JP2006005356A - 磁気トンネル接合素子およびその形成方法、磁気メモリ構造ならびにトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
磁気メモリ構造36におけるMTJ素子37は、フリー層50の側から順に内部拡散バリア層511と酸素吸着層512と上部金属層513とが積層されてなるキャップ層51を有している。酸化吸着層512がフリー層50に含まれる酸素原子を吸着することにより、MTJ素子37の抵抗変化率が向上する。また内部拡散バリア層511によって、酸素吸着層512を構成する材料の、フリー層50への拡散が抑制されるので、磁歪定数が減少し、ねじれ(kink)や渦(vortex)のない良好な磁化曲線(R−H曲線)が確保される。したがって、高集積化した場合であっても高精度かつ高感度なスイッチング特性を得ることができる。
【選択図】 図1
Description
(a)フリー層の磁化状態およびスイッチングを十分に制御すること。
(b)ピンド層の磁化状態を十分に制御することにより、大きな交換磁場および高い熱安定性を確保すること。
(c)トンネルバリア層の完全性(integrity)を確保すること。
ここで、トンネルバリア層の完全性の確保とは、良好なトンネル絶縁性を確保することにほかならない。固有接合抵抗Rと形成面積Aとの積である接合抵抗RAや絶縁破壊電圧Vbといったパラメータで表されるトンネル絶縁性を十分に確保するには、ピンホールの無い均一のトンネルバリア層であることが望ましい。そのようなトンネルバリア層は、平滑かつ緻密に形成されたピンニング層やピンド層によって実現される。なお、形成面積Aが大きな場合には接合抵抗RAを10000Ω・μm2とすることもできるが、形成面積Aが小さな場合には、MTJ素子と接続されたトランジスタの抵抗値とのマッチングが困難となるので、上記のように大きな接合抵抗RAを許容することができない。
まず、図1および図2を参照して、本発明の第1実施の形態に係るMTJ素子およびそれを含む磁気メモリ構造の構成について説明する。図1は、本実施の形態の磁気メモリ構造を複数備えたMRAMアレイにおける平面構成の一部を示した概略図である。図2は、図1に示したMRAMアレイにおける任意の磁気メモリ構造の断面構成を拡大して示したものである。
次に、図7を参照して、本発明の第2の実施の形態としてのMTJ素子を備えたTMRリードヘッドの構成について以下に説明する。図7は、本実施の形態のTMRリードヘッド60(以下、単にTMRヘッド60という。)における、磁気記録媒体(図示せず)と対向する面(記録媒体対向面)と平行な断面構成を表したものである。TMRヘッド60は、例えば磁気ディスク装置などに搭載されて、磁気記録媒体に記録された磁気情報を読み出す磁気デバイスとして機能する磁気再生ヘッドのセンサ部として用いられるものである。
ここでは、まず、フリー層の構成による特性比較をおこなった。その結果を表1に示す。
「Ta/NiCr4/MnPt10/CoFe(10%)2.3/Ru/CoFe(25%)2/Al1.0-ROX/[フリー層]/Ru25」
ここでは、各材料名と併せて各層の厚み(nm)を表している。詳細には、「Ta/NiCr4」がシード層であり、「MnPt10」がピンニング層であり、「CoFe(10%)2.3/Ru/CoFe(25%)2」がSyAP層であり、Al1.0-ROXが1.0nm厚のアルミニウム膜をラジカル酸化処理することによって得たトンネルバリア層である。さらに、「Ru25」が25nm厚の単層のキャップ層である。本実施例では、フリー層の特性比較が目的であるので、キャンプ層を単層構造とした。なお、CoFe(10%)およびCoFe(25%)は、それぞれ、鉄含有率が10%および25%のCoFe層であることを示す。また、フリー層の詳細な構成については、表1に示した通りである。
次に、キャップ層の構造による特性比較を行った。その結果を表1に示す。
Claims (44)
- スピン偏極した磁化自由層と、
前記磁化自由層の側から酸素吸着層と金属層とが順に積層されたキャップ層と
を備えたことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 - 前記キャップ層は、前記磁化自由層と前記酸素吸着層との間に内部拡散バリア層をさらに有するものである
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記磁化自由層は、鉄含有率が17.5原子パーセント(at%)以上20.0原子パーセント(at%)以下であるニッケル鉄合金(NiFe)からなり、2.0nm以上5.0nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。 - さらに、前記磁化自由層における前記キャップ層と反対側に、
ニッケルクロム合金(NiCr)からなるシード層と、マンガン白金合金(MnPt)からなる反強磁性ピンニング層と、シンセティックピンド層と、酸化アルミニウム(AlOX)からなるトンネルバリア層とを順に備えた
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記シンセティックピンド層は、
鉄含有率が10原子パーセント(at%)であるコバルト鉄合金(CoFe)からなり、2.3nmの厚みをなす下部コバルト鉄合金層と、
ルテニウム(Ru)からなり0.75nmの厚みをなす結合層と、
鉄含有率が25原子パーセント(at%)以上50原子パーセント(at%)以下であるコバルト鉄合金(CoFe)からなり、2.0nmの厚みをなす上部コバルト鉄合金層と
を順に有するものである
ことを特徴とする請求項4に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記トンネルバリア層は、前記シンセティックピンド層の上に0.5nm以上1.2nm以下の厚みをなすように形成されたアルミニウム膜をその場で酸化処理したものである
ことを特徴とする請求項4に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記内部拡散バリア層は、ルテニウム(Ru)からなり、1.0nm以上3.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記酸素吸着層は、タンタル(Ta)からなり、2.0nm以上5.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記金属層は、ルテニウム(Ru)からなり、10.0nm以上25.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記内部拡散バリア層の厚みに応じて全体の磁歪定数が変化する
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。 - 基体上に、下部導電層と、磁気トンネル接合素子と、上部導電層とを順に備えた磁気メモリ構造であって、
前記磁気トンネル接合素子が、前記下部導電層の側から順に第1シード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、スピン偏極した磁化自由層と、第1キャップ層とを有し、
前記第1キャップ層が、前記磁化自由層の側から順に酸素吸着層と金属層とを有している
ことを特徴とする磁気メモリ構造。 - 前記第1キャップ層は、前記磁化自由層と前記酸素吸着層との間に内部拡散バリア層をさらに有するものである
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記下部導電層は、
タンタル(Ta)またはニッケルクロム合金(NiCr)からなる第2シード層と、
ルテニウム(Ru)または銅(Cu)からなる電極層と、
タンタル(Ta)からなる第2キャップ層と
を有するものである
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第1シード層はニッケルクロム合金(NiCr)からなり、前記反強磁性ピンニング層はマンガン白金合金(MnPt)からなり、前記ピンド層はシンセティック構造を有する
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の磁気メモリ構造。 - 前記トンネルバリア層は、酸化アルミニウム(AlOX)からなり、1.1nm以上1.5nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の磁気メモリ構造。 - 前記磁化自由層は、鉄含有率が17.5原子パーセント(at%)以上20.0原子パーセント(at%)以下であるニッケル鉄合金(NiFe)からなる
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の磁気メモリ構造。 - 前記内部拡散バリア層は、ルテニウム(Ru)からなり、1.0nm以上3.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気メモリ構造。 - 前記酸素吸着層は、タンタル(Ta)からなり、2.0nm以上5.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の磁気メモリ構造。 - 前記金属層は、ルテニウム(Ru)からなり、10.0nm以上25.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の磁気メモリ構造。 - 基体上に、下部シールド層と、スピン偏極した磁化自由層およびキャップ層を有する磁気トンネル接合素子と、上部シールド層とを順に備え、
前記キャップ層が、前記磁化自由層の側から順に酸素吸着層と金属層とを有している
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - 前記キャップ層は、前記磁化自由層と前記酸素吸着層との間に内部拡散バリア層をさらに有するものである
ことを特徴とする請求項20に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - さらに、前記磁化自由層における前記キャップ層と反対側に、
ニッケルクロム合金(NiCr)からなるシード層と、マンガン白金合金(MnPt)からなる反強磁性ピンニング層と、シンセティックピンド層と、酸化アルミニウム(AlOX)からなるトンネルバリア層とを順に備えた
ことを特徴とする請求項20または請求項21に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - 前記シンセティックピンド層は、
鉄含有率が10原子パーセント(at%)であるコバルト鉄合金(CoFe)からなり、2.3nmの厚みをなす下部コバルト鉄合金層と、
ルテニウム(Ru)からなり0.75nmの厚みをなす結合層と、
鉄含有率が25原子パーセント(at%)以上50原子パーセント(at%)以下であるコバルト鉄合金(CoFe)からなり、2.0nmの厚みをなす上部コバルト鉄合金層と
を順に有するものである
ことを特徴とする請求項22に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - 前記下部シールド層は、ニッケル鉄合金からなることを特徴とする請求項20または請求項21に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。
- 前記磁化自由層は、
鉄含有率が10原子パーセント(at%)であるコバルト鉄合金(CoFe)からなり、0.5nm以上1.0nm以下の厚みをなすコバルト鉄合金層と、
鉄含有率が17.5原子パーセント(at%)以上20.0原子パーセント(at%)以下であるニッケル鉄合金(NiFe)からなり、3.0nm以上4.0nm以下の厚みをなすニッケル鉄合金層と
が積層された2層構造を有する
ことを特徴とする請求項20または請求項21に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - 前記内部拡散バリア層は、ルテニウム(Ru)からなり、1.0nm以上3.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項21に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - 前記酸素吸着層は、タンタル(Ta)からなり、2.0nm以上5.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項20または請求項21に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - 前記金属層は、ルテニウム(Ru)からなり、10.0nm以上20.0nm以下の厚みをなすものである
ことを特徴とする請求項20または請求項21に記載のトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッド。 - 基体上に、シード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、酸化アルミニウム(AlOX)からなるトンネルバリア層とを順に形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に、スピン偏極した磁化自由層を形成する工程と、
前記磁化自由層の上に、酸素吸着層と、金属層とを順に形成することによりキャップ層を形成する工程と
を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記キャップ層を形成する工程において、前記磁化自由層と前記酸素吸着層との間に内部拡散バリア層をさらに形成する
ことを特徴とする請求項29に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記基体として、磁気メモリ構造における下部導電層を用いることを特徴とする請求項29または請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
- 前記基体として、トンネル磁気抵抗効果型再生ヘッドにおける下部シールド層を用いることを特徴とする請求項29または請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
- さらに、前記キャップ層の上に上部導電層を形成することを特徴とする請求項31に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
- さらに、前記キャップ層の上に上部シールド層を形成することを特徴とする請求項32に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
- ニッケルクロム合金(NiCr)を用いて前記シード層を形成し、
マンガン白金合金(MnPt)を用いて前記反強磁性ピンニング層を形成し、
鉄含有率が10原子パーセント(at%)であるコバルト鉄合金(CoFe)からなる下部コバルト合金層と、ルテニウム(Ru)からなる結合層と、鉄含有率が25原子パーセント(at%)以上50原子パーセント(at%)以下であるコバルト鉄合金(CoFe)からなる上部コバルト鉄合金層とを順に積層することによりシンセティック構造をなす前記ピンド層を形成する
ことを特徴とする請求項29または請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.8nm以上1.0nm以下の厚みをなすようにアルミニウム膜を形成したのち、このアルミニウム膜に対してラジカル酸化処理を行うことにより前記トンネルバリア層を形成する
ことを特徴とする請求項31に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.5nm以上0.6nm以下の厚みをなすようにアルミニウム膜を形成したのち、このアルミニウム膜に対して自然酸化処理を行うことにより前記トンネルバリア層を形成する
ことを特徴とする請求項32に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 17.5原子パーセント(at%)以上20.0原子パーセント(at%)以下の鉄含有率であるニッケル鉄合金(NiFe)を用いて、2.0nm以上5.0nm以下の厚みをなすように前記磁化自由層を形成する
ことを特徴とする請求項31に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 10原子パーセント(at%)の鉄含有率であるコバルト鉄合金(CoFe)からなり0.5nm以上1.0nm以下の厚みをなすコバルト鉄合金層と、17.5原子パーセント(at%)以上20.0原子パーセント(at%)以下の鉄含有率であるニッケル鉄合金(NiFe)からなり、3.0nm以上4.0nm以下の厚みをなすニッケル鉄合金層とを積層することにより前記磁化自由層を形成する
ことを特徴とする請求項32に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - ルテニウム(Ru)を用いて、1.0nm以上3.0nm以下の厚みをなすように前記内部拡散バリア層を形成する
ことを特徴とする請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - タンタル(Ta)を用いて、2.0nm以上5.0nm以下の厚みをなすように前記酸素吸着層を形成する
ことを特徴とする請求項29または請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - ルテニウム(Ru)を用いて、10.0nm以上25.0nm以下の厚みをなすように前記金属層を形成する
ことを特徴とする請求項29または請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - スパッタリング用チャンバと酸化用チャンバとを備えた超高真空スパッタリング装置において、一回のポンプダウン操作ののちに全ての層を順次形成する
ことを特徴とする請求項29または請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記基体として、最上面にアモルファスのタンタル層を有するものを用いることにより、その上に形成される前記シード層、反強磁性ピンニング層、ピンド層、トンネルバリア層および磁化自由層における平滑かつ緻密な結晶成長の促進を図るようにする
ことを特徴とする請求項29または請求項30に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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A521 | Request for written amendment filed |
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A02 | Decision of refusal |
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A521 | Request for written amendment filed |
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A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
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A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
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A601 | Written request for extension of time |
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A602 | Written permission of extension of time |
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