JP7149055B2 - Ferromagnetic exchange-coupled device and manufacturing method thereof - Google Patents

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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, Patent Documents 2 and 3).

国際公開第2009/110119号WO2009/110119 特開2011-114151号公報JP 2011-114151 A 特許第4039656号公報Japanese Patent No. 4039656

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--B layer 65 in FIG. 68, it is necessary to deposit a GdFe layer 69). In this case, the heat treatment requires a heating and cooling time, and the process time is longer than that of the film formation, so it is not practical for mass production equipment or the like.

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 layer 11 and a second magnetization pinned layer 21 to be described later) made of a ferromagnetic material, and the first ferromagnetic layer. A non-magnetic metal layer (for example, non-magnetic metal layers 12 and 22 to be described later) formed thereon and made of a non-magnetic metal, and a buffer layer made of oxide or nitride (for example, , buffer layers 13 and 23 to be described later), and a second ferromagnetic layer (for example, a light modulation layer 30 to be described later) formed on the buffer layer and made of a ferromagnetic material, and the first ferromagnetic A ferromagnetic exchange-coupled element (eg, ferromagnetic exchange-coupled elements 10 and 20 described below) is provided in which the layer and the second ferromagnetic layer are ferromagnetically exchange-coupled.

(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、Al、MgAl、TiO、ZnO又はRuO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.

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。1 is a perspective view showing the configuration of a ferromagnetic exchange coupling element according to a first embodiment; FIG. 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。1 is a side view showing the configuration of a ferromagnetic exchange coupling element according to a first embodiment; FIG. 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。FIG. 4 is a diagram showing the operation of the ferromagnetic exchange coupling device according to the first embodiment; 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の一例の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing the configuration of an example of a ferromagnetic exchange coupling element according to a first embodiment; FIG. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の磁気光学特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing magneto-optical characteristics of the ferromagnetic exchange coupling device according to the first embodiment; 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の磁気光学特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing magneto-optical characteristics of the ferromagnetic exchange coupling device according to the first embodiment; 第1実施形態に係る強磁性交換結合素子の磁気光学特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing magneto-optical characteristics of the ferromagnetic exchange coupling device according to the first embodiment; 第2実施形態に係る強磁性交換結合素子の一例の構成を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of an example of a ferromagnetic exchange coupling element according to a second embodiment; 第2実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る強磁性交換結合素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element which concerns on 2nd Embodiment.

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 exchange coupling element 10 according to the first embodiment constitutes a spatial light modulation element using domain wall motion.

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 exchange coupling element 10 is formed on a substrate such as Si (not shown), and includes a first ferromagnetic exchange coupling section 1, a second ferromagnetic exchange coupling section 2, and an optical modulation section 3. and have
The first ferromagnetic exchange coupling portion 1 and the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 are made of general metal electrode materials such as metals (not shown) such as Cu, Al, Au, Ag, Ru, Ta, Cr and alloys thereof. A pulse current can be applied by connecting a pulse current source 9 to this lower electrode.

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 exchange coupling element 10 is not particularly limited, for example, as shown in FIG. A shape in which the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 is arranged is exemplified. The upper surfaces of the optical modulation section 3 and the first ferromagnetic exchange coupling section 1 and the second ferromagnetic exchange coupling section 2 are continuously flush with each other. is thicker than the thickness of the light modulating section 3 .

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 exchange coupling section 1 is configured by stacking a first magnetization fixed layer 11, a nonmagnetic metal layer 12, a buffer layer 13, and an optical modulation layer 30 in this order. be.

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 layer 11 is made of a ferromagnetic material and corresponds to the first ferromagnetic layer of the present invention. The first magnetization fixed layer 11 is a layer whose magnetization direction is fixed in one direction and has a large coercive force. The first magnetization fixed layer 11 has magnetic anisotropy in the same direction as the optical modulation layer 30 described later. When a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy is used for the optical modulation layer 30, A ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy is also used for the magnetization fixed layer 11 . Preferably, both the first magnetization fixed layer 11 and the optical modulation layer 30 are made of a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy.

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 layer 11 is a CPP-GMR (CPP-GMR) structure having perpendicular magnetic anisotropy in which a non-magnetic layer is sandwiched between a magnetization fixed layer whose magnetization is fixed in the perpendicular direction and a magnetization free layer whose magnetization direction can be reversed. Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance (Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance) elements, TMR elements, etc. can be made of a known ferromagnetic material as a magnetization fixed layer. Specifically, transition metals such as Fe, Co, and Ni and alloys containing them, for example, TbFe-based, TbFeCo-based, CoCr-based, CoPt-based, CoPd-based, and FePt-based alloys can be used. As a result, the coercive force of the first magnetization fixed layer 11 can be increased, and the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 11 can be fixed so as not to be easily changed by an external magnetic field.

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 layer 11 may be composed of a multi-layer laminate in which these transition metal layers and non-magnetic metal layers are alternately laminated. etc. can be used. By using these ferromagnetic materials, the first magnetization fixed layer 11 having strong perpendicular magnetic anisotropy and large coercive force can be obtained.

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 layer 11 made of the above multilayer film is heat-treated to increase its coercive force, the coercive force of the ferromagnetic exchange coupling portion after being coupled with the optical modulation layer 30 is also increased, resulting in optical modulation. A coercive force difference from the portion 3 can be made larger.

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 non-magnetic metal layer 12 and the buffer layer 13 are arranged between the first magnetization pinned layer 11 and the light modulation layer 30 and are arranged so as to maintain the magnetic coupling between the first magnetization pinned layer 11 and the light modulation layer 30 . can do.

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 non-magnetic metal layer 12 is laminated on the first magnetization fixed layer 11 described above. The non-magnetic metal layer 12 is provided to prevent the first magnetization fixed layer 11 from being damaged by etching in the manufacturing process described later. The non-magnetic metal layer 12 is made of a non-magnetic metal, and thin film layers of various non-magnetic metals can be used. For example, Ta, Mo, and Ru can be used as the non-magnetic metal layer 12, and among them, Ta is preferably used.

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 buffer layer 13 is laminated on the non-magnetic metal layer 12 described above. The buffer layer 13 is required to allow current to flow in both the spatial light modulation element using the domain wall motion and the TMR element. In addition, the buffer layer 13 needs to be a material that has a slow etching rate in the manufacturing process to be described later, contains an element with high detection sensitivity of SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), and is visible with a SIMS endpoint monitor. . This makes it possible to reliably stop the etching at the buffer layer 13 and avoid damage to the first magnetization fixed layer 11 .

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、Al、MgAl、TiO、ZnO又はRuO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 buffer layer 13 is made of oxide or nitride. More specifically, the buffer layer 13 is preferably composed of MgO , Al2O3 , MgAl2O4 , TiO2 , ZnO or RuO2 . Among them, as the buffer layer 13, one made of MgO is preferably used. According to the MgO layer made of MgO, it is possible to form the buffer layer 13 having high conductivity, low etching rate and high SIMS sensitivity.

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 light modulation layer 30 is laminated on the buffer layer 13 described above. This light modulation layer 30 is made of a ferromagnetic material and corresponds to the second ferromagnetic layer of the present invention. A known ferromagnetic material can be applied to the light modulation layer 30, and preferably a material with a large magneto-optical effect (Kerr effect) is applied. In order to increase the magneto-optical effect, it is preferable to use a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. multi-layered films, or alloys of rare earth metals such as TbFeCo and GdFe and transition metals (RE-TM alloys). Among them, a GdFe layer made of GdFe is preferably used as the light modulation layer 30 .

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 optical modulation layer 30 constitutes the second ferromagnetic layer in the second ferromagnetic exchange coupling section 2, which will be described later, and also constitutes the optical modulation section 3 itself.

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 exchange coupling section 1 configured as described above, the first magnetization pinned layer 11 and the optical modulation layer 30 are ferromagnetic exchange coupled via the nonmagnetic metal layer 12 and the buffer layer 13 . Due to this ferromagnetic exchange coupling, the magnetization direction of the first magnetization pinned layer 11 and the magnetization direction of the optical modulation layer 30 in the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 are simultaneously reversed.

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 exchange coupling section 2 is configured by laminating a second magnetization fixed layer 21, a nonmagnetic metal layer 22 and a buffer layer 23, and an optical modulation layer 30 in this order.

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 exchange coupling section 2, similarly to the first ferromagnetic exchange coupling section 1, the second magnetization pinned layer 21 and the optical modulation layer 30 are strongly connected via the nonmagnetic metal layer 22 and the buffer layer 23. Magnetically exchange coupled. Due to this ferromagnetic exchange coupling, the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 21 and the magnetization direction of the optical modulation layer 30 in the second ferromagnetic exchange coupling section 2 are simultaneously reversed.

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 layer 21 is selected from materials that can be used for the first magnetization fixed layer 11. Selected from available materials.

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 exchange coupling portion 1 and the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 are arranged so that their coercive forces are different from each other in order to form the domain wall 33 and the optical modulation region 300 as described later in detail. Designed.

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 layer 11 and the second magnetization fixed layer 21 have different shapes (e.g., width, thickness, etc.), or only one of them is heat-treated, Alternatively, it is selected whether the layer configurations are different from each other. Thus, by making the coercive force of the first magnetization fixed layer 11 and the coercive force of the second magnetization fixed layer 21 different from each other, the coercive force of the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 and the coercive force of the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 have different coercive forces.

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 light modulating layer 30 constitutes the light modulating section 3 . A domain wall 33 and magnetic domains 31 and 32 are formed in the light modulating portion 3 composed of the light modulating layer 30 . This will be detailed later.

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 layer 11 and the second magnetization fixed layer 21 are also simply referred to as magnetization fixed layers), the non-magnetic metal layers, the buffer layers, and the optical modulation layers 30 are inter-layered. Alternatively, a functional layer may be appropriately provided at the interface with the lower electrode. For example, a cap layer containing or consisting of Ta, Ru or SiN may be provided on the light modulating layer 30 to prevent damage to the light modulating layer 30 during the microfabrication process. This cap layer has the function of preventing GdFe and TbFeCo, which are used to form the light modulation layer 30 and are easily oxidized, from being oxidized in the air after the device is completed.

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 exchange coupling element 10 according to the first embodiment will be described in detail.
As described above, the first ferromagnetic exchange coupling section 1 has the first magnetization pinned layer 11 that is ferromagnetically exchange-coupled with the optical modulation layer 30, and the second ferromagnetic exchange coupling section 2 is similarly coupled with the optical modulation layer 30. It has a second magnetization pinned layer 21 for ferromagnetic exchange coupling. That is, the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 and the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 each have a ferromagnetic exchange coupling inside, and their magnetization directions are reversed at the same time. As shown in FIGS. 1 and 3, the magnetization direction of the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 is designed downward, while the magnetization direction of the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 is designed upward. there is

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 domain wall 33 extending in a direction perpendicular to the direction in which the light modulation section 3 extends is formed in the light modulation section 3 . That is, the magnetization directions of the magnetic domains 31 and 32 formed on both sides of the domain wall 33 are opposite to each other. For example, as shown in FIGS. 1 and 3, the magnetization direction of the magnetic domain 31 on the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 side of the domain wall 33 is upward, and the magnetic domain on the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 side of the domain wall 33 is upward. The magnetization direction of 32 is downward.

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 magnetic domains 31 and 32 with different magnetization directions in the optical modulation section 3 via the domain wall 33 in this way, the ferromagnetic exchange coupling element 10 can function as a spatial optical modulation element. More specifically, for example, when the ferromagnetic exchange coupling element 10 is configured as a reflective spatial light modulation element, polarized light is directed from above the ferromagnetic exchange coupling element 10 to the upper surface of the optical modulation section 3 . When incident, the angle of rotation of the plane of polarization of the reflected light varies depending on the direction of magnetization. Therefore, light can be modulated by allocating the reflected lights according to the different rotation angles of the planes of polarization to the brightness of the light through the polarizing filter. However, it is also possible to make the ferromagnetic exchange coupling element 10 function as a transmissive spatial light modulating element by forming the substrate from a translucent material such as glass or sapphire.

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 domain wall 33 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.
First, in order to form the magnetic domain wall 33 in the optical modulation section 3, the coercive force of the first magnetization pinned layer 11 ferromagnetically exchange-coupled with the optical modulation layer 30 and the second magnetization fixed layer 11 ferromagnetically exchange-coupled with the optical modulation layer 30 It is necessary to make the coercive force of the magnetization fixed layer 21 different from each other. For this purpose, the first magnetization pinned layer 11 and the second magnetization pinned layer 21 may have different shapes (for example, width, thickness, etc.), or only one of them may be subjected to heat treatment, or the layer structures thereof may be different from each other. or , the coercive force of the first magnetization pinned layer 11 and the coercive force of the second magnetization pinned layer 21 can be made different from each other.

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 layer 11 is designed to be larger than the coercive force of the second magnetization fixed layer 21 by any of the above methods. In this case, as shown in FIG. 2, if the coercive force of the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 is Hc1, the coercive force of the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 is Hc2, and the coercive force of the optical modulation layer is Hc_m, then A relationship of Hc1>Hc2>Hc_m is established.

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 exchange coupling portion 1, the second ferromagnetic exchange coupling portion 2, and the optical modulation portion 3. FIG.

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 exchange coupling portion 1 remains downward, the magnetization directions of the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 and the optical modulation portion 3 are both directed upward. Change.

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 light modulation section 3 as shown in FIG. More specifically, at the end of the optical modulation section 3 on the side of the first ferromagnetic exchange coupling section 1, a first strong magnetic field is generated by the leakage magnetic field from the first ferromagnetic exchange coupling section 1 (see the dashed arrow in FIG. 3). An initial magnetic domain 31a having an upward magnetization direction antiparallel to the downward magnetization of the magnetic exchange coupling portion 1 is generated. At the end of the optical modulation section 3 on the side of the second ferromagnetic exchange coupling section 2, the leakage magnetic field from the second ferromagnetic exchange coupling section 2 (see the dashed arrow in FIG. 3) causes the second ferromagnetic exchange An initial magnetic domain 32a having a downward magnetization direction antiparallel to the upward magnetization of the coupling portion 2 is generated.

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 current source 9, and the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 to the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 or the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 to the first ferromagnetic exchange coupling is applied. A pulse current is applied to the portion 1 . Then, the domain wall 33 formed by the generation of the initial magnetic domains 31a and 32a can be moved in the direction opposite to the direction of the pulse current (the same direction as the electron flow). As a result, as shown in FIG. 3, the magnetization direction of the light modulation region 300 excluding both ends of the light modulation section 3 is reversed (in the example of FIG. 3, the magnetization direction of the light modulation region 300 is reversed upward). is possible.

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 exchange coupling element 10 according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of an example of the ferromagnetic exchange coupling element 10 according to the first embodiment. In FIG. 4, the numerical value in parentheses for each layer indicates an example of a preferable thickness (nm) of each layer.

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 exchange coupling element 10 is formed on a Si backplane 41. In the example shown in FIG.
Each of the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 and the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 includes a Ta layer 44, an Ag layer 45, Co/Pd layers 11 and 21, and Ta layers 12 and 22 in this order from the Si backplane 41 side. , MgO layers 13 and 23, and a GdFe layer 3 are laminated.

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 Si backplane 41 includes a bottom electrode (not shown). The bottom electrode is made of common metal electrode materials such as metals such as Cu, Al, Au, Ag, Ru, Ta, Cr and alloys thereof.
However, in this embodiment, it suffices if a current can flow. For example, like the Si backplane 41, a TFT backplane may be used as a configuration for active matrix driving. Also, for example, instead of the Si backplane, a simple matrix drive configuration may be employed.

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 Ta layer 44 and the Ag layer 45 are base layers provided to improve adhesion to the lower electrode described above. These Ta and Ag are preferable because they do not adversely affect the magnetic properties of the Co/Pd multilayer films 11 and 21 . Note that Ru may be used instead of Ta.

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 exchange coupling portion 1 and the second ferromagnetic exchange coupling portion 2 are made of the same material, but have different shapes. Specifically, as shown in FIG. 4, the width dimension in the direction in which the light modulating portion extends (horizontal direction) is greater than that of the first ferromagnetic exchange coupling portion 2 (the second magnetization fixed layer 21). Part 1 (first magnetization fixed layer 11) is designed to be larger. As a result, the coercive force of the first ferromagnetic exchange coupling portion 1 becomes smaller than the coercive force of the second ferromagnetic exchange coupling portion 2, and domain walls and domains can be formed in the optical modulation portion.

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SiO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 GdFe layer 3 . A Ru layer 4 is formed on the GdFe layer 3 as a cap layer.
SiO 2 layers 42 serving as insulating members are arranged adjacent to both the left and right sides of the first ferromagnetic exchange coupling section 1 and the left and right sides of the second ferromagnetic exchange coupling section 2 .

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 exchange coupling element 10 will be described in detail with reference to FIGS. 5A to 5H.
Here, FIGS. 5A to 5H are diagrams showing the manufacturing method of the ferromagnetic exchange coupling element 10 according to the first embodiment.

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 exchange coupling element 10 according to the first embodiment includes a first ferromagnetic layer forming step, a nonmagnetic metal layer forming step, a buffer layer forming step, a cap layer forming step, a treatment step, It has a removing step and a second ferromagnetic layer forming step.
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SiO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、SiO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 plane 41 using conventionally known electron beam lithography or the like. Resist patterning corresponding to each shape of the layer is performed. That is, a resist layer 40 corresponding to each shape of the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer is formed on the SiO 2 layer 42 . After resist patterning, high-density plasma etching is performed. This high-density plasma etching is superior in anisotropic etching characteristics to ion milling, and is therefore particularly suitable for this step.

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SiO層42がエッチングにより除去される。このSiO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 layer 40 is not formed is removed by etching. The regions from which the SiO 2 layer 42 has been removed correspond to the shapes of the first magnetization pinned layer and the second magnetization pinned layer, respectively.

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SiO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 Ta layer 44, Ag layer 45, Co/Pd layers 11, 21, 51, Ta layers 12, 22, 52, MgO layers 13, 23, 53, and SiO2 layers 14, 24, 54 are Films are continuously formed in this order. All film formation can be performed by an ion beam sputtering apparatus. This is because the ion beam sputtering method, in which the sputtered particles are highly straight, is particularly preferable because it is necessary to deposit the material in a region having a small nanometer-order aperture size and a relatively deep depth. However, it is not limited to this, and conventionally known methods such as molecular beam epitaxy (MBE) can be used.

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 layer 40 are removed. A conventionally known resist remover can be used to remove the resist layer 40 .

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SiO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 GdFe layer 3 as the light modulating layer is formed by, for example, an ion beam sputtering apparatus in the light modulating layer forming apparatus. In addition, a Ru layer 4 as a cap layer is formed on the GdFe layer 3 by, for example, an ion beam sputtering apparatus.

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 layer 40 corresponding to a desired pattern is formed on the Ru layer 4 . After resist patterning, ion beam milling (or high-density plasma etching) is performed.

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 GdFe layer 3 and the Ru layer 4 in the regions where the resist layer 40 is not formed are removed by etching. Thereby, the GdFe layer 3 constituting the light modulating layer is formed in a desired pattern shape (second ferromagnetic layer forming step).

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 layer 40 remaining on the uppermost layer is removed with a conventionally known resist remover. As described above, the ferromagnetic exchange coupling element 10 shown in FIG. 4 is obtained.

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 exchange coupling element 10 according to the first embodiment described above, the nonmagnetic metal layer, the buffer layer, and the cap layer for suppressing oxidation of the buffer layer are formed on the first ferromagnetic layer. They are formed in order, and in this state, a lift-off process and, if necessary, a heat treatment are performed. After removing the entire cap layer and part of the buffer layer, the second ferromagnetic layer is formed.

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 optical modulation layer 30 . Therefore, in the conventional microfabrication process, two ferromagnetic thin films could not be formed continuously in a vacuum, and ferromagnetic exchange coupling could not be achieved. According to this method, the treatment process and the film forming process can be separated, so that the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer can be ferromagnetically exchange-coupled. Therefore, the manufacturing method according to this embodiment can be applied to various microfabrication processes.

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 buffer layer 13 to suppress the oxidation of the layers below the buffer layer 13, when the device is taken out from the vacuum integrated device, it is removed by another device. Heat treatment can also be performed at about 300°C to 400°C. After the heat treatment, the entire cap layer and the buffer layer 13 are removed by ion beam milling or the like, and a second ferromagnetic layer such as GdFe, Gd, or the like, which does not have heat resistance, is formed. can be exchange coupled.

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 exchange coupling element 10 according to the first embodiment will be described in detail with reference to Kerr rotation angle measurement results using a micro Kerr effect measurement device.
Specifically, a simulated sample of the ferromagnetic exchange coupling element 10 according to the first embodiment is prepared, and the magneto-optical characteristics of the sample are evaluated to confirm the effect of the present embodiment.

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 layer 11 and the non-magnetic metal layer 12 of the above-described first ferromagnetic exchange coupling section 1 except for the optical modulation layer 30 were formed. and the buffer layer 13 was formed in a size of 5 μm wide×5 μm long (that is, a square shape). In the second ferromagnetic exchange coupling section 2 described above, the laminate consisting of the second magnetization pinned layer 21, the non-magnetic metal layer 22 and the buffer layer 23 except for the optical modulation layer 30 was formed with a size of 1 μm wide×2 mm long. It was formed in the shape of a line (that is, a line shape).

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 exchange coupling device 10 according to the first embodiment. 6 to 8, the horizontal axis represents the intensity of the external magnetic field (kOe), and the vertical axis represents the Kerr rotation angle (°), that is, the polarization plane of the incident light is rotated by the magnetization direction of the ferromagnetic material. represents the angle of rotation.

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SiO層42に相当するSiO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 layer 21. 6 shows the results of Kerr rotation angle measurement of the region where the grains were formed (indicated as “GdFe on line” in FIG. 6). The dashed line graph shows the curve of the region where the GdFe(9)/Ru(3) layer was formed on the square-shaped magnetization fixed layer of 5 μm×5 μm, which corresponds to the first magnetization fixed layer 11 . This is the rotation angle measurement result (indicated as "GdFe on 5 μ_sq" in FIG. 6). The graph of the thin solid line is the Kerr rotation angle measurement result of the region where the GdFe(9)/Ru(3) layer was deposited on the SiO 2 layer corresponding to the SiO 2 layer 42 as the insulating member (Fig. 6, labeled as "GdFe on SiO 2 ").

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SiO(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 exchange coupling element 10 according to the first embodiment can function as a domain wall motion type optical modulation element.

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SiO(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 layer 21 . 8 shows the Kerr rotation angles before and after forming the light modulating layer on a square-shaped magnetization fixed layer of 5 μm in width×5 μm in length, which corresponds to the first magnetization fixed layer 11 .
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 exchange coupling element 20 according to the second embodiment. The ferromagnetic exchange coupling element 20 according to the present embodiment is an optical modulation element using a coercive force difference type TMR element, not a domain wall motion type optical modulation element as in the first embodiment.
As shown in FIG. 9, the ferromagnetic exchange coupling element 20 includes a lower electrode 61, a Co/Pt multilayer film 62, a Co--Fe--B layer 63, an MgO layer 64, a Co--Fe--B layer 65, a Ta layer 66, An MgO layer 67, a Gd layer 68, a GdFe layer 69, and a Ru layer 70 are laminated in this order.

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/Pt multilayer film 62, the Co--Fe--B layer 63, the MgO layer 64, and the Co--Fe--B layer 65 constitute a conventionally known coercive force difference type TMR element. This TMR element has a characteristic that the MR effect is very large, and the Co--Fe--B layer 65 constitutes the first ferromagnetic layer of the present invention as a magnetization free layer.

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 Ta layer 66 constitutes the non-magnetic metal layer of the present invention, the MgO layer 67 constitutes the buffer layer of the present invention, and the Gd layer 68 and GdFe layer 69 constitute the second ferromagnetic layer of the present invention for optical modulation. The Ru layer 70 constitutes the cap layer.

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--B layer 65 in the TMR element forming the first ferromagnetic layer and the Gd layer 68 and GdFe layer 69 forming the second ferromagnetic layer are ferromagnetically exchange-coupled. Due to this ferromagnetic exchange coupling, the magnetization direction of the Co--Fe--B layer 65 in the TMR element and the magnetization direction of the optical modulation layer composed of the Gd layer 68 and the GdFe layer 69 are simultaneously reversed. That is, the Gd layer 68 and the GdFe layer 69 are ferromagnetically exchange-coupled with the Co--Fe--B layer 65 of the magnetization free layer, thereby forming one magnetization free layer (=optical modulation layer) as a whole.

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 Gd layer 68 between the Co--Fe--B layer 65 and the GdFe layer 69, the effect of Fe due to the Co--Fe--B layer 65 is offset, and the GdFe layer 69 is perpendicular magnetic. It shows anisotropy.

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 exchange coupling element 20 according to the second embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 10A and 10B.
Here, FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a method of manufacturing the ferromagnetic exchange coupling element 20 according to the second embodiment.

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 exchange coupling element 20 according to the second embodiment includes a first ferromagnetic layer forming step and a nonmagnetic metal layer forming step, similar to the method of manufacturing the ferromagnetic exchange coupling element 10 according to the first embodiment. It has a process, a buffer layer forming process, a cap layer forming process, a treating process, a removing process, and a second ferromagnetic layer forming process.

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 lower electrode 61, Co/Pt multilayer film 62, Co--Fe--B layer 63, MgO layer 64, Co--Fe--B layer 65, Ta layer 66, MgO layer 67, and Ru layer 71 are formed in this order by a known method such as sputtering (first ferromagnetic layer forming step, non-magnetic metal layer forming step, buffer layer forming step, cap layer forming step).

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 MgO layer 64, resulting in an improved TMR effect.

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 uppermost Ru layer 71 and to etch (remove) the MgO layer 67 of the buffer layer until about 0.3 nm remains. process). At this time, the MgO layer 67 has a slow etching rate and Mg in the MgO layer 67 has a characteristic of high SIMS sensitivity. As a result, etching can be reliably stopped in the middle of the MgO layer 67 .

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 MgO layer 67 has been etched halfway, it is transported to a film forming apparatus in a vacuum, and a Gd layer 68 without heat resistance, a GdFe layer 69, and a Ru layer 70 serving as a cap layer are formed in this order. A film is formed by a film apparatus (second ferromagnetic layer forming step).
As described above, the ferromagnetic exchange coupling element 20 according to the second embodiment is obtained.

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 exchange coupling element 20 according to the second embodiment has the same effect as the ferromagnetic exchange coupling element 10 according to the first embodiment.

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 MgO layer 64 in the ferromagnetic exchange coupling element 20 (TMR element) according to the second embodiment 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 reduced. However, GdFe, Gd, etc., which constitute the light modulation layer corresponding to the second ferromagnetic layer, are materials with no heat resistance, and have the characteristic that desired magnetic properties and magneto-optical effects cannot be obtained when heat-treated. . Therefore, in the conventional manufacturing method, after forming the Co--Fe--B layer 65 corresponding to the first ferromagnetic layer to be ferromagnetically exchange-coupled, heat treatment is continuously performed in a vacuum, and then the second ferromagnetic layer is formed. Since it is necessary to deposit the Gd layer 68 and the GdFe layer 69, which require a heating and cooling time, there is a problem that the process time is long.

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 buffer layer 67 to suppress the oxidation of the layers below the buffer layer 67, the device is taken out from the vacuum integrated apparatus and heated to 300° C. to 400° C. in another apparatus. It can be heat treated at about °C. After the heat treatment, the entire cap layer and the buffer layer 67 are removed by ion beam milling or the like, and a second ferromagnetic layer such as GdFe, Gd, or the like having no heat resistance is formed to obtain a ferromagnetic layer. can be exchange coupled.

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 exchange coupling portion 2 second ferromagnetic exchange coupling portion 3 optical modulation portion 9 pulse current source 10, 20 ferromagnetic exchange coupling element 11 first magnetization fixed layer (first ferromagnetic layer)
12, 22 nonmagnetic metal layer 13, 23 buffer layer 21 second magnetization fixed layer (first ferromagnetic layer)
30 light modulation layer (second ferromagnetic layer)
31, 32 magnetic domain 31a, 32a initial magnetic domain 33 domain wall 300 light modulation region

Claims (8)

強磁性材料からなる第1強磁性層と、
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.
前記バッファ層は、MgO、Al、MgAl、TiO、ZnO又はRuOからなる請求項1に記載の強磁性交換結合素子。 2. The ferromagnetic exchange coupling device according to claim 1 , wherein said buffer layer is made of MgO, Al2O3 , MgAl2O4 , TiO2 , ZnO or RuO2. 前記第1強磁性層は、Co-Fe-B又はCo/Pd多層膜からなる請求項1又は2に記載の強磁性交換結合素子。 3. A ferromagnetic exchange coupling device according to claim 1, wherein said first ferromagnetic layer comprises a Co--Fe--B or Co/Pd multilayer film. 前記バッファ層は、MgOからなる請求項1からいずれかに記載の強磁性交換結合素子。 4. The ferromagnetic exchange coupling device according to claim 1 , wherein said buffer layer is made of MgO. 前記非磁性金属層は、Taからなる請求項1からいずれかに記載の強磁性交換結合素子。 5. A ferromagnetic exchange coupling device according to claim 1 , wherein said non-magnetic metal layer is made of Ta. 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。
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.
前記処理工程における熱処理温度は、300℃以上である請求項に記載の強磁性交換結合素子の製造方法。 7. The method of manufacturing a ferromagnetic exchange coupling device according to claim 6 , wherein the heat treatment temperature in said treatment step is 300[deg.] C. or higher. 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う請求項又はに記載の強磁性交換結合素子の製造方法。 8. The method of manufacturing a ferromagnetic exchange coupling device according to claim 6 , wherein ion beam milling or high - density plasma etching is performed in said removing step.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010219104A (en) 2009-03-13 2010-09-30 Nec Corp Magnetic memory element, magnetic memory, and method of manufacturing the same
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010219104A (en) 2009-03-13 2010-09-30 Nec Corp Magnetic memory element, magnetic memory, and method of manufacturing the same
US20110064969A1 (en) 2009-09-15 2011-03-17 Grandis Inc. Magnetic Element Having Perpendicular Anisotropy With Enhanced Efficiency
JP2013257437A (en) 2012-06-12 2013-12-26 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> Method for manufacturing optical modulation element
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