(57)【要約】【課題】  固定層から発生する外部磁界を抑制させた磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】  反強磁性結合する複数の磁性層を含み、垂直磁化を保持する固定層と、自由層と、固定層と自由層との間に絶縁層が配置される磁気抵抗素子である。該磁気抵抗素子は、反強磁性結合する複数の磁性層の結晶配向が（001）であることが好ましい。該磁気抵抗素子の、反強磁性結合する複数の磁性層には、Rh膜とNi膜とが含まれることが好ましい。【選択図】図１
2015207593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反強磁性結合する複数の磁性層を含み、垂直磁化を保持する固定層と、自由層と、前記固定層と前記自由層との間に絶縁層が配置される磁気抵抗素子。
【請求項２】
反強磁性結合する複数の前記磁性層の結晶配向が（001）である、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
反強磁性結合する複数の前記磁性層が、Rh膜とNi膜とを含む請求項１又は請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗素子に関する。特に垂直磁化保持層を備える磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗素子は、第一の強磁性層と第二の強磁性層とが絶縁層を介して積層される磁気トンネル接合（Magnetic  Tunnel  Junction、MTJ）を基本構造とする。第一の強磁性層は固定層の少なくとも一部を構成し、第二の強磁性層は自由層を構成する。例えば膜面方向に対し垂直な磁化容易軸を有する固定層は、該垂直な磁化方向で極性は不変である。一方、自由層は垂直な磁化方向で極性は可変である。
【０００３】
垂直磁化方向を保持する固定層を備える磁気抵抗素子において、スピン注入磁化反転方式により記録を行う場合、膜面垂直方向にスピン偏極電流を流すことにより、自由層の磁化方向を反転させ、固定層と自由層の磁化の相対角を平行状態から反平行状態へ、或いは反平行状態から平行状態へと変化させる。上記の磁化の相対角が平行状態のとき抵抗は極小となり、反平行状態のとき抵抗は極大となる。
【０００４】
磁気抵抗素子は、固定層と自由層との磁化の相対角を、平行状態または反平行状態に変化させて二進情報の「0」または「1」に対応づけ、情報を記憶させる。スピン注入磁化反転は、微細なMTJ素子で発現する現象である。垂直磁化を保持する強磁性層で構成される磁気抵抗素子は、微細化に対する熱擾乱耐性が高い。近年の記憶媒体の高密度化の要請により、垂直磁気記録方式の磁気抵抗素子は次世代のメモリ素子として期待される。
【０００５】
垂直磁化を保持する固定層に適する材料には、有効磁気異方性Kueffが大きいことが要求される。一般的にKueffが大きい材料は飽和磁化Msおよび残留磁化Mrが大きい。そのため上記に例示する材料を固定層に用いる場合、固定層から外部磁界が発生する。かかる外部磁界の影響により、該磁気抵抗素子は磁界が負にシフトする。
【０００６】
そのような磁界のシフトを回避する為、従来の磁気抵抗素子においては、固定層から発生する外部磁界を相殺する為の磁性層が付加される。そのような構造を備える磁気抵抗素子の例としては、Synthetic antiferromagnet Pinned layer（SP）タイプや、Counter Bias Field（CBF）タイプが挙げられる（非特許文献１、非特許文献２）。
【０００７】
しかし上記の構造により外部磁界を補正する場合、MTJ構造の複雑化を招く。また、着磁プロセスが煩雑になる。そのため、簡便で、かつ固定層から発生する外部磁界を抑制できる構造を備える磁気抵抗素子が求められる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Top-pinned Perpendicular MTJStructure with a Counter Bias Magnetic Field Layer for Suppressing a Stray -Field in Highly Scalable STT-MRAM VLSI TECHNOLOGY (VLSIT), 2013 SYMPOSIUM (T136-T137)
【非特許文献２】D.C. Worledge et al, Appl. Phys.Lett. 98, 022501(2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、固定層に由来する外部磁界を抑制させ、かつその構造が簡潔な磁気抵抗素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、反強磁性結合する複数の磁性層を含み、垂直磁化を保持する固定層と、自由層と、上記固定層と上記自由層との間に絶縁層が配置される磁気抵抗素子である。上記の反強磁性結合する複数の磁性層の結晶配向は（001）であることが好ましい。上記の複数の磁性層には、Rh膜とNi膜とが含まれることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、MTJを備え、その固定層を上記の構造で構成することにより、固定層から発生する外部磁界を抑制する。すなわち本発明は、外部磁界を相殺するための構造を付加する必要がない。本発明は、少なくとも従来の磁気特性を保持する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の磁気抵抗素子の例を示す模式図である。
【図２】本発明の磁気抵抗素子の固定層の例を示す模式図である。
【図３】本発明に含まれる固定層の磁気特性を示す図である。
【図４】本発明に含まれる固定層の磁気特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、反強磁性結合する複数の磁性層を含み、垂直磁化を保持する固定層と、自由層と、固定層と自由層との間に絶縁層が配置される磁気抵抗素子である。図１は、本発明の磁気抵抗素子の例を示す模式図である。図１において、100は磁気抵抗素子、200は固定層、300は絶縁層、400は自由層である。本発明の固定層200は、下地層210の層上に、互いに反強磁性結合する複数の磁性層が積層される反強磁性結合層220が形成され、さらに反強磁性結合層220の層上にキャップ層230、強磁性層240が積層されてなる。該固定層200の磁化方向は垂直である。本発明の磁気抵抗素子において、自由層400に含まれる強磁性層410と、絶縁層300と、固定層200に含まれる強磁性層240とはMTJを構成する。
【００１４】
図２に、本発明を構成する固定層200の例の模式図を示す。図２において、200は固定層、210は下地層、221と223とは反強磁性結合層220を構成する磁性層、230はキャップ層、240は強磁性層である。磁性層221と磁性層223とは、スペーサー層222を挟むことにより磁化方向が反平行状態で、反強磁性結合する。すなわち、磁性層221の磁化方向と磁性層223の磁化方向は反平行である。磁性層221とスペーサー層222と磁性層223と強磁性層240とは、後に説明する下地層210の結晶配向に従ってエピタキシャルに成長させることにより、自然に垂直磁化を保持する。
【００１５】
反強磁性結合する複数の磁性層を構成する磁性体材料は、垂直磁化を保持できる磁性体であればよい。そのような磁性体材料として、反強磁性結合層220の有効磁気異方性Kueffが10E6 erg/cc以上で、かつ残留磁化Mrが100emu/cc未満であるものが好ましい。反強磁性結合層220を構成する磁性体材料とスペーサー材料とは例としては、ロジウム（Rh）、イリジウム（Ir）、ルテニウム（Ru）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、マンガン（Mn）、鉄（Fe）が挙げられる。上記に例示する磁性体材料を用いて固定層内に反強磁性結合層を設けることにより、本発明は、固定層から発生する外部磁界を抑制できる。
【００１６】
反強磁性結合層の層構成は、図2に示す[Ni/Rh/Ni]のような三層膜を含むロジウムとニッケルとを交互に積層させる［Rh／Ni］n（nは層数）や、［Co／Ru］n、［Co／Ir］n、［Co／Rh］n等の磁性体とスペーサー層を組み合わせた層構成が好ましい。その理由は、相互カップリングの強度が高いためである。相互カップリングの強度は、試料振動型磁力計(Vibrating Sample Magnetometer)により測定できる。その他、［Co／Ru］n／Ru／［Co／Rh］のように、互いに反強磁性結合する磁性体材料を3種または4種以上組み合わせて順次積層させてもよい。
【００１７】
上記に例示する磁性体材料を用いる各磁性層は、分子線エピキタシー（MBE）法を用いて下地層の層上に順次結晶成長させ、基板温度70℃で積層する方法や、スパッタ法により成膜できる。MBE装置を用いる方法により得られる磁性層であるニッケルの膜厚は、相互作用媒介層がロジウムの場合、10〜20Åである。磁性体材料の膜厚が、上記の範囲から外れる場合、成膜できない場合や、平坦な膜面を得られず磁気特性を低下させる場合がある。
【００１８】
磁性体材料の積層体における層間磁気結合については、スペーサー層の膜厚の変化により反強磁性結合と強磁性結合との間を周期的に変化することが知られる。Ni／Rh／Niからなる3層構造についての、磁気光学効果（MOKE）による本発明者らの測定例によれば、温度条件70℃、Ni層の膜厚をいずれも20Åとし、Rh層の膜厚を5〜30Åの間で変化させた場合、Rh層の膜厚が5Å以上10Å未満の積層体においては反強磁性結合を示し、磁気エネルギーのピークは、6.5Åで0.2erg／cmであった。同膜厚が10Å以上20Å未満の場合は、強磁性結合を示した。同膜厚が20Å以上27Å未満の場合は反強磁性結合を示し、磁気エネルギーのピークは、24.5Åで0.01erg／cmであった。同膜厚が27Å以上の場合は、強磁性結合を示した。
【００１９】
すなわち本発明においては、Rh膜厚を好ましくは5〜8Åとし、より好ましくは5.5〜7.5Åとすることにより、反強磁性結合層を得ることができる。反強磁性結合層を得られる他の好ましいRh膜厚の範囲としては、20〜27Åであり、より好ましくは22〜26Åである。上記のNi／Rh／Niからなる3層構造を具体例として挙げると、Rh層の膜厚は、5〜8Åが好ましく、6〜7Åがより好ましく、このときNi層の膜厚は、15〜22Åが好ましく、19〜21Åがより好ましい。また他の好ましい膜厚としてはRh層の膜厚は、20〜27.0Åが好ましく、22〜26Åがより好ましい。このときNi層の膜厚は、15〜22Åが好ましく、19〜21Åがより好ましい。
【００２０】
反強磁性結合層における磁性層の層数は、多いほど磁気特性を向上させることができると推測される。しかし上記磁性層が過度に多層になると、微小な磁気抵抗素子を作成することができない。メモリ素子用途の磁気抵抗素子のサイズは、300Å以下が好ましく、100〜200Åがより好ましい。その場合、磁気抵抗素子を構成する固定層の膜厚は、50〜200Åが好ましく、100〜150Åがより好ましい。固定層の膜厚を100Å以上にすることにより磁化方向を安定させることができる。従って所望の固定層の膜厚に応じて、反強磁性結合層を構成する各磁性層の膜厚と層数とが調節される。好ましい磁性層の層数は3〜20層であり、より好ましくは3〜10層である。
【００２１】
本発明は、固定層が上記の反強磁性結合する複数の磁性層を備え、かつ垂直磁化を保持することにより、上記複数の磁性層の磁化量を相殺させて固定層からの磁界の発生を抑制し、磁界0kOeのときの磁気抵抗素子の残留磁化Mrを0〜100emu/ccにできる。なお磁化Mrは0emu/ccが最も好ましい。その結果、本発明の磁気抵抗素子をMRAMに適用する場合、製造時に着磁工程が不要であるため、製造コストを低減できる。
【００２２】
下地層は、上記の反強磁性結合層や強磁性層の結晶配向を決定するための層である。そのため本発明の下地層は、上記の磁性層や強磁性層が垂直磁化を保持できる構造に形成されてなる。したがって下地層の材料としては、結晶配向が（001）であることが好ましい。かかる下地層の層上に反強磁性結合層を構成する磁性層や、さらに強磁性層を結晶成長させると、該磁性層等は、下地層と同じ結晶配向になる。すなわち、結晶配向が（001）の下地層を選択することで、反強磁性結合層を構成する磁性層や強磁性層の結晶配向も（001）になる。これにより垂直磁化を保持する固定層を形成することができる。
【００２３】
ただし、下地層は結晶配向が（001）でなくてもよい。その例として、反強磁性結合層の層上に形成されるキャップ層を、タンタル（Ta）を用いて形成する例が挙げられる。また、後に説明する絶縁層を、結晶配向が（001）であるMgOを用いて成膜し、MgO絶縁層の層上に固定層を形成してもよい。これらの場合も、垂直磁化を保持する固定層を形成できる。
【００２４】
下地層の材料例としては、MgO、Cr、Au、Al2O3（サファイア）、Pd、RuAl、CrTi等が挙げられる。下地層は単層でもよく、例示した材料を積層させて形成してもよい。複数層からなる下地層を形成する場合、（001）面を備える結晶をエピタキシャルに成長させる観点から、格子定数や骨格構造等の結晶構造が、互いに適合する材料が選択される。複数層からなる下地層としては、MgO／Cr／Auからなる積層体を例示できる。
【００２５】
下地層の膜厚は、反強磁性結合層を構成する磁性層の結晶配向を（001）にさせることができる範囲内の値であればよい。TMR素子としての感度向上や放熱等の問題が発生する可能性等を勘案した、生産上好ましい膜厚としては、下地層が複数層からなる場合、基層の膜厚は、100〜500Åが好ましい。また基層の層上にさらに形成される積層構造の膜厚の合計が好ましくは、100〜1000Å、より好ましくは100〜500Åになるように調節される。
【００２６】
例えば100〜500ÅのMgO層を基層として、その層上にCr層とAu層とを形成させる場合、Cr層の膜厚は10〜100Åが好ましく、40〜50Åが形より好ましい。またAu層の膜厚は100〜500Åが好ましく、250〜350Åがより好ましい。すなわち、MgO層上に形成されるCr層とAu層との膜厚の合計は好ましくは100〜600Åであり、より好ましくは300〜400Åである。下地層の厚みを上記の好ましい範囲内で形成することにより、下地層の結晶配向と同じ結晶配向を備える磁性層を形成することができる。
【００２７】
本発明の固定層は、上記の下地層の層上に、相互作用媒介層として機能するRh等、およびNiやCo等の磁性体を介在させて、上記の反強磁性結合層を形成し、さらにキャップ層を形成する。キャップ層は、熱処理による磁性層との反応を防止する観点から、Rh、Ta等が好ましい。その膜厚は、3〜30Åが好ましい。強磁性層との接合性を良好にするため、キャップ層の膜面は平坦に形成される。反強磁性層と強磁性層の間に平坦な界面が得られ適当な磁気結合が得られる場合は、キャップ層は無くとも良い。
【００２８】
本発明の固定層は、キャップ層の層上に強磁性層が形成される。該強磁性層は、本発明所定の反強磁性結合層上に形成されることにより、その磁化方向が垂直に固定される。該強磁性層の材料としては、MTJを構成する固定層に従来用いられる強磁性体を適用できる。該強磁性体は有効磁気異方性Kueffが5×105erg/cm3以上で、かつ飽和磁化Msが200emu/cc以上であることが好ましい。具体的には、Co2FeｘMn1-ｘSi（0＜ｘ＜1.0、CFMS）、Co2MnSi（CMS）等のホイスラー合金、CoFeB、Mn3Ge、MnX（XはGe、Ga、Al）等が挙げられる。強磁性層の膜厚は、10〜50Åが好ましく、10〜20Åがより好ましい。
【００２９】
本発明は、上記の積層構造を備える固定層と共に、MTJを構成する絶縁層と自由層とを有する。絶縁層と自由層とは、上記に説明した固定層の構造および本発明の作用効果を損なわない限り、MTJに用いられる従来公知の構成を適用することができる。絶縁層の材料としては、MgO、Al2O3を用いることができる。その膜厚は、5〜20Åが好ましく、5〜15Åがより好ましい。絶縁層の膜厚が5Å未満の場合、十分な絶縁性が確保できない事態が発生する。20Åを超える場合、十分なトンネル電流を確保できなくなる。
【００３０】
自由層は、磁化方向が垂直方向に反転可能な従来公知の材料を制限なく用いることができる。具体的には、Co2FeｘMn1-ｘSi（0＜ｘ＜1.0、CFMS）、Co2MnSi（CMS）等のホイスラー合金、CoFeB、Mn3Ge、MnX（XはGe、Ga、Al）等が挙げられる。上記に例示した強磁性体からなる自由層の膜厚は、固定層内の強磁性層の膜厚より小さい。生産性の観点から好ましい膜厚例としては5〜50Åであり、より好ましくは5〜20Åである。
【００３１】
本発明の磁気抵抗素子は、電流を流さない初期状態において固定層の反強磁性結合層と強磁性層とは、垂直磁化を保持し、互いに隣接する層と反強磁性結合する。電流を流し自由層の磁化方向が反転させた結果、自由層の磁化方向が固定層の強磁性層の磁化方向と反平行になると高抵抗状態となり、平行になると低抵抗状態となる。本発明の電気抵抗変化率は、好ましくは50〜500％であり、より好ましくは100〜500％である。なお、本発明の抵抗変化率は、高抵抗状態の電気抵抗率RAPと低抵抗状態の電気抵抗率RPとを求め、下記式（1）を用いて求めることができる。
【数１】
2015207593.tif 000003
【００３２】
本発明の磁気抵抗素子は、上記に説明した固定層、絶縁層、自由層を従来公知の方法を用いて積層させることにより製造できる。本発明の製造方法の一例としてMBE法や、スパッタ法を用いて順次結晶成長させて成膜させたのち、熱処理する方法が挙げられる。
【実施例】
【００３３】
本発明について実施例を用いて説明する。ただし本発明は、下記の実施例に限定されない。
【００３４】
［実施例1］
MBE装置を用いて、上記に説明した下地層と反強磁性結合層とキャップ層とを成膜後、熱処理し、膜面積400mm2の固定層を形成した。各膜厚は、下地層としてのMgO層が100Å、Cr層が50Å、Au層が300Å、Rh層が300Åであった。上記のMgO層の面方位をRHEEDを用いて測定したところ、（001）であった。反強磁性結合層としては、Ni層とRh層とを交互に20層ずつ積層した。Ni層の膜厚は15Å、Rh層の膜厚は6.5Åであった。キャップ層としてのRh層の膜厚は0〜20Åであった。キャップ層の層上にCFMSを膜厚20〜50Åで成膜した。
【００３５】
実施例1のCFMSなしの固定層の磁気特性を、試料振動型磁力計を用いて測定した。測定は、実施例1の膜面垂直方向、面内方向に向けて、それぞれ印加磁場20kOeをかけて行った。測定結果を図3に示す。図3において実線は、面内方向の磁場をかけた場合の膜面垂直方向の磁気特性を示し、破線は垂直方向の磁場をかけた場合の膜面垂直方向の磁気特性を示す。図3に示されるように、実施例1の膜面垂直方向の磁気特性はいずれも、磁場が0kOeのとき残留磁化Mrが0emu/ccになった。すなわち実施例1は垂直磁化を保持し、かつ残留磁化がなく、外部磁界がほぼ零になることが読み取れる。
【００３６】
［実施例2］
実施例1と同様の作製方法により、本発明の磁気抵抗素子に用いる固定層を作成した。実施例2の固定層の膜面積は400mm2であった。各層の膜厚は、下地層となるMgO層が100Å、Cr層が50Å、Au層が300Å、Rh層が500Åであった。反強磁性結合層はNi／Rh／Niの3層構造で、Ni層が20Å、Rh層が6.5Åであった。Rh層からなるキャップ層の膜厚は20Åであった。実施例2の固定層に対し、Kerr効果を用いて磁気特性を測定した。測定結果を図4に示す。図4に示されるように、実施例2においても磁場が−5〜5kOeの範囲内で、カー回転角が0（deg）になった。これにより実施例2は垂直磁化を保持し、かつ残留磁化がなく、外部磁界がほぼ0になることが読み取れる。
【００３７】
実施例1および実施例2の測定結果に示されるように、本発明は固定層から発生する磁界が抑制される。そのため本発明所定の構成を備える固定層を含む磁気抵抗素子は、外部磁界を相殺するための構造を必要としない。すなわち、本発明は、簡潔な構造でメモリ素子に適用可能な磁気特性を備える。本発明の磁気抵抗素子は、特にSpin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory（STT-MRAM）、レーストラックメモリ、HDDの読み出しヘッド等の用途に有用である。
【符号の説明】
【００３８】
100  磁気抵抗素子
200  固定層
210  下地層
220  反強磁性結合層
221  磁性層
222  スペーサー層
223  磁性層
230  キャップ層
240  強磁性層
300  絶縁層
400  自由層
410  強磁性層
420  キャップ層
【図１】
2015207593.tif 000004
【図２】
2015207593.tif 000005
【図３】
2015207593.tif 000006
【図４】
2015207593.tif 000007