JP2005333106A - Switched-connection element and manufacturing method therefor, and device having switched-connection element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交換結合素子とその製造方法、並びにスピンバルブ型磁気抵抗素子,トンネル型磁気抵抗素子,磁気ヘッド,磁気式メモリ等の交換結合素子を具備したデバイスに関する。 The present invention relates to an exchange coupling element, a manufacturing method thereof, and a device including an exchange coupling element such as a spin valve magnetoresistive element, a tunnel magnetoresistive element, a magnetic head, and a magnetic memory.
ハードディスクに代表される磁気記録媒体は、更なる記録密度の向上が期待されており、これに伴って磁気抵抗素子を備えたヘッドにも更なる高性能化が求められている。なかでも、再生ヘッドの狭ギャップ化に有利なスピンバルブ型磁気抵抗素子においては、隣接する強磁性層と反強磁性層とからなる積層膜の薄型化が必須課題となっている。 A magnetic recording medium represented by a hard disk is expected to further improve the recording density, and accordingly, a head having a magnetoresistive element is required to have higher performance. In particular, in a spin-valve magnetoresistive element that is advantageous for narrowing the read head, it is essential to reduce the thickness of a laminated film composed of adjacent ferromagnetic layers and antiferromagnetic layers.
このため、いかに極薄領域においてスピンバルブ膜の特性を維持するかが重要である。強磁性層と反強磁性層からなる交換結合素子の界面に誘導される交換磁気異方性は、スピンバルブ膜の機能上、ピン層たる強磁性層の磁化の固定という中心的な役割を果たすが、これを極薄膜下において有効かつ安定に引き出すことは重要な技術課題である。 Therefore, it is important how to maintain the characteristics of the spin valve film in an extremely thin region. The exchange magnetic anisotropy induced at the interface of the exchange coupling element composed of a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer plays a central role in fixing the magnetization of the ferromagnetic layer as the pinned layer in terms of the function of the spin valve film. However, it is an important technical issue to extract this effectively and stably under the ultrathin film.
前記交換磁気異方性は、強磁性層と反強磁性層の界面における単位面積当たりの交換結合エネルギー(いわゆる交換結合の強さ)を表す一方向異方性定数Jkによって評価される。このJkは、MsとdfとHexとの積で表され、Msは強磁性層の飽和磁化であって振動試料型磁力計(VSM)にて測定され、dfは強磁性層の膜厚であり、Hexは、反強磁性層と強磁性層との交換結合磁界であって、前記の磁化曲線においてピン層の磁化の変化に対応するMHループ中心のゼロ磁界点からのシフト量、または磁気抵抗変化曲線においてピン層の磁化方向変化に伴って生じるMRループの中心のゼロ磁界点からのシフト量として定義される。 The exchange magnetic anisotropy is evaluated by a unidirectional anisotropy constant J k representing exchange coupling energy per unit area (so-called exchange coupling strength) at the interface between the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer. This J k is represented by the product of Ms, df, and Hex, Ms is the saturation magnetization of the ferromagnetic layer, measured by a vibrating sample magnetometer (VSM), and df is the film thickness of the ferromagnetic layer. Hex is an exchange coupling magnetic field between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, and the shift amount from the zero magnetic field point at the center of the MH loop corresponding to the change in magnetization of the pinned layer in the magnetization curve, or the magnetic field It is defined as the amount of shift from the zero magnetic field point at the center of the MR loop that occurs with changes in the magnetization direction of the pinned layer in the resistance change curve.
ハードディスクドライブ等の磁気記録装置は、実使用下において内部温度が100℃以上に上昇することがあり、また、磁気抵抗素子部はセンス電流による自己発熱によって更に数十℃上昇するので、スピンバルブの動作時の温度としては、最大約150℃となる。このため、反強磁性層によってピン層に誘導された交換磁気異方性が低下し、一方向にピン止めされたピン層の磁化が外部磁界によって容易に乱される。この耐熱性の低下は、反強磁性層の膜厚が低下するほど顕著になる。ところで、交換結合素子において全膜厚に占める割合は反強磁性層が最も大きいため、素子の薄膜化のためには反強磁性層の膜厚を減らすことが必要となる。従ってJkの更なる向上が求められている。 In a magnetic recording device such as a hard disk drive, the internal temperature may rise to 100 ° C. or more under actual use, and the magnetoresistive element portion further rises by several tens of degrees Celsius due to self-heating by the sense current. The maximum operating temperature is about 150 ° C. For this reason, the exchange magnetic anisotropy induced in the pinned layer by the antiferromagnetic layer is reduced, and the magnetization of the pinned layer pinned in one direction is easily disturbed by the external magnetic field. This decrease in heat resistance becomes more prominent as the film thickness of the antiferromagnetic layer decreases. By the way, since the ratio of the total film thickness in the exchange coupling element is the largest in the antiferromagnetic layer, it is necessary to reduce the film thickness of the antiferromagnetic layer in order to reduce the thickness of the element. Therefore further improvement of the J k are required.
上記一方向異方性定数Jkの向上を目的とした交換結合素子とその製造方法の発明に関しては、本願発明と同一発明者等によって、例えば特許文献1〜3により出願されている。また、非特許文献1には、反強磁性層の磁気異方性とその役割について、技術の変遷を含めた当該技術の包括的な説明がなされている。本願発明の説明の便宜上、上記各種文献の開示内容の一部に関して、適宜引用して後述する。
With respect to the invention of the exchange coupling element and its manufacturing method for the purpose of improving the unidirectional anisotropy constant J k , an application has been filed by, for example,
まず、前記反強磁性層の膜厚に関わり、非特許文献1のP62の左欄「臨界膜厚」の項には、図20に基づく下記の記載がある。なお、図20は、非特許文献1にFig.12として開示された図で、一方向異方性定数(Jk)の反強磁性層膜厚(dAF)依存性を示した図である。
First, regarding the film thickness of the antiferromagnetic layer, the item “critical film thickness” in the left column of P62 of Non-Patent
即ち、非特許文献1には、「昨今のHDD用スピンバルブ薄膜の反強磁性層には極薄化が強く求められている。極薄の膜厚で大きな交換磁気異方性を誘導するためには、如何なる反強磁性材料が適しているのだろうか?これまでのスピンバルブ薄膜用の反強磁性材料の開発の経緯を振り返ると、1995〜96年をピークに実に数多くの材料が試された。その結果として、大きな一方向異方性定数と高いブロッキング温度を示すPtMnが現在のスタンダードとなっている。しかしながらPtMnの最も大きな問題点は、その臨界膜厚が100〜200 Aと現在の要求からすると厚いことにある。PtMnの場合には、成膜後の熱処理による規則化度が交換磁気異方性に影響を及ぼすことが知られており、完全に規則化を進行させた場合には臨界膜厚を60~70 A程度に低減できる可能性も示されてはいるが、いずれにしても十分な薄さではない。」旨記載され、また、前記図20に基づき、「これまでに検討されてきた反強磁性材料の中で、Mn-Irが最もその臨界膜厚が薄いことが判る。同じg-Mn合金のMn-Niと比較しても臨界膜厚は半分程度である。このような臨界膜厚に関しても、反強磁性層の磁気異方性が大きな役割を果たしている。」旨記載されている。
That is, Non-Patent
上記のように、Mn-Irは膜厚を薄くできる可能性が最も高いが、図20からも明らかなように、PtMnやNiMnに比較して一方向異方性定数(Jk)が低い問題がある。 As described above, Mn-Ir has the highest possibility of reducing the film thickness, but as is clear from FIG. 20, the unidirectional anisotropy constant (J k ) is lower than that of PtMn or NiMn. There is.
ところで、スピンバルブ型磁気抵抗素子に要求される課題としては、上記反強磁性膜の極薄化の課題以外に下記の課題がある。これらの課題に関しては、特許文献2の記載を引用して以下に述べる。即ち、「ハードディスクドライブの再生ヘッドとして用いられるスピンバルブ型磁気抵抗素子には、外乱磁界に対する信頼性、特に高温での動作特性、耐ESD(Electrostatic discharge)、固定磁化層の磁化の反転防止のため、高いブロッキング温度TBと交換結合磁界Hexが要求されている。また、記録密度向上とともにスピンバルブ型磁気抵抗素子の厚みを低減することが必要となり、極薄化と耐熱性の向上がともに要求されている。特に40 Gbit/in2超の記録密度に対応するには、TBとして300℃以上が必要とされている。」
なお、上記耐ESDに関しては、前記非特許文献1のP59の右欄「ブロッキング温度」の項に、下記のように記載されている。即ち、「スピンバルブ膜においては、静電気放電による瞬間的な大電流で、素子の物理的破壊に至らずとも固定層磁化のピンニング特性が劣化するESD(electrostatic discharge)破壊現象を回避することが重要な課題である。これはESD電流によってスピンバルブ素子の温度が上昇するとともに、誘導される磁界の作用で固定層の交換磁気異方性が変化する現象と理解されている。一般に強磁性層/反強磁性層積層膜の交換磁気異方性は測定温度の上昇とともに小さくなり、ある有限の温度(ブロッキング温度)で消失する。従って、このブロッキング温度を高くすることが有効なESD対策の一つである。ところが、ブロッキング温度は反強磁性のネール点に一致する場合もあるが、特に反強磁性層厚(dAF)が薄い場合、ネール点以下の温度となりdAFの減少に伴って低下する。」旨、記載されている。
By the way, as the problems required for the spin valve magnetoresistive element, there are the following problems in addition to the problem of making the antiferromagnetic film extremely thin. These problems will be described below with reference to the description in
The ESD resistance is described as follows in the right column “Blocking Temperature” on page 59 of
また、前記特許文献2には、「上記課題に対して従来は、反強磁性層材料の検討、あるいは反強磁性層の膜厚を厚くすることにより対処してきた。たとえば、TBが300数十度と高いPt-Mn合金を用いることなどが挙げられる。しかし、Pt-Mn合金からなる反強磁性層は、反強磁性層としての機能を発現するために必要な厚さが厚いという問題がある。」旨の記載や、「一方、Mn-Ir合金は各種反強磁性層の構成材料の中で最も臨界厚が小さい材料である。このMn-Ir合金によれば、製法にもよるが5nm以上あればJkの飽和値を得ることができ、Jkの絶対値も、Pt-Mn合金に匹敵する。しかし、TBが250℃以下と低いのが致命的と言われてきた。これに対し、厚みを厚くして反強磁性層中の結晶粒の持つ磁気異方性エネルギーを増加することで、TBを高めることはできる。たとえば、Mn-Ir膜においても膜厚を20nmとすれば300℃を越えるTBが得られる。しかしながら、先に述べた狭ギャップ化のためには、反強磁性層を15nm以下とすることが必要であり、膜厚増加によるTBの向上は現実的な手段ではない。また、反強磁性層の膜厚増加とともに、Jkの減少、ΔRの減少、Rsの増加、結果として磁気抵抗変化率(MR比)の低下、といった問題が発生する。このため、Mn-Ir膜厚として適当な値で妥協しなければならず、通常、7〜10nmで使用される。このため、Mn-Ir合金でTBを300℃以上とするのは困難であった。」旨の記載がある。
Further, the
上記のような問題に鑑み、特許文献2の発明は、反強磁性層の改質方法を開示する。即ち、「高い一方向異方性定数Jkを有し、かつ高いブロッキング温度TBを有し、膜厚が薄い交換結合素子を得るために、基体上に反強磁性層を形成し、該反強磁性層を初期真空度が10-9Torr以下の真空雰囲気中で熱処理する」ことを開示する。
In view of the above problems, the invention of
また、特許文献1は、「高い一方向異方性定数Jkを有し、かつ薄膜化しても諸特性を維持できる交換結合素子を得るために、基体上に、下地層、反強磁性層、及び該反強磁性層と交換結合する強磁性層が順次積層されてなり、前記下地層が、少なくとも2以上の下地膜からなり、前記下地膜のいずれか1つがCu膜からなるとともに他のいずれか1つがNi-Fe合金膜またはCo-Fe合金膜からなるもの」を開示する。
さらに、特許文献3は、「高い一方向異方性定数Jkを有する交換結合素子及びその製造方法を提供するために、基体上に反強磁性層が積層されるとともに、該反強磁性層と交換結合して磁化方向が固定される磁化固定層が前記反強磁性層上に積層されてなり、前記磁化固定層の少なくとも一部または全部に、組成式CoxFe100-xで表され、組成比を示すxが原子%で42≦x≦83の範囲である合金が含まれるもの」を開示する。
Further,
さらにまた、前記非特許文献1は、そのFig.13 およびFig.14に基づき、Mn-Ir膜に対するアニール処理の効果(Jkの向上効果)について開示する。図18および図19は、前記非特許文献1のFig.13 およびFig.14に相当する。
Furthermore, Non-Patent
非特許文献1の記載を引用すれば、「図18は、熱酸化膜付Si基板上のTa/Ni-Fe/Cuバッファー層上に作製したMn75Ir25 dAF / Co70Fe30(40 A)の積層膜のJKの反強磁性層厚(dAF)依存性を成膜後の磁界(1 kOe)中熱処理温度(Ta)の関数として示した図であり、熱処理温度の増大に伴って,JKが増大してゆくが、Ta = 300°C以上の熱処理において,dAF = 50 A以下の極薄の反強磁性膜厚の領域では逆にTaの増大に伴ってJKが低下してゆく」旨記載され、
また、「図19の結果によれば、dAF = 30 Aの場合を除き,JKは熱処理時間の延長に伴って徐々に増大してゆくことが判った。200 hの熱処理後に,dAF = 50 Aもしくは75 Aの積層膜においてJK = 0.87 erg/cm2の大きな値が得られた。この値は実用に供されているPtMn/Co-Fe系で報告されている一方向異方性定数の2倍以上の値であり、昨今の反強磁性層の極薄化への要求に対して十分魅力的な結果であると考える。また、200 hの熱処理前後においてin-planeならびにout-of-plane X線回折法による構造解析の結果、結晶粒径の増大や反強磁性層の規則化などの構造変化が生じていないことを別途確認している」旨記載されている。
To cite the description of Non-Patent
Further, “According to the results of FIG. 19, it was found that J K gradually increased with the extension of the heat treatment time except for the case of d AF = 30 A. After the heat treatment for 200 h, d AF A large value of J K = 0.87 erg / cm 2 was obtained in the laminated film of = 50 A or 75 A. This value is a unidirectional anisotropic reported in the PtMn / Co-Fe system in practical use. This value is more than twice the sex constant, and is considered to be attractive enough to meet the recent demands for ultra-thin antiferromagnetic layers. As a result of structural analysis by -of-plane X-ray diffraction method, it has been separately confirmed that structural changes such as increase in crystal grain size and ordering of the antiferromagnetic layer have not occurred ".
上記特許文献1〜3および非特許文献1に記載された技術は、それぞれ有効ではあるものの、前記課題の要請に対して、まだ十分とはいえない。しかしながら、後述する本願発明と重ねて適用することにより、その効果は加算される技術である。
Although the techniques described in
次に、前記磁気ヘッドに使用されるスピンバルブ型磁気抵抗素子以外のトンネル型磁気抵抗素子および磁気式メモリ等の交換結合素子を具備したデバイスについて述べる。 Next, a device provided with an exchange coupling element such as a tunnel type magnetoresistive element and a magnetic memory other than the spin valve type magnetoresistive element used in the magnetic head will be described.
最近では、電源を切った状態でもデータが保存されるいわゆる不揮発メモリの需要が増大しており、この不揮発メモリの1種として磁気式メモリ(MRAM)が提案されている。この磁気式メモリは、記憶素子としてトンネル型磁気抵抗(TMR)素子の利用が検討されている。トンネル型磁気抵抗素子は、反強磁性層/磁化固定層/絶縁層/磁化自由層の積層構造からなるもので、このトンネル型磁気抵抗素子においても、反強磁性層/磁化固定層の構成からなる上記の交換結合素子が具備されている。交換結合素子の一方向異方性定数Jkが小さいと、磁化固定層の磁化方向が外部磁界等により変動しやすくなって、記録素子(トンネル型磁気抵抗素子)に保持された記録情報が失われるおそれがあるので、磁気式メモリに対する信頼性を向上させるためにも、交換結合素子における一方向異方性定数Jkの向上が求められている。
上記のように、交換結合素子並びに交換結合素子を具備したデバイスにおいては、高い一方向異方性定数Jkを有すること、高いブロッキング温度TBを有すること、膜厚が薄いこと、耐ESDを有すること等が要請される。前記非特許文献1によれば、膜の薄型化の要請からMn-Ir合金を反強磁性膜として使用した交換結合素子に関して、一方向異方性定数Jkはかなり改善されたが、反強磁性膜の薄型化の要請に応えるためには、Jkのさらなる向上が望まれ、また耐ESD向上のために、ブロッキング温度TBのさらなる向上(300℃以上の達成)が必要である。
As described above, in the device provided with the exchange coupling elements as well as exchange coupling elements, to have high unidirectional anisotropy constant J k, to have a high blocking temperature T B, the film thickness is thin, the ESD resistance Is required. According to
さらに、前記非特許文献1に開示された大きなJkの向上効果は、長時間(数十〜200時間程度)のアニール処理によって達成できるもので、製造時間および製造コストの低減が望まれる。
Furthermore, the large J k improvement effect disclosed in
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、積層膜、特に反強磁性膜の薄型化,一方向異方性定数Jkの向上およびブロッキング温度TBの向上を図った交換結合素子とその好適な製造方法並びに交換結合素子を具備したデバイスを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, an object of the present invention, improvement in the laminated film, particularly thinning of the antiferromagnetic film, improvement in unidirectional anisotropy constant J k and blocking temperature T B It is another object of the present invention to provide an exchange coupling element, a suitable manufacturing method thereof, and a device including the exchange coupling element.
上記課題は、以下により達成される。即ち、基板上に、反強磁性層、及び前記反強磁性層と交換結合する強磁性層が順次積層されてなる交換結合素子において、前記反強磁性層が、Mn-Ir合金の規則相(Mn3Ir)を備えることを特徴とする(請求項1)。なお、前記請求項1における規則相は、Irの一部を、例えばRuのような第三元素で置き換えたものを含むものとする。
The above-mentioned subject is achieved by the following. That is, in an exchange coupling element in which an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer exchange-coupled to the antiferromagnetic layer are sequentially stacked on a substrate, the antiferromagnetic layer is formed of an ordered phase of an Mn—Ir alloy ( Mn 3 Ir) (Claim 1). The ordered phase in
また、前記請求項1の発明の実施態様としては、下記請求項2ないし4の発明が好ましい。即ち、前記請求項1に記載の交換結合素子において、前記Mn-Ir合金は、Irの組成比を20〜33原子%とすることを特徴とする(請求項2)。
As an embodiment of the invention of
さらに、前記請求項1または2に記載の交換結合素子において、前記反強磁性層におけるMn-Ir合金の平均面内結晶粒径は、9nm(90Å)以上とすることを特徴とする(請求項3)。
Furthermore, in the exchange coupling element according to
また、前記請求項1に記載の交換結合素子において、前記基体と反強磁性層との間に、下地層を備えることを特徴とする(請求項4)。
In the exchange coupling element according to
前記交換結合素子の発明によれば、詳細は後述するが、規則相(Mn3Ir)の存在により、ブロッキング温度TBが向上し、360℃以上となる。また、一方向異方性定数Jkが、従来に比較して著しく向上し、最大で1.3 erg/cm2の大きな値が得られ、これにより、膜の極薄化が可能となる。さらに、アニール処理時間も短時間(例えば、1時間程度)で、前記良好な特性が得られる。 According to the invention of the exchange coupling elements will be described in detail later, the presence of ordered phase (Mn 3 Ir), improved blocking temperature T B, the 360 ° C. or higher. In addition, the unidirectional anisotropy constant J k is remarkably improved as compared with the conventional one, and a maximum value of 1.3 erg / cm 2 is obtained at the maximum, thereby enabling the film to be extremely thinned. Further, the good characteristics can be obtained in a short annealing time (for example, about 1 hour).
次に、本発明の交換結合素子の製造方法としては、下記請求項5ないし7の発明が好ましい。即ち、基板上に、下地層を介して若しくは介さずに、Mn-Ir合金からなる反強磁性薄膜層、及び前記反強磁性薄膜層と交換結合する強磁性薄膜層を順次形成する交換結合素子の製造方法において、前記反強磁性薄膜層を形成する際に、前記基板を、Mn-Ir合金の規則相を形成するために予め定めた所定の基板温度となるように加熱し、かつ前記反強磁性薄膜層の形成後に、アニール処理を行うことを特徴とする(請求項5)。
Next, as a method for manufacturing the exchange coupling element of the present invention, the inventions of the following
また、前記基板上に下地層を介して反強磁性薄膜層を形成する際の所定の基板温度は、下地層材料がRuの場合、少なくとも100℃以上とし、下地層材料がCuの場合、100〜180℃とすることを特徴とする(請求項6)。 The predetermined substrate temperature when forming the antiferromagnetic thin film layer on the substrate via the underlayer is at least 100 ° C. or more when the underlayer material is Ru, and 100 when the underlayer material is Cu. It is set to -180 degreeC (Claim 6).
さらに、前記アニール処理の際の反強磁性層薄膜の加熱処理温度は、280〜360℃とすることを特徴とする(請求項7)。 Furthermore, the heat treatment temperature of the antiferromagnetic layer thin film during the annealing treatment is 280 to 360 ° C. (Claim 7).
前記請求項5ないし7の作用効果の詳細については、後述する。 Details of the effects of the fifth to seventh aspects will be described later.
また、先に記載のいずれかの交換結合素子を具備するデバイスの発明としては、下記請求項8ないし11の発明が好ましい。即ち、前記請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするスピンバルブ型磁気抵抗素子(請求項8)。さらに、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とするトンネル型磁気抵抗素子(請求項9)。さらにまた、前記請求項1ないし4のいずれか1項に記載の交換結合素子を具備してなることを特徴とする磁気ヘッド(請求項10)。また、前記請求項9に記載のトンネル型磁気抵抗素子を具備してなることを特徴とする磁気式メモリ(請求項11)。
In addition, as the invention of a device comprising any of the exchange coupling elements described above, the inventions of the following claims 8 to 11 are preferable. That is, a spin valve magnetoresistive element comprising the exchange coupling element according to any one of
この発明によれば、積層膜特に反強磁性膜の薄型化,一方向異方性定数Jkの向上およびブロッキング温度TBの向上を図った交換結合素子とその好適な製造方法並びに良好な特性を有する交換結合素子を具備したデバイスが提供できる。 According to the present invention, thin, unidirectional anisotropy constant J k improved and blocking temperature T the preferred manufacturing method as well as good properties as exchange coupling elements with improved B of the multilayer film particularly antiferromagnetic film A device having an exchange coupling element having the following can be provided.
次に、この発明の実施形態に関して、図に基いて説明する。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。
(第1の実施形態:交換結合素子)
HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \l "fig1" 図1は、本発明に係る典型的な交換結合素子の実施形態の断面模式図である。図1において、交換結合素子1は、基板2上に積層された反強磁性層4と、反強磁性層4上に形成された強磁性層5と、保護層6とから構成されている。上記基板2は、例えば少なくとも表面に0.5〜10nm程度のTaからなる層を備えているものが好ましい。なお、基板2は、Taからなる層に代えてTa-Ni-Fe系合金からなる層を表面に形成してなるものであってもよい。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 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. .
(First embodiment: exchange coupling element)
HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \ l "fig1" FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a typical exchange coupling element according to the present invention. In FIG. 1, the
また反強磁性層4は例えば膜厚が4nm以上19nm以下のMn-Ir合金からなる層であり、強磁性層5と交換結合して強磁性層5の磁化を一方向に固定する。Mn-Ir合金は、Irの組成比が20原子%以上30原子%以下のもの、特に、Mn75Ir25に分類される組成のMn-Ir膜を用いることが好ましい。
The
強磁性層5は、例えば膜厚が1〜5nmのNi-Fe合金またはCo-Fe合金、あるいはCo、またはそれらの積層膜からなる層であり、特にFeの組成比が5原子%以上50原子%以下のCo-Fe合金が好ましい。また、Ni-Fe合金、Co-Fe合金のいずれも、他の添加元素が添加されていても良い。更に強磁性層5は、適当厚のRu膜を介して2つの強磁性膜を積層させて積層フェリ構造としてもよい。この積層フェリ構造によれば、2つの強磁性膜間に働く反強磁性的結合により強磁性層の磁化方向が固定されるため、ブロッキング温度TBまで加熱されても大きな磁気異方性を維持することが可能となる。保護層6は例えば膜厚が0.5〜5nmのTaからなる層であり、強磁性層5の表面の酸化を防止する。
The
また、基板2と反強磁性層4との間に下地層を設けても良い。下地層は、下地膜単体か、2以上の下地膜の積層構造のいずれかであってもよい。下地膜単体の場合、Cu膜、Ni-Fe合金膜またはCo-Fe合金膜のいずれかであることが好ましい。この場合の下地層の厚さは1nm以上5nm以下の範囲が好ましい。また積層構造の下地層の場合は、2つの下地膜のうちいずれか1つがCu膜とするとともに他の1つがNi-Fe合金膜またはCo-Fe合金膜とする、特にNi-Fe-Cr合金膜とすることが好ましい。この場合、下地層の全層厚は1nm以上5nm以下の範囲が好ましく、また各下地膜の各膜厚はそれぞれ0.5nm以上1.5nm以下が好ましい。
Further, an underlayer may be provided between the
下地層の全層厚が1nm以上であれば、下地層の(111)配向した結晶性を維持することが可能になり、また層厚が5nm以下であれば、交換結合素子1を磁気抵抗効果素子等に用いた場合に、検出電流の分流が抑制されてシャントロスを低減することが可能になる。更に、下地層が積層構造の場合、各下地膜の各膜厚が0.5nm以上であれば、各下地膜の結晶性を維持することが可能になり、また各膜厚が1.5nm以下であれば上記と同様に検出電流のシャントロスを低減することが可能になる。
If the total thickness of the underlayer is 1 nm or more, it becomes possible to maintain the (111) -oriented crystallinity of the underlayer, and if the layer thickness is 5 nm or less, the
下地層を構成するCu、Ni-Fe合金、Co-Fe合金はいずれもfcc結晶構造(面心立方構造)を有する材料であり、これらの材料はスパッタリング等によって(111)面を優先配向しつつ成膜されるため、膜表面での(111)面の露出確率が高くなる。従って、この下地層上に反強磁性層4及び強磁性層5をエピタキシャル成長させつつ成膜すると、反強磁性層4及び強磁性層5が(111)面配向された状態で形成され、この結果、反強磁性層4と強磁性層5との界面で誘導される一方向異方性定数Jkを高くし、交換結合磁界Hexを向上できる。
Cu, Ni—Fe alloy, and Co—Fe alloy constituting the underlayer are all materials having an fcc crystal structure (face-centered cubic structure), and these materials preferentially orient the (111) plane by sputtering or the like. Since the film is formed, the exposure probability of the (111) plane on the film surface is increased. Therefore, when the
上記のように、交換結合素子は種々の構成があり、目的に応じた構成が採用される。従って、本発明に係る交換結合素子の構成は、上記の構成に限定されるものではない。 As described above, the exchange coupling element has various configurations, and a configuration according to the purpose is adopted. Therefore, the configuration of the exchange coupling element according to the present invention is not limited to the above configuration.
(第2の実施形態:交換結合素子の製造方法)
図2は、本発明の交換結合素子の製造に用いて好適な成膜装置の平面模式図を示す。この成膜装置21は、メタル膜形成室22と、スパッタ膜形成室23と、熱処理室24と、搬送室25と、ガス流量制御ユニット26と、真空計27とを主体として構成されている。メタル膜形成室22はゲートバルブ22aを介して搬送室25に連結され、またスパッタ膜形成室23はゲートバルブ23aを介して搬送室25に連結され、更に熱処理室24はゲートバルブ24aを介して搬送室25に連結されている。
Second Embodiment: Method for Manufacturing Exchange Coupling Element
FIG. 2 is a schematic plan view of a film forming apparatus suitable for use in manufacturing the exchange coupling element of the present invention. The
また、搬送室25は3組の搬送ローダ28,29,30が取り付けられており、これらの搬送ローダ28,29,30は搬送室25内に収納された成膜対象物を、メタル膜形成室22、スパッタ膜形成室23及び熱処理室24にそれぞれ搬送できるように構成されている。また、メタル膜形成室22、スパッタ膜形成室23及び熱処理室24にはそれぞれ、ガス流量制御ユニット26と真空計27とが接続されており、各室内の圧力及び雰囲気ガスの種類を調整できるようになっている。
The
メタル膜形成室22には、成膜用のターゲット22b…が複数個備えられており、また搬送室25から搬送された成膜対象物を移動させる試料ステージ22cが備えられている。ターゲット22b…はメタル成膜室内22の天井内側に取り付けられ、また試料ステージ22cはメタル成膜室内22の床面に移動自在に取り付けられている。各ターゲットは、例えば高純度のTa、Cu、Ni-Fe-Cr合金、Co-Fe合金、及びMn−Ir合金により形成されている。
The metal
次に交換結合素子1の製造方法を説明する。まず、Siからなる基板2を搬送室内に設置し、この基板2を搬送ローダ30によって熱処理室24に搬送する。熱処理室24では、酸素雰囲気中で加熱処理することにより、基板2の表面に下地層3の一部である例えばSiO2膜を形成する。次に搬送ローダ30により基板2を搬送室25に戻す。
Next, a method for manufacturing the
メタル膜形成室22内は、図示しない排気ポンプにより、予め10-9Torr以下、好ましく10-10Torr以下の初期圧力まで減圧された状態になっている。そして、搬送室25内をメタル形成室22内とほぼ同程度あるいは若干の低真空度とした上でゲートバルブ22aを解放し、搬送ローダ28によって基体2をメタル膜形成室22の試料ステージ22cに搬送する。次に高純度アルゴンガスを導入してメタル膜形成室22内の圧力を0.6〜3mTorrとし、基体2の温度を室温に保った状態で、試料ステージ22cを駆動して基体2をTaターゲット22b下に移動させる。そして、DCマグネトロンスパッタ法を用い、一方向に磁界を印加しつつ、先に形成されたSiO2膜上に、下地層3の一部である例えばNi-Fe-Cr膜を成膜する。次にNi-Fe-Cr膜の形成と同様な方法で、Cu膜を順次形成して下地層3を形成する。
The inside of the metal
次に下地層3上に反強磁性層4を形成する。反強磁性層4の膜厚は4nm以上19nm以下の範囲が好ましく、この膜厚は成膜速度を一定とし、成膜時間を制御することで調整する。また反強磁性層4の組成は、ターゲットの合金組成を調整することにより、MnyIr100-y(組成比yは原子%で70≦y≦80の範囲)なる組成にできる。反強磁性層4の成膜の際に、前述のように、Mn-Ir合金の規則相を形成するために予め定めた所定の基板温度となるように、好ましくは、基板温度が100〜180℃となるように加熱する。
Next, the
次に、下地層3及び反強磁性層4の形成と同様な方法で、強磁性層5を形成する。係る強磁性層5は、CoxFe100-xなる組成(組成比を示すxが原子%で42≦x≦83の範囲とすることが好ましい。また強磁性層5の膜厚は反強磁性層4の場合と同様に、成膜速度を一定とし、成膜時間を制御することで調整する。
Next, the
そして更に、強磁性層5上に、Cuからなる反応防止層及びTaからなる保護層を順次積層する。
Further, a reaction preventing layer made of Cu and a protective layer made of Ta are sequentially laminated on the
次に、各層3、4…を積層した基板2を、搬送ローダ28及び30を用いて、搬送室25経由で熱処理室24に搬送し、熱処理室24内の初期圧力を10-9Torr以下、好ましく10-10Torr以下まで減圧した状態で熱処理(アニール)を行う。熱処理温度は、前述のように好ましくは、280〜360℃、熱処理時間は約1時間として、メタル膜形成室22において成膜時に印加した磁界方向と同方向に1kOeの磁界を印加しつつ、基体2を熱処理室24内に内蔵されたヒータまたは後述する赤外線(IR)等で加熱する。この熱処理により、反強磁性層4と強磁性層5との界面で交換結合磁界が発現し、強磁性層5の磁化方向が一方向に固定される。このようにして、前記実施形態1に記載の交換結合素子1が得られる。
Next, the
なお、上記熱処理はTaからなる保護層を成膜後、メタル膜形成室22より搬送室25に搬送したのち、本成膜装置21より各層3、4…を積層した基体2を取り出し、別途装置により真空雰囲気下で磁界中熱処理を施しても良い。その際の真空度、磁界強度、熱処理条件については上記熱処理室24内での条件と共通するので省略する。
In the heat treatment, after a protective layer made of Ta is formed, the film is transferred from the metal
また、上記の交換結合素子1の製造方法において、反強磁性層4の成膜直後であって強磁性層5の形成前に別途熱処理を行っても良い。反強磁性層4の形成後であって強磁性層5の形成前に、真空雰囲気を保持したまま熱処理室24へ搬送し、その後メタル形成室22に再度搬送し、続いて強磁性層5、反応防止層および保護層を成膜する。本熱処理を行うことで、交換結合素子1のJkをより高めることができる。尚、この場合の熱処理は、ヒータ加熱による熱処理のみならず、赤外光照射による熱処理でもよい。
In the method for manufacturing the
上記赤外光照射による熱処理は、図3に示すような赤外線熱処理装置40で行う。この赤外線熱処理装置40は、赤外光を透過する透過窓41を備えたチャンバ42と、チャンバ52内を10-9Torr以下、好ましくは10-10Torr以下の真空雰囲気とする図示しない排気機構と、赤外光をチャンバ42の外側から透過窓41に透過させてチャンバ42内に照射する赤外光源43を主体として構成されている。
The heat treatment by the infrared light irradiation is performed by an infrared
チャンバ42は、図示しない排気機構に接続されていて、内部を10-9Torr以下、好ましくは10-10Torr以下の真空雰囲気にできるようになっている。また、チャンバ42内には試料ステージ44が備えられていて、試料ホルダー45を介して基体2を固定できるようになっている。また、試料ステージ44には熱電対等の温度センサ46が取り付けられている。また、試料ステージ44は、図3における上下方向に駆動できるように構成されていて、赤外光源43と基体2との照射距離を調整できるように構成されている。
The
また、チャンバ42の上部には赤外光を透過する透過窓41が備えられている。透過窓41は、赤外光に対して高い透過率を有するとともに、チャンバ42内を高真空に保つためにガスバリア性に優れた材料からなるものが好ましく、例えばα-Al2O3等が好ましい。
A
赤外光源43は、電源47に接続されたフィラメント48と、開口部60を有する反射板49とから構成されている。電源47からフィラメント48に通電することにより発した赤外光は、反射板49の集光効果により赤外光源43内に位置する焦点に一旦集光され、開口部60からチャンバ42の透過窓41に向けて放射状に照射される。更に赤外光は透過窓41を透過してチャンバ42内の試料ステージ近傍まで届くように構成されている。
The infrared
なお、開口部60には図示しない絞りが取り付けられていて、赤外光の照射範囲を調整できるように構成されている。また、赤外光源43も試料ステージ44と同様に、図3における上下方向に駆動できるように構成されていて、基体2との照射距離を調整できるように構成されている。
Note that a diaphragm (not shown) is attached to the
赤外光照射時の反強磁性層4の熱処理温度は、例えば赤外光源への通電量により調節される。また赤外光照射時の初期圧力は、10-9Torr以下、好ましくは10-10Torr以下とするのが好ましい。初期圧力が10-9Torrより低下すると、雰囲気中に残留した酸素、水等が反強磁性層4の表面に吸着し、場合によっては反強磁性層4の表面が酸化されたり変質されてしまい、Jkを低下させてしまうので好ましくない。このように、上記の高真空中で反強磁性層4を熱処理することにより、反強磁性層4の表面の酸化や表面への気体原子の吸着を防止することができ、表面の原子配列等を変化させて反強磁性層4の表面状態を改善することができ、この表面に強磁性層5を積層すれば、反強磁性層4と強磁性層5との間で交換結合磁界を発現させ、高いJkを発現させることができる。
The heat treatment temperature of the
(第3の実施形態:スピンバルブ型磁気抵抗素子)
図4に、交換結合素子を具備したスピンバルブ型磁気抵抗素子の断面模式図を示す。図4において、スピンバルブ型磁気抵抗素子10は、基板12上に積層された本発明に係る交換結合素子11と、交換結合素子11上に形成された非磁性高導電体層16と、非磁性高導電体層16上に形成された別の強磁性層17と、保護層18とから構成されている。
(Third Embodiment: Spin Valve Magnetoresistive Element)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a spin valve magnetoresistive element equipped with an exchange coupling element. In FIG. 4, a spin
交換結合素子11は、前記第1の実施形態にて説明した交換結合素子1と同様のものであり、基板12上に積層された下地層13と、下地層13上に形成された反強磁性層14と、反強磁性層14上に形成された強磁性層15とから構成されている。また下地層13は、基体12に隣接する第1下地膜13aと、反強磁性層14に隣接する第2下地膜13bとからなる積層膜である。上記の交換結合素子11、基体12、下地層13(第1下地膜13a、第2下地膜13b)、反強磁性層14及び強磁性層15は、第1の実施形態にて説明した交換結合素子1、基体2、下地層3(第1下地膜3a、第2下地膜3b)、反強磁性層4及び強磁性層5の構成、材質、膜厚等と同様であるので、その説明を省略する。
The
(第4の実施形態:トンネル型磁気抵抗素子)
図5はトンネル型磁気抵抗素子の模式断面図を示す。トンネル型磁気抵抗素子50は、基板2上に、下地層3と、反強磁性層4と、強磁性層5と、絶縁層56と、別の強磁性層57と、保護層58とが順次積層されて構成されている。このトンネル型磁気抵抗素子50においては、反強磁性層4及び強磁性層5の積層体が交換結合素子51を構成する。尚、上記の基板2、下地層3、反強磁性層4及び強磁性層5の詳細な構成は、第1の実施形態にて説明した基板2、反強磁性層4及び強磁性層5の構成、材質、膜厚等と同様であり、その説明を省略する。
(Fourth Embodiment: Tunnel Type Magnetoresistive Element)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a tunnel type magnetoresistive element. The tunnel
絶縁層56は、例えば膜厚が0.5〜3.0nmのAl2O3等の非磁性絶縁体からなる層であり、強磁性層5と別の強磁性層47の間に位置してこれらの層5、47の磁化方向に依存したトンネル電流を流す。また強磁性層57は例えば膜厚が1〜5nmのNi-Fe合金またはCo-Fe合金またはCoまたはそれらの積層膜からなる層であり、絶縁層56に隣接している。トンネル型磁気抵抗素子50においては、強磁性層57が磁化自由層を構成する。強磁性層57は下部強磁性層57a及び上部強磁性層57bからなる2層構造で構成されている。
The insulating
下部強磁性層57aは例えば、Co75Fe25の組成からなるもので、この下部強磁性層57aを絶縁層56に隣接して配すればTMR効果を増大させる効果がある。更に上部強磁性層57bは例えばNi-Fe合金膜が挙げられる。この上部強磁性層57bを積層することにより、強磁性層57の磁化反転が容易となり、低磁界での動作が可能となる。下部強磁性層57bは例えば2〜5nm、上部強磁性層57aは例えば10〜50nmの膜厚にできる。また保護膜58は、例えば膜厚が2nmのTaからなる膜である。また、強磁性層57上層であって、保護層58の下層に、Cu層を配置してよい。これにより絶縁層より上の上部電極層のシート抵抗を低減でき、TMR素子の安定動作に効果的である。なお、該Cu層は電気抵抗を下げることが目的であり、Cu以外にAl、あるいはその合金、その他の低抵抗材料を用いても良い。
The lower
このトンネル型磁気抵抗素子50の磁化自由層たる強磁性層57に外部磁界が印加されると、その磁化方向が外部磁界の影響により変動し、強磁性層5との間で磁化方向の変動が生じ、これにより絶縁層57を介して強磁性層5及び磁化自由層57間を流れるトンネル電流量が変動し、これによりトンネル型磁気抵抗素子50の抵抗変化が生じる。なお、強磁性層5の磁化方向は反強磁性層4との交換結合により強固に固定されているので、外部磁界が印加されてもその磁化方向が変動することがない。
When an external magnetic field is applied to the
上記のトンネル型磁気抵抗素子50によれば、Jkが高い本発明に係る交換結合素子51を備えているので、外部磁界によって強磁性層5の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(MR比)を発現することができる。
According to the
また、上記のトンネル型磁気抵抗素子50によれば、反強磁性層4の層厚を19nm以下にできるので、トンネル型磁気抵抗素子50の全厚を低減することができ、トンネル型磁気抵抗素子50の集積度を向上することができる。
Further, according to the tunnel
また、上記のトンネル型磁気抵抗素子50の強磁性層5を、強磁性層と非磁性層の積層体からなる積層フェリ磁性層としても良い。係る積層フェリ磁性層からなる強磁性層5を備えたトンネル型磁気抵抗素子であれば、磁化固定層としての強磁性層5の磁化方向をより強固に固定することができ、外部磁界の影響を排除してMR比をより高くすることができる。
Further, the
なお、上記のトンネル型磁気抵抗素子50を、後述する図6に示すスピンバルブ型磁気抵抗素子800に置き換えてTMR型再生ヘッドを構成しても良い。このTMR再生ヘッドによれば、Jkが高い本発明に係る交換結合素子を備えているので、記録磁界等の外部磁界によって磁化固定層の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(MR比)を発現することができる。
Note that the TMR read head may be configured by replacing the
(第5の実施形態:磁気ヘッド)
図6には、本発明の第5の実施形態である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し、図7には、GMR型再生ヘッドの要部を示す。図6及び図7において、符号800は本発明に係るスピンバルブ型磁気抵抗素子、801は本発明に係る交換結合素子、803は下地層、804は反強磁性層、805は固定磁化層として機能する強磁性層、806は非磁性導電層、807は磁化自由層として機能する強磁性層、808はMR電極、809はハード膜、811はGMR型再生ヘッド、812は記録ヘッドの下部磁極(824)を兼ねるGMR型再生ヘッド811の上部シールド層、813、814は非磁性絶縁膜、815はGMR型再生ヘッド811の下部シールド、821は記録ヘッド、822は記録ヘッド821の上部ポール、823は導電体からなるコイル、824はGMR型再生ヘッド811の上部シールド(812)を兼ねる記録ヘッドの下部磁極である。
(Fifth embodiment: magnetic head)
FIG. 6 shows a GMR reproducing head according to a fifth embodiment of the present invention and a recording / reproducing separated type magnetic head in which this reproducing head is combined with an inductive recording head, and FIG. 7 shows the GMR reproducing head. The main part is shown. 6 and 7,
なお、スピンバルブ型磁気抵抗素子800の下地層803、反強磁性層804、強磁性層(磁化固定層)805、非磁性導電層806及び強磁性層(磁化自由層)807の詳細な構成は、第3の実施形態で説明したスピンバルブ型磁気抵抗素子10の構成とほぼ同一である。
The detailed configuration of the
本発明に係る交換結合素子801を含むスピンバルブ型磁気抵抗素子800を上部シールド層812と下部シールド層815で挟んだ部分が再生ヘッドとして機能し、薄膜Cuからなるコイル823を上部磁極822と下部磁極824で挟んだ部分が記録ヘッドとして機能する。この記録再生分離型磁気ヘッドは、GMR型再生ヘッド811の上部シールド層812が、記録ヘッド821の下部磁極824を兼ねる構成とした場合であるが、上部シールド層と下部磁極に別材料を用いて別構成としたり、あるいは両者の間に他の構成物を配置しても本発明の作用、効果は失われるものではない。
A portion where the spin
このGMR型再生ヘッド811によれば、Jkが高い本発明に係る交換結合素子801を備えているので、記録磁界等の外部磁界によって磁化固定層805の磁化方向が変動することがなく、高い磁気抵抗変化率(MR比)を発現することができる。
According to the
(第6の実施形態:磁気メモリ)
次に本発明の第6の実施形態である磁気式メモリについて、図8を参照して説明する。
(Sixth embodiment: magnetic memory)
Next, a magnetic memory according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \l "fig8" 図8は磁気式メモリの要部であるメモリセルの断面図である。このメモリセルは、セル選択用の素子であるMOSFET901と、ワード線902と、ビット線903と、トンネル型磁気抵抗素子904とから構成されている。ワード線902はMOSFET901に接続されている。またビット線903はトンネル型磁気抵抗素子904に接続され、更にトンネル型磁気抵抗素子904は接続配線905を介してMOSFET901に接続されている。データの読み込み時においては、MOSFET901によりメモリセルを選択し、ワード線902からMOSFET901を介してトンネル型磁気抵抗素子904に電流を流す。
HYPERLINK "http://www.patent.ne.jp/patent/cache/" \ l "fig8" FIG. 8 is a cross-sectional view of a memory cell as a main part of the magnetic memory. This memory cell includes a
トンネル型磁気抵抗素子904の磁化固定層及び強磁性層のそれぞれの磁化方向によって電気抵抗が異なることを利用して、記録されたデータを読み取ることができる。また書き込み時においてはビット線903およびワード線902とに電流を流し、ビット線903に流れる電流が形成する磁界と、ワード線902に流れる電流が形成する磁界と、の合成磁界によってトンネル型磁気抵抗素子の強磁性層のみを磁化反転させる。反強磁性層によりピン止めされた磁化固定層は磁化反転せず、強磁性層の磁化のみ反転させることができるために、上記の平行、反平行状態を意図して形成することが可能であり、これによりメモリの記憶及び消去が行える。
The recorded data can be read using the fact that the electric resistance differs depending on the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the ferromagnetic layer of the tunnel
係る磁気式メモリによれば、上記の交換結合素子からなるトンネル型磁気抵抗素子を備えているので、磁化固定層の磁化が上記合成磁界によって反転することがなく、信頼性の高いメモリを構成することができる。 According to such a magnetic memory, since the tunnel type magnetoresistive element composed of the exchange coupling element is provided, the magnetization of the magnetization fixed layer is not reversed by the synthetic magnetic field, and a highly reliable memory is configured. be able to.
以下、本発明の実施例に関わり、構造解析(X線回折)や諸磁気特性に関する実験を行った結果等について、更に詳細に説明する。 Hereinafter, the results of experiments relating to structural analysis (X-ray diffraction) and various magnetic properties related to the examples of the present invention will be described in more detail.
(実施例における交換結合素子の構成と製造方法)
実施例における交換結合素子の構成の模式断面図を、図9に示す。熱酸化により表面にSiO2膜が形成されたSi基板上に、5nm(50Å)のNi-Fe-Cr合金および500ÅのCuからなる下地層を設け、その上にMn-Ir(Mn73Ir27)合金からなる100Åの反強磁性層を、更にその上にCo70Fe30合金からなる40Åの強磁性層を順次積層した。
(Configuration and manufacturing method of exchange coupling element in embodiment)
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of the configuration of the exchange coupling element in the example. An underlayer composed of a 5 nm (50 mm) Ni—Fe—Cr alloy and 500 μm Cu is provided on a Si substrate having a SiO 2 film formed on the surface by thermal oxidation, and Mn—Ir (Mn 73 Ir 27 ) A 100 反 antiferromagnetic layer made of an alloy and a 40 Å ferromagnetic layer made of a Co 70 Fe 30 alloy were sequentially laminated thereon.
交換結合素子の製造方法は、基本的には前述の製造方法によるが、反強磁性層の成膜は、反強磁性層の表面の清浄性及び反強磁性層中の不純物の低減による結晶粒成長及び高い結晶配向性を得るために超高真空プロセス(XC-process)で行った。即ち、成膜装置内の初期真空度を3×10-11Torr以下に減圧した後に純度9ナインの高純度アルゴンガスを導入し、マグネトロンスパッタ法により行った。また、成膜は膜面内平行に約30 Oeの磁界を印加しつつ行った。 The manufacturing method of the exchange coupling element is basically the above-described manufacturing method, but the film formation of the antiferromagnetic layer is performed by crystal grains by cleaning the surface of the antiferromagnetic layer and reducing impurities in the antiferromagnetic layer. In order to obtain growth and high crystal orientation, it was carried out by ultra high vacuum process (XC-process). That is, after the initial vacuum in the film forming apparatus was reduced to 3 × 10 −11 Torr or less, high purity argon gas having a purity of 9 nines was introduced, and the magnetron sputtering method was used. The film formation was performed while applying a magnetic field of about 30 Oe parallel to the film surface.
また、前記反強磁性層の成膜の際には、後述するように、成膜対象となる基板の温度を種々変えて、基板温度の磁気特性に与える影響について実験した。さらに、成膜後のアニール処理の加熱温度に関しても種々変えて、加熱温度の磁気特性に与える影響について実験した。 Further, when the antiferromagnetic layer was formed, as described later, the temperature of the substrate to be formed was variously changed to experiment on the influence of the substrate temperature on the magnetic characteristics. Furthermore, various changes were also made regarding the heating temperature of the annealing treatment after film formation, and the effect of the heating temperature on the magnetic characteristics was tested.
(X線回折プロファイル)
次に、上記実施例における交換結合素子のX線回折プロファイルの測定結果について述べる。図10は、X線回折プロファイルの測定結果の一例を示す。図10の横軸は、回折角(2θχ)を、縦軸は強度を示す。なお、図の右側に示した温度170℃,130℃および室温(R.T.)は、反強磁性層を成膜する際の基板温度(Tsub)を示す。
(X-ray diffraction profile)
Next, the measurement result of the X-ray diffraction profile of the exchange coupling element in the above embodiment will be described. FIG. 10 shows an example of the measurement result of the X-ray diffraction profile. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the diffraction angle (2θχ), and the vertical axis indicates the intensity. The temperatures 170 ° C., 130 ° C. and room temperature (RT) shown on the right side of the figure indicate the substrate temperature (T sub ) when forming the antiferromagnetic layer.
図10から明らかなように、2θχ=34degおよび60deg付近に、規則相のMn3Irに起因するX線回折ピーク(図中Mn3Ir(110)s, Mn3Ir(211)sと付記したピーク)が観測される。従来、強磁性/反強磁性積層膜からこのピークが観測されたことはなく、本願発明におけるこの規則相の存在が、後述する磁気特性、即ち、一方向異方性定数Jkの向上およびブロッキング温度TBの向上をもたらしたものと考えられる。 As is apparent from FIG. 10, X-ray diffraction peaks (Mn 3 Ir (110) s, Mn 3 Ir (211) s in the figure are added) in the vicinity of 2θχ = 34 deg and 60 deg due to Mn 3 Ir of the regular phase. Peak) is observed. Conventionally, this peak has not been observed from the ferromagnetic / antiferromagnetic laminated film, and the presence of this ordered phase in the present invention is an improvement in the magnetic characteristics described later, that is, an improvement in the unidirectional anisotropy constant J k and blocking. It believed that resulted in improvement of the temperature T B.
規則相の存在により、ブロッキング温度TBが向上することは、「規則相の場合にネール温度が不規則相に比較して高い」という公知の事実からも容易に理解できる。図11は、Mn-IrにおけるIrの原子%(横軸)とネール温度TN(℃)(縦軸)との相関を示す公知のデータで、規則相(ordered)と不規則相(disordered)について、それぞれプロットされている。図11によれば、Irの原子%が25%において、不規則相のネール温度は、約450℃であるのに対して、規則相の場合は、約650℃である。前述の非特許文献1における記載、即ち、「ブロッキング温度は反強磁性のネール点に一致する場合もあるが、特に反強磁性層厚(dAF)が薄い場合、ネール点以下の温度となりdAFの減少に伴って低下する」旨の記載からも明らかなように、ブロッキング温度の到達しうる最高値はネール温度であり、少なくともネール温度が高ければ、ブロッキング温度も高くなることが推定できる。
The presence of ordered phase, to improve the blocking temperature T B can be readily understood from the known fact that "higher than the Neel temperature is disordered phase when the ordered phase." FIG. 11 is a well-known data showing the correlation between the atomic% of Ir in Mn-Ir (horizontal axis) and the Neel temperature T N (° C.) (vertical axis), ordered and disordered phases. Is plotted for each. According to FIG. 11, when the atomic% of Ir is 25%, the Neel temperature of the disordered phase is about 450 ° C., whereas that of the ordered phase is about 650 ° C. As described in
なお、図10のX線回折プロファイルにおいて、2θχ=70degのピークは規則相固有のピークではなく、不規則相(Mn75Ir25)と規則相(Mn3Ir)の両方の相に起因する回折ピークである。また、ブロッキング温度TBの向上および一方向異方性定数Jkの向上結果の具体的データについては、後述する。 In the X-ray diffraction profile of FIG. 10, the peak of 2θχ = 70 deg is not a peak unique to the regular phase, but is a diffraction caused by both the irregular phase (Mn 75 Ir 25 ) and the regular phase (Mn 3 Ir). It is a peak. As for the improvement and unidirectional anisotropy constant J k specific data to improve the results of the blocking temperature T B, described below.
(反強磁性層の面内結晶粒径と基板温度との相関)
一般に、平均面内結晶粒径が増大すると、一方向異方性定数Jkが向上することが知られている。図12は、実施例に関わる平均面内結晶粒径の測定結果の一例を示す。図12の横軸は、反強磁性層を成膜する際の基板温度(Tsub)を示し、縦軸は平均面内結晶粒径D220(Å)を示す。例えば、基板温度(Tsub)が100℃の場合、平均面内結晶粒径は約90(Å)であり、基板温度(Tsub)が高い程、平均面内結晶粒径は増大する。
(Correlation between in-plane crystal grain size of antiferromagnetic layer and substrate temperature)
In general, the average surface crystal grain size is increased, the unidirectional anisotropy constant J k is known to be improved. FIG. 12 shows an example of the measurement result of the average in-plane crystal grain size according to the example. The horizontal axis in FIG. 12 represents the substrate temperature (T sub ) when the antiferromagnetic layer is formed, and the vertical axis represents the average in-plane crystal grain size D 220 (Å). For example, when the substrate temperature (T sub ) is 100 ° C., the average in-plane crystal grain size is about 90 (Å), and the average in-plane crystal grain size increases as the substrate temperature (T sub ) increases.
(一方向異方性定数Jkの基板温度(Tsub)依存性)
図13および図14に基づき、一方向異方性定数の基板温度依存性について述べる。まず、図13は、図9に示す交換結合素子に関して行なった、一方向異方性定数Jkの基板温度(Tsub)依存性に関する実験結果(下地層Cuの場合)を示す。図13の縦軸は、アニール加熱温度(Ta)が320℃,280℃,250℃および加熱なしの成膜直後(As deposited)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示し、横軸は基板温度(Tsub)(℃)を示す。アニール加熱は同一の試料に対して、250℃,280℃,320℃の順に順次積算的に行った。各温度でのアニール時間は1時間である。
(Dependence of unidirectional anisotropy constant J k on substrate temperature (T sub ))
The substrate temperature dependence of the unidirectional anisotropy constant will be described with reference to FIGS. First, FIG. 13 shows an experimental result (in the case of the base layer Cu) on the substrate temperature (Tsub) dependence of the unidirectional anisotropy constant Jk performed on the exchange coupling element shown in FIG. The vertical axis in FIG. 13 represents the respective unidirectional anisotropy constants J k (erg / cm) when the annealing heating temperature (T a ) is 320 ° C., 280 ° C., 250 ° C. and immediately after deposition without heating (As deposited). 2 ), and the horizontal axis shows the substrate temperature (T sub ) (° C). The annealing heating was sequentially and cumulatively performed on the same sample in the order of 250 ° C., 280 ° C., and 320 ° C. The annealing time at each temperature is 1 hour.
図13から明らかなように、例えば、基板温度(Tsub)が温度170℃の場合であって、アニール加熱温度(Ta)が320℃の場合、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)の値は、最大値の約1.3を示す。 As is apparent from FIG. 13, for example, when the substrate temperature (T sub ) is 170 ° C. and the annealing heating temperature (T a ) is 320 ° C., the unidirectional anisotropy constant J k (erg / The value of cm 2 ) shows a maximum value of about 1.3.
図13によれば、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましい基板温度(Tsub)の温度範囲は、100〜180℃である。また、非特許文献1に記載の従来技術と異なる点は、アニール処理における加熱時間が短くとも、従来の最大値以上の高いJkが得られた点である。
According to FIG. 13, in order to obtain a good unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ), a preferable temperature range of the substrate temperature (T sub ) is 100 to 180 ° C. Further, the difference from the prior art described in
次に、図14について述べる。図14は、図13の場合の下地層Cuに代えて、Ru下地層(厚さ同一)とした場合の、図13と同様の実験結果を示す。図14の場合には、図13の場合とは異なり、アニール加熱温度(Ta)が比較的高い場合に、基板温度(Tsub)が250℃であっても、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)の値は高い値を維持しており、基板温度(Tsub)の上限は認められない。従って、Ru下地層の場合、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましい基板温度(Tsub)の温度範囲は、少なくとも100℃以上、好ましくは150℃以上である。 Next, FIG. 14 will be described. FIG. 14 shows the same experimental results as in FIG. 13 in the case of using a Ru underlayer (the same thickness) instead of the underlayer Cu in the case of FIG. In the case of FIG. 14, unlike the case of FIG. 13, when the annealing temperature (T a ) is relatively high, the unidirectional anisotropy constant J can be obtained even if the substrate temperature (T sub ) is 250 ° C. The value of k (erg / cm 2 ) remains high, and no upper limit on the substrate temperature (T sub ) is recognized. Therefore, in the case of the Ru underlayer, a preferable temperature range of the substrate temperature (T sub ) for obtaining a good unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ) is at least 100 ° C. or more, preferably 150 ° C. or more. It is.
なお、Ru下地層の場合、Cu下地層に比較して基板温度の上限が向上した理由は、Ruの融点がCuのそれに比較して高く、高基板温度でMn-Ir膜を成膜した場合にも、下地層との反応が生じにくいためと考えられる。基板温度は、いずれにしても、一般的に異種金属積層膜の相互拡散が生じる400℃以上にすることは好ましくないと考えられる。 In the case of the Ru underlayer, the upper limit of the substrate temperature is improved compared to the Cu underlayer because the melting point of Ru is higher than that of Cu and the Mn-Ir film is formed at a high substrate temperature. In addition, it is considered that the reaction with the underlayer hardly occurs. In any case, it is generally considered that it is not preferable to set the substrate temperature to 400 ° C. or higher at which mutual diffusion of dissimilar metal laminated films occurs.
(一方向異方性定数Jkのアニール加熱温度(Ta)依存性)
図15は、一方向異方性定数Jkのアニール加熱温度(Ta)依存性に関する実験結果を示す。なお、図15も、図9に示す交換結合素子に関する。図15の縦軸は、170℃,130℃および室温(R.T.)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示し、横軸はアニール加熱温度(Ta)(℃)を示す。
(Dependence of unidirectional anisotropy constant J k on annealing heating temperature (T a ))
FIG. 15 shows the experimental results regarding the annealing heating temperature (Ta) dependence of the unidirectional anisotropy constant Jk. FIG. 15 also relates to the exchange coupling element shown in FIG. The vertical axis in FIG. 15 represents each unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ) at 170 ° C., 130 ° C. and room temperature (RT), and the horizontal axis represents the annealing heating temperature (T a ) (° C. ).
図15から明らかなように、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましいアニール加熱温度(Ta)の温度範囲は、280〜360℃である。 As is apparent from FIG. 15, the preferable temperature range of the annealing heating temperature (Ta) is 280 to 360 ° C. in order to obtain a good unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ).
(一方向異方性定数JkのMn-Ir組成依存性)
図16は、一方向異方性定数JkのMn-Ir組成依存性に関する実験結果を示す。図16の横軸は、Mn-IrにおけるIrの原子%を示し、縦軸は、アニール加熱温度(Ta)が300℃,280℃,250℃および加熱なしの成膜直後(As deposited)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示す。なお、基板温度(Tsub)は、170℃とした。
(Dependence of unidirectional anisotropy constant J k on Mn-Ir composition)
FIG. 16 shows the experimental results regarding the dependency of the unidirectional anisotropy constant J k on the Mn—Ir composition. The horizontal axis of FIG. 16 represents the atomic percentage of Ir in Mn—Ir, and the vertical axis represents the annealing heating temperatures (T a ) of 300 ° C., 280 ° C., 250 ° C. and immediately after deposition without heating (As deposited). Each unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2 ) is shown. The substrate temperature (T sub ) was 170 ° C.
図16から明らかなように、良好な一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を得るために好ましい、Mn-Ir合金におけるIrの組成比は、20〜33原子%であり、より好ましくは、25〜30原子%である。 As is clear from FIG. 16, the composition ratio of Ir in the Mn—Ir alloy, which is preferable for obtaining a good unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ), is 20 to 33 atomic%, more preferably. Is 25-30 atomic%.
(交換結合素子の磁気特性の温度特性の一例)
図17に、交換結合素子の一方向異方性定数Jkおよびブロッキング温度TB等の磁気特性の一例を示す。図17の縦軸は、基板温度(Tsub)が170℃および室温(R.T.)の場合の各一方向異方性定数Jk(erg/cm2)を示し、横軸は交換結合素子の使用温度(℃)を示す。また、図17において、プロットしたデータに沿う各曲線の右上肩には、それぞれ、ブロッキング温度TBを示す。なお、図17におけるアニール処理における加熱条件は、加熱温度(Ta)=320℃であり、図13に示したデータのうち、Ta =320℃の場合に相当する。
(Example of temperature characteristics of magnetic characteristics of exchange coupling elements)
FIG. 17 shows an example of magnetic characteristics such as the unidirectional anisotropy constant Jk and blocking temperature TB of the exchange coupling element. The vertical axis in FIG. 17 represents each unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ) when the substrate temperature (Tsub) is 170 ° C. and room temperature (RT), and the horizontal axis is the operating temperature of the exchange coupling element ( ° C). In FIG. 17, the blocking temperature TB is shown on the upper right shoulder of each curve along the plotted data. Note that the heating condition in the annealing process in FIG. 17 is the heating temperature (Ta) = 320 ° C., which corresponds to the case of Ta = 320 ° C. in the data shown in FIG.
図17から明らかなように、例えば、基板温度(Tsub)が温度170℃の場合、ブロッキング温度TBは、360℃と高く、また、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)は、最大で1.3であり、交換結合素子の使用温度(℃)が実用最大値(約150℃)においても、一方向異方性定数Jk(erg/cm2)は、それ程低下せず、1.0を超える値を維持している。 As is apparent from FIG. 17, for example, when the substrate temperature (T sub) is a temperature 170 ° C., the blocking temperature T B is as high as 360 ° C., also unidirectional anisotropy constant J k (erg / cm 2) Is 1.3 at maximum, and the unidirectional anisotropy constant Jk (erg / cm 2 ) does not decrease so much even when the use temperature (° C.) of the exchange coupling element is the practical maximum value (about 150 ° C.). The value exceeding 1.0 is maintained.
1 交換結合素子
2 基板
4 反強磁性層
5 強磁性層
10,800 スピンバルブ型磁気抵抗素子
50,904 トンネル型磁気抵抗素子
811 GMR型再生ヘッド
DESCRIPTION OF
Claims (11)
A magnetic memory comprising the tunnel-type magnetoresistive element according to claim 9.
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