JP7149055B2 - Ferromagnetic exchange-coupled device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、強磁性交換結合素子及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a ferromagnetic exchange-coupled device and a manufacturing method thereof.
従来、非常に薄い非磁性金属薄膜を介して形成された二つの強磁性薄膜は、交換結合磁界により強磁性交換結合させられることが知られている(例えば、特許文献1参照)。この強磁性交換結合を利用したものとしては、保磁力差型TMR(Tunnel MagnetoResistance:トンネル磁気抵抗効果)素子が挙げられる。保磁力差型TMR素子では、MgO層の両側の界面に形成されたMR(磁気抵抗)効果の大きなCo-Fe-B層のうちの一方を、他の強磁性薄膜と強磁性交換結合させてその保磁力を制御することで、両Co-Fe-B層間で大きな保磁力差を得ている。 Conventionally, it is known that two ferromagnetic thin films formed via a very thin non-magnetic metal thin film are ferromagnetically exchange-coupled by an exchange-coupling magnetic field (see, for example, Patent Document 1). A coercive force difference type TMR (Tunnel MagnetoResistance: tunnel magnetoresistive effect) element can be cited as an element that utilizes this ferromagnetic exchange coupling. In the coercive force difference type TMR element, one of the Co--Fe--B layers having a large MR (magnetoresistive) effect formed at the interface on both sides of the MgO layer is ferromagnetically exchange-coupled with the other ferromagnetic thin film. By controlling the coercive force, a large coercive force difference is obtained between the two Co--Fe--B layers.
また、特性の異なる磁性層を直接重ね合わせた場合においても、交換結合磁界により強磁性交換結合することが知られている。この場合には、各磁性層の特性が複合化されたような磁気特性が得られるという効果がある。このような効果は、例えば複合型垂直磁気記録媒体やスピンバルブ型TMR素子等で利用されている(例えば、特許文献2及び3参照)。
It is also known that ferromagnetic exchange coupling occurs by the exchange coupling magnetic field even when magnetic layers having different characteristics are directly superimposed. In this case, there is an effect that the magnetic characteristics obtained by combining the characteristics of each magnetic layer can be obtained. Such an effect is utilized in, for example, composite perpendicular magnetic recording media, spin-valve TMR elements, and the like (see, for example,
ところで、TMR素子に多く用いられるMgO中間層は、熱処理によって結晶性を向上させることができる。その結果、TMR効果が向上するとともにスピン注入効率も向上し、スピン注入磁化反転に必要な電流量も、より小さくすることができる。しかし、磁化自由層に熱耐性の無い材料を適用する場合には、従来の製造方法では、MgO中間層を含む熱処理耐性のある層(後述する第2実施形態に係る強磁性交換結合素子の断面図である図9中のCo-Fe-B層65)まで製膜した後、真空中一貫で熱処理を行い、その後、基板温度が下がってから熱処理耐性の無い層(上記図9中のGd層68、GdFe層69)を製膜する必要がある。この場合、熱処理は昇温・冷却時間が必要で製膜と比較して工程時間が長いため、量産装置等では実用的ではない。
By the way, the crystallinity of the MgO intermediate layer, which is often used in TMR elements, can be improved by heat treatment. As a result, the TMR effect is improved, the spin injection efficiency is improved, and the amount of current required for spin injection magnetization reversal can be further reduced. However, when a material having no heat resistance is applied to the magnetization free layer, in the conventional manufacturing method, a layer with heat treatment resistance including an MgO intermediate layer (cross section of a ferromagnetic exchange coupling element according to a second embodiment described later) After forming the film up to the Co--Fe--
また、微細加工プロセスにおいて、その工程上、2つの強磁性薄膜を真空中一貫で連続して製膜できない場合がある。そのため、このような微細加工プロセスの場合には、強磁性薄膜同士を強磁性交換結合することができない。 In addition, in the microfabrication process, it may not be possible to continuously form two ferromagnetic thin films consistently in a vacuum due to the process. Therefore, ferromagnetic exchange coupling between ferromagnetic thin films cannot be achieved in such a microfabrication process.
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱耐性の無い材料との強磁性交換結合を高い生産効率で実現でき、各種微細加工プロセスに適用できる強磁性交換結合素子及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a ferromagnetic exchange coupling element that can realize ferromagnetic exchange coupling with a material having no heat resistance with high production efficiency and can be applied to various microfabrication processes. It is to provide a manufacturing method.
(1) 上記目的を達成するため本発明は、強磁性材料からなる第1強磁性層(例えば、後述の第1磁化固定層11,第2磁化固定層21)と、前記第1強磁性層上に形成され、非磁性金属からなる非磁性金属層(例えば、後述の非磁性金属層12,22)と、前記非磁性金属層上に形成され、酸化物又は窒化物からなるバッファ層(例えば、後述のバッファ層13,23)と、前記バッファ層上に形成され、強磁性材料からなる第2強磁性層(例えば、後述の光変調層30)と、を有し、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層が、強磁性交換結合されている強磁性交換結合素子(例えば、後述の強磁性交換結合素子10,20)を提供する。
(1) In order to achieve the above objects, the present invention provides a first ferromagnetic layer (for example, a first magnetization pinned
(2) (1)の強磁性交換結合素子において、前記バッファ層は、MgO、Al2O3、MgAl2O4、TiO2、ZnO又はRuO2からなるものでもよい。 ( 2 ) In the ferromagnetic exchange coupling element of (1), the buffer layer may be made of MgO, Al2O3 , MgAl2O4 , TiO2 , ZnO or RuO2 .
(3) (1)又は(2)の強磁性交換結合素子において、前記第2強磁性層は、Gd又はGdFeを含んでいてもよい。 (3) In the ferromagnetic exchange coupling element of (1) or (2), the second ferromagnetic layer may contain Gd or GdFe.
(4) (1)から(3)いずれかの強磁性交換結合素子において、前記第2強磁性層は、前記第1強磁性層上に形成されGdからなるGd層と、前記Gd層上に形成されGdFeからなるGdFe層と、の2層からなるものでもよい。 (4) In the ferromagnetic exchange coupling element according to any one of (1) to (3), the second ferromagnetic layer comprises a Gd layer formed on the first ferromagnetic layer and made of Gd; A GdFe layer made of GdFe may be formed.
(5) (1)から(4)いずれかの強磁性交換結合素子において、前記第1強磁性層は、Co-Fe-B又はCo/Pd多層膜からなるものでもよい。 (5) In the ferromagnetic exchange coupling element according to any one of (1) to (4), the first ferromagnetic layer may be a Co--Fe--B or Co/Pd multilayer film.
(6) (1)から(5)いずれかの強磁性交換結合素子において、前記バッファ層は、MgOからなるものでもよい。 (6) In the ferromagnetic exchange coupling element according to any one of (1) to (5), the buffer layer may be made of MgO.
(7) (1)から(6)いずれかの強磁性交換結合素子において、前記非磁性金属層は、Taからなるものでもよい。 (7) In the ferromagnetic exchange coupling element according to any one of (1) to (6), the nonmagnetic metal layer may be made of Ta.
(8) 強磁性交換結合素子の製造方法であって、強磁性材料からなる第1強磁性層を形成する第1強磁性層形成工程と、前記第1強磁性層上に、非磁性金属からなる非磁性金属層を形成する非磁性金属層形成工程と、前記非磁性金属層上に、酸化物又は窒化物からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層上に、前記第1強磁性層、前記非磁性金属層及び前記バッファ層の酸化を抑制するキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、前記キャップ層が形成された積層体中にレジストパターンが含まれる場合に該レジストパターンを除去するリフトオフ処理と、前記キャップ層が形成された積層体を加熱する熱処理と、のうち少なくともいずれか一方を行う処理工程と、前記リフトオフ処理又は熱処理が施された積層体における前記キャップ層の全部及び前記バッファ層の一部を除去する除去工程と、前記除去工程により一部が除去されたバッファ層上に、強磁性材料からなる第2強磁性層を形成する第2強磁性層形成工程と、を有する強磁性交換結合素子の製造方法を提供する。 (8) A method for manufacturing a ferromagnetic exchange coupling element, comprising: a first ferromagnetic layer forming step of forming a first ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material; a non-magnetic metal layer forming step of forming a non-magnetic metal layer comprising: a buffer layer forming step of forming a buffer layer made of an oxide or a nitride on the non-magnetic metal layer; 1 a cap layer forming step of forming a cap layer for suppressing oxidation of the ferromagnetic layer, the non-magnetic metal layer and the buffer layer; A treatment step of performing at least one of a lift-off treatment for removing a pattern and a heat treatment for heating a laminate having the cap layer formed thereon, and the cap layer in the laminate subjected to the lift-off treatment or the heat treatment. and a second ferromagnetic layer forming step of forming a second ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material on the buffer layer partly removed by the removing step. and a method for manufacturing a ferromagnetic exchange-coupled device.
(9) (8)の強磁性交換結合素子の製造方法において、前記処理工程における熱処理温度は、300℃以上であってもよい。 (9) In the method of manufacturing a ferromagnetic exchange-coupled element of (8), the heat treatment temperature in the treatment step may be 300° C. or higher.
(10) (8)又は(9)の強磁性交換結合素子の製造方法において、前記除去工程では、イオンビームミリング又は高密度プラズマエッチングを行ってもよい。 (10) In the method of manufacturing a ferromagnetic exchange coupled element of (8) or (9), ion beam milling or high-density plasma etching may be performed in the removing step.
本発明によれば、熱耐性の無い材料との強磁性交換結合を高い生産効率で実現でき、各種微細加工プロセスに適用できる強磁性交換結合素子及びその製造方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ferromagnetic exchange-coupling element which can implement|achieve the ferromagnetic exchange coupling with the material without heat resistance with high production efficiency, and can be applied to various microfabrication processes, and its manufacturing method can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、第2実施形態の説明において、第1実施形態と共通する構成についてはその説明を省略する。なお、説明の便宜上、図中の上下左右を強磁性交換結合素子の上下左右として説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the description of the second embodiment, the description of the configuration common to the first embodiment is omitted. For convenience of explanation, the upper, lower, left, and right sides in the drawing will be described as the upper, lower, left, and right sides of the ferromagnetic exchange coupling element.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の構成を示す斜視図である。図2は、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の構成を示す側面図である。図3は、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の動作を示す図である。図1及び図3中の矢印は、磁化方向の向きを示している。
これら図1~図3に示すように、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10は、磁壁移動を利用した空間光変調素子を構成する。
[First embodiment]
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a ferromagnetic exchange coupling element according to the first embodiment. FIG. 2 is a side view showing the configuration of the ferromagnetic exchange coupling element according to the first embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the operation of the ferromagnetic exchange-coupled device according to the first embodiment. Arrows in FIGS. 1 and 3 indicate directions of magnetization.
As shown in FIGS. 1 to 3, the ferromagnetic
図1に示すように、強磁性交換結合素子10は、図示しないSi等の基板上に形成され、第1強磁性交換結合部1と、第2強磁性交換結合部2と、光変調部3と、を有する。
第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2は、それぞれ図示しないCu、Al、Au、Ag、Ru、Ta、Cr等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成される下部電極を最下層に有し、この下部電極にパルス電流源9が接続されることでパルス電流を印加可能となっている。
As shown in FIG. 1, the ferromagnetic
The first ferromagnetic
強磁性交換結合素子10の形状については特に限定されないが、例えば図1に示すように、光変調部3が所定方向に延びる平板状に形成され、その両端に第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2が配置された形状が挙げられる。光変調部3と第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2の上面は連続して面一とされ、第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2の厚みは光変調部3の厚みよりも厚くなっている。
Although the shape of the ferromagnetic
図2に示すように、第1強磁性交換結合部1は、第1磁化固定層11と、非磁性金属層12及びバッファ層13と、光変調層30と、がこの順に積層されて構成される。
As shown in FIG. 2, the first ferromagnetic
第1磁化固定層11は、強磁性材料からなり、本発明の第1強磁性層に相当する。第1磁化固定層11は、磁化方向が一方向に固定された層であり、大きな保磁力を有する。第1磁化固定層11は、後述する光変調層30と同一方向の磁気異方性を有し、光変調層30に垂直磁気異方性を有する強磁性材料を用いた場合には、第1磁化固定層11も垂直磁気異方性を有する強磁性材料を用いる。好ましくは、第1磁化固定層11及び光変調層30ともに、垂直磁気異方性を有する強磁性材料で構成される。
The first magnetization fixed
第1磁化固定層11は、磁化が垂直方向に固定された磁化固定層と磁化の方向が反転可能な磁化自由層で非磁性層を挟持する構造の垂直磁気異方性を有するCPP-GMR(Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance:垂直通電型巨大磁気抵抗効果)素子やTMR素子等の磁化固定層として公知の強磁性材料で構成可能である。具体的には、Fe、Co、Niのような遷移金属及びそれらを含む合金、例えばTbFe系、TbFeCo系、CoCr系、CoPt系、CoPd系、FePt系の合金を用いることができる。これにより、第1磁化固定層11の保磁力を大きくすることができ、第1磁化固定層11の磁化方向が外部磁場によって容易に変化しないように固定することが可能となる。
The first magnetization fixed
また、第1磁化固定層11は、これらの遷移金属の層と非磁性金属の層とを交互に積層した多層の積層体で構成してもよく、Co/Pt、Fe/Pt、Co/Pd等の多層膜を用いることができる。これらの強磁性材料を用いることにより、強い垂直磁気異方性を有するとともに、大きな保磁力を有する第1磁化固定層11が得られる。
Also, the first magnetization fixed
ここで、上述の多層膜は、熱処理することにより保磁力が増大する特性を有する。そのため、上述の多層膜からなる第1磁化固定層11を熱処理してその保磁力を増大させると、光変調層30と結合した後の強磁性交換結合部の保磁力もより大きくなり、光変調部3との保磁力差をより大きくすることができる。
Here, the multilayer film described above has a characteristic that the coercive force is increased by heat treatment. Therefore, if the first magnetization pinned
非磁性金属層12及びバッファ層13は、第1磁化固定層11と光変調層30との間に配置され、第1磁化固定層11と光変調層30の間の磁気的結合を保つようにすることができる。
The
非磁性金属層12は、上述の第1磁化固定層11上に積層されて形成される。この非磁性金属層12は、後述する製造工程において、第1磁化固定層11にエッチングのダメージが及ばないようにするために設けられる。非磁性金属層12は、非磁性金属からなり、非磁性の各種金属の薄膜層を用いることができる。例えば、非磁性金属層12として、Ta、Mo、Ruを用いることができ、中でも、Taからなるものが好ましく用いられる。
The
バッファ層13は、上述の非磁性金属層12上に積層されて形成される。バッファ層13は、磁壁移動を利用した空間光変調素子でもTMR素子でも電流を流せることが必要であるため、薄膜化したときに抵抗が大き過ぎず、高い導電性を有するものである。また、バッファ層13は、後述する製造工程におけるエッチングのレートが遅く、且つSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)の検出感度が高い元素を含み、SIMS式エンドポイントモニターで見える材料であることが必要である。これにより、エッチングをバッファ層13で確実に止めることが可能となり、第1磁化固定層11にダメージが及ぶのを回避できる。
The
バッファ層13は、酸化物又は窒化物からなるもので構成される。より具体的には、バッファ層13は、MgO、Al2O3、MgAl2O4、TiO2、ZnO又はRuO2から構成されることが好ましい。中でも、バッファ層13としては、MgOからなるものが好ましく用いられる。このMgOからなるMgO層によれば、高い導電性を有し、エッチングのレートが遅いうえSIMS感度が高いバッファ層13を形成できる。
The
光変調層30は、上述のバッファ層13上に積層されて形成される。この光変調層30は、強磁性材料からなり、本発明の第2強磁性層に相当する。光変調層30は、公知の強磁性材料を適用でき、好ましくは磁気光学効果(カー効果)の大きい材料を適用する。磁気光学効果を大きくするためには、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いることが好ましく、具体的には、Co/Pd多層膜のような遷移金属とPd、Pt、Cuとを繰り返し積層した多層膜、又はTbFeCo、GdFe等の希土類金属と遷移金属との合金(RE-TM合金)が挙げられる。中でも、光変調層30としては、GdFeからなるGdFe層が好ましく用いられる。
The
なお、光変調層30は、後述する第2強磁性交換結合部2における第2強磁性層を構成するとともに、光変調部3自体を構成する。
The
上述の構成からなる第1強磁性交換結合部1では、第1磁化固定層11と光変調層30は、非磁性金属層12及びバッファ層13を介して強磁性交換結合されている。この強磁性交換結合により、第1磁化固定層11の磁化方向と第1強磁性交換結合部1における光変調層30の磁化方向は同時反転する。
In the first ferromagnetic
第2強磁性交換結合部2は、第2磁化固定層21と、非磁性金属層22及びバッファ層23と、光変調層30と、がこの順に積層されて構成される。
The second ferromagnetic
また、第2強磁性交換結合部2では、第1強磁性交換結合部1と同様に、第2磁化固定層21と光変調層30は、非磁性金属層22及びバッファ層23を介して強磁性交換結合されている。この強磁性交換結合により、第2磁化固定層21の磁化方向と第2強磁性交換結合部2における光変調層30の磁化方向は同時反転する。
In addition, in the second ferromagnetic
第2磁化固定層21は、第1磁化固定層11で使用可能な材料の中から選択され、同様に、非磁性金属層22及びバッファ層23も、それぞれ非磁性金属層12及びバッファ層13で使用可能な材料の中から選択される。
The second magnetization fixed
ここで、第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2は、後段で詳述するように磁壁33及び光変調領域300を形成するために、互いの保磁力が異なるように設計される。
Here, the first ferromagnetic
具体的には後段で詳述するように、第1磁化固定層11と第2磁化固定層21とで、互いに形状(例えば幅、厚み等)を異なるものとするか、一方のみ熱処理するか、あるいは互いの層構成を異なるものとするか、のいずれかが選択される。これにより、第1磁化固定層11の保磁力と第2磁化固定層21の保磁力を互いに異なるものとすることで、第1強磁性交換結合部1の保磁力と第2強磁性交換結合部2の保磁力が異なるものとなっている。
Specifically, as will be described later in detail, the first magnetization fixed
上述したように、光変調層30は、光変調部3を構成する。この光変調層30からなる光変調部3には、磁壁33と、磁区31,32が形成されている。これについては、後段で詳述する。
As described above, the
なお、各磁化固定層(以下、第1磁化固定層11及び第2磁化固定層21を単に磁化固定層とも言う。)、各非磁性金属層、各バッファ層、及び光変調層30の各層間、又は下部電極との界面に、機能層を適宜設けてもよい。例えば、微細加工プロセス中に光変調層30が受けるダメージを防ぐために、光変調層30上に、Ta、Ru又はSiNを含む、あるいはTa、Ru又はSiNからなるキャップ層を設けてもよい。このキャップ層は、光変調層30の形成に用いられて酸化し易いGdFeやTbFeCoが、素子完成後に大気中で酸化するのを防止する機能を有する。
Note that the magnetization fixed layers (hereinafter, the first magnetization fixed
次に、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の磁気特性について、詳しく説明する。
上述した通り、第1強磁性交換結合部1は、光変調層30と強磁性交換結合する第1磁化固定層11を有し、第2強磁性交換結合部2は、同じく光変調層30と強磁性交換結合する第2磁化固定層21を有する。即ち、これら第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2は、それぞれ内部に強磁性交換結合を有し、それぞれの磁化方向は同時に反転する。そして、図1及び図3に示すように、第1強磁性交換結合部1の磁化方向は下向きに設計されている一方で、第2強磁性交換結合部2の磁化方向は上向きに設計されている。
Next, the magnetic characteristics of the ferromagnetic
As described above, the first ferromagnetic
光変調部3には、光変調部3の延びる方向に対して直交する方向に延びる磁壁33が形成されている。即ち、磁壁33の両側に形成される磁区31,32の磁化方向は互いに逆方向となっている。例えば図1及び図3に示すように、磁壁33よりも第1強磁性交換結合部1側の磁区31の磁化方向は上向きであり、磁壁33よりも第2強磁性交換結合部2側の磁区32の磁化方向は下向きとなっている。
A
このように、磁壁33を介して磁化方向の向きが異なる磁区31,32を光変調部3に形成することにより、強磁性交換結合素子10を空間光変調素子として機能させることができる。より詳しくは、例えば強磁性交換結合素子10を反射型の空間光変調素子として構成した場合には、強磁性交換結合素子10の上方から光変調部3の上面に対して偏光の揃った光を入射すると、磁化方向の向きに応じて反射光の偏光面の回転角度が異なったものとなる。そのため、これら異なる偏光面の回転角度に応じた各反射光を、偏光フィルタを介してそれぞれ光の明暗に割り当てることにより、光の変調が可能となる。ただし、基板を、ガラスやサファイア等の透光性の材料で構成することにより、強磁性交換結合素子10を透過型の空間光変調素子として機能させることも可能である。
By forming the
ここで、図2及び図3を参照して、磁壁33の生成メカニズムについて説明する。
先ず、光変調部3に磁壁33を形成するためには、光変調層30と強磁性交換結合する第1磁化固定層11の保磁力と、同じく光変調層30と強磁性交換結合する第2磁化固定層21の保磁力とを、互いに異なるものとすることが必要である。そのためには、第1磁化固定層11と第2磁化固定層21とで、互いに形状(例えば幅、厚み等)を異なるものとするか、一方のみ熱処理するか、あるいは互いの層構成を異なるものとするか、のいずれかの手法により、第1磁化固定層11の保磁力と第2磁化固定層21の保磁力を、互いに異なるものとすることができる。
Here, the generation mechanism of the
First, in order to form the
例えば、上記手法のいずれかにより、第1磁化固定層11の保磁力を第2磁化固定層21の保磁力よりも大きく設計する。この場合、図2に示すように第1強磁性交換結合部1の保磁力をHc1とし、第2強磁性交換結合部2の保磁力をHc2とし、光変調層の保磁力をHc_mとすると、Hc1>Hc2>Hc_mの関係が成立する。
For example, the coercive force of the first magnetization fixed
そして、上述のような保磁力の関係が成立する構造の素子に対して、磁場の強さHが、H>Hc1である磁場を、素子に対して下向きに印加する。すると、第1強磁性交換結合部1、第2強磁性交換結合部2及び光変調部3のいずれにおいても、磁化方向の向きは下向きとなる。
Then, a magnetic field having a magnetic field intensity H of H>Hc1 is applied downward to the element having the structure in which the above-described coercive force relationship is established. Then, the magnetization direction is downward in all of the first ferromagnetic
次いで、磁場の強さH’が、Hc1>H’>Hc2である磁場を、素子に対して上向きに印加する。すると、第1強磁性交換結合部1の磁化方向の向きは下向きのままであるのに対して、第2強磁性交換結合部2及び光変調部3の磁化方向の向きは、いずれも上向きに変化する。
Then, a magnetic field having a magnetic field strength H' of Hc1>H'>Hc2 is applied upward to the element. Then, while the magnetization direction of the first ferromagnetic
このとき、図3に示すように光変調部3の両端には、初期磁区31a,32aが生成する。より詳しくは、光変調部3の第1強磁性交換結合部1側の端部には、第1強磁性交換結合部1からの漏れ磁界(図3中の破線矢印参照)により、第1強磁性交換結合部1の下向きの磁化とは反平行な上向きの磁化方向の初期磁区31aが生成する。また、光変調部3の第2強磁性交換結合部2側の端部には、第2強磁性交換結合部2からの漏れ磁界(図3中の破線矢印参照)により、第2強磁性交換結合部2の上向きの磁化とは反平行な下向きの磁化方向の初期磁区32aが生成する。
At this time, initial magnetic domains 31a and 32a are generated at both ends of the
次いでこの状態で、パルス電流源9からパルス電流を印加し、第1強磁性交換結合部1から第2強磁性交換結合部2、又は第2強磁性交換結合部2から第1強磁性交換結合部1に向けてパルス電流を流す。すると、初期磁区31a,32aの生成により形成される磁壁33を、パルス電流の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)に移動させることができる。これにより、図3に示すように、光変調部3の両端を除く光変調領域300の磁化の向きを反転(図3の例では、光変調領域300の磁化の向きを上向きに反転)させることが可能となっている。
Next, in this state, a pulse current is applied from the pulse
次に、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の詳細な構成について、図4を参照して説明する。
図4は、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の一例の構成を示す断面図である。図4中、各層の括弧内の数値は、各層の好ましい厚み(nm)の一例を示している。
Next, a detailed configuration of the ferromagnetic
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of an example of the ferromagnetic
図4に示す例では、強磁性交換結合素子10は、Siバックプレーン41上に形成されている。
第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2はいずれも、Siバックプレーン41側から順に、Ta層44、Ag層45、Co/Pd層11,21、Ta層12,22、MgO層13,23、GdFe層3が積層されて構成されている。
In the example shown in FIG. 4, the ferromagnetic
Each of the first ferromagnetic
Siバックプレーン41には、図示しない下部電極が含まれている。下部電極は、Cu、Al、Au、Ag、Ru、Ta、Cr等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成される。
ただし、本実施形態では電流を流すことができればよく、例えばSiバックプレーン41と同様に、アクティブマトリックス駆動する構成としてTFTバックプレーンを用いてもよい。また、例えばSiバックプレーンの代わりに、単純マトリックス駆動する構成としてもよい。
The
However, in this embodiment, it suffices if a current can flow. For example, like the
Ta層44及びAg層45は、上述の下部電極への密着性を向上させるために設けられる下地層である。これらTa及びAgであれば、Co/Pd多層膜11,21の磁気特性に悪影響を与えることがないため好ましい。なお、Taの代わりにRuを用いてもよい。
The
Co/Pd層11,21はそれぞれ上述の第1,第2磁化固定層を構成し、Ta層12,22は上述の非磁性金属層を構成し、MgO層13,23は上述のバッファ層を構成する。 The Co/Pd layers 11 and 21 constitute the above-described first and second magnetization fixed layers, respectively, the Ta layers 12 and 22 constitute the above-described non-magnetic metal layers, and the MgO layers 13 and 23 constitute the above-described buffer layers. Configure.
なお、本例では、第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2とでは、各層の構成材料は全て同一である一方で、互いの形状が異なっている。具体的には図4に示すように、光変調部の延びる方向(左右方向)の幅寸法が、第2強磁性交換結合部2(第2磁化固定層21)よりも第1強磁性交換結合部1(第1磁化固定層11)の方が大きく設計されている。これにより、第1強磁性交換結合部1の保磁力が第2強磁性交換結合部2の保磁力よりも小さくなり、光変調部に、磁壁及び磁区の形成が可能となっている。
In this example, the first ferromagnetic
光変調部、即ち光変調層は、GdFe層3で構成されている。また、GdFe層3上には、キャップ層としてのRu層4が形成されている。
なお、第1強磁性交換結合部1の左右両側、及び第2強磁性交換結合部2の左右両側は、絶縁部材としてのSiO2層42が隣接して配置されている。
The light modulating portion, that is, the light modulating layer is composed of the
SiO 2 layers 42 serving as insulating members are arranged adjacent to both the left and right sides of the first ferromagnetic
次に、強磁性交換結合素子10の製造方法の一例について、図5A~図5Hを参照して詳しく説明する。
ここで、図5A~図5Hは、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の製造方法を示す図である。
Next, an example of a method for manufacturing the ferromagnetic
Here, FIGS. 5A to 5H are diagrams showing the manufacturing method of the ferromagnetic
第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の製造方法は、第1強磁性層形成工程と、非磁性金属層形成工程と、バッファ層形成工程と、キャップ層形成工程と、処理工程と、除去工程と、第2強磁性層形成工程と、を有する。
以下、これらの各工程について説明する。
A method for manufacturing the ferromagnetic
Each of these steps will be described below.
先ず、図5Aに示すように、Siバックプレーン41上に形成された絶縁部材のSiO2層42に対して、従来公知の電子線リソグラフィ等を用いて、第1磁化固定層及び第2磁化固定層の各形状に対応したレジストパターニングを実施する。即ち、第1磁化固定層及び第2磁化固定層の各形状に対応したレジスト層40を、SiO2層42上に形成する。そして、レジストパターニング後、高密度プラズマエッチングを実施する。この高密度プラズマエッチングは、イオンミリングより異方性エッチング特性が優れているため、本工程に特に好適に利用される。
First, as shown in FIG. 5A, a first magnetization pinned layer and a second magnetization pinned layer are formed on a SiO 2 layer 42 of an insulating member formed on a Si back
すると、図5Bに示すように、レジスト層40が形成されていない領域のSiO2層42がエッチングにより除去される。このSiO2層42が除去された領域が、第1磁化固定層及び第2磁化固定層の形状にそれぞれ対応する。
Then, as shown in FIG. 5B, the SiO 2 layer 42 in the region where the resist
次いで、図5Cに示すように、第1強磁性層を構成する磁化固定層、非磁性金属層、バッファ層、及びバッファ層の酸化を抑制するキャップ層をこの順に形成する(第1強磁性層形成工程、非磁性金属層形成工程、バッファ層形成工程、及びキャップ層形成工程)。具体的には、Ta層44、Ag層45、Co/Pd層11,21,51、Ta層12,22,52、MgO層13,23,53、及びSiO2層14,24,54を、この順に連続して製膜する。製膜は、全てイオンビームスパッタ装置により実施可能である。ナノメートルオーダーと開口サイズが小さく、それに対して深さが深い領域の中に材料を製膜する必要があるため、スパッタ粒子の直進性が高いイオンビームスパッタ法が特に好ましいからである。ただし、これに限定されず、例えば分子線エピタキシー(MBE)法等の従来公知の方法を利用できる。
Next, as shown in FIG. 5C, a magnetization fixed layer, a non-magnetic metal layer, a buffer layer, and a cap layer for suppressing oxidation of the buffer layer, which constitute the first ferromagnetic layer, are formed in this order (first ferromagnetic layer formation step, non-magnetic metal layer formation step, buffer layer formation step, and cap layer formation step). Specifically, the
次いで、図5Dに示すように、リフトオフを実施し、残存しているレジスト層40を除去する(処理工程)。具体的には、素子を真空中から大気中に取り出した後、リフトオフを実施する。これにより、レジスト層40上に形成されていた層の全てが除去される。レジスト層40の除去には、従来公知のレジスト剥離剤を用いることができる。
Then, as shown in FIG. 5D, lift-off is performed to remove the remaining resist layer 40 (processing step). Specifically, lift-off is performed after the element is taken out from vacuum into the atmosphere. As a result, all layers formed on the resist
そして、リフトオフ後、必要に応じて、アニール炉にて350℃の熱処理を実施する(処理工程)。この熱処理により、各磁化固定層を構成するCo/Pd層11,21の保磁力が増大する。処理工程における熱処理温度は、例えば300℃以上であることが好ましい。 After lift-off, if necessary, heat treatment at 350° C. is performed in an annealing furnace (processing step). This heat treatment increases the coercive force of the Co/Pd layers 11 and 21 constituting each magnetization fixed layer. The heat treatment temperature in the treatment step is preferably 300° C. or higher, for example.
次いで、図5Eに示すように、イオンビームミリング(又は高密度プラズマエッチング)を実施する(除去工程)。これにより、最表面のSiO2層14,24を全て除去するとともに、MgO層13,23の一部を除去する。即ち、エッチングを、MgO層13,23の途中まで実施する。このとき、MgO層13,23は、エッチングレートが遅いうえ、MgはSIMS感度が高い特性を有するため、SIMS式エンドポイントモニターでの検出に最適である。これにより、エッチングをMgO層13,23の途中で確実に止めることができるようになっている。 Then, as shown in FIG. 5E, ion beam milling (or high density plasma etching) is performed (removal step). As a result, the SiO 2 layers 14 and 24 on the outermost surface are all removed, and part of the MgO layers 13 and 23 are also removed. That is, the etching is performed halfway through the MgO layers 13 and 23 . At this time, the MgO layers 13 and 23 have a slow etching rate, and Mg has a characteristic of high SIMS sensitivity. As a result, etching can be reliably stopped in the middle of the MgO layers 13 and 23 .
イオンビームミリング(又は高密度プラズマエッチング)終了後、光変調層製膜装置まで素子を真空(例えば、1×10-6[Pa])搬送する。そして、図5Fに示すように、光変調層製膜装置内で、光変調層としてのGdFe層3を例えばイオンビームスパッタ装置により製膜する。加えて、GdFe層3上に、さらにキャップ層としてのRu層4を例えばイオンビームスパッタ装置により製膜する。
After completion of ion beam milling (or high-density plasma etching), the device is transported under vacuum (for example, 1×10 −6 [Pa]) to a light modulation layer deposition apparatus. Then, as shown in FIG. 5F, the
次いで、図5Gに示すように、電子線リソグラフィ等にて光変調層のレジストパターニングを実施する。即ち、Ru層4上に所望のパターンに対応したレジスト層40を形成する。そして、レジストパターニング後、イオンビームミリング(又は高密度プラズマエッチング)を実施する。
Next, as shown in FIG. 5G, resist patterning of the light modulating layer is performed by electron beam lithography or the like. That is, a resist
すると、図5Hに示すように、レジスト層40が形成されていない領域のGdFe層3及びRu層4がエッチングにより除去される。これにより、光変調層を構成するGdFe層3が所望のパターン形状に形成される(第2強磁性層形成工程)。
Then, as shown in FIG. 5H, the
最後に、最上層に残存しているレジスト層40を、従来公知のレジスト剥離剤で除去する。以上により、図4に示す強磁性交換結合素子10が得られる。
Finally, the resist
以上説明した第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の製造方法によれば、第1強磁性層上に、非磁性金属層、バッファ層、及びバッファ層の酸化を抑制するキャップ層をこの順に形成し、この状態で、リフトオフ処理と必要に応じて熱処理を実施する。そして、キャップ層の全部及びバッファ層の一部を除去した後に、第2強磁性層を形成する。
According to the method of manufacturing the ferromagnetic
ここで、本実施形態のように磁壁移動を利用した光変調素子を製造するためには、光変調層30の製膜前に、一旦素子を大気中に取り出してリフトオフする必要がある。そのため、従来の微細加工プロセスでは、その工程上、2つの強磁性薄膜を真空中一貫で連続して製膜できず、強磁性交換結合させることができなかったところ、本実施形態の製造方法によれば、処理工程と製膜工程とを分けることができるため、第1強磁性層と第2強磁性層を強磁性交換結合させることができる。従って、本実施形態に係る製造方法によれば、各種微細加工プロセスに適用可能である。
Here, in order to manufacture an optical modulation element using domain wall displacement as in the present embodiment, it is necessary to take the element out into the air once and lift it off before forming the
また、本実施形態の製造方法によれば、バッファ層13上にバッファ層13以下の層の酸化を抑制するキャップ層を形成するため、素子を真空一貫装置から取り出した際に、別装置にて300℃~400℃程度で熱処理することもできる。そして、熱処理後、イオンビームミリング等でキャップ層全てとバッファ層13の途中までを除去し、もう一方の熱耐性の無いGdFe、Gd等の第2強磁性層を製膜することで、強磁性交換結合させることができる。
Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, since the cap layer is formed on the
次に、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の磁気光学特性について、マイクロカー効果測定装置を用いたカー回転角測定結果を参照して詳しく説明する。
具体的には、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の模擬サンプルを作製し、その磁気光学特性を評価することで本実施形態の効果を確認した結果について説明する。
Next, the magneto-optical characteristics of the ferromagnetic
Specifically, a simulated sample of the ferromagnetic
模擬サンプルの作製では、Siバックプレーンの代わりにただのSi基板を用い、上述の第1強磁性交換結合部1のうち光変調層30を除く、第1磁化固定層11、非磁性金属層12及びバッファ層13からなる積層体を、横5μm×縦5μmの大きさ(即ち、四角(square)形状)で形成した。また、上述の第2強磁性交換結合部2のうち光変調層30を除く、第2磁化固定層21、非磁性金属層22及びバッファ層23からなる積層体を、横1μm×縦2mmの大きさ(即ち、ライン(line)形状)で形成した。
In the preparation of the simulated sample, a simple Si substrate was used instead of the Si backplane, and the first magnetization pinned
ここで、図6~図8は、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の模擬サンプルにおける磁気光学特性を示す図である。図6~図8中、横軸は外部磁界の強さ(kOe)を表しており、縦軸は、カー回転角(°)、即ち強磁性材料の磁化方向により入射光の偏光面が回転するときの回転角度を表している。
Here, FIGS. 6 to 8 are diagrams showing magneto-optical characteristics of simulated samples of the ferromagnetic
図6中、太実線のグラフは、第2磁化固定層21に相当する、横1μm×縦2mmのライン(line)形状の磁化固定層上にGdFe(9)/Ru(3)層が製膜された領域のカー回転角測定結果である(図6中、「GdFe on line」と表示)。破線のグラフは、第1磁化固定層11に相当する、横5μm×縦5μmの四角(square)形状の磁化固定層上にGdFe(9)/Ru(3)層が製膜された領域のカー回転角測定結果である(図6中、「GdFe on 5μ_sq」と表示)。細実線のグラフは、上述の絶縁部材としてのSiO2層42に相当するSiO2上に、GdFe(9)/Ru(3)層が製膜された領域のカー回転角測定結果である(図6中、「GdFe on SiO2」と表示)。
In FIG. 6, the thick solid line indicates that a GdFe(9)/Ru(3) layer is formed on a line-shaped magnetization fixed layer of 1 μm wide×2 mm long, which corresponds to the second magnetization fixed
図6の結果から、磁化固定層と光変調層のGdFe(9)/Ru(3)層が強磁性交換結合していることにより、光変調層の下にある保磁力の異なる2つの磁化固定層とSiO2(絶縁体層)に対応して、3段階の保磁力差が生成していることが分かった。これにより、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10は、磁壁移動型の光変調素子として機能し得ることが確認された。
From the results of FIG. 6, it can be seen that due to the ferromagnetic exchange coupling between the magnetization pinned layer and the GdFe(9)/Ru(3) layer of the optical modulation layer, two magnetization pinned layers with different coercive forces under the optical modulation layer It was found that three levels of coercive force differences were generated corresponding to the layer and SiO 2 (insulator layer). This confirms that the ferromagnetic
なお、太実線のグラフと破線のグラフでは、ヒステリシスループが2段になっているが、これは、カー回転角測定のレーザースポット径が磁化固定層よりも大きいため、磁化固定層の周囲のSiO2(絶縁体層)上にGdFe(9)/Ru(3)層が製膜された領域の測定結果(細実線のグラフ)も合算されて出力されていることによる。 The thick solid line graph and the dashed line graph have two hysteresis loops. 2 This is because the measurement results (thin solid line graph) of the region where the GdFe(9)/Ru(3) layer was formed on the (insulator layer) are also added and output.
図7は、第2磁化固定層21に相当する、横1μm×縦2mmのライン(line)形状の磁化固定層上における光変調層形成前後のカー回転角を示している。また、図8は、第1磁化固定層11に相当する、横5μm×縦5μmの四角(square)形状の磁化固定層上における光変調層形成前後のカー回転角を示している。
図7及び図8中、細実線のグラフは、上述の図5Dの状態に対応する(光変調層を形成する前で強磁性交換結合していない状態)におけるカー回転角測定結果である(図7中「Pin in line」、図8中「Pin in 5μ_sq」と表示)。また、太実線のグラフは、上述の図5Fの状態に対応する(磁化固定層と光変調層が強磁性交換結合した状態)における素子のカー回転角測定結果である(図7中「GdFe on line」、図8中「GdFe on 5μ_sq」と表示)。
FIG. 7 shows the Kerr rotation angles before and after forming the light modulating layer on the line-shaped magnetization fixed layer of 1 μm×2 mm, which corresponds to the second magnetization fixed
In FIGS. 7 and 8, thin solid line graphs are Kerr rotation angle measurement results in the state corresponding to the state of FIG. "Pin in line" in 7 and "Pin in 5μ_sq" in Fig. 8). The graph of the thick solid line is the measurement result of the Kerr rotation angle of the device in the state corresponding to the state of FIG. line” and “GdFe on 5 μ_sq” in FIG. 8).
図7及び図8いずれにおいても、太実線のグラフ、即ち強磁性交換結合した状態における保磁力は、細実線のグラフ、即ち強磁性交換結合していない状態における保磁力よりも小さくなっており、これは磁化固定層と光変調層が強磁性交換結合したことを示している。従って、これら図7及び図8の結果から、磁化固定層と光変調層が確実に強磁性交換結合していることが確認された。 In both FIGS. 7 and 8, the thick solid line graph, that is, the coercive force in the ferromagnetic exchange-coupled state, is smaller than the thin solid line graph, that is, the coercive force in the non-ferromagnetic exchange-coupled state. This indicates that the magnetization fixed layer and the optical modulation layer are ferromagnetic exchange coupled. Therefore, from the results of FIGS. 7 and 8, it was confirmed that the magnetization fixed layer and the optical modulation layer are reliably ferromagnetically exchange-coupled.
[第2実施形態]
図9は、第2実施形態に係る強磁性交換結合素子20の一例の構成を示す断面図である。本実施形態に係る強磁性交換結合素子20は、第1実施形態のような磁壁移動型の光変調素子ではなく、保磁力差型TMR素子を利用した光変調素子である。
図9に示すように、強磁性交換結合素子20は、下部電極61、Co/Pt多層膜62、Co-Fe-B層63、MgO層64、Co-Fe-B層65、Ta層66、MgO層67、Gd層68、GdFe層69、及びRu層70が、この順に積層されて構成されている。
[Second embodiment]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of an example of the ferromagnetic
As shown in FIG. 9, the ferromagnetic
ここで、Co/Pt多層膜62、Co-Fe-B層63、MgO層64、及びCo-Fe-B層65は、従来公知の保磁力差型TMR素子を構成する。このTMR素子は、MR効果が非常に大きい特性を有し、Co-Fe-B層65が磁化自由層として本発明の第1強磁性層を構成する。
Here, the Co/
磁化自由層は、磁化の方向が例えば上下方向(層の厚み方向)であり、必要な駆動電流が供給されることにより、磁化の方向が上下反転する。磁化自由層はスピン注入によって容易に磁化方向が反転されるとともに、磁気光学効果の大きいことが好ましい。磁気光学効果を大きくするためには、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いることが好ましい。 The direction of magnetization of the magnetization free layer is, for example, the vertical direction (the thickness direction of the layer), and the direction of magnetization is inverted by supplying a necessary drive current. It is preferable that the magnetization direction of the magnetization free layer is easily reversed by spin injection and that the magneto-optical effect is large. In order to increase the magneto-optical effect, it is preferable to use a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy.
また、Ta層66が本発明の非磁性金属層を構成し、MgO層67が本発明のバッファ層を構成し、Gd層68及びGdFe層69が本発明の第2強磁性層としての光変調層を構成し、Ru層70がキャップ層を構成する。
The
第1強磁性層を構成するTMR素子中のCo-Fe-B層65と、第2強磁性層を構成するGd層68及びGdFe層69は、強磁性交換結合されている。この強磁性交換結合により、TMR素子中のCo-Fe-B層65の磁化方向と、Gd層68及びGdFe層69からなる光変調層の磁化方向は同時反転する。即ち、磁化自由層のCo-Fe-B層65に、Gd層68及びGdFe層69が強磁性交換結合することにより、全体で一つの磁化自由層(=光変調層)が構成される。
The Co--Fe--
ここで、GdFe合金は、Co-Fe-BやCo-Feと組み合わされると、垂直磁気異方性を示さず、Co-Fe-B等と同じ面内磁気異方性を示す特性を有する。これは、Co-Fe-B等のFeによって、GdFe合金におけるFeの反磁界成分の影響が強くなることによると考えられる。この点本実施形態では、Co-Fe-B層65とGdFe層69の間にGd層68を備えることで、Co-Fe-B層65によるFeの影響を相殺し、GdFe層69が垂直磁気異方性を示すようになっている。
Here, the GdFe alloy, when combined with Co--Fe--B or Co--Fe, does not exhibit perpendicular magnetic anisotropy and exhibits in-plane magnetic anisotropy similar to Co--Fe--B or the like. This is probably because Fe such as Co--Fe--B strengthens the influence of the diamagnetic field component of Fe in the GdFe alloy. In this regard, in the present embodiment, by providing the
なお、磁化自由層としては、GdFe系の合金、GdFeCo系の合金、CoPt系の合金、CoPd系の合金、MnBi合金、MnSb合金、PtMnSb系の合金等を用いることができる。また、Co/PtやCo/Pd等の多層膜を用いることもできる。 GdFe-based alloys, GdFeCo-based alloys, CoPt-based alloys, CoPd-based alloys, MnBi alloys, MnSb alloys, PtMnSb-based alloys, and the like can be used as the magnetization free layer. Multilayer films such as Co/Pt and Co/Pd can also be used.
なお、第1強磁性層、第2強磁性層、非磁性金属層、バッファ層、キャップ層等は、それぞれ第1実施形態で述べた各構成材料を適宜使用可能である。また、各層の界面に、機能層を適宜設けてもよい。 For the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the non-magnetic metal layer, the buffer layer, the cap layer, etc., the constituent materials described in the first embodiment can be appropriately used. Moreover, a functional layer may be appropriately provided at the interface of each layer.
次に、第2実施形態に係る強磁性交換結合素子20の製造方法について、図10A及び図10Bを参照して詳しく説明する。
ここで、図10A及び図10Bは、第2実施形態に係る強磁性交換結合素子20の製造方法を示す図である。
Next, a method for manufacturing the ferromagnetic
Here, FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a method of manufacturing the ferromagnetic
第2実施形態に係る強磁性交換結合素子20の製造方法は、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10の製造方法と同様に、第1強磁性層形成工程と、非磁性金属層形成工程と、バッファ層形成工程と、キャップ層形成工程と、処理工程と、除去工程と、第2強磁性層形成工程と、を有する。
The method of manufacturing the ferromagnetic
先ず、図10Aに示すように、上述の下部電極61、Co/Pt多層膜62、Co-Fe-B層63、MgO層64、Co-Fe-B層65、Ta層66、MgO層67、及びRu層71を、この順にスパッタリング法等の公知の方法により製膜する(第1強磁性層形成工程、非磁性金属層形成工程、バッファ層形成工程、キャップ層形成工程)。
First, as shown in FIG. 10A, the above-described
次いで、一旦、真空一貫装置から素子を取り出し、アニール炉等の別装置にて300℃~400℃程度で熱処理を実施する(処理工程)。これにより、MgO層64の結晶性が向上する結果、TMR効果が向上する。
Next, the element is taken out from the vacuum consistent apparatus, and heat-treated at about 300° C. to 400° C. in another apparatus such as an annealing furnace (processing step). This improves the crystallinity of the
次いで、図10Bに示すように、イオンビームミリング(又は高密度プラズマエッチング)により、最上層のRu層71を全て除去するとともに、バッファ層のMgO層67が0.3nm程度残るまでエッチングする(除去工程)。このとき、MgO層67はエッチングレートが遅いうえ、MgO層67中のMgはSIMS感度が高い特性を有するため、SIMS式エンドポイントモニターでの検出に最適である。これにより、エッチングをMgO層67の途中で確実に止めることができるようになっている。
Next, as shown in FIG. 10B, ion beam milling (or high-density plasma etching) is performed to remove all of the
次いで、MgO層67の途中までのエッチングが終了後、真空中一貫で製膜装置まで搬送し、熱耐性の無いGd層68、GdFe層69、及びキャップ層となるRu層70を、この順に製膜装置で製膜する(第2強磁性層形成工程)。
以上により、第2実施形態に係る強磁性交換結合素子20が得られる。
After the
As described above, the ferromagnetic
第2実施形態に係る強磁性交換結合素子20によれば、第1実施形態に係る強磁性交換結合素子10と同様の効果が奏される。
The ferromagnetic
また、第2実施形態に係る強磁性交換結合素子20(TMR素子)中のMgO層64は、熱処理によって結晶性を向上させることができる。その結果、TMR効果が向上するとともにスピン注入効率も向上し、スピン注入磁化反転に必要な電流量をより小さくすることができる。しかしながら、第2強磁性層に相当する光変調層を構成するGdFe、Gd等は、熱耐性の無い材料であり、熱処理されると所望の磁気特性及び磁気光学効果が得られなくなるという特性がある。従って、従来の製造方法では、強磁性交換結合させる第1強磁性層に相当するCo-Fe-B層65を製膜した後、真空中一貫で熱処理を行い、次いで第2強磁性層に相当するGd層68及びGdFe層69を製膜する必要があるため、昇温・冷却時間が必要で工程時間が長くなるという問題がある。
Further, the crystallinity of the
これに対して本実施形態によれば、バッファ層67上にバッファ層67以下の層の酸化を抑制するキャップ層を形成するため、素子を真空一貫装置から取り出し、別装置にて300℃~400℃程度で熱処理できる。そして、熱処理後、イオンビームミリング等でキャップ層全てとバッファ層67の途中までを除去し、もう一方の熱耐性の無いGdFe、Gd等の第2強磁性層を製膜することで、強磁性交換結合させることができる。
On the other hand, according to the present embodiment, in order to form a cap layer on the
このように本実施形態の製造方法によれば、熱処理工程と製膜工程とを分けることができ、大量製膜・大量熱処理後にエッチングと製膜を行う工程を採用できるため、効率的な生産が可能となる。ひいては、熱耐性の無い材料を選択可能になる等、材料選択の自由度が高まり、素子の性能向上が期待できる。 As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the heat treatment process and the film formation process can be separated, and the process of performing etching and film formation after mass film formation/mass heat treatment can be adopted, so that efficient production can be achieved. It becomes possible. As a result, it is possible to select a material that does not have heat resistance, thereby increasing the degree of freedom in material selection and improving the performance of the device.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes modifications and improvements within the scope of achieving the object of the present invention.
1 第1強磁性交換結合部
2 第2強磁性交換結合部
3 光変調部
9 パルス電流源
10,20 強磁性交換結合素子
11 第1磁化固定層(第1強磁性層)
12,22 非磁性金属層
13,23 バッファ層
21 第2磁化固定層(第1強磁性層)
30 光変調層(第2強磁性層)
31,32 磁区
31a,32a 初期磁区
33 磁壁
300 光変調領域
1 first ferromagnetic
12, 22
30 light modulation layer (second ferromagnetic layer)
31, 32 magnetic domain 31a, 32a initial
Claims (8)
前記第1強磁性層上に形成され、非磁性金属からなる非磁性金属層と、
前記非磁性金属層上に形成され、酸化物又は窒化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、強磁性材料からなる第2強磁性層と、を有し、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層が、強磁性交換結合されており、
前記第2強磁性層は、前記第1強磁性層上に形成され、GdからなるGd層と、前記Gd層上に形成され、GdFe合金からなるGdFe合金層と、の2層からなる強磁性交換結合素子。 a first ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material;
a non-magnetic metal layer formed on the first ferromagnetic layer and made of a non-magnetic metal;
a buffer layer formed on the non-magnetic metal layer and made of oxide or nitride;
a second ferromagnetic layer formed on the buffer layer and made of a ferromagnetic material;
The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are ferromagnetically exchange-coupled,
The second ferromagnetic layer is formed on the first ferromagnetic layer and is ferromagnetic composed of two layers: a Gd layer made of Gd and a GdFe alloy layer formed on the Gd layer and made of a GdFe alloy Exchange coupling element.
強磁性材料からなる第1強磁性層を形成する第1強磁性層形成工程と、
前記第1強磁性層上に、非磁性金属からなる非磁性金属層を形成する非磁性金属層形成工程と、
前記非磁性金属層上に、酸化物又は窒化物からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層上に、前記第1強磁性層、前記非磁性金属層及び前記バッファ層の酸化を抑制するキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、
前記キャップ層が形成された積層体中にレジストパターンが含まれる場合に該レジストパターンを除去するリフトオフ処理と、前記キャップ層が形成された積層体を加熱する熱処理と、のうち少なくともいずれか一方を行う処理工程と、
前記リフトオフ処理又は熱処理が施された積層体における前記キャップ層の全部及び前記バッファ層の一部を除去する除去工程と、
前記除去工程により一部が除去されたバッファ層上に、強磁性材料からなる第2強磁性層を形成する第2強磁性層形成工程と、を有する強磁性交換結合素子の製造方法。 A method for manufacturing a ferromagnetic exchange coupling element,
a first ferromagnetic layer forming step of forming a first ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material;
a non-magnetic metal layer forming step of forming a non-magnetic metal layer made of a non-magnetic metal on the first ferromagnetic layer;
a buffer layer forming step of forming a buffer layer made of oxide or nitride on the non-magnetic metal layer;
a cap layer forming step of forming a cap layer that suppresses oxidation of the first ferromagnetic layer, the non-magnetic metal layer and the buffer layer on the buffer layer;
At least one of a lift-off process for removing the resist pattern when the laminate having the cap layer formed thereon includes a resist pattern, and a heat treatment for heating the laminate having the cap layer formed thereon. a processing step to be performed;
a removal step of removing all of the cap layer and a portion of the buffer layer in the stack subjected to the lift-off process or heat treatment;
and a second ferromagnetic layer forming step of forming a second ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material on the buffer layer partly removed in the removing step.
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