JP2003318465A - 平坦化トンネル磁気抵抗素子 - Google Patents
平坦化トンネル磁気抵抗素子Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
- G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
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- G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 アモルファスや多結晶体などの下地の構造や
凹凸にとらわれることなく高配向で平坦な界面を持つ平
坦化トンネル磁気抵抗素子を提供する。 【解決手段】 平坦化トンネル磁気抵抗素子であって、
ＭｇＯアモルファス層２とＭｇＯ（００１）高配向層３
の二重層からなる下地層を有する。
凹凸にとらわれることなく高配向で平坦な界面を持つ平
坦化トンネル磁気抵抗素子を提供する。 【解決手段】 平坦化トンネル磁気抵抗素子であって、
ＭｇＯアモルファス層２とＭｇＯ（００１）高配向層３
の二重層からなる下地層を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル磁気抵抗
素子および巨大磁気抵抗効果素子に関し、特にその素子
の結晶方位を体心立方格子、面心立方格子あるいは正方
格子の（００１）方向に制御したトンネル磁気抵抗素子
に関するものである。
素子および巨大磁気抵抗効果素子に関し、特にその素子
の結晶方位を体心立方格子、面心立方格子あるいは正方
格子の（００１）方向に制御したトンネル磁気抵抗素子
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】トンネル磁気抵抗効果とは、絶縁体を強
磁性金属の電極で挟んだトンネル接合において、その電
気抵抗が二つの強磁性電極の磁化の相対的な向きによっ
て変化する現象である。また、巨大磁気抵抗効果とは、
非磁性層を強磁性層で挟んだ多層構造において、その電
気抵抗が二つの強磁性電極の磁化の相対的な向きによっ
て変化する現象である。
磁性金属の電極で挟んだトンネル接合において、その電
気抵抗が二つの強磁性電極の磁化の相対的な向きによっ
て変化する現象である。また、巨大磁気抵抗効果とは、
非磁性層を強磁性層で挟んだ多層構造において、その電
気抵抗が二つの強磁性電極の磁化の相対的な向きによっ
て変化する現象である。
【０００３】磁気抵抗の大きさは以下の式で表される。
【０００４】
【数１】
【０００５】この現象は、ハード磁気ディスクの読み出
し用ヘッドのセンサーとして、また、磁気ランダムアク
セスメモリの磁気記録セルの読み出しのために用いられ
る。高速で信頼性の高い読み出しを実現するためには、
大きな磁気抵抗効果を得ることが重要である。
し用ヘッドのセンサーとして、また、磁気ランダムアク
セスメモリの磁気記録セルの読み出しのために用いられ
る。高速で信頼性の高い読み出しを実現するためには、
大きな磁気抵抗効果を得ることが重要である。
【０００６】これまでに、大きな磁気抵抗効果を得るた
めに、巨大磁気抵抗効果素子では、界面を平滑にし、そ
の電子に対する反射率を増大することが有効であること
が分かっている。しかし、これまでの素子は多結晶であ
るために界面を平滑にすることが困難だった。これまで
は、面心立方格子の（１１１）面および体心立方格子の
（１１０）面を配向させることが使われていたがその配
向性は必ずしも完全ではなかった。
めに、巨大磁気抵抗効果素子では、界面を平滑にし、そ
の電子に対する反射率を増大することが有効であること
が分かっている。しかし、これまでの素子は多結晶であ
るために界面を平滑にすることが困難だった。これまで
は、面心立方格子の（１１１）面および体心立方格子の
（１１０）面を配向させることが使われていたがその配
向性は必ずしも完全ではなかった。
【０００７】一方、トンネル磁気抵抗素子では、強磁性
電極を（００１）方位の単結晶にし、その膜厚を１５原
子層以下にするとトンネル磁気抵抗が増大すること（特
願２００１−１６３７５７）、また、２０原子層以下の
平坦な単結晶非磁性層をバリヤ層と単結晶強磁性電極層
の間に挿入すると、磁気抵抗効果のバイアス依存性を制
御出来ること（特願２００１−２７９２８９）が分かっ
ている。
電極を（００１）方位の単結晶にし、その膜厚を１５原
子層以下にするとトンネル磁気抵抗が増大すること（特
願２００１−１６３７５７）、また、２０原子層以下の
平坦な単結晶非磁性層をバリヤ層と単結晶強磁性電極層
の間に挿入すると、磁気抵抗効果のバイアス依存性を制
御出来ること（特願２００１−２７９２８９）が分かっ
ている。
【０００８】しかし、これらの素子の作製にはＭｇＯや
ＧａＡｓといった単結晶基板が不可欠であり、シリコン
ＬＳＩ上へのトンネル磁気抵抗素子の作製が不可能であ
った（Ｔ．Ｎａｇａｈａｍａ，ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌｕｍ
ｅ ７９，ｎｕｍｂｅｒ ２６（２００１），ｐａｇｅ
４３８１−４３８３）。
ＧａＡｓといった単結晶基板が不可欠であり、シリコン
ＬＳＩ上へのトンネル磁気抵抗素子の作製が不可能であ
った（Ｔ．Ｎａｇａｈａｍａ，ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌｕｍ
ｅ ７９，ｎｕｍｂｅｒ ２６（２００１），ｐａｇｅ
４３８１−４３８３）。
【０００９】さらに、バリヤ層としてＭｇＯ（００１）
単結晶を用いると、巨大なトンネル磁気抵抗効果が得ら
れることが理論的に指摘され〔Ｊ．Ｍａｔｈｏｎ，ｅｔ
ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏ
ｌｕｍｅ ６３（２００１）、ｐａｇｅ ２２０４０３
（Ｒ）−１−４〕、実験的にも６０％を超える大きなト
ンネル磁気抵抗効果が得られている（Ｍ．Ｂｏｗｅｎ
ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｌｅ
ｔｔｅｒｓ，ｖｏｌｕｍｅ ７９，ｎｕｍｂｅｒ，１１
（２００１），ｐａｇｅ １６５５−１６５７）。
単結晶を用いると、巨大なトンネル磁気抵抗効果が得ら
れることが理論的に指摘され〔Ｊ．Ｍａｔｈｏｎ，ｅｔ
ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，ｖｏ
ｌｕｍｅ ６３（２００１）、ｐａｇｅ ２２０４０３
（Ｒ）−１−４〕、実験的にも６０％を超える大きなト
ンネル磁気抵抗効果が得られている（Ｍ．Ｂｏｗｅｎ
ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｌｅ
ｔｔｅｒｓ，ｖｏｌｕｍｅ ７９，ｎｕｍｂｅｒ，１１
（２００１），ｐａｇｅ １６５５−１６５７）。
【００１０】しかし、この場合にも、素子の作製にはＭ
ｇＯやＧａＡｓといった単結晶基板が不可欠であり、シ
リコンＬＳＩ上へのトンネル磁気抵抗素子の作製が不可
能であった。
ｇＯやＧａＡｓといった単結晶基板が不可欠であり、シ
リコンＬＳＩ上へのトンネル磁気抵抗素子の作製が不可
能であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところで、磁気抵抗素
子を記録担体として用いる磁気ランダムアクセスメモリ
（Ｍ−ＲＡＭ）の実現には大きな磁気抵抗効果を示す磁
気抵抗素子、バイアスに対して非線形な応答をすること
により素子選択性を確保できる素子などが必要である。
子を記録担体として用いる磁気ランダムアクセスメモリ
（Ｍ−ＲＡＭ）の実現には大きな磁気抵抗効果を示す磁
気抵抗素子、バイアスに対して非線形な応答をすること
により素子選択性を確保できる素子などが必要である。
【００１２】これまで、単結晶電極を有するトンネル磁
気抵抗素子では、トンネル磁気抵抗が膜厚を薄くすると
大きくなる効果（特願２００１−１６３７５７）や、非
磁性層の挿入により磁気抵抗効果のバイアス電圧依存性
を制御した素子の作製（特願２００１−２７９２８９）
が可能であることが示され、Ｍ−ＲＡＭへの応用が期待
されている。
気抵抗素子では、トンネル磁気抵抗が膜厚を薄くすると
大きくなる効果（特願２００１−１６３７５７）や、非
磁性層の挿入により磁気抵抗効果のバイアス電圧依存性
を制御した素子の作製（特願２００１−２７９２８９）
が可能であることが示され、Ｍ−ＲＡＭへの応用が期待
されている。
【００１３】しかしながら、これらの素子は、単結晶基
板を必要とするのでシリコンＬＳＩ上への作製が困難で
ある。そこで、単結晶トンネル磁気抵抗素子をＳｉＯ2
などのアモルファス基板および多結晶配線上に作製でき
るようにする必要がある。
板を必要とするのでシリコンＬＳＩ上への作製が困難で
ある。そこで、単結晶トンネル磁気抵抗素子をＳｉＯ2
などのアモルファス基板および多結晶配線上に作製でき
るようにする必要がある。
【００１４】そこで、ＳｉＯ2 のようなアモルファスや
金属配線のような多結晶体の上に高配向で平坦性のよい
磁気抵抗素子を開発することが望まれる。
金属配線のような多結晶体の上に高配向で平坦性のよい
磁気抵抗素子を開発することが望まれる。
【００１５】本発明は、上記状況に鑑みて、適当な種物
質を探し、その結晶を高配向、かつ平坦に成長する技術
を開発することにより、アモルファスや多結晶体などの
下地の構造や凹凸にとらわれることなく、高配向で平坦
な界面を持つ平坦化トンネル磁気抵抗素子を提供するこ
とを目的とする。
質を探し、その結晶を高配向、かつ平坦に成長する技術
を開発することにより、アモルファスや多結晶体などの
下地の構造や凹凸にとらわれることなく、高配向で平坦
な界面を持つ平坦化トンネル磁気抵抗素子を提供するこ
とを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕平坦化トンネル磁気抵抗素子において、ＭｇＯア
モルファス層とＭｇＯ（００１）高配向層の二重層から
なる下地層を有することを特徴とする。
成するために、 〔１〕平坦化トンネル磁気抵抗素子において、ＭｇＯア
モルファス層とＭｇＯ（００１）高配向層の二重層から
なる下地層を有することを特徴とする。
【００１７】〔２〕上記〔１〕記載の平坦化トンネル磁
気抵抗素子において、前記ＭｇＯアモルファス層の膜厚
を３から１０ｎｍ、前記ＭｇＯ（００１）高配向層の膜
厚を３から１０ｎｍとすることで表面の凹凸を小さく抑
えることを特徴とする。
気抵抗素子において、前記ＭｇＯアモルファス層の膜厚
を３から１０ｎｍ、前記ＭｇＯ（００１）高配向層の膜
厚を３から１０ｎｍとすることで表面の凹凸を小さく抑
えることを特徴とする。
【００１８】〔３〕上記〔１〕記載の平坦化トンネル磁
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
強磁性層の凹凸を小さくし、強磁性層間の静磁的結合を
小さくすることを特徴とする。
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
強磁性層の凹凸を小さくし、強磁性層間の静磁的結合を
小さくすることを特徴とする。
【００１９】〔４〕上記〔１〕記載の平坦化トンネル磁
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
１５原子層以下の超薄強磁性電極層の凹凸を小さくし、
磁気抵抗効果を大きくすることを特徴とする。
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
１５原子層以下の超薄強磁性電極層の凹凸を小さくし、
磁気抵抗効果を大きくすることを特徴とする。
【００２０】〔５〕上記〔１〕記載の平坦化トンネル磁
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
２０原子層以下の平坦な非磁性層をバリヤ層と強磁性電
極層の間に挿入して、磁気抵抗効果のバイアス依存性を
制御することを特徴とする。
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
２０原子層以下の平坦な非磁性層をバリヤ層と強磁性電
極層の間に挿入して、磁気抵抗効果のバイアス依存性を
制御することを特徴とする。
【００２１】〔６〕上記〔１〕記載の平坦化トンネル磁
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
強磁性電極層を体心立方格子、面心立方格子あるいは正
方格子の（００１）方位に配向させ、バリヤ層として前
記ＭｇＯ（００１）高配向層を用いて大きな磁気抵抗効
果を得ることを特徴とする。
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで
強磁性電極層を体心立方格子、面心立方格子あるいは正
方格子の（００１）方位に配向させ、バリヤ層として前
記ＭｇＯ（００１）高配向層を用いて大きな磁気抵抗効
果を得ることを特徴とする。
【００２２】〔７〕上記〔１〕記載の平坦化トンネル磁
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層と磁気抵抗素子
の間にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉを組み合わせた（００１）配向層を挟むことによっ
て平坦性を改善し、かつ電極抵抗を低減することを特徴
とする。
気抵抗素子において、前記ＭｇＯ下地層と磁気抵抗素子
の間にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｍ
ｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉを組み合わせた（００１）配向層を挟むことによっ
て平坦性を改善し、かつ電極抵抗を低減することを特徴
とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
【００２４】図１は本発明にかかる平坦化トンネル磁気
抵抗素子の模式図である。
抵抗素子の模式図である。
【００２５】この図において、１は基板（ＳｉＬＳＩ，
ＳｉＯ2 など）、４はＭｇＯアモルファス層２とＭｇＯ
（００１）結晶層３の二重層からなる下地層、５は高配
向で平坦な界面を持つ磁気抵抗素子である。
ＳｉＯ2 など）、４はＭｇＯアモルファス層２とＭｇＯ
（００１）結晶層３の二重層からなる下地層、５は高配
向で平坦な界面を持つ磁気抵抗素子である。
【００２６】かかる平坦化トンネル磁気抵抗素子を以下
の手順で作製する。
の手順で作製する。
【００２７】（１）基板（ＳｉＬＳＩ，ＳｉＯ2 など）
１を超純水で洗浄する。
１を超純水で洗浄する。
【００２８】（２）スパッタチャンバ内でアルゴン逆ス
パッタクリーニングにより、表面吸着水を飛ばす。
パッタクリーニングにより、表面吸着水を飛ばす。
【００２９】（３）ＭｇＯ（１０ｎｍ）をスパッタ成膜
する。
する。
【００３０】これだけの手順により、ＭｇＯは初期には
アモルファスとして成長し、ＭｇＯアモルファス層２
と、その後、ＭｇＯ（００１）配向の高配向結晶層３と
なる。その膜厚はＭｇＯアモルファス層２が３〜１０ｎ
ｍ、ＭｇＯ（００１）結晶層３も３〜１０ｎｍとするこ
とが望ましい。
アモルファスとして成長し、ＭｇＯアモルファス層２
と、その後、ＭｇＯ（００１）配向の高配向結晶層３と
なる。その膜厚はＭｇＯアモルファス層２が３〜１０ｎ
ｍ、ＭｇＯ（００１）結晶層３も３〜１０ｎｍとするこ
とが望ましい。
【００３１】このように、ＭｇＯアモルファス層２とＭ
ｇＯ（００１）結晶層３からなる下地層４を持つ高配向
で平坦な強磁性トンネル磁気抵抗素子を形成することに
より、これまで単結晶基板上にしか形成できなかった量
子サイズ効果などの特性を示す平坦化トンネル磁気抵抗
素子を、ＳｉＯ2 などのアモルファス基板および多結晶
配線上に作製することができる。
ｇＯ（００１）結晶層３からなる下地層４を持つ高配向
で平坦な強磁性トンネル磁気抵抗素子を形成することに
より、これまで単結晶基板上にしか形成できなかった量
子サイズ効果などの特性を示す平坦化トンネル磁気抵抗
素子を、ＳｉＯ2 などのアモルファス基板および多結晶
配線上に作製することができる。
【００３２】図２は本発明の実施例を示す平坦化トンネ
ル磁気抵抗素子の断面図である。
ル磁気抵抗素子の断面図である。
【００３３】この図において、１１は酸化膜の付いたＳ
ｉ基板、１２はＭｇＯ膜（１０ｎｍ）、１３はＦｅ（０
０１）層（２０ｎｍ）、１４はアモルファスＡｌ−Ｏ
層、１５は上部電極（多結晶Ｎｉ−Ｆｅ）層、１６はＡ
ｕキャップ層である。
ｉ基板、１２はＭｇＯ膜（１０ｎｍ）、１３はＦｅ（０
０１）層（２０ｎｍ）、１４はアモルファスＡｌ−Ｏ
層、１５は上部電極（多結晶Ｎｉ−Ｆｅ）層、１６はＡ
ｕキャップ層である。
【００３４】かかる平坦化トンネル磁気抵抗素子の製造
方法について説明する。
方法について説明する。
【００３５】（１）酸化膜の付いたＳｉウエハ（基板）
１１を超純水で洗浄する。
１１を超純水で洗浄する。
【００３６】（２）スパッタチャンバ内でアルゴン逆ス
パッタクリーニングにより、表面吸着水を飛ばす。
パッタクリーニングにより、表面吸着水を飛ばす。
【００３７】（３）ＭｇＯ１２（１０ｎｍ）をスパッタ
成膜する。
成膜する。
【００３８】（４）一度大気中に出して、ＭＢＥチャン
バに搬送する。
バに搬送する。
【００３９】（５）ＵＨＶ中で加熱し、表面吸着水を飛
ばす。
ばす。
【００４０】（６）Ｆｅ１３（２０ｎｍ）を成膜する。
【００４１】（７）アニールし、表面を平滑化する。
【００４２】（８）基板温度を室温に戻してから、Ａｌ
を成長・自然酸化してＡｌ−Ｏトンネルバリヤ層（アモ
ルファスＡｌ−Ｏ層）１４を作製する。
を成長・自然酸化してＡｌ−Ｏトンネルバリヤ層（アモ
ルファスＡｌ−Ｏ層）１４を作製する。
【００４３】（９）上部電極（多結晶Ｎｉ−Ｆｅ）層１
５、Ａｕキャップ層１６を成膜する。
５、Ａｕキャップ層１６を成膜する。
【００４４】（１０）大気中に出して、Ｘ線回折（図
３）、断面透過電子顕微鏡線像（図４、図５）、デバイ
スに加工して磁気抵抗効果を測定した。
３）、断面透過電子顕微鏡線像（図４、図５）、デバイ
スに加工して磁気抵抗効果を測定した。
【００４５】図３は本発明の実施例を示す酸化膜の付い
たＳｉ基板上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向
複合下地層を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗
素子を作製した例のＸ線回折を示す図である。この図に
おいて、縦軸はＸ線回折強度（ｃｐｓ）を示し、試料表
面に平行な結晶面が試料中に多く存在し、かつその結晶
性よいほど回折強度は大きくなる。横軸は回折角度
（度）を示しており、結晶面の間隔に間隔に対応するの
で、異なる結晶面は異なる回折角度にピークを作る。
たＳｉ基板上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向
複合下地層を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗
素子を作製した例のＸ線回折を示す図である。この図に
おいて、縦軸はＸ線回折強度（ｃｐｓ）を示し、試料表
面に平行な結晶面が試料中に多く存在し、かつその結晶
性よいほど回折強度は大きくなる。横軸は回折角度
（度）を示しており、結晶面の間隔に間隔に対応するの
で、異なる結晶面は異なる回折角度にピークを作る。
【００４６】この図３から、ＭｇＯからの回折線は（０
０２）ピークのみなので（００１）配向が良好であるこ
とが分かる。また、Ｆｅの回折も（００２）のみであ
り、かつその強度が大きいことから、良質の結晶が（０
０１）方位に成長していることが分かる。
０２）ピークのみなので（００１）配向が良好であるこ
とが分かる。また、Ｆｅの回折も（００２）のみであ
り、かつその強度が大きいことから、良質の結晶が（０
０１）方位に成長していることが分かる。
【００４７】回折角をＦｅ（００２）ピークのそれに合
わせて、試料を回転させながらＸ線回折を測定すること
により原子面の平行度を測定した結果、Ｆｅ層の原子面
は、（００１）面から±１度以内に揃っていることが分
かった。このように本発明のＭｇＯ二重下地膜を用いる
ことにより、強磁性電極層の面方位を（００１）面から
±１度以内に揃えることができる。さらに、この試料の
Ｆｅ層表面の凹凸を原子間力顕微鏡で評価した結果、凹
凸はＲＭＳ値（有効平均偏差）にして、０．１５ｎｍ以
下であった。このように、本発明のＭｇＯ二重下地膜を
用いることにより強磁性電極層表面の凹凸を小さく、即
ち、０．１５ｎｍ以下に抑えることができる。特に、Ｍ
ｇＯアモルファス層の膜厚を３から１０ｎｍ、ＭｇＯ高
配向膜の膜厚を３から１０ｎｍとすることによりこの結
果を得た。
わせて、試料を回転させながらＸ線回折を測定すること
により原子面の平行度を測定した結果、Ｆｅ層の原子面
は、（００１）面から±１度以内に揃っていることが分
かった。このように本発明のＭｇＯ二重下地膜を用いる
ことにより、強磁性電極層の面方位を（００１）面から
±１度以内に揃えることができる。さらに、この試料の
Ｆｅ層表面の凹凸を原子間力顕微鏡で評価した結果、凹
凸はＲＭＳ値（有効平均偏差）にして、０．１５ｎｍ以
下であった。このように、本発明のＭｇＯ二重下地膜を
用いることにより強磁性電極層表面の凹凸を小さく、即
ち、０．１５ｎｍ以下に抑えることができる。特に、Ｍ
ｇＯアモルファス層の膜厚を３から１０ｎｍ、ＭｇＯ高
配向膜の膜厚を３から１０ｎｍとすることによりこの結
果を得た。
【００４８】また、図４および図５に示す様に断面透過
電子顕微鏡線像から、ＭｇＯ層１２の下部約４／１０は
アモルファス層１２−１に、上部約６／１０は（００
１）配向の高配向層１２−２となっていることが分か
る。また、ＭｇＯ上に非常に平坦な表面を持つＦｅ層１
３が形成されていることが分かる。また、上記の膜の平
坦性の結果、凹凸に起因する静磁結合によるヒステリシ
ス曲線のシフトを、特別なバイアス磁場を利用すること
なく、２Ｏｅ以下に抑えることができた。このように、
ＭｇＯ二重下地膜を用いて平坦なトンネル磁気抵抗素子
を作製することにより静磁結合を小さくすることができ
た。
電子顕微鏡線像から、ＭｇＯ層１２の下部約４／１０は
アモルファス層１２−１に、上部約６／１０は（００
１）配向の高配向層１２−２となっていることが分か
る。また、ＭｇＯ上に非常に平坦な表面を持つＦｅ層１
３が形成されていることが分かる。また、上記の膜の平
坦性の結果、凹凸に起因する静磁結合によるヒステリシ
ス曲線のシフトを、特別なバイアス磁場を利用すること
なく、２Ｏｅ以下に抑えることができた。このように、
ＭｇＯ二重下地膜を用いて平坦なトンネル磁気抵抗素子
を作製することにより静磁結合を小さくすることができ
た。
【００４９】本発明のＭｇＯ二重下地膜の上に、Ｃｒ
（００１）バッファー層２０ｎｍを成長させた後に、下
部強磁性層としてＦｅＣｏ合金強磁性層を電子層のオー
ダーで薄く成長させた。さらに、その上にアモルファス
アルミナを成長させてバリヤとし、最後にＦｅＣｏ多結
晶合金を上部電極とした。その結果、単結晶下地の場合
と同様に、磁気抵抗効果が増大した。特に、下部強磁性
層の膜厚を１５原子層以下にしたとき、磁気抵抗効果が
厚膜の場合の二倍以上に増加した。特に、６原子層のも
のを、熱処理した結果、室温で７０％を越える磁気抵抗
効果を得た。
（００１）バッファー層２０ｎｍを成長させた後に、下
部強磁性層としてＦｅＣｏ合金強磁性層を電子層のオー
ダーで薄く成長させた。さらに、その上にアモルファス
アルミナを成長させてバリヤとし、最後にＦｅＣｏ多結
晶合金を上部電極とした。その結果、単結晶下地の場合
と同様に、磁気抵抗効果が増大した。特に、下部強磁性
層の膜厚を１５原子層以下にしたとき、磁気抵抗効果が
厚膜の場合の二倍以上に増加した。特に、６原子層のも
のを、熱処理した結果、室温で７０％を越える磁気抵抗
効果を得た。
【００５０】このように、ＭｇＯ二重下地膜を用いて１
５原子層以下の平坦な強磁性電極層を形成することによ
り、これまでにない大きな磁気抵抗効果を実現できた。
５原子層以下の平坦な強磁性電極層を形成することによ
り、これまでにない大きな磁気抵抗効果を実現できた。
【００５１】本発明のＭｇＯ二重下地膜の上に、Ｐｔ
（００１）バッファ層、ｆｃｃ−Ｃｏ（００１）バッフ
ァ層、Ｃｕ（００１）バッファ層の順に成長した。その
上にＣｏ（００１）下部強磁性電極、原子層オーダーの
膜厚の非磁性挿入層、アモルファスアルミナバリヤ、Ｆ
ｅＣｏ上部強磁性電極からなるトンネル磁気抵抗素子を
作製した。
（００１）バッファ層、ｆｃｃ−Ｃｏ（００１）バッフ
ァ層、Ｃｕ（００１）バッファ層の順に成長した。その
上にＣｏ（００１）下部強磁性電極、原子層オーダーの
膜厚の非磁性挿入層、アモルファスアルミナバリヤ、Ｆ
ｅＣｏ上部強磁性電極からなるトンネル磁気抵抗素子を
作製した。
【００５２】その結果、下地が単結晶の場合と同様に、
Ｃｕ（００１）非磁性挿入層の膜厚を２０原子層以下で
調整することにより、トンネル磁気抵抗効果のバイアス
依存性を制御ことができた。特に、Ｃｕ（００１）非磁
性挿入層の膜厚を約３原子層とすると、１３０ｍＶのバ
イアス電圧では磁気抵抗効果を示さないが、バイアス電
圧が４００ｍＶでは１３０ｍＶの場合に比べて１０倍以
上の大きな磁気抵抗効果を示す素子を作製することがで
きた。このことより本発明の磁気抵抗効果素子はｘ，ｙ
マトリックス状に配線された強磁性ランダムアクセスメ
モリの配線の交点上に位置して、パストランジスタがな
くても、その記憶内容を他の記憶セルとのクロストーク
なしに読み出すことに利用できる。
Ｃｕ（００１）非磁性挿入層の膜厚を２０原子層以下で
調整することにより、トンネル磁気抵抗効果のバイアス
依存性を制御ことができた。特に、Ｃｕ（００１）非磁
性挿入層の膜厚を約３原子層とすると、１３０ｍＶのバ
イアス電圧では磁気抵抗効果を示さないが、バイアス電
圧が４００ｍＶでは１３０ｍＶの場合に比べて１０倍以
上の大きな磁気抵抗効果を示す素子を作製することがで
きた。このことより本発明の磁気抵抗効果素子はｘ，ｙ
マトリックス状に配線された強磁性ランダムアクセスメ
モリの配線の交点上に位置して、パストランジスタがな
くても、その記憶内容を他の記憶セルとのクロストーク
なしに読み出すことに利用できる。
【００５３】このようにＭｇＯ二重下地膜を用いて２０
原子層以下の平坦な非磁性挿入層を強磁性電極層とバリ
ヤ層の間に挿入することにより、磁気抵抗のバイアス依
存性を制御することができた。
原子層以下の平坦な非磁性挿入層を強磁性電極層とバリ
ヤ層の間に挿入することにより、磁気抵抗のバイアス依
存性を制御することができた。
【００５４】本発明のＭｇＯ二重下地膜の上に、（００
１）高配向下部強磁性電極層、ＭｇＯ（００１）高配向
バリヤ層、（００１）高配向上部強磁性電極層からなる
トンネル磁気抵抗素子を作製した。
１）高配向下部強磁性電極層、ＭｇＯ（００１）高配向
バリヤ層、（００１）高配向上部強磁性電極層からなる
トンネル磁気抵抗素子を作製した。
【００５５】その結果、熱処理との組み合わせにより、
９０％を超える非常に大きな、トンネル磁気抵抗効果を
得た。このように、ＭｇＯ二重下地膜を用いて、ＭｇＯ
（００１）高配向バリヤ層を含むトンネル磁気抵抗素子
を作製することにより大きな磁気抵抗効果を得た。
９０％を超える非常に大きな、トンネル磁気抵抗効果を
得た。このように、ＭｇＯ二重下地膜を用いて、ＭｇＯ
（００１）高配向バリヤ層を含むトンネル磁気抵抗素子
を作製することにより大きな磁気抵抗効果を得た。
【００５６】図６は本発明の実施例を示す表面に凹凸の
ある多結晶金属電気配線上にＭｇＯアモルファス（００
１）高配向複合下地膜を有する、高品質トンネル磁気抵
抗素子の断面図である。
ある多結晶金属電気配線上にＭｇＯアモルファス（００
１）高配向複合下地膜を有する、高品質トンネル磁気抵
抗素子の断面図である。
【００５７】この図において、２１は下部電気配線、２
２はＭｇＯ二重下地層、２３は下部強磁性電極、２４は
バリヤ層、２５は上部強磁性電極、２６は電気絶縁層、
２７は上部電気配線である。
２はＭｇＯ二重下地層、２３は下部強磁性電極、２４は
バリヤ層、２５は上部強磁性電極、２６は電気絶縁層、
２７は上部電気配線である。
【００５８】多結晶金属配線上に本発明のＭｇＯ下地膜
を有する高品位トンネル磁気抵抗素子を作製し、かつ、
金属配線と下部強磁性電極の電気的接触が必要な場合
は、図６に示すように、ＭｇＯ下地膜２２を加工した上
で下部強磁性金属膜２３を形成することにより、下部電
気配線２１との電気的接触を確保できる。
を有する高品位トンネル磁気抵抗素子を作製し、かつ、
金属配線と下部強磁性電極の電気的接触が必要な場合
は、図６に示すように、ＭｇＯ下地膜２２を加工した上
で下部強磁性金属膜２３を形成することにより、下部電
気配線２１との電気的接触を確保できる。
【００５９】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００６０】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６１】（１）請求項１記載の発明では、下地層を
ＭｇＯアモルファス層とＭｇＯ（００１）高配向層の二
重層とすることにより、平坦化されたトンネル磁気抵抗
素子を形成することができる。
ＭｇＯアモルファス層とＭｇＯ（００１）高配向層の二
重層とすることにより、平坦化されたトンネル磁気抵抗
素子を形成することができる。
【００６２】（２）請求項２記載の発明では、ＭｇＯ下
地層のＭｇＯアモルファス層の膜厚を３から１０ｎｍ、
ＭｇＯ（００１）層の膜厚を３から１０ｎｍとすること
により表面の凹凸を特に小さく抑えることができる。
地層のＭｇＯアモルファス層の膜厚を３から１０ｎｍ、
ＭｇＯ（００１）層の膜厚を３から１０ｎｍとすること
により表面の凹凸を特に小さく抑えることができる。
【００６３】（３）請求項３記載の発明では、下地層の
上に磁気抵抗素子を作製することにより強磁性層の凹凸
を小さくし、強磁性層間の静磁的結合を小さくすること
ができる。
上に磁気抵抗素子を作製することにより強磁性層の凹凸
を小さくし、強磁性層間の静磁的結合を小さくすること
ができる。
【００６４】（４）請求項４記載の発明では、下地層の
上に１５原子層以下の膜厚の超薄強磁性電極層を有する
トンネル磁気抵抗効果素子を作製し、その電極の凹凸を
小さく、配向性を非常によくして磁気抵抗効果を大きく
することができる。
上に１５原子層以下の膜厚の超薄強磁性電極層を有する
トンネル磁気抵抗効果素子を作製し、その電極の凹凸を
小さく、配向性を非常によくして磁気抵抗効果を大きく
することができる。
【００６５】（５）請求項５記載の発明では、下地層の
上に２０原子層以下の平坦な非磁性層をバリヤ層と強磁
性電極層の間に挿入したトンネル磁気抵抗素子を作製す
ることにより磁気抵抗効果のバイアス依存性を制御する
ことができる。
上に２０原子層以下の平坦な非磁性層をバリヤ層と強磁
性電極層の間に挿入したトンネル磁気抵抗素子を作製す
ることにより磁気抵抗効果のバイアス依存性を制御する
ことができる。
【００６６】（６）請求項６記載の発明では、下地層の
上に強磁性電極層を体心立方格子、面心立方格子あるい
は正方格子の（００１）方位に配向させ、さらにバリヤ
層としてＭｇＯ（００１）高配向層を用いることにより
大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
上に強磁性電極層を体心立方格子、面心立方格子あるい
は正方格子の（００１）方位に配向させ、さらにバリヤ
層としてＭｇＯ（００１）高配向層を用いることにより
大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【００６７】（７）請求項７記載の発明では、前記のＭ
ｇＯ下地層と磁気抵抗素子の間にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａ
ｌ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｒｕ，
Ｒｈ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉを組み合わせた（００
１）配向層を挟むことによって平坦性を改善し、かつ電
極抵抗を低減することができる。
ｇＯ下地層と磁気抵抗素子の間にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａ
ｌ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｒｕ，
Ｒｈ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉを組み合わせた（００
１）配向層を挟むことによって平坦性を改善し、かつ電
極抵抗を低減することができる。
【００６８】したがって、ＭｇＯアモルファス層／Ｍｇ
Ｏ（００１）高配向層の複合下地を持つ高配向で平坦な
強磁性トンネル磁気抵抗素子を形成することにより、こ
れまで単結晶基板上にしか形成できなかった、量子サイ
ズ効果などの特性を示す高性能磁気抵抗素子をＳｉＯ2
などのアモルファス基板および多結晶配線上に作製する
ことができる。
Ｏ（００１）高配向層の複合下地を持つ高配向で平坦な
強磁性トンネル磁気抵抗素子を形成することにより、こ
れまで単結晶基板上にしか形成できなかった、量子サイ
ズ効果などの特性を示す高性能磁気抵抗素子をＳｉＯ2
などのアモルファス基板および多結晶配線上に作製する
ことができる。
【図１】本発明にかかる平坦化トンネル磁気抵抗素子の
模式図である。
模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す平坦化トンネル磁気抵抗
素子の断面図である。
素子の断面図である。
【図３】本発明の実施例を示す酸化膜の付いたＳｉ基板
上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向複合下地層
を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗素子を作製
した例のＸ線回折を示す図である。
上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向複合下地層
を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗素子を作製
した例のＸ線回折を示す図である。
【図４】本発明の実施例を示す酸化膜の付いたＳｉ基板
上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向複合下地層
を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗素子を作製
した例の断面電子顕微鏡像を示す図である。
上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向複合下地層
を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗素子を作製
した例の断面電子顕微鏡像を示す図である。
【図５】本発明の実施例を示す酸化膜の付いたＳｉ基板
上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向複合下地層
を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗素子を作製
した例の高分解断面電子顕微鏡像を示す図である。
上にＭｇＯアモルファス／（００１）高配向複合下地層
を成長し、その上に高品質トンネル磁気抵抗素子を作製
した例の高分解断面電子顕微鏡像を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す表面に凹凸のある多結晶
金属電気配線上にＭｇＯアモルファス（００１）高配向
複合下地膜を有する、高品質トンネル磁気抵抗素子の断
面図である。
金属電気配線上にＭｇＯアモルファス（００１）高配向
複合下地膜を有する、高品質トンネル磁気抵抗素子の断
面図である。
１ 基板（ＳｉＬＳＩ，ＳｉＯ2 など）
２ ＭｇＯアモルファス層
３ ＭｇＯ（００１）結晶層
４ ＭｇＯアモルファス層とＭｇＯ（００１）結晶層
からなる下地層 ５ 高配向で平坦な界面を持つ磁気抵抗素子 １１ 酸化膜の付いたＳｉ基板 １２ ＭｇＯ膜（１０ｎｍ） １２−１ アモルファス層 １２−２ （００１）配向の高配向層 １３ Ｆｅ（００１）層（２０ｎｍ） １４ アモルファスＡｌ−Ｏ層 １５ 上部電極（多結晶Ｎｉ−Ｆｅ）層 １６ Ａｕキャップ層 ２１ 下部電気配線 ２２ ＭｇＯ二重下地層 ２３ 下部強磁性電極 ２４ バリヤ層 ２５ 上部強磁性電極 ２６ 電気絶縁層 ２７ 上部電気配線
からなる下地層 ５ 高配向で平坦な界面を持つ磁気抵抗素子 １１ 酸化膜の付いたＳｉ基板 １２ ＭｇＯ膜（１０ｎｍ） １２−１ アモルファス層 １２−２ （００１）配向の高配向層 １３ Ｆｅ（００１）層（２０ｎｍ） １４ アモルファスＡｌ−Ｏ層 １５ 上部電極（多結晶Ｎｉ−Ｆｅ）層 １６ Ａｕキャップ層 ２１ 下部電気配線 ２２ ＭｇＯ二重下地層 ２３ 下部強磁性電極 ２４ バリヤ層 ２５ 上部強磁性電極 ２６ 電気絶縁層 ２７ 上部電気配線
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 長濱 太郎
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
(72)発明者 鈴木 義茂
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
Ｆターム(参考） 5F083 FZ10
Claims (7)
- 【請求項１】 ＭｇＯアモルファス層とＭｇＯ（００
１）高配向層の二重層からなる下地層を有することを特
徴とする平坦化トンネル磁気抵抗素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の平坦化トンネル磁気抵抗
素子において、前記ＭｇＯアモルファス層の膜厚を３か
ら１０ｎｍ、前記ＭｇＯ（００１）高配向層の膜厚を３
から１０ｎｍとすることで表面の凹凸を小さく抑えるこ
とを特徴とする平坦化トンネル磁気抵抗素子。 - 【請求項３】 請求項１記載の平坦化トンネル磁気抵抗
素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで強磁性
層の凹凸を小さくし、強磁性層間の静磁的結合を小さく
することを特徴とする平坦化トンネル磁気抵抗素子。 - 【請求項４】 請求項１記載の平坦化トンネル磁気抵抗
素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで１５原
子層以下の超薄強磁性電極層の凹凸を小さくし、磁気抵
抗効果を大きくすることを特徴とする平坦化トンネル磁
気抵抗素子。 - 【請求項５】 請求項１記載の平坦化トンネル磁気抵抗
素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで２０原
子層以下の平坦な非磁性層をバリヤ層と強磁性電極層の
間に挿入して、磁気抵抗効果のバイアス依存性を制御す
ることを特徴とする平坦化トンネル磁気抵抗素子。 - 【請求項６】 請求項１記載の平坦化トンネル磁気抵抗
素子において、前記ＭｇＯ下地層を用いることで強磁性
電極層を体心立方格子、面心立方格子あるいは正方格子
の（００１）方位に配向させ、バリヤ層として前記Ｍｇ
Ｏ（００１）高配向層を用いて大きな磁気抵抗効果を得
ることを特徴とする平坦化トンネル磁気抵抗素子。 - 【請求項７】 請求項１記載の平坦化トンネル磁気抵抗
素子において、前記ＭｇＯ下地層と磁気抵抗素子の間に
Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｍｏ，
Ｗ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ
を組み合わせた（００１）配向層を挟むことによって平
坦性を改善し、かつ電極抵抗を低減することを特徴とす
る平坦化トンネル磁気抵抗素子。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002121121A JP4304568B2 (ja) | 2002-04-23 | 2002-04-23 | 平坦化トンネル磁気抵抗素子 |
| KR1020037015607A KR100886602B1 (ko) | 2001-05-31 | 2002-05-24 | 터널자기저항소자 |
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| US10/478,203 US7220498B2 (en) | 2001-05-31 | 2002-05-24 | Tunnel magnetoresistance element |
| EP02730704A EP1391942A4 (en) | 2001-05-31 | 2002-05-24 | TUNNEL MAGNETIC RESISTANCE ELEMENT |
| US11/673,919 US7514160B2 (en) | 2001-05-31 | 2007-02-12 | Tunnel magnetoresistance element having a double underlayer of amorphous MgO and crystalline MgO(001) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002121121A JP4304568B2 (ja) | 2002-04-23 | 2002-04-23 | 平坦化トンネル磁気抵抗素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003318465A true JP2003318465A (ja) | 2003-11-07 |
| JP4304568B2 JP4304568B2 (ja) | 2009-07-29 |
Family
ID=29537157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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