JP2003507884A - 磁気トンネル接合を製造する方法及び磁気トンネル接合 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体技術において利用される通常のプロセスと両立性を有し、かつ半導体回路内への集積化にとって望ましい電気的特性を有する磁気トンネル接合を製造する。 【解決手段】 磁気トンネル接合を製造する方法は、金属層を、第１の強磁性層（１）上に堆積させかつ絶縁層（３）を形成するために酸化し、第２の強磁性層（２）を、絶縁層（３）上に形成し、その際、金属層の酸化をＵＶ光によって支援するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、特許請求の請求項１の序文部に記載の磁気トンネル接合を製造する
方法、及び特許請求の範囲の請求項４の序文部に記載の磁気トンネル接合に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】

現在では、多くの費用をかけて強誘電性及び磁気抵抗メモリ技術が開発され、
これらのメモリ技術の展望は、給電電圧に依存するＤＲＡＭ（ダイナミック・ラ
ンダム・アクセス・メモリ）を、ＦＲＡＭ（フェロエレクトリック・ランダム・
アクセス・メモリ）又はＭＲＡＭ（マグネチック・ランダム・アクセス・メモリ
）と称する給電電圧に依存しない不揮発性メモリモジュールに置き換えることに
ある。

【０００３】 ＭＲＡＭについて、種々の磁気抵抗効果が考慮される。ＡＭＲ（アンイソトロ
ープ・マグネトレジスタンス）メモリは、導体材料の磁化方向に対して平行及び
垂直に電流に対する抵抗が相違することに基づいている。ＧＭＲ（ジャイアント
・マグネトレジスタンス）メモリ構想は、ジャイアント磁気抵抗効果に基づいて
おり、このジャイアント磁気抵抗効果は、交互に配置されたナノメートルの薄さ
の磁性層（例えばコバルトからなる）と非磁性層（例えば銅からなる）とからな
る層積み重ね体において現われる。磁気トンネル接合は、ＭＲＡＭに対する第３
の候補者である。これらのトンネル接合は、２つの強磁性層からなり、これらの
層は、薄いトンネル絶縁層によって分離されている。

【０００４】 磁気抵抗効果に基づく構成要素に対する別の適用分野は、磁界センサ技術であ
る。現在、すでにＡＭＲ磁界センサ、ＧＭＲ磁界センサ及びトンネル磁界センサ
は周知である。

【０００５】 磁気トンネル接合の動作様式は、通常伝導する電子に対するトンネル抵抗（Ｔ
ＭＲ：トンネル磁気抵抗）のスピンに依存した変化に基づいており、関与する磁
性層のスピン分極がこのトンネル抵抗の基礎になっている。最近までこの効果は
、基本特性だけを持っていた。なぜならスピンに依存するトンネリングの際に測
定される相対的な磁気抵抗の変化ΔＲ／Ｒは、１％以下にあるからである。１９
９５年にＴ．ミヤザキ他が、“Ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌｉ
ｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ Ｆｅ／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｆｅ ｊｕｎｃｔｉｏｎ”、Ｊ
．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｔｅｒ．１３９、第Ｌ２３１−Ｌ２３４頁におい
て、室温においてΔＲ／Ｒ≧１８％の値を有する磁気トンネル接合について報告
したことによって、状況は変化した。

【０００６】 磁気トンネル接合の重要な利点は、これらの磁気トンネル接合が高オーム性で
あり、かつそれ故に低オーム性のＡＭＲ又はＧＭＲ要素より一層良好な既存の集
積半導体回路との両立性を有する点にある。それ故に磁気トンネル接合は、（メ
モリ又はセンサ要素として）将来のチップ世代における集積化に対してきわめて
良好な展望を有することが期待できる。

【０００７】 集積回路における使用のための磁気トンネル接合の適性のために、このトンネ
ル接合が、すでに述べたできるだけ大きな磁気抵抗の相対変化ΔＲ／Ｒの他に、
最適なように１０^２から最大ほぼ１０^４Ω×μｍ^２までの範囲内にあるようにす
る抵抗−面積の積ＲＡを有することが必要である。これら両方の条件を同時に満
たす磁気トンネル接合は、これまで製造できなかった。

【０００８】 もっとも近い従来の技術を意味する刊行物“Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ
ｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍｅｍｏｒｙ”、Ｊ．Ｍ．Ｄａｕｇｈｔｏｎ著
、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、８１、第３７５８−３７６３頁、（１９９７）に
おいて、２０％の相対磁気抵抗変化ΔＲ／Ｒ及び１０−１０^６ｋΩ×μｍ^２の抵
抗−面積の積ＲＡを有する磁気トンネル接合が示されている。トンネル絶縁層を
製造するために、その際、２．０ｎｍの厚さの部分的に酸化されたＡｌ層、及び
その上に０．６ｎｍの厚さの完全に酸化されたＡｌ_２Ｏ_３層が使用される。完全
には酸化されていない金属層を磁気トンネル層として使用することは、有利とみ
なされる。

【０００９】 刊行物“Ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅ
ｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ”
、Ｙｕ Ｌｕ他著、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、８３、第６５１５−６５１７頁
、（１９９８）において、磁気トンネル接合が記載されており、この磁気トンネ
ル接合は、酸化されたアルミニウム層をトンネル障壁層として利用する。酸化さ
れた障壁層の製造のために、０．５から１．５ｎｍまでの薄さのアルミニウム層
が、トンネル接合の下側の強磁性層上に堆積され、かつつづいてプラズマ−酸化
法によって酸化される。絶縁層を製造するための短い酸化時間（３０秒から７分
）、及び十分に大きな相対磁気抵抗変化（室温において１６％より大きい）を達
成することができる可能性は、プラズマ−酸化法において有利である。しかしな
がらこの方法によって製造された磁気トンネル絶縁層が、半導体チップ内への集
積化のために５０ｋΩ×μｍ^２を越える高すぎる抵抗−面積の積ＲＡを有するこ
とは、不利である。

【００１０】 刊行物“Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｂ／Ａｌ−ＡｌＯ_ｘ／Ｎｂ Ｊｏ
ｓｅｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｕｒｒｅ
ｎｔ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｄｏｗｎ ｔｏ １Ａ／ｃｍ^２”、Ｌ．Ｆｒｉｔｚ
ｓｃｈ他著、ＰＨＹＳＩＣＡ Ｃ ２９６、第３１９−３２４頁、（１９９８）
において、超伝導ジョセフソントンネル接合のためのトンネル絶縁層の製造方法
が記載されている。方法において８ｎｍの厚さのアルミニウム層が、ニオブ電極
上に取付けられ、かつＵＶ光に支援された酸化法によって、ほぼ１．３ｎｍの厚
さの表面層範囲において完全に酸化される。ジョセフソントンネル接合は、ニオ
ブの遷移温度（９．２Ｋ）より下の温度において動作させなければならず、かつ
逆のスピンを有する対になった２つの電子からなるクーパー対のトンネリングに
基づいている。超伝導トンネル接合の範囲外におけるこのようにして製造された
層の可能な適用に関して、かつとくにその磁気特性に関して、刊行物からは何も
引出すことができない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】

本発明の課題は、半導体技術において利用される通常のプロセスと両立性を有
し、かつ半導体回路内への集積化にとって望ましい電気的特性を有する磁気トン
ネル接合を提供することを可能にする、磁気トンネル接合を製造する方法を示す
ことにある。さらに本発明は、とくにＭＲＡＭ又は磁界センサの形の将来の半導
体回路において利用するために適した、磁気トンネル接合を提供することを目的
としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

本発明は、特許請求の範囲の請求項１及び４の特徴部によって解決される。

【００１３】 ＵＶ光に支援される酸化法を利用することによって、磁気トンネル接合を提供
することができ、これらのトンネル接合は、３００Ｋにおいて、１０％より大き
な（かつ第１の実験において２２％までの）相対磁気抵抗変化、及び１０ｋΩ×
μｍ^２より小さな、とくに２ｋΩ×μｍ^２より小さな（かつ第１の実験において
０．３ｋΩ×μｍ^２までの）抵抗−面積の積ＲＡを有する。したがって本発明に
よる方法によれば、良好な感度（すなわち大きな相対磁気抵抗変化比ΔＲ／Ｒを
有する）、及びスイッチング速度及びＣＭＯＳ読み出し回路との両立性に関して
ＭＲＡＭ適用にとって最適な抵抗−面積の積ＲＡに対する値を有する磁気トンネ
ル接合を製造することができる。

【００１４】 本発明による方法の成功は、酸化方法が、一方において、残りの酸化されない
金属成分なしに金属のほぼ化学量論的な酸化を可能にし、他方において、従来の
技術において周知の攻撃的なプラズマ−酸化（エッチング）法とは相違して、そ
の下にある強磁性材料に対する境界面において精密な自己制限する酸化停止をも
たらすことに帰する。

【００１５】 本発明による方法のその他の利点は、比較的“緩やかな”酸化にもかかわらず
、時間経過から半導体−製造法に統合することができるようにするために、これ
が十分に急速に実行することができる点にある。金属堆積ステップ及び酸化ステ
ップは、半導体技術においてすでにずっと以前から使用されているので、方法の
プロセス技術的な統合の際にも、困難は生じない。

【００１６】 有利には、金属層を堆積する際に、この層の厚さを、最大ほぼ２ｎｍに設定す
る。それにより堆積した金属層が、完全に（すなわち化学量論的にだけでなく層
全体を通しても）酸化されることが保証される。絶縁層内における酸化されない
金属成分は、抵抗−面積の積に対する低い値の達成を困難にするので、できるだ
け避けなければならないことがわかった。金属層の金属は、有利にはＡｌ、Ｍｇ
、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｙ又はＥｒである。

【００１７】 別の有利な処置は、トンネル接合を、リソグラフィステップ及びイオンビーム
エッチングステップによってとくに楕円形に構造化することを特徴とする。形状
異方性を介して、磁気的に軽い軸線が定義され、この軸線は、磁気ドメインが楕
円の長軸に沿って優先方向を占めることを引き起こす。

【００１８】 本発明による磁気トンネル接合は、メモリセル及び／又は磁界センサにとくに
有利に使用される。

【００１９】 本発明の別の有利な構成は、特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。

【００２０】

【発明の実施の形態】

次に本発明を図面を参照しながら実施の形態によって説明する。

【００２１】 トンネル接合は、下側の硬磁性層、例えばＣｏ層１、上側の軟磁性層、例えば
ＮｉＦｅ層２、及び両方の強磁性層１、２の間に配置されたトンネル絶縁層３を
有する。トンネル絶縁層３は、有利には完全に化学量論的なＡｌ_２Ｏ_３からなり
、かつこれから説明されるように製造される。下側の硬磁性層１の下及び上側の
軟磁性層２の上に、金属被覆４、５が取付けられており、これらの金属被覆を介
して磁気トンネル接合１、２、３は、電気的に接触される。電気的な接触は、図
示したように外側の配線を介して実現され、この配線によって所定の大きさの電
圧Ｖが、金属被覆４、５、したがってトンネル接合１、２、３に加えることがで
きる。

【００２２】 配線によって測定可能な磁気トンネル接合１、２、３の電気抵抗はＲによって
、かつその横断面積はＡによって示される。ΔＲによって、両方の強磁性層１、
２における逆平行対平行の磁気整列における電気抵抗の差が示される。相対磁気
抵抗変化ΔＲ／Ｒ＝（Ｒ↑↓−Ｒ↓↓）／Ｒ↓↓は、強磁性層１、２の平行な整
列における接触抵抗Ｒ↓↓に関連する。示されたすべての値は、室温に関連する
（３００Ｋ）。

【００２３】 トンネル接合１、２、３の本発明による製造は次のとおりである：

【００２４】 まず基礎金属被覆４上に下側の硬磁性Ｃｏ層１が析出される。Ｃｏの代わりに
、例えばＦｅのような別の強磁性材料、及び強磁性材料の合金を使用することも
できる。

【００２５】 次のステップにおいて、下側強磁性層１上に、薄いＡｌ層がスパッタリングさ
れる。それからスパッタリングされたＡｌ層は、ほぼ３０分にわたってほぼ１０
ｍｂａｒの酸素雰囲気にさらされ、その際、ＵＶビームを発生するために水銀低
圧ポンプが使用される。ＵＶビームは、分子酸素を高反応性の原子酸素及びオゾ
ンに変換することを引き起こす。

【００２６】 酸化は、できるだけすべての堆積されたＡｌが完全に酸化されるように、行な
うようにすべきである。このことは、Ａｌ層の厚さがほぼ２ｎｍより大きくなら
ないかぎり、確実に達成される。

【００２７】 本発明による酸化法のすでに述べた別の利点は、酸化がその下にある強磁性層
１に対する境界面において自己制限して停止することにある。このことは、１０
％より大きな（３００Ｋにおいて）相対磁気抵抗変化の際に１０ｋΩ×μｍ^２よ
り小さな抵抗−面積の積ＲＡを有する高品質の磁気トンネル接合を製造可能にす
るための前提であると思われる。

【００２８】 その結果、本発明による酸化法は、従来使用されていた酸化法において生じる
すべての問題、すなわち、純粋な熱酸化は、十分に小さな抵抗−面積の積ＲＡを
引き起こすが、工業的な用途に対してあまりに遅く、かつ６％以下の比較的小さ
な相対磁気抵抗変化しか可能にしないということに打ち勝つ。初めに述べたプラ
ズマ酸化法は、大量生産の際に生じる時間経過と両立性を有するが、５０ｋΩ×
μｍ^２以上の抵抗−面積の積ＲＡを生じる。

【００２９】 刊行物“Ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏｒｅ
ｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｓｐｉｎ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ
ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”、Ｊ．Ｚｈａｎｇ及びＲ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅ著、Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．８３、６５１２、（１９９８）に、トンネル障壁におけるいわ
ゆる“トラップ”が、加えられたベース電圧に対してΔＲ／Ｒの徹底的な減少を
引き起こすことが述べられている。プラズマ酸化の場合、プラズマ酸化の間に、
障壁が２０ｅＶよりも大きい高エネルギー粒子にさらされるので、障壁内に多く
のトラップが組み込まれることが期待できる。それとは相違して、熱酸化（ＵＶ
光を用いる又は用いない）は、障壁内における著しく減少したトラップの数に至
る。それによりこの場合におけるバイアス依存性が、プラズマ酸化された障壁の
場合におけるものよりもずっとわずかな強さでしか現われないことが期待できる
。

【００３０】 それ故に熱酸化された障壁は、半導体回路に連結するための磁気抵抗効果をあ
まりに小さくすることなく、２００ｍＶから３Ｖまでのバイアス範囲においてト
ンネル接合を動作させることが可能になる。

【００３１】 ２００ｍＶから３Ｖまでの間の電圧は、半導体読み出し回路内における信号処
理にとって理想的である。

【００３２】 酸化ステップの後に、上側の軟磁性ＮｉＦｅ層２が取付けられる。層の析出は
、イオンビーム蒸着又はスパッタリングによって行なうことができる。

【００３３】 最後に別のステップにおいて、リソグラフィ金属マスキング技術及びイオンビ
ームエッチングを使用して、磁気トンネル接合１、２、３が構造化される。

【００３４】 本発明の枠内において行なわれた実験において、１０μｍ^２と４００μｍ^２と
の間の面積を有するトンネル接合１、２、３が製造された。（室温において）例
えば３００Ω×μｍ^２だけの抵抗−面積の積ＲＡ、及び２２％までの相対磁気抵
抗変化ΔＲ／Ｒを測定することができる。前記の用途にとくに適していると思わ
れるＲＡ＝２ｋΩ×μｍ^２を有するトンネル接合は、常に１０％以上の相対抵抗
変化を示す。カー測定は、上側のＮｉＦｅ層２及び下側のＣｏ層１の保磁力磁界
の明確なトンネリングを示した。Ｃｏ（硬磁性）に対して、１５ｍＴの保磁力磁
界が、かつＮｉＦｅ（軟磁性）に対して、ほぼ０．８ｍＴの相応する値が確定さ
れた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による磁気トンネル接合の概略的な断面図である。

【符号の説明】

１ 上側の磁性層 ２ 下側の磁性層 ３ トンネル絶縁層 ４ 金属被覆 ５ 金属被覆

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロットレンデル ペーター フランス国 ヴィリエ レ ナーンシ ア ヴニュー サン セバスチャン 26 エコ ール ビソニエール アパルトマン 78 エフ Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AD54 AD63 AD65 5D034 BA03 BA15 DA07 5F083 FZ10 GA27 JA36 JA39

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属層を、第１の強磁性層（１）上に堆積させかつ絶縁層（
   ３）を形成するために酸化し、 絶縁層（３）上に第２の強磁性層（２）を形成する、 磁気トンネル接合を製造する方法において、 金属層の酸化をＵＶ光によって支援する ことを特徴とする、磁気トンネル接合を製造する方法。
2. 【請求項２】 金属層、とくにＡｌ層を堆積させる際に、この層の厚さを、
   最大２ｎｍに設定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 トンネル接合（１，２，３）を、リソグラフィ−及びイオン
   ビーム−エッチングステップによってとくに楕円形に構造化することを特徴とす
   る、請求項１又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】 第１（１）及び第２（２）の強磁性層を有し、これらの層の
   間に金属酸化物層からなるトンネル絶縁層（３）が配置されている、磁気トンネ
   ル接合において、磁気トンネル接合（１，２，３）が、 ３００Ｋにおいて１０％より大きな相対磁気抵抗変化ΔＲ／Ｒ、及び １０ｋΩ×μｍ^２、とくに２ｋΩ×μｍ^２より小さい抵抗−面積の積ＲＡを有
   することを特徴とする、磁気トンネル接合。
5. 【請求項５】 抵抗−面積の積ＲＡが、ほぼ３００Ω×μｍ^２の範囲内にあ
   ることを特徴とする、請求項４に記載の磁気トンネル接合。
6. 【請求項６】 金属層の材料が、選択的にＡｌ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｒ、
   Ｙ又はＥｒであることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
7. 【請求項７】 トンネル接合（１，２，３）が、楕円形構造を有することを
   特徴とする、請求項４〜６のいずれか１つに記載の磁気トンネル接合。
8. 【請求項８】 請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法によって製造され
   た磁気トンネル接合（１，２，３）または請求項４〜７のいずれか１つに記載の
   磁気トンネル接合（１，２，３）を含む、メモリセル。
9. 【請求項９】 請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法によって製造され
   た磁気トンネル接合（１，２，３）または請求項４〜７のいずれか１つに記載の
   磁気トンネル接合（１，２，３）を含む、磁界センサ。