JP2016513374A

JP2016513374A - 磁気構造体の処理方法

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Publication number: JP2016513374A
Application number: JP2015559534A
Authority: JP
Inventors: ダフィーヌ・ラヴェロソナ
Original assignee: サントル・ナショナル・ドゥ・ラ・レシェルシュ・サイエンティフィーク−セ・エン・エール・エス−; ユニヴェルシテ・パリ・シュド・（パリ・１１）
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: KR102301998B1; FR3002690B1; US20160005537A1; EP2962337B1; WO2014131969A1; CN105164828A; KR20150141951A; CN105164828B; JP6525205B2; FR3002690A1; US10276302B2; EP2962337A1

Abstract

ＣｏＦｅＢ合金を含む磁性材料の少なくとも１つの第１の層を備える磁気構造体を提供する段階（Ｓ１０）、前記磁気構造体に低エネルギーの軽イオンを照射する段階（Ｓ２０）、及び、同時に、前記磁気構造体を所定温度プロファイルで所定時間保持する段階（Ｓ３０）を含むことを特徴とする、磁性材料を処理する方法。

Description

本発明は、磁気構造体、特に、例えばＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）に使用されるデジタル記憶素子を処理する方法に関連する。

世界的に生成されるデジタルデータの総量（２．７ゼタバイト）の相当な増加を考えると、不揮発性の大容量記憶装置の貯蔵密度（単位面積あたりの貯蔵容量）は、増加し続ける。この増加は、携帯用途の小型仕様に適合し、エネルギー機器の設置面積を低減させながら、貯蔵媒体の増殖を抑制するのを助けなければならない。

不揮発性の大容量記憶装置の市場は、現在、ハードディスク（コンピュータ及びデータセンター用）及び携帯用途（スマートフォン、ウルトラポータブル等）のフラッシュメモリに分けられる。これらの２つの技術の性能が近年大幅に発展しているが、それらは、アクセス速度及び長時間にわたる安定性に加えて密度に関して２０１５年までに重大な技術的な限界に遭遇する。

従って、不揮発性のＭＲＡＭの新規なコンセプト（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ、レーストラックメモリ、ＴＡＳ−ＭＲＡＭ等）は、ＤＲＡＭ及びＳＭＲＡと同様にフラッシュメモリに対抗するものとして開発中である。

しかしながら、これらの技術は、使用される磁性材料に関連する技術的な限界によって妨げられる。

このようなメモリは、要求される特性、特に高い磁気異方性及び強い磁気抵抗信号を有する結晶相を得るために、非晶質形態において周囲温度で合成され、次いで高温（３００℃で１から２時間）で焼鈍しされる磁性材料に基づいている。

しかしながら、これらの高温は、材料の特性を劣化させることがあり、それは、焼鈍し後に、通常、磁気特性において、より低い均一性の原因になる構造的な欠陥を有する。

さらに、これらの高温は、大きなエネルギー消費を意味し、それは、産業規模において行われる処理に望まれないものである。

本発明は、良好な品質の磁性材料を得る、産業規模の製造に相応しい方式の方法を提案することによって、これらの欠点を解消することを目的とする。

このために、本発明は、
−ＣｏＦｅＢ合金を含む磁性材料の少なくとも１つの第１の層を備える磁気構造体を提供する段階、
−前記磁気構造体に低エネルギーの軽イオンを照射する段階、及び
−同時に、前記磁気構造体を所定温度プロファイルで所定時間保持する段階、
を含むことを特徴とする、磁性材料を処理する方法に関する。

加熱及び／イオン照射を組み合わせることによって、磁性材料の温度及び合成時間は、非常に低減され得、熱収支を低減させ、得られる材料の品質を改善する。

本発明による方法の種々の実施形態において、１つ又はそれ以上の以下の構成が任意に使用され得る：
−前記所定温度が、２００℃以下である；
−前記所定温度が、２０℃から２００℃である；
−前記所定温度が、１５℃から４０℃である；
−前記所定時間が、１時間以下である；
−前記磁性材料が、初めに非晶質である；
−前記磁性材料が、初めに結晶質である；
−前記イオンが、Ｈｅ^＋、Ｈ^＋、Ａｒ^＋、Ｘｅ^＋又はＧａ^＋イオンである；
−前記イオンが、０．１ｋｅＶから１５０ｋｅＶのエネルギーを有する；
−前記照射段階中に、前記イオンが、１×１０^１３イオン／ｃｍ^２から５×１０^１６イオン／ｃｍ^２の投与量で放射される；
−前記照射段階中に、前記イオンが、少なくとも前記磁性材料の第１の層を通過する；
−前記照射段階中に、前記イオンが、マスクの貫通開口部を通して前記磁気構造体に衝突される；
−前記磁気構造体が、前記磁性材料の第１の層に接触する絶縁体の少なくとも１つの第２の層を備える；
−前記磁気構造体が、磁性材料の第１の層及び絶縁体の第２の層の交互の積層体を備える。

本発明はまた、少なくとも、
−ＣｏＦｅＢ合金を含む磁性材料の第１の層、及び、
−前記磁性材料の第１の層が配置され、低エネルギーの軽原子を含む基板、
を備えることを特徴とする、磁気構造体に関連する。

特に、前記磁気構造体は、５００ｍＴ以上である有効異方性磁場を有し得る。

本発明は、添付の図面を参照して単なる例として与えられる本発明の種々の実施形態の以下の詳細な説明を読むことによって、より理解されるだろう。

本発明による磁気構造体を処理する方法の種々の段階を表す図である。本発明による磁気構造体の断面図である。図２の磁気構造体の変形例を示す断面図である。図２の磁気構造体の変形例を示す断面図である。図２の磁気構造体の変形例を示す断面図である。図２の断面図と同様の断面図であるが、図１の方法の他の実施形態を示す断面図である。図２の断面図と同様の断面図であるが、図１の方法の他の実施形態を示す断面図である。図２の断面図と同様の断面図であるが、図１の方法の他の実施形態を示す断面図である。図２の断面図と同様の断面図であるが、図１の方法の他の実施形態を示す断面図である。図２の断面図と同様の断面図であるが、図１の方法の他の実施形態を示す断面図である。

種々の図面において、同一の参照符号は、同一又は類似の要素を示す。

図１は、本発明による磁気構造体を処理する方法の種々の段階を示す。

この方法の第１の段階Ｓ１０は、磁気構造体１００の提供を含む。

図２を参照すると、磁気構造体１００は、ＣｏＦｅＢ合金を含む磁性材料から作られる第１の層１０２を備える。

磁気構造体１００はさらに、磁性層１０２が配置される基板１０４を備える。

磁気構造体１００はまた、基板１０４及び磁気積層体１０２の間に堆積され、磁性層用の特定の結晶構造及び界面異方性を促進するＴａの膜等の“バッファ”層１０１を備える。

図３に示される第１の変形例において、磁気構造体１００は、バッファ層１０１に堆積された磁性層１０２に加えて、絶縁材料で作られ、磁性層１０２に堆積された第２の層１０６を備える多層構造体である。

図４に示される第２の変形例において、磁気構造体１００は、バッファ層１０１に堆積された磁性層１０２及び絶縁層１０６に加えて、ＣｏＦｅＢ合金を含む磁性材料で作られ、絶縁層に堆積される第３の層１０８を備える多層構造体である。

磁性層１０２及び１０８は、互いに同一である。あるいは、磁性層１０２及び１０８は、互いに異なるものであり得る。以下において、ＣｏＦｅＢ合金を含有する種々の磁性層は、通常、“タイプ１０２”の層と称される。

絶縁層１０６は、ＭｇＯを含む。代替的に、絶縁層１０６は、種々の組成を有し得る。一般に、磁気積層体に含まれる絶縁層は、その組成にかかわらず、以下では“タイプ１０６”と称される。

バッファ層１０１が任意であるので、それは、図面を単純化するために、これ以上示されない。

図５に示される第３の変形例において、磁気構造体１００は、交互に連続するタイプ１０２の層及びタイプ１０６の層を含む多層構造体であり、これらの層のこの積層体は、基板１０４に直接堆積される。磁性層及び絶縁層の積層体は、“１１０”で示される。

タイプ１０２の層が、それ自体、他の磁性材料の層に結合されるＣｏＦｅＢ合金の層を含有する磁性層の積層体を備えることに留意すべきである。

さらに、磁気構造体１００はまた、磁気構造体の酸化を低減させるために、キャッピング層と称される層で覆われ得る。

以上に記載されたタイプ１０２の磁性層及びタイプ１０６の絶縁層は、互いに実質的に平行に横たわる。

タイプ１０２の磁性層は、０．１ｎｍから３ｎｍの厚さを有する。

タイプ１０２の磁性層に含まれるＣｏＦｅＢ合金は、例えば、約２０％のコバルト、６０％の鉄及び２０％のホウ素を含む。一変形例において、タイプ１０２の磁性層に含まれるＣｏＦｅＢ合金は、例えば、約４０％のコバルト、４０％の鉄及び２０％のホウ素を含み得る。他の変形例において、ＣｏＦｅＢ合金は、例えば、約６０％のコバルト、２０％の鉄及び２０％のホウ素を含み得る。

タイプ１０６は、０．１ｎｍから３ｎｍの厚さを有する。

基板１０４は、数百マイクロメートルの厚さを有する。

基板１０４は、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ又はＣＭＯＳウエハを含む如何なる基板であってもよい。

提供段階Ｓ１０に続いて、磁気構造体１００を照射する段階Ｓ２０及び磁気構造体１００を加熱する段階Ｓ３０が行われる（図１）。

照射段階Ｓ２０及び加熱段階Ｓ３０は、同時に行われる。

照射段階Ｓ２０は、低電流の低エネルギーの軽イオンによる磁気構造体１００の照射を含む。

このイオン照射段階Ｓ２０中に、イオンは、磁気構造体１００に均一に注ぐイオン光線中に放射される（図２）。

イオンは、磁気構造体１００の加熱を避けるために、１×１０^１３イオン／ｃｍ^２及び５×１０^１６イオン／ｃｍ^２の低投与量で、１０μＡ未満の定電流で放射される。

次いで、放射されたイオンは、磁気積層体１１０を通過し、例えば１００ｎｍから３００ｎｍの基板の深さで基板１０４に深く注入される。放射されたイオンは、積層体の表面処理に使用されない。放射されたイオンはまた、厚い磁気積層体を処理する際にそれらがあるので、照射された磁性層に注入されない。本発明において、放射されたイオンは、それらが原子間置換を生成することによって構造体を局所的に変え、これらの層の積層体が堆積される基板１０４に深く注入される積層体の磁性層を通過する。

照射に使用されるイオンは、０．１ｋｅＶから１５０ｋｅＶのエネルギーを有する。

ここに記載された実施例において、イオンは、Ｈｅ^＋イオンである。

あるいは、イオンは、Ｈ^＋イオン又はＡｒ^＋、Ｘｅ^＋、Ｇａ^＋イオンである。

従って、イオン照射段階Ｓ２０は、半導体産業に通常使用されるイオン注入段階で生じるものと異なり、結果として磁性層に材料を加えることがない。

代わりに、イオン照射段階Ｓ２０は、照射された層に構造的な変更を生じさせる。これらの材料の磁気特性がそれらの原子構造に関連するので、イオン照射は、磁気特性の非常に微細な制御を有することを可能にする。

照射段階Ｓ２０は、図６に示されるように貫通開口部１１４を有するマスク１１２を通して行われ得る。

イオン照射段階Ｓ２０と同時に、磁気構造体１００は、所定温度プロファイルで所定時間、保持される。

所定温度は、２００℃以下であり、好ましくは１００℃以下である。

所定時間は、１時間以下であり、好ましくは３０分間以下であり、より好ましくは１０分間以下である。

照射段階と組み合わされる加熱段階Ｓ３０は、原子の移動を容易にすることによって均一系平衡の状態に材料の緩和をもたらす。

本発明による処理方法の種々の実施形態は、図２に記載されるように、磁性層１０２を備える磁気構造体１００の場合において以下に記載される。磁性層の磁化の方向は、矢印によって示される。

本発明による処理方法の第１の実施形態において、この方法は、磁性層１０２の異方性の大きさを変化させる、特に低下させることを可能にする。

磁性層の異方性は、磁性層における好ましい磁化の方向を定義し、定量化する量である。

極薄の磁気多層に基づく材料において、これらの特性は、界面効果及び体積特性の間の競合によって影響される。例えば、磁化の方向は、異方性係数Ｋ_ｅｆｆの符号によって与えられ、それは、ＣｏＦｅＢにおいて、Ｋ_ｅｆｆ＝−Ｋ_ｄ＋（Ｋ_Ｓ１＋Ｋ_Ｓ２）／ｔ_{ＣｏＦｅＢ}によって第一近似で与えられる。第１項Ｋ_ｄは、そのフォームの双極子成分（正のＫ_ｄ）を表し、第２項Ｋ_Ｓ１＋Ｋ_Ｓ２は、界面の影響を表す（Ｋ_Ｓ１及びＫ_Ｓ２は、ＣｏＦｅＢ膜の２つの界面における異方性係数を表す）。この最後の項Ｋ_Ｓ１＋Ｋ_Ｓ２は、ＣｏＦｅＢの厚さｔ_{ＣｏＦｅＢ}に反比例する。異方性係数Ｋ_ｅｆｆの符号に依存して、膜の磁化の容易軸は、膜平面に垂直であり得（正のＫ_ｅｆｆ）又は膜の平面内にあり得る（負のＫ_ｅｆｆ）。本発明者は、有効異方性磁場Ｈ_ｅｆｆ＝２Ｋ_ｅｆｆ／Ｍ_ｓを定義し、ここで、Ｍ_ｓは、膜の磁化である。この磁場は、磁化の困難軸に沿って又は中間軸に沿って磁場を印加することによって測定され得る。

第１の実施形態において、磁性層１０２は、初めに結晶性であり、強い垂直磁気異方性（これらの層の平面に垂直な磁化）を有する。例えば、有効異方性磁場は、３００ｍＴから４００ｍＴである。

磁気構造体１００は、次いで、低エネルギーの軽イオンで、１５℃から４０℃の周囲温度で照射される。

磁性層１０２は、結晶性のままであるが、その垂直磁気異方性は、低下する。例えば、有効異方性磁場は、０から３００ｍＴである。

図６において示されるように、照射段階Ｓ２０はまた、マスク１１２を通して行われ得る。これは、混合された異方性の磁気構造体１００をもたらし、それは、より低い垂直磁化の部分１１６が、マスク１１２の開口部１１４の下に位置する構造体の部分に対応し、強い垂直磁化の部分１１８が、構造体の他の部分に対応することを意味する。

第２の実施形態において、磁性層１０２は、初めに結晶性であり、強い垂直磁気異方性を有する。例えば、有効異方性磁場は、３００ｍＴから４００ｍＴである。

磁気構造体１００は、次いで、低エネルギーの軽イオンで、１５℃から４０℃の周囲温度で照射され、磁性層１０２が、結晶性のままであるが、例えば０からー２００ｍＴの大きさを有する有効磁場異方性を有してその平面において磁化される（これらの層の平面における磁化）ようになる。

図７に表されるようにマスク１１２を用いて照射段階Ｓ２０を行うことによって、混合された異方性の磁気構造体１００を得ることも可能であり、それは、平坦な磁化の部分１２０が、マスク１１２の開口部１１４の下に位置する構造体の部分に対応し、強い垂直磁化を有する部分１２２が構造体の他の部分に対応することを意味する。

第３の実施形態において、初めに結晶性又は非晶質の磁性層１０２は、低い垂直磁気異方性を有する。例えば、有効異方性磁場は、０から１００ｍＴである。

磁気構造体１００は、次いで、低エネルギーの軽イオンで照射され、同時に、少なくとも２０℃を超える、例えば５０℃を超える周囲温度より高い温度で加熱される。

磁性層１０２は、初めに結晶性である場合に結晶性のままであり、初めに非晶質である場合に結晶性になり、この磁性層の垂直異方性は、増加する。例えば、有効異方性磁場は、１００ｍＴから６００ｍＴである。

図８に表されるようにマスク１１２を用いて照射段階Ｓ２０を行うことによって、混合された異方性の磁気構造体１００を得ることが可能であり、それは、強い垂直磁化の部分１２４がマスク１１２の開口部１１４の下に位置する構造体の部分に対応し、低い垂直磁化の部分１２６が構造体の他の部分に対応することを意味する。

高度の垂直異方性は、高い熱安定性をもたらし、例えば極めて高い密度の用途に用いられる。以上に記載されるように組み合わされたＳ２０及びＳ３０を適用することによって、より高度の垂直磁化は、現在行われる方式において高温で熱焼鈍しすることによって材料を処理することによって得られる。

第４の実施形態において、初めに非晶質の磁性層１０２は、例えば０からー２００ｍＴの大きさを有する平面的な有効異方性磁場を有する。

初めに非晶質の磁性層１０２は、結晶性になり、磁性層の異方性は、例えば０から６００ｍＴの大きさを有して強く垂直になる。

図９に表されるようにマスク１１２を用いて照射段階Ｓ２０を行うことによって、混合された異方性の磁気構造体１００を得ることが可能であり、それは、強い垂直磁化の部分１２８がマスク１１２の開口部１１４の下に位置する構造体の部分に対応し、平面的な磁化の部分１３０が、構造体の他の部分に対応することを意味する。

第５の実施形態において、磁性層１０２は、初めに結晶性であり、強い垂直磁気異方性を有する。例えば、有効異方性磁場は、３００ｍＴから４００ｍＴである。

磁気構造体１００は、次いで、低エネルギーの軽イオンで、１５℃から４０℃の周囲温度で照射され、磁性層は、隣接する層と完全に混合され、そのため非磁性になる。

図１０に示されるようにマスク１１２を用いて照射段階Ｓ２０を行うことによって、混合された異方性の磁気構造体１００を得ることが可能であり、それは、非磁性部分１３２がマスク１１２の開口部１１４の下に位置する構造体の部分に対応し、強い垂直磁化の部分１３４が、構造体の他の部分に対応することを意味する。

本発明の方法の第１及び第２の実施形態に記載される、初めに結晶性の磁性層１０２は、以上に記載された本発明の第３及び第４の実施形態による方法による処理後に得られるもの、又は３００℃以上の温度で１から２時間、熱焼鈍しすることによって得られものであり得る。

そのため、互いに開口部１１４の数、形状、寸法及び位置が異なる種々のマスクを用いて、磁性層１０２内に磁気構造体の種々のパターンを得るために照射中にマスクを使用することが可能である。そのため、通常のナノ構造化技術（リソグラフィ等）を用いて実現することが困難であるナノメートルの側方寸法のパターンを実現することができる。

マスクの使用は、磁気特性の局所変化に対応する、連続層に埋め込まれたナノ構造体の生成を可能にする。このタイプの構造体の考えられる適用は、このような構造体内の磁壁の生成及び捕捉である。

照射マスクが使用される場合を示す図６から図１０に示される実施形態が、タイプ１０２の単一の磁性層を備える磁気構造体を用いて記載されるけれども、これらの実施形態は、図３から図５に記載される磁気構造体１００の変形例に適用可能である。

従って、本発明の方法は、ＣｏＦｅＢ−絶縁体の膜を処理し、特にそれらの構造的な特性を改善し、それらの磁気特性を制御するためにイオン照射の堆積後の使用に基づく。マスクの使用によって膜を通して交互に代わる磁気特性を得ることも可能である。

軽イオンによる磁性材料の照射は、以下の特徴を有する：
−磁気特性の最適な制御を与える、入射イオン及びその材料の原子の間の低いエネルギー移動；
−材料内の欠陥の生成を最小化する衝突カスケードの不存在；
−結晶性材料を用いて開始した場合における、照射された材料の微小構造及び結晶性度の保存；
−表面の保存。

さらに、低エネルギーの軽イオンを用いた照射を加熱と組み合わせることによって、１時間を遥かに下回っている焼鈍し時間で、低温（２００℃以下）で非晶質相から結晶相を得ることが可能であり、それは、これらの材料の製造に必要とされるエネルギーを大幅に低減させる。

さらに、有効異方性磁場が３００ｍＴから４００ｍＴである、３００℃における熱焼鈍しより５０％から１００％高い、特に５００ｍＴ以上である垂直磁気異方性を有する磁性材料を得ることが可能である。このように得られた垂直磁気異方性は、６００ｍＴ以上であり得る。

図８及び図９に示される第３及び第４の実施形態において、同時の照射段階及び加熱段階からもたらされる磁気構造体は、強い垂直異方性を有する。このような構造体は、産業上、非常に求められている。実際に、垂直異方性を有する磁性材料の使用は、材料内のより小さな幅の磁壁を可能にし、それによってナノ構造体の大きさを低減し、潜在的に性能を改善し、磁気メモリに集積された磁気ナノ構造体内の磁壁を移動するために印加されなければならないスピン移動電流等の臨界パラメーターを低減させる。

次いで、それらの垂直磁気異方性を保持し、より高い磁気抵抗信号値を先の重要な段階に与える、より厚い（通常１．２ｎｍから１．５ｎｍの厚さが限界とされるにもかかわらず、２ｎｍまで）ＣｏＦｅＢ膜の産業上の利用が考えられる。

想定される主要な用途分野は、ＭＲＡＭ磁気メモリ及びハードドライブの読取ヘッドの製造に関係する。

本発明は、層が連続的である又はナノ構造化された多層構造体に適用され得る。

１００磁気構造体
１０１バッファ層
１０２第１の層
１０４基板
１０６第２の層
１０８第３の層
１１０磁気積層体
１１２マスク
１１４開口部

Claims

−ＣｏＦｅＢ合金を含む磁性材料の少なくとも１つの第１の層（１０２）を備える磁気構造体（１００）を提供する段階（Ｓ１０）、
−前記磁気構造体（１００）に低エネルギーの軽イオンを照射する段階（Ｓ２０）、及び、
−同時に、前記磁気構造体（１００）を所定温度プロファイルで所定時間保持する段階（Ｓ３０）、
を含むことを特徴とする、磁性材料（１００）を処理する方法。
前記所定温度が、２００℃以下である、請求項１に記載の方法。
前記所定温度が、２０℃から２００℃である、請求項１又は２に記載の方法。
前記所定温度が、１５℃から４０℃である、請求項１又は２に記載の方法。
前記所定時間が、１時間以下である、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
前記磁性材料が、初めに非晶質である、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
前記磁性材料が、初めに結晶質である、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
前記イオンが、Ｈｅ^＋、Ｈ^＋、Ａｒ^＋、Ｘｅ^＋又はＧａ^＋イオンである、請求項１から７の何れか一項に記載の方法。
前記イオンが、０．１ｋｅＶから１５０ｋｅＶのエネルギーを有する、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
前記照射段階（Ｓ２０）中に、前記イオンが、１×１０^１３イオン／ｃｍ^２から５×１０^１６イオン／ｃｍ^２の投与量で放射される、請求項１から９の何れか一項に記載の方法。
前記照射段階（Ｓ２０）中に、前記イオンが、少なくとも前記磁性材料の第１の層（１０２）を通過する、請求項１から１０の何れか一項に記載の方法。
前記照射段階（Ｓ２０）中に、前記イオンが、マスク（１１２）の貫通開口部（１１４）を通して前記磁気構造体（１００）に衝突される、請求項１から１１の何れか一項に記載の方法。
前記磁気構造体（１００）が、前記磁性材料の第１の層（１０２）に接触する絶縁体の少なくとも１つの第２の層（１０６）を備える、請求項１から１２の何れか一項に記載の方法。
前記磁気構造体（１００）が、磁性材料の第１の層（１０２）及び絶縁体の第２の層（１０６）の交互の積層体を備える、請求項１３に記載の方法。
少なくとも、
−ＣｏＦｅＢ合金を含む磁性材料の第１の層（１０２）、及び、
−前記磁性材料の第１の層（１０２）が配置され、低エネルギーの軽原子を含む基板（１０４）、
を備えることを特徴とする、磁気構造体（１００）。
５００ｍＴ以上である有効異方性磁場を有する、請求項１５に記載の磁気構造体（１００）。