JP2010010233A - 反平行結合膜構造体、トンネル磁気抵抗素子および磁気デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】４００℃の熱処理プロセス後に、十分な反平行結合強度を有することで、高磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に適用可能な、強磁性体／非磁性体／強磁性体の反平行結合膜構造体、その反平行結合膜構造体を用いたトンネル磁気抵抗素子および磁気デバイスを提供する。
【解決手段】強磁性体の一方は、CoFeB合金またはCoFe合金であり、他方はTa／Ru下地層上に成長した面心立方構造のCoFe合金またはNiFe合金であり、非磁性体がRuである。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気メモリ、磁気センサー等の磁気デバイスに使われるトンネル磁気抵抗素子の磁化自由層および磁化固定層に用いることが出来る反平行結合膜構造体、その反平行結合膜構造体を用いたトンネル磁気抵抗素子および磁気デバイスに関するものである。

磁気抵抗素子の抵抗値を０あるいは１の情報に対応させる磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリの高密度化による磁気抵抗素子の微細化により、強磁性体の磁化の熱揺らぎおよび書き込み電流の増大が深刻な問題になる。熱揺らぎおよび書き込み電流増大の問題を解決する方法として、２つの強磁性層で非磁性層を挟んだ反平行結合膜構造体を用いることが有望である（例えば、非特許文献１参照）。

反平行結合膜構造体では、非磁性層の膜厚に依存して２つの強磁性層の磁化に交換相互作用が働き、ある非磁性層膜厚で、お互いの磁化が反平行に向くように強く結合する。２つの強磁性層の磁化が反平行に結合することで、実効的な強磁性層の体積が増え、磁化の熱揺らぎを小さく抑えることが可能となる。

また、１９９６年にSlonczewskiによって、微小磁気抵抗素子において、磁化自由層に直接スピン偏極電流を与えることによって磁化反転が起こる可能性があることが理論的に示された（例えば、非特許文献２参照）。２０００年には、微小CPP-GMR（Current perpendicular to plane Giant magnetoresistance）素子において、この現象が実験的に確かめられ（例えば、非特許文献３参照）、それ以降、この現象は、スピン注入磁化反転として広く知られている。

スピン注入磁化反転は、磁気抵抗素子のサイズが小さくなるほど、反転電流（すなわちメモリのデータ書き込み電流）も小さくなるという特徴があるため、この現象を用いた高密度磁気ランダムアクセスメモリの開発が、現在世界中で精力的に進められている（例えば、特許文献１参照）。

スピン注入磁化反転に要する電流は、磁化自由層の磁化の２乗に比例するため、反平行結合膜構造体のように、正味の磁化がゼロに近い構造体を磁化自由層に用いれば、反転電流が低減できると考えられる。実験的にも、反平行結合膜構造体を用いた熱安定性の良好なトンネル磁気抵抗素子において、小さい電流密度でスピン注入磁化反転が観測されている（例えば、非特許文献４参照）。

また、反平行結合膜構造体では、非磁性体中でスピンが蓄積することにより、反転電流が小さくなることも示されている（例えば、非特許文献５参照）。

さらに、反平行結合膜構造体を磁化固定層に用いることにより、熱揺らぎ耐性が大きい磁気抵抗素子を得ることができる。

しかし、従来の反平行結合膜構造体は、４００℃程度の高い温度で熱処理を施すと、反平行結合膜構造体中の熱拡散により、その反平行結合が急激に弱くなることが知られている（例えば、非特許文献６参照）。

一方、２００４年に湯浅らによって、単結晶のMgOをトンネルバリアとするFe/MgO/Fe強磁性トンネル接合で、１８０％を越える高い磁気抵抗変化率が発現することが発見され、高い磁気抵抗変化率の原因がMgOバリアを介したコヒーレントトンネル効果であることが明らかとなった（例えば、非特許文献７参照）。

その後、高い磁気抵抗比を持つMgOバリアを用いたトンネル磁気抵抗素子がCoFeB電極と組み合わせることで、スパッタ法で作製出来ることが明らかとなった（例えば、非特許文献８または特許文献２参照）。しかしながら、上記のMgOバリアを用いるトンネル磁気抵抗素子において高い磁気抵抗比を実現するためには、高い温度での熱処理プロセスが必要である（例えば、非特許文献９参照）。

従って、高い磁気抵抗比を示すトンネル磁気抵抗素子に、高熱安定性と低磁化反転電流とを付与可能な反平行結合膜構造体を適用する場合、高温熱処理プロセスに耐えうる反平行結合膜構造体が必要不可欠である。

T.Ochiai et al., "Distinctivecurrent-induced magnetization switching in a current-perpendicular-to-planegiant-magnetoresistance nanopillar with a synthetic antiferromagnet free layer",Applied Physics Letters, 2005, 86,p.242506 J. C. Slonczewski,"Current-driven excitation of magnetic multilayers", Journal of Magnetism andMagnetic Materials, 1996, 159, L1-L7 F.J. Albert, J.A.Katine et al., "Spin-polarized current switching of a Co thinfilm nanomagnet", Applied Physics Letters, 2000, 77, p.3809 J. Hayakawaet al., "Current-induced magnetization switching in MgO barrier based magnetic tunneljunctions with CoFeB/Ru/CoFeB synthetic ferrimagnetic free layer", JapaneseJournal of Applied Physics, 2006, 45, L1057 Y. Jiang et al., "Substantial reduction of critical current for magnetizationswitching in an exchange-biased spin valve", Nature materials, 2004, 3, p.361 T. Takenaga et al., "Thermal robustness in syntheticantiferromagnetic free layer for magnetic random access memory applications",Journal of Applied Physics,2006, 99, 08C911 S. Yuasa et al., "Giant room-temperaturemagnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions",Nature Materials, 2004, 3, p.868 D. D. Djayaprawira et al., "230%room-temperature magnetoresistance in CoFeB/ MgO/ CoFeB magnetic tunneljunctions", Applied Physics Letters,2005, 86, p.092602 J. Hayakawa et al., "Effect of high annealing temperature on gianttunnel magnetoresistance ratio of CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions",Applied Physics Letters, 2006, 89, p.232510 米国特許第5695864号明細書 特開２００６−８０１１６号公報

本発明は、４００℃の熱処理プロセス後に、十分な反平行結合強度を有することで、高磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に適用可能な反平行結合膜構造体、その反平行結合膜構造体を用いたトンネル磁気抵抗素子および磁気デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る反平行結合膜構造体は、第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性金属体とを具え、前記第１の強磁性体の磁化と前記第２の強磁性体の磁化とが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体において、前記第１の強磁性体および前記第２の強磁性体の一方はCoFeB合金またはCoFe合金からなり、他方は面心立方構造を有するCoFe合金またはNiFe合金からなることを、特徴とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、４００℃の熱処理後に高い反平行結合強度を有する反平行結合膜構造体を作製することに成功した。本発明に係る反平行結合膜構造体で、第１の強磁性体または第２の強磁性体の一方がCoFeB合金またはCoFe合金から成り、両者ともにMgOトンネルバリアを用いることで、高い磁気抵抗比が得られる。

本発明に係る反平行結合膜構造体で、前記面心立方構造を有するCoFe合金またはNiFe合金は、所定の下地層を介して形成されていることが好ましい。また、前記下地層は、Ta/Ruの積層膜から成ることが好ましい。前記極薄非磁性金属体は、Ruから成ることが好ましい。また、前記極薄非磁性金属体の膜厚が0.8nm程度であることが好ましい。本発明に係る反平行結合膜構造体は、熱処理プロセスを経ていることが好ましい。

本発明に係るトンネル磁気抵抗素子は、強磁性金属磁化固定層／絶縁体／強磁性金属磁化自由層からなり磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化との相対角度により抵抗が変化するトンネル磁気抵抗素子において、本発明に係る反平行結合膜構造体を前記磁化自由層あるいは前記磁化固定層の少なくとも一方に用いたことを、特徴とする。また、本発明に係る磁気デバイスは、本発明に係るトンネル磁気抵抗素子を用いたことを、特徴とする。

したがって、本発明に係る反平行結合膜構造体を、トンネル磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に用いることで、高磁気抵抗比、高熱安定性かつ低磁化反転電流密度を呈するトンネル磁気抵抗素子が実現できる。また、このトンネル磁気抵抗素子は、スピントロニクス分野において、例えば磁気メモリや磁気センサなどの磁気デバイスに使用することができる。

本発明によれば、４００℃の熱処理プロセス後に、十分な反平行結合強度を有することで、高磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に適用可能な反平行結合膜構造体、その反平行結合膜構造体を用いたトンネル磁気抵抗素子および磁気デバイスを提供することができる。

以下、本発明による高耐熱性反平行結合膜構造体の実施の形態の例を、図面に従って説明する。

図１に示すように、超高真空スパッタ法により熱酸化膜付きシリコン基板上に下地層／反平行結合膜構造体／保護層の試料を作製した。なお、図１に示す一例では、下地層はTa/Ruの積層膜から成り、反平行結合膜構造体の第１の強磁性体（第１強磁性層）は、CoFe合金またはNiFe合金から成り、極薄非磁性金属体（非磁性層）は、Ruから成り、第２の強磁性体（第２強磁性層）はCoFeB合金またはCoFe合金から成っている。

図２に、下地層としてTa(膜厚5nm)、Ru(5nm)、MgO(5nm)またはTa(5nm)／Ru(5nm)を用い、保護層にTa(10nm)を用いた、Co₇₅Fe₂₅(2nm)／Ru(1nm)／Co₇₅Fe₂₅(2nm)の反平行結合膜構造体における、振動試料型磁力計で測定した飽和磁場（H_s）の熱処理温度依存性を示す。飽和磁場の大きさは、反平行結合膜構造体の結合強度を意味する。

図２から、Ta／Ruの下地層を用いた反平行結合膜構造体では、他の下地層の試料と異なり、４００℃の熱処理温度まで飽和磁場が大きい値を維持しており、Ta／Ru下地層が高耐熱反平行結合膜構造体の下地層として好ましい態様であることが分かる。

図３に、Ta／Ru下地層を用い、保護層にTa(10nm)またはMgO(2.5nm)を用いた、Co₄₅Fe₄₅B₁₀(2nm)、Co₅₀Fe₅₀(2nm)、Co₇₅Fe₂₅(2nm)またはNi₈₀Fe₂₀(2nm)／Ru(0.8nm)／Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2nm)の反平行結合膜構造体における飽和磁場の熱処理温度依存性を示す。なお、保護層の違いは、飽和磁場の大きさに影響を及ぼさない。

図３から、反平行結合膜構造体の一方の強磁性層にCo₇₅Fe₂₅、Ni₈₀Fe₂₀という面心立方構造を有する合金を用いた場合に、４００℃以上の熱処理温度まで飽和磁場が大きい値を維持しており、好ましい態様であることが分かる。

図４に、Ta(5nm)／Ru(5nm)下地層を用い、保護層にMgO(2.5nm)を用いた、Co₇₅Fe₂₅(2nm)／Ru(dnm)／Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2nm)の反平行結合膜構造体における飽和磁場のRu膜厚(d=0.2〜0.8nm)依存性を示す。

図４から、Ruの膜厚が0.8nmの反平行結合膜構造体において、４００℃の熱処理後に６kOeの非常に大きな飽和磁場(結合強度)が得られており、Co₇₅Fe₂₅(2nm)／Ru(0.8nm)／Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2nm)の反平行結合膜構造体が最良の態様であることが分かる。

以上、発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明の内容は上記に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明の実施の形態の反平行結合膜構造体を示す模式断面図である。 本発明の実施の形態のCo₇₅Fe₂₅(2nm)／Ru(1nm)／Co₇₅Fe₂₅(2nm)の反平行結合膜構造体の、下地層としてTa(膜厚5nm)、Ru(5nm)、MgO(5nm)またはTa(5nm)／Ru(5nm)を用い、保護層にTa(10nm)を用いたときの、飽和磁場（H_s）の熱処理温度依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態のCo₄₅Fe₄₅B₁₀(2nm)、Co₅₀Fe₅₀(2nm)、Co₇₅Fe₂₅(2nm)またはNi₈₀Fe₂₀(2nm)／Ru(0.8nm)／Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2nm)の反平行結合膜構造体の、Ta／Ru下地層を用い、保護層にTa(10nm)またはMgO(2.5nm)を用いたときの、飽和磁場の熱処理温度依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態のCo₇₅Fe₂₅(2nm)／Ru(dnm)／Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2nm)の反平行結合膜構造体の、Ta(5nm)／Ru(5nm)下地層を用い、保護層にMgO(2.5nm)を用いたときの、飽和磁場のRu膜厚(d=0.2〜0.8nm)依存性を示すグラフである。

Claims (8)

1. 第１の強磁性体と、第２の強磁性体と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に挟まれて存在する極薄非磁性金属体とを具え、前記第１の強磁性体の磁化と前記第２の強磁性体の磁化とが反平行になる交換結合力を有する反平行結合膜構造体において、前記第１の強磁性体および前記第２の強磁性体の一方はCoFeB合金またはCoFe合金からなり、他方は面心立方構造を有するCoFe合金またはNiFe合金からなることを、特徴とする反平行結合膜構造体。
2. 前記面心立方構造を有するCoFe合金またはNiFe合金は、所定の下地層を介して形成されていることを特徴とする、請求項１記載の反平行結合膜構造体。
3. 前記下地層は、Ta/Ruの積層膜から成ることを特徴とする、請求項２記載の反平行結合膜構造体。
4. 前記極薄非磁性金属体は、Ruから成ることを特徴とする、請求項１、２または３記載の反平行結合膜構造体。
5. 前記極薄非磁性金属体の膜厚が0.8nm程度であることを、特徴とする請求項４記載の反平行結合膜構造体。
6. 熱処理プロセスを経ていることを、特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の反平行結合膜構造体。
7. 強磁性金属磁化固定層／絶縁体／強磁性金属磁化自由層からなり磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化との相対角度により抵抗が変化するトンネル磁気抵抗素子において、請求項１、２、３、４、５または６記載の反平行結合膜構造体を前記磁化自由層あるいは前記磁化固定層の少なくとも一方に用いたことを、特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
8. 請求項７に記載のトンネル磁気抵抗素子を用いたことを、特徴とする磁気デバイス。