JP2011044684A - 磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法に関する。
【解決手段】磁気トンネル接合デバイスは、ｉ）（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む第１磁性層と、ｉｉ）第１磁性層の上に位置する絶縁層と、ｉｉｉ）絶縁層の上に位置し、（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む第２磁性層とを含む。第１磁性層および第２磁性層は垂直磁気異方性を有し、Ａおよび前記Ｂはそれぞれ金属元素であり、ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の非晶質化元素である。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法に関するものである。より詳しくは、本発明は、非晶質垂直磁気異方性物質を利用した磁気トンネル接合デバイスおよびその製造方法に関するものである。
最近、多様な種類のメモリが開発されている。例えば、メモリとして磁気ランダムアクセスメモリ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＭＲＡＭ）、相転移ランダムアクセスメモリ（ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＰＲＡＭ）および抵抗ランダムアクセスメモリ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＲＲＡＭ）等が開発されている。
前述したメモリの中で磁気ランダムアクセスメモリは磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ、ＭＴＪ）素子を情報保存素子として利用する。磁気トンネル接合素子は、メモリーセル内に含まれて強磁性トンネル接合を形成する。磁気トンネル接合素子は磁性層、絶縁層および磁性層の構造からなり、電流は絶縁層をトンネリングして流れる。ここで、２つの磁性層の相対的な磁化方向が互いに同一な場合、磁気トンネル接合素子は低い抵抗値を有する。反対に、２つの磁性層の相対的な磁化方向が互いに異なる場合、磁気トンネル接合素子は高い抵抗値を有する。前述した低い抵抗値および高い抵抗値はそれぞれデジタル情報として０および１に対応する。
前述したデジタル情報を長時間維持する能力を熱的安定性と定義する。熱的安定性は磁気トンネル接合素子の磁性層の異方性エネルギーの大きさに比例する。磁気トンネル接合素子の素材として使用される水平磁気異方性強磁性体の異方性エネルギーの大部分は形態異方性エネルギーであるので、全体異方性エネルギーの大きさが小さい。このような限界を克服するために、磁気トンネル接合素子の素材として使用される垂直磁気異方性強磁性体は高い結晶異方性エネルギーを有する。したがって、磁気トンネル接合素子の全体異方性エネルギーの大きさが大きいので、磁気トンネル接合素子はその体積が小さくても高い熱的安定性を有する。
再生信号値を増加させ、熱的安定性を向上させた磁気トンネル接合デバイスを提供する。また、前述した磁気トンネル接合デバイスの製造方法を提供する。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスは、ｉ）（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む第１磁性層と、ｉｉ）第１磁性層の上に位置する絶縁層と、ｉｉｉ）絶縁層の上に位置し、（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む第２磁性層とを含む。第１磁性層および第２磁性層は垂直磁気異方性を有し、Ａおよび前記Ｂはそれぞれ金属元素であり、ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の非晶質化元素である。
ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素であることができる。ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であることができる。絶縁層はＤ１００−ｚＥｚの化学式を有する化合物を含み、ＤはＬｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂａ（バリウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｋ（カリウム）、およびＡｇ（銀）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、ＥはＯ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｃ（炭素）、Ｈ（水素）、Ｓｅ（セレン）、Ｃｌ（塩素）、およびＦ（フッ素）からなる群より選択された一つ以上の元素であることができる。第１磁性層および第２磁性層のうち、一つ以上の磁性層は立方晶系または正方晶系であることができる。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスは、ｉ）第２磁性層および絶縁層の間に位置する水平磁気異方性磁性層と、ｉｉ）第２磁性層の上に位置する結晶性誘導層とをさらに含むことができる。水平磁気異方性磁性層はＦｅ、ＣｏＦｅ、およびＣｏＦｅＢからなる群より選択された一つ以上の元素を含むことができる。第１磁性層および第２磁性層のうち、一つ以上の磁性層に含まれている化合物が（Ｆｅ１００−ｘＰｄｘ）１００−ｘＢｘまたは（Ｆｅ１００−ｘＰｔｘ）１００−ｘＢｘの化学式を有する場合、結晶性誘導層はＰｄ、Ｐｔ、ＡｕおよびＦｅからなる群より選択された一つ以上の元素を含むことができる。本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスはｉ）第１磁性層および絶縁層の間に位置する他の水平磁気異方性磁性層、およびｉｉ）第１磁性層の下に位置する他の結晶性誘導層をさらに含むことができる。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスは、ｉ）結晶性誘導層と、ｉｉ）結晶性誘導層の上に位置し、（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む垂直磁気異方性磁性層と、ｉｉｉ）垂直磁気異方性磁性層の上に位置する水平磁気異方性磁性層と、ｉｖ）水平異方性磁性層の上に位置する絶縁層、ｖ）絶縁層の上に位置する水平磁気異方性磁性層と、ｖｉ）水平磁気異方性磁性層の上に位置する垂直磁気異方性誘導層とを含む。ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であることができる。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスの製造方法は、ｉ）非晶質を含む第１磁性層を提供する段階と、ｉｉ）第１磁性層の上に絶縁層を提供する段階と、ｉｉｉ）絶縁層の上に非晶質を含む第２磁性層を提供する段階と、ｉｖ）第１磁性層、絶縁層および第２磁性層を熱処理して、第１磁性層および第２磁性層を結晶化する段階とを含む。
第１磁性層を提供する段階および第２磁性層を提供する段階において、第１磁性層および第２磁性層はそれぞれ（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有し、ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の非晶質化元素であることができる。第１磁性層および第２磁性層を結晶化する段階において、第１磁性層および第２磁性層は垂直磁気異方性を有することができる。第１磁性層および前記第２磁性層を結晶化する段階において、第１磁性層、絶縁層、および第２磁性層を３００℃乃至６００℃で熱処理することができる。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスの製造方法は、ｉ）第２磁性層および絶縁層の間に水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、ｉｉ）第２磁性層の上に結晶性誘導層を提供する段階とをさらに含むことができる。本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスの製造方法は、ｉ）第１磁性層および絶縁層の間に他の水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、ｉｉ）第１磁性層の下に他の結晶性誘導層を提供する段階とをさらに含むことができる。
本発明の一実施例による磁気トンネル接合デバイスの製造方法は、ｉ）結晶性誘導層を提供する段階と、ｉｉ）結晶性誘導層の上に（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む磁性層を提供する段階と、ｉｉｉ）磁性層の上に水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、ｉｖ）水平磁気異方性磁性層の上に絶縁層を提供する段階と、ｖ）絶縁層の上に水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、ｖｉ）水平磁気異方性磁性層の上に垂直磁気異方性誘導層を提供する段階と、ｖｉｉ）結晶性誘導層、磁性層、水平磁気異方性磁性層、絶縁層、水平磁気異方性磁性層、および垂直磁気異方性誘導層を熱処理して、磁性層を結晶化する段階とを含む。磁性層を結晶化する段階において、磁性層は垂直磁気異方性を有し、磁性層は（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有し、ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の非晶質化元素である。
非晶質磁性層の上に絶縁層を蒸着させるので、絶縁層が低い平たん指数を有して蒸着される。したがって、高い再生信号値を有する磁気トンネル接合デバイスを製造することができる。また、非晶質磁性層を熱処理してその結晶構造を回復させることによって、磁性層が垂直磁気異方性を有する。したがって、高い熱的安定性を有する磁気トンネル接合デバイスを製造することができる。その結果、磁気トンネル接合デバイスの再生信号値および熱的安定性とも高めることによって、磁気トンネル接合デバイスを磁気ランダムアクセスメモリまたは超高周波振動子などに使用することができる。
本発明の第１実施例による磁気トンネル接合デバイスの概略的な断面図である。 図１の磁気トンネル接合デバイスの製造方法を概略的に示すフローチャートである。 第１磁性層、絶縁層および第２磁性層が順次に積層された熱処理前の磁気トンネル接合デバイスを概略的に示す図である。 本発明の第２実施例による磁気トンネル接合デバイスの概略的な断面図である。 本発明の第３実施例による磁気トンネル接合デバイスの概略的な断面図である。 本発明の第１実験例によって製造した磁気トンネル接合デバイスのＸ線回折グラフである。 本発明の第２実験例によって製造した磁気トンネル接合デバイスの磁性層の熱処理前および熱処理後の磁気履歴曲線である。
ある部分が他の部分の「の上に」あると言及する場合、これは他の部分の直上にあるか、またはその間に他の部分が存在することができる。対照的に、ある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に他の部分が存在しない。
第１、第２、および第３等の用語は多様な部分、成分、領域、層、および／またはセクションを説明するために使用されるが、これに限られない。これらの用語はある部分、成分、領域、層またはセクションを他の部分、成分、領域、層、またはセクションと区別するためにのみ使用される。したがって、以下で説明する第１部分、成分、領域、層、またはセクションは本発明の範囲を逸脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層、またはセクションと言及される。
ここで使用される専門用語は単に特定の実施例を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数形態は、文句がこれと明確に反対の意味を示さない限り複数形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は特定の特性、領域、定数、段階、動作、要素、および／または成分を具体化し、他の特性、領域、定数、段階、動作、要素、および／または成分の存在や付加を除外するのではない。
「の下」、「の上」等の相対的な空間を示す用語は、図面に示している一部分の他の部分に対する関係をより容易に説明するために使用することができる。このような用語は図面で意図する意味と、共に使用中である装置の他の意味や動作を含むように意図される。例えば、図面中の装置の上下を反対にすれば、他の部分の「下」にあることと説明されたある部分は他の部分の「上」にあることと説明される。したがって、「下」という例示的な用語は上方および下方を全て含む。装置は９０°回転または他の角度で回転することができ、相対的な空間を示す用語もこれによって解釈される。
異なるように定義していないが、ここで使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞典に定義された用語は関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有することと追加解釈され、定義されない限り理想的或いは非常に公式的な意味として解釈されない。
断面図を参照して説明している本発明の実施例は、本発明の理想的な実施例を具体的に示す。その結果、図解の多様な変形、例えば、製造方法および／または仕様の変形が予想される。したがって、実施例は示している領域の特定の形態に限定されず、例えば、製造による形態の変形も含む。例えば、扁平であると示されたり説明された領域は、一般的に粗いか、または粗くて非線形である特性を有することができる。また、鋭い角度を有することと示された部分はラウンディングされることができる。したがって、図面に示された領域は元来概略的なものに過ぎず、これらの形態は領域の正確な形態を示すように意図されたのではなく、本発明の範囲を縮小しようと意図されたものではない。
以下で記載する「平たん指数」という用語は、薄膜界面の垂直方向に界面の高低偏差を示す指数と解釈される。平たん指数が低いほど界面高さが一定な界面、即ち、平らな界面を意味する。反対に、平たん指数が高いほど高さ変化が激しい界面、即ち、屈曲が激しい界面を意味する。素子の再生信号を増大させるためには、絶縁層の平たん指数を低くして平らな界面を形成するのが好ましい。
図１は、本発明の第１実施例による磁気トンネル接合デバイス１００の断面構造を概略的に示す。図１の磁気トンネル接合デバイス１００の断面構造は単に本発明を例示するためのものであり、本発明がここに限定されるのではない。したがって、磁気トンネル接合デバイス１００の断面構造を他の形態に変形することができる。
図１に示すように、磁気トンネル接合デバイス１００は第１磁性層１０、絶縁層２０、および第２磁性層３０を含む。第１磁性層１０は固定磁性層として機能し、第２磁性層３０は自由磁性層として機能する。磁気トンネル接合デバイス１００の熱的安全性を高めるために、Ｌ１０系合金のように整列された結晶構造を回復時垂直磁気異方性を有する強磁性体物質で第１磁性層１０および第２磁性層３０を形成する。
第１磁性層１０および第２磁性層３０は、それぞれ（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する素材を含む。ここで、ＡおよびＢはそれぞれ金属元素であることができる。より具体的に、ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、またはＣｒ（クロム）であることができる。また、ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、またはＡｌ（アルミニウム）であることができる。そして、ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、またはＨｆ（ハフニウム）であることができる。
Ａ１００−ｘＢｘの化学式を有する合金は整列された構造を有する。整列された構造は、立方晶系または正方晶系構造であることができる。立方晶系の例としてはＬ１２結晶構造が挙げられる。また、正方晶系の例としてはＬ１０結晶構造が挙げられる。Ｃは熱処理前にＡ１００−ｘＢｘの化学式を有する合金を非晶質化するために添加する。前述した第１磁性層１０および第２磁性層３０は、それぞれ異なる素材または同一の素材で形成することができる。
一方、絶縁層２０はＤ１００−ｚＥｚの化学式を有する化合物を含み、前記ＤはＬｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂａ（バリウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｋ（カリウム）、およびＡｇ（銀）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＥはＯ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｃ（炭素）、Ｈ（水素）、Ｓｅ（セレン）、Ｃｌ（塩素）、およびＦ（フッ素）からなる群より選択された一つ以上の元素である。例えば、絶縁層２０の素材として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を使用することができる。
絶縁層２０は立方晶系構造を有することができる。立方晶系の例としてはＢ１結晶構造が挙げられる。絶縁層は磁気トンネル接合デバイス１００の再生信号値を増大させるために、薄膜界面の板面に垂直な方向に沿って（００１）方向性を有することができる。
図１に矢印で示したように、第１磁性層１０および第２磁性層３０は熱処理によってその結晶構造を回復した後には垂直磁気異方性を有する。したがって、優れた熱的安定性および高い再生信号値を有する磁気トンネル接合デバイス１００を製造することができる。以下、図２および図３を通して、前述した図１の磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法について、より詳細に説明する。
図２は、図１の磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法のフローチャートを概略的に示す。
図２に示したように、磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法は、ｉ）第１磁性層１０（図１に示す、以下、同一）を提供する段階（Ｓ１０）、ｉｉ）第１磁性層１０上に絶縁層２０（図１に示す、以下、同一）を提供する段階（Ｓ２０）、ｉｉｉ）絶縁層２０上に第２磁性層３０（図１に示す、以下、同一）を提供する段階（Ｓ３０）、およびｉｖ）第１磁性層１０、絶縁層２０および第２磁性層３０を熱処理する段階（Ｓ４０）を含む。その他、磁気トンネル接合デバイス１００の製造方法は、他の段階をさらに含むことができる。
まず、段階（Ｓ１０）では磁気トンネル接合デバイス１００を製造するために第１磁性層１０を提供する。第１磁性層１０は蒸着方法によって形成することができる。整列された結晶構造を有する場合、垂直磁気異方性を有する強磁性体物質に非晶質化元素を添加して、蒸着時垂直磁気異方性を持たずに第１磁性層１０を製造する。第１磁性層１０は段階（Ｓ４０）での熱処理を通して結晶構造を回復することによって垂直磁気異方性を有する。
第１磁性層１０が結晶構造を有する場合、磁性層の結晶格子定数と絶縁層２０の結晶格子定数との差が大きいこともある。この場合、（００１）方向性を有する絶縁層２０を第１磁性層１０の上で成長させにくい。また、（００１）方向性を有する絶縁層２０が第１磁性層１０の上で成長しても、第１磁性層１０の結晶格子定数と絶縁層２０の結晶格子定数との差が大きいので、絶縁層２０の平たん指数が高くなる。特に、垂直磁気異方性の高いＬ１０構造の合金の格子定数は、絶縁層２０の素材として使用される酸化マグネシウムの格子定数と大きな差を有する。したがって、Ｌ１０構造の合金上に酸化マグネシウムをＢ１結晶構造の（００１）方向に成長させにくい。さらに、酸化マグネシウムをＬ１０構造の合金上に成長させても、両者間の大きな格子定数の差によって絶縁層２０の平たん指数が大きくなり、磁気トンネル接合デバイスの再生信号値を低くする。
しかし、本発明の第１実施例では非晶質からなる第１磁性層１０を提供するので、絶縁層２０が第１磁性層１０の上で（００１）方向性を有してよく成長する。また、第１磁性層１０が非晶質である場合、結晶構造が存在しない。したがって、第１磁性層１０が絶縁層２０との結晶構造の差を誘発しないので、絶縁層２０の平たん指数が低くなる。その結果、磁気トンネル接合デバイスの再生信号値を大きく増加させることができ、磁気トンネル接合デバイスの抵抗を大幅低くすることができる。
その次に、段階（Ｓ２０）では第１磁性層１０の上に絶縁層２０を提供する。即ち、絶縁層２０は、第１磁性層１０の上で（００１）方向性を有して蒸着される。また、絶縁層２０の平たん指数が低くなる。
段階（Ｓ３０）では絶縁層２０の上に第２磁性層３０を提供する。第２磁性層３０は非晶質からなる。第２磁性層３０は、段階（Ｓ１０）の第１磁性層１０と同様の方法を利用して製造することができる。
図３は、第１磁性層１０、絶縁層２０、および第２磁性層３０が順次に積層された熱処理前の磁気トンネル接合デバイスを概略的に示す。
磁気トンネル接合デバイスを熱処理する前には非晶質からなる第１磁性層１０および第２磁性層３０が結晶性を有しないので、垂直磁気異方性を有しない。したがって、図３に示したように、第１磁性層１０および第２磁性層３０は、その磁化モーメントがｘ軸方向、即ち、水平方向に沿って位置する。
再び図２を参照すれば、段階（Ｓ４０）では前述した方法で製造した第１磁性層１０、絶縁層２０、および第２磁性層３０を熱処理する。高温で十分な時間の間、第１磁性層１０、絶縁層２０、および第２磁性層３０を熱処理することによって、（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する第１磁性層１０および第２磁性層３０が整列された結晶構造に回復されるようにする。より具体的には、他の元素の拡散による磁気トンネル接合の性能低下を防止するために、３００℃乃至６００℃で数分乃至数時間熱処理することができる。
熱処理によって非晶質強磁性体になった第１磁性層１０および第２磁性層３０は整列された結晶構造に変換されながら垂直磁気異方性を有する。つまり、本発明の第１実施例では第１磁性層１０および第２磁性層３０をそれぞれ非晶質状態で蒸着して磁気トンネル接合デバイスを製造した後、磁気トンネル接合デバイスを熱処理する。したがって、第１磁性層１０および第２磁性層３０の垂直磁気異方性を誘導することによって磁気トンネル接合デバイス１００の再生信号値を高め、小さい体積を有しながらも熱的安全性を高めることができる。その結果、信号特性が優れた素材で第１磁性層１０、第２磁性層３０、および絶縁層２０を製造しながら磁気トンネル接合デバイス１００の垂直磁気異方性を確保することができる。
図４は、本発明の第２実施例による磁気トンネル接合デバイス２００の概略的な断面構造を示す。図４の磁気トンネル接合デバイス２００は、図１の磁気トンネル接合デバイス１００と類似しているので、同一の部分には同一符号を使用し、その詳細な説明は省略する。
図４に示したように、磁気トンネル接合デバイス２００は第１磁性層１０、絶縁層２０、第２磁性層３０、水平異方性磁性層４０、４２、および結晶性誘導層５０、５２を含む。水平異方性磁性層４０、４２は磁性層１０、３０と絶縁層２０との結晶構造の差が大きすぎて整合がなされない場合にこれを補完するために使用する。また、磁気トンネル接合デバイス２００の再生信号値を高めるために、水平異方性磁性層４０、４２を使用することもできる。
この場合、絶縁層２０は水平異方性磁性層４０、４２と整合をなし、第１磁性層１０および第２磁性層３０は結晶性誘導層５０、５２と整合をなす。垂直異方性を有する第１磁性層１０および第２磁性層３０は、水平異方性磁性層４０、４２と整合をなさないが、磁気的に連結される。その結果、第１磁性層１０および第２磁性層３０の強い垂直異方性が水平異方性磁性層４０、４２の磁気モーメントを垂直に整列させるので、磁気トンネル接合デバイス２００に垂直磁気異方性磁気トンネル接合を実現することができる。
水平異方性磁性層４０、４２は高いスピン分極率を有し、格子定数において絶縁層２０との差が小さい。水平異方性磁性層４０、４２の素材としてはＦｅ、ＣｏＦｅ、またはＣｏＦｅＢなどを使用することができる。
一方、結晶性誘導層５０、５２は、非晶質からなる第１磁性層１０および第２磁性層３０が絶縁層２０と接触せずに熱処理によって整列された結晶構造を有するように形成する。例えば、第１磁性層１０および第２磁性層３０の素材としてＦｅＰｄＢまたはＦｅＰｔＢなどを使用する場合、結晶性誘導層５０、５２の素材としてＰｄ、Ｐｔ、ＡｕまたはＦｅなどを（１００）方向性を有するように成長させて使用することができる。
前述のように、第１磁性層１０および第２磁性層３０と絶縁層２０の結晶構造の差が大きすぎても、水平異方性磁性層４０、４２および結晶性誘導層５０、５２を利用することによって磁気トンネル接合デバイス２００の垂直磁気異方性を実現することができる。
図５は、本発明の第３実施例による磁気トンネル接合デバイス３００の概略的な断面構造を示す。図５の磁気トンネル接合デバイス３００は、図４の磁気トンネル接合デバイス２００と類似しているので、同一の部分には同一符号を使用し、その詳細な説明は省略する。
図５に示したように、磁気トンネル接合デバイス３００は第１磁性層１０、絶縁層２０、水平磁気異方性磁性層４０、結晶性誘導層５０、水平磁気異方性磁性層６０、および垂直磁気異方性誘導層６２を含む。
図５の磁気トンネル接合デバイス３００の絶縁層２０の上部構造は図４の磁気トンネル接合デバイス２００の絶縁層２０の上部構造と相違し、残りの部分は互いに同一である。
図５に示したように、磁気トンネル接合デバイス３００には垂直磁気異方性誘導層として一方には非晶質からなる物質を使用し、他方には結晶質物質を使用することっができる。熱処理後には非晶質からなる物質は第１磁性層１０になり、結晶質物質はそのまま垂直磁気異方性誘導層６２になる。図５には絶縁層２０の下部に垂直磁気異方性誘導層として非晶質からなる物質を使用した場合を示す。この場合、絶縁層２０の下部構造は図４の磁気トンネル接合デバイス２００の絶縁層２０の下部構造と同一である。
図５に示したように、磁気トンネル接合デバイス３００の絶縁層２０の上部には水平磁気異方性磁性層６０および結晶質の垂直磁気異方性誘導層６２が形成される。例えば、水平磁気異方性磁性層６０の素材としてＣｏＦｅＢ合金を使用し、垂直磁気異方性誘導層６２の素材として多層構造のＣｏ／Ｐｔ合金を使用することができる。
以下、実験例を通して本発明を詳細に説明する。このような実験例は単に本発明を例示するためのものであり、これに限定されるのではない。
実験例１
磁性層、絶縁層および磁性層が順次に積層された磁気トンネル接合デバイスを製造した。磁性層は元素含有量１：１のＦｅ５０Ｐｄ５０合金に２０ａｔ％のホウ素を添加して（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層を製造した。Ｆｅ５０Ｐｄ５０合金は整列された結晶構造を有し、垂直磁気異方性を有する。ここにホウ素を添加することによって磁性層を非晶質化した。磁性層の厚さは３ｎｍであった。
その次に、磁性層の上に絶縁層を蒸着した。絶縁層の素材は酸化マグネシウムであり、絶縁層の厚さは１０ｎｍであった。また、前述した（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層を絶縁層上に蒸着した。
図６は、前述した実験例１によって製造した磁気トンネル接合デバイスのＸ線回折グラフを示す。
図６に示したように、２θが約４３°である位置でＸ線回折ピークが観察された。これは、絶縁層であるＭｇＯが（００１）方向性を有して成長したことを意味する。したがって、磁性層上で絶縁層が（００１）方向性を有して成長したことがわかった。また、絶縁層が非晶質化された磁性層上に蒸着されたので、絶縁層の平たん指数も低いことと予測された。
実験例２
（００１）方向性を有するＭｇＯからなる単結晶基板上にＰｔ層を（００１）方向性を有するように４０ｎｍ蒸着した。ここで、Ｐｔ層は４０ｎｍの厚さを有し、非晶質磁性層の結晶性誘導層として機能した。その次に、（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層をＰｔ層の上に非晶質状態で蒸着した。（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層の厚さは１０ｎｍであった。磁性層を蒸着して５００℃で１時間熱処理した。
図７は、本発明の第２実験例によって製造した磁気トンネル接合デバイスに含まれている（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層の熱処理前および熱処理後の垂直磁気履歴曲線を示す。図７において細線は熱処理前の非晶質状態の正規磁化図を示しており、太線は熱処理した後の結晶構造を回復した状態の正規磁化図を示す。
図７に示したように、（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層を熱処理する前には磁場によって磁化度が比例して増加して、薄膜状態で蒸着された形態によって発生する減磁場（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）値である７０００Ｏｅ付近で飽和された。（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層の飽和磁気モーメント値は５６０ｅｍｕ／ｃｃであり、その蒸着形態が薄膜である場合、減磁場値は７０００Ｏｅになった。つまり、（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層を熱処理する前には結晶構造がないので、磁性層の垂直磁気異方性は確保されず、磁性層は水平磁気異方性を有した。しかし、（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層を熱処理した後、磁性層の磁化度は減磁場値、つまり、７０００Ｏｅよりずっと小さい１０００Ｏｅ付近で飽和された。つまり、熱処理した後、（Ｆｅ５０Ｐｄ５０）８０Ｂ２０からなる磁性層の結晶構造が回復されながら垂直磁気異方性が確保された。
本発明は、以下の特許請求の範囲の概念および範囲を逸脱しない限り、多様な修正および前記の記載によって変形が可能であることを本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に理解できる。
１０ 第１磁性層
２０ 絶縁層
３０ 第２磁性層
４０、４２ 水平異方性磁性層
５０、５２ 結晶性誘導層
６０ 水平磁気異方性磁性層
６２ 垂直磁気異方性誘導層
１００、２００、３００ 磁気トンネル接合デバイス

Claims (17)

  1. （Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む第１磁性層と、
    前記第１磁性層の上に位置する絶縁層と、
    前記絶縁層の上に位置し、（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む第２磁性層と
    を含み、
    前記第１磁性層および前記第２磁性層は垂直磁気異方性を有し、
    前記Ａおよび前記Ｂはそれぞれ金属元素であり、前記ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の非晶質化元素であることを特徴とする磁気トンネル接合デバイス。
  2. 前記ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素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デバイス。
  3. 前記ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素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デバイス。
  4. 前記絶縁層はＤ１００−ｚＥｚの化学式を有する化合物を含み、前記ＤはＬｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂａ（バリウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｋ（カリウム）、およびＡｇ（銀）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＥはＯ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｃ（炭素）、Ｈ（水素）、Ｓｅ（セレン）、Ｃｌ（塩素）、およびＦ（フッ素）からなる群より選択された一つ以上の元素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デバイス。
  5. 前記第１磁性層および前記第２磁性層のうちの一つ以上の磁性層は立方晶系または正方晶系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デバイス。
  6. 前記第２磁性層および前記絶縁層の間に位置する水平磁気異方性磁性層と、
    前記第２磁性層の上に位置する結晶性誘導層と
    をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  7. 前記水平磁気異方性磁性層はＦｅ、ＣｏＦｅ、およびＣｏＦｅＢからなる群より選択された一つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  8. 前記第１磁性層および前記第２磁性層のうちの一つ以上の磁性層に含まれている前記化合物が（Ｆｅ１００−ｘＰｄｘ）１００−ｘＢｘまたは（Ｆｅ１００−ｘＰｔｘ）１００−ｘＢｘの化学式を有する場合、前記結晶性誘導層はＰｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびＦｅからなる群より選択された一つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  9. 前記第１磁性層および前記絶縁層の間に位置する他の水平磁気異方性磁性層と
    前記第１磁性層の下に位置する他の結晶性誘導層と
    をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気トンネル接合デバイス。
  10. 結晶性誘導層と、
    前記結晶性誘導層の上に位置し、（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む垂直磁気異方性磁性層と、
    前記垂直磁気異方性磁性層の上に位置する水平磁気異方性磁性層と、
    前記水平異方性磁性層の上に位置する絶縁層と、
    前記絶縁層の上に位置する水平磁気異方性磁性層と、
    前記水平磁気異方性磁性層の上に位置する垂直磁気異方性誘導層と
    を含み、
    前記ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であることを特徴とする磁気トンネル接合デバイス。
  11. 非晶質を含む第１磁性層を提供する段階と、
    前記第１磁性層の上に絶縁層を提供する段階と、
    前記絶縁層の上に非晶質を含む第２磁性層を提供する段階と、
    前記第１磁性層、前記絶縁層、および前記第２磁性層を熱処理して、前記第１磁性層および前記第２磁性層を結晶化する段階と
    を含むことを特徴とする磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  12. 前記第１磁性層を提供する段階および前記第２磁性層を提供する段階において、前記第１磁性層および前記第２磁性層はそれぞれ（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有し、前記ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の非晶質化元素であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  13. 前記第１磁性層および前記第２磁性層を結晶化する段階において、前記第１磁性層および前記第２磁性層は垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  14. 前記第１磁性層および前記第２磁性層を結晶化する段階において、前記第１磁性層、前記絶縁層および前記第２磁性層を３００℃乃至６００℃で熱処理することを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  15. 前記第２磁性層および前記絶縁層の間に水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、
    前記第２磁性層の上に結晶性誘導層を提供する段階と
    をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  16. 前記第１磁性層および前記絶縁層の間に他の水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、
    前記第１磁性層の下に他の結晶性誘導層を提供する段階と
    をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
  17. 結晶性誘導層を提供する段階と、
    前記結晶性誘導層の上に（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有する化合物を含む磁性層を提供する段階と、
    前記磁性層の上に水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、
    前記水平磁気異方性磁性層の上に絶縁層を提供する段階と、
    前記絶縁層の上に水平磁気異方性磁性層を提供する段階と、
    前記水平磁気異方性磁性層の上に垂直磁気異方性誘導層を提供する段階と、
    前記結晶性誘導層、前記磁性層、前記水平磁気異方性磁性層、前記絶縁層、前記水平磁気異方性磁性層、および前記垂直磁気異方性誘導層を熱処理して、前記磁性層を結晶化する段階と
    を含み、
    前記磁性層を結晶化する段階において前記磁性層は垂直磁気異方性を有し、
    前記磁性層は（Ａ１００−ｘＢｘ）１００−ｙＣｙの化学式を有し、前記ＡはＦｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、およびＣｒ（クロム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＢはＰｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、およびＡｌ（アルミニウム）からなる群より選択された一つ以上の元素であり、前記ＣはＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｔａ（タンタル）、およびＨｆ（ハフニウム）からなる群より選択された一つ以上の非晶質化元素であることを特徴とする磁気トンネル接合デバイスの製造方法。
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