JP2006019743A - 磁気メモリ構造およびトンネル磁気抵抗効果型再生ヘッドならびにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 α−TaNからなるキャップ層44を有するワード線45の上に、MTJ素子37Aを設けるようにしたので、MTJ素子37Aを構成するシード層46A、ピンニング層47、SyAP層48、トンネルバリア層49、フリー層50およびキャップ層51における結晶構造を、十分に均質化および緻密化することができる。この結果、十分な抵抗変化率および絶縁破壊電圧の双方を安定かつ容易に実現することが可能となる。
【選択図】 図1
Description
(A1)基体上に、第1シード層、導電層およびα相の窒化タンタル(α−TaN)からなる第1キャップ層を順に有する下部電極。
(A2)導線としての上部電極。
(A3)下部電極と上部電極との間に配置され、かつ、下部電極の側から順に第2シード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、上部電極と接する第2キャップ層とを有する磁気トンネル接合素子。
(B1)基体上に、第1シード層と導電層とを順に有する下部電極。
(B2)導線としての上部電極。
(B3)下部電極と上部電極との間に配置され、かつ、下部電極の側から順に、α相の窒化タンタル(α−TaN)を含む第2シード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、上部電極と接するキャップ層とを有する磁気トンネル接合素子。
(C1)基体上に、磁性層と、α相の窒化タンタル(α−TaN)からなる第1キャップ層とを順に有する下部シールド層。
(C2)下部シールド層の上にシード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、第2キャップ層とを順に有する磁気トンネル接合素子。
(C3)第2キャップ層と接するように配置された上部シールド層。
(D1)基体上に形成された磁性層からなる下部シールド層。
(D2)下部シールド層の上に、α相の窒化タンタル(α−TaN)を含むシード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層とが順に積層されてなる磁気トンネル接合素子。
(D3)キャップ層と接するように配置された上部シールド層。
(E1)基体上に、第1シード層と、導電層と、α相の窒化タンタル(α−TaN)からなるキャップ層とを順に積層することにより下部電極を形成する工程。
(E2)下部電極の上に磁気トンネル接合素子を形成する工程。
(E3)磁気トンネル接合素子の上に上部電極を形成する工程。
(F1)基体上に、第1シード層と、導電層とを順に積層することにより下部電極を形成する工程。
(F2)下部電極の上に、α相の窒化タンタル(α−TaN)からなる第2シード層を有する磁気トンネル接合素子を形成する工程。
(F3)磁気トンネル接合素子の上に上部電極を形成する工程。
(G1)基体上に、磁性層と、α相の窒化タンタル(α−TaN)からなるキャップ層とを順に積層することにより下部シールド層を形成する工程。
(G2)下部シールド層の上に磁気トンネル接合素子を形成する工程。
(G3)磁気トンネル接合素子の上に上部シールド層を形成する工程。
(H1)基体上に、磁性層からなる下部シールド層を形成する工程。
(H2)下部シールド層の上に、α相の窒化タンタル(α−TaN)からなるシード層を有する磁気トンネル接合素子を形成する工程。
(H3)磁気トンネル接合素子の上に上部シールド層を形成する工程。
まず、図1および図2を参照して、本発明の第1実施の形態としての磁気メモリ構造について説明する。図1は、本実施の形態の磁気メモリ構造40Aを複数備えたMRAMアレイにおける平面構成の一部を示した概略図である。図2は、図1に示したMRAMアレイにおける任意の磁気メモリ構造の断面構成を拡大して示したものである。
次に、図4を参照して、本発明の第2の実施の形態としての磁気メモリ構造について説明する。図4は、本実施の形態の磁気メモリ構造40Bの断面構成を拡大して示したものであり、上記第1の実施の形態における磁気メモリ構造40Aの断面構成(図2)に対応するものである。本実施の形態では、上記第1の実施の形態との相違点について主に説明する。
次に、図5を参照して、本発明の第3の実施の形態としてのMTJ素子を備えたTMRリードヘッドの構成について以下に説明する。図5は、本実施の形態のTMRリードヘッド60A(以下、単にTMRヘッド60Aという。)における、磁気記録媒体(図示せず)と対向する面(記録媒体対向面)と平行な断面構成を表したものである。TMRヘッド60Aは、例えば磁気ディスク装置などに搭載されて、磁気記録媒体に記録された磁気情報を読み出す磁気デバイスとして機能する磁気再生ヘッドのセンサ部として用いられるものである。
次に、図6を参照して、本発明の第4の実施の形態としてのTMRヘッドについて説明する。図6は、本実施の形態のTMRヘッド60Bにおける、磁気記録媒体と対向する面(記録媒体対向面)と平行な断面構成を表したものである。本実施の形態では、上記第3の実施の形態との相違点について主に説明する。
「NiCr/Ru/α−TaN//NiCr/MnPt/CoFe/Ru/CoFe/AlOX/CoFe/NiFe/Ru」
である。ここで、左側から「NiCr/Ru/α−TaN」が下部電極、「NiCr」がシード層、「MnPt」がピンニング層、「CoFe/Ru/CoFe」がSyAP層、「AlOX」がトンネルバリア層、「CoFe/NiFe」がフリー層、「Ru25」がキャップ層である。一方、比較例では、下部電極のキャップ層をタンタルとした以外はすべて実施例と同様の構成とした。
Claims (55)
- 基体上に、第1シード層と、導電層と、α相の窒化タンタル(α−TaN)からなる第1キャップ層とを順に有する下部電極と、
導線としての上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に配置され、かつ、前記下部電極の側から順に第2シード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、前記上部電極と接する第2キャップ層とを有する磁気トンネル接合素子と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ構造。 - 前記第1シード層はニッケルクロム合金(NiCr)からなり、前記導電層はルテニウム(Ru)または銅(Cu)からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第1シード層は4.0nm以上10.0nm以下の厚みをなし、
前記導電層は5.0nm以上100.0nm以下の厚みをなし、
前記第1キャップ層は5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなし、
前記第1キャップ層を構成するα相の窒化タンタル(α−TaN)における窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下である
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第1シード層はタンタル(Ta)からなり、前記導電層は銅(Cu)からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第1シード層は2.0nm以上10.0nm以下の厚みをなし、
前記導電層は5.0nm以上100.0nm以下の厚みをなし、
前記第1キャップ層は5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなしている
ことを特徴とする請求項4に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第2シード層は、ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)からなり、4.0nm以上10.0nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ構造。 - 前記反強磁性ピンニング層は、マンガン白金合金(MnPt)またはイリジウムマンガン合金(IrMn)からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ構造。 - 前記ピンド層は、第1のコバルト鉄合金(CoFe)層と、ルテニウム(Ru)からなる結合層と、第2のコバルト鉄合金(CoFe)層とが順に積層されたシンセティック構造をなしている
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ構造。 - 前記トンネルバリア層は、アルミニウム層を酸化処理したものであり、1.0nm以上1.5nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ構造。 - 前記磁化自由層は、ニッケル鉄合金(NiFe)からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ構造。 - 基体上に、第1シード層と導電層とを順に有する下部電極と、
導線としての上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に配置され、かつ、前記下部電極の側から順に、α相の窒化タンタル(α−TaN)を含む第2シード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、前記上部電極と接するキャップ層とを有する磁気トンネル接合素子と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ構造。 - 前記第1シード層はタンタル(Ta)またはニッケルクロム合金(NiCr)からなり、前記導電層は銅(Cu)からなる
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第1シード層はニッケルクロム合金(NiCr)からなり、前記導電層はルテニウム(Ru)または銅(Cu)からなる
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第2シード層は、窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下であるα−TaNからなり、5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなしている
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第2シード層は、α相の窒化タンタル(α−TaN)からなる第1の層と、ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)からなる第2の層とを有する複合層である
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記第1の層は5.0nm以上40.0nm以下の厚みを有し、前記第2の層は4.0nm以上10.0nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項15に記載の磁気メモリ構造。 - 前記反強磁性ピンニング層は、マンガン白金合金(MnPt)またはイリジウムマンガン合金(IrMn)からなる
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記ピンド層は、第1のコバルト鉄合金(CoFe)層と、ルテニウム(Ru)からなる結合層と、第2のコバルト鉄合金(CoFe)層とが順に積層されたシンセティック構造をなしている
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記トンネルバリア層は、アルミニウム層を酸化処理したものであり、1.0nm以上1.5nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 前記磁化自由層は、ニッケル鉄合金(NiFe)からなる
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ構造。 - 基体上に、磁性層と、α−TaNからなる第1キャップ層とを順に有する下部シールド層と、
前記下部シールド層の上にシード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、第2キャップ層とを順に有する磁気トンネル接合素子と、
前記第2キャップ層と接するように配置された上部シールド層と
を備えたことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記第1キャップ層は、5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなし、
前記第1キャップ層を構成するα−TaNの窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下である
ことを特徴とする請求項21に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記シード層は、ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)からなる
ことを特徴とする請求項21に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記反強磁性ピンニング層は、8.0nm以上20.0nm以下の厚みを有するマンガン白金合金(MnPt)または5.0nm以上10.0nm以下の厚みを有するイリジウムマンガン合金(IrMn)からなる
ことを特徴とする請求項21に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記ピンド層は、第1のコバルト鉄合金(CoFe)層と、ルテニウム(Ru)からなる結合層と、第2のコバルト鉄合金(CoFe)層とが順に積層されたシンセティック構造をなしている
ことを特徴とする請求項21に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記トンネルバリア層は、アルミニウム層を酸化処理したものであり、0.7nm以上1.1nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項21に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記磁化自由層は、ニッケル鉄合金(NiFe)層と、コバルト鉄合金(CoFe)層と有する複合層である
ことを特徴とする請求項21に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 基体上に形成された磁性層からなる下部シールド層と、
前記下部シールド層の上に、α−TaNを含むシード層と、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、磁化自由層と、キャップ層とが順に積層されてなる磁気トンネル接合素子と、
前記キャップ層と接するように配置された上部シールド層と
を備えたことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記シード層は、5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなし、
前記シード層を構成するα−TaNの窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下である
ことを特徴とする請求項28に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記シード層は、α−TaNからなる第1の層と、ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)からなる第2の層とを有する複合層である
ことを特徴とする請求項28に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記第1の層は5.0nm以上30.0nm以下の厚みを有し、前記第2の層は4.0nm以上10.0nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項28に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記反強磁性ピンニング層は、マンガン白金合金(MnPt)またはイリジウムマンガン合金(IrMn)からなる
ことを特徴とする請求項28に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記ピンド層は、第1のコバルト鉄合金(CoFe)層と、ルテニウム(Ru)からなる結合層と、第2のコバルト鉄合金(CoFe)層とが順に積層されたシンセティック構造をなしている
ことを特徴とする請求項28に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記トンネルバリア層は、アルミニウム層を酸化処理したものであり、0.7nm以上1.1nm以下の厚みを有している
ことを特徴とする請求項28に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 前記磁化自由層は、ニッケル鉄合金(NiFe)層と、コバルト鉄合金(CoFe)層と有する複合層である
ことを特徴とする請求項28に記載のトンネル接合型再生ヘッド。 - 基体上に、第1シード層と、導電層と、α−TaNからなるキャップ層とを順に積層することにより下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
前記磁気トンネル接合素子の上に上部電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする磁気メモリ構造の製造方法。 - 窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下であるα−TaNを用いて、5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなすように前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項36に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - ニッケルクロム合金(NiCr)を用いて4.0nm以上10.0nm以下の厚みをなすように前記第1シード層を形成し、
ルテニウム(Ru)または銅(Cu)を用いて5.0nm以上100.0nm以下の厚みをなすように前記導電層を形成する
ことを特徴とする請求項36に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - タンタル(Ta)を用いて2.0nm以上10.0nm以下の厚みをなすように前記第1シード層を形成し、
銅(Cu)を用いて5.0nm以上100.0nm以下の厚みをなすように前記導電層を形成する
ことを特徴とする請求項36に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - 窒素プラズマを用いた反応性スパッタリング処理によって前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項37に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)からなる第2シード層を含むように前記磁気トンネル接合素子を形成する
ことを特徴とする請求項36に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - 基体上に、第1シード層と、導電層とを順に積層することにより下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に、α−TaNからなる第2シード層を有する磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
前記磁気トンネル接合素子の上に上部電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする磁気メモリ構造の製造方法。 - 窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下であるα−TaNを用いて、5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなすように前記第2シード層を形成する
ことを特徴とする請求項42に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - α−TaNを用いて5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなすように第1の層を形成する工程と、前記第1の層の上に、ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)を用いて4.0nm以上10.0nm以下の厚みをなすように第2の層を形成する工程とを順に行うことにより、前記第2シード層を形成する
ことを特徴とする請求項42に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - 窒素プラズマを用いた反応性スパッタリング処理によって前記第2シード層を形成する
ことを特徴とする請求項42に記載の磁気メモリ構造の製造方法。 - 基体上に、磁性層と、α−TaNからなるキャップ層とを順に積層することにより下部シールド層を形成する工程と、
前記下部シールド層の上に磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
前記磁気トンネル接合素子の上に上部シールド層を形成する工程と
を含むことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - 窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下であるα−TaNを用いて、5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなすように前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項46に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)からなるシード層を含むように前記磁気トンネル接合素子を形成する
ことを特徴とする請求項46に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - ニッケル鉄合金(NiFe)を用いて2μmの厚みをなすように前記磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項46に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - 窒素プラズマを用いた反応性スパッタリング処理によって前記キャップ層を形成する
ことを特徴とする請求項46に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - 基体上に、磁性層からなる下部シールド層を形成する工程と、
前記下部シールド層の上に、α−TaNからなるシード層を有する磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
前記磁気トンネル接合素子の上に上部シールド層を形成する工程と
を含むことを特徴とするトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - 窒素含有率が25原子パーセント(at%)以上35原子パーセント(at%)以下であるα−TaNを用いて、5.0nm以上40.0nm以下の厚みをなすように前記シード層を形成する
ことを特徴とする請求項51に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - α−TaNを用いて5.0nm以上30.0nm以下の厚みをなすように第1の層を形成する工程と、前記第1の層の上に、ニッケルクロム合金(NiCr)、ニッケル鉄合金(NiFe)またはニッケル鉄クロム合金(NiFeCr)を用いて4.0nm以上10.0nm以下の厚みをなすように第2の層を形成する工程とを順に行うことにより、前記シード層を形成する
ことを特徴とする請求項51に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - ニッケル鉄合金(NiFe)を用いて2μmの厚みをなすように前記磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項51に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。 - 窒素プラズマを用いた反応性スパッタリング処理によって前記シード層を形成する
ことを特徴とする請求項52に記載のトンネル接合型再生ヘッドの製造方法。
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