極薄金属膜の均質酸・窒化プロセスと高性能強磁性トンネル接合膜への応用に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03J06862
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 吉村 哲 東北大学, 大学院・工学研究科, 特別研究員(PD)
• Keywords: 磁気ランダムアクセスメモリ / 強磁性トンネル接合膜 / マイクロ波励起プラズマ / ラジカル・イオン / 酸化過程 / 窒化過程

Research Abstract

次世代固体メモリとして注目されている磁気ランダムアクセスメモリにおける読み出し時のエラーレートの低減や高密度化や高速動作化のためには、強磁性トンネル接合(MTJ)において、高い磁気抵抗変化率を維持しつつ、接合抵抗を低減することが必要不可欠で、ピンホールなどの欠陥の少ない均一な組織を有する極めて薄い絶縁膜を作製しなければならない。本研究では、高電子密度・低電子温度プラズマの実現が可能なマイクロ波励起法を用いて、様々な材料を用いた酸化膜及び窒化膜の高品質化を実現させることを目的としている。
平成15年度は、酸素プラズマ及び窒素プラズマのプラズマ診断を行い、酸化及び窒化のメカニズム(酸化種及び窒化種の同定)について検討した。その上で、プラズマ酸化法もしくは窒化法で作製した、被酸化金属膜にAlを用いたMTJのについて、その酸化過程と窒化過程に関する検討を行った。
1.酸素プラズマ及び窒素プラズマのプラズマ診断
酸素プラズマ中には多くの種類の原子状及び分子状酸素ラジカルが存在することが、窒素プラズマ中には分子状窒素ラジカル及び分子状窒素イオンが存在することがわかった。これらの酸化種及び窒化種の中で、O^1Dラジカル及び分子状窒素ラジカルが、酸化及び窒化に大きく影響を及ぼしていることが、それぞれの特性との相関から判った。
2.Alの酸化過程と窒化過程
マイクロ波励起プラズマ窒化法で作製したMTJは、現在一般に使われているAl酸化物を用いて作製したMTJと同程度の特性を有することがわかった。この良好な特性が得られた要因として、窒化種が薄膜へのダメージ性が小さいラジカルがあったことが考えられる。また、プラズマ窒化プロセスにおける最適窒素暴露量はプラズマ酸化の場合に比較して2桁程度大きい傾向を示す。このことは、今後要求されるAl膜厚の低減においても、制御性良く絶縁層の形成が可能であると考えられる。

Research Products

• [Publications] 吉村 哲, 角田 匡清, 尾形 聡, 高橋 研: "強磁性トンネル接合用Al薄膜の酸化過程とマイクロ波励起プラズマ中の酸化種との相関"日本応用磁気学会誌. 27巻・12号. 1130-1134 (2003)
• [Publications] Satoru Yoshimura, Toshihiro Shoyama, Toshiharu Nozawa, Masakiyo Tsunoda, Migaku Takahashi: "Nitridation process of Al layer by microwave-excited plasma and large magnetoresistance in Co-Fe/Al-N/Co-Fe tunnel junctions"IEEE Transactions on Magnetics. Vol.40・No.4(in press). (2004)