JP4732781B2 - 磁気トンネル接合素子およびその形成方法 - Google Patents
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Description
「種種の酸化方法によって形成される強磁性トンネル接合に好適な薄い絶縁層の成長メカニズム(Growth mechanisms of thin insulating layer on ferromagnetic tunnel junctions prepared using various oxidation methods)」ジャーナル・オブ・フィジックス.D.:アプライド・フィジックス(J.Phys.D.:Appl.Phys.)、第35巻、2415-2421ページ、2002年。
「N2Oプラズマによって形成されたトンネルバリア層を有する磁気トンネル接合素子(Magnetic tunnel junctions with a tunnel barrier formed by N2O plasma)」アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.Phys.Lett)、第83巻、第22号、4583ページ、2003年12月1日。
ここで、アモルファス層および酸化アルミニウム平滑層は、いずれも均質な化学量論組成を有するAl2 O3からなり、そのうち酸化アルミニウム平滑層を構成するAl2 O3 は、均質な結晶粒径を有するアルミニウム平滑層がラジカル酸化法によって酸素原子を取り込むことにより酸化されたものである
(A)基体を用意する工程。
(B)基体上に金属層とタンタル(Ta)からなる第1のキャップ層とを順に形成したのち、その第1のキャップ層をスパッタエッチングすることにより導電リード層を形成する工程。
(C)スパッタエッチングされた第1のキャップ層の上に、ニッケルクロム合金(NiCr)からなるシード層を形成する工程。
(D)シード層の上に反強磁性材料からなるピンニング層を形成する工程。
(E)ピンニング層の上に、第1の強磁性層と結合層と第2の強磁性層とを順に積層することによりシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程。
(F)第2の強磁性層の上面に、完全な単層構造とならない程度に吸着された酸素原子の集合体からなる酸素界面活性層を形成する工程。
(G)酸素界面活性層の上にトンネルバリア層を形成する工程。
(H)トンネルバリア層の上に強磁性フリー層を形成する工程。
(I)強磁性フリー層の上に第2のキャップ層を形成する工程。
(J)全体を磁場中において加熱処理することにより、シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を設定すると共にトンネルバリア層の均質性を向上させる工程。
ここで(G)のトンネルバリア層を形成する工程は、さらに、以下の(a)および(b)の各工程を含むものである。
(a)真空蒸着装置を用いて酸素界面活性層の上にアルミニウム膜を形成することにより、酸素界面活性層からアルミニウム膜への酸素原子の移動および吸着を引き起こして化学量論的にAl2 O3 となるアモルファス層を形成すると共に、平滑な表面を有し、かつ、均質な寸法の結晶粒からなるアルミニウム平滑層をアモルファス層の上に形成する工程。
(b)ラジカル酸化法を用いてアルミニウム平滑層を酸化処理することにより、厚み方向においてアモルファス層に達すると共に化学量論的にAl2 O3 となる酸化アルミニウム平滑層を形成する工程。
(A)「BL/Ta(SE)/NiCr/MnPt/CoFe(10%)/Ru/CoFe(25%)/OSL/Al(ROX)/CoFe(25%)-NiFe(20%)/Ta」
(B)「BL/Ta(SE)/NiCr/MnPt/CoFe(10%)/Ru/CoFe(10%)-NiFe(60%)/OSL/Al(ROX)/NiFe(60%)-NiFe(20%)/Ta」
ここで、「BL」は下部導電層を表し、Ta(SE)はスパッタエッチングされたタンタル層を表し、Al(ROX)はラジカル酸化法により酸化処理されたアルミニウム層を表す。
Claims (24)
- 基体と、
この基体と反対側の面に露出するように形成されたタンタル(Ta)からなる第1のキャップ層を有する導電リード層と、
ニッケルクロム合金(NiCr)からなるシード層と、
反強磁性材料からなるピンニング層と、このピンニング層の側から順に第1の強磁性層、結合層、第2の強磁性層を有すると共に前記第1の強磁性層および第2の強磁性層が互いに逆平行の磁化方向を示すように構成されたシンセティック反強磁性ピンド層とを含んでなる下部導電層と、
完全な単層構造とならない程度に前記第2の強磁性層の表面に吸着された酸素原子の集合体からなる酸素界面活性層と、
アモルファス層と酸化アルミニウム平滑層との積層構造からなり、かつ平滑な表面を有するトンネルバリア層と、
強磁性フリー層と第2のキャップ層とを含んでなる上部導電層と
を順に備え、
前記アモルファス層および酸化アルミニウム平滑層は、いずれも均質な化学量論組成を有する酸化アルミニウム(Al2 O3 )からなり、
前記酸化アルミニウム平滑層を構成する酸化アルミニウム(Al2 O3 )は、均質な結晶粒径を有するアルミニウム平滑層がラジカル酸化法によって酸素原子を取り込むことにより酸化されたものである
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 - 前記シード層は、クロム(Cr)の原子数の割合が35%以上45%以下であるニッケルクロム合金(NiCr)からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記ピンニング層は、10nm以上20nm以下の厚みを有する白金マンガン合金(MnPt)層、または、5nm以上10nm以下の厚みを有するイリジウムマンガン合金(IrMn)層である
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記結合層はルテニウム(Ru)を含むものであり、
前記第1および第2の強磁性層はコバルト鉄合金(CoFe)を含むものであり、
少なくとも前記第2の強磁性層は、鉄(Fe)を25%含有するコバルト鉄合金(CoFe)を含むものである
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記結合層はルテニウム(Ru)を含むものであり、
前記第1の強磁性層はコバルト鉄合金(CoFe)を含むものであり、
前記第2の強磁性層は鉄(Fe)を10%含有するコバルト鉄合金(CoFe)と鉄(Fe)を60%含有するニッケル鉄合金(NiFe)とを含む複合材料からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記結合層は0.7nm以上0.8nm以下の厚みを有し、
前記第1の強磁性層は1.8nm以上2.5nm以下の物理的厚みを有し、
前記第2の強磁性層は1.5nm以上2.0nm以下の物理的厚みを有する
ことを特徴とする請求項4に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記結合層は0.7nm以上0.8nm以下の物理的厚みを有し、
前記第1の強磁性層は1.8nm以上2.5nm以下の物理的厚みを有し、
前記第2の強磁性層は、0.5nm以上1.0nm以下の物理的厚みを有し、鉄(Fe)を25%含有する1.5nm以上2.0nm以下の物理的厚みをなすコバルト鉄合金(CoFe)と同等の磁気厚みを有するものである
ことを特徴とする請求項5に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記アモルファス層および酸化アルミニウム層に含まれる酸素原子の少なくとも一部は、前記酸素界面活性層から移動したものである
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記トンネルバリア層は、物理蒸着法(PVD)によって形成された0.7nm以上1.0nm以下の厚みを有するアルミニウム平滑層をラジカル酸化法によって酸化処理することにより得られる酸化アルミニウム(Al2 O3 )平滑層を含む
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記強磁性フリー層は、
0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有すると共に鉄(Fe)を25%含有するコバルト鉄合金(CoFe)層と、
2.5nm以上5.0nm以下の厚みを有すると共に鉄(Fe)を20%含有するニッケル鉄合金(NiFe)層と
からなる2層構造である
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記強磁性フリー層は、
0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有すると共に鉄(Fe)を60%含有するニッケル鉄合金(NiFe)層と、
2.5nm以上5.0nm以下の厚みを有すると共に鉄(Fe)を20%含有するニッケル鉄合金(NiFe)層と
からなる2層構造である
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 基体を用意する工程と、
前記基体上に金属層とタンタル(Ta)からなる第1のキャップ層とを順に形成したのち、前記第1のキャップ層をスパッタエッチングすることにより導電リード層を形成する工程と、
スパッタエッチングされた前記第1のキャップ層の上に、ニッケルクロム合金(NiCr)からなるシード層を形成する工程と、
前記シード層の上に反強磁性材料からなるピンニング層を形成する工程と、
前記ピンニング層の上に、第1の強磁性層と結合層と第2の強磁性層とを順に積層することによりシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程と、
前記第2の強磁性層の上面に、完全な単層構造とならない程度に吸着された酸素原子の集合体からなる酸素界面活性層を形成する工程と、
前記酸素界面活性層の上に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の上に強磁性フリー層を形成する工程と、
前記強磁性フリー層の上に第2のキャップ層を形成する工程と、
全体を磁場中において加熱処理することにより、前記シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を設定すると共に前記トンネルバリア層の均質性を向上させる工程と
を含み、
前記トンネルバリア層を形成する工程は、
真空蒸着装置を用いて前記酸素界面活性層の上にアルミニウム膜を形成することにより、前記酸素界面活性層からアルミニウム膜への酸素原子の移動および吸着を引き起こして化学量論的にAl2 O3 となるアモルファス層を形成すると共に、平滑な表面を有し、かつ、均質な寸法の結晶粒からなるアルミニウム平滑層を前記アモルファス層の上に形成する工程と、
ラジカル酸化法を用いて前記アルミニウム平滑層を酸化処理することにより、厚み方向において前記アモルファス層に達すると共に化学量論的にAl2 O3 となる酸化アルミニウム平滑層を形成する工程と
を含む
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の形成方法。 - クロム(Cr)の原子数の割合が35%以上45%以下であるニッケルクロム合金(NiCr)を用いて前記シード層を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 8nm以上10nm以下の厚みをなすように前記第1のキャップ層を形成したのち、スパッタエッチングにより2nm以上3nm以下の厚みとなるようにエッチング処理する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 白金マンガン合金(MnPt)を用いて10nm以上20nm以下の厚みを有するように、またはイリジウムマンガン合金(IrMn)を用いて5nm以上10nm以下の厚みを有するように前記ピンニング層を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - ルテニウム(Ru)を含む材料により前記結合層を形成し、
コバルト鉄合金(CoFe)を含む材料により前記第1の強磁性層を形成し、
鉄(Fe)を25%含有するコバルト鉄合金(CoFe)を含む材料により前記第2の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - ルテニウム(Ru)を含む材料により前記結合層を形成し、
コバルト鉄合金(CoFe)を含む材料により前記第1の強磁性層を形成し、
鉄(Fe)を10%含有するコバルト鉄合金(CoFe)と、鉄(Fe)を60%含有するニッケル鉄合金(NiFe)とを含む複合材料により前記第2の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.7nm以上0.8nm以下の厚みを有するように前記結合層を形成し、
1.8nm以上2.5nm以下の厚みを有するように前記第1の強磁性層を形成し、
1.5nm以上2.0nm以下の厚みを有するように前記第2の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項16に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.7nm以上0.8nm以下の厚みを有するように前記結合層を形成し、
1.8nm以上2.5nm以下の厚みを有するように前記第1の強磁性層を形成し、
鉄(Fe)を25%含有する、1.5nm以上2.0nm以下の物理的厚みをなすコバルト鉄合金(CoFe)と同等の磁気厚みを有し、かつ、0.5nm以上1.0nm以下の物理的厚みを有するように前記第2の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項17に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.02sccm以上0.04sccm以下の割合で酸素ガスを供給し、2.666×10-5 Pa(2×10-7 torr)の気圧となるように保持された室内において少なくとも2分間に亘って前記第2の強磁性層の表面をスパッタリングすることにより、前記酸素界面活性層を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.5ppm未満の酸素を含む第1のアルゴンガスと、400ppm以上600ppm以下の酸素を含む第2のアルゴンガスとを混合することにより、1.333×10-7 Pa以上1.333×10-6 Pa以下(10-9 torr以上10-8 torr以下)の酸素分圧であると共に全圧が5.332×10-2 Pa(0.4×10-3 torr)である混合ガスを生成し、これを成膜室内に供給する工程と、
前記成膜室内のベースプレッシャーを6.665×10-7 Pa(5×10-9 torr)とし、前記混合ガス中において前記第2の強磁性層の表面をスパッタリングすることにより前記酸素界面活性層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記トンネルバリア層を形成する工程では、
0.5リットルの酸素ガスをプラズマチャンバ内に配置されたイオン化電極へ供給し、
前記イオン化電極に500ワット以上800ワット以下の電力を供給することにより、前記酸素ガスを局所的にイオン化させる工程と、
酸素分子、酸素原子、酸素イオンおよび酸素ラジカルからなる酸素種のシャワーを形成するように、前記イオン化した酸素ガスを網目状の金属部材を通過させる工程と、
前記アルミニウム層に向けて前記酸素種のシャワーを放出する工程と
を含むことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有し鉄(Fe)を25%含有するコバルト鉄合金(CoFe)層と、2.5nm以上5.0nm以下の厚みを有し鉄(Fe)を20%含有するニッケル鉄合金(NiFe)層とを積層することにより、2層構造をなす前記強磁性フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有し鉄(Fe)を60%含有するニッケル鉄合金(NiFe)層と、2.5nm以上5.0nm以下の厚みを有し鉄(Fe)を20%含有するニッケル鉄合金(NiFe)層とを積層することにより、2層構造をなす前記強磁性フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
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