JPH1154814A - 強磁性トンネル接合素子の製造方法 - Google Patents
強磁性トンネル接合素子の製造方法Info
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Abstract
ることによって、磁気ヘッドや磁気メモリに必要な低抵
抗値及び高電流密度の強磁性トンネル接合素子を得る。 【解決手段】 (a)第1の強磁性層11、導電層12
を真空中で連続形成し、(b)真空を破ることなく純酸
素を導入し、導電層12の表面を自然酸化してトンネル
バリア層13を形成し、(c)酸素を排気した後、第2
の強磁性層14を成膜して基本構造を完成させる強磁性
トンネル接合素子の製造方法。
Description
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。
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
加すると、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。したがって、両磁性層に
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。
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、「1996年4月、ジャーナル・オブ・
アプライド・フィジックス、79巻、4724〜4729頁(Jour
nal of Applied Physics, vol.79, 4724〜4729, 199
6)」がある。
示すように、蒸着マスクを用いてガラス基板81上にC
oFeからなる第1の強磁性層82を真空蒸着し[図8
(a)]、引き続き、マスクを交換して1.2〜2.0n
m厚のAl層83を蒸着する[図8(b)]。このAl
層83表面を酸素グロー放電に曝すことにて、Al2O3
からなるトンネルバリア層84を形成する[図8
(c)]。最後に、このトンネルバリア層84を介して
第1の強磁性層82と重なるようにCoからなる第2の
強磁性層85を成膜して、十字電極の強磁性トンネル接
合素子を完成させる[図8(d)]。この方法では、磁
気抵抗変化率として最大18%という大きな値が得られ
ている。
号、特開平6−244477号、特開平8−70148
号、特開平8−70149号、特開平8−316548
号、及び、「1997年、日本応用磁気学会誌、21巻、493
〜496頁」等の報告がある。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Al2O3を成長させる方法が提案されている。
子を磁気ヘッドや磁気メモリ等のデバイスに適用するに
は、熱雑音の影響を低減する為に実用素子寸法である程
度低い抵抗値が必要であるが、従来のトンネルバリア形
成法ではその実現が困難であった。また、高密度化に対
応した磁気ヘッドへの応用では、信号出力電圧の大きさ
が鍵を握るが、従来技術では素子特性を損なうことなく
十分な電流密度が得られないという課題もあった。さら
に、従来技術ではウェハ内やロット間の素子特性のばら
つきが大きく、実用に供するだけの十分な製造歩留まり
を得ることは難しかった。
ア層の形成方法に起因すると考えられる。すなわち、酸
素グロー放電を用いる方法では、イオンやラジカル状態
の活性酸素を導電層の酸化に用いるので、薄い酸化膜厚
の制御すなわち素子抵抗の制御が難しいといった問題
や、同時に発生する活性化された不純物ガスによってト
ンネルバリア層が汚染され接合品質が劣化するという問
題がある。一方、大気中における自然酸化による方法で
は、大気中の粉塵でトンネルバリア層にピンホールを生
じたり、水分、炭素酸化物、窒素酸化物等の汚染を受け
ることによって酸素グロー放電と同様に多くの問題を抱
えている。
題を解決し、実用に必要な抵抗値及び信号出力電圧特性
を備え、製造歩留まりを改善した強磁性トンネル接合素
子の製造方法を提供することにある。
の強磁性トンネル接合素子の製造方法は、第1の強磁性
層と第2の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ構
造を持つ強磁性トンネル接合素子の製造方法において、
金属又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、該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を含むことを特徴とする。
トンネルバリア層、第2の強磁性層を真空中で連続形成
することを特徴とし、第1の強磁性層を成膜した後、真
空中に酸素を導入して、該第1の強磁性層表面を酸化す
る工程を含むことを特徴とし、前記強磁性層は、Fe、
Co、Ni又はそれら元素を含む合金であることを特徴
とし、前記第1及び第2の導電層は、Al、Mg、又
は、ランタノイドに属する金属であることを特徴とす
る。
し、導電層表面を自然酸化してトンネルバリア層を形成
するので、不純物ガスの影響を受けない清浄な雰囲気で
熱平衡状態を保ったまま酸化層の成長が可能であり、高
品質のトンネルバリア層を制御性良く形成することがで
き、上記目的を達成できる。
の製造方法に関する第1の実施の形態について、図面を
参照して説明する。
導電層12を真空中で連続成膜し[図1(a)]、その
後真空を破ることなく純酸素を導入し、導電層12の表
面を自然酸化してトンネルバリア層13を形成する[図
1(b)]。なお、図1(b)には導電膜12の酸化後
でも第1の強磁性層11との界面に導電層12の未酸化
部分が残されている場合を示しているが、酸化条件次第
で完全に酸化させることも可能である。次に、酸素を排
気した後、第2の強磁性層14を成膜して強磁性トンネ
ル接合素子の基本構造を完成させる[図1(c)]。
又はそれら元素を含む合金を用いた場合には、導電層1
2として強磁性層よりも小さな表面自由エネルギーの値
を持つAlを選択することにより、特に下地となる第1
の強磁性層11に対して良好な被覆性を呈する。その結
果、完成された素子ではピンホールによる強磁性層間の
電気的ショートの無い良好な特性が得られる。また、A
lの酸素一原子あたりの生成自由エネルギーは、Fe、
Co、Niよりも大きいので、トンネルバリア層となる
Al2O3は接合界面で熱的に安定である。
る金属を選択した場合には、同様な理由から下地となる
第1の強磁性層11に対する良好な被覆性とともに、さ
らに熱的に安定なトンネルバリア層が得られる。
図面を参照して説明する。図2に示すように、第1の強
磁性層11を成膜し[図2(a)]、次いで後真空中に
酸素を導入して、第1の強磁性層11の表面に酸化層2
1を形成する[図2(b)]。この工程を加えると、次
の工程で導電層12を成膜する際に第1の強磁性層11
から導電層12に酸素拡散が起こり、第1の強磁性層1
1に還元領域22が形成されると共に、導電層12の下
部表面に酸化層23が形成される[図2(c)]。
接する両方の界面(図2(d)では全領域)に導電層1
2の酸化膜が形成されるので、より熱安定性に優れた素
子が実現される。導電層12側に安定な酸化層を形成す
るには、導電層12の酸素一原子当たりの生成自由エネ
ルギーが第1の強磁性層11を構成する元素よりも大き
くすればよい。強磁性層にFe、Co、Ni又はそれら
を含む合金を用いた場合には、導電層12としてAl、
Mg、ランタノイドに属する金属を用いることが有効で
ある。
トンネルバリア層24、第2の強磁性層14を成膜すれ
ば、強磁性トンネル接合素子の基本構造が得られる[図
2(e)]。
細に説明する。
酸化したSi基板31上に50nm厚のAl膜からなる
第1の配線層32、10nm厚のFe膜からなる第1の
強磁性層33、2nm厚のAl層からなる導電層34を
連続してスパッタ蒸着した。この成膜には、4インチ直
径のターゲット4基を備えた高周波マグネトロンスパッ
タ装置を用いた。スパッタ条件は、すべてバックグラン
ド圧力1×10-7Torr以下、Ar圧力10mTor
r、高周波電力200Wとした。次に、スパッタ装置内
に純酸素を導入し、酸素圧力を20mTorr〜200
Torrの範囲で10分間保持して、Al導電層34表
面を酸化してトンネルバリア層35を形成した。酸素を
排気してバックグランド圧力に到達した後、20nm厚
のCoFe膜からなる第2の強磁性層36をスパッタ蒸
着し、結合構成層を完成した。
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3(b)]。第2の強磁性層36
上に接合寸法を規定するためのレジストパターン37を
形成し、第1の強磁性層33までイオンミリングした
[図3(c)]。このレジストを残したまま300nm
厚のAl2O3膜からなる絶縁層38を電子ビーム蒸着し
た後、レジストのリフトオフを行った[図3(d)]。
次に、上部配線を形成するためのレジストパターン39
を形成し[図3(e)]、その後第2の強磁性層36と
第2の配線層40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った。引き続
き、200nm厚のAl膜からなる第2の配線層40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
上部配線を形成し、強磁性トンネル接合素子を完成した
[図3(f)]。
ンネル接合素子の代表的な磁気抵抗曲線を示す。この素
子の接合面積は40×40μm2であり、トンネルバリ
ア層を形成する際のAlの酸素圧力は20Torrとし
た。印加磁界を−300 0eから300 0e に、さらに
逆に300 0e から−300 0e に変化させることによ
り、抵抗値はA→B→C→D→E→F→G→H→Aの曲
線上を移動する。B、Fの立ち上がりと、D、Hの立ち
下がりは、それぞれFeとCoFeの保磁力に対応して
いる。A、EでFeとCoFeの磁化の向きが平行状
態、C、Gで反平行状態が実現されていることを意味し
ている。この磁気抵抗曲線から読み取った磁気抵抗変化
率は約5%であり、接合面積(2×2μm2〜40×4
0μm2)に関係無くほぼ同一の値が得られた。一方、
抵抗値は、図5に示すように、接合面積に対してきれい
な逆比例の関係を示した。最小二乗法から求めた傾きは
−1.004であり、非常に制御性よく素子が作製され
ていることが分かる。接合面積で規格化した抵抗値は
1.5×10-5Ωcm2であり、トンネルバリア層形成時
の酸素圧力を20mTorrまで低下させることによっ
て、さらに一桁以上小さな抵抗値が得られた。これらの
抵抗値は従来の方法で得られた最も小さい抵抗値よりも
二桁から三桁小さな値である。
び磁気抵抗変化率の電流密度依存性を示す。抵抗値、磁
気抵抗変化率共に電流密度を増加させても103A/c
m2までは全く変化が認められなかった。5×103A/
cm2でも抵抗値の変化はほとんど無く、磁気抵抗変化
率も約10%の減少に止まっている。しかも、この値は
電流密度を減少させるともとの状態に復帰した。これら
の結果から、磁気抵抗効果素子としての強磁性トンネル
接合素子の信号出力電圧を求めると、103A/cm2の
電流密度で約1mV、5×103A/cm2で約3mVで
あった。この素子を再生磁気ヘッドに用いた場合、後者
は10Gb/in2以上の記録密度に対応できると考え
られる。
を説明する。
として2nmのAl膜の代わりに、同膜厚のMg膜を用
いた。その他の工程は実施例1と全く同じとした。得ら
れた磁気抵抗変化率は約8%であり、接合面積(2×2
μm2〜40×40μm2)に関係無くほぼ同一の値が得
られた。接合面積で規格化した抵抗値は、トンネルバリ
ア層形成時の酸素圧力20Torrでは1.6×10-5
Ωcm2であり、20mTorrまで低下させることに
よって、さらに一桁以上小さな値が得られた。これらの
抵抗値は、従来の方法で得られた最も小さい抵抗値より
も二桁から三桁小さな値である。抵抗値及び磁気抵抗変
化率は共に、電流密度103A/cm2まで全く変化が認
められなかった。この条件での信号出力電圧は約1.3
mVであった。
を説明する。
として2nmのAl膜の代わりに、同膜厚のLa膜を用
いた。その他の工程は実施例1と全く同じとした。得ら
れた磁気抵抗変化率は約6%であり、接合面積(2×2
μm2〜40×40μm2)に関係無くほぼ同一の値が得
られた。接合面積で規格化した抵抗値は、トンネルバリ
ア層形成時の酸素圧力20Torrでは2.7×10-5
Ωcm2であり、20mTorrまで低下させることに
よって、さらに一桁以上小さな値が得られた。これらの
抵抗値は、従来の方法で得られた最も小さい抵抗値より
も二桁から三桁小さな値である。抵抗値及び磁気抵抗変
化率は共に、電流密度103A/cm2まで全く変化が認
められなかった。この条件での信号出力電圧は、約1.
6mVであった。
ノイドに属する金属としてLaを用いたが、代わりに、
Nd、Sm、Luなど同族の金属を用いてもほぼ同様な
結果が得られる。
する。
酸化したSi基板31上に50nm厚のAl膜からなる
第1の配線層32、10nm厚のFe膜からなる第1の
強磁性層33を連続してスパッタ蒸着した。この成膜に
は、4インチ直径のターゲット4基を備えた高周波マグ
ネトロンスパッタ装置を用いた。スパッタ条件は、すべ
てバックグランド圧力1×10-7Torr以下、Ar圧
力10mTorr、高周波電力200Wとした。次に、
スパッタ装置内に純酸素を導入し、酸素圧力200To
rrで10分間保持して、Fe膜表面にFeOx層71
を形成した。酸素を排気してバックグランド圧力に到達
した後、2nm厚のAl膜からなる導電層34をスパッ
タ蒸着した[図7(b)]。その際、Fe膜表面のFe
Oxの酸素がAl膜へ拡散し、この界面にAl2O3層7
3が形成された。もう一度、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34表面を酸化し
てトンネルバリア層74を形成した。酸素を排気した
後、20nm厚のCoFe膜からなる第2の強磁性層3
6をスパッタ蒸着し、結合構成層を完成した[図7
(c)]。本実施例では、トンネルバリア層74とする
Al膜が完全に酸化された。
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7(d)]。第2の強磁性層36
上に接合寸法を規定するためのレジストパターン37を
形成し、第1の強磁性層33までイオンミリングした
[図7(e)]。このレジストを残したまま300nm
厚のAl2O3膜からなる絶縁層38を電子ビーム蒸着し
た後、レジストのリフトオフを行った[図7(f)]。
次に、上部配線を形成するためのレジストパターン39
を形成し[図7(g)]、その後第2の強磁性層36と
第2の配線層40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った。引き続
き、200nm厚のAl膜からなる第2の配線層40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
上部配線を形成し、強磁性トンネル接合素子を完成した
[図7(h)]。
り、接合面積(2×2μm2〜40×40μm2)に関係
無くほぼ同一の値が得られた。接合面積で規格化した抵
抗値は、トンネルバリア層形成時の酸素圧力20Tor
rでは5×10-5Ωcm2であり、20mTorrまで
低下させることによって、さらに一桁以上小さな値が得
られた。これらの抵抗値は従来の方法で得られた最も小
さい抵抗値よりも二桁から三桁小さな値である。抵抗値
及び磁気抵抗変化率は共に電流密度1.5×103A/c
m2まで全く変化が認められなかった。この条件での信
号出力電圧は約7.5mVであった。この素子を再生磁
気ヘッドに用いた場合、20Gb/in2以上の記録密
度に対応できると考えられる。
を説明する。
として2nmのAl膜の代わりに、同膜厚のMg膜を用
いた。その他の工程は実施例4と全く同じとした。得ら
れた磁気抵抗変化率は約9%であり、接合面積(2×2
μm2〜40×40μm2)に関係無くほぼ同一の値が得
られた。接合面積で規格化した抵抗値は、トンネルバリ
ア層形成時の酸素圧力20Torrでは6×10-5Ωc
m2であり、20mTorrまで低下させることによっ
て、さらに一桁以上小さな値が得られた。これらの抵抗
値は従来の方法で得られた最も小さい抵抗値よりも二桁
から三桁小さな値である。抵抗値及び磁気抵抗変化率は
共に、電流密度1.5×103A/cm2まで全く変化が
認められなかった。この条件での信号出力電圧は約8.
1mVであった。
を説明する。
として2nmのAl膜の代わりに、同膜厚のLa膜を用
いた。その他の工程は実施例4と全く同じとした。得ら
れた磁気抵抗変化率は約12%であり、接合面積(2×
2μm2〜40×40μm2)に関係無くほぼ同一の値が
得られた。接合面積で規格化した抵抗値は、トンネルバ
リア層形成時の酸素圧力20Torrでは4×10-5Ω
cm2であり、20mTorrまで低下させることによ
って、さらに一桁以上小さな値が得られた。これらの抵
抗値は従来の方法で得られた最も小さい抵抗値よりも二
桁から三桁小さな値である。抵抗値及び磁気抵抗変化率
は共に電流密度1.5×103A/cm2まで全く変化が
認められなかった。この条件での信号出力電圧は約7.
2mVであった。
ノイドに属する金属としてLaを用いたが、代わりに、
Nd、Sm、Luなど同族の金属を用いてもほぼ同様な
結果が得られる。
けない清浄な雰囲気で熱平衡状態を保ったまま酸化層の
成長が可能なので、高品質のトンネルバリア層を制御性
良く形成することができる。また、酸素圧力や基板温度
の制御等によって磁気ヘッドや磁気メモリなどのデバイ
ス応用に必要な低抵抗値及び高電流密度の素子を容易に
得ることができる。さらに、ウエハ内の素子特性の均一
性やロット間の再現性に優れた素子を製造できる。
説明する為の工程図である。
説明する為の工程図である。
図である。
磁気抵抗曲線図である。
抵抗と接合面積の関係を示す図である。
10μm角接合における抵抗及び磁気抵抗変化率の電流
依存性を示す図である。
図である。
子の製造方法を説明する為の工程図である。
層 14 第2の強磁性層 21 第1の強磁性層の表面酸化膜 22 第1の強磁性層の還元領域 23 導電層下部表面の酸化層 24 純酸素の自然酸化により形成したトンネルバリア
層
Claims (7)
- 【請求項1】 第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に
トンネルバリア層を挟んだ構造を持つ強磁性トンネル接
合素子の製造方法において、金属又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、該導電層表
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2】 第1の強磁性層、トンネルバリア層、第
2の強磁性層を真空中で連続形成することを特徴とする
請求項1記載の強磁性トンネル接合素子の製造方法。 - 【請求項3】 第1の強磁性層を成膜した後、真空中に
酸素を導入して該第1の強磁性層表面を酸化する工程を
含むことを特徴とする請求項1又は2記載の強磁性トン
ネル接合素子の製造方法。 - 【請求項4】 前記第1及び第2の強磁性層は、Fe、
Co、Ni又はそれら元素を含む合金であることを特徴
とする請求項1〜3の何れか一項記載の強磁性トンネル
接合素子の製造方法。 - 【請求項5】 前記導電層は、Alであることを特徴と
する請求項1〜4の何れか一項記載の強磁性トンネル接
合素子の製造方法。 - 【請求項6】 前記導電層は、Mgであることを特徴と
する請求項1〜4の何れか一項記載の強磁性トンネル接
合素子の製造方法。 - 【請求項7】 前記導電層は、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1〜4の何れか一項記
載の強磁性トンネル接合素子の製造方法。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20929297A JP3459869B2 (ja) | 1997-08-04 | 1997-08-04 | 強磁性トンネル接合素子の製造方法 |
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