WO2004030114A1 - 磁気抵抗素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　ＴＭＲ効果を利用する磁気抵抗素子の熱耐性を向上する。ＴＭＲ効果を利用する磁気抵抗素子のＮｅｅｌ効果を抑制する。このため、磁気抵抗素子は，強磁性体で形成された第１強磁性層と，第１強磁性層に接合された，非磁性，且つ絶縁性のトンネルバリア層と，強磁性体で形成され，トンネルバリア層に接合された第２強磁性層と，反強磁性体で形成された反強磁性層とを備えている。第２強磁性層は，トンネルバリア層と反強磁性層との間に位置している。第２強磁性層の表面の任意の位置から前記表面に垂直な方向に引かれた垂線は，第２強磁性層を構成する結晶粒の少なくとも２つを通過する。

Description

明細書

磁気抵抗素子及びその製造方法 技術分野

本発明 は， 磁気抵抗素子 に 関 し 、 特に、 本発明 は， 耐熱性 が向上 し た磁気抵抗素子に 関する 。 背景技術

ト ンネル磁気抵抗効果 （ T M R効果） を示す磁気抵抗素子 を ， 磁気 ラ ンダム ア ク セス メ モ リ （ M R A M ) 及び高密度磁 気記録装置の再生用磁気へ ッ ド に応用す る ため の研究が進 め ら れて い る 。 T M R効果は， 磁気抵抗効果の一種で あ る 。 磁 気抵抗効果 と し て は， T M R効果の他に， 巨大磁気抵抗効果 ( G M R効果） が知 ら れて い る 。 し か し ， 巨大磁気抵抗効果 ( G M R効果） よ り も大 き な磁気抵抗効果 を示す T M R効果 は， M R A M及び再生用磁気へ ッ ド への応用 に好適であ る 。

T M R効果 を示す磁気抵抗素子は， 典型的 に は， 図 1 に 示 さ れる よ う に， 反強磁性層 1 0 1 ， 固定強磁性層 1 0 2 , ト ンネルノ' リ ア層 1 0 3 ， 及び 自 由 強磁性層 1 0 4 を備え て い る 。 反強磁性層 1 0 1 は， 例 え ば F e — M n ， I r _ M n の よ う な反強磁性体で形成 さ れる 。 固定強磁性体 1 0 2 , 及び 自 由強磁性層 1 0 4 は， 例 え ばパー マ ロ イ の よ う な強磁性体 で形成 さ れ， それぞれに 自 発磁化 を有 し て い る 。 固定強磁性 体 1 0 2 が有する 自 発磁化 は， 反強磁性層 1 0 1 か ら 受 け る 交換結合作用 に よ っ て固定 さ れて い る 。 自 由 強磁性層 1 0 4 の 自 発磁化の方向は， 固定強磁性体 1 0 2 の 自 発磁化 と 平行 に， 又 は反平行 （ antiparallel) に 反転可能で あ る 。 ト ン ネ ルノ リ ア 層 1 0 3 は， ァ リレ ミ ナ （ A 1 ₂ 〇 ₃ ) の よ う な絶 縁性の非磁性体で形成 さ れる 。 ト ンネ ルバ リ ア 層 1 0 3 の厚 さ は， その表面 に垂直な方向 に ト ンネル電流が流れる程度 に 薄 く ， 典型的 に は， l n m〜 3 n mで あ る 。 こ の よ う な構造 を有する磁気抵抗素子は.， 磁気 ト ンネル接合 （ Magnetic tu nnel unction ： M T J ) と 呼 ばれ る こ と が あ る 。 こ の よ う な磁気抵抗 素子 の 構造が， 特 開 平 4 一 1 0 3 0 1 4 号公 報、 及び米国特許公報第 5 , 6 5 0 , 9 5 8 号 に 開示 さ れて い る 。

T M R効果 に よ り ， 磁気抵抗素子の抵抗 は， 固定強磁性層 1 0 2 及び自 由 強磁性層 1 0 4 の 自 発磁化の相対的方向 に応 じ て変化す る 。 磁気抵抗素子を含む M R A Mで は， 磁気抵抗 素子の抵抗の変化が， 不揮発的 に記憶 さ れたデー タ の検 出 に 利用 さ れる 。 磁気抵抗素子 を含む磁気へ ッ ド で は， 磁気抵抗 素子の抵抗の変化が外部磁場の検出 に利用 さ れて い る 。

米国特許公報第 5 , 9 6 6 , 0 1 2 号公報 に は， T M R効 果 を示す磁気抵抗素子の特性 を 向上す る た め の技術が開 示 さ れて い る 。 T M R効果 を 示す磁気抵抗素子で は， 強磁性層 間 の静磁的な相互作用 を減少 さ せる こ と が重要で あ る 。 米国特 許公報第 5 ， 9 6 6 ， 0 1 2 号公報 は， 固定強磁性層 と 自 由 強磁性層 の各 々 を ， 2 層 の強磁性層 と 該強磁性層 の間 に介設 さ れた非磁性層 と で構成す る 技術 を 開示 し て い る 。 こ の よ う な構造 は， 強磁性層 の 間 の静磁的な相互作用 を有効 に減少 さ せ る 。 米国特許公報第 5 ， 9 6 6 , 0 1 2 号公報 に は， 非磁 性層 と して R u 層 を使用する こ と が開示さ れて い る 。

T M R効果を利用す る磁気抵抗素子の課題は， 熱耐性で あ る 。 M R A M及び磁気へ ッ ド の製造工程は， 熱処理工程 を含 む。 例え ば， M R A Mの製造工程 は， 層 間絶縁膜を形成す る 工程， ト ラ ンジス タ の水素 シ ンタ ー処理， 及びパ ッ ケー ジ ン グ工程 の よ う に ， 磁気抵抗素子が 3 0 0 °Cか ら 4 0 0 X に 加 熱さ れる 工程 を含む。 磁気抵抗素子に高 い温度が加わ る と ， 反強磁性層 1 0 1 の材料が， 固定強磁性層 1 0 2 を介 し て ト ンネルノ リ ア層 1 0 3 お よ び自 由 強磁性層 1 0 4 に拡散 し ， 磁気抵抗素子の特性 を劣化 さ せる 。 特 に反強磁性層 1 0 1 が I r - M η , 及び P t — M n の よ う なマ ンガ ン を含む反強磁 性体で形成 さ れて い る 場合 に は， 磁気抵抗素子の劣化 の問題 はよ り 重大で あ る 。 拡散 しやすい性質 を有す る マ ン ガ ン は， 反強磁性層 1 0 1 か ら ト ンネルバ リ ア 層 1 0 3 お よ び 自 由 強 磁性層 1 0 4 に短時間で到達する こ と が， 組成分析や断面観 察に よ っ て確認 さ れて い る 。

反強磁性層 に含 ま れ る M n の拡散 を有効 に抑制する た め の 磁気抵抗素子の構造が， 特開 2 0 0 2 — 1 5 8 3 8 1 号公報 に 開示 さ れて い る 。 そ の磁気抵抗素子は， M n を含有す る 反 強磁性層 と ， 該反強磁性層 上 に形成さ れた磁化固着層 と ， 該 磁化固着層 の上 に 形成 さ れた ト ンネルバ リ ア層 と ， ト ン ネ ル バ リ ア 層 の上 に形成 さ れた磁化 自 由 層 と を有 し て い る 。 磁化 固着層 は， 第 1 及 び第 2 強磁性層 の 間 に， 絶縁層又 はァ モ ル フ ァ ス磁性層 を挟んだ構造 を有 し て い る 。 T M R効果 を利用す る磁気抵抗素子の他の課題は， N e e 1 効果 （オ レ ン ジ ピール効果） に よ り ， 自 由強磁性層 1 0 4 の 自 発磁化 を 反転 さ せ る の に必要な反転磁場が， 反転さ せ よ う と す る方向 に対 し て非対称的 にな る こ と であ る 。 N e e l 効果は， 2 つ の強磁性層 と それ ら の強磁性層 間 に介設 さ れた 非磁性層 と か ら な る構造 にお いて発生する効果であ り ， 2 つ の強磁性層 の非平坦性 に起因す る 。 N e e l 効果は， 2 つ の 強磁性層 を強磁性的 に結合 さ せ， 2 つ の強磁性層 の 自 発磁化 を 同一方向 に （平行に） し ょ う と する 。 N e e 1 効果は， 2 つ の強磁性層 の 自 発磁化 を反平行 （ ant iparallel) にす る た め に必要な磁場 を， 2 つ の強磁性層 の 自 発磁化を平行 にす る た め に必要な磁場よ り も 大 き く す る 。 こ の N e e l 効果 に よ り ， 自 由強磁性層 1 0 4 の 自 発磁化 を 反転さ せる の に必要 な反転磁場が非対称的 にな る 。 固定強磁性層 1 0 2 と 自 由 強 磁性層 1 0 4 と の 間 に介設 さ れ る ト ンネルノ リ ア層 1 0 3 の 厚 さ が極め て薄 い た め ， T M R効果 を利用 す る 磁気抵抗素子 は， N e e 1 効果に よ る影響が大き い。

上記説明 と 関連 し て 、 磁気記憶装置が特開平 1 1 一 2 3 8 9 2 3 号公報 に 開示 さ れて い る 。 こ の従来例の磁気素子は、 ト ンネル電流 を流 し得 る 厚 さ を有す る 絶縁層 と 、 こ の絶縁層 を挟持する よ う に配置 さ れた第 1 お よ び第 2 の強磁性膜 と を 具備す る 。 第 1 お よび第 2 の強磁性膜の少な く と も 一方 は非 磁性体で分断 さ れて い る 。 あ る い は、 磁気素子 は、 誘電体マ ト リ ッ ク ス 中 に分散 さ せた強磁性微粒子 を有 し 、 かつ保磁力 を持つ ダ ラ 二 ユ ラ一磁性膜 と 、 こ の ダ ラ 二 ユ ラ一磁性膜 と 近 接配置 さ れた強磁性膜 と を具備す る 。 ダ ラ 二 ユ ラ 一磁性膜 と 強磁性膜 と の 間 に ト ンネル電流が流れる 。 強磁性膜は非磁性 体で分断 さ れてい る 。 こ の従来例 に よ れば、 所望の 出 力電圧 値が得 ら れ、 強磁性 ト ンネル接合素子に流す電流値が増や さ れて も磁気抵抗変化率の減少が少な い。

ま た 、 磁気抵抗効果素子が特開 2 0 0 0 — 1 5 6 5 3 0 号 公報 に 開示 さ れて い る 。 こ の従来例 の磁気抵抗効果素子は、 外部磁界に よ り 磁化方向が変化す る 第 1 の磁性層 と 、 磁化が 実質的 に 固着 さ れた第 2 の磁性層 と 、 前記第 1 の磁性層 と 前 記第 2 の磁性層 と の 間 に設 け ら れた非磁性 中 間層 と を備え て い る 。 第 1 の磁性層 に 隣接 し て設 け ら れた金属バ リ ア 層 と 、 金属バ リ ア層 に隣接 して設け ら れ、 酸化物、 窒化物、 炭化物、 フ ッ 化物、 塩化物、 硫化物及びホ ウ化物か ら 選ばれた少な く と も いずれか を含む電子反射層 と を さ ら に備えて い る 。 さ ら に 、 金属下地層や結晶成長制御層 が設 け ら れて も よ い。 こ の 従来例 に よ れば、 長期的な信頼性が向上 し 、 さ ら に初期特性 も改善 さ れて い る 。

ま た 、 磁気記録媒体が特開 2 0 0 1 — 7 6 3 2 9 号公報 に 開示 さ れて い る 。 こ の従来例 の磁気記録媒体では、 非磁性基 板上 に下地膜が形成 さ れ、 強磁性材料 と 電気抵抗が 1 0 6 Ω c m以下の非磁性材料 と の混合物 か ら な る タ ーゲ ッ ト を用 い た ス パ ッ タ リ ン グ法で、 あ る い は 、 強磁性材料か ら な る 夕 一 ゲ ッ ト と 電気抵抗が 1 0 6 Ω c m以下の 非磁性材料か ら な る 夕 ーゲ ッ ト を用 い たニ元ス パ ッ タ リ ン グ法で、 その下地膜上 に ダ ラ 二 ユ ラ 構造 の磁性膜が成膜 さ れ、 そ の上 に保護膜が成 膜 さ れ る 。 こ の従来例 に よれば、 平滑度の よ い ダ ラ 二 ユ ラ 構 造の磁性膜が提供 さ れ、 磁気へ ッ ド と の摩擦が小 さ く 耐久性 に優れて い る 。

また 、 ス ピ ンバルブ型磁気セ ンサ を有する 磁気ヘ ッ ド が特 開 2 0 0 1 — 1 0 1 6 2 2 号公報 に 開示 さ れて レ、 る 。 こ の従 来例の磁気へ ッ ド は、 強磁性固定層 Z非磁性中 間層 Z軟磁性 自 由層 の積層構成 を有 し 、 強磁性固定層が、 反強磁性膜あ る い は硬磁性層膜 と 直接全面に積層 さ れた交換結合な ど の手段 で感知 さ れる べ き磁界に対 し て実質的 にその磁化方向が固定 さ れて い る 。 外部の磁界 に応 じ て軟磁性 自 由 層 の磁化が回転 し 、 軟磁性 自 由 層 の磁化 と 、 強磁性固定層の磁化 と の相対角 度の変化 に よ る磁気抵抗効果が生 じ さ せ ら れ、 抵抗の変化 を 検出する ため に一対の電極が設け ら れて い る 。 強磁性固定層 が、 第 1 の強磁性膜 非磁性挿入層 Z第 2 の強磁性膜の積層 体か ら な り 、 第 1 の強磁性膜 と 第 2 の強磁性膜が非磁性挿入 層 を介 し て感知すべ き磁界に対 し て十分大き な強磁性的結合 を有 し 、 互い の磁化が順平行 に配置 さ れ、 実質的 に一体の 強 磁性膜 と し て機能 し て い る 。 こ の従来例 に よ れば、 狭ギ ヤ ッ プ、 狭 ト ラ ッ ク で高 出 力 、 波形対称性の よ い磁気ヘ ッ ド が提 供される 。

また 、 磁気抵抗効果素子が特開 2 0 0 2 — 9 4 1 4 1 号公 報 に開示 さ れて い る 。 こ の従来例 の磁気抵抗効果素子は、 反 強磁性層 と 、 こ の反強磁性層 と 接 し て形成さ れ、 反強磁性層 と の交換異方性磁界 に よ り 磁化方 向が固定 さ れ る 固定磁性層 と 、 固定磁性層 に非磁性 中間層 を 介 し て形成 さ れた フ リ ー磁 性層 と 、 フ リ ー磁性層 の磁化方向 を 固定磁性層 の磁化方向 と 交叉す る 方向へ揃 え る バイ ア ス層 と を備え て い る 。 反強磁性 層 と こ の反強磁性層 と 接 して形成 さ れた 固定磁性層 と が、 交 換結合膜に よ り 形成 さ れて い る 。 反強磁性層 と 強磁性層 と が 接 して形成さ れ、 反強磁性層 と強磁性層 と の界面 に交換結合 磁界が発生 し 、 強磁性層の磁化方向が一定方向 に さ れて い る 。 反強磁性層 は、 元素 X (ただ し X は、 P t , P d ， I r , R h ， R u , O s の う ち 1 種ま た は 2 種以上の元素であ る ） と M n と を含有する 反強磁性材料で形成 さ れ、 交換結合膜を膜 厚方向 と 平行な切 断面 に現われる 反強磁性層 に形成 さ れた結 晶粒界 と 、 強磁性層 に 形成 さ れた結晶粒界 と が前記界面の少 な く と も 一部で不連続で あ る 。 こ の従来例 に よ れば、 耐食性 に優れた反強磁性材料 と し て の P t M n 合金膜を反強磁性層 と して使用 し て も 、 結晶粒界の状態 に よ っ て交換結合磁界は 小 さ く さ れる こ と ができ る 。 発明の開示

本発明 の 目 的は， T M R 効果 を利用 す る磁気抵抗素子の熱 耐性を 向上す る こ と に あ る 。

本発明 の他 の 目 的は， T M R 効果 を利用 す る 磁気抵抗素子 の N e e 1 効果を 抑制 し ， 反転可能 に 設 け ら れ る 自 発磁化 を 反転さ せる の に必要な反転磁場 を対称的 にする こ と に あ る 。

本発明 の第 1 段点で は、 磁気抵抗素子は， 強磁性体で形成 さ れた 第 1 強磁性層 と ， 第 1 強磁性 層 に 接合 さ れた ， 非磁 性 ， 且 つ 絶縁性 の ト ン ネ ルバ リ ア 層 と ， 強磁性体で 形 成 さ れ， ト ンネルバ リ ア 層 に接合 さ れた第 2 強磁性層 と ， 反強磁 性体で形成さ れた反強磁性層 と を備え て い る 。 第 2 強磁性層 は， ト ンネルバ リ ァ 層 と 反強磁性層 と の間 に位置 し て い る 。 第 2 強磁性層 の う ち の少な く と も 一部は， 第 2 強磁性層 の反 強磁性層 の側の表面 に垂直な方向 に 引 かれた垂線が， 第 2 強 磁性層 を構成す る 結晶粒の少な く と も 2 つ を通過す る よ う に 形成 さ れて い る 。 こ の よ う な構造 に よ り ， 第 2 強磁性層 の粒 界が直線的に第 2 強磁性層 を貫通する こ と が回避 さ れ， 反強 磁性層 を構成す る 材料の ト ン ネルバ リ ア層への拡散が抑制 さ れる 。

反強磁性層 を構成する 材料の ト ンネルバ リ ァ層への拡散 を 一層 に抑制す る た め に は， 第 2 強磁性層 の反強磁性層 の側の 表面 の 任意 の位置 か ら 該 表面 に 垂直な 方向 に 引 かれ た垂線 が， 第 2 強磁性層 を構成する 結晶粒の 少な く と も 2 つ を通過 する こ と が好適で あ る 。

ト ン ネ ルバ リ ア 層 が第 2 強磁性層 に 対 し て ， 第 1 強磁性 層 ， 前記 ト ン ネルバ リ ア 層， 前記第 2 強磁性層， 及び反強磁 性層が形成さ れる 基板の反対側 に あ る ， 即 ち ， ト ンネルバ リ ァ 層が第 2 強磁性層 の上 に形成 さ れる 場合， 上記の構造は， 第 1 強磁性層 ， ト ンネルバ リ ア層及び第 2 強磁性層 を平坦化 し ， N e e 1 効果が抑制 さ れる 点で も好適であ る 。

磁気抵抗素子が， 更 に ， 非磁性層 と ， 強磁性体で形成 さ れ た第 3 強磁性層 と を備え ， 第 3 強磁性層が反強磁性層 の上 に 形成 さ れ， 非磁性層が第 3 強磁性層 の上 に形成 さ れ， 第 2 強 磁性層 は非磁性層 の 上 に形成 さ れて い る 場合， 非磁性層 は， 第 2 強磁性層 の形成の と き ， 第 2 強磁性層 の結 晶粒 を微細化 する 作用 を有する よ う に形成さ れて い る こ とが好適であ る 。

第 2 強磁性層 の結晶粒の微細化 は， 非磁性層 と第 2 強磁性 層 と を ， 互 い に異な る 点群 に属す る 材料で形成す る こ と に よ つ て達成可能であ る 。

当 該磁気抵抗素子が， 第 2 強磁性層 に接合 さ れた非磁性層 と ， 強磁性体で形成 さ れ， 且つ， 非磁性層 に接合 さ れた第 3 強磁性層 と を備え ， 第 2 強磁性層 と 非磁性層 と 第 3 強磁性層 と は， ト ン ネ ルバ リ ア 層 と 反 強磁性層 と の 間 に 位置す る 場 合， 非磁性層 は， T a ， A 1 , M g ， T i ， M o ， 及び Wか ら な る 群か ら選ばれた一の元素で形成 さ れた金属膜， 又は， 前記群か ら 選ばれた複数の元素の合金で形成 さ れて い る こ と が好適で あ る 。 T a ， A 1 , M g , T i , M o , 及び Wか ら な る 群か ら 選ばれた一の元素で形成さ れた金属膜， 又 は， 前 記群か ら 選ばれた複数の元素 の合金で形成 さ れて い る 非磁性 層 は， 反強磁性層 を構成す る 材料， 特 に， M n の ト ンネルバ リ ァ層への拡散を効果的 に抑制する 。

こ の場合， 第 3 強磁性層 が反強磁性層 の 上 に 形成 さ れ， 非 磁性層 が第 3 強磁性層 の上 に形成 さ れ， 第 2 強磁性層が非磁 性層 の 上 に形成 さ れて い る こ と が好適であ る 。 第 2 強磁性層 が上述 の材料で形成 さ れた非磁性層 の上 に形成す る こ と は， 第 2 強磁性層の結晶粒 を微細化 し ， 第 2 強磁性層 の表面の任 意の位置か ら 表面 に垂直な方向 に 引 かれた垂線が第 2 強磁性 層 を構成す る 結晶粒の少な く と も 2 つ を通過す る構造 を実現 する 。 第 2 強磁性層 の平均粒径は， 第 2 強磁性層 の膜厚 の 3 分の 2 以下で あ る こ と が好ま し く ， 第 2 強磁性層 の平均粒径 は， 第 2 強磁性層 の膜厚の 2 分の 1 以下であ る こ と が一層 に好 ま し い。

上述の磁気抵抗素子の構造 は， 反強磁性層が， M n を含有 する 場合に特に好適であ る 。

本発明 の他の観点では、 磁気抵抗素子は， 強磁性体で形成 さ れ た 第 1 強磁性層 と ， 第 1 強磁性層 に接合 さ れた ， 非磁 性 ， 且つ 絶縁性 の ト ン ネ ルバ リ ア 層 と ， 強磁性体 で形 成 さ れ， ト ンネルバ リ ア層 に接合 さ れた第 2 強磁性層 と ， M n を 含む反強磁性体で形成さ れた 反強磁性層 と を備え て い る 。 第 2 強磁性層 は， ト ンネルバ リ ア層 と 反強磁性層 と の 間 に位置 し て い る 。 第 2 強磁性層 の結 晶粒は， 反強磁性層か ら ト ンネ ルバ リ ア層への M n の拡散 を 防止可能に配置さ れて い る 。

本発明 に よ る磁気抵抗素子製造方法は， （ A ) 真空容器の 中で， 反強磁性層 を基板の上面側 に形成す る 工程 と ， （ B ) 反強磁性層 の形成の後， 前記真空容器 に酸化性ガ ス を導入す る 工程 と ， （ C ) 前記真空容器か ら 前記酸化性ガス を排気す る 工程 と ， （ D ) 前記酸化性ガス の排気の後， 前記反強磁性 層 の 上 に 固定強磁性層 を形成する 工程 と ， （ E ) 前記固定強 磁性層 の 上 に ， ト ンネルバ リ ア層 を形成す る 工程 と ， （ F ) ト ン ネルバ リ ア層 の上 に， 自 由 強磁性層 を形成す る 工程 と を 備え て い る 。 反強磁性層 の形成の後， 真空容器 に酸化性ガス を導入す る こ と は， 反強磁性層 の表面 に酸素 を 吸着 さ せ る 。 吸着 さ れた酸素 は， 固定強磁性層 の結晶粒の成長 を 阻害 し ， 固定強磁性層 の結晶粒を微細化す る 。 固定強磁性層 の結晶粒 の微細化 に よ り ， 固定強磁性層 の粒界が直線的 に 固定強磁性 層 を貫通する こ と が回避 さ れ， 反強磁性層 を構成す る材料の ト ンネルバ リ ア層への拡散が抑制 さ れる 。

前記酸化性ガス が， 酸素ガス で あ る 場合， （ B ) 工程 にお いて前記酸化性ガス が導入 さ れた と き の前記酸化性ガス の分 圧は， 0 よ り 大き く ， 1 x 1 0 — ⁴ P a よ り 小 さ Ι こ と が好適 であ る 。

本発明 に よ る磁気抵抗素子製造方法は， （ G ) 反強磁性層 を基板 （ 1 ) の上面側に形成す る 工程 と ， （ H ) 酸化性ガス を含む雰 囲気で， 反強磁性層 の上 に 固定強磁性層 （ 4 ) を形 成す る 工程 と ， （ I ) 固定強磁性層 （ 4 ) の上 に， ト ンネル ノ リ ア 層 を 形成す る 工程 と ， （ J ) ト ン ネ リレノ' リ ア 層 の 上 に ， 自 由 強磁性層 を形成す る 工程 と を備え て い る 。 （ H ) ェ 程の 間の前記酸化性ガス の分圧 は， 形成 さ れた前記固定強磁 性層が導電性 を有す る よ う に定め ら れてい る 。 酸化性ガス を 含む雰囲気で， 反強磁性層 の 上 に 固定強磁性層 を形成す る こ と に よ り ， 固定強磁性層 の結晶粒の成長が阻害 さ れ， 固定強 磁性層 の結晶粒が微細化 さ れ る 。 固定強磁性層 の結晶粒の微 細化 に よ り ， 固定強磁性層 の粒界が直線的 に 固定強磁性層 を 貫通する こ と が回避 さ れ， 反強磁性層 を構成す る 材料の ト ン ネルバ リ ァ層への拡散が抑制 さ れ る 。

前記酸化性ガス が， 酸素ガス で あ る 場合， （ H ) 工程の 間 の前記酸化性ガス の分圧 は， 0 よ り 大 き く ， 5 x l O _ ⁵ P a よ り も 小 さ い こ と が好適で あ る。 図面の簡単な説明

図 1 は， 従来の磁気抵抗素子を示す断面図であ る 、 図 2 は， 本発明の第 1 実施例によ る磁気抵抗素子を示す断 面図であ り 、

図 3 は， 第 1 実施例の磁気抵抗素子の固定強磁性層を示す 拡大図であ り 、

図 4 は， 本発明の実験例 1 と比較例 1 と につ いて， 固定強 磁性層の X線回折強度を示す図であ り 、

図 5 は， 本発明の第 2 実施例によ る磁気抵抗素子を示す断 面図であ り 、

図 6 は， 本発明の実験例 3 乃至実験例 1 2 における非磁性 層の材料及び厚さ を示す表であ り 、

図 7 は， 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子の第 2 固 定強磁性層の平均粒径を示す図であ り 、

図 8 は， 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子 に つ い て， 第 2 固定強磁性層 と ト ンネルバ リ ア層 と の界面に存在す る M n 量を示す図であ り 、

図 9 は， 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子 に お い て， 熱処理 （ァニール） 後の M R 比を示す図であ り 、

図 1 0 は， 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子につ い て， 第 2 固定強磁性層 に印加 される交換バイ アス磁場を示す 図であ る。 発明を実施するための最良の形態

以下， 添付図面を参照 して， 本発明 によ る磁気抵抗素子を 説明する 。

(第 1 実施例）

図 2 は， 本発明 の第 1 実施例 に よ る 磁気抵抗素子 を示す。 第 1 実施例 の磁気抵抗素子で は， T M R効果 を示す磁気抵抗 素子 を用 いた M R A M の メ モ リ セルが提供 さ れ る 。 メ モ リ セ ルは， 基板 1 と下地層 2 と を備えて い る 。 下地層 2 は， 基板 1 の上 に形成 さ れて い る 。 下地層 2 は， 基板 1 の上 に形成 さ れた シー ド 層 2 a と ， シー ド 層 2 a の上 に形成 さ れた初期強 磁性層 2 b と を含む。 シー ド 層 2 a は， 典型的 に はタ ン タ ル で形成 さ れ， 初期強磁性層 2 b は， 典型的 に は， N i — F e で形成 さ れる 。

下地層 2 の上に は， 反強磁性層 3 が形成さ れて い る 。 反強 磁性層 3 は， 例 え ば I r 一 M n ， P t — M n の よ う な反強磁 性体で形成 さ れる 。 反強磁性層 3 の上 に は， 固定強磁性層 4 が形成 さ れて い る 。 固定強磁性層 4 は， 例 え ば N i — F e ， 及び C o — F e の よ う な強磁性体で形成 さ れて い る 。 強磁性 体で形成さ れた 固定強磁性層 4 は， 自 発磁化 を有 し て い る 。 固定強磁性層 4 の 自 発磁化の方向は， 反強磁性層 3 か ら 受 け る 相互作用 に よ っ て 固定 さ れて い る 。

固定強磁性層 4 の 上 に は， ト ンネルバ リ ア 層 5 が形成 さ れ て い る 。 ト ン ネルノ' リ ア 層 5 は， 例 え ばァ リレ ミ ナ （ A 1 ₂ 〇 3 ) の よ う な絶縁性 の 非磁性材料で形成 さ れ る 。 ト ンネ ルバ リ ア 層 5 は， 厚 さ 方 向 に ト ン ネル電流が流れ る 程度 に薄 い。 ト ン ネルバ リ ア層 5 の膜厚は， 典型的 に は， 1 — 3 n mで あ る 。 ト ン ネルバ リ ア 層 5 の上 に は， 自 由 強磁性層 6 が形成さ れ て い る 。 自 由 強磁性層 6 は， 例 え ば N i — F e , 及び C 0 — F e の よ う な強磁性体で形成 さ れ， 自 発磁化 を有 し て い る 。 自 由強磁性層 6 の 自 発磁化 の方向 は， 固定強磁性層 4 の 自 発 磁化の方向 に平行 に ， 又は， 反平行に反転可能であ る 。 図 2 の メ モ リ セルは， 1 ビ ッ ト のデ一 夕 を 自 由 強磁性層 6 の 自 発 磁化の方向 と して記憶する 。 固定強磁性層 4 と 自 由強磁性層 6 と の 間の抵抗 （即ち ， メ モ リ セルの抵抗） は， T M R効果 に起 因 して， 自 由 強磁性層 6 の 自 発磁化の方向 に応 じ て変化 す る 。 抵抗の変化 に よ り ， メ モ リ セル に記憶 さ れて い るデー 夕 が判別可能であ る 。

自 由 強磁性層 6 の 上 に は， 表面保護 層 7 が形成 さ れて い る 。 表面保護層 7 は， 典型 的 に は， タ ン タ ルで形成 さ れる 。 表面保護層 7 は， 該 メ モ リ セルの外部 に接続さ れる 電極 と し て使用 さ れる 。

反強磁性層 3 に含ま れる 材料が ト ンネルバ リ ァ層 5 に拡散 す る こ と を 防止す る た め に ， 固定強磁性層 4 を構成す る結 晶 粒は微細化 さ れて い る 。 図 3 に示 さ れ る よ う に ， 固定強磁性 層 4 の結晶粒の微細化 に よ り ， 固定強磁性層 4 の少な く と も 一部は， 固定強磁性層 4 の表面 4 a か ら 表面 4 a に垂直な方 向 に 引 かれた垂線が， 固定強磁性層 4 を構成す る 結晶粒の 少 な く と も 2 つ を 通 過 す る よ う に 形 成 さ れて レゝ る 。 こ れ に よ り ， 固定強磁性層 4 の粒界が直線的 に 固定強磁性層 4 を貫通 す る こ と が回避さ れて い る 。 薄膜 中 の物質 の拡散は， し ば し ば， 薄膜の粒界を介す る粒界拡散 に よ る 。 固定強磁性層 4 の 粒界が直線的 に 固定強磁性層 4 を貫通 し な い構造 は， 物質が 拡散す る 拡散経路を長 く し ， 粒界拡散 を効果的 に抑制す る 。 反強磁性層 3 に含 ま れ る 材料の ト ンネルバ リ ァ 層 5 への拡散 を よ り 効果的 に抑制す る た め に は， 固定強磁性層 4 の表面 4 a の 任 意 の位置か ら 表 面 4 a に 垂直 な 方 向 に 引 か れ た 垂線 が， 固定強磁性層 4 を構成す る 結晶粒の少な く と も 2 つ を通 過す る よ う に 固定強磁性層 4 が形成 さ れて い る こ と が好適で あ る 。

反強磁性層 3 に含 ま れる 材料の ト ンネルバ リ ァ層 5 への拡 散 を さ ら に抑制する た め に は， 固定強磁性層 4 は， 固定強磁 性層 4 を構成する 結晶粒の平均粒径が固定強磁性層 4 の膜厚 の 3 分 の 2 以下であ る よ う に形成 さ れる こ と が好適で あ り 、 平均粒径が固定強磁性層 4 の膜厚の 2 分の 1 以下であ る こ と が， 更 に好適であ る 。

固定強磁性層 4 を構成す る 結晶粒の微細化 は， 更 に ， N e e 1 効 果 （ オ レ ン ジ ピ ー ル効果） の 抑 制 の 点 で も 有効 で あ る 。 固定強磁性層 4 を構成す る 結晶粒が微細化 さ れ る こ と に よ り ， 固定強磁性層 4 が平坦化 さ れ， 従 っ て， ト ンネルバ リ ァ層 5 及び自 由強磁性層 6 が平坦化 さ れる 。 固定強磁性層 4 及び 自 由 強磁性層 6 の平坦化 は， こ れ ら の強磁性層 と ト ン ネ ルバ リ ア 層 5 と の界面 に磁極が発生す る こ と を 防止 し ， 固定 強磁性層 4 と 自 由 強磁性層 6 と の 間 に働 く N e e 1 効果 を効 果的 に抑制す る 。 N e e 1 効果の抑制 に よ り ， 自 由 強磁性層 6 の 自 発磁化 を反転 さ せ る の に必要な磁場の オ フ セ ッ 卜 が抑 制 さ れる 。 固定強磁性層 4 の結晶粒の粒径の微細化 は， 下記 2 つ の 製 造方法の いずれか に よ つ て磁気抵抗素子を 製造する こ と に よ つ て実現可能で あ る 。 即ち 、 磁気抵抗素子の第 1 製造方法で は， 基板 1 の上 に， シー ド 層 2 a ， 初期強磁性層 2 b ， 及び 反強磁性層 3 が順次 に成膜さ れる 。 シー ド 層 2 a , 初期強磁 性層 2 b , 及び反強磁性層 3 の成膜は， ス パ ッ 夕 法， 又は， 蒸着法 を用 いて， 真空容器内 にお いて行われる 。 反強磁性層 3 の 形 成 の 後 ， 反 強磁性層 3 の 成膜が行わ れ た 真空 容器 内 に， 微量の酸化性ガス が導入 さ れ， 反強磁性層 3 が酸化雰 囲 気 に曝 さ れる 。 酸化性ガス と し て は， 典型的 に は， 酸素ガ ス が使用 さ れる 。 反強磁性層 3 が酸化雰囲気 に さ ら さ れる こ と に よ り ， 酸化性ガス に含 まれて い る 酸素が， 反強磁性層 3 の 表面 に 吸着 さ れる 。 続いて， 真空容器が高真空 ま で排気さ れ た後， 反強磁性層 3 の上に固定強磁性層 4 が形成 さ れる 。 反 強磁性層 3 の表面 に 吸着 さ れた酸素 は， 固定強磁性層 4 の結 晶粒の成長 を抑制 し ， 結晶粒 を微細化する 。 続 いて， 固定強 磁性層 4 の 上 に ト ン ネルバ リ ア 層 5 ， 自 由 強磁性層 6 , お よ び表面保護層 7 が当 業者に と っ て周知 の方法 に よ っ て形成 さ れ， 磁気抵抗素子の 形成が完了す る 。 上述 の酸化性ガス と し て酸素ガス が使用 さ れる 場合， 真空容器内 に導入 さ れる酸素 ガ ス の 分圧 は ， 1 χ 1 0 - ⁴ P a 以下で あ る こ と が好適 で あ る 。 導入 さ れる 酸素ガ ス の分圧が過剰 に大 き い と ， 固定強磁 性層 4 が酸化 さ れ， 磁気抵抗素子の M R 比が劣化する 。

固定強磁性層 4 の結晶粒の粒径 を微細化す る 磁気抵抗素子 の第 2 の製造方法で は， 固定強磁性層 4 の形成が， 微少 に酸 化性ガス を含む雰 囲気で行われる 。 よ り 詳細に は， 磁気抵抗 素子の第 2 の製造方法では， 磁気抵抗素子の第 1 の製造方法 と 同様 に ， 基板 1 の上 に シー ド 層 2 a ， 初期強磁性層 2 b ， 及び反強磁性層 3 が順次成膜さ れ る 。 続い て， 微少 に酸化性 ガス を含む雰囲気 中で， 固定強磁性層 4 がスパ ッ タ 法又は蒸 着法に よ っ て形成 さ れる 。 酸化性ガス に含 まれ る 微少な酸素 は， 固定強磁性層 4 に取 り 込 まれ る。 固定強磁性層 4 に取 り 込 まれた微少な酸素は， 固定強磁性層 4 の結晶粒の成長 を 抑 制 し ， 結晶粒 を微細化する 。 固定強磁性層 4 の形成の後， 固 定強磁性層 4 の上 に ト ンネルバ リ ア層 5 , 自 由 強磁性層 6 ， お よ び表面保護層 7 が当 業者 に と っ て周知 の方法 に よ っ て 形 成 さ れ， 磁気抵抗素子の形成が完 了す る 。 上述の酸化性ガ ス と して酸素 ガス が使用 さ れる 場合， 固定強磁性層 4 の成膜時 の酸素ガス の分圧 は， 5 x 1 0 — ⁵ P a 以下で あ る こ と が好適 で あ る 。 導入 さ れ る酸素ガス の分圧が過剰 に大 き い と ， 固 定 強磁性層 4 が酸化 さ れ， 磁気抵抗素子の M R 比が劣化する 。 酸素ガス の分圧は， 形成 さ れた 固定強磁性層 4 が導電性を 有 す る よ う に定め ら れる 。

こ れ ら の方法に よ る 固定強磁性層 4 を構成す る 結晶粒の 微 細化 は ， 反 強磁性 層 3 を 構成 す る 材料 の 拡散 の 防止 の た め に ， 固 定強磁性層 4 の 多 層化 を 必要 と し な い 点 で好適で あ る 。 上述の特開 2 0 0 2 — 1 5 8 3 8 1 に 開示 さ れた技術 で は， 固定強磁性層 と し て作用 する 2 つ の強磁性層 の 間 に絶縁 層 又 は ア モル フ ァ ス磁性層 が形成 さ れて い る 。 固定強磁性層 の多層化 は， 固定強磁性層全体の膜厚 を厚 く す る 。 強磁性体 は， 一般 に， 加工が困難な も のが少な く な く ， 固定強磁性層 全体の膜厚が厚 い こ と は好ま し く な い 。 ま た， M T J は， 膜 面 に対 し て垂直 に電流が流れる た め， 絶縁層が固定強磁性層 内 に存在する こ と は好ま し く な い。

上述の磁気抵抗素子の構造及び磁気抵抗素子製造方法 は， 反強磁性層 3 が I r — M n ， 及び P t — M n の よ う にマ ンガ ン を含む材料で あ る と き に特 に好適で あ る 。 マ ンガ ン は， 熱 処理 に よ り 拡散 しやす い 。 マ ンガ ン を含む反強磁性層 3 の上 に形成 さ れる 固定強磁性層 4 の結晶粒の粒径 を微細化す る こ と に よ り ， マ ンガ ン の ト ンネルバ リ ア層 5 への拡散が効果的 に 防止 さ れる。

本実施例 にお いて， 反強磁性層 3 及び固定強磁性層 4 の位 置は， 自 由強磁性層 6 の位置 と交換可能で あ る 。 即ち ， 初期 強磁性層 2 b の上 に 自 由 強磁性層 6 が形成 さ れ， 自 由強磁性 層 6 の上 に ト ンネルノ リ ア層 5 が形成 さ れ， ト ンネルノ リ ア 層 6 の上 に 固定強磁性層 4 が形成 さ れ， 固定強磁性層 4 の 上 に反強磁性層 3 が形成 さ れる こ と が可能で あ る 。 こ の場合 に は， 固定強磁性層 4 ， ト ンネルバ リ ア 層 5 , 及び自 由強磁性 層 6 は平坦化 さ れな い た め， N e e 1 効果の抑制の効果 は得 ら れな い。 し か し ， かか る構造で も ， 反強磁性層 3 を構成す る材料の拡散は， 有効 に抑制可能であ る 。

(実験例）

本発明 に よ る 磁気抵抗素子の実験例 1 と 実験例 2 と が， 比 較例 1 と 対比 さ れた。 実験例 1 , 実験例 2 , 及び比較例 1 の 全て に つ いて， シー ド 層 2 a は， 3 n m の厚 さ を有する タ ン タ ル層で形成さ れた。 初期強磁性層 2 b は， 3 n mの厚 さ を 有する N i F e 層 で形成 さ れた。 反強磁性層 3 は， 1 0 n m の 厚 さ を有 す る I r M n 層 で形成 さ れ た 。 固 定 強磁性層 4 は， 1 0 n mの厚 さ を有す る C o F e 層で形成 さ れた。 ト ン ネ ルノ' リ ア 層 5 は， 1 . 5 n mの厚 さ を有す る A 1 〇 _x 層 で 形成さ れた 。 自 由 強磁性層 6 は， 5 n mの厚さ を有す る N i F e 層で形成さ れた。 表面保護層 7 は， 5 n mの厚さ を有す る T a 層で形成さ れた。

実験例 1 の磁気抵抗素子は， 上述の磁気抵抗素子の第 1 の 製造方法で形成 さ れた。 下地層 2 , 及び反強磁性層 3 がス パ ッ 夕 法 に よ っ て順次形成 さ れた後， 反強磁性層 3 の成膜が行 われた真空容器内 に ， 酸化性ガス であ る 酸素ガス が微量 に 導 入 さ れた。 酸素 ガス の分圧は， 5 x 1 0 — ⁵ P a で あ っ た。 酸 素ガス の導入の後， 真空容器が高真空 に ま で排気 さ れ， ス パ ッ タ 法 に よ っ て 固定強磁性層 4 と な る C o F e 層が反強磁性 層 3 の上に 形成 さ れた。 続 いて， 1 . 5 n mの A 1 膜がス パ ッ タ 法 に よ っ て形成 さ れた後に， 酸素 プラ ズマ で A 1 膜が酸 ィ匕 さ れ ， ト ン ネ ル ノ リ ア 層 5 と な る A 1 〇 _x 層 が形 成 さ れ た。 続いて， 自 由 強磁性層 6 及び表面保護層 7 がス パ ッ 夕 法 に よ っ て順次に形成 さ れた。

実験例 2 の磁気抵抗素子は， 上述の磁気抵抗素子の第 2 の 製造方法で形成 さ れた。 T a 層 ， N i F e 層， 及び I r M n 層がス パ ッ タ 法 に よ っ て順次形成 さ れた後， 固定強磁性層 4 に相 当 する C o F e 層 の形成が， 酸素 ガス を微少 に含む雰 囲 気でス パ ッ 夕 法 に よ っ て行われた。 C o F e 層 の形成の 間 の 酸素ガス の分圧は， 1 x 1 0 — ⁵ P a で あ っ た 。 続いて， 実験 例 1 の磁気抵抗素子 と 同 一の 工程 に よ り ， A 1 0 _x 層 ， N i F e 層， 及び T a 層が順次形成さ れた。

比較例 1 の磁気抵抗素子は， 固定強磁性層 4 の積極的な微 細化 を行わずに形成さ れた。 T a 層， N i F e 層 ， 及び I r M n 層が順次ス パ ッ 夕 法 に よ っ て形成 さ れた後， 酸素ガス を 含む雰囲気に暴露 さ れ る こ と な く ， 且つ ， 成膜の 間 に酸素ガ ス を導入する こ と な く C o F e 層が形成 さ れた。 その後、 実 験例 1 の磁気抵抗素子 と 同一 の工程 に よ り ， A l 〇 _x 層 ， N i F e 層， 及び T a 層 の形成が順次に行われた。

図 4 は， 実験例 1 及び比較例 1 に つ い て， — 2 法 に よ つ て測定 さ れた C o F e 層 の X線回折強度 を示すグ ラ フ で あ る 。 実験例 1 の磁気抵抗素子の C o F e 層 は， 比較例 1 の磁 気抵抗素子の C o F e 層 よ り も 回折 ピー ク 強度が低 く ， 回折 ピー ク の 半値幅が広い 。 こ れは， 実験例 1 の磁気抵抗素子の

C o F e 層では， 比較例 1 よ り も 結晶粒の粒径が小 さ い こ と を意味 して い る 。

磁気抵抗素子の C o F e 層 の平均粒径 は， 回折 ピー ク の 半 値幅 B を用 いて， 下記式 ：

t = 0 . 9 / B c o s ... ( 1 )

か ら 算出可能で あ る 。 こ こ で は， 測定 に使用 さ れた X線の 波長 （ 0 . 1 5 4 1 n m ) で あ り ， は， X線の入射角 で あ る 。

上式 （ 1 ) か ら 算出 さ れた実験例 1 , 実験例 2 , 及び比較 例 1 の磁気抵抗素子の C o F e 層 の平均粒径は， それぞれ， 5 . 0 n m , 5 . 0 n m , 及び 9 . l n mであ っ た。 こ の結 果は， 実験例 1 , 及び実験例 2 の磁気抵抗素子の C o F e 層 に は， 膜厚方向に複数の結晶粒が存在する のに対 し， 比較例 1 の磁気抵抗素子の C o F e 層に は， 膜厚方向 に一の結晶粒 しか存在 しない こ と を示 してレゝる。

実験例 1 , 実験例 2 ， 及び比較例 1 の磁気抵抗素子に対 し て ， 4 0 0 ， 1 時 間 の ァ ニールが行われた 。 ァ ニー ル の 後， C o F e 層 と A 1 O x 層 と の界面 にお け る M n の濃度 が， ォ一 ジ ェ電子分光分析法 （ A E S ) を用 い て 比較 さ れ た。 M n 濃度の比較では， M n の ピー ク 強度が， A 1 及び C o の ピー ク を利用 して補正さ れた。 比較例 1 の M n 濃度を 1 と し て正規化する と ， 実験例 1 及び実験例 2 の M n 濃度は， 0 . 2 であ っ た。 こ の結果は， 実験例 1 及び実験例 2 の磁気 抵抗素子では， M n の拡散が効果的に抑制 されてい る こ と を 示 している。

M n の拡散の抑制 に起因 して， 実験例 1 及び実験例 2 の磁 気抵抗素子では， ァ ニール に よ る M R 比 の低下が抑制 さ れ た。 ァニール前の実験例 1 , 実験例 2 ， 及び比較例 1 の磁気 抵抗素子の M R比は， それぞれ， 3 5 % , 3 4 . 5 % , 及び 3 4 . 8 % であ り ， 実質的に 同一であ っ た。 4 0 0 °C, 1 時 間の ァニールの後にお ける実験例 1 , 実験例 2 ， 及び比較例 1 の M R 比 は， それぞれ， 2 1 % , 1 9 % , 及 び 3 % で あ り ， 実験例 1 , 及び実験例 2 の磁気抵抗素子は， M R 比の減 少が少なかっ た。

C o F e 層の結晶粒の微細化の効果は， 自 由強磁性層 6 の 自 発磁化 を 反転さ せ る に必要な磁場の オ フ セ ッ 卜 の抑制 と し て も現れた。 実験例 1 及び実験例 2 の磁気抵抗素子では， ォ フ セ ッ ト 磁場がそれぞれ 4 . 4 ( O e ) で あ っ たの に対 し ， 比較例 1 の磁気抵抗素子では， オ フ セ ッ ト 磁場が 1 1 . 3 0 ( 0 e ) で あ っ た 。 こ れは， 実験例 1 及び実験例 2 では， C o F e 層 の結晶粒の微細化 に よ り ， そ の上 に形成さ れた A 1 〇 _x 層が平坦化 さ れ， N e e 1 効果が抑制 さ れた こ と を示す と考え ら れる 。

(第 2 実施例）

図 5 は， 本発明 の第 2 実施例 に よ る 磁気抵抗素子 を示す。 第 2 実施例では， 第 1 実施例 と 異な る 方法 に よ り ， 反強磁性 層 3 を構成す る 材料の ト ンネルバ リ ア 層 5 への拡散が防止 さ れてい る 。

第 2 実施例 の磁気抵抗素子では， 反強磁性層 3 の上 に ， 第 1 固定強磁性層 1 1 , 非磁性層 1 2 , 及び第 2 固定強磁性層 1 3 が順次形成 さ れて い る 。 ト ン ネルノ リ ア層 5 は， 第 2 固 定強磁性層 1 3 の上 に 形成 さ れて い る 。 第 1 固定強磁性層 1 1 は， 例 え ば N i — F e , 及び C o _ F e のよ う な強磁性体 で形成 さ れて い る 。 強磁性体で形成さ れて い る 第 1 固定強磁 性層 1 1 は， 自 発磁化 を有 し て い る 。 第 1 固定強磁性層 1 1 の 自 発磁化の方向 は， 反強磁性層 3 か ら 受 け る 相互作用 に よ つ て固定さ れて い る 。

非磁性層 1 2 は， A 1 , T a , M g ， T i ， M o , 及び W の う ち か ら 選択 さ れた一の金属， 又は， こ れ ら の合金で形成 さ れる 。 こ の よ う な材料で形成 さ れる 非磁性層 1 2 は， 非磁 性の導電体である。

第 2 固定強磁性層 1 3 は， 第 1 固定強磁性層 1 1 と 同様 に， 例え ば N i — F e ， 及び C o — F e のよ う な強磁性体で 形成さ れてい る。 強磁性体で形成さ れてい る第 2 固定強磁性 層 1 3 は， 自 発磁化を有 している 。 第 2 固定強磁性層 1 3 の 自発磁化の方向は， 第 1 固定強磁性層 1 1 か ら受ける相互作 用 によ っ て固定さ れる。 非磁性層 1 2 が A 1 ， T a ， M g ， T i , Μ ο ， 及び Wの う ち か ら選択さ れた一の金属， 又は， こ れ ら の合金で形成さ れてい るため， 第 1 固定強磁性層 1 1 と第 2 固定強磁性層 1 3 と の間の交換結合は， 強磁性的であ る。 従っ て， 第 1 固定強磁性層 1 1 と第 2 固定強磁性層 1 3 と がそれぞれ に有す る 自 発磁化 は， 同一の方向 を 向 い て い る。 第 1 固定強磁性層 1 1 と第 2 固定強磁性層 1 3 と の 自 発 磁化の向き を所望の向き に向 ける 工程は， 外部磁化の印加に よ っ て行われる。 こ の場合， 第 1 固定強磁性層 1 1 と第 2 固 定強磁性層 1 3 と の 自発磁化の向 きが同一であ る こ と は， 自 発磁化の向き を所望の向き に 向ける工程において強磁場を必 要と しない点で好適である。

自 由強磁性層 6 と第 2 固定強磁性層 1 3 と の間の抵抗 （即 ち ， メ モ リ セルの抵抗） は， T M R効果に よ り ， 自 由強磁性 層 6 の 自 発磁化 の方 向 に応 じ て変化す る 。 抵抗 の変化 に よ り ， メ モ リ セルに記憶されて いる データが判別可能であ る 。

A 1 , T a , M g ， T i , M o , 及び Wの う ち か ら選択 さ れた一の金属， 又は， これ ら の合金で形成さ れる 非磁性層 1 2 は， その上 に形成さ れる第 2 固定強磁性層 1 3 の結晶粒を 微細化す る 。 第 1 実施例の 固定強磁性層 4 と 同 様 に， 第 2 固 定強磁性層 1 3 の結晶粒の微細化 に よ り ， 第 2 固定強磁性層 1 3 の少な く と も 一部は， 第 2 固定強磁性層 1 3 の表面か ら 表面に垂直な方向 に 引 かれた垂線が， 第 2 固定強磁性層 1 3 を構成す る 結晶粒の少な く と も 2 つ を通過する よ う に形成 さ れる 。 こ れに よ り ， 第 2 固定強磁性層 1 3 の粒界が直線的 に 固定強磁性層 4 を貫通す る こ と が回避 さ れ， 反強磁性層 3 に 含 ま れる 材料， 特 に M n の ト ンネルバ リ ア 層 5 への拡散が抑 制 さ れ る 。 反強磁性層 3 に含 ま れる 材料の ト ン ネルバ リ ア 層 5 への拡散 を よ り 効果的 に抑制す る た め に は， 第 2 固定強磁 性層 1 3 の表面の任意の位置か ら 該表面 に垂直な方向 に 引 か れた垂線が， 第 2 固定強磁性層 1 3 を構成する 結晶粒の少な く と も 2 つ を通過する よ う に， 第 2 固定強磁性層 1 3 が形成 さ れて い る こ と が好適であ る。

非磁性層 1 2 に よ る 第 2 固定強磁性層 1 3 の結晶粒の微細 ィ匕の メ カ ニズム は， 必ず し も 明確でな い。 発明者は， 上述 の 材料で形成 さ れた 非磁性層 1 2 と ， 強磁性体で形成 さ れた第 2 固定強磁性層 1 3 と が異な る 点群 に属す る こ と ， 及び 又 は， それ ら の格子定数が異な る た め に ， 大 きな結晶粒の成長 が妨げ ら れる こ と に 関連 し てレ る と 推定 し て い る 。

第 2 固定強磁性層 1 3 の結晶粒の微細化 は， 第 1 実施例 と 同様 に ， 第 2 固定強磁性層 1 3 , ト ンネルバ リ ア層 5 及び 自 由 強磁性層 6 を 平 坦化 し ， N e e 1 効果 を 効果 的 に 抑 制 す る 。 既述の と お り ， N e e 1 効果 の抑制 は， 自 由 強磁性層 6 の反転磁場のオ フ セ ッ ト を低減す る 点で有効で あ る 。 非磁性層 1 2 が A l , T a , M g ， T i ， M o ， 及び Wの う ち か ら 選択 さ れた一の金属， 又 は， こ れ ら の合金で形成 さ れる こ と は， 非磁性層 1 2 自 体 に ， M n の拡散 を防止す る 機 能を与え る 点で も好適であ る 。

反強磁性層 3 に含 ま れる 材料の ト ン ネルバ リ ア層 5 への拡 散を一層 に抑制す る た め に は， 第 2 固定強磁性層 1 3 は， 固 定強磁性層 1 3 を構成する 結晶粒の平均粒径が固定強磁性層 1 3 の膜厚の 3 分 の 2 以下で あ る よ う に形成 さ れる こ と が好 適であ り ， 該平均粒径が第 2 固定強磁性層 1 3 の膜厚の 2 分 の 1 以下で あ る こ と は， よ り 一層 に好適であ る 。

(実験例）

本発明 に よ る 磁気抵抗素子の実験例 3 乃至実験例 1 2 が， 比較例 1 及び比較例 2 と対比 さ れた。 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子 と ， 比較例 1 及び比較例 2 の磁気抵抗素子 と の構造は， 下記の通 り であ る 。

実験例 3 乃至実験例 1 2 で は， 2 n mの厚 さ を有す る C o F e 層が第 1 固定強磁性層 1 1 と し て形成 さ れ， 1 0 n m の 厚 さ を有す る C o F e 層が第 2 固定強磁性層 1 3 と し て形成 さ れた。

実験例 3 乃至実験例 1 2 は， 互 い に ， 非磁性層 1 2 の材料 及び Z又は厚 さ が異な る 。 図 6 に示 さ れて い る よ う に ， 実験 例 3 乃至実験例 7 の磁気抵抗素子の非磁性層 1 2 は， A 1 層 で形成 さ れた。 実験例 3 乃至実験例 7 の非磁性層 1 2 の厚 さ は， それぞれ， 0 . 3 ， 0 . 5 , 0 . 7 ， 1 . 0 , 及び 1 . 5 n mであ っ た 。 実験例 8 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子の 非磁性層 1 2 は， T a 層で形成さ れた。 実験例 8 乃至実験例 1 2 の非磁性層 1 2 の厚さ は， それぞれ， 0 . 3 , 0 . 5 , 0 . 7 , 1 . 0 ， 及び 1 . 5 n mであ っ た。

比較例 1 の磁気抵抗素子の構造は， 第 1 実施例で説明 さ れ た通 り であ る 。 比較例 1 の磁気抵抗素子では， 第 1 固定強磁 性層 1 1 ， 非磁性 層 1 2 ， 及び第 2 固定強磁性層 1 3 の代わ り に， 1 0 n mの厚さ を有する C o F e 層が固定強磁性層 と して使用 さ れた。

比較例 2 の磁気抵抗素子は， 非磁性層 1 2 の材料が実験例 3 乃至実験例 1 2 と異なる 。 実験例 3 乃至実験例 1 2 では， 非磁性層 1 2 は， A 1 層又は T a 層で形成されて いる が， 比 較例 2 では， 非磁性層 1 2 は， 1 . O n mの R u 層で形成さ れた。

実験例 3 乃至実験例 1 2 並びに比較例 1 及び比較例 2 の磁 気抵抗素子の他の部分の構造は， 同一であ っ た。 実験例 3 乃 至実験例 1 2 並びに比較例 1 及び比較例 2 の全てにつ いて， シー ド 層 2 a は， 3 n mの厚さ を有する タ ンタ ル層で形成さ れた。 初期強磁性層 2 b は， 3 n mの厚さ を有する N i F e 層で形成 さ れた。 反強磁性層 3 は， 1 O n m の厚 さ を有する I r M n 層で形成 された。 ト ンネルノ リ ア層 5 は， 1 . 5 n mの厚さ を有する A 1 0 _x 層で形成さ れた。 自 由強磁性層 6 は， 5 n mの厚さ を有する N i F e 層で形成さ れた。 表面保 護層 7 は， 5 n mの厚さ を有する T a 層で形成さ れた。

図 7 は， 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子の第 2 固 定強磁性層 1 3 の結晶粒の平均粒径を示す。 平均粒径は， 第 1 実施例 と 同様に， X線回折 ピー ク の半値幅か ら 算出 さ れて い る 。 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子 の平均粒径 は， 4 . 5 η π！〜 6 . O n mであ り ， これは， 実験例 3 乃至 実験例 1 2 の第 2 固定強磁性層 1 3 では， 厚さ 方向に複数の 結晶粒が存在する こ と を意味 してい る。

図 8 は， 磁気抵抗素子に 4 0 0 °C， 1 時間のァニールを行 つ た後の， 第 2 固定強磁性層 1 3 と ト ンネルバ リ ア層 5 と の 間の界面 にお ける M n 濃度を示す。 M n 濃度は， 比較例 1 の 固定強磁性層 と ト ンネルバ リ ァ層 と の間の界面の M n 濃度に よ っ て正規化 さ れて い る 。 M n 濃度は， 第 1 実施例 と 同様 に， A E S によ っ て測定されてレ る 。

図 8 に示さ れてい る よ う に， 非磁性層 1 2 が A 1 層又は T a 層で形成さ れてい る実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素 子では， M n の ト ンネルバ リ ァ層 5 への拡散が抑制さ れてい る。 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子では， 0 . 3 n m と い う 薄い膜厚を有する 非磁性層 1 2 で も ， M n の ト ンネ ルバ リ ア層 5 への拡散が抑制さ れてい る。

非磁性層 1 2 が R u 層で形成さ れて い る比較例 2 で も ， 微 少に， M n の ト ンネルバ リ ア層 5 への拡散を抑制する効果が み ら れた。 しか し， 拡散を抑制する観点では， 非磁性層 1 2 が A 1 層又は T a 層で形成さ れて い る実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子の方がよ り 効果的であ っ た。 こ れによ り 、 非磁性層 1 2 が R u 層で形成 さ れてい る比較例 2 の磁気抵抗 素子では， 第 2 固定強磁性層 1 3 の結晶粒の微細化の効果が 充分でな いの に対 し， 非磁性層 1 2 が A 1 層又は T a 層で形 成 さ れて い る 実験例 3 乃 至実験例 1 2 の磁気抵抗素子で は， M n の拡散 を充分 に抑制でき る程度に第 2 固定強磁性層 1 3 の結晶粒が微細化 さ れて い る と考え ら れる 。

ト ンネルバ リ ア 層 5 の界面 に拡散さ れた M n 濃度の， 非磁 性層 1 2 の膜厚に対す る 依存性は小さ い。 非磁性層 1 2 が拡 散バ リ ア と し て作用する こ と よ り も ， 第 2 固定強磁性層 1 3 の結晶粒が微細化 し， 第 2 固定強磁性層 1 3 中 の拡散が抑制 さ れる こ と の方が， よ り M n の拡散の 防止 に寄与 し て い る こ と を示唆 して い る 。

実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子では， M n の ト ン ネルバ リ ア層 5 へ の拡散が抑制 さ れる こ と に起 因 して， ァ ニ ールに よ る M R 比 の劣化 も 低減 さ れた 。 図 9 に示 さ れて い る よ う に ， 4 0 0 °C， 1 時間 の ァ ニールの後 にお け る 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子の M R 比は， 1 Ί 〜 2 3 % で あ り ， 比較例 1 の磁気抵抗素子の M R 比の 3 % よ り も 顕著 に 大きか っ た。

非磁性層 1 2 の挿入は， 反強磁性体 3 と 第 2 固定強磁性層 1 3 と を離間 さ せ， 反強磁性体 3 と第 2 固定強磁性層 1 3 と の交換結合 に よ る 交換バ イ ア ス 磁場 H _{e x} を 弱 く す る 可能性 があ る 。 交換バイ ア ス 磁場 H _{e x} が弱 く な る と ， 第 2 固 定強 磁性体 1 3 が反転 しやす く な り ， 従っ て， 自 由 強磁性層 6 と 第 2 固定強磁性層 1 3 と の 自 発磁化が反平行で あ る 状態が実 現 さ れ る 磁 場 の 範 囲 が 狭 く な る 。 交 換 バ イ ア ス 磁 場 H _{e x} は， 定性的 に は， 大き い方が好適であ る 。

図 1 0 は， 実験例 3 乃至実験例 1 2 の各 々 につ い て ， 第 2 固 定強磁性層 1 3 に 印加 さ れ る 交換バ イ ア ス 磁場 H _{e x} を 示 す。 反強磁性層 の 上 に直接， 固定強磁性層 が接合 さ れて い る 比較例 1 では， 固定強磁性層 に 印加 さ れる 交換バイ ア ス磁場 H _{e x} は， 約 9 8 0 ( 〇 e ) で あ っ た 。 非磁性層 1 2 が A 1 層 で形成 さ れて い る 実験例 3 乃至実験例 7 では， 比較例 1 の 磁気抵抗素子 と ほ ぼ 同 じ 交換バイ ア ス 磁場 H _{e x} が第 2 固 定 強磁性層 1 3 に 印加 さ れたが， 第 2 固定強磁性層 1 3 の 自 発 磁化の 固定力 の劣化 は発生 し なか っ た。 一方， 非磁性層 1 2 が T a 層で形成 さ れて い る 実験例 8 乃至実験例 1 2 の磁気抵 抗 素子 で は ， 交 換 バ イ ア ス 磁 場 H _{e x} が 弱 め ら れた 。 し か し ， 非磁性層 1 2 が T a 層で形成 さ れて い る 場合で も ， 交換 バイ ア ス 磁場 H _{e x} の 大 き さ は， 実用 上充分 な大 き さ に保た れて い る 。 交換バイ ア ス 磁場 H _{e x} の確保 の 観点か ら は， 非 磁性層 1 2 は A 1 層で形成さ れる こ と が好適であ る 。

実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子で は， 第 1 実施例 と 同様 に ， 自 由強磁性層 6 の 自 発磁化の反転磁場 のオ フ セ ッ ト が抑制 さ れた。 実験例 3 乃至実験例 1 2 の磁気抵抗素子 の オ フ セ ッ ト 磁場は， 最大で も 5 . 4 ( O e ) で あ り ， 比較例 1 のオ フ セ ッ ト 磁場 （ 1 1 . 3 0 ( 0 e ) ) よ り も小 さ 力 つ た。

非磁性層 1 2 と し て， 0 . 7 n mの厚 さ を有す る M g 層 ， T i 層 ， M o 層， 及び W層が使用 さ れた場合 に も ， 第 2 固 定 強磁性層 1 3 と ト ンネルバ リ ア 層 5 と の 間 の界面 にお け る M n 濃度 は， 比較例 1 の M n 濃度 に対 し て半分以下 に減少 し ， M n の拡散の抑制 の効果が得 ら れた。 非磁性層 1 2 と し て M g 層， T i 層， M o 層， 及び W層が使用可能であ る こ とが， 明 らかにされた。

本発明によ り ， T M R効果を利用する磁気抵抗素子の熱耐 性が向上する。

また， 本発明 に よ り ， T M R効果を利用する磁気抵抗素子 の N e e 1 効果が抑制さ れ， 反転可能に設け ら れる 自発磁化 を反転させるのに必要な反転磁場が対称的になる。

Claims

請求の範囲

1 . 強磁性体で形成 さ れた第 1 強磁性層 と ，

前記第 1 強磁性層 に接合 さ れた ， 非磁性， 且つ絶縁性 の ト ンネルバ リ ア層 と ，

強磁性体で形成 さ れ， 前記 ト ン ネルバ リ ア層 に接合 さ れた 第 2 強磁性層 と ，

反強磁性体で形成さ れた反強磁性層

と を備え，.

前記第 2 強磁性層 は， 前記 ト ンネルバ リ ア 層 と 前記反強磁 性層 と の間 に設け ら れ，

前記第 2 強磁性層 の う ち の少な く と も 一部は， 前記第 2 強 磁性層 の前記反強磁性層 の側の表面 に垂直な方向 に 引 かれた 垂線が， 前記第 2 強磁性層 を構成する 結晶粒の少な く と も 2 つ を通過する よ う に形成さ れて い る

磁気抵抗素子。

2 . 請求項 1 に記載の磁気抵抗素子にお いて，

更に，

基板 を備え，

前記第 1 強磁性層， 前記 ト ンネルバ リ ア 層， 前記第 2 強磁 性層 ， 及 び前記 反 強磁性 層 は ， 前記基板 の 上 面側 に 形 成 さ れ，

前記 ト ンネルバ リ ア 層 は， 前記第 2 強磁性層 に対 し て前記 基板の反対側に形成さ れて い る

磁気抵抗素子。

3 . 請求項 1 に記載の磁気抵抗素子にお いて，

更に ，

非磁性層 と ，

強磁性体で形成 さ れた第 3 強磁性層 と を備え，

前記第 3 強磁性層は， 前記反強磁性層 の上に形成さ れ， 前記非磁性層 は， 前記第 3 強磁性層 の上 に形成 さ れ， 前記第 2 強磁性層 は， 前記非磁性層 の上 に形成 さ れ， 前記非磁性層 は， 前記第 2 強磁性層 の形成の と き， 前記第 2 強磁性層 の結晶粒を微細化する 作用 を有する

磁気抵抗素子。

4 . 請求項 3 に記載の磁気抵抗素子にお いて，

前記非磁性層 と 前記第 2 強磁性層 と は， 互い に異な る 点群 に属す る材料で形成さ れて い る

磁気抵抗素子。

5 . 請求項 1 に記載の磁気抵抗素子にお いて，

更に ，

前記第 2 強磁性層 に接合 さ れた非磁性層 と ，

強磁性体で形成 さ れ， 且つ ， 前記非磁性層 に接合 さ れた 第 3 強磁性層 と を備え，

前記 第 2 強磁性 層 と 前記 非磁性 層 と 前記第 3 強磁性層 と は， 前記 ト ンネルバ リ ア 層 と 前記反強磁性層 と の 間 に設 け ら れ，

前記非磁性層 は， T a , A 1 ， M g , 丁 i , M o , 及び W か ら な る 群か ら 選 ばれた一の元素 で形成 さ れた 金属膜， 又 は， 前記群か ら選ばれた複数の元素の合金で形成されてい る 磁気抵抗素子。

6 . 請求項 5 に記載の磁気抵抗素子において，

前記第 3 強磁性層は， 前記反強磁性層の上に形成され， 前記非磁性層は， 前記第 3 強磁性層の上に形成さ れ， 前記第 2 強磁性層は， 前記非磁性層の上に形成さ れた 磁気抵抗素子。

7 . 請求項 1 に記載の磁気抵抗素子において，

前記第 2 強磁性層の平均粒径は， 前記第 2 強磁性層の膜厚 の 3 分の 2 以下であ る

磁気抵抗素子。

8 . 請求項 7 に記載の磁気抵抗素子において，

前記第 2 強磁性層の平均粒径は， 前記第 2 強磁性層の膜厚 の 2 分の 1 以下であ る

磁気抵抗素子。 求項 1 に記載の磁気抵抗素子において，

前記反強磁性層は， M n を含有する

磁気抵抗素子。 1 0 . 強磁性体で形成さ れた第 1 強磁性層 と 前記第 1 強磁性層 に接合 さ れた， 非磁性， 且つ絶縁性の ト ンネルバ リ ア層 と ，

強磁性体で形成 さ れ， 前記 ト ンネルバ リ ア層 に接合 さ れた 第 2 強磁性層 と ，

M n を含む反強磁性体で形成さ れた反強磁性層 と を備え， 前記第 2 強磁性層 は， 前記 ト ンネルバ リ ア層 と 前記反強磁 性層 と の間 に設 け ら れ，

前記第 2 強磁性層 の結晶粒は， 前記反強磁性層か ら 前記 ト ンネルバ リ ア層への前記 M n の拡散 を 防止する よ う に配置 さ れた

磁気抵抗素子。

1 1 . ( A ) 真空容器の 中 で， 反強磁性層 を基板の上面側 に形成する 工程 と ，

( B ) 前記反強磁性層 の形成の後， 前記真空容器に酸化性 ガス を導入する 工程 と ，

( C ) 前 記真 空 容器か ら 前記酸化性 ガ ス を 排気す る 工 程 と ，

( D ) 前 記酸化 性 ガ ス の 排気 の 後， 前記 反 強磁性層 の 上 に， 固定強磁性層 を形成する 工程 と ，

( E ) 前記第 1 強磁性層 の 上に ， ト ンネ ルバ リ ア 層 を形成 する 工程 と ，

( F ) 前記 ト ン ネルバ リ ア 層 の 上 に ， 第 2 強磁性層 を形成 する 工程 と

を含む磁気抵抗素子製造方法。

1 2 . 請求項 1 1 に 記載 の 磁気抵抗 素子製造方法 に お い て，

前記酸化性ガス は， 酸素ガス であ り ，

前記 （ B ) 工程 にお いて前記酸化性ガス が導入 さ れた と き の前記酸化性ガス の分圧は， 0 よ り 大 き く ， 1 x 1 0 — ⁴ P a よ り 小 さ い磁気抵抗素子製造方法。

1 3 . ( G ) 反 強磁性層 を 基板 の 上 面側 に 形 成す る 工程 と，

( H ) 酸化性ガス を含む雰囲気で， 前記反強磁性層 の上 に 固定強磁性層 を形成する 工程 と ，

( I ) 前記固定強磁性層 の 上 に， ト ンネルバ リ ア 層 を 形成 する 工程 と ，

( J ) 前記 ト ン ネルバ リ ア 層 の上 に ， 自 由 強磁性層 を形成 する 工程 と を含み，

前記 （ H ) 工程の間 の前記酸化性ガス の分圧 は， 形成 さ れ た前記第 1 強磁性層が導電性を有す る よ う に定め ら れた

磁気抵抗素子製造方法。

1 4 . 請求項 1 3 に 記載 の 磁気抵抗 素子製造 方法 に お い て，

前記酸化性ガス は， 酸素ガス であ り ，

前記 （ H ) 工程の間 の前記酸化性ガス の分圧 は， 0 よ り 大 き く ， 5 x 1 0 ⁵ P a よ り も 小 さ レ

磁気抵抗素子製造方法。