JP6708232B2 - 磁気抵抗効果素子とその製造方法、及び磁気センサ - Google Patents
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Description
R∝exp(γtΦ)
の関係がある。ここで、RはTMR素子の素子抵抗、γは定数、tはバリア層23の膜厚、Φはトンネル障壁高さで、材料に依存する。このように、TMR素子の電気抵抗は、バリア層23の膜厚とバリア層23のトンネル障壁高さ(すなわち、バリア層23の材料)に指数関数的に依存する。電気抵抗Rは酸化のプロセス条件を変えることで変化する。なぜなら、酸化のプロセス条件によってバリア層23の組成が変化するため、バリア層23の実質的なトンネル障壁高さΦが変わるからである。Φの変化に対して電気抵抗Rが指数関数的に変化する性質はTMR素子に特有のものであり、このことはTMR素子の電気抵抗のばらつきの一因となっている。酸化プロセスはウエハ単位で行われるため、わずかなプロセス条件のばらつきがTMR素子の電気抵抗のウエハ単位のばらつきとして現れる。これに対し、CIP−GMR素子やAMR素子は金属膜のみから形成されるため、電気抵抗はおおよそ素子断面積に反比例し、素子長さに比例する。従って、これらの素子では電気抵抗やMR比のばらつきがほぼ成膜レートのばらつきのみに依存するため、生産上の特性ばらつきがTMR素子に比べて小さい。
酸素暴露量をパラメータとして複数のMTJを作成し、酸素曝露量とRAの関係を求めた。RAはMTJの電気抵抗Rとセンス電流が通る断面の素子断面積Aの積であり、磁気抵抗効果素子の特性を表す指標の一つである。RAの目安値は、磁気センサなどの磁気抵抗効果素子が組み込まれる製品によって設定されており、一般にRAは製品ごとに一定の範囲に収めることが要求されている。従って、磁気抵抗効果素子には酸素暴露量に対するRAの変動ないし敏感性が小さいことが要求される。
図5は規準化RAと規準化MR比の関係を示す。図5では、比較例(バリア層361がMgO)のRAとMR比をそれぞれ1として実施例(バリア層361がMgAlO)のRAとMR比を規準化している。実施例のRAと比較例のRAは同程度である。実施例のMR比は比較例のMR比の85%程度であった。バリア層がMgOであるTMR素子のMR比が典型的には150〜200%、バリア層がAl2O3であるTMR素子のMR比が高々80%であることを踏まえると、バリア層がMgAlOである実施例のTMR素子は、MR比の観点からは、バリア層がMgOである従来のTMR素子に代替可能なMR特性を有していることが分かった。
MgAl膜36におけるMgとAlの割合(原子分率)の好適な範囲を検討した。具体的には、MgAl膜36の膜厚を1.5nmとし、Alの原子分率を変えて複数のMTJを作成した。すべてのケースで酸化条件は同一とした。図7はAlの原子分率とRAの関係、及びAlの原子分率とMR比の関係を示す。Alの原子分率が78%at以上の領域でMR比が大幅に低下する傾向がみられる。従って、MR比の観点からは、Alの原子分率は75%at以下とすることが好ましい。RAはAlの原子分率が20%at程度及び78%at程度で最大値の20〜30%程度まで減少する。これらの領域ではバリア層361内に多くの酸化不足領域未酸化領域が存在していると考えられる。それらの存在はMR比だけでなく、耐電圧性などの信頼性の観点からも不利である。RA(すなわち、未酸化領域の存在)の観点からは、Alの原子分率は30%at以上、75%at以下とすることが好ましく、40%at以上、60%at以下とすることがさらに好ましい。
アニール後はMg元素とAl元素とO元素がバリア層361内で均一に拡散していた。また、バリア層361は多晶質であった。多晶質とは、結晶層と非晶質層とが混在し、結晶層が多結晶である材料の状態のことである。このMgAlOバリア層は、MgOバリア層(結晶質)やAlOバリア層(非晶質)とは異なる固相の状態であることが分かった。すなわち、実施例のMgAlOバリア層は、一部領域が結晶質酸化物となり一部領域が非晶質酸化物となって、深さ方向に緻密に酸化された状態となっていた。結晶化している領域も、下地磁性層(CoFeB層33)の配向面に応じて積層面が異なる様子が観測された。下地磁性層には、積層方向にbcc(001)面を向いたドメイン、歪んだbcc構造の(112)面が15°程度の傾きでバリア層361と接するドメイン等、複数の領域が確認された。
まず、実施例3のMTJのTEM分析を行った。Alの原子分率が65%の場合、バリア層361全体の体積の約80%が結晶化領域であった。Alの原子分率が35%の場合、バリア層361全体の体積の約90%が結晶化領域であった。図8はAlの原子分率と結晶化領域の体積比の関係を示す。これより、非晶質層の割合はMgとAlの組成(原子分率)に依存することが分かる。
2 磁気抵抗効果素子
22 磁化固定層
23,351 バリア層
24 磁化自由層
Claims (7)
- 外部磁界に対して磁化方向が変化する磁化自由層と、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に位置し、磁気抵抗効果を奏するバリア層と、を有し、
前記バリア層は、MgとAlとからなりAlの原子分率が40%以上、60%以下である合金の酸化物であり、結晶質領域と非晶質領域とを含む、磁気抵抗効果素子。 - 前記バリア層における前記結晶質領域の体積比は75%以上、90%以下である、請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化自由層と前記磁化固定層はCoとFeを含み、さらにSi,B,N,Pの少なくとも一つを含む、請求項1または2に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁化固定層と前記バリア層との間にCoFe層が設けられ、前記磁化固定層の前記CoFe層との境界部分と、前記磁化自由層の前記バリア層との境界部分の少なくともいずれかは結晶質である、請求項1から3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサ。
- 外部磁界に対して磁化方向が変化する磁化自由層と、外部磁界に対して磁化方向が固定された磁化固定層となるべき金属層のいずれか一方の層を形成することと、
前記一方の層の上にMgとAlとからなりAlの原子分率が40%以上、60%以下である合金膜を形成することと、
前記合金膜を酸化して、磁気抵抗効果を奏し、結晶質領域と非晶質領域とを含むバリア層を形成することと、
前記バリア層の上に前記磁化自由層と前記金属層のいずれか他方の層を形成することと、
前記金属層の磁化方向を固定し、前記磁化固定層を形成することと、
を有する、磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記金属層と前記バリア層との間にCoFe層が設けられ、前記磁化自由層と前記金属層は非晶質であり、アニールによって、前記磁化自由層の少なくとも前記バリア層との境界部分と、前記金属層の少なくとも前記CoFe層との境界部分が結晶化される、請求項6に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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