專(zhuān)利名稱(chēng)：磁性隧道結(jié)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性隧道結(jié)(磁隧道結(jié))元件，該磁性隧道結(jié)元件具有強(qiáng)磁性體層/絕緣體層/強(qiáng)磁性體層的層疊結(jié)構(gòu)，通過(guò)夾持絕緣體層的強(qiáng)磁性體層間的磁化方向的關(guān)系使隔著絕緣體層的強(qiáng)磁性體層間的電阻值變化。
背景技術(shù)：
已知有具有以一對(duì)強(qiáng)磁性體層夾持絕緣體層的層疊結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)元件。在磁性隧道結(jié)元件通過(guò)夾持絕緣體層的強(qiáng)磁性體層間的磁化方向的關(guān)系 使隔著絕緣體層的該強(qiáng)磁性體層間的電阻值變化。將該電阻值的變化稱(chēng)為磁阻變化。磁性隧道結(jié)元件例如具有如下結(jié)構(gòu)夾持絕緣體層的強(qiáng)磁性體層中的一個(gè)強(qiáng)磁性體層(固定層)的磁化方向被固定，另一個(gè)強(qiáng)磁性體層(自由層)的磁化方向能夠變化。在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)自由層的磁化方向發(fā)生變化、固定層與自由層間的磁化方向從相互平行成為反平行時(shí)以及從相互反平行成為平行時(shí)，固定層-自由層間的電阻值發(fā)生變化。作為磁性隧道結(jié)元件的絕緣體層，已知有氧化鎂(MgO)層和氟化鎂(MgF2)層(參照日本特開(kāi)2001-156357號(hào)公報(bào))。在S. Mitani et al. ,“Structure and tunnel magnetoresistance in Fe/MgF2/Cojunctions with an oxide seed layer on an Fe bottom electrode，，, Journal ofAppliedPhysics, vol. 91 (2002),pp. 7200-7202，公開(kāi)有通過(guò)包括 MgO 的種層(seed layer)的配置來(lái)形成抑制了小孔的產(chǎn)生的、漏電小的MgF2*緣體層的技術(shù)。在圖14表示在Mitani et al公開(kāi)的磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)。圖14所示的元件601，具有在基板602上層疊有Fe層603/MgO層604/MgF2層605/Co層606的層疊結(jié)構(gòu)。MgO層604是在Fe層603上形成MgF2層605時(shí)的種層。MgO層604是相對(duì)于MgF2層605獨(dú)立的層，比MgF2層605薄。但是,Mitani etal的磁性隧道結(jié)元件所示的磁阻變化率在室溫不足1%，在溫度4. 2K為10%。Mitani et al的元件的性能顯著低于在室溫表現(xiàn)出幾十％以上的磁阻變化率的現(xiàn)有的磁性隧道結(jié)元件。在J. H. Kwon et al. , “Effect of F-inclusion in nm-thick MgO tunnelbarrier”, Current Applied Physics, vol. 9 (2009), pp. 788-791,公開(kāi)有在含有氟的氧中使金屬鋁層或金屬鎂層氧化、形成包括氟氧化物的改性(modified)絕緣體層的方法。圖15A、15B表示Kwon et al的圖5。圖15A、15B表示在Kwon et al中公開(kāi)的氟氧化絕緣體層的、針對(duì)隧道電流的障壁高度(勢(shì)壘高度，barrier height)。針對(duì)隧道電流的勢(shì)壘高度成為表示絕緣體層(隧道勢(shì)魚(yú)，tunnel barrier)的品質(zhì)的電評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖15A表示下電極和上電極包括鋁(Al)、絕緣體層為僅將金屬鋁層氧化而得的層(AlOx)或在含有氟的氧中將金屬鋁層氧化而得的層(A10F)的例子。實(shí)線(xiàn)表示AlOx層的勢(shì)壘高度，虛線(xiàn)表示AlOF層的勢(shì)壘高度。圖15B表示下電極和上電極包括鎂(Mg)、絕緣體層為僅將金屬鎂層氧化而得的層(MgO)或在含有氟的氧中使金屬鎂層氧化而得的層(MgOF)的例子。實(shí)線(xiàn)表示MgO層的勢(shì)壘高度，虛線(xiàn)表示MgOF層的勢(shì)壘高度。如圖15A所示，AlOF層具有比AlOx層高的勢(shì)壘高度。另一方面，如圖15B所示，MgOF層與MgO層的勢(shì)魚(yú)高度相同。即，Kwon et al公開(kāi)有如下內(nèi)容在進(jìn)行招的氧化時(shí)添加氟的情況下，所得到的絕緣體層的勢(shì)壘高度升高，在進(jìn)行鎂的氧化時(shí)添加氟的情況下，不能得到利用鋁時(shí)所見(jiàn)到的勢(shì)壘高度提高的效果。在真保滿(mǎn)雄等著《MgOO結(jié)晶成長(zhǎng)(二杉汁37 〃化物添加O影響》、日本七9 ^
夕協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)論文誌、vol. 97 (1989),857-863頁(yè)，公開(kāi)有氟化物對(duì)MgO的晶體生長(zhǎng)的影響。更具體而言，公開(kāi)有如下技術(shù)如果在從MgO粉末燒結(jié)塊狀的MgO陶瓷時(shí)加入氟化物，則在超過(guò)900°C的溫度，MgO的晶體生長(zhǎng)被促進(jìn)。在圖16表示真保等人的圖3。圖16表示MgF2添加針對(duì)燒結(jié)MgO的粒徑的效果。根據(jù)圖16可知，在900°C以上的燒結(jié)溫度，MgO的晶體粒徑由于MgF2的添加而增大，在900°C以下的溫度，不如說(shuō)MgO的晶體生長(zhǎng)由于MgF2的添加而被抑制。
先行技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)I :日本特開(kāi)2001-156357號(hào)公報(bào)非專(zhuān)利文獻(xiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn) I :S. Mitani et al. ,“Structure and tunnel magnetoresi stance inFe/MgF2/Co junctions with an oxide seed layer on an Fe bottom electrode，，,Journalof Applied Physics, vol.91 (2002)，pp.7200-7202非專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :J. H. Kwon et al. , “Effect of F-inclusion in nm-thick MgOtunnel barrier”，CurrentApplied Physics, vol. 9 (2009),pp.788-791非專(zhuān)利文獻(xiàn)3 :真保滿(mǎn)雄等著《MgO ^結(jié)晶成長(zhǎng)^ ^ 7 〃化物添加Θ影響》、日本七^(guò) $ '7夕協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)論文誌、vol. 97 (1989)、857-863頁(yè)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題在現(xiàn)有技術(shù)中，在具有MgO絕緣體層的磁性隧道結(jié)元件中，完全沒(méi)有說(shuō)明氟對(duì)該絕緣體層的有益的幫助。例如，具有層疊有MgO層和]\% 2層的絕緣體層的Mitani et al的元件，在室溫不足1%，表現(xiàn)出顯著低于通常的磁性隧道結(jié)元件的磁阻變化率。在含有氟的氧氣氛下使金屬鎂層氧化而得的、Kwon et al的MgOF絕緣體層中，利用氟來(lái)實(shí)現(xiàn)的絕緣體層的勢(shì)壘高度的提高未得到確認(rèn)。即，至此未實(shí)現(xiàn)相對(duì)于MgO絕緣體層的、利用氟來(lái)實(shí)現(xiàn)的電的品質(zhì)的提聞。用于解決課題的方法在以MgO層為絕緣體層的磁性隧道結(jié)元件中，強(qiáng)磁性體層和MgO層的結(jié)晶狀態(tài)對(duì)該元件的磁阻變化特性施加大的影響。為了得到高的磁阻變化特性，強(qiáng)磁性體層和MgO層均具有良好的結(jié)晶狀態(tài)是很重要的。磁性隧道結(jié)元件的強(qiáng)磁性體層和MgO層均為薄膜。薄膜例如利用濺射法形成。但是，難以將金屬薄膜和氧化物的薄膜以良好的結(jié)晶狀態(tài)層疊，特別是容易在MgO層產(chǎn)生晶體缺陷。作為金屬薄膜的形成例，已知有通過(guò)最開(kāi)始形成非晶態(tài)的薄膜，之后使其結(jié)晶而得到良好的結(jié)晶狀態(tài)的例子。但是，在MgO層，不僅在直接形成結(jié)晶膜的情況下，而且在形成非晶態(tài)膜并使其接近的情況下也容易產(chǎn)生晶體缺陷。為了得到高的磁阻變化特性，盡量抑制這樣的晶體缺陷的產(chǎn)生很重要。
本發(fā)明的發(fā)明人使用添加氟而得的MgO作為絕緣體層，通過(guò)確定其添加量而實(shí)現(xiàn)了表現(xiàn)出高的磁阻變化特性的磁性隧道結(jié)元件。即，本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件包括第一強(qiáng)磁性體層、第二強(qiáng)磁性體層、以及在上述第一強(qiáng)磁性體層與上述第二強(qiáng)磁性體層之間形成的絕緣體層，上述絕緣體層由添加有氟的MgO構(gòu)成，上述絕緣體層的氟的添加量為O. 00487atm% 以上 O. 15080atm% 以下。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠得到具有MgO絕緣體層的、表現(xiàn)出高的磁阻變化特性的磁性隧道結(jié)元件。該效果被認(rèn)為是通過(guò)由含有特定的添加量的氟的MgO構(gòu)成絕緣體層來(lái)抑制絕緣體層的晶體缺陷的產(chǎn)生而得的。


圖I是示意性地表示本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件的一個(gè)例子的截面圖。 圖2是示意性地表示在實(shí)施例中制作的本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)和測(cè)定該元件的磁阻的機(jī)構(gòu)的截面圖。圖3是用于說(shuō)明在實(shí)施例中制作的本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件的絕緣體層的形成方法的示意圖。圖4A是用于說(shuō)明在實(shí)施例中在制作本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件時(shí)的、微細(xì)加工的工序的工序圖。圖4B是從元件的截面觀看圖4A所示的工序時(shí)的工序圖。圖5是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、絕緣體層的成膜條件與絕緣體層中添加的氟量的關(guān)系的圖。圖6是為了對(duì)在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、絕緣體層的氟量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較而表不的圖。圖7是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、磁性隧道結(jié)元件表現(xiàn)出的磁阻變化(MR)的圖。圖8A是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、對(duì)絕緣體層的氟添加量與具有該層的磁性隧道結(jié)元件表現(xiàn)出的磁阻變化率(MR比)的關(guān)系的圖。圖SB是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、對(duì)絕緣體層的氟添加量與具有該層的磁性隧道結(jié)元件表現(xiàn)出的磁阻變化率(MR比)的關(guān)系的圖。圖SC是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、對(duì)絕緣體層的氟添加量與具有該層的磁性隧道結(jié)元件表現(xiàn)出的磁阻變化率(MR比)的關(guān)系的圖。圖9是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、對(duì)絕緣體層的氟添加量與具有該層的磁性隧道結(jié)元件表現(xiàn)出的磁阻變化率(MR比)的關(guān)系的圖。圖10是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、施加至磁性隧道結(jié)元件的偏置電壓與該元件表現(xiàn)出的磁阻變化率(MR比)的關(guān)系的圖。圖11是表示為了實(shí)施例的絕緣體層的勢(shì)壘高度的評(píng)價(jià)而制作的試樣(樣品)和該勢(shì)壘高度的評(píng)價(jià)法的示意圖。圖12A是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、絕緣體層的氟添加量與該層表現(xiàn)出的勢(shì)壘高度的關(guān)系的圖。圖12B是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、絕緣體層的氟添加量與該層表現(xiàn)出的勢(shì)壘寬度的關(guān)系的圖。圖13是表示在實(shí)施例中評(píng)價(jià)的、絕緣體層的氟添加量與具有該層的磁性隧道結(jié)元件表現(xiàn)出的磁阻變化率和該層表現(xiàn)出的勢(shì)壘高度的關(guān)系的圖。圖14是示意性地表示在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中公開(kāi)的現(xiàn)有的磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖15A是表示在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中公開(kāi)的、現(xiàn)有的磁性隧道結(jié)元件的絕緣體層(AlOx層和AlOF層)的勢(shì)壘高度的示意圖。圖15B是表示在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中公開(kāi)的、現(xiàn)有的磁性隧道結(jié)元件的絕緣體層(MgO層和MgOF層)的勢(shì)壘高度的示意圖。圖16是表示在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中公開(kāi)的、燒結(jié)塊狀的MgO陶瓷時(shí)添加MgF2的效果的圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖I表示本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件的一個(gè)例子。圖I所示的磁性隧道結(jié)元件I包括基板101、在基板101上形成的第一強(qiáng)磁性體層401、在第一強(qiáng)磁性體層401上形成的絕緣體層402和在絕緣體層402上形成的第二強(qiáng)磁性體層403。絕緣體層402配置在第一強(qiáng)磁性體層401與第二強(qiáng)磁性體層403之間。第一強(qiáng)磁性體層401和第二強(qiáng)磁性體層403由強(qiáng)磁性體構(gòu)成。在磁性隧道結(jié)元件I中，強(qiáng)磁性體層401、403間的電阻根據(jù)夾持絕緣體層402的第一強(qiáng)磁性體層401與第二強(qiáng)磁性體層403之間的磁化方向的關(guān)系而發(fā)生變化。該電阻的變化(磁阻變化)源自經(jīng)由絕緣體層402流動(dòng)的隧道電流的變化。利用元件I的磁阻變化，元件I能夠應(yīng)用于存儲(chǔ)元件和傳感元件等。在磁性隧道結(jié)元件I中，要求在絕緣體層402之前形成的強(qiáng)磁性體層的表面粗糙度比絕緣體層402的厚度小，以使得第一強(qiáng)磁性體層401與第二強(qiáng)磁性體層403不發(fā)生電短路。在圖I所示的例子中，當(dāng)在基板101上依次形成第一強(qiáng)磁性體層401、絕緣體層402和第二強(qiáng)磁性體層403時(shí)，在絕緣體層402之前形成的強(qiáng)磁性體層是第一強(qiáng)磁性體層401。因此，在這種情況下，要求第一強(qiáng)磁性體層401的表面粗糙度比絕緣體層402的厚度小?；?01例如為硅基板、石英基板、玻璃基板。基板101優(yōu)選使用鏡面研磨(在硅基板和石英基板的情況)和退火(玻璃基板的情況)那樣的方法使得表面平滑化。硅基板也可以為在表面具有在鏡面研磨后利用熱氧化形成的熱氧化膜的基板。石英基板也可以為熔融石英基板。通過(guò)在表面平滑化后的基板101上形成第一強(qiáng)磁性體層401，與所形成的第一強(qiáng)磁性體層401的基板101 —側(cè)的面相反一側(cè)的面、即形成有絕緣體層402的面的表面粗糙度小。磁性隧道結(jié)元件I也可以在基板101與第二強(qiáng)磁性體層401之間具有由導(dǎo)電性材料構(gòu)成的電極層。電極層能夠用于元件I的強(qiáng)磁性體層401、403間的電阻值的檢測(cè)。這樣的元件I能夠通過(guò)在基板101上形成電極層、在所形成的電極層上形成第一強(qiáng)磁性體層401而制造。
能夠使用由第一強(qiáng)磁性體層401的材料構(gòu)成的、表面被鏡面研磨后的基板101。在這種情況下，基板101和第一強(qiáng)磁性體層401由相同的材料構(gòu)成。第一強(qiáng)磁性體層401和第二強(qiáng)磁性體層403優(yōu)選采用bcc的晶體結(jié)構(gòu)。在這種情況下，本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件表現(xiàn)出的磁阻變化特性更高。這被認(rèn)為是因?yàn)椋瑥?qiáng)磁性體層的bcc結(jié)構(gòu)與MgO層的特定的結(jié)晶面的結(jié)(具有bcc結(jié)構(gòu)的強(qiáng)磁性體層與MgO層之間的帶狀連接)能夠帶來(lái)特別良好的旋轉(zhuǎn)濾波效果。在絕緣體層為為MgF2層的情況下，與具有bcc結(jié)構(gòu)的強(qiáng)磁性體層之間的晶體結(jié)構(gòu)的匹配差，得不到這樣的良好的旋轉(zhuǎn)濾波效果。構(gòu)成第一強(qiáng)磁性體層401和第二強(qiáng)磁性體層403的強(qiáng)磁性體優(yōu)選包含鐵(Fe)。Fe采用bcc的晶體結(jié)構(gòu)。第一強(qiáng)磁性體層401和第二強(qiáng)磁性體層403例如為Fe層、包含F(xiàn)e的合金層。包含F(xiàn)e的合金例如為鈷鐵硼(Co-Fe-B)。在維持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的傾向強(qiáng)的包含鈷(Co)和采用bcc結(jié)構(gòu)的鐵(Fe)的合金，在形成之后為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，在結(jié)晶化后得到bcc結(jié)構(gòu)。該bcc結(jié)構(gòu)與MgO層的特定的結(jié)晶面的結(jié)被認(rèn)為有助于得到特別良好的旋轉(zhuǎn)濾波效果。優(yōu)選選自第一強(qiáng)磁性體層401和第二強(qiáng)磁性體層403的至少一個(gè)層由Co-Fe-B合金構(gòu)成。更具體而言，優(yōu)選第一強(qiáng)磁性體層401由用式{Co(1_x)FeJa8Ba2表不的Co-Fe-B合金構(gòu)成。其中，X是滿(mǎn)足式O. 25 < X < O. 5的數(shù)值。此外，優(yōu)選第二強(qiáng)磁性體層403由用式{C0(1_y)Fey}Q.8BQ.2表示的Co-Fe-B合金構(gòu)成。此處，y是滿(mǎn)足式O. 25彡y彡O. 5的數(shù)值。優(yōu)選強(qiáng)磁性體層401、403雙方均由用上述式表示的Co-Fe-B合金構(gòu)成。第一強(qiáng)磁性體層401和第二強(qiáng)磁性體層403既可以由具有相同的組成的強(qiáng)磁性體構(gòu)成，也可以由具有不同的組成的強(qiáng)磁性體構(gòu)成。在強(qiáng)磁性體層401、403雙方均由用上述式表不的Co-Fe-B合金構(gòu)成的情況下也一樣。在磁性隧道結(jié)元件I中，為了得到磁阻變化，需要使得在第一強(qiáng)磁性體層401與第二強(qiáng)磁性體層403之間、對(duì)于外部磁場(chǎng)的磁化旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)不同。換言之,需要一個(gè)強(qiáng)磁性體層為對(duì)于外部磁場(chǎng)、磁化方向的變化相對(duì)容易的層(自由層)，另一個(gè)強(qiáng)磁性體層為對(duì)于外部磁場(chǎng)、磁化方向的變化相對(duì)困難的層(固定層)。通過(guò)應(yīng)用與公知的磁性隧道結(jié)元件相同的結(jié)構(gòu)，能夠使磁性隧道結(jié)元件I具有這樣的特性。以下說(shuō)明具體的結(jié)構(gòu)例在第一強(qiáng)磁性體層與第二強(qiáng)磁性體層之間使用晶體磁各向異性不同的材料的結(jié)構(gòu)；采用具有相互不同的形狀的第一強(qiáng)磁性體層和第二強(qiáng)磁性體層，對(duì)兩個(gè)層的形狀磁各向異性賦予差的結(jié)構(gòu)；以與一個(gè)強(qiáng)磁性體層接觸的方式配置反強(qiáng)磁性體層，通過(guò)磁場(chǎng)中的熱處理，使該強(qiáng)磁性體層與反強(qiáng)磁性體層的界面產(chǎn)生單方向性各向異性(令與反強(qiáng)磁性體層接觸的強(qiáng)磁性體層為固定層)的結(jié)構(gòu)；用非磁性金屬膜將一個(gè)強(qiáng)磁性體層分割，通過(guò)交換耦合或靜磁耦合使被分割的強(qiáng)磁性體層間磁耦合。在強(qiáng)磁性體層被以非磁性金屬膜分割的情況下，優(yōu)選與該層的絕緣體層接觸的強(qiáng)磁性體膜為像Fe膜和含有Fe的合金膜那樣的含F(xiàn)e膜，更優(yōu)選為由用上述式表示的Co-Fe-B合金構(gòu)成的膜。不與該層的絕緣體層接觸的強(qiáng)磁性體膜能夠采用的組成更多(廣)。絕緣體層402由添加有氟的MgO構(gòu)成。絕緣體層402的氟的添加量(以下稱(chēng)為氟量)為O. 00487atm%(原子％)以上O. 15080atm%以下。絕緣體層402的氟量?jī)?yōu)選為O. 00487atm%以上O. 05256atm%以下。絕緣體層402將第一強(qiáng)磁性體層401和第二強(qiáng)磁性體層403，除了在該層流動(dòng)的隧道電流以外電分離。而且，絕緣體層402需要產(chǎn)生能夠檢測(cè)磁性隧道結(jié)元件I的磁阻變化的充分的隧道電流的變化?；谶@些觀點(diǎn)，絕緣體層402具有從幾A至幾nm的厚度。該厚度與現(xiàn)有的磁性隧道結(jié)元件的絕緣體層(MgO層)的厚度相同。本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件的結(jié)構(gòu)只要能夠得到本發(fā)明的效果就不僅限于圖I所示的例子。本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件只要能夠得到本發(fā)明的效果，例如也可以具有基板101、第一強(qiáng)磁性體層401、絕緣體層402和第二強(qiáng)磁性體層403以外的層。構(gòu)成本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件的各層的形成方法并無(wú)特別限定，例如能夠運(yùn)用公知的薄膜形成方法形成各層。薄膜形成方法例如為濺射法。實(shí)施例以下，通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明并不僅限于以下所示的實(shí)施例。 (元件的結(jié)構(gòu))圖2表示在實(shí)施例中制作的本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件2的基板。在圖2，還圖示有作為用于測(cè)定該元件2的電阻值(磁阻)的機(jī)構(gòu)的數(shù)字電壓表11和恒定電流源12。磁性隧道結(jié)元件2包括基板101、在基板101上形成的配線(xiàn)電極404、在配線(xiàn)電極404上形成的反強(qiáng)磁性體層405、在反強(qiáng)磁性體層405上形成的第一強(qiáng)磁性體層401、在第一強(qiáng)磁性體層401上形成的絕緣體層402、在絕緣體層402上形成的第二強(qiáng)磁性體層403和在第二強(qiáng)磁性體層403上形成的配線(xiàn)電極406。配線(xiàn)電極404由Ta膜/Cu膜/Ta膜的金屬多層膜構(gòu)成。配線(xiàn)電極406由Ta膜/Pt膜/Ta膜/Cu膜/Ta膜Pt膜的金屬多層膜構(gòu)成。反強(qiáng)磁性體層405由作為反強(qiáng)磁性體的PtMn構(gòu)成。第一強(qiáng)磁性體層401由Co9tlFeltl膜401a/Ru膜40lb/C04(lFe4(lB2o膜401c的金屬多層膜構(gòu)成。Ru膜401b是非磁性金屬膜。通過(guò)配置反強(qiáng)磁性體層405并且由上述金屬多層膜構(gòu)成與該層接觸的第一強(qiáng)磁性體層401，第一強(qiáng)磁性體層401成為對(duì)于外部磁場(chǎng)而言磁化方向相對(duì)不變化的固定層。在反強(qiáng)磁性體層405、第一強(qiáng)磁性體層401、絕緣體層402和第二強(qiáng)磁性體層403的側(cè)面，配置有層間絕緣膜407、408。數(shù)字電壓表11和恒定電流源12分別與夾持第一強(qiáng)磁性體層401/絕緣體層402/第二強(qiáng)磁性體層403的多層結(jié)構(gòu)的配線(xiàn)電極404、406電連接。通過(guò)利用數(shù)字電壓表11對(duì)在使用恒定電流源12使電流在上述多層結(jié)構(gòu)中流動(dòng)時(shí)在上述多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電位差進(jìn)行測(cè)定，評(píng)價(jià)元件2的磁阻。(元件制作方法)如以下說(shuō)明的那樣制作了磁性隧道結(jié)元件2。[基板101]按照以下的順序準(zhǔn)備基板101。將在表面形成有厚度為IOOnm的熱氧化膜的04英寸Si基板分割成27mmX28mm的
尺寸。接著，對(duì)分割后的基板，在潔凈室(clean room,無(wú)塵室)中實(shí)施使用純水的超聲波清洗和紫外線(xiàn)(UV)臭氧清洗。通過(guò)超聲波清洗，除去基板分割時(shí)產(chǎn)生的塵埃(源自基板的粉塵)。通過(guò)UV臭氧清洗，除去附著于基板的有機(jī)物。超聲波清洗和UV臭氧清洗重復(fù)兩次以上。通過(guò)兩次以上的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)偏差少的清洗。[配線(xiàn)電極404、反強(qiáng)磁性體層405、第一強(qiáng)磁性體層401]接著，在基板101上，作為配線(xiàn)電極404/反強(qiáng)磁性體層405/第一強(qiáng)磁性體層401，按照以下順序形成金屬多層膜 Ta/Cu/Ta/PtMn/Co9(lFe1(l/Ru/Co4(lFe4(lB2。。首先，對(duì)基板101的表面實(shí)施反濺射。由此，附著于基板101的表面的雜質(zhì)被除去，基板101與在該基板101上形成的金屬多層膜的緊密性變高。將基板101安放在4元磁控濺射裝置(HIRANO光音公司制)的腔室，將腔室減壓至真空度5X KT7Torr以下。接著，將Ar氣體作為工作氣體，以60ccm的流量導(dǎo)入腔室，將腔室內(nèi)保持在壓力IOmTorr的Ar氣氛。以這樣的狀態(tài)對(duì)基板101施加RF電力(30W)，對(duì)基板101進(jìn)行5分鐘的反濺射。此時(shí)，在腔室產(chǎn)生的Ar正離子向基板101的表面沖撞，由此，基板101的表面被實(shí)施反濺射。接著，在基板101的反濺射面上，使用4元磁控濺射裝置(HIRANO光音公司制)和9元螺旋磁控派射裝置(Helicon magnetron sputtering,愛(ài)發(fā)科(ULVAC)公司制)，形成金
屬多層膜。首先，使用4元磁控濺射裝置，在基板101上依次形成Ta膜(厚度5nm)、Cu膜(厚度 200nm)和Ta膜(厚度5nm),形成配線(xiàn)電極404。Ta膜的形成在壓力4mTorr的Ar氣氛下、革巴使用金屬Ta、以投向靶的RF投入電力為100W的條件實(shí)施。Cu膜的成膜在壓力2mTorr的Ar氣氛下、靶使用金屬Cu、以投向靶的DC施加電壓為425V和靶電流O. 21A的條件實(shí)施。接著，將形成有Ta/Cu/Ta的配線(xiàn)電極404的基板101從4元磁控濺射裝置的腔室取出至大氣中一次，再安放至9元螺旋磁控濺射裝置的腔室。接著,通過(guò)電子回旋共振(electron cyclotron resonance :ECR)清洗,將作為配線(xiàn)電極404的最上層的Ta膜蝕刻2nm。ECR清洗在以下條件下進(jìn)行。用于產(chǎn)生Ar離子的Ar氣體流量為2ccm。用于使Ar為等離子體狀態(tài)的微波的投入電力為300W (檢波器的輸出電流為150μΑ)。用于將Ar離子引出并加速的電壓為100V，控制離子的擴(kuò)散的電壓為500V。接著，在作為最上層的Ta膜上，作為配線(xiàn)電極404進(jìn)一步形成Ta膜(厚度5nm)之后，依次形成作為反強(qiáng)磁性體層405的PtMn膜(厚度30nm)、作為第一強(qiáng)磁性體層401的Co90Fe10 (厚度 3nm) /Ru (厚度 0. 7nm) /Co40Fe40B20 (厚度 3. Inm)的金屬多層膜。各膜的成膜按照以下條件進(jìn)行Ta膜壓力0. 8Pa的Ar氣氛，金屬Ta靶，RF線(xiàn)圈輸出5W，RF陰極輸出65W ；PtMn膜壓力I. OlPa的Ar氣氛，PtMn靶，DC陰極電壓450V ；Co90Fe10 膜壓力 O. 8Pa 的 Ar 氣氛，Co90Fe10 革巴，DC 陰極電壓 400V ；Ru膜壓力0. 8Pa的Ar氣氛，DC陰極電壓380V ；Co40Fe40B20 膜壓力 0. 8Pa 的 Ar 氣氛，Co4ciFe4tlB2tl 靶，RF 線(xiàn)圈輸出 50W，DC 陰極電壓400V。[絕緣體層402]接著，使用形成有Co4ciFe4ciB2ci膜的腔室相同的腔室，在該膜上形成絕緣體層402。以下，參照?qǐng)D3說(shuō)明控制氟量的MgO絕緣體層(隧道勢(shì)壘)402的形成。如圖3所示，絕緣體層402使用兩種濺射陰極501、502形成。濺射陰極501、502在同一真空腔室內(nèi)以其軸線(xiàn)交叉的方式相互傾斜地配置?；?01配置在兩個(gè)濺射陰極501、502的軸線(xiàn)的交叉點(diǎn)上。在圖3中描繪的虛線(xiàn)表示各濺射陰極501、502的軸線(xiàn)。在一個(gè)濺射陰極501使用純MgO靶。在另一個(gè)濺射陰極502，在純MgO靶上粘貼MgF2芯片503。以下，將粘貼有MgF2芯片503的該靶稱(chēng)為“芯片上的靶(On-chip Target)”。
在這樣配置基板101后，使用濺射陰極501、502雙方實(shí)施同時(shí)濺射，形成絕緣體層402。此時(shí)，通過(guò)使基板101旋轉(zhuǎn)地形成絕緣體層402，提高絕緣體層402的表面的均勻性。作為純MgO靶，使用純度3N (99. 9%)的單晶靶(TATENO ( ^ r 7 )化學(xué)工業(yè)公司制，尺寸2英寸0)。作為芯片上的靶，使用在純度4N (99.99%)的燒結(jié)靶(高純度化學(xué)株式會(huì)社制，尺寸2英寸0)上粘貼三個(gè)純度4N (99. 99%)的MgF2芯片(高純度化學(xué)制，尺寸5mmX 5mmX厚度2mm)而得的革巴。形成絕緣體層402的條件為RF線(xiàn)圈輸出50W，RF陰極電力O 150W，壓力4.05Pa的Ar氣體氣氛。絕緣體層402的氟量通過(guò)使投向純MgO靶的投入電力在從OW至150W的范圍變化并且使投向芯片上的靶的投入電力在從OW至50W的范圍變化來(lái)控制(參照表2)。在形成絕緣體層402時(shí)，為了控制形成的絕緣體層402的厚度，預(yù)先實(shí)施將濺射陰極501和502單獨(dú)使用的成膜試驗(yàn)，評(píng)價(jià)膜厚的對(duì)于投向?yàn)R射陰極的投入電力和濺射時(shí)間的關(guān)系(濺射速率)。在實(shí)際形成絕緣體層402時(shí)，考慮對(duì)于各個(gè)濺射陰極求得的濺射速率，以能夠得到具有期望的厚度的絕緣體層402的方式?jīng)Q定濺射時(shí)間(成膜時(shí)間)。在本實(shí)施方式中，形成厚度為2. Onm的絕緣體層402。[第二強(qiáng)磁性體層403和配線(xiàn)電極406]接著，使用與形成有絕緣體層402的腔室相同的腔室，在該層上，依次形成第二強(qiáng)磁性體層403 (厚度5nm的Co4ciFe4tlB2tl膜)和作為配線(xiàn)電極的406的一部分的厚度5nm的Ta膜。第二強(qiáng)磁性體層403依照第一強(qiáng)磁性體層401的Co4ciFe4ciB2ci膜的成膜條件形成。Ta膜在壓力O. 8Pa的Ar氣體氣氛下、RF線(xiàn)圈輸出5W、RF陰極輸出65W的條件下形成。接著，將形成有Ta膜的基板101再次安放在4元磁控濺射裝置，對(duì)作為最上層的Ta膜進(jìn)行2nm反派射,之后在該Ta膜上,依次形成作為配線(xiàn)電極406的一部分的厚度5nm的Ta膜和厚度50nm的Pt膜。反濺射除了投入的RF電力為40W以外與上述對(duì)基板101實(shí)施的反派射同樣地實(shí)施。Pt膜在壓力6mTorr的Ar氣氛下、RF投入電力100W的條件下形成。接著，使用光刻和Ar離子銑削(Ion milling)的方法將上述那樣制作的多層膜微細(xì)加工為臺(tái)形元件。在圖4A表示從多層膜的上表面看的微細(xì)加工的工序(SI — S5)，在圖4B表示從多層膜的截面看的微細(xì)加工的工序(SI — S5)。首先，使用光刻和Ar離子銑削將所制作的多層膜分割(SI)。接著，在作為所分割的多層膜的最上層的Pt膜(配線(xiàn)電極406)上配置與臺(tái)形對(duì)應(yīng)的抗蝕劑樹(shù)脂504 (羅門(mén)哈斯(ROHM and HAAS)公司制，S1813)之后，使用光刻和Ar離子銑削，蝕刻至配線(xiàn)電極404露出，將多層膜微細(xì)加工至接合(結(jié))臺(tái)形(S2)。在抗蝕劑樹(shù)脂504的配置中使用佳能制校準(zhǔn)器(PLA501F)。接著，將抗蝕劑樹(shù)脂504保留不動(dòng)，在整體濺射形成層間絕緣膜505 (SiO2,厚度250nm) (S3)。接著，對(duì)于接合臺(tái)形上的每個(gè)抗蝕劑樹(shù)脂504使層間絕緣膜505升起，形成層間絕緣膜407、408，并且使Pt膜(配線(xiàn)電極406)露出(S4)。接著，將升起后的多層膜再次安放在4元磁控濺射裝置，在作為最上層的Pt膜上依次形成Ta膜(厚度5nm)、Cu膜(厚度200nm)、Ta膜(厚度5nm)和Pt膜(厚度50nm)。接著，使用光刻和Ar離子銑削，對(duì)所形成的各膜進(jìn)行微細(xì)加工，完成與第二強(qiáng)磁性體層403電連接的配線(xiàn)電極406(S5)。Ta、膜、Cu膜和Pt膜依照上述的成膜條件形成。
(絕緣體層的氟量的評(píng)價(jià)方法)使用與上述的磁性隧道結(jié)元件2的制作相同的方法，另外形成絕緣體層402，對(duì)形成絕緣體層402的成膜條件與添加至絕緣體層的氟量的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)。 首先，利用使用圖3所示的純MgO靶和芯片上的靶的同時(shí)濺射，形成評(píng)價(jià)用的絕緣體層402 (厚度50nm)。絕緣體層402，在與元件2的制作中使用的基板相同的Si基板上形成作為基底層的Co4ciFe4ciB2ci膜(厚度3nm)之后，在該膜上形成。絕緣體層402通過(guò)在該層上進(jìn)一步形成保護(hù)層(Co4ciFe4tlB2tl膜,厚度3nm),保護(hù)該層不被暴露于大氣。與離子統(tǒng)削并用地利用SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry :次級(jí)離子質(zhì)譜法)對(duì)這樣制作的絕緣體層402所含氟的量進(jìn)行評(píng)價(jià)。離子銑削用于對(duì)絕緣體層402的厚度方向的氟量的保護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。SIMS的氟量的測(cè)定值使用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的測(cè)定值進(jìn)行定量。標(biāo)準(zhǔn)試樣為，通過(guò)離子注入將102°/cc的氟注入在與元件2的制作中使用的基板相同的Si 基板上形成的MgO膜而得的試樣。使用針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的測(cè)定值將通過(guò)SMS測(cè)定得到的氟的測(cè)定值換算為原子數(shù)/cc，并進(jìn)一步求取與從MgO的比重和式量計(jì)算的原子數(shù)/cc的比，由此計(jì)算絕緣體層402的氟量(atm%)。具體而言,從MgO的比重3. 6和式量40. 304,計(jì)算出MgO的每體積Icc的Mg原子數(shù)和O原子數(shù)分別為3. 6/40. 304X阿伏加德羅常數(shù)=約O. 538 X IO23 0以氟原子數(shù)的相對(duì)該Mg原子數(shù)和O原子數(shù)的和I. 076 X IO23的比率為被添加至MgO的氟的atm%。評(píng)價(jià)用的絕緣體層準(zhǔn)備了五種。具體而言，通過(guò)對(duì)純MgO靶和芯片上的靶(MgF2/MgO靶)的雙方供給電力而得到形成有氟添加MgO膜的三種(氟添加試樣I、氟添加試樣2和氟添加試樣3)和不對(duì)芯片上的靶供給電力而得到形成有不添加氟的MgO膜的兩種(參照試樣I、參照試樣2)。投向靶的投入電力以“投向單芯片的投入電力/供向純MgO靶的供給電力”表達(dá)，為氟添加試樣I (50W/0W)、氟添加試樣2 (50W/150W)、氟添加試樣3 (5W/150W)、參照試樣I (0W/150W)、參照試樣2 (0W/150W)。在圖5表示各試樣的氟量的評(píng)價(jià)結(jié)果。在圖5，縱軸為各試樣所含的氟量(atm%)，橫軸為標(biāo)準(zhǔn)化后的銑削深度(a. u.)。圖5表示氟量對(duì)絕緣體層的厚度方向的變化。此處，“標(biāo)準(zhǔn)化后的銑削深度”是指，相對(duì)于從作為評(píng)價(jià)對(duì)象的絕緣體層的表面(與作為保護(hù)層的Co40Fe40B20膜的界面)至底(與作為基底層的Co4ciFe4ciB2ci膜的界面)為止的厚度的、假定絕緣體層相對(duì)于銑削時(shí)間以一定的比率被形成時(shí)的相對(duì)的銑削深度。絕緣體層的表面為“0”，底為“I”。絕緣體層的底以在同時(shí)測(cè)定的18O的信號(hào)急劇地下降的銑削時(shí)間、離子銑削到達(dá)絕緣體層的底(到達(dá)作為基底層的Co4ciFe4ciB2ci膜)進(jìn)行判斷。在本實(shí)施例中，將以絕緣體層的膜厚方向的中心(標(biāo)準(zhǔn)化后的銑削深度為O. 5)為基準(zhǔn)、在厚度上±10%的范圍的氟量的定量值平均化而得的值作為該試樣的氟量的實(shí)測(cè)值。由此，絕緣體層的、從相鄰的層的界面在厚度上各自40%的范圍從評(píng)價(jià)被除外而得的氟量的界面的影響被除去。在表I表不各試樣的氟量。在表I，將以參照試樣1、2的平均值為背景(BG)進(jìn)行減法運(yùn)算而得的BG修正值一并表示。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種磁性隧道結(jié)元件，其特征在于，包括 第一強(qiáng)磁性體層； 第二強(qiáng)磁性體層；和 在所述第一強(qiáng)磁性體層與所述第二強(qiáng)磁性體層之間形成的絕緣體層， 所述絕緣體層由添加有氟的MgO構(gòu)成， 所述絕緣體層的氟的添加量為O. 00487atm%以上O. 15080atm%以下。
2.如權(quán)利要求I所述的磁性隧道結(jié)元件，其特征在于 所述氟的添加量為O. 00487atm%以上O. 05256atm%以下。
3.如權(quán)利要求I所述的磁性隧道結(jié)元件，其特征在于 選自所述第一強(qiáng)磁性體層和所述第二強(qiáng)磁性體層的至少一個(gè)層，由Co-Fe-B合金構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的磁性隧道結(jié)元件，其特征在于 所述第一強(qiáng)磁性體層由用式ICo(Fx)FeJa8Ba2表不的Co-Fe-B合金構(gòu)成， 其中，X是滿(mǎn)足式O. 25 < X < O. 5的數(shù)值。
5.如權(quán)利要求3所述的磁性隧道結(jié)元件，其特征在于 所述第二強(qiáng)磁性體層由用式ICo(Py)FeyIa8Ba2表不的Co-Fe-B合金構(gòu)成， 其中，I是滿(mǎn)足式O. 25 < y < O. 5的數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明的磁性隧道結(jié)元件包括第一強(qiáng)磁性體層、第二強(qiáng)磁性體層、以及在第一強(qiáng)磁性體層與第二強(qiáng)磁性體層之間形成的絕緣體層。絕緣體層由添加有氟的MgO構(gòu)成。絕緣體層的氟的添加量為0.00487atm%以上0.15080atm%以下。該元件具有MgO絕緣體層，并且與現(xiàn)有的具有MgO絕緣體層的元件相比表現(xiàn)出高的磁阻變化特性。優(yōu)選氟的添加量為0.00487atm%以上0.05256atm%以下。
文檔編號(hào)H01F10/30GK102792478SQ20118001172
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者小田川明弘, 松下明生, 松川望 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社