WO2017221896A1 - トンネル磁気抵抗素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

トンネル磁気抵抗素子の自由磁性層の構造を改善し、リニアリティの高い磁気抵抗特性を実現する。基板２に近い側から、固定磁性層１０、絶縁層２０、自由磁性層３０の順で積層され、自由磁性層は、下面を絶縁層に接合する強磁性層３１、及び当該強磁性層の上面に接触して積層された軟磁性層３３を有する。自由磁性層を構成する強磁性層及び軟磁性層の磁化容易軸（Ａ２）は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層の磁化容易軸（Ａ１）に対して異なる方向にある

Description

トンネル磁気抵抗素子及びその製造方法

　本発明は、トンネル磁気抵抗素子及びその製造方法に関する。

　トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、固定磁性層と自由磁性層との間に配置された絶縁層を有し、磁気トンネル接合（ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction））を形成する。固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させる。このトンネル磁気抵抗素子を利用したものとして、磁気メモリ・磁気ヘッド・磁気センサーなどが挙げられる。（特許文献１－５）。
　また、自由磁性層に、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層（ＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢなど）を配置し、基板に近い側から、自由磁性層、絶縁層、固定磁性層の順に積層した構造を磁場中熱処理することで、外部からの磁場によって引き起こされる固定磁性層の磁化の向きと自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗変化を利用した、リニアリティの高い高感度な磁気センサーを作製する技術がある（特許文献６）
　自由磁性層には、外部からの磁場に反応しやすい軟磁性層（ＮｉＦｅやＣｏＦｅＳｉＢなど）を配置し、さらに、絶縁層に接合する強磁性層と軟磁性層との間に磁気結合層（ＴａやＲｕ）を介在させることで、磁気トンネル接合と軟磁性材料との固体物性上の結合は排除しつつ、磁気的な結合のみ発生させるシンセティック結合が利用されている（特許文献１－６）。

特開平９－２５１６８号公報 特開２００１－６８７５９号公報 特開２００４－１２８０２６号公報 特開２０１２－２２１５４９号公報 特開２０１３－４８１２４号公報 特開２０１３－１０５８２５号公報

　しかしながら、本発明者らの研究によると、特許文献６に記載の構成では、さらに感度を高める為、自由磁性層の形状を大きく（Ｈｋが改善、ノイズが低減すると期待）すると、上層の絶縁層や固定磁性層に悪影響（均一性や結晶性の悪化が原因と予想される）が生じ、磁気センサーとしての性能を高めることが困難になっている。
　一方で、絶縁層や固定磁性層に悪影響を与えず、自由磁性層の形状を大きくする為には、特許文献１，２，４，５の構成の様に、基板に近い側から、固定磁性層、絶縁層、自由磁性層の順に積層すれば良い。しかし、この構造の場合、熱処理処理によってリニアリティの高い高精度な磁気センサーを実現するに至っていない。磁気抵抗素子を、磁場の強弱を精度よく計測する磁気センサーとして使用していくためには検出磁場ゼロの状態（中立位置）からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こす性質（リニアリティ）が求められる。

　本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トンネル磁気抵抗素子の自由磁性層の構造を改善し、リニアリティの高い磁気抵抗特性を実現することを課題とする。

　以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に配置された絶縁層により、磁気トンネル接合を形成し、前記固定磁性層の磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
前記磁性層及び絶縁層を支持する基板に近い側から、前記固定磁性層、前記絶縁層、前記自由磁性層の順で積層され、
前記自由磁性層は、下面を前記絶縁層に接合する強磁性層、及び当該強磁性層の上面に接触して積層された軟磁性層を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項２記載の発明は、前記自由磁性層を構成する前記強磁性層及び前記軟磁性層の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向にあることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項３記載の発明は、前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェロ磁性の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項４記載の発明は、前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がパーマロイ（ＮｉＦｅ, ＮｉＦｅＣｕＭο, ＮｉＦｅＣοＭο）又はアモルファス（ＣｏＦｅＳｉＢ, ＣｏＦｅＣｒＳｉＢ, ＣｏＦｅＮｉＳｉＢ, ＮｉＦｅＳｉＢ）の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項５記載の発明は、前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェリ磁性の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項６記載の発明は、前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェライト合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項７記載の発明は、前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層が微結晶（ＮｉＣｕＮｂＳｉＢ, ＮｉＣｕＺｒＢ, ＮｉＡｌＳｉＮｉＳｒＢ）の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項８記載の発明は、前記絶縁層は、コヒーレントトンネル効果をもつ材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項９記載の発明は、前記絶縁層は、酸化マグネシウム、スピネル、及び酸化アルミニウムのいずれか１つで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子である。

　請求項１０記載の発明は、請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記固定磁性層及び前記絶縁層を積層し、さらに前記自由磁性層を構成する前記強磁性層を積層した後の積層体に対し、外部磁場を印加しながら熱処理を行い、前記自由磁性層を構成する前記強磁性層の磁化容易軸と前記固定磁性層の磁化容易軸とを同方向に形成する第１の磁場中熱処理工程と、
前記第１の磁場中熱処理工程の後、前記第１の磁場中熱処理工程のときとは向きを異ならせて外部磁場を印加しながら前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層を成膜することで、前記自由磁性層の磁化容易軸を、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向に形成する磁場中成膜工程とを備えるトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。

　請求項１１記載の発明は、前記磁場中成膜工程の後、前記磁場中成膜工程のときと同じ方向に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第２の磁場中熱処理工程と、
前記第２の磁場中熱処理工程の後、前記第１の磁場中熱処理工程のときと同じ方向に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第３の磁場中熱処理工程とを備える請求項１０に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法である。

　本発明によれば、リニアリティの高い磁気抵抗特性を実現することができる。

図１Ｄのグラフ上の位置Ｐ０の状態におけるトンネル磁気抵抗素子の磁化の向きを示す模式図である。 図１Ｄのグラフ上の位置Ｐ１の状態におけるトンネル磁気抵抗素子の磁化の向きを示す模式図である。 図１Ｄのグラフ上の位置Ｐ２の状態におけるトンネル磁気抵抗素子の磁化の向きを示す模式図である。 本発明が実現しようとする理想的な磁気抵抗特性を示すグラフである。 従来の一例のトンネル磁気抵抗素子の積層構造を示す断面図である。 図２の従来例で発現する磁気抵抗特性を示すグラフである。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 従来の他の一例のトンネル磁気抵抗素子の積層構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の積層構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図６Ａに続く、本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図６Ｂに続く、本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示すグラフである。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示すグラフであり、第２、第３の磁場中熱処理工程を実施後のものを示す。第２の磁場中熱処理工程の熱処理温度を２００℃、第３の磁場中熱処理工程の熱処理温度を１８０℃とした場合を示す。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 本発明の一実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗特性を示すグラフであり、第２、第３の磁場中熱処理工程を実施後のものを示す。第２の磁場中熱処理工程の熱処理温度を２００℃、第３の磁場中熱処理工程の熱処理温度を２００℃とした場合を示す。横軸は外部磁界（Ｈ（Ｏｅ））、縦軸はトンネル磁気抵抗素子の抵抗の変化率（ＴＭＲ比（％））である。 本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の表面図及び断面図である。 図９Ａに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の表面図である。 図９Ａに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図９Ｂに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の表面図である。 図９Ｂに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図９Ｃに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の表面図である。 図９Ｃに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図９Ｄに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の表面図である。 図９Ｄに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図９Ｅに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の表面図である。 図９Ｅに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。 図９Ｆに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の表面図である。 図９Ｆに続く、本発明の一実施例に係るトンネル磁気抵抗素子の製造プロセスを示す積層構造の断面図である。

　以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

　まず、図１Ａ－１Ｄを参照してトンネル磁気抵抗素子の基本構造及び本発明が実現しようとする理想的な磁気抵抗特性につき説明する。
　図１Ａ－１Ｃに示すようにトンネル磁気抵抗素子１は、磁化の向きが固定された固定磁性層１０、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層３０、及び、固定磁性層１０と自由磁性層３０との間に配置された絶縁層２０により、磁気トンネル接合を形成し、固定磁性層１０の磁化の向きと自由磁性層３０の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層２０の抵抗を変化させるものである。
　図１Ａ－１Ｃは、図１Ｄに示す各磁場状態における固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａと自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａを示す。図１Ａは検出磁場ゼロの状態（中立位置、図１Ｄのグラフ上の位置Ｐ０）におけるものを、図１Ｂは所定のプラス磁場が負荷された状態（図１Ｄのグラフ上の位置Ｐ１）におけるものを、図１Ｃは所定のマイナス磁場が負荷された状態（図１Ｄのグラフ上の位置Ｐ２）におけるものを示す。
　図１Ａは検出磁場ゼロの状態（中立位置Ｐ０）においては、固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａと自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａとが略９０度のねじれの位置で安定している。これは、それぞれ磁化容易軸の方向に磁化しているからである。すなわち、図１Ａ－Ｃに示すトンネル磁気抵抗素子１は、自由磁性層３０の磁化容易軸が固定磁性層１０の磁化容易軸に対して略９０度ねじれた位置に形成されたものであり、図１Ａに示す矢印１０Ａが固定磁性層１０の磁化容易軸の方向を、矢印３０Ａが自由磁性層３０磁化容易軸の方向を示している。
　図１Ａ－１Ｃに示すように固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａは、外部磁場の変化に影響されず一定であり、自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａは、外部磁場（Ｈ１，Ｈ２）の影響を受けて変化する。
　図１Ｂに示すように、固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａに対して反対方向の外部磁場Ｈ１がトンネル磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａが固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａの逆方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層２０の抵抗が増大する（図１Ｄで抵抗がＲ０からＲ１に増加）。抵抗の変化を図１Ａ－１Ｃにおいて電流Ｉ０、Ｉ１，Ｉ２の矢印の太さで模式的に示す。
　図１Ｃに示すように、固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａに対して同方向の外部磁場Ｈ２がトンネル磁気抵抗素子１に印加されると、自由磁性層３０の磁化の向き３０Ａが固定磁性層１０の磁化の向き１０Ａと同方向側へスピンし、トンネル効果により絶縁層２０の抵抗が減少する（図１Ｄで抵抗がＲ０からＲ２に減少）。
　図１Ｄに示すように抵抗（縦軸）を増大させる方向にも、減少させる方向にも、外部磁場の強さに対して比例的に（グラフが直線的に）抵抗変化を起こす性質（リニアリティ）を有するトンネル磁気抵抗素子１を実現したい。

　図２に示す従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１は、特許文献１－５に記載の類のもので、絶縁層２０の下部に固定磁性層１０、上部に自由磁性層３０が形成され、自由磁性層３０は、強磁性層（ＣｏＦｅＢ）３１と軟磁性層（ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＳｉ）３３との間に磁気結合層（Ｒｕ）３２が介在する積層構造である。
　詳しくは、従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１は、基板（Ｓｉ，ＳｉＯ_２）２上に、下地層（Ｔａ）３が形成され、その上に固定磁性層１０として、下から反強磁性層（ＩｒＭｎ）１１、強磁性層（ＣｏＦｅ）１２、磁気結合層（Ｒｕ）１３、強磁性層（ＣｏＦｅＢ）１４が積層され、絶縁層（ＭｇＯ）２０を介して、その上に、自由磁性層３０として、下から強磁性層（ＣｏＦｅＢ）３１、磁気結合層（Ｒｕ）３２、軟磁性層（ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅＳｉ）３３が積層された積層構造を有する。
　このような従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１にあっては、都度向きを異ならせて外部磁場を印加しながら熱処理する磁場中熱処理を複数回行っても、すべての磁性層の磁化容易軸の方向が揃って磁気抵抗特性が図３に示すようなヒステリシスの高い形態となってしまい、上述したリニアリティを実現できない。図２に示す矢印Ａ１が磁性層の磁化容易軸の方向である。

　一方、図４に示す従来例のトンネル磁気抵抗素子１０２は、特許文献６に記載の類のもので、図２に対し固定磁性層１０と自由磁性層３０とを上下逆にした積層構造を有する。　このような従来例のトンネル磁気抵抗素子１０２にあっては、自由磁性層３０の磁化容易軸の方向（矢印Ａ１）を固定磁性層１０の容易磁化軸の方向（矢印Ａ２）と異なる方向に形成できるとともに、自由磁性層３０の形状を大きく（Ｈｋが改善、ノイズが低減すると期待）することができるが、上層の絶縁層２０や固定磁性層１０に悪影響（均一性や結晶性の悪化が原因と予想される）が生じ、磁気センサーとしての性能を高めることが困難になった。

　そこで、図５に示すように本発明のトンネル磁気抵抗素子１Ａは、従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１と同様に、磁性層１０，３０及び絶縁層２０を支持する基板２に近い側から、固定磁性層１０、絶縁層２０、自由磁性層３０の順で積層され、従来例のトンネル磁気抵抗素子１０１の積層構造に対し磁気結合層（Ｒｕ）３２を排し、自由磁性層３０は、下面を絶縁層２０に接合する強磁性層３１、及び当該強磁性層３１の上面に接触して積層された軟磁性層３３を有する積層構造とする。
　かかる積層構造によれば、自由磁性層３０を構成する強磁性層３１及び軟磁性層３３の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層１０の磁化容易軸に対して異なる方向（ねじれの位置、例えば略９０度ねじれた方向）にある磁化特性に形成することができ、上述したリニアリティを実現できる。

（製造プロセス要点）
　そのための、製造方法の要点を説明する。
　まず、図６Ａに示すように、基板２から少なくとも強磁性層３１までの層を積層した後、この積層体に対し、所定方向（矢印Ａ１）の外部磁場を印加しながら熱処理を行い、自由磁性層３０を構成する強磁性層３１の磁化容易軸と固定磁性層１０の磁化容易軸とを同方向に形成する第１の磁場中熱処理工程を実施する。
　かかる第１の磁場中熱処理工程の後、図６Ｂに示すように第１の磁場中熱処理工程のときとは向きをねじるように異ならせて（矢印Ａ２方向にした）外部磁場を印加しながら自由磁性層３０を構成する軟磁性層３３を成膜することで、自由磁性層３０の磁化容易軸を、固定磁性層１０の磁化容易軸に対して異なる方向（例えば略９０度ねじれた方向）に形成する磁場中成膜工程を実施し、図６Ｃに示す積層構造を得る。
　図６Ｃに示すように、以上の第１の磁場中熱処理工程、磁場中成膜工程を経ることで、自由磁性層３０を構成する強磁性層３１及び軟磁性層３３の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、固定磁性層１０の磁化容易軸に対して異なる方向（好ましくは略９０度ねじれた方向）にある磁化特性に形成することができる。すなわち、固定磁性層１０の磁化容易軸は、第１の磁場中熱処理工程のときに印加された磁場方向（矢印Ａ１）に形成され、自由磁性層３０の磁化容易軸は、磁場中成膜工程のときに印加された磁場方向（矢印Ａ２）に形成される。
　この時点で、図７に示すようなリニアリティのある磁気抵抗特性が得られる。

　さらに上記磁場中成膜工程の後、次の工程を実施することが好ましい。すなわち、磁場中成膜工程のときと同じ方向（矢印Ａ２）に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第２の磁場中熱処理工程を実施する。さらに、第２の磁場中熱処理工程の後、第１の磁場中熱処理工程のときと同じ方向（矢印Ａ１）に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第３の磁場中熱処理工程を実施する。これにより、図８に示すようにＨｋ，Ｈｃを小さくして高感度化を図ることができる。

（製造プロセスの実施例）
　ここで、上記製造プロセスの要点に従った製造プロセスの一実施例を、図９Ａ－９Ｇ２を参照しつつ説明する。図９Ａ－９Ｇ２において下地層３の図示を省略する。
　基板２上に成膜された強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction : ＭＴＪ）多層膜（層１０，２０，３１）に対して第１の磁場中熱処理工程を行う（図９Ａ）。印加する磁場方向を矢印Ａ１方向とし、磁場の強さを１Ｔとし、熱処理温度を３７５℃とする。この熱処理によって抵抗変化率であるトンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto-Resistance : ＴＭＲ）比が大きく向上する。

　第１の磁場中熱処理工程を行ったＭＴＪ多層膜表面にフォトリソグラフィもしくは電子線リソグラフィ（本実施例ではフォトリソグラフィ）によってレジストパターン形成を行う（図９Ｂ１，９Ｂ２）。層４１は強磁性層３１上に形成されたＴａ層で、第１の磁場中熱処理工程前に形成したものである。Ｔａ層４１上にレジストパターン４２を形成する。
　レジストパターン４２を形成したＭＴＪ多層膜に対して、Ａｒイオンミリングを行い、ＭｇＯ絶縁層２０までエッチングを行う（図９Ｂ１，９Ｂ２）。レジストパターン４２直下のＭＴＪ多層膜はＡｒイオンに晒されないため最上部層まで多層膜構造が残り、形成されたレジスト形状のＭＴＪピラーが形成される（図９Ｂ１，９Ｂ２）。

　ＭＴＪピラーと後のプロセスで成膜する軟磁性層３３及び上部電極層を電気的に絶縁し、ＭＴＪピラー部分にのみ電流を流すため、層間絶縁層４３の形成する（図９Ｃ１，９Ｃ２）。層間絶縁層４３の材料は、ＳｉＯ_２やＡｌ－Ｏｘを用いることができる（本実施例はＳｉＯ_２を使用）。層間絶縁層４３の形成プロセスとして、リフトオフ法やコンタクトホール形成法を用いることができる（本実施例ではリフトオフ法）。リフトオフ法では、ＭＴＪピラー形成用のレジストパターン４２を残したまま、基板全体にＳｉＯ_２等の絶縁膜を成膜する。絶縁膜の成膜にはスパッタリング法や低温ＣＶＤを用いることができる（本実施例では低温ＣＶＤを使用）。絶縁膜の成膜後、基板をアセトンやジメチルピロリドン等の有機溶媒で超音波洗浄することで、レジスト４２を除去する。この際、レジスト４２上に成膜された絶縁膜も除去されるため、ＭＴＪピラー上面のみ多層膜が露出した構造を作製することができる。コンタクトホール形成法では、ＭＴＪピラー形成用レジストパターン４２を有機溶媒等で除去し、基板全体に絶縁膜を成膜する。その後、ＭＴＪピラー上の電気的コンタクトが必要な部分のみ開口されたレジストパターンを形成し、ＣＨＦ３、ＣＨ４等をプロセスガスに用いて反応性エッチングを行うことで、絶縁膜に開口を形成する。コンタクト開口用のレジストパターンを有機溶媒等で除去することで、ＭＴＪピラー上面のみ多層膜が露出した構造を作製することができる。

　層間絶縁層４３を形成した基板に対して、軟磁性層３３及び上部電極形成用のマスクを用いてフォトリソグラフィによりレジストパターン４４を形成する（図９Ｄ１，９Ｄ２）。軟磁性層３３及び上部電極層が形成される領域を開口としてパターン形成を行う。
　軟磁性層３３及び上部電極層形成用レジストパターン４４が形成された基板に対して、Ａｒイオンミリングによるエッチングを行い、ＭＴＪ多層膜中の上部ＣｏＦｅＢ強磁性層３１を露出させる（図９Ｅ１，９Ｅ２）。この露出したＣｏＦｅＢ層３１の上に軟磁性層３３を成膜することで、磁気抵抗曲線に軟磁気特性が発現する。ＣｏＦｅＢ層３１表面の酸化等によってＣｏＦｅＢ層３１と軟磁性層３３の磁気的結合が阻害されるのを防ぐため、Ａｒイオンミリングと軟磁性層３３の成膜の間に基板を大気に晒さず、連続的に真空下でエッチングと成膜を行うことが望ましい。軟磁性層３３の材料にはＣｏＦｅＳｉＢ等のアモルファス材料やＮｉＦｅ系合金等のソフト磁性材料を使用することができる（本実施例ではＣｏＦｅＳｉＢを使用）。軟磁性層３３の成膜の際にＭＴＪ多層膜の磁化困難軸方向（矢印Ａ２方向）に磁場を印加しながら成膜を行うことによって（図９Ｆ１，９Ｆ２）、ＭＴＪ下部の磁性多層膜と上部ＣｏＦｅＢ層３１及び軟磁性層３３の磁化容易軸を９０度にねじれた関係にすることができ、これによって自由磁性層３０の困難軸方向の磁場成分に対して抵抗が線形に変化する図７に示すようなリニアリティのある磁気抵抗曲線が得られる。
　本実施例では、基板２をＳｉ,ＳｉＯ_２とし、その上にＴａを５ｎｍ、 Ｒuを１０ｎｍ、ＩｒＭｎを１０ｎｍ、ＣｏＦｅを２ｎｍ、Ｒｕを０．８５ｎｍ、 ＣｏＦｅＢを３ｎｍ、ＭｇＯを２．７ｎｍ、ＣｏＦｅＢを３ｎｍ、Ｔａを５ｎｍ積層し、磁場強度１Ｔ、温度は３７５℃で第１の磁場中熱処理を行なった。その後、ＣｏＦｅＢ層３１を露出させた後に軟磁性層（ＣｏＦｅＳｉＢ）３３を膜厚１００ｎｍまで磁場中スパッタで成膜した。

　軟磁性層３３の成膜後、上部電極層の成膜を行う（図９Ｇ１，９Ｇ２）。上部電極層材料としてＴａ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等及びそれらの多層膜を用いることができる（本実施例ではＴａ/Ａｌ多層膜）。上部電極層は軟磁性層３３の酸化を防止し、センサ動作時の電源回路やアンプ回路等との電気的接続を担う。
　軟磁性層３３及び上部電極を成膜した基板を有機溶媒等を用いて超音波洗浄し、レジスト４４を除去することで、レジスト開口部以外の軟磁性層３３及び上部電極層を除去する（図９Ｇ１，９Ｇ２）。したがって、軟磁性層３３及び上部電極層はフォトリソグラフィによって任意の形状に形成することができる。また、複数回のフォトリソグラフィを行うことで、軟磁性層３３と上部電極とで異なった形状を持つ素子を作製することも可能である。
　以上の微細加工によってトンネル磁気抵抗素子は作製されるが、軟磁性層３３は素子作製後、熱処理を行われていないas-depositedの状態である。したがって作製した素子に対して再び磁場中熱処理を行い、軟磁性層３３の磁気異方性を操作することで、よりソフトな磁気特性を持った磁気抵抗曲線を発現することが可能である。回転磁場中熱処理や、磁場方向を軟磁性層３３の困難軸から容易軸へと変化させた熱処理等を行うことで、軟磁性層３３のＨｋが低下し、より高い磁場感度が得られる。
　本実施例では、磁場方向を第１の磁場中熱処理工程のときの方向（矢印Ａ１方向）に対して９０度の方向（矢印Ａ２方向）にして第２の磁場中熱処理工程を実施し，さらに０度方向（矢印Ａ１方向）にして第３の磁場中熱処理工程を行った。第２の磁場中熱処理工程は熱処理温度を２００℃とし、第３の磁場中熱処理工程は熱処理温度を２００℃として、図８Ｂに示す磁気抵抗曲線が得られた。図８Ａは第２の磁場中熱処理工程の熱処理温度を２００℃とし、第３の磁場中熱処理工程の熱処理温度を１８０℃とした場合である。このように第３の磁場中熱処理工程の熱処理温度を上げていくことによって、Ｈｋ，Ｈｃとも小さくして高感度化できることが分かる。

　図５に示すように本発明のトンネル磁気抵抗素子は、従来の素子構成と異なり、ＭＴＪ多層膜に対して第１の磁場中熱処理工程を行なった後に軟磁性層をスパッタする構成の為、磁場中熱処理で高いＴＭＲ比を発現させるプロセスに軟磁性層が悪影響を与えない。その為、軟磁性層に使用する材料の選択肢を広く設けることができ、フェリ磁性（例えばパーマロイやアモルファス）・フェロ磁性（例えばフェライト）・微結晶の合金等から用途や使い勝手に合わせて最適な材料を選択すれば良い。
　また、従来のトンネル磁気抵抗素子の自由磁性層は数 nm ～ 数百 nmの膜厚が限界であったが、本発明のトンネル磁気抵抗素子の自由磁性層では数μmの軟磁性層を接合させることも可能であり、軟磁性層の体積を非常に大きく取ることができる。その為、自由磁性層の熱揺らぎに起因したホワイトノイズや１／ｆノイズを大きく低減させ、高いＳＮ比を備えた磁気センサーの作製が期待できる。
　さらには、自由磁性層は素子の最表面に位置することから、形状を自由に設けられる。その為、自由磁性層に磁束を集中させるフラックスコンセントレータ（Flux Concentrator : FC）を内蔵したトンネル磁気抵抗素子の作製が期待できる。従来、トンネル磁気抵抗素子とFCとは物理的に分離した構造で作製されるが、本発明では自由磁性層とFCとは薄膜として接合した構造若しくは一体の構造となる為、磁束の集中効果を最大限に利用できる。

　本発明は、トンネル磁気抵抗素子及びその製造方法に利用することができる。

１ トンネル磁気抵抗素子
１Ａ トンネル磁気抵抗素子
２ 基板
３ 下地層
１０ 固定磁性層
２０ 絶縁層
３０ 自由磁性層
３１ 強磁性層
３３ 軟磁性層

Claims (11)

1. 磁化の向きが固定された固定磁性層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する自由磁性層、及び、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に配置された絶縁層により、磁気トンネル接合を形成し、前記固定磁性層の磁化の向きと前記自由磁性層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子であって、
   前記磁性層及び絶縁層を支持する基板に近い側から、前記固定磁性層、前記絶縁層、前記自由磁性層の順で積層され、
   前記自由磁性層は、下面を前記絶縁層に接合する強磁性層、及び当該強磁性層の上面に接触して積層された軟磁性層を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
2. 前記自由磁性層を構成する前記強磁性層及び前記軟磁性層の磁化容易軸は互いに同方向にあり、かつ、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向にあることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
3. 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェロ磁性の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
4. 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がパーマロイ（ＮｉＦｅ, ＮｉＦｅＣｕＭο, ＮｉＦｅＣοＭο）又はアモルファス（ＣｏＦｅＳｉＢ, ＣｏＦｅＣｒＳｉＢ, ＣｏＦｅＮｉＳｉＢ, ＮｉＦｅＳｉＢ）の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
5. 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェリ磁性の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
6. 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層がフェライト合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
7. 前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層が微結晶（ＮｉＣｕＮｂＳｉＢ, ＮｉＣｕＺｒＢ, ＮｉＡｌＳｉＮｉＳｒＢ）の合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
8. 前記絶縁層は、コヒーレントトンネル効果をもつ材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子。
9. 前記絶縁層は、酸化マグネシウム、スピネル、及び酸化アルミニウムのいずれか１つで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子。
10. 請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載のトンネル磁気抵抗素子を製造する方法であって、
    前記基板上に前記固定磁性層及び前記絶縁層を積層し、さらに前記自由磁性層を構成する前記強磁性層を積層した後の積層体に対し、外部磁場を印加しながら熱処理を行い、前記自由磁性層を構成する前記強磁性層の磁化容易軸と前記固定磁性層の磁化容易軸とを同方向に形成する第１の磁場中熱処理工程と、
    前記第１の磁場中熱処理工程の後、前記第１の磁場中熱処理工程のときとは向きを異ならせて外部磁場を印加しながら前記自由磁性層を構成する前記軟磁性層を成膜することで、前記自由磁性層の磁化容易軸を、前記固定磁性層の磁化容易軸に対して異なる方向に形成する磁場中成膜工程とを備えるトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
11. 前記磁場中成膜工程の後、前記磁場中成膜工程のときと同じ方向に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第２の磁場中熱処理工程と、
    前記第２の磁場中熱処理工程の後、前記第１の磁場中熱処理工程のときと同じ方向に外部磁場を印加しながら熱処理を行う第３の磁場中熱処理工程とを備える請求項１０に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。

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