JP5318137B2 - 多層膜の製造方法 - Google Patents

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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device

Description

実施形態は、多層膜の製造方法に関する。
従来から、磁性体の磁化方向を制御するために、磁界を印加する方法が知られている。例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）においては、記録ヘッドから発生する磁場によって媒体の磁化方向を反転させて書き込みを行っている。また、従来型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）では、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を流すことで生じる電流磁界をセルに印加することで、セルの磁化方向を制御している。これらの外部磁場による磁化方向を制御する電流磁場書き込み方式は古い歴史があり、確立された技術といえる。
一方、昨今のナノテクノロジーの進歩によって磁性材料の顕著な微細化が可能となり、磁化の制御をナノスケールで局所的に行う必要が出てきた。しかしながら、磁場は根本的には空間に広がる性質を有するため、局所化が難しい。特定の記憶単位領域（ビット）やメモリセルを選択してその磁化方向を制御させる場合に、ビットやメモリセルのサイズが微小化するのに伴い、隣のビットやメモリセルにまで磁場が及んでしまう「クロストーク」の問題が顕著となる。また、磁場を局所化させるために磁場発生源を小さくすると、磁化方向を制御するのに十分な磁場が発生することができないという問題が生じる。
これを解決する技術として、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「スピン注入磁化反転方式」が知られている。
このスピン注入磁化反転方式は、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行するものである。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気記録層としての磁性材料内の電子に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。
このようなスピン注入磁化反転方式を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易くなり、さらに、磁性材料の微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくすることができる。このことは、高記録密度のハードディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。
例えば、磁気ランダムアクセスメモリは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）膜を有する磁気抵抗効果素子を記憶素子として備えている。ＭＴＪ膜は、磁性材料からなる記録層および参照層と、これらに挟まれたトンネルバリア層との３層の薄膜で構成されており、記録層および参照層の磁化状態により情報を記憶する。スピン注入磁化反転方式を用いた、スピン注入型ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子への情報の書き込みは、ＭＴＪ膜の膜面に対して垂直方向に電流を流すことにより行なわれる。
省電力にて信号読み取りを行うには再生信号を大きくする、すなわち、ＭＲ比を大きくする必要がある。電流でスピン注入磁化反転記録を行う場合、同じ電流にて磁気抵抗（ＭＲ）再生も行うため、さらにＭＲ比を大きくすることが肝要となる。ＭＲ比を大きくするには、ＴＭＲの場合、電流マージンを大きくするため、ＭｇＯバリア膜はじめ、その両脇の磁性膜の結晶完全性が重要となってくる。一般に、結晶完全性を向上させるには、格子振動を与え、原子を本来あるべき位置に戻す、いわゆるアニール工程を用いることが一般的である。
しかし、オーブン、ホットプレート、さらには赤外線輻射方式のアニールなどは、すべての多層膜に格子振動を与えるため、結果として、相互拡散を引き起こす原因となる。例えば、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ多層膜に対して３５０〜４００℃のアニールを行うと、Ｂ（ボロン）がＭｇＯの内部に拡散することが報告されている。この拡散は、ＭｇＯ内を伝導する電子に散乱を与えるため、ＭＲ比の低下の原因となる。また、このアニールにより他の磁性多層膜間で相互拡散が発生し、垂直磁気異方性が低下することで、記録特性の劣化を招く可能性もある。
従って、多層膜内の特定層だけに格子振動を与えてその特定層の結晶性を向上させ、それ以外の層には格子振動を与えないような製造方法が望まれる。
ＵＳ２００８／０１２２００５
実施形態は、多層膜内の特定層だけに格子振動を与えてその多層膜の特性を向上させる技術を提案する。
実施形態によれば、多層膜の製造方法は、磁性層を形成する工程と、前記磁性層上にＭｇＯ層を形成する工程と、前記ＭｇＯ層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記磁性層を（００１）面に配向されたＢＣＣ構造にする工程とを備える。
また、実施形態によれば、多層膜の製造方法は、ＭｇＯ層を形成する工程と、前記ＭｇＯ層上に磁性層を形成する工程と、前記磁性層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記磁性層を（００１）面に配向されたＢＣＣ構造にする工程とを備える。
第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第１の実施例の製造方法を示す図。 第２の実施例の製造方法を示す図。 第２の実施例の製造方法を示す図。 第２の実施例の製造方法を示す図。 第２の実施例の製造方法を示す図。 第３の実施例の製造方法を示す図。 第３の実施例の製造方法を示す図。 第４の実施例の製造方法を示す図。 第４の実施例の製造方法を示す図。 第４の実施例の製造方法を示す図。
以下、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
［基本構成］
実施形態の多層膜の製造方法では、第１の層上に第２の層を積み重ねた後に、第２の層の表面に対してＧＣＩＢ（Gas cluster ion beam）照射を行うことにより、第１及び第２の層の一方の結晶情報を他方に転写する技術を提案する。
ＧＣＩＢ照射を第２の層の表面に対して行うと、第１及び第２の層内の原子配列が相互に影響し合い、第１及び第２の層のうちの１つの原子配列が変化する。また、第１及び第２の層以外の他の層、例えば、第１及び第２の層の下地となる層には原子の相互拡散が発生しないため、多層膜の特性を向上させることができる。
例えば、第１の層が磁性層（ＣｏＦｅＢ層など）、第２の層が非磁性層（ＭｇＯ層など）のとき、第２の層の結晶情報が第１の層に転写される。また、第１の層が非磁性層（ＭｇＯ層など）、第２の層が磁性層（ＣｏＦｅＢ層など）のとき、第１の層の結晶情報が第２の層に転写される。
ところで、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、第２の層を構成する原子を含んでいてもよいし、第２の層を構成する原子及びそれとは異なる他の原子を含んでいてもよい。また、ＧＣＩＢ照射は、それぞれ異なるクラスターを用いる複数のイオンビーム照射の組み合わせであってもよい。
例えば、第２の層がＭｇＯ層のとき、ＧＣＩＢ照射は、Ｏ原子をＡｒ原子で囲んだ構造を有するクラスターを用いて行うことができる。また、第２の層がＭｇＯ層のとき、ＧＣＩＢ照射は、Ａｒ原子を含むクラスターを用いる第１の照射と、第１の照射後に行うＯ原子を含むクラスターを用いる第２の照射とにより構成できる。
いずれの場合においても、ＧＣＩＢ照射により第２の層としてのＭｇＯ層から離脱し易いＯ原子を、Ｏ原子を含むクラスターにより補うことができ、ＭｇＯ層の組成を最適値に保つことが可能になる。また、Ｏ原子をＡｒ原子で囲んだ構造を有するクラスターを用いると、そのクラスターがＭｇＯ層に衝突するエネルギーが大きくなるため、Ｏ原子の供給が効率的に行える。
尚、実施形態の多層膜の製造方法は、第１及び第２の層が、共に、１０ｎｍ以下の厚さを有するときに効果が顕著である。
また、実施形態の多層膜の製造方法では、第１の層上に第２の層を形成し、第２の層上に第３の層を形成するとき、第３の層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、第２の層の結晶情報を第１及び第３の層に転写する技術を提案する。
ＧＣＩＢ照射を第３の層の表面に対して行うと、第１乃至第３の層内の原子配列が相互に影響し合い、第１及び第３の層の原子配列が変化する。また、第１乃至第３の層以外の他の層には原子の相互拡散が発生しないため、多層膜の特性を向上させることができる。
尚、多層膜内の特定層の結晶化のみを促進するために、Ｎ×Ａ＞１×１０１７ｃｍ−２とするのが望ましい。但し、Ｎは、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの合計数であり、Ａは、クラスターの平均原子数である。
以上の基本構成によれば、多層膜内の特定層だけに格子振動を与えてその多層膜の特性を向上させることができる。例えば、多層膜が磁気抵抗効果素子を構成するとき、実施形態の適用により、磁気抵抗効果素子のＭＲ比の向上、書き込み電流の低下、信頼性の向上、プロセスウインドウが広くなることによる歩留り向上、製造コストの低下などの効果を享受することができる。
［第１の実施例］
図１Ａ乃至図１Ｇは、第１の実施例に係わる製造方法を示している。
この製造方法は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
まず、図１Ａに示すように、半導体基板１１上に素子１２を形成する。素子１２は、ＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子、ＦＥＯＬ（Front End Of Line）などの導電線を含む。また、素子１２上に層間絶縁層１３を形成し、この層間絶縁層１３内に素子１２に達するコンタクトプラグ１４を形成する。
この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）及びエッチバックにより、相間絶縁層１３の上面を平坦化する。層間絶縁層１３は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）であり、コンタクトプラグ１４は、例えば、タングステン（Ｗ）である。
次に、図１Ｂに示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトプラグ１４上に、下地層１５、磁気記録層（磁気フリー層）１６、トンネルバリア層１７を、順次、形成する。
下地層１５は、例えば、磁気記録層１６の磁化方向を膜面（下地層の上面）に対して垂直方向に向けるために必要な層である。
ここで、図２及び図３は、図１Ｂの磁気記録層１６の例を詳細に示している。
この例では、磁気記録層１６は、Ｐｄ(厚さ０．４ｎｍ)とＣｏ(厚さ０．４ｎｍ)とからなる層を６回積み重ねた構造と、この構造上のＴａ(厚さ０．３ｎｍ)及びＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)とを備える。また、トンネルバリア層１７は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ：Body-centered cubic lattice）構造で、（００１）面に配向したＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）から構成される。そして、トンネルバリア層１７としてのＭｇＯ層の表面に対してＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、１×１０１４ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、１００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、１×１０１８ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、例えば、Ａｒクラスター１８であり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．５ｅＶである。
このＧＣＩＢ照射により、ＣｏＦｅＢは、結晶化が促進され、ＭｇＯと同じ結晶構造となる。即ち、ＣｏＦｅＢは、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向した結晶構造に変化する。ＧＣＩＢ照射前のＣｏＦｅＢは、微結晶状態又はアモルファス状態であるため、この照射によってＭｇＯの結晶情報がその直下のＣｏＦｅＢに転写されたことになる。
この時、Ｐｄ／Ｃｏ多層膜に相互拡散は観察されなかった。
次に、図１Ｃに示すように、例えば、スパッタ法を用いて、トンネルバリア層１７上に磁気参照層（ピンド層）１９を形成する。
ここで、図４は、図１Ｂの磁気記録層１６及び磁気参照層１９の例を詳細に示している。磁気参照層１９は、例えば、ＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)を備える。また、磁気参照層１９としてのＣｏＦｅＢの表面に対してＧＣＩＢ照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、１×１０１４ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、１００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、１×１０１８ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、例えば、Ａｒクラスター１８であり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーＫは、０．５ｅＶ（＝５ｋＶ／１００００）である。
このＧＣＩＢ照射により、ＣｏＦｅＢは、結晶化が促進され、ＭｇＯと同じ結晶構造となる。即ち、ＣｏＦｅＢは、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向した結晶構造に変化する。ＧＣＩＢ照射前のＣｏＦｅＢは、微結晶状態又はアモルファス状態であるため、この照射によってＭｇＯの結晶情報がその直上のＣｏＦｅＢに転写されたことになる。
この時も、Ｐｄ／Ｃｏ多層膜に相互拡散は観察されなかった。
ＧＣＩＢクラスターは、Ａｒ以外にＮｅ，Ｋｒ，Ｘｅなどの希ガスでも良い。クラスターを構成する原子の平均原子数Ａは、５００以上、さらに、１原子当たりのエネルギーＫは、１ｅＶ以下であることがイオン照射面にダメージを導入しない観点で望ましい。また、アニール効果を与えるためには、クラスターの照射密度Ｎと、クラスターを構成する原子の平均原子数Ａの積（Ｎ×Ａ）は、１×１０１７ｃｍ−２以上であることが望ましい。しかし、Ｋを１ｅＶよりも大きくし、膜表面にエッチングを発生させながらＧＣＩＢ照射することでも本実施例による効果を発揮できる。その際は、初期膜厚を設計値よりも大きく設定しておく必要がある。
尚、磁気参照層１９として、この後、Ｔａ(厚さ４ｎｍ)、Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)、Ｐｔ(厚さ６ｎｍ)／Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)をさらに積み重ね、磁気抵抗効果素子の磁気的バイアスを調整してもよい。
次に、図１Ｄに示すように、例えば、スパッタ法を用いて、磁気参照層１９上に電極層２０を形成する。電極層２０は、例えば、タンタル（Ｔａ）層を含む。
電極層２０上にフォトレジスト層を形成した後、フォトレジスト層をマスクにして電極層２０をエッチングし、レジストパターンを電極層２０に転写する。この後、電極層２０をマスクにして、例えば、イオンミリングにより磁気参照層１９をエッチングする。続けて、例えば、磁気参照層１９及び電極層２０を覆う絶縁層２１，２２を形成する。この絶縁層２１，２２は、磁気参照層１９が多層であるときに、各層の側面に隙間を設けることなく、その側面に付着する。
次に、図１Ｅに示すように、絶縁層２２上にフォトレジスト層を形成した後、フォトレジスト層をマスクにして、ＲＩＥにより、絶縁層２１，２２、磁気参照層１９、トンネルバリア層１７、磁気記録層１６及び下地層１５をエッチングし、独立した磁気抵抗効果素子ＭＴＪを形成する。
この後、磁気抵抗効果素子ＭＴＪを覆う層間絶縁層２３を形成する。層間絶縁層２３は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）又は窒化シリコン（ＳｉＮ）である。この後、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層２３の上面を平坦化する。
次に、図１Ｆに示すように、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層２３の上面をさらに研磨し続け、電極層２０の上面を露出させる。
最後に、図１Ｇに示すように、層間絶縁層２３上に、電極層２０に接続される導電線２４を形成する。導電線２４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）である。
以上の製造方法により磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の磁気抵抗効果素子を形成したところ、そのＭＲ比は、１００％以上の大きな値を観測することができた。これに対し、ＣｏＦｅＢの結晶化をオーブンによる加熱（３５０℃、１時間）で行ったときのＭＲ比は、７５％であった。
また、磁気抵抗効果素子の破壊電圧に関しては、オーブンを用いるときは、１．８Ｖであるのに対し、ＧＣＩＢ照射を用いるときは、２Ｖであった。
以上のように、第１の実施例によれば、オーブン等による加熱の代わりに、ＧＣＩＢ照射を用いることにより、多層膜の特性を大幅に向上させることが可能になる。尚、以上の効果は、Ａｒクラスターの代わりに、Ｎｅクラスター、Ｋｒクラスター及びＸｅクラスターのうちの１つを用いたときも、それぞれ得ることができた。
［第２の実施例］
この製造方法も、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの種類にある。
まず、コンタクトプラグ上に磁気記録層及びトンネルバリア層を形成するまでを第１の実施例と同じ工程により実行する（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。
磁気記録層は、例えば、図２に示すように、Ｐｄ(厚さ０．４ｎｍ)とＣｏ(厚さ０．４ｎｍ)とからなる層を６回積み重ねた構造と、この構造上のＴａ(厚さ０．３ｎｍ)及びＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)とを備える。
また、トンネルバリア層は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向したＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）から構成される。
そして、図５に示すように、トンネルバリア層としてのＭｇＯ層の表面に対して１回目のＧＣＩＢ照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、５×１０１３ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、１００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、５×１０１７ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、例えば、Ａｒ（アルゴン）クラスター１８ａであり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．５ｅＶである。
続けて、図６に示すように、トンネルバリア層としてのＭｇＯ層の表面に対して２回目のＧＣＩＢ照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、５×１０１３ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、１００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、５×１０１７ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、例えば、Ｏ（酸素）クラスター１８ｂであり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．５ｅＶである。
これら２回のＧＣＩＢ照射における（Ｎ×Ａ）値を加算すると、１×１０１８ｃｍ−２となり、第１の実施例のそれと同じとなる。
このＧＣＩＢ照射により、ＣｏＦｅＢは、結晶化が促進され、ＭｇＯと同じ結晶構造となる。即ち、ＣｏＦｅＢは、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向した結晶構造に変化する。ＧＣＩＢ照射前のＣｏＦｅＢは、微結晶状態又はアモルファス状態であるため、この照射によってＭｇＯの結晶情報がその直下のＣｏＦｅＢに転写されたことになる。
この時、Ｐｄ／Ｃｏ多層膜に相互拡散は観察されなかった。
また、本例では、Ａｒクラスターの照射後にＯクラスターの照射を行う。これは、Ａｒクラスターの照射時に瞬間的に高温になったＭｇＯ層の表面からＯ原子が離脱し易くなるためである。Ａｒクラスターの照射によりＭｇＯ層から離脱したＯ原子を、Ｏクラスターの照射により補うことで、ＭｇＯ層の組成を最適値に保つことが可能になる。
尚、Ａｒクラスターの照射とＯクラスターの照射とは、同時に行ってもよい。また、Ａｒクラスターの照射とＯクラスターの照射からなる工程（２回に分けても、同時でもよい）は、複数回繰り返し行ってもよい。
ＧＣＩＢクラスターは、Ａｒ以外にＮｅ，Ｋｒ，Ｘｅなどの希ガスでも良い。クラスターを構成する原子の平均原子数Ａは、５００以上、さらに、１原子当たりのエネルギーＫは、１ｅＶ以下であることがイオン照射面にダメージを導入しない観点で望ましい。また、アニール効果を与えるためには、クラスターの照射密度Ｎと、クラスターを構成する原子の平均原子数Ａの積（Ｎ×Ａ）は、１×１０１７ｃｍ−２以上であることが望ましい。しかし、Ｋを１ｅＶよりも大きくし、膜表面にエッチングを発生させながらＧＣＩＢ照射することでも本実施例による効果を発揮できる。その際は、初期膜厚を設計値よりも大きく設定しておく必要がある。
次に、第１の実施例と同様に、例えば、スパッタ法を用いて、トンネルバリア層上に磁気参照層（ピンド層）を形成する（図１Ｃ参照）。
磁気参照層は、例えば、図７に示すように、ＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)を備える。
また、図７に示すように、磁気参照層としてのＣｏＦｅＢの表面に対して１回目のＧＣＩＢ照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、５×１０１３ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、１００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、５×１０１７ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、例えば、Ａｒクラスター１８ａであり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．５ｅＶである。
続けて、図８に示すように、磁気参照層としてのＣｏＦｅＢの表面に対して２回目のＧＣＩＢ照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、５×１０１３ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、１００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、５×１０１７ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、例えば、Ｏ（酸素）クラスター１８ｂであり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．５ｅＶである。
これら２回のＧＣＩＢ照射における（Ｎ×Ａ）値を加算すると、１×１０１８ｃｍ−２となり、第１の実施例のそれと同じとなる。
このＧＣＩＢ照射により、ＣｏＦｅＢは、結晶化が促進され、ＭｇＯと同じ結晶構造となる。即ち、ＣｏＦｅＢは、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向した結晶構造に変化する。ＧＣＩＢ照射前のＣｏＦｅＢは、微結晶状態又はアモルファス状態であるため、この照射によってＭｇＯの結晶情報がその直上のＣｏＦｅＢに転写されたことになる。
この時も、Ｐｄ／Ｃｏ多層膜に相互拡散は観察されなかった。
また、本例では、上述と同様の理由により、Ａｒクラスターの照射後にＯクラスターの照射を行う。また、Ａｒクラスターの照射とＯクラスターの照射とは、同時に行ってもよいし、Ａｒクラスターの照射とＯクラスターの照射からなる工程（２回に分けても、同時でもよい）は、複数回繰り返し行ってもよい。
尚、磁気参照層として、この後、Ｔａ(厚さ４ｎｍ)、Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)、Ｐｔ(厚さ６ｎｍ)／Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)をさらに積み重ね、磁気抵抗効果素子の磁気的バイアスを調整してもよい。
この後の工程は、第１の実施例と同様に行い、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を形成する（図１Ｄ乃至図１Ｇ参照）。
以上の製造方法により磁気抵抗効果素子を形成したところ、第１の実施例と同様に、そのＭＲ比は、１００％以上の大きな値を観測することができた。また、磁気抵抗効果素子の破壊電圧に関しては、２Ｖであった。
以上のように、第２の実施例においても、ＧＣＩＢ照射を用いることにより、多層膜の特性を大幅に向上させることが可能になる。尚、以上の効果は、Ａｒクラスターに代えて、Ｎｅクラスター、Ｋｒクラスター及びＸｅクラスターのうちの１つを用いたときも、それぞれ得ることができた。
［第３の実施例］
この製造方法も、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。第３の実施例が第１の実施例と異なる点は、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの種類にある。
まず、コンタクトプラグ上に磁気記録層及びトンネルバリア層を形成するまでを第１の実施例と同じ工程により実行する（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。
磁気記録層は、例えば、図２に示すように、Ｐｄ(厚さ０．４ｎｍ)とＣｏ(厚さ０．４ｎｍ)とからなる層を６回積み重ねた構造と、この構造上のＴａ(厚さ０．３ｎｍ)及びＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)とを備える。
また、トンネルバリア層は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向したＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）から構成される。
そして、図９に示すように、トンネルバリア層としてのＭｇＯ層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、５×１０１３ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、２００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、１×１０１８ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ｏ原子をＡｒ原子で囲んだ構造を有するクラスターを用いる。例えば、１個のＯ（酸素）クラスターを５個のＡｒ（アルゴン）クラスターで囲んだ混合クラスター１８ｃを用いて、加速電圧５ｋＶでＧＣＩＢ照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．２５ｅＶである。
このＧＣＩＢ照射により、ＣｏＦｅＢは、結晶化が促進され、ＭｇＯと同じ結晶構造となる。即ち、ＣｏＦｅＢは、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向した結晶構造に変化する。ＧＣＩＢ照射前のＣｏＦｅＢは、微結晶状態又はアモルファス状態であるため、この照射によってＭｇＯの結晶情報がその直下のＣｏＦｅＢに転写されたことになる。
この時、Ｐｄ／Ｃｏ多層膜に相互拡散は観察されなかった。
また、本例では、ＯクラスターをＡｒクラスターで囲んだ混合クラスターを用いてＧＣＩＢ照射を行う。これは、ＧＣＩＢ照射によりＭｇＯ層から離脱したＯ原子を、Ｏ原子を含む混合クラスターの照射により補うことにより、ＭｇＯ層の組成を最適値に保つためである。また、この混合クラスターを用いることにより、第１及び第２の実施例で用いるクラスターの照射よりも、ＭｇＯ層の表面を局所的にさらに高温にできるため、Ｏ原子の効率的な供給が可能になる。
次に、第１の実施例と同様に、例えば、スパッタ法を用いて、トンネルバリア層上に磁気参照層（ピンド層）を形成する（図１Ｃ参照）。
磁気参照層は、例えば、図１０に示すように、ＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)を備える。
また、図１０に示すように、磁気参照層としてのＣｏＦｅＢの表面に対してＧＣＩＢ照射を行う。但し、クラスターの合計数Ｎは、例えば、５×１０１３ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、２００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、１×１０１８ｃｍ−２である。
また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ｏ原子をＡｒ原子で囲んだ構造を有するクラスターを用いる。例えば、１個のＯ（酸素）クラスターを５個のＡｒ（アルゴン）クラスターで囲んだ混合クラスター１８ｃを用いて、加速電圧５ｋＶでＧＣＩＢ照射する。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．２５ｅＶである。
このＧＣＩＢ照射により、ＣｏＦｅＢは、結晶化が促進され、ＭｇＯと同じ結晶構造となる。即ち、ＣｏＦｅＢは、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向した結晶構造に変化する。ＧＣＩＢ照射前のＣｏＦｅＢは、微結晶状態又はアモルファス状態であるため、この照射によってＭｇＯの結晶情報がその直上のＣｏＦｅＢに転写されたことになる。
この時も、Ｐｄ／Ｃｏ多層膜に相互拡散は観察されなかった。
尚、磁気参照層として、この後、Ｔａ(厚さ４ｎｍ)、Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)、Ｐｔ(厚さ６ｎｍ)／Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)をさらに積み重ね、磁気抵抗効果素子の磁気的バイアスを調整してもよい。
この後の工程は、第１の実施例と同様に行い、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を形成する（図１Ｄ乃至図１Ｇ参照）。
以上の製造方法により磁気抵抗効果素子を形成したところ、第１の実施例と同様に、そのＭＲ比は、１００％以上の大きな値を観測することができた。また、磁気抵抗効果素子の破壊電圧に関しては、２Ｖであった。
以上のように、第３の実施例においても、ＧＣＩＢ照射を用いることにより、多層膜の特性を大幅に向上させることが可能になる。尚、以上の効果は、Ｏクラスターを囲むクラスターとして、Ａｒクラスターに代えて、Ｎｅクラスター、Ｋｒクラスター及びＸｅクラスターのうちの１つを用いたときも、それぞれ得ることができた。
［第４の実施例］
この製造方法は、ＨＤＤ(Hard disk drive)の再生磁気ヘッド（ＴＭＲヘッド）の製造方法に関する。この製造方法は、ＨＤＤの再生磁気ヘッドに関するものであるが、当然に、磁気抵抗効果素子に適用することも可能である。
まず、図１１に示すように、ＮｉＦｅシールド層上にＴａギャップ層を形成する。また、Ｔａギャップ層上にＰｔ−Ｍｎ層を形成する。Ｔａギャップ層は、Ｐｔ−Ｍｎ層の下地層となる。
この後、Ｐｔ−Ｍｎ層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行う。このＧＣＩＢ照射は、上述の第１乃至第３の実施例で説明した方法のうちの１つを用いることができるが、ここでは、Ａｒクラスターを用いる場合（第１の実施例に対応）について説明する。
即ち、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ａｒクラスター１８であり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。Ａｒクラスターの合計数Ｎは、例えば、５×１０１３ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、１００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、５×１０１７ｃｍ−２である。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．５ｅＶである。
このＧＣＩＢ照射により、Ｐｔ−Ｍｎ層は、結晶化が促進され、例えば、面心正方（ＦＣＴ：Face-centered-tetragonal）構造で、（１１１）面に配向した結晶構造に変化する。
次に、図１２に示すように、Ｐｔ−Ｍｎ層上に、ＣｏＦｅ層（１．５ｎｍ）、Ｒｕ層（１ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ層（１．５ｎｍ）、ＭｇＯ層（１ｎｍ）及びＣｏＦｅＢ層（１ｎｍ）を順次形成する。
この後、ＣｏＦｅＢ層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行う。
ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ａｒクラスター１８であり、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。Ａｒクラスターの合計数Ｎは、例えば、１×１０１４ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、２００００であり、Ｎ×Ａは、例えば、２×１０１８ｃｍ−２である。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、０．４ｅＶである。
このＧＣＩＢ照射により、ＭｇＯ層の上下に存在するＣｏＦｅＢ層は、それぞれ、結晶化が促進され、ＭｇＯ層と同じ結晶構造となる。即ち、ＣｏＦｅＢ層は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向した結晶構造に変化する。ＧＣＩＢ照射前のＣｏＦｅＢ層は、微結晶状態又はアモルファス状態であるため、この照射によってＭｇＯ層の結晶情報がその上下に存在するＣｏＦｅＢ層に同時に転写されたことになる。
この時、ＣｏＦｅＢ直下の多層膜に相互拡散は観察されなかった。
尚、ＭｇＯ層の上下に存在するＣｏＦｅＢ層に同時にＭｇＯ層の結晶情報を転写する技術は、上述の第１乃至第３の実施例で説明した磁気抵抗効果素子に適用することも可能である。逆に、本例の再生磁気ヘッドの製造方法におけるＧＣＩＢ照射に関し、上述の第１乃至第３の実施例の方法を適用してもよい。
次に、図１３に示すように、ＣｏＦｅＢ層上に、Ｒｕ層（１ｎｍ）、Ｆｅ−Ｃｏ層（１ｎｍ）及びＴａ層（３ｎｍ）を順次形成する。続けて、Ｔａ層上にＮｉＦｅシールド層を形成する。
以上の製造方法によりＨＤＤの再生磁気ヘッドを形成したところ、そのＭＲ比は、１００％以上の大きな値を観測することができた。これに対し、従来の製造方法では、Ｐｔ−Ｍｎ層の結晶化のために２７０℃以上のアニールが必要であり、ＣｏＦｅＢ層の結晶化のために３００℃以上のアニールが必要である。この場合、Ｐｔ−Ｍｎ層内のＭｎ原子が拡散し、縦バイアス特性に劣化が生じる。
本例のように、ＧＣＩＢ照射を用いることにより、Ｐｔ−Ｍｎ層及びＣｏＦｅＢ層の結晶化を局所的に促進することができるため、広いプロセスウインドウによる歩留まりの向上、さらには、製造コストの低下を図ることができる。
［むすび］
実施形態によれば、多層膜内の特定層だけに格子振動を与えることにより、その多層膜内での相互拡散を抑制し、結果として、その多層膜の特性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１１： 半導体基板、 １２： 素子、 １３，２３： 層間絶縁層、 １４： コンタクトプラグ、 １５： 下地層、 １６： 磁気記録層、 １７： トンネルバリア層、 １８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ ： クラスター、 １９： 磁気参照層、 ２０： 電極層、 ２１，２２： 絶縁層、 ２４： 導電線。

Claims (10)

  1. 磁性層を形成する工程と、
    前記磁性層上にＭｇＯ層を形成する工程と、
    前記ＭｇＯ層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記磁性層を（００１）面に配向されたＢＣＣ構造にする工程と
    を具備する多層膜の製造方法。
  2. ＭｇＯ層を形成する工程と、
    前記ＭｇＯ層上に磁性層を形成する工程と、
    前記磁性層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記磁性層を（００１）面に配向されたＢＣＣ構造にする工程と
    を具備する多層膜の製造方法。
  3. 前記ＭｇＯ層は、（００１）面に配向された結晶構造を有する請求項１又は２に記載の多層膜の製造方法。
  4. 前記ＧＣＩＢ照射は、Ｏ原子をＡｒ原子で囲んだ構造を有するクラスターを用いて行う請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多層膜の製造方法。
  5. 前記ＧＣＩＢ照射は、Ａｒ原子を含むクラスターを用いる第１の照射と、前記第１の照射後に行うＯ原子を含むクラスターを用いる第２の照射とを備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多層膜の製造方法。
  6. 前記磁性層は、ＣｏＦｅＢを含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載の多層膜の製造方法。
  7. 前記ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの合計数をＮとし、前記クラスターの平均原子数をＡとしたとき、Ａは、５００以上、かつ、Ｎ×Ａ＞１×１０１７ｃｍ−２である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の多層膜の製造方法。
  8. 前記ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの平均原子数をＡとしたとき、Ａは、５００以上、かつ、１原子あたりのエネルギーは、１ｅＶ以下である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の多層膜の製造方法。
  9. 第１の磁性層を形成する工程と、
    前記第１の磁性層上にＭｇＯ層を形成する工程と、
    前記ＭｇＯ層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記第１の磁性層を（００１）面に配向されたＢＣＣ構造にする工程と、
    前記ＭｇＯ層上に第２の磁性層を形成する工程と、
    前記第２の磁性層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記第２の磁性層を（００１）面に配向されたＢＣＣ構造にする工程と
    を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法。
  10. 第１の磁性層を形成する工程と、
    前記第１の磁性層上にＭｇＯ層を形成する工程と、
    前記ＭｇＯ層上に第２の磁性層を形成する工程と、
    前記第２の磁性層の表面に対してＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記第１及び第２の磁性層を（００１）面に配向されたＢＣＣ構造にする工程と
    を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法。
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