JP6923881B2 - トンネル磁気抵抗素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、自由磁性層に、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層(NiFeやCoFeSiBなど)を配置し、基板に近い側から、自由磁性層、絶縁層、固定磁性層の順に積層した構造を磁場中熱処理することで、外部からの磁場によって引き起こされる固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗変化を利用した、リニアリティの高い高感度な磁気センサーを作製する技術がある(特許文献6)
自由磁性層には、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層(NiFeやCoFeSiBなど)を配置し、さらに、絶縁層に接合する強磁性層と軟磁性層との間に磁気結合層(TaやRu)を介在させることで、磁気トンネル接合と軟磁性材料との固体物性上の結合は排除しつつ、磁気的な結合のみ発生させるシンセティック結合が利用されている(特許文献1−6)。
一方で、絶縁層や固定磁性層に悪影響を与えず、自由磁性層の形状を大きくする為には、特許文献1,2,4,5の構成の様に、基板に近い側から、固定磁性層、絶縁層、自由磁性層の順に積層すれば良い。しかし、この構造の場合、熱処理処理によってリニアリティの高い高精度な磁気センサーを実現するに至っていない。磁気抵抗素子を、磁場の強弱を精度よく計測する磁気センサーとして使用していくためには検出磁場ゼロの状態(中立位置)からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こす性質(リニアリティ)が求められる。
前記磁性層及び絶縁層を支持する基板に近い側から、前記固定磁性層、前記絶縁層、前記自由磁性層の順で積層され、
前記自由磁性層は、下面を前記絶縁層に接合する強磁性層、及び当該強磁性層の上面に接触して積層された軟磁性層を有し、
前記自由磁性層を構成する前記強磁性層及び前記軟磁性層の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向にあることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。
前記基板上に前記固定磁性層及び前記絶縁層を積層し、さらに前記自由磁性層を構成する前記強磁性層を積層した後の積層体に対し、外部磁場を印加しながら熱処理を行い、前記自由磁性層を構成する前記強磁性層の磁化容易軸と前記固定磁性層の磁化容易軸とを同方向に形成する第1の磁場中熱処理工程と、
前記第1の磁場中熱処理工程の後、前記第1の磁場中熱処理工程のときとは向きを異ならせて外部磁場を印加しながら前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層を成膜することで、前記自由磁性層の磁化容易軸を、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向に形成する磁場中成膜工程とを備えるトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
前記第2の磁場中熱処理工程の後、前記第1の磁場中熱処理工程のときと同じ方向に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第3の磁場中熱処理工程とを備える請求項8に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
図1A−1Cに示すようにトンネル磁気抵抗素子1は、磁化の向きが固定された固定磁性層10、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層30、及び、固定磁性層10と自由磁性層30との間に配置された絶縁層20により、磁気トンネル接合を形成し、固定磁性層10の磁化の向きと自由磁性層30の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層20の抵抗を変化させるものである。
図1A−1Cは、図1Dに示す各磁場状態における固定磁性層10の磁化の向き10Aと自由磁性層30の磁化の向き30Aを示す。図1Aは検出磁場ゼロの状態(中立位置、図1Dのグラフ上の位置P0)におけるものを、図1Bは所定のプラス磁場が負荷された状態(図1Dのグラフ上の位置P1)におけるものを、図1Cは所定のマイナス磁場が負荷された状態(図1Dのグラフ上の位置P2)におけるものを示す。
図1Aは検出磁場ゼロの状態(中立位置P0)においては、固定磁性層10の磁化の向き10Aと自由磁性層30の磁化の向き30Aとが略90度のねじれの位置で安定している。これは、それぞれ磁化容易軸の方向に磁化しているからである。すなわち、図1A−Cに示すトンネル磁気抵抗素子1は、自由磁性層30の磁化容易軸が固定磁性層10の磁化容易軸に対して略90度ねじれた位置に形成されたものであり、図1Aに示す矢印10Aが固定磁性層10の磁化容易軸の方向を、矢印30Aが自由磁性層30磁化容易軸の方向を示している。
図1A−1Cに示すように固定磁性層10の磁化の向き10Aは、外部磁場の変化に影響されず一定であり、自由磁性層30の磁化の向き30Aは、外部磁場(H1,H2)の影響を受けて変化する。
図1Bに示すように、固定磁性層10の磁化の向き10Aに対して反対方向の外部磁場H1がトンネル磁気抵抗素子1に印加されると、自由磁性層30の磁化の向き30Aが固定磁性層10の磁化の向き10Aの逆方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層20の抵抗が増大する(図1Dで抵抗がR0からR1に増加)。抵抗の変化を図1A−1Cにおいて電流I0、I1,I2の矢印の太さで模式的に示す。
図1Cに示すように、固定磁性層10の磁化の向き10Aに対して同方向の外部磁場H2がトンネル磁気抵抗素子1に印加されると、自由磁性層30の磁化の向き30Aが固定磁性層10の磁化の向き10Aと同方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層20の抵抗が減少する(図1Dで抵抗がR0からR2に減少)。
図1Dに示すように抵抗(縦軸)を増大させる方向にも、減少させる方向にも、外部磁場の強さに対して比例的に(グラフが直線的に)抵抗変化を起こす性質(リニアリティ)を有するトンネル磁気抵抗素子1を実現したい。
詳しくは、従来例のトンネル磁気抵抗素子101は、基板(Si,SiO2)2上に、下地層(Ta)3が形成され、その上に固定磁性層10として、下から反強磁性層(IrMn)11、強磁性層(CoFe)12、磁気結合層(Ru)13、強磁性層(CoFeB)14が積層され、絶縁層(MgO)20を介して、その上に、自由磁性層30として、下から強磁性層(CoFeB)31、磁気結合層(Ru)32、軟磁性層(NiFe又はCoFeSi)33が積層された積層構造を有する。
このような従来例のトンネル磁気抵抗素子101にあっては、都度向きを異ならせて外部磁場を印加しながら熱処理する磁場中熱処理を複数回行っても、すべての磁性層の磁化容易軸の方向が揃って磁気抵抗特性が図3に示すようなヒステリシスの高い形態となってしまい、上述したリニアリティを実現できない。図2に示す矢印A1が磁性層の磁化容易軸の方向である。
かかる積層構造によれば、自由磁性層30を構成する強磁性層31及び軟磁性層33の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層10の磁化容易軸に対して異なる方向(ねじれの位置、例えば略90度ねじれた方向)にある磁化特性に形成することができ、上述したリニアリティを実現できる。
そのための、製造方法の要点を説明する。
まず、図6Aに示すように、基板2から少なくとも強磁性層31までの層を積層した後、この積層体に対し、所定方向(矢印A1)の外部磁場を印加しながら熱処理を行い、自由磁性層30を構成する強磁性層31の磁化容易軸と固定磁性層10の磁化容易軸とを同方向に形成する第1の磁場中熱処理工程を実施する。
かかる第1の磁場中熱処理工程の後、図6Bに示すように第1の磁場中熱処理工程のときとは向きをねじるように異ならせて(矢印A2方向にした)外部磁場を印加しながら自由磁性層30を構成する軟磁性層33を成膜することで、自由磁性層30の磁化容易軸を、固定磁性層10の磁化容易軸に対して異なる方向(例えば略90度ねじれた方向)に形成する磁場中成膜工程を実施し、図6Cに示す積層構造を得る。
図6Cに示すように、以上の第1の磁場中熱処理工程、磁場中成膜工程を経ることで、自由磁性層30を構成する強磁性層31及び軟磁性層33の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層10の磁化容易軸に対して異なる方向(好ましくは略90度ねじれた方向)にある磁化特性に形成することができる。すなわち、固定磁性層10の磁化容易軸は、第1の磁場中熱処理工程のときに印加された磁場方向(矢印A1)に形成され、自由磁性層30の磁化容易軸は、磁場中成膜工程のときに印加された磁場方向(矢印A2)に形成される。
この時点で、図7に示すようなリニアリティのある磁気抵抗特性が得られる。
ここで、上記製造プロセスの要点に従った製造プロセスの一実施例を、図9A−9G2を参照しつつ説明する。図9A−9G2において下地層3の図示を省略する。
基板2上に成膜された強磁性トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction : MTJ)多層膜(層10,20,31)に対して第1の磁場中熱処理工程を行う(図9A)。印加する磁場方向を矢印A1方向とし、磁場の強さを1Tとし、熱処理温度を375℃とする。この熱処理によって抵抗変化率であるトンネル磁気抵抗(Tunnel Magneto-Resistance : TMR)比が大きく向上する。
レジストパターン42を形成したMTJ多層膜に対して、Arイオンミリングを行い、MgO絶縁層20までエッチングを行う(図9B1,9B2)。レジストパターン42直下のMTJ多層膜はArイオンに晒されないため最上部層まで多層膜構造が残り、形成されたレジスト形状のMTJピラーが形成される(図9B1,9B2)。
軟磁性層33及び上部電極層形成用レジストパターン44が形成された基板に対して、Arイオンミリングによるエッチングを行い、MTJ多層膜中の上部CoFeB強磁性層31を露出させる(図9E1,9E2)。この露出したCoFeB層31の上に軟磁性層33を成膜することで、磁気抵抗曲線に軟磁気特性が発現する。CoFeB層31表面の酸化等によってCoFeB層31と軟磁性層33の磁気的結合が阻害されるのを防ぐため、Arイオンミリングと軟磁性層33の成膜の間に基板を大気に晒さず、連続的に真空下でエッチングと成膜を行うことが望ましい。軟磁性層33の材料にはCoFeSiB等のアモルファス材料やNiFe系合金等のソフト磁性材料を使用することができる(本実施例ではCoFeSiBを使用)。軟磁性層33の成膜の際にMTJ多層膜の磁化困難軸方向(矢印A2方向)に磁場を印加しながら成膜を行うことによって(図9F1,9F2)、MTJ下部の磁性多層膜と上部CoFeB層31及び軟磁性層33の磁化容易軸を90度にねじれた関係にすることができ、これによって自由磁性層30の困難軸方向の磁場成分に対して抵抗が線形に変化する図7に示すようなリニアリティのある磁気抵抗曲線が得られる。
本実施例では、基板2をSi,SiO2とし、その上にTaを5nm、 Ruを10nm、IrMnを10nm、CoFeを2nm、Ruを0.85nm、 CoFeBを3nm、MgOを2.7nm、CoFeBを3nm、Taを5nm積層し、磁場強度1T、温度は375℃で第1の磁場中熱処理を行なった。その後、CoFeB層31を露出させた後に軟磁性層(CoFeSiB)33を膜厚100nmまで磁場中スパッタで成膜した。
軟磁性層33及び上部電極を成膜した基板を有機溶媒等を用いて超音波洗浄し、レジスト44を除去することで、レジスト開口部以外の軟磁性層33及び上部電極層を除去する(図9G1,9G2)。したがって、軟磁性層33及び上部電極層はフォトリソグラフィによって任意の形状に形成することができる。また、複数回のフォトリソグラフィを行うことで、軟磁性層33と上部電極とで異なった形状を持つ素子を作製することも可能である。
以上の微細加工によってトンネル磁気抵抗素子は作製されるが、軟磁性層33は素子作製後、熱処理を行われていないas-depositedの状態である。したがって作製した素子に対して再び磁場中熱処理を行い、軟磁性層33の磁気異方性を操作することで、よりソフトな磁気特性を持った磁気抵抗曲線を発現することが可能である。回転磁場中熱処理や、磁場方向を軟磁性層33の困難軸から容易軸へと変化させた熱処理等を行うことで、軟磁性層33のHkが低下し、より高い磁場感度が得られる。
本実施例では、磁場方向を第1の磁場中熱処理工程のときの方向(矢印A1方向)に対して90度の方向(矢印A2方向)にして第2の磁場中熱処理工程を実施し,さらに0度方向(矢印A1方向)にして第3の磁場中熱処理工程を行った。第2の磁場中熱処理工程は熱処理温度を200℃とし、第3の磁場中熱処理工程は熱処理温度を200℃として、図8Bに示す磁気抵抗曲線が得られた。図8Aは第2の磁場中熱処理工程の熱処理温度を200℃とし、第3の磁場中熱処理工程の熱処理温度を180℃とした場合である。このように第3の磁場中熱処理工程の熱処理温度を上げていくことによって、Hk,Hcとも小さくして高感度化できることが分かる。
また、従来のトンネル磁気抵抗素子の自由磁性層は数 nm 〜 数百 nmの膜厚が限界であったが、本発明のトンネル磁気抵抗素子の自由磁性層では数μmの軟磁性層を接合させることも可能であり、軟磁性層の体積を非常に大きく取ることができる。その為、自由磁性層の熱揺らぎに起因したホワイトノイズや1/fノイズを大きく低減させ、高いSN比を備えた磁気センサーの作製が期待できる。
さらには、自由磁性層は素子の最表面に位置することから、形状を自由に設けられる。その為、自由磁性層に磁束を集中させるフラックスコンセントレータ(Flux Concentrator : FC)を内蔵したトンネル磁気抵抗素子の作製が期待できる。従来、トンネル磁気抵抗素子とFCとは物理的に分離した構造で作製されるが、本発明では自由磁性層とFCとは薄膜として接合した構造若しくは一体の構造となる為、磁束の集中効果を最大限に利用できる。
1A トンネル磁気抵抗素子
2 基板
3 下地層
10 固定磁性層
20 絶縁層
30 自由磁性層
31 強磁性層
33 軟磁性層
Claims (9)
- 磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に配置された絶縁層により、磁気トンネル接合を形成し、前記固定磁性層の磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
前記磁性層及び絶縁層を支持する基板に近い側から、前記固定磁性層、前記絶縁層、前記自由磁性層の順で積層され、
前記自由磁性層は、下面を前記絶縁層に接合する強磁性層、及び当該強磁性層の上面に接触して積層された軟磁性層を有し、
前記自由磁性層を構成する前記強磁性層及び前記軟磁性層の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向にあることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。 - 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェロ磁性の合金で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記フェロ磁性の合金がフェライト合金であることを特徴とする請求項2に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェリ磁性の合金で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記フェリ磁性の合金がパーマロイ又はアモルファスの合金であることを特徴とする請求項4に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層が微結晶の合金で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記絶縁層は、酸化マグネシウムで形成されていることを特徴とする請求項1から請求項6のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 請求項1から請求項7のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記固定磁性層及び前記絶縁層を積層し、さらに前記自由磁性層を構成する前記強磁性層を積層した後の積層体に対し、外部磁場を印加しながら熱処理を行い、前記自由磁性層を構成する前記強磁性層の磁化容易軸と前記固定磁性層の磁化容易軸とを同方向に形成する第1の磁場中熱処理工程と、
前記第1の磁場中熱処理工程の後、前記第1の磁場中熱処理工程のときとは向きを異ならせて外部磁場を印加しながら前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層を成膜することで、前記自由磁性層の磁化容易軸を、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向に形成する磁場中成膜工程とを備えるトンネル磁気抵抗素子の製造方法。 - 前記磁場中成膜工程の後、前記磁場中成膜工程のときと同じ方向に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第2の磁場中熱処理工程と、
前記第2の磁場中熱処理工程の後、前記第1の磁場中熱処理工程のときと同じ方向に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第3の磁場中熱処理工程とを備える請求項8に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
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