(57)【要約】      （修正有）【課題】  所定厚さの磁気抵抗バッファ層をトンネル障壁層と結合させることによって均質度を向上させることにより、高ＭＲ比及び低ＲＡ値を有する高性能の磁気トンネル接合素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  基板１１と、基板上に順に積層される固定層１２，１３，１５、トンネル障壁層１９及び、自由層２１を具備する磁気トンネル接合素子において、固定層１２，１３，１５とトンネル障壁層間１９に窒化系金属よりなる磁気抵抗バッファ層１７が介設され、磁気トンネル接合素子が全体的に熱処理されることによって減少した磁気接合抵抗を有する磁気トンネル接合素子及びその製造方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、基板上に順に積層される固定層、トンネル障壁層、及び自由層を具備する磁気トンネル接合素子において、
前記固定層と前記トンネル障壁層の間に窒化系金属よりなる磁気抵抗バッファ層が介設され、前記磁気トンネル接合素子が全体的に熱処理されることによって減少した磁気接合抵抗を有することを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記トンネル障壁層は、熱処理によりその内部に窒素を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記固定層は、シード層、ピニング層、及びピンド層が順に蒸着されてなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記シード層は、ＮｉＦｅ、Ｒｕ及びＩｒからなる群より選ばれるいずれか一つよりなる強磁性層であることを特徴とする請求項３に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記ピニング層は、ＦｅＭｎ及びＩｒＭｎからなる群より選ばれるいずれか一つよりなる半強磁性層であることを特徴とする請求項３に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
前記ピンド層は、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅからなる群より選ばれる一つからなる強磁性層であることを特徴とする請求項３に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
前記磁気抵抗バッファ層は、ＦｅＮで形成される窒化金属層であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
前記トンネル障壁層は、ＡｌＯｘで形成される絶縁層であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項９】
前記熱処理は、前記ＭＴＪ素子を１５０ないし３００℃の温度で加熱して、徐冷する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
（ａ）基板上に固定層を蒸着した後、前記固定層の表面を窒素プラズマ処理する段階と、
（ｂ）前記固定層上に、トンネル障壁層、自由層、及びキャッピング層を順に蒸着及び熱処理して磁気抵抗が減少した磁気トンネル接合素子を製造する段階と、を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１１】
前記固定層、トンネル障壁層、自由層及び、キャッピング層はスパッタリング法で蒸着されることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１２】
前記（ａ）段階で、前記窒素プラズマ処理は、所定圧力の窒素雰囲気下に直流電力を印加して生成された窒素プラズマを固定層に接触させることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１３】
前記（ｂ）段階で、前記熱処理は、前記トンネル障壁層、自由層及びキャッピング層を１５０℃ないし３００℃の温度で少なくとも１回加熱して徐冷させることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１４】
前記（ｂ）段階で、前記熱処理の間、磁気トンネル接合素子に磁場を印加することを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１５】
前記熱処理は、窒素が前記トンネル障壁層と結合するようにする段階であることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１６】
前記固定層は、前記基板上にシード層、ピニング層、及びピンド層が順に蒸着されてなることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１７】
前記シード層は、ＮｉＦｅ、Ｒｕ及びＩｒからなる群より選ばれるいずれか一つで形成される強磁性層であることを特徴とする請求項１６に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１８】
前記ピニング層は、ＦｅＭｎ及びＩｒＭｎからなる群より選ばれるいずれか一つで形成される半強磁性層であることを特徴とする請求項１６に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項１９】
前記ピンド層は、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅからなるいずれか一つで形成される強磁性層であることを特徴とする請求項１６に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項２０】
前記固定層と前記トンネル障壁層の間に、ＦｅＮを含む窒化金属層である磁気抵抗バッファ層が形成されることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項２１】
前記トンネル障壁層は、ＡｌＯｘを含む絶縁層であることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）素子及びその製造方法に係り、より詳細には接合抵抗を減らしたＭＴＪ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＴＪは強磁性膜／絶縁性薄膜／強磁性膜の接合構造を有し、この構造においては、強磁性膜の相対的な磁化方向によってトンネリング電流が変わる。前記ＭＴＪ素子は、非揮発性磁気メモリ素子、高集積磁気保存媒体のリードヘッドなどに応用されており、最近では、電荷ではなく、電子スピンに依存する現象により科学的関心を呼び起こしている。
【０００３】
高性能かつ高集積な磁気メモリ素子を具現化するためには、高い磁気抵抗（ＭＲ；ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）比及び低い接合抵抗を有するＭＴＪが要求される。特に、接合の抵抗と面積との積であるＲＡ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ａｒｅａ）値は、メモリ素子において信号対雑音比（Ｓ／Ｎ；ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）及びＲＣ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）時間定数を決定する重要な変数である。
【０００４】
図１は、一般的なＭＴＪ素子で絶縁性のトンネル障壁層として利用されるＡｌ2Ｏ3層の厚さ変化によるＲＡ値の変化を示したグラフである。
図１を参照すれば、Ａｌ2Ｏ3層の厚さが３Å程度変わる場合、ＲＡ値は１０3Ωμｍ2から１０4Ωμｍ2に急激な増加を示す。一般的に、磁気メモリ素子においてＲＡ値は１０ｋΩμｍ2以下であり、リードヘッドへの応用においては１０Ωμｍ2以下の値を有することが望ましい。ＲＡ値はトンネル障壁層の種類及び厚さに依存するので、従来のＭＴＪ素子の製造方法では、高いＭＲ比を示すＡｌ2Ｏ3層がトンネル障壁層として利用され、そのＡｌ2Ｏ3層は１ｍｍ以下に薄くかつ均一に製造される。しかし、トンネル障壁層は、薄くなるほど均質度が落ちて、結局、ＭＴＪ素子の性能を悪化させる。
【０００５】
このような方法以外に、ＲＡ値を数十又は数Ωμｍ2に低くするために多くの研究が行われているが、低いＲＡ値を有するＭＴＪ素子は、最適化した高いＭＲ比を維持できない。したがって、良好な均質度を有する所定の厚さのトンネル障壁層を備え、高ＭＲ比及び低いＲＡ値を有するＭＴＪ素子が必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前述した従来技術の問題点を解決するために創案されたものであって、ＭＴＪ抵抗を効果的に減らして良好な均質度を有するＭＴＪ素子及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、基板と、基板上に順に積層される固定層（ｆｉｘｅｄ  ｌａｙｅｒ）、トンネル障壁層、及び自由層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）を具備するＭＴＪ素子において、前記固定層と前記トンネル障壁層の間に窒化系金属よりなる磁気抵抗バッファ層が介設され、前記ＭＴＪ素子が全体的に熱処理されることによって減少した磁気接合抵抗を有することを特徴とするＭＴＪ素子を提供する。
【０００８】
前記固定層は、シード層（ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）、ピニング層（ｐｉｎｎｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）、及びピンド層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）が順に蒸着されていることが好ましい。
前記シード層は、ＮｉＦｅ、Ｒｕ及びＩｒから選ばれる１種から形成される強磁性層であることが好ましい。
【０００９】
前記ピニング層は、ＦｅＭｎ及びＩｒＭｎからなる群より選ばれる一つよりなる半強磁性層であることが好ましい。
前記ピンド層は、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅからなる群より選ばれる一つからなる強磁性層であることが好ましい。
【００１０】
前記磁気抵抗バッファ層は、ＦｅＮで形成される窒化金属層であることが好ましい。
前記トンネル障壁層は、ＡｌＯｘで形成される絶縁層であることが好ましい。
【００１１】
前記熱処理は、前記ＭＴＪ素子を１５０ないし３００℃の温度で加熱して、徐冷する段階を含むことが好ましい。
【００１２】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、また、（ａ）基板上に固定層を蒸着した後、前記固定層の表面を窒素プラズマ処理する段階と、（ｂ）前記固定層上に、トンネル障壁層、自由層及び、キャッピング層を順に蒸着及び熱処理して磁気抵抗が減少したＭＴＪ素子を製造する段階と、を含むことを特徴とするＭＴＪ素子の製造方法を提供する。
【００１３】
前記固定層、前記トンネル障壁層、前記自由層、及び前記キャッピング層は、スパッタリング法で蒸着される段階であることが好ましい。
【００１４】
前記（ａ）段階で、前記窒素プラズマ処理は、所定圧力の窒素雰囲気に直流電力を印加して窒素プラズマを生成し、生成された窒素プラズマを固定層に接触させる段階であることが好ましい。
【００１５】
前記（ｂ）段階で、前記熱処理は、前記トンネル障壁層、前記自由層及び前記キャッピング層を１５０℃ないし３００℃の温度で少なくとも１回加熱して徐冷させる段階を含むことが好ましい。
【００１６】
また、前記（ｂ）段階で、前記熱処理する間にＭＴＪ素子に磁場を印加することが好ましい。
前記熱処理は、窒素が前記トンネル障壁層の構成要素と結合するようにすることが好ましい。
【００１７】
前記固定層は、前記基板上にシード層、ピニング層、及びピンド層が順に蒸着されてなることが好ましい。
【００１８】
ここで、前記シード層は、ＮｉＦｅ、Ｒｕ及びＩｒのうちいずれか一つよりなる強磁性層であることが好ましく、前記ピニング層は、ＦｅＭｎ及びＩｒＭｎからなる群より選ばれるいずれか一つよりなる半強磁性層であることが好ましく、前記ピンド層は、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅからなる群より選ばれるいずれか一つよりなる強磁性層であることが好ましい。
【００１９】
前記磁気抵抗バッファ層はＦｅＮで形成される窒化金属層であることが好ましく、前記トンネル障壁層はＡｌＯｘで形成される絶縁層であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の実施形態によるＭＴＪ素子製造方法は、ピンド層を蒸着した後、窒素プラズマ処理を行って磁気抵抗バッファ層をそのピンド層の表面に形成した後、トンネル障壁層、自由層及びキャッピング層を蒸着し、かつ熱処理を行なって、高いＭＲ比及び低いＲＡ値を有する高性能のＭＴＪ素子を製造できる。また、磁気抵抗バッファ層をさらに形成してトンネル障壁層と結合させることによって膜の均質度が向上したＭＴＪ素子が生成でき、情報の記録及び再生時にセンシングエラーを減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態によるＭＴＪ素子及びその製造方法を図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態によるＭＴＪ素子の断面図である。
参照符号１１は基板、１２はシード層、１３はピニング層、１５はピンド層、１７は磁気抵抗バッファ層、１９はトンネル障壁層、２１は自由層及び、２３はキャッピング層を示し、前記層は順に積層されてＭＴＪ構造をなしている。
【００２３】
シード層１２は、ＮｉＦｅ、Ｒｕ及びＩｒのうちの一つで形成され、ピニング層１３は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ等の半強磁性材料で形成され、ピンド層１５は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等の固定強磁性層で形成される。
【００２４】
本発明の実施形態によるＭＴＪ素子は、従来のＭＴＪ構造とは違って、ピンド層１５とトンネル障壁層１９の間に磁気抵抗バッファ層１７をさらに具備する。磁気抵抗バッファ層１７は、ピンド層１５の上面に窒素プラズマ処理されて形成されるＦｅＮ等の窒化物よりなる。
【００２５】
トンネル障壁層１９は、磁気抵抗バッファ層１７の上面にＡｌＯｘ又はＡｌＮｘＯｘを用いて形成される。トンネル障壁層１９の上面には、ＮｉＦｅ等の強磁性材料を用いて自由層２１が形成され、その自由層２１の上面には、キャッピング層２３がＲｕ等を用いて形成される。
【００２６】
図３Ａないし図３Ｅは、本発明の実施形態によるＭＴＪ素子を製造する方法を説明する断面図である。
【００２７】
まず、図３Ａに図示されたように、基板１１を用意した後、その基板１１の上面に、シード層１２、ピニング層１３、及びピンド層１５を、マグネトロンスパッタリングシステムを用いて順に蒸着する。この時、各層は数ないし数十ｎｍの厚さに蒸着する。
【００２８】
次に、ピンド層１５の表面に窒素プラズマ処理を行なって、図３Ｃに図示されたように、その表面に磁気抵抗バッファ層１７を形成する。磁気抵抗バッファ層１７が形成されたの後、その磁気抵抗バッファ層１７の上面に、図３Ｄに示されたように、スパッタリングを用いて順にトンネル障壁層１９ａ、自由層２１、及びキャッピング層２３を蒸着し、熱源を連結して熱処理を行う。熱処理を行う間に、所定の大きさの磁場を印加し、熱処理は１５０〜３００℃の範囲内の相異なる温度に加熱し、加熱後、徐冷させる過程を数回反復して行う。ＭＴＪ素子を所定温度で所定時間加熱すれば、トンネル障壁層１９ａに窒素が浸透して結合することによって相異なる原子構造のトンネル障壁層１９に変化する。図３Ｅは、完成されたＭＴＪ素子の構造を示した図である。図３Ｅに図示されたＭＴＪ素子の構造は、図２に図示されたＭＴＪ素子と同じ構造であり、各参照符号は同一層を表している。
【００２９】
図４は、本発明の実施形態によるＭＴＪ素子のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）写真である。
【００３０】
図４を参照して説明すれば、基板上に、Ｒｕよりなるシード層（１９ｎｍ）、ＩｒＭｎで形成されたピニング層（１７ｎｍ）、ＣｏＦｅよりなるピンド層（５ｎｍ）が順に蒸着され、そのピンド層の上面に窒素プラズマ処理を行って形成された磁気抵抗バッファ層、その磁気抵抗バッファ層の上面にＡｌＯｘよりなるトンネル障壁層が形成される。図４において、磁気抵抗バッファ層及びトンネル障壁層は、ＡｌＯｘ＋Ｎと共に図示されている。また、トンネル障壁層の上面には、ＮｉＦｅよりなる自由層（２５ｎｍ）が蒸着され、またその上面にＲｕよりなるキャッピング層（１８ｎｍ）が蒸着されている。次に、２３０℃で熱処理して、磁気抵抗バッファ層の窒素成分をトンネル障壁層の構造に結合させて低い磁気抵抗を有する高性能のＭＴＪ素子を製造する。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂは、図３ＥのＭＴＪ素子の加熱処理温度に対する窒素プラズマ処理前後のＭＴＪ素子のＭＲ比及びＲＡ比（Ｔａ＝０°Ｋ）の変化を示したグラフである。
実験のために、まず、Ｓｉ／ＳｉＯ2（２００ｎｍ）の基板上に、８×１０-8Ｔｏｒｒ以下の真空度を有するｄｃ又はｒｆマグネトロンスパッタリングシステムを利用して、シード層であるＴａ（１０ｎｍ）層、ピニング層であるＮｉＦｅ層（１４ｎｍ）、ピンド層であるＦｅＭｎ層（１０ｎｍ）、及びバッファ層であるＮｉＦｅ層（６ｎｍ）を順に蒸着する。蒸着が終われば、３．５Ｗの直流電力を使用して１００ｍＴｏｒｒの圧力でＮ2雰囲気で真空状態を維持したままで窒素プラズマ処理を行う。
【００３２】
次に、Ａｌ層（１．５８ｎｍ）、ＮｉＦｅ層（２０ｎｍ）及び、Ａｕ層（２０ｎｍ）を再びスパッタリング技術で蒸着して熱処理を行う。熱処理は５×１０-6Ｔｏｒｒの圧力で行い、熱処理の間に接合の磁化軸に平行に１５０ Ｏｅの磁場を印加する。熱処理は、１８０℃、２３０℃、２７０℃の温度で各々３０分間加熱して徐冷させる３段階で行われる。
【００３３】
このように形成されたＭＴＪ素子は、Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ａｌ2Ｏ3／ＮｉＦｅ／Ａｕの構造よりなる。ＭＴＪ素子のあらゆる特性は、常温、例えば室温で直流４端子法を利用して測定する。
【００３４】
図５Ａは、窒素処理されていない接合ｆ１と窒素処理された接合ｇ１との熱処理温度の変化に対するＭＲ比の変化を示す。
【００３５】
ＭＲ比は数式１のように定義されるが、ここでＲapはピンド層と自由層との磁化の方向が非平行である時のＭＴＪの抵抗を示し、Ｒpは平行である時の抵抗を示す。ＭＲ比が高いほど、ピンド層と自由層とのスピンの方向を判別しやすいのでＭＴＪ素子のビットに記録された情報を高速で読み取ることができる。
【数１】
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【００３６】
図５Ａに示すように、熱処理前（熱処理温度＝０℃）に、窒素処理された接合ｇ１は、１０秒の短時間で窒素プラズマ処理を行ったにもかかわらず、窒素処理されていない接合ｆ１のＭＲ比１４％に比べて非常に低いＭＲ比６．６％を示す。このようなＭＲ比の低下は、窒素プラズマによりＮｉＦｅ層の表面にＦｅＮ又はＮｉＮｙのような相異なる相が生成され、Ａｌ2Ｏ3層とＡＮｉＦｅ層との界面の状態密度が変わったためであると推測される。
【００３７】
熱処理温度が２３０℃に高くなるにつれて、窒素処理されていない接合ｆ１のＭＲ比は１４％から１７．５％まで増加し、さらに２３０℃より高い熱処理温度では減少することが分かる。窒素処理された接合ｇ１のＭＲ比も熱処理温度によって類似した変化を示すが、変化の大きさは窒素処理されていない接合ｆ１に比べて非常に大きい。２３０℃で熱処理する場合、窒素処理された接合ｇ１のＭＲ比は、窒素処理されていない接合ｆ１のＭＲ比より高い１８．７％である。このような窒素処理された接合ｇ１での熱処理によるＭＲ比の急激な増加は、酸素の再分布による均一なＡｌ2Ｏ3の形成と共に主にトンネル障壁層とピンド層との界面においてピンド層に影響を与える窒素分布の変化によって界面特性が改善されたことを示す。
【００３８】
図５Ｂは、窒素処理されていない接合ｆ２と、図５Ａの窒素処理された接合ｇ２との基準化したＲＡ値の熱処理温度による変化を示す。挿入されたグラフは基準化前（Ｔa＝０°ＫのＲＡの絶対値を示す。ｆ３は窒素処理されていない接合のＲＡ絶対値、ｇ３は窒素処理された接合のＲＡ絶対値を示す。ＲＡ値は自由層と固定層との磁化の方向が平行な時を基準とした。
【００３９】
挿入されたグラフを参照すれば、窒素処理されていない接合ｆ３の熱処理前のＲＡ値は３９０ｋΩμｍ2であり、熱処理温度を高めるにつれて増加して最高のＭＲ比を示す熱処理温度、すなわち、２３０℃では４１８ｋΩμｍ2を示している。さらに２３０℃以上の高い熱処理温度ではＲＡ値は減少するが、このような変化は、図５Ａにおけるｆ１の変化と類似している。窒素処理されていない接合ｆ３のＲＡ値は、２３０℃まで熱処理温度を高くすればＡｌ2Ｏ3トンネル障壁層内の酸素の分布が均一になるので、これによりＭＲ比の増加と共にＲＡ値が増加し、さらに２３０℃以上の高い熱処理温度では金属不純物がトンネル障壁層内に拡散するにつれてＭＲ及びＲＡ値が落ちると解釈できる。
【００４０】
窒素処理された接合ｇ３は、熱処理前のＲＡ値は１００ｋΩμｍ2であり、窒素処理されていない接合ｆ３の３９０ｋΩμｍ2より小さな値を有する。熱処理温度が１８０℃に高くなるまで窒素処理された接合ｇ３のＲＡ値は若干増加し、２３０℃では７８ｋΩμｍ2と熱処理前のＲＡ値１００ｋΩμｍ2より低下する。
【００４１】
このようなＲＡ値が低下する現象は、窒素プラズマ処理により主にＮｉＦｅ層とＡｌ2Ｏ3層の間に分布していた窒素が、熱処理を通じて再分布されるためであると説明できる。グラフに示されたように、熱処理前に窒素処理された接合ｇ３のＲＡ値が低い時、窒素プラズマ処理によりＮｉＦｅ層の表面に接触する窒素は、Ａｌ層が蒸着される時に部分的にＡｌＮの形成に寄与すると考えられる。また、２３０℃の熱処理を行うことによって、さらに多くの窒素がＡｌ2Ｏ3層に流入されて高いＭＲ比及び低いＲＡ値を形成して最適化な窒素の分布を形成すると考えられる。このような仮説は、ＡｌＮの形成に必要なエンタルピー（−７６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）がＮｉＦｅ表面に形成できるＦｅＮ4（−２．５ｋｃａｌ／ｍｏｌ）又はＮｉ3Ｎ（０．２ｋｃａｌ／ｍｏｌ）のような遷移金属の窒化物のエンタルピーより低い、という熱力学的結果を考慮すると、妥当性を有する。
【００４２】
図６Ａは、Ｖ＝０でのＭＲ値に基準化したＭＲ（ＭＲ／ＭＲt）比のバイアス電圧による変化を熱処理温度によって示したグラフであり、図６Ｂは、ＭＲ比が最高値の半分に落ちる点の電圧Ｖ1/2MRを電圧の正極及び負極に対して示したグラフである。
【００４３】
図６Ａを参照すれば、熱処理前ＭＴＪ素子のＭＲ比（０℃）の電圧によるＭＲ比と比較する時、窒素処理された熱処理後ＭＴＪ素子のＭＲ比（１８０℃、２３０℃、２８０℃）は正電圧及び負電圧に対して大きく非対称的にＭＲ比が電圧に依存する現象を示している。ピンド層の窒素処理は、ＭＲ比だけでなくＭＲ比の電圧による特性も悪化させる。
【００４４】
図６Ｂを参照すれば、ｆ４は図６Ａの正電圧における熱処理温度に対するＶ1/2MRを表し、ｇ４は図６Ｂの負電圧における熱処理温度に対するＶ1/2MRを表す。図６Ｂに示すように、１８０℃で熱処理を行えば、負電圧ｇ４より正電圧ｆ４でＶ1/2MRが若干高い値を有することが分かり、熱処理前（０℃）の電圧とは異なる非対称的な変化を示す。２３０℃で熱処理を行えば、正電圧ｆ４でのＶ1/2MR値が、負電圧ｇ４でのＶ1/2MR値の増加に比べて大幅に増加して、正極電圧と負極電圧でのＶ1/2MR値の差が１４３ｍＶに至る。本発明の実施形態によるＭＴＪ素子では、窒素処理によって、さらに正電圧のＶ1/2MR値が熱処理によって急激に増加する。このような結果は、窒素プラズマにより処理されたＮｉＦｅ層で、窒素が熱処理によってＡｌ2Ｏ3トンネル障壁層に移動するという仮説と関係付けられる。
【００４５】
図７Ａは、基準ＦｅＮ及び基準ＡｌＮの束縛エネルギーの変化を示したグラフであり、図７Ｂは、Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｎ2処理／Ａｌ（１．３２ｎｍ）の構造を有するＭＴＪ素子を窒素プラズマに露出させる時間ｔexの変化による束縛エネルギーの変化を示したグラフである。
【００４６】
図７Ａを参照すれば、ＦｅＮの束縛エネルギーは、３９６ｅＶ程度でピークを示し、ＡｌＮの束縛エネルギーは３９８ｅＶ程度でピークを示す。本発明の実施形態によるＭＴＪ素子の製造過程中に窒素プラズマに露出させる時間が０秒、すなわち、露出させない場合、１０秒露出させた場合、３０秒露出させた場合、６０秒露出させた場合が図７Ｂに各々示されているが、露出時間が長くなるほどＦｅＮの束縛エネルギーのピーク値３９６ｅＶ程度で小さなピークが明らかに現れることが分かる。すなわち、前記構造のＭＴＪ素子を窒素プラズマ処理する時間を長くすると、磁気抵抗バッファ層であるＦｅＮ層がさらに多く生成されることが分かる。
【００４７】
図８Ａ及び図８Ｂは、各々Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ／Ｎ2処理／Ａｌ（１．３２ｎｍ）及び酸化層／ＮｉＦｅ／Ａｕ構造を有する本発明の実施形態によるＭＴＪ素子で、窒素プラズマに対する相異なる露出時間において熱処理温度の変化によるＭＲ比及びＲＡ値の変化を示したグラフである。
【００４８】
図８Ａを参照すれば、熱処理前（０℃）には、窒素プラズマに露出された時間ｔexが０秒である場合にＭＲ比が１０％程度であり、露出時間ｔexが１０秒である場合に３％程度であるが、１８０℃で熱処理すれば窒素プラズマに露出された時間ｔexが０秒である場合にＭＲ比が１４〜１６％に増加し、露出時間ｔexが１０秒である場合に１２〜１３％程度に増加し、露出時間ｔexが３０秒である場合に１１％程度であり、露出時間ｔexが６０秒である場合に１０％程度に増加する。２３０℃で熱処理すれば、窒素プラズマに露出された時間ｔexが６０秒、３０秒、１０秒、０秒である場合に、順に１３〜１７％台のＭＲ比を示して増加する。しかし、熱処理温度が２５０℃を超える場合に、窒素プラズマに露出される時間に関係なくいずれもＭＲ比の特性が悪化することが分かる。
【００４９】
ここで、特に窒素プラズマに露出された時間ｔexが６０秒であり、熱処理温度が０℃から１８０℃に高まる場合、ＭＲ比は約０％から約１０％程度に大幅に増加し、また、２３０℃で熱処理する場合にＭＲ比は１４％以上に増加して、窒素プラズマに露出された接合はＭＲ比特性が悪化するが、熱処理を行えばかえってＭＲ比特性が向上することが分かる。このような特性の変化は、ｔexが１０秒、３０秒である場合にも同様である。
【００５０】
図８Ｂを参照すれば、熱処理前（０℃）及び１８０℃で熱処理する場合に、ＲＡ値の変化はＭＲ比の変化と同様であるが、２３０℃で熱処理する場合には、１８０℃で熱処理する場合よりＲＡ値が減少することが分かる。２５０℃より高い温度で熱処理する場合にＲＡ値はもう少し減少することが分かる。ここで、窒素プラズマに露出された時間ｔexが６０秒であり、熱処理温度を０℃から１８０℃に高める場合、ＲＡ値は２０ｋΩμｍ2から４０ｋΩμｍ2に増加する。しかし、２３０℃で熱処理すれば、３０ｋΩμｍ2に減少し、再び２５０℃以上に加熱すれば２０ｋΩμｍ2に減少する。すなわち、本発明の実施形態によるＭＴＪ素子は、窒素プラズマに露出される場合にＲＡ特性が悪化するが、熱処理を行えばＲＡ特性がかえって向上することが分かる。
【００５１】
図９は、Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭＴＪ構造を窒素プラズマ処理前と、３０秒間窒素プラズマに露出させた後とについて、束縛エネルギーの変化を示したグラフである。
【００５２】
露出時間ｔexが３０秒である場合、窒素プラズマに露出させる前には現れなかった束縛エネルギーのピークが３９５〜３９８ｅＶで現れることを見れば、ＭＴＪ阻止を窒素プラズマに露出させた後、ＡｌＮ及び／又はＦｅＮが生成されたことが分かる。したがって、窒素プラズマ処理を行った後、Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／ＦｅＮ／ＡｌＯｘ（１．３２ｎｍ）／ＮｉＦｅ／Ａｕ又はＴａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／ＦｅＮ／ＡｌＮ／ＡｌＯｘ（１．３２ｎｍ）／ＮｉＦｅ／Ａｕの構造を有する本発明の実施形態によるＭＴＪ素子が生成されることが分かる。
【００５３】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これは発明の範囲を限定するものというよりは、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。
【００５４】
例えば、本発明の属する技術分野で当業者であれば、本発明の技術的思想によりピンド層とトンネル障壁層との間に相異なる金属層を形成して窒素プラズマ処理及び熱処理を行って磁気抵抗バッファ層を形成できる。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められることではなく特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、固定層の上面を窒素プラズマで処理し、その上部にトンネル障壁層を蒸着して熱処理する工程を通じて磁気接合抵抗を顕著に低下させたＭＴＪ素子及びその製造方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】一般的なＭＴＪ素子において絶縁性のトンネル障壁層として利用されるＡｌ2Ｏ3層の厚さ変化によるＲＡ値の変化を示したグラフである。
【図２】本発明の実施形態によるＭＴＪ素子の断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による図１に示すＭＴＪ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による図１に示すＭＴＪ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態による図１に示すＭＴＪ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態による図１に示すＭＴＪ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図３Ｅ】本発明の実施形態による図１に示すＭＴＪ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図４】本発明の実施形態によるＭＴＪ素子のＳＥＭ写真である。
【図５Ａ】窒素プラズマ処理前後のＭＴＪ素子の熱処理温度に対するＭＲ比の変化を示したグラフである。
【図５Ｂ】窒素プラズマ処理前後のＭＴＪ素子の熱処理温度に対するＲＡ（ＲＡb／ＲＡa）比の変化を示したグラフである。
【図６Ａ】熱処理段階の異なる温度におけるバイアス電圧に対するＭＲ／ＭＲt比の変化を示したグラフである。
【図６Ｂ】ＭＲ比（ＭＲ／ＭＲt）が最高値の半分に落ちる点の電圧Ｖ1/2MRを電圧の双方二極に対して示したグラフである。
【図７Ａ】基準ＦｅＮ及びＡｌＮの束縛エネルギーの変化を示したグラフである。
【図７Ｂ】Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｎ2処理／Ａｌ（１．３２ｎｍ）の構造を有するＭＴＪ素子を窒素プラズマに露出させる時間ｔexの変化による束縛エネルギーの変化を示したグラフである。
【図８Ａ】Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ／Ｎ2処理／Ａｌ（１．３２ｎｍ）及び酸化層／ＮｉＦｅ／Ａｕ構造を有する本発明の実施形態によるＭＴＪ素子において、窒素プラズマに対する相異なる露出時間ｔexにおける熱処理温度の変化によるＭＲ比の変化を示したグラフである。
【図８Ｂ】Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ／Ｎ2処理／Ａｌ（１．３２ｎｍ）及び酸化層／ＮｉＦｅ／Ａｕ構造を有する本発明の実施形態によるＭＴＪ素子において、窒素プラズマに対する相異なる露出時間ｔexにおける熱処理温度の変化によるＲＡ値の変化を示したグラフである。
【図９】Ｔａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ／Ｆｅ構造を有するＭＴＪ素子において、窒素プラズマ処理前と３０秒間窒素プラズマに露出させた後との束縛エネルギーの変化を示したグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１１    基板
１２    シード層
１３    ピニング層
１５    ピンド層
１７    磁気抵抗バッファ層
１９    トンネル障壁層
２１    自由層
２３    キャッピング層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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