JPWO2018100837A1 - 磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、集積素子及び集積素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

この磁化反転素子は、単結晶基板と、磁化安定化層と、第１強磁性金属層と、接合層と、を順に有し、少なくとも前記単結晶基板、前記磁化安定化層及び前記第１強磁性金属層が単結晶化している。

Description

本発明は、磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、集積素子及び集積素子の製造方法に関するものである。
本願は、２０１６年１２月２日に、日本に出願された特願２０１６−２３５２３８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が磁気抵抗効果素子として知られている。これらの素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いることができ、注目が集まっている。

特定の複雑な機能を果たすために、多数の素子を一つに集積する試みが行われている。集積回路（ＩＣ）はその一例であり、特許文献１には多数のデバイスが３次元的に積層された集積回路が記載されている。

従来、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子に代表される磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド等の用途として用いられることが多く、集積化の取り組みは十分行われていなかった。しかしながら、ＭＲＡＭ等のメモリセルとしての用途の開発と共に、集積回路内に磁気抵抗効果素子を組み込む要望が強まっている。

しかしながら、磁気抵抗効果素子は原子数層分の層が積層された素子である。そのため、従来の集積回路に組み込まれていたキャパシタやダイオード等と比較して、磁気抵抗効果素子を集積回路内に組み込むためにはより精密な制御が求められる。

例えば、非特許文献１には、半導体素子を含む集積基板上にスピン注入メモリ（ＳＴＴ―ＭＲＡＭ）を積層しても、高い磁気異方性が得られないことが記載されている。

非特許文献１には、集積基板上にＳＴＴ−ＭＲＡＭを積層しても高い磁気異方性を実現できない理由として、半導体素子を含む集積基板が結晶配向性を有さないことが記載されている。結晶配向性を有さない集積基板はエピタキシャル層を積層するための下地層として好ましくなく、高い磁気異方性を有する磁化膜を積層できないことが非特許文献１には記載されている。

特開２００８−２８８３８４号公報

K.Yakushiji, A.Sugihara, H.takagi, Y.Kurashima, N.Watanabe,K.Kikuchi, M.Aoyagi, and S.Yuasa, 第４０回日本磁気学会学術講演概要集、６ａＡ−７（２０１６）.

非特許文献１では、Ｓｉ基板と磁気抵抗効果素子との間にアモルファスのＴａ層を積層している。つまり、Ｓｉ基板と磁気抵抗効果素子の間の結晶学的なつながりはない。そのため非特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ）が得られる磁気異方性は、アモルファス層を積層した集積基板上に磁気抵抗効果素子を積層した場合とほとんど変わらない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、集積基板上でも高い磁気異方性を有する磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び集積素子を提供すること、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、集積基板と接合する磁化反転素子又は磁気抵抗効果素子を単結晶上にエピタキシャル成長させて得られたものとすることで、高い磁気異方性を実現できることを見出した。

（１）第１の態様にかかる磁化反転素子は、単結晶基板と、磁化安定化層と、第１強磁性金属層と、接合層と、を順に有し、少なくとも前記単結晶基板、前記磁化安定化層及び前記第１強磁性金属層が全体で単結晶化している。

（２）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記単結晶基板と前記磁化安定化層とが異なる材料を含んでもよい。

（３）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記単結晶基板が、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＭｇＯ、スピネル型構造を有する物質、及び立方晶のペロブスカイト構造を有する物質からなる群から選択される少なくとも一つからなってもよい。

（４）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記磁化安定化層が、ＭｇＯ、Ｉｒ及びスピネル型構造を有する物質からなる群から選択される少なくとも一つからなってもよい。

（５）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記第１強磁性金属層がＦｅを含有する立方晶の強磁性金属であってもよい。

（６）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記単結晶基板と前記磁化安定化層の格子整合度が１０％以下であってもよい。

（７）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記磁化安定化層と前記第１強磁性金属層の格子整合度が６％以下であってもよい。

（８）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記磁化安定化層の厚みが１ｎｍ以上であってもよい。

（９）上記態様にかかる磁化反転素子において、前記接合層が、Ｔａ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｕからなる群から選択される少なくとも一つ以上の元素を含んでもよい。

（１０）第２の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる磁化反転素子の前記第１強磁性金属層と前記接合層との間に、非磁性層と第２強磁性金属層とを、前記第１強磁性金属層側から順に有する。

（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性金属層が、シンセティック反強磁性構造を有してもよい。

（１２）第３の態様にかかる集積素子は、半導体素子を含む集積基板と、上記態様にかかる磁化反転素子、又は、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子と、を有し、前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子は、前記集積基板に対して前記接合層を介して接合している。

（１３）上記態様にかかる集積素子において、前記集積基板と前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子との間に第２接合層をさらに有し、前記接合層と前記第２接合層とが同一の材料を含んでもよい。

（１４）第４の態様にかかる集積素子の製造方法は、上記態様にかかる磁化反転素子、又は、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を、半導体素子を含む集積基板上に前記接合層を介して接合する工程を有する。

（１５）上記態様にかかる集積素子の製造方法において、前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子における前記単結晶基板に水素イオンをイオン注入する工程と、イオン注入後の単結晶基板を加熱し、前記水素イオンが注入された部分で、前記単結晶基板を切断する工程と、をさらに有してもよい。

（１６）上記態様にかかる集積素子の製造方法において、前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子と前記集積基板とを接合する前に、前記イオン注入を行ってもよい。

（１７）上記態様にかかる集積素子の製造方法において、前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子における前記単結晶基板の途中又は前記単結晶基板と前記磁化安定化層との間にグラフェンを積層する工程と、前記グラフェンが積層された界面で劈開し、前記単結晶基板を除去する工程と、をさらに有してもよい。

（１８）上記態様にかかる集積素子の製造方法において、前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子を積層する際に、単結晶基板上に、少なくとも磁化安定化層と第１強磁性金属層とをエピタキシャル成長させてもよい。

本発明によれば、集積基板上でも高い磁気異方性を有する磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び集積素子及びその製造方法を提供できる。

第１実施形態にかかる集積素子の断面模式図である。 第１実施形態にかかる集積素子に用いられる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 第１実施形態にかかる集積素子に用いられる磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。 第１実施形態にかかる集積素子の製造方法を説明するための図である。 第２実施形態にかかる集積素子の断面模式図である。 第２実施形態にかかる集積素子に用いられる磁化反転素子の断面模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

＜第１実施形態＞
「積層素子」
図１は、第１実施形態にかかる積層素子の断面模式図である。図１に示すように、第１実施形態にかかる積層素子は、集積基板７０と磁気抵抗効果素子１００（図２参照）とが接合層４０を介して接合されたものである。図１は、磁気抵抗効果素子１００の単結晶基板１０（図２参照）が接合後に除去された状態を示している。図１に示す磁気抵抗効果素子１００は、集積基板７０と磁気抵抗効果素子１００の間に第２接合層８０を有する。

「磁気抵抗効果素子」
図２は、第１実施形態にかかる集積素子に用いられる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図２に示す磁気抵抗効果素子１００は、単結晶基板１０と、磁化安定化層２０と、第１強磁性金属層３０と、非磁性層５０と、第２強磁性金属層６０と、接合層４０とを備える。磁気抵抗効果素子１００において少なくとも単結晶基板１０、磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０は、単結晶化している。

「単結晶化している」とは、単結晶基板１０上に少なくとも磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０がエピタキシャル成長しており、原子レベルで積層界面が接続されていることを意味する。

「原子レベルで積層界面が接続されている」とは、全ての原子が積層方向に連続に接続されている必要はなく、積層界面の９０％以上の原子が積層方向に連続していればよい。

また「原子レベルで積層界面が接続されている」ことは、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）像から確認できる。ＳＴＥＭ像のみで確認し難い場合は、ＳＴＥＭ像から得られる界面近傍領域の情報をフーリエ変換して得られる（２２０）スポットの逆フーリエ変換像を確認する。逆フーリエ変換像では、原子の積層方向の情報を抽出するため、ミスフィット転位の有無を容易に観察できる。

磁気抵抗効果素子１００の少なくともこれらの層が単結晶化することで、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比が向上する。磁気抵抗効果素子１００は、一般に基板から順に積層される。磁気抵抗効果素子１００における各層の厚みは数ｎｍ〜数十ｎｍと極めて薄く、下地の影響を受けやすい。基板に単結晶を用い、単結晶上に各層をエピタキシャル成長させると、各層の結晶性が高まる。その結果、第１強磁性金属層３０の磁気異方性を高めることができ、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比が向上する。

単結晶基板を平坦化する技術は確立されている。平坦化した単結晶上にエピタキシャル成長した各層は高い平坦性を有し、磁気抵抗効果素子１００が高い平坦性を持つ積層膜となる。例えば、磁気抵抗効果素子１００の電流経路が限定される構造において、積層される各層が少なくとも原子３層以内の平坦さをもつと、印加電圧に対する耐圧性も向上する。

さらに、単結晶上に各層をエピタキシャル成長させた場合、粒状成長することが避けられる。その結果、粒界で実効的に低下してしまう非磁性層のバリアハイトを高いままに維持することができる。これにより磁気抵抗効果素子１００の耐圧性の向上のみならず、デバイス製造の歩留まりも向上させることができる。
以下、各層の構成について具体的に説明する。

（単結晶基板）
単結晶基板１０は、磁気抵抗効果素子１００の基礎となる層である一方で、集積素子２００では除去可能な層である。そのため単結晶基板１０は、磁気抵抗効果素子１００の製造に焦点を絞って選択できる。

磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比を向上させるために、単結晶基板１０は積層される磁化安定化層２０との格子整合性が高い材料からなることが好ましい。具体的には、単結晶基板１０は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＭｇＯ、スピネル型構造を有する物質、及び立方晶のペルブスカイトを有する物質からなる群から選択される少なくとも一つからなることが好ましい。スピネル型構造を有する物質としては、例えばＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、及びγ−Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられ、立方晶のペロブスカイト構造を有する物質としては、ＳｒＴｉＯ_３等が挙げられる。

ここで「格子整合性が高い」とは、積層される側の結晶の周期構造と積層する側の結晶の周期構造との一致度が高いことを意味する。以下、この格子整合性の高さを格子整合度と言う指標で表す。格子整合度は、積層される側の結晶の周期構造をＡ、積層する側の結晶の周期構造をＢとすると、｜Ａ−Ｂ｜／Ａ×１００で表記される指標である。格子整合度が小さいほど格子整合性は高く、格子整合度が大きいほど格子整合性は低くなる。積層される側の結晶の周期構造Ａ及び積層される側の結晶の周期構造Ｂとしては、それぞれの結晶の格子定数の整数倍等を用いることができる。

（磁化安定化層）
磁化安定化層２０は、単結晶基板１０上に積層される層である。磁化安定化層２０は、磁気抵抗効果素子１００を作製する段階で第１強磁性金属層３０の磁気異方性を高め、集積素子２００となった後では第１強磁性金属層３０の劣化を防ぐ。磁化安定化層２０は、磁気抵抗効果素子１００を作製する段階での機能と、貼り合わせ後の集積素子２００としての機能とを考慮して、材料及び構成等を選択することが好ましい。つまり、磁化安定化層２０は、単結晶基板１０と格子整合しやすい材料であり、第１強磁性金属層３０に界面磁気異方性を付与できる酸化物や重金属などのスピン・軌道相互作用の大きい材料が好ましい。

磁気抵抗効果素子１００を作製する段階において磁化安定化層２０は、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比の向上に寄与する。磁化安定化層２０が単結晶基板１０上にエピタキシャル成長することで、その上に積層される第１強磁性金属層３０の結晶性が高まり、磁気異方性が高まる。

磁化安定化層２０は、単結晶基板１０との格子整合性が高い（格子整合度が小さい）ことが好ましい。具体的には、単結晶基板１０と磁化安定化層２０の格子整合度が１０％以下であることが好ましく、６％以下であることがより好ましく、４％以下であることがさらに好ましい。格子整合度が１０％以下であれば、面内方向の９０％以上の原子が積層方向に連続可能であり、エピタキシャル成長することができる。

このような材料としては、ＭｇＯ、Ｉｒ及びスピネル型構造を有する物質からなる群から選択される少なくとも一つを用いることができる。スピネル型構造を有する物質としては、上述のものが挙げられる。

またこれらの材料の中でも、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＳｒＴｉＯ_３、γ−Ａｌ_２Ｏ_３等の酸化物が特に好ましい。磁化安定化層２０内の酸素は、第１強磁性金属層３０と磁化安定化層２０との界面において界面磁気異方性を与え、第１強磁性金属層３０の磁化の垂直磁気異方性を高める。

集積素子２００の集積性を高めるためには、第１強磁性金属層３０の磁化方向は、積層面に対して垂直な垂直磁気異方性を有することが好ましい。磁性体の磁化方向は、磁性体の膜厚及び積層体の界面の影響を大きく受ける。強磁性体に隣接する層が酸素を含むと、酸素の効果により界面磁気異方性が強まる。すなわち、磁化安定化層２０が酸素を含むことで、第１強磁性金属層３０の垂直磁気異方性が高まる。

磁化安定化層２０と単結晶基板１０とは、異なる材料からなることが好ましい。磁化安定化層２０と単結晶基板１０とが異なる材料からなると、単結晶基板１０と第１強磁性金属層３０との格子整合性が低い（格子整合度が大きい）場合でも、磁化安定化層２０により各層の界面における格子整合性を調整することができる。また、単結晶基板１０を任意に選択できることで、コストを下げたり、プロセス上の選択肢を増やすことができる。

磁化安定化層２０と単結晶基板１０が同一の材料からなる場合でも、単結晶基板１０と積層された磁化安定化層２０との界面には、微小なピットや異物等があり、これらの界面はＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像等から判断可能である。異物は、例えば、磁化安定化層２０と単結晶基板１０の酸化物やこれらの化合物が挙げられる。

一方で、集積素子２００において磁化安定化層２０は、キャップ層として機能する。キャップ層は、集積素子２００の酸化防止、集積素子２００からの元素拡散の防止、集積素子２００の結晶配向性の向上等に寄与する。

例えば、第１強磁性金属層３０が酸化すると、第１強磁性金属層３０の一部が非磁性化し、磁気異方性が低下する。キャップ層を設けることで、第１強磁性金属層３０の磁化安定性が高まる。

また例えば、集積回路において集積素子２００上に、磁気抵抗効果素子１００に電流を流すための配線等を積層することがある。この場合、第１強磁性金属層３０を構成する元素の一部が、積層された配線に拡散するおそれがある。第１強磁性金属層３０を構成する元素が拡散すると、第１強磁性金属層３０の磁化安定性が低下する。キャップ層として機能する磁化安定化層は、この元素拡散を阻害し、第１強磁性金属層３０の磁化安定性を高める。

磁化安定化層２０は、上述のようなキャップ層としての機能のみを考慮すると、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。しかしながら、これらの材料は単結晶基板１０との格子整合性に優れず、エピタキシャル成長することができない。これに対し、上述のＭｇＯ、Ｉｒ及びスピネル型構造を有する物質からなる群から選択される少なくとも一つは、単結晶基板１０上にエピタキシャル成長可能であり、キャップ層としても好適に機能する。キャップ層としての機能も考慮すると、磁化安定化層２０は非磁性層５０と同じ材料を選択することが特に好ましい。

磁化安定化層２０の厚みは、１ｎｍ以上であることが好ましい。磁化安定化層２０が充分な膜厚を有することで、単結晶基板１０と第１強磁性金属層３０の格子整合度の違いを調整できる。また、磁化安定化層２０が充分な膜厚を有すること、キャップ層としての機能も十分果たすことができる。一方で、集積素子２００上に積層する配線と磁気抵抗効果素子１００との間の導電性を十分確保するためには、磁化安定化層２０の厚みは３ｎｍ以下であることがより好ましい。

（第１強磁性金属層）
第１強磁性金属層３０は、磁化の向きが固定された磁化固定層でも、磁化の向きが可変である磁化自由層でもよい。

集積素子２００は、磁化固定層が集積基板７０側に存在する方が、磁化安定性が高まる。また磁気抵抗効果素子１００の製造過程において単結晶基板１０側の磁性体は、磁化安定性が高い。基板が単結晶基板１０の場合、磁化自由層の磁気特性を高めた方が磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比は向上する。そのため、第１強磁性金属層３０は磁化自由層であることが好ましい。以下、第１強磁性金属層３０を磁化自由層として記載する。

第１強磁性金属層３０の材料としては、強磁性材料、特に軟磁性材料が適用される。第１強磁性金属層３０は、Ｆｅを含有する立方晶の強磁性金属であることが好ましい。第１強磁性金属層３０が立方晶の結晶構造を有すると、磁化安定化層２０との格子整合性を高めやすく、エピタキシャル成長しやすい。

Ｆｅを含有する立方晶の強磁性金属としては、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの群から選択される金属を１種以上含む合金、又は、これらのから選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが例示できる。

また第１強磁性金属層３０は、Ｃｏ_２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はスピン分極率が高く、高いＭＲ比を実現できる。ホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素である。Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒまたＴｉ族の遷移金属又は、Ｘの元素種である。Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ（ａ、ｂは整数）などが挙げられる。

第１強磁性金属層３０の厚みは、４ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性金属層３０が当該厚みの範囲内であれば、磁化安定化層２０及び非磁性層５０とのそれぞれの界面で、第１強磁性金属層３０に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第１強磁性金属層３０の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層３０の膜厚は薄い方が好ましい。一方で、大きなＭＲ比を得るという観点からは、第１強磁性金属層３０の厚みは、第１強磁性金属層３０のスピン拡散長程度の厚さであることが好ましい。

また第１強磁性金属層３０は、磁化安定化層２０に対する格子整合度が６％以下であることが好ましく、４％以下であることがより好ましく、２％以下であることがさらに好ましい。格子整合度が当該範囲であれば、第１強磁性金属層３０を磁化安定化層２０上にエピタキシャル成長できる。第１強磁性金属層３０がエピタキシャル成長することで、単結晶基板１０、磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０が単結晶化する。

磁化安定化層２０に対する格子整合度が６％以下を満たす材料としては、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ（ａ、ｂは整数）等が挙げられる。

（非磁性層）
非磁性層５０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層５０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。

また、非磁性層５０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。

非磁性層５０も、単結晶基板１０、磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０と共に単結晶化することが好ましい。単結晶化するためには、非磁性層５０は立方晶構造を有することが好ましく、スピネル構造又は岩塩型構造を有することが特に好ましい。

例えば、ＭｇＯは岩塩型構造をとり、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＳｒＴｉＯ_３及びγ−Ａｌ_２Ｏ_３等はスピネル構造をとる。岩塩型構造はいわゆるＮａＣｌ型構造であり、Ｍｇイオンと酸素イオンが交互に配列する。一方で、ここで言うスピネル構造とは、正スピネルと逆スピネルの規則性スピネル構造とスケネル構造のいずれも含む概念である。

スケネル構造は、スピネル構造を構成する２つの陽イオンの配置が不規則化した構造である。スケネル構造は、酸素イオンの配列はスピネルとほぼ同等の最密立方格子を取っているものの、陽イオンが占有する位置がランダム化している。規則性スピネル構造では、酸素イオンの四面体空隙及び八面体空隙に所定の陽イオンが規則正しく配列する。これに対し、スケネル構造では、四面体空隙及び八面体空隙に陽イオンがランダムに配置され、規則化スピネル構造では所定の陽イオンが占有する酸素原子の四面体位置及び八面体位置に、異なる陽イオンが配置される。その結果、スケネル構造は結晶の対称性が変わり、規則性スピネル構造に対して実質的に格子定数が半減した構造となっている。

磁化安定化層２０が酸化膜からなる場合は、非磁性層５０は磁化安定化層２０と同一の材料からなることが好ましい。磁化安定化層２０と非磁性層５０に用いることができる材料は類似している。非磁性層５０に磁化安定化層２０と同一の材料を用いると、第１強磁性金属層３０との格子整合度が必然的に高まり、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比が高まる。

（第２強磁性金属層）
第２強磁性金属層６０は、第１強磁性金属層３０が磁化自由層の場合は磁化固定層となり、第１強磁性金属層３０が磁化固定層の場合は磁化自由層となる。以下、第２強磁性金属層６０を磁化固定層として記載する。

第２強磁性金属層６０には、第１強磁性金属層３０と同様の材料を用いることができる。第２強磁性金属層６０も、単結晶基板１０、磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０と共に単結晶化することが好ましい。

第２強磁性金属層６０の保磁力を第１強磁性金属層３０より高めるために、第２強磁性金属層６０は、図１及び図２に示すようなシンセティック反強磁性構造を有することが好ましい。

シンセティック反強磁性構造は、非磁性層６２を挟む二つの磁性層６１，６３からなる。二つの磁性層６１，６３はそれぞれ磁化が固定されており、固定された磁化の向きは反対である。そのため、磁化自由層（第１強磁性金属層３０）の磁化が動いても、二つの磁性層６１，６３の磁化は安定性を保つことができ、第２強磁性金属層６０の保磁力を高めることができる。また二つの磁性層６１，６３が生み出す磁場は互いに打ち消す合うため、第１強磁性金属層３０への漏れ磁場の影響も抑えられる。

第２強磁性金属層６０は例えば、単結晶基板１０側から順にＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（０．２ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］_４／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］_６とすることで、磁化の向きを垂直にすることができる。

また図３に示すように、第２強磁性金属層６０は、第１強磁性金属層３０に対して厚みが厚い構造としてもよい。第２強磁性金属層６０の厚みを厚くすることで、第２強磁性金属層６０内の磁化の総量が多くなり、保磁力が高まる。

（接合層）
接合層４０は、第２強磁性金属層６０上に積層される。接合層４０は、磁気抵抗効果素子１００を作製する段階ではキャップ層として機能し、集積素子２００では磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０の接合を担う。そのため、接合層４０は、磁気抵抗効果素子１００を作製する段階での機能と、貼り合わせ後の集積素子２００としての機能とを考慮して、材料及び構成等を選択することが好ましい。

接合層４０のキャップ層としての機能は、磁気抵抗効果素子１００の酸化防止、磁気抵抗効果素子１００の結晶配向性の向上等がある。キャップ層は、磁気抵抗効果素子１００の第１強磁性金属層３０及び第２強磁性金属層６０の磁性の安定化し、磁気抵抗効果素子１００を低抵抗化する。

接合層４０は、Ｔａ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｕからなる群から選択される少なくとも一つ以上の元素を含むことが好ましい。アモルファスのこれらの材料に圧力を加えると、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０との間を接合する。
またこれらの材料は、磁気抵抗効果素子１００のキャップ層として機能する。そのため、キャップ層として機能する観点からは、Ｔａ、Ａｕ、Ｉｎ及びＣｕからなる群から選択される少なくとも一つ以上の原子を含むことが特にこのましい。

「集積基板」
集積基板７０は、半導体素子を含む任意の基板を用いることができる。例えば、図１に示す集積基板７０は、層間絶縁層７１と貫通電極７２とを有する。貫通電極７２は、層間絶縁層７１によって隔てられた複数の素子間を電気的に接続する。貫通電極７２には、図示略の半導体素子等が接続される。

層間絶縁層７１は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。層間絶縁層７１には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等が用いられる。

貫通電極７２は、導電性の高い公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ及びＺｒからなる群から選択されるいずれかの単体、合金、窒化物等を用いることができる。

（第２接合層）
第２接合層８０は、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０との間に配設される。第２接合層８０は、接合層４０と同一の材料を含む。すなわち、第２接合層８０は、Ｔａ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｕからなる群から選択される少なくとも一つ以上の元素を含むことが好ましい。

第２接合層８０は、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０との接合性を高める。接合層４０と同一の材料を含む第２接合層８０を有すると、接合する際に同一材料を含む層同士が接合する。同一材料同士は接合しやすく、第２接合層８０を設けない場合と比較して密着性が高まる。

なお、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０とが接合した後の集積素子２００の段階でも、接合層４０と第２接合層８０の界面はＴＥＭ等で判断可能である。

「集積素子の製造方法」
次いで、図４を参考に、集積素子２００の製造方法について説明する。図４は、第１実施形態にかかる集積素子の製造方法を説明するための図である。

まず図４（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子１００を作製する。磁気抵抗効果素子１００は、公知の成膜法を用いて作製できる。例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法など通常の薄膜作製法を用いることもできる。

磁気抵抗効果素子１００を積層する際に、少なくとも単結晶基板１０、磁化安定化層２０、第１強磁性金属層３０はエピタキシャル成長するように、成長条件を調整する。例えば、成膜真空度を高め、ターゲットと被成膜体との距離を離し、印加電圧を小さくする。
このように成膜条件を緩やかにすることで、互いの結晶構造にあわせてエピタキシャル成長する。

非磁性層５０がトンネルバリア層の場合は、金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化及び熱処理によって酸化膜を形成できる。

また詳細は後述するが、集積素子２００では単結晶基板１０は除去される。そのため、単結晶基板１０を簡便に除去するために、単結晶基板１０に水素イオンをイオン注入してもよい。同程度のエネルギーで単結晶基板１０に注入された水素イオンは、単結晶基板１０の同じような位置に配列する。水素イオンが注入された部分を以下、イオン注入部１１という。

イオン注入部１１は、単結晶基板１０の積層面から１００ｎｍ以下の位置に設けることが好ましい。単結晶基板１０はイオン注入部１１で分断されるため、当該位置にイオン注入部１１を設けることで、後述する単結晶基板１０の除去プロセスを簡易化できる。

イオン注入は、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０とを接合する前に行うことが好ましい。すなわち、磁気抵抗効果素子１００を積層する前の単結晶基板１０の段階、又は、積層した後の磁気抵抗効果素子１００の段階で行うことが好ましい。

磁気抵抗効果素子１００を積層する前段階であれば、単結晶基板１０のいずれ側からでもイオン注入を行うことができ、容易にイオン注入を行うことができる。また磁気抵抗効果素子１００が積層されていないため、作業性に優れる。

一方で、磁気抵抗効果素子１００を積層した後に行うと、イオン注入した水素イオンが、第１強磁性金属層３０等の磁性膜を積層する際に影響を及ぼすことが避けられる。

次いで、図４（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０とを接合層４０を介して接合する。集積基板７０の接合面には、第２接合層８０を形成しておくことが好ましい。

接合は、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０を積層後に、積層方向に圧力を加えることで行う。圧力が印加されると、アモルファスの接合層４０が接着剤のように機能し、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０とを接合する。

接合する前には化学機械研磨（ＣＭＰ）によって磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０の接合面を平坦化し、さらに、表面の異物を除去することが好ましい。磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０の接合面の平坦度は１０００ｎｍの領域内で、３ｎｍの高低差であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０の接合面の平坦度は１００ｎｍの領域内で、１．５ｎｍの高低差であることがさらに好ましい。

接合時の印加圧力は、２ＧＰａ以上であることが好ましく、３ＧＰａ以上であることがより好ましい。充分な圧力を加えることで、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０とが強く接合される。磁気抵抗効果素子１００及び集積基板７０の破損を避けるために、印加圧力は１０ＧＰａ以下であることが好ましい。

次いで、イオン注入を行った場合は、磁気抵抗効果素子１００と集積基板７０との積層体を、４００℃〜１０００℃程度の温度で加熱する。積層体を加熱すると、図４（ｃ）に示すように、イオン注入部１１で単結晶基板１０が劈開する。劈開後の単結晶基板１０’は、当初の単結晶基板１０より薄くなり、イオン注入部１１を設けた位置と同等の厚みとなる。

そして単結晶基板１０’を除去する。単結晶基板１０’は厚みが薄いため、容易に除去可能である。単結晶基板１０’の除去方法としては、エッチング、研磨、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いることができる。

なお、ここではイオン注入部１１を設けた場合について説明したが、イオン注入部１１は設けなくてもよい。この場合は、単結晶基板１０をエッチング等により除去する。しかしながら、生産効率、磁性膜へのダメージ等を考慮すると、イオン注入及び熱処理により単結晶基板１０を劈開することが好ましい。

また単結晶基板１０は、上述の水素イオンを用いた方法以外の方法で除去してもよい。例えば、単結晶基板１０の途中、又は、単結晶基板１０と磁化安定化層２０との界面にグラフェンを設けてもよい。グラフェンは、炭素原子が面内方向にｓｐ結合によりつながった原子１層分の厚みのシート状物質であり、劈開性に優れる。グラフェンが積層された界面で単結晶基板１０を劈開することで、単結晶基板１０を容易に除去できる。

またグラフェンの厚みは、原子１層分と非常に薄い。そのため、グラフェンを積層方向に挟む原子の波動関数は、それぞれグラフェンを挟んで反対側の原子の位置まで浸みだす。つまりグラフェンの存在は、積層方向の結晶性に影響を及ぼさない。そのため、例えば単結晶基板１０の途中にグラフェンが配置された場合でも、単結晶基板１０の結晶性はグラフェンを挟む両側で一致する。また例えば単結晶基板１０と磁化安定層２０の界面にグラフェンが配置された場合でも、磁化安定層２０は単結晶基板１０上にエピタキシャル成長する。

最後に、図４（ｄ）に示すように、磁気抵抗効果素子１００を集積基板７０に設けられた半導体素子毎に分離する。例えば、図４（ｄ）に示すように貫通電極７２毎に、磁気抵抗効果素子１００を複数の磁気抵抗効果素子１００’に分離する。分離した磁気抵抗効果素子１００’間は、絶縁体９０で埋めることが好ましい。磁気抵抗効果素子１００の素子間の分離は、公知のフォトリソグラフィー等の技術を用いることができる。

上述のような製造方法を用いることで、集積基板７０に設けられた半導体素子毎に、磁気抵抗効果素子１００’を作製することができる。またそれぞれの半導体素子上に形成される磁気抵抗効果素子１００’は、単結晶基板１０上にエピタキシャル成長したものであるため、高いＭＲ比を実現することができる。また接合処理が、磁気抵抗効果素子１００を構成する第１強磁性金属層３０及び第２強磁性金属層６０の磁化特性に悪影響を与えることもなかった。

すなわち、本実施形態にかかる集積素子２００によれば、集積基板７０上でも高いＭＲ比を示す磁気抵抗効果素子１００を実現できる。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態にかかる集積素子２０１の断面模式図である。第２実施形態にかかる集積素子２０１は、非磁性層５０と第２強磁性金属層６０を有さない点が第１実施形態にかかる集積素子２００と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかる集積素子２００と同一であり、同一の構成については説明を省く。

第２実施形態にかかる集積素子２０１は、磁化反転素子１０１と集積基板７０とが接合層４０を介して積層されている。図６は、第２実施形態にかかる集積素子に用いられる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。

磁化反転素子１０１は、単結晶基板１０と、磁化安定化層２０と、第１強磁性金属層３０と、接合層４０とを順に有する。磁化反転素子１０１において、少なくとも単結晶基板１０、磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０は、単結晶化している。

磁化反転素子１０１の少なくともこれらの層が単結晶化することで、第１強磁性金属層３０の磁気異方性が高まる。第１強磁性金属層３０の磁気異方性が高まると、磁気カー効果、ファラデー効果等を高めることができ、より性能の優れた偏向素子、光磁気記録素子等が得られる。磁化反転素子１０１は、非磁性層５０及び第２強磁性金属層６０を有さない点が、磁気抵抗効果素子１００と異なる。

第２実施形態にかかる集積素子２０１の製造方法は、磁気抵抗効果素子１００を積層する工程の内、非磁性層５０及び第２強磁性金属層６０を積層する工程が除かれるのみであり、第１実施形態にかかる集積素子２００と同様の製造方法により得ることができる。

すなわち、本実施形態にかかる集積素子２０１によれば、集積基板７０上でも高い磁気異方性を有する磁化反転素子１０１を実現できる。

＜単結晶化のための好ましい材料の組み合わせ＞
第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００及び第２実施系にかかる磁化反転素子１０１はいずれも、少なくとも単結晶基板１０、磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０が単結晶化している。そこで、これらの層を単結晶化するために好ましい材料の組合せを、結晶構造が有する格子定数から算出した。

まず、単結晶基板１０としてＳｉを用いた場合の各層の格子整合度を求めた。その結果を表１に示す。

次いで、単結晶基板１０としてＭｇＯ又はＭｇＡｌ_２Ｏを用いた場合の各層の格子整合度を求めた。その結果を表２に示す。

次いで、単結晶基板１０としてＧｅ又はＧａＡｓを用いた場合の各層の格子整合度を求めた。その結果を表３に示す。

いずれの組合せも単結晶基板と磁化安定化層との結晶整合度が１０％以下であり、磁化安定化層と第１強磁性金属層との結晶整合度が６％以下であった。すなわち、少なくともこれらの組合せにおいて、単結晶基板１０、磁化安定化層２０及び第１強磁性金属層３０は単結晶化する。

１０，１０’ 単結晶基板、
１１ イオン注入部、
２０ 磁化安定化層、
３０ 第１強磁性金属層、
４０ 接合層、
５０ 非磁性層、
６０ 第２強磁性金属層、
６１，６３…磁性層、
６２ 非磁性層、
７０ 集積基板、
７１ 層間絶縁層、
７２ 貫通電極、
８０ 第２接合層、
９０ 絶縁体、
１００，１００’ 磁気抵抗効果素子、
１０１ 磁化反転素子、
２００，２０１ 集積素子

Claims (18)

1. 単結晶基板と、磁化安定化層と、第１強磁性金属層と、接合層と、を順に有し、
   少なくとも前記単結晶基板、前記磁化安定化層及び前記第１強磁性金属層が全体で単結晶化している、磁化反転素子。
2. 前記単結晶基板と前記磁化安定化層とが異なる材料を含む請求項１に記載の磁化反転素子。
3. 前記単結晶基板が、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＭｇＯ、スピネル型構造を有する物質、及び立方晶のペロブスカイト構造を有する物質からなる群から選択される少なくとも一つからなる請求項１又は２のいずれかに記載の磁化反転素子。
4. 前記磁化安定化層が、ＭｇＯ、Ｉｒ及びスピネル型構造を有する物質からなる群から選択される少なくとも一つからなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
5. 前記第１強磁性金属層がＦｅを含有する立方晶の強磁性金属である請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
6. 前記単結晶基板と前記磁化安定化層の格子整合度が１０％以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
7. 前記磁化安定化層と前記第１強磁性金属層の格子整合度が６％以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
8. 前記磁化安定化層の厚みが１ｎｍ以上である請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
9. 前記接合層が、Ｔａ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｕからなる群から選択される少なくとも一つ以上の元素を含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁化反転素子の前記第１強磁性金属層と前記接合層との間に、
    非磁性層と第２強磁性金属層とを、前記第１強磁性金属層側から順に有する磁気抵抗効果素子。
11. 前記第２強磁性金属層が、シンセティック反強磁性構造を有する請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
12. 半導体素子を含む集積基板と、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁化反転素子、又は、請求項１０又１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、を有し、
    前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子は、前記集積基板に対して前記接合層を介して接合している、集積素子。
13. 前記集積基板と前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子との間に第２接合層をさらに有し、前記接合層と前記第２接合層とが同一の材料を含む請求項１２に記載の集積素子。
14. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁化反転素子、又は、請求項１０又は１１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を、半導体素子を含む集積基板上に前記接合層を介して接合する工程を有する集積素子の製造方法。
15. 前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子における前記単結晶基板に水素イオンをイオン注入する工程と、
    イオン注入後の単結晶基板を加熱し、前記水素イオンが注入された部分で、前記単結晶基板を切断する工程と、
    をさらに有する請求項１４に記載の集積素子の製造方法。
16. 前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子と前記集積基板とを接合する前に、前記イオン注入を行う請求項１５に記載の集積素子の製造方法。
17. 前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子における前記単結晶基板の途中又は前記単結晶基板と前記磁化安定化層との間にグラフェンを積層する工程と、
    前記グラフェンが積層された界面で劈開し、前記単結晶基板を除去する工程と、をさらに有する請求項１４に記載の集積素子の製造方法。
18. 前記磁化反転素子又は前記磁気抵抗効果素子を積層する際に、単結晶基板上に、少なくとも磁化安定化層と第１強磁性金属層とをエピタキシャル成長させる請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の集積素子の製造方法。

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