JP2017103419A - 単結晶磁気抵抗素子、その製造方法及びその使用方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の単結晶磁気抵抗素子は、シリコン基板11と、このシリコン基板11に積層されたB2構造の下地層12と、当該B2構造の下地層12に積層された第1の非磁性層13と、下部強磁性層14及び上部強磁性層16、並びに当該下部強磁性層14と当該上部強磁性層16の間に設けられた第2の非磁性層15を有する積層体層を少なくとも一つ有する巨大磁気抵抗効果層17と、を備える
【選択図】図1
Description
また、本発明は、上記の単結晶磁気抵抗素子の製造方法及びその使用方法に関する。
(i)Cu電極の上に成膜したアモルファスTa上にアモルファスCoFeBを成膜する。
(ii)上記(i)のアモルファスCoFeBの上に、強い(001)配向で成長するMgOトンネルバリアを成膜する。
(iii)上記(ii)のMgOトンネルバリアの上に、さらにアモルファスCoFeBを成膜する。
(iv)上記の成膜された多層膜を熱処理して、アモルファスCoFeBが体心立方構造のCoFeに結晶化する。
(v)このとき、多結晶の個々の結晶がミラー指数を用いて(001)[001]CoFe//(001)[011]MgOの整合関係になり、そのためにトンネル電子が高くスピン分極する。
そして、上記(i)〜(v)により高いトンネル磁気抵抗が発現する。
さらに本発明は、大口径のSi基板上に、MgO基板上と同様の(001)配向を有する単結晶素子を有する単結晶磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記の単結晶磁気抵抗素子の製造方法及びその使用方法を提供することを目的とする。
本発明の単結晶磁気抵抗素子において、好ましくは、Co基ホイスラー合金は、式Co2YZで表されると共に、式中、YはTi、V、Cr、MnおよびFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、ZはAl、Si、Ga、GeおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。
本発明の単結晶磁気抵抗素子において、好ましくは、B2構造の下地層12は、膜厚が10nm以上200nm未満であり、第1の非磁性層13は、膜厚が0.5nm以上100nm未満であり、下部強磁性層14は、膜厚が1nm以上10nm未満であり、第2の非磁性層15は、膜厚が1nm以上20nm未満であり、上部強磁性層16は、膜厚が1nm以上10nm未満であるとよい。
本発明の単結晶磁気抵抗素子において、好ましくは、磁気抵抗比は20%以上であり、抵抗変化面積積(ΔRA)は5mΩμm2以上であるとよい。
本発明の単結晶磁気抵抗素子において、好ましくは、前記Co基ホイスラー合金は、式Co2YZで表されると共に、式中、YはTi、V、Cr、MnおよびFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、ZはAl、Si、Ga、GeおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。また前記MgO系酸化物は好ましくは式Mg1-xYxOで現され、YはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、からなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよく、またxは0から0.3であるとよい。
本発明の単結晶磁気抵抗素子において、好ましくは、B2構造の下地層22は、膜厚が10nm以上200nm未満であり、下部強磁性層24は、膜厚が0.5nm以上50nm未満であり、絶縁体層25は、膜厚が0.5nm以上4nm未満であり、上部強磁性層26は、膜厚が0.5nm以上であるとよい。
本発明の単結晶磁気抵抗素子において、好ましくは、磁気抵抗比は50%以上であることを特徴とする。
本発明の単結晶磁気抵抗素子の使用方法は、上記の磁気抵抗素子を、磁界センサとして使用する方法である。
本発明の単結晶磁気抵抗素子の使用方法は、上記の磁気抵抗素子を、スピン電子回路で使用する方法である。
本発明の単結晶磁気抵抗素子の使用方法は、上記の磁気抵抗素子を、TMRデバイスを製造するために使用する方法である。
また、本発明の単結晶磁気抵抗素子によれば、B2構造を有する層を下地とすることによってSi基板界面に安定なシリサイドが形成され、500℃以上の熱処理耐性と高い界面平坦性を有する単結晶巨大磁気抵抗素子を作製することができ、MgO基板上の素子と同等の特性を得ることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態を示す巨大磁気抵抗効果層を有する単結晶磁気抵抗素子の構成断面図である。図において、本実施形態の巨大磁気抵抗効果層を有する単結晶磁気抵抗素子10は、シリコン基板11、このシリコン基板11に積層されたB2構造の下地層12、当該B2構造の下地層12に積層された第1の非磁性層13、巨大磁気抵抗効果層17及びキャップ層18を有している。巨大磁気抵抗効果層17は、下部強磁性層14及び上部強磁性層16、並びに当該下部強磁性層14と当該上部強磁性層16の間に設けられた第2の非磁性層15を有する積層体層からなるものであるが、これらの積層体層を複数積層しても良い。巨大磁気抵抗効果層17は、第1の非磁性層13とキャップ層18の間に位置している。なお、必要に応じてキャップ層18の上に、上部電極層を設けても良い。
下部強磁性層14は、Co基ホイスラー合金、Fe、CoFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。下部強磁性層14は、膜厚が1nm以上10nm未満であるとよい。
第2の非磁性層15はAg、Cr、W、Mo、Au、Pt、Pd、TaおよびRhからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。第2の非磁性層15は、膜厚が1nm以上20nm未満であるとよい。
上部強磁性層16は、Co基ホイスラー合金、FeおよびCoFeの一種からなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。上部強磁性層16は、膜厚が1nm以上10nm未満であるとよい。
上記のCo基ホイスラー合金は、式Co2YZで表されると共に、式中、YはTi、V、Cr、MnおよびFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、ZはAl、Si、Ga、GeおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。
キャップ層18は、Ag、Cr、W、Mo、Au、Pt、Pd、TaおよびRhからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。キャップ層18は、膜厚が1nm以上100nm未満であるとよい。上部電極層を設ける場合には、電極用材料として多用されているCu、Al等を用いると良い。
図2は、本発明の第1の実施形態を示す巨大磁気抵抗効果層を有する単結晶磁気抵抗素子10の製造方法を説明するフローチャートである。図において、まず最初の工程では、シリコン基板11の自然酸化膜を除去し(S100)、続いてシリコン基板11の基板温度を300℃以上600℃以下に保持する(S102)。そして、自然酸化膜を除去したシリコン基板11上に、B2構造を有する下地層を上記基板温度で成膜して、下地層12を成膜する(S104)。次に、下地層12を成膜したシリコン基板11上に、第1の非強磁性材料を上記基板温度で成膜する(S106)。この第1の非強磁性材料で成膜された層は、第1の非磁性層13に対応している。
図3は、本発明の第2の実施形態を示すトンネル磁気抵抗効果層を有する単結晶磁気抵抗素子の構成断面図である。第2の実施形態の単結晶磁気抵抗素子20は、シリコン基板21、このシリコン基板21に積層されたB2構造の下地層22、当該B2構造の下地層22に積層されたトンネル磁気抵抗効果層27及びキャップ層28を有している。トンネル磁気抵抗効果層27は、下部強磁性層24及び上部強磁性層26、並びに当該下部強磁性層24と当該上部強磁性層26の間に設けられた絶縁体層25を有する積層体層からなるものであるが、これらの積層体層を複数積層しても良い。トンネル磁気抵抗効果層27は、下地層22とキャップ層28の間に位置している。なお、必要に応じてキャップ層28の上に、上部電極層を設けても良い。
トンネル磁気抵抗効果層27は、下部強磁性層24、絶縁体層25及び上部強磁性層26を有している。なお、トンネル磁気抵抗効果層27のうち、下部強磁性層24と上部強磁性層26は、巨大磁気抵抗効果層17における下部強磁性層14と上部強磁性層16と同様であるため、説明を省略する。
絶縁体層25はNaCl構造及びスピネル構造からなる絶縁体であり、MgO系酸化物、Al3O4、Mg2Al2O4, 、ZnAl2O4、MgCr2O4、MgMn2O4、CuCr2O4、NiCr2O4、GeMg2O4、SnMg2O4、TiMg2O4、SiMg2O4、CuAl2O4、Li0.5Al2.5O4、γ−Al2O3、およびそれらの混合物からなる群から選ばれた少なくとも一種からなるとよい。絶縁体層25の膜厚は0.5nm以上4nm未満であるとよい。
Ag下地層はNiAl上に(001)配向した単結晶成長可能な材料であれば代替が可能である。例えば、Cr、Fe、W、Moなどbcc系材料やAu、Pt、Pd、Rhなどfcc系材料など、NiAlと格子不整合が10%未満の材料単体であれば単結晶成長が期待されるため、単体かあるいはそれらの積層構造を代替して利用することは可能である。
12、22 B2構造のNiAlの下地層
13 第1の非磁性層
14、24 下部強磁性層
15 第2の非磁性層
16、26 上部強磁性層
17 巨大磁気抵抗効果層
18、28 キャップ層
25 絶縁体層
27 トンネル磁気抵抗効果層
Claims (16)
- シリコン基板と、
このシリコン基板に積層されたB2構造の下地層と、
当該B2構造の下地層に積層された第1の非磁性層と、
下部強磁性層及び上部強磁性層、並びに当該下部強磁性層と当該上部強磁性層の間に設けられた第2の非磁性層を有する積層体層を少なくとも一つ有する巨大磁気抵抗効果層と、
を備えることを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記シリコン基板はSi(001)単結晶基板であり、
B2構造の下地層は NiAl、CoAl、FeAlであり、
前記第1の非磁性層はAg、V、Cr、W、Mo、Au、Pt、Pd、Ta、Ru、Re、Rh、NiO、CoO、TiN、CuNからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、
前記下部強磁性層は、Co基ホイスラー合金、Fe、CoFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、
前記第2の非磁性層はAg、Cr、W、Mo、Au、Pt、Pd、TaおよびRhからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、
前記上部強磁性層は、Co基ホイスラー合金、FeおよびCoFeの一種からなる群から選ばれた少なくとも一種からなる、
ことを特徴とする請求項1に記載の単結晶磁気抵抗素子。 - 前記Co基ホイスラー合金は、式Co2YZで表されると共に、
式中、YはTi、V、Cr、MnおよびFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、ZはAl、Si、Ga、GeおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも一種からなることを特徴とする請求項2に記載の磁気抵抗素子。 - 前記B2構造の下地層は、膜厚が10nm以上200nm未満であり、
前記第1の非磁性層は、膜厚が0.5nm以上100nm未満であり、
前記下部強磁性層は、膜厚が1nm以上10nm未満であり、
前記第2の非磁性層は、膜厚が1nm以上20nm未満であり、
前記上部強磁性層は、膜厚が1nm以上10nm未満であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の磁気抵抗素子。 - 磁気抵抗比は20%以上であり、
抵抗変化面積積(ΔRA)は5mΩμm2以上であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の磁気抵抗素子。 - シリコン基板の自然酸化膜を除去する工程と、
前記シリコン基板の基板温度を300℃以上600℃以下とする工程と、
前記自然酸化膜を除去した前記シリコン基板上に、B2構造を有する下地層を前記基板温度で成膜する工程と、
前記B2構造の下地層を成膜した前記シリコン基板上に、第1の非強磁性材料を前記基板温度で成膜する工程と、
前記第1の非強磁性材料を成膜した前記シリコン基板に、下部強磁性材料の層、第2の非強磁性材料の層及び上部強磁性材料の層を有する積層体層を少なくとも一つ有する巨大磁気抵抗効果層を成膜する工程と、
前記巨大磁気抵抗効果層を成膜した前記シリコン基板を200℃以上600℃以下で熱処理する工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。 - シリコン基板と、
このシリコン基板に積層されたB2構造の下地層と、
当該B2構造の下地層に積層された、下部強磁性層及び上部強磁性層、並びに当該下部強磁性層と当該上部強磁性層の間に設けられた絶縁体層を有する積層体層を少なくとも一つ有するトンネル磁気抵抗効果層と、
を備えることを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記シリコン基板はSi(001)単結晶基板であり、
前記下部強磁性層は、Co基ホイスラー合金、FeおよびCoFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、
前記絶縁体層はNaCl構造及びスピネル構造からなる絶縁体でありMgO系酸化物、Al3O4、Mg2Al2O4、ZnAl2O4、MgCr2O4、MgMn2O4、CuCr2O4、NiCr2O4、GeMg2O4、SnMg2O4、TiMg2O4、SiMg2O4、CuAl2O4、Li0.5Al2.5O4、γ−Al2O3、前記上部強磁性層は、Co基ホイスラー合金、FeおよびCoFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなることを特徴とする請求項7に記載の単結晶磁気抵抗素子。 - 前記Co基ホイスラー合金は、式Co2YZで表されると共に、式中、YはTi、V、Cr、MnおよびFeからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、ZはAl、Si、Ga、GeおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも一種からなることを特徴とする請求項8に記載の磁気抵抗素子。また前記MgO系酸化物は式Mg1-xYxOで現され、YはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、からなる群から選ばれた少なくとも一種からなりまたxは0から0.3であることを特徴とする請求項8に記載の磁気抵抗素子。
- 前記B2構造の下地層は、膜厚が10nm以上200nm未満であり、
前記下部強磁性層は、膜厚が0.5nm以上50nm未満であり、
前記絶縁体層は、膜厚が0.5nm以上4nm未満であり、
前記上部強磁性層は、膜厚が0.5nm以上であることを特徴とする請求項7乃至9の何れか1項に記載の磁気抵抗素子。 - 磁気抵抗比は50%以上であることを特徴とする請求項7乃至10の何れか1項に記載の磁気抵抗素子。
- シリコン基板の自然酸化膜を除去する工程と、
前記シリコン基板の基板温度を300℃以上600℃以下とする工程と、
前記自然酸化膜を除去した前記シリコン基板上に、B2構造を有する下地層を前記基板温度で成膜する工程と、
前記下地層を成膜した前記シリコン基板に、下部強磁性材料の層、絶縁体材料の層、及び上部強磁性材料の層を有する積層体層を少なくとも一つ有する巨大磁気抵抗効果層を成膜する工程と、
前記トンネル磁気抵抗効果層を成膜した前記シリコン基板を300℃以上600℃以下で熱処理する工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。 - 請求項1乃至5、7乃至11の何れか1項に記載の磁気抵抗素子を、記憶素子上で使用される読み出しヘッドに使用する方法。
- 請求項1乃至5、7乃至11の何れか1項に記載の磁気抵抗素子を、磁界センサとして使用する方法。
- 請求項1乃至5、7乃至11の何れか1項に記載の磁気抵抗素子を、スピン電子回路で使用する方法。
- 請求項1乃至5、7乃至11の何れか1項に記載の磁気抵抗素子を、TMRデバイスを製造するために使用する方法。
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