JP2002324929A - Tunnel magnetoresistive effect element - Google Patents

Tunnel magnetoresistive effect element

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JP2002324929A JP2001129591A JP2001129591A JP2002324929A JP 2002324929 A JP2002324929 A JP 2002324929A JP 2001129591 A JP2001129591 A JP 2001129591A JP 2001129591 A JP2001129591 A JP 2001129591A JP 2002324929 A JP2002324929 A JP 2002324929A
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tunnel barrier
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Kazuhisa Okano
一久 岡野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tunnel magnetoresistive effect element having new element constitution which can perform sufficient oxidation on a tunnel barrier layer itself while generation of an oxide ferromagnetic layer becoming the cause of spin dispersion when the film thickness of the tunnel barrier layer is made very thin and to provide the manufacturing method. SOLUTION: In the tunnel magnetoresistive effect element, an oxygen transmission preventing layer 4 and a high spin polarizability film (oxide magnetic material layer) 8 are arranged on a lower ferromagnetic layer 5 and the oxide film for tunnel barrier layer 3 and a raw material film becoming the oxide film by oxidation are laminated and additional oxidation or oxidation treatment is performed on the tunnel barrier layer 3 at the time of sandwiching the tunnel barrier layer 3 between the lower ferromagnetic layer 5 and an upper ferromagnetic layer 2, which constitute a tunnel junction.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネルバリア層
として酸化膜を用いるトンネル磁気抵抗効果素子と、そ
の製造方法に関し、より具体的には、磁気ヘッド、ラン
ダムアクセスメモリ、磁気センサなどに利用可能な、ト
ンネル磁気抵抗効果を用いる磁気抵抗素子において、高
いトンネル磁気抵抗率を維持しつつ、トンネル接合にお
ける接合抵抗の低減が可能な構造を有する素子と、かか
る構造の作製方法に関する。The present invention relates to a tunnel magnetoresistive element using an oxide film as a tunnel barrier layer and a method of manufacturing the same, and more specifically, it can be used for a magnetic head, a random access memory, a magnetic sensor, and the like. In addition, the present invention relates to a magnetoresistive element using a tunnel magnetoresistance effect, which has a structure capable of reducing a junction resistance in a tunnel junction while maintaining a high tunnel magnetoresistance, and a method for manufacturing such a structure.

【０００２】[0002]

【従来の技術】トンネル磁気抵抗効果素子は、例えば、
保磁力の異なる一対の磁性層の間に、薄い絶縁膜が挟さ
まれた積層構造に構成され、この薄い絶縁膜をトンネル
効果により透過して流れる電流は、それを挟んでいる二
つの磁性層の磁化方向に依存して変化する現象、すなわ
ち、この積層構造を有する素子の電気抵抗値が変化する
磁気抵抗効果を利用したものである。例えば、磁気記録
装置の一構成要素である磁気ヘッドや磁気ランダムアク
セスメモリ、磁気センサなどに、応用が図られつつあ
る。2. Description of the Related Art A tunnel magnetoresistance effect element is, for example,
A thin insulating film is sandwiched between a pair of magnetic layers having different coercive forces, and the current flowing through the thin insulating film by the tunnel effect is applied to the two magnetic layers sandwiching the thin insulating film. This phenomenon utilizes a phenomenon that changes depending on the magnetization direction, that is, a magnetoresistive effect in which the electric resistance value of an element having this laminated structure changes. For example, applications are being made to a magnetic head, a magnetic random access memory, a magnetic sensor, and the like, which are components of a magnetic recording device.

【０００３】従来より、磁気ランダムアクセスメモリに
構成すると、磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜メモリ
は、記録した情報の読み出しに際して、半導体メモリと
同様に電気的手段のみで情報のアクセスができ、移動部
のない固体メモリとして利用できる利点が知られてい
る。加えて、この磁性薄膜メモリは、電源が遮断されて
も、一旦記録した情報が消失しない、さらに、半導体メ
モリとは異なり、放射線が入射しても情報が消失する危
険性がない、また、本質的に情報の繰り返し書き換え回
数に制限がない等の特長を有しており、従来の半導体メ
モリと比較しても、固体メモリとして有利な点を数多く
持っている。Conventionally, when configured as a magnetic random access memory, a magnetic thin film memory utilizing a magnetoresistive effect can access information only by electric means when reading recorded information, similarly to a semiconductor memory. It has been known that it can be used as a solid-state memory without any problem. In addition, this magnetic thin film memory does not lose information once recorded even if the power is turned off. Furthermore, unlike a semiconductor memory, there is no danger that information will be lost even if radiation is incident. It has such a feature that the number of times of repeated rewriting of information is not limited, and has many advantages as a solid-state memory as compared with a conventional semiconductor memory.

【０００４】中でも、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunn
el Magneto Resistive）効果を利用した磁性薄膜メモリ
は、従来の異方性磁気抵抗効果、巨大磁気抵抗効果を利
用した磁性薄膜メモリと比較して、大きな出力を得るこ
とができる利点のため、特に、高密度の磁気ランダムア
クセスメモリへの応用が注目され、最近において、多く
の提案がなされている。Among them, a tunnel magnetoresistance (TMR; Tunn;
The magnetic thin film memory utilizing the el Magneto Resistive (el Magneto Resistive) effect has the advantage that a large output can be obtained as compared with the conventional magnetic thin film memory utilizing the anisotropic magnetoresistive effect and the giant magnetoresistive effect. Attention has been paid to application to a high-density magnetic random access memory, and many proposals have recently been made.

【０００５】トンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄膜
メモリでは、二つの強磁性体層の間に、薄い絶縁層（ト
ンネルバリア層）を設けて、電圧を印加すると、電子が
トンネル効果によってトンネルバリア層を貫通して、ト
ンネル電流を発生するが、その際、二つの強磁性層のス
ピン分極率の差に起因して、トンネル電流の大きさに差
異が生じる現象、すなわち、磁気抵抗変化を利用して、
情報の記録をしている。具体的には、検出されるトンネ
ル電流の大きさは、二つの強磁性体層の磁化が、相対的
に平行か、反平行かに依存している。In a magnetic thin film memory utilizing the tunnel magnetoresistive effect, a thin insulating layer (tunnel barrier layer) is provided between two ferromagnetic layers, and when a voltage is applied, electrons are tunneled by the tunnel effect. A tunnel current is generated, and at this time, the difference in the magnitude of the tunnel current due to the difference in the spin polarizability of the two ferromagnetic layers, that is, a change in magnetoresistance is used. hand,
Records information. Specifically, the magnitude of the detected tunnel current depends on whether the magnetizations of the two ferromagnetic layers are relatively parallel or antiparallel.

【０００６】図４に、従来のトンネル磁気抵抗効果を利
用した磁性薄膜メモリ（磁気抵抗素子）の基本的構成の
一例を模式的に示す。図４に示す従来の構成例では、ス
ピン分極率が互いに異なる二つの強磁性体層１１、１３
間に、トンネルバリア層１２を挟み込んだ積層構造をと
り、二つの強磁性体層は、その磁化方向は、面内方向と
なっている。FIG. 4 schematically shows an example of a basic configuration of a conventional magnetic thin film memory (magnetoresistive element) utilizing the tunnel magnetoresistance effect. In the conventional configuration example shown in FIG. 4, two ferromagnetic layers 11 and 13 having different spin polarizabilities are provided.
The two ferromagnetic layers have a stacked structure with the tunnel barrier layer 12 interposed therebetween, and the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are in-plane directions.

【０００７】図４に示す構成の磁性薄膜メモリ（磁気抵
抗素子）において、強磁性体層１１，１３間に、電圧１
４を印加すると、一方の強磁性体層１３からの電子がト
ンネルバリア層１２を貫通して他方の強磁性体層１１に
進入してトンネル電流を発生させる。このトンネル電流
の大きさは、勿論、印加電圧に依存するものの、トンネ
ルが起こる確率は、強磁性体層１１、１３の両層の磁化
の状態に依存する。磁気抵抗素子の抵抗として捉える
と、磁化の方向が、両層で相対的に平行のとき、最小の
抵抗値をとり、反平行のとき最大の抵抗値をとる。この
トンネル磁気抵抗効果の現象は、強磁性体層１１、１３
が面内磁気異方性を持つ場合だけでなく、垂直磁気異方
性を持つ場合でも同様に起こることが確認されている
（日本応用磁気学会誌 ２４， ５６３−５６６ （２
０００））。また、このトンネル磁気抵抗効果を利用し
た磁性薄膜メモリの実用化の試みとして、ＭＲＡＭ（Ma
gneticRandom Access Memory）と呼ばれる不揮発性の磁
気記憶装置が、日経マイクロデバイス Ｐ１６，Ｐ１７
２０００年３月号などに紹介されている。In the magnetic thin film memory (magnetoresistance element) having the structure shown in FIG.
When 4 is applied, electrons from one ferromagnetic layer 13 penetrate through the tunnel barrier layer 12 and enter the other ferromagnetic layer 11 to generate a tunnel current. The magnitude of the tunnel current depends, of course, on the applied voltage, but the probability of tunneling depends on the state of magnetization of both ferromagnetic layers 11 and 13. When viewed as the resistance of the magnetoresistive element, when the magnetization direction is relatively parallel between the two layers, the resistance becomes the minimum, and when the magnetization is antiparallel, the resistance becomes the maximum. The phenomenon of the tunnel magnetoresistance effect is caused by the ferromagnetic layers 11, 13
It has been confirmed that the same phenomenon occurs not only in the case of having in-plane magnetic anisotropy but also in the case of having perpendicular magnetic anisotropy (Journal of the Japan Society of Applied Magnetics 24, 563-566 (2)
000)). As an attempt to commercialize a magnetic thin film memory utilizing the tunnel magnetoresistance effect, MRAM (Ma
A non-volatile magnetic storage device called a gnetic random access memory) is used by Nikkei Microdevices P16 and P17.
It is introduced in the March 2000 issue.

【０００８】図７は、従来の磁性薄膜メモリを構成す
る、トンネル磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す図
である。トンネル磁気抵抗効果素子は、集積化を図る目
的のため基板上に形成されており、また、基板表面に対
する位置関係を示すため、基板に近い側を下部、遠い側
を上部と定義した上で、上部強磁性層と下部強磁性層、
ならびに、上部電極と下部電極と、トンネルバリア層を
挟む二つの強磁性体層、それに付随している二つの電極
を区別している。図７に示す構造では、トンネル磁気抵
抗効果素子は、基板７上に、基板と近接する側から、下
部電極６、下部強磁性層２５、トンネルバリア層２３、
上部強磁性層２２、及び上部電極層１がこの順に積層さ
れている。例えば、下部強磁性層２５と上部強磁性層２
２に、面内異方性を持つ磁性薄膜を採用する構成では、
強磁性体膜として、鉄、ニッケル、コバルトのいずれ
か、あるいはそれらの合金からなる薄膜を利用すること
ができる。また、下部強磁性層２５と上部強磁性層２２
に、垂直異方性を持つ磁性薄膜を採用する構成では、強
磁性体膜として、希土類金属と遷移金属との合金、例え
ば、ガドリニウム、テルビウム、ディスプロシウム、ホ
ロミウムなどの希土類金属と、鉄、ニッケル、コバルト
など遷移金属とを合金化して得られる磁性合金薄膜を利
用することができる。また、トンネルバリア層２３は、
非磁性の絶縁体、例えば、酸化アルミニウムが広く利用
されている。トンネルバリア層２３は、トンネル電流は
流れるが、絶縁性の不良に起因するリーク電流は流れな
い構成とする必要がある。すなわち、トンネル効果が起
こる程度にその膜厚は薄く、また、膜厚に不均一さも無
く、しかも、絶縁破壊などによるリークの発生も生じな
いものとする必要性がある。その目的から、トンネルバ
リア層２３に用いる酸化アルミニウムは、下部強磁性層
２５上に酸化アルミニウムを所定の膜厚に被着し、その
絶縁性を高めるため、さらに、被着後、プラズマ酸化を
施している。この被着後、プラズマ酸化処理を施すこと
で、膜厚は１〜３ｎｍ程度の極く薄い酸化アルミニウム
膜であっても、リークの少ない、高い絶縁性の膜とな
り、前記の目的に適するトンネルバリア層が比較的容易
に作製できる。FIG. 7 is a diagram schematically showing the structure of a tunnel magnetoresistive element constituting a conventional magnetic thin film memory. The tunnel magnetoresistive element is formed on a substrate for the purpose of integration, and, in order to show a positional relationship with respect to the substrate surface, a side closer to the substrate is defined as a lower part, and a side farther from the substrate is defined as an upper part. Upper and lower ferromagnetic layers,
In addition, an upper electrode, a lower electrode, two ferromagnetic layers sandwiching a tunnel barrier layer, and two electrodes associated therewith are distinguished. In the structure shown in FIG. 7, the tunnel magnetoresistive element has a lower electrode 6, a lower ferromagnetic layer 25, a tunnel barrier layer 23,
The upper ferromagnetic layer 22 and the upper electrode layer 1 are stacked in this order. For example, the lower ferromagnetic layer 25 and the upper ferromagnetic layer 2
Second, in the configuration employing a magnetic thin film with in-plane anisotropy,
As the ferromagnetic film, a thin film made of any of iron, nickel, and cobalt, or an alloy thereof can be used. Also, the lower ferromagnetic layer 25 and the upper ferromagnetic layer 22
In a configuration employing a magnetic thin film having perpendicular anisotropy, as a ferromagnetic film, an alloy of a rare earth metal and a transition metal, for example, a rare earth metal such as gadolinium, terbium, dysprosium, or holmium, iron, A magnetic alloy thin film obtained by alloying a transition metal such as nickel or cobalt can be used. In addition, the tunnel barrier layer 23
Non-magnetic insulators, for example, aluminum oxide are widely used. The tunnel barrier layer 23 needs to have a configuration in which a tunnel current flows but a leak current due to poor insulation does not flow. That is, it is necessary that the film thickness be small enough to cause a tunnel effect, that there is no unevenness in the film thickness, and that no leakage occurs due to dielectric breakdown or the like. For that purpose, the aluminum oxide used for the tunnel barrier layer 23 is formed by depositing aluminum oxide on the lower ferromagnetic layer 25 to a predetermined thickness, and then performing plasma oxidation after the deposition so as to enhance the insulating property. ing. By performing a plasma oxidation treatment after this deposition, even if it is an extremely thin aluminum oxide film having a thickness of about 1 to 3 nm, it becomes a highly insulating film with little leakage, and a tunnel barrier suitable for the above purpose. Layers can be made relatively easily.

【０００９】[0009]

【発明が解決しようとする課題】一方、トンネル磁気抵
抗効果素子を磁気検出用デバイスに応用する際には、リ
ーク電流を抑制するための高いトンネル磁気抵抗率に加
えて、信号電流を増すため、トンネル接合の低抵抗化を
行うことが必要となる。例えば、ＨＤＤの再生ヘッドに
トンネル磁気抵抗効果素子を利用とする場合には、トン
ネル接合の抵抗値は、１μｍ2の接合面積で１０Ω程度
にする必要がある。前記の抵抗値を達成する上では、ト
ンネルバリア層を１ｎｍ以下と非常に薄くしなければな
らず、リークの少ない、高い絶縁性を維持しつつ、厚さ
１ｎｍ以下の均一なトンネルバリア層を作製する方法
は、非常に重要な課題となる。On the other hand, when a tunnel magnetoresistive element is applied to a magnetic detection device, in addition to a high tunnel magnetoresistance for suppressing a leak current, a signal current is increased. It is necessary to reduce the resistance of the tunnel junction. For example, when a tunnel magnetoresistive element is used for the reproducing head of the HDD, the resistance value of the tunnel junction needs to be about 10Ω with a junction area of 1 μm 2 . In order to achieve the above resistance value, the tunnel barrier layer must be made extremely thin, 1 nm or less, and a uniform tunnel barrier layer having a thickness of 1 nm or less is produced while maintaining high insulation with little leakage. How to do that is a very important issue.

【００１０】図５は、従来のトンネル磁気抵抗効果素子
において、トンネルバリア層の作製にプラズマ酸化を利
用した際、プラズマ酸化処理が過多となった場合の素子
構成を模式的に示す断面図である。図６は、従来のトン
ネル磁気抵抗効果において、トンネルバリア層の作製に
プラズマ酸化を利用した際、プラズマ酸化処理が不足し
た場合の素子構成を模式的に示す断面図である。以下、
これらの図面に基づき、従来のプラズマ酸化を利用した
トンネルバリア層の作製工程における問題点を説明す
る。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a conventional tunnel magnetoresistive element when plasma oxidation is performed excessively when plasma oxidation is used to form a tunnel barrier layer. . FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing an element configuration in a case where plasma oxidation processing is insufficient when plasma oxidation is used for manufacturing a tunnel barrier layer in the conventional tunnel magnetoresistance effect. Less than,
With reference to these drawings, problems in a conventional process of manufacturing a tunnel barrier layer using plasma oxidation will be described.

【００１１】図５に示すように、酸化アルミニウムの絶
縁性を高めるためのプラズマ酸化処理が過多となった場
合には、トンネルバリア層２３を超えて、下部強磁性層
２５まで酸化が生じる結果、トンネルバリア層２３と下
部強磁性層２５との間に、酸化物強磁性層２４が形成さ
れた素子構成となる。この酸化物強磁性層２４は、本
来、下部強磁性層２５を構成する強磁性体が酸化を受け
たもので、その強磁性体の種類に応じて、ＦｅＯ、Ｎｉ
Ｏ、ＣｏＯ、あるいは、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏの酸化
物などである。この酸化物強磁性層２４は、トンネルバ
リア層２３を通過した電子のスピンを散乱させる作用を
示すため、スピンの保存性を低下させ、従って、トンネ
ル磁気抵抗効果を悪化させる要因となる。As shown in FIG. 5, when the plasma oxidation treatment for increasing the insulating property of aluminum oxide is excessive, oxidation occurs up to the lower ferromagnetic layer 25 beyond the tunnel barrier layer 23. The element configuration has an oxide ferromagnetic layer 24 formed between the tunnel barrier layer 23 and the lower ferromagnetic layer 25. The oxide ferromagnetic layer 24 is originally formed by oxidizing the ferromagnetic material constituting the lower ferromagnetic layer 25, and according to the type of the ferromagnetic material, FeO, Ni
O, CoO, or an oxide of Tb, Gd, Dy, Ho, or the like. The oxide ferromagnetic layer 24 has a function of scattering spins of electrons that have passed through the tunnel barrier layer 23, so that the spin preservation property is reduced, and thus the tunnel magnetoresistance effect is deteriorated.

【００１２】図６示すように、プラズマ酸化処理が不足
した場合には、トンネルバリア層２３を作製する際、ス
パッタ法などで堆積形成した当初の酸化アルミニウム膜
中、下部強磁性層２５に近接する領域では、酸化されて
いないアルミニウム原子がそのまま残留している状態と
なる。その結果、この残留しているアルミニウム原子が
電子スピンを散乱させるため、スピンの保存性を低下さ
せ、やはり、トンネル磁気抵抗効果を悪化させる要因と
なる。As shown in FIG. 6, when the plasma oxidation treatment is insufficient, when forming the tunnel barrier layer 23, the lower ferromagnetic layer 25 is brought close to the initial aluminum oxide film deposited and formed by a sputtering method or the like. In the region, unoxidized aluminum atoms remain as they are. As a result, the remaining aluminum atoms scatter the electron spins, thereby deteriorating the spin preservation and also deteriorating the tunnel magnetoresistance effect.

【００１３】すなわち、トンネルバリア層用の酸化アル
ミニウム膜に対して、例えば、スパッタ法により被着さ
せた当初の膜質は、トンネルバリア層に必要な高い絶縁
性を満足する抵抗値に達しないため、プラズマ酸化、あ
るいは、自然酸化、ＵＶ酸化等の方法を用いて、その膜
質の向上を行っているが、どの酸化処理の手法を用いる
際にも、過不足のない適正な酸化処理量に制御して、ス
ピン散乱の要因を排した、良質のトンネルバリア膜を高
い再現性で得ることは技術的に困難であった。例えば、
リーク電流を防止する目的て、トンネルバリア層に対し
てやや過剰な条件で酸化処理を施した際にも、下層の下
部強磁性層２５の酸化に起因する酸化物強磁性層２４の
生成を回避できる素子構造が望まれるものである。That is, for example, the initial film quality of the aluminum oxide film for the tunnel barrier layer, which is deposited by sputtering, does not reach a resistance value satisfying the high insulation required for the tunnel barrier layer. The quality of the film is improved using plasma oxidation, natural oxidation, UV oxidation, etc., but when using any oxidation method, it is necessary to control the amount of oxidation treatment to an appropriate amount without excess or deficiency. Therefore, it has been technically difficult to obtain a high-quality tunnel barrier film with high reproducibility while eliminating the factor of spin scattering. For example,
Even when the tunnel barrier layer is oxidized under slightly excessive conditions for the purpose of preventing a leakage current, generation of the oxide ferromagnetic layer 24 due to oxidation of the lower lower ferromagnetic layer 25 is avoided. An element structure that can be used is desired.

【００１４】本発明は前記の課題を解決するもので、本
発明の目的は、絶縁性の酸化物をトンネルバリア層に利
用し、その上下に、下部強磁性層と上部強磁性層を設
け、トンネル接合を構成するトンネル磁気抵抗効果素子
において、前記トンネルバリア層用酸化物膜の絶縁性を
向上するため、酸化処理を施す工程を有する製造方法に
よる素子の作製が可能であり、加えて、トンネルバリア
層の膜厚を極薄くした際にも、スピン散乱の要因となる
酸化物強磁性層の生成を回避しつつ、トンネルバリア層
自体には十分な酸化処理を施すことが可能な新規な素子
構成を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、その製造方
法を提供することにある。より具体的には、本発明の目
的は、トンネルバリア層を構成する酸化膜について、そ
の絶縁性を向上するため、酸化処理を施す際、かかる酸
化膜の膜厚を極薄くした際にも、十分な絶縁性を達成で
きる酸化処理条件を選択し、その際、下部強磁性層に対
して、不要な酸化が生じて、酸化物強磁性層の生成を起
こすことを回避する素子構成を採用した新規な素子構成
を有するトンネル磁気抵抗効果素子を提供することにあ
る。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to use an insulating oxide for a tunnel barrier layer and provide a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer above and below the tunnel barrier layer, In the tunnel magnetoresistance effect element constituting the tunnel junction, in order to improve the insulating property of the oxide film for the tunnel barrier layer, an element can be manufactured by a manufacturing method including a step of performing an oxidation treatment. A new element that can sufficiently oxidize the tunnel barrier layer itself while avoiding the formation of an oxide ferromagnetic layer that causes spin scattering even when the thickness of the barrier layer is extremely thin. An object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistive effect element having a configuration and a method for manufacturing the same. More specifically, an object of the present invention is to improve the insulating property of an oxide film constituting a tunnel barrier layer, when performing an oxidation treatment, even when the thickness of such an oxide film is extremely thin, Oxidation treatment conditions that can achieve sufficient insulation were selected, and at this time, an element configuration was adopted that avoids unnecessary oxidation of the lower ferromagnetic layer and generation of an oxide ferromagnetic layer. An object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistance effect element having a novel element configuration.

【００１５】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記の課題
を解決すべく、鋭意研究を進めたところ、上部強磁性層
を形成する前に、トンネルバリア層を構成する酸化物
膜、例えば、スパッタ法などで堆積形成した酸化アルミ
ニウム膜に対して、その表面から、酸化処理、例えば、
プラズマ酸化処理を施し、十分な酸化を施す状態とする
ことで、極薄い膜厚を選択した場合でも、その酸化膜自
体は所望の高い絶縁性を有することができること、ま
た、トンネルバリア層と下部強磁性層との間に、酸素透
過防止層を設けることで、前記酸化処理、例えば、プラ
ズマ酸化処理の時間を必要以上に長く設定しても、トン
ネルバリア層表面から侵入する酸素が下部強磁性層にま
で達して、酸化物強磁性層の生成を起こすことを回避で
きることを見出した。加えて、トンネルバリア層と酸素
透過防止層の間に、さらに、高いスピン分極率を持つ磁
性体層を設け、この層自体は、酸化を受けない、酸化を
受けた際にも、その特性に影響が及ばない材料を選択す
ること構成としても、トンネルバリア層表面から侵入す
る酸素が下部強磁性層にまで達して、酸化物強磁性層の
生成を起こすことを回避できることを見出した。さら
に、本発明者は、かかる知見に加えて、前記する二種の
構成を採用するトンネル磁気抵抗効果素子は、いずれ
も、トンネルバリア層と下部強磁性層との間に、酸素透
過防止層、あるいは、高いスピン分極率を持つ磁性体層
と酸素透過防止層を設けているものの、そのトンネル磁
気抵抗効果に対しては、かかる酸素透過防止層などの付
加は、本質的な影響を及ぼさず、リークが抑制され、ス
ピン散乱の要因となる酸化処理の過不足も回避でき、し
かも、トンネル接合の低抵抗化を目的とする、トンネル
バリア層の更なる薄膜化を行った際にも、高い再現性で
素子作製が可能であることを検証して、本発明を完成す
るに至った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made intensive studies to solve the above-mentioned problems. As a result, before forming an upper ferromagnetic layer, an oxide film constituting a tunnel barrier layer, for example, For an aluminum oxide film deposited and formed by a sputtering method or the like, an oxidation treatment from the surface thereof, for example,
By performing a plasma oxidation process and performing a sufficient oxidation, even when an extremely thin film thickness is selected, the oxide film itself can have a desired high insulating property. By providing an oxygen permeation preventing layer between the ferromagnetic layer and the oxygen treatment, for example, even if the time for the plasma oxidation treatment is set to be longer than necessary, oxygen entering from the surface of the tunnel barrier layer can be removed from the lower ferromagnetic layer. It has been found that it is possible to avoid reaching the layer and causing the formation of an oxide ferromagnetic layer. In addition, a magnetic layer having a high spin polarizability is further provided between the tunnel barrier layer and the oxygen permeation preventing layer. It has been found that even if a material having no influence is selected, it is possible to prevent oxygen invading from the surface of the tunnel barrier layer from reaching the lower ferromagnetic layer and generating an oxide ferromagnetic layer. Further, the present inventor has found that, in addition to the above knowledge, the tunnel magnetoresistive element employing the above-described two types of structures has an oxygen permeation preventing layer between the tunnel barrier layer and the lower ferromagnetic layer, Alternatively, although a magnetic layer having a high spin polarizability and an oxygen permeation preventing layer are provided, the addition of such an oxygen permeation preventing layer has no substantial effect on the tunnel magnetoresistance effect, Leakage is suppressed, so that excess or deficiency of oxidation treatment that causes spin scattering can be avoided, and high reproducibility is achieved even when the thickness of the tunnel barrier layer is further reduced for the purpose of lowering the resistance of the tunnel junction. The present invention was completed by verifying that the element can be manufactured by the property.

【００１６】すなわち、第１の形態の本発明のトンネル
磁気抵抗効果素子は、基板と近接する側から順に、下部
強磁性層と上部強磁性層が、トンネルバリア層をその間
に挟んで設けられているトンネル磁気抵抗効果素子であ
って、前記トンネルバリア層は、酸化膜からなり、前記
下部強磁性層と上部強磁性層は、垂直磁気異方性を有す
る磁性体からなり、さらに、前記下部強磁性層とトンネ
ルバリア層との間に導電性の非磁性材料からなる酸素透
過防止層が設けられていることを特徴とするトンネル磁
気抵抗効果素子である。That is, the tunnel magnetoresistive element of the first aspect of the present invention has a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer provided in this order from the side close to the substrate with the tunnel barrier layer interposed therebetween. Wherein the tunnel barrier layer is made of an oxide film, the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are made of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, and The tunnel magnetoresistance effect element is characterized in that an oxygen permeation preventing layer made of a conductive non-magnetic material is provided between a magnetic layer and a tunnel barrier layer.

【００１７】その際、前記垂直磁気異方性を持つ磁性体
は、第一の成分として、ガドリニウム、テルビウム、デ
ィスプロシウム、ホロミウムのうちから選択される一種
または二種の成分と、第二の成分として、鉄、コバル
ト、ニッケルのうちから選択される一種または二種の成
分とを含み、前記第一の成分と第二の成分とからなる、
二元系または三元系の合金であることを特徴とするトン
ネル磁気抵抗効果素子とすることができる。At this time, the magnetic material having the perpendicular magnetic anisotropy includes, as a first component, one or two components selected from gadolinium, terbium, dysprosium, and holmium, and a second component. As a component, iron, cobalt, including one or two components selected from nickel, consisting of the first component and the second component,
A tunnel magnetoresistance effect element characterized by being a binary or ternary alloy can be provided.

【００１８】一方、前記酸素透過防止層は、貴金属から
なることが好ましい。より具体的には、前記貴金属は、
プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、金、銀
のうちのいずれか一種、あるいは、前記６種のうち、一
又は二種以上を主成分として含む合金であることがより
好ましい。On the other hand, the oxygen permeation preventing layer is preferably made of a noble metal. More specifically, the noble metal is
More preferably, the alloy is any one of platinum, palladium, rhodium, iridium, gold, and silver, or an alloy containing one or more of the above-mentioned six types as a main component.

【００１９】さらには、前記下部強磁性層とトンネルバ
リア層との間に設けられている酸素透過防止層に加え、
前記酸素透過防止層とトンネルバリア層との間に高いス
ピン分極率を持つ酸化物磁性体層が設けられていること
を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子とすることもで
きる。Further, in addition to the oxygen permeation preventing layer provided between the lower ferromagnetic layer and the tunnel barrier layer,
An oxide magnetic layer having a high spin polarization can be provided between the oxygen permeation preventing layer and the tunnel barrier layer.

【００２０】また、第２の形態の本発明のトンネル磁気
抵抗効果素子は、基板と近接する側から順に、下部強磁
性層と上部強磁性層が、トンネルバリア層をその間に挟
んで設けられているトンネル磁気抵抗効果素子であっ
て、前記トンネルバリア層は、酸化膜からなり、前記下
部強磁性層と上部強磁性層は、面内平行磁気異方性を有
する磁性体からなり、さらに、前記下部強磁性層とトン
ネルバリア層との間に導電性の非磁性材料からなる酸素
透過防止層が設けられ、加えて、前記酸素透過防止層と
トンネルバリア層との間に高いスピン分極率を持つ酸化
物磁性体層が設けられていることを特徴とするトンネル
磁気抵抗効果素子である。In the tunnel magnetoresistive element according to the second aspect of the present invention, a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer are provided in order from a side close to a substrate with a tunnel barrier layer interposed therebetween. Wherein the tunnel barrier layer is made of an oxide film, the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are made of a magnetic material having in-plane parallel magnetic anisotropy, An oxygen permeation preventing layer made of a conductive nonmagnetic material is provided between the lower ferromagnetic layer and the tunnel barrier layer, and additionally has a high spin polarizability between the oxygen permeation preventing layer and the tunnel barrier layer. A tunnel magnetoresistive element is provided with an oxide magnetic layer.

【００２１】なお、かかる酸素透過防止層と高いスピン
分極率を持つ酸化物磁性体層とを設ける構成において
は、前記高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層は、鉄
またはクロムの酸化物と、La、Mn、Srのうちの一種また
は二種以上の元素を含む混合酸化物とからなる群から選
択される一種以上の酸化物からなることを特徴とするト
ンネル磁気抵抗効果素子とすることができる。In the configuration in which the oxygen permeation preventing layer and the oxide magnetic layer having a high spin polarizability are provided, the oxide magnetic layer having a high spin polarizability includes an oxide of iron or chromium. , La, Mn, and a tunnel magnetoresistive element characterized by being made of one or more oxides selected from the group consisting of mixed oxides containing one or more elements of Sr it can.

【００２２】一方、前記トンネルバリア層は、酸化膜で
あるが、前記トンネルバリア層が酸化アルミニウムから
なることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子とする
ことが好ましい。On the other hand, although the tunnel barrier layer is an oxide film, it is preferable that the tunnel barrier layer is made of aluminum oxide.

【００２３】上記第２の形態においても、前記面内平行
磁気異方性を持つ磁性体は、第一の成分として、ガドリ
ニウム、テルビウム、ディスプロシウム、ホロミウムの
うちから選択される一種または二種の成分と、第二の成
分として、鉄、コバルト、ニッケルのうちから選択され
る一種または二種の成分とを含み、前記第一の成分と第
二の成分とからなる二元系または三元系の合金であるこ
とが好ましい。In the second embodiment, the magnetic material having the in-plane parallel magnetic anisotropy may include, as a first component, one or two selected from gadolinium, terbium, dysprosium, and holmium. And, as a second component, one or two components selected from iron, cobalt, and nickel, and a binary or ternary system comprising the first component and the second component. It is preferable to use a system-based alloy.

【００２４】一方、前記面内平行磁気異方性を持つ磁性
体は、鉄、コバルト、ニッケルのうちから選択されるい
ずれか一種、あるいは、鉄、コバルト、ニッケルのうち
から選択される一種または二種以上を主成分として含む
合金のいずれか１種であることが好ましい。On the other hand, the magnetic material having the in-plane parallel magnetic anisotropy is any one selected from iron, cobalt and nickel, or one or two selected from iron, cobalt and nickel. Preferably, it is any one of alloys containing at least one kind as a main component.

【００２５】加えて、本発明は、上記する構成を有する
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法をも提供
しており、すなわち、本発明のトンネル磁気抵抗効果素
子の製造方法は、トンネル磁気抵抗効果素子を構成する
各層を積層して作製する一連の工程として、基板と近接
させて、下部強磁性層を形成する工程、この下部強磁性
層上に導電性の非磁性材料からなる酸素透過防止層を形
成する工程、この酸素透過防止層上に高いスピン分極率
を持つ酸化物磁性体層を形成する工程、この高いスピン
分極率を持つ酸化物磁性体層上にトンネルバリア層を形
成する工程、このトンネルバリア層の上に上部強磁性体
体層を形成する工程を有し、前記トンネルバリア層を形
成する工程では、前記トンネルバリア層は、酸化物の膜
からなり、前記高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層
上に、前記酸化物の原材料あるいは前記酸化物自体から
なる膜を形成し、膜に形成された前記酸化物の原材料を
酸化する、または、前記酸化物に追酸化処理を施すこと
により、所定の酸化物の膜に変換することを特徴とする
トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法である。In addition, the present invention also provides a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention having the above-described structure, that is, a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention includes the steps of: As a series of steps of laminating each layer constituting the resistance effect element, a step of forming a lower ferromagnetic layer in close proximity to a substrate, and a step of forming a lower ferromagnetic layer by passing an oxygen Forming a barrier layer, forming an oxide magnetic layer having a high spin polarizability on the oxygen permeation preventing layer, and forming a tunnel barrier layer on the oxide magnetic layer having a high spin polarizability. Forming an upper ferromagnetic material layer on the tunnel barrier layer. In the step of forming the tunnel barrier layer, the tunnel barrier layer is made of an oxide film, On the oxide magnetic layer having a spin polarizability, a film made of the raw material of the oxide or the oxide itself is formed, and the raw material of the oxide formed in the film is oxidized, or This is a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element, wherein the oxide film is converted into a predetermined oxide film by performing a supplemental oxidation treatment.

【００２６】その際、前記高いスピン分極率を持つ酸化
物磁性体層が、鉄またはクロムの酸化物により形成され
ていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子の製
造方法とすることが好ましい。In this case, it is preferable to provide a method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element, wherein the oxide magnetic layer having a high spin polarizability is formed of an oxide of iron or chromium.

【００２７】また、前記トンネルバリア層は、酸化アル
ミニウムであり、その原材料として、アルミニウムまた
は酸化アルミニウムを用いることを特徴とするトンネル
磁気抵抗効果素子の製造方法とすることが好ましい。Preferably, the tunnel barrier layer is aluminum oxide, and a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element is characterized in that aluminum or aluminum oxide is used as a raw material.

【００２８】[0028]

【発明の実施の形態】以下に、本発明について、より詳
細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

【００２９】本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子
は、トンネルバリア層を構成する酸化物膜に対して、堆
積形成された酸化物膜を所望の絶縁性を有するものとす
るため、その表面から酸化処理、例えば、プラズマ酸化
を施す工程を含む製造工程で作製されるトンネル磁気抵
抗効果素子である。その際、酸化処理が不足することの
ないように、若干余剰な酸化処理時間を設定した際に
も、得られるトンネル磁気抵抗効果素子の素子特性に影
響・劣化要因を生じさせることのない素子構成としたも
のである。具体的には、下部強磁性層と上部強磁性層
が、トンネルバリア層をその間に挟んで設けられている
トンネル磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層
と下部強磁性層との間に、酸素透過防止層を設けて、酸
化処理が不足することのないように、若干余剰な酸化処
理時間を設定した際にも、下部強磁性層の一部まで酸化
が進行することの回避を図ったものである。In the tunnel magnetoresistive element according to the present invention, the oxide film formed as a tunnel barrier layer is oxidized from its surface in order to make the deposited oxide film have a desired insulating property. This is a tunnel magnetoresistive element manufactured in a manufacturing process including a process of performing, for example, plasma oxidation. At this time, even if a slightly excessive oxidation time is set so that the oxidation treatment does not run short, an element configuration that does not affect or deteriorate the element characteristics of the obtained tunnel magnetoresistance effect element. It is what it was. Specifically, in a tunnel magnetoresistive element in which a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer are provided with a tunnel barrier layer interposed therebetween, the oxygen permeability between the tunnel barrier layer and the lower ferromagnetic layer is increased. The prevention layer is provided to prevent the oxidation from proceeding to a part of the lower ferromagnetic layer even when a slightly excessive oxidation treatment time is set so that the oxidation treatment is not insufficient. is there.

【００３０】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子におい
ては、下部強磁性層と上部強磁性層を垂直異方性強磁性
体材料を利用して作製する形態とする場合、基板上に、
下部垂直異方性強磁性層、酸素透過防止層、トンネルバ
リア層及び上部垂直異方性強磁性層がこの順に積層され
てなる構造とし、前記トンネルバリア層は酸化物を利用
する。In the tunnel magnetoresistive element of the present invention, when the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are formed by using a vertically anisotropic ferromagnetic material,
A structure in which a lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer, an oxygen permeation preventing layer, a tunnel barrier layer, and an upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer are stacked in this order, and the tunnel barrier layer uses an oxide.

【００３１】前記垂直異方性強磁性体材料を利用する、
本発明に係る強磁性トンネル効果素子を製造する方法
は、基板上に下部電極、下部垂直異方性強磁性層を順に
形成し、この下部垂直異方性強磁性層上に酸素透過防止
層を形成する。さらに、この酸素透過防止層上にトンネ
ルバリア層用の原材料層を被着し、この原材料層に、例
えば、プラズマ酸化を施して絶縁性皮膜として、前記ト
ンネルバリア層に形成する。このトンネルバリア層上
に、上部強磁性層を形成し、さらに、上部電極を作製す
る。Utilizing the perpendicular anisotropic ferromagnetic material,
In the method of manufacturing a ferromagnetic tunnel effect device according to the present invention, a lower electrode and a lower vertical anisotropic ferromagnetic layer are sequentially formed on a substrate, and an oxygen permeation preventing layer is formed on the lower vertical anisotropic ferromagnetic layer. Further, a raw material layer for a tunnel barrier layer is deposited on the oxygen permeation preventing layer, and the raw material layer is subjected to, for example, plasma oxidation to form an insulating film on the tunnel barrier layer. An upper ferromagnetic layer is formed on the tunnel barrier layer, and an upper electrode is formed.

【００３２】かかる構成において、酸素透過防止層の材
料は、トンネルバリア層用の原材料層に対して酸化処理
を実施する間、この酸素透過防止層を超えた酸素の透過
を防止できる限り特に制限はないものの、良導電性で、
耐酸化性を有する非磁性材料、好ましくは貴金属、より
好ましくは、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジ
ウム、金、銀のうちのいずれか一種、又はこれらを含む
合金、特には、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリ
ジウムのいずれか一種、又はこれらを含む合金を用いる
ことが望ましい。一方、前記下部垂直異方性強磁性層及
び上部垂直異方性強磁性層を作製する垂直異方性強磁性
体材料としては、希土類金属と遷移金属の合金薄膜が好
適に利用できる。具体的には、ガドリニウム、テルビウ
ム、ディスプロシウム、ホロミウムなどの希土類金属
と、鉄、ニッケル、コバルトなどの遷移金属とを合金化
して、下部垂直異方性強磁性層及び上部垂直異方性強磁
性層を作製することが好ましい。トンネルバリア層の材
料としては、好ましくは、酸化アルミニウムを用いる。In such a configuration, the material of the oxygen permeation preventing layer is not particularly limited as long as the oxygen permeation through the oxygen permeation preventing layer can be prevented during the oxidation treatment of the raw material layer for the tunnel barrier layer. Although it is not, it has good conductivity,
Non-magnetic material having oxidation resistance, preferably a noble metal, more preferably platinum, palladium, rhodium, iridium, gold, any one of silver, or an alloy containing these, in particular, platinum, palladium, rhodium, It is desirable to use any one of iridium or an alloy containing these. On the other hand, as a perpendicular anisotropic ferromagnetic material for forming the lower and upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layers, an alloy thin film of a rare earth metal and a transition metal can be suitably used. Specifically, rare earth metals such as gadolinium, terbium, dysprosium, and holmium are alloyed with transition metals such as iron, nickel, and cobalt to form a lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer and an upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer. Is preferred. Preferably, aluminum oxide is used as a material of the tunnel barrier layer.

【００３３】さらに、本発明に係るトンネル磁気抵抗効
果素子では、酸素透過防止層を、トンネルバリア層と下
部強磁性層の間に設ける構造に代えて、酸素透過防止層
の上に、さらに、高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体
層を設ける構成とすることができる。すなわち、基板上
に、下部強磁性層、酸素透過防止層、高いスピン分極率
を持つ酸化物磁性体層、トンネルバリア層及び上部強磁
性層がこの順に積層されてなる構造とすることもでき
る。このトンネル磁気抵抗効果素子においても、前記ト
ンネルバリア層は酸化物を利用し、同じく、高いスピン
分極率を持つ磁性体層も酸化物磁性材料を用いて、酸素
透過防止層とトンネルバリア層との間に、この高いスピ
ン分極率を持つ酸化物磁性体層を設ける構造とする。こ
の高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層を設ける形態
を有する、本発明に係る強磁性トンネル効果素子を製造
する方法では、基板上に、下部電極、下部強磁性層を順
に形成し、この下部強磁性層上に酸素透過防止層を形成
する。次いで、さらにこの上に高いスピン分極率を持つ
酸化物磁性体層を形成した後、この高いスピン分極率を
持つ酸化物磁性体層上にトンネルバリア層用の原材料層
を被着する。この原材料層を、例えば、プラズマ酸化を
施して前記トンネルバリア層を形成し、このトンネルバ
リア層上に上部強磁性層を形成し、最後に上部電極を形
成するものである。Further, in the tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention, the oxygen permeation preventing layer is replaced by a structure provided between the tunnel barrier layer and the lower ferromagnetic layer. A structure in which an oxide magnetic layer having a spin polarizability is provided can be employed. That is, a structure in which a lower ferromagnetic layer, an oxygen permeation preventing layer, an oxide magnetic layer having a high spin polarizability, a tunnel barrier layer, and an upper ferromagnetic layer are stacked in this order on a substrate can also be employed. Also in this tunnel magnetoresistive element, the tunnel barrier layer uses an oxide, and the magnetic layer having a high spin polarizability also uses an oxide magnetic material to form an oxygen permeation preventing layer and a tunnel barrier layer. A structure in which an oxide magnetic layer having this high spin polarizability is provided between them. In the method of manufacturing a ferromagnetic tunnel effect device according to the present invention having a mode of providing an oxide magnetic layer having a high spin polarizability, a lower electrode and a lower ferromagnetic layer are sequentially formed on a substrate. An oxygen permeation prevention layer is formed on the lower ferromagnetic layer. Next, after an oxide magnetic layer having a high spin polarizability is further formed thereon, a raw material layer for a tunnel barrier layer is deposited on the oxide magnetic layer having a high spin polarizability. For example, the raw material layer is subjected to plasma oxidation to form the tunnel barrier layer, an upper ferromagnetic layer is formed on the tunnel barrier layer, and finally, an upper electrode is formed.

【００３４】前記高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体
層の材料は、好ましくはＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4、または
（Ｌａ-Ｓｒ）ＭｎＯ3である。なお、この高いスピン分
極率を持つ酸化物磁性体層の膜厚は、０．５ｎｍ〜１．
０ｎｍの範囲に選択することが好ましい。また、酸素透
過防止層に利用する良導電性で、耐酸化性を有する非磁
性材料は、好ましくは貴金属、より好ましくは、プラチ
ナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、金、銀のうち
のいずれか一種、又はこれらを含む合金、特には、白金
属金属であるプラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジ
ウムのうちのいずれか一種、又はこれらを含む合金であ
る。酸素透過防止層の膜厚は、高いスピン分極率を持つ
酸化物磁性体層を設ける際には、１ｎｍ〜３ｎｍの範囲
に選択することができ、また、高いスピン分極率を持つ
酸化物磁性体層を設けない場合、０．５ｎｍ〜１．５ｎ
ｍの範囲に選択することもできる。一方、前記下部強磁
性層及び上部強磁性層の材料は、好ましくは、面内異方
性を持つ磁性体材料膜としては、鉄、ニッケル、コバル
トのいずれか、又はこれらを含む合金であり、一方、垂
直異方性を持つ磁性体材料膜としては、希土類金属と遷
移金属の合金薄膜であり、より具体的には、ガドリニウ
ム、テルビウム、ディスプロシウム、ホロミウムなどの
希土類金属と、鉄、ニッケル、コバルトなどの遷移金属
とを合金化した材料を用いて作製する。なお、前記トン
ネルバリア層の材料は、好ましくは酸化アルミニウムを
利用する。The material of the oxide magnetic layer having a high spin polarization is preferably CrO 2 , Fe 3 O 4 , or (La—Sr) MnO 3 . The thickness of the oxide magnetic layer having a high spin polarization is 0.5 nm to 1.0 nm.
It is preferable to select in the range of 0 nm. In addition, the nonconductive material having good conductivity and oxidation resistance used for the oxygen permeation preventing layer is preferably a noble metal, more preferably platinum, palladium, rhodium, iridium, gold, one of silver, Or an alloy containing these, in particular, any one of platinum, palladium, rhodium, and iridium which are white metal metals, or an alloy containing these. The thickness of the oxygen permeation preventing layer can be selected in the range of 1 nm to 3 nm when an oxide magnetic layer having a high spin polarizability is provided. When no layer is provided, 0.5 nm to 1.5 n
m can be selected. On the other hand, the material of the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer is preferably, as a magnetic material film having in-plane anisotropy, iron, nickel, cobalt, or an alloy containing these, On the other hand, the magnetic material film having perpendicular anisotropy is an alloy thin film of a rare earth metal and a transition metal. , And a material obtained by alloying a transition metal such as cobalt. The material of the tunnel barrier layer preferably uses aluminum oxide.

【００３５】また、本発明にかかるトンネル磁気抵抗効
果素子の製造方法では、酸素透過防止層、高いスピン分
極率を持つ酸化物磁性体層を積層した上で、トンネルバ
リア層用の酸化物膜、あるは、酸化した際、トンネルバ
リア層用の酸化物となる原材料膜を形成した上で、この
酸化物膜または原材料膜に対して、追酸化または酸化処
理を施す工程を有する。この追酸化または酸化処理を施
す工程は、やや過剰な酸化処理がなされる条件を選択す
ることで、酸化の不足による未酸化の原材料が残留し
て、絶縁性が不足することを効果的に回避できる。一
方、高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層として、Ｆ
ｅまたはクロムからなる酸化物を好適に利用することが
できる。このＦｅまたはクロムからなる酸化物は、前記
追酸化または酸化処理に際して、トンネルバリア層を透
過する酸素があったとしても、本来の高いスピン分極率
に対して、実質的な影響を与えないものである。一方、
トンネルバリア層用の酸化物膜、あるは、酸化した際、
トンネルバリア層用の酸化物となる原材料膜としては、
所望の膜厚、特に極薄い膜厚に高い再現性で堆積が可能
なアルミニウム、または酸化アルミニウムを利用するこ
とが好ましい。その場合、十分な追酸化または酸化処理
を施すことで、膜自体の絶縁性は極めて良好な緻密な酸
化アルミニウム膜を簡単に、再現性よく作製することが
可能である。In the method of manufacturing a tunnel magnetoresistance effect element according to the present invention, an oxygen permeation preventing layer and an oxide magnetic layer having a high spin polarizability are laminated, and an oxide film for a tunnel barrier layer is formed. Alternatively, the method includes a step of forming a raw material film that becomes an oxide for a tunnel barrier layer when oxidized, and then subjecting the oxide film or the raw material film to additional oxidation or oxidation treatment. In the step of performing the additional oxidation or the oxidation treatment, by selecting conditions under which the oxidation treatment is performed in a slightly excessive manner, it is possible to effectively prevent the unoxidized raw material due to lack of oxidation from remaining and insufficient insulation. it can. On the other hand, as an oxide magnetic layer having a high spin polarizability, F
An oxide composed of e or chromium can be suitably used. The oxide made of Fe or chromium does not substantially affect the originally high spin polarizability even if there is oxygen permeating the tunnel barrier layer during the additional oxidation or oxidation treatment. is there. on the other hand,
An oxide film for the tunnel barrier layer, or when oxidized,
As a raw material film to be an oxide for a tunnel barrier layer,
It is preferable to use aluminum or aluminum oxide which can be deposited with a high reproducibility to a desired film thickness, particularly an extremely thin film thickness. In that case, by performing sufficient post-oxidation or oxidation treatment, a dense aluminum oxide film with extremely good insulating properties can be easily and reproducibly formed.

【００３６】[0036]

【実施例】以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的
に説明する。これら実施例は、本発明の最良の実施の形
態の一例ではあるものの、本発明はこれら実施例により
限定を受けるものではない。The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. Although these examples are examples of the best mode of the present invention, the present invention is not limited by these examples.

【００３７】（実施例１）図１は、本発明に係るトンネ
ル磁気抵抗効果素子における、第１の実施の形態の素子
構成を模式的にを示す断面図である。以下、この図１を
参照して、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の構造
上の特徴と、その作製工程を説明する。(Example 1) FIG. 1 is a sectional view schematically showing the element configuration of the first embodiment of the tunnel magnetoresistance effect element according to the present invention. Hereinafter, with reference to FIG. 1, the structural features of the tunnel magnetoresistive element of this embodiment and the manufacturing steps thereof will be described.

【００３８】本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、
図１に示す通り、基板７上に、下部電極層６、下部垂直
異方性強磁性層５、酸素透過防止層４、トンネルバリア
層３、上部垂直異方性強磁性層２、上部電極層１がこの
順に積層された構造を有している。The tunnel magnetoresistive element of this embodiment is
As shown in FIG. 1, a lower electrode layer 6, a lower vertical anisotropic ferromagnetic layer 5, an oxygen permeation preventing layer 4, a tunnel barrier layer 3, an upper vertical anisotropic ferromagnetic layer 2, and an upper electrode layer 1 are formed on a substrate 7 in this order. It has a laminated structure.

【００３９】具体的には、基板７は、表面の絶縁性層を
設けた非磁性材料からなる基板であり、例えば、高温水
蒸気などにより表面上に酸化膜を形成したシリコン基板
が利用できる。一方、下部電極層６及び上部電極層１
は、ともに、非磁性の良導電性金属層であり、例えば、
アルミニウム、銅などの非磁性導電膜が通常利用され
る。More specifically, the substrate 7 is a substrate made of a non-magnetic material provided with an insulating layer on the surface. For example, a silicon substrate having an oxide film formed on the surface with high-temperature steam or the like can be used. On the other hand, the lower electrode layer 6 and the upper electrode layer 1
Are both non-magnetic good conductive metal layers, for example,
Non-magnetic conductive films such as aluminum and copper are usually used.

【００４０】トンネル接合を構成する、下部垂直異方性
強磁性層５及び上部垂直異方性強磁性層２の強磁性材料
は、その磁化方向は基板面に対して、垂直方向として使
用されるものであり、好ましくは、希土類金属と遷移金
属の合金薄膜、例えば、ガドリニウム、テルビウム、デ
ィスプロシウム、ホロミウムなどの希土類金属と、鉄、
ニッケル、コバルトなどの遷移金属とを合金化して作製
される、垂直異方性を示す強磁性体薄膜を用いる。The ferromagnetic material of the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 and the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2 constituting the tunnel junction has a magnetization direction used as a direction perpendicular to the substrate surface. Preferably, a rare earth metal and a transition metal alloy thin film, for example, gadolinium, terbium, dysprosium, rare earth metal such as holmium, iron,
A ferromagnetic thin film exhibiting perpendicular anisotropy and produced by alloying a transition metal such as nickel or cobalt is used.

【００４１】一方、酸素透過防止層４は、非磁性の良導
電性金属から選択され、酸素透過性を有さない金属、特
には、貴金属のうち、例えば、それ自体酸化を受け難
く、しかも、極めて、膜厚の薄い層を容易に形成でき、
更に、下部垂直異方性強磁性層５へ熱拡散などにより相
互拡散を生じることのないものが好適に利用される。従
って、白金族金属、プラチナ（Pt）、パラジウム（P
d）、ロジウム（Rh）及びイリジウム（Iｒ）のうちのい
ずれか、またはこれらのうちの一また二種以上を含む合
金がこの用途により適している。なお、トンネルバリア
層３は、トンネル接合に要求される、高い絶縁性を有す
る非磁性酸化物材料が用いられ、加えて、その膜厚を極
薄くした際にも、緻密な膜となり、リークを起こすこと
もない酸化物材料であるものが利用され、従って、従来
より、例えば、酸化アルミニウムが好適に利用されてい
る。On the other hand, the oxygen permeation preventing layer 4 is selected from non-magnetic, highly conductive metals, and is not easily oxidized among metals having no oxygen permeability, particularly noble metals. Extremely thin layers can be easily formed,
Furthermore, a material that does not cause mutual diffusion to the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 by thermal diffusion or the like is preferably used. Therefore, platinum group metals, platinum (Pt), palladium (P
Any of d), rhodium (Rh) and iridium (Ir), or alloys containing one or more of these, are more suitable for this application. The tunnel barrier layer 3 is made of a non-magnetic oxide material having a high insulating property, which is required for a tunnel junction. In addition, even when the thickness of the tunnel barrier layer 3 is extremely thin, the film becomes a dense film and leaks. An oxide material that does not occur is used, and thus, for example, aluminum oxide has been preferably used.

【００４２】次に、上記の素子構成を有するトンネル磁
気抵抗効果素子について、その具体的な形態と、作製工
程を説明する。Next, a specific mode and a manufacturing process of the tunnel magnetoresistive element having the above-described element configuration will be described.

【００４３】まず、表面上に、膜厚１μｍ程度の酸化シ
リコン層を形成されたシリコン基板１を用意した。この
シリコン基板上には、トンネル磁気抵抗効果素子に加え
て、付随する種々の素子要素を形成することが可能であ
る。第１の工程では、この基板上、その酸化シリコン層
上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、下部電極層６
に利用する、Alを厚さ２５ｎｍ成膜した。First, a silicon substrate 1 having a silicon oxide layer having a thickness of about 1 μm formed on the surface was prepared. On the silicon substrate, various accompanying element elements can be formed in addition to the tunnel magnetoresistance effect element. In the first step, the lower electrode layer 6 is formed on the substrate and the silicon oxide layer by magnetron sputtering.
Was used to form a film having a thickness of 25 nm.

【００４４】第２の工程では、前記Al層上に、下部垂直
異方性強磁性層５用の強磁性体として、GdFe合金を厚さ
５０ｎｍ成膜した。第３の工程では、下部垂直異方性強
磁性層５用のGdFe合金膜上に、酸素透過防止層４とす
る、Ptを厚さ１ｎｍ成膜した。第４の工程では、酸素透
過防止層４とするPt膜上に、スパッタ法を利用して、酸
化アルミニウムを厚さ１ｎｍ成膜した。引き続く第５工
程では、前記酸化アルミニウム膜に対して、その表面か
ら、酸素雰囲気中で逆スパッタ法を用いてプラズマ酸化
を施し、当初スパッタ時に不足を生じた酸素を補い、絶
縁性に優れる酸化アルミニウム膜とする改質を行うこと
により、トンネルバリア層３を形成した。In the second step, a GdFe alloy having a thickness of 50 nm was formed on the Al layer as a ferromagnetic material for the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5. In the third step, a 1-nm-thick Pt film serving as the oxygen permeation preventing layer 4 was formed on the GdFe alloy film for the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5. In the fourth step, aluminum oxide was formed to a thickness of 1 nm on the Pt film serving as the oxygen permeation preventing layer 4 by using a sputtering method. In the subsequent fifth step, the aluminum oxide film is subjected to plasma oxidation from the surface thereof by a reverse sputtering method in an oxygen atmosphere to compensate for the oxygen which was initially insufficient at the time of sputtering, and to provide aluminum oxide having excellent insulation properties. The tunnel barrier layer 3 was formed by modifying the film.

【００４５】第６の工程では、このプラズマ酸化を施
し、トンネルバリア層３とした酸化アルミニウム膜上
に、上部垂直異方性強磁性層２用の強磁性体として、Ｔ
ｂＦｅ合金を厚さ３０ｎｍ成膜した。第７の工程では、
上部垂直異方性強磁性層２用のＴｂＦｅ合金膜上に、上
部電極層１として利用する、Alを厚さ５０ｎｍ成膜し
た。以上の一連の工程で形成される積層構造を、目的と
するトンネル磁気抵抗効果素子の平面形状、素子面積に
応じて、パターニングして、トンネル磁気抵抗効果素子
とした。なお、図１には明示していないが、下部電極層
６ならびに上部電極層１に対して、トンネル電流の測定
に利用する配線部をそれぞれ付設している。In the sixth step, the plasma oxidation is performed to form a ferromagnetic material for the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2 on the aluminum oxide film serving as the tunnel barrier layer 3.
A 30 nm thick bFe alloy was deposited. In the seventh step,
On the TbFe alloy film for the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2, Al used as the upper electrode layer 1 was formed to a thickness of 50 nm. The multilayer structure formed in the above series of steps was patterned according to the planar shape and element area of the target tunnel magnetoresistive element to obtain a tunnel magnetoresistive element. Although not explicitly shown in FIG. 1, wiring portions used for measuring a tunnel current are provided for the lower electrode layer 6 and the upper electrode layer 1, respectively.

【００４６】本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子で
は、トンネル接合を構成する二つの強磁性体層を、垂直
異方性を持つ強磁性体を用いた構成とし、一方を、軟磁
性材料とし、他方を、硬磁性材料としている。具体的に
は、図１に示す構成において、下部垂直異方性強磁性層
５のGdFe合金［５０ｎｍ厚］は、反転磁界が１００ Ｏ
ｅ〜５００ Ｏｅ程度であり、一方、上部垂直異方性強
磁性層２のＴｂＦｅ合金［３０ｎｍ厚］は、反転磁界が
１０ｋＯｅ〜２０ｋＯｅ程度である。In the tunnel magnetoresistive element of this embodiment, the two ferromagnetic layers constituting the tunnel junction are formed using a ferromagnetic material having perpendicular anisotropy, and one of them is formed of a soft magnetic material. The other is a hard magnetic material. Specifically, in the configuration shown in FIG. 1, the GdFe alloy [50 nm thick] of the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 has a switching field of 100 O
On the other hand, the switching magnetic field of the TbFe alloy [30 nm thick] of the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2 is about 10 kOe to 20 kOe.

【００４７】図８は、トンネル磁気抵抗効果素子につい
て、磁気抵抗効果を実際に測定するための構造の一例を
模式的な示す断面図である。本実施例では、前記する垂
直異方性を持つ強磁性体の組み合わせを利用するトンネ
ル磁気抵抗効果素子であり、その上面より磁気強度を検
出することが可能な構成となっている。図８に示す構造
は、フォトリソグラフィーと逆スパッタ法を用いて、そ
の形状に加工したものである。また、隣接する素子等と
の分離を図るため、層間絶縁層１６を、トンネル磁気抵
抗効果素子の側壁に設けている。測定時に、上部電極１
５から、トンネル接合のトンネルバリア層１８を介し
て、下部電極２０へとトンネル電流が流れる。この電流
・電圧測定は、直流4端子法を用いる。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing an example of a structure for actually measuring the magnetoresistance effect of the tunnel magnetoresistance effect element. The present embodiment is a tunnel magnetoresistive effect element using a combination of the above-described ferromagnetic materials having perpendicular anisotropy, and has a configuration in which the magnetic intensity can be detected from the upper surface thereof. The structure shown in FIG. 8 is processed into the shape by using photolithography and reverse sputtering. Further, an interlayer insulating layer 16 is provided on the side wall of the tunnel magnetoresistive element in order to separate the element from an adjacent element or the like. When measuring, the upper electrode 1
5, a tunnel current flows to the lower electrode 20 through the tunnel barrier layer 18 of the tunnel junction. This current / voltage measurement uses a DC four-terminal method.

【００４８】トンネル磁気抵抗効果素子では、トンネル
バリア層１８を挟む、下部強磁性層１９と上部強磁性層
１７との磁化の向きが反平行の時にはトンネル電流が流
れ難くなる結果、素子抵抗が高くなり、逆に、平行の時
にはトンネル電流が流れ易くなる結果、素子抵抗が低く
なる。この二つの状態間での素子抵抗差から、磁気抵抗
効果率を評価した。In the tunnel magnetoresistive effect element, when the magnetization directions of the lower ferromagnetic layer 19 and the upper ferromagnetic layer 17 sandwiching the tunnel barrier layer 18 are antiparallel, it becomes difficult for a tunnel current to flow, resulting in a high element resistance. Conversely, when parallel, the tunnel current becomes easier to flow, resulting in lower element resistance. From the element resistance difference between these two states, the magnetoresistance effect rate was evaluated.

【００４９】この評価結果から、磁化の向きが平行の
際、トンネル電流を減少させるスピン散乱を引き起こす
下部強磁性層に達する酸化の進行がなく、具体的には、
下部強磁性層の上面領域に酸化物強磁性層が生成するこ
とに起因する素子抵抗上昇に伴う、磁気抵抗効果率の劣
化が少なく、従って、低抵抗のトンネル磁気抵抗効果素
子が得られた。From this evaluation result, when the magnetization directions are parallel, there is no progress of oxidation reaching the lower ferromagnetic layer which causes spin scattering which reduces the tunnel current.
A reduction in the magnetoresistance effect due to an increase in the element resistance caused by the formation of the oxide ferromagnetic layer in the upper surface region of the lower ferromagnetic layer was small, and thus a low-resistance tunnel magnetoresistance effect element was obtained.

【００５０】以上に説明した、実施例１では、トンネル
バリア層を形成する工程などの成膜にスパッタ法を利用
して、本発明を実施する形態について説明したが、他の
成膜方法、例えば、真空蒸着法やCVD法を用いて成膜し
ても、この実施例１と同様の結果（効果）を得ることが
できる。特に、トンネルバリア層の形成手法について
は、堆積形成した酸化アルミニウムに、さらにプラズマ
酸化を施す手法について記載したが、例えば、アルミニ
ウムをプラズマ酸化して、酸化アルミニウムに変換する
手法や、大気中、酸素雰囲気中での自然酸化、ラジカル
ビームによる酸化、オゾン酸化、UV酸化など、他の酸化
手段を利用して、酸化アルミニウムを形成する際にも、
同様の効果が得られる。In the first embodiment described above, the embodiment in which the present invention is implemented by using the sputtering method for the film formation such as the step of forming the tunnel barrier layer has been described. The same result (effect) as in the first embodiment can be obtained even if the film is formed by using the vacuum evaporation method or the CVD method. In particular, as for the formation method of the tunnel barrier layer, a method of further performing plasma oxidation on the deposited aluminum oxide has been described. For example, a method of converting aluminum to aluminum oxide by plasma oxidation, a method of converting oxygen into air, When forming aluminum oxide using other oxidation means such as natural oxidation in atmosphere, oxidation by radical beam, ozone oxidation, UV oxidation, etc.
Similar effects can be obtained.

【００５１】（実施例２）図２は、本発明に係るトンネ
ル磁気抵抗効果素子における、第２の実施の形態の素子
構成を模式的にを示す断面図である。以下、この図２を
参照して、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の構造
上の特徴と、その作製工程を説明する。(Example 2) FIG. 2 is a sectional view schematically showing the element configuration of a second embodiment of the tunnel magnetoresistance effect element according to the present invention. Hereinafter, with reference to FIG. 2, the structural characteristics of the tunnel magnetoresistive element of this embodiment and the manufacturing steps thereof will be described.

【００５２】本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、
図２に示す通り、基板７上に、下部電極層６、下部垂直
異方性強磁性層５、酸素透過防止層４、高いスピン分極
率を持つ酸化物磁性体層８、トンネルバリア層３、上部
垂直異方性強磁性層２、上部電極層１がこの順に積層さ
れた構造を有している。The tunnel magnetoresistive element of this embodiment is
As shown in FIG. 2, a lower electrode layer 6, a lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5, an oxygen permeation preventing layer 4, an oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability, a tunnel barrier layer 3, and an upper vertical It has a structure in which an anisotropic ferromagnetic layer 2 and an upper electrode layer 1 are stacked in this order.

【００５３】具体的には、基板７は、表面の絶縁性層を
設けた非磁性材料からなる基板であり、例えば、高温水
蒸気などにより表面上に酸化膜を形成したシリコン基板
が利用できる。一方、下部電極層６及び上部電極層１
は、ともに、非磁性の良導電性金属層であり、例えば、
アルミニウム、銅などの非磁性導電膜が通常利用され
る。More specifically, the substrate 7 is a substrate made of a non-magnetic material provided with an insulating layer on the surface. For example, a silicon substrate having an oxide film formed on the surface with high-temperature steam or the like can be used. On the other hand, the lower electrode layer 6 and the upper electrode layer 1
Are both non-magnetic good conductive metal layers, for example,
Non-magnetic conductive films such as aluminum and copper are usually used.

【００５４】トンネル接合を構成する、下部垂直異方性
強磁性層５及び上部垂直異方性強磁性層２の強磁性材料
は、その磁化方向は基板面に対して、垂直方向として使
用されるものであり、好ましくは、希土類金属と遷移金
属の合金薄膜、例えば、ガドリニウム、テルビウム、デ
ィスプロシウム、ホロミウムなどの希土類金属と、鉄、
ニッケル、コバルトなどの遷移金属とを合金化して作製
される、垂直異方性を示す強磁性体薄膜を用いる。The ferromagnetic material of the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 and the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2 constituting the tunnel junction has a magnetization direction used as a direction perpendicular to the substrate surface. Preferably, a rare earth metal and a transition metal alloy thin film, for example, gadolinium, terbium, dysprosium, rare earth metal such as holmium, iron,
A ferromagnetic thin film exhibiting perpendicular anisotropy and produced by alloying a transition metal such as nickel or cobalt is used.

【００５５】一方、酸素透過防止層４は、非磁性の良導
電性金属から選択され、酸素透過性を有さない金属、特
には、貴金属のうち、例えば、それ自体酸化を受け難
く、しかも、極めて、膜厚の薄い層を容易に形成でき、
更に、下部垂直異方性強磁性層５へ熱拡散などにより相
互拡散を生じることのないものが好適に利用される。従
って、白金族金属、プラチナ（Pt）、パラジウム（P
d）、ロジウム（Rh）及びイリジウム（Iｒ）のうちのい
ずれか、またはこれらのうちの一また二種以上を含む合
金がこの用途により適している。また、高いスピン分極
率を持つ酸化物磁性体層８は、垂直異方性を有する下部
垂直異方性強磁性層５の磁化の向きと平行な磁化方向に
磁化可能な酸化物磁性体材料が利用され、より具体的に
は、好適な高いスピン分極率を有する酸化物磁性体材料
として、ＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4、または（Ｌａ-Ｓｒ）Ｍｎ
Ｏ3を選択することができる。On the other hand, the oxygen permeation preventing layer 4 is selected from non-magnetic, good conductive metals, and is not easily oxidized among metals having no oxygen permeability, particularly noble metals. Extremely thin layers can be easily formed,
Furthermore, a material that does not cause mutual diffusion to the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 by thermal diffusion or the like is preferably used. Therefore, platinum group metals, platinum (Pt), palladium (P
Any of d), rhodium (Rh) and iridium (Ir), or alloys containing one or more of these, are more suitable for this application. For the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability, an oxide magnetic material that can be magnetized in a magnetization direction parallel to the magnetization direction of the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 having perpendicular anisotropy is used. More specifically, CrO 2 , Fe 3 O 4 , or (La—Sr) Mn is preferably used as a suitable oxide magnetic material having a high spin polarizability.
O 3 can be selected.

【００５６】なお、本実施例でも、トンネルバリア層３
は、トンネル接合に要求される、高い絶縁性を有する非
磁性酸化物材料が用いられ、加えて、その膜厚を極薄く
した際にも、緻密な膜となり、リークを起こすこともな
い酸化物材料であるものが利用され、従って、従来よ
り、例えば、酸化アルミニウムが好適に利用されてい
る。In this embodiment, the tunnel barrier layer 3
Is a non-magnetic oxide material having high insulating properties required for tunnel junctions. In addition, even when the thickness is extremely thin, the oxide becomes a dense film and does not cause leakage. What is a material is used, and therefore, for example, aluminum oxide has been conventionally suitably used.

【００５７】次に、上記の素子構成を有するトンネル磁
気抵抗効果素子について、その具体的な形態と、作製工
程を説明する。Next, a specific mode and a manufacturing process of the tunnel magnetoresistive element having the above-described element configuration will be described.

【００５８】まず、表面上に、膜厚１μｍ程度の酸化シ
リコン層を形成されたシリコン基板７を用意した。この
シリコン基板上には、トンネル磁気抵抗効果素子に加え
て、付随する種々の素子要素を形成することが可能であ
る。第１の工程では、この基板上、その酸化シリコン層
上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、下部電極層６
に利用する、Alを厚さ２５ｎｍ成膜した。First, a silicon substrate 7 having a silicon oxide layer having a thickness of about 1 μm formed on its surface was prepared. On the silicon substrate, various accompanying element elements can be formed in addition to the tunnel magnetoresistance effect element. In the first step, the lower electrode layer 6 is formed on the substrate and the silicon oxide layer by magnetron sputtering.
Was used to form a film having a thickness of 25 nm.

【００５９】第２の工程では、前記Al層上に、下部垂直
異方性強磁性層５用の強磁性体として、GdFe合金を厚さ
５０ｎｍ成膜した。第３の工程では、下部垂直異方性強
磁性層５用のGdFe合金膜上に、酸素透過防止層４とす
る、Ptを厚さ１ｎｍ成膜した。第４の工程では、酸素透
過防止層４とするPt膜上に、スパッタ法を利用して、高
いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層８に利用する、Ｆ
ｅ3Ｏ4を厚さ１ｎｍ成膜した。In the second step, a GdFe alloy having a thickness of 50 nm was formed as a ferromagnetic material for the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 on the Al layer. In the third step, a 1-nm-thick Pt film serving as the oxygen permeation preventing layer 4 was formed on the GdFe alloy film for the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5. In the fourth step, a Pt film to be used for the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability is formed on the Pt film serving as the oxygen permeation preventing layer 4 by sputtering.
It has a thickness of 1nm formation of the e 3 O 4.

【００６０】第５の工程では、高いスピン分極率を持つ
酸化物磁性体層８とするＦｅ3Ｏ4膜上に、スパッタ法を
利用して、酸化アルミニウムを厚さ１ｎｍ成膜した。引
き続く第６工程では、前記酸化アルミニウム膜に対し
て、その表面から、酸素雰囲気中で逆スパッタ法を用い
てプラズマ酸化を施し、当初スパッタ時に不足を生じた
酸素を補い、絶縁性に優れる酸化アルミニウム膜とする
改質を行うことにより、トンネルバリア層３を形成し
た。その際、下層の高いスピン分極率を持つ酸化物磁性
体層８とするＦｅ3Ｏ4膜に対しても、酸化アルミニウム
膜を透過した酸素が一部供給される。In the fifth step, a 1-nm-thick aluminum oxide film was formed by sputtering on the Fe 3 O 4 film serving as the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarization. In a subsequent sixth step, the aluminum oxide film is subjected to plasma oxidation from the surface thereof by a reverse sputtering method in an oxygen atmosphere to compensate for oxygen which was initially deficient at the time of sputtering, and to provide aluminum oxide having excellent insulation properties. The tunnel barrier layer 3 was formed by modifying the film. At this time, part of the oxygen that has passed through the aluminum oxide film is also supplied to the lower Fe 3 O 4 film serving as the oxide magnetic material layer 8 having a high spin polarizability.

【００６１】第７の工程では、このプラズマ酸化を施
し、トンネルバリア層３とした酸化アルミニウム膜上
に、上部垂直異方性強磁性層２用の強磁性体として、Ｔ
ｂＦｅ合金を厚さ３０ｎｍ成膜した。第８の工程では、
上部垂直異方性強磁性層２用のＴｂＦｅ合金膜上に、上
部電極層１として利用する、Alを厚さ５０ｎｍ成膜し
た。以上の一連の工程で形成される積層構造を、目的と
するトンネル磁気抵抗効果素子の平面形状、素子面積に
応じて、パターニングして、トンネル磁気抵抗効果素子
とした。なお、図２には明示していないが、下部電極層
６ならびに上部電極層１に対して、トンネル電流の測定
に利用する配線部をそれぞれ付設している。In the seventh step, this plasma oxidation is performed to form a ferromagnetic material for the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2 on the aluminum oxide film serving as the tunnel barrier layer 3.
A 30 nm thick bFe alloy was deposited. In the eighth step,
On the TbFe alloy film for the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2, Al used as the upper electrode layer 1 was deposited to a thickness of 50 nm. The multilayer structure formed in the above series of steps was patterned according to the planar shape and element area of the target tunnel magnetoresistive element to obtain a tunnel magnetoresistive element. Although not explicitly shown in FIG. 2, a wiring portion used for measuring a tunnel current is attached to the lower electrode layer 6 and the upper electrode layer 1, respectively.

【００６２】本実施例において、高いスピン分極率を持
つ酸化物磁性体層８に利用するＦｅ 3Ｏ4は、一般に面内
磁化膜として利用される高いスピン分極率を持つ酸化物
磁性体であるが、極薄の酸素透過防止層４を通り抜けて
下部垂直異方性強磁性層５から漏れ出る磁界により、そ
の磁化の方向は垂直方向にピン止めされ、下部垂直異方
性強磁性層５と一体となって磁化反転することが可能と
されている。In this embodiment, a high spin polarizability
Used for the oxide magnetic layer 8 ThreeOFourIs generally in-plane
Oxides with high spin polarizability used as magnetized films
Although it is a magnetic substance, it passes through the ultra-thin oxygen permeation prevention layer 4
The magnetic field leaking from the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 causes
The magnetization direction of the pin is vertically pinned,
That magnetization reversal can be performed integrally with the
Have been.

【００６３】本実施例においても、実施例１と同様に、
トンネル接合を構成する二つの強磁性体層を、垂直異方
性を持つ強磁性体を用いた構成とし、一方を、軟磁性材
料とし、他方を、硬磁性材料としている。具体的には、
図２に示す構成において、下部垂直異方性強磁性層５の
GdFe合金［５０ｎｍ厚］は、反転磁界が１００ Ｏｅ〜
５００ Ｏｅ程度であり、一方、上部垂直異方性強磁性
層２のＴｂＦｅ合金［３０ｎｍ厚］は、反転磁界が１０
ｋＯｅ〜２０ｋＯｅ程度である。実際には、下部垂直異
方性強磁性層５と一体となって磁化反転する、高いスピ
ン分極率を持つ酸化物磁性体層８のＦｅ3Ｏ4膜を介し
て、トンネル電流が流れるものの、その動作は、実施例
１と同様なものとなる。In this embodiment, as in the first embodiment,
The two ferromagnetic layers constituting the tunnel junction are configured using a ferromagnetic material having perpendicular anisotropy, one of which is a soft magnetic material and the other is a hard magnetic material. In particular,
In the configuration shown in FIG.
The GdFe alloy [50 nm thick] has a switching field of 100 Oe or more.
On the other hand, the TbFe alloy [30 nm thick] of the upper perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 2 has a reversal magnetic field of 10 Oe.
It is about kOe to 20 kOe. Actually, although a tunnel current flows through the Fe 3 O 4 film of the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability, which reverses the magnetization integrally with the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5, Is similar to that of the first embodiment.

【００６４】具体的には、実施例１と同様に、高い絶縁
性で、極めて薄い膜厚の酸化アルミニウムからなる平坦
なトンネルバリア層が得られるので、不要なリーク電流
は抑制しつつ、素子の低抵抗化が実現できるとともに、
実際に、トンネル接合を構成する高スピン分極率膜にお
いて、スピンが保存されるので、高MR比を実現できる。More specifically, as in the first embodiment, a flat tunnel barrier layer made of aluminum oxide having a high insulating property and an extremely thin film thickness can be obtained. While low resistance can be realized,
Actually, in the high spin polarizability film forming the tunnel junction, spin is preserved, so that a high MR ratio can be realized.

【００６５】以上に説明した、実施例２では、トンネル
バリア層を形成する工程などの成膜にスパッタ法を利用
して、本発明を実施する形態について説明したが、他の
成膜方法、例えば、真空蒸着法やCVD法を用いて成膜し
ても、この実施例２と同様の結果（効果）を得ることが
できる。特に、トンネルバリア層の形成手法について
は、堆積形成した酸化アルミニウムに、さらにプラズマ
酸化を施す手法について記載したが、例えば、アルミニ
ウムをプラズマ酸化して、酸化アルミニウムに変換する
手法や、大気中、酸素雰囲気中での自然酸化、ラジカル
ビームによる酸化、オゾン酸化、UV酸化など、他の酸化
手段を利用して、酸化アルミニウムを形成する際にも、
同様の効果が得られる。In the second embodiment described above, the embodiment in which the present invention is embodied by using a sputtering method for film formation such as a step of forming a tunnel barrier layer has been described. The same result (effect) as that of the second embodiment can be obtained even when the film is formed by using the vacuum evaporation method or the CVD method. In particular, as for the formation method of the tunnel barrier layer, a method of further performing plasma oxidation on the deposited aluminum oxide has been described. For example, a method of converting aluminum to aluminum oxide by plasma oxidation, a method of converting oxygen into air, When forming aluminum oxide using other oxidation means such as natural oxidation in atmosphere, oxidation by radical beam, ozone oxidation, UV oxidation, etc.
Similar effects can be obtained.

【００６６】（実施例３）図３は、本発明に係るトンネ
ル磁気抵抗効果素子における、第３の実施の形態の素子
構成を模式的にを示す断面図である。以下、この図３を
参照して、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の構造
上の特徴と、その作製工程を説明する。(Example 3) FIG. 3 is a sectional view schematically showing the element configuration of a third embodiment of the tunnel magnetoresistance effect element according to the present invention. Hereinafter, with reference to FIG. 3, the structural features of the tunnel magnetoresistive element of this embodiment and the manufacturing steps thereof will be described.

【００６７】本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、
図３に示す通り、基板７上に、下部電極層６、下部面内
異方性強磁性層１０、酸素透過防止層４、高いスピン分
極率を持つ酸化物磁性体層８、トンネルバリア層３、上
部面内異方性強磁性層９、上部電極層１がこの順に積層
された構造を有している。The tunnel magneto-resistance effect element of this embodiment is
As shown in FIG. 3, a lower electrode layer 6, a lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10, an oxygen permeation preventing layer 4, an oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability, a tunnel barrier layer 3, and an upper It has a structure in which the in-plane anisotropic ferromagnetic layer 9 and the upper electrode layer 1 are stacked in this order.

【００６８】具体的には、基板７は、表面の絶縁性層を
設けた非磁性材料からなる基板であり、例えば、高温水
蒸気などにより表面上に酸化膜を形成したシリコン基板
が利用できる。一方、下部電極層６及び上部電極層１
は、ともに、非磁性の良導電性金属層であり、例えば、
アルミニウム、銅などの非磁性導電膜が通常利用され
る。Specifically, the substrate 7 is a substrate made of a non-magnetic material provided with an insulating layer on the surface, and for example, a silicon substrate having an oxide film formed on the surface with high-temperature steam or the like can be used. On the other hand, the lower electrode layer 6 and the upper electrode layer 1
Are both non-magnetic good conductive metal layers, for example,
Non-magnetic conductive films such as aluminum and copper are usually used.

【００６９】トンネル接合を構成する、下部面内異方性
強磁性層１０及び上部面内異方性強磁性層９の強磁性材
料は、その磁化方向は基板面に対して、平行方向として
使用されるものであり、好ましくは、鉄、ニッケル、コ
バルトなどの遷移金属の合金薄膜からなる、面内異方性
を示す強磁性体薄膜を用いる。The ferromagnetic material of the lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10 and the upper in-plane anisotropic ferromagnetic layer 9 constituting the tunnel junction is such that its magnetization direction is used as a direction parallel to the substrate surface. Preferably, a ferromagnetic thin film exhibiting in-plane anisotropy, which is made of an alloy thin film of a transition metal such as iron, nickel, or cobalt, is used.

【００７０】一方、酸素透過防止層４は、非磁性の良導
電性金属から選択され、酸素透過性を有さない金属、特
には、貴金属のうち、例えば、それ自体酸化を受け難
く、しかも、極めて、膜厚の薄い層を容易に形成でき、
更に、下部垂直異方性強磁性層５へ熱拡散などにより相
互拡散を生じることのないものが好適に利用される。従
って、白金族金属、プラチナ（Pt）、パラジウム（P
d）、ロジウム（Rh）及びイリジウム（Iｒ）のうちのい
ずれか、またはこれらのうちの一また二種以上を含む合
金がこの用途により適している。また、高いスピン分極
率を持つ酸化物磁性体層８は、垂直異方性を有する下部
垂直異方性強磁性層５の磁化の向きと平行な磁化方向に
磁化可能な酸化物磁性体材料が利用され、より具体的に
は、好適な高いスピン分極率を有する酸化物磁性体材料
として、ＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4、または（Ｌａ-Ｓｒ）Ｍｎ
Ｏ3を選択することができる。On the other hand, the oxygen permeation preventing layer 4 is selected from non-magnetic, highly conductive metals, and is not easily oxidized among metals having no oxygen permeability, especially noble metals. Extremely thin layers can be easily formed,
Furthermore, a material that does not cause mutual diffusion to the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 by thermal diffusion or the like is preferably used. Therefore, platinum group metals, platinum (Pt), palladium (P
Any of d), rhodium (Rh) and iridium (Ir), or alloys containing one or more of these, are more suitable for this application. For the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability, an oxide magnetic material that can be magnetized in a magnetization direction parallel to the magnetization direction of the lower perpendicular anisotropic ferromagnetic layer 5 having perpendicular anisotropy is used. More specifically, CrO 2 , Fe 3 O 4 , or (La—Sr) Mn is preferably used as a suitable oxide magnetic material having a high spin polarizability.
O 3 can be selected.

【００７１】なお、本実施例でも、トンネルバリア層３
は、トンネル接合に要求される、高い絶縁性を有する非
磁性酸化物材料が用いられ、加えて、その膜厚を極薄く
した際にも、緻密な膜となり、リークを起こすこともな
い酸化物材料であるものが利用され、従って、従来よ
り、例えば、酸化アルミニウムが好適に利用されてい
る。In this embodiment, the tunnel barrier layer 3
Is a non-magnetic oxide material having high insulating properties required for tunnel junctions. In addition, even when the thickness is extremely thin, the oxide becomes a dense film and does not cause leakage. What is a material is used, and therefore, for example, aluminum oxide has been conventionally suitably used.

【００７２】次に、上記の素子構成を有するトンネル磁
気抵抗効果素子について、その具体的な形態と、作製工
程を説明する。Next, a specific mode and a manufacturing process of the tunnel magnetoresistive element having the above-described element configuration will be described.

【００７３】まず、表面上に、膜厚１μｍ程度の酸化シ
リコン層を形成されたシリコン基板７を用意した。この
シリコン基板上には、トンネル磁気抵抗効果素子に加え
て、付随する種々の素子要素を形成することが可能であ
る。第１の工程では、この基板上、その酸化シリコン層
上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、下部電極層６
に利用する、Alを厚さ２５ｎｍ成膜した。First, a silicon substrate 7 having a silicon oxide layer having a thickness of about 1 μm formed on its surface was prepared. On the silicon substrate, various accompanying element elements can be formed in addition to the tunnel magnetoresistance effect element. In the first step, the lower electrode layer 6 is formed on the substrate and the silicon oxide layer by magnetron sputtering.
Was used to form a film having a thickness of 25 nm.

【００７４】第２の工程では、前記Al層上に、下部面内
異方性強磁性層１０用の強磁性体として、ＮｉＦｅ合金
を厚さ２５ｎｍ成膜した。第３の工程では、下部面内異
方性強磁性層１０用のＮｉＦｅ合金膜上に、酸素透過防
止層４とする、Ptを厚さ１ｎｍ成膜した。第４の工程で
は、酸素透過防止層４とするPt膜上に、スパッタ法を利
用して、高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層８に利
用する、Ｆｅ3Ｏ4を厚さ１ｎｍ成膜した。In the second step, a 25 nm-thick NiFe alloy was formed as a ferromagnetic material for the lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10 on the Al layer. In the third step, a 1-nm-thick Pt film serving as the oxygen permeation preventing layer 4 was formed on the NiFe alloy film for the lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10. In the fourth step, Fe 3 O 4, which is used for the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability and has a thickness of 1 nm, is formed on the Pt film serving as the oxygen permeation preventing layer 4 by sputtering. Filmed.

【００７５】第５の工程では、高いスピン分極率を持つ
酸化物磁性体層８とするＦｅ3Ｏ4膜上に、スパッタ法を
利用して、酸化アルミニウムを厚さ１ｎｍ成膜した。引
き続く第６工程では、前記酸化アルミニウム膜に対し
て、その表面から、酸素雰囲気中で逆スパッタ法を用い
てプラズマ酸化を施し、当初スパッタ時に不足を生じた
酸素を補い、絶縁性に優れる酸化アルミニウム膜とする
改質を行うことにより、トンネルバリア層３を形成し
た。その際、下層の高いスピン分極率を持つ酸化物磁性
体層８とするＦｅ3Ｏ4膜に対しても、酸化アルミニウム
膜を透過した酸素が一部供給される。In the fifth step, a 1-nm-thick aluminum oxide film was formed by sputtering on the Fe 3 O 4 film serving as the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarization. In a subsequent sixth step, the aluminum oxide film is subjected to plasma oxidation from the surface thereof by a reverse sputtering method in an oxygen atmosphere to compensate for oxygen which was initially deficient at the time of sputtering, and to provide aluminum oxide having excellent insulation properties. The tunnel barrier layer 3 was formed by modifying the film. At this time, part of the oxygen that has passed through the aluminum oxide film is also supplied to the lower Fe 3 O 4 film serving as the oxide magnetic material layer 8 having a high spin polarizability.

【００７６】第７の工程では、このプラズマ酸化を施
し、トンネルバリア層３とした酸化アルミニウム膜上
に、上部面内異方性強磁性層９用の強磁性体として、Ｃ
ｏを厚さ３０ｎｍ成膜した。その際、Ｃｏを一軸磁気異
方性を持たせるため、２００ ［Ｏｅ］の磁界を印加し
て成膜を行った。第８の工程では、上部面内異方性強磁
性層９用のＣｏ膜上に、上部電極層１として利用する、
Alを厚さ５０ｎｍ成膜した。以上の一連の工程で形成さ
れる積層構造を、目的とするトンネル磁気抵抗効果素子
の平面形状、素子面積に応じて、パターニングして、ト
ンネル磁気抵抗効果素子とした。なお、図３には明示し
ていないが、下部電極層６ならびに上部電極層１に対し
て、トンネル電流の測定に利用する配線部をそれぞれ付
設している。In the seventh step, this plasma oxidation is performed to form a ferromagnetic material for the upper in-plane anisotropic ferromagnetic layer 9 on the aluminum oxide film serving as the tunnel barrier layer 3.
o was deposited to a thickness of 30 nm. At that time, a film was formed by applying a magnetic field of 200 [Oe] in order to give Co uniaxial magnetic anisotropy. In the eighth step, the upper electrode layer 1 is used on the Co film for the upper in-plane anisotropic ferromagnetic layer 9.
Al was deposited to a thickness of 50 nm. The multilayer structure formed in the above series of steps was patterned according to the planar shape and element area of the target tunnel magnetoresistive element to obtain a tunnel magnetoresistive element. Although not explicitly shown in FIG. 3, the lower electrode layer 6 and the upper electrode layer 1 are respectively provided with wiring portions used for measuring a tunnel current.

【００７７】本実施例において、高いスピン分極率を持
つ酸化物磁性体層８に利用するＦｅ 3Ｏ4は、一般に面内
磁化膜として利用される高いスピン分極率を持つ酸化物
磁性体であるので、極薄の酸素透過防止層４を通り抜け
て下部面内異方性強磁性層１０から漏れ出る磁界によ
り、その磁化の方向は下部面内異方性強磁性層１０と同
じ方位の面内方向にピン止めされ、下部面内異方性強磁
性層１０と一体となって磁化反転することが可能とされ
ている。In this embodiment, a high spin polarizability
Used for the oxide magnetic layer 8 ThreeOFourIs generally in-plane
Oxides with high spin polarizability used as magnetized films
Since it is a magnetic material, it passes through the ultra-thin oxygen permeation prevention layer 4
Magnetic field leaking from the lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10
The magnetization direction is the same as that of the lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10.
Pinned in the in-plane direction of the same orientation, and the lower in-plane anisotropic strong magnet
Magnetization reversal integrally with the conductive layer 10.
ing.

【００７８】本実施例においても、実施例２と同様に、
トンネル接合を構成する二つの強磁性体層を、ともに面
内異方性を持つ強磁性体を用いた構成とし、一方を、軟
磁性材料とし、他方を、硬磁性材料としている。具体的
には、図３に示す構成において、下部面内異方性強磁性
層１０のＮｉＦｅ合金は、軟磁性材料であり、その反転
磁界が５ Ｏｅ〜２０ Ｏｅ程度であり、一方、上部面
内異方性強磁性層９のＣｏは、硬磁性材料であり、その
反転磁界が２０ Ｏｅ〜４０ Ｏｅ程度である。実際に
は、下部面内異方性強磁性層１０と一体となって磁化反
転する、高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層８のＦ
ｅ3Ｏ4膜を介して、トンネル電流が流れるものの、その
動作は、実施例２と同様なものとなる。In this embodiment, as in the second embodiment,
The two ferromagnetic layers constituting the tunnel junction are both made of a ferromagnetic material having in-plane anisotropy, one of which is made of a soft magnetic material and the other is made of a hard magnetic material. Specifically, in the configuration shown in FIG. 3, the NiFe alloy of the lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10 is a soft magnetic material, and its reversal magnetic field is about 5 to 20 Oe. Co of the anisotropic ferromagnetic layer 9 is a hard magnetic material, and its reversal magnetic field is about 20 Oe to 40 Oe. Actually, the F of the oxide magnetic layer 8 having a high spin polarizability, which reverses the magnetization integrally with the lower in-plane anisotropic ferromagnetic layer 10, is formed.
Although the tunnel current flows through the e 3 O 4 film, the operation is the same as that of the second embodiment.

【００７９】具体的には、実施例２と同様に、高い絶縁
性で、極めて薄い膜厚の酸化アルミニウムからなる平坦
なトンネルバリア層が得られるので、不要なリーク電流
は抑制しつつ、素子の低抵抗化が実現できるとともに、
実際に、トンネル接合を構成する高スピン分極率膜にお
いて、スピンが保存されるので、高MR比を実現できる。More specifically, as in the second embodiment, a flat tunnel barrier layer made of aluminum oxide having a high insulating property and an extremely thin film thickness can be obtained. While low resistance can be realized,
Actually, in the high spin polarizability film forming the tunnel junction, spin is preserved, so that a high MR ratio can be realized.

【００８０】以上に説明した、実施例３では、トンネル
バリア層を形成する工程などの成膜にスパッタ法を利用
して、本発明を実施する形態について説明したが、他の
成膜方法、例えば、真空蒸着法やCVD法を用いて成膜し
ても、この実施例３と同様の結果（効果）を得ることが
できる。特に、トンネルバリア層の形成手法について
は、堆積形成した酸化アルミニウムに、さらにプラズマ
酸化を施す手法について記載したが、例えば、アルミニ
ウムをプラズマ酸化して、酸化アルミニウムに変換する
手法や、大気中、酸素雰囲気中での自然酸化、ラジカル
ビームによる酸化、オゾン酸化、UV酸化など、他の酸化
手段を利用して、酸化アルミニウムを形成する際にも、
同様の効果が得られる。In the third embodiment described above, the embodiment in which the present invention is implemented by using the sputtering method for the film formation such as the step of forming the tunnel barrier layer has been described. The same result (effect) as in the third embodiment can be obtained even when the film is formed by using the vacuum evaporation method or the CVD method. In particular, as for the formation method of the tunnel barrier layer, a method of further performing plasma oxidation on the deposited aluminum oxide has been described. For example, a method of converting aluminum to aluminum oxide by plasma oxidation, a method of converting oxygen into air, When forming aluminum oxide using other oxidation means such as natural oxidation in atmosphere, oxidation by radical beam, ozone oxidation, UV oxidation, etc.
Similar effects can be obtained.

【００８１】[0081]

【発明の効果】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、
強磁性トンネル接合を構成する下部強磁性層とトンネル
バリア層との間に酸素透過防止層を挟んだ構造とするこ
とで、その製造工程中、トンネルバリア層とする絶縁性
酸化物膜を得る目的で酸化処理を施す工程において、利
用される酸素の透過は、酸素透過防止層よりも下層の下
部強磁性層に達することが阻止される。その結果、酸化
処理をやや過剰に行った際にも、下部強磁性層の部分的
な酸化による、酸化物強磁性層の形成を防止することが
できる。あるいは、酸化処理をやや過剰に行う条件を選
択することで、トンネルバリア層に対する酸化処理が不
足して、トンネルバリア層用の原材料が一部酸化処理を
受けずに残留する事態を未然に防止できる。従って、ト
ンネルバリア層を極薄くする際にも、下部強磁性層の部
分的な酸化による、酸化物強磁性層の形成を回避しつ
つ、トンネルバリア層とする絶縁性酸化物膜を得る目的
の酸化処理は十分に実施することが可能となり、リーク
電流の要因となる酸化処理の不足も効果的に排除でき
る。この効果に因って、良好な絶縁性を有し、膜厚は極
薄いトンネルバリア層を用いて、トンネル電流の低下を
引き起こす不要な酸化物強磁性層の形成もなく、トンネ
ル磁気抵抗効果素子の低抵抗化を実現できる。加えて、
トンネルバリア層と接して、酸素透過防止層との間に、
高スピン分極率を持つ酸化物磁性体層をも付与する形態
とすると、高磁気抵抗変化率のトンネル磁気抵抗効果素
子を得ることができる。素子サイズを小さくした際に
も、トンネル接合自体の低抵抗化が図られ、同時に高磁
気抵抗変化率をも達成できるので、本発明のトンネル磁
気抵抗効果素子を利用して、高性能な磁気ランダム・ア
クセス・メモリを作製することができる。また、素子サ
イズを小さくできる利点を生かし、高密度のハードディ
スク装置における、読み取り・再生ヘッドへの応用も可
能である。The tunnel magnetoresistive element of the present invention has the following features.
The purpose of obtaining an insulating oxide film to be used as a tunnel barrier layer during the manufacturing process by having a structure in which an oxygen permeation prevention layer is sandwiched between a lower ferromagnetic layer and a tunnel barrier layer constituting a ferromagnetic tunnel junction In the step of performing the oxidation treatment, the oxygen used is prevented from reaching the lower ferromagnetic layer below the oxygen permeation preventing layer. As a result, even when the oxidation treatment is performed slightly excessively, formation of the oxide ferromagnetic layer due to partial oxidation of the lower ferromagnetic layer can be prevented. Alternatively, by selecting conditions for performing the oxidation treatment in a slightly excessive manner, it is possible to prevent a situation in which the oxidation treatment for the tunnel barrier layer is insufficient and the raw material for the tunnel barrier layer partially remains without being subjected to the oxidation treatment. . Therefore, even when the tunnel barrier layer is made extremely thin, it is possible to avoid the formation of the oxide ferromagnetic layer due to the partial oxidation of the lower ferromagnetic layer and obtain an insulating oxide film serving as the tunnel barrier layer. The oxidation treatment can be sufficiently performed, and the shortage of the oxidation treatment which causes a leak current can be effectively eliminated. Due to this effect, the tunnel magnetoresistive element has excellent insulating properties and uses an extremely thin tunnel barrier layer without forming an unnecessary oxide ferromagnetic layer that causes a reduction in tunnel current. Resistance can be reduced. in addition,
In contact with the tunnel barrier layer, between the oxygen barrier layer and
When an oxide magnetic layer having a high spin polarizability is also provided, a tunnel magnetoresistance effect element having a high magnetoresistance ratio can be obtained. Even when the element size is reduced, the resistance of the tunnel junction itself can be reduced, and a high rate of change in magnetoresistance can be achieved at the same time. -An access memory can be manufactured. In addition, taking advantage of the advantage that the element size can be reduced, application to a read / reproduce head in a high-density hard disk device is also possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の第一
の実施形態を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view schematically showing a first embodiment of a tunnel magnetoresistive element according to the present invention.

【図２】本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の第二
の実施形態を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view schematically showing a second embodiment of the tunnel magnetoresistive element according to the present invention.

【図３】本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の第三
の実施形態を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view schematically showing a third embodiment of the tunnel magnetoresistance effect element according to the present invention.

【図４】従来のトンネル磁気抵抗効果を利用した磁性薄
膜メモリの一構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a conventional magnetic thin film memory utilizing a tunnel magnetoresistance effect.

【図５】従来のトンネル磁気抵抗効果素子において、プ
ラズマ酸化を行い過ぎた際の酸化物強磁性層が形成され
た構造を模式的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which an oxide ferromagnetic layer is formed when plasma oxidation is excessively performed in a conventional tunnel magnetoresistance effect element.

【図６】従来のトンネル磁気抵抗効果素子において、プ
ラズマ酸化が足りなかった際の酸化されていないアルミ
ニウム原子が残留する構造を模式的に示す断面図であ
る。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional tunnel magnetoresistive element in which unoxidized aluminum atoms remain when plasma oxidation is insufficient.

【図７】従来のトンネル磁気抵抗効果素子の構成を模式
的に示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional tunnel magnetoresistance effect element.

【図８】トンネル磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗
効果を実際に測定するための全体素子構造を模式的に示
す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the entire element structure for actually measuring the magnetoresistance effect in the tunnel magnetoresistance effect element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１，１５ 上部電極層 ２ 上部垂直磁気異方性強磁性層 ３，１２，１８，２３ トンネルバリア層 ４ 酸素透過防止層 ５ 上部垂直磁気異方性強磁性層 ６，２０ 下部電極層 ７，２１，２６ 基板 ８ 高スピン分極率膜（酸化物磁性体層） ９ 上部面内磁気異方性強磁性層 １０ 下部面内磁気異方性強磁性層 １１ 強磁性層 １３ 強磁性層 １４ 印加電圧 １６ 層間絶縁層 １７，２２ 上部強磁性層 １９，２５ 下部強磁性層 ２４ 酸化物強磁性層 ２７ 酸化されていないアルミニウム原子 ２８ 酸化が足りなかった絶縁膜 Reference Signs List 1,15 Upper electrode layer 2 Upper perpendicular magnetic anisotropic ferromagnetic layer 3,12,18,23 Tunnel barrier layer 4 Oxygen permeation preventing layer 5 Upper perpendicular magnetic anisotropic ferromagnetic layer 6,20 Lower electrode layer 7,21,26 Substrate 8 High spin polarizability film (oxide magnetic layer) 9 Upper in-plane magnetic anisotropic ferromagnetic layer 10 Lower in-plane magnetic anisotropic ferromagnetic layer 11 Ferromagnetic layer 13 Ferromagnetic layer 14 Applied voltage 16 Interlayer insulating layer 17, 22 Upper strong Magnetic layers 19, 25 Lower ferromagnetic layer 24 Oxide ferromagnetic layer 27 Non-oxidized aluminum atoms 28 Insulating film with insufficient oxidation

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｆ 10/32 Ｈ０１Ｌ 43/12 Ｈ０１Ｌ 43/12 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01F 10/32 H01L 43/12 H01L 43/12 G01R 33/06 R

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 基板と近接する側から順に、下部強磁性
層と上部強磁性層が、トンネルバリア層をその間に挟ん
で設けられているトンネル磁気抵抗効果素子であって、 前記トンネルバリア層は、酸化膜からなり、 前記下部強磁性層と上部強磁性層は、垂直磁気異方性を
有する磁性体からなり、 さらに、前記下部強磁性層とトンネルバリア層との間に
導電性の非磁性材料からなる酸素透過防止層が設けられ
ていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。1. A tunnel magnetoresistive element in which a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer are provided with a tunnel barrier layer interposed therebetween in order from a side close to a substrate, wherein the tunnel barrier layer is The lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are made of a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy; and a conductive nonmagnetic material is provided between the lower ferromagnetic layer and the tunnel barrier layer. A tunnel magnetoresistive element comprising an oxygen permeation preventing layer made of a material. 【請求項２】 前記垂直磁気異方性を持つ磁性体は、第
一の成分として、ガドリニウム、テルビウム、ディスプ
ロシウム、ホロミウムのうちから選択される一種または
二種の成分と、第二の成分として、鉄、コバルト、ニッ
ケルのうちから選択される一種または二種の成分とを含
み、前記第一の成分と第二の成分とからなる、二元系ま
たは三元系の合金であることを特徴とする請求項１に記
載のトンネル磁気抵抗効果素子。2. The magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, wherein the first component is one or two components selected from gadolinium, terbium, dysprosium, and holmium, and the second component is As, iron, cobalt, including one or two components selected from nickel, consisting of the first component and the second component, it is a binary or ternary alloy The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein: 【請求項３】 前記酸素透過防止層は、貴金属からなる
ことを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル磁
気抵抗効果素子。3. The tunnel magnetoresistance effect element according to claim 1, wherein the oxygen permeation preventing layer is made of a noble metal. 【請求項４】 前記貴金属は、プラチナ、パラジウム、
ロジウム、イリジウム、金、銀のうちのいずれか一種、
あるいは、前記６種のうち、一又は二種以上を主成分と
して含む合金であることを特徴とする請求項３記載のト
ンネル磁気抵抗効果素子。4. The method according to claim 1, wherein the noble metal is platinum, palladium,
One of rhodium, iridium, gold, silver,
4. The tunnel magnetoresistance effect element according to claim 3, wherein the alloy is an alloy containing one or more of the six types as a main component. 5. 【請求項５】 前記下部強磁性層とトンネルバリア層と
の間に設けられている酸素透過防止層に加え、前記酸素
透過防止層とトンネルバリア層との間に高いスピン分極
率を持つ酸化物磁性層が設けられていることを特徴とす
る請求項１〜４のいずれか記載のトンネル磁気抵抗効果
素子。5. An oxide having a high spin polarizability between the oxygen permeation preventing layer and the tunnel barrier layer, in addition to the oxygen permeation preventing layer provided between the lower ferromagnetic layer and the tunnel barrier layer. 5. The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, further comprising a magnetic layer. 【請求項６】 基板と近接する側から順に、下部強磁性
層と上部強磁性層が、トンネルバリア層をその間に挟ん
で設けられているトンネル磁気抵抗効果素子であって、 前記トンネルバリア層は、酸化膜からなり、 前記下部強磁性層と上部強磁性層は、面内平行磁気異方
性を有する磁性体からなり、 さらに、前記下部強磁性層とトンネルバリア層との間に
導電性の非磁性材料からなる酸素透過防止層が設けら
れ、 加えて、前記酸素透過防止層とトンネルバリア層との間
に高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層が設けられて
いることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。6. A tunnel magnetoresistive element in which a lower ferromagnetic layer and an upper ferromagnetic layer are provided with a tunnel barrier layer interposed therebetween in order from a side close to the substrate, wherein the tunnel barrier layer is The lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are made of a magnetic material having in-plane parallel magnetic anisotropy; and a conductive material is provided between the lower ferromagnetic layer and the tunnel barrier layer. An oxygen permeation prevention layer made of a non-magnetic material is provided, and in addition, an oxide magnetic layer having a high spin polarizability is provided between the oxygen permeation prevention layer and the tunnel barrier layer. Tunnel magnetoresistive element. 【請求項７】 前記高いスピン分極率を持つ酸化物磁性
体層は、 鉄またはクロムの酸化物と、La、Mn、Srのうちの一種ま
たは二種以上の元素を含む混合酸化物とからなる群から
選択される一種以上の酸化物からなることを特徴とする
請求項５または６に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。7. The oxide magnetic layer having a high spin polarizability is composed of an oxide of iron or chromium, and a mixed oxide containing one or more of La, Mn, and Sr. 7. The tunnel magnetoresistive element according to claim 5, wherein the element is made of at least one oxide selected from the group. 【請求項８】 前記トンネルバリア層が酸化アルミニウ
ムからなることを特徴とする請求項５または６に記載の
トンネル磁気抵抗効果素子。8. The tunnel magnetoresistive element according to claim 5, wherein said tunnel barrier layer is made of aluminum oxide. 【請求項９】 前記垂直磁気異方性を持つ磁性体は、第
一の成分として、ガドリニウム、テルビウム、ディスプ
ロシウム、ホロミウムのうちから選択される一種または
二種の成分と、第二の成分として、鉄、コバルト、ニッ
ケルのうちから選択される１または２種の成分とを含
み、前記第一の成分と第二の成分とからなる二元系また
は三元系の合金であることを特徴とする請求項５に記載
のトンネル磁気抵抗効果素子。9. The magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy, as the first component, one or two components selected from gadolinium, terbium, dysprosium, and holmium, and the second component Is a binary or ternary alloy comprising one or two components selected from iron, cobalt and nickel, and comprising the first component and the second component. The tunnel magnetoresistance effect element according to claim 5, wherein 【請求項１０】 前記面内平行磁気異方性を持つ磁性体
は、鉄、コバルト、ニッケルのうちから選択されるいず
れか一種、あるいは、鉄、コバルト、ニッケルのうちか
ら選択される一種または二種以上を主成分として含む合
金のいずれか１種であることを特徴とする請求項６に記
載のトンネル磁気抵抗効果素子。10. The magnetic material having the in-plane parallel magnetic anisotropy is any one selected from iron, cobalt and nickel, or one or two selected from iron, cobalt and nickel. 7. The tunnel magnetoresistance effect element according to claim 6, wherein the element is any one of alloys containing at least one kind as a main component. 【請求項１１】 トンネル磁気抵抗効果素子を構成する
各層を積層して作製する一連の工程として、基板と近接
させて、下部強磁性層を形成する工程、この下部強磁性
層上に導電性の非磁性材料からなる酸素透過防止層を形
成する工程、この酸素透過防止層上に高いスピン分極率
を持つ酸化物磁性体層を形成する工程、この高いスピン
分極率を持つ酸化物磁性体層上にトンネルバリア層を形
成する工程、このトンネルバリア層の上に上部強磁性層
を形成する工程を有し、前記トンネルバリア層を形成す
る工程では、前記トンネルバリア層は、酸化物の膜から
なり、前記高いスピン分極率を持つ酸化物磁性体層上
に、前記酸化物の原材料あるいは前記酸化物自体からな
る膜を形成し、膜に形成された前記酸化物の原材料を酸
化する、または、前記酸化物に追酸化処理を施すことに
より、所定の酸化物の膜に変換することを特徴とするト
ンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。11. A series of steps for laminating layers constituting a tunnel magnetoresistive element, forming a lower ferromagnetic layer in close proximity to a substrate, and forming a conductive layer on the lower ferromagnetic layer. Forming an oxygen permeation preventing layer made of a non-magnetic material, forming an oxide magnetic layer having a high spin polarizability on the oxygen permeation preventing layer, Forming a tunnel barrier layer on the tunnel barrier layer, and forming an upper ferromagnetic layer on the tunnel barrier layer. In the step of forming the tunnel barrier layer, the tunnel barrier layer comprises an oxide film. Forming a film made of the oxide raw material or the oxide itself on the oxide magnetic material layer having a high spin polarizability, and oxidizing the oxide raw material formed in the film, or A method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element, wherein an oxide is subjected to a post-oxidation treatment to convert the oxide into a film of a predetermined oxide. 【請求項１２】 前記高いスピン分極率を持つ酸化物磁
性体層が、鉄またはクロムの酸化物により形成されてい
ることを特徴とする請求項１１に記載のトンネル磁気抵
抗効果素子の製造方法。12. The method according to claim 11, wherein the oxide magnetic layer having a high spin polarizability is formed of an oxide of iron or chromium. 【請求項１３】 前記トンネルバリア層は、酸化アルミ
ニウムであり、その原材料として、アルミニウムまたは
酸化アルミニウムを用いることを特徴とする請求項１１
に記載のトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法。13. The method according to claim 11, wherein the tunnel barrier layer is made of aluminum oxide, and aluminum or aluminum oxide is used as a raw material thereof.
4. The method for manufacturing a tunnel magnetoresistive effect element according to item 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007005803A (en) * 2005-06-22 2007-01-11 Tdk Corp Magnetoresistive element and arrangement
JP2012104825A (en) * 2010-11-05 2012-05-31 Grandis Inc Method and system for providing hybrid magnetic tunneling junction element with improved switching
JP2014529743A (en) * 2011-08-30 2014-11-13 ジャンス マルチディメンション テクノロジー シーオー．， エルティーディー 3-axis magnetic field sensor

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