(57)【要約】改良型の新規デバイス及び磁性素子（１００）の形成方法に関し、特に、後続層のナノ結晶成長のシード層となる、結晶構造が不規則配列化されたシード層（１２０）及び／テンプレート層（１２２）を備える磁性素子に関するものであり、この磁性素子は固着化層（１２４）、固着層（１２５）、及び固定層（１２６）を含む。
2006506828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性素子であって、
シード層と、
前記シード層上に形成されたナノ結晶テンプレート層と、
前記テンプレート層上に形成されたナノ結晶反強磁性固着化層と、を備える磁性素子。
【請求項２】
磁性素子であって、
基板と、
前記基板上に形成されたベース金属層と、
前記ベース金属層上に形成され、結晶構造が不規則配列化されたＴａＮｘシード層と、
前記シード層上に形成されたナノ結晶Ｒｕテンプレート層と、
前記テンプレート層上に形成され、かつ、ＰｔＭｎ，ＰｂＭｎ，ＰｔＰｄＭｎ，ＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，及びＲｈＭｎから成るグループから選択された合金を含むナノ結晶反強磁性固着化層と、
前記固着化層上に形成された複合反強磁性体であって、
第１ナノ結晶強磁性層と、
前記第１ナノ結晶強磁性層上に形成されたルテニウム結合層と、
前記結合層上に形成された第２ナノ結晶強磁性層とを含む前記複合反強磁性体と、
前記複合反強磁性体上に形成されたＡｌＯｘ層と、
前記ＡｌＯｘ層上に形成された強磁性自由層と、
前記強磁性自由層上に形成された上部電極と、を備える磁性素子。
【請求項３】
方法であって、
結晶構造が不規則配列化されたシード層を形成する工程と、
前記シード層上にナノ結晶テンプレート層を形成する工程と、
前記テンプレート層上にナノ結晶反強磁性固着化層を形成する工程と、を備える方法。
【請求項４】
方法であって、
基板上にベース金属層を形成する工程と、
前記ベース金属層上にＴａ層を５０オングストローム未満の厚さに形成する工程と、
前記ＴａＮｘシード層をプラズマ窒化プロセスまたはイオンビーム窒化プロセスを使用して窒素原子に晒すことにより、ＴａＮｘシード層を形成する工程と、
前記ＴａＮｘシード層上にナノ結晶Ｒｕテンプレート層を形成する工程と、
ＰｔＭｎ，ＰｄＭｎ，ＰｔＰｄＭｎ，ＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，及びＲｈＭｎから成るグループから選択された合金を使用して、ナノ結晶反強磁性固着化層を形成する工程と、
前記固着化層上に複合反強磁性体を形成する工程であって、
第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成されたルテニウム結合層と、
前記ルテニウム結合層上に形成された第２強磁性層とを含む前記複合反強磁性体を形成する工程と、
前記複合反強磁性体上にＡｌＯｘ層を形成する工程と、
前記ＡｌＯｘ層上に強磁性自由層を形成する工程と、
前記強磁性自由層上に上部電極を形成する工程と、を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、磁気エレクトロニクスに関し、特に、磁気エレクトロニクス素子の材料組成及び形成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気エレクトロニクス、スピン・エレクトロニクス、及びスピントロニクスは、主として電子スピンにより生じる効果を使用する際の同義語となる。磁気エレクトロニクスは、多くの情報デバイスに使用され、不揮発性、高信頼性、耐放射線性を示す高密度データ記憶及び読み出しを可能にする。多くの磁気エレクトロニクス情報素子は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、磁気センサ、及びディスクドライブ読み取りヘッドを含むが、これらに限定されない。
【０００３】
通常、磁気メモリ素子のような磁気エレクトロニクス・デバイスは、少なくとも一つの非磁性層により分離される複数の強磁性層を含む構造を有する。情報は磁気ベクトルの方向として磁性層に記憶される。一つの磁性層の磁気ベクトルは、例えば磁気的に固定又は固着され、他の磁性層の磁化方向は、「平行」状態及び「反平行」状態とそれぞれ呼ばれる同じ方向と反対方向との間で自由に切り替わる。平行状態及び反平行状態に応答する形で、磁気メモリ素子は２つの異なる抵抗を示す。抵抗は、２つの磁性層の磁気ベクトルがほぼ同じ方向及び反対方向をそれぞれ指すときに最小値及び最大値を有する。従って、抵抗変化を検出することにより、ＭＲＡＭデバイスのようなデバイスは磁気メモリ素子に記憶される情報を供給することができる。最小抵抗値と最大抵抗値との差を最小抵抗値で除した値が磁気抵抗比（ＭＲ）として知られている。
【０００４】
これらの磁性素子の物理構造は通常、複数の非常に薄い層を含み、これらの層のうちの幾つかの層は数十オングストローム以下の厚さである。磁性素子の性能は、磁性層が堆積する表面の状態に敏感である。従って、一般的に、表面をできる限り平坦にして磁性素子の動作特性が劣化しないようにすることが望ましい。
【０００５】
スパッタ成長、蒸着、またはエピタキシー技術により成長する金属膜を含むＭＲＡＭ素子形成のような通常の磁性素子形成の間、膜表面は完全に平坦ではなく、表面粗さ、または界面粗さを示す。これらの強磁性層の表面及び／又は界面のこの粗さは強磁性自由層と、固定層または固着層のような他の強磁性層との間の「トポロジカル結合」または「Ｎｅｅｌの強磁性的結合（Ｎｅｅｌ’ｓ  ｏｒａｎｇｅ  ｐｅｅｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）」として知られる磁気結合の原因となる。このような結合は一般的に磁性素子においては望ましくない。その理由は、この結合によって自由層の外部磁界に対する応答にずれが生じるからである。
【０００６】
粗さによってデバイスの電気特性に不所望の効果を与えるが、この効果は磁性層と非磁性スペーサ層の界面の質に影響を及ぼすことにより生じる。通常のトンネル接合用途においては、このような粗さによってさらに、スペーサ層の厚さにばらつきが生じ、これに応じて結果としてトンネル電流にばらつきが生じる。
【０００７】
固定層がスペーサ層よりも前に形成され、自由層がスペーサ層よりも後に形成される場合、磁気構造は「下部固着（ｂｏｔｔｏｍ  ｐｉｎｎｅｄ）」として知られている。このような下部固着構造では、反強磁性（ＡＦ）固着層は下部磁性電極に含まれる。従来の下部固着磁気トンネル接合（ＭＪＴ）構造及びスピンバルブ構造は、通常、シード層及びテンプレート層を使用して配向結晶ＡＦ層を形成して、強い固着力を生じさせる。通常の下部固着ＭＴＪ構造の下部電極はＴａ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／ＮｉＦｅ構成の積層を含み、この積層の上にはＡｌＯｘトンネルバリアが形成され、上部電極は通常、ＮｉＦｅ自由層を含む。この場合、Ｔａ／ＮｉＦｅ構成のシード層／テンプレート層によって、大きな高配向ＦｅＭｎ結晶がＦｅＭｎ層及び固着磁性層に成長する。このような高配向多結晶層は「強く配向している」と表現することもできる。このように強く配向しているＦｅＭｎ層は、ＡｌＯｘトンネルバリアの下方のＮｉＦｅ層を強く固着することができる。ＦｅＭｎ層または他の配向多結晶ＡＦ層には通常、粗さが生じ、この粗さによって不所望の「Ｎｅｅｌの強磁性的結合」がＮｉＦｅ固着層と上部ＮｉＦｅ自由層との間に生じるだけでなく、トンネル電流にばらつきが生じる。
【０００８】
実際のＭＴＪ素子では、下部電極は通常、ベース金属層の上に形成され、このベース金属層によって接合についてのコンタクト抵抗が非常に小さくなる。ベース金属層は通常、多結晶であり、柱状に成長し易い。これにより粗さが生じ、今度はこの粗さが下部電極に進行し、スペーサ層界面に粗さが生じ、不所望の磁気及び電気特性が顕著になる。ベース金属層及び下部電極から進行してくる粗さは更に不具合をもたらす。その理由は、この粗さによって、接合面積に反比例する大きさの高磁気抵抗（ＭＲ）及びデバイス抵抗を維持しながら実現することができる最小トンネルバリア厚さが薄くなってしまうからである。
【０００９】
これらの層及びこれらの層界面の粗さを減らすために、種々のタイプの非結晶材料またはアモルファス材料が開発されてＭＴＪ積層構造の種々の層に使用されてきた。非結晶材料またはアモルファス材料は、他の材料が有する結晶粒界及び鮮明な結晶粒模様を示さないので、アモルファス材料を含むこれらの層から生じるトンネルバリアはデバイス性能を一層良好にする。しかしながら、アモルファス材料を使用することが望ましいものの、この要件によって磁性層に合金を選択することがアモルファスである数少ない材料に限定されてしまう。更に、結晶固着層上に形成されるアモルファス磁性材料から成る薄層は、下地表面の表面粗さの少なくとも或る部分をそのまま反映し易い。これによってアモルファス材料層の効用が失われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、ＭＴＪ積層構造全体に平滑な層界面を形成し、それによって形成される磁性素子の性能を向上させる材料及び方法を実現することが望まれる。
本発明の他の所望の特性及び特徴は、次の説明及び添付の請求項を添付の図面を参照しながら一読することにより明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明について添付の図を参照しながら記載するが、これらの図においては、同様の参照番号は同様の構成要素を指す。
好適な実施形態についての次の詳細な記載は本質的に単なる例示であり、本発明または本発明の用途及び使用を制限するものではない。更に、本発明に関連して前に説明した技術的背景、または好適な例示としての実施形態に関する次の詳細な記載に含まれる理論は本発明を限定するものではない。
【００１２】
本発明の種々の好適な実施形態では、ナノ結晶反強磁性層を用いる。種々の好適な実施形態について以下の説明を行なうために、ナノ結晶とは、好適な配向または高次構造がほとんど観察されないか、または無い１０ナノメートル（１００オングストローム）未満であることが好ましい平均結晶サイズを有する多結晶材料を指す。このナノ結晶構造のシード層は、図１に示すようなシード層及びテンプレート層を適切に選択することにより形成される。ナノ結晶反強磁性層は、従来の配向多結晶層よりも望ましい表面粗さを示す。更にナノ結晶反強磁性層は、このナノ結晶反強磁性層の上に堆積する複数の層に同様なナノ結晶を成長させるためのシード層として使用され、これら複数の層が堆積するとこれらの層の界面粗さの特性がより一層望ましくなる。本発明の種々の好適な実施形態においては、このように界面を改善することにより磁気特性及び電気特性が向上する。
【００１３】
次に図１を参照すると、本発明の好適な例示としての実施形態への使用に適する磁性素子１００が示されている。磁性素子１００の構造は、基板１１２、第１電極多層積層構造１１４、酸化アルミニウムを含むスペーサ層１１６、及び第２電極多層積層構造１１８を含む。スペーサ層１１６の材料組成は、形成する磁性素子のタイプによって変更されることを理解されたい。
【００１４】
更に詳細には、通常のＭＴＪ構造では、スペーサ層１１６は誘電体材料から形成され、スピンバルブ構造では、スペーサ層１１６は導電材料から形成される。第１電極多層積層構造１１４及び第２電極多層積層構造１１８は一つ以上の強磁性層を含む。第１電極多層積層構造１１４はベース金属層１１３上に形成され、この金属層は基板１１２の上に形成される。ベース金属層１１３は単一の金属材料または金属層、或いは複数の金属材料または金属層から成る積層から構成することができる。
【００１５】
第１電極多層積層構造１１４は、ベース金属層上に堆積するシード層１２０、テンプレート層１２２、反強磁性（ＡＦ）固着化材料層１２４、下地ＡＦ固着化層１２４上に形成され、固着化層と交換結合する強磁性固着層１２５、固着層１２５上に形成される反強磁性結合層１２３、及び結合層１２３上に堆積し、固着層１２５と結合層１２３を介して反強磁性結合する強磁性固定層１２６を含む。強磁性層１２５及び１２６は、これらの層の磁気モーメントが外部印加磁界の存在によって回転することが防止される点で、固定されるか、または固着されるとして表現することができる。
【００１６】
本発明の一つの好適な実施形態では、シード層１２０は窒化タンタル（ＴａＮｘ）から形成され、プラズマまたはイオンビーム窒化プロセスにより、かなり薄く、好ましくは約１００オングストローム未満、最も好ましくは約５０オングストローム未満のタンタル（Ｔａ）層として形成される。本実施形態では、好ましくはニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金、ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）合金、ルテニウム（Ｒｕ）またはタンタル（Ｔａ）からなるテンプレート層１２２が、次に窒化タンタル（ＴａＮｘ）シード層１２０を覆うように堆積される。更に、本発明の好適な実施形態では、テンプレート層１２２を設けることなく、本明細書に記載する窒化プロセスによって形成される窒化タンタル（ＴａＮｘ）を所望の反強磁性層のシード層として使用することができる。
【００１７】
複数の層状の材料をこのように組み合わせると、非常に不規則な結晶構造のシード層を形成することができ、このシード層により後続の層を磁性素子１００に形成することができる。ここで、テンプレート層１２２は、実質的にナノ結晶であることが最も好ましく、アモルファスではない。同様に、ＡＦ固着化層１２４、固着層１２５、結合層１２３、及び固定層１２６等のテンプレート層１２２上の層は、実質的にナノ結晶とすることができる。
【００１８】
本発明の別の好適な実施形態では、シード層１２０及びテンプレート層１２２は、ルテニウム（Ｒｕ）層をアルミニウム（Ａｌ）層上に堆積することにより形成される。このように組み合わせることにより、上記したＴａＮｘ層の場合のように、非常に不規則な結晶構造のシード層を形成することができ、このシード層により後続の層を磁性素子１００に形成することができる。この特定の実施形態では、シード層１２０及びテンプレート層１２２は、２０オングストローム厚さのＡｌ及び１７オングストローム厚さのＲｕにより構成される。ここで、Ａｌ及びＲｕを組み合わせて合金を形成するが、これらの金属は異なるプロセス工程で別々に堆積されることに注目されたい。結果として生成される合金の結晶構造は、実際、非常に不規則で非常にランダムな結晶構造である。Ｒｕ層は、好ましくは約１００オングストローム未満、最も好ましくは約５０オングストローム未満の厚さである。Ｒｕの他に、他の遷移金属元素をＡｌ層１２０と組み合わせて同様な結果を得ることができる。
【００１９】
シード層１２０及びテンプレート層１２２を形成するために使用する特定の材料が何であるかに拘らず、シード層１２０及びテンプレート層１２２の組み合わせはＡＦ固着化層１２４のベースとなる。前に説明したように、ナノ結晶ＡＦ固着化層１２４を成長させるためのシード層となる非常に不規則な結晶構造のシード／テンプレートを形成するための全ての材料及びプロセスを本発明の範囲内で考察する。シード層１２０及びテンプレート層１２２を形成した後、ＡＦ固着化層１２４を、一般組成がＭｎＸで表わされるマンガン合金から形成し、この場合、Ｘは、好ましくは、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、または鉄（Ｆｅ）のうちの一つである。
【００２０】
最も好適な実施形態のＡＦ固着化層１２４は、マンガン合金を含み、この場合、Ｘは３５％〜５５％の範囲、最も好ましくは４０％〜５０％の範囲であり、ＸはＰｔ、Ｐｄ、またはＮｉのうちの一つである。他の好適な実施形態のＡＦ固着化層１２４は、マンガン合金を含み、この場合、Ｘは５％〜３５％の範囲、最も好ましくは１０％〜３０％の範囲であり、Ｘは好ましくはＩｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、またはＦｅのうちの一つである。ＡＦ固着化層１２４を本明細書に記載したように形成することにより、ナノ結晶強磁性層１２５を実現することができる。不規則な結晶構造のテンプレート層１２２は、ＡＦ固着化層１２４のシード層となって、平均サイズが１０ナノメートル未満のほぼランダムに配向した結晶から成るナノ結晶構造を成長させる。
【００２１】
本発明の最も好適な実施形態では、強磁性層１２５及び１２６はＡＦ結合層１２３によって分離される。ＡＦ結合層１２３は、最も好ましくはルテニウムからなり、強磁性層１２５及び１２６と組み合わされて、複合反強磁性（ＳＡＦ）固着層を形成する。ＡＦ結合層１２３を介して提供される反強磁性結合によって、磁性素子１００が印加磁界の下でより安定する。更に、強磁性層１２５及び１２６の厚さを変えることにより、静磁結合を相殺することができ、自由層のヒステリシスループを原点を中心とするループとすることができる。ＲｕはＡＦ結合層１２３にとって最も好ましい材料であるが、Ｒｈのような他の非磁性材料は、強磁性層１２５と１２６との間に所望のＡＦ結合を実現することができ、従って、ＡＦ結合層１２３として使用することができる。ＡＦ固着化層１２４のナノ結晶構造は、さらに、ＡＦ固着化層上に層をランダムに成長させるためのシード層となることができ、これにより、ナノ結晶構造を有するＳＡＦ固着構造が得られる。これにより、ナノ結晶構造をスペーサ層１１６との界面にまで延ばすことにより、ＳＡＦ固着構造に大きな結晶を成長させたとした場合に生じると考えられる粗さの増大を防止することができるので更なる利点がもたらされる。
【００２２】
第２電極積層構造１１８は、強磁性自由層１２８及び保護コンタクト層１３０を含む。強磁性自由層１２８の磁気モーメントは、交換結合によって固定されるか、または固着されないので、印加磁界の下で自由に回転することができる。図１では単一層として示されるが、幾つかの用途では、強磁性自由層１２８は、単一の強磁性自由層ではなく多層積層構造として形成することができる。
【００２３】
本発明の最も好適な実施形態では、第１電極多層積層構造１１４の種々のナノ結晶層は、アモルファス材料を使用してシード層とする場合とは異なり、種々の層のシード層として結晶構造が不規則配列化された層を使用することにより、最も好適な形で得られる。シード層１２０及び／又はテンプレート層１２２の小さく、非常にランダムで不規則な粒子は、互いに非常に近接して異なる相反方位に成長を生じさせるためのシード層となる。これらの相反方位によって、ＡＦ固着化層１２４における通常の多結晶層形成プロセスが「妨げられ」て、ＡＦ固着化層が実際上、結晶学的に不規則となり、ランダムに配向するナノ結晶となる。
【００２４】
本発明の方法を使用してシード層１２０及び／又はテンプレート層１２２を形成することにより、第１電極多層積層構造１１４及び第２電極多層積層構造１１８の連続層に平滑な界面が形成される。これらの界面は、均一な結晶配列及び良好な結晶配向を有する従来の成長材料に観察されるものよりも平滑になる。これらの界面がより平滑になることにより、この界面により形成される磁性素子の性能が向上する。
【００２５】
ここで、反転またはフリップさせた構造も本開示箇所から予見されることが分かるであろう。特に、開示した磁性素子は、上部固定層または上部固着層を含むように形成することができると考えられ、従って、この磁性素子は「上部固着（ｔｏｐ  ｐｉｎｎｅｄ）」構造として記載することができる。上部固着構造の場合、自由層は、不規則な結晶構造を有するシード層及び／又はテンプレート層上に成長する。ナノ結晶構造は、自由層にまで、またはＡＦ固着化層を通過して上方に延び、いずれの構成になるかは、積層構造を形成するために使用する特定の材料によって変わる。
【００２６】
次に図２及び３を参照すると、２つの同様な多層構造のｘ線回折図を比較したものが示されている。この２つの多層構造は、ほぼ同じであるが、テンプレート層がシード層上に２つの異なる構造を有するように形成される点が大きく異なる。図２の場合、テンプレート層は全く通常のニッケル鉄（ＮｉＦｅ）合金を使用して形成される。図３の場合、テンプレート層は、図１に関連して説明した本発明のナノ結晶アルミニウムルテニウム（ＡｌＲｕ）合金を使用して形成される。図２及び３は共に、構造における白金マンガン（ＰｔＭｎ）固着化層が示す面心正方晶の（１１１）面に関するピークを示している。
【００２７】
次に図２を参照すると、回折スペクトル２００はｘ線回折であり、このｘ線回折は、５０オングストローム厚のＴａ／２００オングストローム厚のＡｌ／５０オングストローム厚のＴａから成るベース金属層と、５０オングストローム厚のＴａシード層と、２０オングストローム厚のＮｉＦｅテンプレート層と、３００オングストローム厚のＰｔＭｎから成るＡＦ層と、５０オングストローム厚のＴａ／５０オングストローム厚のＡｌから成る保護キャップとを含む構造に関するものである。図２に示すように、ＮｉＦｅテンプレート層を覆うように成長したＰｔＭｎ層は、従来の配向多結晶材料においてごく通常に観察される特性を示す。特に、比較的大きなピーク（１１１）は、比較的粗い界面となる比較的大きなサイズの結晶が存在することを示している。
【００２８】
図３を参照すると、回折スペクトル３００はｘ線回折であり、このｘ線回折は、Ｓｉ−ＳｉＯ２基板と、５０オングストローム厚のＴａ／２００オングストローム厚のＡｌ／５０オングストローム厚のＴａから成るベース金属層と、５０オングストローム厚のＴａシード層と、２０オングストローム厚のＡｌ／１７オングストローム厚のＲｕから成るテンプレート層と、３００オングストローム厚のＰｔＭｎから成るＡＦ層と、５０オングストローム厚のＴａ／５０オングストローム厚のＡｌから成る保護キャップとを含む構造に関するものである。図３に示すように、テンプレート層の不規則な配列によってナノ結晶ＰｔＭｎ層が形成されている。特に、比較的小さなピーク（１１１）は、比較的平滑な界面となる固着化層に比較的小さなサイズの結晶が存在することを示している。
【００２９】
これまでの説明から、本明細書に開示する特定の層状材料及び方法を使用することにより、この技術分野の当業者には明白であると思われる大きな利点がもたらされることが理解できるであろう。更に、複数の実施形態についてこれまでの説明において示してきたが、これらの実施形態には非常に多くの変更を加え得ることが理解できるであろう。最後に、これらの実施形態は好適な例示としての実施形態に過ぎず、決して本発明の技術範囲、適用可能性、または構成を制限するものではないことを理解されたい。これまでの詳細な説明によって、この技術分野の当業者は本発明の好適な例示としての実施形態を実施するための非常に便利な指針を得ることができる。例示としての好適な実施形態に記載される構成要素群の機能及び構成に種々の変更を、添付の請求項に示す本発明の技術思想及び技術範囲から逸脱しない範囲において加えることができることが理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の好適な例示としての実施形態による改良型磁気構造を備える磁性素子の断面図である。
【図２】従来の多結晶材料のｘ線回折スペクトルを模式的に示したものである。
【図３】本発明の好適な例示としての実施形態によるナノ結晶材料のｘ線回折スペクトルを模式的に示したものである。
【図１】
2006506828.tif 000003
【図２】
2006506828.tif 000004
【図３】
2006506828.tif 000005
【国際調査報告】
2006506828.tif 000006
2006506828.tif 000007
2006506828.tif 000008