は３００〜６００℃の温度範囲内
で、それぞれ熱処理を施すとよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に対
し、図面を用いて説明する。本発明に係る磁気トンネル
接合の製造方法においては、第１磁性層と、第１滋性層
の上面に形成されたトンネル障壁層と、該トンネル障壁
層の上面に形成された第２磁性層と、を包含する磁気ト
ンネル接合を形成し、前記接合を２００〜６００℃の温
度範囲で５秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、
前記トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル
障壁層と前記第１、第２磁性層間の界面を均一化させる
ことを特徴とする。
し、図面を用いて説明する。本発明に係る磁気トンネル
接合の製造方法においては、第１磁性層と、第１滋性層
の上面に形成されたトンネル障壁層と、該トンネル障壁
層の上面に形成された第２磁性層と、を包含する磁気ト
ンネル接合を形成し、前記接合を２００〜６００℃の温
度範囲で５秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、
前記トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル
障壁層と前記第１、第２磁性層間の界面を均一化させる
ことを特徴とする。
【００１４】前記急速熱処理は、磁場を加えながら行わ
れ、赤外線ランプを使用して放射状に行われることを特
徴とする。前記急速熱処理を施した後、１０秒〜１０分
間冷却させ、素子の特性を向上させるために前記急速熱
処理を施した後、追加的に従来の熱処理を施してもよ
い。本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法により製
造された磁気トンネル接合は、前記第１磁性層は磁気ス
ピン方向を固定する固定層で、前記第２磁性層は磁気ス
ピン方向が制御される自由層で、前記第１磁性層の下面
には該第１磁性層のスピン方向を固定させる反強磁性層
が形成された交換バイアス型で、また、前記第１磁性層
及び第２磁性層は、スピン方向を制御し得る保磁力が相
互異なる仮想スピンバルブ型である。
れ、赤外線ランプを使用して放射状に行われることを特
徴とする。前記急速熱処理を施した後、１０秒〜１０分
間冷却させ、素子の特性を向上させるために前記急速熱
処理を施した後、追加的に従来の熱処理を施してもよ
い。本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法により製
造された磁気トンネル接合は、前記第１磁性層は磁気ス
ピン方向を固定する固定層で、前記第２磁性層は磁気ス
ピン方向が制御される自由層で、前記第１磁性層の下面
には該第１磁性層のスピン方向を固定させる反強磁性層
が形成された交換バイアス型で、また、前記第１磁性層
及び第２磁性層は、スピン方向を制御し得る保磁力が相
互異なる仮想スピンバルブ型である。
【００１５】前記反強磁性層は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、
ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中何れか一つにより構成し、前記反
強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００〜４００℃の温度範
囲内で、また、前記反強磁性層がＩｒＭｎまたはＰｔＭ
ｎの場合は３００〜６００℃の温度範囲内で、それぞれ
熱処理を施すことを特徴とする。次の表１は、従来の熱
処理（conventional thermal anneal：ＣＴＡ）条件及
び本発明に係る急速熱処理（rapid thermal anneal：Ｒ
ＴＡ）条件の一例をそれぞれ示している。
ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中何れか一つにより構成し、前記反
強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００〜４００℃の温度範
囲内で、また、前記反強磁性層がＩｒＭｎまたはＰｔＭ
ｎの場合は３００〜６００℃の温度範囲内で、それぞれ
熱処理を施すことを特徴とする。次の表１は、従来の熱
処理（conventional thermal anneal：ＣＴＡ）条件及
び本発明に係る急速熱処理（rapid thermal anneal：Ｒ
ＴＡ）条件の一例をそれぞれ示している。
【００１６】
【表１】
【００１７】表１において、本発明に係る急速熱処理
（ＲＴＡ）は、総処理時間が２分未満で、従来の熱処理
（ＣＴＡ）よりも短時間で磁気トンネル接合の特性を電
磁気的及び熱的に最適化することができる。図１は、表
１に示した従来の熱処理（ＣＴＡ）条件及び本発明に係
る急速熱処理（ＲＴＡ）条件によりそれぞれ熱処理を施
した磁気トンネル接合における熱処理温度によるＴＭＲ
比及び交換磁気異方性（Ｈex）の変化をそれぞれ示した
グラフである。図から明らかなように、従来の熱処理
（ＣＴＡ）を施した場合、温度が２３０℃まで増加する
に伴ってＴＭＲ比も継続して増加して４０％に達する。
（ＲＴＡ）は、総処理時間が２分未満で、従来の熱処理
（ＣＴＡ）よりも短時間で磁気トンネル接合の特性を電
磁気的及び熱的に最適化することができる。図１は、表
１に示した従来の熱処理（ＣＴＡ）条件及び本発明に係
る急速熱処理（ＲＴＡ）条件によりそれぞれ熱処理を施
した磁気トンネル接合における熱処理温度によるＴＭＲ
比及び交換磁気異方性（Ｈex）の変化をそれぞれ示した
グラフである。図から明らかなように、従来の熱処理
（ＣＴＡ）を施した場合、温度が２３０℃まで増加する
に伴ってＴＭＲ比も継続して増加して４０％に達する。
【００１８】その理由は、熱処理によりトンネル障壁の
Ａｌ酸化層（Ａｌ2Ｏ3）から酸素の再分布及び均一化が
生じて、酸化層がトンネル化のための最適化された構造
を有するようになるからであると判断される。しかし、
２３０℃以上の温度ではＴＭＲ比が急激に減少し、その
理由は未だ明確にされてないが、反強磁性層のマンガン
（Ｍｎ）が拡散して酸化層または固定層に悪影響を与え
るからであると推定されている。
Ａｌ酸化層（Ａｌ2Ｏ3）から酸素の再分布及び均一化が
生じて、酸化層がトンネル化のための最適化された構造
を有するようになるからであると判断される。しかし、
２３０℃以上の温度ではＴＭＲ比が急激に減少し、その
理由は未だ明確にされてないが、反強磁性層のマンガン
（Ｍｎ）が拡散して酸化層または固定層に悪影響を与え
るからであると推定されている。
【００１９】一方、本発明に係る急速熱処理（ＲＴＡ）
を施した場合は、２５０〜３００℃の温度範囲で４６％
のＴＭＲ比を表す。また、抵抗は、従来の熱処理及び本
発明に係る急速熱処理の両方共に、温度によって数ｋΩ
から数百Ωに減少する。そして、交換磁気異方性（Ｈe
x）は、従来の熱処理を施した場合、２３０℃までは１
８０Ｏｅから２３０Ｏｅまで増加し、その後、急激に減
少する。一方、本発明に係る急速熱処理を施した場合
は、２５０〜３００℃の温度範囲で最高値の２３０Ｏｅ
を示し、その後、温度増加に従って極めて徐々に減少す
る。
を施した場合は、２５０〜３００℃の温度範囲で４６％
のＴＭＲ比を表す。また、抵抗は、従来の熱処理及び本
発明に係る急速熱処理の両方共に、温度によって数ｋΩ
から数百Ωに減少する。そして、交換磁気異方性（Ｈe
x）は、従来の熱処理を施した場合、２３０℃までは１
８０Ｏｅから２３０Ｏｅまで増加し、その後、急激に減
少する。一方、本発明に係る急速熱処理を施した場合
は、２５０〜３００℃の温度範囲で最高値の２３０Ｏｅ
を示し、その後、温度増加に従って極めて徐々に減少す
る。
【００２０】また、磁気トンネル接合の断面を比較して
みると、本発明に係る急速熱処理が施される以前の磁気
トンネル接合においては、図２（Ａ）に示したように、
トンネル障壁層のＡｌ酸化層は、上下の磁性層との界面
に屈曲があって明確に確認されない。一方、本発明に係
る急速熱処理が施された磁気トンネル接合においては、
図２（Ｂ）に示したように、トンネル障壁層の酸化層の
上下界面が比較的明確に現れ、トンネル障壁層の酸化層
の酸素の再分布及び均一化が向上して、トンネル障壁層
の酸化層の各界面が明確に形成されたことを示してい
る。従って、トンネル効果も非常に向上する。
みると、本発明に係る急速熱処理が施される以前の磁気
トンネル接合においては、図２（Ａ）に示したように、
トンネル障壁層のＡｌ酸化層は、上下の磁性層との界面
に屈曲があって明確に確認されない。一方、本発明に係
る急速熱処理が施された磁気トンネル接合においては、
図２（Ｂ）に示したように、トンネル障壁層の酸化層の
上下界面が比較的明確に現れ、トンネル障壁層の酸化層
の酸素の再分布及び均一化が向上して、トンネル障壁層
の酸化層の各界面が明確に形成されたことを示してい
る。従って、トンネル効果も非常に向上する。
【００２１】図３は、本発明に係る急速熱処理が施され
た磁気トンネル接合における熱処理時間による酸化層の
厚さ及び高さの変化をそれぞれ示したグラフで、該グラ
フは、３００℃におけるシモンズ（Simmons）モデルか
ら電流−電圧曲線を分析して得られたものである。同グ
ラフから分かるように、トンネル障壁層の酸化層の厚さ
及び高さは、本発明に係る急速熱処理が施されてから初
期１０秒以内に急速に変化し、初期１０秒以後の酸化層
の厚さ及び高さの変化は、熱処理時間に伴って極めて徐
々に行なわれることが分かる。
た磁気トンネル接合における熱処理時間による酸化層の
厚さ及び高さの変化をそれぞれ示したグラフで、該グラ
フは、３００℃におけるシモンズ（Simmons）モデルか
ら電流−電圧曲線を分析して得られたものである。同グ
ラフから分かるように、トンネル障壁層の酸化層の厚さ
及び高さは、本発明に係る急速熱処理が施されてから初
期１０秒以内に急速に変化し、初期１０秒以後の酸化層
の厚さ及び高さの変化は、熱処理時間に伴って極めて徐
々に行なわれることが分かる。
【００２２】図４は、熱処理を施す以前の磁気トンネル
接合（図の（ａ））、３００℃で従来の熱処理が施され
た磁気トンネル接合（図の（ｂ））、３００℃で本発明
に係る急速熱処理が施された後、更に３００℃で従来の
熱処理が施された磁気トンネル接合（図の（ｃ））のそ
れぞれにおける、ＴＭＲ比曲線及び磁化履歴曲線（Ｍ）
の変化を示したグラフで、同グラフから分かるように、
図の（ｃ）の場合が図の（ｂ）の場合よりもＴＭＲ比及
び交換磁気異方性（Ｈex）が遥かに向上する。磁気モー
メントの変化から、本発明に係る急速熱処理及び従来の
熱処理が施された磁気トンネル接合（図の（ｃ））は、
熱処理が施されていない磁気トンネル接合（図の
（ａ））の磁気モーメントと類似する。即ち、３００℃
で従来の熱処理によって劣化される磁気トンネル接合
は、本発明に係る急速熱処理によっては３００℃でもそ
れほど劣化されないことが分かる。
接合（図の（ａ））、３００℃で従来の熱処理が施され
た磁気トンネル接合（図の（ｂ））、３００℃で本発明
に係る急速熱処理が施された後、更に３００℃で従来の
熱処理が施された磁気トンネル接合（図の（ｃ））のそ
れぞれにおける、ＴＭＲ比曲線及び磁化履歴曲線（Ｍ）
の変化を示したグラフで、同グラフから分かるように、
図の（ｃ）の場合が図の（ｂ）の場合よりもＴＭＲ比及
び交換磁気異方性（Ｈex）が遥かに向上する。磁気モー
メントの変化から、本発明に係る急速熱処理及び従来の
熱処理が施された磁気トンネル接合（図の（ｃ））は、
熱処理が施されていない磁気トンネル接合（図の
（ａ））の磁気モーメントと類似する。即ち、３００℃
で従来の熱処理によって劣化される磁気トンネル接合
は、本発明に係る急速熱処理によっては３００℃でもそ
れほど劣化されないことが分かる。
【００２３】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、熱処理を行う前後
のトンネル障壁層及びマンガン（Ｍｎ）分布変化をそれ
ぞれ示した図で、（Ａ）が熱処理を施す以前の磁気トン
ネル接合、（Ｂ）が３００℃で従来の熱処理が施された
磁気トンネル接合、（Ｃ）が３００℃で本発明に係る急
速熱処理が施された後、更に３００℃で従来の熱処理が
施された磁気トンネル接合である。図５（Ａ）から分か
るように、本発明に係る急速熱処理を施すと、過酸化さ
れたトンネル障壁層（ＡｌＯx）で酸素の再分布及び均
一化が行なわれてトンネル効果が向上される。一方、従
来の熱処理を施す場合も、適切な温度条件下では類似す
る効果が得られる。しかし、温度が高い場合は、図５
（Ｂ）に示されたように、反強磁性層（ＦｅＭｎ）のマ
ンガン（Ｍｎ）が固定層に存在する点欠陥（図中、＋で
示す）などによりトンネル障壁層に容易に拡散して、磁
気トンネル接合素子のトンネル現象に致命的な影響を与
える。しかし、本発明に係る急速熱処理を施した場合
は、短時間（約数十秒）以内に過酸化されたトンネル障
壁層から酸素の再分布及び均一化が発生すると同時に、
マンガン（Ｍn）の拡散経路として作用する固定層に存
在する点欠陥などが本発明に係る急速熱処理によって消
滅されるので、従来の熱処理によるマンガン（Ｍｎ）の
拡散を防止することができる。このようなマンガン（Ｍ
ｎ）の拡散防止メカニズムによる本発明に係る急速熱処
理の熱安定性向上の様子を図５（Ｃ）に示した。
のトンネル障壁層及びマンガン（Ｍｎ）分布変化をそれ
ぞれ示した図で、（Ａ）が熱処理を施す以前の磁気トン
ネル接合、（Ｂ）が３００℃で従来の熱処理が施された
磁気トンネル接合、（Ｃ）が３００℃で本発明に係る急
速熱処理が施された後、更に３００℃で従来の熱処理が
施された磁気トンネル接合である。図５（Ａ）から分か
るように、本発明に係る急速熱処理を施すと、過酸化さ
れたトンネル障壁層（ＡｌＯx）で酸素の再分布及び均
一化が行なわれてトンネル効果が向上される。一方、従
来の熱処理を施す場合も、適切な温度条件下では類似す
る効果が得られる。しかし、温度が高い場合は、図５
（Ｂ）に示されたように、反強磁性層（ＦｅＭｎ）のマ
ンガン（Ｍｎ）が固定層に存在する点欠陥（図中、＋で
示す）などによりトンネル障壁層に容易に拡散して、磁
気トンネル接合素子のトンネル現象に致命的な影響を与
える。しかし、本発明に係る急速熱処理を施した場合
は、短時間（約数十秒）以内に過酸化されたトンネル障
壁層から酸素の再分布及び均一化が発生すると同時に、
マンガン（Ｍn）の拡散経路として作用する固定層に存
在する点欠陥などが本発明に係る急速熱処理によって消
滅されるので、従来の熱処理によるマンガン（Ｍｎ）の
拡散を防止することができる。このようなマンガン（Ｍ
ｎ）の拡散防止メカニズムによる本発明に係る急速熱処
理の熱安定性向上の様子を図５（Ｃ）に示した。
【００２４】図６（Ａ）〜（Ｄ）は、オージェ電子分光
法分析グラフであって、（Ａ）が熱処理を施す以前の磁
気トンネル接合、（Ｂ）が３００℃で従来の熱処理が施
された磁気トンネル接合、（Ｃ）が３００℃で本発明に
係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｄ）が
３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後、更に
３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合の
場合である。図６の（Ｂ）と（Ｄ）とを比較してみる
と、従来の熱処理だけを施したときは、本発明に係る急
速熱処理を施して更に従来の熱処理を施したときよりも
マンガン（Ｍｎ）の拡散が一層目立つことが分かる。即
ち、オージェ電子分光法分析は、本発明に係る急速熱処
理による熱安定性向上を直接的に示している。
法分析グラフであって、（Ａ）が熱処理を施す以前の磁
気トンネル接合、（Ｂ）が３００℃で従来の熱処理が施
された磁気トンネル接合、（Ｃ）が３００℃で本発明に
係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｄ）が
３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後、更に
３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合の
場合である。図６の（Ｂ）と（Ｄ）とを比較してみる
と、従来の熱処理だけを施したときは、本発明に係る急
速熱処理を施して更に従来の熱処理を施したときよりも
マンガン（Ｍｎ）の拡散が一層目立つことが分かる。即
ち、オージェ電子分光法分析は、本発明に係る急速熱処
理による熱安定性向上を直接的に示している。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る磁気
トンネル接合及びその製造方法においては、磁気トンネ
ル接合のＴＭＲ比を著しく向上し得るという効果があ
る。そして、本発明に係る磁気トンネル接合及びその製
造方法においては、従来の熱処理方法よりも遥かに短時
間で効果的に磁気トンネル接合の特性を最適化し得る効
果がある。
トンネル接合及びその製造方法においては、磁気トンネ
ル接合のＴＭＲ比を著しく向上し得るという効果があ
る。そして、本発明に係る磁気トンネル接合及びその製
造方法においては、従来の熱処理方法よりも遥かに短時
間で効果的に磁気トンネル接合の特性を最適化し得る効
果がある。
【００２６】且つ、本発明に係る磁気トンネル接合及び
その製造方法においては、トンネル障壁層の酸化層の屈
曲を減少させてトンネル効果を向上し得る効果がある。
また、本発明に係る磁気トンネル接合及びその製造方法
においては、トンネル障壁層の酸化層に及ぼす熱処理の
効果が非常に短時間で現れるようにして、酸化層を効果
的に最適化し得る効果がある。
その製造方法においては、トンネル障壁層の酸化層の屈
曲を減少させてトンネル効果を向上し得る効果がある。
また、本発明に係る磁気トンネル接合及びその製造方法
においては、トンネル障壁層の酸化層に及ぼす熱処理の
効果が非常に短時間で現れるようにして、酸化層を効果
的に最適化し得る効果がある。
【００２７】更に、本発明に係る磁気トンネル接合及び
その製造方法においては、急速熱処理方法に加えて従来
の熱処理方法を施すことで、ＴＭＲ比及び交換磁気異方
性を著しく向上し得る効果がある。
その製造方法においては、急速熱処理方法に加えて従来
の熱処理方法を施すことで、ＴＭＲ比及び交換磁気異方
性を著しく向上し得る効果がある。
【図１】従来の熱処理条件及び本発明に係る急速熱処理
条件によりそれぞれ熱処理を施した磁気トンネル接合に
おける熱処理温度によるＴＭＲ比及び交換磁気異方性
（Ｈex）の変化を示したグラフである。
条件によりそれぞれ熱処理を施した磁気トンネル接合に
おける熱処理温度によるＴＭＲ比及び交換磁気異方性
（Ｈex）の変化を示したグラフである。
【図２】磁気トンネル接合の断面図を示し、（Ａ）は本
発明に係る急速熱処理が施される以前の磁気トンネル接
合、（Ｂ）は本発明に係る急速熱処理が施された磁気ト
ンネル接合である。
発明に係る急速熱処理が施される以前の磁気トンネル接
合、（Ｂ）は本発明に係る急速熱処理が施された磁気ト
ンネル接合である。
【図３】本発明に係る急速熱処理が施された磁気トンネ
ル接合における熱処理時間による酸化層の厚さ及び高さ
の変化を示したグラフである。
ル接合における熱処理時間による酸化層の厚さ及び高さ
の変化を示したグラフである。
【図４】熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、３００
℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合及び３０
０℃で本発明に係る急速熱処理が施された後更に３００
℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合のそれぞ
れにおけるＴＭＲ比曲線及び磁化履歴曲線（Ｍ）の変化
を示したグラフである。
℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合及び３０
０℃で本発明に係る急速熱処理が施された後更に３００
℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合のそれぞ
れにおけるＴＭＲ比曲線及び磁化履歴曲線（Ｍ）の変化
を示したグラフである。
【図５】熱処理を行う前後のトンネル障壁層及びマンガ
ン（Ｍｎ）分布変化を示した図で、（Ａ）は熱処理を施
す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）は３００℃で従来の
熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｃ）は３００℃
で本発明に係る急速熱処理が施された後更に３００℃で
従来の熱処理が施された磁気トンネル接合である。
ン（Ｍｎ）分布変化を示した図で、（Ａ）は熱処理を施
す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）は３００℃で従来の
熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｃ）は３００℃
で本発明に係る急速熱処理が施された後更に３００℃で
従来の熱処理が施された磁気トンネル接合である。
【図６】オージェ電子分光法分析グラフであり、（Ａ）
は熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）は３０
０℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合、
（Ｃ）は３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された
磁気トンネル接合、（Ｄ）は３００℃で本発明に係る急
速熱処理が施された後更に３００℃で従来の熱処理が施
された磁気トンネル接合である。
は熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）は３０
０℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合、
（Ｃ）は３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された
磁気トンネル接合、（Ｄ）は３００℃で本発明に係る急
速熱処理が施された後更に３００℃で従来の熱処理が施
された磁気トンネル接合である。
【図７】磁気トンネル接合素子の構造例を示した断面図
である。
である。
１４ 反強磁性層
１５ 第１磁性層
１６ トンネル障壁層
１７ 第２磁性層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 李 禹 栄
大韓民国ソウル特別市城北區下月谷洞39−
１韓国科学技術研究院アパートＡ−302
(72)発明者 朴 栄 俊
大韓民国ソウル特別市冠岳區奉天３洞冠岳
現代アパート123−1502
(72)発明者 李 京 一
大韓民国京畿道龍仁市駒城面馬北里淵源マ
ウル尚好碧山アパート122−501
(72)発明者 河 在 根
大韓民国ソウル特別市蘆原區中溪洞青丘３
次アパート105−705
Ｆターム(参考） 5D034 BA02 BA03 BA04 BA05 CA04
CA08 DA07
Claims (12)
- 【請求項１】第１磁性層と、該第１磁性層の上面に形成
されたトンネル障壁層と、該トンネル障壁層の上面に形
成された第２磁性層と、を包含する磁気トンネル接合を
形成し、前記磁気トンネル接合を２００〜６００℃の温
度範囲で５秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、
前記トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル
障壁層と前記第１、第２磁性層間の界面を均一化させる
ことを特徴とする磁気トンネル接合の製造方法。 - 【請求項２】前記急速熱処理は、磁場を加えながら行う
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合の
製造方法。 - 【請求項３】前記急速熱処理は、赤外線ランプを使用し
て放射状に行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気
トンネル接合の製造方法。 - 【請求項４】前記急速熱処理を施した後、１０秒〜１０
分間冷却することを特徴とする請求項１に記載の磁気ト
ンネル接合の製造方法。 - 【請求項５】前記急速熱処理は、２５０〜３００℃の温
度範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気ト
ンネル接合の製造方法。 - 【請求項６】前記急速熱処理を施した後、追加的に熱処
理を施すことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネ
ル接合の製造方法。 - 【請求項７】前記第１磁性層は固定層で、前記第２磁性
層は自由層で、前記第１磁性層の下面には前記第１磁性
層のスピン方向を固定させる反強磁性層が形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合
の製造方法。 - 【請求項８】前記反強磁性層は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、
ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中の何れか一つにより構成されるこ
とを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合の製
造方法。 - 【請求項９】前記反強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００
〜４００℃の温度範囲内で、また、前記反強磁性層がＩ
ｒＭｎまたはＰｔＭｎの場合は３００〜６００℃の温度
範囲内で、それぞれ熱処理を施すことを特徴とする請求
項８に記載の磁気トンネル接合の製造方法。 - 【請求項１０】前配反強磁性層は、強磁性層／非磁性層
／強磁性層からなる合成反強磁性体であることを特徴と
する請求項７に記載の磁気トンネル接合の製造方法。 - 【請求項１１】前記第１磁性層及び第２磁性層は、スピ
ン方向を制御し得る保磁力が相互異なることを特徴とす
る請求項１に記載の磁気トンネル接合の製造方法。 - 【請求項１２】第１磁性層と、該第１磁性層の上面に形
成されたトンネル障壁層と、該トンネル障壁層の上面に
形成された第２磁性層とを包含し、２００〜６００℃の
温度範囲で５秒〜１０分間の間急速熱処理を施すこと
で、前記トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トン
ネル障壁層と前記第１、第２磁性層間の界面を均一化さ
せて構成したことを特徴とする磁気トンネル接合。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2001-0026486A KR100407907B1 (ko) | 2001-05-15 | 2001-05-15 | 자기 터널 접합 소자의 열처리 방법과 그 방법으로 제조된자기 터널 접합 소자 |
| KR2001-26486 | 2001-05-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002140511A Expired - Fee Related JP4498660B2 (ja) | 2001-05-15 | 2002-05-15 | 磁気トンネル接合の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6848169B2 (ja) |
| EP (1) | EP1258930B1 (ja) |
| JP (1) | JP4498660B2 (ja) |
| KR (1) | KR100407907B1 (ja) |
| AT (1) | ATE376259T1 (ja) |
| DE (1) | DE60222963T2 (ja) |
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