JPWO2009157064A1 - トンネル磁気抵抗素子の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
赴らはMgOトンネルバリア層の形成方法として、第1Mg層を成膜し、前記第1Mg層を自然酸化法によってMgO層とし、前記MgO層の上に第2Mg層を成膜するという3段階の形成方法と、第1Mg層を成膜し、前記第1Mg層上に反応性スパッタによってMgO層を形成し、前記MgO層の上に第2Mg層を成膜するという3段階の形成方法を提案している(特許文献3)。
図1は、本発明のトンネル磁気抵抗素子の製造に使用しうるスパッタリング装置の構成を模式的に示す平面図である。係る装置においては、基板搬送用のロボット28が2機搭載された真空搬送室20と、真空搬送室20に接続されたスパッタリング室21乃至24と、基板前処理室25と酸化処理室26とロードロック室27から構成されている。ロードロック室27を除く全ての部屋は2×10−6Pa以下の真空室であり、各真空室間の基板の移動は真空搬送ロボット28によって真空中にて行われる。
図2は本実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の断面模式図である。
初めに、基板1を基板前処理室25に搬送し、逆スパッタエッチングにより、大気中で汚染された表面層の約2nmを物理的に除去する。その後、基板1をスパッタリング室21に搬送して、Ta/CuN/Ta/CuN/Taの積層構造からなる下部電極層2を成膜する。この時、CuNの成膜時にはCuターゲットを用い、スパッタリングガスとしてArの他に微量の窒素を添加することによってCuNを形成している。その後、基板をスパッタリング室22に移動してPtMn/CoFe/Ruからなる反強磁性層3及びCoFeBからなる磁化固定層4(第1強磁性層)を成膜する。なお、ここで、反強磁性層3としてPtMnの代わりにIrMn(イリジウム−マンガン)を用いてもよく、その場合はIrMn層の下地層9としてRu層を用いるのが好ましい。そのような場合、スパッタリング室22で成膜される膜構成は、Ru/IrMn/CoFe/Ru/CoFeBとなる。
図3は、本発明に係る製造方法および製造装置を用いて作製したトンネル磁気抵抗素子の膜構成図である。反強磁性層3として厚さ7nmのIrMnを用い、その下地層9として5nmのRu層を使用した以外は、図2の膜構成と同じである。
図4は、本実施例によるトンネルバリア層の形成フローである。
ステップS401においては、前述した実施形態と同様にして、第1強磁性層までを成膜した。
ステップS403においては、第1強磁性層となるCoFeB層の上に、1.2nmの金属Mgを15sccmのArガスと5sccmの酸素を独立に導入した雰囲気中で成膜した(混合した酸素濃度は25%である)。次いでステップS405においては、酸化処理室で0.1Torrまたは1Torrの酸素雰囲気に60〜600秒放置して酸化処理した。
最後に、ステップS407においては、Arガスを15sccmのみ導入した雰囲気中で0.2nmの金属Mgを成膜した。その後、ステップS409においては、CoFeB/Ta/Cu/Ta/Ruまで成膜してトンネル磁気抵抗素子の成膜を終了した。
図6は、第1の金属層成膜時に酸素をドープする際、成膜の初期と最後に酸素ガスの混合を止めた場合のトンネルバリア層の形成フローを示している。この時、第1の金属層を酸化する方法としてラジカル酸化を用いた。トンネル磁気抵抗素子の膜構成は、図2の膜構成を用いた。
ステップS601においては、前述した実施形態と同様にして、第1強磁性層までを成膜した。
ステップS603においては、以下の3つの工程を経て、第1強磁性層上に第1の金属層を成膜した。すなわち第1の金属層の成膜初期段階は、酸素ガスを導入せずに、Arガス雰囲気で第1の金属層を成膜した(第1の金属層の下部層)。成膜中期段階において、Arガスと酸素ガスを導入した雰囲気で第1の金属層を成膜した(第1の金属層の中間層)。さらに成膜後期段階は、酸素ガスを導入せずに、Arガス雰囲気で第1の金属層を成膜した(第1の金属層の上部層)。こうすることにより、第1強磁性層および第2強磁性層が酸化されてしまうことを抑制することができる。
まず初めに、スパッタリング室23の中で第1強磁性層となるCoFeB層の上に1.2nmの金属Mg(第1の金属層)を成膜する。
この1.2nmの金属Mg層成膜時の投入Powerとシャッター開閉とArガス導入と酸素ガス導入の概略タイムチャートを図7に示す。まず初めにMgターゲットのついたカソードへのパワー投入と真空チャンバー内へのArガスの導入をほぼ同時に行いプラズマを発生させる。投入するパワーはDC50W,導入するArガスの流量は100sccmである。このプリスパッタ時間においては、ターゲットと基板の間に配置されたシャッターは閉じているので、基板には膜が付着しない。
図9は、実施例2で使用したトンネル磁気抵抗素子の膜構成およびMgOトンネルバリアの形成方法と同様のトンネル磁気抵抗素子において、ラジカル酸化の酸化時間のみを100秒とした時のRAの基板面内分布を示したグラフである。横軸は直径300mmウエハの中心からの距離である。比較のためにMgOの焼結ターゲットからRFスパッタリングによってダイレクトにMgOトンネルバリアを形成したトンネル磁気抵抗素子のRA分布も載せた。これによれば、本発明の方法によって形成したトンネル磁気抵抗素子のRA分布は1.6%であり、MgO焼結ターゲットのRFスパッタリングによる方法のRA分布9.4%よりも明らかに良い結果であることがわかる。
図10もまた実施例2で使用したトンネル磁気抵抗素子の膜構成およびMgOトンネルバリアの形成方法と同様のトンネル磁気抵抗素子であって、ラジカル酸化の酸化時間のみを20秒とした時のRAの基板間バラツキを示したグラフである。横軸は連続処理した基板の枚数である。比較のためにMgOの焼結ターゲットからRFスパッタリングによってダイレクトにMgOトンネルバリアを形成したトンネル磁気抵抗素子のRAバラツキも載せた。これによれば、本発明の方法によって形成したトンネル磁気抵抗素子の基板間RAバラツキは1.3%であり、MgO焼結ターゲットのRFスパッタリングによる方法のRAバラツキ6.7%よりも明らかに良い結果であることがわかる。
図10は、実施例1の磁気トンネル素子において、第2の金属Mg層の膜厚を変えた時のMR比を示したグラフである。第2の金属Mg層を成膜することによって著しくMR比が増大することがわかった。本結果から第2に金属層として成膜する金属Mg層の膜厚は0.1nm以上0.6nm以下が好ましい。こうすることにより、100%以上のMR比を実現することができる。
Claims (10)
- 第1強磁性層、金属酸化物からなるトンネルバリア層、および第2強磁性層を有するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、前記トンネルバリア層を作製する工程が、前記第1強磁性層の上に酸素をドープしながら第1の金属層を成膜し、次いで酸素がドープされた前記第1の金属層を酸化処理して酸化物層とし、該酸化物層の上に第2の金属層を成膜することを特徴としたトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記第1および第2の金属層がMg(マグネシウム)であることを特徴とした請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記第1および第2の金属層の成膜方法が、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)、Xe(キセノン)のうち少なくとも1種類をスパッタリングガスの主成分とするスパッタリング法であることを特徴とした請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記第1の金属層の成膜中に酸素をドープする方法として、前記スパッタリングガスに30%以下の酸素ガスを混合することを特徴とした請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記第1の金属層の成膜中に酸素をドープする方法として、スパッタリングガスの導入口と酸素ガスの導入口を個別に設け、スパッタリングガスの流量と酸素ガスの流量を独立に制御することを特徴とした、請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記第1の金属層の成膜中に酸素をドープする際、成膜の最初と最後は酸素ガスを導入せずに、成膜の途中にだけ酸素ガスを導入することにより、
前記第1の金属層の中で、酸素ガスを導入して形成された中間層は、酸素ガスを形成させずに形成された前記第1の金属層の下部層及び上部層より酸素濃度の高い状態を実現することを特徴とした請求項5に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。 - 前記酸素ドープされた第1の金属層を酸化処理する方法として、0.01〜10Torrの範囲の酸素圧力雰囲気に曝露することを特徴とした請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記酸素ドープされた第1の金属層を酸化処理する方法として、活性酸素種を用いたラジカル酸化であることを特徴とした請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 前記第2の金属層がMgであって、その膜厚が0.1nm以上0.6nm以下であることを特徴とした請求項1に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
- 基板搬送機構を備えた真空搬送チャンバー、
前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続され、少なくとも前記第1強磁性層をスパッタ成膜することが可能な第1のスパッタ成膜チャンバー、
前記真空搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続され、前記第1の金属層を酸素混合ガス雰囲気においてスパッタ成膜して酸素ドープされた金属層を形成することが可能な第2のスパッタ成膜チャンバー、
前記搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続され、前記酸素ドープされた金属層を酸化処理して酸化物層とすることが可能な酸化処理チャンバー、及び、
前記搬送チャンバーとゲートバルブを介して接続され、少なくとも前記第2の金属層と第2強磁性層をスパッタ成膜することが可能な第3のスパッタ成膜チャンバー、
を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法を実現するトンネル磁気抵抗素子の製造装置。
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