JPWO2019131394A1 - トンネル磁気抵抗効果膜ならびにこれを用いた磁気デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
図2は、本発明の第1の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果(TMR)素子の構造を概念的に示す説明図である。
図10は、本発明の第2の実施形態に係るトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)の構造を概念的に示す説明図である。本実施形態では、図2に示すTMR素子11と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
以下の膜構成を備えた積層体を製造した。以下の実施例および比較例では()内の数値は膜厚(Å)を示す。
基板SB:表面にアルミナが積層されたSi基板/下部電極E1:[Ta(30)/Cu(200)/Ta(30)/Cu(200)/Ta(150)]/シード層1:NiFeCr(42)/反強磁性層2:[PtCr層2B:Pt50at%Cr50at%(300)/PtMn層2A:Pt50at%Mn50at%(14)/IrMn層:Ir20at%Mn80at%(8)]/固定磁性層3:{第1強磁性層31:Co90at%Fe10at%(40)/非磁性中間層32:Ru(8)/第2強磁性層33:[Fe60at%Co40at%(14)/Co35at%Fe35at%B30at%(10)/Fe50at%Co50at%(6)]}/絶縁障壁層4:Mg50at%O50at%(20)/フリー磁性層5:[Fe50at%Co50at%(10)/Co35at%Fe35at%B30at%(30)]/上部電極E2:[Ru(50)/Ta(100)/Ru(70)]
実施例1−1:熱処理を実施しなかった(熱処理未実施)。
実施例1−2:15kOeの磁場環境にて350℃で4時間アニールする熱処理を行った(4時間処理)。
実施例1−3:15kOeの磁場環境にて350℃で20時間アニールする熱処理を行った(20時間処理)。
実施例1−4:15kOeの磁場環境にて350℃で10時間アニールする熱処理を行った(10時間処理)。
以下の膜構成を備えた積層体を製造した。
基板SB:表面にアルミナが積層されたSi基板/下部電極E1:[Ta(30)/Cu(200)/Ta(30)/Cu(200)/Ta(150)]/シード層1:NiFeCr(42)/反強磁性層2:[PtCr層2B:Pt50at%Cr50at%(300)/PtMn層2A:Pt50at%Mn50at%(14)/IrMn層:Ir20at%Mn80at%(8)]/固定磁性層3:{第1強磁性層31:Co90at%Fe10at%(40)/非磁性中間層32:Ru(8)/第2強磁性層33:Fe60at%Co40at%(16)/拡散防止層3X:Ta(3)/強磁性層3A:[Co35at%Fe35at%B30at%(10)/Fe50at%Co50at%(6)]}/絶縁障壁層4:Mg50at%O50at%(20)/フリー磁性層5:[Fe50at%Co50at%(10)/Co35at%Fe35at%B30at%(30)]/上部電極E2:[Ru(50)/Ta(100)/Ru(70)]
実施例2−1:熱処理を実施しなかった(熱処理未実施)。
実施例2−2:15kOeの磁場環境にて350℃で4時間アニールする熱処理を行った(4時間処理)。
実施例2−3:15kOeの磁場環境にて350℃で20時間アニールする熱処理を行った(20時間処理)。
実施例2−4:15kOeの磁場環境にて350℃で10時間アニールする熱処理を行った(10時間処理)。
実施例1における積層体において、反強磁性層2が厚さ80ÅのIrMn層:Ir20at%Mn80at%からなる積層体を製造した(表3参照)。得られた積層体から、または次の熱処理を経て、TMR素子を得た。
比較例1−2:15kOeの磁場環境にて350℃で4時間アニールする熱処理を行った(4時間処理)。
比較例1−3:15kOeの磁場環境にて350℃で20時間アニールする熱処理を行った(20時間処理)。
比較例1−4:15kOeの磁場環境にて350℃で10時間アニールする熱処理を行った(10時間処理)。
実施例2における積層体において、反強磁性層2が厚さ80ÅのIrMn層:Ir20at%Mn80at%からなる積層体を製造した(表4参照)。得られた積層体から、または次の熱処理を経て、TMR素子を得た。
比較例2−2:15kOeの磁場環境にて350℃で4時間アニールする熱処理を行った(4時間処理)。
比較例2−3:15kOeの磁場環境にて350℃で20時間アニールする熱処理を行った(20時間処理)。
比較例2−4:15kOeの磁場環境にて350℃で10時間アニールする熱処理を行った(10時間処理)。
交換結合磁界Hexの強度と環境温度との関係を確認するために、次の構成の積層膜を作製した。
基板SB:表面にアルミナが積層されたSi基板/下地層:NiFeCr(42)/反強磁性層/固定磁性層:90CoFe(100)/保護層:Ta(90)
本例では、反強磁性層の積層構成を、下地層に近位な側から、51PtCr(280)/50PtMn(20)として、得られた積層膜を1kOeの磁場中において350℃で5時間アニール処理し、固定磁性層と反強磁性層の磁化を固定して交換結合膜を得た。
実施例3の積層膜に対して、1kOeの磁場中において400℃で5時間アニール処理を実施し、固定磁性層と反強磁性層の磁化を固定して交換結合膜を得た。
実施例4の反強磁性層の積層構成を、下地層に近位な側から、54PtCr(280)/50PtMn(10)として積層膜を形成し、実施例4と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
実施例4の反強磁性層の積層構成を、下地層に近位な側から、54PtCr(280)/50PtMn(20)として積層膜を形成し、実施例4と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
実施例4の反強磁性層の積層構成を、20IrMn(80)として積層膜を形成し、実施例4と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
交換結合磁界Hexの強度と環境温度との関係を確認するために、次の構成の積層膜を作製した。
基板SB:表面にアルミナが積層されたSi基板/下地層:NiFeCr(42)/固定磁性層:[Cu(40)/Ru(20)/90CoFe(100)]/反強磁性層/保護層:Ta(90)
本例では、反強磁性層の積層構成を、固定磁性層に近位な側から、22IrMn(6)/50PtCr(12)/51PtMn(300)として、得られた積層膜を1kOeの磁場中において350℃で5時間アニール処理し、固定磁性層と反強磁性層の磁化を固定して交換結合膜を得た。
実施例7の反強磁性層の積層構成を、固定磁性層に近位な側から、51PtCr(6)/ユニット積層部(積層数:7):[48PtMn(6)/51PtCr(34)]として積層膜を形成し、実施例7と同じアニール処理を行って交換結合膜を得た。
表13に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
表14に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
表15に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
表16に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
表17に示される膜構成を備えた積層体を製造した。
Hc 保磁力
11,11A,11B,11C,11D,111,112 トンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)
E1 下部電極
E2 上部電極
1 シード層
2,21,22 反強磁性層
2A PtMn層
2B PtCr層
2C IrMn層
21A,21A1,21An X1Cr層
21B,21B1,21Bn X2Mn層
2U1,2Un ユニット積層部
3 固定磁性層
31 第1強磁性層
32 非磁性中間層
33 第2強磁性層
3A 強磁性層
3X 拡散防止層
4 絶縁障壁層
5 フリー磁性層
10,101,102 交換結合膜
R1 第1領域
R2 第2領域
D1,D3 X1Cr層21Aの膜厚
D2 X2Mn層21Bの膜厚
100 磁気センサ
M1,M2 絶縁層
SB 基板
Claims (21)
- 強磁性層を有する固定磁性層およびフリー磁性層が絶縁障壁層を介して積層された構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とは交換結合膜を構成し、
前記反強磁性層は、白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素XならびにMnおよびCrを含有するX(Cr−Mn)層を備え、
前記X(Cr−Mn)層は、前記強磁性層に相対的に近位な第1領域と、前記強磁性層から相対的に遠位な第2領域とを有し、
前記第1領域におけるMnの含有量は、前記第2領域におけるMnの含有量よりも高いこと
を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 前記第1領域が前記強磁性層に接している、請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記第1領域は、Mnの含有量のCrの含有量に対する比であるMn/Cr比が0.3以上の部分を有する、請求項1または2に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記第1領域は、前記Mn/Cr比が1以上である部分を有する、請求項3に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記反強磁性層は、PtCr層と、前記PtCr層よりも前記強磁性層に近位なX0Mn層(ただし、X0は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素)とが積層されてなる、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記反強磁性層は、PtCr層とPtMn層とがこの順番で前記PtMn層が前記強磁性層に近位になるように積層されてなる、請求項1から4のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記PtMn層よりも前記強磁性層に近位にさらにIrMn層が積層された、請求項6に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも近位になるように積層されている、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも遠位になるように積層されている、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 強磁性層を有する固定磁性層およびフリー磁性層が絶縁障壁層を介して積層された構造を有するトンネル磁気抵抗効果素子であって、
前記強磁性層と前記強磁性層に積層された反強磁性層とは交換結合膜を構成し、
前記反強磁性層は、X1Cr層(ただし、X1は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素)とX2Mn層(ただし、X2は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、X1と同じでも異なっていてもよい)とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 前記X1がPtであり、前記X2がPtまたはIrである、請求項10に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記反強磁性層は、X1Cr層とX2Mn層とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有する、請求項10または請求項11に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記ユニット積層部における、前記X1Cr層および前記X2Mn層は、それぞれ同じ膜厚であり、前記X1Cr層の膜厚が、前記X2Mn層の膜厚よりも大きい、請求項12に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記X1Cr層の膜厚と前記X2Mn層の膜厚との比が、5:1〜100:1である、請求項13に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
- 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも近位になるように積層されている、請求項10から請求項14のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 前記トンネル磁気抵抗効果素子は基板の上に形成されたものであって、
前記固定磁性層は、前記基板からみて、前記フリー磁性層よりも遠位になるように積層されている、請求項10から請求項14のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項1から16のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子を備える磁気デバイス。
- 前記トンネル磁気抵抗効果素子を読み取り素子として有する磁気ヘッドからなる、請求項17に記載の磁気デバイス。
- 前記トンネル磁気抵抗効果素子を記録素子として有する磁気メモリからなる、請求項17に記載の磁気デバイス。
- 前記トンネル磁気抵抗効果素子を検知素子として有する磁気センサからなる、請求項17に記載の磁気デバイス。
- 請求項17から請求項20のいずれか1項に記載の磁気デバイスを備える機器。
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