JPH11134620A - 強磁性トンネル接合素子センサ及びその製造方法 - Google Patents
強磁性トンネル接合素子センサ及びその製造方法Info
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- JPH11134620A JPH11134620A JP9298567A JP29856797A JPH11134620A JP H11134620 A JPH11134620 A JP H11134620A JP 9298567 A JP9298567 A JP 9298567A JP 29856797 A JP29856797 A JP 29856797A JP H11134620 A JPH11134620 A JP H11134620A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 磁界測定時のノイズの小さい強磁性トンネル
接合素子センサを実現する。 【解決手段】 基板11上に形成された下電極12、下
地層13の上に、適当な大きさ形状にパターン化された
第1の反強磁性層14、フリー磁性層15を積層し、ト
ンネルバリア層層16、固定磁性層17、第2の反強磁
性層18の5層構造が積層された構造である。第2の反
強磁性層の上には上電極19が設けられている。
接合素子センサを実現する。 【解決手段】 基板11上に形成された下電極12、下
地層13の上に、適当な大きさ形状にパターン化された
第1の反強磁性層14、フリー磁性層15を積層し、ト
ンネルバリア層層16、固定磁性層17、第2の反強磁
性層18の5層構造が積層された構造である。第2の反
強磁性層の上には上電極19が設けられている。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高密度磁気ディス
ク装置における再生用磁気ヘッドや高密度磁気メモリ
(MRAM)に適した磁気抵抗効果素子に関する。
ク装置における再生用磁気ヘッドや高密度磁気メモリ
(MRAM)に適した磁気抵抗効果素子に関する。
【0002】
【従来の技術】強磁性トンネル接合素子は二つの強磁性
層の間に数nm厚の薄い絶縁体からなるトンネルバリア
層を挟んだ構造を持つ。この素子では強磁性層間に一定
の電流を流した状態で強磁性層面内に外部磁界を印加し
た場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて抵抗値が変
化する磁気抵抗効果現象が現れる。この磁化の向きが平
行である場合には抵抗値は最小となり、反平行である場
合には抵抗値が最大となる。従って、両磁性層に磁界感
度の差もしくは保磁力差を付与することによって、磁界
の強さに応じて磁化の平行及び反平行状態を実現できる
ため、抵抗値の変化による磁界検出が可能となる。
層の間に数nm厚の薄い絶縁体からなるトンネルバリア
層を挟んだ構造を持つ。この素子では強磁性層間に一定
の電流を流した状態で強磁性層面内に外部磁界を印加し
た場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて抵抗値が変
化する磁気抵抗効果現象が現れる。この磁化の向きが平
行である場合には抵抗値は最小となり、反平行である場
合には抵抗値が最大となる。従って、両磁性層に磁界感
度の差もしくは保磁力差を付与することによって、磁界
の強さに応じて磁化の平行及び反平行状態を実現できる
ため、抵抗値の変化による磁界検出が可能となる。
【0003】近年、トンネルバリア層にAlの表面酸化
膜を用いることによって20%近い磁気抵抗変化率を示
す強磁性トンネル接合素子が得られるようになったこと
から、磁気ヘッドや磁気メモリへの応用の可能性が高ま
ってきた。こうした大きな磁気抵抗変化率を報告してい
る代表例として、「1997年8月、ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス、81巻、3741〜37
46頁(Journal of Applied Ph
ysics, vol.81, 3741〜3746,
1997)」がある。この技術を図面を用いて説明す
る。図5に示すように、Si基板54上にPt(20n
m)の下電極55、NiFe(4nm)の下地層56、
FeMn(10nm)の反強磁性層57、NiFe(8
nm)の固定磁性層58を成膜し、続いて1.0〜3.
0nm厚のAl層を成膜する。このAl層表面を酸素グ
ロー放電に曝すことによって、Al2 O3 からなるトン
ネルバリア層59を形成する。最後に、このトンネルバ
リア層59を介しCo(8nm)のフリー磁性層60、
Pt(20nm)の上電極61を成膜して強磁性トンネ
ル接合素子を完成させる。この方法では、磁気抵抗変化
率として最大21%という大きな値が得られている。
膜を用いることによって20%近い磁気抵抗変化率を示
す強磁性トンネル接合素子が得られるようになったこと
から、磁気ヘッドや磁気メモリへの応用の可能性が高ま
ってきた。こうした大きな磁気抵抗変化率を報告してい
る代表例として、「1997年8月、ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス、81巻、3741〜37
46頁(Journal of Applied Ph
ysics, vol.81, 3741〜3746,
1997)」がある。この技術を図面を用いて説明す
る。図5に示すように、Si基板54上にPt(20n
m)の下電極55、NiFe(4nm)の下地層56、
FeMn(10nm)の反強磁性層57、NiFe(8
nm)の固定磁性層58を成膜し、続いて1.0〜3.
0nm厚のAl層を成膜する。このAl層表面を酸素グ
ロー放電に曝すことによって、Al2 O3 からなるトン
ネルバリア層59を形成する。最後に、このトンネルバ
リア層59を介しCo(8nm)のフリー磁性層60、
Pt(20nm)の上電極61を成膜して強磁性トンネ
ル接合素子を完成させる。この方法では、磁気抵抗変化
率として最大21%という大きな値が得られている。
【0004】強磁性トンネル接合素子を磁気ヘッドや磁
気メモリなどのデバイスに適用するためには、トンネル
バリア層を挟んだ強磁性層の、一方の強磁性層の磁化方
向は外部磁界により容易に反転し(フリー磁性層)、残
りの強磁性層の磁化方向は容易には反転しない(固定磁
性層)ようにする必要がある。このため、磁性材料とし
てはNiFe等の軟磁性材料を用い、反強磁性層により
固定磁性層の磁化方向を固定する方法が一般的に採られ
ている。図5に示した従来例では、下部電極のNiFe
からなる固定磁性層をFeMn反強磁性層により固定し
ている。
気メモリなどのデバイスに適用するためには、トンネル
バリア層を挟んだ強磁性層の、一方の強磁性層の磁化方
向は外部磁界により容易に反転し(フリー磁性層)、残
りの強磁性層の磁化方向は容易には反転しない(固定磁
性層)ようにする必要がある。このため、磁性材料とし
てはNiFe等の軟磁性材料を用い、反強磁性層により
固定磁性層の磁化方向を固定する方法が一般的に採られ
ている。図5に示した従来例では、下部電極のNiFe
からなる固定磁性層をFeMn反強磁性層により固定し
ている。
【0005】その他の例として、「特開平5−6325
4」、「特開平6−244477」、「特開平8−70
148」、「特開平8−70149」、「特開平8−3
16548」及び「1997年、日本応用磁気学会誌、
21巻、493〜496頁」などの報告がある。ここで
は、トンネルバリア層の形成方法として、Al層を成膜
した後、大気中に曝してAl2 O3 を成長させる方法が
提案されている。
4」、「特開平6−244477」、「特開平8−70
148」、「特開平8−70149」、「特開平8−3
16548」及び「1997年、日本応用磁気学会誌、
21巻、493〜496頁」などの報告がある。ここで
は、トンネルバリア層の形成方法として、Al層を成膜
した後、大気中に曝してAl2 O3 を成長させる方法が
提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】高密度磁気ディスク装
置における再生用磁気ヘッドや高密度磁気メモリ(MR
AM)に強磁性トンネル接合素子を応用する場合、素子
寸法は数μm以下になる。これは、高密度に対応するた
めに、記録面積を小さくする必要があるためである。こ
の場合、磁性層の端部から磁区が発生するため外部磁界
の測定時に磁区が移動し、再生ノイズが発生する。
置における再生用磁気ヘッドや高密度磁気メモリ(MR
AM)に強磁性トンネル接合素子を応用する場合、素子
寸法は数μm以下になる。これは、高密度に対応するた
めに、記録面積を小さくする必要があるためである。こ
の場合、磁性層の端部から磁区が発生するため外部磁界
の測定時に磁区が移動し、再生ノイズが発生する。
【0007】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、磁界測定時のノイズの小さい強磁性ト
ンネル接合素子センサを提供することを目的とする。
なされたもので、磁界測定時のノイズの小さい強磁性ト
ンネル接合素子センサを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の強磁性トンネル
接合素子センサは、順に積層された第一の反強磁性層、
フリー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の
反強磁性層を有し、前記フリー磁性層は全面が前記第一
の反強磁性層と密着しており、前記第一の反強磁性層の
交換結合磁界により前記フリー磁性層の磁気異方性がト
ラック幅方向に向き、前記第二の反強磁性層の交換結合
磁界により固定磁性層の磁気異方性がMR高さ方向に向
くことを特徴とする。
接合素子センサは、順に積層された第一の反強磁性層、
フリー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の
反強磁性層を有し、前記フリー磁性層は全面が前記第一
の反強磁性層と密着しており、前記第一の反強磁性層の
交換結合磁界により前記フリー磁性層の磁気異方性がト
ラック幅方向に向き、前記第二の反強磁性層の交換結合
磁界により固定磁性層の磁気異方性がMR高さ方向に向
くことを特徴とする。
【0009】本発明において、MR高さ方向とは積層構
造の面と平行方向であって測定する外部磁界の方向をい
い、トラック幅方向とは、積層構造面と平行方向であっ
て外部磁界と垂直方向を言う。
造の面と平行方向であって測定する外部磁界の方向をい
い、トラック幅方向とは、積層構造面と平行方向であっ
て外部磁界と垂直方向を言う。
【0010】このような強磁性トンネル接合素子センサ
を製造するには、順に積層された第一の反強磁性層、フ
リー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の反
強磁性層を積層する工程と、磁界をMR高さ方向に印可
しながら、第二の反強磁性層のブロッキング温度TB2以
上の温度で熱処理する工程と、磁界をトラック幅方向に
印可し、第一の反強磁性層のブロッキング温度TB1以上
の温度で熱処理する工程を含む製造方法によって製造す
ることができる。
を製造するには、順に積層された第一の反強磁性層、フ
リー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の反
強磁性層を積層する工程と、磁界をMR高さ方向に印可
しながら、第二の反強磁性層のブロッキング温度TB2以
上の温度で熱処理する工程と、磁界をトラック幅方向に
印可し、第一の反強磁性層のブロッキング温度TB1以上
の温度で熱処理する工程を含む製造方法によって製造す
ることができる。
【0011】ここでブロッキング温度とは交換結合磁界
が発生する上限の温度である。
が発生する上限の温度である。
【0012】磁界測定時のノイズの発生を抑制するため
には、外部磁界によりフリー磁性層の磁化方向を連続的
に変化させる必要がある。このためにはフリー磁性層を
単磁区化し、磁気異方性方向を測定対象である外部磁界
に対して直交させることが有効である。これは、磁気抵
抗効果センサーのノイズは、外部磁界により磁化方向を
変化させるフリー磁性層の磁気異方性方向と相関がある
ためである。つまり、異方性方向がMR高さ方向の場
合、異方性方向と外部磁界方向は平行であり、磁化方向
の動きは不連続な磁区移動モードでありヒステリシスを
発生する。異方性方向がトラック幅方向の場合、異方性
方向と外部磁界方向は直交し、磁化方向の動きは連続的
な磁化回転モードであり、ヒステリシスを発生しない。
には、外部磁界によりフリー磁性層の磁化方向を連続的
に変化させる必要がある。このためにはフリー磁性層を
単磁区化し、磁気異方性方向を測定対象である外部磁界
に対して直交させることが有効である。これは、磁気抵
抗効果センサーのノイズは、外部磁界により磁化方向を
変化させるフリー磁性層の磁気異方性方向と相関がある
ためである。つまり、異方性方向がMR高さ方向の場
合、異方性方向と外部磁界方向は平行であり、磁化方向
の動きは不連続な磁区移動モードでありヒステリシスを
発生する。異方性方向がトラック幅方向の場合、異方性
方向と外部磁界方向は直交し、磁化方向の動きは連続的
な磁化回転モードであり、ヒステリシスを発生しない。
【0013】そこで本発明では、第一の反強磁性層をフ
リー磁性層の全面に接触させることで、フリー磁性層に
成膜中の磁界により誘起させる誘導磁気異方性より大き
な交換結合磁界をフリー磁性層に直接作用させることに
より、フリー磁性層を単磁区化し、磁気異方性方向を測
定対象である外部磁界に対して直交させることが出来
る。このとき、MR高さ方向に外部磁界が印可されたと
き、フリー磁性層の磁化変化は磁化回転モードであり、
低ノイズで磁界を測定することができる。
リー磁性層の全面に接触させることで、フリー磁性層に
成膜中の磁界により誘起させる誘導磁気異方性より大き
な交換結合磁界をフリー磁性層に直接作用させることに
より、フリー磁性層を単磁区化し、磁気異方性方向を測
定対象である外部磁界に対して直交させることが出来
る。このとき、MR高さ方向に外部磁界が印可されたと
き、フリー磁性層の磁化変化は磁化回転モードであり、
低ノイズで磁界を測定することができる。
【0014】固定層の異方性方向を回転させず所期の方
向に向けたまま、フリー磁性層の異方性方向をそれと直
交させるためには、固定層の熱処理温度よりも50℃以
下の温度でフリー磁性層の異方性を回転させる必要があ
る。フリー磁性層のブロッキング温度TB1を固定層の磁
界中熱処理よりも50℃低くすることで、磁界をトラッ
ク幅方向に印可し、反強磁性層のブロッキング温度TB1
の直上で熱処理する工程により、固定層の異方性方向を
所期の方向に向けたまま、フリー磁性層の異方性方向を
それと直交させることができる。
向に向けたまま、フリー磁性層の異方性方向をそれと直
交させるためには、固定層の熱処理温度よりも50℃以
下の温度でフリー磁性層の異方性を回転させる必要があ
る。フリー磁性層のブロッキング温度TB1を固定層の磁
界中熱処理よりも50℃低くすることで、磁界をトラッ
ク幅方向に印可し、反強磁性層のブロッキング温度TB1
の直上で熱処理する工程により、固定層の異方性方向を
所期の方向に向けたまま、フリー磁性層の異方性方向を
それと直交させることができる。
【0015】磁気抵抗効果センサーの代表的な応用例で
ある磁気ディスクでは動作温度は100℃程度になるた
め、動作安定性を得るためにはTB1>150℃である必
要がある。
ある磁気ディスクでは動作温度は100℃程度になるた
め、動作安定性を得るためにはTB1>150℃である必
要がある。
【0016】また、この反強磁性層の発生する交換結合
磁界をHex1は、フリー磁性層の誘導磁気異方性より
も十分大きい必要があるため、Hex1>20Oeが望
ましい。
磁界をHex1は、フリー磁性層の誘導磁気異方性より
も十分大きい必要があるため、Hex1>20Oeが望
ましい。
【0017】交換結合磁界の大きさは磁界センサの感度
を決めるため、その制御が重要になる。反強磁性層と強
磁性層間に薄い非磁性金属からなる界面制御層を積層す
ることで、交換結合磁界は容易に制御できる。そこで本
発明では、順に積層された第一の反強磁性層、界面制御
層、フリー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第
二の反強磁性層を有し、前記フリー磁性層が前記界面制
御層を介して全面で前記第一の反強磁性層と密着してお
り、前記第一の反強磁性層の交換結合磁界により前記フ
リー磁性層の磁気異方性がトラック幅方向に向き、前記
第二の反強磁性層の交換結合磁界により固定磁性層の磁
気異方性がMR高さ方向に向くことを特徴とする。
を決めるため、その制御が重要になる。反強磁性層と強
磁性層間に薄い非磁性金属からなる界面制御層を積層す
ることで、交換結合磁界は容易に制御できる。そこで本
発明では、順に積層された第一の反強磁性層、界面制御
層、フリー磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第
二の反強磁性層を有し、前記フリー磁性層が前記界面制
御層を介して全面で前記第一の反強磁性層と密着してお
り、前記第一の反強磁性層の交換結合磁界により前記フ
リー磁性層の磁気異方性がトラック幅方向に向き、前記
第二の反強磁性層の交換結合磁界により固定磁性層の磁
気異方性がMR高さ方向に向くことを特徴とする。
【0018】また、界面制御層の厚さtを、1nm≦t
≦10nmの範囲にすることで、交換結合磁界は磁界セ
ンタに適した値をとる。
≦10nmの範囲にすることで、交換結合磁界は磁界セ
ンタに適した値をとる。
【0019】さらに、前記第一の反強磁性層をバイアス
強磁性層としても、交換結合磁界をフリー磁性層に作用
することができ、同様の効果を有する。この場合、バイ
アス強磁性層の保磁力以上の磁界をトラック幅方向に印
可する工程により、フリー磁性層に作用する磁気異方性
はヒステリシスの少ないトラック幅方向となる。
強磁性層としても、交換結合磁界をフリー磁性層に作用
することができ、同様の効果を有する。この場合、バイ
アス強磁性層の保磁力以上の磁界をトラック幅方向に印
可する工程により、フリー磁性層に作用する磁気異方性
はヒステリシスの少ないトラック幅方向となる。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施形態を図1に
示す。この強磁性トンネル接合素子センサは、基板11
上に形成された下電極12、下地層13の上に、適当な
大きさ形状にパターン化された第1の反強磁性層14、
フリー磁性層15を積層し、トンネルバリア層16、固
定磁性層17、第2の反強磁性層18が積層された構造
である。第2の反強磁性層の上には上電極19が設けら
れている。
示す。この強磁性トンネル接合素子センサは、基板11
上に形成された下電極12、下地層13の上に、適当な
大きさ形状にパターン化された第1の反強磁性層14、
フリー磁性層15を積層し、トンネルバリア層16、固
定磁性層17、第2の反強磁性層18が積層された構造
である。第2の反強磁性層の上には上電極19が設けら
れている。
【0021】この強磁性トンネル接合素子センサのトラ
ック幅方向はX方向であり、MR高さ方向はY方向であ
る。外部磁界はY方向である。
ック幅方向はX方向であり、MR高さ方向はY方向であ
る。外部磁界はY方向である。
【0022】下地層13には、Al,Ti,V,Cr、
Mn,Fe,Co,Ni、Cu,Zn,Y,Zr,N
b,Mo,Ru,Rh、Pd、Ag,Hf,Ta,W,
Re,Pt,Au、Pbからなる群より選ばれる金属、
これらの金属からなる合金、またはこれらの金属または
合金から構成される二層膜を用いることができる。
Mn,Fe,Co,Ni、Cu,Zn,Y,Zr,N
b,Mo,Ru,Rh、Pd、Ag,Hf,Ta,W,
Re,Pt,Au、Pbからなる群より選ばれる金属、
これらの金属からなる合金、またはこれらの金属または
合金から構成される二層膜を用いることができる。
【0023】第1、第2の反強磁性層は、Fe−Mn
(鉄−マンガン)合金、Ni−Mn(ニッケル−マンガ
ン)合金、Pt−Mn(白金−マンガン)合金、Ir−
Mn(イリジウム−マンガン)合金、Ru−Mn(ルテ
ニウム−マンガン)合金、Rh−Mn合金、Cr−Al
(クロム−アルミ)合金のいずれかを用いるか、もしく
はこれらの金属(合金)の二種類以上からなる合金を用
いることができる。それらは二層膜として用いても良
い。
(鉄−マンガン)合金、Ni−Mn(ニッケル−マンガ
ン)合金、Pt−Mn(白金−マンガン)合金、Ir−
Mn(イリジウム−マンガン)合金、Ru−Mn(ルテ
ニウム−マンガン)合金、Rh−Mn合金、Cr−Al
(クロム−アルミ)合金のいずれかを用いるか、もしく
はこれらの金属(合金)の二種類以上からなる合金を用
いることができる。それらは二層膜として用いても良
い。
【0024】フリー磁性層と固定磁性層の材料として
は、Fe、CoおよびNiからなる群より選ばれた金
属、またはこれらの金属を含む合金を用いることができ
る。例えば、NiFe,NiFeCo,CoZr系材
料,FeCoB,センダスト,窒化鉄系材料,FeCo
等を用いることができる。フリー磁性層と固定磁性層の
材料は同一であっても異なっていてもよい。
は、Fe、CoおよびNiからなる群より選ばれた金
属、またはこれらの金属を含む合金を用いることができ
る。例えば、NiFe,NiFeCo,CoZr系材
料,FeCoB,センダスト,窒化鉄系材料,FeCo
等を用いることができる。フリー磁性層と固定磁性層の
材料は同一であっても異なっていてもよい。
【0025】フリー磁性層および固定磁性層には、MR
比を高めるために、非磁性層に隣接する面に1nm程度
の薄いCo膜、CoFe膜を設けても良い。
比を高めるために、非磁性層に隣接する面に1nm程度
の薄いCo膜、CoFe膜を設けても良い。
【0026】トンネルバリア層は、Al、Mgおよび、
ランタノイドに属する金属の酸化膜を用いることができ
る。
ランタノイドに属する金属の酸化膜を用いることができ
る。
【0027】電極層は、Al,Pt等を用いることがで
きる。
きる。
【0028】次に、本発明の第二の実施形態を図2に示
す。この強磁性トンネル接合素子センサは、基板11上
に形成された下電極12、下地層13の上に、適当な大
きさ形状にパターン化された第1の反強磁性層14、界
面制御層21,フリー磁性層15を積層し、トンネルバ
リア層16、固定磁性層17、第2の反強磁性層18が
積層された構造である。第2の反強磁性層の上には上電
極19が設けられている。
す。この強磁性トンネル接合素子センサは、基板11上
に形成された下電極12、下地層13の上に、適当な大
きさ形状にパターン化された第1の反強磁性層14、界
面制御層21,フリー磁性層15を積層し、トンネルバ
リア層16、固定磁性層17、第2の反強磁性層18が
積層された構造である。第2の反強磁性層の上には上電
極19が設けられている。
【0029】界面制御層として、Al,Ti,V,C
r、Mn、Cu,Zn,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,
Rh、Pd、Ag,Hf,Ta,W,Re,Pt,A
u、Pb、Bi,La,Ce,Pr,Nd,Sm,E
u,Gd,Tb,Dy,Ho、Erからなる群より選ば
れる金属、これらの金属を含む合金を用いることができ
る。
r、Mn、Cu,Zn,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,
Rh、Pd、Ag,Hf,Ta,W,Re,Pt,A
u、Pb、Bi,La,Ce,Pr,Nd,Sm,E
u,Gd,Tb,Dy,Ho、Erからなる群より選ば
れる金属、これらの金属を含む合金を用いることができ
る。
【0030】本発明の第三の実施形態を図3に示す。こ
の強磁性トンネル接合素子センサは、基板11上に形成
された下電極12、下地層13の上に、適当な大きさ形
状にパターン化されたバイアス強磁性層31、フリー磁
性層15を積層し、トンネルバリア層16、固定磁性層
17、第2の反強磁性層18が積層された構造である。
第2の反強磁性層の上には上電極19がもうけられてい
る。
の強磁性トンネル接合素子センサは、基板11上に形成
された下電極12、下地層13の上に、適当な大きさ形
状にパターン化されたバイアス強磁性層31、フリー磁
性層15を積層し、トンネルバリア層16、固定磁性層
17、第2の反強磁性層18が積層された構造である。
第2の反強磁性層の上には上電極19がもうけられてい
る。
【0031】バイアス強磁性層は、CoCrPt,Co
Pt等の強磁性層を用いることができる。
Pt等の強磁性層を用いることができる。
【0032】
【実施例】以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に
説明する。
説明する。
【0033】(実施例1)図4(a)に示すよう、まず
表面を熱酸化したSi基板41上に50nm厚のAl膜
からなる下電極42、5nm厚のTaの下地層43を形
成した。
表面を熱酸化したSi基板41上に50nm厚のAl膜
からなる下電極42、5nm厚のTaの下地層43を形
成した。
【0034】次に、第一の反強磁性層44としてFe−
Mn(5nm)、フリー磁性層45としてNiFe(1
0nm)、2nm厚のAl膜からなる導電層46を連続
してスパッタ成膜する。このときの成膜方法として、d
cマグネトロンスパッタ法により、スパッタガスはAr
とし、ガス圧0.3Pa、投入パワーは35Wでおこな
った。次に、スパッタ装置内に純酸素を導入し、酸素圧
力を20mTorr〜200Torrの範囲で10分間
保持して、Al導電層表面を酸化してトンネルバリア層
47を形成する。酸素を排気してバックグランド圧力に
到達した後、固定磁性層48としてCoFe(10n
m)および第二の反強磁性層49としてNiMn(30
nm)を順次積層した。このときの成膜方法として、d
cマグネトロンスパッタ法により、スパッタガスはAr
とし、ガス圧0.3Pa、投入パワーは35Wでおこな
った。
Mn(5nm)、フリー磁性層45としてNiFe(1
0nm)、2nm厚のAl膜からなる導電層46を連続
してスパッタ成膜する。このときの成膜方法として、d
cマグネトロンスパッタ法により、スパッタガスはAr
とし、ガス圧0.3Pa、投入パワーは35Wでおこな
った。次に、スパッタ装置内に純酸素を導入し、酸素圧
力を20mTorr〜200Torrの範囲で10分間
保持して、Al導電層表面を酸化してトンネルバリア層
47を形成する。酸素を排気してバックグランド圧力に
到達した後、固定磁性層48としてCoFe(10n
m)および第二の反強磁性層49としてNiMn(30
nm)を順次積層した。このときの成膜方法として、d
cマグネトロンスパッタ法により、スパッタガスはAr
とし、ガス圧0.3Pa、投入パワーは35Wでおこな
った。
【0035】次に、通常のフォトリソグラフィ技術とイ
オンミリング技術を用いて接合構成層の全層を下部配線
形状に加工した(図4(b))。第二の反強磁性層49
上に接合寸法を規定するためのレジストパターン50を
形成し、第一の反強磁性層44までイオンミリングする
(図4(c))。このレジストを残したまま300nm
厚のAl2 O3 膜からなる絶縁層51を電子ビーム蒸着
した後、レジストのリフトオフを行う(図4(d))。
次に、上部配線を形成するためのレジストパターン52
を形成した後(図4(e))、第2の反強磁性層49と
上部配線53間の電気的な接触を得るために露出した試
料表面の逆スパッタクリーニングを行う。引き続き、2
00nm厚のAl膜からなる上部配線層を蒸着し、最後
にレジストをリフトオフすることによって上部配線53
を形成し、強磁性トンネル接合素子を完成させる(図4
(f))。
オンミリング技術を用いて接合構成層の全層を下部配線
形状に加工した(図4(b))。第二の反強磁性層49
上に接合寸法を規定するためのレジストパターン50を
形成し、第一の反強磁性層44までイオンミリングする
(図4(c))。このレジストを残したまま300nm
厚のAl2 O3 膜からなる絶縁層51を電子ビーム蒸着
した後、レジストのリフトオフを行う(図4(d))。
次に、上部配線を形成するためのレジストパターン52
を形成した後(図4(e))、第2の反強磁性層49と
上部配線53間の電気的な接触を得るために露出した試
料表面の逆スパッタクリーニングを行う。引き続き、2
00nm厚のAl膜からなる上部配線層を蒸着し、最後
にレジストをリフトオフすることによって上部配線53
を形成し、強磁性トンネル接合素子を完成させる(図4
(f))。
【0036】次に、固定磁性層の着磁工程として270
℃、磁界はMR高さ方向に3KOeで5時間磁界中熱処
理した。次にフリー磁性層の着磁工程として150℃
で、磁界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処
理した。
℃、磁界はMR高さ方向に3KOeで5時間磁界中熱処
理した。次にフリー磁性層の着磁工程として150℃
で、磁界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処
理した。
【0037】この強磁性トンネル接合素子センサを用い
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところヒステリシスのない正常なMR曲線が得られてい
る。
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところヒステリシスのない正常なMR曲線が得られてい
る。
【0038】なお、フリー磁性層の着磁工程を行わない
場合、ヒステリシスが大きなMR曲線になり、磁界セン
サーとしての応用は出来ない。
場合、ヒステリシスが大きなMR曲線になり、磁界セン
サーとしての応用は出来ない。
【0039】(比較例1)第1の反強磁性層がない以外
は実施例1と同様にして、従来の強磁性トンネル接合素
子センサを作製した。外部磁界と抵抗変化の関係(R−
H曲線)を調べたところ、大きなヒステリシスが観察さ
れ、磁界センサとしての応用は不可能である。
は実施例1と同様にして、従来の強磁性トンネル接合素
子センサを作製した。外部磁界と抵抗変化の関係(R−
H曲線)を調べたところ、大きなヒステリシスが観察さ
れ、磁界センサとしての応用は不可能である。
【0040】(実施例2)実施例1において、第一の反
強磁性層としてIrMnを15nm用い、それ以外は実
施例1と同様にした。IrMnの成膜には、合金ターゲ
ットを用いたrfスパッタ法を用いた。スパッタガスは
Arとし、ガス圧0.3Pa、投入パワー100Wでお
こなった。フリー磁性層の着磁工程として250℃で、
磁界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処理し
た。それ以外の工程は実施例1と同様にして強磁性トン
ネル接合素子センサを作製した。
強磁性層としてIrMnを15nm用い、それ以外は実
施例1と同様にした。IrMnの成膜には、合金ターゲ
ットを用いたrfスパッタ法を用いた。スパッタガスは
Arとし、ガス圧0.3Pa、投入パワー100Wでお
こなった。フリー磁性層の着磁工程として250℃で、
磁界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処理し
た。それ以外の工程は実施例1と同様にして強磁性トン
ネル接合素子センサを作製した。
【0041】この強磁性トンネル接合素子センサを用い
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
【0042】(実施例3)実施例1において、第一の反
強磁性層としてRhMnを5nm用い、それ以外は実施
例1と同様にした。RhMnの成膜には、合金ターゲッ
トを用いたrfスパッタ法を用いた。スパッタガスはA
rとし、ガス圧0.3Pa、投入パワー100Wでおこ
なった。フリー磁性層の着磁工程として200℃で、磁
界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処理し
た。それ以外の工程は実施例1と同様にして強磁性トン
ネル接合素子センサを作製した。
強磁性層としてRhMnを5nm用い、それ以外は実施
例1と同様にした。RhMnの成膜には、合金ターゲッ
トを用いたrfスパッタ法を用いた。スパッタガスはA
rとし、ガス圧0.3Pa、投入パワー100Wでおこ
なった。フリー磁性層の着磁工程として200℃で、磁
界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処理し
た。それ以外の工程は実施例1と同様にして強磁性トン
ネル接合素子センサを作製した。
【0043】この強磁性トンネル接合素子センサを用い
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
【0044】(実施例4)実施例1において、第一の反
強磁性層としてCr−Alを20nm用い、それ以外は
実施例1と同様にした。Cr−Alの成膜には、合金タ
ーゲットを用いたrfスパッタ法を用いた。スパッタガ
スはArとし、ガス圧0.3Pa、投入パワー100W
でおこなった。フリー磁性層の着磁工程として220℃
で、磁界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処
理した。それ以外の工程は実施例1と同様にして強磁性
トンネル接合素子センサを作製した。
強磁性層としてCr−Alを20nm用い、それ以外は
実施例1と同様にした。Cr−Alの成膜には、合金タ
ーゲットを用いたrfスパッタ法を用いた。スパッタガ
スはArとし、ガス圧0.3Pa、投入パワー100W
でおこなった。フリー磁性層の着磁工程として220℃
で、磁界はトラック幅方向に50Oeで1分磁界中熱処
理した。それ以外の工程は実施例1と同様にして強磁性
トンネル接合素子センサを作製した。
【0045】この強磁性トンネル接合素子センサを用い
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
【0046】(実施例5)実施例1において、第一の反
強磁性層としてFeMnを10nm、フリー磁性層の間
に界面制御層としてCuを1.5nmを用い、それ以外
は実施例1と同様にした。Cuの成膜には、dcマグネ
トロンスパッタ法を用いた。スパッタガスはArとし、
ガス圧0.3Pa、投入パワー7Wでおこなった。フリ
ー磁性層の着磁工程として150℃で、磁界はトラック
幅方向に50Oeで1分磁界中熱処理した。それ以外の
工程は実施例1と同様にして強磁性トンネル接合素子セ
ンサを作製した。
強磁性層としてFeMnを10nm、フリー磁性層の間
に界面制御層としてCuを1.5nmを用い、それ以外
は実施例1と同様にした。Cuの成膜には、dcマグネ
トロンスパッタ法を用いた。スパッタガスはArとし、
ガス圧0.3Pa、投入パワー7Wでおこなった。フリ
ー磁性層の着磁工程として150℃で、磁界はトラック
幅方向に50Oeで1分磁界中熱処理した。それ以外の
工程は実施例1と同様にして強磁性トンネル接合素子セ
ンサを作製した。
【0047】この強磁性トンネル接合素子センサを用い
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
【0048】界面制御層としてCuの代わりにAl,T
i,V,Cr、Mn、Zn,Y,Zr,Nb,Mo,R
u,Rh、Pd、Ag,Hf,Ta,W,Re,Pt,
Au、Pb、Bi,La,Ce,Pr,Nd,Sm,E
u,Gd,Tb,Dy,Ho、Erのいずれかを用いた
場合も同様の効果が得られた。
i,V,Cr、Mn、Zn,Y,Zr,Nb,Mo,R
u,Rh、Pd、Ag,Hf,Ta,W,Re,Pt,
Au、Pb、Bi,La,Ce,Pr,Nd,Sm,E
u,Gd,Tb,Dy,Ho、Erのいずれかを用いた
場合も同様の効果が得られた。
【0049】(実施例6)実施例1において、第一の反
強磁性層の代わりにバイアス強磁性層としてCoCrP
tを10nm、フリー磁性層の間に界面制御層としてA
gを1.5nmを用い、それ以外は実施例1と同様にし
た。Agの成膜には、dcマグネトロンスパッタ法を用
いた。スパッタガスはArとし、ガス圧0.3Pa、投
入パワー10Wでおこなった。フリー磁性層の着磁工程
として30℃で、磁界はトラック幅方向に3KOeで1
分磁界中処理した。それ以外の工程は実施例1と同様に
して強磁性トンネル接合素子センサを作製した。
強磁性層の代わりにバイアス強磁性層としてCoCrP
tを10nm、フリー磁性層の間に界面制御層としてA
gを1.5nmを用い、それ以外は実施例1と同様にし
た。Agの成膜には、dcマグネトロンスパッタ法を用
いた。スパッタガスはArとし、ガス圧0.3Pa、投
入パワー10Wでおこなった。フリー磁性層の着磁工程
として30℃で、磁界はトラック幅方向に3KOeで1
分磁界中処理した。それ以外の工程は実施例1と同様に
して強磁性トンネル接合素子センサを作製した。
【0050】この強磁性トンネル接合素子センサを用い
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
て、外部磁界と抵抗変化の関係(R−H曲線)を調べた
ところ、ヒステリシスのない正常なMR曲線が得られ
た。
【0051】
【発明の効果】本発明によれば、磁界測定時のノイズの
小さい強磁性トンネル接合素子センサを実現することが
できる。
小さい強磁性トンネル接合素子センサを実現することが
できる。
【図1】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの第1
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。
【図2】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの第2
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。
【図3】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの第3
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。
の実施の形態であって、その構成を示す説明図である。
【図4】本発明の強磁性トンネル接合素子センサの製造
方法を示す説明図である。
方法を示す説明図である。
【図5】従来の強磁性トンネル接合素子センサであっ
て、その構成を示す図である。
て、その構成を示す図である。
11 基板 12 下電極 13 下地層 14 第1の反強磁性層 15 フリー磁性層 16 トンネルバリア層 17 固定磁性層 21 界面制御層 31 バイヤス強磁性層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松寺 久雄 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 石綿 延行 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 上條 敦 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内
Claims (14)
- 【請求項1】第一の反強磁性層、フリー磁性層、トンネ
ルバリア層、固定磁性層、第二の反強磁性層が順次積層
され、第一の反強磁性層の交換結合磁界によりフリー磁
性層の磁気異方性がトラック幅方向に向き、第二の反強
磁性層の交換結合磁界により固定磁性層の磁気異方性が
MR高さ方向に向くことを特徴とする強磁性トンネル接
合素子センサ。 - 【請求項2】第一の反強磁性層、界面制御層、フリー磁
性層、トンネルバリア層、固定磁性層、第二の反強磁性
層が順次積層され、界面制御層を介した第一の反強磁性
層の交換結合磁界によりフリー磁性層の磁気異方性がト
ラック幅方向に向き、第二の反強磁性層の交換結合磁界
により固定磁性層の磁気異方性がMR高さ方向に向くこ
とを特徴とする強磁性トンネル接合素子センサ。 - 【請求項3】バイアス強磁性層、界面制御層、フリー磁
性層、トンネルバリア層、固定磁性層、反強磁性層が順
次積層され、界面制御層を介したバイアス強磁性層の交
換結合磁界によりフリー磁性層の磁気異方性がトラック
幅方向に向き、反強磁性層の交換結合磁界により固定磁
性層の磁気異方性がMR高さ方向に向くことを特徴とす
る強磁性トンネル接合素子センサ。 - 【請求項4】第一の反強磁性層の交換結合磁界を発生す
る上限の温度(ブロッキング温度)をTB1、第二の反強
磁性層の交換結合磁界を発生するブロッキング温度をT
B2とすると、 TB1>150℃ TB2− TB1>50℃ である請求項1又は2記載の強磁性トンネル接合素子セ
ンサ。 - 【請求項5】第一の反強磁性層の発生する交換結合磁界
をHex1、第二の反強磁性層の発生する交換結合磁界
をHex2とすると、 Hex1>20Oe Hex2>200Oe であることを特徴とする請求項1又は2記載の強磁性ト
ンネル接合素子センサ。 - 【請求項6】反強磁性層が、Fe−Mn(鉄−マンガ
ン)合金、Ni−Mn(ニッケル−マンガン)合金、P
t−Mn(白金−マンガン)合金、Ir−Mn(イリジ
ウム−マンガン)合金、Ru−Mn(ルテニウム−マン
ガン)合金、Rh−Mn合金、Cr−Al(クロム−ア
ルミ)合金のいずれか、もしくは、これらの金属(合
金)を二種類以上含む合金、またはそれらの二層膜から
構成されることを特徴とする請求項1,2又は3記載の
強磁性トンネル接合素子センサ。 - 【請求項7】界面制御層がAl,Ti,V,Cr、M
n、Cu,Zn,Y,Zr,Nb,Mo,Ru,Rh、
Pd、Ag,Hf,Ta,W,Re,Pt,Au、P
b、Bi,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,G
d,Tb,Dy,Ho、Er、もしくはその合金から構
成されることを特徴とする、請求項2又は3に記載の強
磁性トンネル接合素子センサ。 - 【請求項8】界面制御層の厚さtが、1nm≦t≦10
nmの範囲であることを特徴とする、請求項2又は3記
載の強磁性トンネル接合素子センサ。 - 【請求項9】強磁性層はFe、Co、Niまたはそれら
の元素を含む合金であることを特徴とする請求項1,2
又は3記載の強磁性トンネル接合素子センサ。 - 【請求項10】請求項1から9のいずれかに記載の強磁
性トンネル接合素子センサの製造方法において、フリー
磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層を真空中で連続
形成する工程と、金属または半導体からなる導電層を成
膜した後、真空中に酸素を導入し、この導電層表面を自
然酸化してトンネルバリア層を形成する工程とを含むこ
とを特徴とする強磁性トンネル接合素子の製造方法。 - 【請求項11】請求項1から9のいずれかに記載の強磁
性トンネル接合素子センサの製造方法において、フリー
磁性層、トンネルバリア層、固定磁性層を真空中で連続
形成する工程と、前記フリー磁性層を成膜した後、真空
中に酸素を導入してこのフリー磁性層表面を酸化する工
程と、金属または半導体からなる導電層を成膜した後、
真空中に酸素を導入し、この導電層表面を自然酸化して
トンネルバリア層を形成する工程とを含むことを特徴と
する強磁性トンネル接合素子センサの製造方法。 - 【請求項12】導電層がAl、Mg、ランタノイドに属
する金属であることを特徴とする請求項10又は11記
載の強磁性トンネル接合素子センサの製造方法。 - 【請求項13】請求項1,2記載の強磁性トンネル接合
素子センサの製造方法において、磁界をトラック幅方向
に印可し、第一の反強磁性層のブロッキング温度TB1以
上で熱処理する工程を含むことを特徴とする強磁性トン
ネル接合素子センサの製造方法。 - 【請求項14】請求項3記載の強磁性トンネル接合素子
センサの製造方法において、バイアス強磁性層の保磁力
以上の磁界をトラック幅方向に印可する工程を含むこと
を特徴とする強磁性トンネル接合素子センサの製造方
法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9298567A JPH11134620A (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | 強磁性トンネル接合素子センサ及びその製造方法 |
US09/182,671 US6341053B1 (en) | 1997-10-30 | 1998-10-30 | Magnetic tunnel junction elements and their fabrication method |
KR1019980046234A KR100347084B1 (ko) | 1997-10-30 | 1998-10-30 | 외부자계센서로서 이용 가능한 자기터널접합소자 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9298567A JPH11134620A (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | 強磁性トンネル接合素子センサ及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11134620A true JPH11134620A (ja) | 1999-05-21 |
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