JP2010109319A - 磁気抵抗素子の製造法および記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも高いＭＲ比を持った磁気抵抗素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一実施形態では、基板の上に、スパッタリング法を用いて、磁化固定層、磁化自由層及びトンネルバリア層を成膜する工程において、磁化自由層成膜工程は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ原子及びＦｅ原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ原子含有量と相違する含有量の第２ターゲットと、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有する強磁性体層を成膜する。
【選択図】図２
【解決手段】本発明の一実施形態では、基板の上に、スパッタリング法を用いて、磁化固定層、磁化自由層及びトンネルバリア層を成膜する工程において、磁化自由層成膜工程は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ原子及びＦｅ原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ原子含有量と相違する含有量の第２ターゲットと、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有する強磁性体層を成膜する。
【選択図】図２
Description
本発明は、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッド、磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子及び磁気センサーに用いられる磁気抵抗素子、好ましくは、トンネル磁気抵抗素子（さらに好ましくは、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子）の製造法及び記憶媒体に関する。
特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４及び非特許文献５には、単結晶又は多結晶からなる結晶性酸化マグネシウム膜をトンネルバリヤ膜として用いたＴＭＲ（トンネル磁気抵抗；Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子（以下、ＴＭＲ素子という）が記載されている。
Ｄ．Ｄ．Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａら著「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」，８６，０９２５０２（２００５）
Ｃ．Ｌ．Ｐｌａｔｔら著「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」８１（８），１５ Ａｐｒｉｌ １９９７
Ｗ．Ｈ．Ｂｕｔｌｅｒら著「Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．６３，０５４４１６）８，Ｊａｎｕａｒｙ ２００１
湯浅新治ら著「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．４８，ｐｐ５８８−５９０，２００４年４月２日発行
Ｓ．Ｐ．Ｐａｒｋｉｎら著「２００４ Ｎａｔｕｒｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ」Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｐｐ８６２−８８７，２００４年１０月３１日発行
本発明の課題は、従来技術と比較し、一層、改善された高いＭＲ比を持った磁気抵抗素子（トンネル磁気抵抗素子、さらに好ましくは、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子等）の製造法及び記憶媒体を提供することにある。
このような目的を達成するために、本発明は、基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法において、前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、前記磁化自由層を成膜する工程は、Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する強磁性体層を成膜する成膜工程を有することを特徴とする。
また、本発明は、基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法において、前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、前記磁化自由層を成膜する工程は、Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有するアモルファス強磁性体層を成膜する成膜工程と、前記アモルファス強磁性体層を結晶性強磁性体層に相変化させる相変化工程とを有することを特徴とする。
また、本発明は、基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法を、コンピュータに実行させるための制御プログラムを記憶する記憶媒体において、前記製造法は、前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、前記磁化自由層を成膜する工程は、Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する強磁性体層を成膜する成膜工程を有することを特徴とする。
また、本発明は、基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法を、コンピュータに実行させるための制御プログラムを記憶する記憶媒体において、前記製造法は、前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、前記磁化自由層を成膜する工程は、Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有するアモルファス強磁性体層を成膜する成膜工程と、前記アモルファス強磁性体層を結晶性強磁性体層に相変化させる相変化工程とを有することを特徴とする。
さらに、本発明は、基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法を、コンピュータに実行させるための制御プログラム記憶した記憶媒体において、前記製造法は、前記磁化固定層を成膜する工程と、前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、前記磁化固定層を成膜する工程、および前記磁化自由層を成膜する工程の双方は、Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有するターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の別ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する強磁性体層を成膜する成膜工程を有することを特徴とする。
本発明によれば、従来のＴＭＲ素子で達成されていたＭＲ比を大幅に改善することができる。
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る磁気抵抗素子１０の積層構造の一例を示し、ＴＭＲ素子１２を用いた磁気抵抗素子１０の積層構造を示している。この磁気抵抗素子１０においては、基板１１の上にＴＭＲ素子１２を用い、このＴＭＲ素子１２を備え、例えば、１２層の多層膜が形成されている。この１２層の多層膜では、最下層の第１層「Ｔａ（タンタル）」から最上層の第１２層「Ｒｕ（ルテニウム）」に向かった多層膜構造体となっている。
図１は、本発明に係る磁気抵抗素子１０の積層構造の一例を示し、ＴＭＲ素子１２を用いた磁気抵抗素子１０の積層構造を示している。この磁気抵抗素子１０においては、基板１１の上にＴＭＲ素子１２を用い、このＴＭＲ素子１２を備え、例えば、１２層の多層膜が形成されている。この１２層の多層膜では、最下層の第１層「Ｔａ（タンタル）」から最上層の第１２層「Ｒｕ（ルテニウム）」に向かった多層膜構造体となっている。
図１に図示したとおり、図中の「ＰｔＭｎ（１５）」１４、「ＣｏＦｅ（２．５）」１５、非磁性金属層「Ｒｕ（０．８５）」１６１、第一強磁性体層である「ＣｏＦｅＢ（３．０）」１２１、トンネルバリア層である非磁性多結晶「ＭｇＯ（１．５）又はＢＭｇＯ（１．５）」１２２、第二強磁性体層である多結晶「ＣｏＦｅＢ（１．５）」１２３３、非磁性金属層「Ｔａ（０．８５）」１６２、積層膜構造である第三強磁性体層の多結晶「ＣｏＦｅ（１．５）」１２３２と「ＮｉＦｅ(１．５)」１２３１、非磁性「Ｔａ（１０）」１７及び非磁性「Ｒｕ（７）」１８の順序で、磁性層及び非磁性層が積層されている。上記第一強磁性層である「ＣｏＦｅＢ（３．０）」１２１および第二強磁性層である多結晶「ＣｏＦｅＢ（１．５）」１２３３は、２種ターゲットを用いたコ−スパッタリング（ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）法による成膜法で成膜することができる。
また、本発明では、上述の第一強磁性体層は、上記した２種ターゲットを用いたコ−スパッタリング法による成膜法で成膜したＣｏＦｅＢ層１２１と、シングルターゲットを用いたスパッタリング法による成膜法で成膜した別の強磁性体層とを含む２層以上の積層構造としても良い。又、本発明では、上記第三強磁性体層の「ＣｏＦｅ(１．５)」１２３２をＢ(ボロン)原子を含む「ＣｏＦｅＢ(１．５)」１２３２に変更してもよい。又、本発明では、上記第三強磁性体層の「ＮｉＦｅ(１．５)」１２３１をＢ(ボロン)原子を含む「ＮｉＦｅＢ(１．５)」１２３１に変更してもよい。
符号１１は、ウエハー基板、ガラス基板やサファイヤ基板などの基板である。符号１２は、ＴＭＲ素子である。該ＴＭＲ素子１２は、多結晶ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）合金を含有した第一強磁性体層１２１、多結晶ＭｇＯ（酸化マグネシウム）又は多結晶ＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）を含有したトンネルバリヤ層１２２、多結晶ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）合金を含有した第二強磁性体層１２３３、多結晶ＣｏＦｅ（コバルト鉄）合金・多結晶ＮｉＦｅ(ニッケル鉄)合金の積層膜（ＣｏＦｅ層１２３２・ＮｉＣｏ層１２３１）の第三強磁性体層、の６層積層膜構造体によって形成されている。上記第二強磁性体層と第三強磁性体層との間に、Ｔａ(タンタル)、Ｒｕ(ルテニウム)等の非磁性金属やＡｌ２Ｏ３(酸化アルミニウム)、ＳｉＯ２(酸化ケイ素)、Ｓｉ２Ｎ３（窒化シリコン）等の非磁性絶縁物を用いた非磁性層１６２が配置される。また、本発明によれば、ＣｏＦｅ層１２３２のための上記多結晶ＣｏＦｅ（コバルト鉄）合金には、他の原子、例えば、Ｂ（ボロン）、Ｐｔ（白金）等を微量含有（５ atomic% 以下、好ましくは、０．０１〜１ atomic% ）させることができる。符号１３は、第１層（Ｔａ：タンタル層）としての下電極層（下地層）であり、符号１４は、第２層（ＰｔＭｎ層）としての反強磁性体層である。符号１５は第３層（ＣｏＦｅ層）としての強磁性体層で、符号１６１は第４層（Ｒｕ層）としての交換結合用非磁性体層である。
第５層のＣｏＦｅＢ層１２１は、例えば、原子組成比７０／３０のＣｏＦｅ合金ターゲットと、該原子組成比と相違する原子組成比である６０／２０／２０のＣｏＦｅＢ合金ターゲットを用いたコースパッタリング法により成膜され、続く、２００℃〜３５０℃の温度でのアニーリング工程に付される。上記コースパッタリング法による成膜直後のＣｏＦｅＢ層１２１は、アモルファスであることが好ましいが、ナノクリスタル、マイクロクリスタル（微結晶）、又は多結晶であってもよい。アモルフアスＣｏＦｅＢ層１２１は、２００℃〜３５０℃の温度でのアニーリング工程により、結晶化され、好ましくは、ナノクリスタル、マイクロクリスタル（微結晶）、又は多結晶に相変化させることができる。
本発明では、上記原子組成比のターゲットには限定されず、適宜、選択した原子組成比のターゲットを用いることができる。特に、２種ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量を互いに相違させた組合せからなる２種ターゲット用いることができる。その別の例としては例えば以下の通りである。第１別例としては、原子組成比７０／２０／１０のＣｏＦｅＢ合金ターゲットと、原子組成比６０／２０／２０のＣｏＦｅＢ合金ターゲットとの組合せを用いることができる。また、第２別例としては、原子組成比７０／２５／５のＣｏＦｅＢ合金ターゲットと、原子組成比５０／２５／２５のＣｏＦｅＢ合金ターゲットとの組合せ等を用いることができる。
結晶性ＣｏＦｅＢ層１２１でのボロン含有量は、０．１ａｔｏｍｉｃ％〜６０ａｔｍｉｃ％、好ましくは１０ａｔｏｍｉｃ％〜５０ａｔｍｉｃ％の範囲に設定される。更に、本発明は、上記２種ターゲット中にＣｏＦｅＢ以外の原子、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）等を微量含有（５ atomic% 以下、好ましくは、０．０１〜１ atomic% ）させることができる。
又、本発明のコ−スパッタリング法は、上記２種ターゲットを同時にスパッタリングすることが好ましいが、この同時の時間の前又は後の時間において、夫々、２種ターゲットのうちの１種を用いて、単独でのスパッタリング工程を有していてもよい。
上述の第３層、第４層及び第５層とから成る層は、磁化固定層１９である。実質的な磁化固定層１９は、第５層としての結晶性ＣｏＦｅＢ層１２１の強磁性体層である。符号１２２は、第６層（ＭｇＯ：多結晶酸化マグネシウム、又はＢＭｇＯ：ボロンマグネシウム酸化物）としてのトンネルバリア層で、絶縁層である。本発明で用いたトンネルバリア層１２２は、単一の多結晶酸化マグネシウム層又は多結晶ボロンマグネシウム酸化物層であってもよい。
また、本発明は、図６に図示したとおり、多結晶ＭｇＯ（酸化マグネシウム）層又は多結晶ＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）層１２２１、多結晶Ｍｇ（金属マグネシウム）層１２２２及び多結晶ＭｇＯ（酸化マグネシウム）層又は多結晶ＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）層１２２３の積層構造とすることができる。また、本発明では、図６に図示した積層膜１２２１、１２２２及び１２２３から成る３層を複数設けた積層構造体であってもよい。
磁化自由層である第７層としてのＣｏＦｅＢ層１２３３は、例えば、原子組成比７０／３０のＣｏＦｅ合金ターゲットと、該原子組成比と相違する原子組成比である６０／２０／２０のＣｏＦｅＢ合金ターゲットとを用いたコ−スパッタリング法により成膜され、続く、２００℃〜３５０℃の温度でのアニーリング工程に付される。上記コ−スパッタリング法による成膜直後のＣｏＦｅＢ層１２３３は、アモルファスであることが好ましいが、ナノクリスタル、マイクロクリスタル（微結晶）、又は多結晶であってもよい。アモルフアスＣｏＦｅＢ層１２３３は、２００℃〜３５０℃の温度でのアニーリング工程により、結晶化され、好ましくは、ナノクリスタル、マイクロクリスタル（微結晶）、又は多結晶に相変化させることができる。
本発明では、上記原子組成比のターゲットには限定されず、適宜、選択した原子組成比のターゲットを用いることができる。特に、２種ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量を互いに相違させた組合せからなる２種ターゲット用いることができる。その別の例としては、例えば以下の通りである。第１別例としては、原子組成比７０／２０／１０のＣｏＦｅＢ合金ターゲットと、原子組成比６０／２０／２０のＣｏＦｅＢ合金ターゲットとの組合せを用いることができる。また、第２別例としては、原子組成比７０／２５／５のＣｏＦｅＢ合金ターゲットと、原子組成比５０／２５／２５のＣｏＦｅＢ合金ターゲットとの組合せ等を用いることができる。
結晶性ＣｏＦｅＢ層１２３３でのボロン含有量は、０．１ａｔｏｍｉｃ％〜６０ａｔｍｉｃ％、好ましくは１０ａｔｏｍｉｃ％〜５０ａｔｍｉｃ％の範囲に設定される。更に、本発明は、上記２種ターゲット中にＣｏＦｅＢ以外の原子、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）等を微量含有（５ atomic% 以下、好ましくは、０．０１〜１ atomic% ）させることができる。
又、本発明のコ−スパッタリング法は、上記２種ターゲットを同時にスパッタリングすることが好ましいが、この同時の時間の前又は後の時間において、夫々、２種ターゲットのうちの１種を用いて、単独でのスパッタリング工程を有していてもよい。
図８は、本発明の別のＴＭＲ素子１２の例である。図８中の符号１２、１２１、１２２、１２３１、１２３２及び１２３３は、上述のものと同一部材である。本実施例では、トンネルバリア層１２２は、多結晶ＭｇＯ（酸化マグネシウム）層、又は多結晶ＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）層８２と、該層８２の両側のＭｇ（金属マグネシウム金属）層又はＢＭｇ（ボロンマグネシウム合金）８１及び８３と、からなる積層膜である。
また、本発明では、層８１の使用が省略され、層８２を結晶性ＣｏＦｅＢ層１２３３に隣接配置させることができる。又は、層８３の使用が省略され、層８２を結晶性ＣｏＦｅＢ層１２１に隣接配置させることができる。
図７は、多結晶ＭｇＯ（酸化マグネシウム）層のカラム状結晶７２の集合体からなる多結晶構造の模式斜視図である。ＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）層に関しても、図７に図示したカラム状結晶７２からなる集合体７１と同様のものが確認された。
カラム状結晶７２は、針状結晶又は柱状結晶等の概念を包含する概念である。また、多結晶領域のうちの一部に、カラム状結晶７２の集合体７１間の部分的なアモルファス領域を含む多結晶−アモルファス混合領域の構造物であっても良い。
本発明で用いた酸化マグネシウム、又はボロンマグネシウム酸化物のカラム状結晶は、各カラム毎において、膜厚方向で、（００１）結晶面が優先的に配向した単結晶であることが好ましい。
また、本発明で用いたＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）は、一般式ＢｘＭｇｙＯｚ（０．７≦Ｚ／［Ｘ＋Ｙ］≦１．３であり、好ましくは、０．８≦Ｚ／［Ｘ＋Ｙ］＜１．０である）で示される。本発明では、化学論量のＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）を用いるのが好ましいが、酸素欠損のＢＭｇＯ（ボロンマグネシウム酸化物）であっても、高いＭＲ比を得ることができる。
また、本発明で用いたＭｇＯ（酸化マグネシウム）は、一般式ＭｇｙＯｚ（０．７≦Ｚ／Ｙ≦１．３であり、好ましくは、０．８≦Ｚ／Ｙ＜１．０である）で示される。本発明では、化学論量のＭｇＯ（酸化マグネシウム）を用いるのが好ましいが、酸素欠損のＭｇＯ（酸化マグネシウム）であっても、高いＭＲ比を得ることができる。
第７層、第９層及び第１０層は、夫々、結晶性ＣｏＦｅＢ層１２３３からなる強磁性体層、結晶性ＣｏＦｅ層１２３２からなる強磁性体層及びＮｉＦｅ層１２３１からなる強磁性体層である。該第７層、第９層及び第１０層からなる積層膜は、磁化自由層として機能することが出来る。該第７層と該第９層との間に、非磁性金属層である第８層のＴａ（タンタル）層１６２が配置される。第８層は、Ｔａ（タンタル）層１６２の他に、Ｒｕ(ルテニウム)やＩｒ(イリジウム)等の非磁性金属、Ａｌ２Ｏ３(酸化アルミニウム)、ＳｉＯ２（酸化シリコン）やＳｉ３Ｎ４(窒化シリコン)等の非磁性絶縁物を用いることができ、膜厚は、５０ｎｍ以下、好ましくは、０．１ｎｍ〜４０ｎｍの範囲に設定することが出来る。第７層を構成する結晶性ＣｏＦｅＢ層１２３３は、ＣｏＦｅＢ合金ターゲットを用いたスパッタリングにより成膜することができる。第９層を構成する結晶性ＣｏＦｅ層１２３２は、ＣｏＦｅ合金ターゲットを用いたスパッタリングにより成膜することができる。第１０層を構成する結晶性ＮｉＦｅ層１２３１は、ＮｉＦｅ合金ターゲットを用いたスパッタリングにより成膜することができる。
上記した結晶性ＣｏＦｅＢ層１２１と、ＣｏＦｅＢ層１２３３と、ＣｏＦｅ層１２３２とＮｉＦｅ層１２３１とは、前述の図７に図示したカラム状結晶構造７２からなる集合体７１と同一の構造の結晶構造のものであってもよい。結晶性ＣｏＦｅＢ層１２１とＣｏＦｅＢ層１２３３とは、中間に位置するトンネルバリア層１２２と隣接させて設けることが好ましい。製造装置においては、これら３層は、真空を破ることなく、順次、積層される。符号１７は、第１１層（Ｔａ：タンタル）としての電極層である。符号１８は、第１２層（Ｒｕ：ルテニウム）としてのハードマスク層である。第１２層は、ハードマスクとして用いられた際には、磁気抵抗素子から除去されていてもよい。
図１において、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位は「ｎｍ（ナノメートル）」である。当該厚みは一例であって、これに限定されるものではない。
次に、図２を参照して、上記の積層構造を有する磁気抵抗素子１０を製造する装置と製造方法を説明する。図２は磁気抵抗素子１０を製造する装置の概略的な平面図であり、本装置は複数の磁性層及び非磁性層を含む多層膜を作製することのできる装置であり、量産型スパッタリング成膜装置である。
次に、図２を参照して、上記の積層構造を有する磁気抵抗素子１０を製造する装置と製造方法を説明する。図２は磁気抵抗素子１０を製造する装置の概略的な平面図であり、本装置は複数の磁性層及び非磁性層を含む多層膜を作製することのできる装置であり、量産型スパッタリング成膜装置である。
図２に示された磁性多層膜作製装置２００は、クラスタ型製造装置であり、スパッタリング法に基づく３つの成膜チャンバを備えている。本装置２００では、図示しないロボット搬送装置を備える搬送チャンバ２０２が中央位置に設置されている。磁気抵抗素子製造のための製造装置２００の搬送チャンバ２０２には、２つのロードロック・アンロードロックチャンバ２０５及び２０６が設けられ、それぞれにより基板（例えば、シリコン基板を用いる）１１の搬入及び搬出が行われる。これらのロードロック・アンロードロックチャンバ２０５及び２０６を交互に、基板の搬入搬出を実施することによって、タクトタイムを短縮させ、生産性よく磁気抵抗素子を作製できる構成となっている。
磁気抵抗素子製造のための製造装置２００では、搬送チャンバ２０２の周囲に、３つの成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃと、１つのエッチングチャンバ２０３とが設けられている。エッチングチャンバ２０３では、磁気抵抗素子１０の所要表面をエッチング処理する。各チャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ及び２０３と搬送チャンバ２０２との間には、開閉自在なゲートバルブ２０４が設けられている。なお、各チャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ及、２０２には、図示しない真空排気機構、ガス導入機構、電力供給機構などが付設されている。
磁気抵抗素子製造のための製造装置２００は、成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃを備えている。これら装置２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの各々には、高周波スパッタリング法を用いて、基板１１の上に、真空を破らずに、前述した第１層から第９層までの各膜を順次に堆積することができる。成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの天井部には、それぞれ、適当な円周の上に配置された４基または５基のカソード（３１、３２、３３、３４及び３５）、カソード（４１、４２、４３、４４及び４５）、カソード（５１、５２、５３及び５４）が配置される。さらに当該円周と同軸上に位置する基板ホルダ上に基板１１が配置される。
上記カソード（３１、３２、３３、３４及び３５）、カソード（４１、４２、４３、４４及び４５）及びカソード（５１、５２、５３及び５４）にターゲットを装着し、該装着したターゲットの背後にマグネットを配置したマグネトロンスパッタリング装置とするのが好ましい。
また、電力投入手段２０７Ａ、２０７Ｂおよび２０７Ｃから、上記カソードにラジオ周波数（ＲＦ周波数）のような高周波電力が印加される。高周波電力としては、０．３ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲、好ましくは、５ＭＨｚ〜５ＧＨｚの範囲の周波数及び１０Ｗ（ワット）〜５００Ｗ（ワット）の範囲、好ましくは、１００Ｗ（ワット）〜３００Ｗ（ワット）の範囲の電力を用いることができる。
上記において、例えば、カソード３１には、Ｔａ（タンタル）ターゲットが装着される。カソード３２には、ＰｔＭｎ（白金マンガン合金）ターゲットが装着される。カソード３３には、ＣｏＦｅＢターゲットが装着される。カソード３４には、ＣｏＦｅ（コバルト鉄合金）ターゲットが装着される。カソード３５には、Ｒｕ（ルテニウム）ターゲットが装着される。上記ＣｏＦｅＢ層１２１は、カソード３３に装着したＣｏＦｅＢターゲットとカソード３４に装着したＣｏＦｅターゲットの２種ターゲットを用いたコ−スパッタリング法により成膜することができる。
カソード５１には、ＭｇＯ（酸化マグネシウム合金）ターゲットが装着される。カソード５２には、ＢＭｇＯ(ボロンマグネシウム酸化物)ターゲットが装着される。また、カソード５３にＭｇ（金属マグネシウム）ターゲットが装着され、カソード５４には、ＢＭｇ（ボロンマグネシウム合金）ターゲットが装着される。図８に図示した構造のＴＭＲ素子１２２は、このカソード５３又は５４を用いることによって作製することができる。
カソード４１には、第７層及び第９層のためのＣｏＦｅ（コバルト鉄合金）ターゲットが装着される。カソード４２には、コ−スパッタリング法を用いて作製される第７層のためのＣｏＦｅＢ(コバルト鉄ボロン合金)ターゲットが装着される。カソード４３には、第８層及び第１１層のためのＴａ（タンタル）ターゲットが装着される。カソード４４は、第１２層のためのＲｕ(ルテニウム)ターゲットが装着される。カソード４５には、第１０層のためのＮｉＦｅ(ニッケル鉄)ターゲットが装着される。上記ＣｏＦｅＢ層１２３３は、カソード４２に装着したＣｏＦｅＢターゲットとカソード４１に装着したＣｏＦｅターゲットとの２種ターゲットを用いたコ−スパッタリング法により成膜することができる。
上記カソード（３１、３２、３３、３４及び３５）、カソード（４１、４２、４３、４４及び４５）、並びに、カソード（５１、５２、５３及び５４）に装着した各ターゲットの各面内方向と基板の面内方向とは、互いに、非平行に配置することが、好ましい。該非平行な配置を用いることによって、基板径より小径のターゲットを回転させながら、スパッタリングすることができる。従って、高効率で、かつ、ターゲット組成と同一組成の磁性膜及び非磁性膜を堆積させることができる。上記非平行な配置としては、例えば、ターゲット中心軸と基板中心軸との交差角を４５°以下、好ましくは５°〜３０°となる様に、両者を非平行に配置することができる。また、この際の基板は、１０ｒｐｍ〜５００ｒｐｍの回転数、好ましくは、５０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの回転数を用いることができる。
本発明の主要な素子部であるＴＭＲ素子１２の成膜条件を述べる。ＣｏＦｅＢ層１２１は、ＣｏＦｅ組成比（atomic：原子比）７０／３０のＣｏＦｅターゲットと、ＣｏＦｅＢ組成比（atomic：原子比）６０／２０／２０のターゲットと、を同時ターゲットとして用いた。ＣｏＦｅＢ層１２１は、Ａｒ（アルゴンガス）をスパッタガスとし、その圧力を０．０３Ｐａとした。ＣｏＦｅＢ層１２１の成膜は、マグネトロンＤＣスパッタ（ 成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ）により成膜レート０．６４nm /secで成膜した。この時のＣｏＦｅＢ層（ＣｏＦｅＢ層１２１）は、アモルファス構造を有していた。
続いて、スパッタリング装置（ 成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｃ）に換えて、ＭｇＯ組成比（atomic：原子比）５０／５０のＭｇＯターゲット、又はＢＭｇＯ組成比（atomic：原子比）２５／２５／５０のＢＭｇＯターゲットを用いた。スパッタガスとしてＡｒ（アルゴンガス）を用い、好適範囲０．０１〜０．４Ｐａの圧力範囲のうち、０．２Ｐａの圧力を用いて、マグネトロンＲＦスパッタリング（１３．５６ＭＨｚ）により、第６層のＭｇＯ層、又はＢＭｇＯ層であるトンネルバリア層１２２を成膜した。この際、ＭｇＯ層、又はＢＭｇＯ層（トンネルバリア層１２２）は、図７に図示したカラム状結晶７２の集合体７１よりなる多結晶構造であった。また、この際のマグネトロンＲＦスパッタリング（１３．５６ＭＨｚ）の成膜レートは、０．１４nm /secであった。
又、本発明では、結晶性酸化マグネシウム層は、金属マグネシウム含有ターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性(好ましくは、多結晶)金属マグネシウム層を成膜し、該金属マグネシウムを酸化性ガス(酸素ガス、オゾンガス、水蒸気等)導入の酸化チャンバ(図示せず)内で、酸化して、結晶性(好ましくは、多結晶)酸化マグネシウム層を得ることができる。
又、本発明では、結晶性ボロンマグネシウム酸化物層は、ボロンマグネシウム合金含有ターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性(好ましくは、多結晶)ボロンマグネシウム層を成膜し、該ボロンマグネシウム合金を酸化性ガス(酸素ガス、オゾンガス、水蒸気等)導入の酸化チャンバ(図示せず)内で、酸化して、結晶性(好ましくは、多結晶)ボロンマグネシウム酸化物層を得ることができる。
本実施例は、上記工程から、さらに続けて、基板をスパッタリング装置（ 成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｂ）に導入して、磁化自由層（第７層のＣｏＦｅＢ層１２３３、第８層のＴａ層１６２、第９層のＣｏＦｅ層１２３２及び第１０層のＮｉＦｅ層１２３１）である強磁性体層を成膜した。ＣｏＦｅＢ層１２３３と、ＣｏＦｅ層１２３２と、ＮｉＦｅ層１２３１とは、Ａｒ（アルゴンガス）をスパッタガスとし、その圧力を０．０３Ｐａとした。ＣｏＦｅＢ層１２３３と、ＣｏＦｅ層１２３２層と、ＮｉＦｅ層１２３１との成膜は、マグネトロンＤＣスパッタ（ 成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｂ）によりスパッタレート０．６４nm /secで成膜した。この際、ＣｏＦｅＢ層１２３３と、ＣｏＦｅ層１２３２層と、ＮｉＦｅ層１２３１とは、夫々、Ａｒ（アルゴンガス）をスパッタガスとし、その圧力を０．０３Ｐａとした。また、ＣｏＦｅＢ組成比（atomic）２５／２５／５０、ＣｏＦｅ組成比（atomic）５０／５０及びＮｉＦｅ組成比（atomic）４０／６０のターゲットを用いた。この成膜直後において、ＣｏＦｅＢ層１２３３、ＣｏＦｅ層１２３２と、ＮｉＦｅ層１２３１とは、アモルファス構造であった。
この実施例では、ＭｇＯ膜及びＢＭｇＯ膜の成膜速度は０．１４nm /secであったが、０．０１nm〜１．０nm /secの範囲で成膜しても問題ない。
成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃのそれぞれでスパッタリング成膜を行って積層が完了した磁気抵抗素子１０は、熱処理炉において、アニーリング処理を実施した。このとき、アニーリング温度及び時間は、約３００℃及び４時間で、８ｋＯｅの磁場中で、アニーリングを実施した。この結果、アモルファス構造のＣｏＦｅＢ層１２１、ＢｏＦｅＢ層１２３３、ＣｏＦｅ層１２３２及びＮｉＦｅ層１２３１は、図７に図示したカラム状結晶７２の集合体７１よりなる多結晶構造であったことが確認された。このアニーリング工程により、磁気抵抗素子１０は、ＴＭＲ効果を持った磁気抵抗素子として作用することができる。また、このアニーリング工程により、第２層のＰｔＭｎ層である反強磁性体層１４には、所定の磁化が付与されていた。
図３は、本発明にかかる製造装置のブロック図である。図中、符号３０１は図２中の搬送チャンバ２０２に相当する搬送チャンバ、符号３０２は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａに相当する成膜チャンバ、符号３０３は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｂに相当する成膜チャンバ、符号３０４は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｃに相当する成膜チャンバ、符号３０５はロードロック・アンロードロックチャンバ２０５及び２０６に相当するロードロック・アンロードロックチャンバ、符号３０６は記憶媒体３１２を内蔵した中央演算器（ＣＰＵ）である。符号３０９〜３１１は、ＣＰＵ３０６と各処理チャンバ３０１〜３０５とを接続するバスラインで、各処理チャンバ３０１〜３０５の動作を制御する制御信号がＣＰＵ３０６より各処理チャンバ３０１〜３０５に送信される。
本発明の第１の実施例では、ロードロック・アンロードロックチャンバ３０５内の基板（図示せず）は、搬送チャンバ３０１に搬出される。この基板搬出工程では、ＣＰＵ３０６が記憶媒体３１２に記憶させた、コンピュータ実行可能プログラム（computer-executable program）としての制御プログラムに基づいて演算し、この演算結果に基づく制御信号を、バスライン３０７及び３１１を通して、ロードロック・アンロードロックチャンバ３０５及び搬送チャンバ３０１に搭載した各種装置（例えば、図示していないゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）に送信する。すなわち、上記基板搬出工程は、ＣＰＵ３０６が上記制御信号により上記各種装置の実行を制御することによって実施される。
搬送チャンバ３０１に搬送された基板は、成膜チャンバ３０２に搬出される。成膜チャンバ３０２に搬入された基板は、ここで、図１の第１層（Ｔａ層１３）、第２層（ＰｔＭｎ層１４）、第３層（ＣｏＦｅ層１５）、第４層（Ｒｕ層１６１）及び第５層（ＣｏＦｅＢ層１２１）が順次積層される。この段階での第５層のＣｏＦｅＢ層１２１は、好ましくは、アモルファス構造となっている。別の実施例では、この段階での第５層のＣｏＦｅＢ層１２１は、多結晶構造であってもよい。
上記第１層から第５層までの積層プロセスでは、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７及び３０８を通して、搬送チャンバ３０１及び成膜チャンバ３０２に搭載した各種装置（例えば、図示していないカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）に送信される。該各種装置は、受信した上記制御信号に基づいて所定の動作を行う。すなわち、第１層から第５層までの積層プロセスは、ＣＰＵ３０６が上記制御信号により上記各種装置の実行を制御することによって実施される。
上記第５層までの積層膜を持った基板は、一旦、搬送チャンバ３０１に戻され、その後成膜チャンバ３０３に搬入される。成膜チャンバ３０３内で、上記第５層のアモルファスＣｏＦｅＢ１２１層の上に、第６層として、多結晶酸化マグネシウム層１２２、又は多結晶ボロンマグネシウム酸化物層１２２の成膜を実行する。
第６層の酸化マグネシウム層１２２、又は多結晶ボロンマグネシウム酸化物層１２２の成膜では、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７及び３０９を通して、搬送チャンバ３０１及び成膜チャンバ３０３に搭載した各種装置（例えば、図示していないカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）に送信される。該各種装置は、受信した上記制御信号に基づいて所定の動作を行う。すなわち、第６層の成膜は、ＣＰＵ３０６が上記制御信号により上記各種装置の実行を制御することによって実施される。
上記第６層の酸化マグネシウム層１２２、又は多結晶ボロンマグネシウム酸化物層１２２までの積層膜を持った基板は、再度、一旦、搬送チャンバ３０１に戻され、その後成膜チャンバ３０４に搬入される。
成膜チャンバ３０４内で、上記第６層の多結晶酸化マグネシウム層１２２、又は多結晶ボロンマグネシウム酸化物層１２２の上に、第７層（ＣｏＦｅＢ層１２３３）、第８層(Ｔａ層１６２)、第９層（ＣｏＦｅ層１２３２）、第１０層（ＮｉＦｅ層１２３１）、第１１層（Ｔａ層１７）及び第１２層（Ｒｕ層１８）が順次積層される。この段階での第７層のＣｏＦｅＢ層１２３３、第９層のＣｏＦｅ層１２３２及び第１０層のＮｉＦｅ層１２３１は、好ましくは、アモルファス構造となっている。別の実施例では、この段階でのＣｏＦｅＢ層１２３３、第９層のＣｏＦｅ層１２３２及び第１０層のＮｉＦｅ層１２３１は、多結晶構造であってもよい。
上記第７層（ＣｏＦｅＢ層１２３２）から第１２層（Ｒｕ層１８）までの積層成膜工程では、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７及び３１０を通して、搬送チャンバ３０１及び成膜チャンバ３０４に搭載した各種装置（例えば、図示していないカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）に送信される。該各種装置は、受信した上記制御信号に基づいて所定の動作を行う。すなわち、上記第７層（ＣｏＦｅＢ層１２３２）から第１２層（Ｒｕ層１８）までの積層成膜工程は、ＣＰＵ３０６が上記制御信号により上記各種装置の実行を制御することによって実施される。
この際、本実施例では、第８層のＴａ層１６２及び第１１層のＴａ層１７を、カソード４３に装着した同一のターゲットを用いて成膜することができる。
本発明で用いる記憶媒体３１２としては、ハードディスク媒体、光磁気ディスク媒体、フレキシブルディスク媒体、フラッシュメモリやＭＲＡＭ等の不揮発性メモリ全般といったコンピュータ読み取り可能な媒体を挙げることができ、プログラムを格納可能な媒体を含むものである。
また、本発明は、成膜直後の上記第５層（ＣｏＦｅＢ層１２１）、第７層（ＣｏＦｅＢ層１２３３）、第９層（ＣｏＦｅ層１２３２）及び第１０層(ＮｉＦｅ層１２３１)のアモルファス状態をアニーリングにより、図７に図示した多結晶構造とすることができる。このため、本発明の製造法では、成膜直後の磁気抵抗素子１０をアニーリング炉（図示せず）に搬入し、ここで、第５層（ＣｏＦｅＢ層１２１）、第７層（ＣｏＦｅＢ層１２３３）、第９層(ＣｏＦｅ層１２３１)及び第１０層(ＮｉＦｅ層１２３１)のアモルファス状態を結晶状態に相変化させることができる。又、この際、第２層であるＰｔＭｎ層１４に磁気を付与することができる。上記記憶媒体３１２には、アニーリング炉での工程を実施するための制御プログラムを記憶することができる。ＣＰＵ３０６は、該制御プログラムに基づく、ＣＰＵ３０６の演算により得た制御信号によって、アニーリング炉内の各種装置（図示せず、例えば、ヒータ機構、排気機構、搬送機構等）を制御し、アニーリング工程を実行することができる。
本発明の比較例として、上記第８層のＴａ層１６２、第９層のＣｏＦｅ層１２３２及び第１０層のＮｉＦｅ層１２３１の使用を省略した他は、上記第１の実施例と同様の方法を用いて、磁気抵抗素子を作製した。
本発明の第１の実施例にて作製された磁気抵抗素子と上記比較用磁気抵抗素子とのＭＲ比を測定し、対比したところ、第１の実施例の磁気抵抗素子のＭＲ比は、比較用磁気抵抗素子のＭＲ比と比較し、１．２倍〜１．５倍以上の数値で改善されていた。
尚、ＭＲ比は、外部磁界に応答して磁性膜または磁性多層膜の磁化方向が変化するのに伴って、膜の電気抵抗も変化する現象（磁気抵抗効果 「Magneto-Resistiveeffect：ＭＲ効果」）に関するパラメータで、その電気抵抗の変化率を磁気抵抗変化率（ＭＲ比）としたものである。
本発明の第２の実施例では、上述の第１の実施例で用いた第６層の多結晶酸化マグネシウム層に換えて、第６層として多結晶ボロンマグネシウム酸化物層を用いた他は、全く同様の方法で磁気抵抗素子を作製した。該作製した磁気抵抗素子のＭＲ比を測定したところ、上述の多結晶酸化マグネシウム層を用いた実施例と比較して、一層、顕著に改善されたＭＲ比（多結晶酸化マグネシウム層を用いた実施例によるＭＲ比に対し、１．５倍以上のＭＲ比）が得られた。
又、本発明の第３の実施例では、上記第１の実施例において、第５層のＣｏＦｅＢ層１２１をＣｏＦｅＢ（原子組成比；５０／３０／２０）の単一ターゲットに変更したほかは、全く同様の方法を用いて、磁気抵抗素子を作製した。第３の実施例では、上記第１の実施例と同様の効果が得られた（第７層の磁化自由層ＣｏＦｅＢ１２３３層は、上記第１の実施例でのコ−スパッタリング法と同様のコ−スパッタリング法を用いて成膜）。
又、本発明の第４の実施例では、上記第１の実施例において、第９層のＣｏＦｅ層１２３２をＣｏＦｅＢ（原子組成比；５０／３０／２０）に変更したほかは、全く同様の方法を用いて、磁気抵抗素子を作製した。第４の実施例では、上記第１の実施例と同様の効果が得られた。
又、本発明の第５の実施例では、上記第１の実施例において、第１０層のＮｉＦｅ層１２３１をＮｉＦｅＢ（原子組成比；５０／３０／２０）に変更したほかは、全く同様の方法を用いて、磁気抵抗素子を作製した。第５の実施例では、上記第１の実施例と同様の効果が得られた。
又、本発明の第６の実施例では、上記第１の実施例において、第６層のＭｇＯ層１２２をＢＭｇＯ層１２２に変更したほかは、全く同様の方法を用いて、磁気抵抗素子を作製した。第６の実施例では、上記第１の実施例の結果より、１．５倍以上の改善が得られた。
さらに、第２の比較例として、磁化自由層のＣｏＦｅＢ層１２３３及び磁化固定層のＣｏＦｅＢ層１２１をＣｏＦｅＢ（原子組成比；６０／２０／２０）の単一ターゲットを用いたスパッタリング法により成膜した他は、上記第１の実施例と全く同様の方法を用いて、磁気抵抗素子を作製した。本比較例で作製した磁気抵抗素子のＭＲ比を測定したところ、第１の実施例の磁気抵抗素子により得たＭＲ比の１／２以下と全く低い測定結果であった。
このように、本発明では、磁化自由層の強磁性体層（図１では、符号１２３３）を、少なくともＢ（ボロン）原子の組成比が異なる２つのターゲットを用いたコ−スパッタリング法により成膜している。よって、特に第３の実施例や第２の比較例から分かるように、より高いＭＲ比を有する磁気抵抗素子を作製することができる。
また、本発明では、上記第５層のＣｏＦｅＢ層１２１に換えて、ＣｏＦｅＴａＺｒ（コバルト鉄タンタルジルコニウム）合金層、ＣｏＴａＺｒ（コバルタンタルジルコニウム）合金層、ＣｏＦｅＮｂＺｒ（コバルト鉄ニオブジルコニウム）合金層、ＣｏＦｅＺｒ（コバルト鉄ジルコニウム）合金層、ＦｅＴａＣ（鉄タンタル炭素）合金層、ＦｅＴａＮ（鉄タンタル窒素）合金層、又はＦｅＣ（鉄炭素）合金層などの結晶性強磁性体層を用いることができる。
また、本発明では、上記第４層１６１のＲｕ（ルテニウム）層に換えて、Ｒｈ（ロジウム）層又はＩｒ（イリジウム）層を用いることができる。
また、本発明では、上記第２層のＰｔＭｎ１４（白金マンガン合金）層に換えて、ＩｒＭｎ（イリジウムマンガン合金）層、ＩｒＭｎＣｒ（イリジウムマンガンクロム合金）層、ＮｉＭｎ（ニッケルマンガン合金）層、ＰｄＰｔＭｎ（鉛白金マンガン合金）層、ＲｕＲｈＭｎ（ルテニウムロジウムマンガン合金）層やＯｓＭｎ（オスニウムマンガン）等も好ましく用いられる。又、その膜厚は、１０〜３０ｎｍが好ましい。
図４は、本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子として用いたＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory：強誘電体メモリ）４０１の模式図である。ＭＲＡＭ４０１において、符号４０２は本発明のメモリ素子、符号４０３はワード線、符号４０４はビット線である。多数のメモリ素子４０２のそれぞれは、複数のワード線４０３と複数のビット線４０４の各交点位置に配置され、格子状の位置関係に配置される。多数のメモリ素子４０２のそれぞれが１ビットの情報を記憶することができる。
図５は、ＭＲＡＭ４０１のワード線４０３とビット線４０４の交点位置において、１ビットの情報を記憶するＴＭＲ素子１０と、スイッチ機能を有するトランジスタ５０１とで構成した等価回路図である。
本発明は、量産可能で実用性が高く、かつ超高集積化が可能なＭＲＡＭのメモリ素子として利用されることができる。
２００ 磁気抵抗素子作成装置
２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ、３０２〜３０４ 成膜チャンバ
２０２、３０１ 搬送チャンバ
２０３ エッチングチャンバ
２０４ ゲートバルブ
２０５、２０６、３０５ ロードロック・アンロードロックチャンバ
３１〜３５、４１〜４５、５１〜５４ カソード
２０７Ａ、２０７Ｂ、２０７Ｃ 電力投入部
３０６ 中央演算器（ＣＰＵ）
３０７〜３１１ バスライン
３１２ 記憶媒体４０１
２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ、３０２〜３０４ 成膜チャンバ
２０２、３０１ 搬送チャンバ
２０３ エッチングチャンバ
２０４ ゲートバルブ
２０５、２０６、３０５ ロードロック・アンロードロックチャンバ
３１〜３５、４１〜４５、５１〜５４ カソード
２０７Ａ、２０７Ｂ、２０７Ｃ 電力投入部
３０６ 中央演算器（ＣＰＵ）
３０７〜３１１ バスライン
３１２ 記憶媒体４０１
Claims (27)
- 基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法において、
前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、
前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、
前記磁化自由層を成膜する工程は、
Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する強磁性体層を成膜する成膜工程を有することを特徴とする磁気抵抗素子の製造法。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、酸化マグネシウムを含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性酸化マグネシウム層を成膜する工程を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造法。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
マグネシウム金属を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性マグネシウム金属層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性マグネシウム金属層を結晶性酸化マグネシウム層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造法。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、ボロンマグネシウム酸化物を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム酸化物層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造法。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
ボロンマグネシウム合金を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム合金層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性ボロンマグネシウム合金層を結晶性ボロンマグネシウム酸化物層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造法。 - 基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法において、
前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、
前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、
前記磁化自由層を成膜する工程は、
Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有するアモルファス強磁性体層を成膜する成膜工程と、
前記アモルファス強磁性体層を結晶性強磁性体層に相変化させる相変化工程と
を有することを特徴とする磁気抵抗素子の製造法。 - 前記相変化工程は、アニールリング工程を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造法。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、酸化マグネシウムを含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性酸化マグネシウム層を成膜する工程を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造法。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
マグネシウム金属を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性マグネシウム金属層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性マグネシウム金属層を結晶性酸化マグネシウム層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造法。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、ボロンマグネシウム酸化物を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム酸化物層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造法。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
ボロンマグネシウム合金を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム合金層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性ボロンマグネシウム合金層を結晶性ボロンマグネシウム酸化物層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造法。 - 基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法を、コンピュータに実行させるための制御プログラムを記憶する記憶媒体において、
前記製造法は、
前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、
前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、
前記磁化自由層を成膜する工程は、
Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する強磁性体層を成膜する成膜工程を有することを特徴とする記憶媒体。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、酸化マグネシウムを含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性酸化マグネシウム層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項１２に記載の記憶媒体。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
マグネシウム金属を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性マグネシウム金属層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性マグネシウム金属層を結晶性酸化マグネシウム層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項１２に記載の記憶媒体。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、ボロンマグネシウム酸化物を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム酸化物層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項１２に記載の記憶媒体。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
ボロンマグネシウム合金を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム合金層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性ボロンマグネシウム合金層を結晶性ボロンマグネシウム酸化物層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項１２に記載の記憶媒体。 - 基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法を、コンピュータに実行させるための制御プログラムを記憶する記憶媒体において、
前記製造法は、
前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、
前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、
前記磁化自由層を成膜する工程は、
Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する第１ターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該第１ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の第２ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有するアモルファス強磁性体層を成膜する成膜工程と、
前記アモルファス強磁性体層を結晶性強磁性体層に相変化させる相変化工程と
を有することを特徴とする記憶媒体。 - 前記相変化工程は、アニールリング工程を有することを特徴とする請求項１７に記載の記憶媒体。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、酸化マグネシウムを含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性酸化マグネシウム層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項１７に記載の記憶媒体。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
マグネシウム金属を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性マグネシウム金属層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性マグネシウム金属層を結晶性酸化マグネシウム層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項１７に記載の記憶媒体。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、ボロンマグネシウム酸化物を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム酸化物層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項１７に記載の記憶媒体。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
ボロンマグネシウム合金を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム合金層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性ボロンマグネシウム合金層を結晶性ボロンマグネシウム酸化物層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項１７に記載の記憶媒体。 - 基板の上に、磁化固定層、磁化自由層及び該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置するトンネルバリア層を備える磁気抵抗素子の製造法を、コンピュータに実行させるための制御プログラム記憶した記憶媒体において、
前記製造法は、
前記磁化固定層を成膜する工程と、
前記磁化固定層上に前記トンネルバリア層を成膜する工程と、
前記トンネルバリア層上に前記磁化自由層を成膜する工程とを有し、
前記磁化固定層を成膜する工程、および前記磁化自由層を成膜する工程の双方は、
Ｃｏ(コバルト)原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有するターゲットと、Ｃｏ（コバルト）原子及びＦｅ（鉄）原子を含有し、該ターゲット中のＢ（ボロン）原子含有量と相違する含有量の別ターゲット（但し、Ｂ原子含有量ゼロの場合を含む）と、を用いたコ−スパッタリング法により、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有する強磁性体層を成膜する成膜工程を有することを特徴とする記憶媒体。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、酸化マグネシウムを含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性酸化マグネシウム層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項２３に記載の記憶媒体。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
マグネシウム金属を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性マグネシウム金属層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性マグネシウム金属層を結晶性酸化マグネシウム層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項２３に記載の記憶媒体。 - 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、ボロンマグネシウム酸化物を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム酸化物層を成膜する工程を有することを特徴とする請求項２３に記載の記憶媒体。
- 前記トンネルバリア層を成膜する工程は、
ボロンマグネシウム合金を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶性ボロンマグネシウム合金層を成膜する成膜工程、及び
該結晶性ボロンマグネシウム合金層を結晶性ボロンマグネシウム酸化物層に酸化する酸化工程
を有することを特徴とする請求項２３に記載の記憶媒体。
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