JP2009302378A - Tunnel magnetic resistive effect element and magnetic resistive device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気抵抗デバイスに関し、より詳細には、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなくトンネルバリア層を低抵抗化することができるトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気抵抗デバイスに関する。 The present invention relates to a tunnel magnetoresistive effect element and a magnetoresistive device using the same, and more specifically, a tunnel magnetoresistive effect element capable of reducing the resistance of the tunnel barrier layer without reducing the thickness of the tunnel barrier layer. And a magnetoresistive device using the same.
トンネルバリア層にMgO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）。このため、高記録密度が求められる磁気記録装置においては、トンネルバリア層にMgOを使用した磁気ヘッドが使用されている。
しかしながら、記録密度が増大すると、これにともなって磁気抵抗効果素子のサイズを微小にしなければならないから、トンネルバリア層の膜厚を変えることなく磁気抵抗効果素子を小さくしていくと、トンネルバリア層の抵抗が大きくなるという問題が生じる。トンネルバリア層の抵抗が大きくなると、磁気抵抗効果素子の高速応答特性を劣化させる。したがって、磁気抵抗効果素子を微小にしても所要の特性を劣化させないようにするには、トンネルバリア層の膜厚を薄くして低抵抗化を図る必要がある。
It is known that a magnetoresistive effect element using MgO as a tunnel barrier layer has a very large magnetoresistance change (MR ratio) (Non-Patent Documents 1 to 3). For this reason, in a magnetic recording apparatus that requires a high recording density, a magnetic head using MgO as a tunnel barrier layer is used.
However, as the recording density increases, the size of the magnetoresistive effect element must be reduced accordingly. Therefore, if the magnetoresistive effect element is reduced without changing the thickness of the tunnel barrier layer, the tunnel barrier layer There arises a problem that the resistance becomes large. When the resistance of the tunnel barrier layer is increased, the high-speed response characteristic of the magnetoresistive effect element is degraded. Therefore, in order not to deteriorate the required characteristics even if the magnetoresistive effect element is made minute, it is necessary to reduce the resistance by reducing the thickness of the tunnel barrier layer.
しかしながら、トンネルバリア層の膜厚を薄くすると低抵抗にはなるものの、トンネルバリア層にピンホールなどの欠陥が生じやすくなり、ブレイクダウン電圧が低下して素子破壊をひきおこしやすくなるという問題が生じる。このため、ブレイクダウン電圧の低下を招かない程度の厚さにトンネルバリア層の膜厚を維持し、かつ、所要のＭＲ比特性が得られ、低抵抗化を図ることができるトンネル磁気抵抗効果素子が求められる。 However, if the thickness of the tunnel barrier layer is reduced, the resistance becomes low, but defects such as pinholes are likely to occur in the tunnel barrier layer, resulting in a problem that breakdown voltage is lowered and device breakdown is likely to occur. Therefore, a tunnel magnetoresistive element capable of maintaining the film thickness of the tunnel barrier layer to a thickness that does not cause a breakdown voltage drop and obtaining the required MR ratio characteristics and reducing the resistance. Is required.
本発明は、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気抵抗デバイスを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistive element capable of reducing the resistance without reducing the thickness of the tunnel barrier layer and obtaining a required MR ratio, and a magnetoresistive device using the same. And
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、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層を挟む配置に磁化固定層と自由磁化層とが配置され、前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とする。
The present invention has the following configuration in order to achieve the above object.
That is, in the tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention, a magnetization fixed layer and a free magnetization layer are disposed so as to sandwich a tunnel barrier layer, and the tunnel barrier layer includes an MgO layer and a ZnO layer with an MgO layer as an underlayer. The MgO layer and the ZnO layer are formed by crystal orientation in the rock salt type (001) direction.
前記トンネルバリア層は、MgO層とZnO層が各１層からなる積層膜として形成された構成、前記トンネルバリア層は、MgO層とZnO層を交互に積層した３層以上の積層膜として形成された構成とすることができる。
トンネルバリア層を構成するZnO層は、必ずMgO層を下地層として形成し、MgO層は岩塩型(001)結晶配向となるように成膜して形成する。
The tunnel barrier layer has a structure in which an MgO layer and a ZnO layer are each formed as a laminated film, and the tunnel barrier layer is formed as a laminated film of three or more layers in which MgO layers and ZnO layers are alternately laminated. Can be configured.
The ZnO layer constituting the tunnel barrier layer is always formed by using the MgO layer as an underlayer, and the MgO layer is formed so as to have a rock salt type (001) crystal orientation.
前記MgO層は、膜厚が５Å〜６Åに設定され、前記積層膜の全膜厚が１０Å以下に設定されていることによって、トンネル磁気抵抗効果素子として好適なMR比を有し、低抵抗とすることができる。
また、前記ZnO層は、膜厚が２Å〜４Åに設定されていることにより、トンネル磁気抵抗効果素子のMR比を低減させることなく、低抵抗化を図ることができる。
The MgO layer has an MR ratio suitable as a tunnel magnetoresistive element because the film thickness is set to 5 to 6 mm and the total film thickness of the laminated film is set to 10 mm or less, and the resistance is low. can do.
In addition, since the ZnO layer has a thickness of 2 to 4 mm, the resistance can be reduced without reducing the MR ratio of the tunnel magnetoresistive element.
また、トンネルバリア層を挟む配置に磁化固定層と自由磁化層とが配置された磁気抵抗効果デバイスであって、前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とする。磁気抵抗効果デバイスとしては、トンネル磁気抵抗効果素子をリード素子に使用した磁気ヘッド、メモリ部にトンネル磁気抵抗効果素子を利用した不揮発メモリがある。 A magnetoresistive effect device in which a magnetization fixed layer and a free magnetization layer are arranged so as to sandwich a tunnel barrier layer, wherein the tunnel barrier layer is a laminated film of an MgO layer and a ZnO layer using the MgO layer as an underlayer. The MgO layer and the ZnO layer are formed with crystal orientation in the rock salt type (001) direction. As the magnetoresistive effect device, there are a magnetic head using a tunnel magnetoresistive effect element as a read element, and a nonvolatile memory using a tunnel magnetoresistive effect element in a memory portion.
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく、磁気抵抗効果素子に求められる所要のＭＲ比特性を備え、かつトンネル磁気抵抗効果素子の低抵抗化を図ることができる。トンネルバリア層として所要の膜厚を確保できることから、トンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じることを防止し、信頼性の高いのトンネル磁気抵抗効果素子として提供することができる。 The tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention has a required MR ratio characteristic required for the magnetoresistive effect element without reducing the thickness of the tunnel barrier layer, and lowers the resistance of the tunnel magnetoresistive effect element. be able to. Since a required film thickness can be secured as the tunnel barrier layer, defects such as pinholes can be prevented from occurring in the tunnel barrier layer, and a highly reliable tunnel magnetoresistive element can be provided.
（トンネル磁気抵抗効果素子）
図１、２、３は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示す。図１〜３において、同一の構成層については、同一の番号を付している。
図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子１０は、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、磁化固定層２６、トンネルバリア層２７、自由磁化層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。なお、下部シールド層２１は下部電極を兼ね、上部シールド層３０は上部電極を兼ねる。
(Tunnel magnetoresistive element)
1, 2 and 3 show examples of the configuration of the tunnel magnetoresistive element according to the present invention. 1-3, the same number is attached | subjected about the same structure layer.
1 includes a lower shield layer 21, an antiferromagnetic underlayer 22, an antiferromagnetic layer 23, a magnetization fixed layer 26, a tunnel barrier layer 27, a free magnetization layer 28, a cap layer 29, and an upper portion. It consists of a shield layer 30. The lower shield layer 21 also serves as a lower electrode, and the upper shield layer 30 also serves as an upper electrode.
これらトンネル磁気抵抗効果素子１０を形成する各層はスパッタリング法により成膜して形成される。下部シールド層２１には、たとえばNiFeを使用する。反強磁性下地層２２には、たとえばTaとRuを積層して形成する。反強磁性層２３にはIrMnが使用される。反強磁性下地層２２は、反強磁性層２３に使用するIrMnを(111)方向に結晶配向させるために設けている。反強磁性層２３には、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材も使用される。
磁化固定層２６は、強磁性材たとえばCoFeB、もしくはCoFeB／CoFeの積層構造に形成される。磁化固定層２６は反強磁性層２３との交換結合によって磁化方向が固定される。
Each layer forming the tunnel magnetoresistive effect element 10 is formed by sputtering. For the lower shield layer 21, for example, NiFe is used. The antiferromagnetic underlayer 22 is formed, for example, by stacking Ta and Ru. IrMn is used for the antiferromagnetic layer 23. The antiferromagnetic underlayer 22 is provided to crystallize IrMn used for the antiferromagnetic layer 23 in the (111) direction. An antiferromagnetic material such as PtMn or PdPtMn is also used for the antiferromagnetic layer 23.
The magnetization fixed layer 26 is formed in a ferromagnetic material such as CoFeB or a CoFeB / CoFe laminated structure. The magnetization direction of the magnetization fixed layer 26 is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 23.
トンネルバリア層２７は、MgO層とZnO層を交互に積層して形成される。MgO層とZnO層は、MgOとZnOをターゲットとするスパッタリング法によって形成する。
図４にトンネルバリア層２７の構成例を示す。図４（ａ）は、MgO層２７ａとZnO層２７ｂを積層した２層構造のトンネルバリア層の例である。図４（ｂ）は、MgO層２７ａとZnO層２７ｂとMgO層２７ａからなる３層構造のトンネルバリア層の例である。図４（ｃ）は、MgO層２７ａとZnO層２７ｂを交互に積層して４層構造とした例、図４（ｄ）は、最上層をZnO層２７ｂとした例である。トンネルバリア層２７におけるMgO層２７ａとZnO層２７ｂの積層数はとくに限定されるものではない。
The tunnel barrier layer 27 is formed by alternately stacking MgO layers and ZnO layers. The MgO layer and the ZnO layer are formed by sputtering using MgO and ZnO as targets.
FIG. 4 shows a configuration example of the tunnel barrier layer 27. FIG. 4A shows an example of a tunnel barrier layer having a two-layer structure in which an MgO layer 27a and a ZnO layer 27b are stacked. FIG. 4B shows an example of a tunnel barrier layer having a three-layer structure including an MgO layer 27a, a ZnO layer 27b, and an MgO layer 27a. 4C shows an example in which MgO layers 27a and ZnO layers 27b are alternately stacked to form a four-layer structure, and FIG. 4D shows an example in which the top layer is a ZnO layer 27b. The number of MgO layers 27a and ZnO layers 27b in the tunnel barrier layer 27 is not particularly limited.
本願発明のトンネル磁気抵抗効果素子１０において特徴とする構成は、トンネルバリア層２７を構成するMgO層２７ａの結晶配向を(001)とし、MgO層２７ａの上層のZnO層２７ｂの結晶配向方向を(001)とした積層膜としたことにある。
トンネルバリア層２７が複数層のZnO層２７ｂを備える場合も、各々のZnO層２７ｂの結晶配向方向は(001)となる。
In the configuration of the tunnel magnetoresistive effect element 10 of the present invention, the crystal orientation of the MgO layer 27a constituting the tunnel barrier layer 27 is (001), and the crystal orientation direction of the ZnO layer 27b above the MgO layer 27a is ( 001).
Even when the tunnel barrier layer 27 includes a plurality of ZnO layers 27b, the crystal orientation direction of each ZnO layer 27b is (001).
図１において、自由磁化層２８は、CoFe、CoFeB、Ta、NiFeの４層構造とした。自由磁化層２８はNiFeの単層構造とすることも可能である。自由磁化層２８を４層構造としているのは、自由磁化層２８の特性を向上させるためである。キャップ層２９は、保護層として作用するものであり、TaとRuの２層構造とした。上部シールド層３０は、下部シールド層２１と同様にNiFeによって形成した。 In FIG. 1, the free magnetic layer 28 has a four-layer structure of CoFe, CoFeB, Ta, and NiFe. The free magnetic layer 28 may have a single layer structure of NiFe. The reason why the free magnetic layer 28 has a four-layer structure is to improve the characteristics of the free magnetic layer 28. The cap layer 29 functions as a protective layer and has a two-layer structure of Ta and Ru. The upper shield layer 30 was formed of NiFe similarly to the lower shield layer 21.
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１は、下層側から、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、第１の磁化固定層２４、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６、トンネルバリア層２７、自由磁化層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。 The tunnel magnetoresistive element 11 shown in FIG. 2 includes a lower shield layer 21, an antiferromagnetic underlayer 22, an antiferromagnetic layer 23, a first magnetization fixed layer 24, an antiferromagnetic coupling layer 25, a first layer from the lower layer side. 2 magnetization fixed layer 26, tunnel barrier layer 27, free magnetic layer 28, cap layer 29, and upper shield layer 30.
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１１は、磁化固定層を、第１の磁化固定層２４、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６によって形成した点が、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０と相異する。
磁化固定層は、外部磁界が作用してもできるだけ磁化方向が固定されている必要がある。図２に示す磁化固定層は、反強磁性結合層２５を介して磁化固定層を積層する構造とすることによって磁化固定層の磁化方向をより安定させた構造としている。
The tunnel magnetoresistive effect element 11 of this embodiment is that the magnetization fixed layer is formed by the first magnetization fixed layer 24, the antiferromagnetic coupling layer 25, and the second magnetization fixed layer 26, as described above. Different from the effect element 10.
The magnetization fixed layer needs to have a magnetization direction fixed as much as possible even when an external magnetic field acts. The magnetization fixed layer shown in FIG. 2 has a structure in which the magnetization direction of the magnetization fixed layer is made more stable by adopting a structure in which the magnetization fixed layer is stacked via the antiferromagnetic coupling layer 25.
第１の磁化固定層２４としては、IrMnからなる反強磁性層２３と強い交換結合作用を有するCoFeを使用し、反強磁性結合層２５にRu、第２の磁化固定層２６としてCoFeBを使用する。他の各層については、上述した実施形態と同様である。
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１においても特徴的な構成は、トンネルバリア層２７の構成である。
As the first magnetization fixed layer 24, CoFe having strong exchange coupling action with the antiferromagnetic layer 23 made of IrMn is used, Ru is used as the antiferromagnetic coupling layer 25, and CoFeB is used as the second magnetization fixed layer 26. To do. About each other layer, it is the same as that of embodiment mentioned above.
The tunnel magnetoresistive element 11 shown in FIG. 2 also has a characteristic configuration of the tunnel barrier layer 27.
図３に示すトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側から、下部シールド層２１、自由磁化層２８、トンネルバリア層２７、第２の磁化固定層２６、反強磁性結合層２５、第１の磁化固定層２４、反強磁性層２３、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。 3 has a lower shield layer 21, a free magnetic layer 28, a tunnel barrier layer 27, a second magnetization fixed layer 26, an antiferromagnetic coupling layer 25, and a first magnetization from the lower layer side. It consists of a fixed layer 24, an antiferromagnetic layer 23, a cap layer 29, and an upper shield layer 30.
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側に自由磁化層２８とトンネルバリア層２７を配置し、トンネルバリア層２７の上層に第２の磁化固定層２６等からなる磁化固定層を配置している。これら各層の配置は、図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１と逆の配置となっている。磁気抵抗効果素子の層構成としては、本実施形態のように、積層方向を逆にすることも可能である。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２においても、特徴的な構成はトンネルバリア層２７についての構成である。
In the tunnel magnetoresistive effect element 12 of the present embodiment, a free magnetic layer 28 and a tunnel barrier layer 27 are disposed on the lower layer side, and a magnetization fixed layer composed of the second magnetization fixed layer 26 and the like is disposed on the tunnel barrier layer 27. is doing. The arrangement of these layers is opposite to that of the tunnel magnetoresistive element 11 shown in FIG. As the layer configuration of the magnetoresistive effect element, the stacking direction can be reversed as in this embodiment.
Also in the tunnel magnetoresistive effect element 12 of the present embodiment, a characteristic configuration is the configuration of the tunnel barrier layer 27.
なお、図１、２、３に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２は、トンネル磁気抵抗効果素子の層構成として典型的な構成を示したものである。トンネル磁気抵抗効果素子は、上述した構成以外に種々の層構成とすることが可能である。本発明において特徴とするトンネルバリア層２７についての構成は、層構成が上記例とは異なるトンネル磁気抵抗効果素子についても同様に適用することができる。
また、トンネル磁気抵抗効果素子の各層を構成する材料につても適宜選択可能であり、前述した反強磁性材、強磁性材等は一例を示したものである。
なお、従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２の構成において、トンネルバリア層２７をMgOの単層に置き換えたものとみればよい。
The tunnel magnetoresistive effect elements 10, 11, and 12 shown in FIGS. 1, 2, and 3 show typical configurations as the layer configuration of the tunnel magnetoresistive effect element. The tunnel magnetoresistive element can have various layer configurations other than the above-described configuration. The configuration of the tunnel barrier layer 27 characterized in the present invention can be similarly applied to a tunnel magnetoresistive effect element having a layer configuration different from the above example.
Further, the material constituting each layer of the tunnel magnetoresistive effect element can be appropriately selected, and the above-described antiferromagnetic material, ferromagnetic material, and the like are examples.
The conventional tunnel magnetoresistive effect element may be regarded as a tunnel magnetoresistive effect element 10, 11, or 12 having the tunnel barrier layer 27 replaced with a single layer of MgO.
（トンネルバリア層）
上述したように、本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子は、(001)方向に結晶配向したMgO層の上にZnO層を積層する構造をトンネルバリア層の基本構造としている。図５は、このようなMgO層とZnO層からなる積層膜をトンネルバリア層とした磁気抵抗効果膜を作成し、ＭＲ比と、面積抵抗RA（素子抵抗と素子面積との積）を測定した結果を示す。
(Tunnel barrier layer)
As described above, the tunnel magnetoresistive effect element according to the present embodiment has a basic structure of the tunnel barrier layer in which the ZnO layer is stacked on the MgO layer crystallized in the (001) direction. In FIG. 5, a magnetoresistive film having a tunnel barrier layer made of such a laminated film composed of an MgO layer and a ZnO layer was prepared, and MR ratio and sheet resistance RA (product of element resistance and element area) were measured. Results are shown.
測定に使用したサンプルは、シリコン基板上に、反強磁性下地層としてTa(３nm）／Ru（２nm）、反強磁性層としてIrMn(７nm）、第１の磁化固定層としてCoFe(１．８nm）、反強磁性結合層としてRu(０．９nm）、第２の磁化固定層としてCoFeB(１．８nm）/CoFe(0.5nm)、トンネルバリア層としてMgO／ZnO、自由磁化層としてCoFe(０．３nm）／CoFeB(１．５nm）／Ta(０．２５nm）／NiFe(３．５nm）,キャップ層としてTa(５nm）／Ru(７nm）をそれぞれスパッタリングにより成膜して形成したものである。 The sample used for the measurement was Ta (3 nm) / Ru (2 nm) as an antiferromagnetic underlayer, IrMn (7 nm) as an antiferromagnetic layer, and CoFe (1.8 nm as a first magnetization fixed layer) on a silicon substrate. ), Ru (0.9 nm) as the antiferromagnetic coupling layer, CoFeB (1.8 nm) / CoFe (0.5 nm) as the second magnetization fixed layer, MgO / ZnO as the tunnel barrier layer, CoFe (0 .3 nm) / CoFeB (1.5 nm) / Ta (0.25 nm) / NiFe (3.5 nm), and Ta (5 nm) / Ru (7 nm) as cap layers. .
図５においては、トンネルバリア層をMgO／ZnOの積層膜としたサンプルとして、下地層となるMgO層の厚さを、５Å、５．５Å、６Åとした場合について、ZnO層の膜厚を変えた３系列のサンプルの測定結果を示している。
グラフ中に、たとえば、５＋４＝９Åとあるのは、MgO（５Å）／ZnO（４Å）の積層膜についての測定結果を示す。５．５＋４＝９．５Åとあるのは、MgO（５．５Å）／ZnO（４Å）の積層膜、６＋３＝９Åとあるのは、MgO（６Å）／ZnO（３Å）の積層膜についての測定結果を示す。
In FIG. 5, as a sample in which the tunnel barrier layer is an MgO / ZnO laminated film, the thickness of the MgO layer as the underlayer is changed to 5 mm, 5.5 mm, 6 mm, and the thickness of the ZnO layer is changed. The measurement results of three series of samples are shown.
In the graph, for example, 5 + 4 = 9Å indicates the measurement result of the laminated film of MgO (5Å) / ZnO (4Å). 5.5 + 4 = 9.5 Å is the measurement for the laminated film of MgO (5.5 Å) / ZnO (4 Å), and 6 + 3 = 9 Å is the measurement for the laminated film of MgO (6 Å) / ZnO (3 Å) Results are shown.
図５には、トンネルバリア層をMgOの単層とした場合についても示した。
トンネルバリア層をMgOの単層膜とした場合は、MgO／ZnOの積層膜を上回るＭＲ比特性が得られるが、MgOの膜厚が６Å以下になると、急激にＭＲ比が低下する。本測定において、ZnO層の下地層とするMgO層の膜厚を、５Å、５．５Å、６Åに設定したのは、MgO層の膜厚を抑えることによって、MgO／ZnO積層膜の全膜厚を抑えて低抵抗となるようにし、また、磁気抵抗効果素子として実用可能な程度（ＭＲ比７０％程度以上）のＭＲ比が得られる膜厚を確保するためである。
FIG. 5 also shows the case where the tunnel barrier layer is a single layer of MgO.
When the tunnel barrier layer is a single layer film of MgO, an MR ratio characteristic higher than that of the MgO / ZnO laminated film can be obtained. However, when the MgO film thickness is 6 mm or less, the MR ratio rapidly decreases. In this measurement, the thickness of the MgO layer as the underlying layer of the ZnO layer was set to 5 mm, 5.5 mm, and 6 mm. The total film thickness of the MgO / ZnO laminated film was reduced by suppressing the film thickness of the MgO layer. This is because the film thickness can be reduced so that the MR ratio can be reduced and the MR ratio can be obtained as a practical use as a magnetoresistive effect element (an MR ratio of about 70% or more).
図５に示す測定結果についてみると、トンネルバリア層をMgO単層とした場合は、膜厚が６Å以下になると、ＭＲ比が磁気抵抗効果素子として実用にならない程度にまで急激に低下する。
これに対して、MgO／ZnOの積層膜をトンネルバリア層に使用したサンプルは、MgO層の膜厚が５Å、５．５Å、６Åのいずれのサンプルについても、MgO層の単層の場合と比較してＭＲ比が大きく向上している。このことは、MgO層にZnO層を積層することによって、MgO層の単層の場合とくらべてＭＲ比を向上させることができることを示している。
As for the measurement results shown in FIG. 5, when the tunnel barrier layer is an MgO single layer, when the film thickness is 6 mm or less, the MR ratio rapidly decreases to a level where it is not practical as a magnetoresistive element.
On the other hand, the sample using the MgO / ZnO laminated film as the tunnel barrier layer is compared with the case where the MgO layer thickness is 5 mm, 5.5 mm, or 6 mm and the MgO layer is a single layer. Thus, the MR ratio is greatly improved. This indicates that the MR ratio can be improved by stacking the ZnO layer on the MgO layer as compared with the case of a single layer of MgO layer.
また、トンネルバリア層にMgO／ZnOの積層膜を使用したサンプルと、MgO単層膜のサンプルについて、７０％程度のＭＲ比が得られる膜厚を比較すると、MgO単層膜にくらべてMgO／ZnO積層膜の全膜厚の方が厚いことがわかる。いいかえれば、トンネルバリア層としてMgO／ZnO積層膜を使用する場合は、全膜厚を厚くしてもＭＲ比を低下させないようにすることができることを示す。
前述したように、トンネルバリア層の膜厚を薄くすると、トンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じやすくなる。本実施形態のように、トンネルバリア層をMgO／ZnO積層膜とすると、全膜厚をMgO単層膜にくらべて厚くできることから、トンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じることを抑えることができ、ブレイクダウン電圧が低下することを防止し、素子破壊を抑えることが可能になる。
In addition, when comparing the film thickness for obtaining an MR ratio of about 70% for the sample using the MgO / ZnO laminated film for the tunnel barrier layer and the sample for the MgO single layer film, the MgO / ZnO film was compared with the MgO / layer film. It can be seen that the total film thickness of the ZnO laminated film is thicker. In other words, it shows that when the MgO / ZnO laminated film is used as the tunnel barrier layer, the MR ratio can be prevented from being lowered even if the total film thickness is increased.
As described above, when the thickness of the tunnel barrier layer is reduced, defects such as pinholes are likely to occur in the tunnel barrier layer. If the tunnel barrier layer is an MgO / ZnO multilayer film as in this embodiment, the total film thickness can be increased compared to the MgO single layer film, so that it is possible to suppress the occurrence of defects such as pinholes in the tunnel barrier layer. It is possible to prevent the breakdown voltage from being lowered and to suppress the element breakdown.
また、図５に示す測定結果は、トンネルバリア層を、MgO／ZnOの積層膜として、積層膜の全厚を厚くしても、面積抵抗RAはさほど大きくならないことを示している。
たとえば、MgO単層の場合の膜厚７Åと、MgO（６Å）／ZnO（２Å）積層膜を比較すると、MgO／ZnO積層膜は全厚がMgO単層膜よりも厚くなっているにもかかわらず、RA値は、MgO／ZnO積層膜の方が小さくなっている。
The measurement results shown in FIG. 5 indicate that the sheet resistance RA does not increase so much even if the tunnel barrier layer is made of a MgO / ZnO laminated film and the total thickness of the laminated film is increased.
For example, comparing the MgO (6Å) / ZnO (2Å) multilayer film with the MgO single layer film thickness of 7 mm, the MgO / ZnO multilayer film is thicker than the MgO single layer film. First, the RA value of the MgO / ZnO multilayer film is smaller.
以上の測定結果は、トンネルバリア層をMgOとZnOの積層膜構造とすることにより、磁気抵抗効果膜のＭＲ比を低下させることがなく、トンネルバリア層の抵抗値RAについても低く抑えることができることを示す。また、トンネルバリア層の厚さをMgO単層の場合と比較して厚くできることから、トンネルバリア層を成膜した際に、ピンホール等の欠陥が生じることを抑え、素子のブレイクダウン電圧の低下を抑制して、磁気抵抗効果素子の信頼性、安定性を向上させることが可能であることを示している。 The above measurement results show that the tunnel barrier layer has a laminated film structure of MgO and ZnO, so that the MR ratio of the magnetoresistive film is not lowered and the resistance value RA of the tunnel barrier layer can be kept low. Indicates. In addition, since the tunnel barrier layer can be made thicker than the MgO single layer, defects such as pinholes are suppressed when the tunnel barrier layer is deposited, and the breakdown voltage of the device is reduced. It is shown that it is possible to improve the reliability and stability of the magnetoresistive effect element.
磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドのリード素子として使用する場合は、ＭＲ比が７０％程度あれば実用可能である。図５に示す測定結果は、MgO／ZnO積層膜からなるトンネルバリア層としては、MgO／ZnO積層膜の全厚が８Å〜１０Åの範囲であればＭＲ比特性上は使用可能である。
なお、抵抗値RAの条件としては、１（Ω・μm2）近傍が好ましい。したがって、さらに好ましくは、MgO／ZnO積層膜の全厚を８〜９Å、MgO層の膜厚を５〜６Å、ZnO層の膜厚を２〜４Åに設定するのがよい。
When a magnetoresistive effect element is used as a read element of a magnetic head, it is practical if the MR ratio is about 70%. The measurement results shown in FIG. 5 show that the tunnel barrier layer made of the MgO / ZnO laminated film can be used in terms of MR ratio characteristics if the total thickness of the MgO / ZnO laminated film is in the range of 8 to 10 mm.
The condition for the resistance value RA is preferably near 1 (Ω · μm 2 ). Therefore, more preferably, the total thickness of the MgO / ZnO laminated film is set to 8 to 9 mm, the thickness of the MgO layer is set to 5 to 6 mm, and the thickness of the ZnO layer is set to 2 to 4 mm.
なお、図５には、ZnO層を単層で設けた場合について、面積抵抗RAとＭＲ比を測定した結果についても示した。ZnO単層の場合は、膜厚をかなり厚くしても、MgOと比較してＭＲ比ははるかに小さい。したがって、ZnO単層をトンネルバリア層とする方法は、トンネル磁気抵抗効果素子の構成としては有効ではない。また、図５のZnO単層の抵抗値（RA)をMgOと比較すると、ZnOはMgOよりも低抵抗であることがわかる。MgOにZnOを積層しても、抵抗値が大きくならないのは、ZnOの抵抗がMgOよりも低いからでもある。 FIG. 5 also shows the results of measuring the sheet resistance RA and the MR ratio when the ZnO layer is provided as a single layer. In the case of a ZnO single layer, the MR ratio is much smaller than that of MgO even if the film thickness is considerably increased. Therefore, the method of using a ZnO single layer as a tunnel barrier layer is not effective as a configuration of a tunnel magnetoresistive element. Further, when the resistance value (RA) of the ZnO single layer in FIG. 5 is compared with MgO, it can be seen that ZnO has a lower resistance than MgO. The reason why the resistance value does not increase even when ZnO is laminated on MgO is that the resistance of ZnO is lower than that of MgO.
図５に示す測定においては、MgO層の下地層をCoFeBとしたサンプルを用いて測定した。MgO層の下地層をCoFeB（アモルファス状態）とすると、MgO層は(001)方向に結晶配向する。
図６は、結晶配向方向が(001)のMgO層にZnO層を成膜した際に、ZnO層の結晶配向方向がどのようになるかをX線回折によって測定した結果を示す。
測定で使用したサンプルは、シリコン基板上に成膜した下地層上にMgO(5nm)とZnO(2nm)を交互に１４層積層したもの、MgO(0.6nm)とZnO(0.4nm)を交互に１０層積層したもの、MgOを単層で5nm成膜したもの、ZnOを単層で5nm成膜したものである。下地層は、Ta（5nm)とCoFeB(3nm)をこの順に積層した。CoFeB層は、MgO層を岩塩構造の(001)方向に結晶配向させる。
In the measurement shown in FIG. 5, it measured using the sample which made the base layer of MgO layer CoFeB. When the underlying layer of the MgO layer is CoFeB (amorphous state), the MgO layer is crystallized in the (001) direction.
FIG. 6 shows the result of measurement by X-ray diffraction of what the crystal orientation direction of the ZnO layer becomes when the ZnO layer is formed on the MgO layer having the crystal orientation direction of (001).
The sample used in the measurement is a stack of 14 layers of MgO (5 nm) and ZnO (2 nm) alternately on an underlayer formed on a silicon substrate, and alternately MgO (0.6 nm) and ZnO (0.4 nm). 10 layers are stacked, MgO is formed as a single layer with a thickness of 5 nm, and ZnO is formed as a single layer with a thickness of 5 nm. As the underlayer, Ta (5 nm) and CoFeB (3 nm) were laminated in this order. The CoFeB layer crystallizes the MgO layer in the (001) direction of the rock salt structure.
図６の測定結果は、下地層にZnO層を単層で成膜した場合は、ZnOの(0002)結晶面に起因するピークがあらわれ、ZnO層が六方晶系のウルツ構造となっていることを示す。
一方、MgO単層および、MgO層とZnO層の積層構造からなるサンプルについては、いずれも(002)結晶面に起因するピークがあらわれ、(0002)面に起因するピークは消失している。グラフの(002)ピークは、膜の結晶配向が岩塩型の(001)配向となっていることと等価であり、MgO層が(001)配向に成膜され、MgO層とZnO層の積層膜が(001)結晶配向となるように成膜されていることを示す。
MgO層とZnO層を積層した積層膜が、前述したようなＭＲ比および低抵抗となる特性を発現したのは、岩塩型の(001)結晶配向となるMgO層を下地層としてZnO層を形成したことによって、ZnO層が岩塩型の(001)結晶配向となったためと考えられる。
The measurement results in FIG. 6 show that when a ZnO layer is formed as a single layer, a peak due to the (0002) crystal plane of ZnO appears, and the ZnO layer has a hexagonal wurtzite structure. Indicates.
On the other hand, in the sample composed of the MgO single layer and the laminated structure of the MgO layer and the ZnO layer, the peak attributed to the (002) crystal plane appears and the peak attributed to the (0002) plane disappears. The (002) peak in the graph is equivalent to the fact that the crystal orientation of the film is a rock salt type (001) orientation, and the MgO layer is deposited in the (001) orientation, and a laminated film of MgO layer and ZnO layer Indicates that the film is formed so as to have a (001) crystal orientation.
The laminated film composed of the MgO layer and the ZnO layer developed the MR ratio and low resistance characteristics as described above. The MgO layer with the rock salt type (001) crystal orientation was used as the underlying layer to form the ZnO layer. This is thought to be because the ZnO layer became rock salt type (001) crystal orientation.
図７は、図１に示す素子膜について、層間結合磁界Hinについて測定した結果を示す。測定で使用したサンプルは、図５に示す測定において使用したサンプルと同一のものである。
図７において、同一のRA値について各サンプルのHin値を比較すると、トンネルバリア層としてMgO単層を用いた場合に比べて、MgO／ZnO積層膜を使用したサンプルは、いずれもHin値が低下している。
層間結合磁界Hin値は、トンネルバリア層の厚さが薄くなると、磁化固定層と自由磁化層間の結合磁界が強くなり、Hin値は大きくなる。図７に示す測定結果は、Hinの測定結果からも、MgO／ZnOの積層膜はMgO単層膜よりも膜厚が厚く、Hin値を小さくしていることがわかる。
FIG. 7 shows the result of measuring the interlayer coupling magnetic field Hin for the element film shown in FIG. The sample used in the measurement is the same as the sample used in the measurement shown in FIG.
In FIG. 7, when comparing the Hin value of each sample for the same RA value, the Hin value of each sample using the MgO / ZnO laminated film is lower than when using the MgO single layer as the tunnel barrier layer. is doing.
As for the interlayer coupling magnetic field Hin value, when the tunnel barrier layer becomes thinner, the coupling magnetic field between the magnetization fixed layer and the free magnetization layer becomes stronger and the Hin value becomes larger. The measurement results shown in FIG. 7 show that the MgO / ZnO laminated film is thicker than the MgO single-layer film and has a smaller Hin value, also from the Hin measurement result.
Hin値が小さくなるということは、層間結合磁界が小さくなることであり、磁気抵抗効果素子においては、自由磁化層の磁化の向きが外部磁界の作用によって動きやすくなることを意味している。すなわち、外部磁界によって自由磁化層の磁化方向が動きやすくなることから、トンネル磁気抵抗効果素子の特性としては有利となる。 The smaller Hin value means that the interlayer coupling magnetic field is smaller, and in the magnetoresistive effect element, it means that the magnetization direction of the free magnetic layer is easily moved by the action of the external magnetic field. That is, the magnetization direction of the free magnetic layer is easily moved by the external magnetic field, which is advantageous as a characteristic of the tunnel magnetoresistive element.
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子を磁気抵抗デバイスに利用する例としては、磁気ヘッドのリード素子に利用する例、不揮発性メモリとして利用する例があげられる。
磁気記録装置に用いられる磁気ヘッドは、記録媒体への情報の記録用のライトヘッドと、記録媒体に記録された情報を再生するリード素子とを備える。トンネル磁気抵抗効果素子は、記録媒体の各ビットからの磁界（磁化の向き）の作用を磁気抵抗として検知することによって、記録媒体に記録されている情報を再生する。
Examples of using the tunnel magnetoresistive element according to the present invention for a magnetoresistive device include an example of using it as a read element of a magnetic head and an example of using it as a nonvolatile memory.
A magnetic head used in a magnetic recording apparatus includes a write head for recording information on a recording medium, and a read element for reproducing information recorded on the recording medium. The tunnel magnetoresistive element reproduces information recorded on the recording medium by detecting the action of a magnetic field (magnetization direction) from each bit of the recording medium as a magnetic resistance.
不揮発メモリは、トンネルバリア層を挟んで固定磁化層と自由磁化層を配置した磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction)を備える。自由磁化層の磁化方向はビット線によって制御され、自由磁化層の磁化方向によってトンネル磁気抵抗が異なることを利用して記録信号を検出する。自由磁化層の磁化状態を利用することにより不揮発性となる。不揮発メモリに利用する場合も、トンネルバリア層の膜厚を厚くできることから、層間磁気結合を弱め、トンネル磁気抵抗のばらつきを抑えてメモリの信頼性を向上させることができる。 The nonvolatile memory includes a magnetic tunnel junction in which a fixed magnetic layer and a free magnetic layer are arranged with a tunnel barrier layer interposed therebetween. The magnetization direction of the free magnetic layer is controlled by the bit line, and the recording signal is detected by utilizing the fact that the tunneling magnetoresistance varies depending on the magnetization direction of the free magnetic layer. It becomes non-volatile by utilizing the magnetization state of the free magnetic layer. Also when used in a nonvolatile memory, since the thickness of the tunnel barrier layer can be increased, the interlayer magnetic coupling can be weakened, and variations in tunneling magnetoresistance can be suppressed to improve the reliability of the memory.
１０、１１、１２ トンネル磁気抵抗効果素子
２１ 下部シールド層
２２ 反強磁性下地層
２３ 反強磁性層
２４ 第１の磁化固定層
２５ 反強磁性結合層
２６ 磁化固定層（第２の磁化固定層）
２７ トンネルバリア層
２７ａ MgO層
２７ｂ ZnO層
２８ 自由磁化層
２９ キャップ層
３０ 上部シールド層
10, 11, 12 Tunnel magnetoresistive element 21 Lower shield layer 22 Antiferromagnetic underlayer 23 Antiferromagnetic layer 24 First magnetization fixed layer 25 Antiferromagnetic coupling layer 26 Magnetization fixed layer (second magnetization fixed layer)
27 Tunnel barrier layer 27a MgO layer 27b ZnO layer 28 Free magnetic layer 29 Cap layer 30 Upper shield layer
Claims (6)
前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、
前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 A magnetization fixed layer and a free magnetization layer are arranged so as to sandwich the tunnel barrier layer,
The tunnel barrier layer is formed as a laminated film of an MgO layer and a ZnO layer using an MgO layer as an underlayer,
The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein the MgO layer and the ZnO layer are formed with crystal orientation in a rock salt type (001) direction.
前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、
前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。 A magnetoresistive effect device in which a magnetization fixed layer and a free magnetization layer are arranged in an arrangement sandwiching a tunnel barrier layer,
The tunnel barrier layer is formed as a laminated film of an MgO layer and a ZnO layer using an MgO layer as an underlayer,
The magnetoresistive effect device, wherein the MgO layer and the ZnO layer are formed by crystal orientation in a rock salt type (001) direction.
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|---|---|---|---|---|
| JP2013045800A (en) * | 2011-08-22 | 2013-03-04 | Hitachi Ltd | Tunnel magnetoresistance effect element, non-local spin injection element, and magnetic head using the same |
| JPWO2012014415A1 (en) * | 2010-07-29 | 2013-09-12 | 株式会社日立製作所 | A low-resistance and high-efficiency spin injection device using a rock salt structure thin film as a seed |
| JP2017085178A (en) * | 2017-02-13 | 2017-05-18 | Tdk株式会社 | Tunnel layer |
| CN112736193A (en) * | 2019-10-14 | 2021-04-30 | 上海磁宇信息科技有限公司 | Magnetic tunnel junction structure and magnetic random access memory thereof |
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