JP2007095750A

JP2007095750A - 磁気抵抗効果素子

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Publication number: JP2007095750A
Application number: JP2005279559A
Authority: JP
Inventors: Koji Tsunekawa; 孝二恒川; Jayapurawira David; ジャヤプラウィラダビッド
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12
Also published as: CN101587935B; US7813088B2; SG151317A1; CN1941450A; TW200729568A; CN101587935A; GB0618843D0; SG131093A1; US20070070553A1; GB2430539A

Abstract

【課題】高いＭＲ比を維持したまま磁歪定数ゼロ付近で磁歪定数が急峻に変化することがなく、所望の磁歪定数を安定して得ることができる磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】この磁気抵抗効果素子１０は、固定強磁性層と自由強磁性層とこれらの強磁性層によって挟まれたバリア層を有する磁気抵抗効果素子であり、自由強磁性層に、ホウ素Ｂの添加量（ｂ：原子％）が２１％≦ｂ≦２３％であるＣｏＦｅＢを用いるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気抵抗効果素子に関し、特に、磁気ヘッドやメモリ等のデバイスに利用される磁気抵抗効果素子であって、高いＭＲ比を維持したまま磁歪定数を小さく抑えられる磁気抵抗効果素子に関する。

磁気抵抗効果素子は、不揮発性メモリとして知られるＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）や磁気ヘッドや磁気センサなどに用いられている。この磁気抵抗効果素子は、基本的に、固定強磁性層／バリア層／自由強磁性層の三層構造を含む膜構造を有している。２つの強磁性層間に電流を流すとき、電気抵抗は、２つの強磁性層の磁化が層に平行に同じ向きのとき小さく（Ｒ_Ｐ）、層に平行に反対向きのとき大きい（Ｒ_Ａ）。２つの強磁性層の磁化の向きによる電気抵抗の変化の大きさを表すのがＭＲ比であり、次のように定義される。

（数１）
ＭＲ比（％）＝（Ｒ_Ａ−Ｒ_Ｐ）×１００÷Ｒ_Ｐ

ＭＲＡＭではＴＭＲ素子における２つの強磁性層の磁化の向きの違いによる電気抵抗の変化によって情報の読み取り、読み出しを行うので、ＭＲ比が大きい方が出力電圧を大きくできる。

本発明者らは、上記のごとき磁気抵抗効果素子に関して、自由強磁性層としてアモルファスのＣｏＦｅＢを使用し、かつ当該バリア層に単結晶または厚さ方向に亘って結晶粒界を持たない高配向多結晶構造（fiber texture）のＭｇＯ膜を成長させ、ＣｏＦｅＢ（固定強磁性層）／ＭｇＯ（中間層）／ＣｏＦｅＢ（自由強磁性層）の三層構造を含む膜構造とすることにより、２３０％もの高いＭＲ比が得られることを見出した（非特許文献１）。

磁気ヘッド、メモリ、磁気センサ等のデバイスでは、良好なデバイス動作のために管理すべき測定量の１つとして、磁歪定数がある。磁性材料の膜応力をσ、磁歪定数をλ、飽和磁化をＭｓとすると、異方性磁界Ｈｋは下記の（数２）によって表すことができる。

（数２）
Ｈｋ = ３・|λ|・σ／Ｍｓ

上記（数２）によれば、磁性材料の飽和磁化Ｍｓが一定である条件の下では、膜応力σと磁歪λが大きくなると逆磁歪効果によって異方性磁界Ｈｋが大きくなることがわかる。

磁気ヘッドでは、自由強磁性層の膜面内方向に数１００Ｏｅのバイアス磁界が付与されて動作する。逆磁歪効果による異方性磁界Ｈｋはバイアス磁界に擾乱を与えるので、逆磁歪効果による異方性磁界Ｈｋはなるべく小さく抑えることが要求され、実用的には１０Ｏｅ以下程度にすることが望ましい。通常、自由強磁性層が有する応力σは３００ＭＰａ以下程度であることから、逆磁歪効果によって生じる異方性磁界Ｈｋを１０Ｏｅ以下にするためには、磁歪定数の値を±１．０×１０^−６以内にすることが必要である。
ダビッド・ディー・ジャヤプラウィラ(David D Djayaprawira)、外８名、「CoFeB/MgO/CoFeB 磁気トンネル接合における２３０％室温磁気抵抗 (230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junction)」米国物理学会、２００５年２月２３日オンライン発行

前述した非特許文献１に記載された磁気抵抗効果素子について自由強磁性層であるＣｏＦｅＢ膜の磁歪定数を測定したところ、その絶対値が１．０×１０^−６よりもかなり大きいことが判明した。自由強磁性層の磁歪定数の絶対値が１．０×１０^−６よりも大きいと、この磁気抵抗効果素子で作られるデバイスの動作に悪い影響を及ぼし、所要のデバイス性能を発揮させることができなくなる。そこで、磁気抵抗効果素子における自由強磁性層の磁歪定数を小さくすることが必要である。

そこで本発明者らは、磁気抵抗効果素子の自由強磁性層の磁歪定数を小さくするという観点で、磁歪定数が小さいと知られるＮｉＦｅ膜を自由強磁性層ＣｏＦｅＢと積層することで、２層の積層膜「ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ」として磁歪定数を測定することを試みた。それによれば、当該積層膜の磁歪定数は、単層のＣｏＦｅＢの磁歪定数に比較すれば低下するものの、低下の程度は不十分であり、さらに、単層のＣｏＦｅＢに比較してＭＲ比が大幅に低下するという結果が得られた。図７と図８は、積層膜「ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ」のＢの添加量を振って、磁歪定数とＭＲ比を測定した結果を示している。図７の変化特性６１において、ホウ素Ｂを添加すると磁歪定数の値を、２．５×１０^−６程度まで低下することはできたが、それより下げることはできず、磁歪定数の値を必要な１．０×１０^−６より小さくすることはできなかった。しかも、ホウ素Ｂの添加量を増やしていくと、図８の変化特性６２において、さらにＭＲ比は低下し、Ｂの添加量２０％でＭＲ比は約２３％まで低下した。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、高いＭＲ比を維持したまま磁歪定数を小さく抑えることができる磁気抵抗効果素子を提供することにある。

また本発明の他の目的は、望ましくは、高いＭＲ比を維持したまま磁歪定数の絶対値の値が１×１０^−６より小さい磁気抵抗効果素子を提供することにある。

本発明に係る磁気抵抗効果素子は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１の磁気抵抗効果素子（請求項１に対応）は、固定強磁性層と自由強磁性層とこれらの強磁性層によって挟まれたバリア層を有する磁気抵抗効果素子であり、自由強磁性層に、ホウ素Ｂの添加量（ｂ：原子％）が２１％≦ｂ≦２３％であるＣｏＦｅＢを用いるように構成される。

第２の磁気抵抗効果素子（請求項２に対応）は、固定強磁性層と自由強磁性層とこれらの強磁性層によって挟まれたバリア層を有する磁気抵抗効果素子であり、自由強磁性層に、Ｎｉの添加量（ａ：原子％）が５％≦ａ≦１７％であるＣｏＮｉＦｅＢを用いるように構成される。

第３の磁気抵抗効果素子（請求項３に対応）は、上記第１または第２の構成において、好ましくは、バリア層はＭｇＯ層を含むことを特徴とする。

本発明によれば、固定強磁性層と自由強磁性層とこれらの強磁性層の間に挟まれたバリア層とを有する磁気抵抗効果素子において、高いＭＲ比を維持したまま、磁歪定数の値を±１．０×１０^−６以内に抑えることができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図６を参照して本発明に係る磁気抵抗効果素子の実施形態を説明する。図１は本実施形態に係る磁気抵抗効果素子を形成する多層膜の積層構造を示し、図２は本実施形態に係る磁気抵抗効果素子を作製する装置の平面図を概略的に示し、図３は第１の実施例に係る磁気抵抗効果素子の磁歪定数を説明するためのグラフを示し、図４は第１の実施例に係る磁気抵抗効果素子のＭＲ比を説明するためのグラフを示している。図５は第２の実施例に係る磁気抵抗効果素子の磁歪定数を説明するためのグラフを示し、図６は第２の実施例に係る磁気抵抗効果素子のＭＲ比を説明するためのグラフを示している。

図１において、この磁気抵抗効果素子１０では、基板１１の上に、磁気抵抗効果素子１０を構成する例えば１１層の多層膜が形成されている。基板１１はシリコン等である。磁気抵抗効果素子１０は、積層構造が分かるように描かれており、左右両側の横方向の広がり部分は省略されている。この１１層の多層膜では、最下層の第１層から最上層の第１１層に向かって「Ｔａ」、「ＣｕＮ」、「Ｔａ」、「ＰｔＭｎ」、「ＣｏＦｅ」、「Ｒｕ」、「ＣｏＦｅＢ」、「Ｍｇ」、「ＭｇＯ」、「ＣｏＦｅＢまたはＣｏＮｉＦｅＢ」、「Ｔａ」の順序で磁性膜等が積層されている。第１層（Ｔａ：タンタル）から第３層までの層は下地層１２を形成する。第４層（ＰｔＭｎ）は反強磁性層１３である。第５層から第７層（ＣｏＦｅ、ＲｕおよびＣｏＦｅＢ）は固定強磁性層１４を形成している。第８層（Ｍｇ）と第９層（ＭｇＯ：酸化マグネシウム）は絶縁層（バリア層）１５であってトンネルバリア層である。第１０層（ＣｏＦｅＢまたはＣｏＮｉＦｅＢ）は自由強磁性層１６である。

第８層（Ｍｇ）と第９層（ＭｇＯ）から成るバリア層は、固定強磁性層（ＣｏＦｅＢ）と自由強磁性層（ＣｏＦｅＢまたはＣｏＮｉＦｅＢ）の２つの強磁性層に挟まれている。

第１１層（Ｔａ：タンタル）は酸化防止層１７を形成している。

上記の固定強磁性層とバリア層と自由強磁性層から成る三層構造によって、基本的構造として狭義な意味での磁気抵抗効果素子が形成される。固定強磁性層である第７層の「ＣｏＦｅＢ」はアモルファス状態の強磁性体として知られている。トンネルバリア層であるＭｇＯ層は単結晶または厚さ方向に亘って結晶粒界を持たない高配向多結晶構造（fiber texture）を有するように形成されている。

なお、図１において、各層において括弧の中に記載された数値は各層の厚みを示し、単位は「オングストローム（Å）」である。当該厚みは一例であって、これに限定されるものではない。

上記の磁気抵抗効果素子１０は、トンネルバリア層がＭｇＯ層であることを基礎とするスピンバルブ型磁気トンネル接合素子である。

次に、図２を参照して、上記積層構造を有する磁気抵抗効果素子１０を製造する装置と製造方法を概略的に説明する。

図２は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子を作製する磁性多層膜作製装置の平面図である。上記磁気抵抗効果素子１０を製作する磁性多層膜作製装置２０はクラスタ型装置であり、スパッタリング法等に基づく複数の成膜チャンバを備えている。

磁性多層膜作製装置２０では、搬送チャンバ２２の周囲に、例えば、３つの成膜チャンバ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃが設けられている。各チャンバの間には両チャンバを隔離しかつ必要に応じて開閉自在であるゲートバルブ３０が設けられている。尚、各チャンバには、図示しない真空排気装置、ガス導入機構、電力供給機構などが付設されている。磁性多層膜作製装置２０の成膜チャンバ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃの各々ではスパッタリング法により基板上に前述した各磁性膜を順次に堆積する。上記において、例えば、ターゲット３１の材料は「Ｔａ」であり、ターゲット３３の材料は「ＣｏＦｅＢ」であり、ターゲット３５の材料は「Ｎｉ」である。またターゲット４１の材料は「ＰｔＭｎ」であり、ターゲット４２の材料は「ＣｏＦｅ」であり、ターゲット４３の材料は「Ｒｕ」である。さらにターゲット５１の材料は「ＭｇＯ」である。

自由強磁性層１６については、それがＣｏＦｅＢ膜の場合には「ＣｏＦｅＢ」ターゲット３３を用いてスパッタすることにより、それがＣｏＮｉＦｅＢ膜の場合にはコバルト鉄ホウ素「ＣｏＦｅＢ」ターゲットとニッケル「Ｎｉ」ターゲットを同時にスパッタすることにより形成するようにしている。

上記構成を有する磁性多層膜作製装置２０では、各成膜チャンバ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃを利用して、基板上に図１に示した磁性多層膜がスパッタリング法により順次に成膜が行われた。

成膜チャンバ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃのそれぞれでスパッタリング成膜を行って積層が完了した磁気抵抗効果素子１０は、熱処理炉において、アニーリング処理を行う。このとき、アニーリング温度は例えば約３００℃であり、例えば８ｋＯｅの磁場中で、例えば４時間アニーリング処理が行われる。これにより、磁気抵抗効果素子１０のＰｔＭｎ層に所要の磁化が与えられる。

上記の自由強磁性層１６の第１の実施例の組成について説明する。自由強磁性層１６の原子構成の構造（組成）をＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｂと表現する。このときｘ，ｙ，ｂは、それぞれ対応する各原子コバルトＣｏ、鉄Ｆｅ、ホウ素Ｂの添加量（含有量）であり、「原子％（ａｔ．％）」で示される。

上記において、自由強磁性層１６であるＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_ｂにおけるホウ素Ｂの最適な添加量（ｂ：原子％）は、２１％≦ｂ≦２３％である。

図３と図４を参照して上記の条件が見出される理由を説明する。図３は、前述した多層膜構造を有する磁気抵抗効果素子１０において、自由強磁性層（第１０層：「ＣｏＦｅＢ」）１６のホウ素Ｂの添加量（横軸）に対する磁歪定数（λ）の変化特性７１を示す。図４は、上記磁気抵抗効果素子１０において、自由強磁性層（第１０層：「ＣｏＦｅＢ」）１６のホウ素Ｂの添加量（横軸）に対するＭＲ比（磁気抵抗比：％）の変化特性７２を示す。

図３の変化特性７１において、磁歪定数（λ）の値は、ホウ素Ｂの添加量を増していくと上昇し、ホウ素Ｂの添加量が１０〜１５（原子％）をピークとして減少に転じることを見出した。そしてホウ素Ｂの添加量が約２２（原子％）で、磁歪定数の値はゼロ（約４×１０^−８）になり、さらにホウ素Ｂの添加量を増やすと、磁歪定数の値はマイナスに転じることを見出した。ホウ素Ｂの添加量（ｂ：原子％）が、２１％≦ｂ≦２３％のとき、磁歪定数の値は、ほぼ±１．０×１０^−６以内に抑えることができた。

一方、図４の変化特性７２において、ホウ素Ｂの添加量（ｂ：原子％）が、２１％≦ｂ≦２３％のとき、ＭＲ比の値は６０〜１００％の大きな値を取ることが分った。

図３に示した変化特性７１、および図４に示した変化特性７２によれば、各図のグラフに示されるごとく、ホウ素Ｂの添加量（ｂ）を２１％≦ｂ≦２３％とした当該ホウ素Ｂを含む自由強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１６を用いることにより、ＭＲ比は６０％以上の高い値を維持しつつ、磁歪定数（λ）の値は±１．０×１０^−６以内に抑えることができた。

次に、自由強磁性層１６の第２の実施例の組成について説明する。自由強磁性層１６の原子構成の構造（組成）をＣｏ_ｘＮｉ_ａＦｅ_ｙＢ_ｚと表現する。この場合においてａ，ｘ，ｙ，ｚは、それぞれ対応する各原子ニッケルＮｉ，コバルトＣｏ，鉄Ｆｅ，ホウ素Ｂの添加量（含有量）であり、「原子％（ａｔ．％）」で示される。

上記において、自由強磁性層１６であるＣｏ_ｘＮｉ_ａＦｅ_ｙＢ_ｚにおけるニッケルＮｉの最適な添加量（ａ：原子％）は、好ましくは５％≦ａ≦１７％である。

次に、図５と図６を参照して上記の条件が見出される理由を説明する。図５は、前述した多層膜構造を有する磁気抵抗効果素子１０において、自由強磁性層（第１０層：「ＣｏＮｉＦｅＢ」）１６のニッケルＮｉの添加量（横軸）に対する磁歪定数（λ）の変化特性８１を示す。図６は、上記磁気抵抗効果素子１０において、自由強磁性層（第１０層：「ＣｏＮｉＦｅＢ」）１６のニッケルＮｉの添加量（横軸）に対するＭＲ比（磁気抵抗比：％）の変化特性８２を示す。

図６の変化特性８２において、ニッケルＮｉの添加量が小さい場合にはＭＲ比の値は１００％より大きな値をとり、ＭＲ比はほとんど低下しない。他方、図５の変化特性８１において、磁歪定数（λ）の値は、ニッケルＮｉの添加量を増していくと、Ｎｉの添加量が０（原子％）のときの磁歪定数値（約２×１０^−６）から徐々に低下する。そしてニッケルＮｉの添加量が１１（原子％）で、磁歪定数の値はゼロ（約４×１０^−８）になる。その後、磁歪定数の値はマイナスに転じ、ニッケルＮｉの添加量が３０（原子％）の値に至るまで、磁歪定数の値は徐々に減少し（マイナスの値としては増加し）、約−３×１０^−６まで低下する。また、磁歪ゼロの付近で、ニッケルＮｉの添加量の変化に対して磁歪（λ）の値はなだらかに変化することがわかった。

図５に示した変化特性８１、および図６に示した変化特性８２によれば、各図のグラフに示されるごとく、ニッケルＮｉの添加量（ａ）を５％≦ａ≦１７％とした当該ニッケルＮｉを含む自由強磁性層（ＣｏＮｉＦｅＢ）２２を用いることが望ましい。この条件を満たすことにより、ＭＲ比は９０〜１１０％という高い値を維持し、その状態のままで磁歪定数（λ）の値は良好な制御性の下で±１．０×１０^−６以内に抑えることができた。ニッケルＮｉの添加量が５％未満のときは磁歪定数（λ）は＋１．０×１０^−６よりも大きくなり、ニッケルＮｉの添加量が１７％よりも大きいときには磁歪定数（λ）が−１．０×１０^−６よりマイナスの値が大きくなる。

上記の実施形態では、バリア層が単結晶または厚さ方向に亘って結晶粒界を持たない高配向多結晶構造（fiber texture）のＭｇＯ膜の例について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち単結晶または高配向多結晶構造ではなく、層状結晶、アモルファスなどであってもよい。またバリア層はＭｇＯ膜ではなく、ＡｌＯ膜やＴｉＯ膜であってもよい。さらに本実施形態ではバリア層はＭｇＯ／Ｍｇであるが、バリア層はＭｇＯ単層であってもよい。さらに磁気抵抗効果素子１０の構造も固定強磁性層、バリア層、自由強磁性層の順に形成したボトムタイプ構造に限定されず、上下を逆転して自由強磁性層、バリア層、固定強磁性層の順に形成したトップタイプ構造に適用しても同等の効果が得られる。

本発明によれば、高いＭＲ比を維持したまま磁歪定数の値の小さい磁気抵抗効果素子を作ることが可能であり、特に磁歪定数の値が±１．０×１０^−６以内の磁気抵抗効果素子を作ることが可能であり、磁気ヘッド、メモリ、磁気センサ等に利用される。

本発明の代表的実施形態に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を示す構成図である。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子を作製する磁性多層膜作製装置の平面図である。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第１の実施例におけるＢの添加量に依存した磁歪（λ）の変化特性を示すグラフである。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第１の実施例におけるＢの添加量に依存したＭＲ比の変化特性を示すグラフである。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第２の実施例におけるＮｉの添加量に依存した磁歪（λ）の変化特性を示すグラフである。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第２の実施例におけるＮｉの添加量に依存したＭＲ比の変化特性を示すグラフである。自由強磁性層を積層膜「ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ」とした磁気抵抗効果素子におけるＢの添加量に依存した磁歪（λ）の変化特性を示すグラフである。自由強磁性層を積層膜「ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ」とした磁気抵抗効果素子におけるＢの添加量に依存したＭＲ比の変化特性を示すグラフである。

符号の説明

１０磁気抵抗効果素子
１１基板
１２下地層
１３反強磁性層
１４固定強磁性層
１５絶縁層（バリア層）
１６自由強磁性層
１７酸化防止層
２０磁性多層膜作製装置
２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ成膜チャンバ

Claims

固定強磁性層と自由強磁性層とこれらの強磁性層によって挟まれたバリア層を有する磁気抵抗効果素子であって、前記自由強磁性層に、ホウ素Ｂの添加量（ｂ：原子％）が２１％≦ｂ≦２３％であるＣｏＦｅＢを用いることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
固定強磁性層と自由強磁性層とこれらの強磁性層によって挟まれたバリア層を有する磁気抵抗効果素子であって、前記自由強磁性層に、ニッケルＮｉの添加量（ａ：原子％）が５％≦ａ≦１７％であるＣｏＮｉＦｅＢを用いることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記バリア層はＭｇＯ層を含むことを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。