JP2012124185A - Magnetoresistive element - Google Patents

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直樹 渡辺
Masaki Kuribayashi
正樹 栗林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetoresistive element having an MR ratio higher than the conventional MR ratios.SOLUTION: The present invention relates to a magnetoresistive element used for a magnetic reproducing head for a magnetic disc driving device, a storage element for magnetic random access memory, and a magnetic sensor, and preferably to a tunnel magnetoresistive element (more preferably, a spin-valve-type tunnel magnetoresistive element). The magnetoresistive element comprises: a substrate; a tunnel barrier layer; a ferromagnetic layer comprising a Co (cobalt)-Fe (iron) alloy; and a nonmagnetic metal layer containing B (boron).

Description

本発明は、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッド、磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子及び磁気センサーに用いられる磁気抵抗素子、好ましくは、トンネル磁気抵抗素子(さらに好ましくは、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子)に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive element used in a magnetic reproducing head of a magnetic disk drive, a storage element of a magnetic random access memory, and a magnetic sensor, preferably a tunnel magnetoresistive element (more preferably, a spin valve type tunnel magnetoresistive element). About.

特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、非特許文献1及び非特許文献2には、トンネルバリア層と該トンネルバリア層の両側に設置した第一及び第二の強磁性体層からなるTMR(トンネル磁気抵抗;Tunneling Magneto Resistance)素子(以下、TMR素子という)が記載され、この素子を構成する第一及び又は第二の強磁性体層として、Co(コバルト)原子、Fe(鉄)原子及びB(ボロン)原子を含有したCoFeB合金が用いられている。 また、上述のCoFeB合金層として、多結晶構造のものが記載されている。 Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5, Patent Document 6, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2 include a tunnel barrier layer and a first installed on both sides of the tunnel barrier layer. A TMR (Tunneling Magneto Resistance) element (hereinafter referred to as a TMR element) composed of one and second ferromagnetic layers is described, and the first and / or second ferromagnetic layers constituting this element are described. CoFeB alloys containing Co (cobalt) atoms, Fe (iron) atoms, and B (boron) atoms are used. Moreover, the thing of a polycrystalline structure is described as the above-mentioned CoFeB alloy layer.

特開2002−204004号公報JP 2002-204004 A 国際公開番号をWO2005/088745号公報International publication number is WO2005 / 088745 特開2003−304010号公報JP 2003-304010 A 特開2006−080116号公報JP 2006-080116 A 米国公開US2006/0056115号公報US 2006/0056115 publication 米国特許第7252852号公報US Pat. No. 7,252,852

D.D.Djayaprawiraら著「Applied Physics Letters」,86,092502(2005)D. D. “Applied Physics Letters”, 86,092502 (2005) by Djayapraira et al. 湯浅新治ら著「Japanese Journal of Applied Physics」Vol.43,No.48,pp588−590,2004年4月2日発行"Japan Journal of Applied Physics" by Shinji Yuasa et al., Vol. 43, no. 48, pp 588-590, issued April 2, 2004

本発明の課題は、従来技術と比較し、一層、改善された高いMR比を持った磁気抵抗素子(トンネル磁気抵抗素子、さらに好ましくは、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子等)を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a magnetoresistive element (tunnel magnetoresistive element, more preferably a spin valve tunnel magnetoresistive element, etc.) having a further improved high MR ratio compared to the prior art. is there.

本発明は、第1に、基板、トンネルバリア層、強磁性層及びB(ボロン;以下「B」と記述する)を含有した非磁性金属層を有する磁気抵抗素子を特徴とする。   The present invention firstly features a magnetoresistive element having a nonmagnetic metal layer containing a substrate, a tunnel barrier layer, a ferromagnetic layer, and B (boron; hereinafter referred to as “B”).

本発明は、第2に、基板、反強磁性層、強磁性層及びBを含有した非磁性金属層を有する磁化固定層、磁性層及びBを含有する非磁性金属を有する磁化自由層、並びに前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に位置する金属酸化物を含有したトンネルバリア層を有する磁気抵抗素子を特徴とする。 Secondly, the present invention provides a magnetization fixed layer having a substrate, an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer, and a nonmagnetic metal layer containing B, a magnetic free layer having a magnetic layer and a nonmagnetic metal containing B, and The magnetoresistive element has a tunnel barrier layer containing a metal oxide located between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer.

本発明によれば、従来のTMR素子で達成されていたMR比を大幅に改善することができた。 According to the present invention, the MR ratio achieved with the conventional TMR element can be greatly improved.

本発明の磁気抵抗素子の一例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of an example of the magnetoresistive element of this invention. 本発明の磁気抵抗素子を製造する成膜装置の一例の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of an example of the film-forming apparatus which manufactures the magnetoresistive element of this invention. 図2の装置のブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of the apparatus of FIG. 本発明の磁気抵抗素子を用いて構成されるMRAMの模式斜視図である。It is a model perspective view of MRAM comprised using the magnetoresistive element of this invention. 本発明の磁気抵抗素子を用いて構成されるMRAMの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of MRAM comprised using the magnetoresistive element of this invention. 本発明の磁気抵抗素子に係るカラム状結晶構造の模式斜視図である。It is a model perspective view of the columnar crystal structure concerning the magnetoresistive element of this invention. 本発明の磁気抵抗素子の他の構成のTMR素子の断面図である。It is sectional drawing of the TMR element of the other structure of the magnetoresistive element of this invention. 本発明の磁気抵抗素子の別の一例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of another example of the magnetoresistive element of this invention. 本発明の磁気抵抗素子の別の一例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of another example of the magnetoresistive element of this invention.

本発明の磁化自由層及び磁化固定層には、強磁性体層を用いることができる。該強磁性層で用いる強磁性体としては、CoとFeとBからなる合金(以下、CoFeBと記す)、CoとFeとの合金(以下、CoFeと記す)が好ましく用いられる。また、CoとFeとNiからなる合金(以下、CoFeNiと記す)、CoとFeとNiとBからなる合金(以下、CoFeNiBと記す)も好ましく用いられる。さらに、NiとFeとの合金(以下、NiFeと記す)も好ましく用いられる。本発明では、上記合金群より少なくとも1種を選択することができる。 A ferromagnetic layer can be used for the magnetization free layer and the magnetization fixed layer of the present invention. As the ferromagnetic material used in the ferromagnetic layer, an alloy composed of Co, Fe and B (hereinafter referred to as CoFeB) and an alloy of Co and Fe (hereinafter referred to as CoFe) are preferably used. Further, an alloy composed of Co, Fe and Ni (hereinafter referred to as CoFeNi) and an alloy composed of Co, Fe, Ni and B (hereinafter referred to as CoFeNiB) are also preferably used. Further, an alloy of Ni and Fe (hereinafter referred to as NiFe) is also preferably used. In the present invention, at least one kind can be selected from the above alloy group.

本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、前記強磁性体層及びトンネルバリア層は、それぞれ、カラム状結晶(針状結晶、柱状結晶等を含む)の集合体によって形成された多結晶構造を有する。 In the magnetoresistive element of the present invention, preferably, each of the ferromagnetic layer and the tunnel barrier layer has a polycrystalline structure formed by an aggregate of columnar crystals (including needle crystals, columnar crystals, etc.). .

図6は、トンネルバリア層として用いたMg酸化物のカラム状結晶62の集合体61からなる多結晶構造の模式斜視図である。該多結晶構造には、多結晶領域内に部分的なアモルファス領域を含む多結晶−アモルファス混合領域の構造物も包含される。該カラム条結晶は、各カラム毎において、膜厚方向で(001)結晶面が優先的に配向した単結晶であることが好ましい。また、該カラム状単結晶の平均的な直径は、好ましくは10nm以下であり、より好ましくは2nm乃至5nmの範囲であり、その膜厚は、好ましくは10nm以下であり、より好ましくは0.5nm乃至5nmの範囲である。 FIG. 6 is a schematic perspective view of a polycrystalline structure composed of aggregates 61 of columnar crystals 62 of Mg oxide used as a tunnel barrier layer. The polycrystalline structure also includes a structure of a polycrystalline-amorphous mixed region including a partial amorphous region in the polycrystalline region. The column crystal is preferably a single crystal in which (001) crystal planes are preferentially oriented in the film thickness direction for each column. The average diameter of the columnar single crystal is preferably 10 nm or less, more preferably in the range of 2 nm to 5 nm, and the film thickness is preferably 10 nm or less, more preferably 0.5 nm. It is in the range of 5 nm.

次に、本発明の磁気抵抗素子の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、以下の工程を有する。第一工程:スパッタリング法を用いて、反強磁性層を成膜する。第二工程:スパッタリング法を用いて、前記反強磁性層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上にB含有の非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化固定層を成膜する。第三工程:スパッタリング法を用いて、前記磁化固定層の上に、Mg酸化物の結晶層からなるトンネルバリア層を成膜する。第四工程:スパッタリング法を用いて、前記トンネルバリア層の上に、アモルファス構造の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上にB含有の非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化自由層を成膜する。第五工程:前記第四工程終了後、磁化固定層の磁場を固定するために、ランプヒータ装置や超音波加熱装置等のヒータを用いたアニーリング処理を施し、このアニーリング時に、アモルファス構造の強磁性体層から結晶構造の強磁性体層に変換することが出来る。これによって、MR比を大幅に改善することができた。 Next, the manufacturing method of the magnetoresistive element of this invention is demonstrated. The manufacturing method of the present invention includes the following steps. First step: An antiferromagnetic layer is formed by sputtering. Second step: A sputtering method is used to form an amorphous ferromagnetic layer on the antiferromagnetic layer, and a B-containing nonmagnetic metal layer is formed on the ferromagnetic layer. A ferromagnetic layer having an amorphous structure is formed on the nonmagnetic metal layer, and a magnetization fixed layer formed of a multilayer film composed of a plurality of these layers is formed. Third step: A sputtering method is used to form a tunnel barrier layer made of a crystalline layer of Mg oxide on the magnetization fixed layer. Fourth step: Using a sputtering method, a ferromagnetic layer having an amorphous structure is formed on the tunnel barrier layer, and a non-magnetic metal layer containing B is formed on the ferromagnetic layer. A ferromagnetic layer having an amorphous structure is formed on the nonmagnetic metal layer, and a magnetization free layer formed of a multilayer film composed of a plurality of these layers is formed. Fifth step: After the fourth step, an annealing process using a heater such as a lamp heater device or an ultrasonic heating device is applied to fix the magnetic field of the magnetization fixed layer. The body layer can be converted to a crystalline ferromagnetic layer. As a result, the MR ratio could be greatly improved.

本発明で用いられるアニーリング工程は、200℃乃至300℃(好ましくは、230℃乃至250℃)で、1時間乃至6時間(好ましくは、2時間乃至5時間)で実施される。このアニーリング工程の温度及び加熱時間に応じて、生成される結晶の結晶化度を変化させることができる。本発明では、結晶化度を対全体積当り90%以上とすることができ、特に、結晶化度100%とすることができる。 The annealing process used in the present invention is performed at 200 ° C. to 300 ° C. (preferably 230 ° C. to 250 ° C.) for 1 hour to 6 hours (preferably 2 hours to 5 hours). Depending on the temperature and heating time of the annealing step, the crystallinity of the produced crystal can be changed. In the present invention, the crystallinity can be 90% or more per total volume, and in particular, the crystallinity can be 100%.

本発明に係る前記第三工程は、Mg酸化物から成るターゲットを用いたスパッタリングによって、Mg酸化物の結晶層を成膜する工程が好ましい。特に、該ターゲットと酸化性ガスを用いた反応性スパッタリングが好ましく、該酸化性ガスとしては、酸素ガス、オゾンガス、水蒸気等が好ましく用いられる。 又、本発明では、前記第三工程において、Mg酸化物から成るターゲットに変えて、金属Mgターゲットを用いることができる。このスパッタリングによって成膜した金属Mg層は、酸素ガス、オゾンガス又は水蒸気等の酸化性ガス下で、金属Mgを酸化することによってMg酸化物層を得ることができる。 又、上記Mg酸化物層中には、微量のBを含有させることができる。 The third step according to the present invention is preferably a step of forming a crystalline layer of Mg oxide by sputtering using a target made of Mg oxide. In particular, reactive sputtering using the target and an oxidizing gas is preferable. As the oxidizing gas, oxygen gas, ozone gas, water vapor or the like is preferably used. In the present invention, in the third step, a metal Mg target can be used instead of the target made of Mg oxide. The metal Mg layer formed by sputtering can obtain an Mg oxide layer by oxidizing metal Mg under an oxidizing gas such as oxygen gas, ozone gas or water vapor. The Mg oxide layer can contain a trace amount of B.

次に、本発明の磁気抵抗素子の別の製造方法について説明する。本発明の別の製造方法は、以下の工程を有する。第一工程:スパッタリング法を用いて、反強磁性層を成膜する。第二工程:スパッタリング法を用いて、前記反強磁性層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上に非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造で、B含有の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化固定層を成膜する。第三工程:スパッタリング法を用いて、前記磁化固定層の上に、Mg酸化物の結晶層からなるトンネルバリア層を成膜する。第四工程:スパッタリング法を用いて、前記トンネルバリア層の上に、アモルファス構造で、B含有の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上に非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化自由層を成膜する。第五工程:前記第四工程終了後、磁化固定層の磁場を固定するために、ランプヒータ装置や超音波加熱装置等のヒータを用いたアニーリング処理(200℃乃至300℃、好ましくは、230℃乃至250℃で、1時間乃至6時間、好ましくは、2時間乃至5時間)を施し、このアニーリング時に、アモルファス構造の強磁性体層から結晶構造の強磁性体層に変換する。第六工程:前記第五工程終了後、強磁性体層中のBが非磁性金属層まで固相拡散するに十分なアニーリング(温度340℃以上、好ましくは、350℃〜360℃の高温下、数分〜数時間、好ましくは30分〜2時間)処理を施す。 Next, another method for manufacturing the magnetoresistive element of the present invention will be described. Another manufacturing method of the present invention includes the following steps. First step: An antiferromagnetic layer is formed by sputtering. Second step: Using a sputtering method, a ferromagnetic layer having an amorphous structure is formed on the antiferromagnetic layer, a nonmagnetic metal layer is formed on the ferromagnetic layer, and the nonmagnetic metal is formed. On the layer, a B-containing ferromagnetic layer having an amorphous structure is formed, and a magnetization fixed layer formed of a multilayer film composed of a plurality of these layers is formed. Third step: A sputtering method is used to form a tunnel barrier layer made of a crystalline layer of Mg oxide on the magnetization fixed layer. Fourth step: A sputtering method is used to form a B-containing ferromagnetic layer having an amorphous structure on the tunnel barrier layer, and a nonmagnetic metal layer is formed on the ferromagnetic layer. Then, a ferromagnetic layer having an amorphous structure is formed on the nonmagnetic metal layer, and a magnetization free layer formed of a multilayer film composed of a plurality of these layers is formed. Fifth step: After completion of the fourth step, an annealing process (200 ° C. to 300 ° C., preferably 230 ° C.) using a heater such as a lamp heater device or an ultrasonic heating device to fix the magnetic field of the magnetization fixed layer. At 250 ° C. for 1 hour to 6 hours, preferably 2 hours to 5 hours), during this annealing, the amorphous structure ferromagnetic layer is converted to a crystalline structure ferromagnetic layer. Sixth step: After completion of the fifth step, annealing sufficient for solid-phase diffusion of B in the ferromagnetic layer to the nonmagnetic metal layer (at a temperature of 340 ° C. or higher, preferably at a high temperature of 350 ° C. to 360 ° C., (Several minutes to several hours, preferably 30 minutes to 2 hours).

以下に、本発明の好適な実施形態を挙げてより詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

図1は、本発明の磁気抵抗素子10の積層構造の一例を示し、TMR素子12を用いた磁気抵抗素子10の積層構造を示している。この磁気抵抗素子10によれば、基板11の上にTMR素子12を用い、このTMR素子12を含め、例えば、9層の多層膜が形成されている。この9層の多層膜では、最下層の第1層(Ta層)から最上層の第9層(Ru層)に向かった多層膜構造体となっている。具体的には、PtMn層、CoFe層、非磁性BRu合金層、CoFe合金層、非磁性Mg酸化物層、CoFe合金層、非磁性BTa合金層及び非磁性Ru層の順序で磁性層及び非磁性層が積層されている。尚、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位はnmである。当該厚みは一例であって、これに限定されるものではない。また、PtMn層はPtとMnを含有する合金層である。 FIG. 1 shows an example of the laminated structure of the magnetoresistive element 10 of the present invention, and shows the laminated structure of the magnetoresistive element 10 using the TMR element 12. According to the magnetoresistive element 10, a TMR element 12 is used on a substrate 11, and for example, a multilayer film including nine layers is formed including the TMR element 12. This nine-layered multilayer film has a multilayered film structure that is directed from the lowermost first layer (Ta layer) to the uppermost ninth layer (Ru layer). Specifically, a magnetic layer and a nonmagnetic layer in the order of a PtMn layer, a CoFe layer, a nonmagnetic BRu alloy layer, a CoFe alloy layer, a nonmagnetic Mg oxide layer, a CoFe alloy layer, a nonmagnetic BTa alloy layer, and a nonmagnetic Ru layer. Layers are stacked. In addition, the numerical value in the bracket | parenthesis of each layer shows the thickness of each layer, and a unit is nm. The said thickness is an example and is not limited to this. The PtMn layer is an alloy layer containing Pt and Mn.

図1において、11は、ウエハー基板、ガラス基板やサファイヤ基板などの基板である。12はTMR素子で、第一強磁性体層121、トンネルバリア層122及び第二強磁性体層123によって構成されている。13は第1層(Ta層)の下電極層(下地層)であり、14は第2層(PtMn層)の反強磁性体層である。15は第3層(CoFe層)の強磁性体層で、16は第4層(BRu合金層)の交換結合用非磁性体金属層で、121は第5層(結晶性CoFe合金層)の強磁性体層で、これら第3層、第4層及び第5層とから成る層が磁化固定層19である。実質的な磁化固定層19は、第5層の結晶性CoFe合金層から成る強磁性体層121であり、本発明に係る前記第一強磁性体層に相当する。 In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a substrate such as a wafer substrate, a glass substrate, or a sapphire substrate. A TMR element 12 includes a first ferromagnetic layer 121, a tunnel barrier layer 122, and a second ferromagnetic layer 123. Reference numeral 13 denotes a lower electrode layer (underlayer) of the first layer (Ta layer), and reference numeral 14 denotes an antiferromagnetic material layer of the second layer (PtMn layer). 15 is a ferromagnetic layer of the third layer (CoFe layer), 16 is a nonmagnetic metal layer for exchange coupling of the fourth layer (BRu alloy layer), and 121 is a fifth layer (crystalline CoFe alloy layer). The ferromagnetic layer, which is composed of the third layer, the fourth layer, and the fifth layer, is the magnetization fixed layer 19. The substantial magnetization fixed layer 19 is a ferromagnetic layer 121 made of a fifth crystalline CoFe alloy layer, and corresponds to the first ferromagnetic layer according to the present invention.

122は、第6層(多結晶Mg酸化物)のトンネルバリア層で、絶縁層である。本発明に係るトンネルバリア層122は、単一の多結晶BMg酸化物層であってもよい。 Reference numeral 122 denotes a tunnel barrier layer of a sixth layer (polycrystalline Mg oxide), which is an insulating layer. The tunnel barrier layer 122 according to the present invention may be a single polycrystalline BMg oxide layer.

図7は、本発明の別のTMR素子12の例である。図8中の符号12、121、122及び123は、図1と同一部材である。本例では、トンネルバリア層122は、Mg酸化物層72、並びに、該層72の両側の金属Mg層71及び73からなる積層膜である。また、本発明では、上述の層71の使用を省略し、層72を結晶性強磁性体層123に隣接配置することができ、又は上述の層73の使用を省略し、層72を第二強磁性体層121に隣接配置することができる。 FIG. 7 is an example of another TMR element 12 of the present invention. Reference numerals 12, 121, 122, and 123 in FIG. 8 are the same members as in FIG. In this example, the tunnel barrier layer 122 is a laminated film including the Mg oxide layer 72 and the metal Mg layers 71 and 73 on both sides of the layer 72. In the present invention, the use of the above-described layer 71 can be omitted, and the layer 72 can be disposed adjacent to the crystalline ferromagnetic layer 123. Alternatively, the use of the above-described layer 73 can be omitted, and the layer 72 can be replaced with the second layer 72. The ferromagnetic layer 121 can be disposed adjacent to the ferromagnetic layer 121.

図1において、123は、第7層(CoFe合金層)の結晶性強磁性体層であり、磁化自由層であり、本発明に係る前記第二強磁性体層に相当する。第7層123は、上記の他に、カラム状結晶の集合体からなる多結晶NiFeを用いた結晶性強磁性体層であってもよい。磁化自由層の強磁性体層123は、MRAMとしての適用時には、記録層として機能することが出来る。 In FIG. 1, reference numeral 123 denotes a seventh layer (CoFe alloy layer) crystalline ferromagnetic layer, which is a magnetization free layer and corresponds to the second ferromagnetic layer according to the present invention. In addition to the above, the seventh layer 123 may be a crystalline ferromagnetic layer using polycrystalline NiFe made of an aggregate of columnar crystals. The ferromagnetic layer 123 of the magnetization free layer can function as a recording layer when applied as an MRAM.

結晶性強磁性体層121と123とは、中間に位置するトンネルバリア層122と隣接させて設けることが好ましい。製造装置においては、これら3層は、真空を破ることなく、順次、積層される。 The crystalline ferromagnetic layers 121 and 123 are preferably provided adjacent to the tunnel barrier layer 122 located in the middle. In the manufacturing apparatus, these three layers are sequentially laminated without breaking the vacuum.

17は、第8層(BTa合金層)の非磁性金属層であり、電極としても機能させることができる。18第(9層のRu層)は、層13、層14、層15、層16、層121、層122、層123及び層17からなる多層膜をドライエッチングによるパターン形成時に用いた時のハードマスク層である。この第9層のハードマスクは、磁気抵抗素子から除去されていてもよい。 Reference numeral 17 denotes a nonmagnetic metal layer of an eighth layer (BTa alloy layer), which can also function as an electrode. The 18th (9th Ru layer) is hard when a multilayer film composed of layer 13, layer 14, layer 15, layer 16, layer 121, layer 122, layer 123 and layer 17 is used for pattern formation by dry etching. It is a mask layer. The ninth layer hard mask may be removed from the magnetoresistive element.

上記磁化固定層のうちの第5層である強磁性体層121(CoFe合金層)とトンネルバリア層122である第6層(多結晶Mg酸化物層)と磁化自由層である第7層の強磁性体層123(CoFe合金層)とによって、TMR素子12が形成される。 The ferromagnetic layer 121 (CoFe alloy layer) which is the fifth layer of the magnetization fixed layer, the sixth layer (polycrystalline Mg oxide layer) which is the tunnel barrier layer 122, and the seventh layer which is the magnetization free layer The TMR element 12 is formed by the ferromagnetic layer 123 (CoFe alloy layer).

トンネルバリア層層122(Mg酸化物層)、結晶性強磁性体層121(CoFe合金層)及び結晶性強磁性体層123は、前述の図6に図示したカラム状結晶構造61を有することが好ましい。 The tunnel barrier layer 122 (Mg oxide layer), the crystalline ferromagnetic layer 121 (CoFe alloy layer), and the crystalline ferromagnetic layer 123 may have the columnar crystal structure 61 illustrated in FIG. preferable.

次に、図2を参照して、上記の積層構造を有する磁気抵抗素子10を製造する装置と製造方法を説明する。図2は磁気抵抗素子10を製造する装置の概略的な平面図であり、本装置は複数の磁性層及び非磁性層を含む多層膜を作製することのできる装置であり、量産型スパッタリング成膜装置である。 Next, with reference to FIG. 2, an apparatus and a manufacturing method for manufacturing the magnetoresistive element 10 having the above laminated structure will be described. FIG. 2 is a schematic plan view of an apparatus for manufacturing the magnetoresistive element 10, which is an apparatus capable of producing a multilayer film including a plurality of magnetic layers and a nonmagnetic layer, and is a mass production type sputtering film formation. Device.

図2に示された磁性多層膜作製装置200は、クラスタ型製造装置であり、スパッタリング法に基づく3つの成膜チャンバを備えている。本装置200では、ロボット搬送装置(不図示)を備える搬送チャンバ202が中央位置に設置している。磁気抵抗素子製造のための製造装置200の搬送チャンバ202には、2つのロードロック・アンロードロックチャンバ205及び206が設けられ、それぞれにより基板(例えば、シリコン基板)11の搬入及び搬出が行われる。これらのロードロック・アンロードロックチャンバ205及び206を交互に、基板の搬入搬出を実施することによって、タクトタイムを短縮させ、生産性よく磁気抵抗素子を作製できる構成となっている。 The magnetic multilayer film manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 2 is a cluster type manufacturing apparatus and includes three film forming chambers based on a sputtering method. In this apparatus 200, a transfer chamber 202 provided with a robot transfer apparatus (not shown) is installed at a central position. Two load lock / unload lock chambers 205 and 206 are provided in the transfer chamber 202 of the manufacturing apparatus 200 for manufacturing the magnetoresistive element, and the substrate (for example, silicon substrate) 11 is carried in and out, respectively. . By alternately loading and unloading the substrate between these load lock / unload lock chambers 205 and 206, the tact time is shortened and a magnetoresistive element can be manufactured with high productivity.

磁気抵抗素子製造のための製造装置200では、搬送チャンバ202の周囲に、3つの成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ201A乃至201Cと、1つのエッチングチャンバ203とが設けられている。エッチングチャンバ203では、TMR素子10の所要表面をエッチング処理する。各チャンバ201A乃至201C及び203と搬送チャンバ202との間には、開閉自在なゲートバルブ204が設けられている。尚、各チャンバ201A乃至201C及び202には、
不図示の真空排気機構、ガス導入機構、電力供給機構などが付設されている。成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ201A乃至201Cは、高周波スパッタリング法を用いて、基板11の上に、真空を破らずに、前述した第1層から第9層までの各膜を順次に堆積することができる。
In the manufacturing apparatus 200 for manufacturing a magnetoresistive element, three film forming magnetron sputtering chambers 201 </ b> A to 201 </ b> C and one etching chamber 203 are provided around a transfer chamber 202. In the etching chamber 203, a required surface of the TMR element 10 is etched. A gate valve 204 that can be opened and closed is provided between each of the chambers 201A to 201C and 203 and the transfer chamber 202. Each chamber 201A to 201C and 202 includes
A vacuum exhaust mechanism, a gas introduction mechanism, a power supply mechanism, and the like (not shown) are attached. The film forming magnetron sputtering chambers 201A to 201C can sequentially deposit the above-described first to ninth layers on the substrate 11 without breaking the vacuum using a high-frequency sputtering method. it can.

成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ201A乃至201Cの天井部には、それぞれ、適当な円周の上に配置された4基または5基のカソード31乃至35、41乃至45、51乃至54が配置される。さらに当該円周と同軸上に位置する基板ホルダ上に基板11が配置される。また、上記カソード31乃至35、41乃至45、51乃至54に装着したターゲットの背後にマグネットを配置したマグネトロンスパッタリング装置とするのが好ましい。 Four or five cathodes 31 to 35, 41 to 45, 51 to 54 are arranged on an appropriate circumference on the ceiling of the magnetron sputtering chambers 201A to 201C for film formation. Further, the substrate 11 is disposed on a substrate holder located coaxially with the circumference. Further, a magnetron sputtering apparatus in which a magnet is disposed behind the targets mounted on the cathodes 31 to 35, 41 to 45, 51 to 54 is preferable.

上記装置においては、電力投入手段207A乃至207Cから、上記カソード31乃至35、41乃至45、51乃至54にラジオ周波数(RF周波数)のような高周波電力が印加される。高周波電力としては、0.3MHz乃至10GHzの範囲、好ましくは、5MHz乃至5GHzの範囲の周波数及び10W乃至500Wの範囲、好ましくは、100W乃至300Wの範囲の電力を用いることができる。 In the apparatus, high-frequency power such as a radio frequency (RF frequency) is applied to the cathodes 31 to 35, 41 to 45, 51 to 54 from the power input means 207A to 207C. As the high frequency power, a frequency in the range of 0.3 MHz to 10 GHz, preferably a frequency in the range of 5 MHz to 5 GHz and a power in the range of 10 W to 500 W, preferably in the range of 100 W to 300 W can be used.

上記において、例えば、カソード31にはTaターゲットが、カソード32にはPtMnターゲットが、カソード33にはCoFe合金ターゲットが、カソード34にはCoFe合金ターゲットが、カソード35にはBRu合金ターゲットがそれぞれ装着される。また、カソード41にはMg酸化物ターゲット又はMgターゲットが装着される。Mgターゲットを用いる時は、酸化性ガスとともに反応性スパッタリングを実施するための反応性スパッタリング用チャンバ(不図示)を搬送チャンバ202に接続して実施することができる。 In the above, for example, a Ta target is mounted on the cathode 31, a PtMn target is mounted on the cathode 32, a CoFe alloy target is mounted on the cathode 33, a CoFe alloy target is mounted on the cathode 34, and a BRu alloy target is mounted on the cathode 35. The The cathode 41 is equipped with an Mg oxide target or an Mg target. When using the Mg target, a reactive sputtering chamber (not shown) for performing reactive sputtering together with an oxidizing gas can be connected to the transfer chamber 202.

また、Mgターゲットを用いたスパッタリングにより多結晶金属Mg層を成膜した後、酸化性ガス(例えば、酸素ガス、オゾンガス、水蒸気)を用いた酸化チャンバ(不図示)にて、多結晶Mg酸化物層に化学変化させることができる。 In addition, after forming a polycrystalline metal Mg layer by sputtering using an Mg target, the polycrystalline Mg oxide is formed in an oxidation chamber (not shown) using an oxidizing gas (for example, oxygen gas, ozone gas, water vapor). Chemical changes can be made to the layer.

カソード51にはCoFe合金ターゲットが、カソード52にはBTa合金ターゲットが、カソード53にはBRu合金ターゲットが装着される。また、カソード54は、ターゲットを未装着とするか、又は、CoFe合金ターゲット、Taターゲット、又はRuターゲットをリザーブ用として適宜装着することができる。 A CoFe alloy target is mounted on the cathode 51, a BTa alloy target is mounted on the cathode 52, and a BRu alloy target is mounted on the cathode 53. Further, the cathode 54 can be unmounted with a target, or can be appropriately mounted with a CoFe alloy target, Ta target, or Ru target for reserve.

上記カソード31乃至35、41乃至45、並びに、51乃至54に装着した各ターゲットの各面内方向と基板の面内方向とは、互いに、非平行に配置することが好ましい。該非平行な配置を用いることによって、基板径より小径のターゲットを回転させながらスパッタリングすることによって、高効率で、且つ、ターゲット組成と同一組成の磁性膜及び非磁性膜を堆積させることができる。 The in-plane directions of the targets mounted on the cathodes 31 to 35, 41 to 45, and 51 to 54 are preferably arranged non-parallel to the in-plane direction of the substrate. By using the non-parallel arrangement, sputtering can be performed while rotating a target having a diameter smaller than the substrate diameter, so that a magnetic film and a nonmagnetic film having the same composition as the target composition can be deposited.

上記非平行な配置は、例えば、ターゲット中心軸と基板中心軸との交差角を45°以下、好ましくは5°乃至30°となる様に、両者を非平行に配置することができる。また、この時の基板は、10rpm乃至500rpmの回転速度、好ましくは、50rpm乃至200rpmの回転速度を用いることができる。 In the non-parallel arrangement, for example, they can be arranged non-parallel so that the crossing angle between the target central axis and the substrate central axis is 45 ° or less, preferably 5 ° to 30 °. Further, the substrate at this time can use a rotation speed of 10 rpm to 500 rpm, preferably a rotation speed of 50 rpm to 200 rpm.

図3は、本発明に用いられる成膜装置のブロック図である。図中、301は図2中の搬送チャンバ202に相当する搬送チャンバ、302は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ201Aに相当する成膜チャンバ、303は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ201Bに相当する成膜チャンバである。また、304は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ201Cに相当する成膜チャンバ、305はロードロック・アンロードロックチャンバ205及び206に相当するロードロック・アンロードロックチャンバである。さらに、306は記憶媒体312を内蔵した中央演算器(CPU)である。符号309乃至311は、CPU306と各処理チャンバ301乃至305とを接続するバスラインで、各処理チャンバ301乃至305の動作を制御する制御信号がCPU306より各処理チャンバ301乃至305に送信される。 FIG. 3 is a block diagram of a film forming apparatus used in the present invention. In the figure, 301 is a transfer chamber corresponding to the transfer chamber 202 in FIG. 2, 302 is a film forming chamber corresponding to the film forming magnetron sputtering chamber 201A, and 303 is a film forming chamber corresponding to the film forming magnetron sputtering chamber 201B. is there. Reference numeral 304 denotes a film forming chamber corresponding to the film forming magnetron sputtering chamber 201C, and reference numeral 305 denotes a load lock / unload lock chamber corresponding to the load lock / unload lock chambers 205 and 206. Reference numeral 306 denotes a central processing unit (CPU) having a built-in storage medium 312. Reference numerals 309 to 311 denote bus lines that connect the CPU 306 and the processing chambers 301 to 305, and control signals for controlling the operations of the processing chambers 301 to 305 are transmitted from the CPU 306 to the processing chambers 301 to 305.

本発明の磁気抵抗素子の製造においては、例えば、ロードロック・アンロードロックチャンバ305内の基板(図示せず)は搬送チャンバ301に搬出される。この基板搬出工程は、CPU306が記憶媒体312に記憶させた制御プログラムに基づいて演算する。そして、この演算結果に基づく制御信号が、バスライン307及び311を通して、ロードロック・アンロードロックチャンバ305及び搬送チャンバ301に搭載した各種装置の実行を制御することによって実施される。上記各種装置としては、例えば、不図示のゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等が挙げられ、記憶媒体312が前述した本発明の記憶媒体に相当する。 In the manufacture of the magnetoresistive element of the present invention, for example, a substrate (not shown) in the load lock / unload lock chamber 305 is carried out to the transfer chamber 301. This substrate unloading step is calculated based on a control program stored in the storage medium 312 by the CPU 306. A control signal based on the calculation result is executed by controlling the execution of various devices mounted in the load lock / unload lock chamber 305 and the transfer chamber 301 through the bus lines 307 and 311. Examples of the various devices include a gate valve (not shown), a robot mechanism, a transport mechanism, and a drive system, and the storage medium 312 corresponds to the storage medium of the present invention described above.

搬送チャンバ301に搬送された基板は、成膜チャンバ302に搬出される。成膜チャンバ302に搬入された基板は、ここで、図1の第1層13、第2層14、第3層15、第4層16及び第5層121が順次積層される。この段階での第5層121のCoFe合金層は、好ましくはアモルファス構造となっているが、多結晶構造であってもよい。 The substrate transferred to the transfer chamber 301 is transferred to the film formation chamber 302. Here, the first layer 13, the second layer 14, the third layer 15, the fourth layer 16, and the fifth layer 121 of FIG. 1 are sequentially stacked on the substrate carried into the deposition chamber 302. The CoFe alloy layer of the fifth layer 121 at this stage preferably has an amorphous structure, but may have a polycrystalline structure.

上記積層プロセスは、CPU306内で、記憶媒体312に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン307,308を通して搬送チャンバ301及び成膜チャンバ302に搭載した各種装置の実行を制御することで実施される。係る各種装置としては、例えば、不図示のカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等が挙げられる。 In the stacking process, control signals calculated based on the control program stored in the storage medium 312 in the CPU 306 execute various apparatuses mounted on the transfer chamber 301 and the film forming chamber 302 through the bus lines 307 and 308. Implemented by controlling. Examples of such various devices include a power supply mechanism to a cathode (not shown), a substrate rotation mechanism, a gas introduction mechanism, an exhaust mechanism, a gate valve, a robot mechanism, a transport mechanism, and a drive system.

上記第5層までの積層膜を持った基板は、一旦、搬送チャンバ301に戻され、その後成膜チャンバ303に搬入される。成膜チャンバ303内で、上記第5層121のアモルファスCoFe合金層の上に、第6層122として、多結晶Mg酸化物層の成膜を実行する。第6層122の成膜は、CPU306内で、記憶媒体312に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン307,309を通して、搬送チャンバ301及び成膜チャンバ303に搭載した各種装置の実行を制御することで実施される。上記各種装置としては、例えば、不図示のカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等が挙げられる。 The substrate having the laminated film up to the fifth layer is once returned to the transfer chamber 301 and then transferred into the film formation chamber 303. In the film forming chamber 303, a polycrystalline Mg oxide layer is formed as the sixth layer 122 on the amorphous CoFe alloy layer of the fifth layer 121. In the film formation of the sixth layer 122, a control signal calculated based on the control program stored in the storage medium 312 in the CPU 306 is mounted on the transfer chamber 301 and the film formation chamber 303 through the bus lines 307 and 309. Implemented by controlling the execution of various devices. Examples of the various devices include a power input mechanism to a cathode (not shown), a substrate rotation mechanism, a gas introduction mechanism, an exhaust mechanism, a gate valve, a robot mechanism, a transport mechanism, and a drive system.

上記第6層122まで積層した基板は、再度、一旦、搬送チャンバ301に戻され、その後成膜チャンバ304に搬入される。成膜チャンバ304内で、上記第6層122の多結晶Mg酸化物層の上に、第7層123、第8層17及び第9層18が順次積層される。この段階での第7層123のCoFe合金層は、好ましくは、アモルファス構造となっているが、多結晶構造であってもよい。 The substrate stacked up to the sixth layer 122 is once again returned to the transfer chamber 301 and then transferred into the film formation chamber 304. In the deposition chamber 304, the seventh layer 123, the eighth layer 17, and the ninth layer 18 are sequentially stacked on the polycrystalline Mg oxide layer of the sixth layer 122. The CoFe alloy layer of the seventh layer 123 at this stage preferably has an amorphous structure, but may have a polycrystalline structure.

第9層までの積層は、CPU306内で、記憶媒体312に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン307,310を通して、搬送チャンバ301及び成膜チャンバ304に搭載した各種装置の実行を制御することで実施される。上記各種装置としては、例えば、不図示のカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等が挙げられる。 In the stacking up to the ninth layer, various control signals calculated based on the control program stored in the storage medium 312 in the CPU 306 are mounted on the transfer chamber 301 and the film forming chamber 304 through the bus lines 307 and 310. This is done by controlling the execution of the device. Examples of the various devices include a power input mechanism to a cathode (not shown), a substrate rotation mechanism, a gas introduction mechanism, an exhaust mechanism, a gate valve, a robot mechanism, a transport mechanism, and a drive system.

本発明の記憶媒体312としては、前述したように、ハードディスク媒体、光磁気ディスク媒体、フレキシブルディスク媒体、フラッシュメモリやMRAM等の不揮発性メモリ全般を挙げることができ、プログラム格納可能な媒体を含むものである。 Examples of the storage medium 312 of the present invention include hard disk media, magneto-optical disk media, flexible disk media, and non-volatile memories such as flash memory and MRAM as described above, and include media that can store programs. .

上記第5層121及び第7層123のアモルファスCoFe合金層のアニーリングによる多結晶化を促す、及び、第2層14のPtMn層の磁気付与を促すために、第1層乃至第9層からなる積層膜をアニーリング炉(不図示)に搬入することができる。 In order to promote polycrystallization by annealing the amorphous CoFe alloy layers of the fifth layer 121 and the seventh layer 123, and to promote the magnetic application of the PtMn layer of the second layer 14, the first layer to the ninth layer are formed. The laminated film can be carried into an annealing furnace (not shown).

上記記憶媒体312には、アニーリング炉での工程を実施するための制御プログラムが記憶されている。よって、該制御プログラムに基づく、CPU306の演算により得た制御信号によって、アニーリング炉内の各種装置(例えば、不図示のヒータ機構、排気機構、搬送機構等)を制御し、アニーリング工程を実行することができる。 The storage medium 312 stores a control program for performing the process in the annealing furnace. Therefore, various devices in the annealing furnace (for example, a heater mechanism, an exhaust mechanism, a transport mechanism, etc., not shown) are controlled by the control signal obtained by the calculation of the CPU 306 based on the control program, and the annealing process is executed. Can do.

また、本発明では、上記第5層121及び第7層123として、上述のCoFe合金層に換えて他の合金層を用いることができる。具体的には、CoFeB層、CoFeTaZr層、CoTaZr層、CoFeNbZr層、CoFeZr層、FeTaC層、FeTaN層、又はFeC層などの多結晶強磁性体層を用いることができる。 In the present invention, as the fifth layer 121 and the seventh layer 123, other alloy layers can be used instead of the above-mentioned CoFe alloy layer. Specifically, a polycrystalline ferromagnetic layer such as a CoFeB layer, a CoFeTaZr layer, a CoTaZr layer, a CoFeNbZr layer, a CoFeZr layer, a FeTaC layer, a FeTaN layer, or a FeC layer can be used.

本発明では、上記第4層16のBRu層に換えて、BRh層又はBIr層などのBを含有した非磁性遷移金属を用いても、同様の効果が得られたが、これらの他に、Bを含有した、Ti、V、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Hf、Ta、W、Ta、Te及びからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を用いても、同様の効果が得られた。 また、本発明では、第4層16中のBの含有量は、10atomic%〜40atomic%の範囲に設定することができる。 また、上記第8層17のBTa合金層に換えて、Bを含有したRu、Rh、Ir、Y、Ti、Zr、Hf、V、Mo、W、Te、Ta及びRuからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を用いても、同様の効果が得られた。 また、本発明では、第8層17中のBの含有量は、10atomic%〜40atomic%の範囲に設定することができる。 In the present invention, the same effect was obtained even when a nonmagnetic transition metal containing B such as a BRh layer or a BIr layer was used instead of the BRu layer of the fourth layer 16, but in addition to these, Even if at least one selected from the group of non-magnetic transition metals comprising B, Ti, V, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Hf, Ta, W, Ta, Te and the like is used. The effect of was obtained. In the present invention, the B content in the fourth layer 16 can be set in the range of 10 atomic% to 40 atomic%. Further, in place of the BTa alloy layer of the eighth layer 17, a nonmagnetic transition metal comprising Ru, Rh, Ir, Y, Ti, Zr, Hf, V, Mo, W, Te, Ta and Ru containing B The same effect was obtained even when at least one selected from the group was used. In the present invention, the B content in the eighth layer 17 can be set in the range of 10 atomic% to 40 atomic%.

さらに、本発明では、上記第2層14のPtMn層に換えて、IrMn層、IrMnCr層、NiMn層、PdPtMn層、RuRhMn層やOsMn層等の各合金層が好ましく用いられる。又、その膜厚は、10乃至30nmが好ましい。 Furthermore, in the present invention, each alloy layer such as an IrMn layer, an IrMnCr layer, a NiMn layer, a PdPtMn layer, a RuRhMn layer, or an OsMn layer is preferably used instead of the PtMn layer of the second layer 14. The film thickness is preferably 10 to 30 nm.

本発明では、上記第5層121は、多結晶CoFe合金層と多結晶CoFeB層(基板側に位置させる)からなる積層膜とすることができる。 In the present invention, the fifth layer 121 can be a laminated film including a polycrystalline CoFe alloy layer and a polycrystalline CoFeB layer (located on the substrate side).

図4は、本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子として用いたMRAM401の模式図である。MRAM401において、402は本発明のメモリ素子、403はワード線、404はビット線である。多数のメモリ素子402のそれぞれは、複数のワード線403と複数のビット線404の各交点位置に配置され、格子状の位置関係に配置される。多数のメモリ素子402のそれぞれが1ビットの情報を記憶することができる。 FIG. 4 is a schematic diagram of an MRAM 401 using the magnetoresistive element of the present invention as a memory element. In the MRAM 401, 402 is a memory element of the present invention, 403 is a word line, and 404 is a bit line. Each of the large number of memory elements 402 is arranged at each intersection position of a plurality of word lines 403 and a plurality of bit lines 404, and is arranged in a lattice-like positional relationship. Each of the large number of memory elements 402 can store 1-bit information.

図5は、MRAM401のワード線403とビット線404の交点位置において、1ビットの情報を記憶するTMR素子10と、スイッチ機能を有するトランジスタ501とで構成した等価回路図である。 FIG. 5 is an equivalent circuit diagram including the TMR element 10 that stores 1-bit information and the transistor 501 having a switch function at the intersection of the word line 403 and the bit line 404 of the MRAM 401.

図1に示した磁気抵抗素子を図2に示した成膜装置を用いて作製した。主要部であるTMR素子12の成膜条件は以下の通りである。 The magnetoresistive element shown in FIG. 1 was produced using the film forming apparatus shown in FIG. The film forming conditions of the TMR element 12 which is the main part are as follows.

強磁性体層121はCoFe組成比(atomic:原子比)60/40のターゲットを用い、Arガス圧力0.03Paで、マグネトロンDCスパッタ(チャンバ201A)により成膜した。続いて、スパッタリング装置(チャンバ201B)に換えた。MgO組成比(atomic:原子比)50/50のターゲットを用い、スパッタガスの圧力は好適範囲0.01乃至0.4Paの圧力範囲のうち、0.2Paとした。この条件で、マグネトロンRFスパッタリング(13.56MHz)により、第6層のMg酸化物層であるトンネルバリア層122を成膜した。この際、Mg酸化物層(トンネルバリア層122)は、カラム状結晶の集合体よりなる多結晶構造であった。また、この時のマグネトロンRFスパッタリング(13.56MHz)の成膜レートは、0.14nm/secであった。 The ferromagnetic layer 121 was formed by magnetron DC sputtering (chamber 201A) at a Ar gas pressure of 0.03 Pa using a target having a CoFe composition ratio (atomic ratio) of 60/40. Subsequently, the sputtering apparatus (chamber 201B) was changed. A target having an MgO composition ratio (atomic ratio) of 50/50 was used, and the pressure of the sputtering gas was set to 0.2 Pa in the pressure range of 0.01 to 0.4 Pa. Under this condition, a tunnel barrier layer 122 which is a sixth Mg oxide layer was formed by magnetron RF sputtering (13.56 MHz). At this time, the Mg oxide layer (tunnel barrier layer 122) had a polycrystalline structure composed of aggregates of columnar crystals. Further, the deposition rate of magnetron RF sputtering (13.56 MHz) at this time was 0.14 nm / sec.

さらに続けて、スパッタリング装置(チャンバ201C)に換えて、磁化自由層(第7層のCoFe合金層)である強磁性体層123を成膜した。 Subsequently, instead of the sputtering apparatus (chamber 201C), a ferromagnetic layer 123 that is a magnetization free layer (seventh CoFe alloy layer) was formed.

成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ201A乃至201Cのそ
れぞれでスパッタリング成膜を行って積層が完了した磁気抵抗素子10は、熱処理炉において約300℃及び4時間で、8kOeの磁場中で、アニーリング処理を実施した。その結果、アモルファス構造の第5層及び第7層のCoFeB層は、図7に図示したカラム状結晶72の集合体71よりなる多結晶構造となったことが確認された。このアニーリング工程により、磁気抵抗素子10は、TMR効果を持った磁気抵抗素子として作用することができる。また、このアニーリング工程により、第2層のPtMn層である反強磁性体層14には、所定の磁化が付与されていた。
The magnetoresistive element 10 which was formed by performing the sputtering film formation in each of the magnetron sputtering chambers 201A to 201C for film formation was subjected to annealing treatment in a magnetic field of 8 kOe at about 300 ° C. for 4 hours in a heat treatment furnace. . As a result, it was confirmed that the fifth and seventh CoFeB layers having an amorphous structure had a polycrystalline structure composed of aggregates 71 of columnar crystals 72 illustrated in FIG. By this annealing step, the magnetoresistive element 10 can act as a magnetoresistive element having a TMR effect. Also, by this annealing step, predetermined magnetization was imparted to the antiferromagnetic material layer 14 which is the second PtMn layer.

本発明の比較例として、第4層16を金属Ru層に換え、そして第10層17を金属Ta層に変えた他は、同様の磁気抵抗素子を作成した。 As a comparative example of the present invention, a similar magnetoresistive element was prepared except that the fourth layer 16 was replaced with a metal Ru layer and the tenth layer 17 was replaced with a metal Ta layer.

実施例の磁気抵抗素子と比較例の磁気抵抗素子とのMR比を測定し、対比したところ、実施例のMR比は、比較例のMR比の1.2倍乃至1.5倍以上の数値で改善されていた。 The MR ratio of the magnetoresistive element of the example and the magnetoresistive element of the comparative example was measured and compared. As a result, the MR ratio of the example was a numerical value that was 1.2 to 1.5 times the MR ratio of the comparative example. It was improved with.

また、MR比は、外部磁界に応答して磁性膜または磁性多層膜の磁化方向が変化するのに伴って膜の電気抵抗も変化する磁気抵抗効果に関するパラメータで、その電気抵抗の変化率を磁気抵抗変化率(MR比)としたものである。 MR ratio is a parameter related to the magnetoresistive effect in which the electrical resistance of the film also changes as the magnetization direction of the magnetic film or magnetic multilayer film changes in response to an external magnetic field. Resistance change rate (MR ratio).

図8は、本発明のトップ型磁気抵抗素子80の積層構造の一例を示す。TMR素子82を用いた磁気抵抗素子80の積層構造を示し、図1のTMR素子12と同一のものである。この磁気抵抗素子80によれば、基板81の上にTMR素子82を用い、このTMR素子82を含め、例えば、9層の多層膜が形成されている。この9層の多層膜では、最下層の第1層(BTa合金層)83から最上層の第9層(Ru層)88に向かった多層膜構造体となっている。具体的には、CoFe層823、非磁性Mg酸化物層822、CoFe層821、非磁性BRu合金層86、CoFe層85、反強磁性体層PtMn層84、非磁性Ta層87及び非磁性Ru層88の順序で磁性層及び非磁性層が積層されている。尚、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位はnmである。当該厚みは一例であって、これに限定されるものではない。また、反強磁性体層PtMn層はPt原子とMn原子を含有する合金層である。 FIG. 8 shows an example of a laminated structure of the top type magnetoresistive element 80 of the present invention. The laminated structure of the magnetoresistive element 80 using the TMR element 82 is shown and is the same as the TMR element 12 of FIG. According to this magnetoresistive element 80, a TMR element 82 is used on a substrate 81, and for example, a multilayer film of nine layers is formed including the TMR element 82. This nine-layered multilayer film has a multilayered film structure from the lowermost first layer (BTa alloy layer) 83 to the uppermost ninth layer (Ru layer) 88. Specifically, the CoFe layer 823, the nonmagnetic Mg oxide layer 822, the CoFe layer 821, the nonmagnetic BRu alloy layer 86, the CoFe layer 85, the antiferromagnetic material layer PtMn layer 84, the nonmagnetic Ta layer 87, and the nonmagnetic Ru A magnetic layer and a nonmagnetic layer are laminated in the order of the layer 88. In addition, the numerical value in the bracket | parenthesis of each layer shows the thickness of each layer, and a unit is nm. The said thickness is an example and is not limited to this. The antiferromagnetic material layer PtMn layer is an alloy layer containing Pt atoms and Mn atoms.

図8において、81は、ウエハー基板、ガラス基板やサファイヤ基板などの基板である。82はTMR素子で、第一強磁性体層823、トンネルバリア層822及び第二強磁性体層821によって構成されている。83は第1層(BTa層)の合金層で、下電極層(下地層)として用いることができる。84は第7層(PtMn層)の反強磁性体層である。85は第6層(CoFe層)の強磁性体層で、86は第5層(BRu合金層)の交換結合用非磁性体層で、121は第4層結晶性CoFe層)の強磁性体層で、これら第4層821、第5層86及び第6層85とから成る層が磁化固定層89である。実質的な磁化固定層89は、第4層の結晶性CoFe層から成る強磁性体層821であり、本発明に係る前記第二強磁性体層に相当する。 In FIG. 8, reference numeral 81 denotes a substrate such as a wafer substrate, a glass substrate, or a sapphire substrate. A TMR element 82 is constituted by a first ferromagnetic layer 823, a tunnel barrier layer 822, and a second ferromagnetic layer 821. Reference numeral 83 denotes an alloy layer of the first layer (BTa layer), which can be used as a lower electrode layer (underlayer). Reference numeral 84 denotes an antiferromagnetic layer of the seventh layer (PtMn layer). 85 is a ferromagnetic layer of the sixth layer (CoFe layer), 86 is a nonmagnetic layer for exchange coupling of the fifth layer (BRu alloy layer), and 121 is a ferromagnetic body of the fourth crystalline CoFe layer) The layer composed of the fourth layer 821, the fifth layer 86, and the sixth layer 85 is a magnetization fixed layer 89. The substantial magnetization fixed layer 89 is a ferromagnetic layer 821 made of a fourth crystalline CoFe layer, and corresponds to the second ferromagnetic layer according to the present invention.

822は、第3層(多結晶Mg酸化物)のトンネルバリア層で、絶縁層である。本発明に係るトンネルバリア層822は、単一の多結晶BMg酸化物層であってもよい。 また、第2層CoFe層823がCoFeB合金層であり、第4層のCoFe821がCoFeB合金層であっても、図8の素子と同様の効果を奏することができる。 Reference numeral 822 denotes a tunnel barrier layer of a third layer (polycrystalline Mg oxide), which is an insulating layer. The tunnel barrier layer 822 according to the present invention may be a single polycrystalline BMg oxide layer. Further, even when the second layer CoFe layer 823 is a CoFeB alloy layer and the fourth layer CoFe821 is a CoFeB alloy layer, the same effect as that of the element of FIG. 8 can be obtained.

図9は、本発明に係る磁気抵抗素子90の積層構造の一例を示し、TMR素子92を用いた磁気抵抗素子90の積層構造を示している。この磁気抵抗素子90によれば、基板91の上に、このTMR素子92を含め、例えば、12層の多層膜が形成されている。この12層の多層膜では、最下層の第1層(Ta層)から最上層の第12層(Ru層)に向かった多層膜構造体となっている。具体的には、PtMn層94、CoFe層95、非磁性金属層(BRu合金)層961、第一強磁性体層であるCoFe層921、トンネルバリア層である非磁性多結晶Mg酸化物層922が積層されている。さらにその上に、第二強磁性体層である多結晶CoFe層9233、非磁性BTa合金層962、第三強磁性体層である多結晶CoFe層9232及び多結晶NiFe層9231が積層されている。さらにまた、非磁性Ta層97及び非磁性Ru層98がこの順序で積層されている。尚、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位はnmである。当該厚みは一例であって、これに限定されるものではない。   FIG. 9 shows an example of the laminated structure of the magnetoresistive element 90 according to the present invention, and shows the laminated structure of the magnetoresistive element 90 using the TMR element 92. According to the magnetoresistive element 90, for example, a 12-layer multilayer film including the TMR element 92 is formed on the substrate 91. This 12-layer multilayer film has a multilayer film structure from the lowermost first layer (Ta layer) to the uppermost twelfth layer (Ru layer). Specifically, a PtMn layer 94, a CoFe layer 95, a nonmagnetic metal layer (BRu alloy) layer 961, a CoFe layer 921 as a first ferromagnetic layer, and a nonmagnetic polycrystalline Mg oxide layer 922 as a tunnel barrier layer. Are stacked. Furthermore, a polycrystalline CoFe layer 9233 that is a second ferromagnetic layer, a nonmagnetic BTa alloy layer 962, a polycrystalline CoFe layer 9232 that is a third ferromagnetic layer, and a polycrystalline NiFe layer 9231 are stacked thereon. . Furthermore, a nonmagnetic Ta layer 97 and a nonmagnetic Ru layer 98 are stacked in this order. In addition, the numerical value in the bracket | parenthesis of each layer shows the thickness of each layer, and a unit is nm. The said thickness is an example and is not limited to this.

また、本発明では、上述の第一強磁性体層921は、CoFe層と他の強磁性体層(例えば、CoFeB合金、CoFeNi合金等)とを加えた2層以上の積層構造としても良い。   In the present invention, the first ferromagnetic layer 921 may have a laminated structure of two or more layers in which a CoFe layer and another ferromagnetic layer (for example, a CoFeB alloy, a CoFeNi alloy, etc.) are added.

91は、ウエハー基板、ガラス基板やサファイヤ基板などの基板である。   Reference numeral 91 denotes a substrate such as a wafer substrate, a glass substrate, or a sapphire substrate.

92はTMR素子で、多結晶CoFeからなる第一強磁性体層921、トンネルバリア層922、第二強磁性体層9233及び第三強磁性体層9232、9231の積層構造体によって構成されている。トンネルバリア層922は多結晶Mg酸化物層又は多結晶Mg酸化物層を有し、第二強磁性体層9232多結晶CoFe層からなる。第三強磁性体層は多結晶CoFe層9232及び多結晶NiFe層9231の積層膜からなる。   Reference numeral 92 denotes a TMR element, which is composed of a laminated structure of a first ferromagnetic layer 921, a tunnel barrier layer 922, a second ferromagnetic layer 9233, and third ferromagnetic layers 9232 and 9231 made of polycrystalline CoFe. . The tunnel barrier layer 922 has a polycrystalline Mg oxide layer or a polycrystalline Mg oxide layer, and is composed of a second ferromagnetic layer 9232 polycrystalline CoFe layer. The third ferromagnetic layer is composed of a laminated film of a polycrystalline CoFe layer 9232 and a polycrystalline NiFe layer 9231.

上記第二強磁性体層9233と第三強磁性体層9232との間には、Bを含有した非磁性金属からなるからなるBTa合金中間層962が配置される。
また、第2層のPtMn層94がPtMnB合金層であってもよく、第3及び第5層のCoFe層95及びCoFe層921がCoFeB合金層であってもよく、第6層のMgO層922がBMgO合金酸化物層であってもよく、更に第7層のCoFe層9233がCoFeB合金層であっても、図9の素子と同様の効果を奏することができる。
A BTa alloy intermediate layer 962 made of a nonmagnetic metal containing B is disposed between the second ferromagnetic layer 9233 and the third ferromagnetic layer 9232.
Also, the second PtMn layer 94 may be a PtMnB alloy layer, the third and fifth CoFe layers 95 and the CoFe layer 921 may be CoFeB alloy layers, and the sixth MgO layer 922. 9 may be a BMgO alloy oxide layer, and even if the seventh CoFe layer 9233 is a CoFeB alloy layer, the same effects as those of the device of FIG. 9 can be obtained.

また、本発明は、前記中間層16、86、961及び992で用いる非磁性遷移金属としては、Ti、V、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Ta、Ir、Te及びRuからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を挙げることができる。また、本発明は、下地層83で用いる非磁性遷移金属としては、Ti、V、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Ta、Ir、Te及びRuからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を挙げることができる。 また、トンネルバリア層122、822及び922としては、前述の多結晶Mg酸化物層に変えて、B(ボロン)を含有した多結晶Mg酸化物層であっても、同等の効果を奏することができる。 In the present invention, as the nonmagnetic transition metal used in the intermediate layers 16, 86, 961 and 992, Ti, V, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Ta , At least one selected from the group of nonmagnetic transition metals consisting of Ir, Te and Ru. In the present invention, the nonmagnetic transition metal used in the underlayer 83 includes Ti, V, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Ta, Ir, Te, and Ru. And at least one selected from the group of nonmagnetic transition metals. The tunnel barrier layers 122, 822, and 922 may be equivalent to the polycrystalline Mg oxide layer containing B (boron) instead of the polycrystalline Mg oxide layer described above. it can.

10、80、90 磁気抵抗素子 11、81、91 基板 12、82、92 TMR素子 121、821、921 強磁性体層 122、822、922 トンネルバリア層 123、823、9233 強磁性体層(磁化自由層) 13、93 下地層(電極) 83 B(ボロン)含有下地層(電極) 14、84、94 反強磁性層 15、85、95 強磁性体層 16、86、961 非磁性BRu合金層(交換結合用非磁性層) 17 非磁性BTa合金層(電極) 87、97 電極18、88,98 ハードマスク層 19、89、99 磁化固定層 200 磁気抵抗素子作成装置 201A乃至201C 成膜チャンバ 202 搬送チャンバ 203 エッチングチャンバ 204 ゲートバルブ 205,206 ロードロック・アンロードロックチャンバ 31乃至35,41乃至45,51乃至54 カソード 207A乃至207C 電力投入部 301 搬送チャンバ 302乃至304 成膜チャンバ 305 ロードロック・アンロードロックチャンバ 306 中央演算器(CPU) 307乃至311 バスライン 312 記憶媒体 401 MRAM 402 メモリ素子 403 ワード線 404 ビット線 501 トランジスタ 61 カラム状結晶群の集合体 62 カラム状結晶 71 金属Mg層 72 Mg酸化物層 73 金属Mg層 10, 80, 90 Magnetoresistive element 11, 81, 91 Substrate 12, 82, 92 TMR element 121, 821, 921 Ferromagnetic layer 122, 822, 922 Tunnel barrier layer 123, 823, 9233 Ferromagnetic layer (magnetization free) Layer) 13, 93 Underlayer (electrode) 83 B (boron) -containing underlayer (electrode) 14, 84, 94 Antiferromagnetic layer 15, 85, 95 Ferromagnetic layer 16, 86, 961 Nonmagnetic BRu alloy layer ( Non-magnetic layer for exchange coupling) 17 Non-magnetic BTa alloy layer (electrode) 87, 97 Electrode 18, 88, 98 Hard mask layer 19, 89, 99 Magnetization fixed layer 200 Magnetoresistive element creation apparatus 201A to 201C Film formation chamber 202 Transport Chamber 203 Etching chamber 204 Gate valve 205, 206 Load lock / unload Lock chamber 31 to 35, 41 to 45, 51 to 54 Cathode 207A to 207C Power supply unit 301 Transfer chamber 302 to 304 Film forming chamber 305 Load lock / unload lock chamber 306 Central processing unit (CPU) 307 to 311 Bus line 312 Storage medium 401 MRAM 402 Memory element 403 Word line 404 Bit line 501 Transistor 61 Aggregation of columnar crystal group 62 Columnar crystal 71 Metal Mg layer 72 Mg oxide layer 73 Metal Mg layer

Claims (7)

基板、トンネルバリア層、強磁性層及びBを含有した非磁性金属層を有する、ことを特徴とする磁気抵抗素子。   A magnetoresistive element comprising a substrate, a tunnel barrier layer, a ferromagnetic layer, and a nonmagnetic metal layer containing B. 前記非磁性金属層は、非磁性遷移金属を含有する、ことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。   The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the nonmagnetic metal layer contains a nonmagnetic transition metal. 前記非磁性遷移金属は、Ti、V、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Ta、Ir、Te及びRuからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を含有する、ことを特徴とする請求項2に記載の磁気抵抗素子。 The nonmagnetic transition metal is at least selected from the group of nonmagnetic transition metals consisting of Ti, V, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Ta, Ir, Te and Ru. The magnetoresistive element according to claim 2, comprising one kind. 前記トンネルバリア層は、結晶性酸化マグネシウム含有層を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。   The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the tunnel barrier layer includes a crystalline magnesium oxide-containing layer. 基板、
反強磁性層、強磁性層及びBを含有した非磁性金属層を有する磁化固定層、
強磁性層及びBを含有する非磁性金属を有する磁化自由層、並びに
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に位置する金属酸化物を含有したトンネルバリア層を有する、
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
substrate,
A magnetization fixed layer having an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer, and a nonmagnetic metal layer containing B;
A magnetic free layer having a ferromagnetic layer and a nonmagnetic metal containing B, and a tunnel barrier layer containing a metal oxide located between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer,
The magnetoresistive element characterized by the above-mentioned.
前記非磁性金属層は、非磁性遷移金属を含有する、ことを特徴とする請求項5に記載の磁気抵抗素子。   The magnetoresistive element according to claim 5, wherein the nonmagnetic metal layer contains a nonmagnetic transition metal. 前記非磁性遷移金属は、Ti、V、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Hf、Ta、W、Ta、、Ir、Te及びRuからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を含有する、ことを特徴とする請求項6に記載の磁気抵抗素子。
The nonmagnetic transition metal was selected from the group of nonmagnetic transition metals consisting of Ti, V, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Ta, Ir, Te, and Ru. The magnetoresistive element according to claim 6, comprising at least one kind.
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