JP6690838B2 - 強磁性トンネル接合体、これを用いた磁気抵抗効果素子及びスピントロニクスデバイス並びに強磁性トンネル接合体の製造方法 - Google Patents
強磁性トンネル接合体、これを用いた磁気抵抗効果素子及びスピントロニクスデバイス並びに強磁性トンネル接合体の製造方法 Download PDFInfo
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Description
また、本発明は、トンネルバリア層を二つの強磁性層で挟んだ構造からなる強磁性トンネル接合体の製造方法に関する。
しかし、MgAl2O4などスピネル構造を安定相として持つ材料は、作製時に高温での熱処理などを行うとスピネル構造に変態してしまう。したがって、指標となる250%を超えるTMR比は得ることができないため、スピネル酸化物バリア層の作製プロセスを制限してしまうという問題があった。
また本発明の他の目的は、微細素子作製時に用いられるウェットプロセスで問題となる潮解性がなく、高品質な強磁性層/バリア層界面が達成可能になり、高い信頼性をもつMTJ素子が効率よく製造できる強磁性トンネル接合体の製造方法を提供することを課題としている。
第2は、第1の強磁性トンネル接合体であって、非磁性物質とCo2FeAlとの格子不整合が格子不整合3%、好ましくは1%、より好ましくは0.5%以下であるトンネル接合体を提供する。
第4は、第1乃至3の何れか1項に記載の強磁性トンネル接合体であって、前記非磁性物質がMgAl2O4からなるトンネル接合体を提供する。
第5は、第1乃至4の何れか1項に記載の強磁性トンネル接合体であって、室温において250%以上34000%以下のトンネル磁気抵抗を示す強磁性トンネル接合体を提供する。
第7は、第1乃至6の何れか1項に記載の非磁性材料と強磁性体の積層膜からなるスピン注入素子を提供する。
本発明の強磁性トンネル接合体の製造方法によれば、微細素子作製時に用いられるウェットプロセスで問題となる潮解性がなく、高品質な強磁性層/バリア層界面が達成可能になり、高い信頼性をもつMTJ素子が効率よく製造できる。
本発明のMTJ素子を用いた磁気抵抗効果素子及びスピントロニクスデバイスによれば、上記本発明の強磁性トンネル接合体をメモリセルとして用いることができ、例えば不揮発ランダムアクセス磁気メモリMRAM等に用いるのに好適である。
より一般的にはA、Bを金属元素としてAB2O4の組成を持つスピネル酸化物材料が該当する。ここでA、Bには主にLi、Mg、Al、Si、Sc、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Cd、In、Snなどが入る。スピネル構造には正スピネル構造と逆スピネル構造があるが、これらのどちらの構造でも、また、これらが混ざった構造であっても効用は変わらない。また、上記のγ−Al2O3、γ−Ga2O3もスピネル類似構造を有するため該当する。さらに、A原子とB原子がより高度に規則化した構造であるP4332(No.212)もしくはP4132(No.213)を有するLiAl5O8(Li0.5Al2.5O4)、LiGa5O8(Li0.5Ga2.5O4)もこの層として含まれる。また、化学量論組成であるA:B=1:2原子比である必要はなく、長周期構造として上記のスピネル構造もしくはスピネル類似構造の対称性を持てば良い。
下地層が単結晶基板、例えばMgO(001)上に成膜される(S100)。この成膜には、例えば超高真空直流マグネトロンスパッタ装置を用いる。下地層としては、例えばCrを用いると共に、膜厚は例えば20〜100nmがよく、特に好ましくは30〜50nmがよい。
この形成プロセスの詳細を、図3を参照して説明する。好ましくは、まず、S104の熱処理をへた基板に、室温でMg層を成膜する(S120)。このMg層は、例えば、例えば直流(DC)スパッタを用いて原子1層の半分ないし原子5層分程度の膜厚(0.1〜1.0nm)とするのがよい。次に、この積層膜を酸化用チャンバー室に移動させて、MgAl合金層を成膜する(S122)。このMgAl合金層の成膜では、例えば高周波(RF)スパッタを用いて、Mg17Al83合金組成ターゲットからMgAl合金層を、例えば3原子層分程度分ないし10原子層分程度の膜厚(0.5〜2.5nm)で成膜する。なお、本実施形態に係るMTJ素子膜の製造方法では、工程S120は省略することができる。また、工程S120として、Mg層の代わりに、工程S122で成膜されるMgAl合金層よりもMg含有量がより多い組成を有するMgAl層を成膜してもよい。さらに、これらのMg層およびMgAl層は、酸素を含む形態であってもよい。
続いて、このMgAl合金層の成膜された基板を酸化処理する(S124)。まず、アルゴンと酸素の混合ガスを酸化用チャンバーへ導入する。次に、誘導結合プラズマ(ICP)による酸化処理を行う。すると、Mg層とMgAl層が一体の酸化物となりバリア層が形成される(S126)。酸化処理には例えば5Paの純酸素を真空チャンバーへ導入し、1分〜1時間保持して自然酸化膜として得る方法でも良い。この酸化処理の終了時には、バリア層はスピネル構造ではなく不規則構造を有している。この酸化処理の後に、真空中で250〜300℃での熱処理を10〜30分程度行なうと結晶化が促進するためよい。熱処理を行ったのち基板を室温まで冷却する(S128)。
その後この層を熱処理することでバリア層をスピネル構造に変態させる。そのためにはTCFA=450〜600℃の温度で15〜60分程度熱処理するとよい(S110)。
引き続き、室温まで基板を冷却した後、キャップ層としてIrMn(8〜15nm)、Ru(2〜20nm)の保護膜を室温で成膜する(S112)。なお、併せて上部電極層を成膜しても良い。
実施例1と同一の超高真空直流マグネトロンスパッタ装置を用いて、単結晶MgO(001)基板上に下地層として室温でCr(40nm)/CoFe(5nm)の2層からなる膜を作製した。Cr層成膜後には500℃で真空中において熱処理を行っている。その上に第一の強磁性層としてCo2FeAl(5nm)を実施例1と同一の手法でスパッタ作製した。その後Co2FeAl膜の結晶性を向上させるため250℃で下地層と同様に熱処理し室温へ冷却した。引き続き室温でMg(0.45nm)を成膜したのち、この積層膜を酸化用チャンバー室に移動した。引き続き、実施例1と同一の手法を用いて、Mg(0.45nm)/MgAl合金(0.75nm)からなる層を形成し、その後に酸化処理を行うことでバリア層を形成した。このときの酸化条件も実施例1と同一である。次に上記積層膜を再び成膜室に移動し、250℃の温度で15分熱処理した。
なお、実施例1〜3では、Mg(0.45nm)/MgAl合金(0.75nm)からなる層を形成し、その後に酸化処理を行うことでバリア層を形成する例を示したが、Mg層を省略してMgAl層を1.2nmとした場合、また、Mg層の代わりに、成膜後の組成がMg19Al81よりもMg含有量が多い組成を有するMg40Al60層を成膜した場合にも、上記と同様の結果が得られることが確認されている。
<比較例1>
<比較例2>
また、本発明のMTJ素子は高いTMR比によってハードディスクドライブ装置のヘッドセンサーとして利用が可能であり、大容量なハードディスクドライブ装置が開発できる。また、本発明によれば半導体層への高効率なスピン注入可能なバリア/ハーフメタル層を提供できることから、スピンMOSFETの中核部として使用でき、不揮発性ロジックLSI回路の開発ができる。
2 基板
3 下地層
4 第一の強磁性層
5 バリア層
6 第二の強磁性層
7 上部電極
Claims (9)
- トンネルバリア層がスピネル構造をもつ立方晶の非磁性物質からなり、トンネルバリア層の上下に隣接する2つの強磁性層の両方がCo2FeAlのホイスラー合金からなり、前記トンネルバリア層と前記強磁性層の間の少なくとも一方に1nmまでの厚さの挿入層を有する強磁性トンネル接合体。
- 前記強磁性トンネル接合体において、非磁性物質とCo2FeAlとの格子不整合が3%以下、好ましくは1%以下、より好ましくは0.5%以下であることを特徴とする請求項1に記載の強磁性トンネル接合体。
- 前記非磁性物質がMg1−xAlx(0<x≦1)合金の酸化物からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の強磁性トンネル接合体。
- 前記非磁性物質がMgAl2O4からなることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の強磁性トンネル接合体。
- 前記挿入層がFe、CoFe合金、Co基ホイスラー合金、Mg、MgAl合金、Al又はMgOからなることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の強磁性トンネル接合体。
- 室温において250%以上34000%以下のトンネル磁気抵抗を示すことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の強磁性トンネル接合体。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載の強磁性トンネル接合体を用いたスピントロニクスデバイス。
- スピネル構造をもつ立方晶の非磁性材料とCo 2 FeAlのホイスラー合金からなる強磁性体の積層膜からなり、前記非磁性材料と前記強磁性体の間に1nmまでの厚さの挿入層が挿入されているスピン注入素子。
- 単結晶基板上に下地層を成膜する工程と、
当該下地層の上に第一の強磁性層を成膜する工程と、
当該第一の強磁性層の上にトンネルバリア層を形成する工程であって、当該第一の強磁性層の成膜された基板にMgAl合金層を成膜する工程と、このMgAl合金層の成膜された基板を酸化処理する工程とを有し、
当該トンネルバリア層が形成された基板に、第二の強磁性層を成膜する工程と、
当該第二の強磁性層を450〜600℃の温度で熱処理して、当該トンネルバリア層の結晶構造を不規則構造からスピネル構造に変態させる工程と、
この第二の強磁性層が形成された基板に、上部電極層又はキャップ層の少なくとも一方を成膜する工程とを有することを特徴とする強磁性トンネル接合体の製造方法。
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