JPWO2017141999A1 - トンネル磁気抵抗素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

トンネル磁気抵抗素子の耐熱性を向上し、より高温の磁場中熱処理後に優れた磁気抵抗特性を獲得させる。自由磁性層（４）は、絶縁層（５）に接合する強磁性層（４３）、ＮｉＦｅからなる軟磁性層（４１）、及びこれらの間に介在する磁気結合層（４２）を有し、当該磁気結合層の材料がＲｕ又はＴａからなり、層厚が１．０ｎｍから１．３ｎｍである。

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗素子及びその製造方法に関する。
トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、固定磁性層と自由磁性層との間に配置された絶縁層を有し、磁気トンネル接合（ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction））を形成する。固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させる。
自由磁性層には、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層（ＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢなど）を配置し、さらに、絶縁層に接合する強磁性層と軟磁性層との間に磁気結合層を介在させることで、磁気トンネル接合と軟磁性材料との固体物性上の結合は排除しつつ、磁気的な結合のみ発生させるシンセティック結合が利用されている。これにより、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性材料の磁気特性変化に連動して絶縁層の抵抗を変化させ、高感度化が可能である。
例えば、特許文献１において自由磁性層は、絶縁層と接合するＣｏＦｅＢからなる強磁性層と、ＮｉＦｅからなる軟磁性層と、それらの間に介在するＲｕからなる磁気結合層とを備えた構成とされている。
従来、磁気結合層の厚さは薄いほど磁気トンネル接合と軟磁性材料とのシンセティック結合が強固で安定し、磁気的な挙動も安定するとして、磁気結合層は０．５ｎｍ程度と非常に薄く設定されている（特許文献１の実施例では０．８５ｎｍ）。
特開２０１３−１０５８２５号公報
しかしながら、磁気結合層が薄くなると耐熱性の問題がある。すなわち、高温下で磁気結合層の一部が変性してしまうことで、シンセティック結合が不安定になり、トンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を十分に実現できないという現象がある。
上記の現象は、例えば、トンネル磁気抵抗素子を形成するための磁場中熱処理や、リフローにより基板にトンネル磁気抵抗素子を含むモジュールを実装する際に、大きな問題となっている。
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トンネル磁気抵抗素子の耐熱性を向上し、より高温の磁場中熱処理後に優れた磁気抵抗特性を獲得させることを課題とする。
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に配置された絶縁層により、磁気トンネル接合を形成し、前記固定磁性層の磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
前記自由磁性層は、前記絶縁層に接合する強磁性層、ＮｉＦｅからなる軟磁性層、及びこれらの間に介在する磁気結合層を有し、 前記磁気結合層の材料がＲｕ又はＴａからなり、層厚が１．０ｎｍから１．３ｎｍであることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子を製造する方法であって、
前記トンネル磁気抵抗素子に対して、外部磁界を印加しながら第１の温度で第１の熱処理を行い、該第１の温度よりも低い第２の温度でかつ前記第１の熱処理とは向きを異ならせて外部磁界を印加しながら第２の熱処理を行うことで、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸を、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対して異なる方向にするにあたり、
前記第１の温度を３４０℃から３７０℃とすることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。
本発明によれば、トンネル磁気抵抗素子の耐熱性を向上し、より高温の磁場中熱処理後に優れた磁気抵抗特性を獲得させることができる。
本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子が構成されたＴＭＲセンサーモジュールの積層構造の断面図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の模式的斜視図であり、絶縁層を省略して描いている。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の模式的斜視図であり、絶縁層を省略して描いている。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の磁場中熱処理工程における炉中温度の変遷を示すグラフである。 本発明例及び比較例に係り、外部磁界（Ｈ（Ｏｅ）、横軸）に対するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％）、縦軸）を示したグラフである。
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
図１に示すようにトンネル磁気抵抗素子１は、基板２上に、下地層３、自由磁性層４、絶縁層５、固定磁性層６、耐腐食層７、保護層８、電極下地層９、上部電極層１０が順次積層された積層構造を有する。
自由磁性層４は、下から軟磁性層４１、磁気結合層４２、強磁性層４３が積層された積層構造を有する。
固定磁性層６は、下から強磁性層６１、磁気結合層６２、強磁性層６３、反強磁性層６４が積層された積層構造を有する。
材料構成としては、基板２がシリコン材料（Ｓｉ，ＳｉＯ２）、下地層３がＴａ、軟磁性層４１がＮｉＦｅ、磁気結合層４２がＲｕ、強磁性層４３がＣｏＦｅＢ、絶縁層５がＭｇＯ、強磁性層６１がＣｏＦｅＢ、磁気結合層６２がＲｕ、強磁性層６３がＣｏＦｅ、反強磁性層６４がＩｒＭｎ、耐腐食層７がＴａ、保護層８がＲｕ、電極下地層９がＴａ、上部電極層１０がＡｕで構成される。なお、本実施形態に拘わらず、磁気結合層４２の材料をＴａ及び磁気結合層６２の材料は、いずれか一方をＴａ、又は双方をＴａとしてもよい。
下地層３は、軟磁性層４１を構成するＮｉＦｅを結晶化させるための下地として機能する。軟磁性層４１の下地の平面度、ＮｉＦｅの付着性を向上させる。
軟磁性層４１は、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化し、強磁性層４３より反応しやすい。軟磁性層４１の厚みは、薄いとＴＭＲ比が大きくなり、厚いと２Ｈｋが小さくなるため、バランスよく設定される。軟磁性層４１を構成するＮｉＦｅは、ＦＣＣ結晶構造となる。
磁気結合層４２は、軟磁性層４１と強磁性層４３とを磁気的に結合させる。磁気結合層４２は、軟磁性層４１を構成するＮｉＦｅの結晶構造と、強磁性層４３を構成するＣｏＦｅＢの結晶構造とを切り離す役目を有する。磁気結合層４２が薄すぎると、ＣｏＦｅＢの結晶構造がＮｉＦｅの結晶構造に影響される。
強磁性層４３は、絶縁層５と結晶構造が一致し、スピンジャンプを保持する。強磁性層４３を構成するＣｏＦｅＢは、ＢＣＣ結晶構造となる。磁気結合層４２の介在により軟磁性層４１と強磁性層４３とがシンセティック結合する。
絶縁層５、磁気トンネル接合の絶縁体抵抗層であり、＜００１＞方向に結晶化している。絶縁層５の厚みにより接合面の単位面積当たりの抵抗値、ＴＭＲ比が変化する。
強磁性層６１は、絶縁層５と結晶構造が一致し、スピンジャンプを保持する。強磁性層６１を構成するＣｏＦｅＢは、ＢＣＣ結晶構造となる。強磁性層６１は、成膜時はアモルファス構造で、熱処理によりＢが抜けてＢＣＣ結晶に成長し、抜けたＢはＴａ層やＭｇＯ層に移動する。
磁気結合層６２は、強磁性層６１と強磁性層６３とを磁気的に結合させる。磁気結合層６２の厚みにより、強磁性層６１を構成するＣｏＦｅＢと強磁性層６３を構成するＣｏＦｅとの結合の仕方が変化する。その変化は０．４ｎｍ毎に繰り返す。磁気結合層６２の厚みは、薄いほど結合強度が得られるが、薄すぎると熱処理できなくなる。
強磁性層６３は、強磁性層６１とシンセティック結合する。強磁性層６３を構成するＣｏＦｅは、ＦＣＣ結晶構造となる。
反強磁性層６４を構成するＩｒＭｎは、強磁性層６３を構成するＣｏＦｅの結晶化に影響し、強磁性層６３の磁化の向きの固定化を促進する。
耐腐食層７は、下層の酸化防止作用がある。
保護層８は、経年劣化防止する保護作用がある。但し、上層の電極をすぐ製作する場合は省略される場合もある。
電極下地層９は、上部電極層１０の付着性向上等のための下地である。
上部電極層１０に、ワイヤーボンディングなどで配線が接合される。
（製造方法）
各層は、例えば、マグネトロンスパッタリング法により形成することができる。また、所望の結晶構造を得る等の目的のために、必要に応じて熱処理を施すとよい。本実施形態にあっては、図２Ａ，図２Ｂに示すように、自由磁性層４の容易磁化軸４ａは、固定磁性層６の容易磁化軸６ａに対してねじれの位置にある。このような関係の容易磁化軸４ａ，６ａを得るために、各層を積層した基板２を炉に納めるとともに磁界中に置き、図３に示すように温度条件の異なる２回の熱処理を行う。
まず、第１の熱処理を行うことで、自由磁性層４及び固定磁性層６に誘導磁気異方性が付加され、自由磁性層４の容易磁化軸４ａ及び固定磁性層６の容易磁化軸６ａが形成される。但し、容易磁化軸４ａと容易磁化軸６ａとが同方向を向いている。第２の熱処理の温度変遷グラフＡ２における頂点温度（第２の温度）は、第１の熱処理の温度変遷グラフＡ１における頂点温度（第１の温度）より低く（好適には１０℃以上低く）、第１の熱処理の後、好ましくは室温付近まで冷却した後、第２の熱処理を行うことで固定磁性層６の容易磁化軸６ａが容易磁化軸４ａに対してねじれの位置に形成される。容易磁化軸４ａは、第１の熱処理時の磁界方向に沿って形成される。容易磁化軸６ａは、第２の熱処理時の磁界方向に沿って形成される。したがって、第１の熱処理時の磁界方向に対し第２の熱処理時の磁界方向を変えることで容易磁化軸６ａを容易磁化軸４ａに対してねじれの位置にすることができる。第１の熱処理時の磁界方向及び第２の熱処理時の磁界方向は層に平行である。したがって、基板２上の積層方向の軸（＝基板２に垂直な軸）まわりに磁界方向を回転させることで、容易磁化軸６ａを容易磁化軸４ａに対してねじれの位置にすることができる。熱処理時間に特に制限はなく、例えば１０分〜２時間程度行えばよく、また、第１の熱処理よりも第２の熱処理の時間を短くすることが好ましい。熱処理の際の磁界にも特に制限はなく、例えば０．０１〜２［Ｔ］の範囲で行えばよく、また、第１の熱処理よりも第２の熱処理における外部磁界を小さくすることが好ましい。
図２Ａに示すように容易磁化軸４ａと容易磁化軸６ａとのねじれの角φは９０度を目標として作製すれば足りる。図２Ｂに示すように容易磁化軸４ａと容易磁化軸６ａが平行でなければ、両者の成すねじれの角φが９０度でなくても感度向上の効果はあるが、ねじれの角φは、４５度から１３５度の範囲とすることが好ましい。
また、固定磁性層６の面積は、自由磁性層４の面積と等しいか、図２Ａ，図２Ｂに示すように、自由磁性層４の面積に対して小さくする。固定磁性層６の面積を相対的に小さくすることで、固定磁性層６から自由磁性層４への漏れ磁界の影響が小さくなり、磁気検出の感度をさらに向上させることができる。固定磁性層６の面積と、自由磁性層４の面積との比率は、これに限るものではないが、１：１〜１：１０の範囲に設定することが好ましい。
（耐熱性と磁気抵抗特性）
トンネル磁気抵抗素子１の耐熱性を向上し、より高温の磁場中熱処理後に優れた磁気抵抗特性を獲得させるために、磁気結合層４２の層厚を１．０ｎｍから１．３ｎｍとし、第１の熱処理の温度変遷グラフＡ１における頂点温度（第１の温度）を３４０℃から３７０℃とする。
図４のグラフは、第１の温度を３５０℃とし、磁気結合層４２の層厚を０．８５，１．０，１．１，１．３５（ｎｍ）として上記実施形態に従いそれぞれ製作したトンネル磁気抵抗素子１の磁気抵抗特性を示す。
磁気結合層４２の層厚が１．０ｎｍから１．３ｎｍである範囲で、この範囲を下回る場合及び上回る場合に対して、高く安定したＴＭＲ比性能が得られた。
本発明は、高感度な磁気センサー等に利用することができる。
１ トンネル磁気抵抗素子
２ 基板
３ 下地層
４ 自由磁性層
４ａ 容易磁化軸
５ 絶縁層
６ 固定磁性層
６ａ 容易磁化軸
７ 耐腐食層
８ 保護層
９ 電極下地層
１０ 上部電極層
４１ 軟磁性層
４２ 磁気結合層
４３ 強磁性層
６１ 強磁性層
６２ 磁気結合層
６３ 強磁性層
６４ 反強磁性層

Claims (2)

  1. 磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に配置された絶縁層により、磁気トンネル接合を形成し、前記固定磁性層の磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
    前記自由磁性層は、前記絶縁層に接合する強磁性層、ＮｉＦｅからなる軟磁性層、及びこれらの間に介在する磁気結合層を有し、
    前記磁気結合層の材料がＲｕ又はＴａからなり、層厚が１．０ｎｍから１．３ｎｍであることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
  2. 請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子を製造する方法であって、
    前記トンネル磁気抵抗素子に対して、外部磁界を印加しながら第１の温度で第１の熱処理を行い、該第１の温度よりも低い第２の温度でかつ前記第１の熱処理とは向きを異ならせて外部磁界を印加しながら第２の熱処理を行うことで、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸を、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対して異なる方向にするにあたり、
    前記第１の温度を３４０℃から３７０℃とすることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
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