JP2023014198A - 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
A1-xBxOy …(1)
式(1)中、Aは、Mg、Zn、Cu、Cd、Li、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Hg、及びVからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、Bは、Al、Ga、In、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Rh、Ir、Ge、及びCoからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、0<x≦1、及び、0.35≦y≦1.7である。
A1-xBxOy …(1)
式(1)中、Aは、Mg、Zn、Cu、Cd、Li、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Hg、及びVからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、Bは、Al、Ga、In、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Rh、Ir、Ge、及びCoからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表す。また、0<x≦1、及び、0.35≦y≦1.7であり、Oは酸素を表す。尚、上記スピネル構造には、式(1)のAとBとの原子配列が不規則化した不規則化スピネル構造も含まれる。
実施例1として、図1に示す実施形態の磁気抵抗効果素子1と同様の構成を有する磁気抵抗効果素子を作製した。実施例1に係る説明では、磁気抵抗効果素子1に係る説明のために用いられた符号を援用する。なお、実施例2以降の実施例、及び比較例においても、同様に、磁気抵抗効果素子1に係る説明のために用いられた符号を援用する。
図4は、実施例1に係る磁気抵抗効果素子のMR比を測定できる磁気抵抗デバイスを示す図である。磁気抵抗デバイス50は、第1電極層51と、当該第1電極層51と共に磁気抵抗効果素子1を挟む第2電極層52とを備える。磁気抵抗効果素子1は、磁気抵抗特性の測定に適する形状に微細加工した。第1電極層51が磁気抵抗効果素子1の基板10上の下地層20に接続され、第2電極層52が磁気抵抗効果素子1のキャップ層40に接続されている。磁気抵抗デバイス50は、電源53と電圧計54とを更に備え、電源53及び電圧計54が、共に、第1電極層51及び第2電極層52に接続されている。電源53によって磁気抵抗効果素子1に積層方向に電流を印加し、この際の磁気抵抗効果素子1への印加電圧を電圧計54によってモニターすることができる。本実施例では、磁気抵抗効果素子1に積層方向に一定電流を流した状態で、外部から磁気抵抗効果素子1に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子1への印加電圧を電圧計54によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子1の抵抗変化を測定した。
MR比(%)=((RAP-RP)/RP)×100(%) …(i)
この式(i)において、RAPは、第一の強磁性層31の磁化の向きと第二の強磁性層32の磁化の向きとが反平行であるときの磁気抵抗効果素子1の抵抗の大きさである。また、RPは、第一の強磁性層31の磁化の向きと第二の強磁性層32の磁化の向きとが平行であるときの磁気抵抗効果素子1の抵抗の大きさである。後述の他の実施例及び比較例においても、同様にMR比の測定を行った。
実施例1では、磁気抵抗デバイス50を用いて、磁気抵抗効果素子1の抵抗変化を測定し、その測定結果から、磁気抵抗効果素子1のRA(面積抵抗)を測定した。本実施例では、磁気抵抗効果素子1の平面視形状の面積をAとしたとき、式(i)のRpに対して、Aを乗じたRpAをRA(面積抵抗)と規定した。RAは、印加されるバイアス電圧を磁気抵抗効果素子1の積層方向に流れた電流で割ることによって得られる抵抗値を、各層が接合される面の面積の逆数で割り、単位面積における抵抗値に規格化した数値である。RA(面積抵抗)の値は、3%以内の測定誤差を含む。後述の他の実施例及び比較例においても、同様にRAの測定を行った。
本実施例では、積層方向に沿った断面のTEM観察によって、トンネルバリア層33の上面33aの最大高さ粗さRz1及び下面33bの最大高さ粗さRz2を測定した。これらの最大高さ粗さRz1及び最大高さ粗さRz2の測定は、JISB 0601:2013規格に従って行い、基準長さLr1及び基準長さLr2は、共に、20nmとした。本実施例では、トンネルバリア層33の上面33aの最大高さ粗さRz1及び下面33bの最大高さ粗さRz2のうち、上面33aの最大高さ粗さRz1がより大きな最大高さ粗さを示したので、上面33aの最大高さ粗さRz1を最大高さ粗さRzとした。後述の他の実施例及び比較例においても、同様に最大高さ粗さRzの測定を行った。これら他の実施例及び比較例においても、上面33aの最大高さ粗さRz1がより大きな最大高さ粗さを示したので、上面33aの最大高さ粗さRz1を最大高さ粗さRzとした。
本実施例では、積層方向に沿った断面のTEM観察によって、トンネルバリア層33における結晶化領域62の割合を見積もった。後述の他の実施例及び比較例においても、同様に結晶化領域62の割合の測定を行った。
実施例2では、下部電極層21の上面をCMP研磨した研磨時間を30秒としたこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.81nmとしたことを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例3では、下部電極層21の上面をCMP研磨した研磨時間を15秒としたこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.79nmとしたことを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例4では、トンネルバリア層33の厚さtを2.00nmとしたことを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例5では、下部電極層21の上面をCMP研磨した研磨時間を30秒としたこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを2.01nmとしたことを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例6では、下部電極層21の上面をCMP研磨した研磨時間を15秒としたこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.96nmとしたことを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例7では、トンネルバリア層33の材料と厚さとが異なることを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例8では、下部電極層21の上面をCMP研磨した研磨時間を30秒としたこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.82nmとしたことを除いて、実施例7と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例9では、下部電極層21の上面をCMP研磨した研磨時間を15秒としたこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.81nmとしたことを除いて、実施例7と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。
実施例10では、トンネルバリア層33の厚さtを1.83nmとしたこと、及びトンネルバリア層33のアニール条件(温度と処理時間)を除いて、実施例3と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。アニール温度は、380℃とし、アニール時間は、15分間とした。本実施例では、実施例3と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域62の割合を変更した。
実施例11では、トンネルバリア層33の厚さtを1.82nmとしたこと、及びトンネルバリア層33のアニール条件(温度と処理時間)を除いて、実施例3と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。アニール温度は、350℃とし、アニール時間は、15分間とした。本実施例では、実施例3と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域62の割合を変更した。
実施例12では、トンネルバリア層33の厚さtを1.81nmとしたこと、及びトンネルバリア層33のアニール条件(温度と処理時間)を除いて、実施例3と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。アニール温度は、330℃とし、アニール時間は、15分間とした。本実施例では、実施例3と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域62の割合を変更した。
実施例13では、トンネルバリア層33の厚さtを1.83nmとしたこと、及びトンネルバリア層33のアニール条件(温度と処理時間)を除いて、実施例3と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。アニール温度は、260℃とし、アニール時間は、15分間とした。本実施例では、実施例3と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域62の割合を変更した。
実施例14では、トンネルバリア層33の厚さtを1.84nmとしたこと、及びトンネルバリア層33のアニール条件(温度と処理時間)を除いて、実施例3と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子1を作製した。アニール温度は、220℃とし、アニール時間は、15分間とした。本実施例では、実施例3と比べてアニール温度を変えることによって、結晶化領域62の割合を変更した。
比較例1では、下部電極層21の上面をCMP研磨しなかったこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.82nmとしたことを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。
比較例2では、下部電極層21の上面をCMP研磨しなかったこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.98nmとしたことを除いて、実施例1と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。
比較例3では、下部電極層21の上面をCMP研磨しなかったこと、及びトンネルバリア層33の厚さtを1.84nmとしたことを除いて、実施例7と同様の方法で同様の構成に形成した磁気抵抗効果素子を作製した。
比較例4では、エピタキシャル法によって、磁気抵抗効果素子を作製した。初めに、MgO単結晶からなる基板10を、エピタキシャル装置内に設置し、下地層20を形成した。本比較例では、下地層20は、Cr層(厚さ40nm)の一層からなる。下地層20の形成後に、熱処理(温度800℃)を60分間行った。
以上説明したように、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、トンネルバリア層は、式(1)で表されるスピネル構造を有する酸化物材料を含んでもよい。
A1-xBxOy …(1)
式(1)中、Aは、Mg、Zn、Cu、Cd、Li、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Hg、及びVからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、Bは、Al、Ga、In、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Rh、Ir、Ge、及びCoからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、0<x≦1、及び、0.35≦y≦1.7である。
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子を作製する方法は、第一の強磁性層を形成する工程と、第一の強磁性層上にMgAl合金層を形成する工程と、MgAl合金層を酸化して、少なくとも一つのアモルファス領域と、Mg1-xAlxOy(0<x≦1、0.35≦y≦1.7)で表されるスピネル構造からなる少なくとも一つの結晶化領域とを含むトンネルバリア層を形成する工程と、トンネルバリア層上に第二の強磁性層を形成する工程と、を備え、トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、トンネルバリア層の上面の最大高さ粗さ及び下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをRzとし、トンネルバリア層の厚さをtとしたとき、Rz/t<1である。
Claims (12)
- 第一の強磁性層と、
第二の強磁性層と、
前記第一の強磁性層と前記第二の強磁性層との間に積層されたトンネルバリア層と、
を備え、
前記トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、
前記トンネルバリア層の前記上面の最大高さ粗さ及び前記下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをRzとし、前記トンネルバリア層の厚さをtとしたとき、Rz/t<1であり、
前記トンネルバリア層は、少なくとも一つのアモルファス領域と、式(1)で表される組成を有する少なくとも一つの結晶化領域とを含む、磁気抵抗効果素子。
A1-xBxOy …(1)
[式中、Aは、Mg、Zn、Cu、Cd、Li、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Hg、及びVからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、Bは、Al、Ga、In、Sc、Ti、Cr、Rh、Ir、Ge、及びCoからなる群より選択される少なくとも一種の元素を表し、0<x≦1、及び、0.35≦y≦1.7である。] - 積層方向に沿った断面において、前記トンネルバリア層全体の面積に占める前記少なくとも一つの結晶化領域の面積の割合は、5%より大きく、かつ、65%より小さい、請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記少なくとも一つの結晶化領域は、前記積層方向に(001)面が配向した結晶構造を有する、請求項2に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記少なくとも一つの結晶化領域は、前記トンネルバリア層の面内方向に沿った幅を有し、
前記幅の最大値は、8nm未満である、請求項1~3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記少なくとも一つの結晶化領域の少なくとも一部は、前記第一の強磁性層及び前記第二の強磁性層の少なくとも一つと格子整合している、請求項1~4のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第一の強磁性層、前記第二の強磁性層、及び前記トンネルバリア層の少なくとも一つは、双晶を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記双晶は面心立方格子構造を有し、その双晶面は、(111)面である、又は前記双晶は体心立方格子構造を有し、その双晶面は、(112)面である、請求項6に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記式(1)において、Aは、Mgを表し、Bは、Alを表す、請求項1~7のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記式(1)において、0<x<0.5である、請求項1~8のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第一の強磁性層及び前記第二の強磁性層の少なくとも一つは、前記トンネルバリア層と接するCozFe100-z(0<z<80)からなる領域を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 第一の強磁性層を形成する工程と、
前記第一の強磁性層上にMgAl合金層を形成する工程と、
前記MgAl合金層を酸化して、少なくとも一つのアモルファス領域と、Mg1-xAlxOy(0<x≦1、0.35≦y≦1.7)で表される組成を有する少なくとも一つの結晶化領域とを含むトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層上に第二の強磁性層を形成する工程と、
を備え、
前記トンネルバリア層は、上面と、当該上面の反対側に位置する下面とを有し、
前記トンネルバリア層の前記上面の最大高さ粗さ及び前記下面の最大高さ粗さのうち、より大きな最大高さ粗さをRzとし、前記トンネルバリア層の厚さをtとしたとき、Rz/t<1である、磁気抵抗効果素子を製造する方法。 - 前記MgAl合金層を酸化する前記工程は、ラジカル酸化、プラズマ酸化、オゾン酸化、及び自然酸化の少なくとも一つによって前記MgAl合金層を酸化する工程を含む、請求項11に記載の磁気抵抗効果素子を製造する方法。
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