JP6826344B2 - 強磁性トンネル接合体の製造方法及び強磁性トンネル接合体 - Google Patents
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Description
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。
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、MgAl2O4単結晶等を用いることができる。
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。
次いで、積層された第1強磁性金属層1上に非磁性金属酸化物層3を積層する。
F=(1−na3/a1)×100 ・・・(1)
非磁性金属酸化物層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。
熱処理は、非磁性金属酸化物層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、非磁性金属酸化物層3内での酸素拡散が促進される。また熱処理は、非磁性金属酸化物層3の結晶化を進める効果も有する。
本実施形態にかかる強磁性トンネル接合体の製造方法において、非磁性金属酸化物層を積層する工程と、第1強磁性金属層を積層する工程との間に、第1強磁性金属層への酸素の拡散を抑制する金属挿入層を積層する工程をさらに有してもよい。
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とを有する。トンネルバリア層は、図1における非磁性金属酸化物層3のみからなる場合と、図2における非磁性金属酸化物層3と金属挿入層4の酸化された部分とからなる場合がある。
図3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12、13と、電源14と、電圧計15とからなる。強磁性トンネル接合体10は、二つの電極層12、13の間に配置される。電極層12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13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12、13は、電源14と電圧計15に接続されている。電源14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15でモニターされる。
磁気抵抗効果素子の評価方法について、図3を例に説明する。電源14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15で観測する。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。
MR比(%)=(RAP−RP)/RP×100
RP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。
まず基板となるMgO(001)基板を準備した。MgO(001)基板は、純水及びアルコールにより洗浄し、700℃で60分加熱した。その上に、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。
比較例1は、トンネルバリア層の成膜工程のみが実施例1と異なる。その他の工程は、実施例1と同様とした。
実施例1よりトンネルバリア層の膜厚が厚い領域における検討を実施例2として行った。実施例2の磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層の厚みをおおよそ1.0nm〜3.0nmの範囲で段階的な試料を作製し、試料のRA(Ω・μm2)及びMR比(%)を測定した。実施例2は、金属挿入層の厚みを0.45nmとした点、トンネルバリア層の厚みを変化させた点以外は実施例1と同様の条件で作製した。実施例2の試料のRA(log(RA))に対するMR比(%)の変化を図7に示す。log(RA)はトンネルバリア層の膜厚におおよそ比例する。
実施例3では、非磁性金属酸化物層を成膜する際にターゲットへ印加する電力を175Wとした点のみが実施例2と異なる。非磁性金属酸化物層の成膜レート(Å/s)を印加電力で割った単位電力成膜レート(Å/(s・W))の傾きは、5.4×10−3であった。単位電力密度成膜レート{(Å/s)/(W/m2)}は、1.09×10−5であった。
またRAが大きくなってもMR比が一定に保つことができる磁気抵抗効果素子を作製する条件は、トンネルバリア層の成膜条件と同様の条件で作製した被成膜体の表面状態から確認できる。被成膜体の成膜は、実際のトンネルバリア層の成膜条件と成膜時間のみが異なる。被成膜体が充分な厚みを有すると判断が容易となるためである。成膜条件を変えた場合の被成膜体の表面状態の違いを表1に示す。
Claims (11)
- 第1強磁性金属層を積層する工程と、
前記第1強磁性金属層の一面側に、非磁性金属酸化物層を積層する工程と、
前記非磁性金属酸化物層の前記第1強磁性金属層と反対側に、第2強磁性金属層を積層する工程とを有し、
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程は、酸素含有雰囲気下で行われ、
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程中に積層空間内に供給される酸素流量は、希ガス流量より少なく、
前記非磁性金属酸化物層を積層する工程において、前記非磁性金属酸化物層を成膜時の単位ターゲット面積当たりの印加電力(W/m 2 )を横軸とし、前記非磁性金属酸化物層の成膜レート(Å/s)を縦軸とした場合の単位ターゲット面積当たりの単位電力成膜レートの傾きが、2×10 −6 {(Å/s)/(W/m 2 )}より大きい、強磁性トンネル接合体の製造方法。 - 前記単位ターゲット面積当たりの単位電力成膜レートの傾きが、4×10−6{(Å/s)/(W/m2)}以上である、請求項1に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
- 前記非磁性金属酸化物層を積層する工程において、前記酸素流量を前記希ガス流量の1/10以下とし、前記非磁性金属酸化物層の成膜時に用いるターゲット印加電力を125W以上とする、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。
- 前記非磁性金属酸化物層の組成がMg1−xAlxOα(0<x≦1、0.35≦α<1.7)である、請求項1〜3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。
- 前記非磁性金属酸化物層を積層する工程と、前記第1強磁性金属層を積層する工程との間に、第1強磁性金属層への酸素の拡散を抑制する金属挿入層を積層する工程をさらに有する、請求項1〜4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。
- 前記金属挿入層を積層する工程を希ガス雰囲気下で行う、請求項5に記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
- 前記金属挿入層の組成がMg1−yAly(0≦y≦1)である、請求項5または6のいずれかに記載の強磁性トンネル接合体の製造方法。
- 前記金属挿入層を積層する工程において、積層する前記金属挿入層の厚みを0.1nm以上1.0nm以下とする、請求項5〜7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。
- 前記非磁性金属酸化物層を積層した後に、熱処理を加える請求項1〜8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。
- 第1強磁性金属層と、第2強磁性金属層と、第1強磁性金属層と第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、
面積抵抗が102Ω・μm2以上105Ω・μm2以下の領域において、磁気抵抗(MR)比が平均値を基準に±20%以内であり、
前記トンネルバリア層は、Mg 1-x Al x O β (0<x≦1、0.35≦β<1.7)で表される組成である、強磁性トンネル接合体。 - 第1強磁性金属層と、第2強磁性金属層と、第1強磁性金属層と第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、
面積抵抗が103Ω・μm2以上104Ω・μm2以下の領域において、磁気抵抗(MR)比が平均値を基準に±10%以内であり、
前記トンネルバリア層は、Mg 1-x Al x O β (0<x≦1、0.35≦β<1.7)で表される組成である、強磁性トンネル接合体。
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