JP2015088613A - Ｍｔｊ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間でＭＴＪ素子を製造する方法を提供する。【解決手段】第１磁性層と、第２磁性層と、第１磁性層及び第２磁性層の間のトンネル絶縁層と、を含むＭＴＪ素子の製造方法において、第１磁性層上にトンネル絶縁層を形成する工程と、第１磁性層及びトンネル絶縁層を含む被処理体をマイクロ波加熱又は誘導加熱により加熱する工程とを含む。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ＭＴＪ素子の製造方法に関する。

ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用する電子デバイスにおいて、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子が用いられている。ＭＴＪ素子には、トンネル絶縁層としてＭｇＯ層を用いるものがある。アモルファス状態のＭｇＯ層を結晶化するために、加熱室内でＭｇＯ層を加熱する方法が知られている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１２／０８６１８３号

ＭｇＯ層を加熱する方法としては、光による放射加熱、ヒータを用いた熱伝達等が挙げられる。しかし、一般に高真空状態である加熱室の内部空間の熱伝達率は低いので、このような方法ではＭｇＯ層の加熱に長い時間を要する。また、上記方法では被処理体中のＭｇＯ層だけでなく被処理体中の残部も加熱されるので、加熱後の被処理体全体の冷却に長い時間を要する。よって、上記方法では、ＭＴＪ素子の製造に長い時間を要する。

本発明の種々の側面及び実施形態は、短時間でＭＴＪ素子を製造する方法を提供することを目的とし得る。

一側面においては、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層及び前記第２磁性層の間のトンネル絶縁層と、を含むＭＴＪ素子の製造方法であって、前記第１磁性層上に前記トンネル絶縁層を形成する工程と、前記第１磁性層及び前記トンネル絶縁層を含む被処理体をマイクロ波加熱又は誘導加熱により加熱する工程と、を含む、ＭＴＪ素子の製造方法が提供される。

この方法では、被処理体中の第１磁性層又はトンネル絶縁層を選択的に加熱することができる。マイクロ波加熱では、主にトンネル絶縁層を選択的に加熱することができる。誘導加熱では、主に第１磁性層を選択的に加熱することによって、第１磁性層上のトンネル絶縁層を加熱することができる。よって、この方法では、トンネル絶縁層を短時間で加熱できると共に、加熱後の被処理体の冷却時間も短くできる。したがって、短時間でＭＴＪ素子を製造することができる。

一形態において、上記方法は、前記トンネル絶縁層上に前記第２磁性層を形成する工程を更に含み、前記被処理体が前記第２磁性層を更に含んでもよい。

この場合、被処理体中のトンネル絶縁層又は第１及び第２磁性層を選択的に加熱することができる。マイクロ波加熱では、主にトンネル絶縁層を選択的に加熱することができる。誘導加熱では、主に第１及び第２磁性層を選択的に加熱することによって、第１及び第２磁性層間のトンネル絶縁層を加熱することができる。

本発明の種々の側面及び実施形態によれば、短時間でＭＴＪ素子を製造する方法が提供され得る。

一実施形態に係る方法により製造されるＭＴＪ素子を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法を示すフローチャートである。 別の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る方法において用いられる加熱装置を模式的に示す断面図である。 別の実施形態に係る方法において用いられる加熱装置を模式的に示す断面図である。 別の実施形態に係る方法により製造されるＭＴＪ素子を模式的に示す断面図である。 別の実施形態に係る方法により製造されるＭＴＪ素子を模式的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら種々の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

図１は、一実施形態に係る方法により製造されるＭＴＪ素子を模式的に示す断面図である。図１に示されるＭＴＪ素子１０は、ＭＲＡＭ等のＴＭＲ効果を利用する電子デバイスに用いられる。ＭＴＪ素子１０は、例えば面内磁化方式のＭＴＪ素子である。ＭＴＪ素子１０は、第１磁性層２２と、第２磁性層２６と、第１磁性層２２及び第２磁性層２６の間のトンネル絶縁層２４とを含む。第１磁性層２２及び第２磁性層２６は、例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層等の磁性金属層であり得る。トンネル絶縁層２４は例えばＭｇＯ層、酸化アルミニウム層、酸化チタン層等の金属酸化物層であり得る。

ＭＴＪ素子１０は、基板１２、下地層１４、反強磁性層１６、磁性層１８、磁性層２０及びキャップ層２８を備え得る。下地層１４は基板１２上に設けられる。反強磁性層１６は下地層１４上に設けられる。磁性層１８は、反強磁性層１６上に設けられる。磁性層２０は、磁性層１８上に設けられる。第１磁性層２２は、磁性層２０は上に設けられる。キャップ層２８は、第２磁性層２６上に設けられる。一実施例において、基板１２はＳｉ基板であり、下地層１４はＴａ層であり、反強磁性層１６はＭｎ−Ｐｔ層であり、磁性層１８はＣｏ−Ｆｅ層であり、磁性層２０はＲｕ層であり、キャップ層２８はＴａ層である。

図２は、一実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法を示すフローチャートである。図１に示されるＭＴＪ素子１０は、例えば以下の工程を経ることによって製造され得る。成膜工程Ｓ１は省略されてもよい。

（第１磁性層の形成工程）
まず、必要に応じて、基板１２上に下地層１４、反強磁性層１６、磁性層１８及び磁性層２０をこの順に形成する。その後、磁性層２０上に第１磁性層２２を形成する（成膜工程Ｓ１）。第１磁性層２２は例えばスパッタリング装置といった成膜装置を用いて形成され得る。

（トンネル絶縁層の形成工程）
次に、第１磁性層２２上にトンネル絶縁層２４を形成する（成膜工程Ｓ２）。トンネル絶縁層２４は例えばスパッタリング装置といった成膜装置を用いて形成され得る。

（加熱工程）
次に、第１磁性層２２及びトンネル絶縁層２４を含む被処理体をマイクロ波加熱又は誘導加熱により加熱する（加熱工程Ｓ３）。被処理体は、基板１２、下地層１４、反強磁性層１６、磁性層１８及び磁性層２０を含み得る。加熱工程Ｓ３は、例えば後述する加熱装置１００又は１００ａによって行われる。

（第２磁性層の形成工程）
次に、トンネル絶縁層２４上に第２磁性層２６を形成する（成膜工程Ｓ４）。第２磁性層２６は例えばスパッタリング装置といった成膜装置を用いて形成され得る。その後、必要に応じて第２磁性層２６上にキャップ層２８を形成する。

本実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法では、加熱工程Ｓ３において、被処理体中の第１磁性層２２又はトンネル絶縁層２４を選択的に加熱することができる。マイクロ波加熱では、透磁率及び誘電率が大きい材料を選択的に加熱することができる。よって、主にトンネル絶縁層２４を選択的に加熱することができる。誘導加熱では、主に第１磁性層２２を選択的に加熱することによって、第１磁性層２２上のトンネル絶縁層２４を加熱することができる。よって、この方法では、トンネル絶縁層２４を短時間で加熱できると共に、加熱後の被処理体の冷却時間も短くできる。したがって、短時間でＭＴＪ素子１０を製造することができるので、スループットが向上する。加熱後の被処理体を冷却すると、被処理体の表面の平滑性が高くなるので、その後の成膜を行い易くなる。

トンネル絶縁層２４を加熱すると、高いＭＲ比及び低いＲＡ（素子抵抗値）を有するＭＴＪ素子１０を製造することができる。これは、トンネル絶縁層２４が例えばＭｇＯ層の場合、加熱により、マグネシウム原子と酸素原子とを反応させ、余剰の遊離酸素原子をＭｇＯから脱離させることができるからと考えられる。

さらに、光による放射加熱、ヒータを用いた熱伝達等の非選択的な加熱方法では、加熱室内にある被処理体以外の部材（例えば加熱室の内壁又は被処理体の載置台等）まで加熱されてしまうので、当該部材からガス（例えばＨ_２Ｏ）が脱離する可能性がある。このような脱離ガスは、ＭＴＪ素子を構成する層に吸着又は反応してＭＴＪ素子を劣化させるおそれがある。また、加熱室内の上記部材の温度変化が大きいので、長期間安定的に高品質のＭＴＪ素子を製造することが困難である。

一方、本実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法では、加熱工程Ｓ３において、被処理体中の第１磁性層２２又はトンネル絶縁層２４を選択的に加熱することができる。よって、脱離ガスによるＭＴＪ素子１０の劣化が抑制される。また、加熱装置内の部材の温度変化が小さいので、長期間安定的に高品質のＭＴＪ素子１０を製造することができる。

図３は、別の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法を示すフローチャートである。図１に示されるＭＴＪ素子１０は、図２に示される方法の加熱工程Ｓ３と成膜工程Ｓ４とを入れ替えることによって製造されてもよい。ＭＴＪ素子１０は、例えば以下の工程を経ることによって製造され得る。成膜工程Ｓ１は省略されてもよい。

（第１磁性層の形成工程）
まず、必要に応じて、基板１２上に下地層１４、反強磁性層１６、磁性層１８及び磁性層２０をこの順に形成する。その後、磁性層２０上に第１磁性層２２を形成する（成膜工程Ｓ１）。

（トンネル絶縁層の形成工程）
次に、第１磁性層２２上にトンネル絶縁層２４を形成する（成膜工程Ｓ２）。

（第２磁性層の形成工程）
次に、トンネル絶縁層２４上に第２磁性層２６を形成する（成膜工程Ｓ４）。

（加熱工程）
次に、第１磁性層２２、トンネル絶縁層２４及び第２磁性層２６を含む被処理体をマイクロ波加熱又は誘導加熱により加熱する（加熱工程Ｓ３）。その後、必要に応じて第２磁性層２６上にキャップ層２８を形成する。

この場合、被処理体中のトンネル絶縁層２４又は第１磁性層２２及び第２磁性層２６を選択的に加熱することができる。マイクロ波加熱では、主にトンネル絶縁層２４を選択的に加熱することができる。誘導加熱では、主に第１磁性層２２及び第２磁性層２６を選択的に加熱することによって、第１磁性層２２及び第２磁性層２６間のトンネル絶縁層２４を加熱することができる。

図４は、一実施形態に係る方法において用いられる加熱装置を模式的に示す断面図である。図４に示される加熱装置１００を用いることによって、上述の加熱工程Ｓ３を実施することができる。

加熱装置１００は、処理容器３０を備える。処理容器３０は、例えば、アルミニウムから構成されており、接地電位に接続されている。処理容器３０は、その内部に空間Ｓを画成している。この処理容器３０の底部には、空間Ｓを減圧するための排気装置３２が、アダプタ３２ａを介して接続されている。空間Ｓ内の真空度は例えば１×１０^−７Ｔｏｒｒ未満である。また、処理容器３０の側壁には、被処理体（以下、「ウエハ」という）Ｗの搬送用の開口ＡＰが形成されており、当該側壁に沿って開口ＡＰを開閉するためのゲートバルブＧＶが設けられている。

処理容器３０内には、載置台３４が設けられている。載置台３４は、ベース部３４ａ及び静電チャック３４ｂを含んでいる。ベース部３４ａは、例えば、アルミニウムから構成されており、略円盤形状を有している。

ベース部３４ａ上には、静電チャック３４ｂが設けられている。静電チャック３４ｂは、誘電体膜と、当該誘電体膜の内層として設けられた電極と、を有する。静電チャック３４ｂの電極には、直流電源ＳＤＣが接続されている。静電チャック３４ｂ上に載置されたウエハＷは、静電チャック３４ｂが発生する静電気力によって、当該静電チャック３４ｂに吸着される。

載置台３４は、載置台駆動機構３６に接続されている。載置台駆動機構３６は、支軸３６ａ及び駆動装置３６ｂを含んでいる。支軸３６ａは、空間Ｓにおいて載置台３４の直下から処理容器３０の底部を通って処理容器３０の外部まで延在している。この支軸３６ａと処理容器３０の底部との間には、封止部材ＳＬが設けられている。封止部材ＳＬは、支軸３６ａが回転及び上下動可能であるように、処理容器３０の底部と支軸３６ａとの間の空間を封止する。このような封止部材ＳＬは、例えば、磁性流体シールであり得る。

支軸３６ａの一端には、載置台３４が結合されており、当該支軸３６ａの他端には駆動装置３６ｂが接続されている。駆動装置３６ｂは、支軸３６ａを回転及び上下動させるための駆動力を発生する。載置台３４は、支軸３６ａが回転することによって軸線ＡＸ中心に回転し、支軸３６ａが上下動することに伴って上下動する。

載置台３４の上方には、加熱源としてのマイクロ波加熱部４０が設けられている。マイクロ波加熱部４０は、処理容器３０の上部に取り付けられる。マイクロ波加熱部４０は、誘電体窓４２及びアンテナ４３を備え得る。処理容器３０の上部には、開口が設けられており、当該開口内には、アンテナ４３が設けられている。また、アンテナ４３の直下には、空間Ｓを封止するように、誘電体窓４２が設けられている。

アンテナ４３は、誘電体窓４２を介して、空間Ｓ内のウエハＷにマイクロ波を供給する。アンテナ４３は、スロット板４４及び誘電体板４６を含んでいる。スロット板４４は複数のスロットが形成された略円盤状の金属板である。誘電体板４６は、マイクロ波の波長を短縮させるものであり、略円盤形状を有している。誘電体板４６は、例えば、石英又はアルミナから構成される。誘電体板４６は、スロット板４４と冷却ジャケット４８の金属製の下面との間に狭持されている。アンテナ４３は、したがって、誘電体板４６、スロット板４４、及び、冷却ジャケット４８の下面によって構成され得る。

マイクロ波加熱部４０は、同軸導波管５０、モード変換器５２、導波管５４、チューナ５６、及びマイクロ波発生器５８を備え得る。マイクロ波発生器５８は、例えば５００ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生器５８は、チューナ５６、導波管５４、及びモード変換器５２を介して、同軸導波管５０の上部に接続されている。同軸導波管５０は、その中心軸線である軸線ＡＸに沿って延在している。同軸導波管５０は、外側導体５０ａ及び内側導体５０ｂを含んでいる。外側導体５０ａは、軸線ＡＸ中心に延在する筒形状を有している。外側導体５０ａの下端は、導電性の表面を有する冷却ジャケット４８の上部に電気的に接続され得る。内側導体５０ｂは、外側導体５０ａの内側に設けられている。内側導体５０ｂは、軸線ＡＸに沿って延びる略円柱形状を有している。内側導体５０ｂの下端は、アンテナ４３のスロット板４４に接続している。

マイクロ波加熱部４０では、マイクロ波発生器５８により発生されたマイクロ波が、同軸導波管５０を通って、誘電体板４６に伝播され、スロット板４４のスロット孔から誘電体窓４２に与えられる。誘電体窓４２は、略円盤形状を有しており、例えば、石英又はアルミナから構成されている。誘電体窓４２は、スロット板４４の直下に設けられている。誘電体窓４２は、アンテナ４３から受けたマイクロ波を透過して、当該マイクロ波を空間Ｓ内に導入する。導入されたマイクロ波はウエハＷに照射される。

加熱工程Ｓ３は、加熱装置１００を用いて例えば以下のように行われる。まず、処理容器３０外から開口ＡＰを通って載置台３４までウエハＷを搬送する。次に、ゲートバルブＧＶにより開口ＡＰを閉じて、排気装置３２を用いて空間Ｓを減圧する。次に、マイクロ波発生器５８によりマイクロ波を発生させて、ウエハＷに照射する。これにより、ウエハＷ中の主にトンネル絶縁層２４を選択的に加熱することができる。次に、ゲートバルブＧＶにより開口ＡＰを開けて、載置台３４から開口ＡＰを通って処理容器３０外にウエハＷを搬送する。このような手順は、加熱装置１００を制御する制御部によって行われる。

図５は、別の実施形態に係る方法において用いられる加熱装置を模式的に示す断面図である。上述の加熱工程Ｓ３は、図４に示される加熱装置１００に代えて図５に示される加熱装置１００ａを用いることによって行われてもよい。

加熱装置１００ａは、マイクロ波加熱部４０を備えず、載置台３４に代えて載置台１３４を備えること以外は加熱装置１００と同じ構成を備える。載置台１３４は、ベース部１３４ａ及び静電チャック３４ｂを含んでいる。静電チャック３４ｂはベース部１３４ａ上に設けられている。ベース部１３４ａは、例えば、アルミニウムから構成されており、略円盤形状を有している。

ベース部１３４ａは、加熱源としての誘導加熱部６０を備える。誘導加熱部６０は、ベース部１３４ａの内部に埋め込まれ得る。誘導加熱部６０は、コイル６２と電源６４とを備える。コイル６２は、誘導磁界を発生する配線であり得る。電源６４は、コイル６２に接続される整合部と、整合部に接続される高周波電源とを含んでもよい。誘導加熱部６０は、整合部及び高周波電源を冷却する冷媒の循環ユニットを含んでもよい。高周波電源の周波数は例えば５０〜５００ｋＨｚである。

加熱装置１００ａでは、電源６４によりコイル６２から誘導磁界を発生させる。これにより、ウエハＷ中の主に第１磁性層２２を選択的に加熱することによって、第１磁性層２２上のトンネル絶縁層２４を加熱することができる。

図６は、別の実施形態に係る方法により製造されるＭＴＪ素子を模式的に示す断面図である。図６に示されるＭＴＪ素子１０ａは、ＭＲＡＭ等のＴＭＲ効果を利用する電子デバイスに用いられる。ＭＴＪ素子１０ａは、例えば垂直磁化方式のＭＴＪ素子である。ＭＴＪ素子１０ａは、ボトムピン構造を有する。ＭＴＪ素子１０ａは、ＭＴＪ素子１０と同様の方法で製造され得る。

ＭＴＪ素子１０ａは、第１磁性層２２、第２磁性層２６及びトンネル絶縁層２４を含む。ＭＴＪ素子１０ａは、基板１２、下部電極層１４ａ、下地層１４ｂ、ピン層１１、中間層１３及び上部電極層２８ａを備え得る。下部電極層１４ａは基板１２上に設けられる。下地層１４ｂは下部電極層１４ａ上に設けられる。ピン層１１は下地層１４ｂ上に設けられる。中間層１３は、ピン層１１上に設けられる。第１磁性層２２は、中間層１３上に設けられる。上部電極層２８ａは、第２磁性層２６上に設けられる。一実施例において、基板１２はＳｉ基板であり、下部電極層１４ａはＴａ／Ｒｕ／Ｔａ−Ｂ．Ｅ．層であり、下地層１４ｂはＰｔ層であり、中間層１３はＴａ層であり、上部電極層２８ａはＴａ／Ｒｕ層である。また、一実施例において、ピン層１１は、［Ｃｏ／Ｐｔ］_４層１１ａ、Ｃｏ層１１ｂ、Ｒｕ層１１ｃ、［Ｃｏ／Ｐｔ］_２層１１ｄ及びＣｏ層１１ｅからなる。

図７は、別の実施形態に係る方法により製造されるＭＴＪ素子を模式的に示す断面図である。図７に示されるＭＴＪ素子１０ｂは、ＭＲＡＭ等のＴＭＲ効果を利用する電子デバイスに用いられる。ＭＴＪ素子１０ｂは、例えば垂直磁化方式のＭＴＪ素子である。ＭＴＪ素子１０ｂは、トップピン構造を有する。ＭＴＪ素子１０ｂは、ＭＴＪ素子１０と同様の方法で製造され得る。

ＭＴＪ素子１０ｂは、第１磁性層２２、第２磁性層２６及びトンネル絶縁層２４を含む。ＭＴＪ素子１０ｂは、基板１２、下部電極層１４ａ、第３磁性層２７、ピン層１１及び上部電極層２８ａを備え得る。下部電極層１４ａは基板１２上に設けられる。第１磁性層２２は下部電極層１４ａ上に設けられる。第３磁性層２７は、トンネル絶縁層２４と第２磁性層２６との間に設けられる。中間層１３は、第２磁性層２６上に設けられる。ピン層１１は、中間層１３上に設けられる。上部電極層２８ａは、ピン層１１上に設けられる。一実施例において、基板１２はＳｉ基板であり、下部電極層１４ａはＴａ層であり、第３磁性層２７はＦｅ層であり、上部電極層２８ａはＴａ層である。また、一実施例において、ピン層１１は、［Ｃｏ／Ｐｄ］_５層１１ｆ、Ｃｏ層１１ｇ、Ｒｕ層１１ｈ及び［Ｃｏ／Ｐｄ］_１４層１１ｉからなる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。各実施形態の構成要素は互いに任意に組み合わせ得る。

例えば、図４に示される加熱装置１００において、マイクロ波加熱部４０を誘導加熱部６０に置き換えてもよいし、ベース部３４ａ内に更なるマイクロ波加熱部４０又は誘導加熱部６０を配置してもよい。また、図５に示される加熱装置１００ａにおいて、誘導加熱部６０をマイクロ波加熱部４０に置き換えてもよい。

さらに、加熱装置１００又は加熱装置１００ａの処理容器３０内の空間Ｓは、第１磁性層２２、トンネル絶縁層２４及び第２磁性層２６のうち少なくとも１つを成膜するための成膜装置の処理容器内の空間と連通してもよい。加熱装置１００又は加熱装置１００ａは、第１磁性層２２、トンネル絶縁層２４及び第２磁性層２６のうち少なくとも１つを成膜するための成膜装置を兼ねてもよい。この場合、処理容器３０内では、加熱工程Ｓだけでなく、成膜工程Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４のうち少なくとも１つも行われる。

１０，１０ａ，１０ｂ…ＭＴＪ素子、２２…第１磁性層、２４…トンネル絶縁層、２６…第２磁性層、Ｗ…ウエハ（被処理体）。

Claims (2)

1. 第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層及び前記第２磁性層の間のトンネル絶縁層と、を含むＭＴＪ素子の製造方法であって、
   前記第１磁性層上に前記トンネル絶縁層を形成する工程と、
   前記第１磁性層及び前記トンネル絶縁層を含む被処理体をマイクロ波加熱又は誘導加熱により加熱する工程と、
   を含む、ＭＴＪ素子の製造方法。
2. 前記トンネル絶縁層上に前記第２磁性層を形成する工程を更に含み、
   前記被処理体が前記第２磁性層を更に含む、請求項１に記載のＭＴＪ素子の製造方法。

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