WO2023228389A1 - 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2023228389A1
WO2023228389A1 PCT/JP2022/021656 JP2022021656W WO2023228389A1 WO 2023228389 A1 WO2023228389 A1 WO 2023228389A1 JP 2022021656 W JP2022021656 W JP 2022021656W WO 2023228389 A1 WO2023228389 A1 WO 2023228389A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
outer peripheral
ferromagnetic layer
magnetoresistive element
region
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/021656
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
智生 佐々木
振尭 唐
Original Assignee
Tdk株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tdk株式会社 filed Critical Tdk株式会社
Priority to PCT/JP2022/021656 priority Critical patent/WO2023228389A1/ja
Priority to US17/971,775 priority patent/US20230389444A1/en
Priority to CN202211514177.4A priority patent/CN117135992A/zh
Publication of WO2023228389A1 publication Critical patent/WO2023228389A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/10—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration
    • H01L27/105—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration including field-effect components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details

Definitions

  • the magnetoresistive element according to the above aspect may further include a magnetic induction layer.
  • the magnetic induction layer and the nonmagnetic layer sandwich the second ferromagnetic layer.
  • the magnetic induction layer includes a second center region and a second outer peripheral region outside the second center region. The maximum thickness of the second outer peripheral region is thicker than the average thickness of the second central region.
  • the method for manufacturing a magnetoresistive element according to the second aspect includes a step of forming a laminated film in which a first ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer are laminated in order; a step of processing the laminate into a predetermined shape; a step of exposing the side surfaces of the laminate to an oxygen or nitrogen gas atmosphere; a step of forming an insulating layer covering the side surfaces; and annealing the laminate and the insulating layer. It has a process.
  • direction One direction of one surface of a substrate Sub (see FIG. 2), which will be described later, is the x direction, and a direction perpendicular to the x direction is the y direction.
  • the z direction is a direction perpendicular to the x direction and the y direction.
  • the z direction is an example of a lamination direction in which each layer is laminated.
  • the +z direction may be expressed as "up” and the -z direction as "down”. Up and down do not necessarily correspond to the direction in which gravity is applied.
  • the magnetoresistive element 10 is an element that records and stores data.
  • the magnetoresistive element 10 records data using a resistance value in the z direction.
  • the resistance value of the magnetoresistive element 10 in the z direction changes by applying a write current in the z direction.
  • the resistance value of the magnetoresistive element 10 in the z direction can be read by applying a read current to the magnetoresistive element 10 in the z direction.
  • Heusler alloy examples include Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , Co 2 FeGe 1-c Ga c , and the like. Heusler alloys have high spin polarizability.
  • FIG. 5 is an enlarged view of characteristic parts of the magnetoresistive element 10 according to the first embodiment.
  • the first ferromagnetic layer 1 includes a central region 11 and an outer peripheral region 12.
  • the outer peripheral region 12 is outside the central region 11 .
  • the outer peripheral region 12 is, for example, a region within 10% from the outside of the width of the first ferromagnetic layer 1 in the x and y directions.
  • the central region 11 is made of, for example, the material constituting the first ferromagnetic layer 1 described above.
  • the outer peripheral region 12 contains, for example, nitrogen in addition to the material constituting the first ferromagnetic layer 1 described above.
  • the nitrogen concentration in the outer peripheral region 12 is thinner as it approaches the center region 11 .
  • the second ferromagnetic layer 2 includes a central region 21 and an outer peripheral region 22.
  • the center region 21 is an example of a third center region.
  • the outer peripheral area 22 is an example of a third outer peripheral area.
  • the outer peripheral region 22 is outside the central region 21 .
  • the outer peripheral region 22 is, for example, a region within 10% from the outside of the width of the second ferromagnetic layer 2 in the xy direction.
  • the central region 21 is made of, for example, the material constituting the second ferromagnetic layer 2 described above.
  • the outer peripheral region 22 contains, for example, nitrogen in addition to the material constituting the second ferromagnetic layer 2 described above.
  • the nitrogen concentration in the outer peripheral region 22 is thinner as it approaches the center region 21 .
  • the outer peripheral region 32 extends outward from the interface with the central region 31. That is, the outer peripheral region 32 becomes thicker from the interface with the center region 31 toward the insulating layer 90.
  • the first surface 3A and the second surface 3B of the nonmagnetic layer 3 are further apart toward the outside in the outer peripheral region 32.
  • the magnetic induction layer 8 strengthens the magnetic anisotropy of the second ferromagnetic layer 2.
  • the magnetic induction layer 8 enhances the perpendicular magnetic anisotropy of the second ferromagnetic layer 2.
  • the magnetic induction layer 8 is made of, for example, magnesium oxide, W, Ta, Mo, or the like.
  • the magnesium oxide is deficient in oxygen in order to improve conductivity.
  • the average thickness of the magnetic induction layer 8 is, for example, 0.5 nm or more and 5.0 nm or less.
  • the buffer layer 4 and the seed layer 5 are called base layers.
  • Buffer layer 4 is a layer that alleviates lattice mismatch between different crystals.
  • the buffer layer 4 includes, for example, a metal containing at least one element selected from the group consisting of Ta, Ti, Zr, and Cr, or at least one element selected from the group consisting of Ta, Ti, Zr, and Cu. It is a nitride. More specifically, the buffer layer 4 is, for example, Ta (single substance), TaN (tantalum nitride), CuN (copper nitride), TiN (titanium nitride), or NiAl (nickel aluminum).
  • the seed layer 5 improves the crystallinity of the layer stacked on the seed layer 5.
  • Seed layer 5 is located, for example, between buffer layer 4 and ferromagnetic layer 6 and on buffer layer 4 . When the ferromagnetic layer 6 and the spacer layer 7 are not included, the seed layer 5 is located between the buffer layer 4 and the first ferromagnetic layer 1, for example.
  • the seed layer 5 is, for example, a compound having a (001)-oriented NaCl structure.
  • the seed layer 5 is made of, for example, Pt, Ru, Zr, NiCr alloy, or NiFeCr.
  • the film thickness of the seed layer 5 is, for example, 1 nm or more and 5 nm or less.
  • the method for manufacturing the magnetoresistive element 10 includes a lamination process, a processing process, an exposure process, an insulating layer forming process, and an annealing process.
  • each layer that becomes the magnetoresistive element 10 is laminated.
  • the buffer layer 4 the seed layer 5, the ferromagnetic layer 6, the spacer layer 7, the first ferromagnetic layer 1, the nonmagnetic layer 3, the second ferromagnetic layer 2, and the magnetic induction layer 8.
  • the lamination of each layer can be performed using a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam evaporation method (EB evaporation method), an atomic laser deposition method, or the like.
  • CVD chemical vapor deposition
  • EB evaporation method electron beam evaporation method
  • atomic laser deposition method or the like.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

この磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と第２強磁性層と非磁性層とを備える。前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある。前記非磁性層は、第１中心領域と、前記第１中心領域より外側にある第１外周領域と、を備える。前記第１外周領域の最大厚みは、前記第１中心領域の平均厚みより厚い。

Description

磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法
　本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
　磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果により積層方向の抵抗値が変化する素子である。磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層とこれらに挟まれた非磁性層とを備える。非磁性層に導体が用いられた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子と言われ、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）が用いられた磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子と言われる。
　磁気抵抗効果素子は、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）等の様々な用途への応用が可能である（例えば、特許文献１及び２）。例えば、特許文献３には、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して、磁化の向きを制御する方法が記載されている。この方法は、スピン注入磁化反転方式と呼ばれている。
特許第５５８６０２８号公報 特許第５９８８０１９号公報 特開第２０１５－１５６５０１号公報
　磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層の磁化と第２強磁性層の磁化との相対角の変化に伴い、抵抗値が変化する。第１強磁性層と第２強磁性層とが短絡すると、予期せぬ電流パスが形成され、強磁性層の磁化を反転させるために大きなエネルギーが必要になる。また第１強磁性層と第２強磁性層との短絡は、磁気抵抗効果素子の信頼性が低下させる。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、信頼性に優れる磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と第２強磁性層と非磁性層とを備える。前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある。前記非磁性層は、第１中心領域と、前記第１中心領域より外側にある第１外周領域と、を備える。前記第１外周領域の最大厚みは、前記第１中心領域の平均厚みより厚い。
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１外周領域は、前記第１中心領域との界面から外側に向かって広がっていてもよい。
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１外周領域は、窒素を含んでもよい。
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、磁気誘起層をさらに備えてもよい。前記磁気誘起層と前記非磁性層とは、前記第２強磁性層を挟む。前記磁気誘起層は、第２中心領域と、前記第２中心領域より外側にある第２外周領域と、を備える。前記第２外周領域の最大厚みは、前記第２中心領域の平均厚みより厚い。
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２外周領域は、前記第２中心領域との界面から外側に向かって広がっていてもよい。
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２外周領域は、窒素を含んでもよい。
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性層は、第３中心領域と、前記第３中心領域より外側にある第３外周領域と、を備えてもよい。前記第３外周領域の最大厚みは、前記第３中心領域の平均厚みより薄い。
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第３外周領域は、前記第３中心領域との界面から外側に向かって狭まっていてもよい。
（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記非磁性層を含む積層体の側面を覆う絶縁層をさらに備えてもよい。前記絶縁層は、前記積層体と接する領域に窒素を含んでもよい。
（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は、主成分としてＭｇＯ又はＭｇ－Ａｌ－Ｏを含んでもよい。
（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ、Ｔａからなる群から選択される何れか一つ以上の元素を含んでもよい。
（１２）第２の態様にかかる磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層を順に積層した積層膜を形成生する工程と、前記積層膜を所定の形状の積層体に加工する工程と、前記積層体の側面を酸素又は窒素ガス雰囲気に曝す工程と、前記側面を覆う絶縁層を形成する工程と、前記積層体及び前記絶縁層をアニールする工程と、を有する。
　本発明にかかる磁気抵抗効果素子は、信頼性に優れる。
第１実施形態にかかる磁気メモリの回路図である。 第１実施形態にかかる磁気メモリの特徴部分の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の特徴部分の拡大図である。
　以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
　まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、各層が積層される積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
　本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また本明細書での「接続」は電気的な接続も含む。
「第１実施形態」
　図１は、第１実施形態にかかる磁気メモリ１００の構成図である。磁気メモリ１００は、複数の磁気抵抗効果素子１０と、複数のソース線ＳＬと、複数のビット線ＢＬと、複数の第１スイッチング素子Ｓｗ１と、を備える。
　磁気抵抗効果素子１０は、例えば、行列状に配列している。磁気抵抗効果素子１０のそれぞれは、ソース線ＳＬ、ビット線ＢＬに接続されている。ソース線ＳＬは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１０とを電気的に接続する。ビット線ＢＬは、基準電位と１つ以上の磁気抵抗効果素子１０とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。電源は、使用時に磁気メモリ１００に接続される。
　磁気抵抗効果素子１０への電流の流れは、第１スイッチング素子Ｓｗ１で制御される。磁気抵抗効果素子１０は、第１スイッチング素子Ｓｗ１をＯＮにすることで、データの書き込み、読出しが行われる。磁気抵抗効果素子１０は、積層方向に電流が流れることで、スピントランスファートルクを用いてデータの書き込みを行う。
　第１スイッチング素子Ｓｗ１は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子Ｓｗ１は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
　図２は、第１実施形態に係る磁気メモリ１００の特徴部分の断面図である。図２に示す第１スイッチング素子Ｓｗ１は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩと基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤとを有する。ソースＳとドレインＤは、電流の流れ方向によって既定されるものであり、これらは同一の領域である。ソースＳとドレインＤの位置関係は、反転していてもよい。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。
　トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１０とは、ビア配線Ｖ、電極Ｅ１及び電極Ｅ２を介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒとビット線ＢＬとは、ビア配線Ｖで接続されている。ビア配線Ｖは、例えば、ｚ方向に延びる。ソース線ＳＬは、電極Ｅ２を介して磁気抵抗効果素子１０に接続されている。ビア配線Ｖ、電極Ｅ１及び電極Ｅ２は、導電性を有する材料を含む。ビア配線Ｖと電極Ｅ１は一体化していてもよい。またソース線ＳＬと電極Ｅ２とは一体化していてもよい。すなわち、電極Ｅ１はビア配線Ｖの一部でもよく、電極Ｅ２はソース線ＳＬの一部でもよい。
　磁気抵抗効果素子１０の周囲は、絶縁層９０で覆われている。絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。
　図３は、磁気抵抗効果素子１０の断面図である。図３は、磁気抵抗効果素子１０の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０を切断した断面である。図４は、磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から見た平面図である。図３及び図４では、磁気抵抗効果素子１０の周囲を覆う絶縁層９０も図示する。
　磁気抵抗効果素子１０は、データを記録、保存する素子である。磁気抵抗効果素子１０は、ｚ方向の抵抗値でデータを記録する。磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は、ｚ方向に書き込み電流を印加することで変化する。磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向に読出し電流を印加することで読み出すことができる。
　磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを備える。非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に位置する。磁気抵抗効果素子１０は、これらの他に、バッファ層４、シード層５、強磁性層６、スペーサ層７、磁気誘起層８を有してもよい。バッファ層４、シード層５、強磁性層６及びスペーサ層７は、第１強磁性層１と電極Ｅ１との間に位置し、磁気誘起層８は、第２強磁性層２と電極Ｅ２との間に位置する。
　磁気抵抗効果素子１０は、柱状の積層体である。磁気抵抗効果素子１０のｚ方向から見た平面視形状は、特に問わない。例えば、図２に示すような円形でもよいし、楕円形、オーバル、矩形でもよい。磁気抵抗効果素子１０の幅は、例えば、１０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、好ましくは３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、例えば、ｚ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜である。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ｘｙ面内のいずれかの方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でもよい。
　第１強磁性層１と第２強磁性層２はそれぞれ、強磁性体を含む。第１強磁性層１の磁化は、例えば、第２強磁性層２の磁化より動きにくい。所定の外力を加えた場合に、第１強磁性層１の磁化の向きは変化せず（固定され）、第２強磁性層２の磁化の向きは変化する。第１強磁性層１は、磁化固定層と言われる。第２強磁性層２は、磁化自由層と言われる。図３に示す磁気抵抗効果素子１０は、磁化固定層が磁化自由層より基板Ｓｕｂの近くにあり、ボトムピン構造と呼ばれる。第１強磁性層１と第２強磁性層２との位置関係は反対でもよい。第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化との相対角の変化に応じて、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は変化する。
　第１強磁性層１と第２強磁性層２それぞれは、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等である。第１強磁性層１と第２強磁性層２それぞれは、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ合金、Ｓｍ－Ｆｅ合金、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺ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、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
　図５は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０の特徴部分の拡大図である。
　第１強磁性層１は、中心領域１１と外周領域１２とを含む。外周領域１２は、中心領域１１の外側にある。外周領域１２は、例えば、第１強磁性層１のｘｙ方向の幅の外側から１０％以内の領域である。
　中心領域１１の平均厚みは、外周領域１２の平均厚みより厚い。平均厚みは、ｘｙ面内の異なる５点で測定した厚みの平均値である。厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で測定できる。
　中心領域１１の厚みは、ｘｙ面内で略一定である。外周領域１２は、中心領域１１との界面から外側に向かって狭まっている。すなわち外周領域１２は、中心領域１１との界面から絶縁層９０に向かうほど厚みが薄くなっている。
　中心領域１１は、例えば、上記の第１強磁性層１を構成する材料からなる。外周領域１２は、例えば、上記の第１強磁性層１を構成する材料に加えて、窒素を含む。外周領域１２の窒素濃度は、例えば、中心領域１１に近づくほど薄い。
　同様に、第２強磁性層２は、中心領域２１と外周領域２２とを含む。中心領域２１は、第３中心領域の一例である。外周領域２２は、第３外周領域の一例である。外周領域２２は、中心領域２１の外側にある。外周領域２２は、例えば、第２強磁性層２のｘｙ方向の幅の外側から１０％以内の領域である。
　中心領域２１の平均厚みは、外周領域２２の平均厚みより厚い。中心領域２１の厚みは、ｘｙ面内で略一定である。外周領域２２は、中心領域２１との界面から外側に向かって狭まっている。すなわち外周領域２２は、中心領域２１との界面から絶縁層９０に向かうほど厚みが薄くなっている。
　中心領域２１は、例えば、上記の第２強磁性層２を構成する材料からなる。外周領域２２は、例えば、上記の第２強磁性層２を構成する材料に加えて、窒素を含む。外周領域２２の窒素濃度は、例えば、中心領域２１に近づくほど薄い。
　非磁性層３は、非磁性体を含む。非磁性層３が絶縁体の場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４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ＭｇＡｌ２Ｏ４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。非磁性層３が金属の場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３が半導体の場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等を用いることができる。
　非磁性層３は、例えば、主成分としてＭｇＯ又はＭｇ－Ａｌ－Ｏを含む。主成分とは、非磁性層３を構成する分子のうち最も割合が多いことを言い、例えば、非磁性層３の８０％以上を占める。Ｍｇ－Ａｌ－Ｏは、マグネシウムとアルミニウムとの酸化物であり、ＭｇとＡｌとの割合は自由に設計できる。
　非磁性層３は、例えば、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ、Ｔａからなる群から選択される何れか一つ以上の元素を含んでもよい。これらの元素は、例えば、上記の主成分以外の元素として含まれている。これらの元素は、非磁性層３の格子定数を変え、第１強磁性層１と非磁性層３との間又は第２強磁性層２と非磁性層３との間の格子整合性を高める。これらの界面の格子整合性が高いと、界面での電子散乱を抑制でき、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が向上する。
　非磁性層３は、中心領域３１と外周領域３２とを含む。中心領域３１は、第１中心領域の一例である。外周領域３２は、第１外周領域の一例である。外周領域３２は、中心領域３１の外側にある。外周領域３２は、例えば、非磁性層３のｘｙ方向の幅の外側から１０％以内の領域である。
　中心領域３１の平均厚みｔ３１は、外周領域３２の最大厚みｔ３２より薄い。最大厚みｔ３２は、例えば、ｘｚ断面におけるｚ方向の厚みの最大値である。中心領域３１の厚みは、ｘｙ面内で略一定である。
　外周領域３２は、中心領域３１との界面から外側に向かって広がっている。すなわち外周領域３２は、中心領域３１との界面から絶縁層９０に向かうほど厚みが厚くなっている。非磁性層３の第１面３Ａと第２面３Ｂとは、外周領域３２において、外側に向かうほど離れている。
　中心領域３１は、例えば、上記の非磁性層３を構成する材料からなる。外周領域３２は、例えば、上記の非磁性層３を構成する材料に加えて、窒素を含む。外周領域３２の窒素濃度は、例えば、中心領域３１に近づくほど薄い。
　磁気誘起層８は、第２強磁性層２の磁気異方性を強める。例えば、磁気誘起層８は、第２強磁性層２の垂直磁気異方性を強める。磁気誘起層８は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。磁気誘起層８が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。磁気誘起層８の平均膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。
　磁気誘起層８は、中心領域８１と外周領域８２とを含む。中心領域８１は、第２中心領域の一例である。外周領域８２は、第２外周領域の一例である。外周領域８２は、中心領域８１の外側にある。外周領域８２は、例えば、磁気誘起層８のｘｙ方向の幅の外側から１０％以内の領域である。
　中心領域８１の平均厚みｔ８１は、外周領域８２の最大厚みｔ８２より薄い。中心領域８１の厚みは、ｘｙ面内で略一定である。外周領域８２は、中心領域８１との界面から外側に向かって広がっている。すなわち外周領域８２は、中心領域８１との界面から絶縁層９０に向かうほど厚みが厚くなっている。磁気誘起層の第１面８Ａと第２面８Ｂとは、外周領域８２において、外側に向かうほど離れている。
　中心領域８１は、例えば、上記の磁気誘起層８を構成する材料からなる。外周領域８２は、例えば、上記の磁気誘起層８を構成する材料に加えて、窒素を含む。外周領域８２の窒素濃度は、例えば、中心領域８１に近づくほど薄い。
　非磁性層３の外周領域３２と磁気誘起層８の外周領域８２とは、例えば、第２強磁性層２の側面を覆う。第２強磁性層２は、例えば、絶縁層９０と直接接さない構成でもよい。この場合、絶縁層９０と第２強磁性層２との間には、非磁性層３の外周領域３２又は磁気誘起層８の外周領域８２がある。
　バッファ層４及びシード層５は、下地層と言われる。バッファ層４は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層４は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む金属又は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｕからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む窒化物である。より具体的には、バッファ層４は、例えば、Ｔａ（単体）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＣｕＮ（窒化銅）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＮｉＡｌ（ニッケルアルミニウム）である。バッファ層４の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。バッファ層４は、例えば、非晶質である。バッファ層４は、例えば、シード層５と電極Ｅ１との間に位置し、電極Ｅ１に接する。バッファ層４は、電極Ｅ１の結晶構造が第１強磁性層１の結晶構造に影響を及ぼすことを抑制する。
　シード層５は、シード層５上に積層される層の結晶性を高める。シード層５は、例えば、バッファ層４と強磁性層６との間に位置し、バッファ層４上にある。強磁性層６及びスペーサ層７を有さない場合は、シード層５は、例えば、バッファ層４と第１強磁性層１との間に位置する。シード層５は、例えば、例えば、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有する化合物である。シード層５は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅＣｒである。シード層５の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
　強磁性層６は、例えば、第１強磁性層１と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、ＲＫＫＹ相互作用により生じる。第１強磁性層１の磁化の向きと強磁性層６の磁化の向きとは反平行の関係である。強磁性層６を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。強磁性層６、スペーサ層７、第１強磁性層１は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第１強磁性層１と強磁性層６とが反強磁性カップリングすることで、強磁性層６を有さない場合より第１強磁性層１の保磁力が大きくなる。
　スペーサ層７は、第２強磁性層２と強磁性層６との間に位置する。スペーサ層７は、磁気結合層とも呼ばれる。スペーサ層７は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ等である。
　絶縁層９０は、磁気抵抗効果素子１０の周囲を覆う。絶縁層９０は、磁気抵抗効果素子１０の側面に近い側から複数の層を有してもよい。絶縁層９０の積層体と接する側面は、例えば窒素を含む。絶縁層９０は、磁気抵抗効果素子１０の側面と接する窒化物層と、窒化物層を磁気抵抗効果素子１０と共に挟む酸化物層とを有してもよい。例えば、窒化物層は窒化シリコンであり、酸化物層は酸化シリコンである。
　次いで、磁気抵抗効果素子１０の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１０の製造方法は、積層工程と、加工工程と、曝露工程と、絶縁層形成工程と、アニール工程と、を有する。
　積層工程では、磁気抵抗効果素子１０となる各層を積層する。例えば、基板Ｓｕｂに近い側から順に、バッファ層４、シード層５、強磁性層６、スペーサ層７、第１強磁性層１、非磁性層３、第２強磁性層２、磁気誘起層８を順に積層する。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。
　積層工程では、少なくとも、第１強磁性層１、非磁性層３、第２強磁性層２を含む積層膜を形成する。非磁性層３及び磁気誘起層８が酸化膜の場合は、これらの層を酸素欠損状態としてもよく、非磁性層３及び磁気誘起層８が窒化膜の場合は、これらの層を窒素欠損状態としてもよい。
　次いで、加工工程では、積層膜を所定の形状に加工する。各層の加工は、例えば、フォトリソグラフィー法を用いて、エッチング等を用いて行うことができる。エッチングは、例えば、イオンビーム、アルゴンガスを用いて行う。積層膜は、柱状の積層体となる。
　次いで、曝露工程では、積層体の側面を酸素又は窒素ガス雰囲気に曝す。積層工程及び加工工程は、真空中で行われることが一般的であるため、炉内に酸素又は窒素ガスを供給する。酸素又は窒素は、積層体の側面に付着する。
　次いで、絶縁層形成工程では、積層体の側面を絶縁層で覆う。絶縁層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等で作製できる。
　次いで、アニール工程では、積層体及び絶縁層をアニールする。アニールすると、非磁性層３及び磁気誘起層８に付着した酸素又は窒素は、非磁性層３及び磁気誘起層８の内部に取り込まれる。酸素又は窒素が非磁性層３及び磁気誘起層８に取り込まれると、酸素又は窒素が取り込まれた部分は格子定数が大きくなり、体積が増える。その結果、中央領域に対して外周領域が広がる形状となる。非磁性層３及び磁気誘起層８を欠損状態にしておくと、酸素又は窒素が内部に取り込まれやすくなる。
　本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層３が第２強磁性層２の側面の一部を覆っている。そのため、第１強磁性層１と第２強磁性層２とが短絡しづらい。第１強磁性層１と第２強磁性層２とは、例えば、製造時に除去した強磁性層や配線に一部が再付着することで、短絡する場合がある。
　第１強磁性層１と第２強磁性層２とが短絡すると、非磁性層３を介さない電流パスが形成される。この場合、データの誤書き込みが生じたり、記録したデータの予期せぬ消去等が生じる場合があり、磁気抵抗効果素子１０の信頼性が低下する。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２とが短絡しづらいため、信頼性に優れる。
　また本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０が磁気誘起層８を有し、磁気誘起層８と非磁性層３とが第２強磁性層２の側面を覆う場合は、より第１強磁性層１と第２強磁性層２とが短絡しづらい。
　また本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層３を介さない電流パスによりエネルギーがロスすることを避けることができ、強磁性層の磁化を反転させるための反転電流密度を抑えることができる。
　以上、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の一例を示したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
　ここでは磁気抵抗効果素子１０を磁気メモリ１００に適用する例を示したが、この例に限られるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子１０を磁気ヘッド、磁気センサ等に用いてもよい。
１…第１強磁性層、２…第２強磁性層、３…非磁性層、３Ａ，８Ａ…第１面、３Ｂ、８Ｂ…第２面、４…バッファ層、５…シード層、６…強磁性層、７…スペーサ層、８…磁気誘起層、１０…磁気抵抗効果素子、１１，２１，３１，８１…中心領域、１２，２２，３２，８２…外周領域、９０…絶縁層、１００…磁気メモリ

Claims (12)

  1. 　第１強磁性層と第２強磁性層と非磁性層とを備え、
    　前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にあり、
    　前記非磁性層は、第１中心領域と、前記第１中心領域より外側にある第１外周領域と、を備え、
    　前記第１外周領域の最大厚みは、前記第１中心領域の平均厚みより厚い、磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記第１外周領域は、前記第１中心領域との界面から外側に向かって広がっている、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記第１外周領域は、窒素を含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　磁気誘起層をさらに備え、
    　前記磁気誘起層と前記非磁性層とは、前記第２強磁性層を挟み、
    　前記磁気誘起層は、第２中心領域と、前記第２中心領域より外側にある第２外周領域と、を備え、
    　前記第２外周領域の最大厚みは、前記第２中心領域の平均厚みより厚い、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記第２外周領域は、前記第２中心領域との界面から外側に向かって広がっている、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記第２外周領域は、窒素を含む、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記第２強磁性層は、第３中心領域と、前記第３中心領域より外側にある第３外周領域と、を備え、
    　前記第３外周領域の平均厚みは、前記第３中心領域の平均厚みより薄い、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　前記第３外周領域は、前記第３中心領域との界面から外側に向かって狭まっている、請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 　前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記非磁性層を含む積層体の側面を覆う絶縁層をさらに備え、
    　前記絶縁層は、前記積層体と接する領域に窒素を含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 　前記非磁性層は、主成分としてＭｇＯ又はＭｇ－Ａｌ－Ｏを含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 　前記非磁性層は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ、Ｔａからなる群から選択される何れか一つ以上の元素を含む、請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 　第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層を順に積層した積層膜を形成する工程と、
    　前記積層膜を所定の形状の積層体に加工する工程と、
    　前記積層体の側面を酸素又は窒素ガス雰囲気に曝す工程と、
    　前記側面を覆う絶縁層を形成する工程と、
    　前記積層体及び前記絶縁層をアニールする工程と、を有する、磁気抵抗効果素子の製造方法。
PCT/JP2022/021656 2022-05-25 2022-05-26 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法 WO2023228389A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/021656 WO2023228389A1 (ja) 2022-05-26 2022-05-26 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法
US17/971,775 US20230389444A1 (en) 2022-05-25 2022-10-24 Magneto-resistive element and method of manufacturing the magneto-resistive element
CN202211514177.4A CN117135992A (zh) 2022-05-25 2022-11-30 磁阻效应元件及磁阻效应元件的制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/021656 WO2023228389A1 (ja) 2022-05-26 2022-05-26 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023228389A1 true WO2023228389A1 (ja) 2023-11-30

Family

ID=88849649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/021656 WO2023228389A1 (ja) 2022-05-25 2022-05-26 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN117135992A (ja)
WO (1) WO2023228389A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004349671A (ja) * 2003-03-24 2004-12-09 Toshiba Corp 半導体記憶装置及びその製造方法
WO2017086481A1 (ja) * 2015-11-18 2017-05-26 国立大学法人東北大学 磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ
WO2019077663A1 (ja) * 2017-10-16 2019-04-25 Tdk株式会社 トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004349671A (ja) * 2003-03-24 2004-12-09 Toshiba Corp 半導体記憶装置及びその製造方法
WO2017086481A1 (ja) * 2015-11-18 2017-05-26 国立大学法人東北大学 磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ
WO2019077663A1 (ja) * 2017-10-16 2019-04-25 Tdk株式会社 トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリ

Also Published As

Publication number Publication date
CN117135992A (zh) 2023-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11963461B2 (en) Magnetic domain wall movement element and magnetic recording array
US11790967B2 (en) Magnetic domain wall displacement element, magnetic recording array, and semiconductor device
US11145345B2 (en) Storage element, semiconductor device, magnetic recording array, and method of producing storage element
US20220190233A1 (en) Magnetic domain wall movement element and magnetic array
US20220165934A1 (en) Magnetoresistance effect element and magnetic recording array
US11653573B2 (en) Magnetic domain wall movement element and magnetic recording array
WO2022185410A1 (ja) 磁壁移動素子、磁気アレイ及び磁壁移動素子の製造方法
WO2023228389A1 (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法
WO2022070378A1 (ja) 磁壁移動素子および磁気アレイ
JP2021190690A (ja) 磁壁移動素子及び磁気記録アレイ
WO2020157958A1 (ja) スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
WO2023228308A1 (ja) 磁気抵抗効果素子
US20230389444A1 (en) Magneto-resistive element and method of manufacturing the magneto-resistive element
WO2024176280A1 (ja) 集積装置
WO2024069733A1 (ja) 磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気抵抗効果素子
WO2023170738A1 (ja) 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US11696512B2 (en) Magnetic domain wall moving element and magnetic array
JP7470599B2 (ja) 配線層、磁壁移動素子および磁気アレイ
WO2023095186A1 (ja) 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
WO2024189673A1 (ja) 磁性素子及び磁気メモリ
WO2024195091A1 (ja) 磁気抵抗デバイス及び磁気メモリ
JP7520651B2 (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
US11991931B2 (en) Magnetic recording layer, magnetic domain wall moving element and magnetic recording array
WO2024171324A1 (ja) 磁性素子、磁気アレイ及び磁性素子の製造方法
WO2023162121A1 (ja) 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ