JP2020136551A - Tunnel magnetoresistive element and tunnel magnetic resistance sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子およびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサに関する。 The present invention relates to a tunnel magnetoresistive (TMR) element and a tunnel magnetoresistive (TMR) sensor.
近年、心磁図（ＭＣＧ）や脳磁図（ＭＥＧ）といった生体磁場などを測定する磁気測定装置として、高い空間分解能および時間分解能を有し、室温で測定可能な、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を含む磁気センサを利用した装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この磁気測定装置では、１／ｆノイズなどのノイズを低減するために、磁気センサが、複数のトンネル磁気抵抗素子を格子配列したトンネル磁気抵抗素子アレイで構成されている。 In recent years, as a magnetic measuring device for measuring a biomagnetic field such as a magnetocardiogram (MCG) or a brain magnetic map (MEG), a tunnel magnetoresistive (TMR) element having high spatial resolution and temporal resolution and capable of measuring at room temperature is included. A device using a magnetic sensor has been developed (see, for example, Patent Document 1). In this magnetic measuring device, in order to reduce noise such as 1 / f noise, the magnetic sensor is composed of a tunnel magnetoresistive element array in which a plurality of tunnel magnetoresistive elements are arranged in a grid.
しかしながら、特許文献１に記載の磁気測定装置では、トンネル磁気抵抗素子の上部電極や下部電極の寄生抵抗により、ＴＭＲ比が低下して信号出力が低下することがある。上部電極は、素子の製造後であっても、厚みを大きくすることにより、ＴＭＲ比の低下を抑えることができるが、下部電極については、素子の製造後に変更するのは難しいため、ＴＭＲ比の低下を抑えるのは困難であるという課題があった。特に、トンネル磁気抵抗素子アレイを構成した場合には、電流が下部電極を何度も通過するため、寄生抵抗による影響が大きくなり、ＴＭＲ比が大きく低下してしまうという課題があった。 However, in the magnetic measuring device described in Patent Document 1, the TMR ratio may decrease and the signal output may decrease due to the parasitic resistance of the upper electrode and the lower electrode of the tunnel magnetoresistive element. Although it is possible to suppress a decrease in the TMR ratio of the upper electrode by increasing the thickness even after the device is manufactured, it is difficult to change the lower electrode after the device is manufactured. There was a problem that it was difficult to suppress the decline. In particular, when a tunnel magnetoresistive element array is configured, since the current passes through the lower electrode many times, there is a problem that the influence of the parasitic resistance becomes large and the TMR ratio is greatly lowered.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、寄生抵抗によるＴＭＲ比の低下を抑えることができるトンネル磁気抵抗素子およびトンネル磁気抵抗センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made focusing on such a problem, and an object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistive element and a tunnel magnetoresistive sensor capable of suppressing a decrease in the TMR ratio due to parasitic resistance.
上記目的を達成するために、本発明に係るトンネル磁気抵抗素子は、磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が変化可能な自由層と、前記固定層と前記自由層との間に配置されたトンネルバリア層と、前記固定層の前記トンネルバリア層とは反対側、および、前記自由層の前記トンネルバリア層とは反対側のうち、いずれか一方の側に配置された第１の電極層と、前記固定層の前記トンネルバリア層とは反対側、および、前記自由層の前記トンネルバリア層とは反対側のうち、前記第１の電極層とは反対の側に配置された第２の電極層と、前記第１の電極層の前記固定層または前記自由層とは反対側の面に接するよう設けられた導電性のバッファ層とを、有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the tunnel magnetoresistive element according to the present invention has a fixed layer in which the magnetization direction is fixed, a free layer in which the magnetization direction can be changed, and between the fixed layer and the free layer. A first arranged on one of the arranged tunnel barrier layer, the side of the fixed layer opposite to the tunnel barrier layer, and the side of the free layer opposite to the tunnel barrier layer. A first arranged on the side of the electrode layer opposite to the tunnel barrier layer of the fixed layer and the side of the free layer opposite to the tunnel barrier layer, which is opposite to the first electrode layer. It is characterized by having two electrode layers and a conductive buffer layer provided so as to be in contact with a surface of the first electrode layer opposite to the fixed layer or the free layer.
本発明に係るトンネル磁気抵抗素子は、導電性のバッファ層が、第１の電極層の固定層または自由層とは反対側の面に接するよう設けられているため、第１の電極層側の寄生抵抗を小さくすることができ、ＴＭＲ比の低下を抑えることができる。これにより、信号出力の低下を防ぎ、高い信号出力を得ることができる。特に、本発明に係るトンネル磁気抵抗素子は、第１の電極層が下部電極から成り、第２の電極層が上部電極から成る場合に、下部電極に接して導電性のバッファ層を有するため、下部電極側の寄生抵抗によるＴＭＲ比の低下を抑えることができる。 Since the tunnel magnetoresistive element according to the present invention is provided so that the conductive buffer layer is in contact with the surface of the first electrode layer opposite to the fixed layer or the free layer, it is on the side of the first electrode layer. The parasitic resistance can be reduced, and the decrease in the TMR ratio can be suppressed. As a result, it is possible to prevent a decrease in signal output and obtain a high signal output. In particular, the tunnel magnetoresistive element according to the present invention has a conductive buffer layer in contact with the lower electrode when the first electrode layer is composed of the lower electrode and the second electrode layer is composed of the upper electrode. It is possible to suppress a decrease in the TMR ratio due to parasitic resistance on the lower electrode side.
本発明に係るトンネル磁気抵抗素子は、第１の電極層が固定層の側に、第２の電極層が自由層の側に配置されていてもよく、第１の電極層が自由層の側に、第２の電極層が固定層の側に配置されていてもよい。また、第１の電極層に接するバッファ層とは別に、第２の電極層の固定層または自由層とは反対側の面に接するよう、導電性の第２のバッファ層が設けられていてもよい。 In the tunnel magnetoresistive element according to the present invention, the first electrode layer may be arranged on the fixed layer side and the second electrode layer may be arranged on the free layer side, and the first electrode layer may be arranged on the free layer side. In addition, the second electrode layer may be arranged on the side of the fixed layer. Further, even if a conductive second buffer layer is provided so as to be in contact with the surface of the second electrode layer opposite to the fixed layer or the free layer, in addition to the buffer layer in contact with the first electrode layer. Good.
本発明に係るトンネル磁気抵抗素子で、前記バッファ層は、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、ＴｉＮ、ＣｕＷ、ＡｌＳｉおよびＷのうちの少なくともいずれか１つを含んでいることが好ましい。この場合、バッファ層の導電性をより高くすることができる。 In the tunnel magnetoresistive element according to the present invention, the buffer layer preferably contains at least one of Cu, Al, AlCu, TiN, CuW, AlSi and W. In this case, the conductivity of the buffer layer can be made higher.
前記バッファ層は、前記第１の電極層に接する表面の算術平均粗さＲａが、０．５ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが特に好ましい。これらの場合、第１の電極層とバッファ層との間の接触抵抗を小さくすることができ、寄生抵抗だけでなく、トンネルバリアの粗さによるＴＭＲ比の低下も抑えることができる。バッファ層の第１の電極層に接する表面は、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）やエッチバックなどの方法により、平坦化することができる。 The arithmetic mean roughness Ra of the surface of the buffer layer in contact with the first electrode layer is preferably 0.5 nm or less, and particularly preferably 0.3 nm or less. In these cases, the contact resistance between the first electrode layer and the buffer layer can be reduced, and not only the parasitic resistance but also the decrease in the TMR ratio due to the roughness of the tunnel barrier can be suppressed. The surface of the buffer layer in contact with the first electrode layer can be flattened by a method such as chemical mechanical polishing (CMP) or etch back.
前記バッファ層は、前記固定層、前記自由層、前記トンネルバリア層、前記第１の電極層および前記第２の電極層の層厚を合わせた厚さより大きい層厚を有していることが好ましい。例えば、バッファ層は、５０ｎｍ〜５００ｎｍの層厚を有していることが好ましい。この場合にも、バッファ層の導電性をより高くすることができる。 The buffer layer preferably has a layer thickness larger than the combined thickness of the fixed layer, the free layer, the tunnel barrier layer, the first electrode layer, and the second electrode layer. .. For example, the buffer layer preferably has a layer thickness of 50 nm to 500 nm. In this case as well, the conductivity of the buffer layer can be made higher.
本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、本発明に係るトンネル磁気抵抗素子を複数有し、各トンネル磁気抵抗素子は、一列または格子配列に並んで配置され、隣り合うトンネル磁気抵抗素子との間で、前記第１の電極層と前記バッファ層、または、前記第２の電極層を共有して、トンネル磁気抵抗素子アレイを構成していることを特徴とする。 The tunnel magnetoresistive sensor according to the present invention has a plurality of tunnel magnetoresistive elements according to the present invention, and each tunnel magnetoresistive element is arranged in a row or in a lattice arrangement and is located between adjacent tunnel magnetoresistive elements. , The first electrode layer and the buffer layer, or the second electrode layer are shared to form a tunnel magnetoresistive element array.
本発明に係るトンネル磁気抵抗センサは、本発明に係るトンネル磁気抵抗素子がトンネル磁気抵抗素子アレイを構成しているため、電流が第１の電極層およびバッファ層を何度も通過する。このとき、バッファ層により第１の電極層側の寄生抵抗が小さくなるため、その寄生抵抗による影響が大きくなるのを抑えることができ、ＴＭＲ比の低下を抑えることができる。これにより、信号出力の低下を防ぎ、高い信号出力を得ることができる。特に、第１の電極層が下部電極から成る場合には、バッファ層で下部電極側の寄生抵抗による影響を抑えることができる。このとき、上部電極の厚みを大きくすること等により、上部電極での寄生抵抗による影響を容易に抑えることができるため、トンネル磁気抵抗素子アレイ全体のＴＭＲ比の低下を抑えることができる。 In the tunnel magnetoresistive sensor according to the present invention, since the tunnel magnetoresistive element according to the present invention constitutes the tunnel magnetoresistive element array, the current passes through the first electrode layer and the buffer layer many times. At this time, since the parasitic resistance on the first electrode layer side is reduced by the buffer layer, it is possible to suppress the influence of the parasitic resistance from becoming large, and it is possible to suppress the decrease in the TMR ratio. As a result, it is possible to prevent a decrease in signal output and obtain a high signal output. In particular, when the first electrode layer is composed of a lower electrode, the buffer layer can suppress the influence of the parasitic resistance on the lower electrode side. At this time, by increasing the thickness of the upper electrode or the like, the influence of the parasitic resistance on the upper electrode can be easily suppressed, so that the decrease in the TMR ratio of the entire tunnel magnetoresistive element array can be suppressed.
本発明によれば、寄生抵抗によるＴＭＲ比の低下を抑えることができるトンネル磁気抵抗素子およびトンネル磁気抵抗センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a tunnel magnetoresistive element and a tunnel magnetoresistive sensor capable of suppressing a decrease in the TMR ratio due to parasitic resistance.
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子およびトンネル磁気抵抗センサを示している。
図１に示すように、トンネル磁気抵抗素子１０は、基板１１と、基板１１の上に順番に積層された下引き層１２とバッファ層１３と第１の電極層１４と自由層１５とトンネルバリア層１６と固定層１７と固定化促進層１８と第２の電極層１９とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 6 show a tunnel magnetoresistive element and a tunnel magnetoresistive sensor according to the embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the tunnel magnetoresistive element 10 includes a substrate 11, an undercoat layer 12 and a buffer layer 13 sequentially laminated on the substrate 11, a first electrode layer 14, a free layer 15, and a tunnel barrier. It has a layer 16, a fixing layer 17, an immobilization promoting layer 18, and a second electrode layer 19.
基板１１は、非磁性であり、各層の成膜や熱処理等に耐えることができるものであれば、いかなるものから成っていてもよく、例えば、ＳｉまたはＳｉＯ２から成っている。下引き層１２は、基板１１の表面に、その表面の粗さを整えるために設けられている。下引き層１２は、基板１１の表面の粗さを整えることができるものであれば、いかなるものから成っていてもよい。下引き層１２は、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。 The substrate 11 may be made of anything as long as it is non-magnetic and can withstand the film formation and heat treatment of each layer, and is made of, for example, Si or SiO 2 . The undercoat layer 12 is provided on the surface of the substrate 11 in order to adjust the roughness of the surface. The undercoat layer 12 may be made of any material as long as the surface roughness of the substrate 11 can be adjusted. The undercoat layer 12 preferably has a layer thickness of about 2 nm to 10 nm.
バッファ層１３は、導電性であり、下引き層１２の基板１１とは反対側の表面に設けられている。バッファ層１３は、導電性の材料を含んでいることが好ましく、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、ＴｉＮ、ＣｕＷ、ＡｌＳｉおよびＷのうちの少なくともいずれか１つを含んでいることが好ましい。バッファ層１３は、他の各層を合わせた厚さより大きい層厚を有していることが好ましく、例えば、層厚が５０ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。 The buffer layer 13 is conductive and is provided on the surface of the undercoat layer 12 opposite to the substrate 11. The buffer layer 13 preferably contains a conductive material, for example, preferably contains at least one of Cu, Al, AlCu, TiN, CuW, AlSi and W. The buffer layer 13 preferably has a layer thickness larger than the combined thickness of the other layers, and for example, the layer thickness is preferably 50 nm to 500 nm.
バッファ層１３は、下引き層１２とは反対側の表面が、化学機械研磨（ＣＭＰ）やエッチバックなどの方法により平坦化されている。バッファ層１３は、下引き層１２とは反対側の表面の算術平均粗さＲａが、０．５ｎｍ以下であることが好ましく、０．３ｎｍ以下であることが特に好ましい。 The surface of the buffer layer 13 opposite to the undercoat layer 12 is flattened by a method such as chemical mechanical polishing (CMP) or etch back. The arithmetic mean roughness Ra of the surface of the buffer layer 13 on the side opposite to the undercoat layer 12 is preferably 0.5 nm or less, and particularly preferably 0.3 nm or less.
第１の電極層１４は、バッファ層１３の下引き層１２とは反対側の表面に接するよう設けられている。第１の電極層１４は、導電性の材料であれば、いかなるものから成っていてもよい。第１の電極層１４は、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。 The first electrode layer 14 is provided so as to be in contact with the surface of the buffer layer 13 opposite to the undercoat layer 12. The first electrode layer 14 may be made of any conductive material. The first electrode layer 14 preferably has a layer thickness of about 2 nm to 10 nm.
自由層１５は、第１の電極層１４のバッファ層１３とは反対側の表面に設けられている。自由層１５は、第１の電極層１４の上に、第１の強磁性層２１と第１の非磁性層２２と第２の強磁性層２３とを、この順番で積層した構造を有している。第１の強磁性層２１は、外部からの磁束の影響を受けて磁化方向が変化可能になっている。第１の強磁性層２１は、軟磁性材料であり、例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ等から成り、３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。 The free layer 15 is provided on the surface of the first electrode layer 14 opposite to the buffer layer 13. The free layer 15 has a structure in which a first ferromagnetic layer 21, a first non-magnetic layer 22, and a second ferromagnetic layer 23 are laminated in this order on a first electrode layer 14. ing. The magnetization direction of the first ferromagnetic layer 21 can be changed by being affected by an external magnetic flux. The first ferromagnetic layer 21 is a soft magnetic material, and is preferably made of, for example, NiFe, CoFeSiB, etc., and has a layer thickness of about 30 nm to 200 nm.
第１の非磁性層２２は、第１の強磁性層２１と第２の強磁性層２３とを磁気的に結合すると共に、第１の強磁性層２１を第２の強磁性層２３の結晶構造から切り離すために設けられている。第１の非磁性層２２は、例えば、ＲｕまたはＴａから成り、０．２〜１ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。第２の強磁性層２３は、外部からの磁束の影響を受けて磁化方向が変化可能になっている。第２の強磁性層２３は、例えば、ＣｏＦｅＢから成り、１．４ｎｍ〜１０．０ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。 The first non-magnetic layer 22 magnetically bonds the first ferromagnetic layer 21 and the second ferromagnetic layer 23, and the first ferromagnetic layer 21 is a crystal of the second ferromagnetic layer 23. It is provided to separate it from the structure. The first non-magnetic layer 22 is preferably made of, for example, Ru or Ta, and has a layer thickness of about 0.2 to 1 nm. The magnetization direction of the second ferromagnetic layer 23 can be changed by being affected by the magnetic flux from the outside. The second ferromagnetic layer 23 is preferably made of, for example, CoFeB and has a layer thickness of about 1.4 nm to 10.0 nm.
トンネルバリア層１６は、自由層１５の第１の電極層１４とは反対側の表面に設けられている。トンネルバリア層１６は、絶縁材料から成っており、例えば、ＭｇＯ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｏ、ＡｌＯｘ等から成っている。トンネルバリア層１６は、例えば、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。 The tunnel barrier layer 16 is provided on the surface of the free layer 15 opposite to the first electrode layer 14. The tunnel barrier layer 16 is made of an insulating material, for example, MgO, Mg—Al—O, AlOx, and the like. The tunnel barrier layer 16 preferably has a layer thickness of, for example, about 1 nm to 10 nm.
固定層１７は、トンネルバリア層１６の自由層１５とは反対側の表面に設けられており、自由層１５との間にトンネルバリア層１６を挟んでいる。固定層１７は、トンネルバリア層１６の上に、第３の強磁性層２４と第２の非磁性層２５と第４の強磁性層２６とを、この順番で積層した構造を有している。第３の強磁性層２４は、磁化方向が固定されている。第３の強磁性層２４は、例えば、ＣｏＦｅＢから成り、１．４ｎｍ〜１０．０ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。 The fixed layer 17 is provided on the surface of the tunnel barrier layer 16 opposite to the free layer 15, and sandwiches the tunnel barrier layer 16 with the free layer 15. The fixed layer 17 has a structure in which a third ferromagnetic layer 24, a second non-magnetic layer 25, and a fourth ferromagnetic layer 26 are laminated in this order on the tunnel barrier layer 16. .. The magnetization direction of the third ferromagnetic layer 24 is fixed. The third ferromagnetic layer 24 is preferably made of, for example, CoFeB and has a layer thickness of about 1.4 nm to 10.0 nm.
第２の非磁性層２５は、第３の強磁性層２４と第４の強磁性層２６とを磁気的に結合すると共に、第３の強磁性層２４を第４の強磁性層２６の結晶構造から切り離すために設けられている。第２の非磁性層２５は、例えば、ＲｕまたはＴａから成り、０．２〜１ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。第４の強磁性層２６は、磁化方向が固定されている。第４の強磁性層２６は、例えば、ＣｏＦｅから成り、１．０ｎｍ〜５．０ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。 The second non-magnetic layer 25 magnetically bonds the third ferromagnetic layer 24 and the fourth ferromagnetic layer 26, and the third ferromagnetic layer 24 is a crystal of the fourth ferromagnetic layer 26. It is provided to separate it from the structure. The second non-magnetic layer 25 is preferably made of, for example, Ru or Ta, and has a layer thickness of about 0.2 to 1 nm. The magnetization direction of the fourth ferromagnetic layer 26 is fixed. The fourth ferromagnetic layer 26 is preferably made of, for example, CoFe and has a layer thickness of about 1.0 nm to 5.0 nm.
固定化促進層１８は、第４の強磁性層２６の固定化を促進するために、固定層１７のトンネルバリア層１６とは反対側の表面に設けられている。固定化促進層１８は、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性体から成り、５ｎｍ〜２０ｎｍ程度の層厚を有している。 The immobilization promoting layer 18 is provided on the surface of the fixing layer 17 opposite to the tunnel barrier layer 16 in order to promote the immobilization of the fourth ferromagnetic layer 26. The immobilization promoting layer 18 is made of an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn, and has a layer thickness of about 5 nm to 20 nm.
第２の電極層１９は、固定化促進層１８の固定層１７とは反対側の表面に設けられている。第２の電極層１９は、導電性の材料であれば、いかなるものから成っていてもよい。第２の電極層１９は、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の層厚を有することが好ましい。なお、第１の電極層１４が下部電極を成し、第２の電極層１９が上部電極を成している。 The second electrode layer 19 is provided on the surface of the immobilization promoting layer 18 opposite to the fixing layer 17. The second electrode layer 19 may be made of any conductive material. The second electrode layer 19 preferably has a layer thickness of about 2 nm to 10 nm. The first electrode layer 14 forms a lower electrode, and the second electrode layer 19 forms an upper electrode.
図１に示す具体的な一例では、下引き層１２は、Ｔａから成り、層厚が５ｎｍである。バッファ層１３は、Ｃｕから成り、層厚が２００ｎｍである。第１の電極層１４は、Ｔａから成り、層厚が５ｎｍである。自由層１５の第１の強磁性層２１は、ＣｏＦｅＳｉＢから成り、層厚が７０ｎｍである。自由層１５の第１の非磁性層２２は、Ｒｕから成り、層厚が０．９ｎｍである。自由層１５の第２の強磁性層２３は、ＣｏＦｅＢから成り、層厚が３ｎｍである。トンネルバリア層１６は、ＭｇＯから成り、層厚が１．６ｎｍである。固定層１７の第３の強磁性層２４は、ＣｏＦｅＢから成り、層厚が３ｎｍである。固定層１７の第２の非磁性層２５は、Ｒｕから成り、層厚が０．９ｎｍである。固定層１７の第４の強磁性層２６は、ＣｏＦｅから成り、層厚が５ｎｍである。固定化促進層１８は、ＩｒＭｎから成り、層厚が１０ｎｍである。第２の電極層１９は、Ｔａから成り、層厚が５ｎｍである。 In a specific example shown in FIG. 1, the undercoat layer 12 is made of Ta and has a layer thickness of 5 nm. The buffer layer 13 is made of Cu and has a layer thickness of 200 nm. The first electrode layer 14 is made of Ta and has a layer thickness of 5 nm. The first ferromagnetic layer 21 of the free layer 15 is made of CoFeSiB and has a layer thickness of 70 nm. The first non-magnetic layer 22 of the free layer 15 is made of Ru and has a layer thickness of 0.9 nm. The second ferromagnetic layer 23 of the free layer 15 is made of CoFeB and has a layer thickness of 3 nm. The tunnel barrier layer 16 is made of MgO and has a layer thickness of 1.6 nm. The third ferromagnetic layer 24 of the fixed layer 17 is made of CoFeB and has a layer thickness of 3 nm. The second non-magnetic layer 25 of the fixed layer 17 is made of Ru and has a layer thickness of 0.9 nm. The fourth ferromagnetic layer 26 of the fixed layer 17 is made of CoFe and has a layer thickness of 5 nm. The immobilization promoting layer 18 is made of IrMn and has a layer thickness of 10 nm. The second electrode layer 19 is made of Ta and has a layer thickness of 5 nm.
トンネル磁気抵抗素子１０は、物理蒸着法であるスパッタリングや分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）などを用いて、基板１１の上に各層を成膜することにより、製造することができる。また、トンネル磁気抵抗素子１０は、所望の結晶構造を得るために、各層の成膜後に熱処理を行ってもよい。その熱処理の温度は、３２５℃〜４５０℃であることが好ましい。 The tunnel magnetoresistive element 10 can be manufactured by forming each layer on the substrate 11 by using a physical vapor deposition method such as sputtering or a molecular beam epitaxial growth method (MBE method). Further, the tunnel magnetoresistive element 10 may be heat-treated after the film formation of each layer in order to obtain a desired crystal structure. The temperature of the heat treatment is preferably 325 ° C to 450 ° C.
トンネル磁気抵抗素子１０は、導電性のバッファ層１３が、下部電極である第１の電極層１４の自由層１５とは反対側の面に接するよう設けられているため、第１の電極層１４の側の寄生抵抗を小さくすることができ、ＴＭＲ比の低下を抑えることができる。これにより、信号出力の低下を防ぎ、高い信号出力を得ることができる。 Since the conductive buffer layer 13 is provided in the tunnel magnetoresistive element 10 so as to be in contact with the surface of the first electrode layer 14 which is the lower electrode on the opposite side of the free layer 15, the first electrode layer 14 The parasitic resistance on the side of the surface can be reduced, and the decrease in the TMR ratio can be suppressed. As a result, it is possible to prevent a decrease in signal output and obtain a high signal output.
トンネル磁気抵抗素子１０は、バッファ層１３の第１の電極層１４の側の表面が平坦化されているため、第１の電極層１４とバッファ層１３との間の接触抵抗を小さくすることができ、寄生抵抗だけでなく、接触抵抗によるＴＭＲ比の低下も抑えることができる。なお、トンネル磁気抵抗素子１０は、固定層１７と自由層１５とが、トンネルバリア層１６を挟んで互いに逆の位置に配置されていてもよい。 Since the surface of the tunnel magnetoresistive element 10 on the side of the first electrode layer 14 of the buffer layer 13 is flattened, the contact resistance between the first electrode layer 14 and the buffer layer 13 can be reduced. It is possible to suppress not only the parasitic resistance but also the decrease in the TMR ratio due to the contact resistance. In the tunnel magnetoresistive element 10, the fixed layer 17 and the free layer 15 may be arranged at positions opposite to each other with the tunnel barrier layer 16 interposed therebetween.
図２に示すように、トンネル磁気抵抗センサ３０は、トンネル磁気抵抗素子１０を複数有しており、各トンネル磁気抵抗素子１０が一列に並んで配置されている。各トンネル磁気抵抗素子１０は、隣り合う２つのトンネル磁気抵抗素子１０を組として、その２つのトンネル磁気抵抗素子１０の間で自由層１５と第１の電極層１４とバッファ層１３とを共有しており、さらに隣り合う組の間で、隣り合ったトンネル磁気抵抗素子１０が第２の電極層１９を共有している。これにより、各トンネル磁気抵抗素子１０は、トンネル磁気抵抗素子アレイを構成している。図２に示す具体的な一例では、直列に接続されたトンネル磁気抵抗センサ３０が平行に３つ並んで配置されている。 As shown in FIG. 2, the tunnel magnetoresistive sensor 30 has a plurality of tunnel magnetoresistive elements 10, and the tunnel magnetoresistive elements 10 are arranged side by side in a row. Each tunnel magnetoresistive element 10 forms a set of two adjacent tunnel magnetoresistive elements 10 and shares the free layer 15, the first electrode layer 14, and the buffer layer 13 between the two tunnel magnetoresistive elements 10. Further, the adjacent tunnel magnetoresistive elements 10 share the second electrode layer 19 between the adjacent sets. As a result, each tunnel magnetoresistive element 10 constitutes a tunnel magnetoresistive element array. In a specific example shown in FIG. 2, three tunnel magnetoresistive sensors 30 connected in series are arranged side by side in parallel.
なお、トンネル磁気抵抗センサ３０は、組になった２つのトンネル磁気抵抗素子１０の間で第１の電極層１４とバッファ層１３とを共有していてもよく、隣り合う組の間で、隣り合ったトンネル磁気抵抗素子１０が第２の電極層１９と固定化促進層１８と固定層１７とを共有していてもよい。また、トンネル磁気抵抗センサ３０は、各トンネル磁気抵抗素子１０が格子配列に配置され、一方の並び方向だけでなく、それに垂直な並び方向にも、第１の電極層１４とバッファ層１３、または、第２の電極層１９を共有するよう構成されていてもよい。 The tunnel magnetoresistive sensor 30 may share the first electrode layer 14 and the buffer layer 13 between the two tunnel magnetoresistive elements 10 in a set, and may be adjacent to each other between adjacent sets. The combined tunnel magnetoresistive element 10 may share the second electrode layer 19, the immobilization promoting layer 18, and the immobilization layer 17. Further, in the tunnel magnetoresistive sensor 30, each tunnel magnetoresistive element 10 is arranged in a lattice arrangement, and the first electrode layer 14 and the buffer layer 13 or the buffer layer 13 or in the arrangement direction perpendicular to one arrangement direction as well as one arrangement direction. , The second electrode layer 19 may be shared.
トンネル磁気抵抗センサ３０は、トンネル磁気抵抗素子１０がトンネル磁気抵抗素子アレイを構成しているため、電流が第１の電極層１４およびバッファ層１３を何度も通過する。このとき、バッファ層１３により第１の電極層１４の側の寄生抵抗が小さくなるため、その寄生抵抗による影響が大きくなるのを抑えることができ、ＴＭＲ比の低下を抑えることができる。これにより、信号出力の低下を防ぎ、高い信号出力を得ることができる。 In the tunnel magnetoresistive sensor 30, since the tunnel magnetoresistive element 10 constitutes the tunnel magnetoresistive element array, the current passes through the first electrode layer 14 and the buffer layer 13 many times. At this time, since the parasitic resistance on the side of the first electrode layer 14 is reduced by the buffer layer 13, it is possible to suppress the influence of the parasitic resistance from becoming large, and it is possible to suppress the decrease in the TMR ratio. As a result, it is possible to prevent a decrease in signal output and obtain a high signal output.
マグネトロンスパッタリングを用いて、基板１１の上に各層を成膜し、図１に示すトンネル磁気抵抗素子１０を製造した。バッファ層１３を成膜する際には、まず、Ｃｕを５００ｎｍ成膜した後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により３００ｎｍ研磨して平坦化を行った。ＣＭＰによる研磨前後の、Ｃｕ表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による断面写真を、それぞれ図３（ａ）および（ｂ）に示す。 Each layer was formed on the substrate 11 by using magnetron sputtering, and the tunnel magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1 was manufactured. When the buffer layer 13 was formed, first, Cu was formed into a film of 500 nm, and then polished by chemical mechanical polishing (CMP) to 300 nm for flattening. Cross-sectional photographs of the Cu surface before and after polishing with CMP by an atomic force microscope (AFM) are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), respectively.
図３（ａ）に示すように、ＣＭＰの前では、Ｃｕ表面の算術平均粗さＲａが２．３ｎｍであり、最大高低差が１３ｎｍ以上であることが確認できる。これに対し、図３（ｂ）に示すように、ＣＭＰの後では、Ｒａは０．２９ｎｍまで小さくなっており、最大高低差も約１．８ｎｍまで小さくなっていることが確認された。製造したトンネル磁気抵抗素子１０では、こうして平坦化されたバッファ層１３の表面に、第１の電極層１４を成膜している。 As shown in FIG. 3A, it can be confirmed that the arithmetic average roughness Ra of the Cu surface is 2.3 nm and the maximum height difference is 13 nm or more before CMP. On the other hand, as shown in FIG. 3B, it was confirmed that after CMP, Ra was reduced to 0.29 nm, and the maximum height difference was also reduced to about 1.8 nm. In the manufactured tunnel magnetoresistive element 10, the first electrode layer 14 is formed on the surface of the buffer layer 13 thus flattened.
次に、製造したトンネル磁気抵抗素子１０を用いて、図２に示すトンネル磁気抵抗センサ３０を製造した。このとき、各トンネル磁気抵抗素子１０の各層を成膜後に３５０℃で熱処理を行っている。製造したトンネル磁気抵抗センサ３０は、平面サイズが７．１ｍｍ×７．１ｍｍである。また、比較例として、バッファ層１３を有さないトンネル磁気抵抗センサを、同じ方法で製造した。 Next, the tunnel magnetoresistive sensor 30 shown in FIG. 2 was manufactured using the manufactured tunnel magnetoresistive element 10. At this time, each layer of each tunnel magnetoresistive element 10 is heat-treated at 350 ° C. after film formation. The manufactured tunnel magnetoresistive sensor 30 has a plane size of 7.1 mm × 7.1 mm. Further, as a comparative example, a tunnel magnetoresistive sensor having no buffer layer 13 was manufactured by the same method.
バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０（以下、「with Cu 200 nm」ともいう）および比較例のトンネル磁気抵抗センサ（以下、「w/o Cu」ともいう）について、磁気抵抗曲線の測定を行った。その測定結果を、図４に示す。図４に示すように、バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０は、バッファ層１３を有しない比較例のトンネル磁気抵抗センサと比べて、約１．４倍のＴＭＲ比を有することが確認された。 Measure the magnetoresistive curve of the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 (hereinafter, also referred to as “with Cu 200 nm”) and the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example (hereinafter, also referred to as “w / o Cu”). went. The measurement result is shown in FIG. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 has a TMR ratio of about 1.4 times that of the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example having no buffer layer 13. It was.
バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０および比較例のトンネル磁気抵抗センサに対して、振幅が１μＴの微弱な交流磁場信号を印加し、そのときの信号出力の測定を行った。その測定結果を、図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０は、測定信号にばらつきがあるものの、バッファ層１３を有しない比較例のトンネル磁気抵抗センサと比べて、高い信号出力が得られていることが確認された。 A weak alternating magnetic field signal having an amplitude of 1 μT was applied to the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 and the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example, and the signal output at that time was measured. The measurement result is shown in FIG. 5 (a). As shown in FIG. 5A, the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 has a higher signal output than the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example which does not have the buffer layer 13, although the measurement signal varies. Was confirmed to be obtained.
バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０および比較例のトンネル磁気抵抗センサに対して、１Ｈｚの単一帯域でのノイズの測定を行った。その測定結果を、図５（ｂ）に示す。図５（ａ）に示すように、バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０は、バッファ層１３を有しない比較例のトンネル磁気抵抗センサと比べて、ノイズが小さくなっていることが確認された。これは、バッファ層１３により、第１の電極層１４の側での寄生抵抗が小さくなったためであると考えられる。 Noise was measured in a single band of 1 Hz with respect to the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 and the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example. The measurement result is shown in FIG. 5 (b). As shown in FIG. 5A, it was confirmed that the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 has smaller noise than the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example having no buffer layer 13. .. It is considered that this is because the buffer layer 13 reduces the parasitic resistance on the side of the first electrode layer 14.
バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０および比較例のトンネル磁気抵抗センサ３０について、図５（ａ）および（ｂ）の結果から、磁場分解能（Ｓ／Ｎ＝１となる入力磁場の大きさ；Detectivity）を求め、図６（ａ）に示す。図６（ａ）に示すように、バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０は、高シグナル、低ノイズであることから、バッファ層１３を有しない比較例のトンネル磁気抵抗センサと比べて、より小さい磁場を分解（検出）可能であることが確認された。 From the results of FIGS. 5A and 5B, the magnitude of the input magnetic field at which the magnetic field resolution (S / N = 1) is obtained for the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 and the tunnel magnetoresistive sensor 30 of the comparative example; Detectivity) is obtained and shown in FIG. 6 (a). As shown in FIG. 6A, the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 has a high signal and low noise, and therefore, as compared with the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example which does not have the buffer layer 13, it is more It was confirmed that a small magnetic field can be decomposed (detected).
バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０および比較例のトンネル磁気抵抗センサについて、図５（ａ）および（ｂ）の結果から、シグナルに対するノイズの値をプロットし、図６（ｂ）に示す。このグラフでは、グラフの右下に行けば行くほど、高シグナル、低ノイズであり、高性能であるといえる。図６（ｂ）に示すように、バッファ層１３を有するトンネル磁気抵抗センサ３０は、ノイズを低いレベルで保ったまま、高いシグナルが得られており、バッファ層１３を有しない比較例のトンネル磁気抵抗センサよりも高性能であることが確認された。 For the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 and the tunnel magnetoresistive sensor of the comparative example, the noise value for the signal is plotted from the results of FIGS. 5 (a) and 5 (b) and shown in FIG. 6 (b). In this graph, the lower the right side of the graph, the higher the signal, the lower the noise, and the higher the performance. As shown in FIG. 6B, the tunnel magnetoresistive sensor 30 having the buffer layer 13 obtains a high signal while keeping the noise at a low level, and the tunnel magnetism of the comparative example having no buffer layer 13 is obtained. It was confirmed that the performance was higher than that of the resistance sensor.
１０ トンネル磁気抵抗素子
１１ 基板
１２ 下引き層
１３ バッファ層
１４ 第１の電極層
１５ 自由層
２１ 第１の強磁性層
２２ 第１の非磁性層
２３ 第２の強磁性層
１６ トンネルバリア層
１７ 固定層
２４ 第３の強磁性層
２５ 第２の非磁性層
２６ 第４の強磁性層
１８ 固定化促進層
１９ 第２の電極層
３０ トンネル磁気抵抗センサ
10 Tunnel magnetoresistive element 11 Substrate 12 Undercoat layer 13 Buffer layer 14 First electrode layer 15 Free layer 21 First ferromagnetic layer 22 First non-magnetic layer 23 Second ferromagnetic layer 16 Tunnel barrier layer 17 Fixed Layer 24 Third ferromagnetic layer 25 Second non-magnetic layer 26 Fourth ferromagnetic layer 18 Immobilization promotion layer 19 Second electrode layer
30 Tunnel magnetoresistive sensor
Claims (7)
磁化方向が変化可能な自由層と、
前記固定層と前記自由層との間に配置されたトンネルバリア層と、
前記固定層の前記トンネルバリア層とは反対側、および、前記自由層の前記トンネルバリア層とは反対側のうち、いずれか一方の側に配置された第１の電極層と、
前記固定層の前記トンネルバリア層とは反対側、および、前記自由層の前記トンネルバリア層とは反対側のうち、前記第１の電極層とは反対の側に配置された第２の電極層と、
前記第１の電極層の前記固定層または前記自由層とは反対側の面に接するよう設けられた導電性のバッファ層とを、
有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。 A fixed layer with a fixed magnetization direction and
A free layer whose magnetization direction can be changed,
A tunnel barrier layer arranged between the fixed layer and the free layer,
A first electrode layer arranged on either side of the fixed layer opposite to the tunnel barrier layer and the free layer opposite to the tunnel barrier layer.
A second electrode layer arranged on the side of the fixed layer opposite to the tunnel barrier layer and the side of the free layer opposite to the tunnel barrier layer, which is opposite to the first electrode layer. When,
A conductive buffer layer provided so as to be in contact with the surface of the first electrode layer opposite to the fixed layer or the free layer.
A tunnel magnetoresistive element characterized by having.
各トンネル磁気抵抗素子は、一列または格子配列に並んで配置され、隣り合うトンネル磁気抵抗素子との間で前記第１の電極層と前記バッファ層、または、前記第２の電極層を共有して、トンネル磁気抵抗素子アレイを構成していることを
特徴とするトンネル磁気抵抗センサ。
The tunnel magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 6 is provided.
The tunnel magnetoresistive elements are arranged in a row or in a lattice arrangement, and share the first electrode layer and the buffer layer or the second electrode layer with adjacent tunnel magnetoresistive elements. , A tunnel magnetoresistive sensor characterized by forming a tunnel magnetoresistive element array.
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