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JP2000099923A - 磁気トンネル素子及びその製造方法 - Google Patents

磁気トンネル素子及びその製造方法

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JP2000099923A
JP2000099923A JP10263696A JP26369698A JP2000099923A JP 2000099923 A JP2000099923 A JP 2000099923A JP 10263696 A JP10263696 A JP 10263696A JP 26369698 A JP26369698 A JP 26369698A JP 2000099923 A JP2000099923 A JP 2000099923A
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layer
magnetic
tunnel
magnetic layer
barrier layer
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JP10263696A
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Seiji Kumagai
静似 熊谷
Eiji Nakashio
栄治 中塩
Junichi Sugawara
淳一 菅原
Yoshito Ikeda
義人 池田
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】トンネル電流が絶縁層に確実に流れ、安定的な
磁気トンネリング効果を発現する。 【解決手段】 少なくとも、第１の磁性層と、この第１
の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、このトンネ
ル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、上記ト
ンネル障壁層を介して上記第１の磁性層及び上記第２の
磁性層の間にトンネル電流が流れる磁気トンネル素子に
おいて、上記第１の磁性層の上記トンネル障壁層が形成
される表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下である
ことを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル障壁層を
介して一対の磁性層を積層し、一方の磁性層から他方の
磁性層にトンネル電流が流れ、このトンネル電流のコン
ダクタンスが一対の磁性層の磁化の分極率に依存して変
化する磁気トンネル素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、一対の磁性金属層で薄い絶縁
層を挟持してなる層構造において、一対の磁性金属層を
電極として所定の電圧を印加すると、絶縁層に流れるト
ンネル電流のコンダクタンスが一対の磁性金属層の磁化
の相対角度に依存して変化するといった磁気トンネリン
グ効果が報告されている。すなわち、一対の磁性金属層
で薄い絶縁層を挟持してなる層構造では、絶縁層に流れ
るトンネル電流に対する磁気抵抗効果を示すのである。
【０００３】この磁気トンネリング効果では、一対の磁
性金属層の磁化の分極率により磁気抵抗比を理論的に算
出でき、特に、一対の磁性金属層にＦｅを用いた場合に
は、約４０％の磁気抵抗比を期待することができる。
【０００４】このため、少なくとも、一対の磁性金属層
で薄い絶縁層を挟持してなる層構造を有する磁気トンネ
ル素子が外部磁界検出用の素子として注目を集めてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな磁気トンネル素子では、薄い絶縁層として金属酸化
物を用いるのが一般的である。しかしながら、絶縁層と
して金属酸化物を用いた場合、ピンホール等が形成され
てしまうことがあり一対の磁性金属層間に短絡が生じて
しまうことがある。また、絶縁層として金属酸化物を用
いた場合、金属の酸化度が不十分なことがあり、トンネ
ル障壁が不完全となってしまい磁気トンネリング効果が
発現しない場合もある。
【０００６】また、従来の磁気トンネル素子では、絶縁
層を介して積層された一対の磁性金属層の磁化の相対角
度に依存して変化する電流のコンダクタンスの変化、す
なわち、磁気トンネリング効果を検出していた。しかし
ながら、従来の磁気トンネル素子では、磁気トンネリン
グ効果を確実に発現させることが困難であり、実際のデ
バイスとして使用することができないといった問題があ
った。
【０００７】そこで、本発明は、このような実情に鑑み
て提案されたものであり、トンネル電流が絶縁層に確実
に流れ、安定的な磁気トンネリング効果を発現する磁気
トンネル素子及びその製造方法を提供することを目的と
する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成した
本発明に係る磁気トンネル素子は、少なくとも、第１の
磁性層と、この第１の磁性層上に形成されたトンネル障
壁層と、このトンネル障壁層上に形成された第２の磁性
層とを有し、上記トンネル障壁層を介して上記第１の磁
性層及び上記第２の磁性層の間にトンネル電流が流れる
磁気トンネル素子において、上記第１の磁性層の上記ト
ンネル障壁層が形成される表面の平均粗さ（Ｒａ）が
０．３ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
【０００９】以上のように構成された本発明に係る磁気
トンネル素子は、第１の磁性層のトンネル障壁層が形成
される表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下である
ため、トンネル障壁層の表面が高度に平坦化されること
となる。このため、この磁気トンネル素子では、第１の
磁性層及びトンネル障壁層の界面と第２の磁性層及びト
ンネル障壁層の界面とが優れた状態となり、確実に磁気
トンネリング効果を示すこととなる。
【００１０】また、上述した目的を達成した本発明に係
る磁気トンネル素子の製造方法は、少なくとも、第１の
磁性層とトンネル障壁層と第２の磁性層とが積層されて
なる磁気トンネル素子の製造方法において、主面の平均
粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下となるように上記第１の
磁性層を形成し、この第１の磁性層の主面上に上記トン
ネル障壁層を形成し、このトンネル障壁層上に上記第２
の磁性層を形成することを特徴とするものである。
【００１１】以上のように構成された本発明に係る磁気
トンネル素子の製造方法は、主面の平均粗さ（Ｒａ）が
０．３ｎｍ以下となるように第１の磁性層を形成してい
るため、この主面上に形成されるトンネル障壁層を優れ
た表面性で形成することができる。このため、この手法
では、第１の磁性層及びトンネル障壁層の界面と第２の
磁性層及びトンネル障壁層の界面とを優れた状態で形成
することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る磁気トンネル
素子及びその製造方法の好適な実施の形態を、図面を参
照して詳細に説明する。
【００１３】本実施の形態に示す磁気トンネル素子は、
図１に示すように、ＮｉＦｅ層１及びＣｏ層２を有する
第１の磁性金属層３と、この第１の磁性金属層３を覆う
ように形成されたトンネル障壁層４と、このトンネル障
壁層４上に形成され、Ｃｏ層５、ＮｉＦｅ層６及びＦｅ
Ｍｎ層７を有する第２の磁性金属層８とを備えているま
た、この磁気トンネル素子は、熱酸化処理が施されて表
面に約３００ｎｍの厚みの酸化層が形成されたＰ型Ｓｉ
基板９上に形成されている。さらに、この磁気トンネル
素子は、ＦｅＭｎ層７の腐食を防止するため、ＦｅＭｎ
層７上にＴａ層９を有している。なお、このＴａ層１０
は、約２０ｎｍ程度の厚みで形成されている。
【００１４】具体的に、この磁気トンネル素子では、表
１に示すようなスパッタリング条件で各層を形成した。
しかしながら、本発明に係る磁気トンネル素子及びその
製造方法では、このようなスパッタリング条件に限定さ
れるものではない。
【００１５】
【表１】
【００１６】また、この磁気トンネル素子において、ト
ンネル障壁層は、例えば、Ａｌ膜を形成した後にこのＡ
ｌ膜を酸化することにより形成した。このときの酸化条
件を表２に示す。
【００１７】
【表２】
【００１８】さらに、この磁気トンネル素子では、図２
に示すように、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層
８とが互いに直交する方向に帯状に形成されている。そ
して、この磁気トンネル素子では、トンネル障壁層４
が、少なくとも第１の磁性金属層３及び第２の磁性金属
層８の交差領域を覆うように形成されている。この磁気
トンネル素子では、第１の磁性金属層３の端部付近と第
２の磁性金属層８の端部付近とがＰ型Ｓｉ基板９上に形
成されているが、Ｐ型Ｓｉ基板９の表面に酸化層が形成
されているため、これら第１の磁性金属層３及び第２の
磁性金属層８が短絡するようなことが防止されている。
【００１９】さらにまた、この磁気トンネル素子におい
て、第１の磁性金属層３のＮｉＦｅ層１は、所定の方向
に一軸配向処理が施され、外部磁界に対して磁化方向を
変化させる磁化自由膜となっている。これに対して、第
２の磁性金属層８のＮｉＦｅ層６は、ＦｅＭｎ層７との
間に交換結合を形成し、所定の方向に固定された磁化を
有する磁化固定膜となっている。このため、この磁気ト
ンネル素子に対して所定の外部磁界が印加されると、Ｎ
ｉＦｅ層１の磁化が外部磁界に応じて変化する。このた
め、ＮｉＦｅ層１の磁化は、外部磁界が印加されること
により、第２の磁性金属層８のＮｉＦｅ層７の磁化に対
して所定の角度を示すこととなる。
【００２０】そして、この磁気トンネル素子では、図２
に示すように、第１の磁性金属層３の一方端部及び第２
の磁性金属層８の一方端部に定電流源２０が接続される
とともに、第１の磁性金属層３の他方端部及び第２の磁
性金属層の他方端部に電圧計２１が取り付けられてい
る。
【００２１】このように構成された磁気トンネル素子で
は、定電流源２０から一定の電流が供給されることによ
って、第１の磁性金属層３と第２の磁性金属層８との間
にトンネル障壁層を貫通するようなトンネル電流が流れ
ることになる。そして、この磁気トンネル素子では、所
定の外部磁界が印加されると、上述したように、ＮｉＦ
ｅ層１の磁化方向とＮｉＦｅ層７の磁化方向とが所定の
角度を示すこととなる。
【００２２】この磁気トンネル素子では、ＮｉＦｅ層１
の磁化方向とＮｉＦｅ層７の磁化方向との相対角度に応
じてトンネル電流に対する抵抗値が変化する。このた
め、定電流源２０から一定の電流を供給することによっ
て、トンネル電流に対する抵抗値変化を電圧変化として
示されることとなる。したがって、この磁気トンネル素
子は、供給された一定の電流の電圧変化を検出すること
によって、外部磁界を検出することができる。
【００２３】そして、このような磁気トンネル素子は、
例えば、磁気ヘッドや磁気センサ、磁気メモリ等の各種
磁気デバイスに用いることができる。
【００２４】また、この磁気トンネル素子において、第
１の磁性金属層３のＣｏ層２及び第２の磁性金属層８の
Ｃｏ層５は、ＮｉＦｅ層１及びＮｉＦｅ層６よりもスピ
ン分極率が高く、より高い磁気抵抗比を得るために配さ
れた層である。すなわち、ＮｉＦｅ層１及びトンネル障
壁層４の界面とＮｉＦｅ層６及びトンネル障壁層４の界
面とに、Ｃｏ層２及びＣｏ層５を配することによって、
この磁気トンネル素子の磁気抵抗比を大きくすることが
できる。
【００２５】特に、この磁気トンネル素子では、第１の
磁性金属層３の一主面３ａ、言い換えると、Ｃｏ層２の
表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下とされてい
る。したがって、この磁気トンネル素子では、トンネル
障壁層４が表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下と
されたＣｏ層２上に形成されることとなる。このため、
トンネル障壁層４は、Ｃｏ層２との界面が略々平坦とな
るとともに、その主面が平坦に形成されることとなる。
【００２６】また、この磁気トンネル素子では、第２の
磁性金属層８が主面が平坦に形成されたトンネル障壁層
４上に形成されるため、トンネル障壁層４と第２の磁性
金属層８との界面もまた平坦になる。
【００２７】このため、この磁気トンネル素子では、上
述したように、外部磁界が印加された場合、ＮｉＦｅ層
１のトンネル障壁層４との界面近傍において、この外部
磁界に応じて磁化方向が確実に変化することができる。
これにより、この磁気トンネル素子では、ＮｉＦｅ層１
の磁化方向とＮｉＦｅ層７の磁化方向とが、トンネル障
壁層４との界面近傍において、外部磁界に応じた所定角
度を示すこととなる。したがって、この磁気トンネル素
子は、図３に示すように、外部磁界（この図３では、約
±２４ｋＡ／ｍ（３００Ｏｅ）の外部磁界で測定し
た。）に応じて、確実に磁気トンネリング効果を示すこ
ととなる。また、この図３からは、交換結合磁界が３．
３ｋＡ／ｍ（約４１．２５Ｏｅ）となっており、素子の
抵抗値が２５５Ωであり磁気抵抗比が約１５％となって
いることが分かる。
【００２８】ここで、第１の磁性金属層の平均粗さ（Ｒ
ａ）と磁気抵抗比との関係を示す実験について説明す
る。なお、以下の記載において、第１の磁性金属層３表
面の平均粗さ（Ｒａ）は、原子間力顕微鏡（Atomic For
ce Microscopy）により測定した値である。
【００２９】この実験では、第１の磁性金属層の下層に
下地層としてＡｌ層及びＴａ層を形成した磁気トンネル
素子、高周波誘導結合ＲＦ支援マグネトロンスパッタ
（図４には、「ＩＣＰ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ」と記載
する。）によりＮｉＦｅ層を形成した磁気トンネル素子
を用いた。結果を図４に示す。
【００３０】この図４から分かるように、トンネル障壁
層との界面の平均粗さ、すなわち、Ｃｏ層の平均粗さ
（Ｒａ）が小となるに従って、磁気抵抗比が増大してい
る。そして、磁気抵抗比が５％以上を示すためには、Ｃ
ｏ層の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下となる必要が
あることが分かる。
【００３１】また、高周波誘導結合ＲＦ支援マグネトロ
ンスパッタによりＮｉＦｅ層を形成した磁気トンネル素
子に関しては、Ｃｏ層の平均粗さ（Ｒａ）を０．１５ｎ
ｍとすることができ、１８％の非常に大きな磁気抵抗比
を達成することができた。
【００３２】ところで、第１の磁性金属層３の下層に下
地層を配さない場合、第１の磁性金属層３の下層にＡｌ
下地層を配する場合及び第１の磁性金属層３の下層にＴ
ａ下地層を有する場合における第１の磁性金属層３及び
／又は下地層の厚みとＣｏ層の平均粗さとの関係を測定
した。なお、第１の磁性金属層３の下層に下地層を配さ
ない場合には、ＮｉＦｅ層１の厚みを一定（１８．８ｎ
ｍ）とし、Ｃｏ層２の厚みを変化させることによって、
全体の膜厚を変化させた。また、Ａｌ下地層或いはＴａ
下地層を有する場合には、ＮｉＦｅ層１の厚みを一定
（１８．８ｎｍ）とし、これらＡｌ下地層或いはＴａ下
地層の厚みを変化させることによって、全体の厚みを変
化させた。
【００３３】その結果を図５に示す。この図５から分か
るように、第１の磁性金属層３の下層にＡｌ下地層を有
する場合には、Ａｌ下地層の厚みが増加するに従って平
均粗さが増大している。これに対して、下地層を有さな
い場合及びＴａ下地層を有する場合には、厚みの変化に
対して平均粗さは殆ど変化していない。
【００３４】このことから、第１の磁性金属層３の下地
層としてＡｌを用いた場合には、Ａｌの厚みを薄くする
ことによって、第１の磁性金属層３の平均粗さを小とす
ることができる。そして、Ａｌ下地層の厚みを小として
第１の磁性金属層３の平均粗さを小とすることによっ
て、磁気トンネル素子の磁気抵抗比を大きくすることが
可能となる。
【００３５】このことを検証するため、上述したよう
に、下地層を有さない場合においてＣｏ層２の厚みを変
化させた場合或いはＡｌ下地層又はＴａ下地層の厚みを
変化させた場合において、全体としての厚みと磁気抵抗
比との関係を測定した。その結果を図６に示す。
【００３６】この図６から明らかなように、Ａｌ下地層
を有する場合には、Ａｌ下地層の厚みが大となるに従っ
て、抵抗変化比は消失する傾向にある。これに対して、
下地層を有さない場合或いはＴａ下地層を有する場合に
は、全体の厚みに関係なく所定の磁気抵抗比を示してい
る。このことからも、Ａｌ下地層を有する場合には、Ａ
ｌ層の厚みを小とすることによって、磁気トンネル素子
は、所定の磁気抵抗変化を示すことが分かる。
【００３７】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
係る磁気トンネル素子は、第１の磁性層のトンネル障壁
層が形成される表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以
下とされている。このため、この磁気トンネル素子で
は、トンネル障壁層の近傍における第１の磁性層及び第
２の磁性層間に確実にトンネル電流が流れることとな
る。したがって、本発明に係る磁気トンネル素子は、高
い磁気トンネリング効果を確実に示すことができる。
【００３８】また、本発明に係る磁気トンネル素子の製
造方法は、主面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下と
なるように上記第１の磁性層を形成している。このた
め、この手法によれば、トンネル障壁層の近傍における
第１の磁性層及び第２の磁性層間に確実にトンネル電流
が流れるような磁気トンネル素子を製造することができ
る。したがって、本発明に係る磁気トンネル素子の製造
方法によれば、高い磁気トンネリング効果を確実に示す
ことが可能となった磁気トンネル素子を確実に製造する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気トンネル素子の要部断面図で
ある。
【図２】磁気トンネル素子と定電流源及び電圧計との接
続を示す要部斜視図である。
【図３】外部磁界と磁気抵抗比との関係を示す特性図で
ある。
【図４】第１の磁性金属層表面の平均粗さ（Ｒａ）と磁
気抵抗比との関係を示す特性図である。
【図５】第１の磁性金属層の厚み（下地層を含む）と第
１の磁性金属層表面の平均粗さとの関係を示す特性図で
ある。
【図６】第１の磁性金属層の厚み（下地層を含む）と磁
気抵抗比との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ ＮｉＦｅ層、２ Ｃｏ層、３ 第１の磁性金属層、
４ トンネル障壁層、５ Ｃｏ層、６ ＮｉＦｅ層、７
ＦｅＭｎ層、８ 第２の磁性金属層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅原 淳一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 池田 義人 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 5D034 BA15 BB20 CA00 DA07

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも、第１の磁性層と、この第１
    の磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、このトンネ
    ル障壁層上に形成された第２の磁性層とを有し、上記ト
    ンネル障壁層を介して上記第１の磁性層及び上記第２の
    磁性層の間にトンネル電流が流れる磁気トンネル素子に
    おいて、 上記第１の磁性層の上記トンネル障壁層が形成される表
    面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下であることを特
    徴とする磁気トンネル素子。
  2. 【請求項２】 上記第１の磁性層は、トンネル電流に対
    する電極となる金属膜上に形成されたことを備えること
    を特徴とする請求項１記載の磁気トンネル素子。
  3. 【請求項３】 上記第１の磁性層は、上記金属膜の表面
    形状が転写されることを特徴とする請求項１記載の磁気
    トンネル素子。
  4. 【請求項４】 少なくとも、第１の磁性層とトンネル障
    壁層と第２の磁性層とが積層されてなる磁気トンネル素
    子の製造方法において、 主面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍ以下となるように
    上記第１の磁性層を形成し、 この第１の磁性層の主面上に上記トンネル障壁層を形成
    し、このトンネル障壁層上に上記第２の磁性層を形成す
    ることを特徴とする磁気トンネル素子の製造方法。
  5. 【請求項５】 上記第１の磁性層を高周波誘導結合ＲＦ
    プラズマ支援マグネトロンスパッタ法により形成したこ
    とを特徴とする請求項４記載の磁気トンネル素子の製造
    方法。
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