JP2006161120A - ホイスラー合金膜の成膜方法及びトンネル磁気抵抗素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターゲットからの組成ずれを抑えられるホイスラー合金膜の成膜方法及びこのホイスラー合金膜を有するトンネル磁気抵抗素子を提供すること。
【解決手段】 放電ガスとしてキセノンを用いて、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、ＣｏＣｒＡｌ、ＮｉＭｎＳｂ、ＳｒＬａＭｎＯ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｍｎ₂ＶＡｌ、Ｆｅ₂ＶＡｌ、Ｃｏ₂ＦｅＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ、Ｃｏ₂ＦｅｘＣｒ(1-x)Ａｌなどのホイスラー合金のターゲットをスパッタリングして被成膜体に成膜する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、３種類以上の異なる元素からなる磁性体合金膜であるホイスラー合金膜の成膜方法及びこのホイスラー合金膜を有するトンネル磁気抵抗素子に関する。

厚さ１〜２ｎｍ以下の非常に薄い絶縁層（トンネル障壁層）を２層の強磁性層で挟んだ素子をトンネル磁気抵抗（TMR:Tunneling Magneto-Resistive）素子という。絶縁層は通常電流を通さないが、絶縁層が非常に薄い場合トンネル効果によってわずかに電流が流れる。また、２つの強磁性層のスピンの向きが平行なときの素子の電気抵抗（Ｒ_P）と、逆向きなときの電気抵抗（Ｒ_A）とは異なる値をとり、通常Ｒ_A＞Ｒ_Pとなる。この現象はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）と呼ばれる。このときの素子抵抗が変化する割合を磁気抵抗比［ＭＲ比≡（Ｒ_A−Ｒ_P）／Ｒ_P×１００％］という。

トンネル磁気抵抗素子とトランジスタを組み合わせてワード線とビット線の間に格子状に配置するとＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）を作ることができる。２つの強磁性層のスピンの向きが平行か反平行かで１ビットの情報を記憶することができ、記憶情報の読み出しはＴＭＲ効果による素子抵抗の変化を検出することによって行う。

ＭＲＡＭに用いられるトンネル磁気抵抗素子では、より大きな検出信号を得るために、より大きなＭＲ比が求められる。ＭＲ比は強磁性層中の電子のスピン分極率に依存しており、一般にスピン分極率が大きくなるとＭＲ比も大きくなる。ＭＲ比を大きくするための一つの方法として、強磁性層の材料としてスピン分極率の高いホイスラー合金を使用することが提案されている。例えば特許文献１参照。
特開平７−１４７１３４号公報

ホイスラー合金はスピン分極率が１００％となる強磁性体の可能性が理論的に指摘されており、非常に大きなＭＲ比が得られることが期待されているが、いままで現実に作製されているＴＭＲ素子では期待されるようなＭＲ比が得られていない。基板を加熱した状態でメタルマスクを用いてホイスラー合金膜を成膜した場合で最高１７％、リソグラフィで形成されたマスクを用いた場合で４０％のＭＲ比が得られているのが現状である。ホイスラー合金としてはＣｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂（Ｃｒ，Ｆｅ）Ａｌ、ＣｏＭｎＳｂ、ＣｏＭｎＳｉなど多数が試みられているがいずれも期待通りの結果が得られていない。特に基板の加熱を行わずに室温で成膜されたＴＭＲ素子ではほとんどＭＲ比が得られていないのが現実である。

このように期待したようなＭＲ比が得られていない原因としては、スパッタリング用の放電ガスとしてアルゴンを用いていることが考えられる。通常、スパッタリング用の放電ガスとしては、空気中に１％近く含まれ非常に安価であるアルゴンが用いられる。例えばホイスラー合金としてＣｏ₂ＭｎＡｌのターゲットをアルゴンでスパッタリングした場合には、Ｃｏのスパッタリング率が高くなり、成膜された膜の組成においてＣｏが多くなる（Ｃｏリッチ）。具体的には、ターゲットにおけるＣｏの組成比が５０％に調整されていても得られる膜では５３％程度になるという報告がある。このターゲットからの組成ずれにより、スピン分極率が低下し、ＭＲ比も低下すると考えられる。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、ターゲットからの組成ずれを抑えられるホイスラー合金膜の成膜方法及びこのホイスラー合金膜を有するトンネル磁気抵抗素子を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するため以下の構成を採用した。
すなわち、本発明のホイスラー合金膜の成膜方法は、放電ガスとしてキセノンを用いてホイスラー合金のターゲットをスパッタリングして被成膜体に成膜する。

また、本発明のトンネル磁気抵抗素子は、放電ガスとしてキセノンを用いてホイスラー合金のターゲットをスパッタリングして成膜されたホイスラー合金膜を磁性層に含む。

スパッタリング用の放電ガスをキセノンにすることにより、ホイスラー合金に特有なターゲットの組成比をできるだけ変化させないようにして被成膜体に膜を堆積できる。この結果、ターゲットと、成膜される膜との組成比のずれを小さくして、ＭＲ比の向上が図れる。特にホイスラー合金膜を用いたＴＭＲ素子では大きなＭＲ比を得るためには他層との界面での組成比を所望の値に制御することが非常に重要であり、これにキセノンガスによるスパッタリングは有効である。

キセノンガスを用いれば被成膜体の加熱を行うことなくＭＲ比の向上を図れる。被成膜体の加熱の有無は成膜装置の構造を複雑化させかねないので、その加熱なしに大きなＭＲ比を得ることができる成膜方法を確立することは重要である。なお、被成膜体を加熱すればより大きなＭＲ比を得ることができる。さらに、膜のパターニングにおいては、メタルマスクを用いる場合よりも、リソグラフィにより形成したマスクを用いる方がより大きなＭＲ比を得ることができる。

本発明によれば、放電ガスとしてキセノンを用いてホイスラー合金のターゲットをスパッタリングして被成膜体に成膜するので、ターゲットと、成膜される膜との組成比のずれを小さくして、ＭＲ比を向上でき、検出信号の増大が図れる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

本実施形態では、放電ガスとしてキセノンガスを用いて、ホイスラー合金として例えばＣｏ₂ＭｎＡｌのターゲットをスパッタリングした。具体的には、図１に示すように、被成膜体として例えば熱酸化膜付きのシリコン基板１上に、順に、Ｃｒ膜２（膜厚５０Å）、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ膜３（膜厚２００Å）、酸化Ａｌ膜４（膜厚１５Å）、ＣｏＦｅ膜５（膜厚５０Å）、ＩｒＭｎ膜６（膜厚１００Å）、ＮｉＦｅ膜７（膜厚２００Å）をメタルマスクを用いてスパッタ成膜した。Ｃｒ膜２とＣｏ₂ＭｎＡｌ膜３からなる第１磁性層と、ＣｏＦｅ膜５とＩｒＭｎ膜６とＮｉＦｅ膜７からなる第２磁性層との間に、トンネル障壁層として機能する絶縁性の酸化Ａｌ膜４を挟んだ磁気トンネル接合構造となっている。

キセノンガスはホイスラー合金膜であるＣｏ₂ＭｎＡｌ膜３のスパッタ成膜にのみ使用した。他の膜のスパッタ成膜時にはアルゴンガスを用いた。Ｃｏ₂ＭｎＡｌ膜３の成膜条件についてさらに具体的に説明すると、Ｃｏ₂ＭｎＡｌのターゲットと基板１とが対向対置された成膜室を先ず１０^-6Ｐａまで減圧した後、キセノンガスを導入して０.０５〜０.１Ｐａに維持し、ターゲットが取り付けられたカソードへの投入電力を３００Ｗとした。成膜レートは０.４［Å／秒］である。

表１に、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ膜３のスパッタ成膜にアルゴンガスを用いた場合とのＭＲ比の比較を示す。従来のアルゴンガスを用いたスパッタリングでは、基板１を加熱しない場合にはほとんどＭＲ比が得られなかったが、本実施形態のキセノンガスを用いたスパッタリングでは基板１を加熱しなくても２２.８％のＭＲ比を得ることができた。また、成膜後に基板１を２５０℃でアニールした場合には２６％のＭＲ比が得られた。

このように、キセノンガスを用いたＣｏ₂ＭｎＡｌ膜３のスパッタリングによりＭＲ比を向上できたのは、表２に示すようにアルゴンに比べてキセノンの方がＣｏに対するスパッタリング率が小さいため、成膜された膜におけるＣｏ組成比の増大（Ｃｏリッチ）を抑えて、ターゲットの組成に近いＣｏ₂ＭｎＡｌ膜３を得られることに起因する。

ＭＲ比が向上できるということは検出信号を増大でき、集積度を高めてもノイズに埋もれにくくなり、ＭＲＡＭの高集積化を図れる。

ホイスラー合金は通常３種類以上の元素からなり、その格子構造が磁気特性やスピン分極率を決定するため、原子の規則配列を促す目的で成膜後に基板１をアニールすることが好ましい。ＭＲ比は１６０℃から上昇し、１９０〜２５０℃でピークになる結果が得られた。したがって、加熱温度は１６０〜２５０℃が好ましい。

また、メタルマスクでなくリソグラフィにより形成されたマスクを用いてもよい。リソグラフィにより形成されたマスクを用いた方がメタルマスクを用いた場合よりも高いＭＲ比が得やすい。これは、メタルマスクを使用する場合には、ホイスラー合金膜３形成用のマスクからトンネル障壁層４形成用のマスクへの交換時に大気もしくは他のガス雰囲気に暴露されるためトンネル障壁層４との界面に汚染が生じやすく、また、メタルマスクでパターニングされた形状に起因してリーク電流が流れやすいためである。

ホイスラー合金はＣｏ₂ＭｎＡｌに限定されず、Ｃｏを含むその他のホイスラー合金でも同様の効果が期待できる。さらには、キセノンはアルゴンより、ホイスラー合金を構成する各組成ごとのスパッタリング率の差が小さくなる場合が多いので、Ｃｏを含まない他のホイスラー合金でも同様の効果が期待できる。Ｃｏ₂ＭｎＡｌ以外のホイスラー合金としては、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、ＣｏＣｒＡｌ、ＮｉＭｎＳｂ、ＳｒＬａＭｎＯ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｍｎ₂ＶＡｌ、Ｆｅ₂ＶＡｌ、Ｃｏ₂ＦｅＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ、Ｃｏ₂Ｆｅ_XＣｒ_(1-X)Ａｌなどが一例として挙げられる。

また、一般にスパッタリングにおいてプラズマ化されたイオンはカソードに印加される電圧によりターゲットに向かって加速されて衝突するが一部は拡散する。この拡散したイオンが基板に衝突するとトラップされ膜質を低下させる場合がある。この現象を考えた場合に、キセノンの方がアルゴンよりも質量が大きく、上記拡散する方向へ加速され難いので基板まで到達しにくい。よって、膜中に取り込まれる量が少なくなる。また、キセノンイオンが膜に到達したとしても、質量の小さいアルゴンに比べれば速度が遅く、膜へのダメージを少なくできる。これらのことも、ＭＲ比を向上させる原因と考えられる。

本発明はＭＲＡＭに限らず磁気センサや磁気ヘッドにも適用可能である。

本発明の実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の要部断面図である。

符号の説明

３…ホイスラー合金膜、４…トンネル障壁層。

Claims (6)

1. 放電ガスとしてキセノンを用いてホイスラー合金のターゲットをスパッタリングして被成膜体に成膜することを特徴とするホイスラー合金膜の成膜方法。
2. 前記ホイスラー合金は、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、ＣｏＣｒＡｌ、ＮｉＭｎＳｂ、ＳｒＬａＭｎＯ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｍｎ₂ＶＡｌ、Ｆｅ₂ＶＡｌ、Ｃｏ₂ＦｅＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ、Ｃｏ₂Ｆｅ_XＣｒ_(1-X)Ａｌの何れかである請求項１に記載のホイスラー合金膜の成膜方法。
3. 前記スパッタリングによる成膜時に前記被成膜体の加熱を行わない請求項１または請求項２に記載のホイスラー合金膜の成膜方法。
4. 前記スパッタリングによる成膜後に前記被成膜体を１６０℃〜２５０℃で加熱する請求項１または請求項２に記載のホイスラー合金膜の成膜方法。
5. 放電ガスとしてキセノンを用いてホイスラー合金のターゲットをスパッタリングして成膜されたホイスラー合金膜を磁性層に含むトンネル磁気抵抗素子。
6. 前記ホイスラー合金は、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、ＣｏＣｒＡｌ、ＮｉＭｎＳｂ、ＳｒＬａＭｎＯ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｍｎ₂ＶＡｌ、Ｆｅ₂ＶＡｌ、Ｃｏ₂ＦｅＳｉ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ、Ｃｏ₂Ｆｅ_XＣｒ_(1-X)Ａｌの何れかである請求項５に記載のトンネル磁気抵抗素子。

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