TWI390780B - 磁阻效應元件 - Google Patents

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Koji Tsunekawa
Motonobu Nagai
Hiroki Maehara
Shinji Yamagata
Naoki Watanabe
Shinji Yuasa
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Description

磁阻效應元件
本發明係關於磁阻效應元件及該製造方法，特別是，關於利用簡單的濺鍍成膜法而製作，具有極高的磁性阻抗比的磁阻效應元件及該製造方法。
近年來作為非揮發性記憶體，注目於被稱為MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory磁阻式隨機存取記憶體)的磁性記憶體裝置，持續進入實用化階段。MRAM為構造簡單，容易十億位元級的超高積體化，因為利用磁矩的旋轉而使其產生記憶作用，所以可覆寫的次數非常大，而且，具有可將動作速度作為數奈秒程度的特性。
於第4圖表示MRAM的構造。於MRAM101，102為記憶體元件、103為字元線、104為位元線。多數的記憶體元件102的各個係被配置於複數的字元線103與複數的位元線104的各交點位置，配置於格子狀的位置關係。多數的記憶體元件102的各個為記憶1位元的資訊。
MRAM101的記憶體元件102，像第5圖所示的，由在字元線103與位元線104的交點位置，記憶1位元的資訊的磁阻效應元件亦即TMR元件110、和具有開關機能的電晶體106所構成。該當記憶體元件102的主要的要素係使用TMR(Tunneling Magneto resistance穿隧磁阻) 元件110之點上。TMR元件的基本的構造，如第6圖所示的，為由強磁性金屬電極(強磁性層)107/穿隧阻擋(穿隧障壁)層108/強磁性金屬電極(強磁性層)109所構成的三層的層積構造。TMR素子110係藉由一對的強磁性層107、109與位於其中間的穿隧阻擋層108而構成。
TMR元件110係像第6圖所示的，具有：於穿隧阻擋層108的兩側的強磁性層107、109之間施加必要電壓而流一定電流的狀態，驅動外部磁場，強磁性層107、109的磁化的方向為在平行相同時(稱「平行狀態」)，TMR元件的電阻成為最小((A)的狀態：阻抗值Rp )，強磁性層的磁化的方向為在平行相反時(稱為「反平行狀態」)，TMR元件的電阻係成為最大((B)的狀態：阻抗值RA )的特性。因此TMR元件110，可藉由外部磁場而作出平行狀態與反平行狀態，作為阻抗值變化而進行資訊的記憶。
關於以上的TMR元件，為了實現有實用性的十億位元級的MRAM，被要求「平行狀態」的阻抗值Rp 與「反平行狀態」的阻抗值RA 的差大。作為該指標使用磁性阻抗比(MR比)。MR比係定義為「(RA -Rp )÷Rp 」。
為了提高MR比，先前係進行強磁性金屬電極(強磁性層)的電極材料的最適化，或穿隧阻擋層的製造法的方法等。例如：在日本特開2003-304010號公報或日本特開2004-63592號公報，提案關於強磁性金屬電極(強磁 性層)的材料使用Fex Coy Bz 等幾個的最適例。
開示於上述日本特開2003-304010號公報及日本特開2004-63592號公報的TMR元件的MR比係大略比70%低，有更提高MR比的必要。
另外，在最近，關於使用MgO阻擋層的單結晶TMR薄膜，使用MBE和超高真空蒸鍍裝置而製作Fe/MgO/Fe的單結晶TMR薄膜，成為得到MR比88%的報告(湯浅新治，以外4名，(“High Tunnel Magnetoresistance at Room Temperaturein Fully Epitaxial Fe/MgO/Tunnel Junctions due to Coherent Spin-PoIarized Tunneling” 研究所、応用物理日本(奈米電子研究所，應用物理的日本期刊)，2004年4月2日發行，第43卷、第4B號、P.L588-L590)。此TMR薄膜係具有完全磊晶的單結晶構造。
為了製作使用記載於上述的文獻的單結晶MgO阻擋層的單結晶TMR薄膜，有採用高價的MgO單結晶基板的必要。另外，藉由高價的MBE裝置之Fe膜的磊晶成長或藉由超高真空電子束蒸鍍的MgO的成膜等的高度的成膜技術成為必要，有成膜時間變長等的不適於量產性的問題。
本發明的目的係在提供具有高MR比、提高量產性，提高實用性的磁阻效應元件及該製造方法。
有關本發明的磁阻效應元件及該製造方法係為了達成上述目的，如以下的構成。
此磁阻效應元件，係包含由一對強磁性層和位於那些的中間的阻擋層所構成的層積構造；至少一方的強磁性層的至少接於阻擋層的部分為非晶形狀態，阻擋層為具有單結晶構造的MgO層為特徵。
如藉由上述磁阻效應元件，在阻擋層具有單結晶構造，強磁性層間的電流的流動成為可直進，成為能將該MR比作為非常高的值。
磁阻效應元件，理想為MgO層係以濺鍍法成膜的單結晶層。如藉由此構成，為中間層的阻擋層係可以簡單的方法製作，最適於量產。
磁阻效應元件，理想為MgO層係使用MgO靶材，而且以澱鍍法形成的單結晶層。
磁阻效應元件，理想為強磁性層為CoFeB層。
磁阻效應元件的製造方法，係包含由一對強磁性層和位於那些的中間的阻擋層所構成的層積構造的磁阻效應元件的製造方法；成膜至少接於阻擋層的部分為非晶形狀態的強磁性層，使用濺鍍法而製作具有單結晶構造的阻擋層的方法。
而且磁阻效應元件的製造方法，理想為在製作MgO層的濺鍍法，係使用MgO靶材，而且實施RF(高頻)磁控濺鍍。
如藉由本發明，因為TMR元件等的磁阻效應元件的 中間層之穿隧阻擋層為具有單結晶構造的MgO層，可極度提高MR比，將此作為MRAM的記憶體元件而利用時，可實現十億位元級的超高積體度。而且，藉由上述的單結晶MgO層以濺鍍法成膜，可製作適於量產性、實用性高的磁阻效應元件。
以下，根據添附圖面而說明本發明的合適的實施例。
第1圖係表示關於本發明的磁阻效應元件的層積構造的一例，表示TMR元件的層積構造。如藉由此TMR元件10，則於基板11上構成TMR元件10，例如形成9層的多層膜。在此9層多層膜，由最下層的第1層向最上層的第9層，以「Ta」、「PtMn」、「70CoFe」、「R u」、「CoFeB」、「MgO」、「CoFeB」、「Ta」、「Ru」的順序，層積磁性膜等。第1層(Ta：鉭)為基材層，第2層(PtMn)為反強磁性層。由第3層至第5層(70CoFe、Ru、CoFeB)所構成的層係形成磁化固定層。實質上的磁化固定層為由第5層的「CoFeB」所構成的強磁性層。第6層(MgO：氧化鎂)為絕緣層且為穿隧阻擋層。第7層(CoFeB)為強磁性層、磁化自由層。第6層(MgO)係形成位於該上下的一對強磁性層(CoFeB)之間的中間層。第8層(Ta：鉭)與第9層(Ru：釕)形成硬遮罩層。藉由上述的磁化固定層(第5層的「CoFeB」)與穿隧阻擋層(第6層的「MgO」)與磁化自由層(第7層的 「CoFeB」)，形成作為基本的構造而在狹義的意味上之TMR元件部12。為磁化固定層的第5層的「CoFeB」與為磁化自由層的第7層的「CoFeB」係已知作為非晶形狀態的強磁性體。為穿隧阻擋層的MgO層係如經過厚度方向而具有單結晶構造的被形成。
而且，於第1圖，於各層記載於括弧中的數值係表示各層的厚度，單位為「nm(奈米)」。該當厚度係為一例，不限定於此。
接著，參照第2圖，說明製造具有上述的層積構造的TMR元件10的裝置和製造方法。第2圖為製造TMR素子10的裝置的概略的平面圖，本裝置為可製作包含複數的磁性膜之多層膜的裝置，為量產用的濺鍍成膜裝置。
表示於第2圖的磁性多層膜製作裝置20為叢集(cluster)型裝置，根據濺鍍法而具備複數的成膜室。在本裝置20係設置具備無圖示的機械手臂(robot)的搬送室22於中央位置。於磁性多層膜製作裝置20的搬送室22係設置2個裝載/卸載室25、26，藉由各個而進行基板(矽基板)11的搬入/搬出。藉由交互使用這些裝載/卸載室25、26，成為可生產性佳的製作多層膜的構成。
在上述的磁性多層膜製作裝置20係於搬送室22的周圍，例如：設置3個成膜室27A、27B、27C、和1個蝕刻室28。在蝕刻室28係蝕刻處理TMR元件10的必要表面。於各室之間係設置隔離兩室且按照必要為自由開閉的閘閥30。而且，於各室係附設無圖示的真空排氣機構、 氣體導入機構、電力供給機構等。
在磁性多層膜製作裝置20的成膜室27A、27B、27C的各個係藉由濺鍍法，於基板11之上將前述的各磁性膜由下側依序堆積。例如於成膜室27A，27B，27C的頂板部，各別配置，配置於適當的圓周上的4座或5座的靶材(31，32，33，34，35)、(41，42，43，44，45)、(51，52，53，54)。而且於位於與該當圓周同軸上的基板夾具上，配置基板。
於上述，例如：靶材31的材料為「Ta」、靶材33的材料為「CoFeB」。另外靶材41的材料為「PtMn」、靶材42的材料為「CoFe」、靶材43的材料為「Ru」。而且靶材51的材料為「MgO」。
上述的複數的靶材，係為了效率佳且使適切的組成的磁性膜堆積，在合適上係如朝向各基板的傾斜而設置，但以平行於基板面的狀態而設置亦佳。另外，複數的靶材與基板係根據如相對的旋轉的構成而配置。於具有上述的構成的裝置20，利用各成膜室27A、27B、27C，於基板11上，表示於第1圖的磁性多層膜藉由濺鍍法而依序成膜。
敘述本發明的主要的元件部之TMR元件部12的成膜條件。磁化固定層(第5層的「CoFeB」)係、使用CoFeB組成比60/20/20 at%的靶材，在Ar壓力0.03Pa、藉由磁控直流濺鍍，以濺鍍效率(Sputtering Rate)0.64Å/sec成膜。接著，穿隧阻擋層(第6層的「MgO」)係使用MgO組成比50/50 at%的靶材，作為濺鍍氣 體使用Ar(氬)，壓力係在0.01~0.4Pa的範圍改變而成膜。藉由磁控高頻(RF)濺鍍而在濺鍍效率0.14Å/sec進行成膜。而且接著，將磁化自由層(第7層的「CoFeB」)以與磁化固定層(第5層的「CoFeB」)相同的成膜條件成膜。
在此實施例，MgO膜之成膜速度為0.14Å/sec，但在0.01~1.0Å/sec的範圍成膜亦無問題。
在成膜室27A、27B、27C的各個進行濺鍍成膜而結束層積的TMR元件10，係於熱處理爐，進行退火處理。此時，退火溫度係例如約300℃，例如8 kOe(632 kA/m)的磁場中，例如進行4小時退火處理。由此，施加於TMR元件10的第2層的PtMn必要的磁化。
於第3圖表示測定MgO的磁性特性的結果。於測定的全範圍得到了高MR比。特別是，在壓力為0.05Pa以上0.2Pa以下的範圍，可得高的MR比。於壓力為0.05Pa以上的範圍，基板上的壓力增加，離子衝擊下降的結果，推定為膜的缺陷減少。在壓力為0.05Pa以上，MR比增大，穿隧阻抗值(RA )增加。此係形成良好的單結晶膜的結果，推定膜的洩漏電流減少。一方面在0.05Pa以下的範圍，穿隧阻抗值(RA )下降，MR比亦下降。此係被認為離子衝擊增大的結果，MgO單結晶膜的缺陷增大。將樣本在剖面TEM觀察的結果，觀察到：於測定的壓力的全範圍，MgO膜係從下側的界面至上側的界面，具有經過全層的單結晶構造，於界面平行的MgO單結晶的(001) 面配向的情況。另外，CoFeB層係觀察到被形成至非晶形狀態。
此次的樣本，MgO層的兩側的強磁性層都以非晶形的CoFeB形成，但即使僅哪一方的強磁性層以非晶形的CoFeB形成，亦觀測到同樣的結果。此強磁性層係至少阻擋層連接的部分為如具有非晶形物質狀態則為充分。
一方面，在作為MgO層的兩側的強磁性層，形成具有多結晶構造的CoFe時，係於MgO層見到多數的轉移，不能得到良好的單結晶膜，為特性低。
此時，使用作為像前述的靶材之MgO靶材51，而且理想為適用RF(高頻)磁控濺鍍法。而且亦可使用反應式濺鍍法，將Mg靶材在Ar和O2 的混合氣體中濺鍍而形成MgO膜。
而且於上述，MgO層係經過全層為單結晶，(001)面為具有平行於界面的配向的單結晶構造。而且，形成TMR元件部12的一對的強磁性層係可替代具有非晶形狀態的CoFeB，使用CoFeTaZr、CoTaZr、CoFeNbZr、CoFeZr、FeTaC、FeTaN、FeC等的具有非晶形狀態的強磁性層。
關於在以上的實施例說明的構成、形狀、大小及配置關係，不過是於可理解、實施本發明的程度，概略上的表示，另外關於數值及各構成的組成(材質)係不過為例示。因而本發明係，不限定於說明的實施例，只要不逸脫表示於申請專利範圍的技術的思想的範圍，就可變更為各式 各樣的形態。
本開示係關於包含在2004年9月7日申請的日本專利申請第2004-259280號的主題，該開示內容係藉由明確的參照該全體而納入此處。
101‧‧‧MRAM
RA ‧‧‧阻抗值
Rp ‧‧‧阻抗值
10‧‧‧TMR元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧TMR元件部
20‧‧‧磁性多層膜製作裝置
22‧‧‧搬送室
25‧‧‧裝載/卸載室
26‧‧‧裝載/卸載室
27A‧‧‧成膜室
27B‧‧‧成膜室
27C‧‧‧成膜室
28‧‧‧蝕刻室
30‧‧‧閘閥
31‧‧‧靶材
32‧‧‧靶材
33‧‧‧靶材
34‧‧‧靶材
35‧‧‧靶材
41‧‧‧靶材
42‧‧‧靶材
43‧‧‧靶材
44‧‧‧靶材
45‧‧‧靶材
51‧‧‧靶材
52‧‧‧靶材
53‧‧‧靶材
54‧‧‧靶材
102‧‧‧記憶體元件
103‧‧‧字元線
104‧‧‧位元線
106‧‧‧電晶體
107‧‧‧強磁性金屬電極(強磁性層)
108‧‧‧穿隧阻擋(穿隧障壁)層
109‧‧‧強磁性金屬電極(強磁性層)
110‧‧‧TMR元件
本發明的前述的目的及特徵，係關於被添附的下述圖面，由被施加的理想的實施例之接下來的技術而為明暸，第1圖係表示關於本發明的磁阻效應元件(TMR元件)的構造的圖，第2圖為製作關於本發明的磁阻效應元件(TMR元件)的裝置的平面圖，第3圖係表示關於本發明的磁阻效應元件(TMR元件)的磁性特性的壓力相依性的線圖，第4圖為表示MRAM的要部構造的部分立體圖，第5圖為表示MRAM的記憶體元件的構造的圖，第6圖(A)、(B)為說明TMR元件的特性的圖。
10‧‧‧TMR元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧TMR元件部

Claims (3)

  1. 一種磁阻效應元件，包含：具有第1之強磁性層、第2之強磁性層、及位於該第1之強磁性層與第2之強磁性層的阻擋層之層積構造、以及位於該第1之強磁性層之側的基板的磁阻效應元件，其特徵係前述阻擋層係從與前述第1之強磁性層的界面，以至於與前述第2之強磁性層的界面，於層之厚度方向中，(001)面具有平行配向於界面之單結晶構造之氧化鎂，前述第1之強磁性層係含有CoFeB。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，前述阻擋層係使用氧化鎂靶材，以濺鍍法成膜之層。
  3. 一種磁阻式隨機存取記憶體，具有：字元線、與前述字元線交叉配置之位元線、以及連接前述字元線與前述位元線間而配置之磁阻效應元件及電晶體的磁阻式隨機存取記憶體，其特徵係前述磁阻效應元件，係具有第1之強磁性層、第2之強磁性層、及位於該第1之強磁性層與第2之強磁性層間，從與前述第1之強磁性層的界面，以至於與前述第2之強磁性層的界面，於層之厚度方向中，(001)面具有平行配向於該層之界面之單結晶構造之氧化鎂的層積構造，前述第1之強磁性層係含有CoFeB。
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