特許 7161282 磁気構造およびその形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-18

(45)【発行日】2022-10-26

(54)【発明の名称】磁気構造およびその形成方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20221019BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20221019BHJP

   H01L 43/12 20060101ALI20221019BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20221019BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20221019BHJP

   G11B 5/39 20060101ALI20221019BHJP

   G11B 5/31 20060101ALI20221019BHJP

   H01F 10/16 20060101ALI20221019BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20221019BHJP

   H01F 10/30 20060101ALI20221019BHJP

   H01F 10/14 20060101ALI20221019BHJP

   H01F 10/28 20060101ALI20221019BHJP

【ＦＩ】

H01L43/10

H01L43/08 Z

H01L43/12

H01L27/105 447

G11B5/39

G11B5/31 A

H01F10/16

H01F10/32

H01F10/30

H01F10/14

H01F10/28

【請求項の数】 24

(21)【出願番号】P 2017127602

(22)【出願日】2017-06-29

(65)【公開番号】P2018006752

(43)【公開日】2018-01-11

【審査請求日】2020-06-11

(31)【優先権主張番号】15/196,807

(32)【優先日】2016-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500262038

【氏名又は名称】台湾積體電路製造股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】Ｔａｉｗａｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．８， Ｌｉ－Ｈｓｉｎ Ｒｄ．６， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ， Ｈｓｉｎｃｈｕ， ＴＡＩＷＡＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】リュック トマス

(72)【発明者】

【氏名】ゲノル ジャン

(72)【発明者】

【氏名】童 茹瑛

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／１５１０９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１１５４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１６０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１９７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０６１０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２８３２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１２４４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１５３９４２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１２

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｇ１１Ｂ ５／３１

Ｈ０１Ｆ １０／１６

Ｈ０１Ｆ １０／３２

Ｈ０１Ｆ １０／３０

Ｈ０１Ｆ １０／１４

Ｈ０１Ｆ １０／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
第１の酸化物層と、
垂直磁気異方性を有していて前記基板と前記第１の酸化物層との間に形成されている強磁性層と、
を備え、
前記強磁性層は、
（ａ）第１の強磁性副層と、
（ｂ）ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも１つを含む第１の非磁性層と、
（ｃ）第２の強磁性副層と、
（ｄ）ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも１つを含む第２の非磁性層と、
（ｅ）第３の強磁性副層と、
が順に積層された構造を有し、
前記第１の酸化物層と接して前記強磁性層に垂直磁気異方性をもたらす、
磁気構造。

【請求項2】

前記基板は、前記第１の強磁性副層の底面と接する第２の酸化物層であり、
前記第１の酸化物層は、異方性磁場改善層であり、
前記第２の酸化物層は、トンネルバリア層であり、
前記強磁性層は、ボトムスピンバルブ構造におけるフリー層であり、またはトップスピンバルブ構造におけるリファレンス層である
請求項１記載の磁気構造。

【請求項3】

前記第１の強磁性副層および前記第２の強磁性副層は、それぞれ、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＢ，ＦｅＢおよびＣｏＦｅＮｉＢ、並びに、これらの組み合わせからなる群から選択される
請求項１記載の磁気構造。

【請求項4】

前記第１の酸化物層は、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上からなる
請求項１に記載の磁気構造。

【請求項5】

前記基板は、前記第１の強磁性副層の底面と接する第２の酸化物層であり、
前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層は、それぞれ、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上からなる
請求項１に記載の磁気構造。

【請求項6】

前記第１の強磁性副層および前記第２の強磁性副層は、それぞれ、４オングストローム以上１４オングストローム以下の厚さを有する
請求項１記載の磁気構造。

【請求項7】

前記第１の非磁性層は、３オングストローム以上５オングストローム以下の厚さを有する
請求項１記載の磁気構造。

【請求項8】

前記基板は、前記第１の強磁性副層の底面と接する第２の酸化物層であり、
前記第１の酸化物層は、前記第３の強磁性副層の垂直磁気異方性を向上させる
請求項１記載の磁気構造。

【請求項9】

前記強磁性層は、第４の強磁性副層と第３の非磁性層とをさらに有し、
または、
前記強磁性層は、第４の強磁性副層および第５の強磁性副層と、第３の非磁性層および第４の非磁性層とをさらに有する
請求項１記載の磁気構造。

【請求項10】

基板の上に形成されている磁気構造であって、
非磁性金属層と、
第１の酸化物層と、
垂直磁気異方性を有していて前記非磁性金属層と前記第１の酸化物層との間に形成されている強磁性層と、
を備え、
前記強磁性層は、
（ａ）第１の強磁性副層と、
（ｂ）ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも１つを含む第１の非磁性層と、
（ｃ）第２の強磁性副層と、
（ｄ）ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも１つを含む第２の非磁性層と、
（ｅ）第３の強磁性副層と、
が順に積層された構造を有し、
前記第１の酸化物層と接して前記強磁性層に垂直磁気異方性をもたらす、
磁気構造。

【請求項11】

前記第１の酸化物層は、前記第１の強磁性副層の底面と接し、
前記非磁性金属層は、前記第３の強磁性副層の上面と接するキャップ層である、
請求項１０記載の磁気構造。

【請求項12】

基板と第１の酸化物層との間に設けられた強磁性層を備え、
前記強磁性層は、ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも１つを含む非磁性元素がドープまたは埋設されており、
前記強磁性層は、
（ａ）第１の強磁性副層と、
（ｂ）ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも１つを含む第１の非磁性層と、
（ｃ）第２の強磁性副層と、
（ｄ）ＳｒおよびＢａのうちの少なくとも１つを含む第２の非磁性層と、
（ｅ）第３の強磁性副層と、
が順に積層された構造を有し、
前記第１の酸化物層と接して前記強磁性層に垂直磁気異方性をもたらす、
垂直磁気異方性を伴う磁気構造。

【請求項13】

前記強磁性層は、Ｆｅ，Ｃｏ，ＮｉおよびそれらのＢ合金のうちの１以上を含んでなる
請求項１２記載の磁気構造。

【請求項14】

前記強磁性層に対する前記非磁性元素の含有率は、０．１以上３０原子％以下である
請求項１２記載の磁気構造。

【請求項15】

前記第１の酸化物層は、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒの１つ以上からなる
請求項１０記載の磁気構造。

【請求項16】

（ａ）トンネルバリア層の上に第１の強磁性層を形成することと、
（ｂ）前記第１の強磁性層の上に第１の再スパッタリングレートで、ＳｒおよびＢａのうちの１つである非磁性層を形成することと、
（ｃ）前記非磁性層の上に、第２の強磁性層を形成することと、
（ｄ）前記第２の強磁性層の上面に、キャップ層を形成することと
を含み、
前記第２の強磁性層は、前記第２の強磁性層の上面が平滑になるように前記第１の再スパッタリングレートよりも遅い第２の再スパッタリングレートで形成する
垂直磁気異方性を伴う磁気構造の形成方法。

【請求項17】

（ａ）前記キャップ層の上面をフォトレジスト層で被覆すると共に、前記フォトレジスト層のパターニングを行い、前記フォトレジスト層の側壁を形成することと、
（ｂ）前記磁気構造のうち前記フォトレジスト層によって保護されていない部分を除去するようにイオンビームエッチングまたは反応性イオンエッチングを行い、前記磁気構造の側壁を形成することと、
（ｃ）前記磁気構造の側壁と隣接し、前記キャップ層と同じ高さを有する誘電体層を形成することと、
（ｄ）パターニングされた前記フォトレジスト層を除去すると共に前記誘電体層の上面を研磨するように化学機械研磨を行い、前記キャップ層の上面と前記誘電体層の上面とが共通の平面に含まれるようにすることと
をさらに含む
請求項１６記載の磁気構造の形成方法。

【請求項18】

前記誘電体層は、アルミナ，二酸化ケイ素または窒化ケイ素である
請求項１７記載の磁気構造の形成方法。

【請求項19】

前記キャップ層は、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上からなる酸化物層である
請求項１６記載の磁気構造の形成方法。

【請求項20】

（ａ）基板の上に第１の強磁性層を形成することと、
（ｂ）前記第１の強磁性層の上に第１の再スパッタリングレートで、ＳｒおよびＢａのうちの１つである非磁性層を形成することと、
（ｃ）前記非磁性層の上に、第２の強磁性層を形成することと、
（ｄ）前記第２の強磁性層の上面に、トンネルバリア層を形成することと
（ｅ）磁気構造の最上層としてキャップ層を形成することと
を含み、
前記第２の強磁性層は、前記第２の強磁性層の上面が平滑になるように前記第１の再スパッタリングレートよりも遅い第２の再スパッタリングレートで形成する
垂直磁気異方性を伴う磁気構造の形成方法。

【請求項21】

（ａ）前記キャップ層の上面をフォトレジスト層で被覆すると共に、前記フォトレジスト層のパターニングを行い、前記フォトレジスト層の側壁を形成することと、
（ｂ）前記磁気構造のうち前記フォトレジスト層によって保護されていない部分を除去するようにイオンビームエッチングまたは反応性イオンエッチングを行い、前記磁気構造の側壁を形成することと、
（ｃ）前記磁気構造の側壁と隣接し、前記キャップ層と同じ高さを有する誘電体層を形成することと、
（ｄ）パターニングされた前記フォトレジスト層を除去すると共に前記誘電体層の上面を研磨するように化学機械研磨を行い、前記キャップ層の上面と前記誘電体層の上面とが共通の平面に含まれるようにすることと
をさらに含む
請求項２０記載の磁気構造の形成方法。

【請求項22】

前記誘電体層は、アルミナまたは二酸化ケイ素である
請求項２１記載の磁気構造の形成方法。

【請求項23】

前記キャップ層は、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上からなる酸化物層である
請求項２０記載の磁気構造の形成方法。

【請求項24】

前記基板はシード層である
請求項２０記載の磁気構造の形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、酸化物層、強磁性槽、および非磁性層の組み合わせ（積層体）を有する複合磁気構造、およびその形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

そのような積層体は、磁性薄膜に使用されて垂直磁化を改善し、その結果、垂直磁気異方性を有するデバイスのモーメント、体積、または結晶異方性に関係なく熱的安定性が改善される。膜面に対し垂直に磁化された磁気薄膜は、メモリおよびデータストレージ技術のための多くの用途を有する。例えば、磁気ハードディスクドライブ、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）または磁気ドメインウォールデバイスなどである。垂直磁化は、静磁場形状異方性、薄膜形状における好ましい面内磁化を克服するために、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）に依存する。いくつかの物理的現象は、結晶磁気異方性、表面（または界面）異方性、および磁気弾性異方性などの垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を誘導することができる。界面異方性は、例えばＭｇＯなどの酸化物層ＯＬと、Ｆｅ，Ｃｏ，ＣｏＦｅ，もしくはＣｏＦｅＢなどを含む強磁性層ＦＭＬとの界面において発生し、特に技術的に重要である。実際、この界面構造はＭＲＡＭデバイスにおいて広く使用されている。ＭＲＡＭデバイスにおいて、メモリ素子は磁気トンネル接合に基づいている。メモリ素子は、シリコンウェハの面に対し垂直に磁化されると共に１つの酸化トンネルバリアにより分離された２つの磁気電極を有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第８５９２９２７号明細書

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

さらに、上記の酸化物槽および強磁性層に加え、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造は非磁性金属層ＭＬやシード層を積層構造に含んでいてもよい。磁気トンネル接合の２つの磁気電極のうちの１つにおいて垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を生じる最も単純な積層体は、単一の強磁性層を１つの金属層の上に形成し、その強磁性層を覆うように１つの酸化物層を付着させたものである。これにより得られる積層体は、下部から上部に向かってＭＬ／ＦＭＬ／ＯＬ、あるいは反対に上部から下部に向かってＯＬ／ＦＭＬ／ＭＬの順に積層されたものである。

【0005】

半導体業界で使用されている標準的なプロセスでは、アニーリングプロセスで数時間もの長い間、４００℃の高温で維持する必要がある。したがって、磁気トンネル接合素子は、半導体プロセスの間、磁気特性および磁化遷移特性の低下を招来することなく、その高温に耐えなければならない。

【0006】

ボルツマン因子は、熱揺らぎによって、ＭＴＪ内のメモリビットが論理「０」および「１」に対応する２つの安定状態間を反転するという式（１）で表される確率（ｐ）である。式（１）においてΔは熱安定性因子である。熱安定性は、２つの状態間におけるエネルギー障壁に関連する。熱安定性因子Δは式（２）によって表される。式（２）において、ｋBはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。

【0007】

ボルツマン因子ｐ（Ｅ）＝ｅ^-Δ ……（１）
熱安定性因子Δ＝Ｅ／（ｋB・Ｔ） ……（２）

【0008】

ＰＭＡの場合、エネルギー障壁Ｅは、ストレージ（例えばフリー層）の磁気異方性に依存する。均一な磁化反転メカニズムの場合、エネルギー障壁Ｅは、Ｋeffとｔ_FMLとの積に比例する。ここで、ｔ_FMLは、強磁性層の厚さである。Ｋeffは、実効異方性定数である（単位体積あたりのエネルギーの次元を有する）。下記の式（３）に表したように、Ｋeffは界面異方性と形状異方性との合計としてモデル化することができる。

【0009】

（実効異方性定数Ｋeff） ＝（界面異方性）＋（形状異方性） ……（３）

【0010】

界面異方性は、材料特性固有のものであり、定数Ｋｉ（単位面積あたりのエネルギー）を強磁性層の膜厚で割ることによって表される。形状異方性は、熱安定性を低下させる。形状異方性は下記の式（４）によりモデル化される。

【0011】

形状異方性＝－２π＊Ｍ_s ² ……（４）

【0012】

式（４）において、Ｍ_sは、飽和磁化である。界面異方性は、垂直磁気異方性ＰＭＡを発生させ、形状異方性は垂直磁気異方性を低下させる。要するに、現象は下記の式（５）のように表される。

【0013】

Ｋeff＝Ｋｉ／ｔ_FML－２π＊Ｍ_s ² ……（５）

【0014】

式（５）によれば、熱安定性は強磁性層の厚さｔ_FMLが薄くなるほど向上する。しかしながら、このモデルは厚さｔ_FMLが臨界厚さを下回るときには適用されない。実験により、臨界厚さを下回ったときには、強磁性層は、欠陥や隣り合う非磁性元素との相互拡散に起因して、自らの磁化を失うことがわかっている。したがって、熱安定性は、シンプルなＭＬ／ＦＭＬ／ＯＬ積層体における強磁性層の臨界厚さで最大値に達する。

【0015】

単純なＰＭＡスタックは１つのＯＬ／ＦＭＬ界面を含んでいるので、弱い垂直磁気異方性ＰＭＡをもたらしている。界面異方性（Ｋｉ）は、約１５オングストロームよりも厚い強磁性層の垂直磁気異方性ＰＭＡを維持するのに十分な強度を有しない。さらに、強磁性層と例えばタンタルであるベース金属層との間には重要な相互拡散が存在する。その相互拡散は、強磁性層と金属層との間の界面を磁気的に「死んだ」層にする可能性がある。結果として、強磁性層の磁気特性は、強磁性層の厚さｔ_FMLがオングストローム以下の場合に劣化することがわかった。 この単純なスタック界面構造の場合、強磁性層の臨界厚さでの熱安定性はわずか０.２エルグ／cm² であり、実用的には小さすぎる。

【0016】

改良された界面構造は、ＯＬ／ＦＭＬ／ＯＬにおける２つのＯＬ／ＦＭＬ界面によってもたらされる。これにより、より高い垂直磁気異方性ＰＭＡがもたらされ、より厚い強磁性層の使用が可能になる。しかしながら、強磁性層を酸化させることなく酸化を用いて第２の酸化物層を形成することは困難である。これは、厚い磁気的に死んだ層、磁化の損失、および磁気トンネル接合の抵抗面積積の増加をもたらす。

【0017】

したがって、基準層およびフリー層に高ＰＭＡを提供するために、２つのＯＬ（酸化物層）／ＦＭＬ（強磁性層）界面で改善された磁気トンネル接合素子が必要とされる。さらに、上部（第２）ＯＬを形成するための酸化は、強磁性層ＦＭＬの望ましくない酸化および垂直磁気異方性ＰＭＡの損失を防ぐために、より良好に制御されなければならない。

【0018】

本開示の第１の目的は、積層体における垂直磁気異方性の特性の強化により強固の磁気トンネル接合を有する磁気構造を提供することにある。

【0019】

本開示の第２の目的は、上記第１の目的の磁気トンネル接合を有する磁気構造の形成方法をもたらすことにある。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本開示の一態様によれば、磁気トンネル接合は、ＯＬ１／ＦＭＬ／ＯＬ２スキーム、すなわち、２つの酸化物層の間に１つの強磁性層ＦＭＬが設けられた構造を有している。強磁性層ＦＭＬは、例えばＦＭＬ１／ＮＭＬ／ＦＭＬ２のように２つの強磁性副層ＦＭ１，ＦＭ２を含んでいる。ＮＭＬは非磁性層である。強磁性層ＦＭＬはフリー層やリファレンス層として機能するものである。

【0021】

本開示が従来技術に比べて磁気トンネル接合および熱安定性を改善する３つの方法がある。

【0022】

第１に、ＦＭＬ２の堆積中に比較的高い再スパッタリング速度を有するＮＭＬの再スパッタリングにより、より平滑な強磁性層を得る。同様の概念が、高い再スパッタリング速度を有する第１のシード層上に低い再スパッタリング速度を有する第２のシード層を堆積することに関連する事項が米国特許出願第１４／９３９，２３２号に開示されている。

【0023】

第２に、ＮＭＬの存在は、ＦＭＬ２の結晶化を阻害する。その結果、ＦＭＬ２は、より小さな粒子とより薄い粒界とを有する。これにより、上部酸化物層ＯＬ２からその下のＦＭＬ２への酸素の拡散が低減される。

【0024】

第３に、非磁性層ＮＭＬは、強磁性副層ＦＭＬ１，ＦＭＬ２と比較して、より高い反応性を有する材料からなる。したがって、非磁性層ＮＭＬは、酸化物層ＯＬ２から強磁性副層ＦＭＬ２へ拡散した酸素を引き付ける。

【0025】

別の実施態様として、強磁性スタックが、ＯＬ／ＦＭＬ１／ＮＭＬ／ＦＭＬ２／ＮＭＬ／ＦＭＬ３／ＯＬのような、強磁性副層と非磁性層とが交互配置されたスキーム（下から上またはその逆）である場合が挙げられる（ここでは３つの強磁性副層および２つの非磁性層からなる強磁性スタックを例示する。）

【0026】

第３の実施形態は、多数の交互の「ｎ＋１」個の強磁性副層と「ｎ」個の非磁性層とからなる強磁性スタックである。下から上へ、またはその逆に、このスタックはOL / FML1 / NML1 / ... / FMLn / NMLn / FMLn + 1 / OLの形式で表される。第１、第２および第３の実施形態の変形例では、またはスタックの底部は、タンタル、タングステン、モリブデン、ルテニウム、またはニッケル－クロム合金のようなＭＬで置き換えてもよい。ＭＬ／ＦＭＬ層は、界面垂直磁気異方性ＰＭＡを有する。

【0027】

本開示の第１の磁気構造は、基板と、第１の酸化物層と、基板と第１の酸化物層との間に設けられた強磁性層とを備え、垂直磁気異方性を伴うものである。強磁性層は、 （ａ）第１の強磁性副層（ＦＭＬ１）と、（ｂ）Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢのうちの少なくとも１つを含む第１の非磁性層（ＮＭＬ１）と、（ｃ）第２の強磁性副層（ＦＭＬ２）とが順に積層された構造を有する。

【0028】

本開示の第１の磁気構造では、基板は、第１の強磁性副層（ＦＭＬ１）の底面と接する第２の酸化物層（ＯＬ２）であり、第１の酸化物層は、第２の強磁性副層（ＦＭＬ２）の上面と接するようにしてもよい。

【0029】

本開示の第１の磁気構造では、第１の酸化物層は異方性磁場Ｈｋ改善層であり、第２の酸化物層はトンネルバリア層であり、強磁性層は、ボトムスピンバルブ構造におけるフリー層であり、またはトップスピンバルブ構造におけるリファレンス層であってもよい。

【0030】

本開示の第１の磁気構造では、第１の強磁性副層および第２の強磁性副層は、それぞれ、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉのうちの１の元素、もしくはＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＢ，ＦｅＢおよびＣｏＦｅＮｉＢのうちの１種の合金、または、これらの元素および合金のうちの１以上を含むものであってもよい。

【0031】

本開示の第１の磁気構造では、第１の酸化物層は、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上からなるものであってもよい。

【0032】

本開示の第１の磁気構造では、第１の酸化物層および第２の酸化物層は、それぞれ、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒを含むものであってもよい。

【0033】

本開示の第１の磁気構造では、第１の強磁性副層および第２の強磁性副層は、それぞれ、４オングストローム以上１４オングストローム以下の厚さを有するものであってもよい。

【0034】

本開示の第１の磁気構造では、第１の非磁性層は、３オングストローム以上５オングストローム以下の厚さを有するものであってもよい。

【0035】

本開示の第１の磁気構造では、強磁性層は、第２の非磁性層（ＮＭＬ２）および第３の強磁性副層（ＦＭＬ３）をさらに有するものであってもよい。

【0036】

本開示の第１の磁気構造では、基板は、第１の強磁性副層の底面と接する第２の酸化物層であり、第１の酸化物層は、第３の強磁性副層の垂直磁気異方性を向上させるものであってもよい。

【0037】

本開示の第１の磁気構造では、強磁性層は、第４の強磁性副層と第３の非磁性層とをさらに有し、または、強磁性層は、第４の強磁性副層および第５の強磁性副層と、第３の非磁性層および第４の非磁性層とをさらに有するものであってもよい。

【0038】

本開示の第２の磁気構造は、非磁性金属層と、第１の酸化物層（ＯＬ１）と、非磁性金属層と第１の酸化物層との間に設けられた強磁性層とを備え、垂直磁気異方性を伴うものである。強磁性層は、（ａ）第１の強磁性副層（ＦＭＬ１）と、（ｂ）Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢのうちの少なくとも１つを含む第１の非磁性層（ＮＭＬ１）と、（ｃ）第２の強磁性副層（ＦＭＬ２）とが順に積層された構造を有する。

【0039】

本開示の第２の磁気構造では、第１の強磁性副層の底面と接する酸化物層と、第２の強磁性副層の上面と接する非磁性金属キャップ層とをさらに備えるようにしてもよい。

【0040】

本開示の第３の磁気構造は、基板と第１の酸化物層（ＯＬ１）との間に設けられた強磁性層（ＦＭＬ）を備え、強磁性層が、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢのうちの少なくとも１つを含む非磁性元素がドープまたは埋設されているものである。

【0041】

本開示の第３の磁気構造では、基板は、強磁性層の底面と接する第２の酸化物層（ＯＬ２）であり、第２の酸化物層（ＯＬ２）は、強磁性層の上面と接するようにしてもよい。

【0042】

本開示の第３の磁気構造では、強磁性層は、Ｆｅ，Ｃｏ，ＮｉおよびＢのうちの１以上を含んでなるものであってもよい。

【0043】

本開示の第３の磁気構造では、強磁性層に対する非磁性元素の含有率は、１以上３０原子％以下であってもよい。

【0044】

本開示の第３の磁気構造では、第１の酸化物層（ＯＬ１）および第２の酸化物層（ＯＬ２）は、それぞれ、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒからなる群から選択される材料からなるものであってもよい。

【0045】

本開示の第１の磁気構造の形成方法は、垂直磁気異方性を伴う磁気構造の形成方法であって、（ａ）トンネルバリア層の上に第１の強磁性層（ＦＭＬ１）を形成することと、（ｂ）第１の強磁性層の上に第１の再スパッタリングレートで非磁性層（ＮＭＬ）を形成することと、（ｃ）非磁性層の上に、第２の強磁性層（ＦＭＬ２）を形成することと、（ｄ）第２の強磁性層の上に、キャップ層を形成することとを含む。第２の強磁性層は、第２の強磁性層の上面が平滑になるように第１の再スパッタリングレートよりも遅い第２の再スパッタリングレートで形成する。

【0046】

本開示の第１の磁気構造の形成方法では、（ａ）キャップ層の上面をフォトレジスト層で被覆すると共に、フォトレジスト層のパターニングを行い、フォトレジスト層の側壁を形成することと、（ｂ）磁気構造のうちフォトレジスト層によって保護されていない部分を除去するようにイオンビームエッチングまたは反応性イオンエッチングを行い、磁気構造の側壁を形成することと、（ｃ）磁気構造の側壁と隣接し、キャップ層と同じ高さを有する誘電体層を形成することと、（ｄ）パターニングされた前記フォトレジスト層を除去すると共に前記誘電体層の上面を研磨するように化学機械研磨を行い、キャップ層の上面と誘電体層の上面とが共通の平面に含まれるようにすることとをさらに含むものであってもよい。

【0047】

本開示の第１の磁気構造の形成方法では、誘電体層は、アルミナ，二酸化ケイ素または窒化ケイ素であってもよい

【0048】

本開示の第１の磁気構造の形成方法では、キャップ層が、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上からなる酸化物層であってもよい。

【0049】

本開示の第１の磁気構造の形成方法では、非磁性層は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢのうちの少なくとも１つを含むものであってもよい。

【0050】

本開示の第２の磁気構造の形成方法は、垂直磁気異方性を伴う磁気構造の形成方法であって、（ａ）基板の上に第１の強磁性層（ＦＭＬ１）を形成することと、（ｂ）第１の強磁性層の上に第１の再スパッタリングレートで非磁性層（ＮＭＬ）を形成することと、（ｃ）非磁性層の上に、第２の強磁性層（ＦＭＬ２）を形成することと、（ｄ）第２の強磁性層の上面に、トンネルバリア層を形成することと、（ｅ）磁気構造の最上層としてキャップ層を形成することとを含むものである。ここで、第２の強磁性層は、第２の強磁性層の上面が平滑になるように第１の再スパッタリングレートよりも遅い第２の再スパッタリングレートで形成する。

【0051】

本開示の第２の磁気構造の形成方法では、（ａ）キャップ層の上面をフォトレジスト層で被覆すると共に、フォトレジスト層のパターニングを行い、フォトレジスト層の側壁を形成することと、（ｂ）磁気構造のうちフォトレジスト層によって保護されていない部分を除去するようにイオンビームエッチングまたは反応性イオンエッチングを行い、磁気構造の側壁を形成することと、（ｃ）磁気構造の側壁と隣接し、キャップ層と同じ高さを有する誘電体層を形成することと、（ｄ）パターニングされたフォトレジスト層を除去すると共に誘電体層の上面を研磨するように化学機械研磨を行い、前記キャップ層の上面と誘電体層の上面とが共通の平面に含まれるようにすることとをさらに含むようにしてもよい。

【0052】

本開示の第２の磁気構造の形成方法では、誘電体層がアルミナまたは二酸化ケイ素であってもよい。

【0053】

本開示の第２の磁気構造の形成方法では、キャップ層は、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上からなる酸化物層であってもよい。

【0054】

本開示の第２の磁気構造の形成方法では、非磁性層は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢのうちの少なくとも１つを含むものであってもよい。

【0055】

本開示の第２の磁気構造の形成方法では、基板はシード層であってもよい。

【0056】

本開示の磁気構造およびその形成方法によれば、強磁性層ＦＭＬの両面と接するように２つの酸化物層ＯＬを設け、強磁性層ＦＭＬと酸化物層ＯＬとの界面を２つ含むようにしたので、強磁性層ＦＭＬにおいてより高い垂直磁気異方性ＰＭＡをもたらすことができる。また、本開示の新規なスタック構造は、上部酸化物層の酸化中の改善された制御を可能にする。これは、１つ以上の非磁性層と交互に配置された多数の強磁性副層を有する強磁性スタックである。

【図面の簡単な説明】

【0057】

【図1】ＭＲＡＭ、スピントランスファ発振器（ＳＴＯ）、または読出し／書込みヘッドで利用されるボトムスピンバルブ構成を有する従来技術の磁気トンネル接合の概念図である。

【図2】リファレンス層がトンネルバリアの上にあり、図１と機能的に同等である従来のトップスピンバルブ構成のＭＴＪを表している。

【図3A】本開示の第１の実施態様としての下部スピンバルブ構造を有するＭＴＪのトンネルバリアと酸化物キャッピング層との間に形成されたフリー層の断面図である。

【図3B】本開示の第２の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪのシード層とトンネルバリアとの間に形成されたリファレンス層の断面図である。

【図4A】本開示の第３の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図4B】本開示の第４の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図5A】本開示の第５の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図5B】本開示の第６の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図6】本開示の第７の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図7】本開示の第８の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図8】本開示の第９の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図9】本開示の第１０の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図10】本開示の第１１の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図11】本開示の第１２の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図12】本開示の第１３の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図13】本開示の第１４の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図14】本開示の第１５の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図15】本開示の第１６の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図16】本開示の第１７の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図17】本開示の第１８の実施態様としてのスピンバルブ構造を有するＭＴＪの要部断面図である。

【図18】本開示のＭＴＪの形成方法の一工程を表す要部断面図である。

【図19】図１８に続く一工程を表す要部断面図である。

【図20】図１９に続く一工程を表す要部断面図である。

【図21】図１に示した従来のＯＬ／ＦＭＬ／ＯＬスタック構造のフリー層の厚さｔについてのヒステリシス曲線である。

【図22】本開示のＯＬ／ＦＭＬ１（ｔ１）／ＮＭＬ／ＦＭＬ２（ｔ２）／ＯＬスタックにおけるフリー層の厚さｔについてのヒステリシス曲線である。但し、ｔ１＝ｔ２、ｔ＝ｔ１＋ｔ２となる。

【図23】本開示のＯＬ／ＦＭＬ１（４オングストローム）／ＮＭＬ１／ＦＭＬ２（ｔ１）／ＮＭＬ２／ＦＭＬ３（ｔ２）／ＯＬスタックにおけるフリー層の厚さｔについてのヒステリシス曲線である。但し、ｔ１／ｔ２＝３／４であり、ｔ＝（４＋ｔ１＋ｔ２）である。

【図24】４００℃で５時間アニールされた非磁性層（ＮＭＬ）を有さないフリー層についてのヒステリシス曲線である。

【図25】４００℃で５時間アニールされた２つの非磁性層（ＮＭＬ）を有するフリー層についてのヒステリシス曲線である。

【発明を実施するための形態】

【0058】

＜実施の形態および変形例＞
本開示はフリー層、リファレンス層、または双極子層のうちの少なくとも１つが垂直磁気異方性を有するＭＴＪに関する。垂直磁気異方性は、埋め込み型のＭＲＡＭやＳＴＴ－ＲＡＭのような磁気デバイス、マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）およびスピントルク発振器（ＳＴＯ）などのスピントロニクスデバイス、ならびに再生ヘッドセンサにみられる様々なスピンバルブデザインにおける４００℃での製造過程において維持される。

【0059】

関連する米国特許第８５９２９２７号明細書に開示されているように、ＭＴＪは、ピン層、トンネルバリア層、および磁気要素からなる。磁気要素は、２つの強磁性副層（ＦＭ１，ＦＭ２）の間に形成された飽和磁化低減（モーメント希釈）層を有する複合フリー層を含む。ＦＭ１は、トンネルバリア層との間に第１の界面を形成する表面を有する。ＦＭ２は、トンネルバリア層から離れた、垂直Ｈｋエンハンス層との間に第２の界面を形成する表面を有する。垂直Ｈｋエンハンス層は、ＦＭ２内部の垂直異方性磁場を増強するために用いられている。

【0060】

関連する米国特許出願第１４／９３９２３２号では、改良されたシード層スタックが開示されている。ＣｏＦｅＢのような非晶質特性を有する低い再スパッタリングレート層は、例えばＭｇのような高い再スパッタリングレート層の上に堆積される。改良されたシード層スタックでは、上記の構成により「平滑化効果」がもたらされており、Ｍｇ／ＣｏＦｅＢ／ＮｉＣｒスタック構造における最上層のＮｉＣｒシード層の上面におけるピーク・トゥ・ピークの粗さを低減することができる。このように、改良されたＮｉＣｒシード層は、１００ｎｍの範囲にわたって約０．５ｎｍのピーク・トゥ・ピークの厚さ変動を有する平滑な上面を有する。一方、従来技術のシード層の１００ｎｍの範囲にわたるピーク・トゥ・ピークの厚さ変動は約２ｎｍである。これらのピーク・トゥ・ピークの厚さ変動は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）測定によって決定される。

【0061】

我々は、上述の関連出願において開示されたＭＴＪ構造がさらに後述の具体例のようにさらなる改良がなされることを見出した。本開示のＭＴＪは、例えば、フリー層やリファレンス層の上方に位置する酸化物層の酸化の制御の改良を伴うスタック構造からなる。フリー層やリファレンス層は、高い再スパッタリングレート層および低い磁気希釈効果を有する（ｎ－１）個のＮＭＬと、多数の薄い強磁性層（Ｆｅ，Ｃｏ，ＣｏＦｅもしくはＣｏＦｅＢ、またはそれらの組合せからなる）とが交互に堆積されたものである。一実施形態によれば、ＭＴＪは、ＦＭＬが２つの酸化物層間に形成された構造、すなわち「ＯＬ１／ＦＭＬ／ＯＬ２」スキームを有する。ここで、ＦＭＬは、「ＦＭＬ１／ＮＭＬ／ＦＭＬ２」スキームを有する。ＮＭＬは３つの役割を担っており、それにより図１および図２に示した従来技術の磁気トンネル接合と比較して３つの利点が得られる。

【0062】

第１に、「ＦＭＬ１／ＮＭＬ／ＦＭＬ２」スキームにおけるＦＭＬ２の堆積中に比較的高い再スパッタリングレートを有するＮＭＬの再スパッタリングは、より平滑なＦＭＬ２強磁性層をもたらす。他の実施形態では、ＦＭＬｎ層がＮＭＬｎ－１層上に堆積される場合、同様の平滑化効果がＦＭＬｎ層の上面に対して実現される。

【0063】

第２に、ＮＭＬ層の存在は、ＦＭＬ２層の結晶化を阻害する。より一般的には、ＮＭＬｎ－１層は、その上のＦＭＬｎ層における結晶化を阻害する。その結果、ＦＭＬ２層（およびＦＭＬｎ層）は、より小さな粒子およびより薄い粒界を有する。これにより、上部酸化物層ＯＬ２からその下に位置するＦＭＬ２層への酸素の拡散が低減される。

【0064】

第３に、ＮＭＬは、ＦＭＬサブ層より高い反応性材料からなる。したがって、ＯＬ２からＦＭＬ２へ拡散した酸素がＮＭＬへ引き込まれる。その結果、ｎ個のＦＭＬサブ層およびｎ－1個のＮＭＬ層を有するスタックにおけるＦＭＬ強磁性サブ層、特に上部のＦＭＬｎサブ層は、従来技術に比べて酸化されにくくなり、 より良好な磁気抵抗変化率およびより大きなＦＭＬ熱安定性をもたらす。

【0065】

図３Ａは、本開示の一実施形態としての下部スピンバルブ構成の一部を表した断面図である。図３Ａの構成では、フリー層２０－１が、酸化物トンネルバリア層（以下、トンネルバリア１９という。）上に成膜されている。トンネルバリアは、Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｌａ，Ｍｎ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｔａ，Ｂ，Ｃｕ，Ｃｒからなる群から選択される１以上の元素を含む１以上の酸化物層または酸窒化物層からなる金属酸化物または酸窒化物である。

【0066】

フリー層２０－１は、「強磁性層（ＦＭＬ１）２０ａ／非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂ／強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃ」構造を有している。ここで強磁性層（ＦＭＬ１）は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＢ，ＦｅＢ，ＣｏＦｅＢもしくはＣｏＦｅＮｉＢ、またはこれらの組み合わせからなるものである。強磁性層（ＦＭＬ１）２０ａの上に堆積される非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂは、例えば０．５～１０Å（オングストローム）の厚さを有する。非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂは比較的高い再スパッタリングレートを有する高反応性金属であり、典型的にはＭｇ，Ａｌ，Ｂ，Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，ＳｉまたはＣのような金属である。非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂの上に堆積される強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＢ，ＦｅＢ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＮｉＢまたはこれらの組み合わせのうちの１つから選択される材料からなる。非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂと比較して再スパッタレートが低い強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃの堆積は、非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂの一部を再スパッタリングすることで、非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂおよび強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃの両方の表面がより滑らかにする効果をもたらす。本開示に関連する米国特許出願１４／９３９，２３２に記載されているように、材料Ａ対材料Ｂの高い再スパッタリングレートは、材料Ｂのより高い結合エネルギーおよびより高い原子番号の一方または両方に起因するものである。

【0067】

強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃの蒸着前の非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂの存在は、強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃの結晶化を阻害する。その結果、強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃは、より小さな粒子とより薄い粒界とを有することとなる。このことは、続いて堆積されるキャップ（酸化物）層４０からその下にある強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃへの酸素の拡散を低減する。さらに、非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂは、強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃよりも反応性が高い材料からなる。その結果、非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂは、上層であるキャップ層４０から強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃに拡散した酸素を引き付け、強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃの酸化を抑制する。

【0068】

図３Ｂを参照すると、「ＦＭＬ１／ＮＭＬ１／ＦＭＬ２」スキームを有するリファレンス層１０－１が、シード層２とトンネルバリア１９との間に形成された、本開示の代替実施形態が示されている。シード層２の構成材料としては、関連する米国特許出願１４／９３９，２３２に開示されているような合金、または当技術分野で使用される他の材料が挙げられる。強磁性層（ＦＭＬ１）１０ａ，非磁性層（ＮＭＬ１）１０ｂ、および強磁性層（ＦＭＬ２）１０ｃの各組成は先に記載された強磁性層（ＦＭＬ１）２０ａ，非磁性層（ＮＭＬ１）２０ｂ、および強磁性層（ＦＭＬ２）２０ｃの各組成と同様である。この場合、非磁性層（ＮＭＬ１）１０ｂは、トンネルバリア１９から強磁性層（ＦＭＬ２）１０ｃに拡散する酸素を引き寄せることにより、強磁性層（ＦＭＬ２）１０ｃの酸化を防止する役割を果たす。よって、ＦＭＬ１／ＮＭＬ１／ＦＭＬ２スタックを形成することで以前に説明された図３Ａのフリー層２０－１の構成の利点の全てがリファレンス層１０－１に適用される。

【0069】

図４Ａに示した他の形態としてのフリー層２０－２は、先に説明したフリー層２０－１を修正し、さらに非磁性層（ＮＭＬ２）２０ｄと強磁性層（ＦＭＬ３）２０ｅと順次堆積することで「ＦＭＬ１／ＮＭＬ１／ＦＭＬ２／ＮＭＬ２／ＦＭＬ３」スキームを実現したものである。非磁性層（ＮＭＬ２）２０ｄは、Ｍｇ，Ａｌ，Ｂ，Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，ＳｉまたはＣからなる。強磁性層（ＦＭＬ３）２０ｅは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＢ，ＦｅＢおよびＣｏＦｅＮｉＢのうちの１つ以上からなる。キャップ層４０は、強磁性層（ＦＭＬ３）２０ｅの上面と接している。キャップ層４０が酸化物層である場合、キャップ層（酸化物層）４０と強磁性層（ＦＭＬ３）２０ｅとの界面は、強磁性層（ＦＭＬ３）２０ｅ内の垂直磁気異方性ＰＭＡを誘導、または向上させる。

【0070】

図４Ｂは、シード層２とトンネルバリア１９との間にリファレンス層１０－２が形成された他の実施態様を表している。図４ｂのリファレンス層１０－２は、図３ｂに示したリファレンス層１０－１が改良されたものであり、「ＦＭＬ１／ＮＭＬ１／ＦＭＬ２／ＮＭＬ２／ＦＭＬ３」スタック構造を有する。換言すれば、図４Ｂのリファレンス層１０－２は、リファレンス層１０－１に非磁性層（ＮＭＬ２）１０ｄと強磁性層（ＦＭＬ３）１０ｅとが強磁性層（ＦＭＬ２）１０ｃ上に順次堆積された構造であり、リファレンス層１０－１と同様の利点を有する。さらに、強磁性層（ＦＭＬ３）１０ｅの上面に隣接する酸化物トンネルバリア１９の存在は、強磁性層（ＦＭＬ３）１０ｅ内の垂直磁気異方性ＰＭＡを誘導、または向上させる。

【0071】

図５Ａに、トンネルバリア１９とキャップ層１５との間に、上述のフリー層２０－１に改良を加えたフリー層２０－３を設けるようにした、本開示の他の形態を示す。ここでは、フリー層２０－３は、（ｎ－１）個の非磁性層２０ｂ，２０ｎ-１とｎ個の強磁性副層２０ａ，２０ｃ，２０ｎとが交互に積層された構造「ＦＭＬ１／ＮＭＬ１．．．ＦＭＬｎ－１／ＮＭＬｎ－１／ＦＭＬｎ」を有する。各非磁性層は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｂ，Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，ＳｉまたはＣのいずれかから選択され、各強磁性副層は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＢ，ＦｅＢおよびＣｏＦｅＮｉＢを含む。キャップ層４０は、ＦＭＬｎ２０ｎの上面に接触し、キャップ層（酸化物層）４０と強磁性層ＦＭＬｎとの界面を形成することによって強磁性層ＦＭＬｎ２０ｎの中の垂直磁気異方性ＰＭＡを強化することができる。

【0072】

図５Ｂに、リファレンス層１０－１（図３Ｂ）を改良したリファレンス層１０－３を示す。リファレンス層１０－３は、シード層２の上に設けられ、（ｎ－１）個の非磁性（ＮＭＬ）層１０ｂ，１０ｎ-１とｎ個の強磁性副層１０ａ，１０ｃ，１０ｎとが交互に積層された構造「ＦＭＬ１／ＮＭＬ１．．．ＦＭＬｎ－１／ＮＭＬｎ－１／ＦＭＬｎ」を有する。各非磁性層は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｂ，Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，ＳｉまたはＣのいずれかから選択され、各強磁性副層は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＢ，ＦｅＢおよびＣｏＦｅＮｉＢのうちの１以上を含む。トンネルバリア１９は、強磁性層ＦＭＬｎ１０ｎの上面に接触し、トンネルバリア１９（酸化物層）と強磁性層ＦＭＬｎとの界面を形成することによって強磁性層ＦＭＬｎ１０ｎの中の垂直磁気異方性ＰＭＡを増強または誘導する。

【0073】

このように、非磁性層上に強磁性副層を堆積させるプロセスは複数回繰り返して行われ、各連続非磁性層における結晶化を低減し、各強磁性副層の上面に平滑化効果を与え、トンネルバリアから強磁性層ＦＭＬｎに拡散し得る酸素と反応することによって強磁性層ＦＭＬｎの酸化を防止する。

【0074】

前述の実施形態のすべてにおいて、本開示は、強磁性副層（ＦＭＬｎ）の１つまたは複数が、（Ｃｏ／Ｘ）ｍまたは（Ｘ／Ｃｏ）ｍのようなスタックにより構成されうるものである。ここで、ｍは１～３０であり、ＸはＰｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，ＮｉＣｏ，Ｎｉ／ＰｔまたはＮｉＦｅである。別の態様では、上記スタック中のＣｏをＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＲに置き換えることができる。ここで、Ｒは、Ｍｏ，Ｍｇ，Ｔａ，ＷまたはＣｒのうちの１つである。

【0075】

図６を参照すると、本開示はまた、２つの酸化物層の間に形成されたフリー層２０－１，２０－２または２０－３を含むＭＴＪの実施態様を包含する。例示的な実施態様では、フリー層２０－１，２０－２または２０－３は、トンネルバリア１９の上面に接触すると共に、酸化物キャップ層４０ａの底面にも隣接する。酸化キャップ層４０ａは、先に述べたトンネルバリア１９と関連した材料から選択される１以上の酸化物層からなるようにしてもよい。

【0076】

下部スピンバルブ構造では、シード層２、リファレンス層１１、トンネルバリア１９、フリー層および酸化物キャップ層４０ａが順に基板１（ＭＲＡＭにおける下部電極、再生ヘッドセンサにおける下部シールド、ＳＴＯデバイスにおける主磁極である）の上に形成される。

【0077】

リファレンス層１１は、シード層２と接する下部反平行強磁性層（ＡＰ２層）と、トンネルバリア１９と接する上部反平行強磁性層（ＡＰ１層）との間にＲｕ（ルテニウム）などの反強磁性結合層が形成されたシンセティック反平行（ＳｙＡＰ）構造を有していてもよい。下部反平行強磁性層（ＡＰ２層）および上部反平行強磁性層（ＡＰ１層）のうちの少なくとも一方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＣｏＢ，ＦｅＢ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＮｉＢの１種または２種以上であってもよいし、または上述の（Ｃｏ／Ｘ）ｍまたは（Ｘ／Ｃｏ）ｍであってもよい。上部電極５０はキャップ層４０ａの上に形成される。また、キャップ層４０ａと上部電極５０との間に、ＭｎＰｔのようなオプションのハードマスク（図示せず）が設けられていてもよい。他の実施形態では、上部電極５０は、再生ヘッドセンサにおける上部シールドまたはＳＴＯデバイスにおけるトレーリングシールドである。

【0078】

図７に示したボトムスピンバルブ型ＭＴＪは、酸化物のキャップ層４０ａを非磁性金属のキャップ層４０ｂに置き換えたことを除き、他は図６に示した構造を維持している。いくつかの形態では、キャップ層４０ｂは、Ｒｕ，Ｗ，Ｍｏ，ＮｉＣｒ，およびＴａのうちの少なくとも１種を含み、例えばＲｕ／ＴａおよびＲｕ／Ｔａ／Ｒｕを含む構成を有する。

【0079】

図８を参照すると、本開示の一実施形態によるトップスピンバルブ構成を有するＭＴＪが示されている。全ての層は図７から保持される。但し、図８では、フリー層２０－１（または２０－２もしくは２０－３）とリファレンス層１１との位置を入れ替えて、シード層２、フリー層２０－１（または２０－２もしくは２０－３）、トンネルバリア１９、リファレンス層１１およびキャップ層４０ｂが順に積層されている。 シード層２は、Ｗ，Ｒｕ，Ｔａ，Ｍｏ，ＮｉＣｒのうちの１つ以上であってもよい。

【0080】

図９を参照すると、本開示の別のトップスピンバルブ構成が示されている。フリー層２０－１（または２０－２もしくは２０－３）、トンネルバリア１９、リファレンス層１１およびキャップ層４０ｂは、基板１上の任意のシード層２上の酸化物層１５上に順次形成される。酸化物層１５は、酸化物キャップ層４０ａについて挙げた酸化物材料の１つから選択することができる。その結果、酸化物層とフリー層との間に２つの界面、すなわち、フリー層２０－１の上面とトンネルバリア１９との界面、およびフリー層２０－１の下面と酸化物層１５との界面が存在することとなり、フリー層内の垂直磁気異方性ＰＭＡが強化される。

【0081】

図１０を参照すると、本開示はまた、トップスピンバルブＭＴＪ内の２つの酸化物層の間にリファレンス層１０－１（または１０－２もしくは１０－３）が形成される形態が想定される。例示的な実施形態では、シード層２、フリー層２１、トンネルバリア１９、リファレンス層１０－１、および酸化物キャップ層４０ａが、基板１上に順次形成される。フリー層２１は、先にリファレンス層１１に関して述べたような材料と同じ材料から選択されるものでもよい。この場合、リファレンス層１１は、そのリファレンス層１１内の垂直磁気異方性ＰＭＡを強化するため、トンネルバリア１９との第１の界面と、酸化キャップ層４０ａとの第２の界面とを有している。

【0082】

図１１には、酸化キャップ層４０ａが非磁性キャップ層４０ｂに置換されている点を除き、先に説明した図１０のトップスピンバルブＭＴＪと実質的に同じ構造を有する他のトップスピンバルブＭＴＪが示されている。

【0083】

図１２には、図１１に示された全ての層を有するボトムスピンバルブＭＴＪが示されている。しかし、図１２のボトムスピンバルブＭＴＪは、フリー層２１とリファレンス層１０－１（または１０－２もしくは１０－３）との位置が図１１の構成と逆の位置となっている。すなわち、非磁性金属からなるシード層２の上に、リファレンス層１０－１（または１０－２もしくは１０－３）、トンネルバリア１９、フリー層２１、およびキャップ層４０ｂが順に形成されている。

【0084】

図１３は、図１２に示されたボトムスピンバルブＭＴＪを改良した別のボトムスピンバルブの実施形態を示している。図１３は、図１２におけるシード層２を酸化物層１５に置換したものである。これにより、リファレンス層１０－１（または１０－２もしくは１０－３）が酸化物トンネルバリア１９との界面および酸化物層（非磁性金属キャップ層）１５との界面をそれぞれ有することとなり、リファレンス層１０－１（または１０－２もしくは１０－３）内の垂直磁気異方性ＰＭＡが強化される。

【0085】

図１４は、他の形態を示している。図１４では、先の形態のようにｎ個の強磁性副層と（ｎ－１）個の非磁性層（ＮＭＬ）とのスタックを形成するのではなく、強磁性層（ＦＭＬ）から酸素原子を引きつける非磁性材料が強磁性層（ＦＭＬ）２２内に埋設され、あるいは添加されている。強磁性層（ＦＭＬ）中における添加密度に依存して、隣接する酸化物層から強磁性層（ＦＭＬ）中に拡散し得る酸素と反応する非磁性材料の反応効率は、先の形態のｎ個の強磁性副層と（ｎ－１）個の非磁性層（ＮＭＬ）とのスタックよりも低くなる可能性がある。さらに、強磁性層（ＦＭＬ）における結晶化抑制の利点は、先の形態に比べて低くなる可能性がある。なぜなら、この形態では、高い再スパッタリングレートの材料の上に低い再スパッタリングレートの材料が蒸着されていないので、先に述べたような、非磁性層（ＮＭＬ）の上に強磁性層（ＦＭＬ）を形成することの円滑化効果はここでは得られないからである。

【0086】

フリー層２２は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｃ，およびＢのうちの１以上の非磁性元素が０．１から３０原子％の濃度で添加または埋設されている。これらの非磁性元素は、共蒸着プロセスによりフリー層２２内に埋め込まれる。非磁性元素は磁気希釈効果（magnetic dilution effect）を有する。これは、非磁性元素の濃度がフリー層２１内で増加すると、フリー層２１の磁気モーメントが減少することを意味する。例示的な実施形態では、任意のシード層２と、リファレンス層１１と、トンネルバリア１９と、フリー層２２と、キャップ層４０とが基板１上に順に形成される。キャップ層４０は、例えばキャップ層４０ｂのような１以上の非磁性金属からなるものであり、またはキャップ層４０ａのような酸化物材料からなるものである。

【0087】

図１５に示したように、本開示は、酸化物層１５、フリー層２２、トンネルバリア１９、リファレンス層１１、およびキャッピング層４０ｂが基板１上に連続的に形成される上部スピンバルブ構造を包含するものである。

【0088】

図１６は、図１５に示したトップスピンバルブＭＴＪの変形例である。図１６の構成では、非磁性元素がドープされたフリー層２２は先に説明したフリー層２１で置き換えられている。一方、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｃ，ＢａおよびＢのうちの１以上の元素がドープされたリファレンス層１２を有している。したがって、図１６のトップスピンバルブ構造では、「シード層２／フリー層２１／トンネルバリア１９／リファレンス層１２／キャップ層４０」を有する。

【0089】

図１７は、ボトムスピンバルブＭＴＪを示している。ここでは、酸化物層１５と、リファレンス層１２と、トンネルバリア１９と、フリー層２１とキャップ層４０（非磁性金属キャップ層４０ｂ）とが順に積層されている。

【0090】

本開示は、図３Ａ～５Ｂに示した強磁性副層と非磁性層との積層体を含む強磁性層を有するＭＴＪの形成方法をも包含するものである。

【0091】

図１８では、ＭＴＪ６０の形成における中間工程が示されている。ＭＴＪ６０は、シード層２、リファレンス層１１、トンネルバリア１９、フリー層２０－１（または２０－２もしくは２０－３）および酸化物キャップ層４０ａが基板１の上に順に形成されたものである。従来の方法によるＭＴＪにおける全ての層の形成ののち、フォトレジスト層５５をキャップ層４０ａの上面に被覆すると共にそのフォトレジスト層５５をパターニングする。これにより、側壁５５ｓが形成される。その後のイオンビームエッチングにより、ＭＴＪ６０に側壁６０ｓが形成される。

【0092】

図１９は、誘電体層７０が側壁６０ｓと接するように、基板１の表面から酸化物キャップ層４０の上面に至るまで形成された様子を示している。誘電体層７０は、例えば酸化シリコン、窒化シリコンまたはアルミナなどからなる。ここでは、それらの材料を、キャップ層４０ａを覆うように堆積させ、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理を行ってフォトレジスト層を除去し、キャッピング層４０ａの上面４０ｔと同一平面上にある上面７０ｔを有するように誘電体層７０を形成する。

【0093】

次に図２０に示したように、上部電極５０が、当業者に周知の方法によって誘電体層７０およびキャップ層４０ａの上に形成される。

【0094】

＜実験例＞
図２１から図２３は、カー磁気測定を用いて測定した、３３０℃の温度で３０分間に亘ってアニールされた様々な積層体における磁気ヒステリシス曲線を示している。磁化は、－１５００Ｏｅから＋１５００Ｏｅの範囲の磁場において測定されたものである。各ヒステリシス曲線のうち、増大する磁場中での磁化が破線で表され、減少する磁場中での磁化が実線で表されている。カー（Ｋｅｒｒ）磁化信号は垂直磁化に正比例する。厚さｔは、１以上の強磁性層（ＦＭＬ）の総厚を示す。これらの測定の利点は、ヒステリシス曲線における直角の程度（角型比）および保磁力の値である。

【0095】

これらのデータは、１つの非磁性層（ＮＭＬ）（図２２）の追加または２つの非磁性層（ＮＭＬ）（図２３）の追加が、厚さｔのより広い範囲にわたって改善された保磁力をもたらすことを示している。特に、改善された垂直磁気異方性ＰＭＡは、１２オングストロームより薄い層まで達成される。これに対し、図２１に示した、非磁性層（ＮＭＬ）を有さずに強磁性層（ＦＭＬ）が不連続になった従来技術の構成では、１２オングストローム未満の垂直磁気異方性ＰＭＡを失う。

【0096】

他の利点として、フリー層を含むＭＴＪにおける熱履歴（thermal budget）の改善がある。図２４～図２５は、非磁性層（ＮＭＬ）を含まない積層体、および２つの非磁性層（ＮＭＬ）を含む積層体についてのヒステリシス曲線を示している。いずれの積層体についても、４００°℃で５時間に亘るアニールを実施した。非磁性層（ＮＭＬ）のない積層体の磁気特性は、角型比の減少および保磁力の減少によって示されるように、大きく低下する。磁気信号は強く減少し、１４オングストロームより薄い層では消滅する。より厚い層は、垂直磁化に特徴的な正方形のループを示さない。 対照的に、２つの非磁性層（ＮＭＬ）を有する積層体は、角型ループおよび０ではない保磁力を保持する。これは、この２つの非磁性層（ＮＭＬ）を有する積層体が４００℃で５時間に亘るアニーリングののちに良好な垂直磁気異方性ＰＭＡを保持することを示している。

【0097】

このように、本開示によれば、強磁性層（ＦＭＬ）の両側に２つの酸化物界面を有する改善された磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を有するようにしたので、強磁性層（ＦＭＬ）においてより高い垂直磁気異方性ＰＭＡをもたらす。新規なスタック構造は、上部酸化物層の酸化中の改善された制御を可能にする。これは、１つ以上の非磁性層と交互に配置された多数の強磁性副層を有する強磁性層の使用によって達成される。０．５～１０オングストロームの厚さおよび高い再スパッタリングレートを有する非磁性層（ＮＭＬ）の使用は、より滑らかな強磁性層（ＦＭＬ）上面を提供し、強磁性副層の結晶化を抑制し、酸素と反応して、隣接する強磁性体の有害な酸化を防止する。強磁性層（ＦＭＬ）は、例えば磁気トンネル接合（ＭＴＪ）のフリー層またはリファレンス層として機能する。代替的な実施形態では、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＢなどの非磁性材料が、共蒸着によって強磁性層（ＦＭＬ）に埋め込まれ、または強磁性層（ＦＭＬ）にドープされる。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】