JP2011138954A - 強磁性層の垂直磁化を用いた磁気トンネル接合デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明では、少なくとも強磁性ピン層のみまたは強磁性ピンおよび自由層の両方が、トンネル障壁と強磁性ピン層のみとの間に、またはトンネル障壁とピンおよび自由層の両方との間に位置する結晶好適結晶粒成長促進(PGGP)シード層を有する構造とすることが提案される。この結晶PGGPシード層は、堆積後アニーリングに際してMgOトンネル障壁の結晶化および好適結晶粒成長を誘起する。
【選択図】図8A
Description
強磁性好適結晶粒成長促進(PGGP)シード層に対する選択
a.結晶単層
b.2層化アモルファス層/結晶層
群2:
MgOトンネル障壁堆積の方法
c.Mg xÅ/酸化処理*/Mg yÅ
d.Mg xÅ/酸素界面活性物質/Mg xÅ/酸化処理*/Mg yÅ
e.Mg xÅ/酸化処理*/Mg yÅ/酸化処理*/Mg zÅ
f.反応性スパッタリングMgOx/酸化処理*/Mg yÅ
g.Mg xÅ/反応性スパッタリングMgOx/酸化処理*/Mg yÅ
酸化処理*はプラズマ、自然、ラジカル、およびオゾン酸化を含む。
群3:
強磁性PGGPシード層の位置
h.ピン層のみ
i.自由層のみ
j.基準および自由層
群4:
垂直異方性をもつ強磁性ピンまたは自由層の選択
k.アモルファス強磁性層
l.結晶強磁性層
m.多層(2層の多数の繰り返し)
群5:
結晶強磁性PGGPシード層または2層化強磁性PGGPシード層の結晶層に対する材料選択
n.CoxFe100−x、ここで、0<x原子%<90
o.(CoxFe100−x)yB100−y、ここで、0<x原子%<90、および90<y原子%<100
p.Fe
第1の実施形態のスタックの構成を示す図8Aを参照すると、第1の実施形態の重要な態様の1つは、垂直異方性をもつアモルファス強磁性ピンおよび自由層133、173の使用である。また、第1の実施形態の別の重要な態様は、MgOトンネル障壁153の下にあるかまたはそれを挟んでいる結晶強磁性PGGPシード層の挿入である。図8Aから8Cは、アニーリング・ステップの前のMgOトンネル障壁を示す。アニーリング・ステップによって、強磁性PGGPシード層に挟まれた層は、全体的な(001)面垂直方向組織をもつMgOトンネル障壁153に変化する。
一軸異方性=2Ku/Ms
形状異方性=4πMs、
ここで、Kuは異方性定数であり、Msは飽和磁化である。図9Cに示されるように、結晶強磁性PGGPシード層の厚さが厚くなるとき、形状異方性が一軸異方性に打ち勝つ移行厚さがある。したがって、結晶強磁性PGGPシード層のこの移行厚さ未満では、強磁性PGGPシード層の垂直異方性が誘起されて、図9Aに示されるようにすべての磁気モーメントが膜面に垂直に整列する。しかし、強磁性PGGPシード層の移行厚さを超えると、形状異方性が支配的となり、したがって、磁気モーメントはすべて膜面に整列し、それにより、次に、強磁性ピンまたは自由層の界面磁気モーメントが誘起され、図9Bに示されるように、垂直異方性が垂直軸から傾く。したがって、強磁性PGGPシード層の厚さは、限界移行厚さより小さくなるように注意深く制御する必要がある。一方、厚さが0.5nm未満である場合、それは薄すぎてPGGPとなりえない。
第1の結晶強磁性PGGPシード層143上への1.1nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
酸化チャンバ内で行われるラジカル酸化による第1の金属層の酸化とであり、酸化チャンバ内には電気的に接地された「シャワー・プレート」が上部イオン化電極と基板との間に配置される。酸素プラズマが、700sccmの酸素流量を用い、イオン化電極に300Wのrf電力を印加することによって生成される。酸素ラジカル・シャワーはシャワー・プレートを通って流れるが、イオン化種および電子などの電荷をもつパーティクルはシャワー・プレートの電気接地のために通過することができず、ラジカル酸化によって酸化された第1の金属Mg層上に0.3nmの厚さをもつ金属Mgキャップが堆積される。
第2の実施形態のスタックの構成を示す図8Bを参照すると、第2の実施形態の重要な態様の1つは、垂直異方性をもつ結晶強磁性ピンおよび自由層131、171の使用である。さらに、第2の実施形態の別の重要な態様は、MgOトンネル障壁151の下にあるかまたはそれを挟んでいる2層化強磁性PGGPシード層の挿入である。
強磁性PGGPシード層141上への1.1nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
第3の実施形態のスタックの構成を示す図8Cを参照すると、第3の実施形態の重要な態様の1つは、垂直異方性をもつ多層(2層の多数の繰り返し)強磁性ピンおよび自由層132、172の使用である。さらに、第3の実施形態の重要な態様の別のものは、MgOトンネル障壁152の下にあるかまたはそれを挟んでいる2層化強磁性PGGPシード層の挿入である。
強磁性PGGPシード層141の結晶層上への0.43nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
0.43nmの金属Mg層を酸素雰囲気に曝露することによる真空チャンバ内での酸素界面活性物質層の形成であって、その曝露が曝露時間およびチャンバを通る酸素流量によって30ラングミュアとなるように制御される形成と、
酸化チャンバ内で行われるラジカル酸化による第1および第2の金属層の酸化であって、酸化チャンバ内には電気的に接地された「シャワー・プレート」が上部イオン化電極と基板との間に配置される酸化とである。酸素プラズマは、700sccmの酸素流量で、イオン化電極に300Wのrf電力を印加することによって生成される。酸素ラジカル・シャワーはシャワー・プレートを通って流れるが、イオン化種および電子などの電荷をもつパーティクルはシャワー・プレートの電気接地のために通過することができず、
強磁性PGGPシード層上への0.6nmの厚さをもつ第1の金属Mg層の堆積と、
40sccmの流量でアルゴンをおよび4sccmの流量で酸素を流すことによるアルゴンおよび酸素の混合ガス中でのMgの反応性スパッタリングによる第1の金属Mg層上への0.6nmの厚さをもつMgO層の形成と、
Claims (14)
- 強磁性層の垂直磁化を用いた磁気トンネル接合デバイスの製造方法であって、
垂直異方性をもつ強磁性ピン層を形成することと、
MgおよびOを含むトンネル障壁を酸化法によって形成することと、
前記強磁性ピン層よりも低い保磁力を有する垂直異方性をもつ強磁性自由層を形成することと、
前記トンネル障壁のうちの少なくとも一方の表面に接触する強磁性好適結晶粒成長促進シード層を形成することと
を含む方法。 - 前記強磁性ピンおよび自由層はアモルファス希土類/遷移金属合金(RExTM1−x)とすることができ、ここで、RE=Y、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、およびLu、ならびにTM=Co、Fe、およびCoFe合金である、請求項1に記載の方法。
- 前記強磁性ピンおよび自由層はアモルファス希土類/遷移金属/耐食性元素合金(RExTM1−x)yCR1−yとすることができ、ここで、CR=Crである、請求項1に記載の方法。
- 請求項1に記載の前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層はbcc構造の結晶層とすることができる、請求項1に記載の方法。
- 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層は0.5nm≦t≦2nmの厚さ(t)で堆積することができる、請求項1に記載の方法。
- 前記強磁性ピンおよび自由層は、化学的秩序をもつ結晶遷移金属/耐熱性金属合金(TMxRM1−x)とすることができ、ここで、TM=CoまたはFe、およびRM=PtまたはPdである、請求項1に記載の方法。
- 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層は2層化アモルファス層/結晶層とすることができ、ここで、前記bcc構造の結晶層がトンネル障壁と接触する、請求項6に記載の方法。
- 2層化PGGPのスタック順序が自由層側およびピン層側において異なり、2層化PGGP中の前記アモルファス層が2層化PGGP中の前記結晶層と前記結晶自由およびピン層とを分離する、請求項7に記載の方法。
- 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層中のbcc構造の結晶層およびアモルファス層が、それぞれCoxFe1−x(0≦x≦0.9)または(CoxFe1−x)yB1−y(0≦x≦0.9および0.9≦x<1)およびCoFeB(B>10原子%)である、請求項7に記載の方法。
- 前記強磁性好適結晶粒成長促進シード層中の前記bcc構造の結晶層の厚さ(t1)および前記アモルファス層の厚さ(t2)は、0.5nm≦t1≦1.5nmおよび0.5nm≦t2≦1.5nmとすることができる、請求項7に記載の方法。
- 請求項1に記載の垂直異方性をもつ強磁性ピンおよび自由層において、化学的秩序をもつ磁性金属層/非磁性金属層(M/NM)の繰り返しにより多層化することができ、ここで、M=Co、Fe、CoFeまたはCoPt、およびNM=Pt、Pd、AgまたはAuである、垂直異方性をもつ強磁性ピンおよび自由層。
- 請求項11に記載の垂直異方性をもつ強磁性ピンおよび自由層を伴う請求項1に記載の第1の強磁性好適結晶粒成長促進シード層において、2層化アモルファス層/bcc構造の結晶層とすることができ、ここで、2層化PGGP中のアモルファス層が強磁性ピンおよび自由層と2層化PGGP中の前記bcc構造の結晶層とを分離する、第1の強磁性好適結晶粒成長促進シード層。
- 請求項12に記載の第1および第2の強磁性好適結晶粒成長促進シード層におけるbcc構造の結晶層およびアモルファス層において、それぞれCoxFe1−x(0≦x≦0.9)または(CoxFe1−x)yB1−y(0≦x≦0.9および0.9≦x<1)およびCoFeB(B>10原子%)である、bcc構造の結晶層およびアモルファス層。
- 請求項12および13に記載の第1および第2の強磁性好適結晶粒成長促進シード層におけるbcc構造の結晶層の厚さ(t1)およびアモルファス層の厚さ(t2)において、0.5nm≦t1≦1.5nmおよび0.5nm≦t2≦1.5nmとすることができる、bcc構造の結晶層の厚さ(t1)およびアモルファス層の厚さ(t2)。
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