JP4732799B2 - 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
「タンタル(Ta)層/ニッケル鉄合金(NiFe)層/コバルト鉄合金(CoFe)層/トンネルバリア層/CoFe層/ルテニウム(Ru)層/CoFe層/白金マンガン合金(PtMn)層/Ta層」
このような構造のMTJ素子は、上部導電リード層と下部導電リード層との間に挟まれるように構成される。ここで、左側から順に各層について説明する。Ta層がシード層であり、NiFe層/CoFe層がフリー層であり、トンネルバリア層を挟んでCoFe層/Ru層/CoFe層がピンド層であり、PtMn層がピンニング層であり、Ta層が保護層である。Sun等は、このようなMTJ素子におけるトンネルバリア層としては、ニッケルクロム合金(NiCr)の酸化物(例えばNiCrOX)が好ましいと述べている。このようなトンネルバリア層は、6.6Ω・μm2の接合抵抗RA(MTJ素子の形成面積Aと単位面積あたりの抵抗Rとの積)を生み出すものである。
「Ta/NiFe/MnPt/Co90Fe10/Ru/Co50Fe50/[Al/NOX]/CoFe−Ni82Fe18/Ta」
(ここで、[Al/NOX]は、アルミニウム層を自然酸化法により酸化処理したトンネルバリア層である。)
「Ta/NiFe/IrMn/Co84Fe16/[Al(0.45)Hf(0.15)/NOX]/CoFe−Ni82Fe18/Ta」
(ここで、[Al(0.45)Hf(0.15)/NOX]は、0.45nm厚のアルミニウム層と0.15nm厚のハフニウム層とを自然酸化法により酸化処理したトンネルバリア層である。)
なお、これら2種類の構成において、タンタル層と、MnPt層またはIrMn層との間に設けられたNiFe層は、MnPt層またはIrMn層の成長を促す緩衝層(シード層)である。
(A1)平坦化された上面を有する基体。
(A2)基体の上に、結晶成長を促進する第1シード層と、表面が結晶面と平行な非磁性金属層と、タンタル(Ta)からなり、かつスパッタエッチング処理により表層がアモルファス化された被覆層とが順に積層されてなる下部導電リード層。
(A3)第2シード層。
(A4)反強磁性材料からなるピンニング層。
(A5)ピンド層。
(A6)アルミニウム(Al)膜が酸化処理されてなるトンネルバリア層。
(A7)強磁性材料からなる磁化フリー層。
(A8)上部導電リード層としてのキャップ層。
(B1)平坦面を有する基体を用意する工程。
(B2)基体上に第1シード層を形成する工程。
(B3)第1シード層上に非磁性金属層を形成する工程。
(B4)非磁性金属層の上にタンタル(Ta)膜を形成したのち、その上面をスパッタエッチング処理することにより表層がアモルファス化された被覆層を形成する工程。
(B5)スパッタエッチング処理されたタンタル層の上に第2シード層を形成する工程。
(B6)第2シード層の上に反強磁性材料を用いてピンニング層を形成する工程。
(B7)ピンニング層の上にピンド層を形成する工程。
(B8)ピンド層の上にアルミニウム層を形成したのち、これを酸化処理することによりトンネルバリア層を形成する工程。
(B9)トンネルバリア層の上に磁化フリー層を形成する工程。
(B10)磁化フリー層の上にキャップ層を形成する工程。
(D1)ニッケル鉄合金(NiFe)を用いて、平坦面を有する基体としての第1磁気シールド層を用意する工程。
(D2)第1磁気シールド層上にタンタル(Ta)膜を形成したのち、その上面をスパッタエッチング処理することにより表層がアモルファス化された被覆層を形成する工程。
(D3)スパッタエッチング処理された被覆層の上にシード層を形成する工程。
(D4)シード層の上に反強磁性材料を用いてピンニング層を形成する工程。
(D5)ピンニング層の上にピンド層を形成する工程。
(D6)ピンド層の上にアルミニウム層を形成したのち、このアルミニウム層の酸化処理を行うことによりトンネルバリア層を形成する工程。
(D7)トンネルバリア層の上に、磁化フリー層を形成する工程。
(D8)磁化フリー層の上にキャップ層を形成する工程。
(D9)キャップ層の上に、ニッケル鉄合金(NiFe)を用いて、第1磁気シールド層と共に積層面と直交する方向にセンス電流を流すための電流経路となる第2磁気シールド層を形成する工程。
最初に、図1(A)〜図1(D)を参照して、本発明における第1の実施の形態としての磁気トンネル接合(MTJ;magnetic tunnel junction)素子について以下に説明する。本実施の形態のMTJ素子は、特に、MRAMアレイにおける磁気メモリセルとして好適に用いられる構造を有するものである。MRAMアレイは複数の磁気メモリセル(MTJ素子)がマトリックス状に配置された集合体であり、磁気情報の書き換え、格納および検出を行う際に使用される駆動回路(associate circuitry)と接続されている。このようなMRAMアレイでは、MTJ素子が、複数のワード線と複数のビット線との各交差点において、ワード線と電気絶縁性と保ちつつビット線と電気的に接続されるように構成されている。
「NiCr/Ru/Ta(SE)/NiCr/MnPt/CoFe/[Al/ROX]/CoFe/NiFe/Ru」
という積層構造をなすものである。上記の「NiCr/Ru/Ta(SE)」は、平滑な(smooth)下部導電リード層である。詳細には、「NiCr」が第1シード層であり、「Ru」が非磁性金属層であり、「Ta(SE)」がスパッタエッチング処理されて表層がアモルファス化された被覆層である。さらに「Ta(SE)」の上に形成された「NiCr/MnPt/CoFe」が下部電極である。詳細には「NiCr」が第2シード層であり、「MnPt」がピンニング層であり、「CoFe」がピンド層である。また、「[Al/ROX]」はアルミニウム層をラジカル酸化法を利用して酸化処理することにより得られるトンネルバリア層である。このトンネルバリア層の上に形成された「CoFe/NiFe/Ru」が上部電極である。詳細には「CoFe/NiFe」が磁化フリー層であり、「Ru」が上部導電リード層を兼ねたキャップ層である。なお、下部導電リード層および上部導電リード層は、MTJ素子に対して、その積層面と直交する方向にセンス電流を流すための電流経路となる。
最初に、図2(A)〜図2(D)を参照して、本発明における第2の実施の形態としてのMTJ素子について以下に説明する。本実施の形態のMTJ素子は、例えば磁気ディスク装置などに搭載されて、磁気記録媒体(ハードディスク)に記録された磁気情報を読み出す磁気デバイスとして機能する磁気再生ヘッドのセンサ部として用いられるものである。
(1);「Ta(SE)/NiCr/AFM/SyAP/[Al/NOX]/Co90Fe10/Ni82Fe18/Ta」
(2);「Ta(SE)/NiCr/AFM/SyAP/[Al−Hf/NOX]/Co90Fe10/Ni82Fe18/Ta」
という構造を備えている。上記の「Ta(SE)」は、タンタル(Ta)膜を下部導電リード層の上に形成したのち、その一部をスパッタエッチング(SE;sputter-etching)により除去することにより得られたタンタル層を表している。また、下部磁気シールド層および上部磁気シールド層は、MTJ素子に対して、その積層面と直交する方向にセンス電流を流すための電流経路となるものである。また「NiCr」はシード層であり、「AFM」は反強磁性(anti-ferromagnetic)材料からなるピンニング層であり、「SyAP」はシンセティック構造を有するピンド層であり、「[Al/NOX]」および「[Al−Hf/NOX]」はアルミニウム層またはアルミニウム層とハフニウム層との積層体を自然酸化処理して得られるトンネルバリア層であり、「Co90Fe10/Ni82Fe18」は磁化フリー層であり、「Ta」はキャップ層である。
Claims (29)
- 平坦化された上面を有する基体と、
前記基体の上に、結晶成長を促進する第1シード層と、表面が結晶面と平行な非磁性金属層と、タンタル(Ta)からなり、かつ、スパッタエッチング処理により表層がアモルファス化された被覆層とが順に積層されてなる下部導電リード層と、
第2シード層と、
反強磁性材料からなるピンニング層と、
ピンド層と、
アルミニウム(Al)膜が酸化処理されてなるトンネルバリア層と、
強磁性材料からなる磁化フリー層と、
上部導電リード層としてのキャップ層と
を順に備えたことを特徴とする磁気トンネル接合素子。 - 前記第1シード層は、35原子パーセント(at%)以上45原子パーセント(at%)以下のクロム(Cr)を含有するニッケルクロム合金(NiCr)により構成され、5nm以上10nm以下の厚みを有している
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。 - 前記非磁性金属層は、ルテニウム(Ru)よりなり、25nm以上100nm以下の厚みを有している
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。 - 前記被覆層は、6.0nm以上8.0nm以下の厚みとなるように形成されたタンタル膜が、スパッタエッチング処理により2.0nm以上3.0nm以下の厚み分だけ除去されたものである
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。 - 前記第2シード層は、35原子パーセント(at%)以上45原子パーセント(at%)以下のクロム(Cr)を含有するニッケルクロム合金(NiCr)により構成され、4nm以上6nm以下の厚みを有している
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、マンガン白金合金(MnPt)により構成され、10.0nm以上20.0nm以下の厚みを有してい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。
- 前記ピンド層は、
Co90Fe10からなり1.5nm以上2.5nm以下の厚みをなす第1磁化固着層と、
ルテニウム(Ru)からなり0.7nm以上0.8nm以下の厚みをなす結合層と、
Co75Fe25またはCo50Fe50からなり1.0nm以上2.0nm以下の厚みをなす第2磁化固着層と
が順に積層されたものであり、
前記第1磁化固着層と第2磁化固着層とが互いに逆平行の磁化を示し、反強磁性結合するように構成されている
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。 - 前記トンネルバリア層は、0.7nm以上1.2nm以下の厚みを有するアルミニウム層をラジカル酸化法を用いて酸化処理することにより形成されたものである
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。 - 前記磁化フリー層は、
0.5nm以上1.5nm以下の厚みを有するコバルト鉄合金(CoFe)層と、
2.0nm以上5.0nm以下の厚みを有するニッケル鉄合金(NiFe)層とを含んでいる
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。 - 前記キャップ層は、ルテニウム(Ru)よりなり、10.0nm以上30.0nm以下の厚みを有している
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。 - 平坦化された上面を有する基体を用意する工程と、
前記基体上に第1シード層を形成する工程と、
前記第1シード層上に非磁性金属層を形成する工程と、
前記非磁性金属層の上にタンタル(Ta)膜を形成したのち、その上面をスパッタエッチング処理することにより表層がアモルファス化された被覆層を形成する工程と、
スパッタエッチング処理された前記タンタル層の上に、第2シード層を形成する工程と、
前記第2シード層の上に反強磁性材料を用いて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ピンド層を形成する工程と、
前記ピンド層の上にアルミニウム層を形成したのち、このアルミニウム層の酸化処理を行うことにより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磁化フリー層を形成する工程と、
前記磁化フリー層の上にキャップ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。 - 前記各工程は、超高真空スパッタリングチャンバの内部で実施される
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 35原子パーセント(at%)以上45原子パーセント(at%)以下のクロム(Cr)を含有するニッケルクロム合金(NiCr)を用いて前記第1シード層および第2シード層を形成する
ことを特徴とする請求項11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)を用いて25nm以上100nm以下の厚みとなるように前記非磁性金属層を形成する
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 6.0nm以上8.0nm以下の厚みとなるようにタンタル膜を形成したのち、スパッタエッチング処理により2.0nm以上3.0nm以下の厚み分だけ除去することにより前記被覆層を形成する
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記ピンド層を形成する工程は、
Co90Fe10を用いて1.5nm以上2.5nm以下の厚みをなすように第1磁化固着層を形成する工程と、
前記第1磁化固着層の上に、ルテニウム(Ru)を用いて0.7nm以上0.8nm以下の厚みをなすように結合層を形成する工程と、
前記結合層の上に、前記第1磁化固着層と逆平行の磁化を示すと共に前記結合層を介して前記第1磁化固着層と反強磁性結合するように、Co75Fe25またはCo50Fe50を用いて1.0nm以上2.0nm以下の厚みの第2磁化固着層を形成する工程と
を含んでいることを特徴とする請求項11に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.7nm以上1.2nm以下の厚みとなるように前記アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項11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は、
上部電極と、下部電極と、それらの間に配置された格子状部材とを備えたプラズマ酸化処理室の内部に、前記基体、第1シード層、非磁性金属層、被覆層、第2シード層、ピンニング層、ピンド層およびアルミニウム層が順に積層された積層膜を載置する工程と、
前記アルミニウム層を、前記下部電極と電気的に連結する工程と、
前記プラズマ酸化処理室へ0.5リットルの酸素ガスを投入すると共に500ワット(W)以上800ワット(W)以下の電力を上部電極へ供給することにより、前記格子状部材を通過して前記アルミニウム層へ到達するように酸素ラジカルからなるシャワーを形成し、前記アルミニウム層のラジカル酸化処理を行う工程と
を含むことを特徴とする請求項11に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記磁化フリー層を形成する工程は、
0.5nm以上1.5nm以下の厚みをなすようにコバルト鉄合金(CoFe)層を形成する工程と、
2.0nm以上5.0nm以下の厚みをなすようにニッケル鉄合金(NiFe)層を形成する工程と
を含んでいる
ことを特徴とする請求項11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)を用いて20nm以上30nm以下の厚みをなすように前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - ニッケル鉄合金(NiFe)を用いて、平坦化された上面を有する基体としての第1磁気シールド層を用意する工程と、
前記第1磁気シールド層上にタンタル(Ta)膜を形成したのち、その上面をスパッタエッチング処理することにより表層がアモルファス化された被覆層を形成する工程と、
スパッタエッチング処理された前記被覆層の上に、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を用いて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ピンド層を形成する工程と、
前記ピンド層の上にアルミニウム層を形成したのち、このアルミニウム層の酸化処理を行うことにより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磁化フリー層を形成する工程と、
前記磁化フリー層の上にキャップ層を形成する工程と、
前記キャップ層の上に、ニッケル鉄合金(NiFe)を用いて、前記第1磁気シールド層と共に積層面と直交する方向にセンス電流を流すための電流経路となる第2磁気シールド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。 - 前記各工程は、超高真空スパッタリングチャンバの内部で実施されることを特徴とする請求項21に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
- 35原子パーセント(at%)以上45原子パーセント(at%)以下のクロム(Cr)を含有す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21に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 6.0nm以上8.0nm以下の厚みとなるようにタンタル膜を形成したのち、スパッタエッチング処理により2.0nm以上3.0nm以下の厚み分だけ除去することにより前記被覆層を形成する
ことを特徴とする請求項21に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - マンガン白金合金(MnPt)を用いて、10.0nm以上20.0nm以下の厚みをなす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21に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記ピンド層を形成する工程は、
Co90Fe10を用いて1.5nm以上2.0nm以下の厚みをなすように第1磁化固着層を形成する工程と、
前記第1磁化固着層の上に、ルテニウム(Ru)を用いて0.7nm以上0.8nm以下の厚みをなすように結合層を形成する工程と、
前記結合層の上に、前記第1磁化固着層と逆平行の磁化を示し、前記結合層を介して反強磁性結合するように、Co75Fe25またはCo50Fe50を用いて1.8nm以上2.5nm以下の厚みの第2磁化固着層を形成する工程と
を含んでいる
ことを特徴とする請求項21に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 前記ピンド層の上に単一のアルミニウム層、またはアルミニウム層とハフニウム層との2層構造を形成したのち、この2層構造を15分間に亘って10.00Pa(75×10-3Torr)の酸素雰囲気中に晒すことにより自然酸化させて前記トンネルバリア層を形成する
ことを特徴とする請求項21に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - (111)面を形成し、かつ、0.575nmの厚みを有するように前記アルミニウム層を形成する
ことを特徴とする請求項27に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。 - 0.1nm以上0.2nm以上の厚みをなすようにハフニウム(Hf)層を形成すると共に0.4nm以上0.5nm以上の厚みをなすようにアルミニウム(Al)層を形成することにより前記2層構造を形成する
ことを特徴とする請求項27に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
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