[go: up one dir, main page]

JP2014505375A - Magnetic tunnel junction device having an amorphous buffer layer that is magnetically coupled and has perpendicular magnetic anisotropy - Google Patents

Magnetic tunnel junction device having an amorphous buffer layer that is magnetically coupled and has perpendicular magnetic anisotropy Download PDF

Info

Publication number
JP2014505375A
JP2014505375A JP2013553335A JP2013553335A JP2014505375A JP 2014505375 A JP2014505375 A JP 2014505375A JP 2013553335 A JP2013553335 A JP 2013553335A JP 2013553335 A JP2013553335 A JP 2013553335A JP 2014505375 A JP2014505375 A JP 2014505375A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
tunnel junction
magnetic
amorphous
magnetic tunnel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013553335A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
クンウォン・リエ
ジンキ・ホン
ク−ユル・ジュン
ジョンヒュン・キム
ドンスク・キム
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Priority claimed from PCT/KR2011/003847 external-priority patent/WO2011149274A2/en
Publication of JP2014505375A publication Critical patent/JP2014505375A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details
    • H10N50/85Materials of the active region
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)

Abstract

構造が単純であり、結晶の大きさや構造に拘らなく、磁化連結が可能でありながらも厚さが薄いバッファ層を有する磁気素子が提供される。本発明の第1実施形態による磁気トンネル接合素子は可変方向に磁化を有し得る自由層、固定された方向に磁化を有する固定層、及び自由層と固定層との間に形成されたトンネル絶縁膜を含み、固定層は磁性体膜及び非晶質金属膜が含む。また、本発明の第2実施形態による磁気素子は非晶質又はナノクリスタル物質層、及び非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成された垂直磁気異方性物質層を含む。非晶質又はナノクリスタル物質層は予め設定された非晶質物質又はナノクリスタル物質の層として下部層の上に形成され、垂直磁気異方性物質層は非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成される。  Provided is a magnetic element having a buffer layer that is simple in structure and has a thin thickness while allowing magnetic coupling regardless of the size and structure of the crystal. The magnetic tunnel junction device according to the first embodiment of the present invention includes a free layer that can have magnetization in a variable direction, a fixed layer that has magnetization in a fixed direction, and a tunnel insulation formed between the free layer and the fixed layer. The fixed layer includes a magnetic film and an amorphous metal film. In addition, the magnetic element according to the second embodiment of the present invention includes an amorphous or nanocrystalline material layer and a perpendicular magnetic anisotropic material layer formed on the amorphous or nanocrystalline material layer. The amorphous or nanocrystalline material layer is formed on the lower layer as a predetermined amorphous material or nanocrystalline material layer, and the perpendicular magnetic anisotropic material layer is formed on the amorphous or nanocrystalline material layer. It is formed.

Description

本発明は磁気トンネル接合素子に関し、より詳細には非結晶質金属膜がさらに含まれた固定層を含む磁気トンネル接合素子、及び垂直磁気異方性物質を利用する微細磁気素子に関する。   The present invention relates to a magnetic tunnel junction device, and more particularly, to a magnetic tunnel junction device including a fixed layer further including an amorphous metal film, and a fine magnetic device using a perpendicular magnetic anisotropic material.

1990年代の中盤からスピントロニクス(spintronics)の応用分野に産業的な応用可能性が集中されている。ここで、スピントロニクスというのは‘スピン(spin)+エレクトロニクス(electronics)’の合成語である。即ち、現在の電子工学は電子の2つの性質の中で1つである‘電荷’を利用する技術のみを研究したが、電子の他の性質である‘スピン’を利用して新しい機能を有する素子を開発しようとしている。   Industrial applicability has been concentrated in the field of spintronics since the mid-1990s. Here, spintronics is a compound word of 'spin + electronics'. In other words, the current electronics has studied only technology that uses 'charge', which is one of the two properties of electrons, but has a new function using 'spin', which is another property of electrons. I am trying to develop a device.

電子のスピンを利用する最も良い方法は強磁性体(ferromagnetic)を利用することである。特に、TMR(Tunneling Magneto Resistance:TMR)構造を利用する磁気トンネル接合素子(Magentic Tunnel Junction:MTJ)の場合、その応用可能分野が広いので、最近になってさらに注目を浴びている。   The best way to use the spin of electrons is to use a ferromagnet. In particular, in the case of a magnetic tunnel junction element (MTJ) using a TMR (Tunneling Magneto Resistance: TMR) structure, since its applicable field is wide, it has attracted more attention recently.

ここで、TMR構造というのは強磁性体−絶縁膜−強磁性体構造を称することであって、磁気トンネル接合素子は量子力学のトンネルリング電流が磁性体の磁化方向に影響を受ける効果を利用してデータを格納する手段として活用することができることである。ここで、データの格納手段として使用することができる原理は磁気抵抗(magneto−resistance)特性のために、これは2つの強磁性体の配列に従って抵抗が変わる特性を意味する。   Here, the TMR structure refers to a ferromagnetic-insulating film-ferromagnetic structure, and the magnetic tunnel junction device uses the effect that the quantum mechanical tunneling current is influenced by the magnetization direction of the magnetic material. Thus, it can be utilized as a means for storing data. Here, because the principle that can be used as a data storage means is a magneto-resistance characteristic, this means a characteristic that the resistance changes according to the arrangement of the two ferromagnets.

即ち、2つの強磁性体の磁化方向が平行になる場合、トンネルリング電流は最大になり、反平行になる場合には最小になる。強磁性体はスピン方向に従って互に異なる電子密度を有する。   That is, the tunneling current is maximized when the magnetization directions of the two ferromagnets are parallel, and minimized when the magnetization directions are antiparallel. Ferromagnetic materials have different electron densities according to the spin direction.

強磁性体のフェルミ準位に在る電子が絶縁膜を通過する時、第2番目の強磁性体が第1番目の強磁性体と同一の方向に磁化されていれば、2つの強磁性体が持ちやすいスピン方向が一致するので、電子が容易に移動するが、強磁性体が互いに反対方向に配列されていれば、トンネルリング電子のスキャタリングが発生するので、抵抗が大きくなる特性を有するようになる。   If the second ferromagnet is magnetized in the same direction as the first ferromagnet when electrons in the Fermi level of the ferromagnet pass through the insulating film, the two ferromagnets Since the spin directions that are easy to hold match, electrons move easily, but if ferromagnetic materials are arranged in opposite directions, scattering of tunneling electrons will occur, and the resistance will increase. It becomes like this.

この時、トンネルリング絶縁膜は高い磁気抵抗比(MR比)を得ることができる材料が選択されるほど良いが、このために最近新しい絶縁膜としてMgOが注目を浴びている。   At this time, the tunnel ring insulating film is preferably selected so that a material capable of obtaining a high magnetoresistance ratio (MR ratio) is selected. For this reason, MgO has recently attracted attention as a new insulating film.

また、高いMR比と共に、磁気抵抗の均一性(uniformity)も磁気トンネル接合素子の特性を決定する重要な要素であるが、このためには各々の膜の厚さを均一に形成することが重要であり、特に、熱処理工程の時、トンネル絶縁膜の厚さを平坦に形成することが重要である。   In addition to the high MR ratio, the uniformity of magnetoresistance is an important factor in determining the characteristics of the magnetic tunnel junction device. For this purpose, it is important to form the thickness of each film uniformly. In particular, it is important that the thickness of the tunnel insulating film is formed flat during the heat treatment step.

しかし、従来の磁気トンネル接合素子の場合には磁気抵抗の均一性に多くの問題があると報告されている。即ち、熱処理工程の遂行の際にトンネル絶縁膜の下部構造物によって、トンネル絶縁膜の平坦度が悪くなる問題点が発生する。   However, in the case of the conventional magnetic tunnel junction element, it has been reported that there are many problems in the uniformity of magnetoresistance. In other words, the flatness of the tunnel insulating film is deteriorated by the lower structure of the tunnel insulating film during the heat treatment process.

熱処理工程はトンネル絶縁膜及び強磁性体を結晶化することによって、磁性体の特性を向上するための必須的な工程である。しかし、トンネル絶縁膜の下部構造物が結晶化されながら、下部構造物が荒くなるが(roughness)、下部構造物の上部に形成されたトンネル絶縁膜がこれに影響を受けて平坦度が悪くなる。結局、従来の構造によれば、同一のウエハー上に形成されても、各々の磁気トンネル接合素子の特性が各々異なるようになるので、磁気抵抗の均一性を確保することができない。   The heat treatment process is an essential process for improving the characteristics of the magnetic material by crystallizing the tunnel insulating film and the ferromagnetic material. However, while the lower structure of the tunnel insulating film is crystallized, the lower structure becomes rough, but the tunnel insulating film formed on the upper portion of the lower structure is affected by this, and the flatness deteriorates. . Eventually, according to the conventional structure, even when formed on the same wafer, the characteristics of the magnetic tunnel junction elements are different from each other, so that the uniformity of the magnetic resistance cannot be ensured.

また、従来の磁気トンネル接合素子は熱処理工程遂行の時、トンネル絶縁膜が下部構造物によって汚染されることができる問題点がある。特に、例えば、反強磁性層(AFM)の材料として使用されるPtMn又はIrMnの場合、熱処理過程でMn粒子がトンネル絶縁膜の方へ拡散しながら、トンネル絶縁膜の界面に位置するようになってトンネル絶縁膜を汚染するようになる。この場合、トンネル絶縁膜は平坦度が悪くなり、結局磁気抵抗の均一性に悪影響を及ぼす。   Further, the conventional magnetic tunnel junction device has a problem that the tunnel insulating film can be contaminated by the lower structure when the heat treatment process is performed. In particular, for example, in the case of PtMn or IrMn used as the material of the antiferromagnetic layer (AFM), Mn particles are diffused toward the tunnel insulating film during the heat treatment process and are positioned at the interface of the tunnel insulating film. As a result, the tunnel insulating film is contaminated. In this case, the flatness of the tunnel insulating film is deteriorated, and eventually the uniformity of magnetoresistance is adversely affected.

従って、トンネル絶縁膜の下部構造物を形成の時、均一性を改善することができる新しい構造の磁気トンネル接合素子を必要とする。   Accordingly, a magnetic tunnel junction device having a new structure that can improve uniformity when forming a substructure of a tunnel insulating film is required.

また、従来には磁性物質で垂直異方性を具現するために単原子物質構造をバッファとして使用するか、或いは結晶質物質をバッファとして活用した。その結果、垂直異方性を有するグレイン(grain)が数マイクロメータの単位に形成されて垂直磁気を利用するSTT−MRAM(Spin Transfer Torque−MRAM)で数十ナノメータ大きさのメモリセルを形成させる場合、セルが粒界(grain boundary)に形成される時、不良セルが発生する可能性が高くなる。   Conventionally, in order to realize perpendicular anisotropy with a magnetic material, a monoatomic structure is used as a buffer, or a crystalline material is used as a buffer. As a result, a memory cell having a size of several tens of nanometers is formed by an STT-MRAM (Spin Transfer Torque-MRAM) using perpendicular magnetism in which grains having perpendicular anisotropy are formed in units of several micrometers. In some cases, when a cell is formed at a grain boundary, a possibility that a defective cell is generated increases.

また、従来の垂直磁気異方性の制御技術においては垂直磁気異方性を制御するために垂直磁気異方性を有する物質の格子定数と結晶方向にぴったりなバッファ層(buffer layer)の組合が必須要素であった。   In addition, in the conventional perpendicular magnetic anisotropy control technology, in order to control the perpendicular magnetic anisotropy, there is a combination of a lattice constant of a substance having perpendicular magnetic anisotropy and a buffer layer that is perfect for the crystal direction. It was an essential element.

しかし、この場合、多くのバッファ層(buffer layer)の使用によって、バッファ層(buffer layer)全体の厚さが厚くなり、結晶の大きさが合う特定な物質のみが使用できるようになり、様々なバッファ層(buffer layer)の使用によって多様な工程の上の問題点が発生した。   However, in this case, the use of many buffer layers increases the thickness of the entire buffer layer, and only a specific material having a crystal size can be used. The use of a buffer layer has caused various process problems.

また、下部に固定層(Pinned layer)として使用可能であるFePtやFePdのようなL10構造にオーダリング(ordering)された物質の上で成膜が不可能であった。   Further, it is impossible to form a film on a material ordered in an L10 structure such as FePt or FePd that can be used as a pinned layer in the lower part.

本発明は前述したような問題点を解決するために熱処理工程の時に、発生し得るトンネル絶縁膜の不均一性を改善して磁気トンネル接合素子の特性を改善することを目的とする。   In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to improve the characteristics of a magnetic tunnel junction element by improving the non-uniformity of a tunnel insulating film that may occur during a heat treatment process.

また、本発明は構造が単純であり、結晶の大きさや構造に拘らなく、磁気的結合が可能でありながらも厚さが薄いバッファ層(buffer layer)を有する磁気素子を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a magnetic element having a buffer layer that is simple in structure and has a thin thickness although magnetic coupling is possible regardless of the size and structure of the crystal. To do.

前述したような目的を達成するために、本発明の1実施形態による磁気トンネル接合素子は、可変方向に磁化を有し得る自由層、固定された方向に磁化を有する固定層、及び前記自由層と固定層との間に形成されたトンネル絶縁膜と、を含み、固定層は強磁性体膜及び非晶質金属膜を含む。   In order to achieve the above-described object, a magnetic tunnel junction device according to an embodiment of the present invention includes a free layer that can have magnetization in a variable direction, a fixed layer that has magnetization in a fixed direction, and the free layer. And a tunnel insulating film formed between the pinned layer and the pinned layer, the pinned layer including a ferromagnetic film and an amorphous metal film.

また、本発明の第2実施形態による磁気トンネル接合素子は非晶質又はナノクリスタル物質層、及び非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成された垂直磁気異方性物質層を含む。非晶質又はナノクリスタル物質層は予め設定された非晶質物質又はナノクリスタル物質層として下部層の上に形成され、垂直磁気異方性物質層は非晶質又はクリスタル物質層上に形成される。   In addition, the magnetic tunnel junction device according to the second embodiment of the present invention includes an amorphous or nanocrystalline material layer and a perpendicular magnetic anisotropic material layer formed on the amorphous or nanocrystalline material layer. The amorphous or nanocrystal material layer is formed on the lower layer as a preset amorphous material or nanocrystal material layer, and the perpendicular magnetic anisotropic material layer is formed on the amorphous or crystal material layer. The

このように、基板又は基板上に形成された様々な層の構造を有する下部層の上に垂直磁気異方性物質を形成するためのバッファとして、非晶質物質又はナノクリスタル物質を採用することによって、構造が単純でありながらも結晶の大きさや構造に拘らないバッファを具現することができる。ここで、バッファは垂直異方性物質の直ちに下部に置かれる層(反対に積む場合には上部層)を意味する。   As described above, an amorphous material or a nanocrystal material is used as a buffer for forming a perpendicular magnetic anisotropic material on the substrate or the lower layer having various layer structures formed on the substrate. Thus, a buffer that is simple in structure but independent of the size and structure of the crystal can be realized. Here, the buffer means the layer immediately below the vertically anisotropic material (or the upper layer when stacked oppositely).

この時、非晶質バッファ物質は垂直磁気異方性物質より結晶化温度が高いことが望ましい。このように、非晶質バッファ物質の結晶化温度が垂直磁気異方性物質の結晶化温度より高い場合、垂直磁気異方性物質は結晶化され、垂直異方性を現しても隣接するバッファ層は結晶化が進行されなかったまま、非晶質状態を維持して非晶質バッファ役割を遂行する。   At this time, the amorphous buffer material preferably has a higher crystallization temperature than the perpendicular magnetic anisotropic material. As described above, when the crystallization temperature of the amorphous buffer material is higher than the crystallization temperature of the perpendicular magnetic anisotropy material, the perpendicular magnetic anisotropy material is crystallized. While the crystallization is not progressing, the layer maintains an amorphous state and performs an amorphous buffer role.

また、非晶質物質は非晶質金属であり、特にFeZrであり得る。このように非晶質物質を非晶質金属として採用する場合、バッファを通じて垂直磁気異方性物質層に電気伝導が容易になる。   Also, the amorphous material is an amorphous metal, and in particular can be FeZr. Thus, when an amorphous material is employed as the amorphous metal, electrical conduction is facilitated to the perpendicular magnetic anisotropic material layer through the buffer.

下部層は垂直磁気異方性物質層であり得る。このような構成によって、非晶質金属層下部及び上部垂直磁気異方性物質層の間のテクスチャー(texture)伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能になる。   The lower layer may be a perpendicular magnetic anisotropic material layer. Such a configuration allows magnetic coupling while blocking texture transmission between the lower part of the amorphous metal layer and the upper perpendicular magnetic anisotropic material layer.

また、下部層は反強磁性物質層を包含することができる。このような構成によって、上層の垂直磁気異方性物質層を固定層として使用するスピンバルブ構造が可能になる。   The lower layer may include an antiferromagnetic material layer. Such a configuration enables a spin valve structure that uses the upper perpendicular magnetic anisotropic material layer as a fixed layer.

本発明の第1実施形態に従って磁気トンネル接合素子を製造する場合、熱処理工程の時、発生し得るトンネル絶縁膜の不均一性を改善することができ、固定層の下部に形成され得る反強磁性体粒子の拡散を防ぐので、磁気抵抗の均一性を改善することができる。これによって、磁気トンネル接合素子の特性を大きく改善することができる。   When the magnetic tunnel junction device is manufactured according to the first embodiment of the present invention, the non-uniformity of the tunnel insulating film that may occur during the heat treatment process can be improved, and the antiferromagnetic material that can be formed below the fixed layer. Since the diffusion of body particles is prevented, the uniformity of magnetoresistance can be improved. As a result, the characteristics of the magnetic tunnel junction element can be greatly improved.

また、本発明の第2実施形態によれば、薄い非晶質バッファ層(amorphous buffer layer)にFeZr単層を挿入した結果、熱処理の以後にMgO層に隣接するCoFeB層で垂直磁気異方性が現れることを確認することができる。   In addition, according to the second embodiment of the present invention, as a result of inserting the FeZr single layer into the thin amorphous buffer layer, the perpendicular magnetic anisotropy is observed in the CoFeB layer adjacent to the MgO layer after the heat treatment. Can be confirmed.

また、バッファ層(Buffer layer)の厚さが薄いので、積層の後の蝕刻工程で厚いバッファ層(buffer layer)の使用による長い蝕刻工程で発生し得る試料の損傷(damage)を防止することができる。   In addition, since the buffer layer is thin, it is possible to prevent damage to the sample that may occur in a long etching process due to the use of a thick buffer layer in the etching process after stacking. it can.

また、結晶化温度が高い単層物質をバッファ層(morphology buffer layer)として使う場合、一般的に垂直磁気異方性にために高温熱処理過程でバッファ層(buffer layer)の結晶化による熱処理温度の制限を克服できる。   In addition, when a single layer material having a high crystallization temperature is used as a buffer layer (morphology buffer layer), the temperature of the heat treatment temperature due to the crystallization of the buffer layer is generally increased during high temperature heat treatment due to perpendicular magnetic anisotropy. You can overcome the limitations.

また、バッファ層(buffer layer)が非晶質状態であるので、格子常数が異なる垂直磁気異方性物質であっても結晶の大きさに関係なく、バッファ層(buffer layer)として使用することができる。従って、下部電極のテクスチャー(texture)に関係なく、望む垂直磁気異方性を具現することができる。   Further, since the buffer layer is in an amorphous state, a perpendicular magnetic anisotropic material having a different lattice constant can be used as the buffer layer regardless of the size of the crystal. it can. Therefore, the desired perpendicular magnetic anisotropy can be realized regardless of the texture of the lower electrode.

また、強い垂直磁気異方性を有する固定層(Pinned layer)の上に垂直磁気異方性を有するCoFeB層(layer)の具現が可能である。   In addition, a CoFeB layer (layer) having perpendicular magnetic anisotropy can be implemented on a pinned layer having strong perpendicular magnetic anisotropy.

また、本発明の構造は多層薄膜を形成する順序が反対である場合にも同様に適用される。   The structure of the present invention is similarly applied when the order of forming the multilayer thin film is reversed.

一般的な磁気トンネル接合素子の構造に対する概略図である。It is the schematic with respect to the structure of a general magnetic tunnel junction element. 本発明の第1実施形態に従って提案された磁気トンネル接合素子の構造を説明するための図面である。1 is a diagram for explaining the structure of a magnetic tunnel junction device proposed according to a first embodiment of the present invention; 図1の固定層にFeZrを包含する場合の効果を説明するための実験データである。It is an experimental data for demonstrating the effect in case FeZr is included in the fixed layer of FIG. 本発明の第2実施形態による磁気素子の一実施形態の概略的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a magnetic element according to a second embodiment of the present invention. 図4の構造を有する試料で400℃熱処理の後の磁化の変化を示すVSMデータを示した図面である。5 is a drawing showing VSM data showing a change in magnetization after heat treatment at 400 ° C. for a sample having the structure of FIG. 4. 本発明の第2実施形態による磁気素子の他の実施形態の概略的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of another embodiment of a magnetic element according to a second embodiment of the present invention. スピンバルブ構造を含む本発明の第2実施形態による磁気素子一実施形態の概略的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a magnetic element according to a second embodiment of the present invention including a spin valve structure. 図4の磁気素子を製造する方法の一実施形態を遂行するための概略的なフローチャートである。6 is a schematic flowchart for performing an embodiment of a method for manufacturing the magnetic element of FIG. 4. 図4の構造でCoFeBの厚さに従う垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。6 is a diagram showing data obtained by measuring the magnitude of perpendicular magnetic anisotropy according to the thickness of CoFeB in the structure of FIG. 4. 図4の構造でFeZrの厚さに従う垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。5 is a diagram illustrating data obtained by measuring the magnitude of perpendicular magnetic anisotropy according to the thickness of FeZr in the structure of FIG. 4.

以下では、本発明の最も望ましい実施形態が説明される。図面において、厚さと間隔は説明を簡単にするために表現され、実際の物理的な厚さに比べて誇張されて図示され得る。本発明を説明することにおいて、本発明の要旨と関係ない公知の構成は省略され得る。   In the following, the most preferred embodiment of the present invention will be described. In the drawings, thicknesses and spacings are expressed for ease of explanation and may be exaggerated relative to the actual physical thickness. In describing the present invention, known configurations that are not related to the gist of the present invention may be omitted.

各図面の構成要素に参照番号を付加することにおいて、同一の構成要素に限ってはたとえ他の図面の上に表示されてもできるだけ同一の番号を有するようにしていることに留意しなければならない。   It should be noted that the reference numbers are added to the components of each drawing so that the same components have the same number as much as possible even if they are displayed on other drawings. .

図1は一般的な磁気トンネル接合素子の構造に対する概略図である。一般的に、2つの強磁性層の中で一層は磁化方向が固定される。これを固定層(pinned layer:PL)と称し、残る1つは外部磁場或いは貫通する電流によって磁化方向が変わる自由層(free layer:FL)と称する。ここで、矢印は磁化方向を示す。示したように、固定層PLは磁化方向が固定されているが、自由層FLは可変方向に磁化が可能である。   FIG. 1 is a schematic view illustrating a structure of a general magnetic tunnel junction element. In general, the magnetization direction of one of the two ferromagnetic layers is fixed. This is called a pinned layer (PL), and the remaining one is called a free layer (FL) whose magnetization direction is changed by an external magnetic field or a penetrating current. Here, the arrow indicates the magnetization direction. As shown, the magnetization direction of the fixed layer PL is fixed, but the free layer FL can be magnetized in a variable direction.

一般的に、固定層PLはPtMn、IrMn等のような反強磁性層(antiferromagnetic layer:AFM)等と共に使用されて自由層FLに比べて磁化方向が変わることが難くなる。反強磁性層(AFM)は固定層PLの磁化反転に必要である磁場の領域を自由層FLと完全に分離することによって、実際使用範囲に該当される外部磁場領域では固定層PLの磁化反転が生じなく、自由層FLのみが磁化反転できるようになる。   In general, the fixed layer PL is used together with an antiferromagnetic layer (AFM) such as PtMn, IrMn, etc., so that the magnetization direction is less likely to change compared to the free layer FL. The antiferromagnetic layer (AFM) completely separates the magnetic field region necessary for the magnetization reversal of the fixed layer PL from the free layer FL, thereby reversing the magnetization of the fixed layer PL in the external magnetic field region corresponding to the actual use range. And only the free layer FL can reverse the magnetization.

結局、2つの強磁性層は相対的に平行な磁化方向又は反平行な磁化方向の2つの状態のみが可能であるように磁気トンネル接合素子の層間構造を設計する。結果的に最適のTMR値を得ることができるのみならず、信号の安定性を高くすることができるようになる。   Eventually, the interlayer structure of the magnetic tunnel junction element is designed so that the two ferromagnetic layers can only have two states of relatively parallel magnetization directions or antiparallel magnetization directions. As a result, not only the optimum TMR value can be obtained, but also the stability of the signal can be increased.

図2は本発明の第1実施形態によって提案された磁気トンネル接合素子の構造を説明するための図面である。説明を簡単にするために、強磁性体層及び反磁性層を中心に図示した。   FIG. 2 is a view for explaining the structure of the magnetic tunnel junction device proposed by the first embodiment of the present invention. In order to simplify the description, the ferromagnetic layer and the diamagnetic layer are mainly illustrated.

先に説明したように、磁気トンネル接合素子は基本的に“強磁性体−絶縁膜−強磁性体”の構造を有し、動作の説明を簡易にするために2つの強磁性体の中で1つは磁化を固定させ、その他の1つは磁化が可変可能するように形成する。便宜上、前者を固定層とし、後者を自由層とし、2つの強磁性体の磁化方向が平行であるか、或いは反平行であるかに従って、トンネルリング電流が異なるので、これをセンシングして記憶素子としての役割を果たすようになる。   As described above, the magnetic tunnel junction element basically has a structure of “ferromagnetic material-insulating film-ferromagnetic material”. One is formed so that the magnetization is fixed, and the other is formed so that the magnetization can be varied. For convenience, the former is a fixed layer, the latter is a free layer, and the tunneling current differs depending on whether the magnetization directions of the two ferromagnets are parallel or antiparallel. As a role.

ここで、強磁性体を構成する材料としては高いMR比を確保できる物質が望ましく、CoFe又はCoFeBを包含することができる。   Here, the material constituting the ferromagnetic material is preferably a substance that can ensure a high MR ratio, and can include CoFe or CoFeB.

本発明の磁気トンネル接合素子は基板(図示せず)の上に可変方向に磁化を有し得る自由層FL、固定された方向に磁化を有する固定層PL、及び前記自由層FLと固定層PLとの間に形成されたトンネル絶縁膜を含み、前記固定層PLは磁性体膜PL_1、PL_2及び非晶質金属膜21を含む。   The magnetic tunnel junction device of the present invention includes a free layer FL that can have magnetization in a variable direction on a substrate (not shown), a fixed layer PL that has magnetization in a fixed direction, and the free layer FL and the fixed layer PL. The fixed layer PL includes magnetic films PL_1 and PL_2 and an amorphous metal film 21.

ここで、前記非晶質金属膜21の結晶化温度は前記強磁性体膜PL_1、PL_2及びトンネル絶縁膜より高いことが望ましい。   Here, the crystallization temperature of the amorphous metal film 21 is preferably higher than those of the ferromagnetic films PL_1 and PL_2 and the tunnel insulating film.

また、前記固定層PLの強磁性体膜PL_1、非晶質金属膜21、及び強磁性体膜PL_2は積層構造を包含することができる。   In addition, the ferromagnetic film PL_1, the amorphous metal film 21, and the ferromagnetic film PL_2 of the fixed layer PL may include a stacked structure.

本発明は従来のように複合反強磁性構造を有することではなく、固定層PLが“強磁性体PL_1−高い結晶化温度を有する非晶質金属膜21−強磁性体PL_2”を含む点で従来の技術と区別される。   The present invention does not have a composite antiferromagnetic structure as in the prior art, but the fixed layer PL includes “ferromagnetic material PL_1-amorphous metal film 21 having a high crystallization temperature—ferromagnetic material PL_2”. A distinction is made from conventional technology.

本発明のようにトンネル絶縁膜の下部に形成される固定層PLに非晶質金属膜21をさらに包含することによって、強磁性体PL_1と強磁性体PL_2とが熱処理工程を通じて結晶化されても、含まれた非晶質金属膜21によって一定な厚さに成長させることができる。即ち、トンネル絶縁膜下部構造物の粗さ(roughness)を大きく減少させることができ、これによって、トンネル絶縁膜を平坦に形成することができるので、磁気抵抗の均一性を大きく向上させることができる。   By including the amorphous metal film 21 in the fixed layer PL formed below the tunnel insulating film as in the present invention, the ferromagnetic material PL_1 and the ferromagnetic material PL_2 can be crystallized through the heat treatment process. The amorphous metal film 21 can be grown to a constant thickness. That is, the roughness of the lower structure of the tunnel insulating film can be greatly reduced. As a result, the tunnel insulating film can be formed flat, and the uniformity of magnetoresistance can be greatly improved. .

一方、固定層PLの下部には固定層PLの磁化を固定するために反強磁性層(AFM)が形成されることは先に説明されたことと同様である。この場合、熱処理工程の中で反強磁性層(AFM)の物質が固定層PLへ拡散してトンネル絶縁膜を汚染し得る。   On the other hand, the antiferromagnetic layer (AFM) is formed below the fixed layer PL in order to fix the magnetization of the fixed layer PL as described above. In this case, the material of the antiferromagnetic layer (AFM) may diffuse into the fixed layer PL during the heat treatment process and contaminate the tunnel insulating film.

前記トンネル絶縁膜が汚染される場合、磁気トンネル接合のトンネルリング電流が汚染の程度に従って異なるので、磁気抵抗の均一性(uniformity)が悪くなる。   When the tunnel insulating film is contaminated, the tunneling current of the magnetic tunnel junction varies according to the degree of contamination, so that the uniformity of magnetoresistance deteriorates.

しかし、本発明のように固定層PLに高い結晶化温度を有する非晶質金属膜21を包含する場合には前述したような現象を防止することができる。即ち、熱処理工程が進行されても、非晶質金属膜21の結晶化温度が高いので、非晶質状態を維持し、固定層PLの間に非晶質金属膜21があるので、反強磁性層(AFM)の物質は非晶質金属膜21を通過することが難くなる。   However, when the fixed layer PL includes the amorphous metal film 21 having a high crystallization temperature as in the present invention, the phenomenon as described above can be prevented. That is, even if the heat treatment process proceeds, since the crystallization temperature of the amorphous metal film 21 is high, the amorphous state is maintained and the amorphous metal film 21 exists between the fixed layers PL. It becomes difficult for the material of the magnetic layer (AFM) to pass through the amorphous metal film 21.

また、本発明のような非晶質金属膜は磁性体を包含することができる。従って、この場合には微細厚さを調節する必要がない。   In addition, the amorphous metal film as in the present invention can include a magnetic material. Therefore, in this case, it is not necessary to adjust the fine thickness.

従来には磁性体の漂遊磁界(stray field)を遮断するために“強磁性体−Ru−強磁性体”の複合反強磁性構造(Synthetic anti−ferromagnetic structure)が使用されたことがある。この場合には挿入層である“Ru”の厚さを非常に微細に調節しなければならない。   Conventionally, a “ferromagnetic-Ru-ferromagnetic” composite anti-ferromagnetic structure has been used to block a stray field of a magnetic material. In this case, the thickness of the insertion layer “Ru” must be very finely adjusted.

即ち、Ruの厚さによって、磁気結合(magnetic coupling)の特性が変化しながら、全体の素子の特性が変化する短所があった。従って、熱処理過程でRuの拡散によるRuの厚さ変化は素子のスイッチング特性の変化をもたらすことがあり得る。   That is, there is a disadvantage in that the characteristics of the entire device change while the characteristics of magnetic coupling change depending on the thickness of Ru. Therefore, a change in the thickness of Ru due to the diffusion of Ru during the heat treatment process may cause a change in the switching characteristics of the device.

しかし、本発明は磁性体の漂遊磁界(stray field)遮断が主な目的ではなく、先に説明したようにトンネル絶縁膜を平坦に形成することを目的としている。従って、本発明の固定層は強磁性体膜及び非晶質金属膜を含む。望ましくは強磁性体膜の間に非晶質金属膜が形成されている積層構造を包含することができることは先に説明されたことと同様である。   However, the present invention is not mainly intended to block the stray field of the magnetic material, but aims to form the tunnel insulating film flat as described above. Therefore, the fixed layer of the present invention includes a ferromagnetic film and an amorphous metal film. It is desirable to include a laminated structure in which an amorphous metal film is formed between the ferromagnetic films as described above.

従って、本発明は上述したように微細厚さを調節する必要がない。但し、必要によって非晶質金属膜の厚さを強磁性体膜PL_1、PL_2の厚さぐらい或いはそれ以上まで厚く形成が可能である。この場合、トンネル絶縁膜の平坦度が改善されると共に下部に形成された反強磁性層(AFM)物質の拡散を遮断させることができる効果がある。   Therefore, the present invention does not need to adjust the fine thickness as described above. However, the amorphous metal film can be formed as thick as the ferromagnetic films PL_1 and PL_2 or more if necessary. In this case, the flatness of the tunnel insulating film is improved, and the diffusion of the antiferromagnetic layer (AFM) material formed below can be blocked.

例として説明すれば、次の通りである。先に説明したように磁気トンネル接合素子の強磁性層材料にCoFe又はCoFeBが使用され得る。そして、固定層PLの磁化を固定する反強磁性層(AFM)の材料としてはPtMn又はIrMnが使用され得る。   As an example, it is as follows. As described above, CoFe or CoFeB can be used as the ferromagnetic layer material of the magnetic tunnel junction element. PtMn or IrMn can be used as the material of the antiferromagnetic layer (AFM) that fixes the magnetization of the fixed layer PL.

説明を簡単にするために、強磁性層としてCoFeBを、反強磁性層の材料としてIrMnを使う例を説明する。そして、トンネル絶縁膜はMgOが望ましいが、前述したような材料は関連技術の発展に従って、他の物質が使用されることもあり得ることに注意しなければならない。   In order to simplify the explanation, an example will be described in which CoFeB is used as the ferromagnetic layer and IrMn is used as the material of the antiferromagnetic layer. In addition, although the tunnel insulating film is preferably made of MgO, it should be noted that other materials may be used for the material as described above according to the development of related technology.

この場合、熱処理工程を通じて各々の材料は段々結晶化される。本発明のように、磁気トンネル接合素子を“CoFeB−MgO−CoFeB−結晶化温度が高い非晶質金属膜21−CoFeB”に形成した場合にはCoFeBが結晶化される時まで、含まれた非晶質金属膜21は結晶化されないので、Mn粒子の拡散を防ぐことができる。   In this case, each material is crystallized step by step through the heat treatment process. As in the present invention, when the magnetic tunnel junction element is formed in “CoFeB—MgO—CoFeB—amorphous metal film 21—CoFeB having a high crystallization temperature”, it is included until CoFeB is crystallized. Since the amorphous metal film 21 is not crystallized, the diffusion of Mn particles can be prevented.

そうすると、前述したように結晶化温度が高い非晶質金属膜21の材料が問題になることができる。ここで、非晶質金属膜21は結晶化温度が高くしなければならなく、固定層PLに含まれる材料であるので、磁性体の性質を包含することができる。   Then, as described above, the material of the amorphous metal film 21 having a high crystallization temperature can be a problem. Here, since the amorphous metal film 21 must have a high crystallization temperature and is a material included in the fixed layer PL, it can include the properties of a magnetic substance.

この場合、非晶質金属膜21はFeZrを包含することができる。しかし、本明細書でFeZrを提示したが、このような材料は関連技術の発展に従って、他の適合な物質も使用されることあり得ることに注意しなければならない。   In this case, the amorphous metal film 21 can include FeZr. However, although FeZr has been presented herein, it should be noted that such materials may be used with other compatible materials as the related art develops.

FeZrは即ち、CoFeBがbcc構造又はfcc構造に結晶化されても、結晶化温度が高いので、結晶化されなく、非晶質状態に存在する。また、FeZrはFeとZrの比率に従って、強磁性、常磁性、弱い強磁性の3つの磁性特徴を有することができるので、磁気トンネル接合素子の製造において、活用の幅が大きい。また、FeZrは微細厚さを調節する必要がないので、工程において、非常に有利である。   That is, even when CoFeB is crystallized into a bcc structure or an fcc structure, FeZr is not crystallized and exists in an amorphous state even if it is crystallized into a bcc structure or an fcc structure. Further, since FeZr can have three magnetic characteristics according to the ratio of Fe and Zr: ferromagnetism, paramagnetism, and weak ferromagnetism, it is widely used in the manufacture of magnetic tunnel junction elements. FeZr is very advantageous in the process because it is not necessary to adjust the fine thickness.

図3は固定層PLにFeZrを包含した場合、効果を説明するための実験データである。実験は12.5mm×12.5mmSiOウエハーに7つの磁気トンネル接合素子を形成した。そして、トンネル絶縁膜MgOを成長させるために外部磁場4kOeを掛け、270℃で10分間に熱処理工程を遂行した。磁気トンネル接合素子は直流電流源を使用して4端子測定法で常温で各々のTMRを測定した。 FIG. 3 shows experimental data for explaining the effect when FeZr is included in the fixed layer PL. In the experiment, seven magnetic tunnel junction elements were formed on a 12.5 mm × 12.5 mm SiO x wafer. Then, an external magnetic field of 4 kOe was applied to grow the tunnel insulating film MgO, and a heat treatment process was performed at 270 ° C. for 10 minutes. Each TMR was measured at room temperature by a four-terminal measurement method using a direct current source for the magnetic tunnel junction element.

示したように、固定層PLにFeZrを包含しない場合(41)には7つの磁気トンネル接合素子のTMR分布が非常に広い(D1)。しかし、FeZrを5Å包含する場合(42)、FeZrを10Å包含する場合(43)にはTMR分布は非常に狭くなる(D2)。   As shown, when the fixed layer PL does not include FeZr (41), the TMR distribution of the seven magnetic tunnel junction elements is very wide (D1). However, the TMR distribution becomes very narrow (D2) when 5% of FeZr is included (42) and when 10% of FeZr is included (43).

このように、FeZrを固定層PLに包含することによって、磁気抵抗の均一性は非常に向上され、これによって磁気トンネル接合素子の製造及び動作において、信頼性を確保することができる。   Thus, by including FeZr in the fixed layer PL, the uniformity of the magnetoresistance is greatly improved, thereby ensuring reliability in the manufacture and operation of the magnetic tunnel junction element.

図4は本発明の第2実施形態による磁気素子の一実施形態の概略的な断面図である。図4では、一般的に水平磁気異方性を有するCoFeB磁性体を垂直磁気異方性を有するようにするためにFeZr非晶質モルフォロージーバッファ層(amorphous morphology buffer layer)を使用して垂直磁気異方性を有することにした試料の積層構造が図示されている。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a magnetic element according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, in order to make a CoFeB magnetic material having a horizontal magnetic anisotropy generally have a perpendicular magnetic anisotropy, a perpendicular magnetic anisotropy is used by using a FeZr amorphous morphological buffer layer. The laminated structure of the sample that has anisotropy is illustrated.

ここで、モルフォロージーバッファ層というのは、上と下に隣接する薄膜層にテクスチャー(texture)が波及されてテクスチャーの衝突が生じることを防止するか、或いは望まないテクスチャーの波及を遮断する層を意味する。   Here, the morphological buffer layer refers to a layer that prevents a texture collision by causing a texture to propagate to the upper and lower adjacent thin film layers, or blocks an unwanted texture propagation. .

図4で、磁気素子は非晶質物質層110、及び非晶質物質層110上に形成された垂直磁気異方性物質層120を含む。非晶質物質層110は予め設定された非晶質物質の層として下部層130上に形成され、垂直磁気異方性物質層120は非晶質物質層110上に形成される。   In FIG. 4, the magnetic element includes an amorphous material layer 110 and a perpendicular magnetic anisotropic material layer 120 formed on the amorphous material layer 110. The amorphous material layer 110 is formed on the lower layer 130 as a predetermined amorphous material layer, and the perpendicular magnetic anisotropic material layer 120 is formed on the amorphous material layer 110.

図4でモルフォロージーバッファ層110として非晶質物質が使用されたが、非晶質物質の代わりに予め設定されたナノクリスタル物質がモルフォロージーバッファ層として使用されることもあり得、この時、ナノクリスタル物質は全体的に非晶質であるが、部分的に結晶を有する物質を意味する。   Although an amorphous material is used as the morphological buffer layer 110 in FIG. 4, a preset nanocrystal material may be used as the morphological buffer layer instead of the amorphous material. A nanocrystal material is a material that is entirely amorphous but partially has crystals.

この時、垂直異方性物質層120は層の形成の時に既に垂直異方性を有することもあり得るが、層の形成の以後に熱処理等の技法を通じて垂直異方性を有することが一般的である。また、垂直磁気異方性物質層120が垂直磁気異方性を有するように上部にMgO層140又はこれと類似な結晶構造層が必要である。   At this time, the vertical anisotropy material layer 120 may already have a vertical anisotropy when the layer is formed, but generally has a vertical anisotropy through a technique such as heat treatment after the formation of the layer. It is. In addition, the MgO layer 140 or a similar crystal structure layer is necessary on the upper portion so that the perpendicular magnetic anisotropic material layer 120 has perpendicular magnetic anisotropy.

また、図4で下部層130はシリコン基板で具現されているが、下部層130は以外にも多様な物質の基板は勿論、電極として具現され得る。   4, the lower layer 130 is implemented with a silicon substrate. However, the lower layer 130 may be implemented as an electrode as well as a substrate of various materials.

このように、下部層130上に垂直磁気異方性物質を形成するためのバッファとして、非晶質物質又はナノクリスタル物質を採用することによって、構造が単純でありながらも下部層130の結晶の大きさや構造に拘らないバッファを具現することができるようになる。   As described above, by adopting an amorphous material or a nanocrystal material as a buffer for forming the perpendicular magnetic anisotropy material on the lower layer 130, the crystal structure of the lower layer 130 is simplified although the structure is simple. A buffer can be implemented regardless of its size and structure.

この時、非晶質物質及びナノクリスタル物質は垂直磁気異方性物質より結晶化温度が高いことが望ましい。このように、非晶質物質の結晶化温度が垂直磁気異方性物質の温度が高い場合、垂直磁気異方性のための高温熱処理過程でバッファ層の結晶化による熱処理温度の制限を克服することができるようになる。   At this time, it is desirable that the amorphous material and the nanocrystal material have a higher crystallization temperature than the perpendicular magnetic anisotropic material. As described above, when the crystallization temperature of the amorphous material is high, the limitation of the heat treatment temperature due to the crystallization of the buffer layer is overcome in the high temperature heat treatment process for the perpendicular magnetic anisotropy. Will be able to.

また、非晶質物質は非晶質金属であり得、特にFeZrであり得る。このように非晶質物質を非晶質金属に採用する場合、バッファを通じる垂直磁気異方性物質層への電気伝導が容易になる。   Also, the amorphous material can be an amorphous metal, in particular FeZr. Thus, when an amorphous material is employed as the amorphous metal, electrical conduction to the perpendicular magnetic anisotropic material layer through the buffer is facilitated.

図5は図4の構造を有する試料で400℃熱処理の後のVSMデータを示した図面である。図5で、面外の(Out of plane)方向で磁化反転が生じることから、垂直磁気異方性が生成されていることを確認することができる。さらにバッファ層(buffer layer)とCoFeB層(layer)との厚さを調節することによって、多様な垂直磁気異方性を確認することができる。また、FeZr非晶質モルフォロージーバッファ層(amorphous morphology buffer layer)を利用して垂直磁気異方性が良く形成されたことを確認することができる。   FIG. 5 shows VSM data after heat treatment at 400 ° C. for the sample having the structure of FIG. In FIG. 5, since magnetization reversal occurs in the out-of-plane direction, it can be confirmed that perpendicular magnetic anisotropy is generated. Furthermore, various perpendicular magnetic anisotropies can be confirmed by adjusting the thicknesses of the buffer layer and the CoFeB layer. In addition, it can be confirmed that the perpendicular magnetic anisotropy is well formed using an FeZr amorphous morphological buffer layer.

図6は本発明による磁気素子の他の実施形態の概略的な断面図である。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of another embodiment of a magnetic element according to the present invention.

図6で確認することができるように、非晶質金属層110と基板130との間に垂直磁気異方性物質層140をさらに包含することができる。このような構成によって、非晶質金属層110、下部磁気異方性物質層140、及び上部垂直磁気異方性物質層120の間のテクスチャー(texture)伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能になる。   As can be seen in FIG. 6, a perpendicular magnetic anisotropic material layer 140 may be further included between the amorphous metal layer 110 and the substrate 130. With this configuration, the texture transmission between the amorphous metal layer 110, the lower magnetic anisotropic material layer 140, and the upper perpendicular magnetic anisotropic material layer 120 is blocked, but magnetically coupled. Is possible.

言い換えれば、結晶化された下部電極に関係なく上部に垂直磁気異方性を具現することができるようになる。下部及び上部電極のテクスチャー(texture)の伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能になって垂直異方性ハード固定層(hard pinning layer)の上に垂直磁気CoFeB/MgOの構造が具現することができるようになる。   In other words, perpendicular magnetic anisotropy can be realized in the upper part regardless of the crystallized lower electrode. While the transmission of the texture of the lower and upper electrodes is blocked, the magnetic coupling is possible, and the structure of the perpendicular magnetic CoFeB / MgO is realized on the perpendicular pinning hard fixed layer (hard pinning layer) Will be able to.

図7はスピンバルブ構造を含む本発明による磁気素子の一例の概略的な断面図である。図7には本発明で提示されたFeZrを使用して垂直磁気異方性を有するMgOMTJの垂直−垂直スピンバルブ(spin valve)構造を図示している。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an example of a magnetic element according to the present invention including a spin valve structure. FIG. 7 illustrates a vertical-vertical spin valve structure of MgOMTJ having perpendicular magnetic anisotropy using FeZr presented in the present invention.

図7の左側図面の場合、下部層に反強磁性(antiferro magnet)物質160を使用し、組成に従う強磁性又は常磁性FeZr物質を使用して上部のCoFeB物質を固定層(Pinned layer)として作動するようにし、図7の右側図面の場合、反強磁性(antiferro magnet)物質の代わりにL10オーダリング(ordered)されたハード固定層(Hard pinned layer)を使用して強磁性層(Pinned layer)として作動するようにした。   In the case of the left side of FIG. 7, the antiferromagnetic material 160 is used for the lower layer, and the upper CoFeB material is operated as a pinned layer using a ferromagnetic or paramagnetic FeZr material according to the composition. In the case of the right side of FIG. 7, an L10 ordered hard pinned layer is used instead of an antiferromagnetic material as a ferromagnetic layer (Pinned layer). It was made to work.

固定層(pinned layer)上部にやはり垂直磁気異方性を有するCoFeB物質を自由層(free layer)として作動するようにし、(垂直 pinned)−(垂直free layer)を形成し、垂直磁気異方性を有するスピンバルブ(spin valve)構造を具現することできるようにし、この構造を利用して磁気格納メモリとして駆動が可能になることができる。   A CoFeB material that also has perpendicular magnetic anisotropy is operated as a free layer on the pinned layer to form (vertical pinned)-(vertical free layer), and perpendicular magnetic anisotropy is formed. A spin valve structure having the above structure can be realized, and the structure can be used to drive the magnetic storage memory.

図8は本発明の図4の磁気素子を製造する方法を遂行するための概略的なフローチャートである。   FIG. 8 is a schematic flowchart for performing the method of manufacturing the magnetic element of FIG. 4 of the present invention.

図8で、基板上に非晶質物質層を形成し(S110)、形成された非晶質モルフォロージーバッファ層上に垂直磁気異方性に変化される物質層を形成する(S120)。   In FIG. 8, an amorphous material layer is formed on the substrate (S110), and a material layer that is changed to perpendicular magnetic anisotropy is formed on the formed amorphous morphological buffer layer (S120).

詳細に説明すれば、多様な物質の組合や積層構造ではない単純なバッファ層(buffer layer)でありながら、薄い厚さであっても上に成長された物質が垂直異方性を有するようにし、結晶の大きさが異なってもバッファ層(buffer layer)で使用可能であり、後工程過程で問題が発生しないバッファ層(buffer layer)を挿入する。   More specifically, a material that is a simple buffer layer that is not a combination of various materials or a stacked structure, but the material grown on the thin layer has vertical anisotropy even if it is thin. Even if the crystal size is different, a buffer layer that can be used in a buffer layer and does not cause a problem in a subsequent process is inserted.

これに対しては、非晶質バッファ層(amorphous morphology buffer layer)として薄いFeZr層(layer)を使用して熱処理工程の後、上に成長したCoFeB強磁性体(ferromagnetic)物質が垂直異方性を有することを確認することができる。   For this, a CoFeB ferromagnet material grown on top of the FeFe layer after the heat treatment using a thin FeZr layer as an amorphous buffer layer is perpendicularly anisotropic. Can be confirmed.

このバッファ層は熱処理に従って非晶質磁性体CoFeBにおいて、MgOから伝播されて来る体心立方(bcc)構造と下から作用するテクスチャー(texture;fcc、fct、hcp等の相異構造)から伝播される異なる相を遮断する。従って、その間にL10のようなテクスチャー(texture)を有する物質の上で成膜が不可能であった問題点を解決することができる。   This buffer layer is propagated from the body-centered cubic (bcc) structure propagated from MgO and the texture (texture; different structure such as fcc, fct, hcp, etc.) acting from below in the amorphous magnetic material CoFeB by heat treatment. Block different phases. Accordingly, it is possible to solve the problem that film formation was impossible on a material having a texture like L10 in the meantime.

さらにモルフォロージーバッファ(morphology buffer)の役割を果たしながらも、磁気結合が可能であるので、垂直異方性固定層(Pinned layer)/垂直異方性自由層(free layer)の構造が具現することができる。   Furthermore, since magnetic coupling is possible while serving as a morphological buffer, the structure of a pinned layer / vertically anisotropic layer can be realized. Can do.

また、挿入層(Inserting layer)として使用されるFeZr物質はFeとZrの造成比を調節して常磁性及び強磁性体に相変化が可能であるので、望む相を探して使用することができる。   In addition, the FeZr material used as an insertion layer can be used by searching for a desired phase because the phase change between paramagnetic and ferromagnetic materials is possible by adjusting the formation ratio of Fe and Zr. .

本発明の第2実施形態は次のような場合に有用に活用され得る。   The second embodiment of the present invention can be effectively used in the following cases.

−多層膜で結晶化過程を通じるか、或いはナノ結晶化過程及び類似熱処理過程を通じて相を伝播しようとする場合において、1つの上の伝播を遮断するか、或いは2つ以上の相が衝突することを遮断するために単層の非晶質物質又はこれと結合した多層膜を活用する場合、
−結晶化過程を利用して相の伝達をもたらし、これを通じて垂直磁気異方性を発現しようとする時、この垂直異方性が受ける歪み(strain)を解消する目的として垂直磁気を具現しようとする磁性層にその層の結晶化温度より結晶化温度が高い非晶質金属層又はこれと結合した多層膜を隣接するようにしてモルフォロージーバッファ層(morphology buffer layer)として使用する場合、
−結晶化された下部電極に関係なく、上部に垂直磁気異方性を具現する場合、
−上部及び下部に構成された電極の結晶形の影響は遮断しながら、磁気的に結合可能にして垂直磁気異方性として適用する場合。
-When propagating a phase through a crystallization process in a multilayer film or through a nanocrystallization process and a similar heat treatment process, the propagation on one is blocked or two or more phases collide When using a single layer amorphous material or a multilayer film combined with this to block
-When the crystallization process is used to bring about the phase transfer and the perpendicular magnetic anisotropy is developed through this, the perpendicular magnetic anisotropy is to be implemented for the purpose of eliminating the strain that the perpendicular anisotropy receives. When an amorphous metal layer having a crystallization temperature higher than the crystallization temperature of the magnetic layer or a multilayer film bonded thereto is adjacent to the magnetic layer to be used as a morphological buffer layer,
-When perpendicular magnetic anisotropy is realized on the upper part regardless of the crystallized lower electrode,
-Applying perpendicular magnetic anisotropy by allowing magnetic coupling while blocking the influence of the crystal shape of the electrodes formed on the upper and lower parts.

整理すれば、一般的に既存の垂直磁気異方性のためのバッファ層(buffer layer)の場合、垂直磁気異方性のために格子定数が類似であるか,或いは様々な物質を積層構造として使用して垂直磁気異方性を有し得る特別な条件を満足させなければならない。   In general, in the case of an existing buffer layer for perpendicular magnetic anisotropy, the lattice constant is similar due to perpendicular magnetic anisotropy, or various materials are formed as a laminated structure. It must be used to satisfy special conditions that can have perpendicular magnetic anisotropy.

しかし、このような場合、バッファ層(buffer layer)の厚さが厚くなり得、様々な物質の積層構造でなされるか、或いは結晶の大きさ等が特別な条件を満足する場合のみに垂直磁気異方性を有することができる。   However, in this case, the thickness of the buffer layer can be increased, and a perpendicular magnetic layer is formed only when it is formed of a laminated structure of various materials or the crystal size satisfies a special condition. It can have anisotropy.

しかし、本発明によると、非晶質モルフォロージーバッファ層(amorphous morphology buffer layer)を使用して厚さが薄い単層のバッファ層(buffer layer)で垂直磁気異方性を確認することができる。   However, according to the present invention, the perpendicular magnetic anisotropy can be confirmed in a single buffer layer having a small thickness by using an amorphous morphological buffer layer.

言い換えれば、非晶質(amorphous)物質であるので、結晶の大きさに関係なく、バッファ層(buffer layer)として使用が可能であり、結晶化温度が高いので、高温でもバッファ層(buffer layer)の役割を果たすことができる非晶質バッファ層(amorphous morphology buffer layer)を使用することによって、垂直磁気異方性を具現する。   In other words, since it is an amorphous material, it can be used as a buffer layer regardless of the size of the crystal. Since the crystallization temperature is high, the buffer layer can be used even at a high temperature. The perpendicular magnetic anisotropy is realized by using an amorphous buffer layer that can perform the following functions.

さらに、本発明によると、下部及び上部電極のテクスチャー(texture)の伝達は遮断しながらも磁気的には結合が可能にして垂直異方性ハード固定層(hard pinning layer)の上に垂直磁気CoFeB/MgOの構造の具現が可能になる。   Further, according to the present invention, the transmission of the texture of the lower and upper electrodes is blocked, but can be magnetically coupled, and the perpendicular magnetic CoFeB on the perpendicular pinning hard pinned layer. / MgO structure can be realized.

図9は図4の構造でCoFeBの厚さにしたがう垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。   FIG. 9 shows data obtained by measuring the magnitude of perpendicular magnetic anisotropy according to the thickness of CoFeB in the structure of FIG.

CoFeBの厚さを0.5nmで1.6nmまで変化させながら、測定した結果、CoFeBの厚さが0.7nmで1.6nm区間で目的とする垂直磁気異方性を確認することができた。特に、1.1nmで最も大きい垂直異方性を有することを確認することができる。   As a result of measurement while changing the thickness of CoFeB from 0.5 nm to 1.6 nm, the target perpendicular magnetic anisotropy could be confirmed in the 1.6 nm section when the thickness of CoFeB was 0.7 nm. . In particular, it can be confirmed that the film has the largest vertical anisotropy at 1.1 nm.

図10は図4の構造でFeZrの厚さにしたがう垂直磁気異方性の大きさを測定したデータを示した図面である。   FIG. 10 shows data obtained by measuring the magnitude of perpendicular magnetic anisotropy according to the thickness of FeZr in the structure of FIG.

図10でFeZrの厚さが0.4nmで2.0nmまで変化させながら、測定した結果、FeZrの厚さが0.6nmで2.0nm区間で目的とする垂直磁気異方性を有することを確認することができる。   As a result of measurement while changing the thickness of FeZr from 0.4 nm to 2.0 nm in FIG. 10, it was found that the thickness of FeZr was 0.6 nm and had the desired perpendicular magnetic anisotropy in the 2.0 nm section. Can be confirmed.

また、FeZrの厚さを調節することによって、CoFeBの保磁力値を変化させることができるのに、このような事実は保磁力を調節して望む範囲で使用できることを意味する。   Further, although the coercive force value of CoFeB can be changed by adjusting the thickness of FeZr, such a fact means that the coercive force can be adjusted and used in a desired range.

FeZr合金はFeZrの組成に従って、常磁性、強磁性のような多様な磁性特性を現す。従って、FeとZrの組成を調節することによって、垂直磁気異方性を望む大きさに調節が可能であり、磁性特性が変わっても非晶質の性質を有するので、垂直磁気異方性を有する物質として多様な活用が可能である。   The FeZr alloy exhibits various magnetic properties such as paramagnetism and ferromagnetism according to the composition of FeZr. Therefore, by adjusting the composition of Fe and Zr, it is possible to adjust the perpendicular magnetic anisotropy to a desired size, and even if the magnetic characteristics change, it has an amorphous property. It can be used in various ways.

本発明は、一部の望ましい実施形態によって説明されたが、本発明の範囲はこれによって制限されなく、特許請求の範囲によって裏付けられる実施形態の変形や改良にも及ぼすものである。   Although the invention has been described in terms of some preferred embodiments, the scope of the invention is not limited thereby and is intended to cover variations and modifications of the embodiments supported by the claims.

21 非晶質金属膜
110 非晶質物質層
120 垂直磁気異方性物質層
130 下部層
140 垂直磁気異方性物質層
150 固定層
160 反強磁性物質層
21 Amorphous metal film 110 Amorphous material layer 120 Perpendicular magnetic anisotropic material layer 130 Lower layer 140 Perpendicular magnetic anisotropic material layer 150 Fixed layer 160 Antiferromagnetic material layer

Claims (18)

可変方向に磁化を有し得る自由層と、
固定された方向に磁化を有する固定層と、
前記自由層と固定層との間に形成されたトンネル絶縁膜と、を含み、
前記固定層は強磁性体膜及び非晶質金属膜を含む、磁気トンネル接合素子。
A free layer that can have magnetization in a variable direction;
A fixed layer having magnetization in a fixed direction;
A tunnel insulating film formed between the free layer and the fixed layer,
The fixed layer includes a ferromagnetic film and an amorphous metal film.
前記非晶質金属膜の結晶化温度は前記強磁性体膜より高い、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 1, wherein a crystallization temperature of the amorphous metal film is higher than that of the ferromagnetic film. 前記非晶質金属膜の結晶化温度は前記強磁性体膜及び前記トンネル絶縁膜より高い、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。   2. The magnetic tunnel junction device according to claim 1, wherein a crystallization temperature of the amorphous metal film is higher than that of the ferromagnetic film and the tunnel insulating film. 前記非晶質金属膜は磁性体である、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 1, wherein the amorphous metal film is a magnetic material. 前記固定層は前記強磁性体膜の間に前記非晶質金属膜が形成されている積層構造である、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction element according to claim 1, wherein the fixed layer has a laminated structure in which the amorphous metal film is formed between the ferromagnetic films. 前記非晶質金属膜はFeZrを含む、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction element according to claim 1, wherein the amorphous metal film contains FeZr. 前記磁気トンネル接合素子は前記固定層の下部に反強磁性体層をさらに含む、請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction element according to claim 1, wherein the magnetic tunnel junction element further includes an antiferromagnetic material layer below the fixed layer. 下部層と、
前記下部層上に形成され、予め設定された非晶質又はナノクリスタル物質層と、
前記非晶質又はナノクリスタル物質層上に形成された垂直磁気異方性物質層と、を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
The lower layer,
A pre-set amorphous or nanocrystal material layer formed on the lower layer;
And a perpendicular magnetic anisotropic material layer formed on the amorphous or nanocrystal material layer.
前記非晶質物質及びナノクリスタル物質は前記垂直磁気異方性物質より結晶化温度が高い物質であることを特徴とする、請求項8に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device of claim 8, wherein the amorphous material and the nanocrystal material are materials having a higher crystallization temperature than the perpendicular magnetic anisotropic material. 前記非晶質物質は非晶質金属であることを特徴とする、請求項9に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 9, wherein the amorphous material is an amorphous metal. 前記非晶質金属はFeZr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。   The magnetic tunnel junction device according to claim 10, wherein the amorphous metal is FeZr. 前記FeZrの組成比は前記垂直異方性物質層での目的とする垂直異方性の大きさに従って予め設定されることを特徴とする、請求項11に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 11, wherein the composition ratio of the FeZr is set in advance according to a target magnitude of perpendicular anisotropy in the perpendicular anisotropy material layer. 前記FeZr層の厚さは前記垂直異方性物質層での目的とする垂直異方性の大きさに従って予め設定されることを特徴とする、請求項11に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 11, wherein the thickness of the FeZr layer is preset according to a target vertical anisotropy in the perpendicular anisotropy material layer. 前記FeZr層の厚さは0.6nmから2.0nmであることを特徴とする、請求項13に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 13, wherein a thickness of the FeZr layer is 0.6 nm to 2.0 nm. 前記垂直磁気異方性物質はCoFeBであることを特徴とする、請求項8に記載の磁気トンネル接合素子。   9. The magnetic tunnel junction device according to claim 8, wherein the perpendicular magnetic anisotropic material is CoFeB. 前記CoFeB層の厚さは0.7nmから1.6nmであることを特徴とする、請求項15に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 15, wherein the CoFeB layer has a thickness of 0.7 nm to 1.6 nm. 前記下部層は垂直磁気異方性物質層であることを特徴とする、請求項11に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device according to claim 11, wherein the lower layer is a perpendicular magnetic anisotropic material layer. 前記下部層は反強磁性物質層を含むことを特徴とする、請求項11に記載の磁気トンネル接合素子。   The magnetic tunnel junction device of claim 11, wherein the lower layer includes an antiferromagnetic material layer.
JP2013553335A 2011-02-10 2011-05-26 Magnetic tunnel junction device having an amorphous buffer layer that is magnetically coupled and has perpendicular magnetic anisotropy Pending JP2014505375A (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110011807A KR101256598B1 (en) 2011-02-10 2011-02-10 Magnetic device and manufacturing method for the device with perpendicular magnetic anisotropy using neighboring amorphous or nano-crystal layer
KR10-2011-0011807 2011-02-10
PCT/KR2011/003847 WO2011149274A2 (en) 2010-05-26 2011-05-26 Magnetic tunnel junction device having amorphous buffer layers that are magnetically connected together and that have perpendicular magnetic anisotropy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014505375A true JP2014505375A (en) 2014-02-27

Family

ID=46884098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013553335A Pending JP2014505375A (en) 2011-02-10 2011-05-26 Magnetic tunnel junction device having an amorphous buffer layer that is magnetically coupled and has perpendicular magnetic anisotropy

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2014505375A (en)
KR (1) KR101256598B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160061746A (en) 2014-11-24 2016-06-01 에스케이하이닉스 주식회사 Electronic device and method for fabricating the same
KR101890561B1 (en) 2016-02-03 2018-08-22 고려대학교 세종산학협력단 Apparatus and method for measuring magnetic field using spin-hall effect

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62287641A (en) * 1986-06-06 1987-12-14 Hitachi Ltd Semiconductor device
JP2002158381A (en) * 2000-09-11 2002-05-31 Toshiba Corp Ferromagnetic tunnel junction device and method of manufacturing the same
WO2003090290A1 (en) * 2002-04-22 2003-10-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magnetoresistance effect element, magnetic head comprising it, magnetic memory, and magnetic recorder
JP2004200245A (en) * 2002-12-16 2004-07-15 Nec Corp Magnetoresistive element and manufacturing method therefor
JP2005503669A (en) * 2001-09-20 2005-02-03 セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク Magnetic memory for writing with spin-polarized current using amorphous ferrimagnetic alloy and writing method thereof
JP2008283173A (en) * 2008-04-07 2008-11-20 Sony Corp Magnetoresistive element and magnetic memory device
JP2009081216A (en) * 2007-09-25 2009-04-16 Toshiba Corp Magnetoresistive element and magnetic random access memory using the same
JP2009239131A (en) * 2008-03-28 2009-10-15 Toshiba Corp High-frequency magnetic material, method of manufacturing high-frequency magnetic material, and antenna and cellular phone

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007250094A (en) * 2006-03-16 2007-09-27 Fujitsu Ltd Magnetic recording medium, method for manufacturing magnetic recording medium, and magnetic recording apparatus
KR20090115290A (en) * 2008-05-01 2009-11-05 삼성전자주식회사 Vertical magnetic recording medium and manufacturing method thereof
KR101178767B1 (en) * 2008-10-30 2012-09-07 한국과학기술연구원 Magnetic tunnel junction structure having free layer of double magnetic anisotropy
KR101658394B1 (en) * 2009-12-15 2016-09-22 삼성전자 주식회사 Magnetic Tunnel Junction device, method of manufacturing the same and electronic device comprising the same

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62287641A (en) * 1986-06-06 1987-12-14 Hitachi Ltd Semiconductor device
JP2002158381A (en) * 2000-09-11 2002-05-31 Toshiba Corp Ferromagnetic tunnel junction device and method of manufacturing the same
JP2005503669A (en) * 2001-09-20 2005-02-03 セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク Magnetic memory for writing with spin-polarized current using amorphous ferrimagnetic alloy and writing method thereof
WO2003090290A1 (en) * 2002-04-22 2003-10-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magnetoresistance effect element, magnetic head comprising it, magnetic memory, and magnetic recorder
JP2004200245A (en) * 2002-12-16 2004-07-15 Nec Corp Magnetoresistive element and manufacturing method therefor
JP2009081216A (en) * 2007-09-25 2009-04-16 Toshiba Corp Magnetoresistive element and magnetic random access memory using the same
JP2009239131A (en) * 2008-03-28 2009-10-15 Toshiba Corp High-frequency magnetic material, method of manufacturing high-frequency magnetic material, and antenna and cellular phone
JP2008283173A (en) * 2008-04-07 2008-11-20 Sony Corp Magnetoresistive element and magnetic memory device

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120091804A (en) 2012-08-20
KR101256598B1 (en) 2013-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9287321B2 (en) Magnetic tunnel junction device having amorphous buffer layers that are magnetically connected together and that have perpendicular magnetic anisotropy
USRE50331E1 (en) Magnetoresistive stack and method of fabricating same
JP7105191B2 (en) Memory cell with magnetic tunnel junction and thermal stability enhancement layer
Sato et al. CoFeB thickness dependence of thermal stability factor in CoFeB/MgO perpendicular magnetic tunnel junctions
CN105051822B (en) Inverted Orthogonal Spin-Transfer Stack
US9680088B2 (en) Ferromagnetic tunnel junction element and method of driving ferromagnetic tunnel junction element
JPWO2017090730A1 (en) Spin current magnetization reversal element, magnetoresistive effect element, and magnetic memory
KR20140111508A (en) Magnetoresistive structure, Magnetic Random Access Memory device and Manufacturing Method of the same
CN104471419A (en) Cobalt and platinum-based multilayer thin film with inverted structure and method of manufacturing the same
JP6567272B2 (en) Magnetic multilayer stack
Chen et al. Influence of seed layer on the magnetoresistance properties in IrMn-based magnetic tunnel junctions
KR101443190B1 (en) Magnetic tunnel junction device
JP2014505375A (en) Magnetic tunnel junction device having an amorphous buffer layer that is magnetically coupled and has perpendicular magnetic anisotropy
Cuchet Magnetic and transport properties of single and double perpendicular magnetic tunnel junctions
WO2011062005A1 (en) Ferromagnetic tunnel junction element
Singh Multi-layer magnetism and thermal stability in perpendicular magnetic tunnel junctions
Li et al. Reduced magnetic coercivity and switching field in conetic-alloy-based synthetic-ferrimagnetic nanodots

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140514

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141202

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20141226

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150223

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20150420