专利名称：磁性隧道结元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁性隧道结(磁隧道结)元件，该磁性隧道结元件具有强磁性体层/绝缘体层/强磁性体层的层叠结构，通过夹持绝缘体层的强磁性体层间的磁化方向的关系使隔着绝缘体层的强磁性体层间的电阻值变化。
背景技术：
已知有具有以一对强磁性体层夹持绝缘体层的层叠结构的磁性隧道结元件。在磁性隧道结元件通过夹持绝缘体层的强磁性体层间的磁化方向的关系 使隔着绝缘体层的该强磁性体层间的电阻值变化。将该电阻值的变化称为磁阻变化。磁性隧道结元件例如具有如下结构夹持绝缘体层的强磁性体层中的一个强磁性体层(固定层)的磁化方向被固定，另一个强磁性体层(自由层)的磁化方向能够变化。在该结构中，当自由层的磁化方向发生变化、固定层与自由层间的磁化方向从相互平行成为反平行时以及从相互反平行成为平行时，固定层-自由层间的电阻值发生变化。作为磁性隧道结元件的绝缘体层，已知有氧化镁(MgO)层和氟化镁(MgF2)层(参照日本特开2001-156357号公报)。在S. Mitani et al. ,“Structure and tunnel magnetoresistance in Fe/MgF2/Cojunctions with an oxide seed layer on an Fe bottom electrode，，, Journal ofAppliedPhysics, vol. 91 (2002),pp. 7200-7202，公开有通过包括 MgO 的种层(seed layer)的配置来形成抑制了小孔的产生的、漏电小的MgF2*缘体层的技术。在图14表示在Mitani et al公开的磁性隧道结元件的结构。图14所示的元件601，具有在基板602上层叠有Fe层603/MgO层604/MgF2层605/Co层606的层叠结构。MgO层604是在Fe层603上形成MgF2层605时的种层。MgO层604是相对于MgF2层605独立的层，比MgF2层605薄。但是,Mitani etal的磁性隧道结元件所示的磁阻变化率在室温不足1%，在温度4. 2K为10%。Mitani et al的元件的性能显著低于在室温表现出几十％以上的磁阻变化率的现有的磁性隧道结元件。在J. H. Kwon et al. , “Effect of F-inclusion in nm-thick MgO tunnelbarrier”, Current Applied Physics, vol. 9 (2009), pp. 788-791,公开有在含有氟的氧中使金属铝层或金属镁层氧化、形成包括氟氧化物的改性(modified)绝缘体层的方法。图15A、15B表示Kwon et al的图5。图15A、15B表示在Kwon et al中公开的氟氧化绝缘体层的、针对隧道电流的障壁高度(势垒高度，barrier height)。针对隧道电流的势垒高度成为表示绝缘体层(隧道势鱼，tunnel barrier)的品质的电评价指标。图15A表示下电极和上电极包括铝(Al)、绝缘体层为仅将金属铝层氧化而得的层(AlOx)或在含有氟的氧中将金属铝层氧化而得的层(A10F)的例子。实线表示AlOx层的势垒高度，虚线表示AlOF层的势垒高度。图15B表示下电极和上电极包括镁(Mg)、绝缘体层为仅将金属镁层氧化而得的层(MgO)或在含有氟的氧中使金属镁层氧化而得的层(MgOF)的例子。实线表示MgO层的势垒高度，虚线表示MgOF层的势垒高度。如图15A所示，AlOF层具有比AlOx层高的势垒高度。另一方面，如图15B所示，MgOF层与MgO层的势鱼高度相同。即，Kwon et al公开有如下内容在进行招的氧化时添加氟的情况下，所得到的绝缘体层的势垒高度升高，在进行镁的氧化时添加氟的情况下，不能得到利用铝时所见到的势垒高度提高的效果。在真保满雄等著《MgOO結晶成長(二杉汁37 〃化物添加O影響》、日本七9 ^
夕協会学術論文誌、vol. 97 (1989),857-863页，公开有氟化物对MgO的晶体生长的影响。更具体而言，公开有如下技术如果在从MgO粉末烧结块状的MgO陶瓷时加入氟化物，则在超过900°C的温度，MgO的晶体生长被促进。在图16表示真保等人的图3。图16表示MgF2添加针对烧结MgO的粒径的效果。根据图16可知，在900°C以上的烧结温度，MgO的晶体粒径由于MgF2的添加而增大，在900°C以下的温度，不如说MgO的晶体生长由于MgF2的添加而被抑制。
先行技术文献专利文献专利文献I :日本特开2001-156357号公报非专利文献非专利文献 I :S. Mitani et al. ,“Structure and tunnel magnetoresi stance inFe/MgF2/Co junctions with an oxide seed layer on an Fe bottom electrode，，,Journalof Applied Physics, vol.91 (2002)，pp.7200-7202非专利文献2 :J. H. Kwon et al. , “Effect of F-inclusion in nm-thick MgOtunnel barrier”，CurrentApplied Physics, vol. 9 (2009),pp.788-791非专利文献3 :真保满雄等著《MgO ^結晶成長^ ^ 7 〃化物添加Θ影響》、日本七^ $ '7夕協会学術論文誌、vol. 97 (1989)、857-863页
发明内容
发明要解决的课题在现有技术中，在具有MgO绝缘体层的磁性隧道结元件中，完全没有说明氟对该绝缘体层的有益的帮助。例如，具有层叠有MgO层和]\% 2层的绝缘体层的Mitani et al的元件，在室温不足1%，表现出显著低于通常的磁性隧道结元件的磁阻变化率。在含有氟的氧气氛下使金属镁层氧化而得的、Kwon et al的MgOF绝缘体层中，利用氟来实现的绝缘体层的势垒高度的提高未得到确认。即，至此未实现相对于MgO绝缘体层的、利用氟来实现的电的品质的提闻。用于解决课题的方法在以MgO层为绝缘体层的磁性隧道结元件中，强磁性体层和MgO层的结晶状态对该元件的磁阻变化特性施加大的影响。为了得到高的磁阻变化特性，强磁性体层和MgO层均具有良好的结晶状态是很重要的。磁性隧道结元件的强磁性体层和MgO层均为薄膜。薄膜例如利用溅射法形成。但是，难以将金属薄膜和氧化物的薄膜以良好的结晶状态层叠，特别是容易在MgO层产生晶体缺陷。作为金属薄膜的形成例，已知有通过最开始形成非晶态的薄膜，之后使其结晶而得到良好的结晶状态的例子。但是，在MgO层，不仅在直接形成结晶膜的情况下，而且在形成非晶态膜并使其接近的情况下也容易产生晶体缺陷。为了得到高的磁阻变化特性，尽量抑制这样的晶体缺陷的产生很重要。
本发明的发明人使用添加氟而得的MgO作为绝缘体层，通过确定其添加量而实现了表现出高的磁阻变化特性的磁性隧道结元件。即，本发明的磁性隧道结元件包括第一强磁性体层、第二强磁性体层、以及在上述第一强磁性体层与上述第二强磁性体层之间形成的绝缘体层，上述绝缘体层由添加有氟的MgO构成，上述绝缘体层的氟的添加量为O. 00487atm% 以上 O. 15080atm% 以下。发明效果根据本发明，能够得到具有MgO绝缘体层的、表现出高的磁阻变化特性的磁性隧道结元件。该效果被认为是通过由含有特定的添加量的氟的MgO构成绝缘体层来抑制绝缘体层的晶体缺陷的产生而得的。
图I是示意性地表示本发明的磁性隧道结元件的一个例子的截面图。 图2是示意性地表示在实施例中制作的本发明的磁性隧道结元件的结构和测定该元件的磁阻的机构的截面图。图3是用于说明在实施例中制作的本发明的磁性隧道结元件的绝缘体层的形成方法的示意图。图4A是用于说明在实施例中在制作本发明的磁性隧道结元件时的、微细加工的工序的工序图。图4B是从元件的截面观看图4A所示的工序时的工序图。图5是表示在实施例中评价的、绝缘体层的成膜条件与绝缘体层中添加的氟量的关系的图。图6是为了对在实施例中评价的、绝缘体层的氟量的实测值与计算值进行比较而表不的图。图7是表示在实施例中评价的、磁性隧道结元件表现出的磁阻变化(MR)的图。图8A是表示在实施例中评价的、对绝缘体层的氟添加量与具有该层的磁性隧道结元件表现出的磁阻变化率(MR比)的关系的图。图SB是表示在实施例中评价的、对绝缘体层的氟添加量与具有该层的磁性隧道结元件表现出的磁阻变化率(MR比)的关系的图。图SC是表示在实施例中评价的、对绝缘体层的氟添加量与具有该层的磁性隧道结元件表现出的磁阻变化率(MR比)的关系的图。图9是表示在实施例中评价的、对绝缘体层的氟添加量与具有该层的磁性隧道结元件表现出的磁阻变化率(MR比)的关系的图。图10是表示在实施例中评价的、施加至磁性隧道结元件的偏置电压与该元件表现出的磁阻变化率(MR比)的关系的图。图11是表示为了实施例的绝缘体层的势垒高度的评价而制作的试样(样品)和该势垒高度的评价法的示意图。图12A是表示在实施例中评价的、绝缘体层的氟添加量与该层表现出的势垒高度的关系的图。图12B是表示在实施例中评价的、绝缘体层的氟添加量与该层表现出的势垒宽度的关系的图。图13是表示在实施例中评价的、绝缘体层的氟添加量与具有该层的磁性隧道结元件表现出的磁阻变化率和该层表现出的势垒高度的关系的图。图14是示意性地表示在现有技术文献中公开的现有的磁性隧道结元件的结构的截面图。图15A是表示在现有技术文献中公开的、现有的磁性隧道结元件的绝缘体层(AlOx层和AlOF层)的势垒高度的示意图。图15B是表示在现有技术文献中公开的、现有的磁性隧道结元件的绝缘体层(MgO层和MgOF层)的势垒高度的示意图。图16是表示在现有技术文献中公开的、烧结块状的MgO陶瓷时添加MgF2的效果的图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图I表示本发明的磁性隧道结元件的一个例子。图I所示的磁性隧道结元件I包括基板101、在基板101上形成的第一强磁性体层401、在第一强磁性体层401上形成的绝缘体层402和在绝缘体层402上形成的第二强磁性体层403。绝缘体层402配置在第一强磁性体层401与第二强磁性体层403之间。第一强磁性体层401和第二强磁性体层403由强磁性体构成。在磁性隧道结元件I中，强磁性体层401、403间的电阻根据夹持绝缘体层402的第一强磁性体层401与第二强磁性体层403之间的磁化方向的关系而发生变化。该电阻的变化(磁阻变化)源自经由绝缘体层402流动的隧道电流的变化。利用元件I的磁阻变化，元件I能够应用于存储元件和传感元件等。在磁性隧道结元件I中，要求在绝缘体层402之前形成的强磁性体层的表面粗糙度比绝缘体层402的厚度小，以使得第一强磁性体层401与第二强磁性体层403不发生电短路。在图I所示的例子中，当在基板101上依次形成第一强磁性体层401、绝缘体层402和第二强磁性体层403时，在绝缘体层402之前形成的强磁性体层是第一强磁性体层401。因此，在这种情况下，要求第一强磁性体层401的表面粗糙度比绝缘体层402的厚度小。基板101例如为硅基板、石英基板、玻璃基板。基板101优选使用镜面研磨(在硅基板和石英基板的情况)和退火(玻璃基板的情况)那样的方法使得表面平滑化。硅基板也可以为在表面具有在镜面研磨后利用热氧化形成的热氧化膜的基板。石英基板也可以为熔融石英基板。通过在表面平滑化后的基板101上形成第一强磁性体层401，与所形成的第一强磁性体层401的基板101 —侧的面相反一侧的面、即形成有绝缘体层402的面的表面粗糙度小。磁性隧道结元件I也可以在基板101与第二强磁性体层401之间具有由导电性材料构成的电极层。电极层能够用于元件I的强磁性体层401、403间的电阻值的检测。这样的元件I能够通过在基板101上形成电极层、在所形成的电极层上形成第一强磁性体层401而制造。
能够使用由第一强磁性体层401的材料构成的、表面被镜面研磨后的基板101。在这种情况下，基板101和第一强磁性体层401由相同的材料构成。第一强磁性体层401和第二强磁性体层403优选采用bcc的晶体结构。在这种情况下，本发明的磁性隧道结元件表现出的磁阻变化特性更高。这被认为是因为，强磁性体层的bcc结构与MgO层的特定的结晶面的结(具有bcc结构的强磁性体层与MgO层之间的带状连接)能够带来特别良好的旋转滤波效果。在绝缘体层为为MgF2层的情况下，与具有bcc结构的强磁性体层之间的晶体结构的匹配差，得不到这样的良好的旋转滤波效果。构成第一强磁性体层401和第二强磁性体层403的强磁性体优选包含铁(Fe)。Fe采用bcc的晶体结构。第一强磁性体层401和第二强磁性体层403例如为Fe层、包含Fe的合金层。包含Fe的合金例如为钴铁硼(Co-Fe-B)。在维持非晶态结构的倾向强的包含钴(Co)和采用bcc结构的铁(Fe)的合金，在形成之后为非晶态结构，在结晶化后得到bcc结构。该bcc结构与MgO层的特定的结晶面的结被认为有助于得到特别良好的旋转滤波效果。优选选自第一强磁性体层401和第二强磁性体层403的至少一个层由Co-Fe-B合金构成。更具体而言，优选第一强磁性体层401由用式{Co(1_x)FeJa8Ba2表不的Co-Fe-B合金构成。其中，X是满足式O. 25 < X < O. 5的数值。此外，优选第二强磁性体层403由用式{C0(1_y)Fey}Q.8BQ.2表示的Co-Fe-B合金构成。此处，y是满足式O. 25彡y彡O. 5的数值。优选强磁性体层401、403双方均由用上述式表示的Co-Fe-B合金构成。第一强磁性体层401和第二强磁性体层403既可以由具有相同的组成的强磁性体构成，也可以由具有不同的组成的强磁性体构成。在强磁性体层401、403双方均由用上述式表不的Co-Fe-B合金构成的情况下也一样。在磁性隧道结元件I中，为了得到磁阻变化，需要使得在第一强磁性体层401与第二强磁性体层403之间、对于外部磁场的磁化旋转的响应不同。换言之,需要一个强磁性体层为对于外部磁场、磁化方向的变化相对容易的层(自由层)，另一个强磁性体层为对于外部磁场、磁化方向的变化相对困难的层(固定层)。通过应用与公知的磁性隧道结元件相同的结构，能够使磁性隧道结元件I具有这样的特性。以下说明具体的结构例在第一强磁性体层与第二强磁性体层之间使用晶体磁各向异性不同的材料的结构；采用具有相互不同的形状的第一强磁性体层和第二强磁性体层，对两个层的形状磁各向异性赋予差的结构；以与一个强磁性体层接触的方式配置反强磁性体层，通过磁场中的热处理，使该强磁性体层与反强磁性体层的界面产生单方向性各向异性(令与反强磁性体层接触的强磁性体层为固定层)的结构；用非磁性金属膜将一个强磁性体层分割，通过交换耦合或静磁耦合使被分割的强磁性体层间磁耦合。在强磁性体层被以非磁性金属膜分割的情况下，优选与该层的绝缘体层接触的强磁性体膜为像Fe膜和含有Fe的合金膜那样的含Fe膜，更优选为由用上述式表示的Co-Fe-B合金构成的膜。不与该层的绝缘体层接触的强磁性体膜能够采用的组成更多(广)。绝缘体层402由添加有氟的MgO构成。绝缘体层402的氟的添加量(以下称为氟量)为O. 00487atm%(原子％)以上O. 15080atm%以下。绝缘体层402的氟量优选为O. 00487atm%以上O. 05256atm%以下。绝缘体层402将第一强磁性体层401和第二强磁性体层403，除了在该层流动的隧道电流以外电分离。而且，绝缘体层402需要产生能够检测磁性隧道结元件I的磁阻变化的充分的隧道电流的变化。基于这些观点，绝缘体层402具有从几A至几nm的厚度。该厚度与现有的磁性隧道结元件的绝缘体层(MgO层)的厚度相同。本发明的磁性隧道结元件的结构只要能够得到本发明的效果就不仅限于图I所示的例子。本发明的磁性隧道结元件只要能够得到本发明的效果，例如也可以具有基板101、第一强磁性体层401、绝缘体层402和第二强磁性体层403以外的层。构成本发明的磁性隧道结元件的各层的形成方法并无特别限定，例如能够运用公知的薄膜形成方法形成各层。薄膜形成方法例如为溅射法。实施例以下，通过实施例来进一步对本发明进行详细说明。本发明并不仅限于以下所示的实施例。 (元件的结构)图2表示在实施例中制作的本发明的磁性隧道结元件2的基板。在图2，还图示有作为用于测定该元件2的电阻值(磁阻)的机构的数字电压表11和恒定电流源12。磁性隧道结元件2包括基板101、在基板101上形成的配线电极404、在配线电极404上形成的反强磁性体层405、在反强磁性体层405上形成的第一强磁性体层401、在第一强磁性体层401上形成的绝缘体层402、在绝缘体层402上形成的第二强磁性体层403和在第二强磁性体层403上形成的配线电极406。配线电极404由Ta膜/Cu膜/Ta膜的金属多层膜构成。配线电极406由Ta膜/Pt膜/Ta膜/Cu膜/Ta膜Pt膜的金属多层膜构成。反强磁性体层405由作为反强磁性体的PtMn构成。第一强磁性体层401由Co9tlFeltl膜401a/Ru膜40lb/C04(lFe4(lB2o膜401c的金属多层膜构成。Ru膜401b是非磁性金属膜。通过配置反强磁性体层405并且由上述金属多层膜构成与该层接触的第一强磁性体层401，第一强磁性体层401成为对于外部磁场而言磁化方向相对不变化的固定层。在反强磁性体层405、第一强磁性体层401、绝缘体层402和第二强磁性体层403的侧面，配置有层间绝缘膜407、408。数字电压表11和恒定电流源12分别与夹持第一强磁性体层401/绝缘体层402/第二强磁性体层403的多层结构的配线电极404、406电连接。通过利用数字电压表11对在使用恒定电流源12使电流在上述多层结构中流动时在上述多层结构产生的电位差进行测定，评价元件2的磁阻。(元件制作方法)如以下说明的那样制作了磁性隧道结元件2。[基板101]按照以下的顺序准备基板101。将在表面形成有厚度为IOOnm的热氧化膜的04英寸Si基板分割成27mmX28mm的
尺寸。接着，对分割后的基板，在洁净室(clean room,无尘室)中实施使用纯水的超声波清洗和紫外线(UV)臭氧清洗。通过超声波清洗，除去基板分割时产生的尘埃(源自基板的粉尘)。通过UV臭氧清洗，除去附着于基板的有机物。超声波清洗和UV臭氧清洗重复两次以上。通过两次以上的实施，实现偏差少的清洗。[配线电极404、反强磁性体层405、第一强磁性体层401]接着，在基板101上，作为配线电极404/反强磁性体层405/第一强磁性体层401，按照以下顺序形成金属多层膜 Ta/Cu/Ta/PtMn/Co9(lFe1(l/Ru/Co4(lFe4(lB2。。首先，对基板101的表面实施反溅射。由此，附着于基板101的表面的杂质被除去，基板101与在该基板101上形成的金属多层膜的紧密性变高。将基板101安放在4元磁控溅射装置(HIRANO光音公司制)的腔室，将腔室减压至真空度5X KT7Torr以下。接着，将Ar气体作为工作气体，以60ccm的流量导入腔室，将腔室内保持在压力IOmTorr的Ar气氛。以这样的状态对基板101施加RF电力(30W)，对基板101进行5分钟的反溅射。此时，在腔室产生的Ar正离子向基板101的表面冲撞，由此，基板101的表面被实施反溅射。接着，在基板101的反溅射面上，使用4元磁控溅射装置(HIRANO光音公司制)和9元螺旋磁控派射装置(Helicon magnetron sputtering,爱发科(ULVAC)公司制)，形成金
属多层膜。首先，使用4元磁控溅射装置，在基板101上依次形成Ta膜(厚度5nm)、Cu膜(厚度 200nm)和Ta膜(厚度5nm),形成配线电极404。Ta膜的形成在压力4mTorr的Ar气氛下、革巴使用金属Ta、以投向靶的RF投入电力为100W的条件实施。Cu膜的成膜在压力2mTorr的Ar气氛下、靶使用金属Cu、以投向靶的DC施加电压为425V和靶电流O. 21A的条件实施。接着，将形成有Ta/Cu/Ta的配线电极404的基板101从4元磁控溅射装置的腔室取出至大气中一次，再安放至9元螺旋磁控溅射装置的腔室。接着,通过电子回旋共振(electron cyclotron resonance :ECR)清洗,将作为配线电极404的最上层的Ta膜蚀刻2nm。ECR清洗在以下条件下进行。用于产生Ar离子的Ar气体流量为2ccm。用于使Ar为等离子体状态的微波的投入电力为300W (检波器的输出电流为150μΑ)。用于将Ar离子引出并加速的电压为100V，控制离子的扩散的电压为500V。接着，在作为最上层的Ta膜上，作为配线电极404进一步形成Ta膜(厚度5nm)之后，依次形成作为反强磁性体层405的PtMn膜(厚度30nm)、作为第一强磁性体层401的Co90Fe10 (厚度 3nm) /Ru (厚度 0. 7nm) /Co40Fe40B20 (厚度 3. Inm)的金属多层膜。各膜的成膜按照以下条件进行Ta膜压力0. 8Pa的Ar气氛，金属Ta靶，RF线圈输出5W，RF阴极输出65W ；PtMn膜压力I. OlPa的Ar气氛，PtMn靶，DC阴极电压450V ；Co90Fe10 膜压力 O. 8Pa 的 Ar 气氛，Co90Fe10 革巴，DC 阴极电压 400V ；Ru膜压力0. 8Pa的Ar气氛，DC阴极电压380V ；Co40Fe40B20 膜压力 0. 8Pa 的 Ar 气氛，Co4ciFe4tlB2tl 靶，RF 线圈输出 50W，DC 阴极电压400V。[绝缘体层402]接着，使用形成有Co4ciFe4ciB2ci膜的腔室相同的腔室，在该膜上形成绝缘体层402。以下，参照图3说明控制氟量的MgO绝缘体层(隧道势垒)402的形成。如图3所示，绝缘体层402使用两种溅射阴极501、502形成。溅射阴极501、502在同一真空腔室内以其轴线交叉的方式相互倾斜地配置。基板101配置在两个溅射阴极501、502的轴线的交叉点上。在图3中描绘的虚线表示各溅射阴极501、502的轴线。在一个溅射阴极501使用纯MgO靶。在另一个溅射阴极502，在纯MgO靶上粘贴MgF2芯片503。以下，将粘贴有MgF2芯片503的该靶称为“芯片上的靶(On-chip Target)”。
在这样配置基板101后，使用溅射阴极501、502双方实施同时溅射，形成绝缘体层402。此时，通过使基板101旋转地形成绝缘体层402，提高绝缘体层402的表面的均匀性。作为纯MgO靶，使用纯度3N (99. 9%)的单晶靶(TATENO ( ^ r 7 )化学工业公司制，尺寸2英寸0)。作为芯片上的靶，使用在纯度4N (99.99%)的烧结靶(高纯度化学株式会社制，尺寸2英寸0)上粘贴三个纯度4N (99. 99%)的MgF2芯片(高纯度化学制，尺寸5mmX 5mmX厚度2mm)而得的革巴。形成绝缘体层402的条件为RF线圈输出50W，RF阴极电力O 150W，压力4.05Pa的Ar气体气氛。绝缘体层402的氟量通过使投向纯MgO靶的投入电力在从OW至150W的范围变化并且使投向芯片上的靶的投入电力在从OW至50W的范围变化来控制(参照表2)。在形成绝缘体层402时，为了控制形成的绝缘体层402的厚度，预先实施将溅射阴极501和502单独使用的成膜试验，评价膜厚的对于投向溅射阴极的投入电力和溅射时间的关系(溅射速率)。在实际形成绝缘体层402时，考虑对于各个溅射阴极求得的溅射速率，以能够得到具有期望的厚度的绝缘体层402的方式决定溅射时间(成膜时间)。在本实施方式中，形成厚度为2. Onm的绝缘体层402。[第二强磁性体层403和配线电极406]接着，使用与形成有绝缘体层402的腔室相同的腔室，在该层上，依次形成第二强磁性体层403 (厚度5nm的Co4ciFe4tlB2tl膜)和作为配线电极的406的一部分的厚度5nm的Ta膜。第二强磁性体层403依照第一强磁性体层401的Co4ciFe4ciB2ci膜的成膜条件形成。Ta膜在压力O. 8Pa的Ar气体气氛下、RF线圈输出5W、RF阴极输出65W的条件下形成。接着，将形成有Ta膜的基板101再次安放在4元磁控溅射装置，对作为最上层的Ta膜进行2nm反派射,之后在该Ta膜上,依次形成作为配线电极406的一部分的厚度5nm的Ta膜和厚度50nm的Pt膜。反溅射除了投入的RF电力为40W以外与上述对基板101实施的反派射同样地实施。Pt膜在压力6mTorr的Ar气氛下、RF投入电力100W的条件下形成。接着，使用光刻和Ar离子铣削(Ion milling)的方法将上述那样制作的多层膜微细加工为台形元件。在图4A表示从多层膜的上表面看的微细加工的工序(SI — S5)，在图4B表示从多层膜的截面看的微细加工的工序(SI — S5)。首先，使用光刻和Ar离子铣削将所制作的多层膜分割(SI)。接着，在作为所分割的多层膜的最上层的Pt膜(配线电极406)上配置与台形对应的抗蚀剂树脂504 (罗门哈斯(ROHM and HAAS)公司制，S1813)之后，使用光刻和Ar离子铣削，蚀刻至配线电极404露出，将多层膜微细加工至接合(结)台形(S2)。在抗蚀剂树脂504的配置中使用佳能制校准器(PLA501F)。接着，将抗蚀剂树脂504保留不动，在整体溅射形成层间绝缘膜505 (SiO2,厚度250nm) (S3)。接着，对于接合台形上的每个抗蚀剂树脂504使层间绝缘膜505升起，形成层间绝缘膜407、408，并且使Pt膜(配线电极406)露出(S4)。接着，将升起后的多层膜再次安放在4元磁控溅射装置，在作为最上层的Pt膜上依次形成Ta膜(厚度5nm)、Cu膜(厚度200nm)、Ta膜(厚度5nm)和Pt膜(厚度50nm)。接着，使用光刻和Ar离子铣削，对所形成的各膜进行微细加工，完成与第二强磁性体层403电连接的配线电极406(S5)。Ta、膜、Cu膜和Pt膜依照上述的成膜条件形成。
(绝缘体层的氟量的评价方法)使用与上述的磁性隧道结元件2的制作相同的方法，另外形成绝缘体层402，对形成绝缘体层402的成膜条件与添加至绝缘体层的氟量的关系进行评价。 首先，利用使用图3所示的纯MgO靶和芯片上的靶的同时溅射，形成评价用的绝缘体层402 (厚度50nm)。绝缘体层402，在与元件2的制作中使用的基板相同的Si基板上形成作为基底层的Co4ciFe4ciB2ci膜(厚度3nm)之后，在该膜上形成。绝缘体层402通过在该层上进一步形成保护层(Co4ciFe4tlB2tl膜,厚度3nm),保护该层不被暴露于大气。与离子统削并用地利用SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry :次级离子质谱法)对这样制作的绝缘体层402所含氟的量进行评价。离子铣削用于对绝缘体层402的厚度方向的氟量的保护进行评价。SIMS的氟量的测定值使用对标准试样的测定值进行定量。标准试样为，通过离子注入将102°/cc的氟注入在与元件2的制作中使用的基板相同的Si 基板上形成的MgO膜而得的试样。使用针对标准试样的测定值将通过SMS测定得到的氟的测定值换算为原子数/cc，并进一步求取与从MgO的比重和式量计算的原子数/cc的比，由此计算绝缘体层402的氟量(atm%)。具体而言,从MgO的比重3. 6和式量40. 304,计算出MgO的每体积Icc的Mg原子数和O原子数分别为3. 6/40. 304X阿伏加德罗常数=约O. 538 X IO23 0以氟原子数的相对该Mg原子数和O原子数的和I. 076 X IO23的比率为被添加至MgO的氟的atm%。评价用的绝缘体层准备了五种。具体而言，通过对纯MgO靶和芯片上的靶(MgF2/MgO靶)的双方供给电力而得到形成有氟添加MgO膜的三种(氟添加试样I、氟添加试样2和氟添加试样3)和不对芯片上的靶供给电力而得到形成有不添加氟的MgO膜的两种(参照试样I、参照试样2)。投向靶的投入电力以“投向单芯片的投入电力/供向纯MgO靶的供给电力”表达，为氟添加试样I (50W/0W)、氟添加试样2 (50W/150W)、氟添加试样3 (5W/150W)、参照试样I (0W/150W)、参照试样2 (0W/150W)。在图5表示各试样的氟量的评价结果。在图5，纵轴为各试样所含的氟量(atm%)，横轴为标准化后的铣削深度(a. u.)。图5表示氟量对绝缘体层的厚度方向的变化。此处，“标准化后的铣削深度”是指，相对于从作为评价对象的绝缘体层的表面(与作为保护层的Co40Fe40B20膜的界面)至底(与作为基底层的Co4ciFe4ciB2ci膜的界面)为止的厚度的、假定绝缘体层相对于铣削时间以一定的比率被形成时的相对的铣削深度。绝缘体层的表面为“0”，底为“I”。绝缘体层的底以在同时测定的18O的信号急剧地下降的铣削时间、离子铣削到达绝缘体层的底(到达作为基底层的Co4ciFe4ciB2ci膜)进行判断。在本实施例中，将以绝缘体层的膜厚方向的中心(标准化后的铣削深度为O. 5)为基准、在厚度上±10%的范围的氟量的定量值平均化而得的值作为该试样的氟量的实测值。由此，绝缘体层的、从相邻的层的界面在厚度上各自40%的范围从评价被除外而得的氟量的界面的影响被除去。在表I表不各试样的氟量。在表I，将以参照试样1、2的平均值为背景(BG)进行减法运算而得的BG修正值一并表示。[表 I]
权利要求
1.一种磁性隧道结元件，其特征在于，包括 第一强磁性体层； 第二强磁性体层；和 在所述第一强磁性体层与所述第二强磁性体层之间形成的绝缘体层， 所述绝缘体层由添加有氟的MgO构成， 所述绝缘体层的氟的添加量为O. 00487atm%以上O. 15080atm%以下。
2.如权利要求I所述的磁性隧道结元件，其特征在于 所述氟的添加量为O. 00487atm%以上O. 05256atm%以下。
3.如权利要求I所述的磁性隧道结元件，其特征在于 选自所述第一强磁性体层和所述第二强磁性体层的至少一个层，由Co-Fe-B合金构成。
4.如权利要求3所述的磁性隧道结元件，其特征在于 所述第一强磁性体层由用式ICo(Fx)FeJa8Ba2表不的Co-Fe-B合金构成， 其中，X是满足式O. 25 < X < O. 5的数值。
5.如权利要求3所述的磁性隧道结元件，其特征在于 所述第二强磁性体层由用式ICo(Py)FeyIa8Ba2表不的Co-Fe-B合金构成， 其中，I是满足式O. 25 < y < O. 5的数值。
全文摘要
本发明的磁性隧道结元件包括第一强磁性体层、第二强磁性体层、以及在第一强磁性体层与第二强磁性体层之间形成的绝缘体层。绝缘体层由添加有氟的MgO构成。绝缘体层的氟的添加量为0.00487atm%以上0.15080atm%以下。该元件具有MgO绝缘体层，并且与现有的具有MgO绝缘体层的元件相比表现出高的磁阻变化特性。优选氟的添加量为0.00487atm%以上0.05256atm%以下。
文档编号H01F10/30GK102792478SQ20118001172
公开日2012年11月21日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月17日
发明者小田川明弘, 松下明生, 松川望 申请人:松下电器产业株式会社