JP2009164269A - 磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】バリア層の膜厚を薄くしても、高いMR比を得ることができ、高記録密度に好適に対応することができ、磁気抵抗デバイスにも利用することができる磁気抵抗効果素子の製造方法を提供する。
【解決手段】酸化金属からなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第１の磁性層上に、前記酸化金属のターゲットを用いて前記バリア層を積層し、前記第２の磁性層を前記バリア層上に積層する前に、前記バリア層をアニール処理することを特徴とする。
【選択図】図４
【解決手段】酸化金属からなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第１の磁性層上に、前記酸化金属のターゲットを用いて前記バリア層を積層し、前記第２の磁性層を前記バリア層上に積層する前に、前記バリア層をアニール処理することを特徴とする。
【選択図】図４
Description
本発明は磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子に関する。
絶縁層からなるバリア層としてMgO層を使用した磁気抵抗効果素子は、非常に大きな磁気抵抗変化（MR比）を有することが知られている（非特許文献１〜３）。MgOをバリア層に用いることによって大きな磁気抵抗効果変化が得られる理由としては、MgOが(200)結晶配向性を有することによると説明されている。
MgOをバリア層に使用したTMRヘッドは、高い再生感度を有することから、高記録密度が求められる磁気ヘッド、磁気記憶装置に好適に用いることができる。ところが、記録密度が増大すると、情報を読み取る磁気抵抗効果素子は、より高速で信号を処理することになるから、信号の伝送速度を速めるために、磁気抵抗効果素子を低抵抗にしなければならない。一方、記録密度の増大に対応するために磁気抵抗効果素子は必然的に大きさが小さくなるから、バリア層の膜厚を一定にしたままで磁気抵抗効果素子の寸法を小さくすると、バリア層の抵抗値が増大してしまう。したがって、少なくとも抵抗値を変えることなく磁気抵抗効果素子を縮小させるには、バリア層の膜厚を薄くしなければならない。
S.Yuasa et al., Nat.Mater.3(2004)868 S.S.P.Parkin et al.,Nat.Mater.3(2004)862 D.D.Djayaprawira et al.,230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions,Appl.Phys.Lwtt.86(2005)092502 特開２００７−１７３８４３号公報
S.Yuasa et al., Nat.Mater.3(2004)868 S.S.P.Parkin et al.,Nat.Mater.3(2004)862 D.D.Djayaprawira et al.,230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions,Appl.Phys.Lwtt.86(2005)092502
上述したように、バリア層を備える磁気抵抗効果素子では、そのサイズを小さくしても低抵抗を保持するためには、バリア層の膜厚を薄くする必要がある。しかしながら、バリア層を薄くすると、バリア層の結晶配向性が劣化し、MR比等の磁気抵抗効果素子としての特性が得られなくなる結果が得られている。
なお、バリア層を挟む配置に、磁化方向が固定した磁化固定層と、外部磁界によって磁化方向が回転する自由磁性層とを積層した構造は、磁気抵抗効果素子の構成の一部として使用する他に、M-RAM等の磁気抵抗デバイスの構成にも利用することができる。
なお、バリア層を挟む配置に、磁化方向が固定した磁化固定層と、外部磁界によって磁化方向が回転する自由磁性層とを積層した構造は、磁気抵抗効果素子の構成の一部として使用する他に、M-RAM等の磁気抵抗デバイスの構成にも利用することができる。
本発明は、磁気抵抗効果素子を低抵抗化するためにバリア層の膜厚を薄くしても、高いMR比を得ることができ、高記録密度に好適に対応することができ、磁気抵抗デバイスにも好適に利用することができる磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、酸化金属からなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第１の磁性層上に、前記酸化金属のターゲットを用いて前記バリア層を積層し、前記第２の磁性層を前記バリア層上に積層する前に、前記バリア層をアニール処理することを特徴とする。なお、本発明における磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁気記憶装置に用いられる磁気ヘッドを構成する磁気抵抗膜の製造に限らず、M-RAM等の磁気抵抗デバイスに用いられる磁気抵抗膜の製造にも適用される。
すなわち、酸化金属からなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第１の磁性層上に、前記酸化金属のターゲットを用いて前記バリア層を積層し、前記第２の磁性層を前記バリア層上に積層する前に、前記バリア層をアニール処理することを特徴とする。なお、本発明における磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁気記憶装置に用いられる磁気ヘッドを構成する磁気抵抗膜の製造に限らず、M-RAM等の磁気抵抗デバイスに用いられる磁気抵抗膜の製造にも適用される。
また、前記第１の磁性層を、磁化方向が固定された磁化固定層として形成し、前記第２の磁性層を、外部磁界に応じて磁化方向が回転する自由磁性層として形成することにより、抵抗値の変化として外部磁界の作用を検知することができる。
また、前記第１の磁性層を反強磁性層に積層することで、該第１の磁性層と該反強磁性層が交換結合することにより、第１の磁性層の磁化に一方向異方性をもたせることによって、第１の磁性層の磁化方向をより確実に固定することができ、磁気抵抗効果による作用を確実に検知することができる。
また、前記第１の磁性層を反強磁性層に積層することで、該第１の磁性層と該反強磁性層が交換結合することにより、第１の磁性層の磁化に一方向異方性をもたせることによって、第１の磁性層の磁化方向をより確実に固定することができ、磁気抵抗効果による作用を確実に検知することができる。
また、前記アニール処理は、真空中において前記バリア層を200〜400℃に加熱して行うことにより、バリア層の結晶配向性を高めることができ、磁気抵抗効果素子による磁気抵抗効果を高めることができる。
また、前記バリア層を、前記酸化金属のターゲットにＭｇＯを使用するスパッタリングにより、ＭｇＯ層として形成することにより、バリア層の結晶配向性を高め、磁気抵抗効果素子として好適な磁気抵抗効果を得ることができる。
また、前記バリア層を、前記酸化金属のターゲットにＭｇＯを使用するスパッタリングにより、ＭｇＯ層として形成することにより、バリア層の結晶配向性を高め、磁気抵抗効果素子として好適な磁気抵抗効果を得ることができる。
また、磁気抵抗効果素子として、反強磁性層と、該反強磁性層と交換結合することにより、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化方向が回転する自由磁性層と、前記磁化固定層と前記自由磁性層との間に設けられたMgOからなるバリア層とを備え、前記バリア層は、膜厚が1.0nm以下で、アニール処理により(200)結晶配向性を備えていることを特徴とする。
また、磁気抵抗デバイスとして、MgOからなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを備え、前記バリア層は、膜厚が1.0nm以下で、アニール処理により(200)結晶配向性を備えていることを特徴とする。
また、磁気抵抗デバイスとして、MgOからなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを備え、前記バリア層は、膜厚が1.0nm以下で、アニール処理により(200)結晶配向性を備えていることを特徴とする。
本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、バリア層をアニール処理することにより、酸化金属からなるバリア層の結晶配向性を向上させることができ、これによって磁気抵抗効果素子の特性を向上させることができる。また、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、バリア層が特定の結晶配向性を備えていることから、MR比等の磁気特性にすぐれた磁気抵抗効果素子として提供される。
図１、２、３は、本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法についての一実施形態として磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果膜についての製造工程を示す。
磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果膜は、磁性層や非磁性層を複数層に積層して形成され、その積層構造には種々の形態がある。図１〜３は、磁気抵抗効果膜の一例としてTMR（Tunnel Magneto-Resistance）素子についての構成例を示す。
磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果膜は、磁性層や非磁性層を複数層に積層して形成され、その積層構造には種々の形態がある。図１〜３は、磁気抵抗効果膜の一例としてTMR（Tunnel Magneto-Resistance）素子についての構成例を示す。
本実施形態でのTMR素子の積層膜の構成は以下のとおりである。
下部シールド層１０、反強磁性下地層１１、反強磁性層１２、第１の磁化固定層１３、反強磁性結合層１４、第２の磁化固定層１５、バリア層１６、自由磁性層１７、キャップ層１８および上部シールド層１９。
下部シールド層１０、反強磁性下地層１１、反強磁性層１２、第１の磁化固定層１３、反強磁性結合層１４、第２の磁化固定層１５、バリア層１６、自由磁性層１７、キャップ層１８および上部シールド層１９。
図１は、ウエハの表面に、下部シールド層１０、反強磁性下地層１１、反強磁性層１２、第１の磁化固定層１３、反強磁性結合層１４、第２の磁化固定層１５、バリア層１６の各層を、この順に成膜して積層した状態を示す。
下部シールド層１０は、磁気シールド作用と、センス電流を流す一方の電極を兼ねている。下部シールド層１０には、NiFeのような軟磁性材が用いられる。本実施形態では、下部シールド層１０をスパッタリングによって形成する。
下部シールド層１０は、磁気シールド作用と、センス電流を流す一方の電極を兼ねている。下部シールド層１０には、NiFeのような軟磁性材が用いられる。本実施形態では、下部シールド層１０をスパッタリングによって形成する。
反強磁性下地層１１は、反強磁性層１２の下地層として設けるもので、たとえばTa（タンタル）とRu（ルテニウム）を合わせて、３nm程度の厚さに成膜して形成する。
反強磁性層１２は、その上層に積層する第１の磁化固定層１３との交換結合作用によって第１の磁化固定層１３の磁化方向を固定するために設けられる。反強磁性層１２は、MnIr、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材をスパッタリングして形成する。反強磁性層１２の膜厚は１nm程度である。
反強磁性層１２は、その上層に積層する第１の磁化固定層１３との交換結合作用によって第１の磁化固定層１３の磁化方向を固定するために設けられる。反強磁性層１２は、MnIr、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材をスパッタリングして形成する。反強磁性層１２の膜厚は１nm程度である。
第１の磁化固定層１３は、外部磁界の作用によって磁化方向が回転しない磁性層である。第１の磁化固定層は、たとえば、CoFeのような強磁性材によって形成される。第１の磁化固定層１３は、スパッタリングにより、膜厚は３nm程度に形成する。
反強磁性結合層１４は、第１の磁化固定層１３と第２の磁化固定層１５とを反強磁性的に結合する層であり、Ru（ルテニウム）のような非磁性材が用いられる。反強磁性結合層１４の厚さは１nm程度である。この反強磁性結合層１４もスパッタリングによって形成する。反強磁性結合層１４は、第１の磁化固定層１３と第２の磁化固定層１５とを反強磁性的に結合することによって、磁化固定層全体として、磁化方向をより強く固定する目的で設ける。第２の磁化固定層１５は、たとえば、CoFeBを用いて厚さ３nm程度に成膜して形成する。
磁化固定層は、反強磁性結合層を層間に介在させてさらに多層に磁化固定層を積層する構成とすることもでき、また、反強磁性結合層１４を設けずに、単一の磁化固定層のみによって形成することもできる。
磁化固定層は、反強磁性結合層を層間に介在させてさらに多層に磁化固定層を積層する構成とすることもでき、また、反強磁性結合層１４を設けずに、単一の磁化固定層のみによって形成することもできる。
バリア層１６は電気的絶縁材料である酸化金属によって形成する。本実施形態では、絶縁材料としてMgOを使用し、第２の磁化固定層１５の表面に、スパッタリングにより、厚さ１nm程度に成膜してバリア層１６とした。バリア層１６は、MgOをターゲットとしてRFスパッタリングにより形成した。
バリア層１６には、もちろんMgO以外の絶縁材料を使用することができる。図１は、下部シールド層１０からバリア層１６まで各層を積層して成膜した状態である。
バリア層１６には、もちろんMgO以外の絶縁材料を使用することができる。図１は、下部シールド層１０からバリア層１６まで各層を積層して成膜した状態である。
上述した下部シールド層１０からバリア層１６を形成する工程においては、成膜工程ごとに、各処理ステージにウエハを移動し、いずれの処理ステージおいても室温でスパッタリングを行って成膜している。
従来の磁気抵抗効果素子の製造工程においては、バリア層１６を形成した後、バリア層１６上に、続けて、自由磁性層１７、キャップ層１８、上部シールド層１９を成膜して、磁気抵抗効果膜を形成する。
従来の磁気抵抗効果素子の製造工程においては、バリア層１６を形成した後、バリア層１６上に、続けて、自由磁性層１７、キャップ層１８、上部シールド層１９を成膜して、磁気抵抗効果膜を形成する。
本実施形態の製造方法において特徴的な工程は、バリア層１６を成膜した後、バリア層１６にアニール処理を施した後、バリア層１６上に、次層以降の自由磁性層１７等を成膜して積層することにある。
すなわち、バリア層１６を成膜した後、真空中で、室温から２００℃〜４００℃程度までウエハを加熱し、再度、室温まで降温させてから、次工程の成膜工程へ移行させる。
すなわち、バリア層１６を成膜した後、真空中で、室温から２００℃〜４００℃程度までウエハを加熱し、再度、室温まで降温させてから、次工程の成膜工程へ移行させる。
図２は、バリア層１６を成膜した後、ウエハを加熱している状態を示す。加熱処理としては、たとえばウエハを３５０℃程度に加熱した状態で10分間程度保持させ、室温まで降温させる。
この加熱処理は、バリア層１６の結晶配向性を向上させ、磁気抵抗効果素子のMR比等の特性を改善する上できわめて有効である。バリア層１６を形成した後、加熱処理（アニール処理）を施した場合と、加熱処理を施さない場合での磁気抵抗効果素子の特性上の相違については後述する。
この加熱処理は、バリア層１６の結晶配向性を向上させ、磁気抵抗効果素子のMR比等の特性を改善する上できわめて有効である。バリア層１６を形成した後、加熱処理（アニール処理）を施した場合と、加熱処理を施さない場合での磁気抵抗効果素子の特性上の相違については後述する。
上記加熱処理を施した後、バリア層１６の上に、自由磁性層１７を成膜する。自由磁性層１７は外部磁界によって磁化方向が回転する磁性層によって形成する。自由磁性層１７は、たとえば、CoFeまたはCoFeBを３nm程度の厚さにスパッタリングにより成膜して形成する。
次いで、キャップ層１８を成膜する。キャップ層１８は主として保護層として設けるものであり、Ta(タンタル）あるいはRu(ルテニウム）を５nm程度の厚さにスパッタリングして形成する。
次いで、キャップ層１８を成膜する。キャップ層１８は主として保護層として設けるものであり、Ta(タンタル）あるいはRu(ルテニウム）を５nm程度の厚さにスパッタリングして形成する。
上部シールド層１９は、下部シールド層１０と同様に、NiFe等の軟磁性材によって形成する。上部シールド層１９は下部シールド層１０と同様に、磁気シールド作用とともに、センス電流を流す他方の電極を兼ねる。
本実施形態の磁気抵抗効果膜２０の膜構成はTMR型の磁気抵抗効果素子の膜構成であり、上部シールド層１９と下部シールド層１０とを電極として電極間にセンス電流を流し、外部磁界に対する抵抗変化から磁気情報を検知することができる。
本実施形態の磁気抵抗効果膜２０の膜構成はTMR型の磁気抵抗効果素子の膜構成であり、上部シールド層１９と下部シールド層１０とを電極として電極間にセンス電流を流し、外部磁界に対する抵抗変化から磁気情報を検知することができる。
図４は、バリア層としてMgO層を形成した後、ウエハ（バリア層）に加熱処理を施した場合と、加熱処理を施さない場合とで、磁気抵抗効果素子（TMR素子）の特性（MR比）がどのように変化するかを測定した結果を示す。
図４に示すグラフは、横軸を面積抵抗、縦軸をMR比としたものである。同図には、MgOをバリア層とした場合の先行技術の測定結果をあわせて示している。グラフ中で、Yuasa、Hayakawa、Nagamine、Tsunekawaとしたデータはいずれも先行技術での測定結果である。これらの先行技術での測定結果をみると、いずれの場合も、面積抵抗（RA）が小さく、すなわちMgOの膜厚が薄くなるにしたがって、急激にMR比が低下している。
図４に示すグラフは、横軸を面積抵抗、縦軸をMR比としたものである。同図には、MgOをバリア層とした場合の先行技術の測定結果をあわせて示している。グラフ中で、Yuasa、Hayakawa、Nagamine、Tsunekawaとしたデータはいずれも先行技術での測定結果である。これらの先行技術での測定結果をみると、いずれの場合も、面積抵抗（RA）が小さく、すなわちMgOの膜厚が薄くなるにしたがって、急激にMR比が低下している。
また、図４のグラフで、黒丸で示したデータと星印によって示したデータは、本発明者による測定結果を示す。黒丸で示したデータは、MgOを成膜した後、室温のまま、次の成膜工程に移行して上述した磁気抵抗効果素子（TMR素子）を形成したサンプルについての測定結果である。星印のデータは、MgOを成膜した後、３５０℃で10分間加熱した後、次の成膜工程に移行して上述した磁気抵抗効果素子（TMR素子）を形成したサンプルについての測定結果である。なお、グラフの各測定点に添えて記載した数字はMgO（バリア層）の膜厚である。たとえば、0.8．0.9といった添え字は、MgO層の膜厚が０．８nm、０．９nmであることを示す。
この図４に示す測定結果は、MgO層を成膜した後、加熱処理を施さない場合には、先行技術での測定結果と同様に、MｇO層の膜厚が薄くなるにしたがって、MR比が急激に低下している。
一方、MgO層を成膜した後、加熱処理を施したものについては、MgO層の膜厚が薄くなっても、MgO層の膜厚が厚い場合でのMR比と比較して、ほとんど減少していない。たとえば、MgO層を加熱しない場合には、MgO層の膜厚が１．４nmから、０．９nm、０．８nmに薄くなると、MR比は急激に小さくなるのに対して、MgO層を加熱処理した場合には、MgO層の膜厚が１．４nmから、１．２nm、１．０nm、０．９nm、０．８nmと薄くなってもMR比は略一定となっている。
一方、MgO層を成膜した後、加熱処理を施したものについては、MgO層の膜厚が薄くなっても、MgO層の膜厚が厚い場合でのMR比と比較して、ほとんど減少していない。たとえば、MgO層を加熱しない場合には、MgO層の膜厚が１．４nmから、０．９nm、０．８nmに薄くなると、MR比は急激に小さくなるのに対して、MgO層を加熱処理した場合には、MgO層の膜厚が１．４nmから、１．２nm、１．０nm、０．９nm、０．８nmと薄くなってもMR比は略一定となっている。
この測定結果は、バリア層としてMgO層を形成した後、上述した加熱処理（アニール処理）を施すことによってMgO層の結晶配向が(200)に維持され、良好なMR比が得られたものと考えられる。このように、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、バリア層１６の膜厚を薄くしても、十分に大きなMR比を得ることができるから、磁気ヘッドの高密度化に対応して磁気抵抗効果素子を小型化した場合でも、磁気抵抗効果素子の低抵抗化を図りつつ、すぐれた磁気抵抗特性を有する磁気抵抗効果素子として提供することができる。
なお、上記実施形態では、MgO層をバリア層とする磁気抵抗効果素子について説明したが、本発明はMgOに限らず、他の電気的絶縁性を有する金属酸化物を用いてバリア層１６を形成する場合にも適用可能である。
上記実施形態の図３に示す磁気抵抗効果膜２０の構成において、第２の磁化固定層１５は本発明における第１の磁性層に相当し、自由磁性層１７は第２の磁性層に相当する。この第２の磁化固定層１５、バリア層１６、自由磁性層１７からなる積層構造３０は、M-RAM等の磁気抵抗デバイスの基本構成部分として利用される。M-RAMは外部磁界の作用によって自由磁性層の磁化の向きが変わる（回転する）ことから、電極間の抵抗値が変化することを検知して情報の記録および読み出しを行うように用いられる。したがって、第１の磁性層、バリア層、第２の磁性層からなる積層構造は、M-RAM等の磁気抵抗デバイスの構成としてまったく同様に適用することができる。
磁気抵抗デバイスを小型化するためには、バリア層の膜厚を薄くし、磁気抵抗特性を劣化させないようにするという、前述した磁気ヘッドでの磁気抵抗効果膜に関する課題とまったく同様の課題が生じる。本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、このような磁気抵抗デバイスを製造する際にも同様に有効に適用することが可能であり、磁気特性の優れた磁気抵抗デバイスとして提供することができる。
１０ 下部シールド層
１１ 反強磁性下地層
１２ 反強磁性層
１３ 第１の磁化固定層
１４ 反強磁性結合層
１５ 第２の磁化固定層
１６ バリア層
１７ 自由磁性層
１８ キャップ層
１９ 上部シールド層
２０ 磁気抵抗効果膜
１１ 反強磁性下地層
１２ 反強磁性層
１３ 第１の磁化固定層
１４ 反強磁性結合層
１５ 第２の磁化固定層
１６ バリア層
１７ 自由磁性層
１８ キャップ層
１９ 上部シールド層
２０ 磁気抵抗効果膜
Claims (8)
- 酸化金属からなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第１の磁性層上に、前記酸化金属のターゲットを用いて前記バリア層を積層し、
前記第２の磁性層を前記バリア層上に積層する前に、前記バリア層をアニール処理することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１の磁性層を、磁化方向が固定された磁化固定層として形成し、
前記第２の磁性層を、外部磁界に応じて磁化方向が回転する自由磁性層として形成することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１の磁性層を反強磁性層に積層することで、該第１の磁性層と該反強磁性層が交換結合することにより、第１の磁性層の磁化に一方向異方性をもたせる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の製造方法。
- 前記アニール処理は、真空中において前記バリア層を200〜400℃に加熱して行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記バリア層は、膜厚1.0nm以下に形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記バリア層を、前記酸化金属のターゲットにＭｇＯを使用するスパッタリングにより、ＭｇＯ層として形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 反強磁性層と、
該反強磁性層と交換結合することにより、磁化が一方向異方性を有する磁化固定層と、
外部磁界に応じて磁化方向が回転する自由磁性層と、
前記磁化固定層と前記自由磁性層との間に設けられたMgOからなるバリア層とを備え、
前記バリア層は、膜厚が1.0nm以下で、アニール処理により(200)結晶配向性を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - ＭｇＯからなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第１の磁性層および第２の磁性層とを備え、
前記バリア層は、膜厚が1.0nm以下で、アニール処理により(200)結晶配向性を備えていることを特徴とする磁気抵抗デバイス。
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