JP2009218611A - Magneto-resistance effect element, magnetic memory device, and method of manufacturing magneto-resistance effect element and magnetic memory device - Google Patents
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Abstract
【課題】強磁性層の磁気異方性を制御することにより良好な磁気特性を有する磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子1であって、強磁性層のうち一方が磁化固定層5であり、他方が磁化自由層7であり、強磁性層5,7がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、強磁性層5,7が、300℃以上磁化自由層7の結晶化温度以下で磁場中熱処理されている磁気抵抗効果素子1を構成する。
【選択図】図1A magnetoresistive element having good magnetic characteristics by controlling magnetic anisotropy of a ferromagnetic layer is provided.
A magnetoresistive element 1 having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer, and a change in magnetoresistance is obtained by passing a current perpendicular to the film surface. One of the layers is a magnetization fixed layer 5, the other is a magnetization free layer 7, the ferromagnetic layers 5 and 7 have an amorphous or microcrystalline structure, and the ferromagnetic layers 5 and 7 have a magnetization free of 300 ° C. or more. A magnetoresistive element 1 that is heat-treated in a magnetic field below the crystallization temperature of the layer 7 is formed.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を備えて成る磁気メモリ装置に係わる。また、この磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気メモリ装置の製造方法に係わる。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element configured to obtain a magnetoresistive change by flowing a current perpendicular to a film surface and a magnetic memory device including the magnetoresistive effect element. The present invention also relates to a method for manufacturing the magnetoresistive effect element and a method for manufacturing the magnetic memory device.
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術として、ますます重要になってきている。 With the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory and logic that compose this device have higher performance such as higher integration, higher speed, and lower power consumption. Is required. In particular, increasing the density and capacity of non-volatile memory is becoming increasingly important as a technology for replacing hard disks and optical discs that are essentially impossible to miniaturize due to the presence of moving parts.
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferro electric Random Access Memory )等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いという欠点がある。一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。
Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferro electric Random Access Memory) using a ferroelectric.
However, the flash memory has a drawback that the writing speed is as slow as the order of μ seconds. On the other hand, in FRAM, a problem that the number of rewritable times is small has been pointed out.
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、例えば「Wang et al.,IEEE Trans. Magn. 33(1997),4498 」に記載されているような、MRAM(Magnetic Random Access Memory )と呼ばれる磁気メモリである。このMRAMは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記録を行うために書き換え可能回数が大である。またアクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている。 As a non-volatile memory free from these drawbacks, MRAM (Magnetic Random Access Memory) as described in, for example, “Wang et al., IEEE Trans. Magn. 33 (1997), 4498” is attracting attention. It is a magnetic memory called. Since this MRAM has a simple structure, it can be easily integrated and has a large number of rewritable times in order to perform recording by rotating a magnetic moment. The access time is also expected to be very high, and it has already been confirmed that it can operate in the nanosecond range.
このMRAMに用いられる、磁気抵抗効果素子、特にトンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistance:TMR)素子は、基本的に強磁性層/トンネルバリア層/強磁性層の積層から成る強磁性トンネル接合で構成される。この素子では、強磁性層間に一定の電流を流した状態で強磁性層間に外部磁場を印加した場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて磁気抵抗効果が現れる。双方の強磁性層の磁化の向きが反平行の場合は抵抗値が最大となり、平行の場合は抵抗値が最小となる。メモリ素子としての機能は外部磁場により反平行と平行の状態を作り出すことによってもたらされる。 The magnetoresistive effect element used in this MRAM, in particular, the tunnel magnetoresistive effect (TMR) element, is basically composed of a ferromagnetic tunnel junction composed of a laminate of a ferromagnetic layer / tunnel barrier layer / ferromagnetic layer. The In this element, when an external magnetic field is applied between the ferromagnetic layers with a constant current flowing between the ferromagnetic layers, a magnetoresistive effect appears according to the relative angle of magnetization of both magnetic layers. When the magnetization directions of both ferromagnetic layers are antiparallel, the resistance value is maximized, and when they are parallel, the resistance value is minimized. The function as a memory element is brought about by creating an antiparallel and parallel state by an external magnetic field.
特にスピンバルブ型のTMR素子においては、一方の強磁性層が隣接する反強磁性層と反強磁性的に結合することによって磁化の向きが常に一定とされた磁化固定層とされる。他方の強磁性層は、外部磁場等によって容易に磁化反転する磁化自由層とされる。そして、この磁化自由層が磁気メモリにおける情報記録層となる。 In particular, in a spin valve type TMR element, one of the ferromagnetic layers is antiferromagnetically coupled to an adjacent antiferromagnetic layer, thereby forming a magnetization fixed layer in which the magnetization direction is always constant. The other ferromagnetic layer is a magnetization free layer whose magnetization is easily reversed by an external magnetic field or the like. This magnetization free layer becomes an information recording layer in the magnetic memory.
スピンバルブ型のTMR素子において、その抵抗値の変化率は、それぞれの強磁性層のスピン分極率をP1,P2とすると、下記の式(A)で表される。
2P1P2/(1−P1P2) (A)
このように、それぞれのスピン分極率が大きい程、抵抗変化率が大きくなる。
In the spin valve type TMR element, the rate of change in resistance value is expressed by the following formula (A), where the spin polarizabilities of the respective ferromagnetic layers are P1 and P2.
2P1P2 / (1-P1P2) (A)
Thus, the resistance change rate increases as the respective spin polarizabilities increase.
ところで、MRAMの基本的な構成は、例えば特開平10−116490号公報に開示されているように、複数のビット書き込み線(いわゆるビット線)と、これら複数のビット書き込み線に直交する複数のワード書き込み線(いわゆるワード線)とを設け、これらビット書き込み線とワード書き込み線との交点に磁気メモリ素子としてTMR素子が配されて成る。そして、このようなMRAMで記録を行う際には、アステロイド特性を利用してTMR素子に対して選択書き込みを行う。 Incidentally, the basic configuration of the MRAM is, for example, as disclosed in JP-A-10-116490, a plurality of bit write lines (so-called bit lines) and a plurality of words orthogonal to the plurality of bit write lines. A write line (so-called word line) is provided, and a TMR element is arranged as a magnetic memory element at the intersection of the bit write line and the word write line. When recording with such an MRAM, selective writing is performed on the TMR element using the asteroid characteristic.
MRAMにおいてTMR素子の磁気特性が素子毎にばらつくことや、同一素子を繰り返し使用した場合のばらつきが存在すると、アステロイド特性を使用した選択書き込みが困難になるという問題点がある。
従って、TMR素子には、理想的なアステロイド曲線を描かせるための磁気特性も求められる。
理想的なアステロイド曲線を描かせるためには、TMR測定を行った際のR−H(抵抗−磁場)ループにおいてバルクハウゼンノイズ等のノイズがないこと、波形の角形性がよいこと、磁化状態が安定しており保磁力Hcのばらつきが少ないことが必要である。
In MRAM, if the magnetic characteristics of the TMR element vary from element to element, or if there are variations when the same element is used repeatedly, there is a problem that selective writing using the asteroid characteristic becomes difficult.
Accordingly, the TMR element is also required to have a magnetic characteristic for drawing an ideal asteroid curve.
In order to draw an ideal asteroid curve, there is no noise such as Barkhausen noise in the RH (resistance-magnetic field) loop when TMR measurement is performed, the squareness of the waveform is good, and the magnetization state Must be stable and have little variation in coercive force Hc.
バルクハウゼンノイズや角形性の劣化、保磁力のばらつきは、主にその材料の磁気異方性に起因している。膜面内で磁気異方性の方向や強度が分散していると、これらの問題が発生する原因となるため、磁気異方性の方向制御は非常に重要である。 Barkhausen noise, deterioration of squareness, and variation in coercive force are mainly caused by the magnetic anisotropy of the material. If the direction and strength of magnetic anisotropy are dispersed in the plane of the film, these problems may occur, and thus the direction control of magnetic anisotropy is very important.
上述した問題の解決のために、本発明においては、強磁性層の磁気異方性を制御することにより良好な磁気特性を有する磁気抵抗効果素子、及びこの磁気抵抗効果素子を備えて優れた書き込み特性を有する磁気メモリ装置、並びにこれら磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置の製造方法を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, in the present invention, a magnetoresistive effect element having good magnetic characteristics by controlling the magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer, and an excellent writing provided with the magnetoresistive effect element are provided. It is an object of the present invention to provide a magnetic memory device having characteristics, a magnetoresistive effect element, and a method of manufacturing the magnetic memory device.
本発明の磁気抵抗効果素子は、対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成であって、強磁性層のうち一方が磁化固定層であり他方が磁化自由層であり、強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、強磁性層が300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理されているものである。 The magnetoresistive effect element according to the present invention has a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other via an intermediate layer, and a magnetoresistance change is obtained by flowing a current perpendicular to the film surface. One of them is a magnetization fixed layer and the other is a magnetization free layer, the ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure, and the ferromagnetic layer is heat-treated in a magnetic field at a temperature of 300 ° C. or more and below the crystallization temperature of the magnetization free layer. It is what.
本発明の磁気メモリ装置は、対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、強磁性層のうち一方が磁化固定層であり他方が磁化自由層であり、強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、強磁性層が300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理されているものである。 The magnetic memory device of the present invention includes a magnetoresistive element having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer, and a magnetoresistance change is obtained by flowing a current perpendicular to the film surface, A word line and a bit line sandwiching the resistive element in the thickness direction, one of the ferromagnetic layers is a magnetization fixed layer and the other is a magnetization free layer, the ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure, The ferromagnetic layer is heat-treated in a magnetic field at a temperature not lower than 300 ° C. and not higher than the crystallization temperature of the magnetization free layer.
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成であり、強磁性層のうち一方が磁化固定層であり他方が磁化自由層であり、強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有する磁気抵抗効果素子を製造する際に、少なくとも磁化自由層を形成した後に、300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理を施す工程を行うものである。 The method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to the present invention has a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer, and a magnetoresistance change is obtained by flowing a current perpendicular to the film surface. One of the magnetic layers is a magnetization fixed layer and the other is a magnetization free layer. When manufacturing a magnetoresistive effect element having a ferromagnetic layer having an amorphous or microcrystalline structure, at least after forming the magnetization free layer, 300 A step of performing a heat treatment in a magnetic field at a temperature not lower than ℃ and not higher than the crystallization temperature of the magnetization free layer is performed.
本発明の磁気メモリ装置の製造方法は、対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成であり、強磁性層のうち一方が磁化固定層であり他方が磁化自由層であり、強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有する磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備えた磁気メモリ装置を製造する際に、少なくとも磁化自由層を形成した後に、300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理を施す工程を行うものである。 The method for manufacturing a magnetic memory device of the present invention has a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer, and a magnetoresistance change is obtained by passing a current perpendicular to the film surface. One of the layers is a magnetization fixed layer, the other is a magnetization free layer, and the ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure, and a word line and a bit line sandwiching the magnetoresistive element in the thickness direction When a magnetic memory device including the above is manufactured, at least a magnetization free layer is formed, and then a step of performing a heat treatment in a magnetic field at 300 ° C. or more and below the crystallization temperature of the magnetization free layer is performed.
上述の本発明の磁気抵抗効果素子の構成によれば、強磁性層のうち一方が磁化固定層であり他方が磁化自由層であり、強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、強磁性層が300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理されていることにより、磁場中熱処理により強磁性層の磁気異方性が制御されるため、磁気抵抗効果素子の抵抗−外部磁場曲線の角形性を改善することや、保磁力のばらつきを改善することが可能になる。 According to the configuration of the magnetoresistive effect element of the present invention described above, one of the ferromagnetic layers is a fixed magnetization layer and the other is a magnetization free layer, the ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure, and is ferromagnetic. Since the magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer is controlled by the heat treatment in the magnetic field because the layer is heat-treated in the magnetic field at a temperature of 300 ° C. or more and the crystallization temperature of the magnetization free layer, the resistance of the magnetoresistive effect element—the external magnetic field It becomes possible to improve the squareness of the curve and to improve the variation in coercive force.
上述の本発明の磁気メモリ装置の構成によれば、磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、磁気抵抗効果素子が上記の本発明の磁気抵抗効果素子の構成であることにより、磁場中熱処理により強磁性層の磁気異方性が制御されて、磁気抵抗効果素子の抵抗−外部磁場曲線の角形性を改善し、保磁力のばらつきを改善することが可能になるため、磁気抵抗効果素子のアステロイド曲線の形状が改善され、磁気メモリ装置における情報の選択書き込みが容易に安定して行えるようになる。 According to the above-described configuration of the magnetic memory device of the present invention, the magnetoresistive effect element includes the magnetoresistive effect element, and the word line and the bit line sandwiching the magnetoresistive effect element in the thickness direction. Due to the configuration of the effect element, the magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer is controlled by the heat treatment in the magnetic field, the squareness of the resistance-external magnetic field curve of the magnetoresistive effect element is improved, and the coercivity variation is improved. Therefore, the shape of the asteroid curve of the magnetoresistive element is improved, and the selective writing of information in the magnetic memory device can be performed easily and stably.
上述の本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、少なくとも磁化自由層を形成した後に、300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理を施す工程を行うことにより、少なくとも磁化自由層の磁気異方性を制御して、磁気抵抗効果素子の抵抗−外部磁場曲線の角形性や保磁力のばらつきが改善された磁気抵抗効果素子を製造することが可能になる。 According to the above-described method of manufacturing a magnetoresistive element of the present invention, at least the magnetization free layer is formed and then subjected to a heat treatment in a magnetic field at a crystallization temperature of 300 ° C. or higher and lower than the crystallization temperature of the magnetization free layer. By controlling the magnetic anisotropy of the free layer, it becomes possible to manufacture a magnetoresistive effect element in which the squareness of the resistance-external magnetic field curve of the magnetoresistive effect element and the variation in coercive force are improved.
上述の本発明の磁気メモリ装置の製造方法によれば、少なくとも磁化自由層を形成した後に、300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理を施す工程を行うことにより、少なくとも磁化自由層の磁気異方性を制御して、磁気抵抗効果素子の抵抗−外部磁場曲線の角形性や保磁力のばらつきが改善され、情報の選択書き込みが容易に安定して行える磁気メモリ装置を製造することが可能になる。 According to the above-described method for manufacturing a magnetic memory device of the present invention, at least a magnetization free layer is formed by performing a heat treatment in a magnetic field at 300 ° C. or more and below the crystallization temperature of the magnetization free layer after forming at least the magnetization free layer. The magnetic anisotropy of the layer is controlled to improve the squareness of the resistance-external magnetic field curve of the magnetoresistive effect element and the variation in coercive force, and the magnetic memory device capable of easily and stably writing information selectively is manufactured. It becomes possible.
上述の本発明の磁気抵抗効果素子及びその製造方法によれば、R−H曲線の角形性の改善、保磁力のばらつきの改善を図ることができる。
これにより、磁気抵抗効果素子を磁気メモリ装置に適用した場合に、書き込みエラーを低減することができ、優れた書き込み特性が得られる。
According to the magnetoresistive effect element and the manufacturing method thereof according to the present invention described above, it is possible to improve the squareness of the RH curve and the variation in coercive force.
As a result, when the magnetoresistive effect element is applied to a magnetic memory device, write errors can be reduced and excellent write characteristics can be obtained.
また、本発明の磁気メモリ装置及びその製造方法によれば、優れた書き込み特性を実現することができる。 Moreover, according to the magnetic memory device and the manufacturing method thereof of the present invention, excellent write characteristics can be realized.
本発明は、対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子であって、強磁性層のうち一方が磁化固定層であり他方が磁化自由層であり、強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、強磁性層が300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理されている磁気抵抗効果素子である。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer, and a magnetoresistive effect is obtained by flowing a current perpendicular to the film surface. One of them is a magnetization fixed layer and the other is a magnetization free layer, the ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure, and the ferromagnetic layer is heat-treated in a magnetic field at a temperature of 300 ° C. or more and below the crystallization temperature of the magnetization free layer. This is a magnetoresistive effect element.
また本発明は、上記磁気抵抗効果素子において、磁化自由層がFeCoB、FeCoNiB、FeCoSiBから選ばれる材料から成る構成とする。 According to the present invention, in the magnetoresistive element, the magnetization free layer is made of a material selected from FeCoB, FeCoNiB, and FeCoSiB.
また本発明は、上記磁気抵抗効果素子において、上記中間層として絶縁体もしくは半導体から成るトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子である構成とする。 According to the present invention, the magnetoresistive element is a tunnel magnetoresistive element using a tunnel barrier layer made of an insulator or a semiconductor as the intermediate layer.
また本発明は、上記磁気抵抗効果素子において、積層フェリ構造を有する構成とする。 According to the present invention, the magnetoresistive element has a laminated ferri structure.
本発明は、対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、強磁性層のうち一方が磁化固定層であり他方が磁化自由層であり、強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、強磁性層が300℃以上磁化自由層の結晶化温度以下で磁場中熱処理されている磁気メモリ装置である。 According to the present invention, a magnetoresistive effect element having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer and a change in magnetoresistance is obtained by flowing a current perpendicular to the film surface, and a magnetoresistive effect element A word line and a bit line sandwiched in the thickness direction, one of the ferromagnetic layers being a magnetization fixed layer and the other being a magnetization free layer, the ferromagnetic layer having an amorphous or microcrystalline structure, The magnetic memory device is heat-treated in a magnetic field at a temperature of 300 ° C. or higher and lower than the crystallization temperature of the magnetization free layer.
また本発明は、上記磁気メモリ装置において、磁化自由層がFeCoB、FeCoNiB、FeCoSiBから選ばれる材料から成る構成とする。 According to the present invention, in the above magnetic memory device, the magnetization free layer is made of a material selected from FeCoB, FeCoNiB, and FeCoSiB.
また本発明は、上記磁気メモリ装置において、磁気抵抗効果素子が中間層として絶縁体もしくは半導体から成るトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子である構成とする。 According to the present invention, in the above magnetic memory device, the magnetoresistive effect element is a tunnel magnetoresistive effect element using a tunnel barrier layer made of an insulator or a semiconductor as an intermediate layer.
また本発明は、上記磁気メモリ装置において、磁気抵抗効果素子が積層フェリ構造を有する構成とする。 According to the present invention, in the magnetic memory device, the magnetoresistive element has a laminated ferrimagnetic structure.
まず、本発明の磁気抵抗効果素子の一実施の形態の概略構成図を図1に示す。この図1に示す実施の形態は、本発明をトンネル磁気抵抗効果素子(以下、TMR素子と称する。)に適用した場合を示している。 First, FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of a magnetoresistive element of the present invention. The embodiment shown in FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a tunnel magnetoresistive element (hereinafter referred to as a TMR element).
このTMR素子1は、シリコン等からなる基板2上に、下地層3と、反強磁性層4と、強磁性層である磁化固定層5と、トンネルバリア層6と、強磁性層である磁化自由層7と、トップコート層8とがこの順に積層されて構成されている。
即ち、強磁性層の一方が磁化固定層5とされ、他方が磁化自由層7とされた、いわゆるスピンバルブ型のTMR素子を構成しており、対の強磁性層である磁化固定層5と磁化自由層7とでトンネルバリア層6を挟み込むことにより、強磁性トンネル接合9を形成している。
そして、磁気メモリ装置等にこのTMR素子1を適用した場合には、磁化自由層7が情報記録層となり、そこに情報が記録される。
The TMR element 1 includes a
That is, a so-called spin-valve type TMR element is formed in which one of the ferromagnetic layers is a magnetization fixed
When the TMR element 1 is applied to a magnetic memory device or the like, the magnetization
反強磁性層4は、強磁性層の一方である磁化固定層5と反強磁性的に結合することにより、書き込みのための電流磁界によっても磁化固定層5の磁化を反転させず、磁化固定層5の磁化の向きを常に一定とするための層である。即ち、図1に示すTMR素子1においては、他方の強磁性層である磁化自由層7だけを外部磁場等によって磁化反転させる。磁化自由層7は、TMR素子1を例えば磁気メモリ装置等に適用した場合に情報が記録される層となるため、情報記録層とも称される。
反強磁性層4を構成する材料としては、Fe、Ni、Pt、Ir、Rh等を含むMn合金、Co酸化物、Ni酸化物等を使用することができる。
The
As a material constituting the
図1に示すスピンバルブ型のTMR素子1においては、磁化固定層5は、反強磁性層4と反強磁性的に結合することによって磁化の向きを一定とされる。このため、書き込みの際の電流磁界によっても磁化固定層5の磁化は反転しない。
In the spin valve TMR element 1 shown in FIG. 1, the magnetization fixed
トンネルバリア層6は、磁化固定層5と磁化自由層7とを磁気的に分離するとともに、トンネル電流を流すための層である。
トンネルバリア層6を構成する材料としては、例えばAl、Mg、Si、Li、Ca等の酸化物、窒化物、ハロゲン化物等の絶縁材料を使用することができる。
The
As a material constituting the
このようなトンネルバリア層6は、スパッタリング法や蒸着法等によって成膜された金属膜を、酸化又は窒化することにより得ることができる。
また、有機金属と、酸素、オゾン、窒素、ハロゲン、ハロゲン化ガス等とを用いるCVD法によっても得ることができる。
Such a
It can also be obtained by a CVD method using an organic metal and oxygen, ozone, nitrogen, halogen, halogenated gas, or the like.
本実施の形態においては、特に強磁性層である磁化固定層5、磁化自由層7を含む強磁性トンネル接合9が、300℃以上で磁場中熱処理が施されている構成とする。
このような構成とすることにより、R−H曲線の角形性を向上し、保磁力のばらつきを低減することができる。
In the present embodiment, the
With such a configuration, the squareness of the RH curve can be improved, and the variation in coercive force can be reduced.
この磁場中熱処理における磁場の向きは、強磁性層5,7の磁化容易軸と平行にすることが好ましい。
The direction of the magnetic field in this heat treatment in a magnetic field is preferably parallel to the easy axis of magnetization of the
強磁性層、特に磁化自由層7には、Fe、Co、Niのいずれか、あるいは、これら複数以上を主成分としたアモルファスまたは微結晶の材料が好ましい。
For the ferromagnetic layer, in particular, the magnetization
尚、Fe、Co、Niを主成分とした合金例えばFeCo等は、通常の膜厚では結晶質であるが、例えば膜厚1nm程度とごく薄くした場合には、アモルファスに近い状態になるため、上述した300℃以上の熱処理の効果が得られる。しかしながら、この合金には結晶磁気異方性が存在し、この結晶磁気異方性は熱処理による制御が困難であるため、アモルファス材料に比べると効果が小さくなる。 Note that an alloy mainly composed of Fe, Co, and Ni, such as FeCo, is crystalline in a normal film thickness, but when it is very thin, for example, about 1 nm, it becomes close to an amorphous state. The effect of the heat treatment at 300 ° C. or higher is obtained. However, this alloy has crystal magnetic anisotropy, and since this crystal magnetic anisotropy is difficult to control by heat treatment, the effect is less than that of an amorphous material.
ここで、磁化自由層7が、Co72Fe8B20(原子%)の組成のアモルファス強磁性材料から成る構成のスピンバルブ型TMR素子について、300℃での静磁場中熱処理を施したものと、250℃での静磁場中熱処理を施したものをそれぞれ実際に作製し、これらについて抵抗−外部磁場曲線(R−H曲線)を測定した結果を図2に示す。
図2から明らかなように、300℃で熱処理したTMR素子では、250℃で熱処理したTMR素子に比べ、R−H曲線の角形性が向上すると共にバルクハウゼンノイズも低減された。従って、本発明によれば、アステロイド曲線の形状も改善されて書き込み特性が向上し、書き込みエラーの低減を図ることが可能となる。
Here, the spin-valve type TMR element in which the magnetization
As is clear from FIG. 2, the TMR element heat-treated at 300 ° C. improved the squareness of the RH curve and also reduced Barkhausen noise as compared with the TMR element heat-treated at 250 ° C. Therefore, according to the present invention, the shape of the asteroid curve is also improved, the writing characteristics are improved, and the writing error can be reduced.
この300℃以上の熱処理条件で特性が改善される原因は定かでないが、材料の結晶化温度より低く、キュリー温度に近い温度であることが関係していると考えられる。 The reason why the characteristics are improved under the heat treatment conditions of 300 ° C. or higher is not clear, but is considered to be related to a temperature lower than the crystallization temperature of the material and close to the Curie temperature.
磁場中熱処理を行う熱処理炉は、例えば図3に示す構成とする。
この熱処理炉は、真空チャンバー31の外にヒーター32を配置し、さらに外側にマグネット33を配置して成る。
A heat treatment furnace for performing heat treatment in a magnetic field is configured as shown in FIG. 3, for example.
This heat treatment furnace has a
この熱処理炉において、磁場中熱処理は次のようにして行う。
まず、TMR素子が形成されるウェハ30を、真空チャンバー31内のラック34に、マグネット33による磁場35の方向にウェハ30の主面30Aが平行になるように載置する。
そして、ヒーター32により加熱すると共に、マグネット33により磁場を印加することによって、ウェハ30のTMR素子に対して磁場中熱処理を行うことができる。
In this heat treatment furnace, heat treatment in a magnetic field is performed as follows.
First, the
The TMR element of the
また、磁場中熱処理の温度の上限は、強磁性層に用いるアモルファスまたは微結晶の材料の結晶化温度により決定されるが、さらにTMR素子の耐熱性との兼ね合いから、高くとも400℃以下とする。 In addition, the upper limit of the temperature of the heat treatment in the magnetic field is determined by the crystallization temperature of the amorphous or microcrystalline material used for the ferromagnetic layer, and is at most 400 ° C. or less in consideration of the heat resistance of the TMR element. .
磁場中熱処理は、強磁性層の磁化反転特性を改善する目的から行っているため、少なくとも磁化自由層7に、より好ましくは磁化自由層7及び磁化固定層5の双方に処理を施すようにする。
これにより、TMR素子1の磁気特性の改善を図る効果をより顕著に得られる。
Since the heat treatment in the magnetic field is performed for the purpose of improving the magnetization reversal characteristics of the ferromagnetic layer, at least the magnetization
Thereby, the effect of improving the magnetic characteristics of the TMR element 1 can be obtained more remarkably.
また、例えば上述の熱処理をより効果的なものにするためには、磁化自由層7に用いるアモルファスまたは微結晶の材料の膜厚を1nm以上、15nm以下とすることが望ましい。この範囲内にあることによって良好な磁気特性を確保できる。磁化自由層7の膜厚が1nm未満である場合には、熱による相互拡散により磁気特性が大幅に損なわれ、逆に磁化自由層7の膜厚が15nmを上回る場合には、TMR素子1の保磁力が過剰に高くなるので実用上不適当となるおそれがある。
For example, in order to make the above-described heat treatment more effective, it is desirable that the film thickness of the amorphous or microcrystalline material used for the magnetization
また、同様に、磁化固定層5にもアモルファスまたは微結晶の材料を用いる場合に、上述の熱処理をより効果的なものにするためには、磁化固定層5に用いるアモルファスまたは微結晶の材料の膜厚を0.5nm以上、6nm以下とすることが望ましい。この範囲内にあることによって良好な磁気特性を確保できる。磁化固定層5の膜厚が0.5nm未満である場合には、熱による相互拡散により磁気特性が大幅に損なわれ、逆に磁化固定層5の膜厚が6nmを上回る場合には、反強磁性層4との交換結合磁界を充分に得られなくなるおそれがある。
Similarly, when an amorphous or microcrystalline material is used for the magnetization fixed
上述の本実施の形態のTMR素子1によれば、300℃以上磁化自由層7の結晶化温度以下で磁場中熱処理が施されている構成とすることにより、強磁性層5,7の磁気異方性を制御して、R−H曲線の角形性を向上し、バルクハウゼンノイズを低減することができる。また、保磁力Hcのばらつきを抑制して、TMR素子1のアステロイド曲線の形状を改善することができる。
According to the TMR element 1 of the present embodiment described above, the
これにより、例えば多数のTMR素子を有して成る磁気メモリ装置にTMR素子1を適用した場合に、TMR素子1のアステロイド曲線の形状を改善して、書き込み特性を向上することにより、書き込みエラーを低減することができる。
また、TMR素子を有して成る磁気ヘッドや磁気センサに適用した場合には、反転磁界の設計値からのずれを抑制して、製造歩留まりを向上することや動作不良を防止することが可能になる。
Accordingly, for example, when the TMR element 1 is applied to a magnetic memory device having a large number of TMR elements, the write error is improved by improving the shape of the asteroid curve of the TMR element 1 and improving the write characteristics. Can be reduced.
In addition, when applied to a magnetic head or a magnetic sensor having a TMR element, it is possible to suppress a deviation from the design value of the reversal magnetic field to improve manufacturing yield and prevent malfunction. Become.
尚、本発明においては、図1に示すような磁化固定層5及び磁化自由層7のそれぞれが単層から構成されたTMR素子1に限定されない。
例えば図4に示すように、磁化固定層5が、第1の磁化固定層5aと第2の磁化固定層5bとで非磁性導電体層5cを挟み込んでなる積層フェリ構造とされる場合であっても、本発明の効果を得ることができる。
In the present invention, the magnetization fixed
For example, as shown in FIG. 4, the magnetization fixed
図4に示すTMR素子10では、第1の磁化固定層5aが反強磁性層4と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第1の磁化固定層5aは強い一方向の磁気異方性を持つ。また、第2の磁化固定層5bは、トンネルバリア層6を介して磁化自由層7と対向し、スピンの向きが磁化自由層7と比較され直接MR比に関わる強磁性層となるため、参照層とも称される。
In the
積層フェリ構造の非磁性導電体層5cに用いられる材料としては、例えばRu、Rh、Ir、Cu、Cr、Au、Ag等が挙げられる。図4のTMR素子10において、その他の層は図1に示したTMR素子1とほぼ同様の構成であるため、図1と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
Examples of the material used for the nonmagnetic conductor layer 5c having the laminated ferrimagnetic structure include Ru, Rh, Ir, Cu, Cr, Au, and Ag. In the
この積層フェリ構造を有するTMR素子10においても、300℃以上磁化自由層7の結晶化温度以下で磁場中熱処理が施された構成とすることにより、図1に示したTMR素子1と同様に、R−H曲線の角形性を向上し、バルクハウゼンノイズを低減することができる。また、保磁力Hcのばらつきを抑制して、TMR素子10のアステロイド曲線の形状を改善することができる。
Also in the
尚、上述の実施の形態では、磁気抵抗効果素子としてTMR素子(トンネル磁気抵抗効果素子)1,10を用いたが、本発明は、対の強磁性層が中間層を介して対向され、膜面に対して垂直に電流を流して磁気抵抗変化を得る構成を有するその他の磁気抵抗効果素子にも適用することができる。
例えば中間層としてCu等の非磁性導電層を用いた巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)で、膜面に対して垂直に電流を流して磁気抵抗効果を得る構成、即ちいわゆるCPP型のGMR素子にも本発明を適用することができる。
In the above-described embodiment, the TMR elements (tunnel magnetoresistive effect elements) 1 and 10 are used as the magnetoresistive effect element. However, in the present invention, the pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through the intermediate layer. The present invention can also be applied to other magnetoresistive elements having a configuration in which a current flows perpendicularly to the surface to obtain a magnetoresistance change.
For example, a giant magnetoresistive effect element (GMR element) using a nonmagnetic conductive layer such as Cu as an intermediate layer, and a structure in which a current flows perpendicularly to the film surface to obtain a magnetoresistive effect, that is, a so-called CPP type GMR element The present invention can also be applied to.
さらに、磁化固定層や反強磁性体の材料、磁化固定層側における積層フェリ構造の有無等は、本発明の本質を損なわない限り種々の変形が可能である。 Furthermore, the material of the magnetization fixed layer and the antiferromagnetic material, the presence or absence of the laminated ferri structure on the magnetization fixed layer side, and the like can be variously modified without impairing the essence of the present invention.
尚、磁場中熱処理における磁場の強度の範囲は、上述の実施の形態のTMR素子1のように磁化自由層7が磁化固定層5より上層側にある構成(いわゆるボトムスピン型)では、300℃以上の磁場中熱処理が反強磁性層4から磁化固定層5にかかるバイアスを決定する熱処理を兼ねるため、磁化固定層5の構造、膜厚、特性により異なる。
例えば、磁化固定層5が膜厚2nmのCoFe膜のみ(単層)から成り、反強磁性層4の材料がFeMnやRhMn、IrMn等である場合には、1kOe程度の磁場で充分である。
この磁化固定層5が膜厚2nmのCoFe膜のみ(単層)である構成でも、反強磁性層4の材料がPtMn等である場合には、3kOe程度必要となる。
さらに、図4に示したTMR素子10等、磁化固定層5が積層フェリ構造を有することにより、強固な反強磁性結合が形成される場合には、この反強磁性結合を形成している複数の磁性層すべてが同じ方向の磁化を有するようにする必要がある。例えばCoFe(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2nm)のような構造の磁化固定層5である場合には、10kOe程度の磁場が必要となる。
一方、磁場の大きさの上限は特にないが、磁場を大きくするためには磁界印加手段を大型化する必要があるため、適度な大きさに設定される。
The range of the strength of the magnetic field in the heat treatment in the magnetic field is 300 ° C. in the configuration in which the magnetization
For example, when the magnetization fixed
Even in a configuration in which the magnetization fixed
Further, in the case where a strong antiferromagnetic coupling is formed by the magnetization fixed
On the other hand, there is no particular upper limit on the magnitude of the magnetic field, but the magnetic field applying means needs to be enlarged in order to increase the magnetic field.
上述のようなTMR素子1,10等の磁気抵抗効果素子は、例えばMRAM等の磁気メモリ装置に用いられて好適である。以下、本発明のTMR素子を用いたMRAMについて、図を参照しながら説明する。
Magnetoresistive elements such as the above-described
本発明のTMR素子を有するクロスポイント型のMRAMアレイを、図5に示す。このMRAMアレイは、複数のワード線WLと、これらワード線WLと直交する複数のビット線BLとを有し、ワード線WLとビット線BLとの交点に本発明のTMR素子が配置されて成るメモリセル11とを有する。即ち、このMRAMアレイでは、3×3のメモリセル11がマトリクス状に配置される。
FIG. 5 shows a cross-point type MRAM array having the TMR element of the present invention. This MRAM array has a plurality of word lines WL and a plurality of bit lines BL orthogonal to the word lines WL, and the TMR element of the present invention is arranged at the intersection of the word lines WL and the bit lines BL. And a
尚、MRAMアレイに用いられるTMR素子としては、図1に示したTMR素子1に限定されず、積層フェリ構造を有する図4に示すTMR素子10等、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子において磁場中300℃以上で熱処理されており、少なくとも磁化自由層7を含む強磁性層がアモルファス材料から成る構成であればいかなる構成であっても構わない。
The TMR element used in the MRAM array is not limited to the TMR element 1 shown in FIG. 1, and a current flows perpendicularly to the film surface, such as the
また、メモリ素子に多数あるメモリセルから1つのメモリセルを取り出して、断面構造を図6に示す。
各メモリセル11は、図6に示すように、例えばシリコン基板12上に、ゲート電極13、ソース領域14及びドレイン領域15からなるトランジスタ16を有する。ゲート電極13は、読み出し用のワード線WL1を構成している。ゲート電極13上には、絶縁層を介して書き込み用のワード線(前述したワード書き込み線に相当する)WL2が形成されている。トランジスタ16のドレイン領域15にはコンタクトメタル17が接続され、さらにコンタクトメタル17には下地層18が接続されている。この下地層18上の書き込み用のワード線WL2の上方に対応する位置に、本発明のTMR素子1が形成されている。このTMR素子1上に、ワード線WL1及びWL2と直交するビット線(前述したビット書き込み線に相当する)BLが形成されている。尚、下地層18は、平面位置の異なるTMR素子1とドレイン領域15との電気的接続をする役割から、バイパスとも称される。
また、各ワード線WL1,WL2とTMR素子1とを絶縁するための層間絶縁膜19及び絶縁膜20と、全体を保護するパッシベーション膜(図示せず)等を有して成る。
One memory cell is taken out from a large number of memory cells in the memory element, and a cross-sectional structure is shown in FIG.
As shown in FIG. 6, each
Further, it includes an
このMRAMは、300℃以上結晶化温度以下の磁場中熱処理により磁化自由層7の磁気異方性が制御されたTMR素子1を用いているので、R−H曲線においてノイズが低減し、アステロイド特性が向上するので、書き込みエラーの低減を図ることできる。
Since this MRAM uses the TMR element 1 in which the magnetic anisotropy of the magnetization
ここで、本発明の製造方法によりMRAMを製造する場合のプロセスフローの形態を、図7A及び図7Bにそれぞれ示す。
基板にCMOS回路(例えば図6のトランジスタ16)を形成した後、ワード線(例えば図6のW2)を形成し、ワード線の埋め込みを行い、表面を平坦化した後、TMR膜を成膜する工程までは、図7A及び図7Bで共通になっている。
Here, FIG. 7A and FIG. 7B each show a process flow in the case of manufacturing the MRAM by the manufacturing method of the present invention.
After a CMOS circuit (for example, the
図7Aに示すプロセスフローでは、TMR膜を成膜した後、すぐ磁場中熱処理を行い、その後バイパス形成工程即ち図6の下地層18のパターニング、素子部形成工程即ちTMR素子1のパターニング、素子の埋め込み工程即ちTMR素子1を絶縁膜で埋め込む工程、ビット線形成工程、ビット線の埋め込み工程の各工程を行うようにしている。
また、図7Bに示すプロセスフローでは、TMR膜を成膜し、その後バイパス形成工程、素子部形成工程、素子の埋め込み工程、ビット線形成工程、ビット線の埋め込み工程の各工程を行った後、磁場中熱処理を行うようにしている。
In the process flow shown in FIG. 7A, after the TMR film is formed, heat treatment in a magnetic field is performed immediately, and then the bypass forming step, that is, the patterning of the
Further, in the process flow shown in FIG. 7B, after the TMR film is formed and then the bypass formation step, the element portion formation step, the element embedding step, the bit line formation step, and the bit line embedding step are performed, Heat treatment is performed in a magnetic field.
いずれにしても、TMR膜を成膜した後に磁場中熱処理を施すのが望ましいが、少なくともTMR膜のうち磁化自由層7を成膜した後にする必要がある。
In any case, it is desirable to perform a heat treatment in a magnetic field after forming the TMR film, but it is necessary to at least after forming the magnetization
尚、例えば磁化固定層及び磁化自由層の配置が上述した実施の形態の構成(いわゆるボトムスピン型)とは逆である構成、即ち磁化自由層を基板側に、磁化固定層及び反強磁性層を磁化自由層よりも上層に形成する構成(いわゆるトップスピン型)では、磁化自由層の強磁性膜を成膜してから300℃以上で磁場中熱処理を行った後、磁化固定層及び反強磁性層を成膜し、その後反強磁性層を規則化する(上述したバイアスを決定する)ための磁場中熱処理を300℃未満で行うことが考えられる。
この場合、磁場中熱処理を2回行うことになるが、磁化固定層及び反強磁性層を成膜した後に300℃以上の磁場中熱処理を行う場合と比較すると、TMR膜の表面に近い磁化固定層及び反強磁性層に300℃以上の温度の影響が及ばないという利点を有する。
For example, a configuration in which the arrangement of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer is opposite to the configuration of the above-described embodiment (so-called bottom spin type), that is, the magnetization fixed layer and the antiferromagnetic layer on the substrate side Is formed above the magnetization free layer (so-called top spin type), after forming the ferromagnetic film of the magnetization free layer, after performing heat treatment in a magnetic field at 300 ° C. or higher, It is conceivable to perform a heat treatment in a magnetic field at less than 300 ° C. to form a magnetic layer and then to regularize the antiferromagnetic layer (determine the bias described above).
In this case, the heat treatment in the magnetic field is performed twice. Compared with the case where the heat treatment in the magnetic field at 300 ° C. or higher is performed after forming the magnetization fixed layer and the antiferromagnetic layer, the magnetization fixed near the surface of the TMR film. The layer and the antiferromagnetic layer have the advantage that they are not affected by a temperature of 300 ° C. or higher.
(実施例)
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
尚、図6に示したように、MRAMにはTMR素子1以外にスイッチング用のトランジスタ16が存在するが、本実施例ではTMR特性を調べるために、図8及び図9に示すような強磁性トンネル接合のみを形成したウェハにより特性の測定・評価を行った。
まず、強磁性トンネル接合の磁化自由層に種々の材料を用いた場合の、熱処理温度依存性について調べた。
(Example)
Hereinafter, specific examples to which the present invention is applied will be described based on experimental results.
As shown in FIG. 6, the MRAM includes a switching
First, the heat treatment temperature dependence when various materials were used for the magnetization free layer of the ferromagnetic tunnel junction was investigated.
<サンプル1>
図8に平面図、図9に図8のA−Aにおける断面図をそれぞれ示すように、特性評価用素子TEG(Test Element Group)として、基板21上にワード線WLとビット線BLとが直交して配置され、これらワード線WLとビット線BLとの交差する部分にTMR素子22が形成された構造を作製した。このTEGは、TMR素子22が短軸0.5μm×長軸1.0μmの楕円形状であり、ワード線WL及びビット線BLの両端にそれぞれ端子パッド23,24が形成され、ワード線WLとビット線BLとをAl2O3から成る絶縁膜25,26によって互いに電気的に絶縁した構成となっている。
<Sample 1>
As shown in a plan view in FIG. 8 and a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 8, a word line WL and a bit line BL are orthogonally crossed on a
具体的には、次のようにして図8及び図9に示すTEGを作製した。
まず、表面に熱酸化膜(厚さ2μm)が形成された厚さ0.6mmのシリコンから成る基板21を用意した。
次に、この基板21上にワード線の材料を成膜し、フォトリソグラフィによってマスクした後にワード線以外の部分をArプラズマにより選択的にエッチングし、ワード線WLを形成した。このとき、ワード線WL以外の領域は、基板21の深さ5nmまでエッチングした。
その後、ワード線WLを覆って絶縁膜26を形成し、表面を平坦化した。
Specifically, the TEG shown in FIGS. 8 and 9 was produced as follows.
First, a
Next, a word line material was formed on the
Thereafter, an insulating
続いて、下記の層構成(1)からなるTMR素子22を、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。層構成(1)は、/の左側が基板側となっており、()内は膜厚を示す。
Ta(3nm)/Cu(100nm)/PtMn膜(20nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5nm)/Al(1nm)−Ox/磁化自由層(tnm)/Ta(5nm) −(1)
Subsequently, a
Ta (3 nm) / Cu (100 nm) / PtMn film (20 nm) / CoFe (3 nm) / Ru (0.8 nm) / CoFe (2.5 nm) / Al (1 nm) -Ox / magnetization free layer (tnm) / Ta (5 nm)-(1)
尚、上記の層構成(1)のうち、磁化自由層の組成をCo72Fe8B20(原子%)とし、磁化自由層の膜厚tを4nmとした。
また、各CoFe膜の組成を、Co75Fe25(原子%)とした。
In the layer configuration (1), the composition of the magnetization free layer was Co72Fe8B20 (atomic%), and the film thickness t of the magnetization free layer was 4 nm.
The composition of each CoFe film was Co75Fe25 (atomic%).
トンネルバリア層6のAl−Ox膜は、まず金属Al膜をDCスパッタ法により1nm堆積させ、その後酸素/アルゴンの流量比を1:1とし、チャンバーガス圧を0.1mTorrとし、ICP(誘導結合プラズマ)からのプラズマにより金属Al膜をプラズマ酸化させることにより形成した。酸化時間はICPプラズマ出力に依存するが、本実施例では30秒とした。
The Al—Ox film of the
また、トンネルバリア層6のAl−Ox膜以外の膜は、DCマグネトロンスパッタ法で成膜した。
Further, films other than the Al—Ox film of the
次に、磁場中熱処理炉にて、10kOeの磁界中、200〜360℃で、5時間の熱処理を行い、反強磁性層であるPtMn層の規則化熱処理を行い、強磁性トンネル接合9を形成した。
続いて、TMR素子22及びその下の絶縁膜26をパターニングして、図8に示す平面パターンを有するTMR素子22を形成する。
さらに、Al2O3をスパッタすることにより、厚さ100nm程度の絶縁層25を成膜し、さらにフォトリソグラフィによりビット線BL及び端子パッド24を形成し、図8及び図9に示したTEGを得た。
Next, in a magnetic field heat treatment furnace, heat treatment is performed at 200 to 360 ° C. in a magnetic field of 10 kOe for 5 hours, and regularization heat treatment is performed on the PtMn layer that is an antiferromagnetic layer, thereby forming the
Subsequently, the
Further, an insulating
<サンプル2>
磁化自由層7の組成をCo70.5Fe4.5Si15B10(原子%)とし、磁化自由層7の膜厚を4nmとした以外はサンプル1と同様にしてTEGを得た。
<Sample 2>
A TEG was obtained in the same manner as Sample 1 except that the composition of the magnetization
<サンプル3>
磁化自由層7の組成をCo35Ni35Fe10B20(原子%)とし、磁化自由層7の膜厚を4nmとした以外はサンプル1と同様にしてTEGを得た。
<
A TEG was obtained in the same manner as Sample 1 except that the composition of the magnetization
<サンプル4>
磁化自由層7の組成をCo75Fe25(原子%)とし、磁化自由層7の膜厚を2nmとした以外はサンプル1と同様にしてTEGを得た。
<
A TEG was obtained in the same manner as Sample 1 except that the composition of the magnetization
<サンプル5>
磁化自由層7の組成をCo90Fe10(原子%)とし、磁化自由層7の膜厚を2nmとした以外はサンプル1と同様にしてTEGを得た。
<
A TEG was obtained in the same manner as Sample 1 except that the composition of the magnetization
そして、得られた各サンプル1〜サンプル5のTEGに対して、下記のようにしてR−H曲線の測定を行って、さらにR−H曲線から保磁力のばらつきを求めた。
And the RH curve was measured as follows with respect to the obtained TEG of each sample 1 to
(R−H曲線の測定)
通常のMRAM等の磁気メモリ装置では、電流磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させて情報を書き込むが、本実施例では、外部磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化させることにより、抵抗値の測定を行った。即ち、まずTMR素子22の磁化自由層を磁化反転させるための外部磁界を磁化自由層の磁化容易軸に対して平行となるように印加した。測定のための外部磁界の大きさは、500Oeとした。
(Measurement of RH curve)
In a normal magnetic memory device such as an MRAM, information is written by reversing the magnetization of the magnetoresistive effect element with a current magnetic field, but in this embodiment, the resistance value is measured by magnetizing the magnetoresistive effect element with an external magnetic field. went. That is, first, an external magnetic field for reversing the magnetization of the magnetization free layer of the
次に、磁化自由層の磁化容易軸の一方側から見て−500Oeから+500Oeまで掃引すると同時に、ワード線WLの端子パッド23とビット線BLの端子パッド24とにかかるバイアス電圧が100mVとなるように調節して、強磁性トンネル接合にトンネル電流を流した。このときの各外部磁界に対する抵抗値を測定してR−H曲線を得た。
Next, sweeping from −500 Oe to +500 Oe as viewed from one side of the easy axis of the magnetization free layer, and at the same time, the bias voltage applied to the
(保磁力Hcのばらつき)
上記の測定方法によりR−H曲線を測定し、R−H曲線から、磁化固定層と磁化自由層の磁化が反平行の状態であって抵抗が高い状態での抵抗値と、磁化固定層と磁化自由層の磁化が平行の状態であって抵抗が低い状態での抵抗値との平均値を求め、この平均値の抵抗値が得られるときの外部磁界の値を保磁力Hcとした。この保磁力Hcを、同様に作製された素子(TEG)500個に対して行い、これらの標準偏差ΔHcを求めた。そして、ΔHc/(Hcの平均値)を保磁力Hcのばらつきの値とした。
尚、書き込み特性の向上を図るといった観点から、保磁力Hcのばらつきは、6%以下であることが好ましい。
(Variation in coercive force Hc)
The RH curve is measured by the above measurement method, and from the RH curve, the resistance value in the state where the magnetization of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer is antiparallel and the resistance is high, The average value with the resistance value in a state where the magnetization of the magnetization free layer is parallel and low in resistance is obtained, and the value of the external magnetic field when the resistance value of this average value is obtained is defined as the coercive force Hc. The coercive force Hc was applied to 500 similarly manufactured elements (TEG), and the standard deviation ΔHc was obtained. Then, ΔHc / (average value of Hc) was used as a value of variation in coercive force Hc.
Note that the variation in the coercive force Hc is preferably 6% or less from the viewpoint of improving the writing characteristics.
サンプル1〜サンプル5のそれぞれについて、磁化自由層7の組成及び膜厚を表1に示し、また横軸に熱処理温度をとり、縦軸に保磁力Hcのばらつきをとり、プロットして図10に示す。
For each of Samples 1 to 5, the composition and thickness of the magnetization
図10から明らかなように、サンプル1〜サンプル3のように、アモルファス材料を磁化自由層7に用いて、かつ磁場中熱処理の温度を300℃以上とすることにより、保磁力Hcのばらつきを抑えることができることがわかる。
As is clear from FIG. 10, as in Samples 1 to 3, the amorphous material is used for the magnetization
このことから、アモルファス材料を磁化自由層7に用い、かつ300℃以上の磁場中熱処理を施すことにより、TMR素子の保磁力Hcのばらつきを抑えて、MRAMの書き込み特性を改善する効果が得られることがわかる。
Therefore, by using an amorphous material for the magnetization
尚、サンプル1及びサンプル3と、サンプル2とを比較すると、サンプル2の方がキュリー温度や結晶化温度が高くなるが、図10の保磁力Hcのばらつきについても、同等のばらつき抑制効果を得るのにサンプル2の方がやや高い温度を要することがわかる。
In addition, when Sample 1 and
尚、本発明の磁気抵抗効果素子(TMR素子等)は、前述した磁気メモリ装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブや磁気センサ、集積回路チップ、さらにはパソコン、携帯端末、携帯電話を始めとする各種電子機器、電子機器等に適用することができる。 The magnetoresistive effect element (TMR element or the like) of the present invention is not limited to the magnetic memory device described above, but also a magnetic head, a hard disk drive equipped with the magnetic head, a magnetic sensor, an integrated circuit chip, a personal computer, and a portable terminal. The present invention can be applied to various electronic devices such as mobile phones, electronic devices, and the like.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1,10,22 トンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)、2,21 基板、3 下地層、4 反強磁性層、5 磁化固定層、5a 第1の磁化固定層、5b 第2の磁化固定層(参照層)、5c 非磁性導電体層、6 トンネルバリア層、7 磁化自由層、9 強磁性トンネル接合、11 メモリセル、23,24 パッド、30 ウェハ、32 ヒーター、33 マグネット、WL,WL1,WL2 ワード線、BL ビット線 1, 10, 22 Tunnel magnetoresistive effect element (TMR element), 2, 21 substrate, 3 underlayer, 4 antiferromagnetic layer, 5 magnetization fixed layer, 5a first magnetization fixed layer, 5b second magnetization fixed layer (Reference layer), 5c nonmagnetic conductor layer, 6 tunnel barrier layer, 7 magnetization free layer, 9 ferromagnetic tunnel junction, 11 memory cell, 23, 24 pad, 30 wafer, 32 heater, 33 magnet, WL, WL1, WL2 Word line, BL bit line
Claims (10)
上記強磁性層のうち一方が磁化固定層であり、他方が磁化自由層であり、
上記強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、
上記強磁性層が、300℃以上、上記磁化自由層の結晶化温度以下で、磁場中熱処理されている
磁気抵抗効果素子。 A magnetoresistive element having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer, and a change in magnetoresistance is obtained by passing a current perpendicular to the film surface,
One of the ferromagnetic layers is a magnetization fixed layer, the other is a magnetization free layer,
The ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure;
The magnetoresistive element, wherein the ferromagnetic layer is heat-treated in a magnetic field at a temperature of 300 ° C. or higher and lower than a crystallization temperature of the magnetization free layer.
上記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、
上記強磁性層のうち一方が磁化固定層であり、他方が磁化自由層であり、
上記強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有し、
上記強磁性層が、300℃以上、上記磁化自由層の結晶化温度以下で、磁場中熱処理されている
磁気メモリ装置。 A magnetoresistive element having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer, and a magnetoresistive change is obtained by passing a current perpendicular to the film surface;
A word line and a bit line sandwiching the magnetoresistive effect element in the thickness direction;
One of the ferromagnetic layers is a magnetization fixed layer, the other is a magnetization free layer,
The ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure;
A magnetic memory device, wherein the ferromagnetic layer is heat-treated in a magnetic field at a temperature of 300 ° C. or higher and lower than a crystallization temperature of the magnetization free layer.
上記磁気抵抗効果素子は、上記強磁性層のうち一方が磁化固定層であり、他方が磁化自由層であり、上記強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有する構成であり、
少なくとも上記磁化自由層を形成した後に、300℃以上、上記磁化自由層の結晶化温度以下で、磁場中熱処理を施す工程を行う
磁気抵抗効果素子の製造方法。 A method of manufacturing a magnetoresistive element having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer and a change in magnetoresistance is obtained by passing a current perpendicular to the film surface,
In the magnetoresistive element, one of the ferromagnetic layers is a fixed magnetization layer, the other is a magnetization free layer, and the ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure,
A method of manufacturing a magnetoresistive effect element, comprising performing a heat treatment in a magnetic field at a temperature of 300 ° C. or higher and lower than a crystallization temperature of the magnetization free layer after forming at least the magnetization free layer.
上記磁気抵抗効果素子は、上記強磁性層のうち一方が磁化固定層であり、他方が磁化自由層であり、上記強磁性層がアモルファスあるいは微結晶組織を有する構成であり、
少なくとも上記磁化自由層を形成した後に、300℃以上、上記磁化自由層の結晶化温度以下で、磁場中熱処理を施す工程を行う
磁気メモリ装置の製造方法。 A magnetoresistive effect element having a configuration in which a pair of ferromagnetic layers are opposed to each other through an intermediate layer and a magnetoresistive effect element is obtained by flowing a current perpendicular to the film surface, and the magnetoresistive effect element is arranged in the thickness direction. A method of manufacturing a magnetic memory device having sandwiched word lines and bit lines,
In the magnetoresistive element, one of the ferromagnetic layers is a fixed magnetization layer, the other is a magnetization free layer, and the ferromagnetic layer has an amorphous or microcrystalline structure,
A method for manufacturing a magnetic memory device, comprising performing a heat treatment in a magnetic field at least 300 ° C. and below a crystallization temperature of the magnetization free layer after forming at least the magnetization free layer.
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