JP2005332838A - Tunneling magneto-resistive element and its manufacturing method and apparatus - Google Patents

Tunneling magneto-resistive element and its manufacturing method and apparatus Download PDF

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高橋  研
Masakiyo Tsunoda
匡清 角田
Satoru Yoshimura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tunneling magneto-resistive element containing an insulation layer which is formed of aluminum nitride which allows the formation of the insulation layer with good controllability, and which has a TMR ratio nearly the same as that of aluminum oxide, and also to provide its manufacturing method and apparatus. <P>SOLUTION: The tunneling magneto-resistive element is such that the insulation layer formed of aluminum nitride (Al-N) is sandwiched between two ferromagnetic layers (fixed magnetization layer and free magnetization layer). The insulation layer has a barrier height of 2 eV or above. The manufacturing method of the insulation layer comprises a nitriding process for nitriding a metal Al film by plasmas, and an annealing process of heat-treating the nitrided Al-N film. The plasma has a low electron temperature of 2 eV or lower, and as nitriding species, and serves to excite nitrogen molecule radicals or nitrogen atom radicals. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、GMR型再生ヘッドや磁気メモリ(MRAM)等の磁気デバイスに使用されるトンネル型磁気抵抗素子とその製造方法および装置、特に、トンネル絶縁層に窒化アルミニウム(Al-N)を用いたトンネル型磁気抵抗素子とその製造方法および装置に関する。   The present invention relates to a tunnel type magnetoresistive element used for a magnetic device such as a GMR type read head or a magnetic memory (MRAM), and a method and apparatus for manufacturing the same, and in particular, aluminum nitride (Al-N) is used for the tunnel insulating layer. The present invention relates to a tunnel type magnetoresistive element and a method and apparatus for manufacturing the same.

近年、トンネル型磁気抵抗(TMR:tunneling magnetoresistive)素子が提案され、このトンネル型磁気抵抗素子を適用した各種磁気式デバイスの開発も急激に進展しつつある。このトンネル型磁気抵抗素子(TMR素子)は、薄い絶縁層を2つの強磁性層により挟持した構造で、一般に、強磁性層(磁化固定層)/絶縁層/強磁性層(磁化自由層)の積層構造を有する。ここで、磁化固定層とは、反強磁性層と交換結合してその磁化方向が一方向に固定される層で、磁化自由層とは、例えば外部磁界等によりその磁化方向が自由に変動する層である。これにより、磁化方向が一方向に固定された磁化固定層に対して、磁化自由層の磁化方向が変動することにより、トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)が発現し、外部磁界の変化を抵抗値の変化として捉えることが可能になっている。   In recent years, tunneling magnetoresistive (TMR) elements have been proposed, and the development of various magnetic devices to which the tunneling magnetoresistive elements are applied is also progressing rapidly. This tunnel-type magnetoresistive element (TMR element) has a structure in which a thin insulating layer is sandwiched between two ferromagnetic layers, and generally includes a ferromagnetic layer (magnetization fixed layer) / insulation layer / ferromagnetic layer (magnetization free layer). It has a laminated structure. Here, the magnetization fixed layer is a layer in which the magnetization direction is fixed in one direction by exchange coupling with the antiferromagnetic layer, and the magnetization free layer is a magnetization direction that fluctuates freely by an external magnetic field, for example. Is a layer. As a result, when the magnetization direction of the magnetization free layer varies with respect to the magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed in one direction, the tunnel magnetoresistive effect (TMR effect) appears, and the change of the external magnetic field is changed to the resistance value. It is possible to perceive it as a change.

このトンネル型磁気抵抗素子を適用した磁気式デバイスとしては、磁気記録装置におけるGMR型再生ヘッドや、電源を切った状態でもデータが保存される不揮発性磁気式メモリ(MRAM:magnetic random access memory)等がある。   Examples of the magnetic device to which this tunnel type magnetoresistive element is applied include a GMR type reproducing head in a magnetic recording apparatus, a non-volatile magnetic memory (MRAM: magnetic random access memory) in which data is stored even when the power is turned off, etc. There is.

上記の磁気式メモリは、第1強磁性層(磁化固定層)/絶縁層/第2強磁性層(磁化自由層)の積層構造のトンネル型磁気抵抗素子を記憶素子として用いたもので、このトンネル型磁気抵抗素子とMOSFETを組み合わせることで、MRAMのメモリ・セルを構成している。   The above magnetic memory uses a tunnel type magnetoresistive element having a laminated structure of a first ferromagnetic layer (magnetization fixed layer) / insulating layer / second ferromagnetic layer (magnetization free layer) as a memory element. An MRAM memory cell is configured by combining a tunnel type magnetoresistive element and a MOSFET.

このようなトンネル型磁気抵抗素子では、第1及び第2強磁性層を構成する材料としては、分極率が高いことからCoFe系合金が多く用いられている。また、絶縁層を構成する材料としては、高いTMR比(トンネル磁気抵抗変化率)が得られることからアルミニウム(Al)酸化膜が多く用いられている。このAl酸化膜を形成する方法としては、例えば、酸素による自然酸化、酸素ラジカルによる酸化、酸素プラズマによる酸化等、様々な方法が提案されているが、酸素プラズマによる酸化(プラズマ酸化法)が主流である。   In such a tunnel type magnetoresistive element, a CoFe-based alloy is often used as a material constituting the first and second ferromagnetic layers because of its high polarizability. As a material constituting the insulating layer, an aluminum (Al) oxide film is often used because a high TMR ratio (tunnel magnetoresistance change rate) can be obtained. As a method for forming this Al oxide film, various methods such as natural oxidation by oxygen, oxidation by oxygen radicals, oxidation by oxygen plasma, etc. have been proposed, but oxidation by oxygen plasma (plasma oxidation method) is the mainstream. It is.

プラズマ酸化法を用いたトンネル型磁気抵抗素子の製造方法および装置やこの素子を用いた磁気デバイスに関しては、本願と同一発明者等によって、特許文献1が出願されている。特許文献1の公報の記載を引用すれば、特許文献1は、「低温における熱処理が可能であり、得られた絶縁層のバリア障壁の高さが十分高く、その結果、高TMR比を実現することができるトンネル型磁気抵抗素子とそれを用いた磁気式デバイス及びその製造方法並びに製造装置を提供すること」を目的として、「トンネル型磁気抵抗素子は、第1強磁性層と、絶縁層と、第2強磁性層とが順次積層され、絶縁層は、ラジアルラインスロットアンテナ(RLSA)を用いたプラズマ処理装置により、成膜した金属層あるいは合金層が酸化処理されて金属酸化物とされ、その抵抗値は成膜後の熱処理により所定の抵抗値の範囲で任意に制御されることを特徴とする」技術を開示する。   Patent Document 1 has been filed by the same inventors as the present application regarding a method and apparatus for manufacturing a tunnel magnetoresistive element using a plasma oxidation method and a magnetic device using this element. To cite the description of the publication of Patent Document 1, Patent Document 1 states that “a heat treatment at a low temperature is possible and the barrier barrier height of the obtained insulating layer is sufficiently high, and as a result, a high TMR ratio is realized. For the purpose of providing a tunneling magnetoresistive element, a magnetic device using the same, and a manufacturing method and manufacturing apparatus therefor, the tunneling magnetoresistive element includes a first ferromagnetic layer, an insulating layer, The second ferromagnetic layer is sequentially laminated, and the insulating layer is formed into a metal oxide by oxidizing the deposited metal layer or alloy layer by a plasma processing apparatus using a radial line slot antenna (RLSA). The technique is disclosed in which the resistance value is arbitrarily controlled within a predetermined resistance value range by heat treatment after film formation.

また、特許文献1は、トンネル型磁気抵抗素子の構成やこの素子を用いた磁気デバイスに関しても広く開示しており、これらの概要に関し、特許文献1の公報の記載を一部引用して、以下に述べる。   Patent Document 1 also widely discloses the configuration of a tunnel-type magnetoresistive element and a magnetic device using this element. With respect to these outlines, the description of Patent Publication 1 is partially cited below. In the following.

図10(特許文献1の図1相当)は、トンネル型磁気抵抗素子を示す模式的断面図であり、図10において、符号1はトンネル型磁気抵抗素子であり、第1強磁性層(導体)2と、絶縁層(絶縁体)3と、第2強磁性層(導体)4とが順次積層されて構成されている。   FIG. 10 (corresponding to FIG. 1 of Patent Document 1) is a schematic cross-sectional view showing a tunnel type magnetoresistive element. In FIG. 10, reference numeral 1 denotes a tunnel type magnetoresistive element, and the first ferromagnetic layer (conductor). 2, an insulating layer (insulator) 3, and a second ferromagnetic layer (conductor) 4 are sequentially stacked.

前記第1強磁性層2は、その少なくとも一部または全部が強磁性を示す合金からなるもので、図10中矢印で示すように磁化方向が一方向に固定されている。この第1強磁性層2は、例えば、不純物ガス濃度が1ppb未満の超高純度アルゴン(Ar)ガス雰囲気中で、スパッタリング法、蒸着法、あるいはその他の薄膜形成手段により形成されたもので、特にマグネトロンスパッタリング法が好適である。   The first ferromagnetic layer 2 is made of an alloy exhibiting ferromagnetism at least partially, and the magnetization direction is fixed in one direction as shown by an arrow in FIG. The first ferromagnetic layer 2 is formed by, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, or other thin film forming means in an ultrahigh purity argon (Ar) gas atmosphere having an impurity gas concentration of less than 1 ppb. A magnetron sputtering method is preferred.

上記の強磁性を示す合金としては、強磁性を示すものであれば特に限定されるものではないが、バリア障壁の高さが十分に確保され、しかも高いTMR比(トンネル磁気抵抗変化率)を得ることを考慮すると、Co、Fe等の強磁性を有する金属、Co系合金、Fe系合金、Ni系合金、NiFe系合金、CoFe系合金、CoNi系合金、CoFeNi系合金、MnAs、MnSb、MnBi等のMnと周期律表のVA族(N、P、As、Sb、Bi)との合金化合物、NiAs、NiSb、NiBi等のNiと周期律表のVA族(N、P、As、Sb、Bi)との合金化合物等が好適に用いられる。   The alloy exhibiting ferromagnetism is not particularly limited as long as it exhibits ferromagnetism, but the barrier barrier height is sufficiently secured, and a high TMR ratio (tunnel magnetoresistance change rate) is obtained. In consideration of obtaining, Co, Fe and other ferromagnetic metals, Co alloys, Fe alloys, Ni alloys, NiFe alloys, CoFe alloys, CoNi alloys, CoFeNi alloys, MnAs, MnSb, MnBi Alloy compounds of Mn and VA group of periodic table (N, P, As, Sb, Bi), Ni such as NiAs, NiSb, NiBi and VA group of periodic table (N, P, As, Sb, An alloy compound with Bi) is preferably used.

これらの合金の中でも、組成式CoxFe100-xで表されるCoFe系合金が好適である。上記の組成式では、x(at%)の好ましい範囲は50≦x≦85である。なお、この第1強磁性層2の全てを上記組成の金属または合金としても良く、また、この第1強磁性層2を組成の異なる複数の強磁性層からなる積層体とし、少なくとも1層を上記組成の金属または合金としても良い。さらに、前記特許文献1にその記載はないが、最近注目されている好適な強磁性材料としては、アモルファス構造のCoFeB、ハーフメタルのFe3O4・CoMnSi・CoCrFeAlなどがある。 Among these alloys, a CoFe-based alloy represented by the composition formula Co x Fe 100-x is preferable. In the above composition formula, a preferable range of x (at%) is 50 ≦ x ≦ 85. Note that all of the first ferromagnetic layer 2 may be a metal or alloy having the above composition, and the first ferromagnetic layer 2 is a laminate composed of a plurality of ferromagnetic layers having different compositions, and at least one layer is formed. A metal or alloy having the above composition may be used. Further, although not described in Patent Document 1, suitable ferromagnetic materials that have recently attracted attention include CoFeB having an amorphous structure and Fe 3 O 4 · CoMnSi · CoCrFeAl having a half metal structure.

また、絶縁層3は、金属酸化物等の絶縁性材料からなるもの(例えば、酸化アルミニウム)が使用される。成膜した金属層あるいは合金層が酸化処理されて金属酸化物とされ、その抵抗値は成膜後の熱処理により所定の抵抗値の範囲で任意に制御されている。この絶縁層3の膜厚は、トンネル効果が発現できるように極めて薄いものが好ましく、例えば、0.5〜2.0nmである。なお、前記絶縁層としては、上記酸化アルミニウム以外に、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム等が使用できることが公知である(例えば、特許文献2参照)。   The insulating layer 3 is made of an insulating material such as a metal oxide (for example, aluminum oxide). The formed metal layer or alloy layer is oxidized to form a metal oxide, and the resistance value is arbitrarily controlled within a predetermined resistance value range by heat treatment after film formation. The thickness of the insulating layer 3 is preferably extremely thin so that the tunnel effect can be exhibited, and is, for example, 0.5 to 2.0 nm. As the insulating layer, it is known that aluminum nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxide, strontium titanate, or the like can be used in addition to the aluminum oxide (for example, see Patent Document 2).

前記第2強磁性層4は、その少なくとも一部または全部が強磁性を示す合金からなるもので、図10中矢印で示すように、外部磁界5の方向を変えることにより磁化の方向が図中右向きあるいは左向きに変化する。   The second ferromagnetic layer 4 is made of an alloy showing at least part or all of ferromagnetism, and the direction of magnetization is changed by changing the direction of the external magnetic field 5 as shown by the arrows in FIG. Changes to the right or left.

この第2強磁性層4は、第1強磁性層2と全く同様に、例えば、不純物ガス濃度が1ppb未満の超高純度アルゴン(Ar)ガス雰囲気中で、スパッタリング法、蒸着法、あるいはその他の薄膜形成手段により形成され、特にマグネトロンスパッタリング法が好適である。また、この第2強磁性層4には、第1強磁性層2と同様の強磁性を有する金属、合金、合金化合物等が好適に用いられる。   The second ferromagnetic layer 4 is formed in the same manner as the first ferromagnetic layer 2, for example, in an ultra-high purity argon (Ar) gas atmosphere having an impurity gas concentration of less than 1 ppb, by sputtering, vapor deposition, or other methods. It is formed by a thin film forming means, and a magnetron sputtering method is particularly suitable. The second ferromagnetic layer 4 is preferably made of a metal, alloy, alloy compound or the like having the same ferromagnetism as the first ferromagnetic layer 2.

図11(特許文献1の図4相当)は、図10とは異なる形態のトンネル型磁気抵抗素子を示す模式的断面図であり、このトンネル型磁気抵抗素子51は、Si基板52上に、下地層53、反強磁性層54、第1強磁性層(磁化固定層)55、絶縁層56、第2強磁性層(磁化自由層)57、電極層58が順次積層されて構成されている(詳細は、特許文献1参照)。   FIG. 11 (corresponding to FIG. 4 of Patent Document 1) is a schematic cross-sectional view showing a tunnel type magnetoresistive element having a form different from that of FIG. 10, and this tunnel type magnetoresistive element 51 is placed on a Si substrate 52 below. The ground layer 53, the antiferromagnetic layer 54, the first ferromagnetic layer (magnetization fixed layer) 55, the insulating layer 56, the second ferromagnetic layer (magnetization free layer) 57, and the electrode layer 58 are sequentially laminated ( For details, see Patent Document 1).

次に、図12〜図14に基づき、トンネル型磁気抵抗素子を適用した各種磁気式デバイスについて、特許文献1の記載を引用して、その概要を述べる。   Next, based on FIGS. 12 to 14, the outline of various magnetic devices to which the tunnel type magnetoresistive element is applied will be described with reference to the description of Patent Document 1. FIG.

図12は、GMR型再生ヘッド及びこの再生ヘッドと誘導型記録ヘッドを組み合わせた記録再生分離型磁気ヘッドを示す一部破断斜視図であり、図13はGMR型再生ヘッドの要部を示す断面図である。図12および図13において、符号100はトンネル型磁気抵抗素子、108はMR電極、109はハード膜、111はGMR型再生ヘッド、112は記録ヘッドの下部磁極(124)を兼ねるGMR型再生ヘッド111の上部シールド層、113、114は非磁性絶縁膜、115はGMR型再生ヘッド111の下部シールド、121は記録ヘッド、122は記録ヘッド121の上部ポール、123は導電体からなるコイル、124はGMR型再生ヘッド111の上部シールド(112)を兼ねる記録ヘッドの下部磁極である。なお、前記トンネル型磁気抵抗素子100は、図11に示した形態のトンネル型磁気抵抗素子51とほぼ同一であるから、このトンネル型磁気抵抗素子51と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。   FIG. 12 is a partially broken perspective view showing a GMR reproducing head and a recording / reproducing separated type magnetic head in which this reproducing head and an induction recording head are combined. FIG. 13 is a cross-sectional view showing the main part of the GMR reproducing head. It is. 12 and 13, reference numeral 100 denotes a tunnel type magnetoresistive element, 108 denotes an MR electrode, 109 denotes a hard film, 111 denotes a GMR type reproducing head, and 112 denotes a GMR type reproducing head 111 that also serves as a lower magnetic pole (124) of the recording head. 113, 114 are nonmagnetic insulating films, 115 is a lower shield of the GMR reproducing head 111, 121 is a recording head, 122 is an upper pole of the recording head 121, 123 is a coil made of a conductor, and 124 is a GMR. This is the lower magnetic pole of the recording head that also serves as the upper shield (112) of the mold reproducing head 111. Since the tunnel type magnetoresistive element 100 is substantially the same as the tunnel type magnetoresistive element 51 of the form shown in FIG. 11, the same components as the tunnel type magnetoresistive element 51 are denoted by the same reference numerals. The description is omitted.

次に、図14について述べる。図14は、不揮発性磁気式メモリ(MRAM)の要部であるメモリセルを示す断面図である。このメモリセル200は、セル選択用の素子であるMOSFET201と、ワード線202と、ビット線203と、トンネル型磁気抵抗素子204とから構成されている。ワード線202はMOSFET201に接続され、ビット線203はトンネル型磁気抵抗素子204に接続され、トンネル型磁気抵抗素子204は接続配線205を介してMOSFET201に接続されている。なお、このトンネル型磁気抵抗素子204は、前記図11で示した形態のトンネル型磁気抵抗素子100とほぼ同一であるから、説明を省略する。   Next, FIG. 14 will be described. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a memory cell which is a main part of a nonvolatile magnetic memory (MRAM). The memory cell 200 includes a MOSFET 201 which is a cell selection element, a word line 202, a bit line 203, and a tunnel magnetoresistive element 204. The word line 202 is connected to the MOSFET 201, the bit line 203 is connected to the tunnel type magnetoresistive element 204, and the tunnel type magnetoresistive element 204 is connected to the MOSFET 201 via the connection wiring 205. The tunnel type magnetoresistive element 204 is substantially the same as the tunnel type magnetoresistive element 100 of the form shown in FIG.

ところで、上記磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)においても、近い将来に予想される記憶容量の増大要求が、強磁性トンネル接合(MTJ)素子の寸法低下を強いることはもちろん、それに加えて読み出し速度の向上のための素子抵抗の低減要求によって、接合の抵抗面積積(R×A)を低下させなければならない状況になる。トンネル磁気抵抗変化率(TMR比)を損なうことなく接合抵抗を低減するためには、現在0.8 nm厚程度であるトンネル絶縁膜を、ピンホールの混入などによる障壁性能の劣化を生じさせずに、その厚みを低下させることが不可欠である。この場合、主にプラズマ酸化法が用いられているトンネル障壁膜の形成プロセスにおいては、後述するような問題がある。   By the way, also in the magnetic random access memory (MRAM), the increase in storage capacity expected in the near future will not only reduce the size of the ferromagnetic tunnel junction (MTJ) element but also increase the reading speed. Due to the demand for reduction in device resistance, the resistance area product (R × A) of the junction must be reduced. In order to reduce the junction resistance without impairing the tunnel magnetoresistance change rate (TMR ratio), the tunnel insulating film, which is currently about 0.8 nm thick, can be used without causing deterioration of the barrier performance due to pinhole contamination. It is essential to reduce its thickness. In this case, the tunnel barrier film forming process in which the plasma oxidation method is mainly used has the following problems.

上記MTJ膜において高いTMR比を維持するためには、二つの強磁性層のスピン分極率を高く維持することが不可欠である。金属Al膜を形成した後に酸素プラズマによってこれを酸化させて絶縁層とするプラズマ酸化法は、高いTMR比が得られやすいことから、トンネル障壁膜の形成方法として適していると一般に考えられている。高いTMR比を損なうことなくトンネル障壁膜を極薄化して接合抵抗の低抵抗化を実現するためには、極薄の金属Al膜の酸化過程において、下地となっている下部強磁性層の表面を酸化させることなく、Al膜を下部強磁性層との界面まで精密に制御して酸化しなければならない。   In order to maintain a high TMR ratio in the MTJ film, it is essential to maintain a high spin polarizability of the two ferromagnetic layers. The plasma oxidation method, in which a metal Al film is formed and then oxidized with oxygen plasma to form an insulating layer, is generally considered suitable as a method for forming a tunnel barrier film because a high TMR ratio is easily obtained. . In order to reduce the junction resistance by reducing the thickness of the tunnel barrier film without impairing the high TMR ratio, the surface of the underlying lower ferromagnetic layer is used in the oxidation process of the ultrathin metal Al film. Without oxidizing the Al film, it is necessary to oxidize the Al film precisely to the interface with the lower ferromagnetic layer.

しかしながら、金属Al膜厚を低下させていった場合に、特に原子状酸素ラジカルの強い酸化活性が、逆に極薄金属膜の酸化過程の精密な制御を困難にする問題がある(詳細は、本願発明の実施例と比較して後述する)。   However, when the metal Al film thickness is reduced, the strong oxidation activity of atomic oxygen radicals in particular makes it difficult to precisely control the oxidation process of the ultrathin metal film (for details, This will be described later in comparison with the embodiment of the present invention).

ところで、一般にトンネル障壁層に用いられている前記Al-Oに対してAl-Nに着目すると、金属元素の窒素ガスと酸素ガスに対する親和性の違い、ならびに、酸化物もしくは窒化物中でのそれぞれのガス元素の拡散係数の違いなどの観点から、金属Al薄膜の窒化過程は酸化過程に比較して緩やかに進行することが予想され、極薄トンネル障壁膜の形成に適していると考えられる。これまでにも、Co-Fe/Al-N/Co-Feの構造を有するMTJ膜のトンネル磁気抵抗効果が検討されてきている(例えば、非特許文献1参照)。   By the way, focusing on Al-N with respect to Al-O, which is generally used for tunnel barrier layers, the difference in affinity of metal elements for nitrogen gas and oxygen gas, as well as in oxides or nitrides, respectively. From the viewpoint of the difference in the diffusion coefficient of the gas elements, the nitridation process of the metal Al thin film is expected to proceed more slowly than the oxidation process, and is considered suitable for the formation of an ultrathin tunnel barrier film. So far, the tunnel magnetoresistance effect of an MTJ film having a Co—Fe / Al—N / Co—Fe structure has been studied (for example, see Non-Patent Document 1).

しかしながら、前記非特許文献1において報告された窒化アルミニウム(Al-N )におけるTMR比の最大値は33%程度であり、酸化アルミニウム(Al-O)を用いた場合の40〜50%ないしはそれ以上のTMR比に比較すると遜色がある。このような比較的低いTMR比がAl-Nのトンネル障壁層への応用研究を妨げていると考えられる。
特開2003−101098号公報 特開2002−176211号公報 Jianguo Wang et al.,「Tunnel junctions with AlN barriers and FeTaN electrodes」,Journal of. Applied. Physics.,vol.89,No.11,p6868〜6870,(1 June 2001)
However, the maximum value of TMR ratio in aluminum nitride (Al—N) reported in Non-Patent Document 1 is about 33%, and 40 to 50% or more when aluminum oxide (Al—O) is used. Compared to the TMR ratio, there is an amber color. Such a relatively low TMR ratio is thought to hinder application studies of Al-N tunnel barrier layers.
JP 2003-101098 A JP 2002-176221 A Jianguo Wang et al., “Tunnel junctions with AlN barriers and FeTaN electrodes”, Journal of. Applied. Physics., Vol. 89, No. 11, p6868 ~ 6870, (1 June 2001)

上記のように、トンネル型磁気抵抗素子の絶縁層の極薄化に当たり、金属Alをプラズマ酸化して酸化アルミニウムの絶縁層を形成する場合には、TMR比の特性は良好ではあるが、酸化速度が速いために酸化条件の最適化が難しくなり、例えば、酸化が不足したり酸化が過度となって、TMR比が激減する問題が生ずる。即ち、絶縁層形成の制御性が悪く、高品質のものを安定して製造することが困難な問題がある。   As described above, when the insulating layer of the tunnel magnetoresistive element is extremely thinned, when the insulating layer of aluminum oxide is formed by plasma oxidation of metal Al, the characteristics of the TMR ratio are good, but the oxidation rate Therefore, it is difficult to optimize the oxidation conditions. For example, there is a problem that the TMR ratio is drastically reduced due to insufficient oxidation or excessive oxidation. That is, there is a problem that the controllability of forming the insulating layer is poor and it is difficult to stably manufacture a high quality product.

一方、プラズマ窒化して窒化アルミニウムの絶縁層を形成するする場合には、窒化速度が、酸化速度に比べて10〜100倍程度遅いので、前記制御性は良好となるが、これまでの技術においては、前記MRAMにおいて要請されるTMR比(40%)程度またはそれ以上のTMR比を得ることは困難な状況にある。   On the other hand, when forming an insulating layer of aluminum nitride by plasma nitriding, the controllability is good because the nitriding rate is about 10 to 100 times slower than the oxidation rate. Therefore, it is difficult to obtain a TMR ratio (about 40%) or more required in the MRAM.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、絶縁層形成の制御性がよい窒化アルミニウムからなる絶縁層であって、かつTMR比が酸化アルミニウムと同程度の絶縁層を備えるトンネル型磁気抵抗素子とその製造方法および装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is an insulating layer made of aluminum nitride having good controllability of forming an insulating layer, and having an TMR ratio comparable to that of aluminum oxide. It is an object of the present invention to provide a tunnel type magnetoresistive element having a layer and a method and apparatus for manufacturing the same.

上記課題は、以下により達成される。即ち、窒化アルミニウム(Al-N)からなる絶縁層を、2つの強磁性層(磁化固定層および磁化自由層)により挟持してなるトンネル型磁気抵抗素子において、前記絶縁層のバリアハイトを2eV以上とすることを特徴とする(請求項1)。前記絶縁層のバリアハイトを2eV以上とすることにより、トンネル磁気抵抗変化率をMRAMにおいて所望の40%以上とすることができる。詳細は後述する。   The above-mentioned subject is achieved by the following. That is, in a tunnel magnetoresistive element in which an insulating layer made of aluminum nitride (Al—N) is sandwiched between two ferromagnetic layers (a magnetization fixed layer and a magnetization free layer), the barrier height of the insulating layer is 2 eV or more. (Claim 1). By setting the barrier height of the insulating layer to 2 eV or more, the tunnel magnetoresistance change rate can be set to 40% or more as desired in the MRAM. Details will be described later.

また、前記トンネル型磁気抵抗素子を得るための製造方法としては、下記請求項2ないし8の発明が好ましい。即ち、窒化アルミニウム(Al-N)からなる絶縁層を、2つの強磁性層(磁化固定層および磁化自由層)により挟持してなるトンネル型磁気抵抗素子の製造方法において、前記絶縁層の形成工程は、金属Al膜をプラズマにより窒化処理する窒化処理工程と、窒化されたAl-N膜を熱処理するアニール処理工程とを含み、かつ前記プラズマは、電子温度が2eV以下の低電子温度であって、窒化種として、窒素分子ラジカルもしくは窒素原子ラジカルを励起させるものとすることを特徴とする(請求項2)。   Further, as a manufacturing method for obtaining the tunnel type magnetoresistive element, the inventions of the following claims 2 to 8 are preferable. That is, in the method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element in which an insulating layer made of aluminum nitride (Al—N) is sandwiched between two ferromagnetic layers (a magnetization fixed layer and a magnetization free layer), the insulating layer forming step Includes a nitriding process for nitriding a metal Al film with plasma and an annealing process for heat-treating the nitrided Al—N film, and the plasma has a low electron temperature of 2 eV or less. The nitriding species excites a nitrogen molecular radical or a nitrogen atom radical (claim 2).

また、前記請求項2の発明の実施態様としては、下記請求項3ないし8の発明が好ましい。即ち、前記請求項2に記載の製造方法において、前記窒化処理工程は、ラジアルラインスロットアンテナを備えるマイクロ波励起プラズマ処理装置を用いて行うことを特徴とする(請求項3)。   As an embodiment of the invention of claim 2, the inventions of claims 3 to 8 below are preferable. That is, in the manufacturing method according to claim 2, the nitriding step is performed using a microwave-excited plasma processing apparatus including a radial line slot antenna (claim 3).

さらに、前記請求項2または3に記載の製造方法において、前記窒化処理工程は、窒素雰囲気中もしくは少なくとも窒素を含む不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする(請求項4)。   Furthermore, in the manufacturing method according to claim 2 or 3, the nitriding treatment step is performed in a nitrogen atmosphere or an inert gas atmosphere containing at least nitrogen (claim 4).

さらにまた、前記請求項4に記載の製造方法において、前記不活性ガスは、少なくともヘリウムガス,アルゴンガス,クリプトンガス,キセノンの内のいずれかとすることを特徴とする(請求項5)。   Furthermore, in the manufacturing method according to claim 4, the inert gas is at least one of helium gas, argon gas, krypton gas, and xenon (claim 5).

また、前記請求項2ないし5のいずれか1項に記載の製造方法において、前記アニール処理工程における熱処理温度により、前記Al-N膜の抵抗値および磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率を制御することを特徴とする(請求項6)。   Further, in the manufacturing method according to any one of claims 2 to 5, the resistance value of the Al-N film and the magnetoresistance change rate of the magnetoresistive element are controlled by a heat treatment temperature in the annealing process. (Claim 6).

さらに、前記請求項6に記載の製造方法において、前記熱処理温度は、240〜340℃とすることを特徴とする(請求項7)。   Furthermore, in the manufacturing method of the said Claim 6, the said heat processing temperature shall be 240-340 degreeC (Claim 7).

また、前記請求項2ないし7のいずれか1項に記載の製造方法において、前記トンネル型磁気抵抗素子は、GMR型再生ヘッドまたは磁気メモリ等の磁気デバイス用の素子とするすることを特徴とする(請求項8)。   The manufacturing method according to any one of claims 2 to 7, wherein the tunneling magnetoresistive element is an element for a magnetic device such as a GMR reproducing head or a magnetic memory. (Claim 8).

前記本発明のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法によれば、2eV以上のバリア高さを有する高品質のトンネル絶縁層が安定して形成することが可能となり、その結果、MRAMの要求仕様を満足する高いTMR比(トンネル磁気抵抗変化率)が得られる。特に、プラズマで窒化する場合に、窒素イオンが存在する場合には、プラズマ中の電界勾配により、窒素イオンが加速されて、極薄アルミ膜にダメージを与えて特性低下をもたらすが、上記本発明におけるプラズマは、電子温度が2eV以下の低電子温度であって、窒化種として、窒素分子ラジカルもしくは窒素原子ラジカルを励起させるものであるので、前記ダメージの発生を抑制することができ、また制御性がよく、安定的に高いTMR比が実現できる。詳細は後述する。   According to the method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention, a high-quality tunnel insulating layer having a barrier height of 2 eV or more can be stably formed, and as a result, the required specifications of the MRAM are satisfied. High TMR ratio (tunnel magnetoresistance change rate). In particular, in the case of nitriding with plasma, when nitrogen ions are present, the nitrogen ions are accelerated by the electric field gradient in the plasma, causing damage to the ultrathin aluminum film, resulting in characteristic deterioration. Since the plasma in the plasma has a low electron temperature of 2 eV or less and excites nitrogen molecular radicals or nitrogen atom radicals as nitriding species, it can suppress the occurrence of the damage and controllability. Therefore, a stable high TMR ratio can be realized. Details will be described later.

次に、本発明のトンネル型磁気抵抗素子の製造装置方法としては、下記請求項9の発明が好ましい。即ち、アルミニウム窒化物(Al-N)からなる絶縁層を、2つの強磁性層(磁化固定層および磁化自由層)により挟持してなるトンネル型磁気抵抗素子の製造装置において、強磁性層を成膜するスパッタ装置と、金属Al膜を成膜するスパッタ装置と、前記金属Al膜を窒化処理するマイクロ波励起プラズマ処理装置と、窒化されたAl-N膜をアニール処理するアニール処理装置とを備えることを特徴とする(請求項9)。   Next, as a method for manufacturing a tunnel type magnetoresistive element of the present invention, the invention of claim 9 is preferable. That is, in a tunnel magnetoresistive element manufacturing apparatus in which an insulating layer made of aluminum nitride (Al—N) is sandwiched between two ferromagnetic layers (a magnetization fixed layer and a magnetization free layer), the ferromagnetic layer is formed. A sputtering apparatus for forming a film; a sputtering apparatus for forming a metal Al film; a microwave-excited plasma processing apparatus for nitriding the metal Al film; and an annealing apparatus for annealing the nitrided Al—N film. (Claim 9).

この発明によれば、絶縁層形成の制御性がよい窒化アルミニウムからなる絶縁層であって、かつTMR比が酸化アルミニウムと同程度の絶縁層を備えるトンネル型磁気抵抗素子とその製造方法および同製造装置が提供できる。   According to the present invention, a tunneling magnetoresistive element comprising an insulating layer made of aluminum nitride having good controllability of forming an insulating layer and having an TMR ratio comparable to that of aluminum oxide, its manufacturing method, and its manufacturing A device can be provided.

次に、図1および図2に基づき、本発明のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法および装置に関する実施形態の一例について述べる。また、後述する実施例の項において、本発明に係る窒化アルミニウムの実験例と従来の酸化アルミニウムの実験例とを比較して、その詳細を述べる。なお、以後の説明において、圧力をTorrの単位で表記するが、これをSI単位であるPa(パスカル)に変換する場合には、1Torr=133Paにより換算すればよい。また、膜厚をÅの単位で表記する場合があるが、これをSI単位であるnm(ナノメートル)に変換する場合には、1Å=0.1nmにより換算すればよい。更に磁界をOe(エルステッド)の単位で表記する場合があるが、これをSI単位であるA/m(アンペア毎メートル)に変換する場合には、1Oe=79.58A/mにより換算すればよい。   Next, based on FIG. 1 and FIG. 2, an example of an embodiment relating to a method and apparatus for manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention will be described. Further, in the section of Examples described later, the experimental example of aluminum nitride according to the present invention and the experimental example of conventional aluminum oxide will be compared and described in detail. In the following description, the pressure is expressed in units of Torr. However, when this is converted into Pa (Pascal) which is an SI unit, it may be converted by 1 Torr = 133 Pa. In some cases, the film thickness is expressed in units of Å, but when this is converted into nm (nanometer), which is an SI unit, conversion may be made by 1 Å = 0.1 nm. Further, the magnetic field may be expressed in units of Oe (Oersted), but when this is converted to A / m (ampere per meter), which is an SI unit, it may be converted by 1 Oe = 79.58 A / m. .

図1は、本発明のトンネル型磁気抵抗素子1を製造する際に用いられるマルチスパッタ装置11を示す模式的断面図であり、このマルチスパッタ装置11は、外部から隔離された処理空間となるチャンバー12内に、強磁性材料を成膜するスパッタ装置13と、後述する窒化処理により窒化されて絶縁体となるアルミニウム金属を成膜するスパッタ装置14と、被処理物である基板15をスパッタ装置13及びスパッタ装置14間を移動させる基板ホルダー16とを備えている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a multi-sputter apparatus 11 used in manufacturing the tunnel type magnetoresistive element 1 of the present invention. The multi-sputter apparatus 11 is a chamber serving as a processing space isolated from the outside. 12, a sputtering apparatus 13 for forming a ferromagnetic material, a sputtering apparatus 14 for forming an aluminum metal that is nitrided by nitriding to be described later to be an insulator, and a substrate 15 that is an object to be processed is a sputtering apparatus 13. And a substrate holder 16 that moves between the sputtering devices 14.

スパッタ装置13、14は、スパッタリング用ターゲット17と、カソード18を備えている。また、基板ホルダー16は、基板15を保持するホルダー部21を軸22の周りに回動させることで、基板15をスパッタ装置13及びスパッタ装置14間を移動させる構成になっている。また、チャンバー12の側壁には図示しない真空装置に接続される排気口23が形成され、この真空装置によりチャンバー12内が所定の圧力に保持されている。このチャンバー12の内部は、例えば、不純物ガス濃度が1ppb以下でありかつその圧力が、例えば0.1〜10mTorrの高純度アルゴン(Ar)ガスにより満たされた状態で成膜がなされる。   The sputtering devices 13 and 14 include a sputtering target 17 and a cathode 18. The substrate holder 16 is configured to move the substrate 15 between the sputtering apparatus 13 and the sputtering apparatus 14 by rotating the holder portion 21 that holds the substrate 15 around the shaft 22. Further, an exhaust port 23 connected to a vacuum device (not shown) is formed on the side wall of the chamber 12, and the inside of the chamber 12 is maintained at a predetermined pressure by the vacuum device. The inside of the chamber 12 is formed in a state in which, for example, the impurity gas concentration is 1 ppb or less and the pressure is filled with high-purity argon (Ar) gas of, for example, 0.1 to 10 mTorr.

スパッタ装置13、14は、スパッタリング法により強磁性層、アルミニウム金属層を成膜することができるものであれば特に限定されないが、膜厚の均一性が良好な点、大面積の成膜が可能な点を考慮すれば、マグネトロンスパッタ装置が好適である。   The sputtering apparatuses 13 and 14 are not particularly limited as long as they can form a ferromagnetic layer and an aluminum metal layer by a sputtering method. However, the film thickness can be excellent and the film can be formed in a large area. Considering these points, a magnetron sputtering apparatus is suitable.

図2は、本発明のトンネル型磁気抵抗素子1を製造する際に用いられるラジアルラインスロットアンテナ(RLSA)を備えるマイクロ波励起プラズマ処理装置31を示す模式的断面図であり、上記のスパッタ装置14により成膜された金属アルミニウム層に窒化処理を施すためのものである。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a microwave-excited plasma processing apparatus 31 including a radial line slot antenna (RLSA) used when manufacturing the tunnel type magnetoresistive element 1 of the present invention. This is for nitriding the metal aluminum layer formed by the above method.

このマイクロ波励起プラズマ処理装置31は、内部が外部から隔離された処理空間Sとなるチャンバー32と、チャンバー32の底部にシール材33を介して気密に設けられた絶縁板である石英板34と、この石英板34に対して所定の間隔をおいて平行に配置されたラジアルラインスロットアンテナ35と、ラジアルラインスロットアンテナ35を埋め込む円板状の誘電板36と、図示しないマイクロ波発生器に接続される導波管37を有する高さの低い有底筒状のラジアル導波部38と、チャンバー32の天井部に配置されて基板41を支持する支持台42とにより構成されている。   The microwave-excited plasma processing apparatus 31 includes a chamber 32 serving as a processing space S, the inside of which is isolated from the outside, and a quartz plate 34 that is an insulating plate that is airtightly provided at the bottom of the chamber 32 via a sealing material 33. A radial line slot antenna 35 arranged parallel to the quartz plate 34 at a predetermined interval, a disk-shaped dielectric plate 36 in which the radial line slot antenna 35 is embedded, and a microwave generator (not shown). The bottomed cylindrical radial waveguide portion 38 having the waveguide 37 is provided, and a support base 42 that is disposed on the ceiling portion of the chamber 32 and supports the substrate 41.

チャンバー32の側壁には、このチャンバー32内にAr,Kr等の不活性ガスを導入するガス供給手段に接続されるガス導入口43、および図示しない真空装置に接続される排気口44が形成され、この真空装置によりチャンバー32内が所定の圧力の真空状態に保持されている。一方、支持台42の下面には、強磁性層およびアルミニウム金属層が積層された基板41を支持するための静電チャックあるいはクランプ機構が設けられ、この支持台42は図示しない配線を介してバイアス用高周波電源に接続されている。   A gas introduction port 43 connected to a gas supply means for introducing an inert gas such as Ar or Kr and an exhaust port 44 connected to a vacuum device (not shown) are formed in the side wall of the chamber 32. The chamber 32 is maintained in a vacuum state at a predetermined pressure by this vacuum device. On the other hand, an electrostatic chuck or a clamping mechanism for supporting the substrate 41 on which the ferromagnetic layer and the aluminum metal layer are laminated is provided on the lower surface of the support base 42. The support base 42 is biased via a wiring (not shown). It is connected to a high frequency power supply.

次に、このマイクロ波励起プラズマ処理装置31を用いて、上記のスパッタ装置14により成膜されたアルミニウム金属層に窒化処理を施す方法について説明する。予め、マルチスパッタ装置11を用いて、基板15の上面に、第1強磁性層2および窒化されて絶縁体となるアルミニウム金属層を成膜することで、第1強磁性層2およびアルミニウム金属層が積層された基板41を作製しておく。次いで、搬送装置を用いて、この基板41をチャンバー32内に収容し、静電チャックあるいはクランプ機構を用いて基板41を支持台42上に固定する。   Next, a method for nitriding the aluminum metal layer formed by the sputtering apparatus 14 using the microwave-excited plasma processing apparatus 31 will be described. First, the first ferromagnetic layer 2 and the aluminum metal layer are formed on the upper surface of the substrate 15 by using the multi-sputter apparatus 11 to form the first ferromagnetic layer 2 and the aluminum metal layer that is nitrided to become an insulator. Is prepared. Next, the substrate 41 is accommodated in the chamber 32 using a transfer device, and the substrate 41 is fixed on the support table 42 using an electrostatic chuck or a clamp mechanism.

次いで、チャンバー32内を所定の真空状態、例えば、1×10-6〜1×10-11Torrに保持し、ガス導入口43より窒素を含むAr等の不活性ガスを導入する。この不活性ガスの圧力は、例えば200〜2000mTorrである。不活性ガスとしては、窒素(N2)を1〜30v/v%含むArガス、KrガスあるいはXeガスが好適に用いられる。 Next, the inside of the chamber 32 is maintained in a predetermined vacuum state, for example, 1 × 10 −6 to 1 × 10 −11 Torr, and an inert gas such as Ar containing nitrogen is introduced from the gas introduction port 43. The pressure of the inert gas is, for example, 200 to 2000 mTorr. As the inert gas, Ar gas, Kr gas, or Xe gas containing 1 to 30 v / v% of nitrogen (N 2 ) is preferably used.

同時に、マイクロ波発生器から発生するマイクロ波を導波管37、ラジアルラインスロットアンテナ35および石英板34を介してチャンバー32内に導入し、チャンバー32内にプラズマPを発生させ、このプラズマPにより基板41上のアルミニウム金属層に窒化処理を施す。この窒化処理により、アルミニウム金属層は窒化されて、高抵抗の窒化アルミニウムからなる絶縁層となる。   At the same time, the microwave generated from the microwave generator is introduced into the chamber 32 through the waveguide 37, the radial line slot antenna 35 and the quartz plate 34, and the plasma P is generated in the chamber 32. Nitriding treatment is applied to the aluminum metal layer on the substrate 41. By this nitriding treatment, the aluminum metal layer is nitrided to become an insulating layer made of high resistance aluminum nitride.

この基板41を、再度成膜装置11内に搬入し、スパッタ装置13を用いて前記絶縁層の上に第2強磁性層4を形成する。これにより、絶縁層を2つの強磁性層2、4で挟持した構成のトンネル型磁気抵抗素子が得られる。次いで、このトンネル型磁気抵抗素子を成膜装置から取り出し、成膜装置とは別に設けた図示しない真空熱処理炉において、アニール処理を施す。前記絶縁層のアニールにおける熱処理温度は、240〜340℃の範囲とすることにより、その抵抗値が所定の抵抗値の範囲で熱処理温度に対応して変化する。このアニール処理により、前記絶縁層は所定の抵抗値を有する絶縁層3となる。また、所望の磁気抵抗変化率を有する磁気抵抗素子が得られる。これにより、トンネル型磁気抵抗素子のバリア障壁の高さを十分確保することが可能になり、その結果、高TMR比を実現することが可能になる。   The substrate 41 is again carried into the film forming apparatus 11, and the second ferromagnetic layer 4 is formed on the insulating layer using the sputtering apparatus 13. As a result, a tunneling magnetoresistive element having an insulating layer sandwiched between the two ferromagnetic layers 2 and 4 can be obtained. Next, the tunnel type magnetoresistive element is taken out from the film forming apparatus, and annealed in a vacuum heat treatment furnace (not shown) provided separately from the film forming apparatus. By setting the heat treatment temperature in the annealing of the insulating layer in the range of 240 to 340 ° C., the resistance value changes corresponding to the heat treatment temperature within a predetermined resistance value range. By this annealing treatment, the insulating layer becomes the insulating layer 3 having a predetermined resistance value. In addition, a magnetoresistive element having a desired magnetoresistance change rate can be obtained. This makes it possible to secure a sufficient barrier barrier height of the tunneling magnetoresistive element, and as a result, a high TMR ratio can be realized.

なお、前記窒化処理を行う装置は、下記のような基本的事項を充足するものであれば、上記のようなマイクロ波励起プラズマ処理装置に限定されない。窒化処理工程において、基本的に重要な事項は、電子温度が低いプラズマを用いること、および窒化種として、窒素分子ラジカルもしくは窒素原子ラジカルを用いることである。プラズマ中にイオンが存在すると、プラズマの空間電位により、イオンが加速され、極薄絶縁層を形成する金属Al膜にダメージを与え、特性が劣化するので、中性の窒素ラジカル(分子状または原子状)を励起するようにする必要がある。   The apparatus for performing the nitriding treatment is not limited to the microwave-excited plasma processing apparatus as described above as long as the following basic matters are satisfied. In the nitriding treatment step, basically important matters are to use a plasma having a low electron temperature and to use a nitrogen molecular radical or a nitrogen atom radical as a nitriding species. If ions are present in the plasma, the ions are accelerated by the space potential of the plasma, damaging the metal Al film that forms the ultrathin insulating layer and degrading the properties, so that neutral nitrogen radicals (molecular or atomic) It is necessary to excite the state.

上記電子温度に関しては、図3を参照して、以下に詳述する。図3は、プラズマ処理装置の窓から処理室内方向への距離(図2における石英板34からプラズマまでの距離)z(mm)と、電子温度Te(eV)および電子密度(cm-3)との関係を、不活性ガスHe,Ar,Krの例について示す。なお、図3において、マイクロ波の波長は2.45GHz、電力は1.42W/cm2、処理圧力は1Torrである。 The electron temperature will be described in detail below with reference to FIG. FIG. 3 shows the distance from the window of the plasma processing apparatus toward the processing chamber (distance from the quartz plate 34 to the plasma in FIG. 2) z (mm), the electron temperature Te (eV), and the electron density (cm −3 ). This relationship is shown for the examples of the inert gases He, Ar, and Kr. In FIG. 3, the microwave wavelength is 2.45 GHz, the power is 1.42 W / cm 2, and the processing pressure is 1 Torr.

図3に示すとおり、電子温度や電子密度は、不活性ガスの種類や窓からの距離によって異なる。プラズマ窒化の場合、通常、窒素ガスに希ガスを混合して、窒化処理を行う。希ガスによっては、窒素よりも低いエネルギーでイオン化するものもある。従って、電子温度が高い場合、それらのイオンが加速されて、窒化アルミニウムの薄膜にダメージを与える。窒化種がラジカル(中性)であれば、電子温度が高くても支障はないが、前記希ガスのイオン化に伴うダメージ抑制の観点から、電子温度は2eV以下が望ましい。図3によれば、例えば、z=50mmの場合、電子温度Teの値は、Krガスの場合約1.1eV、Arガスの場合約1.3eV、Heガスの場合約2eVである。電子温度を低くして、前記ダメージを抑制する観点からは、Heガスに比べて、KrガスまたはArガスの方が好ましい。   As shown in FIG. 3, the electron temperature and the electron density vary depending on the type of inert gas and the distance from the window. In the case of plasma nitriding, nitriding is usually performed by mixing a rare gas with nitrogen gas. Some rare gases ionize with lower energy than nitrogen. Therefore, when the electron temperature is high, these ions are accelerated and damage the aluminum nitride thin film. If the nitriding species is radical (neutral), there is no problem even if the electron temperature is high, but the electron temperature is preferably 2 eV or less from the viewpoint of suppressing damage due to ionization of the rare gas. According to FIG. 3, for example, when z = 50 mm, the value of the electron temperature Te is about 1.1 eV for Kr gas, about 1.3 eV for Ar gas, and about 2 eV for He gas. From the viewpoint of suppressing the damage by lowering the electron temperature, Kr gas or Ar gas is more preferable than He gas.

以下、本発明に係る窒化アルミニウムの強磁性トンネル接合(MTJ)素子の実施例により、従来の酸化アルミニウム(比較例)と対比して、膜の形成プロセス,膜の形成速度,適性プラズマ暴露量,MTJのTMR効果,絶縁層のパラメータ評価等について、更に詳細に説明する。   Hereinafter, according to an embodiment of an aluminum nitride ferromagnetic tunnel junction (MTJ) device according to the present invention, as compared with a conventional aluminum oxide (comparative example), a film formation process, a film formation speed, an appropriate plasma exposure amount, The MTJ TMR effect, insulating layer parameter evaluation, and the like will be described in more detail.

(実施例および比較例におけるMTJ膜の形成プロセス)
MTJ膜の構成は、基板/下地リード電極層/Mn-Ir 100 A/Co70Fe30 40 A/Al-N or Al-O/Co70Fe30 40 A/Ni-Fe 200 A/上部リード電極層とし、フォトリソグラフィーならびにイオンミリングによって25 mm2 〜 2500 mm2の接合面積のMTJを作製した。被酸化・被窒化金属Al膜の膜厚(dAl)は,8, 10, 15 Aとした。希ガス中に添加する酸素ガスならびに窒素ガスの濃度と、プラズマ処理時間を種々変化させた。プラズマ励起のために投入するマイクロ波の波長は2.45GHz,電力は1.1 W/cm2で一定とした。処理圧力は、圧力を変化させる実験を除き、1Torrとした。作製後のMTJには1 kOeの印加磁界中で同一試料に対して逐次熱処理を行った。
(Process for forming MTJ film in Examples and Comparative Examples)
MTJ film consists of substrate / underlying lead electrode layer / Mn-Ir 100 A / Co 70 Fe 30 40 A / Al-N or Al-O / Co 70 Fe 30 40 A / Ni-Fe 200 A / upper lead electrode MTJ having a junction area of 25 mm 2 to 2500 mm 2 was prepared by photolithography and ion milling. The film thickness (d Al ) of the oxidized / nitrided metal Al film was 8, 10, 15 A. Various concentrations of the oxygen gas and nitrogen gas added to the rare gas and the plasma treatment time were changed. Wavelength of the microwaves to be introduced for plasma excitation was 2.45 GHz, power constant at 1.1 W / cm 2. The treatment pressure was set to 1 Torr except for experiments in which the pressure was changed. The fabricated MTJ was subjected to sequential heat treatment on the same sample in an applied magnetic field of 1 kOe.

(Al-NおよびAl-O絶縁膜の形成速度および適正プラズマ暴露量)
次に、図4および図5に基づき、絶縁膜の形成速度および適正プラズマ暴露量に関わる実験結果について述べる。
(Al-N and Al-O insulating film formation rate and appropriate plasma exposure)
Next, based on FIG. 4 and FIG. 5, the experimental results relating to the formation rate of the insulating film and the appropriate plasma exposure amount will be described.

図4は、作製直後のMTJ膜の接合抵抗(R×A)のプラズマ暴露量依存性を示す。プラズマ暴露量は、希ガス中の酸素ガスもしくは窒素ガスの分圧(P)とプラズマ処理時間(t)の積として定義し、ラングミュア単位(L = 1×10-6 Torr sec)で表示している。なお、図4において、膜厚(dAl)8 Aは○●とし、10Aは△▲とし、15Aは▽▼とし、前記記号で黒塗りは希ガスがAr、白抜きはKrを示す。また、図4のカーブで左側は酸化、右側は窒化の場合を示す。 FIG. 4 shows the plasma exposure dose dependency of the MTJ film junction resistance (R × A) immediately after fabrication. Plasma exposure is defined as the product of the partial pressure (P) of oxygen or nitrogen gas in the rare gas and the plasma treatment time (t), expressed in Langmuir units (L = 1 x 10 -6 Torr sec) Yes. In FIG. 4, the film thickness (d Al ) 8 A is ○ ●, 10A is Δ ▲, 15A is ▽ ▼, and black marks indicate the rare gas Ar and white indicates Kr. Also, in the curve of FIG. 4, the left side shows oxidation and the right side shows nitriding.

図4の酸化試料ならびに窒化試料のそれぞれにおいて、膜厚(dAl)の如何に関わらず、プラズマ暴露時間に対する接合抵抗の上昇は、ほぼ単一の傾向上にあることがわかる。また、酸化試料と窒化試料を比較すると、同じ接合抵抗を得るために必要なプラズマ暴露量は、窒化試料は酸化試料に対して1〜2桁大きいことがわかる。このことは先に述べたように、金属Al膜の窒化過程が酸化過程よりも緩やかに進行することを示唆している。 In each of the oxidized sample and the nitride sample shown in FIG. 4, it can be seen that the increase in the junction resistance with respect to the plasma exposure time has a substantially single tendency regardless of the film thickness (d Al ). Further, comparing the oxidized sample and the nitrided sample, it can be seen that the amount of plasma exposure necessary to obtain the same junction resistance is one to two orders of magnitude greater for the nitrided sample than for the oxidized sample. This suggests that the nitriding process of the metal Al film proceeds more slowly than the oxidizing process, as described above.

また、混合する希ガスの効果についてみると、dAl = 15 Aの場合(図中▽▼印)の酸化試料では、希ガスにKrを用いた場合にはArを用いた場合に比較して、同じプラズマ暴露量でも大きな接合抵抗を示しており、混合希ガスによって金属Al膜の酸化速度が変化していることを示唆している。一方、窒化試料においては、希ガスにKrを用いた場合の方が常に若干高い接合抵抗を示すが、酸化試料の場合に見られた違いほど大きくなく、プラズマ窒化過程においては混合希ガスの影響はさほど大きくないことが判った。このことは別途行った窒素プラズマの発光分光分析において、プラズマ中に励起される窒化種が、混合希ガスをArとKrで変化させた場合にさほど変化しないことに対応している。これは、酸化プラズマの場合と大きく異なる点である。 As for the effect of the rare gas to be mixed, the oxidized sample in the case of d Al = 15 A (marked with ▽ ▼ in the figure) compared to the case where Ar was used when Kr was used as the rare gas. Even with the same plasma exposure, it shows a large junction resistance, suggesting that the oxidation rate of the metal Al film is changed by the mixed rare gas. On the other hand, in the nitrided sample, the use of Kr as the rare gas always shows a slightly higher junction resistance, but it is not as large as the difference seen in the oxidized sample, and the influence of the mixed rare gas in the plasma nitridation process It turns out that it is not so big. This corresponds to the fact that in a separately performed emission spectroscopic analysis of nitrogen plasma, the nitriding species excited in the plasma does not change much when the mixed rare gas is changed between Ar and Kr. This is a significant difference from the case of oxidation plasma.

次に、図5は図4に示したプラズマ暴露の条件をdAlに対して再プロットし、後述する図6ならびに図6の結果から判断される適切な酸化・窒化条件に対して、その範囲を網掛けで示した。代表的なMTJの熱処理過程で得られた最大のTMR比とそのときの接合抵抗値を図中に合わせて示した。 Next, FIG. 5 re-plots the plasma exposure conditions shown in FIG. 4 with respect to d Al , and the range for appropriate oxidation / nitridation conditions determined from the results of FIGS. 6 and 6 described later. Is shaded. The maximum TMR ratio obtained in the heat treatment process of a typical MTJ and the junction resistance at that time are also shown in the figure.

酸化MTJ(図5の下側)について見ると、dAl = 15 Aの場合には適正酸素プラズマ暴露量は1~2×105 Lであるのに対して、金属Al膜厚が低下してゆくとその適正プラズマ暴露量は極端に低下し、dAl = 8 Aの場合にはわずか2~5×103 LとdAl = 15 Aの場合に比較して2桁近く低くなっていることがわかる。dAl = 15 Aの場合の適正プラズマ暴露量を8 Aの金属Alの膜厚に対して単純に約半分とした場合の暴露量(0.5~1×105 L)の領域では,図に見るようにMTJは過酸化状態になっていることが判る。このことは、金属Al膜のプラズマ酸化の過程において、酸化膜(Al-O)の形成速度は膜厚方向に対して線形でなく、Al膜の極表層に、すばやく酸化膜が形成されることを意味している。 Looking at the oxidized MTJ (bottom of Fig. 5), when d Al = 15 A, the appropriate oxygen plasma exposure is 1 to 2 x 10 5 L, whereas the metal Al film thickness decreases. Over time, the appropriate plasma exposure will be drastically reduced, and when d Al = 8 A, it is only 2-5 × 10 3 L, which is nearly two orders of magnitude lower than when d Al = 15 A. I understand. In the region of the exposure amount (0.5 to 1 × 10 5 L) when the appropriate plasma exposure amount for d Al = 15 A is simply about half of the 8 A metal Al film thickness, see figure It can be seen that MTJ is in a peroxidized state. This means that in the process of plasma oxidation of the metal Al film, the formation rate of the oxide film (Al-O) is not linear with respect to the film thickness direction, and the oxide film is quickly formed on the extreme surface layer of the Al film. Means.

一方で、窒化MTJ(図5の上側)についてみてみると、適正プラズマ暴露量のdAlに対する変化は、酸化の場合に比較して緩やかであることがわかる。このことから、金属Al膜のプラズマ窒化の過程においては、極表層の急激な窒化は生じにくく、金属Al膜の膜厚方向に対して窒化が順次緩やかに進行しているものと推察される。以上のことから、極薄の金属Al膜のプラズマ暴露によってトンネル障壁膜を形成する場合、その制御性の観点から窒化が有利であると言える。 On the other hand, looking at the nitrided MTJ (upper side in FIG. 5), it can be seen that the change of the appropriate plasma exposure amount relative to d Al is more gradual than in the case of oxidation. From this, it is presumed that in the process of plasma nitriding of the metal Al film, rapid nitridation of the extreme surface layer is unlikely to occur, and nitridation proceeds gradually and gradually in the thickness direction of the metal Al film. From the above, it can be said that nitriding is advantageous from the viewpoint of controllability when a tunnel barrier film is formed by plasma exposure of an extremely thin metal Al film.

(Al-Oを用いた比較例のMTJのTMR効果)
図6は、種々の条件下で作製した酸化MTJ試料のTMR比ならびに接合抵抗(R×A)のアニールにおける熱処理温度(Ta)℃依存性を示す。酸化プラズマへの混合希ガスにKrを用いた場合に関して各dAlにおいて比較的大きなTMR比が得られた酸化条件の試料について示している。図6において、○●は8 A,▽は15 Aを示す。希ガスはKrとし、P×tが、○は4.0×103 L、●は4.8×104L、▽は1.6×105Lである。
(TMR effect of MTJ of comparative example using Al-O)
FIG. 6 shows the TMR ratio and the dependence of the junction resistance (R × A) on the heat treatment temperature (T a ) ° C. in the annealed MTJ samples prepared under various conditions. A sample under oxidation conditions in which a relatively large TMR ratio was obtained at each d Al in the case where Kr was used as the mixed rare gas to the oxidation plasma is shown. In FIG. 6, ◯ indicates 8 A, and ▽ indicates 15 A. The rare gas is Kr, P × t, ○ is 4.0 × 10 3 L, ● is 4.8 × 10 4 L, and ▽ is 1.6 × 10 5 L.

図6によれば、dAl = 15 Aの場合、作製直後(Ta=100~120°C)の状態で約15%を示していたTMR比は熱処理温度の上昇に伴って増大し、Ta=300°Cで極大値をとる。このとき接合抵抗は熱処理温度の上昇に伴って徐々に低下する傾向を示す。同様の傾向はdAl = 8 A,プラズマ暴露量4.0×103 Lの場合の試料(図中○印)においても認められる。Ta=300℃で得られるTMR比の最大値は異なるものの、その熱処理温度に対する変化の傾向は類似している。このことから、同試料においては、8 A厚の金属Al膜が適切に酸化されているものと考えられる。 According to FIG. 6, in the case of d Al = 15 A, the TMR ratio, which showed about 15% in the state immediately after fabrication (T a = 100 to 120 ° C.), increases as the heat treatment temperature rises. a = Maximum at 300 ° C. At this time, the junction resistance tends to gradually decrease as the heat treatment temperature increases. The same tendency can be observed in the sample (d) in the case of d Al = 8 A and plasma exposure 4.0 × 10 3 L. Although the maximum value of the TMR ratio obtained at T a = 300 ° C. is different, the tendency of the change with respect to the heat treatment temperature is similar. From this, it is considered that the 8 A-thick metal Al film is appropriately oxidized in this sample.

一方、dAl = 8 A,プラズマ暴露量4.8×104 Lの場合の試料(図中●印)においては、TMR比ならびに接合抵抗の両方において、前出の2つの試料とは全く異なる傾向を示すことが判った。作製直後5%程度であったTMR比は300°Cまでの熱処理温度の増加に対して減少した後、急激に増大に転じ、Ta=340°Cで極大値44%をとる。この時の接合抵抗は、Ta=300°C以上で急激に1桁程度増大していることが判る。 On the other hand, the sample with d Al = 8 A and plasma exposure of 4.8 × 10 4 L (marked with ● in the figure) shows a completely different tendency from the above two samples in both TMR ratio and junction resistance. It turns out that it shows. The TMR ratio, which was about 5% immediately after fabrication, decreased with increasing heat treatment temperature up to 300 ° C, then suddenly increased, and reached a maximum value of 44% at T a = 340 ° C. It can be seen that the junction resistance at this time increases abruptly by an order of magnitude at T a = 300 ° C. or higher.

Al = 8 Aの試料の場合においては、プラズマ暴露量4.0×103 Lの場合に金属Al膜のみが適切に酸化されるのに対して、プラズマ暴露量を4.8×104 Lまで増加させることによって、下部強磁性層表面まで酸化される、いわゆる過酸化の状態になることを意味している。 In the case of the d Al = 8 A sample, when the plasma exposure is 4.0 × 10 3 L, only the metal Al film is appropriately oxidized, whereas the plasma exposure is increased to 4.8 × 10 4 L. This means that the surface of the lower ferromagnetic layer is oxidized, so-called overoxidation.

(Al-Nを用いた実施例のMTJのTMR効果)
図7は、種々の条件下で作製した窒化MTJ試料のTMR比ならびに接合抵抗(R×A)のアニールにおける熱処理温度(Ta)℃依存性を示す。窒化プラズマへの混合希ガスにKrならびにArを用いた場合の両方に関して、各dAlにおいて比較的大きなTMR比が得られた窒化条件の試料について示している。なお、図7において、膜厚(dAl)8 Aは○●とし、10Aは△▲とし、15Aは▽▼とし、前記記号で黒塗りは希ガスがAr、白抜きはKrを示す。
(TMR effect of MTJ of Example using Al-N)
FIG. 7 shows the heat treatment temperature (T a ) ° C. dependence of annealing of the TMR ratio and junction resistance (R × A) of nitrided MTJ samples prepared under various conditions. For both the case of using the Kr and Ar to a mixed rare gas into the plasma nitride, a relatively large TMR ratio is shown for samples obtained nitrided condition in each d Al. In FIG. 7, the film thickness (d Al ) 8 A is ○ ●, 10A is Δ ▲, 15A is ▽ ▼, and black marks indicate the rare gas Ar and white indicates Kr.

希ガスにArを用いた場合(図中黒塗り記号)について見ると、dAl = 15 Aの場合には作製直後の状態で20%程度のTMR比は、熱処理温度の増加に伴って増大し、Ta= 250°Cで前記非特許文献で報告された最大値と同程度の35%を示す。dAl = 10 Aの場合にも熱処理温度の増加に伴ってTMR比が増大する傾向は同じであるが、TMR比の極大値の増大(49%)ならびにそれを示す熱処理温度の上昇(280°C)が認められる。室温で49%のTMR比は、これまでに報告されたAl-Nを用いたいずれのMTJのそれよりも大きく、Al-Oを用いたMTJと同程度である。さらに金属Al膜の膜厚を8Aまで低減すると、TMR比の極大値は低下するが、極大を示す熱処理温度は300°Cまで上昇している。 When Ar is used as the rare gas (black symbols in the figure), when d Al = 15 A, the TMR ratio of about 20% increases as the heat treatment temperature increases immediately after fabrication. , T a = 250 ° C., which is 35% of the maximum value reported in the non-patent document. In the case of d Al = 10 A, the tendency of the TMR ratio to increase with the increase of the heat treatment temperature is the same, but the maximum value of the TMR ratio (49%) and the increase of the heat treatment temperature indicating it (280 °) C) is permitted. The TMR ratio of 49% at room temperature is larger than that of any MTJ using Al-N reported so far, and is similar to the MTJ using Al-O. Further, when the thickness of the metal Al film is reduced to 8A, the maximum value of the TMR ratio decreases, but the heat treatment temperature showing the maximum increases to 300 ° C.

以上の過程において、接合抵抗は熱処理温度の上昇に対してほぼ一定か若干減少する傾向を示し、酸化MTJの場合の過酸化試料で見られたような急激な接合抵抗値の増大は認められなかった。希ガスをKrに変更した場合にも、TMR比の変化の傾向はほぼ同じである。以上のことから、図7に示した窒化MTJ膜では、各膜厚の金属Al膜に対して、適切な窒化が実現されているものと考えられる。なお、アニールにおける熱処理温度Taの好適範囲は、dAlやその他の諸条件によって異なるが、図7に開示した以外の実験結果も含めて、総合的に考えると、MRAMの要求仕様のTMR比40%を充足するためには、Ta=240〜340℃が好ましい。 In the above process, the junction resistance tends to be almost constant or slightly decreased with the increase of the heat treatment temperature, and there is no rapid increase in junction resistance as seen in the peroxide sample in the case of oxidized MTJ. It was. Even when the rare gas is changed to Kr, the tendency of change of the TMR ratio is almost the same. From the above, it is considered that in the nitrided MTJ film shown in FIG. 7, appropriate nitridation is realized for each thickness of the metal Al film. Incidentally, preferable range of heat treatment temperature T a in the annealing varies depending dAl and other conditions, including the results of experiments except as disclosed in FIG. 7, Taken together, TMR ratio of required specifications MRAM 40 In order to satisfy%, T a = 240 to 340 ° C. is preferable.

なお、強磁性トンネル接合膜(MTJ)を磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)に応用するに当って、高TMR比・低R×Aが必要不可欠である。図7によれば、R×Aは、103〜104Ωμm2の範囲の低R×Aが得られており、実施例の窒化MTJ膜は、MRAMに好適である。 Note that a high TMR ratio and a low R × A are indispensable for applying a ferromagnetic tunnel junction film (MTJ) to a magnetic random access memory (MRAM). According to FIG. 7, a low R × A in the range of 10 3 to 10 4 Ωμm 2 is obtained for R × A, and the nitrided MTJ film of the example is suitable for MRAM.

(絶縁層のパラメータ評価)
次に、絶縁層のパラメータ評価に関わり、図8および図9に基づいて述べる。図8は、前述のAl-Nを用いた図7の実施例に関して、バリア高さ(Barrier Height)とバリア幅(Barrier Width)をプロットした図である。なお、図8において、膜厚(dAl)8 Aは○●とし、10Aは△▲とし、15Aは▽▼とし、前記記号で黒塗りは希ガスがAr、白抜きはKrを示す。また、図9は、バリア高さ(Barrier Height)とTMR比との関係を示した図である。
(Insulation layer parameter evaluation)
Next, the parameter evaluation of the insulating layer will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a graph plotting the barrier height and the barrier width with respect to the embodiment of FIG. 7 using Al—N described above. In FIG. 8, the film thickness (d Al ) 8 A is ○ ●, 10A is Δ ▲, 15A is ▽ ▼, and black marks indicate the rare gas Ar and white indicates Kr. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the barrier height and the TMR ratio.

バリア高さは絶縁膜の質の高さに関わるパラメータ、バリア幅は実質的な絶縁層の厚さに関わるパラメータであり、いずれも、MTJに流す電流に対する電圧の変化の傾向から、公知の「シモンズの式」にフィッティングさせて求めたものである。一般に、金属アルミニウム膜厚がそのまま絶縁層膜厚になるとは限らない。窒化の場合には、窒素原子と結合することによって膜体積が増大するし、窒化条件が甘いと、窒化しきれずに金属として残ってしまう部分もある。そこで、プラズマ窒化プロセス等により形成される実質的な絶縁層膜厚を、「バリア幅」という。   The barrier height is a parameter related to the quality of the insulating film, and the barrier width is a parameter related to the substantial thickness of the insulating layer. It is obtained by fitting to "Simmons' formula". In general, the metal aluminum film thickness does not necessarily become the insulating film thickness. In the case of nitriding, the film volume is increased by bonding with nitrogen atoms, and if the nitriding conditions are not good, there is a portion that cannot be completely nitrided and remains as a metal. Therefore, the substantial thickness of the insulating layer formed by a plasma nitriding process or the like is referred to as “barrier width”.

上記バリア高さおよびバリア幅は、絶縁層の評価パラメータであるが、良質の絶縁層を形成する観点からは、バリア高さが重要で、バリア高さが大きい程良質である。従来のAl-Nの場合には、バリア高さの最大値は、2.0eV程度であったが、図8の実施例によれば、2〜3eV のAl-N絶縁膜が得られる。また、図9によれば、高いTMR比を得るためには、高いバリア高さが必要で、MRAMの要求仕様のTMR比40%を充足するためには、バリア高さが少なくとも、2eV以上が必要である。   The barrier height and the barrier width are evaluation parameters of the insulating layer. From the viewpoint of forming a high-quality insulating layer, the barrier height is important. The higher the barrier height, the higher the quality. In the case of conventional Al—N, the maximum value of the barrier height is about 2.0 eV, but according to the embodiment of FIG. 8, an Al—N insulating film of 2 to 3 eV can be obtained. Further, according to FIG. 9, in order to obtain a high TMR ratio, a high barrier height is required, and in order to satisfy the TMR ratio of 40% of the required specification of MRAM, the barrier height is at least 2 eV or more. is necessary.

本発明のトンネル型磁気抵抗素子製造用のマルチスパッタ装置を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the multi sputter device for tunnel type magnetoresistive element manufacture of the present invention. 本発明のトンネル型磁気抵抗素子製造用のラジアルラインスロットアンテナを備えるマイクロ波励起プラズマ処理装置を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the microwave excitation plasma processing device provided with the radial line slot antenna for tunnel type magnetoresistive element manufacture of the present invention. プラズマ処理装置の窓から処理室内方向への距離と、電子温度および電子密度との関係を、不活性ガスHe,Ar,Krの例について示す図。The figure which shows the relationship between the distance from the window of a plasma processing apparatus to the inside of a process chamber, and electron temperature and electron density about the example of inert gas He, Ar, and Kr. MTJ膜の接合抵抗(R×A)のプラズマ暴露量依存性を示す図。The figure which shows the plasma exposure amount dependence of the junction resistance (RxA) of MTJ film | membrane. プラズマ暴露の条件を膜厚dAlに対して再プロットした図。FIG re plotted conditions of the plasma exposed to the film thickness d Al. Al-Oを用いた比較例について、TMR比ならびに接合抵抗(R×A)のアニールにおける熱処理温度依存性を示す図。The figure which shows the heat processing temperature dependence in annealing of TMR ratio and junction resistance (RxA) about the comparative example using Al-O. Al-Nを用いた実施例について、TMR比ならびに接合抵抗(R×A)のアニールにおける熱処理温度依存性を示す図。The figure which shows the heat processing temperature dependence in annealing of a TMR ratio and junction resistance (RxA) about the Example using Al-N. 図7の実施例に関して、バリア高さとバリア幅をプロットした図。The figure which plotted the barrier height and the barrier width regarding the Example of FIG. バリア高さとTMR比との関係を示した図。The figure which showed the relationship between barrier height and TMR ratio. トンネル型磁気抵抗素子の模式的断面図。A typical sectional view of a tunnel type magnetoresistive element. 図10とは異なる形態のトンネル型磁気抵抗素子の模式的断面図。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a tunnel magnetoresistive element having a different form from that of FIG. 10. GMR型再生ヘッド及びこの再生ヘッドと誘導型記録ヘッドを組み合わせた記録再生分離型磁気ヘッドを示す一部破断斜視図。FIG. 3 is a partially broken perspective view showing a GMR reproducing head and a recording / reproducing separated magnetic head in which the reproducing head and an induction recording head are combined. GMR型再生ヘッドの要部を示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of a GMR type | mold reproducing head. 不揮発性磁気式メモリ(MRAM)の要部であるメモリセルを示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell which is the principal part of a non-volatile magnetic memory (MRAM).

符号の説明Explanation of symbols

1,51,100,204 トンネル型磁気抵抗素子
2 第1強磁性層
3 絶縁層
4 第2強磁性層
11 マルチスパッタ装置
13,14 スパッタ装置
15,41 基板
31 マイクロ波励起プラズマ処理装置
32 チャンバー
34 石英板
35 ラジアルラインスロットアンテナ
37 導波管
43 ガス導入口
111 GMR型再生ヘッド
200 メモリセル

1, 51, 100, 204 Tunnel-type magnetoresistive element 2 First ferromagnetic layer 3 Insulating layer 4 Second ferromagnetic layer 11 Multi-sputtering device 13, 14 Sputtering device 15, 41 Substrate 31 Microwave excitation plasma processing device 32 Chamber 34 Quartz plate 35 Radial line slot antenna 37 Waveguide 43 Gas inlet 111 GMR type reproducing head 200 Memory cell

Claims (9)

窒化アルミニウム(Al-N)からなる絶縁層を、2つの強磁性層(磁化固定層および磁化自由層)により挟持してなるトンネル型磁気抵抗素子において、前記絶縁層のバリアハイトを2eV以上とすることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子。   In a tunnel magnetoresistive element in which an insulating layer made of aluminum nitride (Al—N) is sandwiched between two ferromagnetic layers (a magnetization fixed layer and a magnetization free layer), the barrier height of the insulating layer is set to 2 eV or more. A tunnel type magnetoresistive element. 窒化アルミニウム(Al-N)からなる絶縁層を、2つの強磁性層(磁化固定層および磁化自由層)により挟持してなるトンネル型磁気抵抗素子の製造方法において、前記絶縁層の形成工程は、金属Al膜をプラズマにより窒化処理する窒化処理工程と、窒化されたAl-N膜を熱処理するアニール処理工程とを含み、かつ前記プラズマは、電子温度が2eV以下の低電子温度であって、窒化種として、窒素分子ラジカルもしくは窒素原子ラジカルを励起させるものとすることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子の製造方法。   In the method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element in which an insulating layer made of aluminum nitride (Al-N) is sandwiched between two ferromagnetic layers (a magnetization fixed layer and a magnetization free layer), the step of forming the insulating layer includes: A nitriding treatment step of nitriding a metal Al film with plasma; and an annealing treatment step of heat-treating the nitrided Al—N film, and the plasma has a low electron temperature of 2 eV or less and is nitrided A method for producing a tunneling magnetoresistive element, characterized by exciting a nitrogen molecular radical or a nitrogen atom radical as a seed. 前記窒化処理工程は、ラジアルラインスロットアンテナを備えるマイクロ波励起プラズマ処理装置を用いて行うことを特徴とする請求項2に記載のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法。   3. The method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to claim 2, wherein the nitriding process is performed using a microwave-excited plasma processing apparatus having a radial line slot antenna. 前記窒化処理工程は、窒素雰囲気中もしくは少なくとも窒素を含む不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項2または3に記載のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法。   4. The method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to claim 2, wherein the nitriding step is performed in a nitrogen atmosphere or an inert gas atmosphere containing at least nitrogen. 前記不活性ガスは、少なくともヘリウムガス,アルゴンガス,クリプトンガス,キセノンの内のいずれかとすることを特徴とする請求項4に記載のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法。   5. The method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to claim 4, wherein the inert gas is at least one of helium gas, argon gas, krypton gas, and xenon. 前記アニール処理工程における熱処理温度により、前記Al-N膜の抵抗値および磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率を制御することを特徴とする請求項2ないし5のいずれか1項に記載のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法。   6. The tunnel-type magnetism according to claim 2, wherein a resistance value of the Al—N film and a magnetoresistance change rate of the magnetoresistive element are controlled by a heat treatment temperature in the annealing process. A method of manufacturing a resistance element. 前記熱処理温度は、240〜340℃とすることを特徴とする請求項6に記載のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法。   The method of manufacturing a tunneling magnetoresistive element according to claim 6, wherein the heat treatment temperature is 240 to 340 ° C. 前記トンネル型磁気抵抗素子は、GMR型再生ヘッドまたは磁気メモリ等の磁気デバイス用の素子とすることを特徴とする請求項2ないし7のいずれか1項に記載のトンネル型磁気抵抗素子の製造方法。   8. The method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to claim 2, wherein the tunnel magnetoresistive element is an element for a magnetic device such as a GMR read head or a magnetic memory. . アルミニウム窒化物(Al-N)からなる絶縁層を、2つの強磁性層(磁化固定層および磁化自由層)により挟持してなるトンネル型磁気抵抗素子の製造装置において、強磁性層を成膜するスパッタ装置と、金属Al膜を成膜するスパッタ装置と、前記金属Al膜を窒化処理するマイクロ波励起プラズマ処理装置と、窒化されたAl-N膜をアニール処理するアニール処理装置とを備えることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子の製造装置。

Forming a ferromagnetic layer in a tunnel magnetoresistive element manufacturing apparatus in which an insulating layer made of aluminum nitride (Al-N) is sandwiched between two ferromagnetic layers (a magnetization fixed layer and a magnetization free layer) A sputtering apparatus, a sputtering apparatus for forming a metal Al film, a microwave-excited plasma processing apparatus for nitriding the metal Al film, and an annealing apparatus for annealing the nitrided Al-N film. An apparatus for manufacturing a tunnel type magnetoresistive element.

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