JP6740551B2 - Method for manufacturing ferromagnetic tunnel junction, ferromagnetic tunnel junction, and magnetoresistive effect element - Google Patents

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Description

本発明は、強磁性トンネル接合体の製造方法、強磁性トンネル接合体及び磁気抵抗効果素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction, a ferromagnetic tunnel junction, and a magnetoresistive effect element.

強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子、及び、非磁性層に絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子が知られている。一般に、TMR素子は、GMR素子と比較して素子抵抗が高いものの、TMR素子の磁気抵抗(MR)比は、GMR素子のMR比より大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ(MRAM)用の素子として、TMR素子に注目が集まっている。 A giant magnetoresistive (GMR) element composed of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, and a tunnel magnetoresistive (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) for the nonmagnetic layer are known. There is. Generally, a TMR element has a higher element resistance than a GMR element, but the magnetoresistive (MR) ratio of the TMR element is larger than the MR ratio of the GMR element. Therefore, attention is focused on the TMR element as an element for a magnetic sensor, a high frequency component, a magnetic head, and a nonvolatile random access memory (MRAM).

TMR素子は、電子のトンネル伝導のメカニズムの違いによって2種類に分類することができる。一つは、強磁性層間の波動関数の滲み出し効果(トンネル効果)のみを利用したTMR素子である。もう一つは、トンネル効果を生じた際にトンネルする非磁性絶縁層の特定の軌道の伝導を利用したコヒーレントトンネル(特定の波動関数の対称性を有する電子のみがトンネルする)が支配的なTMR素子である。コヒーレントトンネルが支配的なTMR素子は、トンネル効果のみを利用したTMR素子と比較して、大きいMR比が得られることが知られている。 TMR elements can be classified into two types depending on the difference in the mechanism of electron tunnel conduction. One is a TMR element that uses only the seepage effect (tunnel effect) of the wave function between the ferromagnetic layers. The other is TMR in which a coherent tunnel (only electrons having a specific wave function symmetry tunnel) that utilizes conduction of a specific orbit of a non-magnetic insulating layer that tunnels when a tunnel effect occurs It is an element. It is known that the TMR element in which the coherent tunnel is dominant has a larger MR ratio than the TMR element using only the tunnel effect.

コヒーレントトンネル効果を引き起こすためには、二つの強磁性金属層とトンネルバリア層が互いに結晶質であり、二つの強磁性金属層とトンネルバリア層の界面が結晶学的に連続になっている必要がある。 In order to induce the coherent tunnel effect, the two ferromagnetic metal layers and the tunnel barrier layer must be crystalline with each other, and the interface between the two ferromagnetic metal layers and the tunnel barrier layer must be crystallographically continuous. is there.

コヒーレントトンネル効果を得ることができるトンネルバリア層としてはMgOが知られている。また、二つの強磁性金属層とトンネルバリア層の格子不整合をより小さくする目的で、トンネルバリア層にMg−Al−Oが用いられている(例えば、特許文献1、特許文献2、非特許文献1)。非特許文献1に記載のMg−Al−O層は、MgAl合金を積層した後に、誘導結合プラズマ(ICP)や自然酸化を用いて積層された外表面側から酸化することで作製されている。 MgO is known as a tunnel barrier layer capable of obtaining a coherent tunnel effect. Moreover, Mg-Al-O is used for the tunnel barrier layer in order to further reduce the lattice mismatch between the two ferromagnetic metal layers and the tunnel barrier layer (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1). Reference 1). The Mg-Al-O layer described in Non-Patent Document 1 is produced by stacking a MgAl alloy and then oxidizing the stacked outer surface using inductively coupled plasma (ICP) or natural oxidation.

特許第5586028号公報Japanese Patent No. 5586028 特開2013−175615号公報JP, 2013-175615, A

Applied Physics Letters、105,092403(2014).Applied Physics Letters, 105, 092403 (2014).

しかしながら、非特許文献1に記載の手法では、積層されたMgAl合金の膜厚と、外表面から酸化される酸化膜厚との整合性を得ることが難しい。そのため、充分な酸化膜厚を得ることができず、高いMR比を得ることができないという問題がある。 However, with the method described in Non-Patent Document 1, it is difficult to obtain consistency between the film thickness of the laminated MgAl alloy and the oxide film thickness that is oxidized from the outer surface. Therefore, there is a problem that a sufficient oxide film thickness cannot be obtained and a high MR ratio cannot be obtained.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、十分な酸化膜厚を有する強磁性トンネル接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a ferromagnetic tunnel junction having a sufficient oxide film thickness and a method for manufacturing the same.

本発明者らは、MgAl合金を複数回に分けて積層し、積層毎に酸化処理を施すことで、積層された金属層の両面から酸素を拡散させ、充分な酸化膜厚を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The inventors of the present invention can obtain a sufficient oxide film thickness by diffusing oxygen from both surfaces of the stacked metal layers by stacking the MgAl alloy in a plurality of times and performing an oxidation treatment for each stack. Then, the present invention has been completed.
That is, the present invention provides the following means in order to solve the above problems.

(1)本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の製造方法は、第1強磁性金属層と、トンネルバリア層と、第2強磁性金属層と、を順に積層する段階を有し、前記トンネルバリア層を積層する段階が、組成式Mg1−xAl(0<x<1)で表記される複数の金属層を積層する金属層積層工程と、前記金属層積層工程の間に少なくとも1つの金属層を酸化する酸化工程とを有する。 (1) A method of manufacturing a ferromagnetic tunnel junction body according to one aspect of the present invention includes a step of sequentially stacking a first ferromagnetic metal layer, a tunnel barrier layer, and a second ferromagnetic metal layer, The step of stacking the tunnel barrier layer includes a step of stacking a plurality of metal layers represented by a composition formula Mg 1-x Al x (0<x<1), and a step of stacking the metal layer. An oxidation step of oxidizing at least one metal layer.

(2)上記(1)に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記トンネルバリア層を積層した後に、前記トンネルバリア層を熱処理してもよい。 (2) In the method of manufacturing a ferromagnetic tunnel junction structure according to (1), the tunnel barrier layer may be heat-treated after the tunnel barrier layers are stacked.

(3)上記(1)又は(2)のいずれかに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法の前記金属層積層工程において、先に積層される金属層のマグネシウム濃度を、後に積層される金属層のマグネシウム濃度より濃くしてもよい。 (3) In the metal layer laminating step of the method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction according to (1) or (2) above, the magnesium concentration of the metal layer laminated first is set to the metal layer laminated later. It may be thicker than the magnesium concentration of the layer.

(4)上記(3)に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記先に積層される金属層が、最初に積層される金属層であってもよい。 (4) In the method of manufacturing a ferromagnetic tunnel junction structure according to (3), the metal layer laminated first may be the metal layer laminated first.

(5)上記(1)〜(4)のいずれか一つに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記金属層積層工程の前に、前記金属層積層工程において積層されるいずれの金属層よりマグネシウム濃度が濃く、組成式Mg1−xAl(0≦x<1)で表記される金属からなる酸素吸引層を積層する工程をさらに有してもよい。なお、酸素吸引層は、導入された酸素の第1強磁性金属層側への拡散を促すことを目的とする層である。 (5) In the method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction structure according to any one of (1) to (4), any metal laminated in the metal layer laminating step before the metal layer laminating step. The method may further include a step of laminating an oxygen suction layer made of a metal represented by a composition formula Mg 1-x Al x (0≦x<1) having a higher magnesium concentration than the layer. The oxygen suction layer is a layer for promoting diffusion of introduced oxygen toward the first ferromagnetic metal layer side.

(6)上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記金属層の厚みが、0.1nm以上1.5nm以下であってもよい。 (6) In the method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction according to any one of (1) to (5) above, the thickness of the metal layer may be 0.1 nm or more and 1.5 nm or less.

(7)上記(5)に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法において、前記酸素吸引層の厚みが、0.1nm以上0.6nm以下であってもよい。 (7) In the method of manufacturing a ferromagnetic tunnel junction structure according to (5), the oxygen suction layer may have a thickness of 0.1 nm or more and 0.6 nm or less.

(8)本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体は、第1強磁性金属層と、第2強磁性金属層と、前記第1強磁性金属層と前記第2強磁性金属層の間に挟まれるトンネルバリア層とを有し、前記トンネルバリア層は、組成式Mg1−xAl(0<x<1、0.35≦y≦1.7)で表記される非磁性酸化物からなり、前記トンネルバリア層の第2強磁性金属層側の面から第1強磁性金属層側の面に至る厚み方向において、高酸素濃度領域を有する。 (8) A ferromagnetic tunnel junction body according to an aspect of the present invention includes a first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer, and a space between the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer. And a tunnel barrier layer sandwiched between the tunnel barrier layer and the tunnel barrier layer, wherein the tunnel barrier layer is a non-magnetic material represented by a composition formula Mg 1-x Al x O y (0<x<1, 0.35≦y≦1.7). It is made of an oxide and has a high oxygen concentration region in the thickness direction from the surface of the tunnel barrier layer on the side of the second ferromagnetic metal layer to the surface on the side of the first ferromagnetic metal layer.

(9)本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記(8)に記載の強磁性トンネル接合体を備える。 (9) A magnetoresistive effect element according to one aspect of the present invention includes the ferromagnetic tunnel junction structure according to (8).

本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の製造方法によれば、積層するMgAl合金の厚みと、酸化膜厚のバランスを容易に得ることができる。 According to the method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction body according to one aspect of the present invention, it is possible to easily obtain a balance between the thickness of the MgAl alloy to be stacked and the oxide film thickness.

本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体及び磁気抵抗効果素子によれば、トンネルバリア層における酸化領域の厚みを厚くすることができ、高いMR比を実現することができる。 According to the ferromagnetic tunnel junction body and the magnetoresistive effect element according to the aspect of the present invention, the thickness of the oxidized region in the tunnel barrier layer can be increased, and a high MR ratio can be realized.

本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the ferromagnetic tunnel junction body which concerns on 1 aspect of this invention. 本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の要部を拡大した断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which expanded the principal part of the ferromagnetic tunnel junction body which concerns on 1 aspect of this invention. 本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の要部の別の例を拡大した断面模式図である。FIG. 6 is an enlarged schematic cross-sectional view of another example of the main part of the ferromagnetic tunnel junction structure according to an aspect of the present invention. 本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of the magnetoresistive effect element which concerns on one aspect of this invention. 実施例1及び比較例1の強磁性トンネル接合体のトンネルバリア層の厚みに対するMR比の推移を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing changes in MR ratio with respect to the thickness of the tunnel barrier layer of the ferromagnetic tunnel junction bodies of Example 1 and Comparative Example 1.

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easy to understand, there are cases in which the features that are the features are enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the components may be different from the actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto and can be appropriately modified and implemented within the scope of the invention.

本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の製造方法は、第1の強磁性金属層と、トンネルバリア層と、第2の強磁性金属層と、を順に積層する段階を有し、トンネルバリア層を積層する段階が、組成式Mg1−xAl(0<x<1)で表記される複数の金属層を積層する金属層積層工程と、金属層積層工程の間に少なくとも1つの金属層を酸化する酸化工程とを有する。 A method of manufacturing a ferromagnetic tunnel junction body according to an aspect of the present invention includes a step of sequentially laminating a first ferromagnetic metal layer, a tunnel barrier layer, and a second ferromagnetic metal layer. The step of laminating the barrier layer includes at least one of a metal layer laminating step of laminating a plurality of metal layers represented by a composition formula Mg 1-x Al x (0<x<1) and at least one metal layer laminating step. And an oxidation step of oxidizing the metal layer.

ここで、「順に積層する」とは、第1の強磁性金属層とトンネルバリア層と第2の強磁性金属層をこの順に積層することを意味し、間にその他の層を積層してもよい。 Here, “stacked in order” means stacking the first ferromagnetic metal layer, the tunnel barrier layer, and the second ferromagnetic metal layer in this order, and even if other layers are stacked in between. Good.

図1は、本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の断面模式図である。先に積層される強磁性金属層を第1強磁性金属層1とし、後に積層される強磁性金属層を第2強磁性金属層2とする。 FIG. 1 is a schematic sectional view of a ferromagnetic tunnel junction body according to one embodiment of the present invention. The ferromagnetic metal layer laminated first is the first ferromagnetic metal layer 1, and the ferromagnetic metal layer subsequently laminated is the second ferromagnetic metal layer 2.

第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2は、それぞれ強磁性の金属を有し、いずれか一方はもう一方より大きい保磁力を有する。保磁力が大きい側の強磁性金属層は固定層または参照層と呼ばれ、保磁力が小さい側の強磁性金属層は自由層または記録層と呼ばれる。固定層の磁化は一方向に固定され、自由層の磁化の向きが固定層の磁化の向きに対して相対的に変化する。 The first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 2 each have a ferromagnetic metal, and one of them has a coercive force larger than the other. The ferromagnetic metal layer having a large coercive force is called a fixed layer or a reference layer, and the ferromagnetic metal layer having a small coercive force is called a free layer or a recording layer. The magnetization of the fixed layer is fixed in one direction, and the magnetization direction of the free layer changes relative to the magnetization direction of the fixed layer.

第1強磁性金属層1と第2強磁性金属層2は、いずれが固定層又は自由層であってもよい。以下では、第2強磁性金属層2を固定層として説明する。 Either of the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 2 may be a fixed layer or a free layer. Hereinafter, the second ferromagnetic metal layer 2 will be described as a fixed layer.

(第1強磁性金属層の作製)
まず、基板上に第1強磁性金属層1を積層する。
基板は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Si、SiGe、SiC、AlTiC、MgO単結晶、MgAl単結晶等を用いることができる。例えば、強磁性トンネル接合体10をMRAMもしくは磁気センサとして用いる場合、Si基板で形成された回路が必要であり、Si基板を用いることが好ましい。また、磁気ヘッドとして強磁性トンネル接合体10を用いる場合は、加工しやすいAlTiC基板を用いることが好ましい。また、強磁性トンネル接合体10を(001)配向させることを重視する場合は、MgO単結晶基板、MgAl単結晶基板、Si基板を用いることが好ましい。
(Preparation of first ferromagnetic metal layer)
First, the first ferromagnetic metal layer 1 is laminated on the substrate.
The substrate preferably has excellent flatness. In order to obtain a surface having excellent flatness, for example, Si, SiGe, SiC, AlTiC, MgO single crystal, MgAl 2 O 4 single crystal, or the like can be used. For example, when the ferromagnetic tunnel junction 10 is used as an MRAM or a magnetic sensor, a circuit formed of a Si substrate is necessary, and it is preferable to use the Si substrate. When the ferromagnetic tunnel junction 10 is used as the magnetic head, it is preferable to use an AlTiC substrate that is easy to process. Further, when it is important to orient the (001) orientation of the ferromagnetic tunnel junction body 10, it is preferable to use a MgO single crystal substrate, a MgAl 2 O 4 single crystal substrate, or a Si substrate.

第1強磁性金属層1には、コヒーレントトンネルを形成することができる公知の材料を用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、FeやCo−Fe等が挙げられる。 A known material capable of forming a coherent tunnel can be used for the first ferromagnetic metal layer 1. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and an alloy containing one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. Further, an alloy containing these metals and at least one element of B, C, and N can also be used. Specifically, Fe, Co-Fe and the like can be mentioned.

またより高い出力を得るためにはCoFeSiなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、XYZの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属でありXの元素種をとることもでき、Zは、III族からV族の典型元素である。例えば、CoFeSi、CoMnSiやCoMn1−aFeAlSi1−bなどが挙げられる。 Further, in order to obtain higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, X is a transition metal element or a noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn or V. , Cr or Ti group transition metal and can take the elemental species of X, and Z is a typical element of group III to group V. For example, Co 2 FeSi, etc. Co 2 MnSi and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b can be mentioned.

さらに第1強磁性金属層1の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、CoとPtの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第1強磁性金属層1は[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)とすることができる。 Further, when making the magnetization direction of the first ferromagnetic metal layer 1 perpendicular to the stacking plane, it is preferable to use a stacked film of Co and Pt. Specifically, the first ferromagnetic metal layer 1 is formed of [Co(0.24 nm)/Pt(0.16 nm)] 6 /Ru(0.9 nm)/[Pt(0.16 nm)/Co(0.16 nm). )] 4 / Ta (0.2 nm)/FeB (1.0 nm).

第1強磁性金属層1の積層方法は、公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタ装置を用いた成膜方法等を用いることができる。またこのほか、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法等の薄膜作成法を用いることができる。 As a method for laminating the first ferromagnetic metal layer 1, a known method can be used. For example, a film forming method using a sputtering device can be used. In addition to this, a thin film forming method such as a vapor deposition method, a laser ablation method, or an MBE method can be used.

基板と第1強磁性金属層1との間には、下地層を形成してもよい。下地層を設けると、基板上に積層される第1強磁性金属層1を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。下地層は、第1強磁性金属層1と同様の方法で積層することができる。 An underlayer may be formed between the substrate and the first ferromagnetic metal layer 1. When the underlayer is provided, the crystal orientation such as the crystal orientation and the crystal grain size of each layer including the first ferromagnetic metal layer 1 laminated on the substrate can be controlled. The underlayer can be laminated in the same manner as the first ferromagnetic metal layer 1.

下地層は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層に通電する場合は導電性材料を用いることが好ましい。
例えば1つの例として、下地層には(001)配向したNaCl構造を有し、Ti,Zr,Nb,V,Hf,Ta,Mo,W,B,Al,Ceの群から選択される少なくとも1つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。
The underlayer may be either conductive or insulative, but it is preferable to use a conductive material when the underlayer is energized.
For example, as one example, the underlayer has a (001)-oriented NaCl structure, and at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, V, Hf, Ta, Mo, W, B, Al, and Ce. A layer of nitride containing one element can be used.

別の例として、下地層にはABOの組成式で表される(002)配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトAはSr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Baの群から選択された少なくとも1つの元素を含み、サイトBはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pbの群から選択された少なくとも1つの元素を含む。 As another example, a layer of a (002)-oriented perovskite-based conductive oxide represented by a composition formula of ABO 3 can be used as the underlayer. Here, the site A contains at least one element selected from the group of Sr, Ce, Dy, La, K, Ca, Na, Pb, Ba, and the site B contains Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co. , Ni, Ga, Nb, Mo, Ru, Ir, Ta, Ce, Pb, and at least one element selected from the group.

別の例として、下地層には(001)配向したNaCl構造を有し、かつMg、Al、Ceの群から選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。 As another example, an oxide layer having a (001)-oriented NaCl structure and containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, and Ce can be used as the underlayer.

別の例として、下地層には(001)配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつAl、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、Wの群から選択される少なくとも1つの元素を含む層を用いることができる。 As another example, the underlayer has a (001)-oriented tetragonal structure or a cubic structure, and includes Al, Cr, Fe, Co, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Mo, and W. A layer containing at least one element selected from the group can be used.

また下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより強磁性トンネル接合体10の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。 Further, the base layer is not limited to a single layer, and a plurality of layers of the above examples may be laminated. By devising the structure of the underlayer, the crystallinity of each layer of the ferromagnetic tunnel junction body 10 can be increased and the magnetic characteristics can be improved.

(トンネルバリア層の作製)
次いで、積層された第1強磁性金属層1上にトンネルバリア層3を積層する。
(Preparation of tunnel barrier layer)
Next, the tunnel barrier layer 3 is laminated on the laminated first ferromagnetic metal layer 1.

トンネルバリア層3は、組成式Mg1−xAl(0<x<1、0.35≦y≦1.7)で表記される非磁性絶縁材料からなる。トンネルバリア層3を構成する非磁性絶縁材料は、化学量論的組成であるMgAlである必要はなく、発明の効果を奏する範囲で組成のずれがあってもよい。例えば、酸素欠損が生じたり、あるいは酸素が過剰であったりしてもよい。 The tunnel barrier layer 3 is made of a nonmagnetic insulating material represented by a composition formula Mg 1-x Al x O y (0<x<1, 0.35≦y≦1.7). The nonmagnetic insulating material forming the tunnel barrier layer 3 does not need to be a stoichiometric composition of MgAl 2 O 4 , and the composition may deviate within the range in which the effect of the invention is exhibited. For example, oxygen deficiency may occur or oxygen may be excessive.

トンネルバリア層3の膜厚は、一般的に3nm以下の厚さである。金属材料によってトンネルバリア層3を挟み込むと金属材料の原子が持つ電子の波動関数がトンネルバリア層3を超えて広がり、絶縁体が存在するにも関わらず電流が流れる。 The film thickness of the tunnel barrier layer 3 is generally 3 nm or less. When the tunnel barrier layer 3 is sandwiched by the metal material, the electron wave function of the atoms of the metal material spreads beyond the tunnel barrier layer 3, and a current flows despite the existence of the insulator.

強磁性トンネル接合体10には、通常のトンネル効果を利用したものとトンネル時の軌道が限定されるコヒーレントトンネル効果が支配的なものがある。通常のトンネル効果では強磁性材料のスピン分極率によって磁気抵抗効果が得られるが、コヒーレントトンネルではトンネル時の軌道が限定される。そのため、コヒーレントトンネルが支配的な磁気抵抗効果素子では強磁性金属材料のスピン分極率以上の効果が期待できる。コヒーレントトンネル効果は、強磁性金属材料及びトンネルバリア層3が結晶化し、特定の方位で接合すると発現する。 There are two types of ferromagnetic tunnel junctions 10 that utilize a normal tunnel effect and one that is predominantly a coherent tunnel effect in which orbits during tunneling are limited. In the ordinary tunnel effect, the magnetoresistive effect can be obtained by the spin polarizability of the ferromagnetic material, but in the coherent tunnel, the orbit during the tunnel is limited. Therefore, in the magnetoresistive effect element in which the coherent tunnel is dominant, an effect higher than the spin polarizability of the ferromagnetic metal material can be expected. The coherent tunnel effect appears when the ferromagnetic metal material and the tunnel barrier layer 3 are crystallized and joined in a specific orientation.

強磁性金属層に広く用いられるFe、CoFeAl、CoFe及びCoFeSiと、トンネルバリア層に広く用いられるMgOとは、格子定数は4%程度異なることが知られている。トンネルバリア層がMgOからなる場合は、酸素欠損により強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子定数の違いを多少緩和することができる。しかしながら、酸素欠損による格子定数の違いはわずかであり、充分に強磁性金属層とトンネルバリア層の間の格子不整合を低減することができない。その結果、コヒーレントトンネル効果が局所的に低減する。 It is known that Fe, CoFeAl, CoFe and Co 2 FeSi widely used for the ferromagnetic metal layer and MgO widely used for the tunnel barrier layer have a lattice constant difference of about 4%. When the tunnel barrier layer is made of MgO, the difference in lattice constant between the ferromagnetic metal layer and the tunnel barrier layer can be alleviated to some extent by oxygen deficiency. However, the difference in lattice constant due to oxygen deficiency is small, and it is not possible to sufficiently reduce the lattice mismatch between the ferromagnetic metal layer and the tunnel barrier layer. As a result, the coherent tunnel effect is locally reduced.

これに対して、トンネルバリア層3では、2価のイオン(Mg2+)の一部が、3価のイオン(Al3+イオン)によって置換されている。所定のイオンが異なるイオン半径を有するイオンに置換されると、トンネルバリア層3を構成する結晶の格子定数は大きく変化する。また置換量を変えることで、自由にトンネルバリア層3を構成する結晶の格子定数を制御することができる。その結果、第1強磁性金属層1とトンネルバリア層3の間の格子不整合を低減することができ、コヒーレントトンネル効果を広範囲に得ることができる。 On the other hand, in the tunnel barrier layer 3, some of the divalent ions (Mg 2+ ) are replaced with the trivalent ions (Al 3+ ions). When predetermined ions are replaced with ions having different ionic radii, the lattice constant of the crystal forming the tunnel barrier layer 3 changes significantly. Further, by changing the substitution amount, the lattice constant of the crystal forming the tunnel barrier layer 3 can be freely controlled. As a result, the lattice mismatch between the first ferromagnetic metal layer 1 and the tunnel barrier layer 3 can be reduced, and the coherent tunnel effect can be obtained in a wide range.

より優れたコヒーレントトンネル効果を得るためには、トンネルバリア層3の結晶構造はスピネル構造であることが好ましい。さらに好ましくは、トンネルバリア層3の結晶構造は不規則スピネル構造であることが好ましい。ここで不規則スピネル構造とは、O原子の配列はスピネル構造とほぼ同等の最密立方格子を取っているものの、MgとAlの原子配列が乱れた構造を持ち、全体として立方晶である構造を指す。またトンネルバリア層3の結晶構造は、(001)方向に配向していることが好ましい。 In order to obtain a more excellent coherent tunnel effect, the crystal structure of the tunnel barrier layer 3 is preferably a spinel structure. More preferably, the crystal structure of the tunnel barrier layer 3 is preferably an irregular spinel structure. Here, the disordered spinel structure has a structure in which the arrangement of O atoms is a close-packed cubic lattice almost equivalent to that of the spinel structure, but the atomic arrangement of Mg and Al is disordered, and is a cubic structure as a whole. Refers to. The crystal structure of the tunnel barrier layer 3 is preferably oriented in the (001) direction.

トンネルバリア層3は、組成式Mg1−xAl(0<x<1)で表記される複数の金属層を積層する金属層積層工程と、金属層積層工程の間に少なくとも一つの金属層を酸化する酸化工程に従って作製される。複数の金属層を酸化する場合は、金属層を積層する工程と金属層を酸化する工程を多段で行う多段酸化工程を行う。
図2は、本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体のトンネルバリア層を拡大した断面模式図である。
The tunnel barrier layer 3 includes at least one metal layer between the metal layer laminating step of laminating a plurality of metal layers represented by the composition formula Mg 1-x Al x (0<x<1) and the metal layer laminating step. It is produced according to an oxidation step of oxidizing. In the case of oxidizing a plurality of metal layers, a multi-step oxidation step is performed in which the step of stacking the metal layers and the step of oxidizing the metal layers are performed in multiple steps.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional schematic view of the tunnel barrier layer of the ferromagnetic tunnel junction body according to one embodiment of the present invention.

具体的には、まず積層された第1強磁性金属層1上に、金属層bを積層する。金属層bは、第1強磁性金属層1と同様に、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法等の公知の薄膜作成法を用いて積層する。 Specifically, first, the metal layer b 1 is laminated on the laminated first ferromagnetic metal layer 1. Similar to the first ferromagnetic metal layer 1, the metal layer b 1 is laminated using a known thin film forming method such as a sputtering method, a vapor deposition method, a laser ablation method, an MBE method or the like.

金属層bの厚みは、0.1nm〜1.5nmであることが好ましく、0.1nm〜0.6nmであることが好ましい。 The thickness of the metal layer b 1 is preferably 0.1 nm to 1.5 nm, and more preferably 0.1 nm to 0.6 nm.

1回目の金属層積層工程で積層される金属層bの厚みの上限を1.5nmとすると、作製されるトンネルバリア層3の厚みが厚くなりすぎることが避けられ、優れたコヒーレントトンネル効果が得られる。一方で、金属層bを構成するアルミニウム及びマグネシウムの原子サイズは、0.1nm程度である。1回目の金属層積層工程で積層される金属層bの厚みの下限を0.1nmとすることで、金属層bの均一性が高まる。 When the upper limit of the thickness of the metal layer b 1 laminated in the first metal layer laminating step is set to 1.5 nm, it is possible to prevent the thickness of the tunnel barrier layer 3 produced from becoming too thick, and an excellent coherent tunnel effect can be obtained. can get. On the other hand, the atomic size of aluminum and magnesium forming the metal layer b 1 is about 0.1 nm. By setting the lower limit of the thickness of the metal layer b 1 laminated in the first metal layer laminating step to 0.1 nm, the uniformity of the metal layer b 1 is enhanced.

次いで、積層された金属層bを酸化する。酸化は、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化等を用いて行う。導入された酸素は、金属層bの第1強磁性金属層1と反対側の面から拡散する。導入した酸素を酸素導入面から反対側の面まで充分拡散させるためには、1回目の金属層積層工程で積層される金属層bの厚みを0.1nm〜0.6nmとすることが好ましい。 Next, the stacked metal layer b 1 is oxidized. Oxidation is performed using plasma oxidation or natural oxidation by introducing oxygen. The introduced oxygen diffuses from the surface of the metal layer b 1 opposite to the first ferromagnetic metal layer 1. In order to sufficiently diffuse the introduced oxygen from the oxygen introduction surface to the opposite surface, the thickness of the metal layer b 1 laminated in the first metal layer laminating step is preferably 0.1 nm to 0.6 nm. ..

そして、金属層積層工程及び酸化工程を1回行った後に、これらの工程を繰り返す。各金属層積層工程を代表して、任意のm回目の金属層積層工程で積層される金属層bについて説明する。 Then, after the metal layer laminating step and the oxidizing step are performed once, these steps are repeated. As a representative of each metal layer laminating step, the metal layer b m laminated in the arbitrary m-th metal layer laminating step will be described.

金属層bは、既に酸化工程を行った後の金属層bm−1上に積層される。そのため、金属層bm−1と金属層bの界面には酸素が存在する。また金属層bは、積層された後に酸化工程が行われる。すなわち、金属層bは積層方向両面から酸化される。 The metal layer b m is stacked on the metal layer b m-1 after the oxidation process has already been performed. Therefore, oxygen exists at the interface between the metal layer b m-1 and the metal layer b m . Further, the metal layer b m is subjected to an oxidation process after being laminated. That is, the metal layer b m is oxidized from both sides in the stacking direction.

金属層bを積層方向両面から酸化することで、厚み方向に必要な酸素の拡散量が少ない場合でも、金属層bの厚み方向中央まで酸素が拡散する。その結果、金属層bの厚み方向全体に渡って十分に酸化することができる。 By oxidizing the metal layer b m from both sides in the stacking direction, oxygen diffuses to the center of the metal layer b m in the thickness direction even when the required amount of oxygen diffusion in the thickness direction is small. As a result, the metal layer b m can be sufficiently oxidized over the entire thickness direction.

また、得られるトンネルバリア層3は、充分に内部まで酸化された金属層b〜bが積層されたものである。すなわち、トンネルバリア層3全体として充分な厚みの非磁性酸化膜が得られる。非磁性酸化膜の厚みが充分となれば、コヒーレントトンネル効果以外の原因で流れる電流モードが排除され、高いMR比が得られる。 Further, the obtained tunnel barrier layer 3 is a stack of metal layers b 1 to b n that are sufficiently oxidized to the inside. That is, a nonmagnetic oxide film having a sufficient thickness can be obtained as the entire tunnel barrier layer 3. If the thickness of the non-magnetic oxide film is sufficient, current modes flowing due to causes other than the coherent tunnel effect are eliminated, and a high MR ratio can be obtained.

これに対し、一度に金属層を形成すると、酸素は金属層の基板とは反対側の面からしか導入できない。すなわち、基板側まで酸素を充分拡散させることができず、充分な膜厚の非磁性酸化膜が得られない。 On the other hand, when the metal layer is formed at one time, oxygen can be introduced only from the surface of the metal layer opposite to the substrate. That is, oxygen cannot be sufficiently diffused to the substrate side, and a nonmagnetic oxide film having a sufficient thickness cannot be obtained.

任意のm回目の金属層積層工程で積層される金属層bの厚みは、0.1nm〜1.5nmであることが好ましい。後述する加熱等の種々の条件によって異なるが、酸素の拡散長を0.65nm程度とする報告がある(非特許文献1)。金属層bは、両面から酸化されるため、厚みが1.5nm程度であれば、充分内部まで酸化することができる。また金属層bを構成する原子サイズを考慮すると、金属層bの厚み下限を0.1nmとすることで、金属層bの均一性が高まる。 The thickness of the metal layer b m laminated in the optional m-th metal layer laminating step is preferably 0.1 nm to 1.5 nm. Although it depends on various conditions such as heating described later, there is a report that the oxygen diffusion length is about 0.65 nm (Non-Patent Document 1). Since the metal layer b m is oxidized from both sides, if the thickness is about 1.5 nm, the metal layer b m can be sufficiently oxidized to the inside. Also considering the atomic size constituting the metal layer b m, With 0.1nm thickness lower limit of the metal layer b m, increases the uniformity of the metal layer b m.

金属層積層工程及び酸化工程は、2回以上30回以下行うことが好ましい。一般に総厚3nm程度のトンネルバリア層3を2回に分けて積層及び酸化すれば、各回で積層される金属層の厚み方向中央まで酸素を充分届けることができる。また繰り返し回数が30回以下であれば、1回に積層される金属層の厚みの下限が0.1nmであることを考慮すると、トンネルバリア層3の厚みが厚くなりすぎることが避けられる。 It is preferable that the metal layer laminating step and the oxidizing step be performed twice or more and 30 times or less. Generally, if the tunnel barrier layer 3 having a total thickness of about 3 nm is laminated and oxidized in two steps, oxygen can be sufficiently delivered to the center in the thickness direction of the metal layer laminated each time. Further, if the number of repetitions is 30 times or less, considering that the lower limit of the thickness of the metal layer laminated at one time is 0.1 nm, it is possible to avoid the tunnel barrier layer 3 from becoming too thick.

ここで、任意のm回目の金属層積層工程で積層される金属層bと、任意のm−1回目の金属層積層工程で積層される金属層bm−1を比較すると、金属層bm−1のマグネシウム濃度が金属層bのマグネシウム濃度より濃いことが好ましい。すなわち、先に積層される金属層のマグネシウム濃度を、後に積層される金属層のマグネシウム濃度より濃くすることが好ましい。 Here, the metal layer b m are laminated in arbitrary m-th metal layer lamination step, comparing the metal layer b m-1 to be stacked in any m-1 th metal layer lamination step, the metal layer b it is preferred magnesium concentration of m-1 is darker than the magnesium concentration of the metal layer b m. That is, it is preferable to make the magnesium concentration of the metal layer that is first laminated higher than the magnesium concentration of the metal layer that is later laminated.

また、金属層積層工程で積層される金属層同士の比較だけでなく、先に積層される金属層の中に後に積層される金属層の平均マグネシウム濃度より濃い領域があってもよい。すなわち、任意のm回目の金属層積層工程で積層される金属層bと、任意のm−1回目の金属層積層工程で積層される金属層bm−1を比較すると、金属層bm−1の少なくとも一部に、金属層bの平均マグネシウム濃度より濃い領域を含んでいてもよい。 In addition to the comparison of the metal layers laminated in the metal layer laminating step, there may be a region in the metal layers laminated earlier than the average magnesium concentration of the metal layers laminated later. That is, the metal layer b m are laminated in arbitrary m-th metal layer lamination step, comparing the metal layer b m-1 to be stacked in any m-1 th metal layer lamination step, the metal layer b m at least a portion of -1, may include a dark space than the average concentration of magnesium metal layer b m.

金属層を構成するマグネシウムとアルミニウムを比較すると、イオン化傾向の関係からマグネシウム原子の方が酸化されやすい。そのため、トンネルバリア層3全体として、第1強磁性金属層1側の金属層のマグネシウム濃度を高くすると、導入された酸素の第1強磁性金属層1側への拡散がより促される。その結果、トンネルバリア層3内の非磁性酸化膜の厚みを充分厚くすることができ、高いMR比が得られる。
このようなイオン化傾向の違いを用いた酸素の拡散量制御は、金属層に2種以上の金属を用いた場合に効果を示す。
Comparing magnesium and aluminum forming the metal layer, the magnesium atom is more likely to be oxidized due to the relationship of the ionization tendency. Therefore, if the magnesium concentration of the metal layer on the first ferromagnetic metal layer 1 side is increased as a whole of the tunnel barrier layer 3, diffusion of introduced oxygen to the first ferromagnetic metal layer 1 side is further promoted. As a result, the thickness of the nonmagnetic oxide film in the tunnel barrier layer 3 can be made sufficiently thick, and a high MR ratio can be obtained.
Controlling the amount of oxygen diffusion using the difference in ionization tendency is effective when two or more kinds of metals are used in the metal layer.

また、同様の観点から、1回目の金属層積層工程で積層される金属層bのマグネシウム濃度は、それ以降に積層される他の金属層b〜bのマグネシウム濃度より濃いことが好ましい。1層目のマグネシウム濃度を濃くすることで、導入された酸素の第1強磁性金属層1側への拡散をさらに促すことができる。 From the same viewpoint, the magnesium concentration of the metal layer b 1 laminated in the first metal layer laminating step is preferably higher than the magnesium concentration of the other metal layers b 2 to b n laminated thereafter. .. By increasing the concentration of magnesium in the first layer, it is possible to further promote the diffusion of introduced oxygen to the first ferromagnetic metal layer 1 side.

また金属層b〜bを積層する前に、図3に示すように、酸素吸引層bを積層してもよい。酸素吸引層bは、Mg1−xAl(0≦x<1)で表記される金属である。x=0を含む点が金属層b〜bと異なる。酸素吸引層bのマグネシウム濃度は、金属層b〜bのマグネシウム濃度より濃い。 Further, before laminating the metal layers b 1 to b n , an oxygen suction layer b 0 may be laminated as shown in FIG. The oxygen suction layer b 0 is a metal represented by Mg 1-x Al x (0≦x<1). It differs from the metal layers b 1 to b n in that x=0 is included. The magnesium concentration of the oxygen suction layer b 0 is higher than the magnesium concentration of the metal layers b 1 to b n .

酸素吸引層bを設けることで、導入された酸素の第1強磁性金属層1側への拡散をより促すことができる。
酸素吸引層bの厚みは、導入した酸素を酸素導入面から反対側の面まで充分拡散させるためには、0.1nm〜0.6nmとすることが好ましい。
By providing the oxygen suction layer b 0 , diffusion of introduced oxygen toward the first ferromagnetic metal layer 1 side can be further promoted.
The thickness of the oxygen suction layer b 0 is preferably 0.1 nm to 0.6 nm in order to sufficiently diffuse the introduced oxygen from the oxygen introduction surface to the opposite surface.

また酸素吸引層bがx=0(すなわち、Mg単体)の場合でも、酸素吸引層bの厚みは十分薄いため、第1強磁性金属層1及びトンネルバリア層3との格子整合もする。 Further, even when the oxygen suction layer b 0 is x=0 (that is, Mg alone), the oxygen suction layer b 0 has a sufficiently small thickness, so that the lattice matching with the first ferromagnetic metal layer 1 and the tunnel barrier layer 3 is performed. ..

なお、上記ではトンネルバリア層3を形成する前に酸素吸引層bを設けるとしたが、トンネルバリア層3における1回目の金属層積層工程で積層される金属層bを酸素吸引層bに置き換えてもよい。 In the above description, the oxygen suction layer b 0 is provided before forming the tunnel barrier layer 3, but the metal layer b 1 laminated in the first metal layer laminating step in the tunnel barrier layer 3 is replaced with the oxygen suction layer b 0. May be replaced with

また上述の説明では、金属層を積層する毎に酸化工程を行った場合を説明したが、全ての金属層を積層する毎に酸化を施さなくてもよい。 Further, in the above description, the case where the oxidation process is performed every time the metal layers are laminated is explained, but the oxidation may not be performed every time all the metal layers are laminated.

(第2強磁性金属層の作製)
トンネルバリア層3を作製した後に、第2強磁性金属層2を積層する。
第2強磁性金属層2は、第1強磁性金属層1と同様に、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法等の公知の薄膜作成法を用いて積層する。
(Preparation of second ferromagnetic metal layer)
After producing the tunnel barrier layer 3, the second ferromagnetic metal layer 2 is laminated.
Similar to the first ferromagnetic metal layer 1, the second ferromagnetic metal layer 2 is laminated using a known thin film forming method such as a sputtering method, a vapor deposition method, a laser ablation method, an MBE method or the like.

第2強磁性金属層2の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Fe、Co−Fe等が挙げられる。 As the material of the second ferromagnetic metal layer 2, a ferromagnetic material, especially a soft magnetic material can be applied. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, and these metals and at least one or more elements of B, C and N are included. The alloy etc. which are used can be used. Specifically, Fe, Co-Fe and the like can be mentioned.

第2強磁性金属層2の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第2強磁性金属層2の厚みを2.5nm以下とすることが好ましい。第2強磁性金属層2とトンネルバリア層の界面で、第2強磁性金属層2に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第2強磁性金属層2の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第2強磁性金属層2の膜厚は薄い方が好ましい。 When the magnetization direction of the second ferromagnetic metal layer 2 is perpendicular to the stacking plane, the thickness of the second ferromagnetic metal layer 2 is preferably 2.5 nm or less. Perpendicular magnetic anisotropy can be added to the second ferromagnetic metal layer 2 at the interface between the second ferromagnetic metal layer 2 and the tunnel barrier layer. Further, since the effect of the perpendicular magnetic anisotropy is attenuated by increasing the film thickness of the second ferromagnetic metal layer 2, it is preferable that the film thickness of the second ferromagnetic metal layer 2 is thin.

第2強磁性金属層2の第1強磁性金属層1に対する保磁力をより大きくするために、第2強磁性金属層2と接する材料としてIrMn,PtMnなどの反強磁性材料を用いても良い。さらに、第2強磁性金属層2の漏れ磁場を第1強磁性金属層1に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としても良い。さらに、第2強磁性金属層2に一軸磁気異方性を付与するための磁場中熱処理を行ってもよい。 In order to increase the coercive force of the second ferromagnetic metal layer 2 with respect to the first ferromagnetic metal layer 1, an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be used as a material in contact with the second ferromagnetic metal layer 2. .. Further, in order to prevent the leakage magnetic field of the second ferromagnetic metal layer 2 from affecting the first ferromagnetic metal layer 1, a synthetic ferromagnetic coupling structure may be used. Further, a heat treatment in a magnetic field for imparting uniaxial magnetic anisotropy to the second ferromagnetic metal layer 2 may be performed.

磁気センサとして磁気抵抗効果素子を活用させるためには、外部磁場に対して抵抗変化が線形に変化することが好ましい。一般的な強磁性層の積層膜では磁化の方向が形状異方性によって積層面内に向きやすい。この場合、例えば外部から磁場を印加して、第1強磁性金属層と第2強磁性金属層の磁化の向きを直交させることによって外部磁場に対して抵抗変化が線形に変化する。しかしながらこの場合、磁気抵抗効果素子の近くに磁場を印加させる機構が必要であり、集積を行う上で望ましくない。そのため強磁性金属層自体が垂直な磁気異方性を持つことが好ましい。 In order to utilize the magnetoresistive effect element as the magnetic sensor, it is preferable that the resistance change linearly changes with respect to the external magnetic field. In a general laminated film of ferromagnetic layers, the direction of magnetization tends to be in the laminated plane due to shape anisotropy. In this case, for example, by applying a magnetic field from the outside to make the magnetization directions of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer orthogonal to each other, the resistance change linearly changes with respect to the external magnetic field. However, in this case, a mechanism for applying a magnetic field is required near the magnetoresistive effect element, which is not desirable for integration. Therefore, it is preferable that the ferromagnetic metal layer itself has perpendicular magnetic anisotropy.

(熱処理)
熱処理は、トンネルバリア層3を積層した後に行う。熱処理は、第2強磁性金属層2の積層前に行ってもよいし、積層後に行ってもよい。熱処理を行うことで、トンネルバリア層3内での酸素拡散が促進される。また熱処理は、トンネルバリア層3の結晶化を進める効果も有する。尚、熱処理は、トンネルバリア層3の作製工程に限らず、必要に応じて下地層、第1強磁性層1、第2強磁性層2、後述する電極層11および電極層12の各作製工程に適用してもよいし、磁気抵抗効果素子を構成するすべての層を積層した後に一括で行ってもよい。
(Heat treatment)
The heat treatment is performed after the tunnel barrier layer 3 is laminated. The heat treatment may be performed before or after the second ferromagnetic metal layer 2 is laminated. By performing the heat treatment, oxygen diffusion in the tunnel barrier layer 3 is promoted. The heat treatment also has the effect of promoting crystallization of the tunnel barrier layer 3. The heat treatment is not limited to the manufacturing process of the tunnel barrier layer 3, but may be each manufacturing process of the underlayer, the first ferromagnetic layer 1, the second ferromagnetic layer 2, the electrode layer 11 and the electrode layer 12 which will be described later, if necessary. Or may be carried out collectively after all the layers constituting the magnetoresistive effect element are laminated.

結晶化の観点からは、熱処理は第2強磁性金属層2を積層する前に行うことが好ましい。第2強磁性金属層2が積層されると、トンネルバリア層3は第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層によって挟持され、トンネルバリア層3内の結晶化の自由度が低下する。第2強磁性金属層2を積層する前に、熱処理を行うことで、第1強磁性金属層1とトンネルバリア層3との間の格子の整合性を高めることができる。 From the viewpoint of crystallization, it is preferable to perform the heat treatment before stacking the second ferromagnetic metal layer 2. When the second ferromagnetic metal layer 2 is stacked, the tunnel barrier layer 3 is sandwiched between the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer, and the degree of freedom of crystallization in the tunnel barrier layer 3 decreases. .. By performing heat treatment before stacking the second ferromagnetic metal layer 2, it is possible to enhance the lattice matching between the first ferromagnetic metal layer 1 and the tunnel barrier layer 3.

一方で、熱処理は、酸化工程を施す毎に行うことは避けることが好ましい。酸化工程ごとに熱処理を行うと、それぞれが酸化工程毎に結晶化する。それぞれが結晶化すると、酸素濃度の不均一性や格子の不整合等を、トンネルバリア層3全体として均一化することができない。その結果、酸素濃度の不均一性や格子の不整合等が充分解消できず、高いMR比を得ることができない。 On the other hand, it is preferable to avoid performing the heat treatment each time the oxidation step is performed. When heat treatment is performed in each oxidation step, each crystallizes in each oxidation step. If each is crystallized, nonuniformity of oxygen concentration, lattice mismatch, etc. cannot be made uniform in the tunnel barrier layer 3 as a whole. As a result, nonuniformity of oxygen concentration, lattice mismatch, etc. cannot be sufficiently eliminated, and a high MR ratio cannot be obtained.

上述のように、本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体の製造方法によれば、トンネルバリア層の厚み方向内部まで充分酸化できる。そのため、トンネルバリア層における非磁性酸化膜の厚みを厚くすることができ、コヒーレントトンネル効果以外の原因で流れる電流モードを排除でき、高いMR比を有する強磁性トンネル接合体を作製することができる。 As described above, according to the method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction body according to an aspect of the present invention, the inside of the tunnel barrier layer in the thickness direction can be sufficiently oxidized. Therefore, the thickness of the nonmagnetic oxide film in the tunnel barrier layer can be increased, current modes flowing due to causes other than the coherent tunnel effect can be eliminated, and a ferromagnetic tunnel junction having a high MR ratio can be manufactured.

(強磁性トンネル接合体)
上記の製造方法によって作製された強磁性トンネル接合体10は、第1強磁性金属層1と、第2強磁性金属層2と、第1強磁性金属層1と第2強磁性金属層2の間に挟まれるトンネルバリア層3とを有し、トンネルバリア層3は、組成式Mg1−xAl(0<x<1、0.35≦y≦1.7)で表記される非磁性酸化物からなる。
(Ferromagnetic tunnel junction)
The ferromagnetic tunnel junction body 10 manufactured by the above manufacturing method includes a first ferromagnetic metal layer 1, a second ferromagnetic metal layer 2, a first ferromagnetic metal layer 1 and a second ferromagnetic metal layer 2. The tunnel barrier layer 3 is sandwiched between the tunnel barrier layer 3 and the tunnel barrier layer 3. The tunnel barrier layer 3 is represented by a composition formula Mg 1-x Al x O y (0<x<1, 0.35≦y≦1.7). It consists of a non-magnetic oxide.

トンネルバリア層3は、トンネルバリア層3の第2強磁性金属層2側の面から第1強磁性金属層1側の面に至る厚み方向において、酸素濃度が濃くなる領域を有する。 The tunnel barrier layer 3 has a region where the oxygen concentration increases in the thickness direction from the surface of the tunnel barrier layer 3 on the second ferromagnetic metal layer 2 side to the surface on the first ferromagnetic metal layer 1 side.

一度に金属層を形成すると、酸素は第2強磁性金属層2側の面からしか導入できない。すなわち、第2強磁性金属層2から第1強磁性金属層1に向けて酸素濃度は段階的に薄くなる。 When the metal layer is formed at one time, oxygen can be introduced only from the surface on the second ferromagnetic metal layer 2 side. That is, the oxygen concentration gradually decreases from the second ferromagnetic metal layer 2 toward the first ferromagnetic metal layer 1.

これに対し、上述の工程で作製されたトンネルバリア層3は、金属層積層工程と酸化工程を行い形成されている。そのため、酸化工程が設けられている部分で、酸素濃度は高くなる。すなわち、トンネルバリア層3の第2強磁性金属層2側の面から第1強磁性金属層1側の面までの厚みを横軸とし、酸素濃度を縦軸とした場合に、酸素濃度が凸の曲線を描く。この凸の曲線を描く領域が高酸素濃度領域であり、例えば、凸の曲線の頂点を挟んで、凹の曲線から凸の曲線に代わる二つの変曲点の間を高酸素濃度領域とすることができる。 On the other hand, the tunnel barrier layer 3 manufactured by the above-mentioned process is formed by performing the metal layer laminating process and the oxidizing process. Therefore, the oxygen concentration becomes high in the portion where the oxidation step is provided. That is, when the horizontal axis represents the thickness from the second ferromagnetic metal layer 2 side surface of the tunnel barrier layer 3 to the first ferromagnetic metal layer 1 side surface, and the vertical axis represents the oxygen concentration, the oxygen concentration is convex. Draw the curve of. The area that draws this convex curve is the high oxygen concentration area. For example, the high oxygen concentration area should be between the two inflection points that replace the concave curve with the convex curve with the vertex of the convex curve sandwiched. You can

またトンネルバリア層3は、金属層積層工程と酸化工程を交互に繰り返して作製する場合もある。この場合、トンネルバリア層3は、高酸素濃度領域と、高酸素濃度領域より酸素濃度が低い低酸素濃度領域とを交互に有する。 The tunnel barrier layer 3 may be manufactured by alternately repeating the metal layer laminating step and the oxidizing step. In this case, the tunnel barrier layer 3 alternately has a high oxygen concentration region and a low oxygen concentration region in which the oxygen concentration is lower than the high oxygen concentration region.

積層されている原子が層になっていること及び酸素濃度の違いは、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた原子マッピングを用いて行うことができる。 The layered atoms and the difference in oxygen concentration can be determined by atom mapping using a transmission electron microscope (TEM).

酸素濃度は、厚み方向の断面において、原子マッピングにより酸素濃度のグラデーションを確認することができる。また高酸素濃度領域と低酸素濃度領域が明確に検出できる場合だけでなく、断面において明確に検出できない場合であっても、トンネルバリア層3を表面からエッチングして削っていった際に、エッチング前後の表面の酸素濃度を測ってもよい。すなわち、トンネルバリア層3を表面からエッチングして削っていった際に、エッチング前後の表面の酸素濃度が高くなる場合も、高酸素濃度領域を有する場合に含む。 Regarding the oxygen concentration, a gradation of the oxygen concentration can be confirmed by atom mapping in the cross section in the thickness direction. Further, not only when the high oxygen concentration region and the low oxygen concentration region can be clearly detected, but when the tunnel barrier layer 3 is etched and scraped from the surface even when it cannot be clearly detected in the cross section, You may measure the oxygen concentration of the front and back surfaces. That is, the case where the oxygen concentration on the surface before and after the etching is increased when the tunnel barrier layer 3 is etched and scraped from the surface is also included in the case where the high oxygen concentration region is provided.

また面内方向で酸素濃度が均一な場合だけでなく、面内方向で酸素濃度の濃淡があっても、層全体で比較した際に酸素濃度が異なる場合も含む。 Further, this includes not only the case where the oxygen concentration is uniform in the in-plane direction, but also the case where the oxygen concentration differs in the entire layer even if the oxygen concentration varies in the in-plane direction.

上述のように、本発明の一態様に係る強磁性トンネル接合体は、充分酸化されたトンネルバリア層の厚みが厚く、高いMR比を得ることができる。そのため、この強磁性トンネルバリア層を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ(MRAM)用の素子として優れた特性を示す。 As described above, in the ferromagnetic tunnel junction body according to one aspect of the present invention, the sufficiently oxidized tunnel barrier layer is thick and a high MR ratio can be obtained. Therefore, the magnetoresistive effect element using this ferromagnetic tunnel barrier layer exhibits excellent characteristics as an element for a magnetic sensor, a high frequency component, a magnetic head and a nonvolatile random access memory (MRAM).

(使用時の構成)
図4は、磁気抵抗効果素子を積層方向から平面視した模式図である。磁気抵抗効果素子20は、強磁性トンネル接合体10と、二つの電極層11、12と、電源13と、電圧計14とからなる。強磁性トンネル接合体10は、二つの電極層11、12の間に配置される。電極層11は図1に示す強磁性トンネル接合体10の第2強磁性金属層2に接続され、電極層12は図1に示す強磁性トンネル接合体10の第1強磁性金属層1に接続されている。二つの電極層11、12は、電源13と電圧計14に接続されている。電源13が電圧を印加すると、強磁性トンネル接合体10の積層方向(図3の紙面に垂直な方向)に電流が流れ、この際の印加電圧は電圧計14でモニターされる。
(Configuration when used)
FIG. 4 is a schematic view of the magnetoresistive effect element as viewed from above in the stacking direction. The magnetoresistive effect element 20 includes a ferromagnetic tunnel junction body 10, two electrode layers 11 and 12, a power supply 13, and a voltmeter 14. The ferromagnetic tunnel junction body 10 is arranged between the two electrode layers 11 and 12. The electrode layer 11 is connected to the second ferromagnetic metal layer 2 of the ferromagnetic tunnel junction body 10 shown in FIG. 1, and the electrode layer 12 is connected to the first ferromagnetic metal layer 1 of the ferromagnetic tunnel junction body 10 shown in FIG. Has been done. The two electrode layers 11 and 12 are connected to a power supply 13 and a voltmeter 14. When the power supply 13 applies a voltage, a current flows in the stacking direction of the ferromagnetic tunnel junction body 10 (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3), and the applied voltage at this time is monitored by the voltmeter 14.

電極層11は第2強磁性層2の保護層としての機能も兼ね備えることができる。また、電極層12は第1強磁性層1の下地層としての機能も兼ね備えることができる。 The electrode layer 11 can also have a function as a protective layer of the second ferromagnetic layer 2. Further, the electrode layer 12 can also have a function as a base layer of the first ferromagnetic layer 1.

二つの電極層11、12として、Ru、Ta、Cu、Cr、Auの群から選択される少なくとも1つの元素を含む導電層を用いることができる。 As the two electrode layers 11 and 12, a conductive layer containing at least one element selected from the group of Ru, Ta, Cu, Cr and Au can be used.

また二つの電極層11、12は一層に限られず、上述の層を複数層積層してもよい。 Further, the two electrode layers 11 and 12 are not limited to one layer, and a plurality of the above layers may be laminated.

(評価方法)
磁気抵抗効果素子の評価方法について、図4を例に説明する。電源13から一定の電流を磁気抵抗効果素子に印加する。電圧を外部から磁場を掃引しながら測定することによって、磁気抵抗効果素子の抵抗変化を電圧計14で観測することができる。
磁気抵抗効果素子の他の評価方法として、12端子プローブを用いたCurrent−In−Plane−Tunneling(CIPT)法を用いることができる。
(Evaluation method)
A method for evaluating the magnetoresistive effect element will be described with reference to FIG. A constant current is applied to the magnetoresistive effect element from the power supply 13. By measuring the voltage while sweeping the magnetic field from the outside, the resistance change of the magnetoresistive effect element can be observed by the voltmeter 14.
As another evaluation method of the magnetoresistive effect element, a Current-In-Plane-Tunneling (CIPT) method using a 12-terminal probe can be used.

MR比は、一般的に以下の式で表される。
MR比(%)=(RAP−R)/R×100
は第1強磁性金属層1と第2強磁性金属層2の磁化の向きが平行の場合のトンネル抵抗であり、RAPは第1強磁性金属層1と第2強磁性金属層2の磁化の向きが反平行の場合のトンネル抵抗である。
The MR ratio is generally represented by the following formula.
MR ratio (%) = (R AP -R P) / R P × 100
R P is a tunnel resistance when the magnetization directions of the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 2 are parallel to each other, and R AP is the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 2 Is the tunnel resistance when the magnetization directions of are parallel.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified and changed.

(実施例1)
MgO(001)基板上に、スパッタ法を用いた成膜により、磁気抵抗効果素子の各層を作製した。
(Example 1)
Each layer of the magnetoresistive effect element was formed on the MgO (001) substrate by film formation using a sputtering method.

まず、下地層(兼電極層12)としてCrを40nm積層し、第1強磁性金属層として、Feを30nm積層した。
次いで、得られた第1強磁性金属層上に、トンネルバリア層を以下の手順で作製した。まず、酸素吸引層として単体のMgを0.2nm積層した。
First, Cr was laminated to a thickness of 40 nm as a base layer (also serving as the electrode layer 12), and Fe was laminated to a thickness of 30 nm as a first ferromagnetic metal layer.
Then, a tunnel barrier layer was formed on the obtained first ferromagnetic metal layer by the following procedure. First, a single Mg layer having a thickness of 0.2 nm was laminated as an oxygen suction layer.

そして、酸素吸引層上にトンネルバリア層を、金属層積層工程と酸化工程を2回繰り返して作製した。トンネルバリア層の厚みは、種々変更した。
金属層積層工程において金属層は、MgAl組成のターゲットを用いてスパッタ法を用いて積層した。
酸化工程は、積層された金属層を純酸素雰囲気、5Paの環境に600秒間さらして、自然酸化により行った。
Then, a tunnel barrier layer was formed on the oxygen suction layer by repeating the metal layer laminating step and the oxidizing step twice. The thickness of the tunnel barrier layer was changed variously.
In the metal layer laminating step, the metal layer was laminated by a sputtering method using a target having a MgAl 5 composition.
The oxidation step was performed by exposing the stacked metal layers to a pure oxygen atmosphere and an environment of 5 Pa for 600 seconds to perform natural oxidation.

次いで、金属層積層工程及び酸化工程を2回行った後に、真空中、400℃の環境下で15分加熱し、トンネルバリア層を得た。 Then, after the metal layer laminating step and the oxidizing step were performed twice, heating was performed in a vacuum at 400° C. for 15 minutes to obtain a tunnel barrier layer.

次いで、トンネルバリア層上に、第2強磁性金属層としてFeを6nm成膜し、強磁性トンネル接合体を得た。
次いで、反強磁性層のIrMnを12nm成膜し、電極層11としてRuを20nm成膜した。
Then, Fe was deposited to a thickness of 6 nm as a second ferromagnetic metal layer on the tunnel barrier layer to obtain a ferromagnetic tunnel junction.
Next, IrMn for the antiferromagnetic layer was formed to a thickness of 12 nm, and Ru for the electrode layer 11 was formed to a thickness of 20 nm.

最後に5kOeの磁場を印加しながら175℃の温度で熱処理し、第2強磁性金属層に一軸磁気異方性を付与した。 Finally, a heat treatment was performed at a temperature of 175° C. while applying a magnetic field of 5 kOe to impart uniaxial magnetic anisotropy to the second ferromagnetic metal layer.

(比較例1)
トンネルバリア層を2回に分けて作製しなかった点が実施例1と異なる。
具体的には、第1強磁性金属層を積層後に、MgAl層を一度に成膜した。そして、成膜後のMgAl層を、純酸素雰囲気、5Paの環境に600秒間さらして、自然酸化を行った。その後、実施例1と同条件で加熱処理し、第2強磁性金属層、反強磁性層、電極層11をさらに積層した。
(Comparative Example 1)
The difference from Example 1 is that the tunnel barrier layer was not manufactured in two steps.
Specifically, after laminating the first ferromagnetic metal layer, a MgAl 5 layer was formed at one time. Then, the MgAl 5 layer after film formation was exposed to a pure oxygen atmosphere and an environment of 5 Pa for 600 seconds to perform natural oxidation. Then, heat treatment was performed under the same conditions as in Example 1 to further stack the second ferromagnetic metal layer, antiferromagnetic layer, and electrode layer 11.

実施例1及び比較例1の強磁性トンネル接合体のMR比を図5に示す。尚、実施例1及び比較例1のいずれもCIPT法を用いた測定結果である。図5において、横軸はトンネルバリア層の厚みであり、縦軸はMR比である。 The MR ratios of the ferromagnetic tunnel junctions of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. Note that both Example 1 and Comparative Example 1 are measurement results using the CIPT method. In FIG. 5, the horizontal axis represents the thickness of the tunnel barrier layer, and the vertical axis represents the MR ratio.

図5に示すように、実施例1及び比較例1の強磁性トンネル接合体のMR比は、トンネルバリア層の厚みが0.5nmまでは同じような推移を示し、0.5nm以上で異なる推移を示している。 As shown in FIG. 5, the MR ratios of the ferromagnetic tunnel junctions of Example 1 and Comparative Example 1 showed the same transition up to the thickness of the tunnel barrier layer of 0.5 nm, but varied over 0.5 nm. Is shown.

比較例1の強磁性トンネル接合体は、トンネルバリア層の厚みが0.5nm〜0.6nm前後でMR比の最大値(130%)を示した。そして、厚みを厚くするに従い、MR比は徐々に低下した。 The ferromagnetic tunnel junction body of Comparative Example 1 showed the maximum MR ratio (130%) when the thickness of the tunnel barrier layer was around 0.5 nm to 0.6 nm. The MR ratio gradually decreased as the thickness increased.

つまり、トンネルバリア層の厚みが薄い段階では、酸化工程で導入された酸素が、第1強磁性体側まで拡散できている。これに対し、トンネルバリア層の厚みが厚くなると、酸素が第1強磁性金属側まで到達できなくなる。そのため、トンネルバリア層の厚みがある程度の厚み以上になると、コヒーレントトンネル効果を生み出すことができる非磁性酸化膜(Mg1−xAl)の厚みが変化せず、MR比は向上しない。さらに、非磁性酸化膜(Mg1−xAl)の厚みが変化せず、トンネルバリア層の厚みが厚くなるということは、二つの強磁性金属層の間に不要な金属層(MgAl層)が残存することを意味する。この不要な金属層の厚みが厚くなることで、MR比は徐々に低下する。 That is, in the stage where the thickness of the tunnel barrier layer is thin, oxygen introduced in the oxidation step can diffuse to the first ferromagnetic body side. On the other hand, when the thickness of the tunnel barrier layer becomes large, oxygen cannot reach the first ferromagnetic metal side. Therefore, when the thickness of the tunnel barrier layer exceeds a certain thickness, the thickness of the nonmagnetic oxide film (Mg 1-x Al x O y ) capable of producing the coherent tunnel effect does not change, and the MR ratio does not improve. Furthermore, the thickness of the non-magnetic oxide film (Mg 1-x Al x O y ) does not change and the thickness of the tunnel barrier layer increases, which means that an unnecessary metal layer (MgAl It means that 5 layers) remain. The MR ratio gradually decreases as the thickness of the unnecessary metal layer increases.

これに対し、実施例1の強磁性トンネル接合体は、トンネルバリア層の厚みが、0.6nm前後でMR比の最大値(180%)を示し、その後MR比は高いまま推移した。 On the other hand, in the ferromagnetic tunnel junction body of Example 1, the maximum MR ratio (180%) was exhibited when the thickness of the tunnel barrier layer was around 0.6 nm, and thereafter the MR ratio remained high.

つまり、トンネルバリア層の厚みが厚くなっても、酸素が第1強磁性金属側まで到達し、不要な金属層は形成されていない。そのため、トンネルバリア層の全体がコヒーレントトンネル効果を生み出すことができる非磁性酸化膜(Mg1−xAl)からなり、MR比が低下せず高いまま推移していると考えられる。 That is, even if the thickness of the tunnel barrier layer is increased, oxygen reaches the first ferromagnetic metal side, and an unnecessary metal layer is not formed. Therefore, it is considered that the entire tunnel barrier layer is made of a nonmagnetic oxide film (Mg 1-x Al x O y ) capable of producing the coherent tunnel effect, and the MR ratio does not decrease and remains high.

また比較例1では実現することができなかった膜厚の非磁性酸化膜(Mg1−xAl)を得ることができ、高いMR比を実現することができた。 Further, a non-magnetic oxide film (Mg 1-x Al x O y ) having a film thickness that could not be realized in Comparative Example 1 could be obtained, and a high MR ratio could be realized.

10…強磁性トンネル接合体、1…第1強磁性金属層、2…第2強磁性金属層、3…トンネルバリア層、b〜b…金属層、b…酸素吸引層、20…磁気抵抗効果素子、11,12…電極層、13…電源、14…電圧計 10 ... ferromagnetic tunnel junction element, 1 ... first ferromagnetic metal layer, 2: Second ferromagnetic metal layer, 3 ... tunnel barrier layer, b 1 ~b n ...... metal layer, b 0 ... oxygen suction layer, 20 ... Magnetoresistive element, 11, 12... Electrode layer, 13... Power supply, 14... Voltmeter

Claims (12)

第1強磁性金属層と、トンネルバリア層と、第2強磁性金属層と、を順に積層する段階を有し、
前記トンネルバリア層を積層する段階が、組成式Mg1−xAl(0<x<1)で表記される複数の金属層を積層する金属層積層工程と、前記金属層積層工程の間に少なくとも1つの金属層を酸化する酸化工程とを有し、
前記金属層積層工程で積層される前記複数の金属層のうち隣接するいずれかの金属層において、先に積層される金属層のマグネシウム濃度を、後に積層される金属層のマグネシウム濃度より高くする、強磁性トンネル接合体の製造方法。
A step of sequentially stacking a first ferromagnetic metal layer, a tunnel barrier layer, and a second ferromagnetic metal layer,
The step of stacking the tunnel barrier layer includes a step of stacking a plurality of metal layers represented by a composition formula Mg 1-x Al x (0<x<1), and a step of stacking the metal layer. An oxidation step for oxidizing at least one metal layer,
In any of the adjacent metal layers of the plurality of metal layers laminated in the metal layer laminating step, the magnesium concentration of the metal layer laminated first is made higher than the magnesium concentration of the metal layer laminated later. Manufacturing method of ferromagnetic tunnel junction.
第1強磁性金属層と、トンネルバリア層と、第2強磁性金属層と、を順に積層する段階を有し、
前記トンネルバリア層を積層する段階が、組成式Mg1−xAl(0<x<1)で表記される複数の金属層を積層する金属層積層工程と、前記金属層積層工程の間に少なくとも1つの金属層を酸化する酸化工程とを有し、
前記複数の金属層のうちm−1回目に積層される金属層の少なくとも一部は、m回目に積層される金属層の平均マグネシウム濃度よりマグネシウム濃度が高い領域を含む、強磁性トンネル接合体の製造方法。
A step of sequentially stacking a first ferromagnetic metal layer, a tunnel barrier layer, and a second ferromagnetic metal layer,
The step of stacking the tunnel barrier layer includes a step of stacking a plurality of metal layers represented by a composition formula Mg 1-x Al x (0<x<1), and a step of stacking the metal layer. An oxidation step for oxidizing at least one metal layer,
At least a part of the metal layer to be stacked m-1 times among the plurality of metal layers includes a region having a higher magnesium concentration than the average magnesium concentration of the metal layer to be stacked m times. Production method.
前記トンネルバリア層を積層した後に、前記トンネルバリア層を熱処理する請求項1又は2に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。 Wherein after the tunnel barrier layer are laminated, the manufacturing method of the ferromagnetic tunnel junction of claim 1 or 2 annealing the tunnel barrier layer. 前記金属層積層工程で積層される前記複数の金属層のうち隣接するいずれかの金属層において、先に積層される金属層のマグネシウム濃度を、後に積層される金属層のマグネシウム濃度より高くする請求項2に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。 In any of the adjacent metal layers of the plurality of metal layers laminated in the metal layer laminating step, the magnesium concentration of the metal layer laminated first is higher than the magnesium concentration of the metal layer laminated later. Item 3. A method of manufacturing a ferromagnetic tunnel junction body according to Item 2 . 前記先に積層される金属層が、最初に積層される金属層である請求項1又はに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。 Metal layer laminated on the destination, the manufacturing method of the ferromagnetic tunnel junction of claim 1 or 4 first a metal layer to be laminated. 前記金属層積層工程の前に、前記金属層積層工程において積層されるいずれの金属層よりマグネシウム濃度が高く、組成式Mg1−xAl(0≦x<1)で表記される金属からなる酸素吸引層を積層する工程をさらに有する請求項1〜のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。 Prior to the metal layer laminating step, the metal layer has a higher magnesium concentration than any of the metal layers laminated in the metal layer laminating step and is made of a metal represented by a composition formula Mg 1-x Al x (0≦x<1). method for producing a ferromagnetic tunnel junction element according to any one of claims 1 to 5 having further a step of laminating the oxygen suction layer. 前記金属層の各々の厚みが、0.1nm以上1.5nm以下である請求項1〜のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。 Each of the thickness of the metal layer, the manufacturing method of the ferromagnetic tunnel junction element according to any one of claims 1 to 6 at 0.1nm or 1.5nm or less. 前記酸素吸引層の厚みが、0.1nm以上0.6nm以下である請求項に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。 The method for manufacturing a ferromagnetic tunnel junction body according to claim 6 , wherein the oxygen suction layer has a thickness of 0.1 nm or more and 0.6 nm or less. 第1強磁性金属層と、第2強磁性金属層と、前記第1強磁性金属層と前記第2強磁性金属層の間に挟まれるトンネルバリア層とを有し、
前記トンネルバリア層は、組成式Mg1−xAl(0<x<1、0.35≦y≦1.7)で表記される非磁性酸化物からなり、
前記トンネルバリア層の第2強磁性金属層側の面から第1強磁性金属層側の面に至る厚み方向において、高酸素濃度領域を2つ以上有する強磁性トンネル接合体。
A first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer, and a tunnel barrier layer sandwiched between the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer,
The tunnel barrier layer is made of a non-magnetic oxide represented by a composition formula Mg 1-x Al x O y (0<x<1, 0.35≦y≦1.7),
A ferromagnetic tunnel junction having two or more high oxygen concentration regions in the thickness direction from the surface of the tunnel barrier layer on the side of the second ferromagnetic metal layer to the surface on the side of the first ferromagnetic metal layer.
前記トンネルバリア層の第2強磁性金属層側の面から第1強磁性金属層側の面に至る厚み方向において、高酸素濃度領域と低濃度領域とを交互に有する、請求項に記載の強磁性トンネル接合体。 In the thickness direction that leads to the surface from the surface of the second ferromagnetic metal layer side of the tunnel barrier layer first ferromagnetic metal layer side, alternately having a high oxygen concentration region and the low density region, according to claim 9 Ferromagnetic tunnel junction. 第1強磁性金属層と、第2強磁性金属層と、前記第1強磁性金属層と前記第2強磁性金属層の間に挟まれるトンネルバリア層とを有し、
前記トンネルバリア層は、組成式Mg1−xAl(0<x<1、0.35≦y≦1.7)で表記される非磁性酸化物からなり、
前記トンネルバリア層の第2強磁性金属層側の面から第1強磁性金属層側の面に至る厚み方向において、高酸素濃度領域を有し、
前記トンネルバリア層は、面内方向に酸素濃度の濃淡を有する、強磁性トンネル接合体。
A first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer, and a tunnel barrier layer sandwiched between the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer,
The tunnel barrier layer is made of a non-magnetic oxide represented by a composition formula Mg 1-x Al x O y (0<x<1, 0.35≦y≦1.7),
The tunnel barrier layer has a high oxygen concentration region in the thickness direction from the surface on the second ferromagnetic metal layer side to the surface on the first ferromagnetic metal layer side,
The tunnel barrier layer is a ferromagnetic tunnel junction having a concentration of oxygen concentration in the in-plane direction.
請求項10〜11のいずれか一項に記載の強磁性トンネル接合体を備えた磁気抵抗効果素子。 The magnetoresistive element having a ferromagnetic tunnel junction element according to any one of claims 10 to 11.
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