JPWO2009054062A1

JPWO2009054062A1 - サンドイッチ構造の磁化自由層を有する磁気トンネル接合素子

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Publication number: JPWO2009054062A1
Application number: JP2009537867A
Authority: JP
Inventors: ヨンスックチョイ; 孝二恒川
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2011-03-03
Also published as: US20100316890A1; WO2009054062A1

Abstract

少なくとも、トンネルバリア層（１０７）を多層構造の磁化固定層（１０５、１０６）と多層構造の磁化自由層（１０８、１０９、１１０）とで挟持してなる積層構造を基板（１０１）上に有するように構成される。多層構造の磁化固定層、トンネルバリア層及び多層構造の磁化自由層は、基板側からこの順に積層される。多層構造の磁化自由層は、中間層（１０９）を第１磁化自由層（１０８）と第２磁化自由層（１１０）とで挟持してなるサンドイッチ構造を有し、当該中間層は、単層の金属窒化物、単層の合金、または、金属、金属窒化物または合金からなる膜を複数積層した多層膜、のいずれか１つからなる。上記積層構造の形成後、磁界中でアニール処理することによってＭＴＪ素子（１００）に所定の磁化が与えられる。

Description

本発明は、ハードディスクのような情報記憶装置に使用される磁気ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ、ＭＲＡＭ）に利用可能な磁気トンネル接合（ＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎ、ＭＴＪ）素子に関する。

近年では、ＭｇＯからなるトンネルバリア層を持ったＭＴＪ素子は、室温でも高いＭＲ比で製造できる磁気抵抗素子として有望な候補となってきている（非特許文献１）。

従来のＭＴＪ素子について、図８を使用して説明する。ＭＴＪ素子８１０は、２つの強磁性層８０７及び８０９がトンネルバリア層８０８を挟持した構成となっている。この２つの強磁性層８０７及び８０９の両側に所要電圧を印加して一定電流を流した状態において、外部磁場をかける。２つの強磁性層８０７及び８０９の磁化の向きが平行で同じ向きであるとき（以下「平行状態」という）、ＭＴＪ素子の電気抵抗は最小になり（図８（Ａ）の状態：以下、このときの抵抗値をＲ_Ｐとする）、強磁性層８０７及び８０９の磁化の向きが平行で反対向きであるとき（以下「反平行状態」という）、ＭＴＪ素子の電気抵抗は最大になる（図８（Ｂ）の状態：以下、このときの抵抗値をＲ_Ａとする）という特性を有する。このためＭＴＪ素子８１０は、外部磁場によって上記平行状態と反平行状態を作り出すことにより、抵抗値変化として情報の記憶を行うことができる。

このようなＭＴＪ素子に関しては、「平行状態」の抵抗値Ｒ_Ｐと「反平行状態」の抵抗値Ｒ_Ａの差が大きいことが要求される。その指標として磁気抵抗比（ＭＲ比）が用いられる。ＭＲ比は「（Ｒ_Ａ−Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐ」として定義される。

また、高いＭＲ比を得るために、強磁性層８０９をアモルファスＣｏＦｅＢを利用して磁化自由層として形成する技術や、ＲＦスパッタリング法によりＭｇＯからなるトンネルバリア層８０８を形成する技術が提案されている。これらの技術は、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｃＤｒｉｖｅ）やＭＲＡＭといった高密度メディアに用いられる磁気ヘッドの大量生産を可能としている。

しかしながら、ＣｏＦｅＢは、その強い結晶性に固有の高い保磁力（Ｈｃ）を有している。このため、ＣｏＦｅＢを利用して磁化自由層を形成する場合には、ＭＲＡＭと同様に、磁気ヘッドについても、それらのデバイスが要求する記録能力の向上、すなわち記録磁界を強くする必要がある。したがって、保磁力の低い磁化自由層の実現が望まれている。

また、磁気ヘッドからの出力ΔＶは、以下の式で表されることが知られている。
ΔＶ＝ａ×Ｉ×ΔＲｓ×（Ｔｗ／Ｔｈ）×Φ／（Ｍｆ×ｔ）（１）
ここで、各値は以下の通りである。
ａ：定数
Ｉ：電流
ΔＲｓ：抵抗変化
Ｔｗ：トラックの幅
Ｔｈ：トラックの高さ
Φ ：磁束密度
Ｍｆ：磁化自由層の飽和磁化
ｔ：磁化自由層の厚さ

式（１）からも判るように、磁気ヘッドからの出力を大きくするために、飽和磁化（Ｍｆ）と厚さ（ｔ）との積（Ｍｆ×ｔ）の小さな磁化自由層の実現が望まれている。

最近では、磁化自由層を、単層構造、異なる材質の２つの磁化自由層からなる２層構造、または、２つの磁化自由層を金属からなる中間層によって分離した３層構造として構成したＭＴＪ素子が提案されている（特許文献１）。

図９は、１層の磁化自由層９０８を有した従来のＭＴＪ素子の構造を示した図である。図９のＭＴＪ素子９００は、基板９０１、下地層９０２、反強磁性層９０３、第１磁化固定層９０４、交換結合用非磁性層９０５、第２磁化固定層９０６、トンネルバリア層９０７、磁化自由層９０８及び電極層９１１を具備する。

図１０は、異なる材質からなる２層の磁化自由層１００８、１０１０を有した従来のＭＴＪ素子の構造を示した図である。図１０のＭＴＪ素子１０００は、基板１００１、下地層１００２、反強磁性層１００３、第１磁化固定層１００４、交換結合用非磁性層１００５、第２磁化固定層１００６、トンネルバリア層１００７、第１磁化自由層１００８、第２磁化自由層１０１０及び電極層１０１１を具備する。

図１１は、２層の磁化自由層１１０８、１１１０を金属からなる中間層１１０９によって分離した３層構造を有した従来のＭＴＪ素子の構造を示した図である。図１１のＭＴＪ素子１１００は、基板１１０１、下地層１１０２、反強磁性層１１０３、第１磁化固定層１１０４、交換結合用非磁性層１１０５、第２磁化固定層１１０６、トンネルバリア層１１０７、第１磁化自由層１１０８、中間層１１０９、第２磁化自由層１１１０及び電極層１１１１を具備する。

また、ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅの２層構造の磁化自由層、又は多層構造の磁化自由層を利用することにより、磁化自由層の保磁力Ｈｃを減じることができると提案されている（非特許文献２、４）。

また、約３０エルステッド（Ｏｅ）の保磁力Ｈｃを有する、ＣｏＦｅＢからなる磁化自由層が報告されている（非特許文献２、３）。
特開２００６−３１９２５９号公報ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ、Ｖｏｌ．６３，ｐｐ０５４４１６、２００１ＦｕｊｉｔｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ．４２，ｐｐ１３９、２００６ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ、Ｖｏｌ．８８，ｐｐ１８２５０８、２００６２９ｔｈＪａｐａｎＡｐｐｌｉｅｄＭａｇｎｅｔｉＳｏｃｉｅｔｙＳｙｍｐｏｓｉｕｍ、２２ａＦ−８、２００５ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ、Ｖｏｌ．８７，ｐｐ２４２５０３、２００５ＪｏｕｒｎａｌＯｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．１０１，ｐｐ１０３９０７、２００７

しかしながら、従来実現されている磁化自由層の保磁力の値は、今後、記録密度のより大きいＨＤＤに用いられる磁気ヘッドへ応用する場合には不十分であり、保磁力のより一層の低減が望まれている。また、保磁力をより一層低減させると、ＭＴＪ素子のＭＲ比が大きく低下してしまうという問題がある。

本発明の目的は、ＭＲ比を低下させることなく、磁化自由層の保磁力を低減させ、磁化自由層の飽和磁化（Ｍｆ）と磁化自由層の厚さ（ｔ）の積（Ｍｆ×ｔ）の小さな構造のＭＴＪ素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のＭＴＪ素子は、少なくとも、トンネルバリア層を多層構造の磁化固定層と多層構造の磁化自由層とで挟持してなる積層構造を基板上に有するように構成される。多層構造の磁化固定層、トンネルバリア層及び多層構造の磁化自由層は、基板側からこの順に積層される。多層構造の磁化自由層は、中間層を第１磁化自由層と第２磁化自由層とで挟持してなるサンドイッチ構造を有し、当該中間層は、単層の金属窒化物、単層の合金、または、金属、金属窒化物または合金からなる膜を複数積層した多層膜、のいずれか１つからなる。そして、上記積層構造の形成後、磁界中でアニール処理することによってＭＴＪ素子に所定の磁化が与えられる。

本発明において、多層構造の磁化自由層は、第１磁化自由層と、中間層と、第２磁化自由層とが基板側からこの順で積層されるように構成することができる。

また、多層構造の磁化固定層は、第１磁化固定層と、交換結合用非磁性層と、第２磁化固定層とが、前記基板側からこの順で積層されていることを特徴とする。

また、上記金属窒化物は、ＴｉＮｘ、ＨｆＮｘ、ＮｂＮｘ、ＴａＮｘ、ＶＮｘ、ＣｒＮｘ、ＺｒＮｘ，ＭｏＮｘ，ＷＮｘの内１つからなる。上記合金は、Ｔａ、Ｎｂ，Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの内、少なくとも２つを含む。

さらに、多層膜は、Ｔａ、Ｎｂ，Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、これら金属の窒化物、またはこれら金属の合金からなる膜を複数積層した多層構造として構成することができる。

トンネルバリア層はＭｇＯ層として形成することができ、当該ＭｇＯ層は、膜面に垂直に（００１）配向した多結晶構造であることを特徴とする。

また、第１磁化自由層をＣｏＦｅＢを用いて構成し、第２磁化自由層を、第１磁化自由層より小さい保磁力を持つＮｉＦｅを用いて構成してもよい。

尚、上記アニール処理の条件は、アニール温度が２５０〜４００℃、この温度を維持する時間が０．５〜１０時間、アニール中に印加する膜面に平行な磁界の強度が８ｋＯｅ以上であることが望ましい。

本発明によれば、アニール処理後の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の保磁力として、５Ｏｅ以下という値が達成される。同時に、アニール処理後の磁気トンネル接合素子のＭＲ比として、１５０％以上という値が達成される。

本発明によれば、アニール処理後の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の飽和磁化と厚さとの積が７５Ｇμｍ以下となり、本発明のＭＴＪ素子を磁気ヘッドに応用した場合、磁気ヘッドからの出力を大きくすることが可能となる。

本発明によれば、多層構造の磁化自由層を、中間層を第１磁化自由層と第２磁化自由層とで挟持してなるサンドイッチ構造として構成し、中間層の材料を金属窒化物、合金、または多層膜のいずれか１種から構成することにより、ＭＲ比を低下させることなく、磁化自由層の保磁力を大幅に減少させ、磁化自由層の飽和磁化と磁化自由層の厚さとの積が小さなＭＴＪ素子を実現できる。本発明のＭＴＪ素子は、今後の磁気ヘッドやＭＲＡＭへ効果的に適用することができる。

本発明の第１の実施例で、第１磁化自由層と第２磁化自由層が金属窒化物からなる中間層によって分離されているＭＴＪ素子の構造を示す模式図である。本発明の第１の実施例で、第２磁化自由層ＮｉＦｅの厚さと保磁力の関係を表した図である。本発明の第１の実施例で、第２磁化自由層ＮｉＦｅの厚さとＭＲ比の関係を表した図である。本発明の第１の実施例で、金属窒化物からなる中間層ＴｉＮの厚さと保磁力の関係を表した図である。本発明の第１の実施例で、金属窒化物からなる中間層ＴｉＮの厚さとＭＲ比の関係を表した図である。本発明の第２の実施例で、第１磁化自由層と第２磁化自由層が合金からなる中間層によって分離されているＭＴＪ素子の構造を示す模式図である。本発明の第３の実施例で、第１磁化自由層と第２磁化自由層が多層膜からなる中間層によって分離されているＭＴＪ素子の構造を示す模式図である。ＭＴＪ素子の動作を説明する図である。従来技術である１層の磁化自由層を持ったＭＴＪ素子の構造を示す模式図である。従来技術である第１磁化自由層と第２磁化自由層が直接積層され２層構造になっているＭＴＪ素子の構造を示す模式図である。従来技術である第１磁化自由層と第２磁化自由層が金属からなる中間層によって分離され３層構造になっているＭＴＪ素子の構造を示す模式図である。

符号の説明

１０１、６０１、７０１、９０１、１００１、１１０１基板
１０２、６０２、７０２、９０２、１００２、１１０２下地層
１０３，６０３，７０３、９０３、１００３、１１０３反強磁性層
１０４，６０４，７０４、９０４、１００４、１１０４第１磁化固定層
１０５，６０５，７０５、９０５、１００５、１１０５交換結合用非磁性層
１０６，６０６，６０６、９０６、１００６、１１０６第２磁化固定層
１０７，６０７，７０７、９０７、１００７、１１０７トンネルバリア層
１０８、６０８，７０８、１００８、１１０８第１磁化自由層
９０８磁化自由層
１０９，６０９，７０９、７０９’、１１０９中間層
１１０，６１０、７１０、１０１０、１１１０第２磁化自由層
１１１、６１１、７１１，９１１、１０１１、１１１１電極層

以下、本発明のＭＴＪ素子の構成について説明する。図１は、本発明のＭＴＪ素子の好ましい第１の実施形態の構造を示す図である。本実施例のＭＴＪ素子１００の形成に際し、基板１０１は、その表面の不純物をクリーニングする目的でプラズマ処理によってエッチングされる。次に、下地層１０２（Ｔａ：５ｎｍ／ＣｕＮ：２０ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍ／ＣｕＮ：２０ｎｍ／Ｒｕ：５ｎｍの多層構造、各値は各層の厚さの例を示す）、反強磁性層１０３（ＩｒＭｎ：７ｎｍ）、第１磁化固定層１０４（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０：２．５ｎｍ）、交換結合用非磁性層１０５（Ｒｕ：０．８５ｎｍ）、第２磁化固定層１０６（ＣｏＦｅＢ：３ｎｍ）、トンネルバリア層１０７（ＭｇＯ：１．２ｎｍ）、第１磁化自由層１０８（ＣｏＦｅＢ）、中間層１０９（ＴｉＮ）、第２磁化自由層１１０（Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９）、電極層１１１（Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａ／Ｒｕの多層構造）が基板側１０１上にこの順で積層される。第１磁化固定層１０４、交換結合用非磁性層１０５及び第２磁化固定相１０６は多層構造の磁化固定層を構成し、第１磁化自由層１０８、中間層１０９及び第２磁化自由層１１０は多層構造の磁化自由層を構成する。

ここで、「磁化自由層」及び「磁化固定層」という用語は、磁化自由層の磁気モーメントが磁化固定層の磁気モーメントよりも小さいものとして定義される。このようにＭＴＪ素子が形成された基板は高真空アニール装置内を搬送される。アニール条件は、例えば、アニール中に印加される膜面に平行な磁界の強度が８ｋＯｅ以上、アニール温度が２５０℃〜４００℃（例えば、３６０℃）、当該温度を維持する時間が０．５時間〜１０時間（例えば、２時間）である。このアニール処理により、ＭＴＪ素子に所定の磁化が与えられる。

本実施例のＭＴＪ素子は、第２磁化自由層１１０としてＮｉＦｅを使用する。ＮｉＦｅが軟磁性であって第１磁化自由層１０８よりも保磁力が低く、中間層１０９を介して第１磁化自由層１０８と磁気結合し、第１磁化自由層１０８に軟磁性を引き起こすので、本実施例のＭＴＪ素子は、保磁力を低くすることができるという利点を有する。

また、トンネルバリア層１０７（ＭｇＯ）は、膜面に垂直に（００１）配向した多結晶構造であることが望ましく、第２磁化固定層１０６と第１磁化自由層１０８は、両方ともＣｏＦｅＢからなり、積層された状態でアモルファスであることが望ましい。アモルファスＣｏＦｅＢと接触していて、ＮａＣｌ構造を持った（００１）配向のトンネルバリア層１０７は、アニール処理時、ｂｃｃＣｏＦｅの結晶化のテンプレートの役割を果たすことが知られている（非特許文献５参照）。つまり、ＭＴＪ素子を積層した後のアニール処理は、トンネルバリア層１０７であるＭｇＯ（００１）［１００］をテンプレートとして、その上にｂｃｃＣｏＦｅ（００１）［１１０］が４５°回転した状態で結晶化する。これは、ｂｃｃＣｏＦｅ（００１）［１１０］／／ＭｇＯ（００１）［１００］というエピタキシャルな関係によるものである。この４５°回転した結晶化は、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅの柱状の粒子を形成し、それぞれの粒子は、巨大トンネル磁気抵抗効果を達成するのに不可欠な微細構造を有している（非特許文献６参照）。

サンドイッチ構造の磁化自由層における中間層１０９の材料は、材料の結晶構造によって決定され、アモルファス、又は（００１）配向を持った第１磁化自由層１０８（ＣｏＦｅＢ）の結晶構造のように（００１）配向を持ったＮａＣｌ構造であることが望ましい。本実施例においては中間層１０９の材料としてＴｉＮが使用されているが、このほか、ＴｉＮｘ、ＨｆＮｘ、ＮｂＮｘ、ＴａＮｘ、ＶＮｘ、ＣｒＮｘ、ＺｒＮｘ，ＭｏＮｘ，ＷＮｘなどの金属窒化物を用いて中間層１０９を形成してもよい。また、本実施例における中間層１０９（ＴｉＮ）は、リアクティブスパッタリング法によって積層される。

サンドイッチ構造の磁化自由層における各層の相対的な厚さは、ＭＴＪ素子に要求される保磁力とＭＲ比によって決定される。以下、本実施例のＭＴＪ素子の保磁力とＭＲ比の特性に関して説明する。

図２に、サンドイッチ構造の磁化自由層の構造と保磁力との関係を示す。図２中のａは、本発明によるＣｏＦｅＢ（第１磁化自由層１０８、厚さ３ｎｍ）／ＴｉＮ（中間層１０９、厚さ０．４６６ｎｍ）／ＮｉＦｅ（第２磁化自由層１１０、厚さｘｎｍ）のサンドイッチ構造の磁化自由層における、第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）の厚さと保磁力との関係を示す。本発明の構成によれば、第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）の厚さが３ｎｍ以上の時、保磁力が４．５エルステッド（Ｏｅ）以下に大幅に減少することが分かる。一方、図２中のｂ乃至ｅは、特許文献１に開示されるような、ＣｏＦｅＢからなる厚さ３ｎｍの第１磁化自由層と、Ｔａ、Ｒｕ、Ｔｉ又はＲｈからなる厚さ０．５ｎｍの中間層と、ＮｉＦｅからなる厚さ３ｎｍの第２磁化自由層を用いた構成の保磁力を示す。

尚、図１１に示す従来技術のＭＴＪ素子１１００において、中間層１１０９としてＴａを使用して、第１磁化自由層１１０８、中間層１１０９及び第２磁化自由層１１１０をＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＮｉＦｅ構造として形成した場合、保磁力Ｈｃは変化しない。

また、図１０に示す従来技術のＭＴＪ素子１０００において、中間層を使用することなく、ＣｏＦｅＢからなる第１磁化自由層１００８とＮｉＦｅからなる第２磁化自由層１０１０とを具備する磁化自由層を形成した場合、保磁力Ｈｃは４Ｏｅであった。しかし、保持力をＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）の単層からなる磁化自由層の２１ＯｅからＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）の２層からなる磁化自由層の４Ｏｅまで低減させるとＭＲ比が、１２０％から６０％まで大きく減少してしまう。

本発明における保磁力の大幅な減少は、これら図１１及び図１０に示す従来技術の場合と比較して大きい。本実施例において、第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）が３ｎｍより厚い時、中間層１０９（ＴｉＮ）を介した第１磁化自由層１０８（ＣｏＦｅＢ）との磁気結合が強くなり、ＣｏＦｅＢの軟磁性を引き起こし、その結果、ＣｏＦｅＢの磁化が減少すると考えられる。図２に示すように、保磁力は、第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）の厚さの増加とともに単調に減少し、第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）の厚さが１１ｎｍの時、４Ｏｅに達する。図２から明らかなように、この保磁力の値は、特許文献１に示される構造の磁化自由層の保持力に比較して小さい。

また、本発明のサンドイッチ構造（ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＴｉＮ（０．４６６ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ））の磁化自由層に関して、飽和磁化と磁化自由層の厚さとの積は７５Ｇμｍ以下であるが、図２より、このときに同時に５Ｏｅ以下の保磁力を実現していることが分かる。

次に、図３に、サンドイッチ構造の磁化自由層の構造とＭＲ比との関係を示す。図３ａは、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＴｉＮ（０．４６６ｎｍ）／ＮｉＦｅ（ｘｎｍ）の本発明のサンドイッチ構造の磁化自由層における、第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）の厚さとＭＲ比の関係を示す。第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）の厚さが３ｎｍ以上の時、ＭＲ比は２２０％から１５０％へ減少し、飽和する。本実施例のサンドイッチ構造の磁化自由層における第２磁化自由層１１０（ＮｉＦｅ）が３ｎｍ以上の標準的なＭＲ比は１５０％である。

一方、図３中のｂ乃至ｅは、図２と同様、特許文献１に開示されるような、ＣｏＦｅＢからなる厚さ３ｎｍの第１磁化自由層と、Ｔａ、Ｒｕ、Ｔｉ又はＲｈからなる厚さ０．５ｎｍの中間層と、ＮｉＦｅからなる厚さ３ｎｍの第２磁化自由層を用いた構成のＭＲ比を示す。図３に示されるように、中間層としてＴａを使用した図３ｂのみが本実施例の構成よりも高いＭＲ比を示し、図３ｃ乃至ｅのＭＲ比は本実施例よりも低い。さらに、図２から明らかなように、Ｔａを中間層として利用する構成の保磁力は本実施例よりも遥かに大きい。

以上より、本発明のサンドイッチ構造（ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＴｉＮ（０．４６６ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ））は、磁化自由層の保磁力の低減と高いＭＲ比の確保の両方を達成できることが示された。上述のとおり、本実施例のＭＴＪ素子における磁化自由層の飽和磁化と磁化自由層の厚さとの積は７５Ｇμｍ以下であり、同時に５Ｏｅ以下の磁化自由層の保磁力と１５０％以上のＭＲ比とを実現している。

図４に、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＴｉＮ（ｘｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）の本発明のサンドイッチ構造の磁化自由層における、金属窒化物からなる中間層１０９（ＴｉＮ）の厚さと保磁力の関係を示す。中間層１０９の厚さを０．２８６ｎｍから０．７１９ｎｍまで変化させた時、保磁力は、４．５Ｏｅから４．２Ｏｅへわずかに減少した。図５に、ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）／ＴｉＮ（ｘｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）の本発明のサンドイッチ構造の磁化自由層における、金属窒化物ならなる中間層１０９（ＴｉＮ）の厚さとＭＲ比の関係を示す。中間層１０９の厚さを０．２８６ｎｍから０．７１９ｎｍまで変化させた時、ＭＲ比は、１３０％から１８０％へ増加した。

図６は、本発明のＭＴＪ素子の好ましい第２の実施形態の構造を示す図である。図１に示す第１の実施形態と異なり、中間層６０９は、金属窒化物ではなく合金からなる。例えば、Ｔａ、Ｎｂ，Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの内、少なくとも２つを含む合金が中間層６０９に使用される。本実施例の場合も、第１の実施形態の金属窒化膜と同様に、第１磁化自由層と第２磁化自由層との磁気結合を引き起こし、保磁力を低減させる効果がある。

図７は、本発明のＭＴＪ素子の好ましい第３の実施形態の構造を示す図である。図１に示す第１の実施形態と異なり、中間層は単層の金属窒化物ではなく、少なくとも第１中間層７０９及び第２中間層７０９’の２層を含む多層膜から構成される。例えば、Ｔａ、Ｎｂ，Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒから選択される金属からなる膜を複数具備する多層膜、またはこれらの金属の窒化物からなる膜を複数具備する多層膜、あるいはこれらの金属の合金からなる膜を複数具備する多層膜が中間層として使用される。本実施例の場合も、第１の実施形態の金属窒化膜と同様に、第１磁化自由層と第２磁化自由層との磁気結合を引き起こし、保磁力を低減させる効果がある。

Claims

少なくとも、トンネルバリア層を多層構造の磁化固定層と多層構造の磁化自由層とで挟持してなる積層構造を基板上に有する磁気トンネル接合素子であって、
前記多層構造の磁化固定層と、前記トンネルバリア層と、前記多層構造の磁化自由層とは、前記基板側からこの順に積層され、
前記多層構造の磁化自由層は、中間層を第１磁化自由層と第２磁化自由層とで挟持してなるサンドイッチ構造を有し、
前記中間層は、単層の金属窒化物、単層の合金、または、金属、金属窒化物または合金からなる膜を複数積層した多層膜、のいずれか１つからなり、
前記積層構造の形成後、磁界中でアニール処理することによって所定の磁化が与えられたことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
前記多層構造の磁化自由層は、第１磁化自由層と、中間層と、第２磁化自由層とが前記基板側からこの順で積層されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記多層構造の磁化固定層は、第１磁化固定層と、交換結合用非磁性層と、第２磁化固定層とが、前記基板側からこの順で積層されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記金属窒化物は、ＴｉＮｘ、ＨｆＮｘ、ＮｂＮｘ、ＴａＮｘ、ＶＮｘ、ＣｒＮｘ、ＺｒＮｘ，ＭｏＮｘ，ＷＮｘの内１つからなることを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合素子。
前記合金は、Ｔａ、Ｎｂ，Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの内、少なくとも２つを含むことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合素子。
前記多層膜は、Ｔａ、Ｎｂ，Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、これら金属の窒化物、またはこれら金属の合金からなる膜を複数積層した多層構造であることを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合素子。
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ層であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記ＭｇＯ層は、膜面に垂直に（００１）配向した多結晶構造であることを特徴とする請求項７記載の磁気トンネル接合素子。
前記第１磁化自由層は、ＣｏＦｅＢからなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記第２磁化自由層は、前記第１磁化自由層より小さい保磁力を有したＮｉＦｅからなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記アニール処理の条件は、アニール温度が２５０〜４００℃、前記温度を維持する時間が０．５〜１０時間、アニール中に印加する膜面に平行な磁界の強度が８ｋＯｅ以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記アニール処理後の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の保磁力は、５Ｏｅ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記アニール処理後の磁気トンネル接合素子のＭＲ比は、１５０％以上であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記アニール処理後の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の飽和磁化と厚さとの積が７５Ｇμｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。