(57)【要約】【課題】トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気抵抗デバイスを提供する。【解決手段】トンネルバリア層２７を挟む配置に磁化固定層２６と自由磁化層２８とが配置され、前記トンネルバリア層２７が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルバリア層を挟む配置に磁化固定層と自由磁化層とが配置され、
前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、
前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層は、MgO層とZnO層が各１層からなる積層膜として形成されていることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記トンネルバリア層は、MgO層とZnO層を交互に積層した３層以上の積層膜として形成されていることを特徴とする請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記MgO層は、膜厚が５Å〜６Åに設定され、前記積層膜の全膜厚が１０Å以下に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記ZnO層は、膜厚が２Å〜４Åに設定されていることを特徴とする請求項４記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
トンネルバリア層を挟む配置に磁化固定層と自由磁化層とが配置された磁気抵抗効果デバイスであって、
前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、
前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気抵抗デバイスに関し、より詳細には、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなくトンネルバリア層を低抵抗化することができるトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気抵抗デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルバリア層にMgOを使用した磁気抵抗効果素子は、非常に大きな磁気抵抗変化（ＭＲ比）を有することが知られている（非特許文献１〜３）。このため、高記録密度が求められる磁気記録装置においては、トンネルバリア層にMgOを使用した磁気ヘッドが使用されている。
しかしながら、記録密度が増大すると、これにともなって磁気抵抗効果素子のサイズを微小にしなければならないから、トンネルバリア層の膜厚を変えることなく磁気抵抗効果素子を小さくしていくと、トンネルバリア層の抵抗が大きくなるという問題が生じる。トンネルバリア層の抵抗が大きくなると、磁気抵抗効果素子の高速応答特性を劣化させる。したがって、磁気抵抗効果素子を微小にしても所要の特性を劣化させないようにするには、トンネルバリア層の膜厚を薄くして低抵抗化を図る必要がある。
【０００３】
【非特許文献１】S.Yuasa et al., Nat.Mater.3(2004)868
【非特許文献２】S.S.P.Parkin et al.,Nat.Mater.3(2004)862
【非特許文献３】D.D.Djayaprawira et al.,230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions,Appl.Phys.Lwtt.86(2005)092502
【特許文献１】US 7,252,852 B1
【特許文献２】US 7,2270,896 B2
【特許文献３】US 7,300,711 B2
【特許文献４】特開２００７−３０５６１０号公報
【特許文献５】特開２００７−２９９４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、トンネルバリア層の膜厚を薄くすると低抵抗にはなるものの、トンネルバリア層にピンホールなどの欠陥が生じやすくなり、ブレイクダウン電圧が低下して素子破壊をひきおこしやすくなるという問題が生じる。このため、ブレイクダウン電圧の低下を招かない程度の厚さにトンネルバリア層の膜厚を維持し、かつ、所要のＭＲ比特性が得られ、低抵抗化を図ることができるトンネル磁気抵抗効果素子が求められる。
【０００５】
本発明は、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく低抵抗化を図ることができ、所要のＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気抵抗デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層を挟む配置に磁化固定層と自由磁化層とが配置され、前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とする。
【０００７】
前記トンネルバリア層は、MgO層とZnO層が各１層からなる積層膜として形成された構成、前記トンネルバリア層は、MgO層とZnO層を交互に積層した３層以上の積層膜として形成された構成とすることができる。
トンネルバリア層を構成するZnO層は、必ずMgO層を下地層として形成し、MgO層は岩塩型(001)結晶配向となるように成膜して形成する。
【０００８】
前記MgO層は、膜厚が５Å〜６Åに設定され、前記積層膜の全膜厚が１０Å以下に設定されていることによって、トンネル磁気抵抗効果素子として好適なMR比を有し、低抵抗とすることができる。
また、前記ZnO層は、膜厚が２Å〜４Åに設定されていることにより、トンネル磁気抵抗効果素子のMR比を低減させることなく、低抵抗化を図ることができる。
【０００９】
また、トンネルバリア層を挟む配置に磁化固定層と自由磁化層とが配置された磁気抵抗効果デバイスであって、前記トンネルバリア層が、MgO層を下地層として、MgO層とZnO層の積層膜として形成され、前記MgO層および前記ZnO層は、岩塩型(001)方向に結晶配向して形成されていることを特徴とする。磁気抵抗効果デバイスとしては、トンネル磁気抵抗効果素子をリード素子に使用した磁気ヘッド、メモリ部にトンネル磁気抵抗効果素子を利用した不揮発メモリがある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく、磁気抵抗効果素子に求められる所要のＭＲ比特性を備え、かつトンネル磁気抵抗効果素子の低抵抗化を図ることができる。トンネルバリア層として所要の膜厚を確保できることから、トンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じることを防止し、信頼性の高いのトンネル磁気抵抗効果素子として提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（トンネル磁気抵抗効果素子）
図１、２、３は、本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示す。図１〜３において、同一の構成層については、同一の番号を付している。
図１に示すトンネル磁気抵抗効果素子１０は、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、磁化固定層２６、トンネルバリア層２７、自由磁化層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。なお、下部シールド層２１は下部電極を兼ね、上部シールド層３０は上部電極を兼ねる。
【００１２】
これらトンネル磁気抵抗効果素子１０を形成する各層はスパッタリング法により成膜して形成される。下部シールド層２１には、たとえばNiFeを使用する。反強磁性下地層２２には、たとえばTaとRuを積層して形成する。反強磁性層２３にはIrMnが使用される。反強磁性下地層２２は、反強磁性層２３に使用するIrMnを(111)方向に結晶配向させるために設けている。反強磁性層２３には、PtMn、PdPtMn等の反強磁性材も使用される。
磁化固定層２６は、強磁性材たとえばCoFeB、もしくはCoFeB／CoFeの積層構造に形成される。磁化固定層２６は反強磁性層２３との交換結合によって磁化方向が固定される。
【００１３】
トンネルバリア層２７は、MgO層とZnO層を交互に積層して形成される。MgO層とZnO層は、MgOとZnOをターゲットとするスパッタリング法によって形成する。
図４にトンネルバリア層２７の構成例を示す。図４（ａ）は、MgO層２７ａとZnO層２７ｂを積層した２層構造のトンネルバリア層の例である。図４（ｂ）は、MgO層２７ａとZnO層２７ｂとMgO層２７ａからなる３層構造のトンネルバリア層の例である。図４（ｃ）は、MgO層２７ａとZnO層２７ｂを交互に積層して４層構造とした例、図４（ｄ）は、最上層をZnO層２７ｂとした例である。トンネルバリア層２７におけるMgO層２７ａとZnO層２７ｂの積層数はとくに限定されるものではない。
【００１４】
本願発明のトンネル磁気抵抗効果素子１０において特徴とする構成は、トンネルバリア層２７を構成するMgO層２７ａの結晶配向を(001)とし、MgO層２７ａの上層のZnO層２７ｂの結晶配向方向を(001)とした積層膜としたことにある。
トンネルバリア層２７が複数層のZnO層２７ｂを備える場合も、各々のZnO層２７ｂの結晶配向方向は(001)となる。
【００１５】
図１において、自由磁化層２８は、CoFe、CoFeB、Ta、NiFeの４層構造とした。自由磁化層２８はNiFeの単層構造とすることも可能である。自由磁化層２８を４層構造としているのは、自由磁化層２８の特性を向上させるためである。キャップ層２９は、保護層として作用するものであり、TaとRuの２層構造とした。上部シールド層３０は、下部シールド層２１と同様にNiFeによって形成した。
【００１６】
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１は、下層側から、下部シールド層２１、反強磁性下地層２２、反強磁性層２３、第１の磁化固定層２４、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６、トンネルバリア層２７、自由磁化層２８、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
【００１７】
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１１は、磁化固定層を、第１の磁化固定層２４、反強磁性結合層２５、第２の磁化固定層２６によって形成した点が、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０と相異する。
磁化固定層は、外部磁界が作用してもできるだけ磁化方向が固定されている必要がある。図２に示す磁化固定層は、反強磁性結合層２５を介して磁化固定層を積層する構造とすることによって磁化固定層の磁化方向をより安定させた構造としている。
【００１８】
第１の磁化固定層２４としては、IrMnからなる反強磁性層２３と強い交換結合作用を有するCoFeを使用し、反強磁性結合層２５にRu、第２の磁化固定層２６としてCoFeBを使用する。他の各層については、上述した実施形態と同様である。
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１においても特徴的な構成は、トンネルバリア層２７の構成である。
【００１９】
図３に示すトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側から、下部シールド層２１、自由磁化層２８、トンネルバリア層２７、第２の磁化固定層２６、反強磁性結合層２５、第１の磁化固定層２４、反強磁性層２３、キャップ層２９、上部シールド層３０からなる。
【００２０】
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２は、下層側に自由磁化層２８とトンネルバリア層２７を配置し、トンネルバリア層２７の上層に第２の磁化固定層２６等からなる磁化固定層を配置している。これら各層の配置は、図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子１１と逆の配置となっている。磁気抵抗効果素子の層構成としては、本実施形態のように、積層方向を逆にすることも可能である。
本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子１２においても、特徴的な構成はトンネルバリア層２７についての構成である。
【００２１】
なお、図１、２、３に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２は、トンネル磁気抵抗効果素子の層構成として典型的な構成を示したものである。トンネル磁気抵抗効果素子は、上述した構成以外に種々の層構成とすることが可能である。本発明において特徴とするトンネルバリア層２７についての構成は、層構成が上記例とは異なるトンネル磁気抵抗効果素子についても同様に適用することができる。
また、トンネル磁気抵抗効果素子の各層を構成する材料につても適宜選択可能であり、前述した反強磁性材、強磁性材等は一例を示したものである。
なお、従来のトンネル磁気抵抗効果素子は、上述したトンネル磁気抵抗効果素子１０、１１、１２の構成において、トンネルバリア層２７をMgOの単層に置き換えたものとみればよい。
【００２２】
（トンネルバリア層）
上述したように、本実施形態のトンネル磁気抵抗効果素子は、(001)方向に結晶配向したMgO層の上にZnO層を積層する構造をトンネルバリア層の基本構造としている。図５は、このようなMgO層とZnO層からなる積層膜をトンネルバリア層とした磁気抵抗効果膜を作成し、ＭＲ比と、面積抵抗RA（素子抵抗と素子面積との積）を測定した結果を示す。
【００２３】
測定に使用したサンプルは、シリコン基板上に、反強磁性下地層としてTa(３nm）／Ru（２nm）、反強磁性層としてIrMn(７nm）、第１の磁化固定層としてCoFe(１．８nm）、反強磁性結合層としてRu(０．９nm）、第２の磁化固定層としてCoFeB(１．８nm）/CoFe(0.5nm)、トンネルバリア層としてMgO／ZnO、自由磁化層としてCoFe(０．３nm）／CoFeB(１．５nm）／Ta(０．２５nm）／NiFe(３．５nm）,キャップ層としてTa(５nm）／Ru(７nm）をそれぞれスパッタリングにより成膜して形成したものである。
【００２４】
図５においては、トンネルバリア層をMgO／ZnOの積層膜としたサンプルとして、下地層となるMgO層の厚さを、５Å、５．５Å、６Åとした場合について、ZnO層の膜厚を変えた３系列のサンプルの測定結果を示している。
グラフ中に、たとえば、５＋４＝９Åとあるのは、MgO（５Å）／ZnO（４Å）の積層膜についての測定結果を示す。５．５＋４＝９．５Åとあるのは、MgO（５．５Å）／ZnO（４Å）の積層膜、６＋３＝９Åとあるのは、MgO（６Å）／ZnO（３Å）の積層膜についての測定結果を示す。
【００２５】
図５には、トンネルバリア層をMgOの単層とした場合についても示した。
トンネルバリア層をMgOの単層膜とした場合は、MgO／ZnOの積層膜を上回るＭＲ比特性が得られるが、MgOの膜厚が６Å以下になると、急激にＭＲ比が低下する。本測定において、ZnO層の下地層とするMgO層の膜厚を、５Å、５．５Å、６Åに設定したのは、MgO層の膜厚を抑えることによって、MgO／ZnO積層膜の全膜厚を抑えて低抵抗となるようにし、また、磁気抵抗効果素子として実用可能な程度（ＭＲ比７０％程度以上）のＭＲ比が得られる膜厚を確保するためである。
【００２６】
図５に示す測定結果についてみると、トンネルバリア層をMgO単層とした場合は、膜厚が６Å以下になると、ＭＲ比が磁気抵抗効果素子として実用にならない程度にまで急激に低下する。
これに対して、MgO／ZnOの積層膜をトンネルバリア層に使用したサンプルは、MgO層の膜厚が５Å、５．５Å、６Åのいずれのサンプルについても、MgO層の単層の場合と比較してＭＲ比が大きく向上している。このことは、MgO層にZnO層を積層することによって、MgO層の単層の場合とくらべてＭＲ比を向上させることができることを示している。
【００２７】
また、トンネルバリア層にMgO／ZnOの積層膜を使用したサンプルと、MgO単層膜のサンプルについて、７０％程度のＭＲ比が得られる膜厚を比較すると、MgO単層膜にくらべてMgO／ZnO積層膜の全膜厚の方が厚いことがわかる。いいかえれば、トンネルバリア層としてMgO／ZnO積層膜を使用する場合は、全膜厚を厚くしてもＭＲ比を低下させないようにすることができることを示す。
前述したように、トンネルバリア層の膜厚を薄くすると、トンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じやすくなる。本実施形態のように、トンネルバリア層をMgO／ZnO積層膜とすると、全膜厚をMgO単層膜にくらべて厚くできることから、トンネルバリア層にピンホール等の欠陥が生じることを抑えることができ、ブレイクダウン電圧が低下することを防止し、素子破壊を抑えることが可能になる。
【００２８】
また、図５に示す測定結果は、トンネルバリア層を、MgO／ZnOの積層膜として、積層膜の全厚を厚くしても、面積抵抗RAはさほど大きくならないことを示している。
たとえば、MgO単層の場合の膜厚７Åと、MgO（６Å）／ZnO（２Å）積層膜を比較すると、MgO／ZnO積層膜は全厚がMgO単層膜よりも厚くなっているにもかかわらず、RA値は、MgO／ZnO積層膜の方が小さくなっている。
【００２９】
以上の測定結果は、トンネルバリア層をMgOとZnOの積層膜構造とすることにより、磁気抵抗効果膜のＭＲ比を低下させることがなく、トンネルバリア層の抵抗値RAについても低く抑えることができることを示す。また、トンネルバリア層の厚さをMgO単層の場合と比較して厚くできることから、トンネルバリア層を成膜した際に、ピンホール等の欠陥が生じることを抑え、素子のブレイクダウン電圧の低下を抑制して、磁気抵抗効果素子の信頼性、安定性を向上させることが可能であることを示している。
【００３０】
磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドのリード素子として使用する場合は、ＭＲ比が７０％程度あれば実用可能である。図５に示す測定結果は、MgO／ZnO積層膜からなるトンネルバリア層としては、MgO／ZnO積層膜の全厚が８Å〜１０Åの範囲であればＭＲ比特性上は使用可能である。
なお、抵抗値RAの条件としては、１（Ω・μm2）近傍が好ましい。したがって、さらに好ましくは、MgO／ZnO積層膜の全厚を８〜９Å、MgO層の膜厚を５〜６Å、ZnO層の膜厚を２〜４Åに設定するのがよい。
【００３１】
なお、図５には、ZnO層を単層で設けた場合について、面積抵抗RAとＭＲ比を測定した結果についても示した。ZnO単層の場合は、膜厚をかなり厚くしても、MgOと比較してＭＲ比ははるかに小さい。したがって、ZnO単層をトンネルバリア層とする方法は、トンネル磁気抵抗効果素子の構成としては有効ではない。また、図５のZnO単層の抵抗値（RA)をMgOと比較すると、ZnOはMgOよりも低抵抗であることがわかる。MgOにZnOを積層しても、抵抗値が大きくならないのは、ZnOの抵抗がMgOよりも低いからでもある。
【００３２】
図５に示す測定においては、MgO層の下地層をCoFeBとしたサンプルを用いて測定した。MgO層の下地層をCoFeB（アモルファス状態）とすると、MgO層は(001)方向に結晶配向する。
図６は、結晶配向方向が(001)のMgO層にZnO層を成膜した際に、ZnO層の結晶配向方向がどのようになるかをX線回折によって測定した結果を示す。
測定で使用したサンプルは、シリコン基板上に成膜した下地層上にMgO(5nm)とZnO(2nm)を交互に１４層積層したもの、MgO(0.6nm)とZnO(0.4nm)を交互に１０層積層したもの、MgOを単層で5nm成膜したもの、ZnOを単層で5nm成膜したものである。下地層は、Ta（5nm)とCoFeB(3nm)をこの順に積層した。CoFeB層は、MgO層を岩塩構造の(001)方向に結晶配向させる。
【００３３】
図６の測定結果は、下地層にZnO層を単層で成膜した場合は、ZnOの(0002)結晶面に起因するピークがあらわれ、ZnO層が六方晶系のウルツ構造となっていることを示す。
一方、MgO単層および、MgO層とZnO層の積層構造からなるサンプルについては、いずれも(002)結晶面に起因するピークがあらわれ、(0002)面に起因するピークは消失している。グラフの(002)ピークは、膜の結晶配向が岩塩型の(001)配向となっていることと等価であり、MgO層が(001)配向に成膜され、MgO層とZnO層の積層膜が(001)結晶配向となるように成膜されていることを示す。
MgO層とZnO層を積層した積層膜が、前述したようなＭＲ比および低抵抗となる特性を発現したのは、岩塩型の(001)結晶配向となるMgO層を下地層としてZnO層を形成したことによって、ZnO層が岩塩型の(001)結晶配向となったためと考えられる。
【００３４】
図７は、図１に示す素子膜について、層間結合磁界Hinについて測定した結果を示す。測定で使用したサンプルは、図５に示す測定において使用したサンプルと同一のものである。
図７において、同一のRA値について各サンプルのHin値を比較すると、トンネルバリア層としてMgO単層を用いた場合に比べて、MgO／ZnO積層膜を使用したサンプルは、いずれもHin値が低下している。
層間結合磁界Hin値は、トンネルバリア層の厚さが薄くなると、磁化固定層と自由磁化層間の結合磁界が強くなり、Hin値は大きくなる。図７に示す測定結果は、Hinの測定結果からも、MgO／ZnOの積層膜はMgO単層膜よりも膜厚が厚く、Hin値を小さくしていることがわかる。
【００３５】
Hin値が小さくなるということは、層間結合磁界が小さくなることであり、磁気抵抗効果素子においては、自由磁化層の磁化の向きが外部磁界の作用によって動きやすくなることを意味している。すなわち、外部磁界によって自由磁化層の磁化方向が動きやすくなることから、トンネル磁気抵抗効果素子の特性としては有利となる。
【００３６】
本発明に係るトンネル磁気抵抗効果素子を磁気抵抗デバイスに利用する例としては、磁気ヘッドのリード素子に利用する例、不揮発性メモリとして利用する例があげられる。
磁気記録装置に用いられる磁気ヘッドは、記録媒体への情報の記録用のライトヘッドと、記録媒体に記録された情報を再生するリード素子とを備える。トンネル磁気抵抗効果素子は、記録媒体の各ビットからの磁界（磁化の向き）の作用を磁気抵抗として検知することによって、記録媒体に記録されている情報を再生する。
【００３７】
不揮発メモリは、トンネルバリア層を挟んで固定磁化層と自由磁化層を配置した磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction)を備える。自由磁化層の磁化方向はビット線によって制御され、自由磁化層の磁化方向によってトンネル磁気抵抗が異なることを利用して記録信号を検出する。自由磁化層の磁化状態を利用することにより不揮発性となる。不揮発メモリに利用する場合も、トンネルバリア層の膜厚を厚くできることから、層間磁気結合を弱め、トンネル磁気抵抗のばらつきを抑えてメモリの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】トンネル磁気抵抗効果素子の層構成を示す説明図である。
【図２】トンネル磁気抵抗効果素子の他の層構成を示す説明図である。
【図３】トンネル磁気抵抗効果素子のさらに他の層構成を示す説明図である。
【図４】トンネルバリア層の積層膜の構成を示す断面図である。
【図５】MgO／ZnO積層膜についての、MR比とRAの測定結果を示すグラフである。
【図６】MgO／ZnO積層膜の配向方向を測定したX線解析結果を示すグラフである。
【図７】Hinについての測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１０、１１、１２  トンネル磁気抵抗効果素子
２１  下部シールド層
２２  反強磁性下地層
２３  反強磁性層
２４  第１の磁化固定層
２５  反強磁性結合層
２６  磁化固定層（第２の磁化固定層）
２７  トンネルバリア層
２７ａ  MgO層
２７ｂ  ZnO層
２８  自由磁化層
２９  キャップ層
３０  上部シールド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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