JP2008041716A - 磁気抵抗素子、磁気抵抗素子の製造方法及び磁気抵抗素子の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自由強磁性層の熱的損傷を抑制して磁気特性の安定性を向上させた磁気抵抗素子、磁気抵抗素子の製造方法及び磁気抵抗素子の製造装置を提供する。
【解決手段】自由層形成工程（ステップＳ５）の後に拡散バリア層形成工程（ステップＳ６）を行い、酸素ラジカルの酸化によって、自由強磁性層の表面にのみ、酸化層（拡散バリア層）を形成する。そして、拡散バリア層形成工程（ステップＳ６）の後に保護層形成工程（ステップＳ７）を行い、拡散バリア層に保護層を積層する。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁気抵抗素子、磁気抵抗素子の製造方法及び磁気抵抗素子の製造装置に関する。

一般的に、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）の読み取りヘッドやＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）などの磁気デバイスには、磁気抵抗素子が備えられている。ＨＤＤに備えられた磁気抵抗素子は、外部からの信号磁界に応じて素子抵抗を変化させて、磁界強度に応じた電気信号を出力する。ＭＲＡＭに備えられた磁気抵抗素子は、磁化方向の変換による素子の抵抗変化を用いてメモリ情報とする。

磁気抵抗素子には、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistive）効果を利用したＧＭＲ素子やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistive）効果を利用したＴＭＲ素子が知られている。これらの磁気抵抗素子は、いずれも自発磁化の方向を強固に固定した固定強磁性層と、自発磁化の方向を回転可能にした自由強磁性層と、を有している。

自由強磁性層は、磁気抵抗素子が信号磁界を受けるときに、自発磁化の方向を信号磁界と同じ方向に回転させて、自由強磁性層と固定強磁性層の磁気モーメントを平行、あるいは反平行に変化させる。これによって、磁気抵抗素子は、信号磁界に応じた電気信号を出力したり、入力信号に応じた方向に自発磁化を固定したりする。

自由強磁性層には、磁気抵抗変化率の向上と反転磁場の低減を図るために、コバルト−鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）や、ボロンを添加したＣｏ−Ｆｅ（ＣｏＦｅ−Ｂ）、ニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）、あるいはこれらの積層膜が用いられる。これらの自由強磁性層の上層には、タンタル（Ｔａ）を含む保護層が積層される（例えば、特許文献１，２，３）。Ｔａは、下地表面（自由強磁性層表面）に対する被覆性が高く、かつ、最表面に良好なバリア性を有した不動態を形成する。これによって、自由強磁性層の自発磁化が外部から保護される。
特開２００６−１８８６２ 特開２００６−９３２２３ 特開２００４−８７８７０

しかしながら、上記磁気抵抗素子の製造工程では、固定強磁性層や自由強磁性層の磁化特性を固定するために、固定強磁性層、自由強磁性層、保護層などに２００℃〜４００℃の熱処理を施す。この結果、自由強磁性層の構成原子（例えば、ＣｏやＮｉ）と保護層の構成原子（Ｔａ）が、熱処理の過程で相互に熱拡散する。そのため、上記磁気抵抗素子の製造工程では、自由強磁性層の自発磁化が消失して、磁気抵抗素子の検出感度を劣化させる問題を招いていた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、自由強磁性層の熱的損傷を抑制して磁気特性の安定性を向上させた磁気抵抗素子、磁気抵抗素子の製造方法及び磁気抵抗素子の製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の磁気抵抗素子は、基板上に積層された下地層と、前記下地層に積層されて反転可能な自発磁化を有した自由強磁性層と、前記自由強磁性層に積層されて前記自由強磁性層の構成原子の酸化物からなる拡散バリア層と、前記拡散バリア層に積層された保護層と、を備えたことを要旨とする。

請求項１の構成によれば、拡散バリア層が、自由強磁性層と保護層の相互拡散を抑制して、自由強磁性層の磁気特性を保護する。したがって、自由強磁性層の熱的損傷を抑制させることができ、磁気抵抗素子の磁気特性の安定性を向上させることができる。

請求項２に記載の磁気抵抗素子は、前記下地層は、固定された自発磁化を有する固定強磁性層と、前記固定強磁性層に積層されたトンネルバリア層と、を備え、前記自由強磁性層は、ニッケル−鉄層であり、前記保護層は、タンタル層であることを要旨とする。

請求項２の構成によれば、ニッケル−鉄層の酸化物が、ニッケル−鉄層とタンタル層の相互拡散を抑制して、ニッケル−鉄層の磁気特性を保護する。したがって、ニッケル−鉄層の熱的損傷を抑制させることができ、トンネル磁気抵抗素子の磁気特性の安定性を向上させることができる。

請求項３に記載の磁気抵抗素子の製造方法は、基板に下地層を積層する下地層形成工程と、反転可能な自発磁化を有した自由強磁性層を前記下地層に積層する自由層形成工程と、前記自由強磁性層の表面に酸素ラジカルを供給して前記自由強磁性層の表面を拡散バリア層にする拡散バリア層形成工程と、前記拡散バリア層に保護層を積層する保護層形成工程と、前記保護層を有した前記自由強磁性層を加熱する加熱処理工程と、を備えたことを要旨とする。

請求項３の構成によれば、酸素ラジカルによる酸化が、自由強磁性層のバルクを保持して、自由強磁性層の表面のみに拡散バリア層を成長させる。したがって、拡散バリア層によって、保護層と自由強磁性層の間の相互拡散を抑制させることができ、かつ、自由強磁性層の自発磁化を保持させることができる。この結果、自由強磁性層の熱的損傷を抑制させることができ、磁気抵抗素子の磁気特性の安定性を向上させることができる。

請求項４に記載の磁気抵抗素子の製造方法は、前記拡散バリア層形成工程は、室温に保持した前記自由強磁性層の表面に酸素ガスのリモートプラズマを照射して前記自由強磁性層の表面を拡散バリア層にすることを要旨とする。

請求項４の構成によれば、酸素ガスのリモートプラズマが、自由強磁性層の表面に対して、比較的長寿命である酸素ラジカルのみを供給する。この際、自由強磁性層が、室温に保持される。したがって、自由強磁性層の酸化状態を、より高い精度で制御させることができる。

請求項５に記載の磁気抵抗素子の製造方法は、前記自由層形成工程は、前記基板の一面方向に沿って磁場を形成し、ニッケル−鉄のターゲットをスパッタしてニッケル−鉄からなる前記自由強磁性層を前記下地層に積層すること、前記保護層形成工程は、タンタルのターゲットをスパッタしてタンタルからなる前記保護層を前記自由強磁性層に積層することを要旨とする。

請求項５の構成によれば、ニッケル−鉄層の表面が、ニッケル−鉄層とタンタル層の相互拡散を抑制させる。
請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造方法は、前記下地層形成工程は、固定された自発磁化を有する固定強磁性層を前記基板に積層する固定層形成工程と、前記固定強磁性層に
トンネルバリア層を積層するトンネルバリア層形成工程と、を備えたことを要旨とする。

請求項６の構成によれば、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）の磁気特性を、より安定させることができる。
請求項７に記載の磁気抵抗素子の製造装置は、搬送系を有して基板を搬送する真空搬送チャンバと、前記真空搬送チャンバに連結して、前記基板に下地層を形成する下地層チャンバと、前記真空搬送チャンバに連結して、反転可能な自発磁化を有した自由強磁性層を前記基板に積層する自由層チャンバと、前記真空搬送チャンバに連結して、前記基板の一側に酸素ラジカルを供給する拡散バリア層チャンバと、前記真空搬送チャンバに連結して、前記基板に保護層を積層する保護層チャンバと、前記搬送系を駆動制御して、前記基板を、前記下地層チャンバ、前記自由層チャンバ、前記拡散バリアチャンバ、前記保護層チャンバの順に搬送する搬送制御手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項７の構成によれば、自由強磁性層を有した基板が、真空搬送チャンバを通じて、自由層形成チャンバから酸化処理チャンバに搬送される。そして、酸素ラジカルによる酸化が、自由強磁性層のバルクを保持して、自由強磁性層の表面のみを拡散バリア層に成長させる。したがって、拡散バリア層によって、保護層と自由強磁性層の間の相互拡散を抑制させることができ、かつ、自由強磁性層の自発磁化を保持させることができる。この結果、自由強磁性層の熱的損傷を抑制させることができ、磁気抵抗素子の磁気特性の安定性を向上させることができる。

上記したように、本発明によれば、自由強磁性層の熱的損傷を抑制して磁気特性の安定性を向上させた磁気抵抗素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。図１は、磁気抵抗素子１０を説明する概略断面図である。磁気抵抗素子１０は、例えばＨＤＤの磁気ヘッドに搭載されて、磁気記録媒体（ハードディスク）に記憶された磁気情報を読み出すセンサ部として機能するものである。

図１において、磁気抵抗素子１０の基板１１には、下地層１２、固定強磁性層１３、トンネルバリア層１４、自由強磁性層１５、保護層１６が、基板１１側から順に積層されている。

下地層１２は、基板１１の表面荒れを緩和するバッファ層であって、上層（固定強磁性層１３）との接続を円滑にする。また、下地層１２は、上層の結晶配向を規定するシード層であって、固定強磁性層１３の結晶配向を規定する。下地層１２は、単層構造に限らず、例えば、バッファ層とシード層からなる２層構造によって構成してもよい。下地層１２には、例えばＴａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、またはこれらの合金を用いることができる。

固定強磁性層１３は、下地層１２に積層されたピニング層１３ａと、ピニング層１３ａに積層されたピン層１３ｂを有する。ピニング層１３ａとピン層１３ｂは、それぞれ反強磁性層と強磁性層であって、ピン層１３ｂの磁化方向がピニング層１３ａとの間の相互作用により一方向に固定される。ピン層１３ｂは、単層構造に限らず、例えば強磁性層／磁気結合層／強磁性層からなる公知の積層フェリ構造で構成してもよい。ピニング層１３ａには、例えばＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎを用いることができる。ピン層１３ｂには、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢを用いることができる。

トンネルバリア層１４は、非磁性の絶縁膜であって厚さ方向にトンネル電流が流れる程
度の膜厚を有する。トンネルバリア層１４の抵抗値は、固定強磁性層１３の自発磁化と自由強磁性層１５の自発磁化が平行であるか、反平行であるかによって変化する。トンネルバリア層１４には、例えばＭｇＯやＡｌ_２Ｏ_３を用いることができる。

自由強磁性層１５は、自発磁化の方向を回転可能にする保磁力を有した強磁性体層である。自由強磁性層１５は、自発磁化の方向を固定強磁性層１３の自発磁化の方向と平行、あるいは反平行にする。自由強磁性層１５には、例えばＣｏＦｅやＮｉＦｅの単層構造、ＣｏＦｅにＮｉＦｅを積層した積層構造を用いることができる。

自由強磁性層１５の表面（図１における上面）には、拡散バリア層１５ａが形成されている。拡散バリア層１５ａは、自由強磁性層１５の表面にのみ成長した酸化層であって、自由強磁性層１５の表面を酸素ラジカルに晒す方法で形成されている。

保護層１６は、外気に対するバリア層であって、バリア性の高い不動態を形成して自由強磁性層１５の自発磁化を保護する。また、保護層１６は、拡散バリア層１５ａの荒れを緩和するバッファ層であって、周辺回路と磁気抵抗素子１０の接続を円滑にする。保護層１６には、例えばＴａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、またはこれらの合金を用いることができる。

次に、上記磁気抵抗素子１０の製造方法を図２〜図４に従って説明する。図２は、磁気抵抗素子１０の製造装置２０を説明する図であり、図３は、拡散バリア層チャンバＦ６を説明する図である。図２及び図３において、各二点鎖線はそれぞれ電気的結線を示す。図４は、磁気抵抗素子１０の製造工程を説明するフローチャートである。

図２において、磁気抵抗素子１０の製造装置２０は、移載機２０Ａと、成膜処理装置２０Ｂと、搬送制御手段を構成する制御装置２０Ｃと、を備えている。
移載機２０Ａは、複数の基板１１を収容したカセットＣと、カセットＣに収容された基板１１を移載するロボットを搭載し、カセットＣに収容される基板１１を順次成膜処理装置２０Ｂに移載する。また、移載機２０Ａは、成膜処理装置２０Ｂによって成膜処理の施された基板１１を対応するカセットＣに収容する。

成膜処理装置２０Ｂには、真空搬送チャンバＦＸが備えられている。真空搬送チャンバＦＸには、ロードチャンバＦＬと、下地層チャンバ（第１〜第４下層膜用チャンバＦ１〜Ｆ４）と、上層膜用チャンバＦ５と、拡散バリア層チャンバＦ６と、が連通可能に連結されている。

ロードチャンバＦＬは、複数の基板１１を収容するステージを有し、移載機２０Ａから移載される各基板１１を収容してチャンバ内を所定の圧力まで減圧する。ロードチャンバＦＬは、成膜処理の施された各基板１１を収納してチャンバ内を大気開放する。

真空搬送チャンバＦＸは、所定の圧力に減圧された真空チャンバであって、搬送系を構成する搬送ロボットＲＢを搭載する。搬送ロボットＲＢは、ロードチャンバＦＬに収容された各基板１１を真空搬送チャンバＦＸに搬入して各チャンバＦ１〜Ｆ６に搬送する。真空搬送チャンバＦＸは、成膜処理の施された基板１１を順次ロードチャンバＦＬに収納する。

第１下層膜用チャンバＦ１は、基板１１の表面をスパッタするスパッタチャンバであって、基板１１の表面をスパッタ洗浄する。
第２〜第４下層膜用チャンバＦ２〜Ｆ４は、それぞれ下地層１２、固定強磁性層１３（ピニング層１３ａ、ピン層１３ｂ）及びトンネルバリア層１４を積層するためのターゲットを装着したスパッタチャンバであって、各ターゲット種に対応した層を積層する。

例えば、第２下層膜用チャンバＦ２は、タンタルターゲットとＰｔＭｎターゲットを装着して、下地層１２（タンタル層）とピニング層１３ａ（ＰｔＭｎ層）を積層する。この際、第２下層膜用チャンバＦ２は、基板１１の一面方向に沿う磁界を形成してＰｔＭｎ層をスパッタ成膜し、基板１１の一面方向に磁気異方性を有したピニング層１３ａ（ＰｔＭｎ層）を形成する。また、第３下層膜用チャンバＦ３は、ＣｏＦｅターゲット、Ｒｕターゲット、ＣｏＦｅＢターゲットを装着して、ピン層１３ｂ（ＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＣｏＦｅＢ層）を積層する。この際、第３下層膜用チャンバＦ３は、基板１１の一面方向に沿う磁界を形成してピン層１３ｂをスパッタ成膜し、基板１１の一面方向に磁気異方性を有したピン層１３ｂを成膜する。また、第４下層膜用チャンバＦ４は、ＭｇＯターゲットを装着してトンネルバリア層１４（ＭｇＯ層）を積層する。

上層膜用チャンバＦ５は、自由強磁性層１５及び保護層１６を積層するためのターゲットを装着したスパッタチャンバであって、各ターゲット種に対応した層を積層する。
例えば、上層膜用チャンバＦ５は、ＮｉＦｅターゲットを装着して自由強磁性層１５（ＮｉＦｅ層）を積層する。この際、上層膜用チャンバＦ５は、基板１１の一面方向に沿う磁界を形成して自由強磁性層１５をスパッタ成膜し、基板１１の一面方向に磁気異方性を有した自由強磁性層１５を形成する。また、上層膜用チャンバＦ５は、Ｔａターゲットを装着して保護層１６（Ｔａ層）を積層する。

図３において、拡散バリア層チャンバＦ６は、前記真空搬送チャンバＦＸに連通可能に連結されたチャンバ本体２１を備えている。チャンバ本体２１には、ＡｒとＯ２の供給配管２２，２３が連結されて、所定流量のＡｒとＯ２が供給される。チャンバ本体２１には、排気配管２４を介して減圧ポンプＰが連結されて、チャンバ内の圧力が所定圧力に減圧される。

チャンバ本体２１の内部には基板ステージ２６が配設されて、チャンバ内に搬入される基板１１が搬出可能に室温保持される。チャンバ本体２１の内部には、上下方向に貫通する多数の貫通孔を有したグリッド２５が配設されている。グリッド２５は、チャンバ本体２１の内部空間を上下方向に区画し、上側に広がるプラズマ形成空間２１Ｕと、下側に広がるラジカル照射空間２１Ｌを区画形成する。グリッド２５は、プラズマ形成空間２１Ｕで酸素プラズマが形成されるときに、ラジカル照射空間２１Ｌへの荷電粒子の通過を抑制し、酸素ラジカルの通過のみを許容する。

チャンバ本体２１の上側であって基板ステージ２６の上方には、誘導コイル２７が配設されている。誘導コイル２７には、マッチングボックス２８を介して高周波電源Ｅが接続されて、所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力が供給される。誘導コイル２７は、高周波電源Ｅが高周波電力を供給するときに、Ａｒ／Ｏ２系の誘導結合プラズマ（酸素プラズマ）をプラズマ形成空間２１Ｕに形成する。基板ステージ２６に保持される基板１１の表面は、酸素プラズマが形成されるときに、グリッド２５を通過した酸素ラジカルのみに晒される（酸化処理が施される）。

すなわち、拡散バリア層チャンバＦ６は、基板１１の表面に酸素ラジカルのみを供給するリモートプラズマチャンバであって、基板１１の表面に酸化層（拡散バリア層１５ａ）を成長させる。

図２において、制御装置２０Ｃは、各種制御指令を演算するためのＣＰＵや製造プログラムを格納するためのメモリ、ＣＰＵのワーキングエリアとなるメモリなどを備えている。この制御装置２０Ｃには、移載機２０Ａと、成膜処理装置２０Ｂが電気的に接続されている。

移載機２０Ａは、搭載するカセットＣ（基板１１）の位置を検出して各基板１１の位置に関する情報（基板位置情報）を生成し、該基板位置情報を制御装置２０Ｃに出力する。制御装置２０Ｃは、移載機２０Ａからの情報に基づいて前記製造プログラムを実行し、移載機２０Ａに基板１１の移載処理を実施させる。

成膜処理装置２０Ｂの各チャンバは、それぞれチャンバの圧力や基板１１の有無を検出してチャンバの状態に関する情報（チャンバ情報）を生成し、該チャンバ情報を制御装置２０Ｃに出力する。制御装置２０Ｃは、各チャンバ情報に基づいて前記製造プログラムを実行し、各チャンバの各々に成膜処理を実施させる。

真空搬送チャンバＦＸの搬送ロボットＲＢは、搬送アームの手先位置を検出して手先位置に関する情報（手先位置情報）を生成し、該手先位置情報を制御装置２０Ｃに出力する。制御装置２０Ｃは、手先位置情報とチャンバ情報に基づいて製造プログラムを実行し、ロードチャンバＦＬが収容する基板１１を、第１、第２、第３、第４、上層膜用、拡散バリア層チャンバＦ１〜Ｆ６に順次搬送し、その後、再び上層膜用チャンバＦ５に搬送する。

すなわち、図４に示すように、制御装置２０Ｃは、まず、ロードチャンバＦＬから第１下層膜用チャンバＦ１に基板１１を搬送し、第１下層膜用チャンバＦ１で基板１１をスパッタ洗浄する（スパッタ洗浄工程：ステップＳ１）。次いで、制御装置２０Ｃは、第１下層膜用チャンバＦ１から第２下層膜用チャンバＦ２に基板１１を搬送し、洗浄された基板１１に下地層１２とピニング層１３ａを積層する（ピニング層形成工程：ステップＳ２）。そして、制御装置２０Ｃは、第２下層膜用チャンバＦ２から第３下層膜用チャンバＦ３に基板１１を搬送し、基板１１のピニング層１３ａにピン層１３ｂを積層する（ピン層形成工程：ステップＳ３）。

ピン層１３ｂを積層すると、制御装置２０Ｃは、第３下層膜用チャンバＦ３から第４下層膜用チャンバＦ４に基板１１を搬送し、基板１１のピン層１３ｂにトンネルバリア層１４を積層する（トンネルバリア層形成工程：ステップＳ４）。次いで、制御装置２０Ｃは、第４下層膜用チャンバＦ４から上層膜用チャンバＦ５に基板１１を搬送し、基板１１のトンネルバリア層１４に自由強磁性層１５を積層する（自由層形成工程：ステップＳ５）。そして、制御装置２０Ｃは、上層膜用チャンバＦ５から拡散バリア層チャンバＦ６に基板１１を搬送し、自由強磁性層１５の表面に酸化処理を施して拡散バリア層１５ａを成長させる（拡散バリア層形成：ステップＳ６）。

拡散バリア層１５ａを形成すると、制御装置２０Ｃは、拡散バリア層チャンバＦ６から上層膜用チャンバＦ５に再び基板１１を搬送し、拡散バリア層１５ａに保護層１６を積層する（保護層形成工程：ステップＳ７）。そして、制御装置２０Ｃは、上層膜用チャンバＦ５からロードチャンバＦＬに基板１１を搬送し、基板１１の成膜処理を終了する。

成膜処理の終了した基板１１は、公知の熱処理システムに搬送されて、２００℃〜４００℃の加熱処理が施される。これによって、固定強磁性層１３や自由強磁性層１５の磁化特性が固定される。

なお、本実施形態では、スパッタ洗浄工程Ｓ１、ピニング層形成工程Ｓ２及びピン層形成工程Ｓ３によって固定層形成工程が構成され、該固定層形成工程とトンネルバリア層形成工程Ｓ４によって下地層形成工程が構成されている。

次に、実施例及び比較例をあげて本発明の効果を説明する。図５は、熱処理の加熱温度
に対する実施例及び比較例の磁気抵抗変化率を示す。
（実施例）
シリコン基板を基板１１として用い、基板１１を、第１〜第４下層膜用チャンバＦ１〜Ｆ４に順次搬送し、膜厚が３〜５ｎｍのＴａ層（下地層１２）と、膜厚が１５ｎｍのＰｔＭｎ層（ピニング層１３ａ）と、膜厚が２ｎｍのＣｏＦｅ層（ピン層１３ｂ）と、膜厚が１．５ｎｍのＭｇＯ層（トンネルバリア層１４）を順に積層した。次に、ＭｇＯ層の積層された基板１１を上層膜用チャンバＦ５に搬送し、膜厚が４ｎｍのＮｉＦｅ層（自由強磁性層１５）をＭｇＯ層に積層した。次いで、ＮｉＦｅ層の積層された基板１１を拡散バリア層チャンバＦ６に搬送し、ＮｉＦｅ層の表面に１〜２原子層分の拡散バリア層１５ａを成長させた。次いで、拡散バリア層１５ａの成長した基板１１を再び上層膜用チャンバＦ５に搬送し、膜厚が５ｎｍのＴａ層（保護層１６）を拡散バリア層１５ａに積層して実施例の磁気抵抗素子１０を得た。そして、実施例の磁気抵抗素子１０に、２７５℃、３２５℃、３５０℃及び３７５℃の熱処理を施した後に、各温度での磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を計測した（図５の実線参照）。

なお、本実施形態の磁気低効変化率（ＭＲ比）は以下に定義される。すなわち、固定強磁性層１３と自由強磁性層１５の磁化方向が平行になるときの磁気抵抗素子１０の電気抵抗率をＲｐとし、自由強磁性層１５と固定強磁性層１３の磁化方向が反平行となるときの磁気抵抗素子１０の電気抵抗率をＲａとすると、ＭＲ比＝（Ｒａ−Ｒｐ）／Ｒｐ×１００（％）によって定義される。
（比較例）
シリコン基板を基板１１として用い、基板１１を、第１〜第４下層膜用チャンバＦ１〜Ｆ４に順次搬送し、膜厚が３〜５ｎｍのＴａ層（下地層１２）と、膜厚が１５ｎｍのＰｔＭｎ層（ピニング層１３ａ）と、膜厚が２ｎｍのＣｏＦｅ層（ピン層１３ｂ）と、膜厚が１．５ｎｍのＭｇＯ層（トンネルバリア層１４）を順に積層した。次に、ＭｇＯ層の積層された基板１１を上層膜用チャンバＦ５に搬送し、膜厚が４ｎｍのＮｉＦｅ層（自由強磁性層１５）と、膜厚が５ｎｍのＴａ層（保護層１６）を順にＭｇＯ層に積層して比較例の磁気抵抗素子１０を得た。そして、比較例の磁気抵抗素子１０に、２７５℃、３２５℃、３５０℃及び３７５℃の熱処理を施した後に、各温度での磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を計測した（図５の破線参照）。

図５において、実施例のＭＲ比（図５の実線）は、熱処理温度の上昇にともなって緩やかに減少しているものの、比較例（図５の破線）に比べて、ＭＲ比の減少が大幅に抑制されている。特に、熱処理の温度が高温になるにつれて、実施例による抑制効果が顕著になっていることが分かる。

この結果、酸素ラジカルによる拡散バリア層１５ａの形成は、自由強磁性層１５の熱的損傷を抑制させることができ、ひいては磁気抵抗素子１０の磁気特性の安定性を向上させることができる。

以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）上記実施形態によれば、自由層形成工程（ステップＳ５）の後に拡散バリア層形成工程（ステップＳ６）を行い、酸素ラジカルの酸化によって、自由強磁性層１５の表面にのみ、酸化層（拡散バリア層１５ａ）を形成させる。したがって、自由強磁性層１５の表面によって、保護層１６と自由強磁性層１５の相互拡散を抑制させることができる。この結果、自由強磁性層１５の熱的損傷を抑制させることができ、磁気抵抗素子１０の磁気特性の安定性を向上させることができる。

（２）上記実施形態によれば、拡散バリア層チャンバＦ６が、グリッド２５を有したリモートプラズマチャンバであって、真空搬送チャンバＦＸに連結されている。そして、拡
散バリア層チャンバＦ６が、室温保持した自由強磁性層１５の表面に酸素ラジカルのみを供給する。よって、拡散バリア層１５ａの成長状態を常に安定させることができ、かつ、高い精度で制御させることができる。したがって、磁気抵抗素子１０の磁気特性の安定性を、より確実に向上させることができ、かつ、磁気抵抗素子１０の生産性を向上させることができる。

（３）上記実施形態では、自由強磁性層１５に、小さい保磁力を有したＮｉＦｅ層を採用した。したがって、耐熱性と軟磁気特性の双方に優れた自由強磁性層１５を提供することができる。

（４）上記実施形態では、基板１１を上層膜用チャンバＦ５から拡散バリア層チャンバＦ６に搬送するだけで、自由強磁性層１５の熱的損傷を抑制させることができる。したがって、別途拡散バリア層１５ａの成膜システムを利用して自由強磁性層１５の耐熱性を向上させる場合に比べて、より簡便な方法を提供することができる。ひいては、磁気抵抗素子１０の生産性を向上させることができる。

尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態では、磁場を印加したスパッタ成膜によって、自由強磁性層１５に磁気異方性を付与した。これに限らず、例えば、磁場を印加した加熱処理によって、自由強磁性層１５に磁気異方性を付与する構成であってもよい。

・上記実施形態では、磁気抵抗素子１０をＴＭＲ素子に具体化した。これに限らず、例えば、磁気抵抗素子１０を自由強磁性層１５のみからなる回転検出センサに具体化してもよい。すなわち、磁気抵抗素子１０は、自由強磁性層１５と保護層１６の積層構造を有して、自由強磁性層１５の自発磁化の回転を利用した素子であればよい。

本実施形態の磁気抵抗素子を説明する図。 同じく、磁気抵抗素子の製造装置を説明する図。 同じく、拡散バリア層チャンバを説明する図。 同じく、磁気抵抗素子の製造工程を説明する図。 同じく、磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率を説明する図

符号の説明

１０…磁気抵抗素子、１１…基板、１２…下地層、１３…固定強磁性層、１４…トンネルバリア層、１５…自由強磁性層、１５ａ…拡散バリア層、１６…保護層、２０…製造装置、２０Ｃ…搬送制御手段を構成する制御装置、ＦＸ…真空搬送チャンバ、Ｆ１〜Ｆ４…下地層チャンバとしての第１〜第４下層膜用チャンバ、Ｆ５…自由層チャンバ及び保護層チャンバを構成する上層膜用チャンバ、Ｆ６…拡散バリア層チャンバ、ＲＢ…搬送系を構成する搬送ロボット。

Claims (7)

1. 基板上に積層された下地層と、
   前記下地層に積層されて反転可能な自発磁化を有した自由強磁性層と、
   前記自由強磁性層に積層されて前記自由強磁性層の構成原子の酸化物からなる拡散バリア層と、
   前記拡散バリア層に積層された保護層と、
   を備えたことを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 請求項１に記載の磁気抵抗素子において、
   前記下地層は、
   固定された自発磁化を有する固定強磁性層と、
   前記固定強磁性層に積層されたトンネルバリア層と、
   を備え、
   前記自由強磁性層は、ニッケル−鉄層であり、
   前記保護層は、タンタル層であることを特徴とする磁気抵抗素子。
3. 基板に下地層を積層する下地層形成工程と、
   反転可能な自発磁化を有した自由強磁性層を前記下地層に積層する自由層形成工程と、
   前記自由強磁性層の表面に酸素ラジカルを供給して前記自由強磁性層の表面を拡散バリア層にする拡散バリア層形成工程と、
   前記拡散バリア層に保護層を積層する保護層形成工程と、
   前記保護層を有した前記自由強磁性層を加熱する加熱処理工程と、
   を備えたことを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
4. 請求項３に記載の磁気抵抗素子の製造方法において、
   前記拡散バリア層形成工程は、
   室温に保持した前記自由強磁性層の表面に酸素ガスのリモートプラズマを照射して前記自由強磁性層の表面を拡散バリア層にすることを特徴とした磁気抵抗素子の製造方法。
5. 請求項３又は４に記載の磁気抵抗素子の製造方法において、
   前記自由層形成工程は、
   前記基板の一面方向に沿って磁場を形成し、ニッケル−鉄のターゲットをスパッタしてニッケル−鉄からなる前記自由強磁性層を前記下地層に積層すること、
   前記保護層形成工程は、
   タンタルのターゲットをスパッタしてタンタルからなる前記保護層を前記自由強磁性層に積層することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
6. 請求項３〜５のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子の製造方法において、
   前記下地層形成工程は、
   固定された自発磁化を有する固定強磁性層を前記基板に積層する固定層形成工程と、
   前記固定強磁性層にトンネルバリア層を積層するトンネルバリア層形成工程と、
   を備えたことを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
7. 搬送系を有して基板を搬送する真空搬送チャンバと、
   前記真空搬送チャンバに連結して、前記基板に下地層を形成する下地層チャンバと、
   前記真空搬送チャンバに連結して、反転可能な自発磁化を有した自由強磁性層を前記基板に積層する自由層チャンバと、
   前記真空搬送チャンバに連結して、前記基板の一側に酸素ラジカルを供給する拡散バリア層チャンバと、
   前記真空搬送チャンバに連結して、前記基板に保護層を積層する保護層チャンバと、
   前記搬送系を駆動制御して、前記基板を、前記下地層チャンバ、前記自由層チャンバ、前記拡散バリア層チャンバ、前記保護層チャンバの順に搬送する搬送制御手段と、
   を備えたことを特徴とする磁気抵抗素子の製造装置。
   

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