JP2012041580A - Method for manufacturing magnesium oxide thin film - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an MgO thin film excellent in crystallinity.SOLUTION: The method for manufacturing an MgO thin film, includes a heating step and a deposition step to manufacture the MgO thin film on a ferromagnetic body. The heating step is performed at the temperature of 200°C or more, while the deposition step is performed by sputtering a target composed of MgO and MgF. In the target, the approximate charge amount of the MgFto the MgO is controlled between 2.3-7.0 atom%. Thereby, (100) the MgO thin film excellent in orientation and crystallinity can be manufactured.

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗素子のバリア膜として用いられる結晶性に優れた酸化マグネシウム薄膜に関する。   The present invention relates to a magnesium oxide thin film excellent in crystallinity used as a barrier film of a tunnel magnetoresistive element.

磁気ランダムアクセスメモリーの記憶素子や磁気ヘッドの高感度センサとしてトンネル磁気抵抗(Tunnel Magneto−Resistance:以下、TMR)素子が注目されている。TMR素子は、二つの強磁性体層によって極薄のトンネルバリア層が挟まれた構造となっており、二つの強磁性体層の磁化の方向により、素子の抵抗値が大きく変化する。このとき、二つの強磁性体層の磁化の方向が半平行状態の時の抵抗値をRa、平行状態の時の抵抗値をRpと規定すると、その変化率(Ra−Rp)/Rpは、磁気抵抗比(以下、MR比)と呼ばれる。TMR素子の性能はこのMR比で決定され、様々なデバイス応用に向け、MR比の向上が求められている。   As a high-sensitivity sensor of a magnetic random access memory or a magnetic head, a tunnel magneto-resistance (hereinafter, referred to as a TMR) element has attracted attention. The TMR element has a structure in which an extremely thin tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers, and the resistance value of the element varies greatly depending on the magnetization directions of the two ferromagnetic layers. At this time, if the resistance value when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are in a semi-parallel state is defined as Ra and the resistance value when in the parallel state is defined as Rp, the rate of change (Ra−Rp) / Rp is This is called a magnetoresistance ratio (hereinafter referred to as MR ratio). The performance of the TMR element is determined by this MR ratio, and improvement of the MR ratio is required for various device applications.

TMR素子のMR比は、トンネルバリア層の材料に大きく依存する。現在トンネルバリア層には、主に(100)配向した酸化マグネシウム(以下、MgO)薄膜が用いられており、CoFeBなどの強磁性体薄膜上にスパッタリング法を用いて形成されている。   The MR ratio of the TMR element greatly depends on the material of the tunnel barrier layer. Currently, a (100) -oriented magnesium oxide (hereinafter referred to as MgO) thin film is mainly used as a tunnel barrier layer, and is formed on a ferromagnetic thin film such as CoFeB by a sputtering method.

(100)配向した単結晶MgOを用いたTMR素子は、理論計算において1000%以上の大きなMR比を得られることが予測されている。しかし前記のスパッタリング法により形成されたMgO薄膜は、多結晶体であり結晶粒界等の影響が大きいために、これを用いたTMR素子では上記のような大きなMR比は得られていない。より大きなMR比を持つTMR素子を実現するためには、結晶粒界の数を減らすためにドメインサイズが大きくし、かつ結晶中に不純物の少ない結晶性に優れたMgO薄膜の実現が求められていた。   A TMR element using (100) -oriented single crystal MgO is predicted to obtain a large MR ratio of 1000% or more in theoretical calculation. However, since the MgO thin film formed by the sputtering method is a polycrystal and has a large influence of crystal grain boundaries and the like, a large MR ratio as described above cannot be obtained in a TMR element using this. In order to realize a TMR element having a larger MR ratio, it is required to realize a MgO thin film having a large domain size to reduce the number of crystal grain boundaries and excellent crystallinity with few impurities in the crystal. It was.

従来の結晶性に優れたMgO薄膜の製造方法としては、酸化性ガスに対するゲッタリング効果がMgOをよりも高い金属を、MgO成膜前に成膜室内部の構成部材に付着させ、その後MgOを成膜するものがあった(例えば、特許文献1および非特許文献1参照)。特許文献1および非特許文献1では、ゲッタリング効果が高い金属により酸素や水などの酸化性ガスを除去し、MgO薄膜の成膜を残留ガスが少ない状態において実施することにより、MgO薄膜の結晶性を向上させることができるとしている。   As a conventional method for producing a MgO thin film having excellent crystallinity, a metal having a higher gettering effect on oxidizing gas than MgO is attached to a component in the film forming chamber before forming the MgO film, and then MgO is added. There existed what formed a film (for example, refer patent documents 1 and nonpatent literature 1). In Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, an oxide gas such as oxygen or water is removed with a metal having a high gettering effect, and the MgO thin film is formed in a state where there is little residual gas. It can be improved.

また、結晶性に優れたMgO薄膜の別の製造方法としては、成膜前に成膜室を高温でベーキングし、その後MgOを成膜するものがあった(非特許文献2参照)。成膜室を100℃以上の温度において長時間ベーキングすると、成膜室内の壁面に付着している水分を減少させることができ、したがってMgOの成膜中に取り込まれる水分も減り、MgO薄膜の結晶性を向上させることができるとしている。   As another method for producing an MgO thin film having excellent crystallinity, there has been a method in which a film forming chamber is baked at a high temperature before film formation, and then MgO is formed (see Non-Patent Document 2). When the film forming chamber is baked for a long time at a temperature of 100 ° C. or higher, the moisture adhering to the wall surface in the film forming chamber can be reduced. It can be improved.

また、マグネシウム(以下、Mg)を酸化してMgO薄膜を形成する際に、フッ素を含む雰囲気中で酸化することにより、MgO薄膜の特性改善を試みているものがあった(非特許文献3参照)。非特許文献3では、Mg薄膜を酸素プラズマを用いて酸化させる際に、プラズマ中にテフロン(登録商標)リングを挿入することによりフッ素を発生させ、そのフッ素によりMgO薄膜のバリア特性の改善を試みている。   Further, when forming an MgO thin film by oxidizing magnesium (hereinafter referred to as Mg), there has been an attempt to improve the characteristics of the MgO thin film by oxidizing in an atmosphere containing fluorine (see Non-Patent Document 3). ). In Non-Patent Document 3, when an Mg thin film is oxidized using oxygen plasma, fluorine is generated by inserting a Teflon (registered trademark) ring into the plasma, and an attempt is made to improve the barrier properties of the MgO thin film with the fluorine. ing.

特開2007−266584号公報JP 2007-266584 A

Yoshinori Nagamine他、“Ultralow resistance−area product of 0.4 Ωcm2 and high magnetroresistance above 50% inCoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions”、Applied Physics Letters、Vol.89、2006、p.1625071−1625073Yoshinori Nagamin et al., “Ultra resistance-area product of 0.4 Ωcm2 and high magnetism tolerance 50% inCoFeB / MgO / CoFeBungent p. 89, 2006, p. 1625071-1625073 Se Young O他、“X−ray Diffraction study of the Optimization of MgO growth conditions for magnetic tunnel junctions”、Journal of Applied Physics、Vol.103、2008、pp.07A920−07A923Se Young O et al., "X-ray Diffraction study of the Optimization of MgO growth conditions for magnetic tunnel junctions," Journal of Hopy Applications. 103, 2008, pp. 07A920-07A923 Jun Hyung Kwon他、“Effect of F−inclusion in nm−thick MgO barrier”、Current Applied Physics、Vol.9、2009、pp.788−791Jun Hyung Kwon et al., “Effect of F-induction in nm-thick MgO barrier”, Current Applied Physics, Vol. 9, 2009, pp. 788-791

特許文献1、非特許文献1および非特許文献2に示されているMgO薄膜の製造方法は、MgO成膜中に取り込まれる不純物を減らす効果はあるが、MgO結晶成長そのものを促進するものではない。そのため、これらの従来例に記載されているMgO薄膜の製造方法を用いても、製造できるMgOの結晶性には限界があった。実際、上記の方法を用いて50nmの厚さのMgO薄膜を製造したところ、得られたMgO薄膜は、X線回折(X−Ray Diffraction、以下XRD)におけるMgO(200)面のピーク高さは128カウント毎秒(以下、cps)、半値幅は2、44°程度であり、結晶性として十分なものではなかった。   The manufacturing method of the MgO thin film shown in Patent Literature 1, Non-Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 2 has an effect of reducing impurities taken in during the MgO film formation, but does not promote MgO crystal growth itself. . Therefore, even if the manufacturing method of the MgO thin film described in these conventional examples is used, there is a limit to the crystallinity of MgO that can be manufactured. Actually, when the MgO thin film having a thickness of 50 nm was manufactured by using the above method, the obtained MgO thin film had a peak height of the MgO (200) plane in X-ray diffraction (hereinafter referred to as XRD). It was 128 counts per second (hereinafter referred to as cps) and the half width was about 2,44 °, which was not sufficient as crystallinity.

また、非特許文献3に示されているMgO薄膜の製造方法では、フッ素を添加することにより酸化のプロセスが変化しているが、得られたMgO結晶の特性を改善する効果は得られない。実際に、非特許文献3では、フッ素を含む雰囲気で酸化を実施しても、フッ素を含まないときと比較してバリア高さはほとんど変化していない。MgO薄膜の結晶性については記載されていないが、上記の結果から考えると、ほとんど変化していないものと推測される。   Moreover, in the manufacturing method of the MgO thin film shown by the nonpatent literature 3, although the oxidation process has changed by adding fluorine, the effect of improving the characteristic of the obtained MgO crystal cannot be acquired. Actually, in Non-Patent Document 3, even when the oxidation is performed in an atmosphere containing fluorine, the barrier height is hardly changed as compared with the case where fluorine is not contained. Although the crystallinity of the MgO thin film is not described, it is presumed that there is almost no change from the above results.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ドメインサイズが大きく、結晶性に優れたMgO薄膜の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the conventional problems described above, and to provide a method for producing an MgO thin film having a large domain size and excellent crystallinity.

前記従来の課題を解決するために、本発明のMgO薄膜の製造方法は、加熱工程と堆積工程からなる、強磁性体上へのMgO薄膜の製造方法であり、前記加熱工程は、200℃以上の温度において実施され、前記堆積工程は、MgOとMgFからなるターゲットをスパッタリングすることにより実施され、前記ターゲットにおいて、前記MgOに対する前記MgFの概算仕込み量が、2.3原子パーセント以上、7.0原子パーセント以下であることを特徴とする。本構成により、(100)配向かつ結晶性に優れたMgO薄膜を製造することができる。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the method for producing an MgO thin film according to the present invention is a method for producing an MgO thin film on a ferromagnetic material comprising a heating step and a deposition step, and the heating step is performed at 200 ° C. or higher. The deposition step is performed by sputtering a target made of MgO and MgF 2. In the target, the approximate charge amount of the MgF 2 with respect to the MgO is 2.3 atomic percent or more, 7 0.0 atomic percent or less. With this configuration, an MgO thin film having (100) orientation and excellent crystallinity can be produced.

また、前記強磁性体が、Co、Fe、Bを主成分とする非晶質構造の強磁性体であることを特徴とする、MgO薄膜の製造方法でも良い。本構成により、TMR素子のバリア膜として使用可能な結晶性に優れたMgO薄膜を実現することができる。   Further, the MgO thin film manufacturing method may be characterized in that the ferromagnetic material is a ferromagnetic material having an amorphous structure mainly composed of Co, Fe, and B. With this configuration, an MgO thin film having excellent crystallinity that can be used as a barrier film of a TMR element can be realized.

本発明のMgO薄膜の製造方法では、MgO薄膜中に微量のフッ素を添加することができ、そのフッ素の効果により、ドメインサイズが大きく結晶性に優れたMgO薄膜を実現できる。   In the method for producing an MgO thin film of the present invention, a trace amount of fluorine can be added to the MgO thin film, and the effect of the fluorine can realize an MgO thin film having a large domain size and excellent crystallinity.

本発明の実施の形態1におけるMgO薄膜の製造工程のフローチャートThe flowchart of the manufacturing process of the MgO thin film in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1におけるMgO薄膜の堆積工程の一例を示す図The figure which shows an example of the deposition process of the MgO thin film in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における製造されたMgO薄膜中に含有されるフッ素量の、概算MgF仕込み量依存性を示す図It shows the amount of fluorine contained in MgO thin film manufactured in the first embodiment of the present invention, the approximate MgF 2 charge amount dependent 本発明の実施例1におけるMgO薄膜のXRDピーク高さと半値幅の、概算MgF仕込み量依存性を示す図The XRD peak height and half-width of the MgO thin film in Example 1 of the present invention, showing the approximate MgF 2 charge amount dependent

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるMgO薄膜の製造方法のフローチャートである。図1に示すように、本実施の形態1のMgO薄膜の製造方法は、下地となる「強磁性体膜の成膜工程」と、「基板の加熱工程」および「MgO薄膜の堆積工程」からなり、全工程が大気にさらすことなく連続して実施される。上記工程により、強磁性体膜上に従来よりも結晶性に優れたMgO薄膜を製造することができる。以下、上述の各工程について詳細を述べる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing an MgO thin film according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the MgO thin film according to the first embodiment includes a “ferromagnetic film forming process”, a “substrate heating process”, and an “MgO thin film deposition process” as bases. The entire process is carried out continuously without exposure to the atmosphere. By the above process, an MgO thin film having better crystallinity than conventional can be produced on the ferromagnetic film. Hereinafter, details of each of the above-described steps will be described.

始めに強磁性体膜の成膜工程について述べる。強磁性体膜の成膜手法としては、スパッタリング法を用いることができる。このとき強磁性体膜の組成は特に限定されないが、TMR素子を実現する上ではアモルファス構造であるCoFeBが望ましい。また強磁性体膜を成膜するための基板としては、Si、SiO、SiNなど、一般的な基板を使用することが可能である。 First, the film forming process of the ferromagnetic film will be described. A sputtering method can be used as a method for forming the ferromagnetic film. At this time, the composition of the ferromagnetic film is not particularly limited, but CoFeB having an amorphous structure is desirable for realizing the TMR element. In addition, as a substrate for forming the ferromagnetic film, a general substrate such as Si, SiO 2 , or SiN can be used.

次に基板の加熱工程について述べる。基板の加熱工程は、下地が成膜された基板を、直接的あるいは間接的な手法を用いてMgOの堆積温度まで上昇させる工程である。本実施の形態1における基板加熱を行うためのヒーターは、ランプヒーターや抵抗線による加熱など、外部からの制御により一定温度を保つことが可能な方法であれば、どのようなヒーターを用いてもよい。   Next, the substrate heating process will be described. The substrate heating step is a step of raising the substrate on which the base is formed to the deposition temperature of MgO using a direct or indirect method. As the heater for heating the substrate in the first embodiment, any heater can be used as long as it can maintain a constant temperature by external control, such as a lamp heater or a resistance wire. Good.

このとき、加熱温度は200度以上にすることが必要である。200度以下の場合には、フッ素を添加してもMgOの結晶性を向上させる効果は得られない。また加熱温度は200度以上なら良いが、CoFeBを結晶化せずアモルファス状態のまま維持するためには、温度を上げすぎないことが望ましく、具体的には350度以下にすることが望ましい。   At this time, the heating temperature needs to be 200 degrees or more. In the case of 200 degrees or less, the effect of improving the crystallinity of MgO cannot be obtained even if fluorine is added. The heating temperature may be 200 ° C. or higher. However, in order to maintain CoFeB in an amorphous state without being crystallized, it is desirable not to raise the temperature excessively, specifically 350 ° C. or lower.

次にMgO薄膜の堆積工程について述べる。図2は、本実施の形態1におけるMgO薄膜の堆積方法を示した図である。図2に示すように、ヒーター12を用いて加熱された基板11に対し、MgOを主成分とする第一のターゲット13とMgO中にフッ化マグネシウム(以下。MgF)を含有する第二のターゲット14を同時にスパッタリングすることにより、フッ素を含有したMgO膜を基板上に堆積している。 Next, the deposition process of the MgO thin film will be described. FIG. 2 is a diagram showing a method for depositing an MgO thin film according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, a second target containing magnesium fluoride (hereinafter referred to as MgF 2 ) in MgO and a first target 13 mainly composed of MgO with respect to a substrate 11 heated using a heater 12. By sputtering the target 14 simultaneously, a MgO film containing fluorine is deposited on the substrate.

このとき、第一のターゲット13としては、単結晶MgOターゲットや焼結体MgOターゲットなどを使用することが可能である。また、第二のターゲットとしては、MgOとMgFの粉体を混合して焼結したターゲットやMgO上にMgFのチップを貼り付けたターゲットなどを使用することが可能である。 At this time, a single crystal MgO target, a sintered MgO target, or the like can be used as the first target 13. As the second target, it is possible to use a target obtained by mixing and sintering MgO and MgF 2 powder, a target obtained by attaching a MgF 2 chip on MgO, or the like.

このとき、第二のターゲット中のMgFの仕込み量を制御することにより、MgO薄膜中に含有させるフッ素量を制御することが可能である。また、第一ターゲットと第二のターゲットの成膜レート比を制御することにより、概算MgF仕込み量を制御することが可能である。 At this time, the amount of fluorine contained in the MgO thin film can be controlled by controlling the amount of MgF 2 charged in the second target. Moreover, it is possible to control the approximate amount of charged MgF 2 by controlling the film formation rate ratio between the first target and the second target.

ここで概算仕込み量とは、同時にスパッタされている二つのターゲットを、一つのターゲットと仮定した時の、目的とする成分の仕込み量の概算値のことである。この概算仕込み量は、それぞれのターゲットの組成と成膜レート比から概算することができる。本実施の形態1では、第二のターゲットにおけるMgFの仕込み量と、同時スパッタリング時の成膜レートに対する第二のターゲット単体での成膜レートの割合を掛けることにより、概算MgF仕込み量を計算している。 Here, the approximate charge amount is an approximate value of the charge amount of the target component when the two targets sputtered simultaneously are assumed to be one target. This approximate charge amount can be estimated from the composition of each target and the deposition rate ratio. In the first embodiment, a charge of MgF 2 in the second target by multiplying the ratio of the deposition rate of the second target single relative deposition rates during co-sputtering, the approximate MgF 2 charged amount I'm calculating.

このとき、概算MgF仕込み量と、実際のMgO薄膜中に含有されているフッ素の量は図3に示すような線形関係にあり、この概算MgF仕込み量を制御することにより、MgO薄膜中のフッ素含有量を制御することが可能である。 At this time, the approximate amount of MgF 2 charged and the amount of fluorine contained in the actual MgO thin film have a linear relationship as shown in FIG. 3, and by controlling the approximate amount of MgF 2 charged, It is possible to control the fluorine content.

なお、本実施の形態1において得られたMgO薄膜中のフッ素含有量は、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry、以下SIMS)を用いることで定量することができる。フッ素を含有していないMgO薄膜にフッ素イオンビームを規定量打ち込んだものをリファレンス試料とし、このリファレンス試料と製造したMgO薄膜のSIMS測定結果を比較することにより、フッ素の添加量を定量することが可能である。   Note that the fluorine content in the MgO thin film obtained in Embodiment 1 can be quantified by using secondary ion mass spectrometry (hereinafter, SIMS). Quantitative addition of fluorine can be done by comparing the reference sample and the manufactured MgO thin film with SIMS measurement results using a fluorine ion beam injected into MgO thin film containing no fluorine as a reference sample. Is possible.

通常、MgOなどの薄膜形成時にフッ素などの異物を混入させると、混入した分だけ結晶性は低下する。しかしながら我々は鋭意検討を進めた結果、基板を加熱したうえで、概算MgF仕込み量が2.3原子パーセント(以下、at.%)以上、6.9at.%以下の範囲となるターゲットを用いてスパッタリングした場合において、MgO薄膜中に極微量のフッ素が含有され、通常とは逆に結晶性が向上することを見出した。概算MgF仕込み量の最適な範囲の導出については、後述の実施例の中で記載する。 Usually, when foreign substances such as fluorine are mixed during the formation of a thin film such as MgO, the crystallinity is lowered by the amount of mixing. However, as a result of diligent investigation, after heating the substrate, the approximate MgF 2 charge amount is 2.3 atomic percent (hereinafter, at.%) Or more, 6.9 at. It has been found that when sputtering is performed using a target having a range of not more than%, an extremely small amount of fluorine is contained in the MgO thin film, and the crystallinity is improved contrary to the usual case. Derivation of the optimum range of the approximate amount of MgF 2 charge will be described in the examples described later.

本実施の形態1に示したMgO薄膜の製造方法において、フッ素を添加することによりMgO薄膜の結晶性が向上する理由については、詳細は不明であるが、「フッ素により、磁性体表面の塗れ性が変化し、MgO結晶の核形成確率や成長モードが変化したこと」や「フッ素により、結晶成長の阻害要因となっていた物質、例えば水酸化マグネシウムが分解・除去されたこと」などが結晶性向上に繋がったのではないかと推測される。   The reason why the crystallinity of the MgO thin film is improved by adding fluorine in the method of manufacturing the MgO thin film shown in the first embodiment is not clear in detail. Changes in nucleation probability and growth mode of MgO crystals ”and“ substances that hindered crystal growth, such as magnesium hydroxide, were decomposed and removed by fluorine ”. It is speculated that this has led to improvement.

また、フッ素添加時においてもMgO薄膜は高い結晶性が得られていることから、フッ素はMgO結晶中に含有されているのではなく、結晶粒界においてMgFとなって残留しているものと推察される。MgFはMgOよりもバンドギャップが大きいことから、TMR素子のリーク要因とはならず、TMR素子のMR比を低下させる要因にはならないものと考えられる。 In addition, since the MgO thin film has high crystallinity even when fluorine is added, fluorine is not contained in the MgO crystal but remains as MgF 2 at the crystal grain boundary. Inferred. Since MgF 2 has a larger band gap than MgO, it is considered that it does not cause a leak of the TMR element and does not cause a decrease in the MR ratio of the TMR element.

なお、本実施の形態1のスパッタリング法において、放電の際に用いられるガス種としては、アルゴン、ヘリウム、キセノンなどのマグネシウムと化合物を形成しないものであれば、問題なく使用することができる。   Note that in the sputtering method of the first embodiment, the gas species used in the discharge can be used without any problem as long as they do not form a compound with magnesium such as argon, helium, and xenon.

(実施例1)
以下、実施例を用いて、本実施の形態1を詳しく説明する。
Example 1
Hereinafter, the first embodiment will be described in detail using examples.

始めに実施例1−1として、概算MgF仕込み量を2.3at.%としたときの、MgO薄膜の製造について述べる。 First, as Example 1-1, the approximate MgF 2 charge amount was 2.3 at. The production of the MgO thin film when% is described.

本実施例1−1では、基板として(100)配向したSiウェハの表面に酸化膜を形成したものを用いた。基板の大きさは30mm角、厚さは0.5mmであった。また、基板の表面の酸化膜は、熱酸化法により形成され、その厚さは約100nmであった。   In Example 1-1, a substrate in which an oxide film was formed on the surface of a (100) -oriented Si wafer was used. The size of the substrate was 30 mm square and the thickness was 0.5 mm. The oxide film on the surface of the substrate was formed by a thermal oxidation method, and the thickness was about 100 nm.

前記基板に対しDC/RFスパッタリング装置(アルバック社製)を用いてCoFeBを成膜した。成膜条件を表1に条件(1)として記載する。ターゲットとして使用したCoFeBの組成は、Co:40at.%、Fe:40at.%、B:20at.%であった。上記組成のCoFeBを使用して基板上に得られた膜はアモルファス構造であった。またCoFeBの成膜前には、非特許文献2で示されているように、水分を除去するのに十分な高温(120℃)で50時間のベーキングを実施し、成膜室内の水成分を除去している。   A CoFeB film was formed on the substrate using a DC / RF sputtering apparatus (manufactured by ULVAC). Deposition conditions are listed in Table 1 as condition (1). The composition of CoFeB used as the target was Co: 40 at. %, Fe: 40 at. %, B: 20 at. %Met. The film obtained on the substrate using CoFeB having the above composition had an amorphous structure. Also, before the film formation of CoFeB, as shown in Non-Patent Document 2, baking is performed for 50 hours at a high temperature (120 ° C.) sufficient to remove moisture, and water components in the film formation chamber are removed. It has been removed.

Figure 2012041580
Figure 2012041580

表1(1)の成膜条件において約30秒間成膜を行い、基板上に3.0nmのアモルファスCoFeB膜を形成した。   Film formation was performed for about 30 seconds under the film formation conditions shown in Table 1 (1), and an amorphous CoFeB film of 3.0 nm was formed on the substrate.

次に基板の加熱を実施した。基板の加熱は5×10−6Pa以下の真空中において、ランプヒーターを用いて実施し、基板表面の温度を200℃まで上昇させた。 Next, the substrate was heated. The substrate was heated using a lamp heater in a vacuum of 5 × 10 −6 Pa or less, and the temperature of the substrate surface was increased to 200 ° C.

基板を加熱した後、連続してMgO薄膜の成膜を行った。なお、MgO薄膜の成膜前には特許文献1で示されているように、AlもしくはBを含む物質を成膜室内の部材に付着させ、ゲッタリングによる酸化性ガスの除去を実施した。このとき四重極型質量分析計を用いて、ゲッタリング前後の気相中の残留ガスの成分を観測したところ、水や酸素由来の成分が減少していることが確認できた。   After heating the substrate, an MgO thin film was continuously formed. Prior to the deposition of the MgO thin film, as shown in Patent Document 1, a substance containing Al or B was attached to a member in the deposition chamber, and the oxidizing gas was removed by gettering. At this time, when a component of residual gas in the gas phase before and after gettering was observed using a quadrupole mass spectrometer, it was confirmed that the components derived from water and oxygen were reduced.

MgO薄膜の成膜は、図2に示した方法により実施した。このとき、第一のターゲットには、単結晶MgOターゲット(タテホ化学工業株式会社製)を、第二のターゲットには、焼結体MgOターゲット(株式会社高純度化学研究所製)の表面上にMgF焼結体(株式会社高純度化学研究所製)を固定したものを用いた。このとき第二のターゲットでは、焼結体MgOターゲットの表面積に対して、15%覆うようにMgFが固定されていた。 The MgO thin film was formed by the method shown in FIG. At this time, the first target is a single crystal MgO target (manufactured by Tateho Chemical Industry Co., Ltd.), and the second target is a sintered MgO target (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.). A fixed MgF 2 sintered body (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) was used. At this time, in the second target, MgF 2 was fixed so as to cover 15% of the surface area of the sintered MgO target.

成膜条件の詳細を、表1中に(2)として示す。表1の(2)の条件において成膜を行うと、第一のターゲットの成膜レートが、0.151Å/秒、第二のターゲットの成膜レートが0.028Å/秒であった。このレート比から、全ターゲットにおけるMgFの概算仕込み量を計算すると、2.3at.%であった。 Details of the film forming conditions are shown as (2) in Table 1. When film formation was performed under the conditions of (2) in Table 1, the film formation rate of the first target was 0.151 Å / second, and the film formation rate of the second target was 0.028 Å / second. From this rate ratio, the approximate charge amount of MgF 2 in all targets is calculated to be 2.3 at. %Met.

表1(2)の条件において約2790秒間スパッタリングを実施することにより、CoFeB上に約50nmのMgO薄膜を堆積した。堆積したMgO薄膜に対してXRDを実施したところ、2θ=42.9°付近にピークを確認することができた。これはMgO結晶の(200)面のピークと一致している。このとき2θ=36.9°、62.3°など他の配向のピークは確認できておらず、基板上に(100)配向したMgO薄膜を堆積できていることが確認された。   Sputtering was performed for about 2790 seconds under the conditions of Table 1 (2), thereby depositing an MgO thin film of about 50 nm on CoFeB. When XRD was performed on the deposited MgO thin film, a peak could be confirmed in the vicinity of 2θ = 42.9 °. This coincides with the (200) plane peak of the MgO crystal. At this time, other orientation peaks such as 2θ = 36.9 ° and 62.3 ° were not confirmed, and it was confirmed that a (100) -oriented MgO thin film was deposited on the substrate.

またXRD測定結果から、MgO(200)面のピーク(2θ=42.9°)を、Voigt関数を用いてフィッテングすることにより、ピーク高さと半値幅を導出した。ピーク高さは502.9cps、半値幅は1.07°であった。   From the XRD measurement results, the peak height and half width were derived by fitting the peak (2θ = 42.9 °) on the MgO (200) plane using the Voigt function. The peak height was 502.9 cps and the half width was 1.07 °.

さらに製造したMgO膜中に含有されているフッ素の量を測定した。SIMSにより実施例1のMgO薄膜中のフッ素量を同定したところ、0.04at.%含有していることが確認できた。   Further, the amount of fluorine contained in the manufactured MgO film was measured. When the amount of fluorine in the MgO thin film of Example 1 was identified by SIMS, 0.04 at. % Content was confirmed.

(基板加熱とフッ素添加の効果)
次に基板加熱およびフッ素添加の効果を明確にするための検討を実施した。比較例1−1は、実施例1−1の条件から「基板加熱」と「フッ素添加」を取り除いてMgO薄膜製造を実施したものである。また、比較例1−2は、実施例1−1から「基板加熱」のみを取り除いて、さらに比較例1−3は、実施例1−1から「フッ素の添加」のみを取り除いて、MgO薄膜をそれぞれ製造したものである。比較例1−1から1−3の、基板温度およびターゲットへの入力パワーの条件を表2として示す。なお、表2に示した条件以外は、実施例1−1と全く同様の条件で成膜を実施した。また、製造手順も実施例1−1と同様の手順で実施した。
(Effect of substrate heating and fluorine addition)
Next, studies were conducted to clarify the effects of substrate heating and fluorine addition. In Comparative Example 1-1, “substrate heating” and “fluorine addition” were removed from the conditions of Example 1-1, and the MgO thin film was manufactured. In Comparative Example 1-2, only “Substrate Heating” was removed from Example 1-1, and in Comparative Example 1-3, only “Addition of Fluorine” was removed from Example 1-1. Are manufactured respectively. Table 2 shows the conditions of the substrate temperature and the input power to the target in Comparative Examples 1-1 to 1-3. In addition, except the conditions shown in Table 2, film-forming was implemented on the completely same conditions as Example 1-1. The production procedure was also the same as that in Example 1-1.

Figure 2012041580
Figure 2012041580

表2の条件においてMgO薄膜の製造を実施し、得られた薄膜のXRDを測定した。測定結果からピーク高さと半値幅を抽出した結果を表3に示す。   The MgO thin film was manufactured under the conditions shown in Table 2, and the XRD of the obtained thin film was measured. Table 3 shows the results of extracting the peak height and half width from the measurement results.

Figure 2012041580
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表3に示すように、実施例1−1のみピーク高さが大きく、半値幅も狭くなっていた。半値幅はドメインサイズに反比例することが知られており、実施例1−1の条件において、ドメインサイズが増加し、結晶性が向上していることが確認できた。このとき、比較例1−1、比較例1−2、比較例1−3のいずれの条件においても、従来例において示されている結晶性を向上させる方法を実施しており、本実施の形態1の製造方法は、従来例として示した方法よりも効果が大きいことが確認できた。   As shown in Table 3, only Example 1-1 had a large peak height and a narrow half-value width. It is known that the half width is inversely proportional to the domain size. Under the conditions of Example 1-1, it was confirmed that the domain size increased and the crystallinity was improved. At this time, the method for improving the crystallinity shown in the conventional example is carried out under any of the conditions of Comparative Example 1-1, Comparative Example 1-2, and Comparative Example 1-3. It was confirmed that the production method 1 was more effective than the conventional method.

(フッ素添加量による変化)
次に概算MgF仕込み量の最適な範囲について検討を実施した。表4に示すように、実施例1−2、実施例1−3、比較例1−4として、概算MgF仕込み量を増加させながら、MgO薄膜の堆積を実施した。なお、表4に示した条件以外は、実施例1−1と全く同様の条件で成膜を実施した。
(Change due to the amount of fluorine added)
Next, the optimum range of the approximate MgF 2 charge amount was examined. As shown in Table 4, as Example 1-2, Example 1-3, and Comparative Example 1-4, the MgO thin film was deposited while increasing the approximate MgF 2 charge. In addition, except the conditions shown in Table 4, film-forming was implemented on the completely same conditions as Example 1-1.

Figure 2012041580
Figure 2012041580

製造したMgO薄膜に対してXRDを測定し、測定結果から(200)面のピーク高さと半値幅を抽出した。結果を表5に示す。また図4は、製造したMgO薄膜のXRDピーク高さおよび半値幅の、概算MgF仕込み量依存性を示した図である。 XRD was measured with respect to the manufactured MgO thin film, and the peak height and half value width of (200) plane were extracted from the measurement result. The results are shown in Table 5. FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the XRD peak height and half-value width of the manufactured MgO thin film on the approximate MgF 2 preparation amount.

Figure 2012041580
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表5および図4に示すように、概算MgF仕込み量が、2.3から7.0at.%の範囲においてXRDピーク高さが著しく増加し、かつ半値幅も大きく減少しており、2.3から7.0at.%の範囲においてMgO薄膜中のドメインサイズが大きくなっていることが確認できた。 As shown in Table 5 and FIG. 4, the approximate MgF 2 charge amount is 2.3 to 7.0 at. %, The XRD peak height is remarkably increased and the full width at half maximum is greatly decreased, from 2.3 to 7.0 at. It was confirmed that the domain size in the MgO thin film was increased in the range of%.

また、実施例1−4として示した概算MgF仕込み量が15.0at.%の場合には、半値幅は比較例1−3よりも狭くなっているが、ピーク高さが減少している。これは、概算MgF仕込み量が15.0at.%以上では、ドメインサイズが増加した代わりに、フッ素量が多すぎるためにアモルファス構造もしくは(100)以外の結晶構造となった部分も多く、単位体積辺りの(100)MgO結晶の数が著しく減少したものと推測される。このようなMgO薄膜では、大きなMR比は期待できない。従って、本実施の形態1における概算MgF仕込み量の最適範囲は、2.3at.%以上、7.0at.%以下である。 Moreover, the estimated MgF 2 charge shown as Example 1-4 is 15.0 at. In the case of%, the full width at half maximum is narrower than that of Comparative Example 1-3, but the peak height is reduced. This is because the approximate MgF 2 charge is 15.0 at. In the case of more than%, the domain size is increased, but the amount of fluorine is too much, so there are many parts that have an amorphous structure or a crystal structure other than (100), and the number of (100) MgO crystals per unit volume is remarkably reduced. It is speculated that. Such an MgO thin film cannot be expected to have a large MR ratio. Therefore, the optimum range of the approximate MgF 2 preparation amount in the first embodiment is 2.3 at. % Or more, 7.0 at. % Or less.

なお、本実施例1では、Co:40at.%、Fe:40at.%、B:20at.%の組成のCoFeBを強磁性体として用いたが、Co:20at.%、Fe:60at.%、B:20at.%の組成の強磁性体を用いた場合にも、同様の効果を得られることが確認できた。したがって、本実施の形態1におけるMgO薄膜の製造方法は様々な組成の強磁性体上に用いることが可能である。   In Example 1, Co: 40 at. %, Fe: 40 at. %, B: 20 at. % CoFeB was used as the ferromagnetic material, but Co: 20 at. %, Fe: 60 at. %, B: 20 at. It was confirmed that the same effect can be obtained even when a ferromagnetic material having a composition of% is used. Therefore, the manufacturing method of the MgO thin film according to the first embodiment can be used on ferromagnetic materials having various compositions.

以上のことから、本実施の形態1に示したMgO薄膜作成工程を実施することにより、強磁性体上に結晶性に優れたMgO薄膜を形成することが可能であること確認できた。   From the above, it was confirmed that an MgO thin film having excellent crystallinity can be formed on a ferromagnetic material by performing the MgO thin film forming step shown in the first embodiment.

本発明にかかるMgO薄膜の製造方法は、結晶性に優れたMgO薄膜を製造することができることから、TMR素子等のトンネルバリア膜の形成方法として有用である。   The method for producing an MgO thin film according to the present invention is useful as a method for forming a tunnel barrier film such as a TMR element because an MgO thin film having excellent crystallinity can be produced.

11 基板
12 ヒーター
13 第一のターゲット
14 第二のターゲット
11 Substrate 12 Heater 13 First Target 14 Second Target

Claims (2)

加熱工程と堆積工程からなる、強磁性体上への酸化マグネシウム薄膜の製造方法であり、
前記加熱工程は、200℃以上の温度において実施され、
前記堆積工程は、酸化マグネシウムとフッ化マグネシウムからなるターゲットをスパッタリングすることにより実施され、
前記ターゲットにおいて、前記酸化マグネシウムに対する前記フッ化マグネシウムの概算仕込み量が、2.3原子パーセント以上、7.0原子パーセント以下である
ことを特徴とした酸化マグネシウム薄膜の製造方法。
A method for producing a magnesium oxide thin film on a ferromagnetic material comprising a heating step and a deposition step,
The heating step is performed at a temperature of 200 ° C. or higher,
The deposition step is performed by sputtering a target made of magnesium oxide and magnesium fluoride,
The method for producing a magnesium oxide thin film characterized in that, in the target, an approximate charge amount of the magnesium fluoride with respect to the magnesium oxide is 2.3 atomic percent or more and 7.0 atomic percent or less.
前記強磁性体が、Co、Fe、Bを主成分とする非晶質構造の強磁性体である
ことを特徴とした、請求項1に記載の酸化マグネシウム薄膜の製造方法。
2. The method for producing a magnesium oxide thin film according to claim 1, wherein the ferromagnetic material is a ferromagnetic material having an amorphous structure mainly composed of Co, Fe, and B.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023276224A1 (en) * 2021-06-29 2023-01-05 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Magnetic resistor element, magnetic sensor, and magnetic memory

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