JP5100403B2 - 磁気トンネル接合素子およびその製造方法 - Google Patents

磁気トンネル接合素子およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基体上にシード層を介して設けられた磁気抵抗効果膜を備えた磁気トンネル接合素子およびその製造方法に関する。
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random-Access Memory）デバイスや磁気再生ヘッドなどの磁気デバイスに搭載される磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction）素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunneling Magneto-resistance）効果を利用したものであり、薄い非磁性絶縁層によって分離された２つの強磁性層を含む積層体（ＭＴＪスタック）を備えている。ＭＴＪ素子の下地となる層はシード層と呼ばれ、一般的に、ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ）からなる単層構造、あるいはタンタル（Ｔａ）層とニッケルクロム（ＮｉＣｒ）層との２層構造を有している。また、ＭＴＪスタックは、シード層の上に反強磁性層（ＡＦＭ層）、強磁性ピンド層、トンネルバリア層、強磁性フリー層およびキャップ層（保護層）が順に積層される構造が一般的である。強磁性ピンド層は磁気モーメントを有しており、その磁気モーメントは隣接する反強磁性層との間に存在する交換結合磁界によって、例えばＸ方向に固着されている。その場合、反強磁性層はＸ方向に沿って磁化されている。強磁性ピンド層の上に設けられたトンネルバリア層は、通常、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの誘電体材料からなり、その厚みは非常に薄く、量子力学的なトンネル効果によって決定されるトンネル電流が流れる程度になっている。強磁性フリー層も磁気モーメントを有しており、その磁気モーメントは強磁性ピンド層の磁気モーメントと互いに平行あるいは逆平行をなしている。強磁性フリー層の磁気モーメントは外部磁界に応じて変化し、強磁性ピンド層の磁気モーメントとの相対的な向きがトンネル接合抵抗を決定するので、結果としてトンネル電流（センス電流）が変化することとなる。ＭＴＪスタックを流れるトンネル電流の方向は積層面に垂直であり、強磁性フリー層の磁気モーメントと強磁性ピンド層の磁気モーメントとが互いに平行な状態（例えば記憶状態“１”）のときに比較的低い抵抗値が検出され、フリー層の磁気モーメントとピンド層の磁気モーメントとが互いに逆平行な状態（例えば記憶状態“０”）のときに比較的高い抵抗値が検出される。
ＭＲＡＭデバイスでは、ＭＴＪ素子は互いに直交する下部導体（第１の導線）と上部導体（第２の導線）との間に設けられる。ＭＲＡＭデバイスにおいて読出動作を行う際には、ＭＴＪ素子に対しＭＴＪスタックの積層面に垂直な方向にセンス電流を流してＭＴＪ素子の磁化状態（抵抗レベル）を検出することで、ＭＲＡＭセルとしてのＭＴＪスタックに格納された情報が読み出される。一方、書込動作の際には、強磁性フリー層の磁化状態を適切に変化させることでＭＲＡＭセル（ＭＴＪスタック）に情報が書き込まれる。強磁性フリー層の磁化状態は、互いに直交するビット線およびワード線（下部導体および上部導体）に電流を流すことで所定の磁界を形成することで変化させる。
ＭＴＪ素子が優れたデバイス特性を発揮するものであるかどうかについては、高い抵抗変化率ｄＲ／Ｒを示すか否かが１つの指針となる。ここでＲはＭＴＪ素子の最小抵抗であり、ｄＲは、強磁性フリー層の磁化状態が変化する際の、ＭＴＪ素子における抵抗の最大変化量である。抵抗変化率ｄＲ／Ｒのほか、ＭＴＪスタックにおける面積と抵抗との積（面積抵抗）ＲＡや破壊電圧（breakdown voltage）Ｖｂといった特性値も重要な項目である。ＭＲＡＭデバイスに用いられるＭＴＪ素子において、例えば１００００（Ω×μｍ2）程度の高い面積抵抗ＲＡを得るには大きな面積Ａであればよいが、より狭い面積Ａでは面積抵抗ＲＡも小さくなってしまう。一方、Ｒはあまり高いとＭＴＪ素子と接続されるトランジスタの抵抗率との整合性がとれなくなってしまう。こうしたことを考慮しつつ、面積抵抗ＲＡ、抵抗変化率ｄＲ／Ｒ、破壊電圧Ｖｂといった特性値が所望の値となるようにすることが重要である。
また、ＭＴＪ素子は、ＭＲＡＭデバイスの分野に限らず、ＴＭＲセンサヘッドに採用される。その場合、トンネルバリア層としては、厚みが極めて薄く、非常に小さな面積抵抗ＲＡを有するものが要求される。さらに、ＭＴＪ素子に要求される他の磁気特性として、強磁性ピンド層と強磁性フリー層との間における層間結合磁界Ｈinが小さいことが挙げられる。また、反強磁性層と強磁性ピンド層との間の交換結合磁界Ｈexは、ピンド層の磁化を適切な方向に維持するために極めて重要であり、強固なものであることが要求される。
上記のようなＭＲＡＭデバイスやＴＭＲセンサヘッドに搭載されるＭＴＪ素子が良好な（所望の）特性を発揮するかどうかは、ＭＴＪスタックの下地となるシード層が重要な役割を果たすと考えられている。従来、例えば特許文献１にあるように、ニッケル鉄ハフニウム合金（ＮｉＦｅＨｆ）からなるシード層と、クロム（Ｃｒ），ロジウム（Ｒｈ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ），ニオブ（Ｎｂ），ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１種、またはニッケル合金からなる下地層とを含む交換結合膜を有する磁気抵抗効果素子が開示されている。また、特許文献２には、上記特許文献１と同様のシード層を、クロムの含有率の高いニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ）からなり表面の湿潤性に優れるシード層の上に設けるようにしたデバイスが開示されている。また、特許文献３および特許文献４には、交換結合膜に関する記載がある。その交換結合膜は、クロム，ロジウム，タンタル，ハフニウム，ニオブ，ジルコニウムおよびチタンのうちの少なくとも１種を含むシード層を有するものである。
米国特許第７１２３４５３号明細書 米国特許第７０９２２２２号明細書 米国特許第７０７７９３６号明細書 米国特許第７０６３９０４号明細書
しかしながら、面積抵抗ＲＡ、抵抗変化率ｄＲ／Ｒ、破壊電圧Ｖｂといった特性値が要求される所定値を満たすようなＭＴＪスタックを安定して得るには、シード層のさらなる改善が必要である。例えば、Ｔａ＼ＮｉＣｒまたはＴａ＼ＮｉＦｅＣｒなどの積層構造を有するシード層においては、タンタル層の上に形成されるＮｉＣｒ層やＮｉＦｅＣｒ層の結晶成長は、タンタル層の表面状態に敏感であるうえ、タンタルがα相であるかβ相であるか、タンタルが部分的に酸化されているかどうかにも依存する。シード層の上に設けられるＭＴＪスタックにおける一貫して安定した結晶成長のためには、シード層をより進化した構成とする必要がある。そのような、より進化したシード層は、ＭＴＪスタックを構成する各層をより均質性の高いものとし、ＭＴＪ素子のパフォーマンスを高めることとなるであろう。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、より良好な磁気特性を発現する磁気トンネル接合素子、およびその製造方法を提供することにある。
本発明の第１の磁気トンネル接合素子は、基体上に、シード層と積層構造をなすトンネル接合型の磁気抵抗効果膜とを順に備え、シード層が、基体の側から、タンタルからなる下部層と、ハフニウムからなる中間層と、ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層とを順に含むようにしたものである。
本発明の第２の磁気トンネル接合素子は、基体上に、シード層と、このシード層の側からイリジウムマンガン合金からなる反強磁性層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、フリー層と、キャップ層とが順に積層されてなるトンネル接合型の磁気抵抗効果膜とを順に備えるようにしたものである。シード層は、基体の側から、タンタル層と、ハフニウム層と、ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層とが順に積層されたものである。
本発明の第１または第２の磁気トンネル接合素子では、上記のような３層構造を含むシード層の上に磁気抵抗効果膜（ＭＴＪスタック）が形成されるので、シード層の上に形成される磁気抵抗効果膜のスムーズな結晶成長が促され、磁気抵抗効果膜の各層がそれぞれ均質な結晶構造を有するものとなる。
本発明の第１の磁気トンネル接合素子では、基体は、例えば磁気ランダムアクセスメモリデバイスにおける下部電極、またはトンネル接合型再生ヘッドにおけるシールド層である。また、下部層の厚みが０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるとよい。また、中間層は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有することが望ましい。さらに、上部層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有することが望ましい。
本発明の第１の磁気トンネル接合素子の製造方法は、基体上に、タンタルからなる下部層と、ハフニウムからなる中間層と、ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層とを順に積層してシード層を形成する工程と、このシード層の上に、積層構造をなすトンネル接合型の磁気抵抗効果膜を形成する工程とを含むようにしたものである。
本発明の第２の磁気トンネル接合素子の製造方法は、基体上に、タンタル層と、ハフニウム層と、ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層とを順に積層してシード層を形成する工程と、このシード層の上に、イリジウムマンガン合金からなる反強磁性層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、フリー層と、キャップ層とを順に積層することで磁気抵抗効果膜を形成する工程とを含むようにしたものである。
本発明の第１または第２の磁気トンネル接合素子の製造方法では、上記のような３層構造を含むシード層の上に磁気抵抗効果膜が形成されるので、磁気抵抗効果膜のスムーズな結晶成長が促され、磁気抵抗効果膜の各層がそれぞれ均質な結晶構造を有するものとなる。
本発明の第１の磁気トンネル接合素子の製造方法では、スパッタ蒸着用チャンバと酸化処理用チャンバとエッチング処理用チャンバとを全て備えたスパッタ蒸着装置を用いてシード層および磁気抵抗効果膜を形成することが望ましい。
本発明の磁気トンネル接合素子によれば、下部層と、中間層と、＜１１１＞方向の結晶成長を促進する作用をもたらす上部層を含むシード層の上に磁気抵抗効果膜を設けるようにしたので、磁気抵抗効果膜を構成する各層がそれぞれ均質化された結晶構造を有するものとなり、より優れた磁気特性を安定して発揮することができる。また、本発明の第１および第２の磁気トンネル接合素子の製造方法によれば、上記のような磁気トンネル接合素子を再現性良く製造することができる。
本発明は、磁気デバイスに搭載される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の磁気特性を向上させる効果を発揮する複数の層からなるシード層に関するものである。以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明における第１の実施の形態としてのトンネル接合型（ＴＭＲ）再生ヘッド（以下、単にＴＭＲヘッドという。）１の断面を表している。図１に示したように、ＴＭＲヘッド１は、複数の磁性層の積層体であり側壁２１を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子２と、そのＭＴＪ素子２を積層方向において挟むように設けられた下部シールド層１０および上部シールド層２５とを備えている。下部シールド層１０は、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）からなる下層と、α相のタンタルが窒化したα−ＴａＮからなる上層との２層構造を有している。一般に、下部シールド層１０は、ＡｌＴｉＣなどによって構成される基体の上に設けられている。上部シールド層２５は、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）によって構成されている。ＭＴＪ素子２の両隣に位置し、下部シールド層１０および上部シールド層２５に挟まれた空間領域には、側壁２１から下部シールド層１０の上面に亘って延在する第１の誘電体層２２と、第１の誘電体層２２の上に設けられたハードバイアス層２３と、このハードバイアス層２３を覆う第２の誘電体層２４とが充填されている。第１および第２の誘電体層２２，２４はいずれも酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）などからなり、ハードバイアス層２３は、例えばチタンタングステン合金（ＴｉＷ）層とコバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ）層とタンタル（Ｔａ）層とが順に積層された３層構造（ＴｉＷ＼ＣｏＣｒＰｔ＼Ｔａ）を有するものである。ハードバイアス層２３は、フリー層１８（後出）の単磁区化を図るためのバイアス磁界を付与するものである。
図２は、ＭＴＪ素子２を拡大して表す断面図である。ＭＴＪ素子２は、シード層１４の上にＭＴＪスタック（トンネル接合型の磁気抵抗効果膜）３が設けられたものである。ＭＴＪスタック３は、下部シールド層１０の上に、シード層１４、反強磁性層１５、シンセティック逆平行（ＳｙＡＰ：synthetic anti-parallel ）ピンド層１６、トンネルバリア層１７、フリー層１８およびキャップ層１９が順に連続して形成された構造を有している。
シード層１４は、下部シールド層１０の上に、下部層１１と、中間層１２と、上部層１３とが順に積層された複合層である。下部層１１は、例えばタンタル（Ｔａ），ジルコニウム（Ｚｒ）もしくはクロム（Ｃｒ）などの金属、またはそれらの合金からなり、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有するものである。下部層１１は、それを覆う中間層１２における＜１１１＞の方位の結晶成長を促すように作用する。中間層１２は、ニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ）および銅（Ｃｕ）よりも電気陰性度（electronegativity）の小さな材料、具体的にはハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム，クロム，ハフニウムジルコニウム合金（ＨｆＺｒ）およびハフニウムクロム合金（ＨｆＣｒ）のうちの少なくとも１種を含む材料からなり、例えば０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有する。中間層１２は、その上に設けられる上部層１３の＜１１１＞方向の結晶成長を促す作用を発揮する。また、上部層１３は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みをなし、下部層１１および中間層１２とは異なる金属もしくは合金、具体的にはＮｉＦｅ（ニッケル含有率が３０原子％以上、望ましくは８０原子％以上）もしくはニッケルなどによって構成されている。あるいは、上部層１３は、三元合金であるＮｉＦｅＸ（Ｘは、クロム，コバルトまたは銅のいずれかである）によって構成されていてもよいし、面心立方構造を有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）または銅によって構成されていてもよい。このような上部層１３は、自らの上に形成される反強磁性層１５における＜１１１＞方向の結晶成長を促進するように機能する。
上記したように、中間層１２は、ハフニウムなどの、ニッケル、鉄、コバルトおよび銅よりも低い電気陰性度を有するので、すなわち、高い酸化電位（oxidation potential）を有するので、ニッケル、鉄、コバルトおよび銅などを含んでなる上部層１３から効果的に酸素除去を行うことができる。中間層１２が上部層１３から酸素を除去することによって上部層１３と反強磁性層１５との間で明確な境界を形成する作用があると推定される。さらに、上部層１３は、自らの酸素含有率が低下することで導電率が向上するので、ＭＴＪ素子２における抵抗変化率ｄＲ／Ｒの向上が見込まれる。なお、電気陰性度は、ポーリング・スケール（インターネット＜URL：http://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table＞を参照のこと。）によって求められる。
反強磁性層１５は、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）からなり、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下（５０Å以上１００Å以下）の厚みを有することが望ましい。あるいは、白金マンガン合金（ＭｎＰｔ）からなり、８ｎｍ以上２０ｎｍ以下（８０Å以上２００Å以下）の厚みを有するようにしてもよい。上記のほか、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ），ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ），パラジウムマンガン合金（ＰｄＭｎ），ルテニウムロジウムマンガン合金（ＲｕＲｈＭｎ），マンガン白金パラジウム合金（ＭｎＰｔＰｄ）などを用いることもできる。反強磁性層１５は、例えばＹ軸方向（＋Ｙ方向および−Ｙ方向）に沿って配列された磁化を有している。反強磁性層１５は、その上に隣接して設けられるＳｙＡＰピンド層１６の磁化方向を固定するように作用する。
ＳｙＡＰピンド層１６は、例えば反強磁性層１５の側から「第２ピンド層＼結合層＼第１ピンド層」という３層構造をなしている。反強磁性層１５の上に形成される第２ピンド層は、例えばＣｏＦｅからなり、１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下（１５Å以上３０Å以下）の厚みを有することが望ましい。第１ピンド層は、例えば、鉄の含有率が２５〜５０原子％のＣｏＦｅからなり、１．０ｎｍ以上２．５ｎｍ以下（１０Å以上２５Å以下）の厚みを有することが望ましい。第１ピンド層および第２ピンド層は、各々の磁気モーメントが互いに逆平行をなすように固定されている。また、第１ピンド層の厚みと第２ピンド層の厚みとは、わずかに異なっており、その厚みの僅かな差が（ＳｙＡＰピンド層１６における）小さなネット磁気モーメントを生み出している。第１ピンド層と第２ピンド層との交換結合は、結合層によって促進される。結合層は、例えばルテニウムからなり、０．７５ｎｍ（７．５Å）の厚みを有していることが好ましい。さらに、第１ピンド層は、鉄タンタル酸化物（ＦｅＴａＯ）やコバルト鉄酸化物（ＣｏＦｅＯ）などからなるナノ酸化層（ＮＯＬ：nano-oxide layer）が２つのＣｏＦｅ層によって挟まれた積層構造であってもよい。このようなナノ酸化層は、ＡＰ１層（第１ピンド層）の平滑性（均質性）を向上させるように機能する。
ＳｙＡＰピンド層１６の上には、トンネルバリア層１７として、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化チタン（ＴｉＯｘ）などの酸化金属層が形成されている。このトンネルバリア層１７は、例えば、０．５〜０．６ｎｍの厚みのアルミニウム層をＳｙＡＰピンド層１６の上に形成したのち、続けて酸化処理することで得られる。その酸化処理は、スパッタ蒸着装置の酸化チャンバの内部で、格子状（grid-like）のキャップを上部イオン化（ionizing）電極とアルミニウム層との間に配置された状態で、プラズマ酸化プロセスを含むその場（in-situ）ラジカル酸化（ＲＯＸ）処理によって行われる。最終的に得られる酸化アルミニウムからなるトンネルバリア層１７は、例えば０．７ｎｍ〜１．１ｎｍの厚みを有し、優れた平滑性と均質性とを有するものとなる。これは、平滑で緻密な結晶からなるシード層１４と、結晶構造が＜１１１＞方向の結晶方位を有する反強磁性層１５およびＳｙＡＰピンド層１６との上にトンネルバリア層１７が設けられているからである。あるいは、ＳｙＡＰピンド層１６の上に０．８ｎｍ（８Å）の厚みのマグネシウム（Ｍｇ）層を形成したのち、それを酸化処理（ラジカル酸化処理または自然酸化処理）し、さらに０．４ｎｍ（４Å）厚の第２のマグネシウム層を積層したのち再度酸化処理することで、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなるトンネルバリア層１７を得るようにしてもよい。
フリー層１８は、例えばトンネルバリア層１７の側から順にＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層とが積層された２層構造を有する。ここで、ＣｏＦｅ層は、例えば０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下（５Å以上１５Å以下）の厚みを有し、ＮｉＦｅ層は、例えば２．０ｎｍ以上４．０ｎｍ以下（２０Å以上４０Å以下）の厚みを有するようにするとよい。ＣｏＦｅ層は、例えばＳｙＡＰピンド層１６における第１ピンド層と同様の組成とするとよい。また、フリー層１８は、ＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層との間にナノ酸化層をさらに設けるようにしたものであってもよい。また、ＳｙＡＰピンド層１６の第１ピンド層がＣｏＦｅＢからなると共にトンネルバリア層１７がＭｇＯからなる場合には、フリー層１８もＣｏＦｅＢからなることが望ましい。適度なスピン偏極を示す材料はＭＴＪ素子における磁歪（λｓ）を低減するのに有利に作用するので、フリー層１８の構成材料として好ましい。したがって、フリー層１８におけるＮｉＦｅ層は、鉄含有率が８原子％以上２１原子％以下であることが望ましい。ＭＴＪ素子における磁歪（λｓ）を低減するのに有利に作用するからである。フリー層１８は、ピンド層の磁化方向（Ｙ軸方向）に沿って磁化されやすくなっている。ＭＴＪ素子が楕円状（elliptically）の平面形状をなしている場合、磁化容易軸は（楕円の）長軸に沿ったものとなる。
キャップ層１９は、ルテニウムやタンタルなどによって構成され、例えば６．０ｎｍ以上２５．０ｎｍ以下（６０Å以上２５０Å以下）の厚みを有する。キャップ層１９の上面１９Ａは、上部シールド層２５と接している。キャップ層１９がＭＴＪ素子２の最上層である場合には、ルテニウムのような耐酸化性に優れた材料によって構成されていることが望ましい。上部シールド層などとの良好な（低抵抗の）電気的接続性を維持するためである。さらに、ルテニウムは、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理を行う際のストッパーとしても良好に機能するので、その点においても好ましい。
次に、図１および図２と併せて図３を参照して、ＴＭＲヘッド１の製造方法について説明する。
まず、図示しない基体の上に下部シールド層１０を形成したのち、この下部シールド層１０の上に、下部層１１、中間層１２、上部層１３、反強磁性層１５、ＳｙＡＰピンド層１６、トンネルバリア層１７、フリー層１８およびキャップ層１９を順に積層することにより積層膜を形成する。この積層膜の形成にあたっては、例えばアネルバ社製のスパッタリング装置Ｃ−７１００（５つ程度のターゲットを各々有する複数の物理的蒸着用チャンバと、酸化処理用チャンバと、スパッタエッチングチャンバとを備えたスパッタリング装置）をなど用いて形成される。複数の物理的蒸着用チャンバのうちの少なくとも１つは、同時スパッタリング（co-sputtering）が可能なものであるとよい。一般的に、スパッタ蒸着プロセスはアルゴンガスを必要とし、ターゲットは成膜対象となる金属または合金によって構成されたものである。ＭＴＪ素子２を構成する全ての層は、工程の処理能力（throughput）を高めるため、１回のポンプダウンののちに蒸着処理されることが望ましい。また、反強磁性層１５を形成する間は、所定の方向に磁化されるように外部磁界が付与される。
積層膜の形成が完了したのち、アニール処理を施すことにより、ＳｙＡＰピンド層１６の磁気モーメントの方向を設定すると共にフリー層１８における結晶構造の秩序化を行う。例えば、トンネルバリア層１７をＡｌＯｘによって構成した場合には、Ｙ軸に沿った１０ｋＯｅ（＝（０．２５／π）×１０6Ａ／ｍ）の磁界中で５時間に亘って２５０℃以上２８０℃以下の温度でアニール処理を行うことが望ましい。また、トンネルバリア層１７をＭｇＯによって構成した場合には、Ｙ軸に沿った１０ｋＯｅ（＝（０．２５／π）×１０6Ａ／ｍ）の磁界中で５時間に亘って２５０℃以上３５０℃以下の温度でアニール処理を行うことが望ましい。その後、キャップ層１９の上に、トラック幅方向に幅Ｗを有する形状をなすフォトレジスト層２０を設け、さらにフォトレジスト層２０をマスクとしてパターニングすることで側壁２１と上面１９Ａを有するＭＴＪ素子２が形成される。パターニングの際には、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、フォトレジスト層２０によって覆われていない領域（露出領域）のシード層１４、反強磁性層１５、ＳｙＡＰピンド層１６、トンネルバリア層１７、フリー層１８、キャップ層１９を除去する。その結果、キャップ層１９の幅はフォトレジスト層２０の幅Ｗとほぼ等しくなり、シード層１４の幅は幅Ｗよりも大きくなる。なお、パターニングののち、フォトレジスト層２０は公知の方法により除去される。
ＭＴＪ素子２が完成したのち、その側壁２１を覆い、かつ、ＭＴＪ素子２の両隣の領域（積層膜が除去された領域）の下部シールド層１０の上面を覆うように第１の誘電体層２２を形成する。第１の誘電体層２２は、例えば化学的蒸着法（ＣＶＤ）や物理的蒸着法（ＰＶＤ）によって１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下（１００Å以上１５０Å以下）の厚みをなすように形成するとよい。さらに、第１の誘電体層２２の上に、例えば２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下（２００Å以上４００Å以下）の厚みをなすようにハードバイアス層２３を形成したのち、そのハードバイアス層２３を覆うように第２の誘電体層２４を形成する。第２の誘電体層２４は、例えば１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下（１５０Å以上２５０Å以下）の厚みをなすように形成するとよい。
続いて、第２の誘電体層２４の上面とキャップ層１９の上面１９Ａとが共通平面を形成するようにＣＭＰ処理などの平坦化処理を行ったのち、第２の誘電体層２４とキャップ層１９との共通平面を覆うように上部シールド層２５を形成する。上部シールド層２５は、例えばＴａ＼ＮｉＦｅなどの複合層としてもよい。以上により、ＴＭＲヘッド１が完成する。
このように、本実施の形態のＴＭＲヘッド１によれば、シード層１４が、下部層１１と、中間層１２と、自らの上に形成される反強磁性層１５の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層１３とを含むようにしたので、その上に形成されるＭＴＪスタック３の反強磁性層１５に対し、均質かつ緻密な＜１１１＞の結晶方位の成長を促進する作用が及ぶこととなる。すなわち、シード層１４の存在により、結果的にトンネルバリア層１７およびフリー層１８が均質な結晶構造を有するようになり、フリー層１８とＳｙＡＰピンド層１６層との間の結合磁界Ｈinがより小さくなることで磁気特性が向上することとなる。さらに、中間層１２が、ハフニウムなどの、上部層１３を構成する材料よりも低い電気陰性度を有する材料からなるので、上部層１３から効果的に酸素除去を行うことができ、ＭＴＪ素子２における抵抗変化率ｄＲ／Ｒの向上に有利となる。さらに、シード層１４の作用により、ＳｙＡＰピンド層１６を構成する２つの強磁性層（第１ピンド層および第２ピンド層）がより大きな交換結合磁界Ｈexで結合することとなる。その結果、ＴＭＲヘッド１は、より優れた磁気特性を安定して発揮することができる。また、本実施の形態におけるＴＭＲヘッドの製造方法によれば、上記のようなシード層１４の上にＭＴＪスタック３を形成するようにしたので、より優れた磁気特性を安定して発揮することができるＴＭＲヘッド１を、再現性良く製造することができる。
［第２の実施の形態］
次に、図４を参照して、本発明における第２の実施の形態としてのＭＲＡＭ構造４０について説明する。図４は、ＭＲＡＭ構造４０の断面図である。このＭＲＡＭ構造４０は、上記第１の実施の形態と同様のシード層１４の上にＭＴＪスタック３が設けられたＭＴＪ素子２と、積層方向においてＭＴＪ素子２を挟むように配置された下部導体３０および上部導体３２とを備えている。ＭＲＡＭ構造４０は、互いに平行に延びる複数のワードライン（第１の導体）と、これらと交差すると共に互いに平行に延びる複数のビットライン（第２の導体）と、それらワードラインとビットラインとの交差点において挟まれるように配置される。
下部導体３０は、例えば絶縁層に埋設されてＹ軸方向に延在する第１の導体と電気的に接続されている。なお、第１の導体は、ディジットライン（digit line），データライン（data line），ローライン（row line），コラムライン（column line）などとも呼ばれる。下部導体３０は、基体に埋設されたトランジスタと接続されている。また、下部導体３０は、例えば選択線として機能し、矩形の平面形状を有している。あるいは、下部導体３０は、ＭＴＪ素子２の下方に位置する第１のワードライン（図示せず）、およびＭＴＪ素子２の上方に位置する第２のワードラインと各々直交して配列されたビットラインであってもよい。また、下部導体３０は、下地層としてのＮｉＣｒ層と、導体層としてのルテニウム層と、キャップ層としてのタンタル層とが順に積層された３層構造であってもよい。
上部導体３２は第２の導体と電気的に接続されており、例えば銅、金（Ａｕ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）などからなり、その周囲が拡散防止層によって覆われたものである。
ＭＴＪスタック３の構成は、第１の実施の形態と同様である。但し、ＭＲＡＭ構造４０におけるトンネルバリア層１７は、ＴＭＲ再生ヘッドにおけるトンネルバリア層１７よりも僅かに厚いことが望ましい。より大きな面積抵抗ＲＡが必要とされるからである。さらにフリー層１８は、適度にスピン偏極した材料によって構成されていることが望ましく、具体的には、鉄含有率が２０原子％よりも大きなＣｏＦｅ、鉄含有率が４０原子％よりも大きなＮｉＦｅ、ＣｏＦｅにおける鉄含有率が２５原子％以上の［（ＣｏＦｅ）mＢn］などが好適である。
ＭＴＪ素子２の両隣に位置し、下部導体３０および上部導体３２に挟まれた空間領域には、絶縁層３１が密に充填されている。
このようなＭＲＡＭ構造４０では、書き込み動作中は、右手の法則により、例えば上部導体３２（ビットライン）はフリー層１８の容易磁化軸に沿った第１の誘導磁界を形成し、一方の下部導体３０（ワードライン）はフリー層１８の磁化困難軸に沿った第２の誘導磁界を形成する。ビットラインおよびワードラインをそれぞれ流れる電流の方向および大きさによって、フリー層１８の磁化方向が変化する。
本実施の形態における効果は、第１の実施の形態と基本的には同様である。すなわち、シード層１４が、その上に形成されるＭＴＪスタック３の平滑かつ均質な結晶成長を促し、その結果、いわゆるポップコーンノイズ（popcorn noise）に反比例して、交換結合磁界Ｈexと保磁力Ｈｃとの比（Ｈex／Ｈｃ）が向上することとなる。その結果、ＭＴＪ素子２のパフォーマンスが向上することとなる。さらに、ＭＴＪ素子２において観察されるピン散乱が抑制される。ピン散乱の減少は、磁気デバイスの動作安定性に寄与する。
続いて、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本発明の効果を確認するため、実施例１として図２のＭＴＪ素子２を作製すると共に、その特性の調査を行った。また、比較例１−１および比較例１−２として、２層構造のシード層を有することを除いては図２のＭＴＪ素子２と同様の構成を有するＭＴＪ素子を作製し、同様の評価を行った。実施例１および比較例１−１，１−２の各サンプルの具体的な構成は以下の通りである。なお、ＭＴＪ素子はＡｌＴｉＣからなる基体上に形成し、各層が複数層からなる場合は、左側に表示したものが基体側となる。また、材料種に続いて表記した括弧内の数値は、その層の厚み（ｎｍ）である。
シード層：別途、表１に記載
反強磁性層：ＩｒＭｎ（７．０）
ＳｙＡＰピンド層：ＣｏＦｅ（２．３）＼Ｒｕ（０．７５）＼ＣｏＦｅ（２．１）
トンネルバリア層：ＭｇＯ（０．３ｎｍ厚のマグネシウム層の表面を自然酸化処理したのち０．６ｎｍ厚のマグネシウム層をさらに積層したもの）
フリー層：ＣｏＦｅ＼ＮｉＦｅ（全体として４．０ｎｍ厚）
キャップ層：Ｔａ（５．０）＼Ｒｕ（３．０）
上記の実施例１および比較例１−１，１−２について、ＳｙＡＰピンド層とフリー層との間の層間結合磁界Ｈinを測定した。その結果を表１に示す。
Figure 0005100403
表１に示したように、比較例１−２の層間結合磁界Ｈinは比較例１−１よりも低く、比較例１−１の約１／３となった。この結果から、Ｔａ＼Ｈｆからなるシード層は、ＩｒＭｎの結晶成長を促すアモルファスのテンプレートとして機能し、その結果、比較的平滑なトンネルバリア層が形成されたものと推定される。また、実施例１では、比較例１−１と比べると、層間結合磁界Ｈinを約１３％低下させることができた。
（実施例２）
次に、反強磁性層とＳｙＡＰピンド層との間に生じる交換結合磁界Ｈexの大きさへのシード層の寄与を確認するため、以下の実験を行った。ここでは、実施例２のサンプルとして、シード層、反強磁性層、第１ピンド層（強磁性層）およびキャップ層のみからなる積層体を作製し、反強磁性層と第１ピンド層（強磁性層）との間に生じる交換結合磁界Ｈexを測定した。その結果を表２に示す。また、比較例２−１および比較例２−２として、２層構造のシード層を有することを除いては実施例２と同様の構成を有する積層体を作製し、同様の評価を行った。なお、実施例２および比較例２−１，２−２の具体的な構成は以下の通りである。
シード層：別途、表２に記載
反強磁性層：ＩｒＭｎ（７．０）
第１ピンド層（強磁性層）：ＣｏＦｅ（２．３）
キャップ層：Ｔａ（５．０）＼Ｒｕ（３．０）
Figure 0005100403
表２に示したように、交換結合磁界Ｈex、および交換結合磁界Ｈexと保磁力Ｈｃとの比（Ｈex／Ｈｃ）は、比較例２−１よりも比較例２−２のほうが低い値となった。これらの結果から、Ｔａ＼Ｈｆからなるシード層は、層間結合磁界Ｈinを低減するのに有効なものである一方、交換結合磁界Ｈexをも低減させてしまうことがわかった。それに対し、実施例２では、３層構造（Ｔａ＼Ｈｆ＼ＮｉＦｅ）のシード層を採用したので、Ｈex／Ｈｃの比が、２層構造（Ｔａ＼Ｒｕ）のシード層の場合と比べて約２倍となった。この結果は、反強磁性層や第１ピンド層の結晶性が向上し、交換結合磁界Ｈexを劣化することなく保磁力Ｈｃが大きく低減されたためである。具体的には、ハフニウム層の上に設けたＮｉＦｅ層がハフニウム層との間に、非磁性であり、かつ、反強磁性層やＳｙＡＰピンド層の磁気モーメントに干渉しないＮｉＦｅＨｆ層を形成したものと考えられる。なお、ＮｉＦｅＨｆ層の形成はＨｆ原子がＮｉＦｅ層へ拡散したことにより生じると思われる。
以上の結果から、本実施例によれば、層間結合磁界Ｈinを低減しつつ、交換結合磁界Ｈexを高めることができ、より優れた磁気特性を発揮することが確認できた。
（実施例３）
図５および図６は、それぞれ比較例２−１および実施例２のサンプルについて、試料振動型磁力計(ＶＳＭ：Vibrating Sample Magnetometer)によって測定した磁化曲線（磁気モーメントＭ−磁界Ｈ）を示したものである。３層構造のシード層を有する実施例２では、ピン散乱が低減されていることがわかる。ピン散乱は、図５における距離ｄ（磁気モーメントＭが０の位置での曲線５１と曲線５２との磁界Ｈの値の差分）と、図６における距離ｅ（磁気モーメントＭが０の位置での曲線６１と曲線６２との磁界Ｈの値の差分）とを測定することで決定される。図６における距離ｅは図５における距離ｄよりも小さくなっていることから、実施例２では、比較例２−１よりもピン散乱が低減されていることがわかる。また、実施例２において、反強磁性層やＳｙＡＰピンド層に対して磁気的な悪影響を及ぼすことがない（図６において磁化曲線にダブル・ループが見られない）ことも重要である。
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。
例えば、上記実施の形態では、ボトム型のスピンバルブ構造について説明したが、本発明はトップ型のスピンバルブ構造にも適用可能である。その場合には、シード層の上にフリー層を形成し、その上に、トンネルバリア層、第１ピンド層、結合層、第２ピンド層、反強磁性層およびキャップ層を順次積層した構成とすればよい。このようなトップ型のスピンバルブ構造であっても、上記実施の形態のボトム型のスピンバルブ構造と同様の効果が得られる。あるいは、デュアルスピンバルブ構造であってもよい。
本発明における第１の実施の形態としてのＴＭＲヘッドの断面を表す構成図である。 図１に示したＭＴＪ素子の詳細な断面を表す構成図である。 図１に示したＴＭＲヘッドの製造方法における一工程を表す断面図である。 本発明における第２の実施の形態としてのＭＲＡＭ構造の断面を表す構成図である。 比較例２−１における磁化曲線を表す特性図である。 実施例２における磁化曲線を表す特性図である。
符号の説明
１…ＴＭＲヘッド、２…ＭＴＪ素子、３…ＭＴＪスタック、１０…下部シールド層、１１…下部層、１２…中間層、１３…上部層、１４…シード層、１５…反強磁性層、１６…第２強磁性層、１４…結合層、１５…第１強磁性層、１６…ＳｙＡＰ、１７…非磁性スペーサ層、１８…フリー層、１９…キャップ層、２０…フォトレジスト層、２１…側壁、２２…第１の誘電体層、２３…ハードバイアス層、２４…第２の誘電体層、２５…上部シールド層、３０…下部導体、３２…上部導体、４０…ＭＲＡＭ構造。

Claims (13)

  1. 基体上に、シード層と、積層構造をなすトンネル接合型の磁気抵抗効果膜とを順に備え、
    前記シード層は、
    前記基体の側から、
    タンタル（Ｔａ）からなる下部層と、
    ハフニウム（Ｈｆ）からなる中間層と、
    ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層と
    を順に含む
    ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
  2. 前記基体は磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスにおける下部電極、またはトンネル接合型再生ヘッドにおけるシールド層である
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  3. 前記下部層は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  4. 前記中間層は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  5. 前記上部層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  6. 基体上に、
    シード層と、
    前記シード層の側からイリジウムマンガン合金からなる反強磁性層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、フリー層と、キャップ層とが順に積層されてなるトンネル接合型の磁気抵抗効果膜と
    を順に備え、
    前記シード層は、
    前記基体の側から、
    タンタル層と、
    ハフニウム層と、
    ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層と
    が順に積層されたものである
    ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
  7. 基体上に、タンタルからなる下部層と、ハフニウムからなる中間層と、ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層とを順に積層してシード層を形成する工程と、
    前記シード層の上に、積層構造をなすトンネル接合型の磁気抵抗効果膜を形成する工程と
    を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
  8. スパッタ蒸着用チャンバと酸化処理用チャンバとエッチング処理用チャンバとを全て備えたスパッタ蒸着装置を用いて前記シード層および磁気抵抗効果膜を形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
  9. 前記基体として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスにおける下部電極、またはトンネル接合型再生ヘッドにおけるシールド層を用いる
    ことを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
  10. 前記下部層を、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
  11. 前記中間層を、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
  12. 前記上部層を、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
  13. 基体上に、タンタル層と、ハフニウム層と、ニッケルの含有率が３０原子％以上のニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）からなり、自らの上に形成される層の＜１１１＞方向の結晶成長を促進する上部層とを順に積層してシード層を形成する工程と、
    前記シード層の上に、イリジウムマンガン合金からなる反強磁性層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、フリー層と、キャップ層とを順に積層することで磁気抵抗効果膜を形成する工程と
    を含むことを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
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