專利名稱：磁電阻效應元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁電阻效應元件及其制造方法，特別是涉及利用簡單的濺射成膜法制作的具有極高磁電阻比的磁電阻效應元件及其制造方法。
背景技術：
近年來，作為不揮發(fā)性儲存器的被稱為MRAM(Magnetoresistive RandomAceess Memory)的磁存儲器裝置受到矚目，并逐漸進入實用化階段。MRAM結構簡單，容易達到千兆比特級的超高集成化，由于利用磁性動量的旋轉而產(chǎn)生儲存作用，從而具有可擦寫的次數(shù)極大、并且能夠使動作速度達到納秒量級的特性。
圖4所示的是MRAM的結構。在MRAM101中，102是存儲器元件，103是字線，104是位線。多個儲存器元件102分別配置在多個字線103和多個位線104的各交點位置，配置成網(wǎng)格狀的位置關系。多個儲存器元件102分別儲存1比特的信息。
如圖5所示，MRAM101的存儲器元件102由在字線103和位線104的交點位置儲存1比特信息的磁電阻效應元件即TMR元件110和具有開關功能的晶體管106組成。該存儲器元件102中主要的特點是使用了TMR(Tunneling Magneto resistance)元件110。如圖6所示，TMR元件的基本結構是強磁性金屬電極(強磁性層)107/隧穿勢壘層108/強磁性金屬電極(強磁性層)109所組成的3層積層的結構。TMR元件110由一對強磁性層107、109和位于其中間的隧穿勢壘層108構成。
如圖6所示，TMR元件110具有以下特性在隧穿勢壘層108兩側的強磁性層107、109之間施加所需要的電壓而流過恒定電流的狀態(tài)下，施加外加磁場，強磁性層107、109的磁化方向同向平行時(所謂‘平行狀態(tài)’)，TMR元件的電阻為最小((A)的狀態(tài)電阻值RP)，強磁性層的磁化方向反向平行時(所謂‘反平行狀態(tài)’)，TMR元件的電阻為最大((B)的狀態(tài)電阻值RA)。因此，TMR元件110能夠通過利用外加磁場得到平行狀態(tài)和反平行狀態(tài)，利用電阻值變化來進行信息的儲存。
對于以上的TMR元件，為了實現(xiàn)具有實用性的千兆比特級的MRAM，需要使‘平行狀態(tài)’的電阻值RP和‘反平行狀態(tài)’的電阻值RA之差大。作為其指標使用的是磁電阻比(MR比)。MR比定義為[(RA-RP)÷RP]。
為了提高MR，原來所進行的是使強磁性金屬電極(強磁性層)的電極材料最佳化，或在隧穿勢壘層的制造方法上下功夫。例如，在特開2003-304010號公報和特開2004-63592號公報中提出了對強磁性金屬電極(強磁性層)的材料使用FexCoyBz等幾個最佳實施例的方案。
上述特開2003-304010號公報和特開2004-63592號公報中所公布的TMR元件的MR比低于70％，需要進一步提高MR比。
此外，最近，有關使用了MgO勢壘層的單晶TMR薄膜，有報道使用MBE和超高真空蒸發(fā)裝置制作Fe/MgO/Fe的單晶TMR薄膜，得到了MR比88％(湯淺新治、及另外4人，“High Tunnel Megnetoresistance at roomtemperature in Fully Epitaxial Fe/MgO/Tunnel Junctions due to CoherentSpin-Polarized Tunneling”，納米電子學研究所，應用物理的日本期刊，2004年4月2日出版，第43卷、第4B號，p.L588-L590)。該TMR薄膜具有完全外延單晶的結構。
為了制作使用了上述文獻中的單晶MgO勢壘層的單晶TMR薄膜，需要使用昂貴的MgO單晶基片。此外，還有以下缺點需要昂貴的MBE裝置制備Fe膜的外延生長或超高真空電子束蒸發(fā)制備MgO薄膜等先進的成膜技術，成膜時間變長等不適合于批量生產(chǎn)的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供具有高MR比，提高量產(chǎn)性、提高實用性的磁電阻效應元件及其制造方法。
本發(fā)明的磁電阻效應元件及其制造方法為了達成上述目的，而采用以下結構。
該磁電阻效應元件的特征在于包含由一對強磁性層和位于其中間的勢壘層組成的積層結構，至少一個強磁性層的至少與勢壘層接觸的部分為非晶態(tài)，勢壘層是具有單晶結構的MgO層。
采用上述磁電阻效應元件，通過勢壘層具有單晶結構，使得強磁性層間的電流的流動可以直線前進，使其MR比為極高的值成為可能。
磁電阻效應元件較好是MgO層為利用濺射法成膜的單晶層。采用該結構，能夠以簡單的方法制作作為中間層的勢壘層，最適合于量產(chǎn)。
磁電阻效應元件較好是MgO層為用MgO靶并且利用濺射法成膜的單晶層。
磁電阻效應元件較好是強磁性層為CoFeB層。
磁電阻效應元件的制造方法是包含由一對強磁性層和位于其中間的勢壘層組成的積層結構的磁電阻效應元件的制造方法，做成至少與勢壘層接觸的部分為非晶態(tài)的強磁性層，使用濺射法制作具有單晶結構的勢壘層。并且磁電阻效應元件的制造方法較好是在制作MgO層的濺射法中使用MgO靶，并且實施RF(射頻)磁控濺射。
采用本發(fā)明，由于作為TMR元件等磁電阻效應元件的中間層的隧道勢壘層是具有單晶結構的MgO層，從而能夠使MR比極高，在將其用作MRAM的存儲器元件時能夠實現(xiàn)千兆比特級的超高集成度的MRAM。再有，通過利用濺射法制備上述單晶MgO層，能夠制作適合于批量生產(chǎn)，實用性高的磁電阻效應元件。
本發(fā)明的所述目的以及特征，從與下面附圖相關的優(yōu)選實施例的技術可以明白。


圖1是展示本發(fā)明的磁電阻效應元件(TMR元件)的結構的圖。
圖2是展示制作本發(fā)明的磁電阻效應元件(TMR元件)的裝置的俯視圖。
圖3是展示本發(fā)明的磁電阻效應元件(TMR元件)的磁特性的壓力依賴關系的曲線圖。
圖4是展示MRAM的主要部分結構的立體圖。
圖5是展示MRAM的存儲器元件的結構的圖。
圖6是說明TMR元件的特性的圖。
具體實施例方式
以下，基于附圖來說明本發(fā)明的最佳實施例。
圖1所示的是本發(fā)明的磁電阻效應元件的積層結構的一個例子，所示的是TMR元件的積層結構。根據(jù)該TMR元件10，在基片11上形成有構成TMR元件10的例如9層的多層膜。該9層的多層膜從最下層的第1層朝向最上層的第9層按‘Ta’、‘PtMn’、‘70CoFe’、‘Ru’、‘CoFeB’、‘MgO’、‘CoFeB’、‘Ta’、‘Ru’的順序積層磁性膜。第1層(Ta鉭)為接地層，第2層(PtMn)為反鐵磁性層，第3層到第5層(70CoFe、Ru、CoFeB)組成的層形成強磁性層。實際上的磁化固定層為第5層‘CoFeB’組成的強磁性層。第6層(MgO氧化鎂)為作為絕緣層的隧穿勢壘層。第7層(CoFeB)為強磁性層，是磁化自由層。第6層(MgO)為在位于其上下的一對強磁性層(CoFeB)之間的中間層。第8層(Ta鉭)和第9層(Ru銣)形成為硬屏蔽層。利用上述磁化固定層(第5層‘CoFeB’)和隧穿勢壘層(第6層‘MgO’)和磁化自由層(第7層‘CoFeB’)形成作為基本結構狹義上的TMR元件部12。作為磁化固定層的第5層‘CoFeB’和作為磁化自由層的第7層‘CoFeB’是作為非晶態(tài)的強磁性體而知道的。作為隧穿勢壘層的MgO層在整個厚度方向具有單晶結構而形成。
還有，在圖1中，各層中括號中記載的數(shù)值表示各層的厚度，單位是‘nm(納米)’。該厚度是一個例子，并不限定于此。
其次，參照圖2對制造具有上述積層結構的TMR元件10的裝置和制造方法進行說明。圖2是制造TMR元件10的裝置的概略俯視圖，本裝置是能夠制作包含多層磁性膜的多層膜的裝置，是批量生產(chǎn)用的濺射成膜裝置。
圖2所示的磁性多層膜制作裝置20是組群式裝置，具備基于濺射法的多個成膜腔室。在本裝置20中，具備未圖示出的機器人搬送裝置的搬送腔室22設置在中間位置。在磁性多層膜制作裝置20的搬送腔室22內設有2個裝料/取料腔室25、26，分別進行基片(硅基片)11的搬入/搬出。通過交替使用這些裝料/取料腔室25、26，而成為能夠以更高的生產(chǎn)效率制作多層膜的結構。
在上述磁性多層膜制作裝置20中，在搬送腔室22周圍，例如，設有3個成膜腔室27A、27B、27C和一個刻蝕腔室28。在刻蝕腔室28對TMR元件10的所要表面進行刻蝕處理。在各腔室之間設置隔離兩個腔室并根據(jù)需要開關自如的閘板閥30。還有，在各腔室附屬設置有未圖示出的真空排氣機構、氣體導入機構、電力供給機構等。
在磁性多層膜制作裝置20的成膜腔室27A、27B、27C利用濺射法在基片11上分別從下側依次沉積上述各磁性膜。例如在成膜腔室27A、27B、27C的頂部，分別配置有4個或5個配置于適當?shù)膱A周上的靶(31、32、33、34、35)、(41、42、43、44、45)，(51、52、53、54)。并且，在位于與該圓周同軸的位置上的基片臺上配置基片。
在上述中，例如，靶31的材料為‘Ta’，靶33的材料為‘CoFeB’。此外，靶41的材料為‘PtMn’，靶42的材料為‘CoFe’，靶43的材料為‘Ru’。再有，靶51的材料為‘MgO’。
上述多個靶為了更有效地沉積適當組分的磁性膜，較好的是設置成朝向各基片傾斜，以與基片面平行的狀態(tài)設置亦可。此外，基于多個靶和基片相對旋轉的結構來配置。在具有上述結構的裝置20中，圖1所示的磁性多層膜是利用各成膜腔室27A、27B、27C通過濺射法在基片11上依次成膜的。
敘述作為本發(fā)明的主要元件部的TMR元件部12的成膜條件。磁化固定層(第5層‘CoFeB’)是用CoFeB組分比為60/20/20原子百分比的靶，以Ar壓力0.03Pa，利用磁控DC濺射(磁控直流濺射)以濺射率0.64/sec來成膜的。接著，隧穿勢壘層(第6層‘MgO’)是用MgO組分比為50/50原子百分比的靶，以Ar為濺射氣體，壓力在0.01～0.4Pa的范圍改變來成膜的。利用磁控射頻濺射以濺射率0.14/sec來進行成膜。然后，以與磁化固定層(第5層‘CoFeB’)相同的成膜條件制備磁化自由層(第7層‘CoFeB’)。
在本實施例中，MgO的成膜速率為0.14/sec，但在0.01～1.0/sec的范圍成膜也沒問題。
在成膜腔室27A、27B、27C分別進行濺射而沉積結束的TMR元件10在熱處理爐中進行退火處理。此時，退火溫度為例如約300℃，在例如8kOe(632kA/m)的磁場中，進行例如4小時的退火處理。這樣，使TMR元件10的第2層PtMn得到所要的磁化率。
圖3所示的是測量MgO的磁性質的結果。在測量的全范圍得到了高的MR比。特別地，在壓力為0.05Pa或其以上0.2或其以下的范圍，得到高的MR比。這可能是因為在壓力為0.05Pa或其以上的范圍，基片上的壓力增加，離子碰撞降低，結果膜的缺陷減少。在壓力為0.05Pa或其以上，MR比增大，隧穿電阻值(RA)增加。這可能是因為形成了良好的單晶膜，結果，膜的漏電流減少。另一方面，在0.05Pa或其以下的范圍，隧穿電阻值(RA)降低，MR比下降。這被認為是離子碰撞增大導致MgO單晶膜的缺陷增多。以截面TEM觀察樣品的結果，在測量的壓力的所有范圍，MgO膜從下側的界面直到上側的界面橫跨整個層具有單晶結構，觀察到取向為MgO單晶的(001)面平行于界面。另外，觀察到CoFeB層形成非晶狀態(tài)。
此次的樣品在MgO層的兩側的強磁性層都以非晶的CoFeB形成，但以非晶CoFeB僅形成某一層強磁性層都觀察到同樣的結果。該強磁性層至少與勢壘層接觸的部分具有非晶物質態(tài)就足夠。
另一方面，在形成具有多晶結構的CoFe作為MgO層兩側的強磁性層時，在MgO層發(fā)現(xiàn)許多擴散，沒得到良好的單晶膜，特性較差。
此時，如前所述，使用MgO靶51作為靶，并且較好是采用RF(射頻)磁控濺射法。還有，使用反應濺射法，用Ar和O2的混合氣體濺射Mg靶也能夠形成MgO膜。
還有，在上述中，MgO層橫跨整個層都是單晶，具有(001)面平行于界面的取向單晶結構。再有，形成TMR元件部12的一對強磁性層能夠代替具有非晶態(tài)的CoFeB而使用CoFeZr、CoTaZr、CoFeNbZr、CoFeZr、FeTaC、FeTaN、FeC等具有非晶態(tài)的強磁性層。
對以上的實施例說明的結構、形狀、大小以及配置關系來說，本發(fā)明只是以能夠理解和實施本發(fā)明的程度大致地進行了說明，或者只是例示數(shù)值以及各結構的組成(材質)。因此，本發(fā)明并不限定于說明過的實施例，只要不超脫權利要求的范圍所示的技術思想的范圍，能夠有各種變更。
本開示涉及到2004年9月7日提出的日本專利申請第2004-259280號所包含的主題，其公布內容因明確地參照其整體而被包括。
權利要求
1.一種磁電阻效應元件，包含由一對強磁性層和位于其中間的勢壘層組成的積層結構，其特征在于至少一個強磁性層的至少與勢壘層接觸的部分為非晶態(tài)，勢壘層是具有單晶結構的MgO層。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁電阻效應元件，其特征在于上述MgO層是以濺射法形成的單晶層。
3.根據(jù)權利要求2所述的磁電阻效應元件，其特征在于上述MgO層是用MgO靶并以濺射法形成的單晶層。
4.根據(jù)權利要求1所述的磁電阻效應元件，其特征在于上述強磁性層是CoFeB層。
5.一種磁電阻效應元件的制造方法，是包含由一對強磁性層和位于其中間的勢壘層組成的積層結構的磁電阻效應元件的制造方法，其特征在于做成至少與勢壘層接觸的部分為非晶態(tài)的強磁性層，使用濺射法制作具有單晶結構的上述勢壘層。
6.根據(jù)權利要求5所述的磁電阻效應元件的制造方法，其特征在于上述MgO層是以使用了MgO靶的濺射法形成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁電阻效應元件及其制造方法，特別是涉及利用簡單的濺射成膜法制作的具有極高磁電阻比的磁電阻效應元件及其制造方法。該磁電阻效應元件包含由一對強磁性層和位于其中間的勢壘層組成的積層結構，至少一個強磁性層的至少與勢壘層接觸的部分為非晶態(tài)，勢壘層是具有單晶結構的MgO層。
文檔編號G11C11/15GK1755963SQ20051009876
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權日2004年9月7日
發(fā)明者大衛(wèi)·D.賈亞普拉維拉, 恒川孝二, 長井基將, 前原大樹, 山形伸二, 渡邊直樹, 湯淺新治 申請人:安內華股份有限公司, 產(chǎn)業(yè)技術總合研究所