【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性トンネル接合に関し、より詳細には、高磁気抵抗を有する強磁性トンネル接合に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性トンネル接合は様々な磁気システムに利用することができる。 例えば、強磁性トンネル接合は、磁束センサとして利用できる。 該磁束センサは、
テープ又はディスクのような磁気媒体から発散される磁束を検知する録音ヘッドに有用である。 加えて、強磁性トンネル接合は、磁気メモリの磁気記憶セルとして用いることもできる。

【０００３】従来の強磁性トンネル接合は、通常、薄い絶縁層で隔てられた一対の強磁性層によって形成されている。 典型的には、強磁性層に印加された電位バイアスによって、絶縁層を通して強磁性層間に電子のマイグレーション即ち移動が起こる。 絶縁層を通して強磁性層間に電子の移動を起こす現象は、量子力学的トンネル効果又はスピントンネル効果と呼ばれることがある。

【０００４】典型的には、強磁性トンネル接合の抵抗は、強磁性層間における磁気モーメントの相対的配向によって変化する。 トンネル接合は、通常、磁化の相対的配向が平行である時は低抵抗状態にある。 逆に、トンネル接合は、通常、相対的配向が逆平行である時は高抵抗状態にある。

【０００５】トンネル接合の特性を表す有用な測定基準は、そのトンネル磁気抵抗(TMR)である。 トンネル接合のTMRは、その高抵抗状態の抵抗からその低抵抗状態の抵抗を引いたものをその低抵抗状態の抵抗で割ったものとして定義してよい。 TMRは、トンネル接合の高・低抵抗状態間の変化パーセントを示すものである。

【０００６】通常は、比較的に高いTMRを有するトンネル接合を用いることが望まれる。 例えば、比較的高いTM
Rのトンネル接合を有する磁気メモリセルは、通常、比較的低いTMRのトンネル接合を有する磁気メモリセルと比較して読取り動作中に高い信号対雑音比を示す。 加えて、比較的高いTMRのトンネル接合を有する磁気録音ヘッドは、典型的に、低いTMRのトンネル接合を有する磁気録音ヘッドと比較して高い感度を生ずる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高磁気抵抗を有する強磁性トンネル接合を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】高磁気抵抗は、高偏極を有する強磁性結晶粒の領域からのスピントンネル効果を最大にし且つ粒界で散乱する欠陥の影響を最小にする地形構造を有するトンネル接合において実現されるものである。 このトンネル接合の地形構造は、ドーム形領域と介入形低下領域とを有する第一の強磁性層及び実質的に平坦な上部表面を有する絶縁層を有する。 絶縁層の平坦上部表面と結合された第一強磁性層のドーム形領域は、
第一強磁性層と第二磁性層間に、低下領域上よりドーム形領域上で短くなる電子移動経路を形成する。 このトンネル接合構造は、粒界からのトンネル電流に対する寄与を最小にし、且つドーム形領域からの寄与を増大させる。 加えて、高磁気抵抗は、トンネル接合の絶縁層に対する界面近くの強磁性材料の磁気偏極特性を高めるところの薄い界面層を有するトンネル接合において実現される。 本発明の他の特長と諸利点は、以下の詳細説明から明らかになろう。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、そのトンネル磁気抵抗(T
MR)を高める地形構造を有するトンネル接合10の１実施例を示す。 この実施例のトンネル接合10は、強磁性層1
2、絶縁層14、及び強磁性層16を含む。

【００１０】トンネル接合10は、強磁性層12において一組のドーム形領域20-21のようなドーム形領域と低下領域22のような介入低下領域とを含むドーム形地形構造を形成する。 低下領域は、ドーム形領域20-21間の粒界15
のような強磁性層12の多結晶性格子構造における粒界に対応する。 図示されたドーム形領域20-21は、ドーム直径dとドーム高hを有する。 トンネル接合10はまた、絶縁層の上部表面18の比較的平坦な地形構造も形成する。

【００１１】絶縁層14の比較的平坦な上部表面18と結合された強磁性層12のドーム形地形構造では、強磁性層16
に対してドーム形領域20-21が低下領域22よりも近くに配置される。 結果として、ドーム形領域20-21から強磁性層16へ移動する電子の経路は、低下領域22から強磁性層16へ移動する電子の経路より実質的に短くなる。

【００１２】絶縁層14中の電子移動はその経路が延びるにつれ指数関数的に減少する故、ドーム形領域20-21
は、実質的に全てが強磁性層12及び16間の電子移動へ寄与する。 低下領域22の電子移動に対する寄与は最小となり、それによって、強磁性層12の多結晶性構造における粒界で起きることがある散乱の効果を最小にする。

【００１３】加えて、ドーム形領域20-21での結晶完全性の度合いが比較的高いため、強磁性層12における磁気偏極は低下領域22におけるよりドーム形領域20-21で高くなりやすい。 このトンネル接合12の地形構造により、
強磁性層12の高偏極部分がトンネル電流に寄与するということが説明される。

【００１４】強磁性層12及び16は、各々、ニッケルー鉄のような磁気フィルムの層から形成される。 １実施例における絶縁層14は、低下領域22を充填して比較的平坦な上部表面18をもたらすように形成される酸化アルミニウムである。 １実施例では、絶縁層14は、アルミニウムの層を強磁性層12上に堆積させ、それが低下領域を埋め、
次いで、それを酸素プラズマにさらすことによって形成する。

【００１５】図２は、そのトンネル磁気抵抗(TMR)をさらに高めるところの一対の界面層30及び32を含むトンネル接合10の実施例を示すものである。 界面層30及び32
は、強磁性層12及び16と絶縁層14との間の界面に形成されるものである。 界面層30は、強磁性層12と絶縁層14との間に、そして界面層32は、絶縁層14と強磁性層16との間に形成される。

【００１６】界面層30-32は、絶縁層14との界面近くの強磁性層12及び16の磁気偏極特性を高めるよう選択される。 界面層30-32は、ニッケル、鉄、コバルト、又はそれらの元素の合金のような強磁性材料の層である。

【００１７】トンネル接合10の高いTMR値に寄与するドーム形領域20-21は、（図１に示した）ドーム直径 dとドーム高 hで示される２つの寸法で記述することができる。 多結晶性膜の粒径は、ドーム直径 dに等しい。

【００１８】粒度を制御するための当分野で周知の種々の方法を適用してドーム直径 dを制御することができる。 そうした方法の例には、シード（種）層の付加、結晶粒成長を助長するための堆積後のアニーリング、及び周囲圧力、膜成長速度、膜厚、基板バイアス、及び基板温度のような堆積条件の制御が含まれる。 粒度を制御するこれらの因子の多くはまた、ドーム高 hの制御にも寄与する。

【００１９】ドーム形地形構造に寄与し得る付加的因子は、異方性の成長速度である。 例えば、もし強磁性層12
の大部分の結晶粒が、基板法線に関するそれらの結晶学的方位が同一であり、且つその特定方位が他の結晶学的方位以上に好ましい成長速度をもたらすように配向される場合、粒界においてより中心部で背が高い切り子面つきの即ちドーム形の結晶粒を作ることができる。

【００２０】薄膜にこの表面地形構造を導入するための別のメカニズムは応力を利用するもので、応力は格子不整合のあるシード層の付加や堆積条件の調整により創り出される。 圧縮応力は、ドーム形地形構造を創り出すのに有利である。

【００２１】図３は、トンネル接合10のTMR値を高める一連の処理段階の例を説明するためのものである。 これらの段階には、トンネル接合10におけるドーム形地形構造の形成と高偏極界面層の挿入が含まれる。

【００２２】トンネル接合10は、酸化シリコンであってよい基板100上に形成される。 諸材料は、強磁性層12におけるドーム形構造の形成を助長するように堆積させる。

【００２３】１実施例では、強磁性層12におけるドーム形構造の形成を助長する材料には、第一シード層40、第二シード層42、及び反強磁性層44が含まれる。 この実施例の第一シード層40は、タンタル(Ta)のような材料である。 第二シード層42は、ニッケルー鉄(NiFe)であってよい。 反強磁性材料44は、鉄マンガン(FeMn)であってよい。 この実施例における反強磁性材料44は、強磁性層12
における磁化の方位を束縛するところの磁気交換膜を形成する。

【００２４】トンネル接合10の諸材料は、5 milliTorr
（０．６６７Pa)のアルゴン雰囲気において、室温及び大地電位に保持されている基板100上にスパッタリングすることにより堆積させてよい。 膜厚は、ドーム形地形構造の直径 dと高さ hを決める際の重要なパラメータである。 １実施例において、第一シード層40は10ナノメートル厚であり、第二シード層42は6ナノメートル厚であり、反強磁性層44は10ナノメートル厚であり、そして強磁性層12は12ナノメートル厚であって、絶縁層14の下に多結晶性材料の38ナノメートルの累積厚を生ずる。 この厚さは、強磁性層12にドーム形地形構造を生成させるのに十分である。

【００２５】その後、界面層30を強磁性層12のドーム形地形構造上に堆積させる。 界面層30は、強磁性層12の地形構造と同じ形をもつ。 次いで、界面層30の低下領域22
を埋めて平坦な上部表面を生ずるところのアルミニウムの堆積によって絶縁層14を形成する。 後続の酸化処理によって絶縁層14のアルミニウムが酸化されて酸化アルミニウムが生成される。 その後界面層32、続いてニッケルー鉄強磁性層16を形成する。 タンタルのような材料から成るキャップ層46をその磁性層16の上に形成させる。

【００２６】トンネル接合10のTMR値をさらに高める界面層30-32は、ニッケル、コバルト、又は鉄、又はそれらの構成元素の合金から形成することができる。 下表は、トンネル接合10における界面層30-32の例示配置構成の効果を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】別の実施例では、絶縁層14の形成に先立つある時点で強磁性層12、反強磁性層44、又はシード層40
及び42の何れかにイオンエッチング処理を適用してもよい。 粒界15のような粒界の近傍のエッチングされる層部分を選択的に除去するべくイオンエッチング処理を実施して、低下領域22のような低下領域を作り出すようにする。 このエッチング処理によって、絶縁層14の平坦化上部表面と協同してトンネル接合10の高磁気抵抗を生ずるドーム形地形構造が形成される。

【００２９】トンネル接合10のTMR値に及ぼす強磁性層1
2の地形構造の効果は、２つの構造を、即ち、１つは本発明のドーム形地形を有する構造で、他の１つは強磁性層12が平坦頂上表面を有する構造とを比較することにより明らかとなる。 両構造とも、強磁性層12はニッケルー鉄、絶縁層14はアルミニウム膜をプラズマ酸化によって形成した酸化アルミニウム、そして強磁性層16はニッケルー鉄である。

【００３０】図３を参照して説明すると、強磁性層12が平坦頂上表面を有する比較サンプルは、反強磁性層44を層42と12間の位置から層16と46間の位置まで移動させて作製した。 界面層30と32は、地形構造の役割を調査するためのこれらのサンプルには含めなかった。 絶縁層14の両側に平坦界面を有するサンプルは、23.6%の平均TMRを示した。 ここに記述したドーム形地形構造をもつサンプルは、29.5%の平均TMRを示した。 界面の平坦度の解析は、サンプルの切片に対する高分解能透過型電子顕微鏡法により実施した。 平坦サンプルのドーム高 hは0.6ナノメートル未満であり、故意に粗くしたサンプルのドーム高は約2.1ナノメートルであった。

【００３１】図４は、そのTMRを高める一対の界面層60
及び62を含む平坦地形構造を有するトンネル接合50を示す。 トンネル接合50は、強磁性層52、絶縁層54、及び基板上に又は１つ以上の介入材料上に形成してよい強磁性層56を包含する。 強磁性層52は、弓形の地形構造の無い実質的に平坦な上部表面を有するものである。

【００３２】界面層60及び62は、絶縁層54に対する界面近くの強磁性層52及び56の磁気偏極特性を高めるべく選択される強磁性材料の薄層である。 １実施例では、界面層60及び62は、4ナノメートル厚より薄い層である。 界面層60及び62は、ニッケル、鉄、コバルト、又はそれらの元素の合金であってよい。

【００３３】本発明に関する前出の詳細説明は、説明の目的で実施したものであって、本発明を記述の精密な実施例に網羅させるか又は制限しようとするものではない。 従って、本発明の範囲は、前出の請求の範囲によって定められるが、本発明の広範な応用に資するため以下に本発明の実施態様のいくつかを例示する。

【００３４】（実施態様１）トンネル接合(10)を形成する方法において：１組のドーム形領域(20-21)と１組の介入低下領域(22)とを含む地形構造を有する上部表面をもつ第一強磁性層(12)を形成するステップと；絶縁層(1
4)の上部表面(18)が実質的に平坦になるように第一強磁性層(12)の上に絶縁層(14)を形成して、トンネル接合(1
0)における第一強磁性層(12)と第二強磁性層(16)間の電子移動の経路が低下領域(22)上よりドーム形領域(20-2
1)上で短くなるようにするステップとを設けて成るトンネル接合の形成方法。

【００３５】（実施態様２）第一強磁性層(12)を形成するステップが第一強磁性層(12)の下に複数材料から成る１つ以上の層を形成するステップを包含し、この場合、
複数材料から成る複数層の厚さが第一強磁性層(12)の形成中にドーム形領域(20-21)の形成を引き起こすように選択されることを特徴とする実施態様1記載のトンネル接合の形成方法。 （実施態様３）複数材料から成る複数層が第一強磁性層
(12)における磁化の方位を固定する固定層を形成することを特徴とする実施態様2記載のトンネル接合の形成方法。

【００３６】（実施態様４）介入低下領域(22)が第一強磁性層(12)の多結晶構造における粒界に対応することを特徴とする実施態様2記載のトンネル接合の形成方法。 （実施態様５）複数材料から成る複数層の１つが第一強磁性層(12)との格子不整合をもたらすべく選択されることを特徴とする実施態様2記載のトンネル接合の形成方法。 （実施態様６）さらに、絶縁層(14)と第一強磁性層(12)
との界面に界面層(30)を形成するステップを包含することを特徴とする実施態様1記載のトンネル接合の形成方法。 （実施態様７）さらに、絶縁層(14)と第二強磁性層(16)
との界面に界面層(32)を形成するステップを包含することを特徴とする実施態様6記載のトンネル接合の形成方法。 （実施態様８）界面層(30-32)が、絶縁層(14)に対する界面近くの第一及び第二強磁性層(12、16)の磁気偏極を高めるべく選択されることを特徴とする実施態様7記載のトンネル接合の形成方法。

【００３７】（実施態様９）トンネル接合(10)において：１組のドーム形領域(20-21)と１組の介入低下領域
(22)とを含む地形構造を有する上部表面をもつ第一強磁性層(12)と；第一強磁性層(12)上にあって、トンネル接合(10)における第一強磁性層(12)と第二強磁性層(16)間の電子移動の経路が低下領域(22)上よりドーム形領域(2
0-21)上で短くなるように絶縁層(14)の上部表面(18)を実質的に平坦にした絶縁層(14)と；を含んで成るトンネル接合(10)。

【００３８】（実施態様１０）第一強磁性層(12)の下に複数材料から成る１つ以上の層をさらに包含し、その複数材料から成る複数層の厚さが第一強磁性層(12)の形成中にドーム形領域(20-21)の形成を引き起こすように選択されることを特徴とする実施態様9記載のトンネル接合(10)。 （実施態様１１）複数材料から成る複数層が第一強磁性層(12)における磁化の方位を固定する固定層を形成することを特徴とする実施態様10記載のトンネル接合(10)。 （実施態様１２）介入低下領域(22)が第一強磁性層(12)
の多結晶構造における粒界に対応することを特徴とする実施態様10記載のトンネル接合(10)。

【００３９】（実施態様１３）複数材料から成る複数層の１つが第一強磁性層(12)との格子不整合をもたらすべく選択されることを特徴とする実施態様10記載のトンネル接合(10)。 （実施態様１４）さらに、絶縁層(14)と第一強磁性層(1
2)との界面に界面層(30)を包含することを特徴とする実施態様9記載のトンネル接合(10)。 （実施態様１５）さらに、絶縁層(14)と第二強磁性層(1
6)との界面に界面層(32)を包含することを特徴とする実施態様14記載のトンネル接合(10)。 （実施態様１６）界面層(30-32)が、絶縁層(14)に対する界面近くの第一及び第二強磁性層(12、16)の磁気偏極特性を高めるべく選択されることを特徴とする実施態様
15記載のトンネル接合(10)。

【００４０】（実施態様１７）トンネル接合(10)において：第一強磁性層(12)と；絶縁層(14)と；絶縁層(14)と第一強磁性層(12)との間の界面近くの第一強磁性層(12)
の磁気偏極特性を高めるべく選択されるところの、絶縁層(14)と第一強磁性層(12)との間の薄い界面層(30)とを含んで成るトンネル接合(10)。

【００４１】（実施態様１８）さらに：第二強磁性層(1
6)と；絶縁層(14)と第二強磁性層(16)との間にあって、
絶縁層(14)と第二強磁性層(16)との間の界面近くの第二強磁性層(16)の磁気偏極特性を高めるべく選択されるところの薄い界面層(32)とを含むことを特徴とする実施態様17記載のトンネル接合(10)。 （実施態様１９）薄い界面層(30-32)は、それぞれ、4ナノメートル厚未満の強磁性材料から成る層であることを特徴とする実施態様18記載のトンネル接合(10)。

【００４２】（実施態様２０）トンネル接合(10)を形成する方法において：第一強磁性層(12)を形成するステップと；第一強磁性層(12)の上に薄い第一界面層(30)を形成するステップと；薄い第一界面層(30)の上に絶縁層(1
4)を形成するステップとを設けて成り、薄い第一界面層
(30)が第一強磁性層(12)と絶縁層(14)との間の界面近くの第一強磁性層(12)の磁気偏極特性を高めることを特徴とするトンネル接合の形成方法。

【００４３】（実施態様２１）さらに：絶縁層(14)の上に薄い第二界面層(32)を形成するステップと；薄い第二界面層(32)の上に第二強磁性層(16)を形成するステップとを設けて成り、薄い第二界面層(30)が絶縁層(14)と第二強磁性層(16)との間の界面近くの第二強磁性層(16)の磁気偏極特性を高めることを特徴とする実施態様20記載のトンネル接合の形成方法。 （実施態様２２）薄い第一及び第二界面層(30-32)を形成するステップが、それぞれ、4ナノメートル厚未満の強磁性材料から成る層を形成するステップを包含することを特徴とする実施態様21記載のトンネル接合の形成方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】トンネル磁気抵抗(TMR)を高める地形構造を有するトンネル接合を説明するための層構成図である。

【図２】トンネル磁気抵抗(TMR)を高める地形構造と界面層の組合せを有するトンネル接合を説明するための層構成図である。

【図３】TMRを高めるトンネル接合の地形構造を形成するための一連の処理段階例を説明するための層構成図である。

【図４】TMRを高めるところの界面層を有するトンネル接合の層構成図である。

【符号の説明】

１０、５０ トンネル接合 １２、１６、５２，５６ 強磁性層 １４、５４ 絶縁層 ３０，３２、６０、６２ 界面層 ４０ 第一シード層 ４２ 第二シード層 ４４ 反強磁性層 ４６ キャップ層 １００ 基板