特許 5999543 トンネル磁気抵抗素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5999543

(24)【登録日】2016年9月9日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】トンネル磁気抵抗素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/12 20060101AFI20160915BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20160915BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20160915BHJP

   H01L 21/8246 20060101ALI20160915BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20160915BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/12

   H01L43/10

   H01L43/08 Z

   H01L27/10 447

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-6414(P2012-6414)

(22)【出願日】2012年1月16日

(65)【公開番号】特開2013-145846(P2013-145846A)

(43)【公開日】2013年7月25日

【審査請求日】2015年1月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(72)【発明者】

【氏名】山本 弘輝

(72)【発明者】

【氏名】森田 正

(72)【発明者】

【氏名】小梁 慎二

(72)【発明者】

【氏名】大野 英男

(72)【発明者】

【氏名】池田 正二

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１６６０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１１０６０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２６３０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１７７４４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００８６４３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２７８１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２５３０３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１５７０６４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／１２

Ｈ０１Ｌ ２１／８２４６

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に第１磁性層を形成する工程と、
前記第１磁性層上に金属元素からなる障壁用金属層を形成し、前記金属元素がマグネシウムであり、活性酸素が存在する雰囲気で前記障壁用金属層を１５０℃以下の温度で加熱し、それによって、前記障壁用金属層を酸化して前記金属元素の酸化物である第１トンネル障壁層を形成する工程と、
前記第１トンネル障壁層上に前記金属元素からなる拡散抑制金属層を形成する工程と、
前記拡散抑制金属層上に第２磁性層を形成する工程と、
前記第１トンネル障壁層及び前記拡散抑制金属層が前記第１磁性層と前記第２磁性層とに挟まれてなる積層体をさらに加熱する工程とを有し、
前記積層体を加熱する工程では、
前記第１トンネル障壁層から拡散する酸素によって、前記金属元素の酸化物である第２トンネル障壁層を前記拡散抑制金属層から形成する
トンネル磁気抵抗素子の製造方法。

【請求項2】

前記第１トンネル障壁層を形成する工程は、前記障壁用金属層を加熱する温度を１００℃以上１２５℃以下とする
請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。

【請求項3】

前記拡散抑制金属層を形成する工程では、
前記拡散抑制金属層を前記第１トンネル障壁層よりも薄く形成する
請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。

【請求項4】

前記積層体を加熱する工程が、
酸化された前記障壁用金属層を加熱によって結晶化する
請求項３に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。

【請求項5】

前記第１磁性層を形成する工程は、
前記第１磁性層として、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の膜厚を有するＣｏＦｅＢ合金層を形成し、
前記第２磁性層を形成する工程は、
前記第２磁性層として、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の膜厚を有するＣｏＦｅＢ合金層を形成する
請求項４に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の技術は、トンネル磁気抵抗素子の製造方法に関し、特にトンネル障壁層が金属酸化物であるトンネル磁気抵抗素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＲＡＭ（Magneto resistive Random Access Memory ）や磁気センサー等の磁気抵抗デバイスには、デバイスに必要とされる機能をトンネル磁気抵抗効果によって実現するトンネル磁気抵抗素子が搭載されている。トンネル障壁層が２つの磁性層に挟まれてなるトンネル磁気抵抗素子は、２つの磁性層の磁化方向に応じてトンネル障壁層に流れる電流値を変える。こうしたトンネル障壁層の形成材料には、従来から、酸化アルミニウムや酸化チタン等の金属酸化物が用いられ、なかでも、酸化マグネシウムを用いる技術は、特許文献１に記載のように、トンネル磁気抵抗素子の高出力化を図る技術として鋭意研究されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−０９８５２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一方、大きなトンネル磁気抵抗効果が発現される前提として、２つの磁性層の各々には、所定の結晶配向が必要とされ、また、形成材料によっては、トンネル障壁層にも所定の結晶配向が必要とされる。例えば、磁性層として鉄が用いられ、トンネル障壁層として酸化アルミニウムが用いられる場合には、磁性層である鉄に（００１）配向が必要とされる。また、磁性層としてＣｏＦｅＢ合金層が用いられ、且つトンネル障壁層として酸化マグネシウム層が用いられる場合には、ＣｏＦｅＢ合金層と酸化マグネシウム層の各々に（００１）配向が必要とされる。

【0005】

そこで、トンネル磁気抵抗素子の形成工程では、トンネル障壁層や磁性層に結晶配向を持たせることを目的として、トンネル障壁層が２つの磁性層に挟まれる状態で、これらが室温よりも高い温度に一定時間保持される場合が少なくない。この際、金属酸化物からなるトンネル障壁層が室温よりも高い温度に保持されるとなると、トンネル障壁層に含まれる酸素が磁性層に拡散して、磁性層の一部が結晶配向を失うことになる。特に、磁性層がＣｏＦｅＢ合金層からなる場合には、ＣｏＦｅＢ合金層の膜厚が１ｎｍ程度にまで薄くなるため、こうした酸素の拡散が深刻な問題となる。

【0006】

なお、トンネル磁気抵抗効果の発現を目的としたアニール処理の他、磁気抵抗デバイスの製造工程では、トンネル磁気抵抗素子の全体を覆う絶縁層の形成等、トンネル磁気抵抗素子が搭載された基板を室温よりも高い温度で一定時間保持する場合もある。そして、トンネル磁気抵抗効果の発現を目的としたアニール処理が行われない場合であっても、２つの磁性層の間でトンネル障壁層が昇温される以上、上述した酸素の拡散によって磁性層の一部が結晶配向を失うこととなる。結局のところ、トンネル磁気抵抗効果の発現を目的とした加熱あれ、それ以外の加熱であれ、２つの磁性層の間でトンネル障壁層が昇温される以上、トンネル磁気抵抗素子の高出力化を妨げる要因となっている。

【0007】

本開示の技術は、金属酸化物からなるトンネル障壁層を有するトンネル磁気抵抗素子においてトンネル磁気抵抗効果を高めることの可能なトンネル磁気抵抗素子の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の一態様は、基板に第１磁性層を形成する工程と、前記第１磁性層上に金属元素の酸化物である第１トンネル障壁層を形成する工程と、前記第１トンネル障壁層上に前記金属元素からなる拡散抑制金属層を形成する工程と、前記拡散抑制金属層上に第２磁性層を形成する工程と、前記第１トンネル障壁層及び前記拡散抑制金属層が前記第１磁性層と前記第２磁性層とに挟まれてなる積層体を加熱する工程とを有し、前記積層体を加熱する工程では、前記第１トンネル障壁層から拡散する酸素によって、前記金属元素の酸化物である第２トンネル障壁層を前記拡散抑制金属層から形成する。

【0009】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の一態様によれば、積層体が加熱される工程にて、第１トンネル障壁層と第２磁性層との間には、第１トンネル障壁層を構成する金属元素と同一の金属元素からなる拡散抑制金属層が挟まれている。そのため、第１トンネル障壁層に含まれる酸素が第２磁性層に向けて拡散する際には、第２磁性層の酸化が進む前に、まず、拡散抑制金属層の酸化が進むことになる。それゆえに、第１トンネル障壁層から酸素が拡散する程度に積層体が加熱されるとしても、第１トンネル障壁層から拡散される酸素は、まず、拡散抑制金属層の酸化に消費される。その結果、第２磁性層の酸化を抑えることが可能であるから、第２磁性層の酸化によってトンネル磁気抵抗効果が低下することを抑えることが可能となる。

【0010】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様は、前記拡散抑制金属層を形成する工程では、前記拡散抑制金属層を前記第１トンネル障壁層よりも薄く形成する。

【0011】

拡散抑制金属層の全体の酸化に必要とされる酸素の量と比べて、第１トンネル障壁層から拡散する酸素の量が少ない場合には、第１トンネル障壁層と第２磁性層との間には、第２トンネル障壁層の他、酸化のされない金属元素が残ることになる。こうした金属元素が残ることになれば、金属層の全てが酸化される場合と比べて、トンネル磁気抵抗効果が低下することになる。

【0012】

この点、本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様によれば、拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層よりも薄く形成される。そのため、拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層と同じ厚さである場合、あるいは拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層よりも厚い場合と比べて、酸化のされない金属元素が第１トンネル障壁層と第２磁性層との間に残ることを抑えることが可能になる。それゆえに、拡散抑制金属層の金属元素が酸化されないことによるトンネル磁気抵抗効果の低下を抑えることが可能になる。

【0013】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様は、前記第１トンネル障壁層を形成する工程が、前記第１磁性層上に前記金属元素からなる障壁用金属層を形成する工程と、前記障壁用金属層を酸化して前記第１トンネル障壁層とする工程とを有する。

【0014】

第１磁性層上に金属酸化物を形成する方法には、金属酸化物そのものを第１磁性層上に堆積させる方法と、金属酸化物を構成する金属元素を第１磁性層上に堆積させた後にその金属元素を酸化させる方法とが挙げられる。ここで、金属酸化物そのものを第１磁性層上に堆積させる方法では、金属酸化物そのものが堆積する際に、金属元素の量と酸素の量、すなわち物理的及び化学的な特性が互いに異なる元素の量が、第１磁性層上にて同時に変わる。一方、金属元素を第１磁性層上に堆積させた後にその金属元素を酸化させる方法であれば、トンネル障壁層の形成される過程で金属元素の量と酸素の量とが第１磁性層上にて格別に変わる。

【0015】

この点、本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様によれば、まず、障壁用金属層が第１磁性層上に形成され、その後、障壁用金属層が酸化されることによって第１トンネル障壁層が形成される。そのため、金属元素の量と酸素の量とが第１磁性層上にて格別に変わることから、金属元素の量と酸素の量とが同時に変わる場合と比べて、第１トンネル障壁層における組成の調整が容易になる。

【0016】

また、障壁用金属層に対する酸化が過剰に行われる場合であっても、過剰な酸素は、拡散抑制金属層で消費されることになる。それゆえに、上述したように、第１トンネル障壁層に拡散抑制金属層が形成される方法であれば、第２磁性層の酸化によってトンネル磁気抵抗効果が低下することを抑えることに加え、障壁用金属層に対する酸化の度合いの誤差に関し、その許容範囲を大きくすることが可能にもなる。

【0017】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様は、前記金属元素が、マグネシウムであり、前記積層体を加熱する工程が、酸化された前記障壁用金属層を加熱によって結晶化する。

【0018】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様によれば、第１トンネル障壁層及び第２トンネル障壁層の形成材料である酸化マグネシウムが、積層体を加熱する工程によって結晶化される。そのため、これら酸化マグネシウムが結晶化される工程と積層体が加熱される工程とが格別に実施される場合と比べて、トンネル磁気抵抗素子の製造方法に必要とされる工程数を低減することが可能にもなる。

【0019】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様では、前記第１磁性層を形成する工程は、前記第１磁性層として、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の膜厚を有するＣｏＦｅＢ合金層を形成し、前記第２磁性層を形成する工程は、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の膜厚を有するＣｏＦｅＢ合金層を前記第２磁性層とする。

【0020】

２つの磁性層がＣｏＦｅＢ合金層であり、これらの磁性層に挟まれるトンネル障壁層が酸化マグネシウム層であるトンネル磁気抵抗素子では、磁性層の膜厚が０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である場合に、垂直磁化型の磁気抵抗効果が発現される。この際、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下という非常に薄い磁性層の一部が酸化されることになれば、２．５ｎｍを超える磁性層の一部が酸化される場合と比べて、トンネル磁気抵抗効果の低下の度合いが著しいものとなる。

【0021】

この点、本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の他の態様によれば、２つの磁性層の各々の膜厚が、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であるため、垂直磁化型のトンネル磁気抵抗素子を製造することが可能になる。そして、このように非常に薄い第２磁性層に対してそれの酸化が抑えられるため、上述したようにトンネル磁気抵抗効果が低下することを抑える効果が顕著なものとなる。

【0022】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造装置の一態様は、基板を搬送する搬送部と、第１磁性層を形成する第１磁性層形成部と、第２磁性層を形成する第２磁性層形成部と、金属元素の酸化物であるトンネル障壁層を形成する障壁層形成部と、前記金属元素からなる拡散抑制金属層を形成する金属層形成部と、前記搬送部の搬送を制御する制御部とを備え、前記第１磁性層、前記第２磁性層、前記トンネル障壁層、及び前記拡散抑制金属層からなる積層体は加熱されるものであり、前記制御部が、前記第１磁性層形成部、前記障壁層形成部、前記金属層形成部、前記第２磁性層形成部の順に前記基板を搬送させて前記積層体を形成する。

【0023】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造装置の一態様によれば、第１トンネル障壁層と第２磁性層との間に、第１トンネル障壁層を構成する金属元素と同一の金属元素からなる拡散抑制金属層が挟まれる。そして、第１トンネル障壁層と第２磁性層との間に拡散抑制金属層が介在する状態にて、積層体が加熱される。そのため、第１トンネル障壁層に含まれる酸素が、第２磁性層に向けて加熱により拡散する際には、第２磁性層の酸化が進む前に、拡散抑制金属層の酸化が進むことになる。それゆえに、第１トンネル障壁層から酸素が拡散する程度に積層体が加熱されるとしても、こうした酸素が拡散抑制金属層の酸化に消費される結果、第２磁性層の酸化を抑えることが可能であるから、第２磁性層の酸化によって磁気抵抗効果が低下することを抑えることが可能となる。

【0024】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造装置の他の態様は、前記金属層形成部を、第１の金属層形成部とし、前記障壁層形成部が、前記金属元素からなる障壁用金属層を形成する第２の金属層形成部と、前記障壁用金属層を酸化する金属層酸化部とを有し、前記第１の金属層形成部と前記第２の金属層形成部とが同一である。

【0025】

金属元素の酸化物を第１磁性層上に形成する障壁層形成部の構成には、金属酸化物そのものを第１磁性層上に堆積させる構成が挙げられる。この他、金属元素の酸化物を第１磁性層上に形成する構成には、金属元素を第１磁性層上に形成する形成部と、その金属元素を酸化させる酸化部とを有する構成が挙げられる。ここで、金属酸化物そのものを第１磁性層上に堆積させる構成では、金属酸化物そのものが堆積する際に、金属元素の量と酸素の量、すなわち物理的及び化学的な特性が互いに異なる元素の量が、第１磁性層上にて同時に変わる。一方、金属元素を第１磁性層上に堆積させた後にその金属元素を酸化させる構成であれば、トンネル障壁層の形成される過程で金属元素の量と酸素の量とが第１磁性層上にて格別に変わる。

【0026】

この点、本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造装置の他の態様によれば、まず、第２の金属層形成部が障壁用金属層を第１磁性層上に形成し、金属層酸化部が障壁用金属層を酸化する。そのため、金属元素の量と酸素の量とが第１磁性層上にて格別に変わることから、金属元素の量と酸素の量とが同時に変わる場合と比べて、第１トンネル障壁層における組成の調整が容易になる。しかも、第１の金属層形成部と第２の金属層形成部とが同一であるから、これら第１の金属層形成部と第２の金属層形成部とが各別の構成と比べて、トンネル磁気抵抗素子の製造装置の構成を簡素化することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の第１実施形態により製造されるトンネル磁気抵抗素子の層構造の一例を示す素子構成図である。

【図2】第１実施形態におけるトンネル磁気抵抗素子の製造装置の装置構成を示す装置構成図である。

【図3】第１実施形態におけるトンネル磁気抵抗素子の製造装置の電気的構成を示す電気ブロック図である。

【図4】第１実施形態におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の各製造工程の流れを示すフローチャートである。

【図5】第１実施形態におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法により製造されるトンネル磁気抵抗素子の第２マグネシウム層の膜厚と素子抵抗値との関係、及び第２マグネシウム層と磁気抵抗比との関係を示すグラフである。

【図6】第１実施形態におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法に関わる試験例であって、基板温度と第１マグネシウム層の膜厚との関係を示すグラフである。

【図7】第１実施形態におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法により製造されるトンネル磁気抵抗素子の素子抵抗値と基板温度との関係、及び磁気抵抗比と基板温度との関係を示すグラフである。

【図8】本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の第２実施形態における各製造工程の流れを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

（第１実施形態）

【0029】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法、及びトンネル磁気抵抗素子の製造装置の第１実施形態について、図１〜５を参照して以下に説明する。まず、本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法を用いて製造されるトンネル磁気抵抗素子の層構造について説明する。
［トンネル磁気抵抗素子］

【0030】

図１に示されるように、トンネル磁気抵抗素子は、基板１１の一側面に、バッファ層１２、第１磁性層１３、トンネル障壁層１４、第２磁性層１５、及びキャッピング層１６がこの順に積層された素子構造を有する。

【0031】

基板１１は、各種の能動素子や能動素子とトンネル磁気抵抗素子とを接続する配線等が形成された基板である。基板１１の基材としては、シリコン、ガラス等のセラミック等が適用される。

【0032】

バッファ層１２は、第１磁性層１３における平滑且つ均質な結晶化を促すための層である。バッファ層１２には、例えばタンタル層（Ｔａ層１２ａ）、ルテニウム層（Ｒｕ層１２ｂ）及びタンタル層（Ｔａ層１２ｃ）がこの順に積層された積層構造が適用される。ちなみに、例えばＴａ層１２ａの膜厚は５ｎｍであり、Ｒｕ層１２ｂの膜厚は２１ｎｍであり、Ｔａ層１２ｃの膜厚は５ｎｍである。

【0033】

第１磁性層１３は、磁化方向が固定された強磁性層である。トンネル磁気抵抗素子が面内磁化型である場合には、第１磁性層１３の磁化方向は、基板１１の一側面と平行である。一方、トンネル磁気抵抗素子が垂直磁化型である場合には、第１磁性層１３の磁化方向は、基板１１の一側面に対する法線方向と平行である。第１磁性層１３には、例えば（００１）配向を有するコバルト鉄ボロン合金結晶（ＣｏＦｅＢ合金結晶）が適用される。ちなみに、ＣｏＦｅＢ合金結晶の組成は、例えばＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_{（１- ｘ- ｙ）}と表記される組成式において、０．２≦ｘ≦０．４、０．４≦ｙ≦０．９を満たす。なお、第１磁性層１３には、ＣｏＦｅＢ合金結晶の他、ＣｏＦｅＢ合金系、すなわちＣｏＦｅＢ合金にリン又は炭素が添加された合金が適用される。また、第１磁性層１３には、ＣｏＦｅＢ合金系の他、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも一つを含む強磁性材料、例えばＣｏＦｅやＦｅＮｉが適用される。第１磁性層１３の膜厚は、例えば垂直磁化を確実なものとするうえで、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0034】

トンネル障壁層１４は、第１磁性層１３と第２磁性層１５とに挟まれる金属酸化物からなる非磁性の絶縁層である。トンネル障壁層１４は、第１磁性層１３に接触する第１トンネル障壁層１４１と、第１トンネル障壁層１４１と第２磁性層１５とに挟まれる第２トンネル障壁層１４２とから構成される。第１トンネル障壁層１４１及び第２トンネル障壁層１４２の各々は、同じ金属元素の酸化物から形成され、その形成材料には、例えば（００１）配向を有する酸化マグネシウム結晶（ＭｇＯ結晶）や非晶質の酸化アルミニウムが適用される。なお、高い磁気抵抗比が得られる観点からすれば、第１トンネル障壁層１４１及び第２トンネル障壁層１４２の各々がＭｇＯ結晶であることが好ましい。

【0035】

第１トンネル障壁層１４１は、金属ターゲットを用いるスパッタ法によって形成された金属層である障壁用金属層が酸化されることによって得られる金属酸化物層、あるいは金属酸化物ターゲットを用いるスパッタ法によって形成される金属酸化物層である。これに対し、第２トンネル障壁層１４２は、第２トンネル障壁層１４２に積層された金属層である拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層１４１から拡散する酸素によって酸化されてなる金属酸化物層である。

【0036】

第１トンネル障壁層１４１及び第２トンネル障壁層１４２の各々にて、金属原子の数量に対する酸素原子の数量を組成比とすると、第２トンネル障壁層１４２の組成比は、第１トンネル障壁層１４１の組成比と同じ、あるいは第１トンネル障壁層１４１の組成比よりも小さい。なお、第１トンネル障壁層１４１と第２トンネル障壁層１４２との境界は、第１トンネル障壁層１４１の形成工程と第２トンネル障壁層１４２の形成工程との違いに基づき、仮想的に定められるものである。

【0037】

トンネル磁気抵抗素子の製造工程における第１トンネル障壁層１４１の機能からすれば、第２トンネル障壁層１４２は、第１トンネル障壁層１４１よりも薄いことが好ましい。例えば、第１トンネル障壁層１４１及び第２トンネル障壁層１４２がＭｇＯからなる場合、第２トンネル障壁層１４２は、０．２ｎｍ〜０．６ｎｍが好ましく、第１トンネル障壁層１４１は、０．８ｎｍであることが好ましい。

【0038】

第２磁性層１５は、その磁化方向を第１磁性層１３の磁化方向に対して平行と反平行とに反転させる強磁性層である。第２磁性層１５には、例えば（００１）配向を有するＣｏＦｅＢ合金結晶が適用される。ちなみに、ＣｏＦｅＢ合金結晶の組成は、例えばＣｏ_ｘＦｅ_ｙＢ_{（１- ｘ- ｙ）}と表記される組成式において、０．２≦ｘ≦０．４、０．４≦ｙ≦０．９を満たす。なお、第２磁性層１５には、ＣｏＦｅＢ合金結晶の他、ＣｏＦｅＢ合金系、すなわちＣｏＦｅＢ合金にリン又は炭素が添加された合金が適用される。また、第１磁性層１３には、ＣｏＦｅＢ合金系の他、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも一つを含む強磁性材料、例えばＣｏＦｅやＦｅＮｉが適用される。第１磁性層１３の膜厚は、例えば垂直磁化を確実なものとするうえで、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0039】

キャッピング層１６は、第２磁性層１５と配線との電気的接続を安定させ、また第２磁性層１５の平滑且つ均質な結晶化を促す層である。キャッピング層１６には、例えばＴａ層１６ａ、Ｒｕ層１６ｂが第２磁性層１５側からこの順に積層された積層構造が適用される。ちなみに、例えばＴａ層１６ａの膜厚は５ｎｍであり、Ｒｕ層１６ｂの膜厚は１０ｎｍである。

【0040】

そして、第１磁性層１３の磁化方向と第２磁性層１５の磁化方向とが互いに平行な状態から、トンネル磁気抵抗素子に対して外部磁場が印加されると、第１磁性層１３の磁化方向が維持される一方、第２磁性層１５の磁化方向が外部磁場に応じて反転する。これによって、第１磁性層１３及び第２磁性層１５における磁化方向が、平行状態から反平行状態に切り替わる。

【0041】

ここで、第１磁性層１３の磁化方向と第２磁性層１５の磁化方向とが平行状態である場合には、第１磁性層１３の磁化方向と第２磁性層１５の磁化方向とが反平行である場合と比べて、トンネル障壁層１４におけるトンネル障壁が小さい。そのため、第１磁性層１３と第２磁性層１５との間における電気抵抗は、平行状態において小さく、反平行状態において大きい。それゆえに、トンネル磁気抵抗素子に流れる電流の大小によって、第１磁性層１３の磁化方向と第２磁性層１５の磁化方向とが、平行状態であるか、あるいは反平行状態であるかを検出することが可能になる。
［トンネル磁気抵抗素子の製造装置］

【0042】

次に、本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造装置について、図２及び図３を参照して説明する。まず、トンネル磁気抵抗素子の製造装置を構成する各形成部の装置構成について、図２を参照して説明する。

【0043】

トンネル磁気抵抗素子の製造装置は、基板１１を搬送する基板搬送ロボット２０Ｒが搭載された搬送部としての搬送チャンバー２０を有するクラスター装置である。搬送チャンバー２０の周囲には、７つの真空チャンバーが連通可能に連結されている。

【0044】

搬入出チャンバー２１には、基板１１を搬送する搬入出ロボット２１Ｒが搭載されている。搬入出ロボット２１Ｒは、トンネル磁気抵抗素子が形成される前の基板１１を外部から搬送チャンバー２０へ搬入し、また、トンネル磁気抵抗素子が形成された基板１１を搬送チャンバー２０から外部へ搬出する。

【0045】

熱処理チャンバー２２には、搬送チャンバー２０から搬入される基板１１を所定の温度に加熱する熱処理ヒーター２２Ｈが搭載されている。熱処理チャンバー２２は、搬送チャンバー２０から搬入される基板１１を熱処理ヒーター２２Ｈの加熱によって昇温させ、当該基板１１の昇温によって、基板１１の表面に吸着したガスを基板１１から取り除いたり、基板１１上の非晶質膜の結晶化を促したりする。

【0046】

洗浄チャンバー２３には、不活性ガスのプラズマを生成する洗浄用プラズマ源２３Ｐが搭載されている。洗浄チャンバー２３は、搬送チャンバー２０から搬入される基板１１上に対し、洗浄用プラズマ源２３Ｐの生成するプラズマを照射し、当該プラズマの照射によって、基板１１の表層である酸化層を取り除く。

【0047】

第１スパッタチャンバー２４には、３つのターゲットＴを有する第１カソード２４Ｃが搭載されている。第１スパッタチャンバー２４は、３つのターゲットＴに対して各別に高周波電圧を印可することにより、搬送チャンバー２０から搬入される基板１１に対し、各ターゲットＴから放出される粒子を堆積させる。第１スパッタチャンバー２４に搭載されるターゲットＴには、バッファ層１２及びキャッピング層１６の構成材料からなるターゲット、例えばＴａターゲットが適用される。

【0048】

第２スパッタチャンバー２５は、第１磁性層形成部及び第２磁性層形成部を構成する成膜チャンバーである。この第２スパッタチャンバー２５には、３つのターゲットＴを有する第２カソード２５Ｃが搭載されている。第２スパッタチャンバー２５は、３つのターゲットＴに対して各別に直流電圧を印加することにより、搬送チャンバー２０から搬入される基板１１に対し、各ターゲットＴから放出される粒子を堆積させる。第２スパッタチャンバー２５に搭載されるターゲットＴには、バッファ層１２、第１磁性層１３、第２磁性層１５、及びキャッピング層１６の構成材料からなるターゲット、例えばＣｏＦｅＢ合金ターゲット、及びＲｕターゲットが適用される。

【0049】

第３スパッタチャンバー２６は、障壁層形成部及び金属層形成部を構成する成膜チャンバーである。この第３スパッタチャンバー２６には、３つのターゲットＴを有する第３カソード２６Ｃが搭載されている。第３スパッタチャンバー２６は、３つのターゲットＴに対して各別に直流電圧を印加することにより、搬送チャンバー２０から搬入される基板１１に対し、各ターゲットＴから放出される粒子を堆積させる。第３スパッタチャンバー２６に搭載されるターゲットＴには、トンネル障壁層１４の構成材料からなるターゲット、例えばＭｇターゲットが適用される。

【0050】

酸化チャンバー２８は、金属層酸化部を構成するプラズマ処理チャンバーである。この酸化チャンバー２８には、酸素プラズマや酸素ラジカル等の活性酸素を生成する酸化プラズマ源２８Ｐと、基板１１を加熱する酸化ヒーター２８Ｈとが搭載されている。酸化チャンバー２８は、搬送チャンバー２０から搬入される基板１１に対する酸化ヒーター２８Ｈによる加熱と、基板１１に対する酸化プラズマ源２８Ｐによるプラズマ照射とによって、基板１１の表面を酸化する。
次に、トンネル磁気抵抗素子の製造装置における電気的構成について製造装置が有する制御装置３０を中心に図３を参照して説明する。

【0051】

制御装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを有するマイクロコンピューターを中心に構成される制御部３０Ａと、ハードディスク装置等の大容量記憶装置から構成される記憶部３０Ｂと、外部からの入力信号の入力処理や外部への出力信号の出力処理を行う入出力部３０Ｃとを有する。記憶部３０Ｂは、トンネル磁気抵抗素子の製造装置が有する各真空チャンバーを駆動してトンネル磁気抵抗素子を製造するための製造プログラムを格納する。制御部３０Ａは、記憶部３０Ｂが格納する製造プログラムを読み出して実行し、各真空チャンバーの駆動の態様を制御する制御信号を製造プログラムに従って生成する。

【0052】

制御装置３０には、ヒューマンインターフェースとなる入力装置３１が接続されている。入力装置３１は、基板１１の搬送経路に関するデータ、及び各真空チャンバーでの処理条件に関するデータを制御装置３０に出力する。入出力部３０Ｃは、入力装置３１から出力された各種のデータの入力処理を行い、制御部３０Ａは、入出力部３０Ｃの入力処理を通じて、入力処理後の各種のデータを記憶部３０Ｂに格納する。

【0053】

制御装置３０には、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄと搬入出ロボット駆動部２１Ｄとが接続されている。制御装置３０は、基板搬送ロボット２０Ｒの駆動の態様を制御するための制御信号を基板搬送ロボット駆動部２０Ｄに出力し、また、搬入出ロボット２１Ｒの駆動の態様を制御するための制御信号を搬入出ロボット駆動部２１Ｄに出力する。そして、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄは、制御装置３０からの制御信号に応じて基板搬送ロボット２０Ｒを駆動するための駆動信号を生成して基板搬送ロボット２０Ｒに出力する。また、搬入出ロボット駆動部２１Ｄは、制御装置３０からの制御信号に応じて搬入出ロボット２１Ｒを駆動するための駆動信号を生成して搬入出ロボット２１Ｒに出力する。

【0054】

制御装置３０には、熱処理ヒーター駆動部２２Ｄと洗浄用プラズマ源駆動部２３Ｄとが接続されている。制御装置３０は、熱処理ヒーター２２Ｈの駆動の態様を制御するための制御信号を熱処理ヒーター駆動部２２Ｄに出力し、また、洗浄用プラズマ源駆動部２３Ｄの駆動の態様を制御するための制御信号を洗浄用プラズマ源駆動部２３Ｄに出力する。そして、熱処理ヒーター駆動部２２Ｄは、制御装置３０からの制御信号に応じて熱処理ヒーター２２Ｈを駆動するための駆動信号を生成して熱処理ヒーター２２Ｈに出力する。また、洗浄用プラズマ源駆動部２３Ｄは、制御装置３０からの制御信号に応じて洗浄用プラズマ源２３Ｐを駆動するための駆動信号を生成して洗浄用プラズマ源２３Ｐに出力する。

【0055】

制御装置３０には、第１カソード駆動部２４Ｄ、第２カソード駆動部２５Ｄ、及び第３カソード駆動部２６Ｄが接続されている。制御装置３０は、第１カソード２４Ｃの駆動の態様を制御するための制御信号を第１カソード駆動部２４Ｄに出力する。また、制御装置３０は、第２カソード２５Ｃの駆動の態様を制御するための制御信号を第２カソード駆動部２５Ｄに出力し、また、第３カソード２６Ｃの駆動の態様を制御するための制御信号を第３カソード駆動部２６Ｄに出力する。そして、第１カソード駆動部２４Ｄ、第２カソード駆動部２５Ｄ、及び第３カソード駆動部２６Ｄの各々は、制御装置３０からの制御信号に応じて、第１カソード２４Ｃ、第２カソード２５Ｃ、及び第３カソード２６Ｃを駆動するための駆動信号を生成して出力する。

【0056】

制御装置３０には、酸化プラズマ源駆動部２８Ｄ及び酸化ヒーター駆動部２８Ｇが接続されている。制御装置３０は、酸化プラズマ源２８Ｐの駆動の態様を制御するための制御信号を酸化プラズマ源駆動部２８Ｄに出力し、また、酸化ヒーター２８Ｈの駆動の態様を制御するための制御信号を酸化ヒーター駆動部２８Ｇに出力する。そして、酸化プラズマ源駆動部２８Ｄは、制御装置３０からの制御信号に応じて、酸化プラズマ源２８Ｐを駆動するための駆動信号を生成して酸化プラズマ源２８Ｐに出力する。また、酸化ヒーター駆動部２８Ｇは、制御装置３０からの制御信号に応じて、酸化ヒーター２８Ｈを駆動するための駆動信号を生成して酸化ヒーター２８Ｈに出力する。
［トンネル磁気抵抗素子の製造方法］

【0057】

次に、上述したトンネル磁気抵抗素子の製造装置を用いるトンネル磁気抵抗素子の製造方法について、図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、下記層構造からなるトンネル磁気抵抗素子の製造方法を例示する。
・バッファ層１２ ：Ta/Ru/Ta
・第１磁性層１３ ：CoFeB
・トンネル障壁層１４ ：MgO
・第２磁性層１５ ：CoFeB
・キャッピング層１６ ：Ta/Ru/Ta

【0058】

制御装置３０が製造プログラムの実行を開始すると、まず、制御装置３０は、基板の搬送経路と各真空チャンバーの処理条件とを読み出す。次いで、制御装置３０は、搬入出ロボット駆動部２１Ｄによる搬入出ロボット２１Ｒの駆動と、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動とにより、搬入出チャンバー２１内の基板１１を熱処理チャンバー２２に搬送する。続いて、制御装置３０は、熱処理ヒーター駆動部２２Ｄによる熱処理ヒーター２２Ｈの駆動により、基板１１の表面に吸着したガスを基板１１の表面から取り除く。例えば、制御装置３０は、基板１１を１５０℃に加熱して基板１１の表面から水分を取り除く。

【0059】

基板１１の表面からガスが取り除かれると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、熱処理チャンバー２２内の基板１１を洗浄チャンバー２３に搬送する。続いて、制御装置３０は、洗浄用プラズマ源駆動部２３Ｄによる洗浄用プラズマ源２３Ｐの駆動により、基板１１の表層である酸化層を取り除く。例えば、制御装置３０は、アルゴンガスから生成されるプラズマにより基板１１の表層をスパッタして基板１１の表層である酸化層を取り除く（ステップＳ１１）。

【0060】

基板１１の表層である酸化層が取り除かれると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、洗浄チャンバー２３内の基板１１を第１スパッタチャンバー２４、第２スパッタチャンバー２５、第１スパッタチャンバー２４の順に搬送する。そして、制御装置３０は、第１カソード駆動部２４Ｄによる第１カソード２４Ｃの駆動によりＴａ層１２ａを形成し、第２カソード駆動部２５Ｄによる第２カソード２５Ｃの駆動によりＲｕ層１２ｂを形成し、第１カソード駆動部２４Ｄによる第１カソード２４Ｃの駆動によりＴａ層１２ｃを形成する。これにより、制御装置３０は、Ｔａ層１２ａ、Ｒｕ層１２ｂ、Ｔａ層１２ｃからなるバッファ層１２を基板１１上に形成する（ステップＳ１２）

【0061】

バッファ層が形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、第１スパッタチャンバー２４内の基板１１を第２スパッタチャンバー２５に搬送する。そして、制御装置３０は、第２カソード駆動部２５Ｄによる第２カソード２５Ｃの駆動により、非晶質のＣｏＦｅＢ合金層を第１磁性層として形成する。例えば、制御装置３０は、ＣｏＦｅＢ合金からなるターゲットＴをスパッタして、膜厚が１ｎｍのＣｏＦｅＢ合金層を形成する（ステップＳ１３）。

【0062】

第１磁性層が形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、第１スパッタチャンバー２４内の基板１１を第３スパッタチャンバー２６に搬送する。そして、制御装置３０は、第３カソード駆動部２６Ｄによる第３カソード２６Ｃの駆動により、非晶質のＭｇ層を障壁用金属層として形成する。例えば、制御装置３０は、ＭｇからなるターゲットＴをスパッタして、膜厚が０．８ｎｍのＭｇ層を形成する（ステップＳ１４）。

【0063】

障壁用金属層が形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、第３スパッタチャンバー２６内の基板１１を酸化チャンバー２８に搬送する。そして、制御装置３０は、酸化ヒーター駆動部２８Ｇによる酸化ヒーター２８Ｈの駆動により基板１１を加熱し、また、酸化プラズマ源駆動部２８Ｄによる酸化プラズマ源２８Ｐの駆動によりＭｇ層の酸化を行う。これにより、制御装置３０は、非晶質のＭｇＯ層を第１トンネル障壁層１４１として形成する。例えば、制御装置３０は、Ｍｇ層に対する１５０℃以下の加熱と、Ｍｇ層に対する酸素プラズマの照射とを行い、ＭｇＯ層を形成する（ステップＳ１５）。

【0064】

第１トンネル障壁層１４１が形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、酸化チャンバー２８内の基板１１を第３スパッタチャンバー２６に搬送する。そして、制御装置３０は、第３カソード駆動部２６Ｄによる第３カソード２６Ｃの駆動により、拡散抑制金属層としてのＭｇ層を形成する。例えば、制御装置３０は、ＭｇからなるターゲットＴをスパッタして、膜厚が０．４ｎｍのＭｇ層を形成する（ステップＳ１６）。

【0065】

拡散抑制金属層が形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、第３スパッタチャンバー２６内の基板１１を第２スパッタチャンバー２５に搬送する。そして、制御装置３０は、第２カソード駆動部２５Ｄによる第２カソード２５Ｃの駆動により、第２磁性層としてのＣｏＦｅＢ合金層を形成する。例えば、制御装置３０は、ＣｏＦｅＢ合金からなるターゲットＴをスパッタして、膜厚が１ｎｍのＣｏＦｅＢ合金層を形成する（ステップＳ１７）。

【0066】

第２磁性層が形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、第２スパッタチャンバー２５内の基板１１を第１スパッタチャンバー２４、第２スパッタチャンバー２５、第１スパッタチャンバー２４の順に搬送する。そして、制御装置３０は、第１カソード駆動部２４Ｄによる第１カソード２４Ｃの駆動によりＴａ層１６ａを形成し、第２カソード駆動部２５Ｄによる第２カソード２５Ｃの駆動によりＲｕ層１６ｂを形成する。これにより、制御装置３０は、Ｔａ層１６ａとＲｕ層１６ｂとからなるキャッピング層１６を基板１１上に形成する（ステップＳ１８）。

【0067】

キャッピング層１６が形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、第１スパッタチャンバー２４内の基板１１を熱処理チャンバー２２に搬送する。そして、制御装置３０は、熱処理ヒーター駆動部２２Ｄによる熱処理ヒーター２２Ｈの駆動により、基板１１上に形成された非晶質膜の結晶化を促す。例えば、有磁場の雰囲気で基板１１を３６０℃に１時間保持する（ステップＳ１９）。これにより、第１トンネル障壁層１４１が（００１）配向を有する結晶となり、これに伴い、第１磁性層１３としてのＣｏＦｅＢ合金層、及び第２磁性層１５としてのＣｏＦｅＢ合金層も（００１）配向を有する結晶となる。
［実施例１］

【0068】

次に、上述した拡散抑制金属層の膜厚とトンネル磁気抵抗素子の素子抵抗値との関係、及び拡散抑制金属層の膜厚とトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比との関係について、図５を参照して説明する。

【0069】

上述したトンネル磁気抵抗素子の製造方法を用い、下記層構造からなる実施例１のトンネル磁気抵抗素子を得た。この際、障壁用金属層であるＭｇ層の膜厚を０．８ｎｍに維持し、拡散抑制金属層であるＭｇ層の膜厚を０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．６ｎｍに変更した。そして、拡散抑制金属層の膜厚が互いに異なる３種類のトンネル磁気抵抗素子の各々について、素子抵抗値（ＲＡ値）と磁気抵抗比（ＭＲ比）とを計測した。
・バッファ層１２ ：Ta(5nm)/Cu(20nm)/Ta(5nm)
・第１磁性層１３ ：CoFe(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2.5nm)
・トンネル障壁層１４ ：MgO
・障壁用金属層 ：Mg
・拡散抑制金属層 ：Mg
・第２磁性層１５ ：CoFeB(3.0nm)
・キャッピング層１６ ：Ta(5nm)/Ru(12nm)

【0070】

図５に示されるように、トンネル磁気抵抗素子の素子抵抗値は、拡散抑制金属層の膜厚が０．２ｎｍである場合に最も低く、拡散抑制金属層の膜厚が０．４ｎｍである場合に最も高い。また、トンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比は、拡散抑制金属層の膜厚が０．２ｎｍにおいて最も低く、拡散抑制金属層の膜厚が０．４ｎｍにおいて最も高い。こうした素子抵抗値の膜厚依存性、及び磁気抵抗比の膜厚依存性は、下記２つの傾向を示すものである。
・拡散抑制金属層の厚さが厚くなるほど、第２磁性層１５の酸化が抑えられる。
・拡散抑制金属層の厚さが薄くなるほど、拡散抑制金属層の酸化の不足が抑えられる。

【0071】

なお、障壁用金属層の酸化が過剰に行われるとしても、第１トンネル障壁層１４１における酸素が所望の含有量の２倍になることは希である。そのため、上述したように、拡散抑制金属層の厚さが薄くなるほど、拡散抑制金属層の酸化の不足が抑えられることを鑑みれば、拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層１４１よりも薄いことが好ましい。さらには、上述した実施例における計測結果を鑑みれば、拡散抑制金属層の膜厚が第１トンネル障壁層１４１の半分であることがより好ましい。
［試験例］

【0072】

次に、上述した障壁用金属層を酸化する際の基板１１の温度と障壁用金属層の膜厚との関係、及び障壁用金属層を酸化する際の基板１１の温度と素子抵抗値及び磁気抵抗比との関係について、図６及び図７を参照して説明する。

【0073】

基板１１上に膜厚が３ｎｍのＴａ層を形成し、該Ｔａ層上に膜厚が５０ｎｍのＭｇ層を障壁用金属層として形成し、これにより複数の試験例の積層体を得た。そして、試験例の積層体を、１．３３ｍＰａの雰囲気で、７５℃、１００℃、１５０℃、２５０℃の各々の温度で９００秒間加熱し、加熱後におけるＭｇ層の膜厚を測定した。

【0074】

図６に示されるように、Ｍｇ層の温度が１５０℃よりも高くなると、Ｍｇ層の膜厚が急激に低下することが認められた。これは、障壁用金属層としてＭｇ層が用いられる場合、障壁用金属層の酸化に際し、障壁用金属層の温度が１５０℃以下であることが好ましいことを示すものである。詳述すると、Ｍｇ層の温度が１５０℃以下であれば、Ｍｇの蒸発が抑えられ、Ｍｇ層の温度が１５０℃以下となる環境でＭｇ層の酸化が進めば、第１トンネル障壁層１４１の形成に要する時間が短くなることを示すものでもある。
［実施例２］

【0075】

次に、上述した障壁用金属層を酸化する際の基板の温度とトンネル磁気抵抗素子の素子抵抗値との関係、及び障壁用金属層を酸化する際の基板の温度とトンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比との関係について、図７を参照して説明する。

【0076】

上述したトンネル磁気抵抗素子の製造方法を用い、下記層構造からなる実施例２のトンネル磁気抵抗素子を得た。この際、障壁用金属層を酸化する際の基板の温度を７５℃、１００℃、１２５℃、１５０℃に変更した。そして、障壁用金属層を酸化する際の基板の温度が互いに異なる４種類のトンネル磁気抵抗素子の各々について、素子抵抗値と磁気抵抗比とを計測した。
・バッファ層１２ ：Ta(5nm)/Cu(20nm)/Ta(5nm)
・第１磁性層１３ ：CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(2.5nm)
・第１トンネル障壁層１４１ ：MgO(0.8nm)
・拡散抑制金属層 ：Mg(0.4nm)
・第２磁性層１５ ：CoFeB(3.0nm)
・キャッピング層１６ ：Ta(5nm)/Ru(12nm)

【0077】

図７に示されるように、トンネル磁気抵抗素子の素子抵抗値は、障壁用金属層を酸化する際の基板の温度が高くなるほど高くなることが認められた。また、トンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比は、障壁用金属層を酸化する際の基板の温度が１００℃〜１２５℃の範囲で最も高くなることが認められた。これは、障壁用金属層を酸化する際の基板面内における温度が１００℃以上１２５℃以下であれば、トンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比に関し、その面内均一性が確保されることを示すものである。なお、加熱時間は３０秒〜１００秒であっても、ＲＡ値を本デバイスが実質的に動作可能である１０Ω・μｍ^２以上とすることが可能であり、大幅なプロセス時間の短縮が認められた。
以上説明したように、第１実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。

【0078】

（１）トンネル障壁層１４が第１磁性層１３と第２磁性層１５とに挟まれてなる積層体が加熱される際、第１トンネル障壁層１４１と第２磁性層１５との間には、第１トンネル障壁層を構成する金属元素と同一の金属元素からなる拡散抑制金属層が挟まれている。

【0079】

そのため、第１トンネル障壁層１４１から酸素が拡散する程度に積層体が加熱されるとしても、第１トンネル障壁層１４１から拡散される酸素は、まず、拡散抑制金属層の酸化に消費される。その結果、第２磁性層１５の酸化を抑えることが可能であるから、第２磁性層１５の酸化によってトンネル磁気抵抗効果が低下することを抑えることが可能となる。

【0080】

（２）拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層１４１よりも薄いため、拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層１４１と同じ膜厚、あるいは拡散抑制金属層が第１トンネル障壁層１４１よりも厚い場合と比べて、酸化のされない金属元素が第１トンネル障壁層１４１と第２磁性層１５との間に残ることを抑えることが可能になる。それゆえに、拡散抑制金属層の金属元素が酸化されないことによるトンネル磁気抵抗効果の低下を抑えることが可能になる。

【0081】

（３）障壁用金属層が第１磁性層１３上に形成され、その後、障壁用金属層が酸化されることによって第１トンネル障壁層１４１が形成される。そのため、金属元素の量と酸素の量とが第１磁性層１３上にて格別に変わることから、金属元素の量と酸素の量とが同時に変わる場合と比べて、第１トンネル障壁層１４１における組成の調整が容易になる。

【0082】

（４）しかも、障壁用金属層に対する酸化が過剰に行われる場合であっても、過剰な酸素は、拡散抑制金属層で消費されることになる。それゆえに、上記（１）に記載のように、第１トンネル障壁層１４１に拡散抑制金属層が形成される方法であれば、第２磁性層１５の酸化によってトンネル磁気抵抗効果が低下することを抑えることに加え、障壁用金属層に対する酸化の度合いの誤差に関し、その許容範囲を大きくすることが可能にもなる。

【0083】

（５）第１トンネル障壁層１４１及び第２トンネル障壁層１４２の形成材料であるＭｇＯが、積層体を加熱する工程によって結晶化される。そのため、ＭｇＯが結晶化される工程と積層体が加熱される工程とが格別に実施される場合と比べて、トンネル磁気抵抗素子の製造方法に必要とされる工程数を低減することが可能にもなる。

【0084】

（６）第１磁性層１３及び第２磁性層１５の各々の膜厚が、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であるため、垂直磁化型のトンネル磁気抵抗素子を製造することが可能になる。そして、このように非常に薄い第２磁性層１５に対してそれの酸化が抑えられるため、上記（１）に記載の効果が、より顕著なものとなる。

【0085】

（７）第３スパッタチャンバー２６が、障壁用金属層と拡散抑制金属層との双方を形成するため、これら障壁用金属層と拡散抑制金属層とが各別の真空チャンバーによって形成される構成と比べて、トンネル磁気抵抗素子の製造装置の構成を簡素化することが可能になる。
（第２実施形態）

【0086】

本開示の技術におけるトンネル磁気抵抗素子の製造方法の第２実施形態について、図５〜８を参照して以下に説明する。なお、第２実施形態では、拡散抑制金属層が形成される前に、酸化された障壁用金属層が加熱されることが、第１実施形態と異なる。そのため、以下では、第１実施形態との違いを主に説明し、第１実施形態と重複する点の説明を割愛する。

【0087】

図５に示されるように、非晶質のＭｇＯ層が第１トンネル障壁層１４１として形成されると、制御装置３０は、基板搬送ロボット駆動部２０Ｄによる基板搬送ロボット２０Ｒの駆動により、酸化チャンバー２８内の基板１１を熱処理チャンバー２２に搬送する。そして、制御装置３０は、熱処理ヒーター駆動部２２Ｄによる熱処理ヒーター２２Ｈの駆動により、非晶質のＭｇＯ層に対して結晶化を促す。例えば、制御装置３０は、有磁場の雰囲気で基板１１を３６０℃に１時間保持する。これにより、第１トンネル障壁層１４１が（００１）配向を有する結晶となり、これに伴い、第１磁性層１３としてのＣｏＦｅＢ合金層も（００１）配向を有する結晶となる。

【0088】

以後、第１実施形態と同じく、拡散抑制金属層の形成（ステップＳ１６）、第２磁性層１５の形成（ステップＳ１７）、キャッピング層１６の形成（ステップＳ１８）、及び積層体の加熱工程（ステップＳ１９）がこの順に行われる。
以上説明したように、第２実施形態によれば、上記（１）〜（７）に準じた効果に加えて、以下に列挙する効果が得られる。

【0089】

（８）第１磁性層１３及び第１トンネル障壁層１４１からなる第１積層体に対する熱処理と、第１トンネル障壁層１４１、拡散抑制金属層、及び第２磁性層１５からなる第２積層体に対する熱処理とが各別に行われる。そのため、第１積層体に対して行われる熱処理の条件と第２積層体に対して行われる熱処理の条件とを互いに異なる条件とすることが可能となる。それゆえに、第１積層体における各層の膜厚や組成に応じた熱処理を行うこと、第２積層体における各層の膜厚や組成に応じた熱処理を行うこと、これらが可能になる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。

【0090】

・第１磁性層及び第２磁性層には、規則合金系材料、アモルファス合金系材料、多層膜人工格子系材料が適用可能である。規則合金系材料には、例えばＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｄが適用可能である。アモルファス合金系材料には、例えばＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏが適用可能である。多層膜人工格子系材料には、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｐｄが適用可能である。

【0091】

・障壁用金属層が酸化される工程には、プラズマ酸化法の他、酸素ラジカルのみによる酸化方法、自然酸化法、これらに加えて紫外線の照射により酸化を促す方法が適用可能である。

【0092】

なお、障壁用金属層として、例えば０．８ｎｍの膜厚からなるＭｇ層が用いられる場合、室温に維持されるＭｇ層を１Ｐａ〜１０００Ｐａの酸素雰囲気に６００秒〜１０００秒間曝す。このような自然酸化法であれば、プラズマ酸化法と比べて酸化の速度が遅いため、障壁用金属層における酸化の状態を高い精度で再現することが可能になる。
また、酸素ラジカルのみによる酸化方法がとられる場合には、ＲＡ値が１０Ω・μｍ^２以上になるのにおよそ１０秒〜４０秒の酸化で十分であるから、各段にプロセス時間を短縮することが可能である。

【0093】

・第１トンネル障壁層１４１が形成される工程には、第１トンネル障壁層１４１を構成する金属元素の酸化物そのものを基板に堆積させる方法が適用可能である。このような方法に用いられる製造装置は、障壁用金属層を酸化するための酸化チャンバーを省略して装置構成の簡素化を図ることが可能である。
・また、この際、酸化物そのものの堆積により、第１トンネル障壁層１４１が所望の配向を有する方法であってもよい。このような方法であれば、第１トンネル障壁層１４１を結晶化するための加熱を省略することが可能になる。

【0094】

・積層体を加熱する工程がトンネル磁気抵抗素子の製造装置以外で行われる方法であってもよい。このような方法に用いられる製造装置は、積層体を加熱するための熱処理チャンバーを省略して装置構成の簡素化を図ることが可能である。
・障壁用金属層を形成する真空チャンバーを第１の金属層形成部とし、拡散抑制金属層を形成する真空チャンバーを第２の金属層形成部とし、これらが互いに異なる真空チャンバーとしてもよい。このような構成であれば、１つの基板における障壁用金属層の形成と、他の基板における拡散抑制金属層の形成とが、同じタイミングで行われることも可能であるから、トンネル磁気抵抗素子の生産性を高めることが可能にもなる。

【0095】

・第２実施形態において第１トンネル障壁層１４１が結晶化される工程は、拡散抑制金属層が形成された後であって、且つ第２磁性層１５が形成される前であってもよい。

【0096】

・第２磁性層１５が形成される前に、拡散抑制金属層上に、第１トンネル障壁層１４１とは異なる他のトンネル障壁層であって、且つ第１トンネル障壁層１４１と同じ金属酸化物からなる第３トンネル障壁層が形成されてもよい。すなわち、第２磁性層１５と接触する金属酸化物層である第３トンネル障壁層が、拡散抑制金属層と第２磁性層１５との間に形成されてもよい。このような方法であっても、第１磁性層１３と第２磁性層１５との間に必要とされるトンネル障壁層の厚さが同じであるという前提では、拡散抑制金属層が形成される分、第２磁性層に対する酸素の拡散を抑えることは可能である。

【符号の説明】

【0097】

Ｔ…ターゲット、１１…基板、１２…バッファ層、１２ａ，１２ｃ，１６ａ…Ｔａ層、１２ｂ，１６ｂ…Ｒｕ層、１３…第１磁性層、１４…トンネル障壁層、１５…第２磁性層、１６…キャッピング層、２０…搬送チャンバー、２０Ｄ…基板搬送ロボット駆動部、２０Ｒ…基板搬送ロボット、２１…搬入出チャンバー、２１Ｄ…搬入出ロボット駆動部、２１Ｒ…搬入出ロボット、２２…熱処理チャンバー、２２Ｄ…熱処理ヒーター駆動部、２２Ｈ…熱処理ヒーター、２３…洗浄チャンバー、２３Ｄ…洗浄用プラズマ源駆動部、２３Ｐ…洗浄用プラズマ源、２４…第１スパッタチャンバー、２４Ｃ…第１カソード、２４Ｄ…第１カソード駆動部、２５…第２スパッタチャンバー、２５Ｃ…第２カソード、２５Ｄ…第２カソード駆動部、２６…第３スパッタチャンバー、２６Ｃ…第３カソード、２６Ｄ…第３カソード駆動部、２８…酸化チャンバー、２８Ｄ…酸化プラズマ源駆動部、２８Ｇ…酸化ヒーター駆動部、２８Ｈ…酸化ヒーター、２８Ｐ…酸化プラズマ源、３０…制御装置、３０Ａ…制御部、３０Ｂ…記憶部、３０Ｃ…入出力部、３１…入力装置、１４１…第１トンネル障壁層、１４２…第２トンネル障壁層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】