JP4885769B2 - 磁気抵抗素子の製造方法、磁気デバイスの製造方法、磁気抵抗素子の製造装置および磁気デバイスの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗素子の製造方法、磁気デバイスの製造方法、磁気抵抗素子の製造装置および磁気デバイスの製造装置に関するものである。

ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory ）やＨＤＤ（Hard Disk Drive ）などの磁気デバイスには、磁界に応じて素子抵抗を変化させる磁気抵抗素子が利用されている。磁気抵抗素子としては、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果：Tunneling Magnetoresistive ）を用いることによって数十％以上の高い磁気抵抗変化率（以下単に、ＭＲ比
という。）を得るＴＭＲ素子が知られている。

ＴＭＲ素子は、自発磁化の方向を強固に固定する固定磁性層と、自発磁化の方向を回転可能にする自由磁性層と、固定磁性層と自由磁性層との間に狭入されるトンネルバリア層とを有する。ＴＭＲ素子は、二つの磁性層における相対的な磁化の向きを入力信号によって制御させ、相対的な磁化の向きが同じ方向であるか否かによって素子抵抗を大きく変化させる。そして、ＴＭＲ素子は、入力信号に応じた磁化の方向をメモリ情報として記憶したり、入力磁界に応じた出力電圧をメモリ情報として出力したりする。

ＴＭＲ素子は、携帯端末や電子機器の急速な普及にともない、一層の高集積化と高速化が求められ、微弱な信号を検出するための高いＭＲ比と、処理速度を高速化するための低い素子抵抗とが要求される。ＴＭＲ素子においては、高いＭＲ比と低い素子抵抗とを両立させるものとして、トンネルバリア層に酸化マグネシウム層（ＭｇＯ層）を用いる提案がなされている（例えば、特許文献１）。ＭｇＯ層は、規則的な原子配列を取り易い材料で得られる膜の結晶配向性が（１００）面に優先的に配向し、その配向の度合いが高いほど、電子の直進性を向上させて良好なＴＭＲ効果を発現させる。
特開２００７−４８９７２号公報

ＭｇＯ層の製造方法としては、ＭｇＯを主成分とするターゲットを利用してＭｇＯ層をスパッタ成膜させるマグネトロンスパッタ法が知られている。マグネトロンスパッタ法は、ターゲットの裏面に磁気回路を配設させて、ターゲットの表面から漏れ出る数百（Ｏｅ）の磁場によって、ターゲットの表面に高い密度のプラズマを生成させる。そして、スパッタガスのイオンをターゲットに向けて加速して入射させ、ターゲットからスパッタされるＭｇＯ粒子を基板の表面に付着させて、基板の表面に高純度のＭｇＯ層を堆積させる。

しかしながら、マグネトロンスパッタ法を用いるＭｇＯ層の製造方法においては、従来から、ＭｇＯ層の配向性と各種の成膜パラメータとの関係について検討がなされていない。そのため、マグネトロンスパッタ法においては、基板のサイズに対応させて製造装置のサイズを変更する場合、ＭｇＯ層の配向性の再現性、ひいては、磁気抵抗効果の再現性を十分に得られない問題を招いていた。

本発明は上記問題点を解決するためになされるものであって、その目的は、磁気抵抗効果の再現性を向上させた磁気抵抗素子の製造方法、磁気デバイスの製造方法、磁気抵抗素子の製造装置および磁気抵抗デバイスの製造装置を提供するものである。

本発明者らは、ＭｇＯ層の配向性と各種の成膜パラメータとの関係を検討するなかで、ＭｇＯ層の（１００）面配向は、ターゲットに印加する電力（以下単に、スパッタ電力という。）が小さくなるほど強くなり、また、スパッタ時の圧力（以下単に、スパッタ圧力という。）が低くなるほど強くなることを見出した。

図６は、マグネトロンスパッタ法を用いて形成するＭｇＯ層のＸ線回折スペクトルであって、スパッタ電力が３５０（W ）〜１００（W ）のＸ線回折強度をそれぞれ縦軸方向に沿って等間隔に区切って示す。図７は、マグネトロンスパッタ法を用いて形成するＭｇＯ層のＸ線回折スペクトルであって、スパッタガスの流量が５（sccm ）〜１００（sccm ）のＸ線回折強度をそれぞれ縦軸方向に沿って等間隔に区切って示す。

図６および図７において、それぞれ回折角度２θが４０°付近の位置には、ＭｇＯ層の（２００）面が認められる。ＭｇＯ層の（２００）面配向は、スパッタ電力が３５０（Ｗ）から１００（W ）になるに連れて強くなる。また、ＭｇＯ層の（２００）面配向は、スパッタガスの流量が１００（sccm ）から５（sccm ）になるに連れて、すなわち、スパッタ圧力が低くなるに連れて強くなることが分かる。

一方、スパッタ圧力を過剰に低くすると、一般的に、プラズマの電位が高くなりスパッタ粒子の入射エネルギーを増大させてしまう。高い入射エネルギーのスパッタ粒子は、ＭｇＯ層の原子配列の規則性を低下させて（１００）面配向を弱くさせてしまう。また、スパッタ圧力やスパッタ電力を過剰に低くすると、プラズマの密度が低くなり、放電の不安定化を招いて成膜不良を来たしてしまう。そのため、スパッタ圧力とスパッタ電力の変更だけでは、（１００）面配向の再現性を十分に得られない。

そこで、スパッタ圧力を低くし、かつ、スパッタ電力を低くする条件の下で、プラズマの電位を増加させることなく安定した放電を提供できれば、（１００）面配向に十分な再現性を与えることができると考えられる。

一般的に、マグネトロンスパッタ法においては、ターゲットの表面から漏れ出る水平磁場の強度が数百（Ｏｅ）に設定されている。本発明者らは、ＭｇＯ層の（１００）面配向と成膜パラメータとの関係に基づいて上記水平磁場の強度に着眼し、ＭｇＯターゲットの表面における水平磁場を著しく増大させることにより、（１００）面配向の再現性が向上できることを見出した。

図８は、ターゲットの表面から漏れ出る水平磁場に対して、放電を維持できる下限のスパッタ圧力を示す。図９は、直流マグネトロンスパッタ法を用い、ターゲットの表面から漏れ出る水平磁場の各々に対し、放電を維持できる下限のスパッタ電圧を示す。

図８および図９において、それぞれターゲットの表面から漏れ出る水平磁場を増加させるほど、スパッタ圧力の下限値を低くさせることができ、かつ、スパッタ電圧の下限値を低くさせることができる。すなわち、水平磁場を増加させることによって、スパッタ圧力の下限値を低くでき、かつ、スパッタ電力の下限値を低くできることが分かる。換言すれば、水平磁場を増加させることによって、（１００）面配向が強くなる領域に向けてスパッタ条件を拡張できることが分かる。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、基板に第一の磁性層を形成する工程と、前記第一の磁性層に酸化マグネシウム層を積層する工程と、前記酸化マグネシウム層に第二の磁性層を積層する工程と、を備えた磁気抵抗素子の製造方法であって、前記酸化マグネシウム層を積層する工程は、酸化マグネシウムを主成分とするターゲットの表面から漏れ出る水平磁場が前記ターゲットの表面で２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）になるように、前記ターゲットの表面と磁気回路との間の距離を変更して前記ターゲットをスパッタすること、を要旨とする。

請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造方法によれば、水平磁場を２０００（Ｏｅ）以上にする分だけ、スパッタ圧力の下限値を低くさせることができ、各スパッタ圧力の領域において、それぞれスパッタ電力の下限値を低くさせることができる。したがって、ＭｇＯ層の（１００）面配向が強くなる領域に向けて、ＭｇＯ層のスパッタ条件を拡張させることができる。また、水平磁場を３０００（Ｏｅ）以下に抑える分だけ、不要な磁気回路の拡大を抑制させることができる。したがって、ＭｇＯ層の（１００）面配向が強くなる領域に向けてスパッタ条件を拡張でき、ＭｇＯ層を用いる磁気抵抗素子の磁気抵抗効果の再現性を向上させることができる。

また、この磁気抵抗素子の製造方法によれば、ターゲットの表面と磁気回路との間の距離を変更するだけで、ターゲットの表面に２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）の水平磁場を形成させることができる。したがって、磁気抵抗効果の再現性を簡便な方法で向上させることができる。

上記問題を解決するため、請求項２に記載の発明は、磁気抵抗素子を備えた磁気デバイスの製造方法であって、前記磁気抵抗素子を請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造方法を
用いて製造すること、を要旨とする。

上記問題を解決するため、請求項３に記載の発明は、基板を搬送する搬送部と、前記搬送部に連結し、前記基板に第一の磁性層を形成する第一成膜部と、前記搬送部に連結し、前記第一磁性層に酸化マグネシウム層を積層する第二成膜部と、前記搬送部に連結し、前記酸化マグネシウム層に第二の磁性層を積層する第三成膜部と、を備えた磁気抵抗素子の製造装置であって、前記第二成膜部は、酸化マグネシウムを主成分とするターゲットと、前記ターゲットの表面に水平磁場を形成する磁気回路と、を備え、前記ターゲットの表面から漏れ出る前記水平磁場が前記ターゲットの表面で２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）になるように、前記ターゲットの表面と前記磁気回路との間の距離を変更することを要旨とする。

請求項３に記載の磁気抵抗素子の製造装置によれば、第二成膜部が、水平磁場を２０００（Ｏｅ）以上にする分だけ、スパッタ圧力の下限値を低くさせることができ、各スパッタ圧力の領域において、それぞれスパッタ電力の下限値を低くさせることができる。したがって、ＭｇＯ層の（１００）面配向が強くなる領域に向けて、ＭｇＯ層のスパッタ条件を拡張させることができる。また、水平磁場を３０００（Ｏｅ）以下に抑える分だけ、不要な磁気回路の拡大を抑制させることができ、装置サイズの拡大を抑えることができる。したがって、ＭｇＯ層の（１００）面配向が強くなる領域に向けてスパッタ条件を拡張でき、ＭｇＯ層を用いる磁気抵抗素子の磁気抵抗効果の再現性を向上させることができる。

上記問題を解決するため、請求項４に記載の発明は、磁気抵抗素子を備えた磁気デバイスの製造装置であって、前記磁気抵抗素子を製造するために請求項３に記載の磁気抵抗素子の製造装置を備えたこと、を要旨とする。

上記したように、本発明によれば、磁気抵抗効果の再現性を向上させた磁気抵抗素子の
製造方法、磁気デバイスの製造方法、磁気抵抗素子の製造装置および磁気デバイスの製造装置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）
図１において、磁気抵抗素子１０の基板１１には、下地層１２、固定磁性層１３、トンネルバリア層１４、自由磁性層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（固定磁性層１３）との接続を円滑にする。また、下地層１２は、シード層として機能して上層の結晶配向を規定する。下地層１２は、単層構造に限らず、バッファ層とシード層からなる二層構造であってもよい。この下地層１２としては、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。

固定磁性層１３は、下地層１２に積層されるピニング層１３ａと、ピニング層１３ａに積層されるピン層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の磁化方向は、ピニング層１３ａとの間の相互作用によって一方向に固定される。ピン層１３ｂは、単層構造に限らず、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あってもよい。ピニング層１３ａとしては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎを用いることができる。ピン層１３ｂには、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢを用いることができる。

トンネルバリア層１４は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分とする絶縁膜であって、その厚さ方向にトンネル電流を流す程度の膜厚を有する。トンネルバリア層１４の抵抗値は、固定磁性層１３の自発磁化と自由磁性層１５の自発磁化との相対的な方向が平行であるか、反平行であるかによって変化する。トンネルバリア層１４は、以下に示す磁気デバイスの製造装置を用いて製造される。

自由磁性層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。自由磁性層１５は、自発磁化の方向を回転させて、固定磁性層１３の自発磁化の方向と平行の自発磁化、あるいは、反平行の自発磁化を有する。自由磁性層１５には、ＣｏＦｅの単層構造、あるいは、ＣｏＦｅにＮｉＦｅを積層した積層構造を用いることができる。

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磁性層１５の自発磁化を保護する。また、保護層１６は、自由磁性層１５の表面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の接続を円滑にさせる。保護層１６には、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、または、これらの合金を用いることができる。

なお、本実施形態においては、固定磁性層１３、トンネルバリア層１４、自由磁性層１５が、それぞれ第一の磁性層、酸化マグネシウム層、第二の磁性層を構成する。
（磁気デバイスの製造装置）
次に、磁気デバイスの製造装置を構成する磁気抵抗素子の製造装置２０を、図２〜図４に従って説明する。図２は、磁気抵抗素子の製造装置２０を模式的に示す平面図であり、図３は、酸化マグネシウムチャンバ２４を示す側断面図である。

図２において、磁気抵抗素子の製造装置２０は、搬送部としての搬送チャンバ２１を有する。搬送チャンバ２１には、一対のロードロックチャンバ（以下単に、ＬＬチャンバと
いう。）２２、第一下層チャンバ２３Ａ、第二下層チャンバ２３Ｂ、第三下層チャンバ２３Ｃが連通可能に連結されている。また、搬送チャンバ２１には、酸化マグネシウムチャンバ（以下単に、ＭｇＯチャンバという。）２４、第一上層チャンバ２５Ａ、第二上層チャンバ２５Ｂが連通可能に連結されている。

搬送チャンバ２１は、正八角柱状に形成された有底筒状のチャンバ本体２１ａを有し、そのチャンバ本体２１ａの内部には、内部空間（以下単に、搬送室２１ｓという。）が形成されている。このチャンバ本体２１ａは、その上側が図示しないチャンバリッドに覆われて搬送室２１ｓの真空状態を維持する。搬送チャンバ２１は、搬送室２１ｓに搬送ロボット２１ｂを搭載する。搬送ロボット２１ｂは、ＬＬチャンバ２２が収容する基板１１を搬送室２１ｓに搬入して、第一下層チャンバ２３Ａ、第二下層チャンバ２３Ｂ、第三下層チャンバ２３Ｃ、ＭｇＯチャンバ２４、第一上層チャンバ２５Ａ、第二上層チャンバ２５Ｂの順に基板１１を搬送する。そして、搬送ロボット２１ｂは、成膜処理後の基板１１を第二上層チャンバ２５ＢからＬＬチャンバ２２に搬出する。

ＬＬチャンバ２２は、複数の基板１１を収容するステージを有し、図示しない移載機から移載される複数の基板１１を収容する。ＬＬチャンバ２２は、チャンバ内を所定の圧力まで減圧して搬送チャンバ２１に基板１１を搬入可能にする。また、ＬＬチャンバ２２は、成膜処理後の基板１１を収納し、チャンバ内を大気開放して搬出可能にする。

第一下層チャンバ２３Ａ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。第二下層チャンバ２３Ｂおよび第三下層チャンバ２３Ｃは、それぞれ下地層１２および固定磁性層１３（ピニング層１３ａ、ピン層１３ｂ）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する膜を積層する。第二下層チャンバ２３Ｂは、例えば、ＴａターゲットとＰｔＭｎターゲットを装着して、下地層１２としてのＴａ層と、ピニング層１３ａとしてのＰｔＭｎ層を積層する。第三下層チャンバ２３Ｃは、例えば、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としてのＣｏＦｅ層／Ｒｕ層／ＣｏＦｅＢ層を積層する。

ＭｇＯチャンバ２４は、ＭｇＯを主成分とするターゲットを装着するマグネトロンスパッタ式のスパッタチャンバであり、ＭｇＯを主成分とするトンネルバリア層１４を形成する。

図３において、ＭｇＯチャンバ２４は、搬送チャンバ２１に連結されるチャンバ本体３１を有し、そのチャンバ本体３１の内部に、搬送室２１ｓと連通可能な内部空間（以下単に、スパッタ室３１Ｓという。）を有している。チャンバ本体３１は、供給配管ＩＬを介して、スパッタ室３１Ｓと連通するガス供給部３２を有している。ガス供給部３２は、スパッタガスとしてのアルゴン（Ａｒ）、あるいは、Ａｒと酸素（Ｏ_２）の混合ガスを所定の流量に調整してスパッタ室３１Ｓに供給する。

スパッタ室３１Ｓは、排気配管ＯＬを介して、ターボ分子ポンプやドライポンプなどからなる排気システム３３に連結されている。排気システム３３は、スパッタ室３１Ｓに供給されるＡｒ、あるいはＡｒとＯ_２の混合ガスを排気して、スパッタ室３１Ｓの圧力値を１０^−３（Ｐａ）まで減圧可能にする。

スパッタ室３１Ｓには、基板１１を載置するためのステージ３４が配設されている。ステージ３４は、搬送チャンバ２１から搬入される基板１１を載置して、基板１１をスパッタ室３１Ｓの所定の位置に位置決め固定する。スパッタ室３１Ｓの内壁には、略円筒状に形成される防着板３５が、ステージ３４の上方を囲うように配設されている。防着板３５は、スパッタ室３１Ｓでスパッタ成膜が実行されるとき、スパッタ室３１Ｓの内壁に対し
てスパッタ粒子の付着を防止する。

ステージ３４の直上には、円盤状に形成されたターゲットＴが配設されている。ターゲットＴは、ＭｇＯを主成分とするターゲットである。ターゲットＴの上側には、ターゲット電極３６が配設されている。ターゲット電極３６は、ターゲットＴを基板１１に対向させて、ターゲットＴと基板１１との間の距離を所定の距離に保持させる。ターゲット電極３６は、外部電源ＦＧに接続されて、外部電源ＦＧからの所定の高周波電力をターゲットＴに供給する。ターゲット電極３６は、外部電源ＦＧが高周波電力を供給するとき、スパッタ室３１Ｓにプラズマを生成し、プラズマ空間に対して負電位、すなわちカソードとして機能してターゲットＴをスパッタさせる。

ターゲット電極３６の上側には、磁気回路３７が配設されている。磁気回路３７は、マグネットプレート３８を有し、そのマグネットプレート３８の下側には、外側磁石Ｍ１と内側磁石Ｍ２を搭載している。

マグネットプレート３８は、円盤状に形成されて、その中心がターゲットＴの中心と対向するように配置されている。マグネットプレート３８は、磁気回路３７に内設される回転モータＭの駆動軸に駆動連結されて、回転モータＭが駆動するときに、マグネットプレート３８の中心を回転中心にして回転運動する。

外側磁石Ｍ１と内側磁石Ｍ２は、それぞれネオジウム−鉄−ボロン系の磁石であり、マグネットプレート３８の回転軸に対して偏心したリング状に形成されて、外側磁石Ｍ１が、内側磁石Ｍ２の周りを囲うように配設されている。外側磁石Ｍ１の下側（ターゲットＴ側）の磁極と内側磁石Ｍ２の下側（ターゲットＴ側）の磁極とは、ターゲットＴの表面から所定の距離（例えば、１０（ｍｍ））だけ上方に離間する位置に配設されて、それぞれが逆極性を有する。例えば、外側磁石Ｍ１の下側の磁極がＳ極であり、内側磁石Ｍ２の下側の磁極はＮ極である。そして、内側磁石Ｍ２の下側の磁極から出る磁力線は、ターゲットＴを介してスパッタ室３１Ｓに入り、ターゲットＴの表面近傍で湾曲して、外側磁石Ｍ１の下側の磁極に入る。

すなわち、外側磁石Ｍ１と内側磁石Ｍ２は、ターゲットＴの表面に漏洩磁場を形成し、ターゲットＴの面方向に沿う磁場（以下単に、水平磁場という。）をターゲットＴの表面に形成する。外側磁石Ｍ１と内側磁石Ｍ２が形成する水平磁場は、回転モータＭが回転するとき、ターゲットＴの表面の全体にわたり走査される。外側磁石Ｍ１と内側磁石Ｍ２が形成する水平磁場は、ターゲット電極３６がスパッタ室３１Ｓにプラズマを生成するとき、ターゲットＴの表面近傍にプラズマを捕捉させてプラズマ密度を増加させる。

この際、外側磁石Ｍ１と内側磁石Ｍ２は、ターゲットＴの表面において、水平磁場の強度が２０００（Ｏｅ）以上であって、かつ、３０００（Ｏｅ）以下となる漏洩磁場を形成する。例えば、内側磁石Ｍ２および外側磁石Ｍ１は、それぞれ外側磁石Ｍ１の下側の磁極とターゲットＴの表面との間の距離、または、内側磁石Ｍ２の下側の磁極とターゲットＴの表面との間の距離を調整することによって、ターゲットＴの表面における水平磁場の強度を２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）にする。これによって、ＭｇＯチャンバ２４は、水平磁場の強度を２０００（Ｏｅ）以上にする分だけ、スパッタ圧力の下限値を低くさせることができ、かつ、スパッタ電力の下限値を低くさせることができる。この結果、ＭｇＯチャンバ２４は、ＭｇＯ層の（１００）面配向を強くする領域に向けてスパッタ条件を拡張させることができる。

ＭｇＯチャンバ２４は、基板１１がスパッタ室３１Ｓに搬入されるとき、ガス供給部３
２に所定の流量のスパッタガスを供給させ、排気システム３３にスパッタ室３１Ｓを所定の圧力値に減圧させる。この状態において、ＭｇＯチャンバ２４は、回転モータＭを駆動してターゲットＴの表面に強度が２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）となる水平磁場を形成し、外部電源ＦＧに所定の電力を印加させ、高密度のプラズマによってターゲットＴをスパッタさせる。スパッタされるＭｇＯ粒子は、基板１１の表面に入射して基板１１の表面にＭｇＯ層を形成する。

図２において、第一上層チャンバ２５Ａおよび第二上層チャンバ２５Ｂは、それぞれ自由磁性層１５および保護層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。第一上層チャンバ２５Ａは、例えば、ＣｏＦｅターゲットを装着して自由磁性層１５としてのＣｏＦｅ層を積層する。第二上層チャンバ２５Ｂは、例えば、Ｔａターゲットを装着して保護層１６としてのＴａ層を積層する。

なお、本実施形態においては、第二下層チャンバ２３Ｂおよび第三下層チャンバ２３Ｃが第一成膜部を構成し、ＭｇＯチャンバ２４が第二成膜部を構成し、第一上層チャンバ２５Ａおよび第二上層チャンバ２５Ｂが第三成膜部を構成する。

（磁気デバイスの製造方法）
次に、上記製造装置２０を利用した磁気デバイスの製造方法について説明する。
まず、複数の基板１１が、ＬＬチャンバ２２にセットされる。製造装置２０は、ＬＬチャンバ２２および搬送チャンバ２１を駆動してＬＬチャンバ２２の基板１１を第一下層チャンバ２３Ａ、第二下層チャンバ２３Ｂ、第三下層チャンバ２３Ｃの順に搬送する。製造装置２０は、基板１１を第一下層チャンバ２３Ａに搬入すると、第一下層チャンバ２３Ａを駆動して基板１１の表面を洗浄させる。また、製造装置２０は、基板１１を第二下層チャンバ２３Ｂに搬入すると、第二下層チャンバ２３Ｂを駆動して基板１１の表面に下地層１２および固定磁性層１３を積層する。

製造装置２０は、基板１１に固定磁性層１３を積層すると、基板１１を第三下層チャンバ２３Ｃから搬出してＭｇＯチャンバ２４に搬入する。製造装置２０は、基板１１をＭｇＯチャンバ２４に搬入すると、ＭｇＯチャンバ２４を駆動して固定磁性層１３の上側にＭｇＯを主成分とするトンネルバリア層１４を積層する。この際、磁気回路３７が、ターゲットＴの表面に２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）の水平磁場を形成させるため、ＭｇＯチャンバ２４は、そのスパッタ圧力の下限値を低くさせることができ、かつ、スパッタ電力の下限値を低くさせることができる。すなわち、ＭｇＯチャンバ２４は、ＭｇＯ層の（１００）面配向を強くする領域に向けてスパッタ条件を拡張させることができる。

製造装置２０は、固定磁性層１３の上側にトンネルバリア層１４を積層すると、基板１１をＭｇＯチャンバ２４から搬出して第一上層チャンバ２５Ａ、第二上層チャンバ２５Ｂの順に搬送する。製造装置２０は、基板１１を第一上層チャンバ２５Ａに搬入すると、第一上層チャンバ２５Ａを駆動してトンネルバリア層１４の上側に自由磁性層１５を積層する。また、製造装置２０は、基板１１を第二上層チャンバ２５Ｂに搬入すると、第二上層チャンバ２５Ｂを駆動して自由磁性層１５の上側に保護層１６を積層する。

製造装置２０は、保護層１６を積層すると、基板１１を第二上層チャンバ２５Ｂから搬出してＬＬチャンバ２２に搬入する。製造装置２０は、以後同様に、第一、第二、第三下層チャンバ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ、ＭｇＯチャンバ２４、第一および第二上層チャンバ２５Ａ，２５Ｂをそれぞれ駆動し、全ての基板１１に対して、下地層１２、固定磁性層１３、トンネルバリア層１４、自由磁性層１５、保護層１６を積層し、ＬＬチャンバ２２に搬入する。全ての基板１１に対して成膜処理を終了すると、製造装置２０は、ＬＬチャン
バ２２を大気開放し、全ての基板１１を製造装置２０の外部に搬出させる。

（実施例）
次に、実施例をあげて本発明の効果を説明する。
シリコン酸化膜を有したシリコン基板を基板１１として用い、基板１１を、第一、第二、第三下層チャンバ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃに順に搬送し、下地層１２としてＴａ層を形成し、固定磁性層１３としてＰｔＭｎ／Ｃｏ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢからなる積層構造を形成した。

続いて、基板１１をＭｇＯチャンバ２４に搬送し、固定磁性層１３の上側にＭｇＯ層を積層した。この際、ターゲットＴとして直径が１００（mm ）、厚さが５（mm ）のＭｇＯターゲットを用い、スパッタ電力としてターゲットＴに２００（W ）の高周波電力を供給した。また、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタ圧力が１．２×１０^−２（Pa ）
〜２．４×１０^−１（Pa ）になるようにＡｒの流量を調整した。そして、ターゲットＴ
の表面における水平磁場の強度を２０００（Ｏｅ）と２６００（Ｏｅ）に設定した。

次いで、基板１１を第一、第二上層チャンバ２５Ａ，２５Ｂに搬送し、自由磁性層１５としてＣｏＦｅＢ層を形成し、保護層１６としてＴａ層を形成し、実施例としての２つの磁気抵抗素子１０を得た。そして、磁気抵抗効果測定装置を用い、各実施例の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）をそれぞれ計測した。実施例のＭＲ比を図４に示す。

（比較例）
ＭｇＯチャンバ２４において、ターゲットＴの表面における水平磁場の強度を８００（Ｏｅ）と１７５０（Ｏｅ）に設定し、その他の条件を実施例と同じにして比較例としての２つ磁気抵抗素子１０を得た。そして、磁気抵抗効果測定装置を用い、各比較例のＭＲ比を計測した。比較例のＭＲ比を図４に示す。

図４は、水平磁場の強度とＭＲ比の関係を示す図である。
図４において、磁気抵抗素子１０のＭＲ比は、水平磁場が２０００（Ｏｅ）未満の領域（比較例）において２００％未満の値を示し、水平磁場が大きくなるに連れてその値を直線的に増加させることが分かる。また、磁気抵抗素子１０のＭＲ比は、水平磁場が２０００（Ｏｅ）以上の領域（実施例）において２００％以上の値を示し、水平磁場の増加に関わらずその値を略一定にさせることが分かる。

すなわち、水平磁場の強度を２０００（Ｏｅ）以上にする分だけ、磁気抵抗素子１０のＭＲ比を向上させることができ、その値を安定させることができる。ひいては、ＭＲ比が２００％以上となる磁気抵抗素子１０を、高い再現性の下で製造させることができる。

（磁気デバイス）
次に、上記磁気デバイスの製造方法を用いて製造した磁気デバイスとしての磁気メモリについて説明する。図５は、磁気メモリ４０を示す概略断面図である。

磁気メモリ４０の基板１１には、薄膜トランジスタＴｒが形成されている。薄膜トランジスタＴｒの拡散層ＬＤは、コンタクトプラグＣＰ、配線ＭＬ、下部電極層４１を介して磁気抵抗素子１０に接続されている。

磁気抵抗素子１０は、下部電極層４１の上側に積層される固定磁性層１３と、固定磁性層１３に積層されるトンネルバリア層１４と、トンネルバリア層１４に積層される自由磁性層１５とからなるＴＭＲ素子である。

磁気抵抗素子１０の下側には、下部電極層４１の下方に離間するワード線ＷＬが配設されている。ワード線ＷＬは、紙面に対して垂直方向に延びる帯状に形成されている。また、磁気抵抗素子１０の上側には、ワード線ＷＬと直交する方向に延びる帯状のビット線ＢＬが配設されている。すなわち、磁気抵抗素子１０は、互いに直交するワード線ＷＬとビット線ＢＬとの間に配設されている。

磁気抵抗素子１０は、下部電極層４１の上側に、固定磁性層１３、トンネルバリア層１４、自由磁性層１５を積層し、これら固定磁性層１３、トンネルバリア層１４、自由磁性層１５にエッチングを施すことによって形成されている。固定磁性層１３、トンネルバリア層１４、自由磁性層１５は、それぞれ上記磁気抵抗素子の製造装置２０を用いて形成されている。したがって、磁気メモリ４０は、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗効果に高い再現性を与えることができ、その生産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）上記実施形態において、磁気抵抗素子の製造装置２０は、磁気回路３７を用いてターゲットＴの表面に漏洩磁場を形成し、ターゲットＴの表面における水平磁場の強度を２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）にする。そして、トンネルバリア層１４を積層するとき、表面における水平磁場が２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）の下で酸化マグネシウムを主成分とするターゲットＴをスパッタさせる。

したがって、水平磁場を２０００（Ｏｅ）以上にする分だけ、スパッタ圧力の下限値を低くさせることができ、かつ、スパッタ電力の下限値を低くさせることができる。よって、ＭｇＯ層の（１００）面配向が強くなる領域に向けてスパッタ条件の範囲を拡張させることができる。この結果、所定のＭＲ比を得るためのスパッタ条件の範囲を拡張させることができる。ひいては、磁気抵抗効果の再現性を向上させることができる。

（２）また、上記実施形態によれば、ＭＲ比が安定する領域においてＭｇＯ層を形成させることができる。この結果、高いレベルのＭＲ比を安定して提供させることができ、磁気抵抗効果の再現性をさらに向上させることができる。

（３）また、水平磁場を３０００（Ｏｅ）以下に抑える分だけ、磁気回路３７の不要な拡大を避けることができ、製造装置２０の大型化を抑制させることができる。
（４）上記実施形態においては、ターゲットＴの表面における水平磁場の強度が２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）になるように、ターゲットＴの表面と外側磁石Ｍ１との間の距離、または、ターゲットＴと内側磁石Ｍ２との間の距離を変更させる。したがって、ＭｇＯチャンバ２４の大規模な変更をともなうことなく、磁気抵抗効果の再現性を簡便な方法で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。
・上記実施形態においては、スパッタ室３１Ｓにおける垂直磁場の積分値がゼロであってもよい。あるいは、スパッタ室３１Ｓにおける垂直磁場の積分値がゼロでない値を有する、いわゆるアンバランスドマグネトロン方式であってもよい。すなわち、本発明は、垂直磁場の強度に限定されるものではなく、ターゲットＴの表面において水平磁場が２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）となる構成であればよい。

・上記実施形態においては、磁気デバイスを磁気メモリ４０に具体化した。これに限らず、例えば、磁気デバイスをＨＤＤの読み取りヘッドに具体化してもよい。

本実施形態の磁気抵抗素子を示す側断面図。 同じく、磁気デバイスの製造装置を模式的に示す平面図。 同じく、ＭｇＯチャンバを示す側断面図。 同じく、水平磁場と磁気抵抗変化率の関係を示す図。 同じく、磁気メモリを示す側断面図。 同じく、ＭｇＯの配向性とスパッタ圧力の関係を示すＸ線回折スペクトル。 同じく、ＭｇＯの配向性とスパッタ電力の関係を示すＸ線回折スペクトル。 同じく、スパッタ圧力と水平磁場の関係を示す図。 同じく、スパッタ電力と水平磁場の関係を示す図。

符号の説明

Ｔ…ターゲット、…１０磁気抵抗素子、１１…基板、２０…磁気デバイスの製造装置、３７…磁気回路、４０…磁気デバイスを構成する磁気メモリ。

Claims (4)

1. 基板に第一の磁性層を形成する工程と、
   前記第一の磁性層に酸化マグネシウム層を積層する工程と、
   前記酸化マグネシウム層に第二の磁性層を積層する工程と、
   を備えた磁気抵抗素子の製造方法であって、
   前記酸化マグネシウム層を積層する工程は、酸化マグネシウムを主成分とするターゲットの表面から漏れ出る水平磁場が前記ターゲットの表面で２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）になるように、前記ターゲットの表面と磁気回路との間の距離を変更して前記ターゲットをスパッタすること、
   を特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
2. 磁気抵抗素子を備えた磁気デバイスの製造方法であって、
   前記磁気抵抗素子を請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造方法を用いて製造すること、を特徴とする磁気デバイスの製造方法。
3. 基板を搬送する搬送部と、
   前記搬送部に連結し、前記基板に第一の磁性層を形成する第一成膜部と、
   前記搬送部に連結し、前記第一磁性層に酸化マグネシウム層を積層する第二成膜部と、
   前記搬送部に連結し、前記酸化マグネシウム層に第二の磁性層を積層する第三成膜部と、を備えた磁気抵抗素子の製造装置であって、
   前記第二成膜部は、
   酸化マグネシウムを主成分とするターゲットと、
   前記ターゲットの表面に水平磁場を形成する磁気回路と、
   を備え、前記ターゲットの表面から漏れ出る前記水平磁場が前記ターゲットの表面で２０００（Ｏｅ）〜３０００（Ｏｅ）になるように、前記ターゲットの表面と前記磁気回路との間の距離を変更することを特徴とする磁気抵抗素子の製造装置。
4. 磁気抵抗素子を備えた磁気デバイスの製造装置であって、
   前記磁気抵抗素子を製造するために請求項３に記載の磁気抵抗素子の製造装置を備えたこと、
   を特徴とする磁気デバイスの製造装置。

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