專利名稱：磁阻效應(yīng)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻效應(yīng)元件，特別涉及在磁頭或存儲(chǔ)器等器件中使用的、在保持高M(jìn)R比的同時(shí)將磁致伸縮常數(shù)抑制為較小的磁阻效應(yīng)元件。
背景技術(shù)：
磁阻效應(yīng)元件使用在作為非易失性存儲(chǔ)器而公知的MRAM(磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器)和磁頭及磁傳感器等上。該磁阻效應(yīng)元件基本上具有包括固定強(qiáng)磁性層/阻擋層/自由強(qiáng)磁性層的三層構(gòu)造的膜構(gòu)造。在兩個(gè)強(qiáng)磁性層間流過(guò)電流時(shí)，電阻在兩個(gè)強(qiáng)磁性層的磁化為平行于層的相同的方向時(shí)較小(Rp)，在為平行于層的相反的方向時(shí)較大(RA)。表示兩個(gè)強(qiáng)磁性層的磁化方向所產(chǎn)生的電阻變化的大小的是MR比，其定義如下MR比(％)＝(RA-Rp)×100÷Rp。
在MRAM中，通過(guò)TMR元件的兩個(gè)強(qiáng)磁性層的磁化方向的不同所產(chǎn)生的電阻變化進(jìn)行信息的讀取、讀出，所以MR比大可增大輸出電壓。
對(duì)于上述磁阻效應(yīng)元件，本發(fā)明的發(fā)明者們通過(guò)將非結(jié)晶CoFeB用作自由強(qiáng)磁性層，且在該阻擋層上橫跨單晶或厚度方向使不具有晶界的高定向多結(jié)晶構(gòu)造(纖維質(zhì))的MgO膜成長(zhǎng)，通過(guò)制成包括CoFeB(固定強(qiáng)磁性層)/MgO(中間層)/CoFeB(自由強(qiáng)磁性層)三層結(jié)構(gòu)的膜結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)獲得了230％的高M(jìn)R比。該事實(shí)在David D Diayaprawira與其他八人的“230％room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunneljunction”(美國(guó)物理學(xué)會(huì)，2005年2月23日在線發(fā)行)的文獻(xiàn)中公開。
在磁頭、存儲(chǔ)器、磁傳感器等器件中，磁致伸縮常數(shù)是為了使器件良好地工作而應(yīng)該進(jìn)行管理的測(cè)定量之一。如果將磁性材料的膜應(yīng)力設(shè)為σ、將磁致伸縮常數(shù)設(shè)為λ、將飽和磁化設(shè)為Ms，則各向異性磁場(chǎng)Hk可由下式表示Hk＝3|λ|σ/Ms。
根據(jù)上式可知，在磁性材料的飽和磁化Ms為一定的條件下，當(dāng)膜應(yīng)力σ和磁致伸縮常數(shù)λ變大時(shí)，由逆磁致伸縮效果使各向異性磁場(chǎng)Hk變大。
在磁頭中，在自由強(qiáng)磁性層的膜面內(nèi)方向施加數(shù)百Oe的偏壓磁場(chǎng)進(jìn)行工作。由于逆磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的各向異性磁場(chǎng)Hk擾亂偏壓磁場(chǎng)，所以要求將逆磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的各向異性磁場(chǎng)Hk抑制為較小，在實(shí)用中理想的是10Oe以下。通常，由于自由強(qiáng)磁性層所具有的應(yīng)力σ為300MPa以下，所以為使逆磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的各向異性磁場(chǎng)Hk為10Oe以下，需要使磁致伸縮常數(shù)的值在±1.0×10-6以內(nèi)。
對(duì)于上述文獻(xiàn)中記載的磁阻效應(yīng)元件，在測(cè)定自由強(qiáng)磁性層即CoFeB膜的磁致伸縮常數(shù)時(shí)，可知其絕對(duì)值比1.0×10-6大很多。當(dāng)自由強(qiáng)磁性層的磁致伸縮常數(shù)的絕對(duì)值比1.0×10-6大時(shí)，對(duì)用該磁阻效應(yīng)元件制作的器件的工作產(chǎn)生不良影響，不能發(fā)揮所需的器件性能。因此，需要減小磁阻效應(yīng)元件的自由強(qiáng)磁性層的磁致伸縮常數(shù)。
于是，本發(fā)明的發(fā)明者們以減小磁阻效應(yīng)元件的自由強(qiáng)磁性層的磁致伸縮常數(shù)的觀點(diǎn)，通過(guò)將已知磁致伸縮常數(shù)小的NiFe膜與自由強(qiáng)磁性層CoFeB層疊，嘗試測(cè)定成為兩層的層壓膜“CoFeB/NiFe”的磁致伸縮常數(shù)。根據(jù)這點(diǎn)，雖然該層壓膜的磁致伸縮常數(shù)與單層CoFeB的磁致伸縮常數(shù)比較為較低，但下降程度不夠，再者而且，得到了與單層CoFeB比較，MR比大幅下降的結(jié)果。圖7和圖8表示變化層壓膜“CoFeB/NiFe”的B添加量測(cè)定磁致伸縮常數(shù)和MR比的結(jié)果。在圖7的變化特性61中，當(dāng)添加硼B(yǎng)時(shí)，可使磁致伸縮常數(shù)的值下降到2.5×10-6左右，但不能使其進(jìn)一步下降，且不能使磁致伸縮常數(shù)的值比所需的1.0×10-6小。而且，當(dāng)增加硼B(yǎng)的添加量時(shí)，在圖8的變化特性62中，MR比進(jìn)一步下降，在B的添加量為20％時(shí)，MR比下降到約23％。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種在保持高M(jìn)R比的同時(shí)將磁致伸縮常數(shù)抑制為較小的磁阻效應(yīng)元件。
本發(fā)明的其它目的理想的是提供一種在保持高M(jìn)R比的同時(shí)磁致伸縮常數(shù)的絕對(duì)值比1.0×10-6小的磁阻效應(yīng)元件。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件構(gòu)成如下
第一方案的磁阻效應(yīng)元件，具有固定強(qiáng)磁性層、自由強(qiáng)磁性層及由這些強(qiáng)磁性層夾持的阻擋層，且在自由強(qiáng)磁性層中使用硼B(yǎng)的添加量(b原子％)為21％≤b≤23％的CoFeB而構(gòu)成。
第二方案的磁阻效應(yīng)元件，具有固定強(qiáng)磁性層、自由強(qiáng)磁性層及由這些強(qiáng)磁性層夾持的阻擋層，且在自由強(qiáng)磁性層中使用鎳Ni的添加量(a原子％)為5％≤a≤17％的CoNiFeB而構(gòu)成。
第三方案的磁阻效應(yīng)元件，在上述第一方案或第二方案基礎(chǔ)上，其特征在于，最好阻擋層包含MgO層。
根據(jù)本發(fā)明，在具有固定強(qiáng)磁性層、自由強(qiáng)磁性層及由這些強(qiáng)磁性層夾持的阻擋層的磁阻效應(yīng)元件中，在保持高M(jìn)R比的同時(shí)，可將磁致伸縮常數(shù)的值抑制為±1.0×10-6以內(nèi)。


本發(fā)明的上述目的及特征根據(jù)下述附圖相關(guān)的優(yōu)選實(shí)施例中的以下技術(shù)而明晰。
圖1是表示本發(fā)明的代表實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的層壓結(jié)構(gòu)的構(gòu)成圖。
圖2是制作本實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的磁性多層膜制作裝置的俯視圖。
圖3是表示本發(fā)明磁阻效應(yīng)元件第一實(shí)施例的依賴于B的添加量的磁致伸縮λ的變化特性的曲線圖。
圖4是表示本發(fā)明磁阻效應(yīng)元件第一實(shí)施例的依賴于B的添加量的MR比的變化特性的曲線圖。
圖5是表示本發(fā)明磁阻效應(yīng)元件第二實(shí)施例的依賴于Ni的添加量的磁致伸縮λ的變化特性的曲線圖。
圖6是表示本發(fā)明磁阻效應(yīng)元件第二實(shí)施例的依賴于Ni的添加量的MR比的變化特性的曲線圖。
圖7是表示以自由強(qiáng)磁性層作為層壓膜“CoFeB/NiFe”的磁阻效應(yīng)元件的依賴于B的添加量的磁致伸縮λ的變化特性的曲線圖。
圖8是表示以自由強(qiáng)磁性層作為層壓膜“CoFeB/NiFe”的磁阻效應(yīng)元件的依賴于B的添加量的MR比的變化特性的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
在圖1中，該磁阻效應(yīng)元件10中，在基板11上形成構(gòu)成磁阻效應(yīng)元件10的例如十一層的多層膜。基板11是硅等的材料。磁阻效應(yīng)元件10是為了明白層壓構(gòu)造而描述，省略了左右兩側(cè)橫向的延展部分。該十一層的多層膜，從最下層的第一層到最上層的第十一層依次為“Ta”、“CuN”、“Ta”、“PtMn”、“CoFe”、“Ru”、“CoFeB”、“Mg”、“MgO”、“CoFeB或CoNiFeB”、“Ta”順次層壓為磁性膜等。從第一層(Ta鉭)到第三層的層形成基層12。第四層(PtMn)是反強(qiáng)磁性層13。第五層到第七層(CoFe、Ru及CoFeB)形成固定強(qiáng)磁性層14。第八層(Mg)和第九層(MgO氧化鎂)是絕緣層(阻擋層)15且是隧道阻擋層。第十層(CoFeB或CoNiFeB)是自由強(qiáng)磁性層16。
由第八層(Mg)和第九層(MgO)構(gòu)成的阻擋層，由固定強(qiáng)磁性層(CoFeB)和自由強(qiáng)磁性層(CoFeB或CoNiFeB)兩個(gè)強(qiáng)磁性層夾持。
第十一層(Ta鉭)形成防氧化層17。
通過(guò)由上述的固定強(qiáng)磁性層和阻擋層及自由強(qiáng)磁性層構(gòu)成的三層構(gòu)造，作為基本構(gòu)造而形成了狹義上的磁阻效應(yīng)元件。作為固定強(qiáng)磁性層的第七層“CoFeB”已知為非結(jié)晶狀態(tài)的強(qiáng)磁性體。作為隧道阻擋層的MgO層為使具有橫跨單晶或厚度方向不帶晶界的高定向多晶構(gòu)造(纖維質(zhì))而形成。
再者，在圖1中，各層記載在括號(hào)內(nèi)中的數(shù)值只表示各層的厚度，單位是“埃()”。該厚度是一個(gè)實(shí)例，并不限于此。
上述磁阻效應(yīng)元件10是以隧道阻擋層為MgO層為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)閥型磁隧道結(jié)合元件。
接著，參照?qǐng)D2，概要地說(shuō)明制造具有上述層壓構(gòu)造的磁阻效應(yīng)元件10的裝置和制造方法。
圖2是制作本實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的磁性多層膜制作裝置的俯視圖。制作上述磁阻效應(yīng)元件10的磁性多層膜制作裝置20是簇型裝置，具備基于噴鍍法等的多個(gè)成膜室。
磁性多層膜制作裝置20中，運(yùn)送室22周圍設(shè)有例如三個(gè)成膜室27A、27B、27C。各室間設(shè)有隔離兩室且根據(jù)需要開關(guān)自如的門閥30。再者，在各室中，設(shè)有未圖示的真空排氣裝置、氣體導(dǎo)入裝置、電力供給機(jī)構(gòu)等。磁性多層膜制作裝置20的成膜室27A、27B、27C的每個(gè)中通過(guò)噴鍍法而在基板上依次層積上述的各磁性膜。在上述中，例如，對(duì)陰極31的材料是“Ta”，對(duì)陰極33的材料是“CoFeB”，對(duì)陰極35的材料是“Ni”。對(duì)陰極41的材料是“PtMn”，對(duì)陰極42的材料是“CoFe”，對(duì)陰極43的材料是“Ru”。再者，對(duì)陰極51的材料是“MgO”。
對(duì)于自由強(qiáng)磁性層16，在其為CoFeB膜的情況下通過(guò)使用“CoFeB”對(duì)陰極33來(lái)噴鍍而形成，在其為CoNiFeB的情況下通過(guò)同時(shí)使用鈷鐵硼“CoFeB”對(duì)陰極和鎳“Ni”對(duì)陰極來(lái)噴鍍而形成。
在具有上述構(gòu)成的磁性多層膜制作裝置20中，利用各成膜室27A、27B、27C，在基板上用噴鍍法順次形成圖1所示的磁性多層膜。
在成膜室27A、27B、27C的每個(gè)中進(jìn)行噴鍍成膜結(jié)束的磁阻效應(yīng)元件10，在熱處理爐中進(jìn)行退火處理。此時(shí)，退火溫度約為例如300℃，在例如8kOe的磁場(chǎng)中，進(jìn)行例如四小時(shí)的退火處理。這樣，對(duì)磁阻效應(yīng)元件10的PtMn層進(jìn)行所需磁化。
對(duì)上述自由強(qiáng)磁性層16的第一實(shí)施例的組成進(jìn)行說(shuō)明。將自由強(qiáng)磁性層16的原子構(gòu)成的構(gòu)造(組成)表示為CoxFeyBb。此時(shí)，x、y、b是分別對(duì)應(yīng)的各原子鈷Co、鐵Fe、硼B(yǎng)的添加量(含有量)，用“原子％(at％)”表示。
在上述中，作為自由強(qiáng)磁性層16的CoxFeyBb的硼B(yǎng)的最佳添加量(b原子％)為21％≤b≤23％。
參照?qǐng)D3和圖4來(lái)說(shuō)明得到上述條件的理由。圖3表示在具有上述多層膜結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件10中磁致伸縮常數(shù)λ相對(duì)于自由強(qiáng)磁性層(第十層“CoFeB”)16的硼B(yǎng)的添加量(橫軸)的變化特性71。圖4表示在上述磁阻效應(yīng)元件10中MR比(磁阻比％)相對(duì)于自由強(qiáng)磁性層(第十層“CoFeB”)16的硼B(yǎng)的添加量(橫軸)的變化特性72。
在圖3的變化特性71中，可看到，磁致伸縮常數(shù)λ的值在使硼B(yǎng)的添加量增加時(shí)上升，并以硼B(yǎng)的添加量以10～15(原子％)作為峰值而轉(zhuǎn)向減少。而且，硼B(yǎng)的添加量約為22(原子％)，磁致伸縮常數(shù)的值為零(約4×10-8)，再者，在增加硼B(yǎng)的添加量時(shí)，可看到磁致伸縮常數(shù)的值變?yōu)樨?fù)。硼B(yǎng)的添加量(b原子％)為21％≤b≤23％時(shí)，可將磁致伸縮常數(shù)的值抑制在約±1.0+10-6以內(nèi)。
另一方面，在圖4的變化特性72中，可知在硼B(yǎng)的添加量(b原子％)為21％≤b≤23％時(shí)，MR比的值取60～100％的較大值。
根據(jù)圖3所示的變化特性71及圖4所示的變化特性72，如各圖的曲線所示，通過(guò)使用使硼B(yǎng)的添加量(b)為21％≤b≤23％的含硼B(yǎng)的自由強(qiáng)磁性層(CoFeB)16，在保持MR比為60％以上的高值的同時(shí)，可將磁致伸縮常數(shù)λ的值抑制在±1.0×10-6以內(nèi)。
接著，對(duì)自由強(qiáng)磁性層16的第二實(shí)施例的組成進(jìn)行說(shuō)明。將自由強(qiáng)磁性層16的原子構(gòu)成的結(jié)構(gòu)(組成)表示為CoxNiaFeyBz。該情況下，a、x、y、z是分別對(duì)應(yīng)的各原子鎳Ni、鈷Co、鐵Fe、硼B(yǎng)的添加量(含有量)，并以“原子％(at％)”表示。
在上述中，作為自由強(qiáng)磁性層16的CoxNiaFeyBz的鎳Ni的最佳添加量(a原子％)最好為5％≤a≤17％。
接著，參照?qǐng)D5和圖6來(lái)說(shuō)明上述條件得出的理由。圖5是表示在具有上述多層膜結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件10中磁致伸縮常數(shù)λ相對(duì)于自由強(qiáng)磁性層(第十層“CoNiFeB”)16的鎳Ni的添加量(橫軸)的變化特性81。圖6表示在磁阻效應(yīng)元件10中MR比(磁阻比％)相對(duì)于自由強(qiáng)磁性層(第十層“CoNiFeB”)16的鎳Ni的添加量(橫軸)的變化特性82。
在圖6的變化特性82中，在鎳Ni的添加量較小的情況下，MR比取比100％大的值，MR比幾乎沒(méi)有下降。另一方面，在圖5的變化特性81中，磁致伸縮常數(shù)λ的值，在使鎳Ni的添加量增加時(shí)，從Ni的添加量為0(原子％)時(shí)的磁致伸縮常數(shù)的值(約2×10-6)逐漸下降。而且，鎳Ni的添加量是11(原子％)時(shí)，磁致伸縮常數(shù)的值為零(約4×10-8)。其后，磁致伸縮常數(shù)的值變?yōu)樨?fù)，鎳Ni的添加量到達(dá)30(原子％)的值時(shí)，磁致伸縮常數(shù)的值逐漸減小(作為負(fù)值增加)，下降到約-3×10-6。此外，可知，在磁致伸縮為零的附近，對(duì)于鎳Ni的添加量的變化，磁致伸縮λ的值平緩地變化。
根據(jù)圖5所示的變化特性81及圖6所示的變化特性82，如各圖的曲線所示，理想的是使用使鎳Ni的添加量(a)為5％≤a≤17％的含該鎳Ni的自由強(qiáng)磁性層(CoNiFeB)。通過(guò)滿足該條件，MR比保持在90～110％的高值，可在該狀態(tài)下將磁致伸縮常數(shù)λ的值在良好的控制性下抑制在±1.0×10-6以內(nèi)。在鎳Ni的添加量不滿5％時(shí)，磁致伸縮常數(shù)λ比+1.0×10-6大，在鎳Ni的添加量比17％大時(shí)，磁致伸縮常數(shù)λ成為比-1.0×10-6大的負(fù)值。
在上述實(shí)施例中，對(duì)阻擋層橫垮單晶或厚度方向不具有晶界的高定向多晶結(jié)構(gòu)(纖維質(zhì))的MgO膜的實(shí)例進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于此。即，也可以不是單晶或高定向多晶構(gòu)造，而是層狀結(jié)晶、非結(jié)晶等。此外，阻擋層也可以不是MgO膜，而是AlO膜或TiO膜。再者，在本實(shí)施例中，雖然阻擋層是MgO/Mg，但阻擋層也可以是MgO單層。還有，磁阻效應(yīng)元件10的結(jié)構(gòu)也不限于按固定強(qiáng)磁性層、阻擋層、自由強(qiáng)磁性層的順序形成的底部型結(jié)構(gòu)，即使使用上下顛倒的按自由強(qiáng)磁性層、阻擋層、固定強(qiáng)磁性層的順序形成的頂部型結(jié)構(gòu)，也能得到相等效果。
對(duì)于在以上實(shí)施例中說(shuō)明的構(gòu)成、形狀、大小及配置關(guān)系，只不過(guò)是概要地表示可理解和實(shí)施本發(fā)明，而且，對(duì)于數(shù)值及各構(gòu)成的組成(材質(zhì))只不過(guò)是例示。因此，本發(fā)明并不限定所說(shuō)明的實(shí)施例，只要不脫離本專利請(qǐng)求保護(hù)范圍所示的技術(shù)思想，可進(jìn)行各種變更。
本發(fā)明的公開內(nèi)容涉及2005年9月27日提出的日本專利申請(qǐng)2005-279559號(hào)所包括的主題，其公開內(nèi)容通過(guò)明確地參照其整體而并入此處。
權(quán)利要求
1.一種磁阻效應(yīng)元件，具有固定強(qiáng)磁性層、自由強(qiáng)磁性層及由這些強(qiáng)磁性層夾持的阻擋層，其特征在于在所述自由強(qiáng)磁性層中使用硼B(yǎng)的添加量(b原子％)為21％≤b≤23％的CoFeB。
2.一種磁阻效應(yīng)元件，具有固定強(qiáng)磁性層、自由強(qiáng)磁性層及由這些強(qiáng)磁性層夾持的阻擋層，其特征在于在所述自由強(qiáng)磁性層中使用鎳Ni的添加量(a原子％)為5％≤a≥17％的CoNiFeB。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于所述阻擋層包含MgO層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁阻效應(yīng)元件，具有固定強(qiáng)磁性層和自由強(qiáng)磁性層及由這些強(qiáng)磁性層夾持的阻擋層，且在自由強(qiáng)磁性層中使用硼B(yǎng)的添加量(b原子％)為21％≤b≤23％的CoFeB而構(gòu)成。這樣，在該磁阻效應(yīng)元件中，在保持高M(jìn)R比的同時(shí)磁致伸縮常數(shù)在磁致伸縮常數(shù)零附近不會(huì)急劇變化。
文檔編號(hào)H01F10/00GK1941450SQ200610159938
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者恒川孝二, 大衛(wèi)·D.·賈亞普拉維拉 申請(qǐng)人:佳能安內(nèi)華股份有限公司