JP5062832B2 - 磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents
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S.Yuasa et al., Nat.Mater.3(2004)868 S.S.P.Parkin et al.,Nat.Mater.3(2004)862 D.D.Djayaprawira et al.,230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions,Appl.Phys.Lwtt.86(2005)092502
なお、バリア層を挟む配置に、磁化方向が固定した磁化固定層と、外部磁界によって磁化方向が回転する自由磁性層とを積層した構造は、磁気抵抗効果素子の構成の一部として使用する他に、M-RAM等の磁気抵抗デバイスの構成にも利用することができる。
すなわち、酸化金属からなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第1の磁性層および第2の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第1の磁性層を反強磁性層上に積層して該第1の磁性層と該反強磁性層とを交換結合させ、前記第1の磁性層を、磁化に一方向異方性をもたせて磁化方向が固定された磁化固定層として形成し、前記第1の磁性層上に、前記酸化金属のターゲットにMgOを使用するスパッタリングにより、膜厚1.0nm以下のMgO層からなる前記バリア層を積層し、前記第2の磁性層を前記バリア層上に積層する前に、前記バリア層を真空中において200〜400℃に加熱して、(200)結晶配向性を維持するアニール処理を行い、次いで前記バリア層上に、前記第2の磁性層を、外部磁界に応じて磁化方向が回転する自由磁性層として形成することを特徴とする。
なお、本発明における磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁気記憶装置に用いられる磁気ヘッドを構成する磁気抵抗膜の製造に限られず、M-RAM等の磁気抵抗デバイスに用いられる磁気抵抗膜の製造にも適用される。
磁気ヘッドに用いられる磁気抵抗効果膜は、磁性層や非磁性層を複数層に積層して形成され、その積層構造には種々の形態がある。図1〜3は、磁気抵抗効果膜の一例としてTMR(Tunnel Magneto-Resistance)素子についての構成例を示す。
下部シールド層10、反強磁性下地層11、反強磁性層12、第1の磁化固定層13、反強磁性結合層14、第2の磁化固定層15、バリア層16、自由磁性層17、キャップ層18および上部シールド層19。
下部シールド層10は、磁気シールド作用と、センス電流を流す一方の電極を兼ねている。下部シールド層10には、NiFeのような軟磁性材が用いられる。本実施形態では、下部シールド層10をスパッタリングによって形成する。
反強磁性層12は、その上層に積層する第1の磁化固定層13との交換結合作用によって第1の磁化固定層13の磁化方向を固定するために設けられる。反強磁性層12は、MnIr、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材をスパッタリングして形成する。反強磁性層12の膜厚は1nm程度である。
磁化固定層は、反強磁性結合層を層間に介在させてさらに多層に磁化固定層を積層する構成とすることもでき、また、反強磁性結合層14を設けずに、単一の磁化固定層のみによって形成することもできる。
バリア層16には、もちろんMgO以外の絶縁材料を使用することができる。図1は、下部シールド層10からバリア層16まで各層を積層して成膜した状態である。
従来の磁気抵抗効果素子の製造工程においては、バリア層16を形成した後、バリア層16上に、続けて、自由磁性層17、キャップ層18、上部シールド層19を成膜して、磁気抵抗効果膜を形成する。
すなわち、バリア層16を成膜した後、真空中で、室温から200℃〜400℃程度までウエハを加熱し、再度、室温まで降温させてから、次工程の成膜工程へ移行させる。
この加熱処理は、バリア層16の結晶配向性を向上させ、磁気抵抗効果素子のMR比等の特性を改善する上できわめて有効である。バリア層16を形成した後、加熱処理(アニール処理)を施した場合と、加熱処理を施さない場合での磁気抵抗効果素子の特性上の相違については後述する。
次いで、キャップ層18を成膜する。キャップ層18は主として保護層として設けるものであり、Ta(タンタル)あるいはRu(ルテニウム)を5nm程度の厚さにスパッタリングして形成する。
本実施形態の磁気抵抗効果膜20の膜構成はTMR型の磁気抵抗効果素子の膜構成であり、上部シールド層19と下部シールド層10とを電極として電極間にセンス電流を流し、外部磁界に対する抵抗変化から磁気情報を検知することができる。
図4に示すグラフは、横軸を面積抵抗、縦軸をMR比としたものである。同図には、MgOをバリア層とした場合の先行技術の測定結果をあわせて示している。グラフ中で、Yuasa、Hayakawa、Nagamine、Tsunekawaとしたデータはいずれも先行技術での測定結果である。これらの先行技術での測定結果をみると、いずれの場合も、面積抵抗(RA)が小さく、すなわちMgOの膜厚が薄くなるにしたがって、急激にMR比が低下している。
一方、MgO層を成膜した後、加熱処理を施したものについては、MgO層の膜厚が薄くなっても、MgO層の膜厚が厚い場合でのMR比と比較して、ほとんど減少していない。たとえば、MgO層を加熱しない場合には、MgO層の膜厚が1.4nmから、0.9nm、0.8nmに薄くなると、MR比は急激に小さくなるのに対して、MgO層を加熱処理した場合には、MgO層の膜厚が1.4nmから、1.2nm、1.0nm、0.9nm、0.8nmと薄くなってもMR比は略一定となっている。
11 反強磁性下地層
12 反強磁性層
13 第1の磁化固定層
14 反強磁性結合層
15 第2の磁化固定層
16 バリア層
17 自由磁性層
18 キャップ層
19 上部シールド層
20 磁気抵抗効果膜
Claims (1)
- 酸化金属からなるバリア層と、該バリア層の両面にそれぞれ接する第1の磁性層および第2の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第1の磁性層を反強磁性層上に積層して該第1の磁性層と該反強磁性層とを交換結合させ、前記第1の磁性層を、磁化に一方向異方性をもたせて磁化方向が固定された磁化固定層として形成し、
前記第1の磁性層上に、前記酸化金属のターゲットにMgOを使用するスパッタリングにより、膜厚1.0nm以下のMgO層からなる前記バリア層を積層し、
前記第2の磁性層を前記バリア層上に積層する前に、前記バリア層を真空中において200〜400℃に加熱して、(200)結晶配向性を維持するアニール処理を行い、
次いで前記バリア層上に、前記第2の磁性層を、外部磁界に応じて磁化方向が回転する自由磁性層として形成することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
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