KR100894521B1

KR100894521B1 - 터널 자기 저항 소자, 자기 헤드 및 자기 메모리

Info

Publication number: KR100894521B1
Application number: KR1020070092951A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 이부스키; 마사시게 사토; 신지로 우메하라
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-04-22
Also published as: US20080080102A1; KR20080029802A; CN101154708A; JP2008085208A

Abstract

본 발명은 큰 MR비를 나타내는 TMR 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.

자화(磁化) 고정층(4)과 자화 자유층(6) 사이에 터널 배리어층(5)을 갖고, 자화 자유층(6) 위에 캡층(7)을 설치한 TMR 소자(1)에 있어서, 터널 배리어층(5)을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층(6)을 CoFeB막에 의해 구성하는 동시에, 그 CoFeB막 바로 위에, 그것에 접하도록 Ti막을 형성하여 캡층(7)을 구성한다. 이것에 의해, TMR 소자(1)의 MR비를 대폭으로 향상시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 TMR 소자(1)를 자기 헤드나 MRAM에 사용함으로써, 그 고성능화를 도모하는 것이 가능해진다.

자화 고정층, 자화 자유층, 터널 배리어층, 판독 소자

Description

터널 자기 저항 소자, 자기 헤드 및 자기 메모리{TUNNEL MAGNETORESISTANCE ELEMENT, MAGNETIC HEAD, AND MAGNETIC MEMORY}

본 발명은 터널 자기(磁氣) 저항 소자, 자기 헤드 및 자기 메모리에 관한 것으로서, 특히, 터널 자기 저항 효과를 이용하는 터널 자기 저항 소자, 및 그러한 터널 자기 저항 소자를 사용한 자기 헤드 및 자기 메모리에 관한 것이다.

터널 자기 저항(TMR; Tunnel Magneto-Resistance) 소자는 한 쌍의 강자성층 사이에 얇은 절연막이 터널 배리어층으로서 끼워진 구성을 갖고 있다. TMR 소자는 그들 강자성층의 자기 모멘트가 서로 이루는 각에 따라, 한쪽의 강자성층 측으로부터 터널 배리어층을 통과하여 다른 쪽의 강자성층 측으로 흐르는 전류의 전기 저항이 변화하는 현상(TMR 효과)을 이용하여, 그 변화를 신호로서 검출할 수 있는 소자이다. 이와 같은 성질을 이용하여, 현재, TMR 소자는 HDD(Hard Disk Drive)의 자기 헤드에서의 판독 소자에 사용되거나, 자기 메모리인 MRAM(Magneto-resistive Random Access Memory)의 메모리 소자에 사용되고 있다.

통상, TMR 소자는 하지층 위에 형성된 반(反)강자성층 위에, 한쪽의 강자성층, 터널 배리어층 및 다른 쪽의 강자성층을 차례로 적층하고, 그 위에 보호층으로 서 캡층을 더 적층하여 구성된다. 이 경우, 반강자성층 위에 형성되는 한쪽의 강자성층은 자화의 방향이 고정된 자화 고정층이며, 그것과 터널 배리어층을 사이에 끼워 형성되는 다른 쪽의 강자성층은 외부 자계에 의해 자화의 방향이 가변인 자화 자유층이다. 양쪽의 자화의 방향이 일치되어 있을 때에는 터널 배리어층을 포함하는 이것들의 전기 저항이 낮아져 전류가 흐르기 쉬워지고, 양쪽의 자화가 역방향일 때에는 그 전기 저항이 높아져 전류가 흐르기 어려워진다. 이와 같은 전기 저항의 차이가 신호로서 검출된다.

이와 같은 TMR 소자를 구성하는 각 층의 재료에 대해서는 종래, 다양한 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로, 하지층에는 탄탈(Ta)막과 니켈 철(NiFe)막의 적층막 등이 사용되고, 반강자성층에는 이리듐 망간(IrMn)막 등이 사용되고 있다. 또한, 그 위의 자화 고정층에는 코발트 철(CoFe)막, 루테늄(Ru)막, CoFe막의 적층막 등이 사용되고, 터널 배리어층에는 산화알루미늄(AlO)막 등이 사용되고, 자화 자유층에는 CoFe막, NiFe막이나 그것들의 적층막 등이 사용되고 있다. 또한, 그 자화 자유층 위에 형성되는 캡층에는 Ta막의 적층막이나, NiFe막과 Ru막의 적층막 등이 사용되고 있다.

이 외, 자화 자유층을 CoFe막으로부터 코발트 철 붕소(CoFeB)막으로 바꾸거나, 터널 배리어층을 AlO막으로부터 산화마그네슘(MgO)막으로 바꿈으로써, TMR 소자의 자기 저항 변화율(자기 저항(MR)비)의 증대화, 즉 TMR 소자의 신호 출력의 증대화가 도모된다.

또한, 종래, CoFeB막에 의해 구성되는 자화 자유층과, Ta막 등에 의해 구성 되는 캡층 사이에, 소정의 열처리 시에 캡층의 원소가 자화 자유층으로 확산되는 것을 억제하기 위해서, 붕소(B) 등을 함유하는 이동 억제층을 설치한 TMR 소자나(특허문헌 1 참조), 자기 왜곡에 의한 자화 자유층의 스위칭 자계의 불균일을 억제하기 위해서, 캡층에 Ta나 티탄(Ti) 등을 함유하는 합금막이나 인듐 티탄(InTi) 산화물 등의 산화물 도전체막을 사용한 TMR 소자(특허문헌 2 참조) 등도 제안되어 있다.

[특허문헌 1] 일본국 공개특허2004-63592호 공보

[특허문헌 2] 일본국 공개특허2005-85821호 공보

상기와 같이, TMR 소자는 종래 그 구성에 대한 검토가 이루어지고, 지금까지 일정한 특성 향상이 도모되고 있다. 그러나, 현재 그리고 이후의 TMR 소자에는 그것이 사용되는 자기 헤드나 MRAM의 고성능화를 도모하기 위해서, 그 특성, 특히 그 MR비의 증대가 더욱더 강하게 요망되고 있다.

예를 들어 TMR 소자를 자기 헤드의 판독 소자에 사용하는 경우, MR비의 증대는 신호 강도의 증대로 이어져 SN비(신호 출력과 노이즈의 비)의 개선이 도모되게 된다. 또한, 자기 헤드의 판독 소자에는 자화(磁化) 자유층의 자화를 소정의 방향으로 제어하기 위해서, 그 근방에 소정의 방향으로 자화된 자성체(자구 제어막)가 설치되어 있다. MR비가 증대하면, 그 자구 제어막의 자계 강도를 크게 하고, 판독 소자의 동작 안정성을 향상시키는 것도 가능해진다.

또한, TMR 소자를 MRAM의 메모리 소자에 사용하는 경우에는, 그 MR비의 증대에 의한 신호 강도의 증대에 의해, 판독 에러의 발생을 억제하거나, 소비 전력을 저감시키는 것이 가능해진다.

본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 큰 MR비를 나타내는 TMR 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 그러한 TMR 소자를 사용한 자기 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 그러한 TMR 소자를 사용한 자기 메모리를 제공하는 것을 목 적으로 한다.

본 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위해서, 자화의 방향이 고정된 자화 고정층과, 상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과, 상기 터널 배리어층 위에 형성되고, CoFeB막에 의해 구성된 자화의 방향이 가변인 자화 자유층과, Ti막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 Ti막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 것을 특징으로 하는 TMR 소자가 제공된다.

이와 같은 TMR 소자에 의하면, 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층 위에, CoFeB막에 의해 구성된 자화 자유층이 형성되고, Ti막을 구비하는 캡층이 그 Ti막을 접하도록 하여 자화 자유층 위에 형성된다. CoFeB막에 의해 구성한 자화 자유층의 바로 위에 Ti막을 설치함으로써, MR비의 증대화가 도모된다.

또한, 본 발명에서는, 자화의 방향이 고정된 자화 고정층과, 상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과, 상기 터널 배리어층 위에 형성되고, CoFeB막에 의해 구성된 자화의 방향이 가변인 자화 자유층과, Ti막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 Ti막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 TMR 소자를 판독 소자에 사용한 것을 특징으로 하는 자기 헤드가 제공된다.

이와 같은 자기 헤드에 의하면, 자화 자유층으로 되는 CoFeB막의 바로 위에 Ti막을 설치한 TMR 소자를 판독 소자에 사용하기 때문에, 그 MR비의 증대화가 도모되고, 자기 헤드의 고성능화가 도모되게 된다.

또한, 본 발명에서는 자화의 방향이 고정된 자화 고정층과, 상기 자화 고정 층 위에 형성된 터널 배리어층과, 상기 터널 배리어층 위에 형성되고, CoFeB막에 의해 구성된 자화의 방향이 가변인 자화 자유층과, Ti막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 Ti막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 TMR 소자를 메모리 소자에 사용한 것을 특징으로 하는 자기 메모리가 제공된다.

이와 같은 자기 메모리에 의하면, 자화 자유층으로 되는 CoFeB막의 바로 위에 Ti막을 설치한 TMR 소자를 메모리 소자에 사용하기 때문에, 그 MR비의 증대화가 도모되고, 자기 메모리의 고성능화가 도모되게 된다.

본 발명에서는, 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층 위에, CoFeB막에 의해 구성되는 자화 자유층을 형성하고, 그 자화 자유층 위에 캡층을 그 Ti막이 접하도록 하여 형성하고, TMR 소자를 구성하도록 하였다. 이것에 의해, TMR 소자의 MR비를 증대화하는 것이 가능해진다. 또한, 이와 같은 TMR 소자를 자기 헤드의 판독 소자나 자기 메모리의 메모리 소자에 사용함으로써, 자기 헤드나 자기 메모리의 고성능화를 도모하는 것이 가능해진다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 TMR 소자의 일례의 단면 모식도이다.

도 1에 나타내는 TMR 소자(1)는 하지층(2), 반(反)강자성층(3), 자화(磁化) 고정층(4), 터널 배리어층(5), 자화 자유층(6), 및 캡층(7)이 차례로 적층된 구조를 갖고 있다.

하지층(2)은 Ta막과 Ru막의 적층막(Ta/Ru 적층막), 니켈 크롬(NiCr)막, 또는 Ta막과 NiFe막의 적층막(Ta/NiFe 적층막)에 의해 구성된다. 하지층(2)을 Ta/Ru 적층막으로 하는 경우에는, 예를 들어 막 두께 약 3㎚의 Ta막과 막 두께 약 2㎚의 Ru막의 적층막이 사용된다. 하지층(2)을 NiCr막으로 하는 경우에는, 예를 들어 막 두께 약 4㎚의 NiCr막이 사용된다. 하지층(2)을 Ta/NiFe 적층막으로 하는 경우에는, 예를 들어 막 두께 약 4㎚의 Ta막과 막 두께 약 2㎚의 NiFe막의 적층막이 사용된다.

반강자성층(3)은 예를 들어 IrMn막에 의해 구성된다. IrMn막의 막 두께는 예를 들어 약 7㎚로 된다. 또한, 이 반강자성층(3)에는 IrMn막 외에, 백금 망간(PtMn)막이나 팔라듐 백금 망간(PdPtMn)막 등을 사용할 수도 있다.

자화 고정층(4)은 제 1 강자성층(4a), 비자성층(4b), 및 제 2 강자성층(4c)이 적층되어 구성된다(적층 페리층). 제 1 강자성층(4a)은 CoFe막에 의해 구성되고, 그 막 두께는 예를 들어 약 1.7㎚로 된다. 비자성층(4b)은 Ru막에 의해 구성되고, 그 막 두께는 예를 들어 약 0.7㎚로 된다. 제 2 강자성층(4c)은 CoFeB막에 의해 구성되고, 그 막 두께는 예를 들어 약 2㎚로 된다. 또한, 이 자화 고정층(4)에서의 제 1 강자성층(4a)은 이후에 적당한 열처리가 실시됨으로써, 그 아래에 있는 반강자성층(3)과의 사이의 교환 결합에 의해, 일방향 자기 이방성이 부여된다.

터널 배리어층(5)은 자화 고정층(4)(여기에서는 제 2 강자성층(4c)) 위에 형성된다. 터널 배리어층(5)은 MgO막에 의해 구성되고, 그 막 두께는 예를 들어 약 1㎚로 된다. 이와 같이, 터널 배리어층(5)을 AlO막이 아니라, MgO막에 의해 구성 함으로써, 더 저온에서 결정성이 좋은 터널 배리어층(5)을 얻는 것이 가능해지고, 더 큰 TMR 효과를 얻을 수 있게 된다.

자화 자유층(6)은 터널 배리어층(5) 위에 형성된다. 자화 자유층(6)은 CoFeB막에 의해 구성되고, 그 막 두께는 예를 들어 약 3㎚로 된다. 이와 같이, 자화 자유층(6)을 CoFe막이 아니라, CoFeB막에 의해 구성함으로써, 더 큰 MR비가 얻어지게 된다. 또한, 자화 자유층(6)을 구성하는 CoFeB막의 막 두께나 조성의 상세에 대해서는 후술한다.

캡층(7)은 자화 자유층(6) 위에 형성된다. 캡층(7)은 Ti막에 의해 구성되거나, 또는 최하층에 Ti막을 설치하여 그 Ti막 위에 다른 금속막을 적층한 구성 등으로 된다. 예를 들어 최하층의 Ti막 위에, Ta막과 Ru막을 차례로 적층한 것(Ti/Ta/Ru 적층막) 등을 사용할 수 있다. 캡층(7)을 Ti/Ta/Ru 적층막으로 하는 경우에는, 예를 들어 Ti막의 막 두께가 약 2㎚, Ta막의 막 두께가 약 5㎚, Ru막의 막 두께가 약 10㎚로 된다. 캡층(7)은 Ti막이 자화 자유층(6)을 구성하는 CoFeB막과 접하도록 하여 형성된다. 즉, 캡층(7)의 Ti막은 자화 자유층(6)의 CoFeB막의 바로 위에 설치되게 된다. 또한, 캡층(7)을 구성하는 Ti막의 막 두께의 상세에 대해서는 후술한다.

이와 같은 구성을 갖는 TMR 소자(1)의 하지층(2), 반강자성층(3), 자화 고정층(4), 터널 배리어층(5), 자화 자유층(6), 및 캡층(7)을 구성하는 각 막은 모두 스퍼터링법에 의해 성막할 수 있다. 예를 들어 그들 막 중, 금속막이나 합금막에 대해서는 DC 마그네트론 스퍼터 장치를 사용하여, 투입 전력 200W∼1000W, 아르 곤(Ar) 가스압 0.1Pa∼0.5Pa의 조건에서 성막할 수 있다. 또한, 그들 막 중, 절연막에 대해서는 RF 마그네트론 스퍼터 장치를 사용하여, 투입 전력 200W∼1000W, Ar 가스압 0.1Pa∼0.5Pa의 조건에서 성막할 수 있다.

그리고, 캡층(7)까지의 각 막을 성막한 후, 상기한 바와 같이, 제 1 강자성층(4a)에 반강자성층(3)과의 사이의 교환 결합에 의해 일방향 자기 이방성을 부여하기 위해, 예를 들어 온도 약 270℃, 자장 약 2.0T의 환경 하, 약 4시간의 열처리가 실시된다. 그 후, TMR 소자(1)의 용도 등에 따라 소정의 형상으로 패터닝된다.

이와 같이, 상기 TMR 소자(1)에서는 터널 배리어층(5)에 MgO막이 사용되고, 자화 자유층(6)에 CoFeB막이 사용된다. 그리고, 그 CoFeB막의 바로 위에 Ti막이 형성되어 캡층(7)이 구성된다. 여기에서, TMR 소자를 이와 같은 막 구성으로 한 경우의 효과를 검토한 결과에 대해서 설명한다.

우선, 효과의 검토에 있어서는, 다음의 표 1에 나타낸 바와 같은 막 구성을 갖는 시료 X, Y, Z를 사용하였다.

[표 1]

표 1의 시료 X에 있어서, Ta막(막 두께 약 5㎚)과 Ru막(3㎚)의 적층막은 하 지층이다. IrMn막(막 두께 약 7㎚)은 반강자성층이다. CoFe막(막 두께 약 1.5㎚), Ru막(막 두께 약 0.7㎚), CoFeB막(막 두께 약 2㎚)의 적층막은 자화 고정층이고, CoFe막은 핀층(상기의 제 1 강자성층에 상당), Ru막은 비자성층, CoFeB막은 리퍼런스(reference)층(상기의 제 2 강자성층에 상당)으로서 기능한다. 또한, Mg0막(막 두께는 경우에 따라 변경한다)은 터널 배리어층이다. CoFeB막(막 두께는 경우에 따라 약 0㎚∼약 6㎚의 범위(0㎚는 포함하지 않음)로 변경한다. 또한, 조성은 경우에 따라 변경한다)은 자화 자유층이다. Cap막(Cap=Ta, Ti, Ru, Mg, IrMn, Al, Cu; 막 두께 약 0㎚∼약 5㎚(경우에 따라 변경한다)), Ta막(막 두께 약 5㎚), Ru막(막 두께 약 10㎚)의 적층막은 캡층이다.

또한, 표 1의 시료 Y는 자화 자유층에 CoFe막(막 두께 약 3㎚)을 사용하고 있는 점을 제외하고, 시료 X와 동일한 막 구성으로 하였다. 표 1의 시료 Z는 터널 배리어층에 AlO막(막 두께 약 1.5㎚)을 사용하고 있는 점을 제외하고, 시료 X와 동일한 막 구성으로 하였다.

각 시료 X, Y, Z는 이 표 1에 나타낸 바와 같은 각 막을 소정의 기판(표 1에는 기재하지 않음) 위에 성막하여 얻었다. 기판에는 알틱(AlTiC) 기판 또는 실리콘(Si) 기판 위에, 구리(Cu)막, Ta막, Cu막의 적층막(Cu/Ta/Cu 적층막), 또는 Ta/NiFe 적층막을 형성한 것을 사용하였다. 이들 적층막은 시료 X, Y, Z의 하부 단자로서 이용된다. 또한, 이들 적층막은 필요에 따라, 평활화를 위해 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 처리를 실시하였다.

이와 같은 소정의 기판 상으로의 각 막의 성막 후, 상기와 같은 교환 결합을 행하기 위해서, 온도 약 270℃, 자장 약 2.0T, 약 4시간의 열처리를 실시하였다. 열처리 후, MR 특성을 평가하기 위해서 12단자 CIP(Current In Plane) 측정을 행하였다. 또한, 각 시료 X, Y, Z에 4단자 가공을 실시하고, 4단자법에 의해 50㎷ 일정한 조건에서 측정한 RH 곡선을 사용하여, 소자 면적 저항(RA)(=소자 저항×소자 면적) 및 MR비를 구하였다.

또한, 4단자 가공은 다음과 같은 순서로 행하였다. 우선, 하부 단자용 막을 성막한 기판 위에, 표 1에 나타낸 바와 같은 구성으로 각 막을 성막하였다. 그리고, 성막 후의 전면(全面)에 레지스트를 도포하고, 하부 단자 형상을 노광기에 의해 묘화한 후, 미노광 부분을 제거하여 노광 부분을 남기고, 레지스트 마스크를 형성하였다. 그것을 마스크로 하여, 하부 단자용 막보다 위의 각 막을 이온 밀링(ion milling) 장치로 이온 밀링하여 하부 단자를 형성하였다. 레지스트 마스크의 제거 후, 동일하게 하여 이온 밀링까지 행하여 TMR 소자 부분을 형성하였다. 이어서, 그 이온 밀링에 사용한 레지스트 마스크를 남긴 채, 하부 단자와 후술하는 상부 단자를 절연하기 위해서, 산화실리콘(SiO) 또는 AlO를 약 30㎚정도 성막하였다. SiO 등의 성막 후, 레지스트 마스크를 제거하여 그 레지스트 마스크 위의 SiO 등을 리프트 오프(lift off)하고, 이어서, 상부 단자용 막의 성막과 그 패터닝을 행하여 상부 단자를 형성하였다. 이와 같은 순서로 4단자 가공을 실시한 시료 X, Y, Z를 사용하여 RH 곡선을 측정하고, 시료 X, Y, Z의 RA 및 MR비를 구하였다.

시료 X, Y, Z를 사용한 측정에 의해 얻어진 MR비와 RA의 관계에 대해서, 이하의 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

도 2는 캡층 재료를 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면, 도 3은 캡층 재료와 MR비의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2에서, 횡축은 RA(Ω㎛²)을 나타내고, 종축은 MR비(%)를 나타내고 있다. 또한, 도 3에서, 횡축은 캡층 재료를 나타내고, 종축은 RA가 3Ω㎛²와 10Ω㎛²일 때의 MR비(%)를 나타내고 있다. 또한, RA는 터널 배리어층의 막 두께를 변화시킴으로써 변화시키고 있다(이하, 동일).

이 도 2 및 도 3에는 표 1의 시료 X를 사용하여, 그 캡층 재료(Cap막)를 바꾸었을 때의 RA에 대한 MR비의 변화, 및 그 캡층 재료와 MR비의 관계를 나타내고 있다. 즉, 도 2 및 도 3은 터널 배리어층을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 소정의 조성 및 막 두께의 CoFeB막에 의해 구성한 경우로서, 그 CoFeB막의 바로 위에 소정의 막 두께로 형성하는 캡층 재료의, 그 종류를 변화시켰을 때의 관계를 나타내고 있다.

도 2에서, MR비는 자화 자유층으로 되는 CoFeB막의 바로 위에 어느 캡층 재료를 사용한 경우에도, RA의 증가에 따라 증가하는 경향이 나타났다. 또한, 자화 자유층의 CoFeB막 바로 위의 캡층 재료로서 Ti막을 사용한 경우는, 거기에 Ta막 등의 다른 재료를 사용한 경우에 비하여 더 큰 MR비가 얻어졌다. CoFeB막 바로 위의 캡층 재료에 Ti막을 사용한 경우, 현재 널리 이용되고 있는 Ta막이나 Ru막을 사용한 경우에 비하여, MR비가 최대 약 40% 증가하였다.

도 3은 도 2를 기초로, RA가 3Ω㎛²와 10Ω㎛²일 때의 MR비를 자화 자유층의 CoFeB막 바로 위의 각 캡층 재료에 대해서 비교한 것이다. 또한, RA가 3Ω㎛²정도나 그 이하의 TMR 소자는, 예를 들어 자기 헤드의 판독 소자에 적용 가능하며, RA가 10Ω㎛²를 초과하는 TMR 소자는, 예를 들어 MRAM의 메모리 소자에 적용 가능하다. 도 3에서, RA가 3Ω㎛²와 10Ω㎛²의 어느 경우에도, 자화 자유층의 CoFeB막 바로 위의 캡층 재료로서 Ti막을 사용하였을 때의 MR비가 가장 커졌다.

이와 같이, TMR 소자의 터널 배리어층을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 CoFeB막에 의해 구성하고, 그 자화 자유층의 CoFeB막 바로 위에는 Ti막을 형성하여 캡층을 구성함으로써, 그 CoFeB막 바로 위에 Ta막 등의 다른 재료를 사용한 경우에 비하여, RA에 상관없이 그 MR비를 대폭으로 향상시킬 수 있다.

여기에서, TMR 소자의 자화 자유층을 CoFe막에 의해 구성한 경우, 및 터널 배리어층을 AlO막에 의해 구성한 경우에 대해서, 상기 도 2 및 도 3과 동일한 측정을 행한 결과에 대해서 서술한다.

도 4는 자화 자유층을 CoFe막에 의해 구성한 경우의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면, 도 5는 자화 자유층을 CoFe막에 의해 구성한 경우의 캡층 재료와 MR비의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 4에서, 횡축은 RA(Ω㎛²)를 나타내고, 종축은 MR비(%)를 나타내고 있다. 또한, 도 5에서, 횡축은 캡층 재료를 나타내고, 종축은 RA가 3Ω㎛²와 10Ω㎛²일 때의 MR비(%)를 나타내고 있다.

이 도 4 및 도 5에는, 표 1의 시료 Y를 사용한 측정에 의해 얻어진 관계를 나타내고 있다. 즉, 도 4 및 도 5는 터널 배리어층을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 소정의 조성 및 막 두께의 CoFe막에 의해 구성하여, 그 CoFe막의 바로 위에 소정의 막 두께로 형성하는 캡층 재료(Cap막)의, 그 종류를 변화시켰을 때의 관계를 나타내고 있다.

도 4 및 도 5에서, 자화 자유층을 CoFe막에 의해 구성한 경우에는, 그 바로 위의 캡층 재료에 Ti막을 사용하면, 거기에 Cu막을 사용하였을 때에 비하면 큰 MR비가 얻어졌다. 그러나, 그 외의 Ta막 등을 사용하였을 때에 비하면 MR비는 작아지는 경향이 나타났다.

또한, 도 6은 터널 배리어층을 AlO막에 의해 구성한 경우의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 6에서, 횡축은 RA(Ω㎛²)를 나타내고, 종축은 MR비(%)를 나타내고 있다.

이 도 6에는, 표 1의 시료 Z를 사용한 측정에 의해 얻어진 관계를 나타내고 있다. 즉, 도 6은 터널 배리어층을 AlO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 소정의 조성 및 막 두께의 CoFeB막에 의해 구성하고, 그 CoFeB막의 바로 위에 소정의 막 두께로 형성하는 캡층 재료(Cap막)를 Ti막 또는 Ta막으로 하였을 때의 관계를 나타내고 있다.

도 6에서, RA에 대한 MR비의 변화는 자화 자유층의 CoFeB막 바로 위의 캡층 재료가 Ti막과 Ta막일 때에 거의 동등하다고 간주할 수 있다. 또한, 도 6 중, RA가 약 4.5Ω㎛²를 상회(上廻)하는 영역에서의 Ti막 사용 시와 Ta막 사용 시의 MR비 의 차는 Ti막과 Ta막의 최적 산화 시간에 차가 있기 때문에 생긴 것이다.

이상, 도 2 내지 도 6에 나타낸 결과로부터, 자화 자유층 바로 위의 캡층 재료에 Ti막을 사용하는 경우는, 그 자화 자유층에 CoFeB막을 사용하면 MR비 향상에 효과적이라고 할 수 있다. 또한, 자화 자유층 바로 위의 캡층 재료에 Ti막을 사용하는 경우, MR비 향상에는 그 자화 자유층에 CoFeB막을 사용하고, 또한, 그 아래의 터널 배리어층에 MgO막을 사용하는 것이 더 효과적이라고 할 수 있다.

이어서, 자화 자유층을 구성하는 CoFeB막의 막 두께, 캡층 재료인 Ti막의 막 두께, 및 CoFeB막의 조성에 대해서 검토한 결과에 대해서, 이하의 도 7 내지 도 14을 참조하여 설명한다.

도 7은 자화 자유층의 CoFeB막의 막 두께를 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면, 도 8은 자화 자유층의 CoFeB막의 막 두께와 MR비의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 7에서, 횡축은 RA(Ω㎛²)를 나타내고, 종축은 MR비(%)를 나타내고 있다. 또한, 도 8에서, 횡축은 CoFeB막의 막 두께(㎚)를 나타내고, 종축은 RA가 20Ω㎛²일 때(일부 데이터를 제외함)의 MR비(%)를 나타내고 있다.

이 도 7 및 도 8에는, 표 1의 시료 X를 사용한 측정에 의해 얻어진 관계를 나타내고 있다. 즉, 도 7 및 도 8은 터널 배리어층을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 소정의 막 두께 및 조성의 CoFeB막에 의해 구성하고, 그 CoFeB막의 바로 위에 소정의 막 두께로 형성하는 캡층 재료(Cap막)를 Ti막 또는 Ta막으로 하였 을 때의 관계를 나타내고 있다. 여기에서, 자화 자유층의 CoFeB막의 막 두께는 그 바로 위의 캡층 재료가 Ti막과 Ta막인 경우의 각각에 대해서, 2㎚, 4㎚, 6㎚로 변화시켰다.

도 7 및 도 8에서, 캡층 재료에 Ta막을 사용한 경우, MR비는 CoFeB막의 막 두께 증가에 따라, 감소하는 경향이 나타났다. 한편, 캡층 재료에 Ti막을 사용한 경우에는, CoFeB막의 막 두께의 변화에 대한 TMR 소자의 MR비의 변화는 거의 나타나지 않았다. 또한, 캡층 재료에 Ti막을 사용한 경우에는, CoFeB막의 막 두께에 상관없이, 캡층 재료에 Ta막을 사용하였을 때의 MR비를 상회하는 경향이 나타났다.

자화 자유층인 CoFeB막은 TMR 소자의 요구 특성 등에 따라, 그 막 두께를 최적으로 제어하는 것이 필요해진다. 예를 들어 TMR 소자를 자기 헤드의 판독 소자에 사용하는 경우, 자화 자유층의 근방에는 그 자화의 방향을 제어하기 위한 자구 제어막이 설치되지만, 그 자구 제어막의 잔류 자화와 자화 자유층의 자화와의 균형을 맞추기 위해서, 자화 자유층을 최적의 막 두께로 설계할 필요가 있다.

즉, 자기 헤드의 판독 소자에서는, 자화 자유층의 막 두께를 최적화해야만 하지만, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 그 캡층 재료에 Ta막을 사용한 경우에는 얻어지는 MR비가 비교적 작고, 또한, 자화 자유층인 CoFeB막의 막 두께 증가에 대하여 MR비가 감소하는 경향이 있다. 이것에 대하여, 그 캡층 재료에 Ti막을 사용한 경우에는 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 얻어지는 MR비가 높고, 또한, 그 변화가 CoFeB막의 막 두께 변화에 대하여 둔감하다고 할 수 있고, 판독 소자의 요구 특성 등에 따른 그 막 두께의 최적 설계가 용이해진다.

CoFeB막의 막 두께는 실용상, 0.5㎚∼6㎚정도, 바람직하게는 0.5㎚∼4㎚로 한다. CoFeB막의 막 두께가 0.5㎚를 하회(下廻)하는 경우에는 막 두께의 제어가 어려워지고, CoFeB가 아일랜드(island) 형상이 되는 것이 일어날 수 있다. 또한, CoFeB막의 막 두께가 O.5㎚를 하회하는 경우에는, 그 바로 위의 캡층의 원소가 CoFeB막에 확산됨으로써 그 자성을 열화 또는 소실시키게 되는 경우도 일어날 수 있다. 이 점으로부터, CoFeB막의 막 두께는 O.5㎚ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, CoFeB막의 막 두께의 상한은 TMR 소자의 요구 특성 등을 고려하여 설정되지만, 실용상은 6㎚ 이하로 된다.

도 9는 캡층 재료의 Ti막의 막 두께를 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면, 도 10은 캡층 재료의 Ti막의 막 두께와 MR비의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 9에서, 횡축은 RA(Ω㎛²)를 나타내고, 종축은 MR비(%)를 나타내고 있다. 또한, 도 10에서, 횡축은 Ti막의 막 두께(㎚)를 나타내고, 종축은 RA가 3Ω㎛²와 20Ω㎛²일 때의 MR비(%)를 나타내고 있다.

이 도 9 및 도 10에는, 표 1의 시료 X를 사용한 측정에 의해 얻어진 관계를 나타내고 있다. 즉, 도 9 및 도 10은 터널 배리어층을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 소정의 조성 및 막 두께의 CoFeB막에 의해 구성하고, 그 CoFeB막의 바로 위에 형성하는 캡층 재료(Cap막)인 Ti막의 막 두께를 변화시켰을 때의 관계를 나타내고 있다. Ti막의 막 두께는 0㎚, 0.5㎚, 1㎚, 2㎚, 3㎚로 변화시켰다.

도 9 및 도 10에서, MR비는 RA가 3Ω㎛²와 20Ω㎛²의 어느 경우에 있어서도, Ti막의 막 두께가 1㎚정도까지는 단조롭게 증가하는 경향이 나타나고, 그것보다 두꺼워지면 포화하는 경향이 나타났다.

따라서, RA에 상관없이, Ti가 조금이라도 형성되어 있으면, 그것이 형성되어 있지 않는 경우에 비하여, MR비의 향상에는 효과적이지만, Ti막의 성막 시의 제어성을 고려하여, Ti막의 막 두께는 0.5㎚ 이상, 바람직하게는 1㎚ 이상으로 한다. 특히 Ti막의 막 두께를 1㎚ 이상으로 하였을 때에는 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 그 막 두께에 상관없이 안정된 MR비를 얻는 것이 가능해진다. 또한, Ti막의 막 두께의 상한은 TMR 소자의 요구 특성 등을 고려하여 설정되지만, 실용상은 5㎚ 이하로 한다.

도 11은 자화 자유층의 CoFeB막의 Co조성과 MR비의 관계를 나타내는 도면, 도 12는 자화 자유층의 CoFeB막의 Co조성과 자기 왜곡의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 11에서, 횡축은 Co_XFe₈₀ _- _XB₂₀막의 Co조성(atom%)을 나타내고, 종축은 RA가 3Ω㎛²일 때의 MR비(%)를 나타내고 있다. 또한, 도 12에서, 횡축은 Co_xFe₈₀ _-XB₂₀막의 Co조성(atom%)을 나타내고, 종축은 자기 왜곡 λ(×1O^-6)을 나타내고 있다.

이 도 11 및 도 12에는 표 1의 시료 X를 사용한 측정에 의해 얻어진 관계를 나타내고 있다. 즉, 도 11은 터널 배리어층을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 CoFeB막의 조성을 변화시켜 소정의 막 두께로 구성하고, 그 CoFeB막의 바로 위에 소정의 막 두께로 형성하는 캡층 재료(Cap막)를 Ti막 또는 Ta막으로 하였을 때의 관계를 나타내고 있다. 또한, 도 12에는, 터널 배리어층을 MgO막으로 하고, 조성을 변화시킨 소정의 막 두께의 CoFeB막의 바로 위에, 캡층 재료로서 소정의 막 두께의 Ti막을 성막하고, 그 후의 열처리를 270℃와 300℃의 조건에서 행하였을 때의 관계를 나타내고 있다.

우선, 도 11에서, MR비는 캡층 재료가 Ti막과 Ta막의 어느 경우에 있어서도, Co조성의 증가에 따라 감소하는 경향이 나타났지만, Ti막 사용 시와 Ta막 사용 시에는 조사한 Co조성 영역에서, Ti막 사용 시가 Ta막 사용 시보다도 높은 MR비를 나타냈다. 환언하면, 캡층 재료에 Ti막을 사용한 경우에는 Ta막을 사용한 경우에 비하여, 자화 자유층의 CoFeB막의 조성에 상관없이, 높은 MR비를 얻는 것이 가능해진다.

또한, 도 12에서, 열처리 온도가 270℃와 300℃의 어느 경우에 있어서도, Co조성이 75atom%, 즉 자화 자유층을 Co₇₅Fe₅B₂₀막으로 하였을 때에, 제로 자기 왜곡으로 되었다.

자기 왜곡은, TMR 소자를 자기 헤드의 판독 소자로서 사용한 경우, 그것을 형성할 때에 발생하는 응력에 기인한 자기 이방성의 발생 원인의 하나로 되고 있다. 이 자기 이방성이 자화 자유층에 유기되면, 외부 자계에 대한 자화 자유층의 응답이 나빠지고, 판독 소자의 노이즈 및 감도(感度)를 열화시키는 원인으로 된다. 따라서, TMR 소자를 자기 헤드의 판독 소자로서 사용하는 경우에는 그 자화 자유층의 CoFeB막에 제로 자기 왜곡 근방의 조성을 적용하는 것이 바람직하다.

상기와 바와 같이, 도 12에서, 자화 자유층에 Co₇₅Fe₅B₂₀막을 사용하였을 때에 제로 자기 왜곡으로 되고, 이 조성의 자화 자유층에서 캡층 재료를 Ta막으로 하면, 도 11에서, RA가 3Ω㎛²이고 MR비가 40%를 하회하게 된다. 이것에 대하여, 그 조성의 자화 자유층에서 캡층 재료를 Ti막으로 하면, 도 11에서, RA가 3Ω㎛²이고 MR비가 50%를 초과하여, 이 TMR 소자를 문제없이 고감도 자기 헤드의 판독 소자로서 사용하는 것이 가능해진다.

이와 같은 점으로부터, TMR 소자를 자기 헤드의 판독 소자로서 사용하는 경우에는, 터널 배리어층에 MgO막을 사용하고, 자화 자유층에 CoFeB막을 사용하고, 그 바로 위의 캡층 재료에 Ti막을 사용하는 것이 유효하다고 할 수 있다. 이 경우, 자화 자유층에 사용하는 CoFeB막은, 그 B조성을 상기와 같이 20atom%로 하였을 때에는 그 자기 왜곡 및 얻어지는 MR비를 고려하여, Co조성을 60atom%∼80atom%정도(Fe조성 0atom%∼20atom%), 바람직하게는 60atom%∼75atom%정도(Fe조성 5atom%∼20atom%), 더 바람직하게는 75atom%(Fe조성 5atom%)로 한다.

또한, TMR 소자를 MRAM의 메모리 소자로서 사용하는 경우에는, 자화 자유층의 자기 왜곡은 그 특성에 본질적인 영향을 미치지 않기 때문에, 얻어지는 MR비를 고려하여 최적 조성의 CoFeB막을 사용하면 된다.

도 13은 자화 자유층의 CoFeB막의 B조성을 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면, 도 14는 자화 자유층의 CoFeB막의 B조성과 MR비의 관 계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 13에서, 횡축은 RA(Ω㎛²)를 나타내고, 종축은 MR비(%)를 나타내고 있다. 또한, 도 14에서, 횡축은 CoFeB막의 B조성(atom%)을 나타내고, 종축은 RA가 20Ω㎛²일 때의 MR비(%)를 나타내고 있다. 다만, 이 도 13 및 도 14에는, 표 1의 시료 X로 Cap막을 형성하지 않는 것, 즉 캡층을 Ta/Ru 적층막에 의해 구성한 것에 대해서 측정한 결과를 나타내고 있다.

도 13에서, CoFeB막의 B조성이 5atom% 이상일 때에, 높은 MR비가 얻어진다. 또한, 도 14에서, RA가 20Ω㎛²일 때의 MR비를 비교하면, B조성이 5atom%보다 낮은 경우에는 MR비가 140% 정도인 것에 비하여, B조성이 5atom% 이상인 경우에는 MR비가 165%로 거의 일정해진다.

이 점으로부터, CoFeB막의 B조성은 5atom% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 상기 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같은 MR비와 Co, Fe조성(즉 자기 왜곡) 등을 고려하면, CoFeB막의 B조성은 5atom%∼25atom%로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 캡층을 Ti/Ta/Ru 적층막으로 한 경우에도 동일하다고 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, TMR 소자의 터널 배리어층을 MgO막에 의해 구성하고, 자화 자유층을 CoFeB막에 의해 구성하고, 그 자화 자유층의 CoFeB막 바로 위에는 Ti막을 형성하여 캡층을 구성함으로써, 그 CoFeB막 바로 위에 Ta막 등의 다른 재료를 사용한 경우에 비하여, 그 MR비를 대폭으로 향상시킬 수 있다. 그 경우, TMR 소자의 요구 특성 등에 따라, CoFeB막의 막 두께 및 조성을 적절하게 설정하고, Ti막의 막 두께를 적절하게 설정함으로써, TMR 소자의 MR비를 더 향상시키는 것이 가능해지고, 또한, 그러한 설정에 의해, TMR 소자의 MR비를 제어하는 것도 가능해진다.

이하, 상기와 같은 TMR 소자를 자기 헤드 및 MRAM에 적용한 경우에 대해서, 각각 설명한다.

우선, TMR 소자를 자기 헤드에 적용한 예에 대해서 설명한다.

도 15는 자기 헤드의 자기 기록 매체 대향면 측으로부터 본 정면 개략도, 도 16은 자기 헤드의 단면 개략도이다.

도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 자기 헤드(10)는 슬라이더(slider)로 되는 기판(11) 위에, 자기 기록 매체 대향면 측, 즉 도 16 중 점선으로 나타낸 ABS(Air Bearing Surface) 측에, 하부 자기 실드층(12)과 상부 자기 실드층(13) 사이에 끼워진 판독 소자(20), 및 주자극층(14) 및 보조 자극층(15)이 배치된 구성을 갖고 있다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 주자극층(14)은 부분적으로 주자극 보조층(16) 위에 설치되고, 이 주자극 보조층(16)과 그 상층에 있는 보조 자극층(15)은 접속층(17)에 의해 접속되어 있다. 그리고, 주자극층(14) 및 주자극 보조층(16)과, 보조 자극층(15) 사이를 통과하도록, 복수의 코일(18a, 18b, 18c, 18d)이 설치되어 있다. 이와 같은 자기 헤드(10)의 판독 소자(20)에, 상기와 같은 TMR 소자가 사용된다.

또한, 기판(11) 위의 하부 자기 실드층(12), 판독 소자(20), 상부 자기 실드층(13), 주자극 보조층(16), 주자극층(14), 접속층(17), 코일(18a, 18b, 18c, 18d), 및 보조 자극층(15)의 층간의 주된 부분은 AlO 등의 절연막(도시 생략)에 의 해 매립되어 있다.

여기에서, 이와 같은 구성을 갖는 자기 헤드(10)의 형성 방법을 그 판독 소자(20) 부분을 중심으로 하여 설명한다.

도 17 내지 도 19는 자기 헤드의 판독 소자 형성 방법의 설명도로서, 도 17은 성막 공정의 요부 단면 모식도, 도 18은 이온 밀링 공정의 요부 단면 모식도, 도 19는 매립 공정의 요부 단면 모식도이다. 또한, 도 17 내지 도 19는 모두 ABS측으로부터 본 요부 단면 모식도이다.

우선, 도 17에 나타낸 바와 같이, 슬라이더로 되는 AlTiC 기판 등의 비자성체의 기판(11) 위에, AlO막(도시 생략)을 형성하고, 그 위에 NiFe 등으로 이루어지는 하부 자기 실드층(12)을 2㎛∼3㎛정도의 막 두께로 형성한다. 하부 자기 실드층(12)은 자기 실드 기능을 갖는 것 외에, 판독 소자(20)의 하부 단자로서도 기능한다. 이와 같은 하부 자기 실드층(12) 위에 판독 소자(20)를 형성한다. 판독 소자(20)를 구성하는 각 막은 스퍼터링법을 이용하여 성막한다.

하부 자기 실드층(12) 위에는 우선, 하지층(21)을 막 두께 5㎚ 이상으로 형성한다. 이 하지층(21)은 예를 들어 Ta/Ru 적층막, NiCr막, 또는 Ta/NiFe 적층막에 의해 구성한다. 또는, 하지층(21)에는 니켈 철 크롬(NiFeCr)막을 사용할 수도 있다.

이어서, 하지층(21) 위에 반강자성층(22)을 예를 들어 막 두께 약 5㎚로 형성한다. 반강자성층(22)은, 예를 들어 IrMn막, PtMn막 또는 PdPtMn막에 의해 구성한다.

이어서, 반강자성층(22) 위에, 제 1 강자성층(23a)으로서 막 두께 약 1.5㎚의 CoFe막을 형성하고, 그 위에 비자성층(23b)으로서 막 두께 약 0.7㎚의 Ru막을 형성하고, 또한 그 위에 제 2 강자성층(23c)으로서 막 두께 약 2.5㎚의 CoFeB막을 형성한다. 이들 제 1 강자성층(23a), 비자성층(23b), 및 제 2 강자성층(23c)에 의해, 자화 고정층(23)이 구성된다.

이어서, 자화 고정층(23) 위에 터널 배리어층(24)으로서 막 두께 약 1㎚의 MgO막을 형성하고, 그 위에 자화 자유층(25)으로서 막 두께 약 3㎚의 CoFeB막을 형성한다.

이어서, 자화 자유층(25) 위에 캡층(26)으로서, Ti막을 2㎚ 이상의 막 두께로 형성하고, 그 위에 막 두께 약 5㎚의 Ta막, 막 두께 약 10㎚의 Ru막을 적층하고, Ti/Ta/Ru 적층막을 형성한다.

이와 같이 하여, 하지층(21), 반강자성층(22), 자화 고정층(23), 터널 배리어층(24), 자화 자유층(25), 및 캡층(26)이 차례로 적층되고, 도 17에 나타낸 바와 같은 TMR막이 형성된다.

이와 같이 하여 형성된 TMR막 위에 포토레지스트법에 의해, 소정의 형상의 레지스트 마스크(도시 생략)를 형성하고, 하부 자기 실드층(12)이 노출될 때까지 이온 밀링을 실시하고, 도 18에 나타낸 바와 같은 형상으로 가공한다. 이 가공에 의해, 판독 소자(20)가 형성된다.

가공 후, 도 19에 나타낸 바와 같이, 우선, 레지스트 마스크를 남긴 채, 스퍼터링법에 의해 기판(11) 전면에 막 두께 3㎚∼10㎚의 절연막(31)을 형성한다. 그 후, 스퍼터링법에 의해, 절연막(31) 위에 코발트 크롬 백금(CoCrPt)을 퇴적하고, 판독 소자(20)의 양측에 절연막(31)을 통하여 자구 제어막(32)을 형성한다. 이어서, 레지스트 마스크를 제거하고, 캡층(26) 상면의 절연막(31) 및 자구 제어막(32)을 리프트 오프한다. 자구 제어막(32) 표면의 평탄화 후, 판독 소자(20) 위 및 자구 제어막(32) 위에, NiFe 등으로 이루어지는 상부 자기 실드층(13)을 2㎛∼3㎛정도의 막 두께로 형성한다. 상부 자기 실드층(13)은 자기 실드 기능을 갖는 것 이외에, 판독 소자(20)의 상부 단자로서도 기능한다.

지금까지의 공정에 의해, 자기 헤드(10)에서의 재생 헤드부의 기본 구조가 완성된다.

그 후는, 상기의 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 우선, 스퍼터링법을 이용하여 전면에 AlO막 등을 형성한 후, 선택 전해 도금법을 이용하여 막 두께 1㎛∼3㎛정도(예를 들어 1㎛)의 NiFe로 이루어지는 주자극 보조층(16)을 형성한다. 또한, 전해 도금 공정의 설명의 상세는 생략한다.

이어서, 스퍼터링법을 이용하여 전면에 AlO막 등을 형성한 후, 주자극 보조층(16) 표면까지 평탄화함으로써, 주자극 보조층(16)의 ABS측에 생기는 오목부를 매립한다. 이것에 의해, 주자극 보조층(16)은 ABS에 노출되지 않는 구성이 된다.

이어서, 스퍼터링법을 이용하여, 수직 자화막과 연자성막에 의해 구성되는 주자극층(14)을 형성하고, 그것을 소정의 형상의 레지스트 마스크를 사용하여 이온 밀링한다. 이후는, AlO막 등을 형성하면서, 코일(18a, 18b, 18c, 18d), 접속층(17), 및 보조 자극층(15) 등을 차례로 형성해간다.

재생 헤드부 형성 후의 지금까지의 공정에 의해, 자기 헤드(10)에서의 기록헤드부의 기본 구조가 완성된다.

이와 같이 하여 형성되는 자기 헤드(10)에서는, 자기 기록 매체에 기록된 정보에 의거하는 자계에 따라 자화 자유층(25)의 자화의 방향이 변화하고, 그 결과, 판독 소자(20)의 저항값이 변화한다. 이 저항값의 변화가 전기적으로 검출됨으로써, 자기 기록 매체에 기록된 정보가 판독된다.

이어서, TMR 소자를 MRAM에 적용한 예에 대해서 설명한다.

도 20은 MRAM의 요부 단면 모식도이다.

도 20에 나타낸 바와 같이, MRAM(40)은 판독/기입 시에 사용하는 비트선(41)과 기입 시에 사용하는 워드선(42)이 교차하는 위치에 메모리 소자로서 TMR 소자(50)가 배치되고, 메모리 셀이 구성된다. 통상, MRAM(40)은 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 비트선(41)과 복수의 워드선(42)의 각 교차 위치에 각각, TMR 소자(50)가 배치되고, 다수의 메모리 셀을 구비하고 있다.

TMR 소자(50)는 비트선(41) 측으로부터 배선층(51), 반강자성층(52), 자화 고정층(53), 터널 배리어층(54), 자화 자유층(55), 및 캡층(56)이 적층된 구성을 갖고 있다. 자화 고정층(53)은 제 1 강자성층(53a), 비자성층(53b), 제 2 강자성층(53c)의 적층 구조로 이루어진다. 이 TMR 소자(50)에 있어서, 자화 자유층(55)에 접하는 캡층 재료로서 Ti막을 설치하도록 한다. 이것에 의해, 높은 MR비, 즉 고출력의 MRAM(40)이 실현 가능해진다.

이 외에, MRAM(40)은 판독 시에 메모리 셀을 선택하는 스위칭용 트랜지스 터(43)를 구비한다. 스위칭용 트랜지스터(43)는, 예를 들어 MOS(Metal 0xide Semiconductor)형 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)로 되고, 반도체 기판(44) 위에 게이트 절연막(43a)을 통하여 게이트 전극(43b)이 형성되고, 그 양측에 소스·드레인 영역(43c)이 형성되어 있다. 스위칭용 트랜지스터(43)는 한쪽의 소스·드레인 영역(43c)에 접속된 플러그(45a, 45b, 45c, 45d) 및 배선층(46a, 46b, 46c, 46d)을 통하여, TMR 소자(50)의 자화 자유층(55) 측에 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 반도체 기판(44) 위의 스위칭용 트랜지스터(43), 플러그(45a, 45b, 45c, 45d), 배선층(46a, 46b, 46c, 46d), 워드선(42), TMR 소자(50), 비트선(41)의 층간은 SiO 등의 절연막(47)에 의해 매립되어 있다.

TMR 소자(50)는 각 층을 스퍼터링법에 의해 성막하고, 소정의 형상으로 패터닝함으로써 형성할 수 있고, MRAM(40)의 그 외의 부분을 구성하는 비트선(41), 워드선(42), 스위칭용 트랜지스터(43), 플러그(45a, 45b, 45c, 45d), 배선층(46a, 46b, 46c, 46d), 절연막(47) 등은 일반적인 반도체 프로세스에 따라 형성할 수 있다.

MRAM(40)에는, 자화 자유층(55)의 자화의 방향이 자화 고정층(53)의 자화의 방향에 대하여 평행(TMR 소자(50)의 저항이 작음)인지 반평행(TMR 소자(50)의 저항이 큼)인지에 의해, "1", "0"의 정보가 규정된다. 정보를 기입하는 경우에는, 특정 비트선(41)과 워드선(42)에 흐른 전류가 만드는 합성 자장에 의해 특정 TMR 소자(50)의 자화 자유층(55)의 자화의 방향을 반전시키고, 그 방향에 의해 그 TMR 소 자(50)에 "1", "0"의 정보를 기입한다. 또한, 정보를 판독하는 경우에는 비트선(41) 및 스위칭용 트랜지스터(43)를 사용하여 특정 TMR 소자(50)에 전류를 흐르게 하고, 그 TMR 소자(50)의 저항이 큰지 작은지의 여부를 판정함으로써, 그 TMR 소자(50)에 기록되어 있는 정보를 판독한다.

또한, 상기한 자기 헤드(10)의 구성, 및 MRAM(40)의 구성은 일례로서, 다른 구성을 갖는 자기 헤드나 MRAM에 대해서도, 동일하게 적용 가능하다.

(부기 1) 자화의 방향이 고정된 자화 고정층과,

상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과,

상기 터널 배리어층 위에 형성되고, CoFeB막에 의해 구성된 자화의 방향이 가변인 자화 자유층과,

Ti막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 Ti막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 것을 특징으로 하는 TMR 소자.

(부기 2) 상기 터널 배리어층은 MgO막에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 TMR 소자.

(부기 3) 상기 CoFeB막은 Co조성이 60atom%∼80atom%인 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 TMR 소자.

(부기 4) 상기 CoFeB막은 B조성이 20atom%인 것을 특징으로 하는 부기 3에 기재된 TMR 소자.

(부기 5) 상기 CoFeB막은 B조성이 5atom%∼25atom%인 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 TMR 소자.

(부기 6) 상기 자화 자유층은 막 두께가 0.5㎚∼6㎚인 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 TMR 소자.

(부기 7) 상기 캡층은 막 두께가 0.5㎚∼5㎚인 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 TMR 소자.

(부기 8) 자화의 방향이 고정된 자화 고정층과,

상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과,

Ti막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 Ti막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 TMR 소자를 판독 소자에 사용한 것을 특징으로 하는 자기 헤드.

(부기 9) 상기 터널 배리어층은 MgO막에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 8에 기재된 자기 헤드.

(부기 1O) 상기 CoFeB막은 Co조성이 60atom%∼80atom%인 것을 특징으로 하는 부기 8에 기재된 자기 헤드.

(부기 11) 상기 CoFeB막은 B조성이 5atom%∼25atom%인 것을 특징으로 하는 부기 8에 기재된 자기 헤드.

(부기 12) 상기 자화 자유층은 막 두께가 0.5㎚∼6㎚인 것을 특징으로 하는 부기 8에 기재된 자기 헤드.

(부기 13) 상기 캡층은 막 두께가 0.5㎚∼5㎚인 것을 특징으로 하는 부기 8에 기재된 자기 헤드.

(부기 14) 자화의 방향이 고정된 자화 고정층과,

상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과,

Ti막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 Ti막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 TMR 소자를 메모리 소자에 사용한 것을 특징으로 하는 자기 메모리.

(부기 15) 상기 터널 배리어층은 MgO막에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 14에 기재된 자기 메모리.

(부기 16) 상기 CoFeB막은 Co조성이 60atom%∼80atom%인 것을 특징으로 하는 부기 14에 기재된 자기 메모리.

(부기 17) 상기 CoFeB막은 B조성이 5atom%∼25atom%인 것을 특징으로 하는 부기 14에 기재된 자기 메모리.

(부기 18) 상기 자화 자유층은 막 두께가 0.5㎚∼6㎚인 것을 특징으로 하는 부기 14에 기재된 자기 메모리.

(부기 19) 상기 캡층은 막 두께가 0.5㎚∼5㎚인 것을 특징으로 하는 부기 14에 기재된 자기 메모리.

도 1은 TMR 소자의 일례의 단면 모식도.

도 2는 캡층 재료를 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 3은 캡층 재료와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 4는 자화 자유층을 CoFe막에 의해 구성한 경우의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 5는 자화 자유층을 CoFe막에 의해 구성한 경우의 캡층 재료와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 6은 터널 배리어층을 AlO막에 의해 구성한 경우의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 7은 자화 자유층의 CoFeB막의 막 두께를 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 8은 자화 자유층의 CoFeB막의 막 두께와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 9는 캡층 재료의 Ti막의 막 두께를 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 10은 캡층 재료의 Ti막의 막 두께와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 11은 자화 자유층의 CoFeB막의 Co조성과 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 12는 자화 자유층의 CoFeB막의 Co조성과 자기 왜곡의 관계를 나타내는 도면.

도 13은 자화 자유층의 CoFeB막의 B조성을 파라미터로 하였을 때의 RA와 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 14는 자화 자유층의 CoFeB막의 B조성과 MR비의 관계를 나타내는 도면.

도 15는 자기 헤드의 자기 기록 매체 대향면 측으로부터 본 정면 개략도.

도 16은 자기 헤드의 단면 개략도.

도 17은 성막 공정의 요부 단면 모식도.

도 18은 이온 밀링 공정의 요부 단면 모식도.

도 19는 매립 공정의 요부 단면 모식도.

도 20은 MRAM의 요부 단면 모식도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 50 : TMR 소자 2, 21 : 하지층

3, 22, 52 : 반강자성층 4, 23, 53 : 자화 고정층

4a, 23a, 53a : 제 1 강자성층 4b, 23b, 53b : 비자성층

4c, 23c, 53c : 제 2 강자성층 5, 24, 54 : 터널 배리어층

6, 25, 55 : 자화 자유층 7, 26, 56 : 캡층

10 : 자기 헤드 11 : 기판

12 : 하부 자기 실드층 13 : 상부 자기 실드층

14 : 주자극층 15 : 보조 자극층

16 : 주자극 보조층 17 : 접속층

18a, 18b, 18c, 18d : 코일 20 : 판독 소자

31, 47 : 절연막 32 : 자구 제어막

40 : MRAM 41 : 비트선

42 : 워드선 43 : 스위칭용 트랜지스터

43a : 게이트 절연막 43b : 게이트 전극

43c : 소스·드레인 영역 44 : 반도체 기판

45a, 45b, 45c, 45d : 플러그 46a, 46b, 46c, 46d, 51 : 배선층

Claims

자화의 방향이 고정된 자화 고정층과,

상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과,

상기 터널 배리어층 위에 형성되고, 코발트 철 붕소막에 의해 구성된 자화의 방향이 가변인 자화 자유층과,

티탄막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 티탄막이 접하도록 형성된 캡층을 갖고,

상기 터널 배리어층은 산화마그네슘막에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 소자.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 코발트 철 붕소막은 코발트 조성이 60atom%∼80atom%인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 코발트 철 붕소막은 붕소 조성이 5atom%∼25atom%인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 자화 자유층은 막 두께가 0.5㎚∼6㎚인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 캡층은 막 두께가 0.5㎚∼5㎚인 것을 특징으로 하는 터널 자기 저항 소자.
자화의 방향이 고정된 자화 고정층과,

상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과,

상기 터널 배리어층 위에 형성되고, 코발트 철 붕소막에 의해 구성된 자화의 방향이 가변인 자화 자유층과,

티탄막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 티탄막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 터널 자기 저항 소자를 판독 소자에 사용하고,

상기 터널 배리어층은 산화마그네슘막에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
삭제
자화의 방향이 고정된 자화 고정층과,

상기 자화 고정층 위에 형성된 터널 배리어층과,

상기 터널 배리어층 위에 형성되고, 코발트 철 붕소막에 의해 구성된 자화의 방향이 가변인 자화 자유층과,

티탄막을 구비하고, 상기 자화 자유층 위에 상기 티탄막이 접하도록 형성된 캡층을 갖는 터널 자기 저항 소자를 메모리 소자에 사용하고,

상기 터널 배리어층은 산화마그네슘막에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 메모리.
삭제