特表 2024-526786 改良されたシード層を有するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-19

(54)【発明の名称】改良されたシード層を有するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイス

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20240711BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20240711BHJP

   H10N 50/80 20230101ALI20240711BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H10N50/10 Z

H10N50/80 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024502156

(86)(22)【出願日】2022-05-08

(85)【翻訳文提出日】2024-01-15

(86)【国際出願番号】 US2022028238

(87)【国際公開番号】W WO2023038680

(87)【国際公開日】2023-03-16

(31)【優先権主張番号】17/472,019

(32)【優先日】2021-09-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】504056130

【氏名又は名称】ウェスタン デジタル テクノロジーズ インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡村 進

(72)【発明者】

【氏名】カイザー、クリスチャン

(72)【発明者】

【氏名】ヨーク、ブライアン アール．

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA15

4M119AA17

4M119BB01

4M119CC05

4M119DD07

4M119DD24

4M119DD32

4M119DD45

4M119DD55

4M119JJ03

4M119JJ09

5F092AA05

5F092AB08

5F092AC12

5F092AC26

5F092AD25

5F092BB24

5F092BB36

5F092BB44

5F092BC04

5F092BD13

5F092EA06

(57)【要約】

２つの強磁性層におけるホウ素の必要性を排除する下部又は第１の強磁性層のための改良されたシード層を有するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスに関する。シード層、例えばＲｕＡｌ合金は、非晶質プレシード層上に堆積されるとき、（００１）テクスチャを有するＢ２結晶構造を有し、これは、（００１）平面がＴＭＲデバイス基板の表面に平行であることを意味する。続いて堆積されるＣｏＦｅ合金のような第１の強磁性層、及び典型的にはＭｇＯであるトンネルバリア層は、シード層の（００１）テクスチャを継承する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスであって、
基板と、
前記基板上に結晶構造及び（００１）テクスチャを有するシード層と、
前記シード層上にＢＣＣ結晶構造及び（００１）テクスチャを有するホウ素を含まない第１の強磁性層であって、前記第１の強磁性層はＣｏＦｅ合金、ホイスラ合金及びハーフホイスラ合金から選択される、ホウ素を含まない第１の強磁性層と、
前記第１の強磁性層上に、岩塩結晶構造又はスピネル構造及び（００１）テクスチャを有するトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上の第２の強磁性層と、
を備える、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイス。

【請求項2】

前記シード層は、ＲｕＡｌ合金及びＣｒＭｏ合金から選択される、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４及びＭｇＧａ_２Ｏ_４から選択される、請求項１に記載のデバイス。

【請求項4】

前記基板と前記シード層との間に非晶質プレシード層を更に備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項5】

前記プレシード層は、ＮｉＦｅＴａ合金、ＣｏＦｅＴａ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢＴａ合金及びＴａから選択された材料を含む層又は多層である、請求項４に記載のデバイス。

【請求項6】

前記第１の強磁性層は、Ｃｏ及びＣｏＦｅ合金から選択されるナノ層を含む、請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

前記シード層と前記第１の強磁性層との間に、ＢＣＣ結晶構造を有する非強磁性副層を更に備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項8】

前記副層は本質的にＣｒから成る、請求項７に記載のデバイス。

【請求項9】

前記第２の強磁性層は、ホウ素を含まない強磁性層である、請求項１に記載のデバイス。

【請求項10】

前記ＴＭＲデバイスは、ピン止め型ＴＭＲデバイス及び二重自由層（ＤＦＬ）ＴＭＲデバイスから選択される、請求項１に記載のデバイス。

【請求項11】

前記ＴＭＲデバイスは磁気記録読取りヘッドである、請求項１に記載のデバイス。

【請求項12】

請求項１１に記載の磁気記録読取りヘッドを備える、磁気記録デバイス。

【請求項13】

請求項１に記載のＴＭＲデバイスを備える、磁気ランダムアクセスメモリデバイス。

【請求項14】

請求項１に記載のＴＭＲデバイスを備える、センサデバイス。

【請求項15】

トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスであって、
基板と、
前記基板上の非晶質プレシード層と、
ＲｕＡｌ合金及びＣｒＭｏ合金から選択され、前記プレシード層上に結晶構造及び（００１）テクスチャを有するシード層と、
前記シード層上のＢＣＣ結晶構造及び（００１）テクスチャを有するＣｏ及びＦｅから成る第１の強磁性層を備える、ホウ素を含まない合金と、
前記第１の強磁性層上のＭｇＯから本質的に成るトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上の第２の強磁性層と、
を備える、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイス。

【請求項16】

前記プレシード層は、ＮｉＦｅＴａ合金、ＣｏＦｅＴａ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢＴａ合金及びＴａから選択された材料を含む層又は多層である、請求項１５に記載のデバイス。

【請求項17】

前記シード層は本質的にＲｕ_ｘＡｌ_{（１００－ｘ）}から成り、ｘは原子パーセントであり、４５以上６０以下である、請求項１５に記載のデバイス。

【請求項18】

前記第１の強磁性層は、前記トンネルバリア層に隣接するＣｏ及びＣｏＦｅ合金から選択されるナノ層を含み、前記第２の強磁性層は、前記トンネルバリア層に隣接するＣｏ及びＣｏＦｅ合金から選択されるナノ層を含む、請求項１５に記載のデバイス。

【請求項19】

前記シード層と前記第１の強磁性層との間に、本質的にＣｒから成る副層を更に含む、請求項１５に記載のデバイス。

【請求項20】

前記第２の強磁性層は、ホウ素を含まない強磁性層である、請求項１５に記載のデバイス。

【請求項21】

前記ＴＭＲデバイスは、ピン止め型ＴＭＲ磁気記録読取りヘッド及び二重自由層（ＤＦＬ）磁気記録読取りヘッドから選択される、請求項１５に記載のデバイス。

【請求項22】

請求項２１に記載の磁気記録読取りヘッドを備える、磁気記録デバイス。

【請求項23】

前記ＴＭＲデバイスは、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスにおける使用に適合された磁気トンネル接合（ＭＴＪ）メモリセルである、請求項１５に記載のデバイス。

【請求項24】

請求項２３に記載のＭＴＪメモリセルを備える、磁気ランダムアクセスメモリデバイス。

【請求項25】

請求項１に記載のＴＭＲデバイスを備える、センサデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２１年９月１０日に出願された「ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＭＡＧＮＥＴＯＲＥＳＩＳＴＩＶＥ（ＴＭＲ）ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＳＥＥＤ ＬＡＹＥＲ」と題する米国非仮出願第１７／４７２，０１９号の利益を主張し、その内容の全体はあらゆる目的のために参照により本出願に組み込まれる。

【0002】

（発明の分野）
本発明は、一般にトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスに関し、より詳細には、トンネルバリア層の形成及びＴＭＲデバイスの性能を改善するシード層を有するＴＭＲデバイスに関する。

【背景技術】

【0003】

（関連技術の説明）
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスとも呼ばれるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスは、薄い絶縁トンネルバリア層によって分離された２つの強磁性層から構成される。バリア層は、典型的には、電荷キャリアの量子力学的トンネルが２つの強磁性層の間で生じるほど十分に薄い金属酸化物から作られる。トンネルバリア材料としては、ＺｎＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＴｉＯ、ＶＯ等の種々の金属酸化物が提案されているが、最も一般的な材料は結晶性酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。量子力学的トンネルプロセスは電子スピン依存であり、これは、接合を横切ってセンス電流を印加するときに測定される電気抵抗が、強磁性層及びバリア層のスピン依存電子特性に依存し、２つの強磁性層の磁化の相対的な向きの関数であることを意味する。

【0004】

ピン止め型と呼ばれるＴＭＲ又はＭＴＪデバイスの１つの型では、基準層と呼ばれる強磁性層の一方の磁化が固定又はピン止めされ、自由層と呼ばれる他方の強磁性層の磁化が外部磁界に応答して自由に回転する。ピン止め型ＴＭＲデバイスは、記録された磁気媒体からの磁界の存在下で自由強磁性層の磁化が基準強磁性層の磁化に対して回転する磁気記録読取りヘッドにおいて使用可能である。ピン止め型ＴＭＲデバイスはまた、メモリ記憶ビット又はセルとしてＭＴＪを使用する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）（例えば、スピントランスファトルクＭＲＡＭ（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）及びスピン軌道トルクＭＲＡＭ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ））デバイスにおいて使用可能であり、ＭＴＪにおける基準層に対する自由層の磁化は、電流によって直接変化する。また、ＴＭＲデバイスは、様々な用途（例えば、産業用、自動車用、医療用）で使用可能な磁気センサデバイスの一部として使用することもできる。

【0005】

二重自由層（ＤＦＬ）型と呼ばれる別の型のＴＭＲデバイスでは、２つの自由強磁性層があり、両方の強磁性層の磁化は、外部磁界に応答して「シザリング」効果で互いに対して自由に回転する。磁気記録デバイス用のＤＦＬ読取りヘッドは、米国特許第７，０３５，０６２ Ｂ２号及び同第８，６７０，２１７ Ｂ１号に記載されている。

【発明の概要】

【0006】

ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅトンネル接合のようなＭｇＯトンネルバリア層を有するＴＭＲデバイスは、特定の対称性を有する電子のコヒーレントなトンネル効果により、非常に大きなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を示す。しかしながら、強磁性層及びＭｇＯバリア層は、高いＴＭＲを達成するために完全な結晶性を有することが要求される。強磁性層及びＭｇＯバリア層は、典型的には、スパッタ堆積及びその後のアニールによって形成され、それによって結晶構造が形成される。要求される低抵抗面積積（ＲＡ）を示すＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅトンネル接合は、おそらくＭｇＯバリア層の結晶性が劣っているために、高いＴＭＲを示さない。しかしながら、多層構造において薄い非晶質ＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅＢＴａ層を使用するなど、１つ以上の強磁性層においてホウ素（Ｂ）が使用される場合、アニール後により高いＴＭＲが観察されることが分かっている。非晶質ＣｏＦｅＢ層は、（００１）テクスチャ（基板の表面に平行な表面平面）を有するＭｇＯのより良好な成長を促進し、したがってより高いＴＭＲを促進する。

【0007】

更に高いＴＭＲを有する進歩したＴＭＲデバイスは、抵抗－面積積（ＲＡ）の低減を必要とし、これは、ＭｇＯバリア層をより薄くする必要があることを意味する。しかしながら、ＭｇＯの厚さが減少するにつれて、降伏電圧及びＴＭＲも減少し、これは、部分的に、ＭｇＯバリア層へのホウ素の拡散に起因すると考えられる。必要とされるのは、薄いＭｇＯバリア層を有し、したがってＲＡが低減されているが、高いＴＭＲを有するＴＭＲデバイスである。

【0008】

本発明の実施形態は、強磁性層におけるホウ素の必要性を排除する下部又は第１の強磁性層のための改良されたシード層を有するＴＭＲデバイスに関する。シード層、例えばＲｕＡｌ合金は、（００１）テクスチャを有するＢ２結晶構造（ＣｓＣｌ結晶構造とも呼ばれる）を有し、これは（００１）平面がＴＭＲデバイス基板の表面に平行であることを意味する。続いて堆積されるＣｏＦｅ合金のような第１の強磁性層、及び典型的にはＭｇＯであるトンネルバリア層も、シード層の（００１）テクスチャを継承する。第２の強磁性層の堆積及びアニールの後、拡散されたホウ素が存在せず、ホウ素を含まない強磁性層の粒径がより大きいため、強磁性層及びトンネルバリア層の結晶化が改良され、これにより粒界における欠陥が低減される。得られたＴＭＲデバイスは、従来技術のホウ素含有ＴＭＲデバイスよりもＲＡが減少し、ＴＭＲが増加している。

【0009】

本発明の性質及び利点をより完全に理解するために、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照すべきである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】２つの型の従来のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスの構造を示す断面図である。

【図2】スピントランスファトルク磁化反転磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）デバイスにおけるメモリセルとしての磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の斜視図である。

【図3】従来技術のピン止め型ＴＭＲ読取りヘッドの詳細構造を示す断面図である。

【図4】両方の強磁性（ＦＭ）層にホウ素が存在する典型的なＦＭ１層／ＭｇＯ／ＦＭ２層構造を示す概略図である。

【図5】改良されたシード層並びにホウ素を含まないＦＭ１層及びＦＭ２層を有する本発明の一実施形態によるＦＭ１層／ＭｇＯ／ＦＭ２層構造の概略断面図である。

【図6A】Ｂ２構造シード層上の（００１）テクスチャを有するＦＭ１及びトンネルバリア層の成長を示す概略側面図である。

【図6B】ＲｕＡｌ（シード）層、ＣｏＦｅ（ＦＭ１）層及びＭｇＯ（トンネルバリア）層の（００１）平面の概略上面図であり、ＣｏＦｅ層上に４５度の角度で成長した（００１）平面を有するＭｇＯ層のＮａＣｌ構造を示す。

【図7】従来技術の二重自由層（ＤＦＬ）デバイス及び本発明の一実施形態によるＤＦＬデバイスについて、測定されたＴＭＲ対抵抗面積積（ＲＡ）のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、２つの型のＴＭＲ読取りヘッド１０の断面図を示す。ＴＭＲ読取りヘッドは、底部強磁性（ＦＭ１）層１８、絶縁トンネルバリア層２０、及び上部強磁性（ＦＭ２）層３２を含む。ＴＭＲ読取りヘッドは、底部及び上部非磁性電極又はリード１２、１４をそれぞれ有し、底部非磁性電極１２は適切な基板上に形成される。シード層（図示せず）を底部リードとＦＭ１との間に配置することができ、キャップ層（図示せず）をＦＭ２と上部リードとの間に配置することができる）。ＤＦＬ読取りヘッドでは、ＦＭ１及びＦＭ２の両方が「自由」強磁性層であるが、その理由は、それらの磁化が、記録された磁気媒体からの外部磁界の存在下で、シザリング効果によって互いに対して自由に回転するからである。

【0012】

ピン止め型ＴＭＲデバイスでは、ＦＭ１又はＦＭ２のいずれか一方の磁化が固定又はピン止めされ、他方の強磁性層の磁化が外部磁界の存在下で自由に回転する。ピン止めされた強磁性層は、その磁化が回転しないようにされているので、基準層と呼ばれる。基準層の磁化は、高保磁力膜から形成されることによって、又は反強磁性（ＡＦ）「ピン止め」層に交換結合されることによって、固定又はピン止めすることができる。ピン止め型ＴＭＲデバイスは、図２に示すように、ＳＴＴ－ＭＲＡＭデバイスのメモリセルとして使用することができる。ＳＴＴ－ＭＲＡＭデバイスには単一のＭＴＪが示されている。自由強磁性層の磁化の向きは、スピン偏極電流を使用して、基準層の固定磁化に対して平行又は逆平行のいずれかの向きを有するように修正され、それによって、ＭＴＪセル内のビットとして１（平行）又は０（逆平行）を表す２つの抵抗レベルを生成することができる。ＭＴＪは、ＳＴＴ効果の代わりにＳＯＴ効果によって書き込みがどのように達成されるかという点でＳＴＴ－ＭＲＡＭとは主に異なるＳＯＴ－ＭＲＡＭデバイスにおいても同様に使用することができる。上述したように、読取りヘッド及び磁気メモリ用途に加えて、ＴＭＲデバイスは、センサデバイスの一部とすることもできる。

【0013】

また、ピン止め型ＴＭＲデバイスは、図３に詳細に示すように、ハードディスクドライブのような磁気記録デバイスの読取りヘッドとして使用することもできる。図３は、磁気記録ハードディスクドライブで使用されるような従来技術のピン止め型ＴＭＲ読取りヘッドの構造を示す非常に概略的な断面図である。この断面図は、ＴＭＲ読取りヘッドの気体軸受面（ＧＢＳ）と一般に呼ばれるものの図である。ＴＭＲ読取りヘッドは、典型的には電気めっきされたＮｉＦｅ合金膜から成る２つの強磁性シールド層Ｓ１、Ｓ２の間に形成された層のセンサスタックを含む。センサスタックは、横方向に（ページから離れる方向に）配向されたピン止め磁化１２１を有する強磁性基準層１２０と、記録ディスクからの横方向外部磁界に応答して層１１０の平面内で回転することができる磁化１１１を有する強磁性自由層１１０と、強磁性基準層１２０と強磁性自由層１１０との間の、典型的には酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である電気絶縁トンネルバリア層１３０とを含む。

【0014】

基準層１２０は、典型的には反強磁性層に交換結合されることによって、その磁化方向１２１がピン止め又は固定された従来の「単純な」又は単一のピン止め層とすることができる。しかしながら、図３の例では、基準層１２０は、米国特許第５，４６５，１８５号明細書に記載されているように、「積層」ピン止め層とも呼ばれる周知の逆平行（ＡＰ）ピン止め又は磁束閉構造の一部である。ＡＰピン止め構造は、基準層１２０と自由層１１０との静磁気結合を最小限に抑える。ＡＰピン止め構造は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、もしくはＣｒ、又はそれらの合金などのＡＰ結合（ＡＰＣ）層１２３を横切って反強磁性的に結合された基準強磁性（ＡＰ２）層１２０と下部ピン止め強磁性（ＡＰ１）層１２２とを含む。ＡＰＣ層１２３を横切る逆平行結合により、基準（ＡＰ２）強磁性層１２０及びピン止め（ＡＰ１）強磁性層１２２は、互いに逆平行に配向されたそれぞれの磁化１２１、１２７を有する。その結果、ＡＰ２及びＡＰ１強磁性層１２０、１２２の正味の磁化は非常に小さいので、強磁性自由層１１０内の磁束閉構造によって誘導される減磁界は実質的に最小化され、したがって、ＴＭＲ読取りヘッドが最適に動作することが可能になる。

【0015】

基板と、下部シールド層Ｓ１と、ＡＰピン止め構造との間には、シード層１２５及び反強磁性（ＡＦ）ピン止め層１２４が配置されている。シード層１２５は、ＡＦピン止め層１２４が強い結晶テクスチャを有する微細構造を成長させ、したがって強い反強磁性を発現することを容易にする。したがって、ＡＦピン止め層１２４は、強磁性ピン止め層１２２に強く交換結合し、それによって、強磁性ピン止め層１２２の磁化１２７を、ＧＢＳに対して垂直でＧＢＳから離れる方向に堅くピン止めする。次いで、ＡＰＣ層１２３を横切る逆平行結合は、その後、強磁性基準層１２０の磁化１２１を、ＡＢＳに対して垂直でＡＢＳに向かう方向に、かつ磁化１２７に対して逆平行に強固にピン止めする。その結果、強磁性ＡＰ２層１２０及びＡＰ１層１２２の正味の磁化は強固にピン止めされ、したがって、ＴＭＲ読取りヘッドの最適動作が保証される。

【0016】

強磁性自由層１１０と上部シールド層Ｓ２との間には、キャッピング層又はキャップ層と呼ばれることもある層１１２が配置される。層１１２は、強磁性自由層１１０が良好な強磁性特性を維持するように、強磁性自由層１１０を処理中の化学的及び機械的損傷から保護する。

【0017】

関心のある範囲内の外部磁界、すなわち、記録ディスク上に書き込まれたデータからの磁界が存在する場合、強磁性層１２０、１２２の正味の磁化は堅くピン止めされたままであるが、強磁性自由層１１０の磁化１１１は、磁界に応答して回転する。したがって、センス電流Ｉ_Ｓが上部シールド層Ｓ２から垂直にセンサスタックを通って下部シールド層Ｓ１に流れるとき、強磁性自由層１１１の磁化回転は、強磁性基準層１２０の磁化と強磁性自由層１１０の磁化との間の角度の変化をもたらし、これは電気抵抗の変化として検出可能である。センス電流は、２つのシールドＳ１とＳ２との間の層のスタックを通って垂直に向けられるので、ＴＭＲ読取りヘッドは、面垂直電流（ＣＰＰ）読取りヘッドである。

【0018】

図３はまた、それぞれシールドＳ１、Ｓ２とセンサスタックとの間の任意の別個の電気リード１２６、１１３を示す。リードは任意であり、シールド間の間隔を調整するために使用されてもよい。リード１２６及び１１３が存在しない場合、底部シールドＳ１及び上部シールドＳ２は電気リードとして使用される。図３に示すＴＭＲ読取りヘッドは、ＡＰピン止め構造が自由層１１０の下にあるので、「底部ピン止め」読取りヘッドであるが、自由層１１０は、ＡＰピン止め構造の下に配置することができる。このような構成では、ＡＰピン止め構造の層が逆になり、ＡＰ２層１２０がバリア層１３０の上にあり、バリア層１３０と接触している。

【0019】

ＭｇＯトンネル接合は、（００１）テクスチャ及び完全な結晶性を有することが必要とされる。ＭｇＯバリア層は、典型的には、スパッタ堆積によって非晶質層上に（００１）テクスチャを有するＮａＣｌ（岩塩）結晶構造として堆積され、その後のアニールは、歪みを除去することによって結晶構造を改善する。一方又は両方の強磁性層に薄い非晶質ＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅＢＴａ層を使用すると、より高いＴＭＲ又はＴＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）が得られることが分かっている。堆積されたままの非晶質ＣｏＦｅＢ層は、（００１）テクスチャＭｇＯと、アニール後の（００１）テクスチャへのＣｏＦｅＢ結晶化を伴うより高いＴＭＲとを促進することが知られている。

【0020】

図４は、両方の強磁性層にホウ素が存在する典型的なＦＭ１層／ＭｇＯ／ＦＭ２層構造の概略断面図である。ＦＭ１及びＦＭ２は両方とも、ＤＦＬデバイス内の自由層であり得るか、又はＦＭ１及びＦＭ２のうちの１つは、ピン止め型デバイス内の基準層であり得る。基準強磁性層及び自由強磁性層の各々は、ＭｇＯバリア層に隣接する薄い（例えば、約１～４Åの厚さの）ＣｏＦｅ「ナノ層」、ＣｏＦｅ層、並びにナノ層とＣｏＦｅ層との間のＣｏＦｅＢ（場合によってはＣｏＨｆ、ＣｏＦｅＢＴａ、又は他の非晶質挿入層）層として示されている。ＣｏＦｅＢ層は、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{（１００－ｘ）}）_{（１００－ｙ）}Ｂ_ｙの典型的な組成を有し、下付き文字は原子パーセントを表し、ｘは約４０～１００であり、ｙは約１０～２０である。ＦＭ１及びＦＭ２強磁性層の各々の総厚は、典型的には約２０～８０Åである。Ｃｏ又はＦｅナノ層、ＮｉＦｅ合金、及びホイスラ合金など、他の材料が強磁性層に使用されることがよく知られている。

【0021】

しかしながら、図４の従来技術のＴＭＲデバイスでは、アニール中にホウ素がＭｇＯバリア層に拡散し、これが降伏電圧及びＴＭＲを低下させることが発見された。また、高度なＴＭＲデバイスでは、抵抗面積積（ＲＡ）を低減するためにＭｇＯをより薄くする必要がある。より薄いＭｇＯバリア層は、ホウ素拡散の影響を更に受けやすい。また、ＣｏＦｅＢ上に堆積されたＭｇＯのより小さい粒子は、アニール後にＭｇＯ粒界により多くの欠陥が存在し得ることを意味する。

【0022】

図５は、ホウ素を含まない強磁性層及び改良されたシード層を有する本発明の一実施形態によるＦＭ１層／ＭｇＯ／ＦＭ２層構造の概略断面図である。ＦＭ１層及びＦＭ２層の各々は、単層又は多層であってもよい。ＦＭ１は、ＭｇＯ界面に隣接する任意選択のＣｏ（又はＣｏＦｅ）ナノ層とともに示されている。導電性非晶質プレシード層は、適切な基板上に形成されたリード層上に直接堆積される。プレシード層は、ＮｉＦｅＴａ合金、ＣｏＦｅＴａ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢＴａ合金及びＴａから選択された材料を含む層又は多層であってもよく、総厚は約５～５０Åの範囲である。好ましくはＲｕＡｌ合金（又は代替的にＣｒＭｏ合金）である導電性シード層は、プレシード層上に直接堆積され、ＲｕＡｌの場合にはＢ２結晶構造（ＣｓＣｌ構造とも呼ばれる）として、又はＣｒＭｏ（Ｍｏは約３０～５０原子パーセント）の場合にはＢＣＣ相として、（００１）テクスチャを伴って形成され、すなわち、（００１）平面はプレシード層及び基板の表面に平行である。ＲｕＡｌシード層は、約５～５０Åの範囲の厚さ及びＲｕ_ｘＡｌ_{（１００－ｘ）}の好ましい組成を有し、ここでｘは原子パーセントであり、４５以上６０以下である。ホウ素を含まないＦＭ１層は、好ましくはＣｏＦｅ合金であり、シード層上に堆積され、＜００１＞方向であり、（００１）テクスチャを継承する。ＦＭ１層の堆積前に、Ｃｒのような任意のＢＣＣ副層（図５には図示せず）をシード層上に堆積させることができ、この場合、ＦＭ１層は副層上に直接堆積される。（本明細書で使用される場合、「層の上」という句は、上部層と下部層との間に１つ以上の中間層が存在し得ることを意味し、「層の直接上」という句は、上部層が下部層の直接上にあり、下部層と接触していることを意味する）。ホウ素を含まないＦＭ１層は、２０～８０Åの範囲の典型的な厚さを有し、図５に示すように、多層であってもよい。ＣｏＦｅ合金はＦＭ１にとって好ましい材料であるが、シード層の（００１）テクスチャを継承することができるＢＣＣ構造を有する他の適切な材料は、ＣｏＦｅＮｉベースの合金、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ及びＣｏ_２ＦｅＡｌのようなホイスラ合金、並びにＮｉＭｎＳｂのようなハーフホイスラ合金を含む。次に、ＭｇＯバリア層を、ＣｏＦｅ層上に直接堆積させるか、あるいは任意選択のＣｏナノ層（２～２０Å）上に直接堆積させて、約４～２０Åの範囲の厚さにする。ＭｇＯバリア層は、ＦＭ１層上に００１テクスチャでエピタキシャル成長する。ＭｇＯが好ましいが、トンネルバリア層として機能し、ＦＭ１層の（００１）テクスチャを継承することができる他の材料には、ＺｎＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＴｉＯ及びＶＯ、並びにＭｇＡｌ_２Ｏ_４及びＭｇＧａ_２Ｏ_４などのスピネル材料が含まれる。図６Ａは、ＲｕＡｌシード層上の（００１）テクスチャを有するＦＭ１及びトンネルバリア層の＜００１＞成長方向を示す側面図の概略図である。図６Ｂは、ＲｕＡｌ（シード）層、ＣｏＦｅ（ＦＭ１）層及びＭｇＯ（トンネルバリア）層の（００１）平面の概略上面図であり、ＭｇＯ層のＮａＣｌ構造の（００１）平面がＣｏＦｅ層上で４５度の角度にあることを示す。

【0023】

次に、ＭｇＯバリア層上にＦＭ２層を堆積させる。ＦＭ２層もホウ素を含まない層であることが好ましく、ＣｏＦｅ合金であることが好ましいが、軟磁気特性や低磁歪化のためにＢを含んでいてもよい。ＦＭ２層は、ＭｇＯ界面における層がＢＣＣ構造を有するという条件で、ＢＣＣ構造であってもよいし、非晶質層又はＦＣＣ層を含む多層であってもよい。スタック内の層の堆積後、スタックは、好ましくは約１８０～２８０°Ｃで２～５時間アニールされる。これは、歪みを低減することによって、ＦＭ１層及びＦＭ２層並びにバリア層の結晶性を改善する。従来技術とは異なり、バリア層へのホウ素拡散はない。また、典型的にはＭｇＯであるバリア層の結晶構造中の欠陥は粒界にあるが、本発明の様々な実施形態におけるバリア層中の粒は、従来技術のＣｏＦｅＢ層上に形成されたバリア層の粒よりも大きいので、アニール後のバリア層中の欠陥はより少ない。Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ多層のような非磁性キャップ層がＦＭ２上に形成されてもよい。

【0024】

図７は、従来技術のＤＦＬウェハ（図４のような）及び本発明の一実施形態によるＤＦＬウェハ（図５のような）について測定されたＴＭＲ対ＲＡのグラフである。ＴＭＲ比は、ΔＲ／Ｒ＝（Ｒ_ＡＰ－Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐによって与えられ、ここで、Ｒ_Ｐ及びＲ_ＡＰは、強磁性層磁化の平行及び逆平行構成について測定された抵抗を表す。データが下側の曲線によって示される従来技術のＤＦＬウェハは、ＣｏＨｆ（２０Å）／ＣｏＦｅＢ（５０Å）／Ｃｏ（４Å）多層のＦＭ１、及びＣｏＦｅ（４Å）／ＣｏＦｅＢ（５０Å）／ＣｏＨｆ（２０Å）多層のＦＭ２を有していた。データが上側の曲線によって示される本発明の実施形態は、ＲｕＡｌシード層と、ＣｏＦｅ（５０Å）／Ｃｏ（５Å）多層のＦＭ１と、ＣｏＦｅ（５０Å）層のＦＭ２とを有した。ＲＡ範囲が約０．３４～０．３８（オーム－ミクロン^２）の場合、本発明の実施形態は、約５０～８５％の範囲を有する従来技術と比較して、約８０～１００％のより高いＴＭＲを有する。同様に、約５０～８５％のＴＭＲ範囲について、本発明の実施形態は、約０．３４～０．３８（オーム－ミクロン^２）の範囲を有する先行技術と比較して、約０．２８～０．３４（オームミクロン^２）のより低いＲＡを有する。

【0025】

本発明は、好ましい実施形態を参照して具体的に示され、説明されてきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における様々な変更が行われ得ることが当業者によって理解されるであろう。したがって、開示された本発明は、単に例示的なものとして考慮されるべきであり、添付の特許請求の範囲に規定されるような範囲のみに限定されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【国際調査報告】